DE102018108936A1

DE102018108936A1 - Formmesssystem und Formmessverfahren

Info

Publication number: DE102018108936A1
Application number: DE102018108936.8A
Authority: DE
Inventors: Atsushi Taniguchi; Masahiro Watanabe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2018-04-16
Publication date: 2018-10-25
Also published as: JP2018179918A; US20180306573A1; US10794687B2; JP6968568B2

Abstract

Es sind ein System und ein Verfahren vorgesehen, wodurch aufeinander folgende Formen eines Messziels selbst dann genau gemessen werden können, wenn eine Bildgebungseinrichtung, die Bilder der Form des Messziels erfasst, entlang dem Messziel bewegt wird, während das Messziel mit Licht bestrahlt wird. Die vorliegende Erfindung umfasst eine Lichtquelle, einen Bestrahlungskörper, der das Messobjekt mit Licht von der Lichtquelle bestrahlt, einen Bildgebungskörper, der Bilder des Messobjekts auf der Grundlage des Lichts vom Bestrahlungskörper, mit dem das Messobjekt bestrahlt wurde, erfasst, einen Bewegungsmechanismus, der den Bestrahlungskörper und den Bildgebungskörper veranlasst, sich entlang dem Messobjekt zu bewegen, und eine Verarbeitungseinheit, die eine Datenverarbeitung zur Messung der Form des Messobjekts auf der Grundlage von Bildern des Messobjekts ausführt, wobei der Bildgebungskörper zu jeder vorgegebenen Zeit bei der Bewegung entlang dem Messobjekt ein Bild des Messobjekts aufnimmt und wobei die Verarbeitungseinheit die Querschnittsform des Messobjekts und den Bewegungsmodus des Bewegungsmechanismus auf der Grundlage von Bildern des Messobj ekts bestimmt und die Form des Messobjekts auf der Grundlage der Querschnittsform und des Bewegungsmodus misst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formmesssystem und ein Formmessverfahren, wodurch die dreidimensionale Form eines Messziels berührungslos optisch gemessen werden kann.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Im Stand der Technik ist ein Verfahren zum berührungslosen optischen Messen der dreidimensionalen Form eines Messziels beispielsweise einer Innenfläche eines röhrenförmigen Körpers in der Art eines Tunnels oder eines Rohrs bekannt. Beispielsweise offenbart PTL 1 mit dem Ziel des Bereitstellens einer Innenflächenform-Messvorrichtung, wodurch gleichzeitig Entfernungsmessdaten in vertikaler Richtung entlang einer Innenfläche eines röhrenförmigen Körpers und Entfernungsmessdaten in einer in einem vorgegebenen Winkel zur vertikalen Richtung geneigten Richtung gemessen werden können, die Mittelachse des röhrenförmigen Körpers und der Neigungswinkel der Vorrichtung auf der Grundlage der gemessenen Daten berechnet werden können und die Innenfläche des röhrenförmigen Körpers durch Korrigieren von Positionskoordinaten auf der Grundlage des berechneten Neigungswinkels selbst dann, wenn die Messvorrichtung geneigt wird, genau gemessen werden kann, eine Innenflächenform-Messvorrichtung, welche die Innenflächenform eines röhrenförmigen Körpers dreidimensional misst und Folgendes aufweist: eine erste Entfernungsmessdaten-Detektionseinrichtung, die einen Laserstrahl in vertikaler Richtung entlang der Innenfläche des röhrenförmigen Körpers einstrahlt und Entfernungsmessdaten jeder Orientierung des Laserstrahls, mit dem die Innenfläche des röhrenförmigen Körpers bestrahlt wurde, ausgibt, eine zweite Entfernungsmessdaten-Detektionseinrichtung, die einen Laserstrahl in einer mit einem vorgegebenen Winkel in Bezug auf die vertikale Richtung entlang der Innenfläche des röhrenförmigen Körpers geneigten Richtung einstrahlt und Entfernungsmessdaten jeder Orientierung des Laserstrahls, mit dem die Innenfläche des röhrenförmigen Körpers bestrahlt wurde, ausgibt, eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen der ersten Entfernungsmessdaten-Detektionseinrichtung und der zweiten Entfernungsmessdaten-Detektionseinrichtung in axialer Richtung des röhrenförmigen Körpers, eine Positionskoordinaten-Erfassungseinrichtung, die jeweilige Positionskoordinaten bei der Bewegung der ersten Entfernungsmessdaten-Detektionseinrichtung und der zweiten Entfernungsmessdaten-Detektionseinrichtung mit der Bewegungseinrichtung detektiert, und eine Steuereinrichtung, welche die dreidimensionale Form der Innenfläche des röhrenförmigen Körpers durch Berechnen des Neigungswinkels der Bewegungseinrichtung und einer Achsenlinie des röhrenförmigen Körpers auf der Grundlage der von der ersten Entfernungsmessdaten-Detektionseinrichtung und der zweiten Entfernungsmessdaten-Detektionseinrichtung detektierten Entfernungsmessdaten und Korrigieren der von der Positionskoordinaten-Erfassungseinrichtung detektierten Positionskoordinaten auf der Grundlage des berechneten Neigungswinkels erzeugt.
Ferner offenbart PTL 2 mit dem Ziel des Bereitstellens einer Rohrinnenflächenform-Messvorrichtung, wodurch ein verschlechterter Zustand einer Rohrinnenfläche genau und schnell gemessen werden kann, eine Rohrinnenflächenform-Messvorrichtung, welche die Oberflächenform einer Rohrinnenfläche dreidimensional misst und Folgendes aufweist: eine Lichteinstrahlungseinrichtung, welche die Rohrinnenfläche durch Bewegen eines Lichtflecks in Umfangsrichtung entlang der Rohrinnenfläche bestrahlt, eine Bildgebungseinrichtung, die ein Bild der Oberflächenform der mit der Lichteinstrahlungseinrichtung bestrahlten Rohrinnenfläche erfasst, eine Bewegungseinrichtung, welche die Lichteinstrahlungseinrichtung und die Bildgebungseinrichtung in axialer Richtung der Rohrinnenfläche bewegt, eine Positionskoordinaten-Erfassungseinrichtung, die Positionskoordinaten der jeweiligen Einrichtung bei der Bewegung der jeweiligen Einrichtung mit der Bewegungseinrichtung detektiert, und eine Berechnungseinrichtung, welche die dreidimensionale Oberflächenform der Rohrinnenfläche auf der Grundlage durch die Bildgebungseinrichtung erfasster zweidimensionaler Bilder und der durch die Positionskoordinaten-Erfassungseinrichtung detektierten Positionskoordinaten berechnet.
ZITATLISTE
[PATENTLITERATUR]

[PTL 1] Ungeprüfte japanische Patentanmeldung 2012-2783
[PTL 2] Ungeprüfte japanische Patentanmeldung 2006-64690

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Wenngleich PTL 1 und PTL 2 jeweils die Messung der Querschnittsform eines röhrenförmigen Körpers offenbaren, tritt, weil die Bewegungsrichtung und die Bewegungsstrecke der Bildgebungseinrichtung auf der Grundlage des Odometrieverfahrens berechnet werden, das Problem auf, dass der Fehler in der Formmessung erheblich wird. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System und ein Verfahren bereitzustellen, wodurch aufeinander folgende Formen eines Messziels selbst dann genau gemessen werden können, wenn eine Bildgebungseinrichtung, die Bilder der Form des Messziels erfasst, entlang dem Messziel bewegt wird, während das Messziel mit Licht bestrahlt wird.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Zum Lösen der vorstehenden Aufgabe ist die vorliegende Erfindung ein Formmesssystem, das die Form eines Messobjekts misst und Folgendes aufweist: eine Lichtquelle, einen Bestrahlungskörper, der das Messobjekt mit Licht von der Lichtquelle bestrahlt, einen Bildgebungskörper, der Bilder des Messobjekts auf der Grundlage des Lichts vom Bestrahlungskörper, mit dem das Messobjekt bestrahlt wurde, erfasst, einen Bewegungsmechanismus, der den Bestrahlungskörper und den Bildgebungskörper veranlasst, sich entlang dem Messobjekt zu bewegen, und eine Verarbeitungseinheit, die eine Datenverarbeitung zur Messung der Form des Messobjekts auf der Grundlage von Bildern des Messobjekts ausführt, wobei der Bildgebungskörper zu jeder vorgegebenen Zeit bei der Bewegung entlang dem Messobjekt ein Bild des Messobj ekts aufnimmt, und wobei die Verarbeitungseinheit die Querschnittsform des Messobjekts und den Bewegungsmodus des Bewegungsmechanismus auf der Grundlage von Bildern des Messobj ekts bestimmt und die Form des Messobjekts auf der Grundlage der Querschnittsform und des Bewegungsmodus misst.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung können ein System und ein Verfahren bereitgestellt werden, wodurch aufeinander folgende Formen eines Messziels selbst dann genau gemessen werden können, wenn eine Bildgebungseinrichtung, die Bilder der Form des Messziels erfasst, entlang dem Messziel bewegt wird, während das Messziel mit Licht bestrahlt wird.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein Hardware-Blockdiagramm gemäß einer Ausführungsform des Formmesssystems,
2 eine perspektivische Ansicht einer Bildgebungseinheit des Formmesssystems,
3 eine Schnittansicht einer Bestrahlungseinheit des Formmesssystems in radialer Richtung,
4 ein Funktionsblockdiagramm einer Verarbeitungseinheit des Formmesssystems,
5 ein Flussdiagramm des vom Formmesssystem ausgeführten Messvorgangs,
6 ein Flussdiagramm des von der Verarbeitungseinheit des Formmesssystems ausgeführten Arbeitsvorgangs,
die 7 A) bis C) Bilder des Messobjekts, in die das Bild der Bildgebungseinheit des Formmesssystems für jede RGB-Farbe zerlegt wird,
8 ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen dem RGB-Transmissionsgrad und der Wellenlänge jeder Lichtquelle zeigt,
9 eine Querschnittsform zu jeder Messzeit des Messobjekts,
10 einen Bewegungsmodus einer Sonde, der anhand eines G-Bilds bzw. eines B-Bilds berechnet wird,
11 reale Formdaten des Gesamtmessziels,
12 ein Hardware-Blockdiagramm eines Messsystems gemäß der zweiten Ausführungsform,
13 eine Schnittansicht einer Bestrahlungseinheit des Messsystems gemäß der zweiten Ausführungsform und
14 ein Flussdiagramm des von einer Verarbeitungseinheit des Messsystems gemäß der zweiten Ausführungsform ausgeführten Arbeitsvorgangs.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird nun eine Ausführungsform des Formmesssystems gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt. Das Formmesssystem misst aufeinander folgende Formen eines Messziels durch Bewegen einer Sonde, die mehrere Laser unterschiedlicher Oszillationswellenlängen und eine Farbkamera aufweist, entlang dem Messziel. Das Formmesssystem berechnet und bestimmt den Bewegungsmodus (Bewegungsrichtung und/oder Bewegungsstrecke usw.) der Sonde auf der Grundlage der Bilddaten des Messziels und kann die Form des Messziels auf der Grundlage der Bilddaten des Messziels und des Bewegungsmodus der Sonde genau messen, während der durch Odometrie hervorgerufene Fehler beseitigt wird. Weil der Mechanismus zum Erkennen der Bewegungsstrecke der Sonde fortgelassen werden kann, indem die Abbildungseinrichtung in einer Sondenform konfiguriert wird, kann auch ein enges Messziel in der Art einer Innenfläche einer kleinen Rohrleitung mit einem Durchmesser von etwa einigen Millimetern gemessen werden.
1 zeigt ein Hardware-Blockdiagramm des Formmesssystems. Das Formmesssystem weist eine Messsonde 10, welche die Innenflächenform eines Messziels 1 misst, eine Verarbeitungseinheit 20, welche Ausgangssignale von der Messsonde 10 verarbeitet, und eine Steuereinheit 30, welche den Gesamtbetrieb des Formmesssystems steuert, auf. Die Verarbeitungseinheit 20 und die Steuereinheit 30 können jeweils aus getrennten Computern oder aus demselben Computer gebildet sein. Die Verarbeitungseinheit 20 behandelt den Bewegungsmodus (Bewegungsrichtung, Stellung, Position usw.) der Sonde 10 und die Form des Messobjekts 1 auf der Grundlage dreidimensionaler Koordinaten 50.
Die Messsonde 10, welche die Form des Messobjekts 1 misst, umfasst eine Bestrahlungseinheit 110, einen Kegelspiegel 130, der Licht von der Bestrahlungseinheit 110 ringförmig diffundiert, eine Bildgebungseinheit 140 (Betrachtungswinkel 145), welche das reflektierte Licht und das Streulicht detektiert, die sich aus dem in Kontakt mit dem Messziel 1 gelangenden ringförmigen Licht ergeben, und eine Glasröhre 150, welche die Bestrahlungseinheit 110, den Kegelspiegel 130 und die Bildgebungseinheit 140 verbindet. Die Lichtquelleneinheit 100 und die Bestrahlungseinheit 110 sind mit einer optischen Faser 120 verbunden. Die Sonde 10 ist ein Beispiel eines Bewegungsmechanismus, der die Bestrahlungseinheit 110 und die Bildgebungseinheit 140 innerhalb und entlang des Messziels bewegt.
Die Bildgebungseinheit 140 weist, wie in der perspektivischen Ansicht von 2 dargestellt ist, eine Abbildungslinse 141 und eine RGB-Farbkamera 142 auf. Zur Miniaturisierung der Messsonde kann die Abbildungslinse 141 eine Weitwinkellinse mit einem kleinen Durchmesser sein und kann die RGB-Farbkamera 142 eine Endoskopkamera sein.
Wie in 1 dargestellt ist, weist die Lichtquelleneinheit 100 Lichtquellen auf, welche jeweils den Wellenlängen der drei RGB-Farben der RGB-Farbkamera 142 entsprechen. Eine Bezugszahl 101 repräsentiert die Lichtquelle eines roten Lasers, eine Bezugszahl 102 repräsentiert die Lichtquelle einer grünen LED, und eine Bezugszahl 103 repräsentiert eine Lichtquelle eines blauen Lasers. Die drei Lichttypen werden von der Bestrahlungseinheit 110 eingestrahlt.
3 zeigt eine Schnittansicht der Bestrahlungseinheit 110 in radialer Richtung. Die Bestrahlungseinheit 110 weist mehrere Linsen zum Einstrahlen der jeweiligen RGB-Lichter auf. Eine Bezugszahl 111 repräsentiert eine rote Linse für das vom roten Laser 101 eingestrahlte Licht (1) . Eine Bezugszahl 112 repräsentiert eine grüne Linse für das von der grünen LED 102 eingestrahlte Licht, und eine Bezugszahl 113 repräsentiert eine blaue Linse für das vom blauen Laser 103 eingestrahlte Licht. Die rote Linse 111 ist im Zentrum der Bestrahlungseinheit 110 positioniert, und drei grüne Linsen 112 und drei blaue Linsen 113 sind entlang der Umfangsrichtung der roten Linse 111 alternierend angeordnet. Der rote Laser 101 wird infolge des Kegelspiegels 130 zu einem Lichtschnitt-Ringstrahl 161 (1) und wird verwendet, um das Messziel 1 zu bestrahlen.
Die rote Linse 111 verschmälert den roten Laserstrahl bei Bestrahlung des Messziels 1 auf eine Breite von einigen Pixeln. Die grüne Linse 112 bewirkt, dass das grüne LED-Licht bei der direkten Bestrahlung des Messziels 1 einen breiten Winkel 162 (1) aufweist. Der blaue Laserstrahl wird infolge des Kegelspiegels 130 zu einem Speckle-Ringstrahl 163 und wird verwendet, um das Messziel 1 zu bestrahlen. Der von der blauen Linse 113 emittierte blaue Laserstrahl nimmt eine Breite von einigen zehn Pixeln bis zu einigen hundert Pixeln an und wird verwendet, um das Messziel 1 in einem breiteren Bereich als durch den Lichtschnitt-Ringstrahl 161 zu bestrahlen.
Einzelheiten der Verarbeitungseinheit 20 sind im Funktionsblockdiagramm aus 4 dargestellt. Die Verarbeitungseinheit 20 umfasst ein Bilderzeugungsmodul 201, das die Ausgabe von der RGB-Farbkamera 142 der Bildgebungseinheit 140 verarbeitet und jeweilige zweidimensionale RGB-Bilder erzeugt, ein Querschnittsform-Berechnungsmodul 202, das die Querschnittsform des Messziels 1 anhand der vom Bilderzeugungsmodul 201 erzeugten Bilder berechnet und bestimmt, ein Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203, das die Bewegungsrichtung und die Bewegungsstrecke der Messsonde 10 anhand der vom Bilderzeugungsmodul 201 erzeugten Bilder berechnet und bestimmt, ein Formberechnungsmodul 204, das die Form des Messziels 1 unter Verwendung der vom Querschnittsform-Berechnungsmodul 202 berechneten Querschnittsform und des vom Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 berechneten Bewegungsmodus berechnet, ein Vergleichsmodul 205, das die Differenz zwischen den Berechnungsdaten der Gesamtform des Messobjekts 1, die vom Formberechnungsmodul 204 berechnet wurden, und den Entwurfsdaten davon auf der Grundlage dieser Berechnungsdaten und Entwurfsdaten berechnet, ein Extraktionsmodul 206, das, wenn die vom Vergleichsmodul 205 berechnete Differenz eine vorgegebene Schwelle überschreitet, diese Differenz als einen abnormalen Wert extrahiert, und ein Anzeigemodul 207, das den abnormalen Wert auf einem Bildschirm anzeigt. Die Verarbeitungseinheit 20 kann beispielsweise bei der Berechnung des Bewegungsmodus der Sonde 10 SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) verwenden. Es sei bemerkt, dass ein „Modul“ eine Konfiguration ist, die durch die Steuerressource (Steuereinrichtung) des Computers verwirklicht wird, der ein Computeranwendungsprogramm in der Art eines Messprogramms ausführt.
Die Steuereinheit 30 aus 1 steuert die Bewegung der Messsonde 10 und den Betrieb der Verarbeitungseinheit 20 zum Messen der dreidimensionalen Form des Messziels 1. Das Flussdiagramm des vom Formmesssystem ausgeführten Messvorgangs ist in 5 dargestellt. Messbedingungen in der Art der Rate, mit der Bilder von einer Eingabevorrichtung (nicht dargestellt) durch die Messsonde 10 erfasst werden, und der Laserausgangsleistung werden in der Steuereinheit 30 festgelegt (S100) . Als nächstes veranlasst die Steuereinheit 30 die Bildgebungseinheit 140, den Bildgebungsprozess einzuleiten, und veranlasst die Messsonde 10, mit demmanuellen oder automatischen Bewegen zu beginnen (S101) . Das Messsystem kann allgemein bekannte Bewegungssysteme zur Bewegung der Messsonde 10 in der Art einer Bewegung von Hand, eines automatischen Positioniertisches oder eines UAV (unbemanntes Luftfahrzeug) verwenden.
Die Messsonde 10 erfasst, während sie sich bewegt, Bilder des Messziels 1 von der RGB-Farbkamera 142 (S102) und überträgt die Bilddaten drahtgestützt oder drahtlos zur Verarbeitungseinheit 20 (S103). Die Verarbeitungseinheit 20 speichert die Bilddaten in einem Speicher, berechnet Informationen zur Querschnittsform des Messziels 1 sowie zum Bewegungsmodus (Vektor der Sonde 10), einschließlich der Position der Messsonde 10 und der Bewegungsrichtung (x-, y-, z-Richtung) der Messsonde 10 anhand der Bilddaten (S104) und berechnet die Form des Messziels auf der Grundlage der SLAM-Verarbeitung (S105). Die Verarbeitungseinheit 20 berechnet die Gesamtform des Messziels durch Wiederholen der Schritte S102 bis S105, bis die Messung abgeschlossen ist, unterbricht anschließend die Bewegung der Messsonde 10 und beendet dann die Erfassung der Bilder des Messziels (S106) . Es sei bemerkt, dass, während die Verarbeitungseinheit 20 die Form des Messziels jedes Mal dann, wenn die Bilddaten erfasst werden (die Querschnittsform und die Richtung des Messziels), berechnet, die Form des Messziels auch berechnet werden kann, nachdem alle Bilddaten des Messziels erfasst worden sind.
Der Betrieb der Verarbeitungseinheit 20 wird nun auf der Grundlage des Flussdiagramms aus 6 erklärt. Die Verarbeitungseinheit 20 berechnet die Form des Messziels 1 auf der Grundlage der von der Messsonde 10 erfassten Bilder anschließend und führt danach eine Vergleichsverarbeitung aus und zeigt die Ergebnisse an.
Das Bilderzeugungsmodul 201 zerlegt die Bilder des Messziels 1, welche die Bildgebungseinheit 140 von der RGB-Farbkamera 142 erhalten hat, in RGB-Komponenten (S200). Die jeweils in RGB zerlegten Bilder sind in 7 dargestellt. Ein R-Bild 310 aus 7 (A) zeigt eine Lichtschnittlinie 311, die anhand des Lichts erzeugt wurde, das bei der Bestrahlung des Messziels 1 mit dem Lichtschnitt-Ringstrahl 161 reflektiert oder gestreut wurde (1). Die Lichtschnittlinie 311 entspricht der Form des lateralen Querschnitts des Messziels (Innenfläche der Rohrleitung).
Ein G-Bild 320 aus 7(B) zeigt ein durch die Bestrahlung mit der grünen LED 10 erhaltenes Bild, d.h. ein durch die Abbildungslinse 141 entlang der Bewegungsrichtung der Sonde 10 erhaltenes stereographisches Bild. Eine Bezugszahl 324 repräsentiert die Öffnung der Rohrleitung, die an der Vorderseite der Sonde 10 sichtbar ist, eine Bezugszahl 321 repräsentiert einen Kratzer auf der Innenfläche der Rohrleitung, eine Bezugszahl 322 repräsentiert eine Bildungleichmäßigkeit, und eine Bezugszahl 323 repräsentiert den Rand der Rohrleitung. Kratzer und dergleichen werden als Oberflächenmerkmale des Messziels 1 verwendet. Dies wird später erklärt.
Ein B-Bild 330 aus 7(C) zeigt einen Speckle 331 auf der Grundlage des bei Bestrahlung des Messziels mit dem Speckle-Ringstrahl 163 mit einer Breite von einigen zehn bis einigen hundert Pixeln reflektierten oder gestreuten Lichts. Weil die Lichtquelle ein Laser ist, wird ein von der erfassten Oberflächenbedingung des Messziels 1 abhängiger Speckle erzeugt.
8 zeigt die Kennlinien der Beziehung zwischen dem RGB-Transmissionsgrad der RGB-Farbkamera 142 und der Wellenlänge der jeweiligen Lichtquellen. Diese Kennlinien umfassen den R-Transmissionsgrad 142a, den G-Transmissionsgrad 142b und den B-Transmissionsgrad 142c. Das Bilderzeugungsmodul 201 legt eine rote Laserwellenlänge 101a (λ₁: 1) in der Nähe der Wellenlänge des Maximalwerts des R-Transmissionsgrads 142a, eine grüne LED-Wellenlänge 102a (λ₂) in der Nähe der Wellenlänge des Maximalwerts des G-Transmissionsgrads 142b und eine blaue Laserwellenlänge 103a (λ₃) in der Nähe der Wellenlänge des Maximalwerts des B-Transmissionsgrads 142c fest. Die grüne LED-Wellenlänge 102a hat verglichen mit der roten Laserwellenlänge 101a und der blauen Laserwellenlänge 103a eine große spektrale Bandbreite.
Als nächstes erhält das Querschnittsform-Berechnungsmodul 202 die Querschnittsform des Messziels 1 auf der Grundlage des optischen Schnittverfahrens anhand des R-Bilds 310 von den drei Bildtypen, die von den jeweiligen RGB-Komponenten erhalten wurden (S201). 9 zeigt die erhaltene Querschnittsform 312, to bis t₄ repräsentieren den zeitlichen Verlauf der Messung, und das Querschnittsform-Berechnungsmodul 202 bestimmt die Querschnittsform 312 zu jedem Messzeitpunkt.
In S202 extrahiert das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 die Merkmalspunkte, die aus dem Kratzer 321, der Ungleichmäßigkeit 322 und dem Rand 323 bestehen, wie in 7(B) dargestellt, in Bezug auf die beiden G-Bilder 320, die zeitlich aufeinander folgend erhalten wurden, und berechnet dadurch das Merkmalsgrößenbild. Das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 kann eine Kantenextraktion oder SIFT (skaleninvariante Merkmalstransformation) bei der Berechnung der Merkmalsgröße anwenden.
Das Bewegungsstrecken-Berechnungsmodul 203 bestimmt ein Paar der gleichen Merkmalspunkte in Bezug auf zwei aufeinander folgende Bilder von den mehreren zu jedem vorgegebenen Zeitpunkt erfassten Stereobildern 320, vergleicht beispielsweise zu jeder Zeiteinheit t_n (n= 0, 1, 2...) (S203) die Merkmalspunkte, die das Paar bilden, und berechnet den Abstand und den Winkel der beiden aufeinander folgenden Bilder in jeder Zeiteinheit als Bewegungsrichtung und Bewegungsstrecke 325r_n der Messsonde 10 (S204) . Es sei bemerkt, dass die Genauigkeit der Bewegungsrichtung und der Bewegungsstrecke der Messsonde 10 durch die Verwendung einer größeren Anzahl aufeinander folgender Bilder ohne Einschränkung auf zwei aufeinander folgende Bilder verbessert werden kann.
Das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 erhält zusätzlich die Korrelation zweier zu jeder Zeiteinheit t_n (n = 0, 1, 2...) erhaltener B-Bilder 330 und berechnet das Korrelationsbild (S205), und berechnet die Bewegungsrichtung und die Bewegungsstrecke 335s_n der Sonde 10 in jeder Zeiteinheit (S206). Das Bewegungsstrecken-Berechnungsmodul 203 kann das als Speckle-Korrelationsverfahren bezeichnete Verfahren bei der Berechnung des Korrelationsbilds anwenden. Es sei bemerkt, dass die Genauigkeit der Bewegungsrichtung und der Bewegungsstrecke der Messsonde 10 durch die Verwendung einer größeren Anzahl von Bildern ohne Einschränkung auf zwei aufeinander folgende Bilder verbessert werden kann.
Der anhand des G-Bilds und des B-Bilds berechnete Bewegungsmodus der Sonde ist in 10 dargestellt. 10 zeigt die Koordinaten der Bewegungsortskurve der Sonde zu jeder Zeiteinheit t_n (n = 0, 1, 2...) bei den x-, y-, z-Koordinaten. Eine Bezugszahl 325 repräsentiert die anhand des G-Bilds 320 erhaltenen Koordinaten der Ortskurve (r_n: n = 1,2,3...) der Bewegung der Sonde, und eine Bezugszahl 325 repräsentiert die anhand des B-Bilds 330 erhaltenen Koordinaten der Ortskurve (S_n: n = 1,2,3...) der Bewegung der Sonde.
Wie anhand 10 ersichtlich ist, gibt es einen geringen Unterschied zwischen den beiden Ortskurven. Dieser Unterschied ist auf die unterschiedlichen Kennlinien zwischen der grünen LED 102 und dem blauen Laser 103 zurückzuführen. Demgemäß integriert das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 die beiden Bewegungsortskurven r_n und s_n, beispielsweise unter Verwendung der folgenden Formel (S207): $u_{n} = (m_{1} r_{n} + m_{2} s_{n}) / 2$

(n = 0, 1, 2...)
m₁, m₂ (m₁ + m₂ = 1) repräsentieren jeweils die Wichtungsfunktion, und das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 kann auf der Grundlage der Bedingung des Messziels m₁, m₂ geeignet festlegen.

Der Grund, aus dem das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 die beiden Bewegungsortskurven wie vorstehend beschrieben integriert, ist Folgender: Weil das Beleuchtungslicht mit der Wellenlänge der grünen LED-Lichtquelle 102 einen breiten Bereich des Messziels bestrahlen kann, kann das G-Bild 320 Informationen aufweisen, die fern von der Abbildungslinse 141 sind. Dementsprechend wird die Genauigkeit der Bewegungsrichtung der Sonde 10 gewöhnlich verbessert, wenn die Verarbeitungseinheit 20 den Bewegungsmodus der Sonde 10 unter Verwendung der Merkmalspunkte des G-Bilds 320 berechnet.
Weil Licht mit der Wellenlänge der blauen Laserlichtquelle 103 einen schmalen Bereich des Messziels bestrahlt, wird der Bewegungsmechanismus der Sonde 10 demgegenüber auf der Grundlage der Speckle-Korrelation eines schmalen Bereichs im B-Bild 330 berechnet. Demgemäß wird die Genauigkeit der Bewegungsstrecke der Sonde 10 gewöhnlich verbessert.
Weil es abhängig von den vorstehend beschriebenen Lichteigenschaften Vorteile und Nachteile gibt, kann das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 den Bewegungsmechanismus der Sonde durch gleichmäßiges Gewichten und Kombinieren der beiden Bewegungsortskurven r_n und s_n mit hoher Genauigkeit berechnen. Das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 kann auch die Wichtungsfunktion m₁, m₂ entsprechend den Unterschieden in den Messzielen verstärken/abschwächen. Weil beispielsweise sehr genaue mechanische Komponenten, die einer Oberflächenbearbeitung unterzogen wurden, kaum Strukturen in der Art von Kratzern aufweisen, kann das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 leicht den Bewegungsmodus der Sonde 10 auf der Grundlage der Bildmerkmale unter Verwendung des G-Bilds 320 berechnen. Dementsprechend kann das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 die Wichtungsfunktion m₂ unter Verwendung eines Speckles erhöhen. Bei einem Messziel, das zahlreiche Oberflächenstrukturen aufweist, kann die Wichtungsfunktion m₁ dagegen vergrößert werden. Das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 berechnet den Bewegungsmodus (die Bewegungsrichtung) der Sonde 10 auf der Grundlage der Ortskurve von „u_n“. Es sei bemerkt, dass die Formel zur Integration der Bewegungsortskurven r_n und s_n der Sonde nicht auf Formel 1 beschränkt ist.
Das Formberechnungsmodul 204 bestimmt die Richtung der Querschnittsform des Messziels (Richtung der Normalen, die durch das Zentrum des Querschnitts verläuft) in den räumlichen Koordinaten entsprechend den Querschnittsformdaten (S201) der Zeiteinheit und des Bewegungsmodus (S207) der Messsonde 10 (S208) und speichert die bestimmte Richtung der Querschnittsform des Messziels im Speicher (S208). Die Verarbeitungseinheit 20 wiederholt die Verarbeitung von S200 bis S208 in jeder Zeiteinheit, bis die Bewegung der Sonde 10 abgeschlossen ist. Das Querschnittsform-Berechnungsmodul 202 speichert auch die Formdaten (S201) im Speicher. Der Speicher speichert anschließend die Querschnittsformdaten (einschließlich der Richtung des Querschnitts), die zusammen mit der Bewegung der Sonde 10 in jeder Zeiteinheit berechnet wurden. Es sei bemerkt, dass das Berechnungsmodul 204 bei der Bestimmung der Querschnittsform die SLAM-Technik anwenden kann. Für die SLAM-Technik stehen beispielsweise ein Verfahren, das ein Kalman-Filter verwendet, und ein Verfahren, das ein Teilchenfilter verwendet, zur Verfügung.
Das Formberechnungsmodul 204 kann reale Formdaten 700 des Gesamtmessziels 1 durch sequenzielles Verbinden aller Querschnittsformen in jeder Zeiteinheit entsprechend dem Bewegungsmodus der Sonde (Vektor der Sonde) erzeugen, wie in 11 dargestellt ist (S210).
Als nächstes kann das Vergleichsmodul 205 die realen Formdaten mit den Entwurfsdaten des Messziels vergleichen und dadurch die Differenzen zwischen den beiden erkennen, extrahieren, bestimmen oder beurteilen (S211). Das Abnormitätsextraktionsmodul 206 extrahiert die Differenzen zwischen den realen Formdaten 400 und den Entwurfsdaten in der Art der Verziehung, Verformung und von Fehlern an der Innenfläche, die eine vorgegebene Norm oder eine vorgegebene Schwelle überschreiten, als abnormale Werte (S212) und bestimmt die Positionsinformationen der extrahierten abnormalen Werte. Das Anzeigemodul 207 zeigt die starken/schwachen Strukturen der abnormalen Werte in den Bereichen, in denen sich abnormale Werte in den realen Formdaten 400 ergeben haben, auf der Grundlage der abnormalen Werte und ihrer Positionsinformationen an (S213).
Das vorstehend beschriebene Messsystem kann die Gesamtform des Messobjekts selbst dann genau messen, wenn eine Bildgebungseinrichtung, die Bilder der Form des Messziels erfasst, entlang dem Messziel bewegt wird, während das Messziel 1 mit Licht bestrahlt wird. Ferner kann der Bewegungsmechanismus der Bildgebungseinrichtung miniaturisiert und vereinfacht werden, weil er keine Steuerung der Bewegungsposition auf der Grundlage des Odometrieverfahrens benötigt. Demgemäß ist es selbst dann, wenn das Messobjekt ein enges Rohrleitungssystem ist, möglich, seine innere Form zu messen.
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die 12 bis 14 erklärt. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehenden Ausführungsform in Bezug auf die Punkte der Verwendung eines Entfernungsmesslasers und nicht eines Lichtschnitt-Ringstrahls für die Messung der Querschnittsform des Messobjekts 1 und die Berechnung des Bewegungsmodus der Messsonde 10 anhand eines Speckle-Bilds. 12 zeigt ein Hardware-Blockdiagramm des Messsystems gemäß der zweiten Ausführungsform. Das Messsystem führt einen Entfernungsmesslaser 165 über eine optische Faser 120 von einer Entfernungsmesseinheit 104 der Lichtquelleneinheit 100 zu einer Linse 115 (13) einer Bestrahlungseinheit 110b und bestrahlt die Innenfläche des Messziels 1 über ein Prisma 131 mit dem von der Bestrahlungseinheit emittierten Entfernungsmess-Laserstrahl 165. Das Messsystem führt das vom Messziel 1 reflektierte und gestreute Licht über dieselbe optische Faser 120 zur Entfernungsmesseinheit 104 zurück und misst dadurch den Abstand. Das Prisma 131 ist an einem Drehmotor 132 angebracht, und es wird gedreht, und der Entfernungsmesslaser 165 wird auch durch Drehen des Drehmotors 132 gedreht. Die Querschnittsform des Messziels 1 wird dadurch gemessen.
Als Entfernungsmesseinheit 104 kann ein optischer Kamm, FMCW (frequenzmodulierte kontinuierliche Welle) oder OCT (optische Kohärenztomographie) verwendet werden. Die Bildgebungseinheit 140b ist mit einer monochromen Kamera versehen und erfasst das Messobjekt 1 mit dem Speckle-Ringstrahl 163, mit dem es bestrahlt wurde.
Die Querschnittskonfiguration der Bestrahlungseinheit 110b ist in 13 dargestellt. Die Entfernungsmesslaserlinse 115 befindet sich im Zentrum der Bestrahlungseinheit. Diese Linse sammelt das vom Messziel 1 reflektierte Licht. Mehrere blaue Linsen 113 sind um die Entfernungsmesslaserlinse 115 gleichmäßig angeordnet. Der Wellenlängenbereich des Entfernungsmesslasers und der Wellenlängenbereich des blauen Lasers 103 zur Verwendung bei der Speckle-Messung können getrennte Wellenlängenbänder sein, welche ihre Detektion wechselseitig nicht beeinflussen.
Das Flussdiagramm des Betriebs der Verarbeitungseinheit 20 ist in 14 dargestellt. Die Verarbeitungseinheit 20 erfasst Daten von Streulicht und dergleichen auf der Grundlage des Entfernungsmesssystems 104 und der monochromen Kamera 140b der Bildgebungseinheit 140b (S300). Das Querschnittsform-Berechnungsmodul 202 berechnet die Querschnittsform des Messobjekts anhand des Entfernungsmessergebnisses der Entfernungsmesseinheit 104 und der Drehgeschwindigkeit des Drehmotors 132 (S301). Das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 berechnet das Korrelationsbild (S206) und den Bewegungsmodus (Bewegungsrichtung und Bewegungsstrecke) s_n der Sonde 10 zu jeder Zeit t_n (n = 0, 1, 2...) (S206). Das Bewegungsmodus-Berechnungsmodul 203 führt keine vorstehend beschriebene Wichtungsberechnung (S207) aus, weil das G-Bild 320 bei der Berechnung des Bewegungsmodus der Sonde 10 nicht verwendet wird. Der anschließende Arbeitsvorgang des Flussdiagramms aus 14 gleicht der Verarbeitung von S208 bis S213, wie vorstehend beschrieben wurde.
Durch das Messsystem gemäß der zweiten Ausführungsform kann die Formmessgenauigkeit gegenüber dem Lichtschnittverfahren bei der Messung des Messziels verbessert werden. Weil die Verarbeitungseinheit 20 ferner bei der Berechnung der Bewegungsrichtung und der Bewegungsstrecke der Sonde 10 monochromatische Bilder verwendet, wird eine Messung mit einer höheren Auflösung als bei Farbbildern ermöglicht und kann die Messgenauigkeit auf der Grundlage des Speckle-Korrelationsverfahrens verbessert werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die vorstehend beschriebenen beschränkt. Beispielsweise ist das Messziel nicht auf eine enge Rohrleitung beschränkt und kann die vorliegende Erfindung auch auf ein großes Messobjekt in der Art eines Tunnels angewendet werden. Die vorstehenden Ausführungsformen erläutern lediglich Beispiele, die bei der Implementation der vorliegenden Erfindung verwirklicht werden, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung sollte nicht als durch diese Ausführungsformen eingeschränkt interpretiert werden. Mit anderen Worten kann die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen implementiert werden, ohne von ihrem technischen Konzept oder anderen Primärmerkmalen abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1....: Messziel
10...: Messsonde
20...: Verarbeitungseinheit
30...: Steuereinheit
100..: Lichtquelleneinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012002783 [0003]
JP 2006064690 [0003]

Claims

Formmesssystem, das die Form eines Messobj ekts misst, welches Folgendes aufweist: eine Lichtquelle, einen Bestrahlungskörper, der das Messobjekt mit Licht von der Lichtquelle bestrahlt, einen Bildgebungskörper, der Bilder des Messobjekts auf der Grundlage des Lichts vom Bestrahlungskörper, mit dem das Messobjekt bestrahlt wurde, erfasst, einen Bewegungsmechanismus, der den Bestrahlungskörper und den Bildgebungskörper veranlasst, sich entlang dem Messobjekt zu bewegen, und eine Verarbeitungseinheit, die eine Datenverarbeitung zur Messung der Form des Messobjekts auf der Grundlage von Bildern des Messobjekts ausführt, wobei der Bildgebungskörper zu jeder vorgegebenen Zeit bei der Bewegung entlang dem Messobjekt ein Bild des Messobjekts aufnimmt, und wobei die Verarbeitungseinheit Folgendes ausführt: Bestimmen der Querschnittsform des Messobjekts und des Bewegungsmodus des Bewegungsmechanismus auf der Grundlage von Bildern des Messobjekts und Messen der Form des Messobjekts auf der Grundlage der Querschnittsform und des Bewegungsmodus.
Formmesssystem nach Anspruch 1, wobei der Bestrahlungskörper das Messobjekt mit einem Laserstrahl bestrahlt und wobei die Verarbeitungseinheit die Querschnittsform anhand Bildern des Messobjekts auf der Grundlage des Laserstrahls bestimmt.
Formmesssystem nach Anspruch 1, wobei der Bestrahlungskörper das Messobjekt mit einem ersten Laserstrahl und einem zweiten Laserstrahl bestrahlt und wobei die Verarbeitungseinheit Folgendes ausführt: Bestimmen der Querschnittsform anhand Bildern des Messobjekts auf der Grundlage des ersten Laserstrahls und Bestimmen des Bewegungsmodus des Bewegungsmechanismus anhand Bildern des Messobjekts auf der Grundlage des zweiten Laserstrahls.
Formmesssystem nach Anspruch 2, wobei der Bestrahlungskörper das Messobjekt mit LED-Licht bestrahlt und wobei die Verarbeitungseinheit den Bewegungsmodus des Bewegungsmechanismus unter Verwendung von Bildern des Messobjekts auf der Grundlage des LED-Lichts bestimmt.
Formmesssystem nach Anspruch 2, wobei der Bestrahlungskörper das Messobjekt mit LED-Licht bestrahlt und wobei die Verarbeitungseinheit den Bewegungsmodus des Bewegungsmechanismus anhand Bildern des Messobjekts auf der Grundlage des LED-Lichts und Bildern des Messobjekts auf der Grundlage des zweiten Laserstrahls bestimmt.
Formmesssystem nach Anspruch 3, wobei die Verarbeitungseinheit Folgendes ausführt: Bestimmen der Querschnittsform des Messobjekts unter Verwendung eines optischen Schnittverfahrens auf der Grundlage des ersten Laserstrahls und Bestimmen des Bewegungsmodus des Bewegungsmechanismus anhand eines Speckle-Korrelationswerts in Bildern des Messobjekts auf der Grundlage des zweiten Laserstrahls.
Formmesssystem nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungseinheit die Form des Messobjekts entsprechend dem Bewegungsmodus des Bewegungsmechanismus misst, indem sie bewirkt, dass mehrere Querschnittsformen des Messobjekts kontinuierlich sind.
Formmessverfahren, das die Form eines Messobjekts misst, welches folgende Schritte aufweist: Bestrahlen des Messobjekts mit Licht von einer Lichtquelle, Erfassen von Bildern des Messobjekts auf der Grundlage des Lichts, mit dem das Messobjekt bestrahlt wurde, Aufnehmen eines Bilds des Messobjekts zu jeder vorgegebenen Zeit, während ein Bestrahlungskörper für das Licht und ein Bildgebungskörper, der Bilder des Messobjekts erfasst, entlang dem Messobjekt bewegt werden, Bestimmen der Querschnittsform des Messobjekts und des Bewegungsmodus des Bestrahlungskörpers und des Messobjekts auf der Grundlage von Bildern des Messobjekts und Messen der Form des Messobjekts auf der Grundlage der Querschnittsform und des Bewegungsmodus.