JP2001148014A - テンプレートパターンの自動決定方法 - Google Patents

テンプレートパターンの自動決定方法

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JP2001148014A
JP2001148014A JP33076599A JP33076599A JP2001148014A JP 2001148014 A JP2001148014 A JP 2001148014A JP 33076599 A JP33076599 A JP 33076599A JP 33076599 A JP33076599 A JP 33076599A JP 2001148014 A JP2001148014 A JP 2001148014A
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Yoshihisa Oido
良久 大井戸
Yasushi Mizuoka
靖司 水岡
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 作業者の知識や熟練度合いに頼ることなく、
誤認識や位置ずれを生じない最適なテンプレートを自動
的に決定する。 【解決手段】 画像平面上の輝度レベル分布を正規化
し、テンプレートと対象画像の輝度レベルの相関により
類似度を判定し、相関値が最大になる点を検出位置とす
る正規化相互相関マッチング方式におけるテンプレート
パターンの自動決定方法であって、テンプレートになり
得る複数の画像パターンに対して、画像平面の座標に対
応して算出された相関値分布の分散値又は標準偏差を用
いて比較することにより、テンプレートになり得る複数
の画像パターンの中から最もユニークなパターンを自動
的に決定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、部品の位置決めの
ための視覚認識に用いられるテンプレートマッチング法
において、そのテンプレートを自動的に決定するテンプ
レートパターンの自動決定方法及びそれを用いた画像処
理装置と製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えば電子機器に使用される電子
部品実装基板の製造装置等において部品の位置決めを行
う場合には、濃淡画像を用いて、予め教示しておいたテ
ンプレート画像と入力された対象画像とのマッチングに
より、最も類似度の高い点を求めたい位置とするテンプ
レートマッチング法が一般的に採用されており、その代
表的な手法として正規化相互相関マッチング方式が知ら
れている。
【０００３】マッチングに用いるテンプレートは、位置
決め対象物を撮像した基準画像から、マッチングを行う
探索範囲内には他と類似するパターンが無いように、作
業者が適切と考えるパターン領域を決定して作成してい
た。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】以下、図８〜図１１を
参照して従来例の具体的な方法とともにその問題点につ
いて説明する。実用化されているテンプレートマッチン
グのシステムでは、処理スピードを向上するために、ピ
ラミッドマッチング方式や部分テンプレートマッチング
方式が採られている。
【０００５】ピラミッドマッチング方式は、図８に示す
ように、画像圧縮レベル、もしくは画素参照の間引き数
を下げつつマッチングを行い、探索領域を特定して行く
ことによって総演算量を削減する仕組みである。この手
法では、図９に示すように、圧縮前の画像範囲に対して
は類似パターンが無いユニークなパターンであっても、
圧縮後の画像範囲については、パターンの特徴を呈して
いた部分が圧縮されて埋没し、他にも類似するパターン
が存在するようになることがある。このような場合に、
所定のパターンよりも類似するパターンの一致度の方が
高くなるケースがあり、圧縮レベルもしくは画素参照の
間引き数を下げていくうちに所定のパターンが存在する
領域とは異なる領域が探索領域となり、結果的に誤認識
や位置ずれを生じるという問題がある。
【０００６】同様に部分テンプレートマッチング方式に
おいては、小型のテンプレートを複数個もつことによっ
て全体の演算量を削減でき、高速化を図れるが、特徴的
なパターンがテンプレートのサイズに納まり切らない場
合には、類似するパターンが存在するケースがあり、誤
認識や位置ずれを生じるという問題がある。
【０００７】また、一般的に製造装置で用いられる画像
処理においては、実対象物を撮像した画像は基準画像に
対して個々の画素での輝度レベル変動、コントラストの
変動、画像全体の明るさの変動、パターン回転各変動な
どを呈し、このような変動要因はテンプレートマッチン
グ方式において誤認識や位置ずれを生じる要因となると
いう問題がある。
【０００８】以上のような問題が存在するために、テン
プレートの決定には、画像処理の知識と経験、熟練が必
要とされるとともに、試行錯誤によって決定している。
テンプレートの具体的な決定方法は、図１０（ａ）に示
すような基準となる画像を用いて、位置決めを行いたい
パターンの矩形領域を図１０（ｂ）に示すように切り出
すことによって行っている。そして、図１１に示すよう
に、作業者の経験上の見識から、テンプレートパターン
の仮決めを行った後、実対象画像に対して複数回認識テ
ストを行い、誤認識や位置ずれを生じなくなるまで、テ
ンプレートパターンの位置や大きさの修正を繰り返す。
このため、最適なテンプレートパターンを決定するまで
に、非常に時間がかかるという問題がある。また、画像
処理の知識や経験が無かったり、熟練度が低い作業者で
は誤認識や位置ずれを生じる恐れのあるテンプレートパ
ターンを用いてしまう恐れがあるという問題がある。
【０００９】電子部品実装基板の製造装置において認識
装置を利用している場合には、所定位置と異なる部分を
誤認識したり、位置ずれを生じることがあれば、電子部
品が所定の位置に実装されず、不良品を製造してしま
い、所定の機能を果たすことができない。
【００１０】本発明は、上記従来の問題点に鑑み、作業
者の知識や熟練度合いに頼ることなく、誤認識や位置ず
れを生じない最適なテンプレートを自動的に決定できる
テンプレートパターンの自動決定方法及びそれを用いた
画像処理装置と製造装置を提供することを目的としてい
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明のテンプレートパ
ターンの自動決定方法は、画像平面上の輝度レベル分布
を正規化し、テンプレートと対象画像の輝度レベルの相
関により類似度を判定し、相関値が最大になる点を検出
位置とする正規化相互相関マッチング方式におけるテン
プレートパターンの自動決定方法であって、テンプレー
トになり得る複数の画像パターンに対して、画像平面の
座標に対応して算出された相関値分布の分散値又は標準
偏差を用いて比較することにより、テンプレートになり
得る複数の画像パターンの中から最もユニークなパター
ンを自動的に決定するものであり、探索領域内でテンプ
レートの候補と類似したパターンが存在するかどうかを
評価でき、テンプレートパターンの候補全体から評価値
の分布の分散値が最も大きくなるパターンを自動的に選
択して決定することにより、安定して認識動作を行うこ
とができる最適なテンプレートパターンを決定すること
ができ、誤認識や位置ずれを生じない最適ななテンプレ
ートパターンを作業者の知識や熟練度合いに頼ることな
く、自動的にかつ高速に決定することができる。
【００１２】また、テンプレートと対象画像の輝度レベ
ルの差の総和により類似度を判定し、輝度レベルの差の
総和が最小となる点を検出位置とする正規化残差検定マ
ッチング方式においても、正規化残差値分布の分散値又
は標準偏差を用いて比較することにより、同様の作用効
果を得ることができる。
【００１３】また、輝度レベル分布もしくはエッジ強度
分布に対し、テンプレートと対象画像の画素値を最大値
探索もしくは最小値探索となるように決定された評価式
により類似度を判定し、評価値が最大もしくは最小とな
る点を検出位置とする一般化されたマッチング方式にお
いても、評価値分布の分散値又は標準偏差を用いて比較
することにより、同様の作用効果を得ることができる。
【００１４】また、基準画像に対して輝度レベルに変動
を付与し、付与した変動の範囲の中から最適なテンプレ
ートパターンを上記方法を用いて決定すると、テンプレ
ートパターンの候補と探索領域内で類似したパターンが
存在するかどうかを評価することに加えて、付与した変
動の範囲において、最も変動要因に阻害され難いパター
ンが存在するかどうかを評価することができ、対象画像
に変動が加わっても安定して認識動作を行うことができ
る最適なテンプレートパターンを決定することができ
る。
【００１５】また、本発明の画像処理装置は、任意の形
状の探索領域を指定する入力手段と、画像及び入力手段
で指定された探索領域と処理結果を表示する出力手段
と、画像の輝度レベル信号を取り込む画像入力手段と、
画像データを記憶する記憶手段と、上記各テンプレート
パターンの決定方法を用いてテンプレートパターンの自
動決定を行う演算手段と、演算の結果を記憶する記憶手
段と、テンプレートマッチングを行う画像処理手段と、
テンプレートマッチングの評価値を記憶する評価値分布
記憶手段と、各手段を制御する制御手段とを備えたもの
であり、上記のように最適なテンプレートパターンを自
動決定してテンプレートマッチング法により位置認識を
行うことができる。
【００１６】また、本発明の製造装置は、上記画像処理
装置を位置決めに用いたものであり、上記効果を奏する
ことができ、安定して連続動作させることができて生産
能力を向上することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施形態の
テンプレートパターンの自動決定方法について、図１〜
図４を参照して説明する。
【００１８】図１に本実施形態におけるテンプレートパ
ターンの自動決定方法のフローチャートを示す。図１に
おいて、まず基準画像の画像切り出し位置を、予め指定
されたテンプレート候補領域の始点へ移動させる。次
に、テンプレートサイズの初期値を与え、画像の切出し
を行う。次に、テスト画像に対してテンプレートマッチ
ングを行う領域でマッチングの演算を行い、評価値を画
像平面の座標に対応させてマッピングする。ここで、テ
スト画像は基準画像そのものでもよいし、別に撮像した
画像でもよい。
【００１９】マッチングの演算に用いる評価値及びマッ
チング位置の探索については、正規化相互相関による場
合は、次の（数１）を用いる。
【００２０】
【数１】 また、正規化残差検定による場合は、次の（数２）を用
いる。
【００２１】
【数２】 また、一般的に（数３）のように評価値が最大もしくは
最小値となる点を検出位置とするように定式化された評
価式であれば、どのような評価式を使ってもよい。その
ような評価式としては、例えばフーリエ変換の位相情報
を用いた位相相関方式などがある。
【００２２】
【数３】 次いで、切出した画像と類似したパターンがテンプレー
トマッチングを行う領域に存在するかどうかを判定する
ため、マッピングされた評価値の統計的分布の分散値も
しくは標準偏差を（数４）のように算出する。
【００２３】
【数４】 次に、位置、大きさ、分散値もしくは標準偏差の組み合
わせをメモリーに登録し、大きさが所定の最大値になる
まで繰り返して演算を行う。また、大きさが最大になれ
ば、位置を移動させて上記演算をテンプレート候補領域
の終点に到達するまで継続させる。
【００２４】こうして全ての位置に対して分散値もしく
は標準偏差の演算を行った後、登録している分散値もし
くは標準偏差の中から最大値を（数５）の如く検索し、
最大値でのテンプレート切出し位置とサイズによって、
基準画像から画像を切出し、認識用のテンプレートとす
る。
【００２５】
【数５】 評価値分布の分散値もしくは標準偏差によって、切出し
た画像と類似したパターンがテンプレートマッチングを
行う領域に存在するかどうかの判定は、次のような評価
値分布の分散値もしくは標準偏差の特性を利用すること
によって行うことができる。
【００２６】図２、図３は正規化相互相関方式によっ
て、テンプレートパターンで対象画像に対してマッチン
グを行った時の評価値分布である。図２に示すように、
対象画像内にテンプレートパターンと類似したパターン
が含まれない場合には、マッチング位置での評価値の値
は、評価値分布において鋭角度の高い評価値の極値が１
つになり、その分布の分散値もしくは標準偏差は高くな
る。
【００２７】逆に、図３に示すように、対象画像内にテ
ンプレートパターンと類似したパターンが含まれる場合
には、マッチング位置以外にも比較的鋭角度の高い評価
値の極値が複数生じることになり、その分布の分散値も
しくは標準偏差は相対的に低くなる。
【００２８】この分散値もしくは標準偏差の特性は、マ
ッチングに用いる演算方式が最大値探索であっても最小
値探索であっても同様の特性を示すため、テンプレート
と対象画像の画素値を最大値探索もしくは最小値探索と
なるように決定された評価式により類似度を判定し、評
価値が最大、もしくは最小値となる点を検出位置とする
一般化されたマッチング方式であれば、すべてが利用可
能である。例として、正規化残差検定マッチング方式に
よるものを図４に示しておく。
【００２９】次に、本発明の第２の実施形態について、
図５を参照して説明する。図５は、本実施形態における
テンプレートパターンの自動決定方法のフローチャート
である。
【００３０】まず、予め画像処理の対象となる画像の変
動を分析し、変動範囲として設定する。次に、テスト画
像に対して変動を付与し、そのテスト画像を用いて上記
第１の実施形態に示したテンプレートの自動決定方法に
よりテンプレートを仮抽出し、同時に変動を付与する際
に用いたパラメータ、決定時の分散値もしくは標準偏
差、テンプレート位置及び大きさを（数６）のように登
録しておく。さらに、変動範囲をすべて処理し終えるま
で、同様の方法でテンプレートの仮抽出を続ける。変動
範囲を全て処理し終えれば、（数７）により最大の分散
値もしくは標準偏差を検索し、最大値でのテンプレート
切出し位置とサイズによって、基準画像から画像を切出
し、認識用のテンプレートとする。
【００３１】
【数６】
【００３２】
【数７】 なお、実対象物を撮像した画像の基準画像に対する変動
の要素としては、個々の画素での輝度レベル変動、コン
トラストの変動、画像全体の明るさの変動、パターンの
回転各変動などを呈しているが、各々の原画像に対して
数理的に定式化された変換を用いてシミュレートするこ
とができる。
【００３３】次に、本発明のテンプレートパターンの自
動決定方法を適用した第３の実施形態の画像処理装置に
ついて図６を参照して説明する。図６は、本実施形態に
おける画像処理装置の構成を示すブロック図であり、１
は入力手段、２は出力手段、３は制御・判定部、４は画
像処理部、５は評価値記憶手段、６は演算手段、７は分
散値分布記憶手段、８は画像入力手段、９は画像記憶手
段である。
【００３４】これらの各手段１〜９の機能と相互構成を
動作とともに説明する。まず、作業者が入力手段１に
て、画像入力手段８にて入力され画像記憶手段９に記憶
されている複数の画像の中から基準画像とテスト画像を
選択する。次に、テンプレートマッチングのテンプレー
トを自動決定する際に、入力手段１を用いてテンプレー
トマッチングを行う領域とテンプレートパターンの候補
を探索する領域を出力手段２に表示された基準画像を見
ながら設定する。
【００３５】次に、制御・判定部３は各々の領域が入力
された後にテンプレートパターンの決定を始める。テン
プレートの候補データを用いて画像処理部４によってテ
ンプレートマッチングの演算を行う。演算中の評価値の
分布データは画像処理部４から出力され、評価値記憶手
段５に記憶される。さらに、評価値記憶手段５に記憶さ
れた評価値の分布データをもとにして演算手段６によ
り、上記第１の実施形態に示した方法で評価値の分散値
を演算し、分散値分布記憶手段７にマッピングする。上
記第１の実施形態で示したように、すべての計算を終え
た後に、分散値分布記憶手段７に記憶されたデータの中
から分散値の最大値を検索し、分散値の最大値を得る位
置と大きさで、画像記憶手段９からテンプレート画像を
切出し、テンプレートデータとして画像処理部４に出力
する。
【００３６】以上のように決定され、出力されたテンプ
レートデータにより、画像処理部４でテンプレートマッ
チングの処理を行う。
【００３７】次に、本発明のテンプレートパターンの自
動決定方法を適用した第４の実施形態の画像処理装置に
ついて図７を参照して説明する。図７は、本実施形態に
おける画像処理装置の構成を示すブロック図であり、図
６に示した第３の実施形態と共通の構成要素については
同一の参照番号を付している。本実施形態で変動発生器
１０が付加されている。
【００３８】動作を説明すると、まず基準画像とテスト
画像の選択は画像記憶手段９に記憶されている複数の画
像の中から入力手段１を用いて選択する。
【００３９】テンプレートマッチングのテンプレートを
自動決定する際には、入力手段１を用いてテンプレート
マッチングを行う領域とテンプレートパターンの候補を
探索する領域を、出力手段２に出力された基準画像を見
ながら作業者が設定する。
【００４０】次に、制御・判定部３は各々の領域が入力
された後にテンプレートパターンの決定を始める。テン
プレートの候補データを用いて画像処理部４によってテ
ンプレートマッチングの演算を行う。テスト画像は変動
発生器１０によって輝度レベルに変動を付加される。演
算中の評価値の分布データは画像処理部４から出力さ
れ、評価値記憶手段５に記憶される。さらに、評価値記
憶手段５に記憶された評価値の分布データをもとにし
て、演算手段６により上記第１の実施形態で示したよう
に、評価値の分散値を演算し、分散値分布記憶手段７に
マッピングする。上記第１の実施形態で示したように、
すべての計算を終えた後に、分散値分布記憶手段７に記
憶されたデータの中から分散値の最大値を検索し、分散
値の最大値を得る位置と大きさで、画像記憶手段９から
テンプレート画像を切出し、テンプレートデータとして
画像処理部４に出力する。
【００４１】以上のように決定され、出力されたテンプ
レートデータにより、画像処理部４でテンプレートマッ
チングの処理を行う。
【００４２】
【発明の効果】本発明のテンプレートパターンの自動決
定方法及びそれを用いた画像処理装置、及びその画像処
理装置を用いた製造装置によれば、以上のようにテンプ
レートになり得る複数の画像パターンに対して、画像平
面の座標に対応して算出された相関値分布の分散値又は
標準偏差を用いて比較することにより、テンプレートに
なり得る複数の画像パターンの中から最もユニークなパ
ターンを自動的に決定するので、安定して認識動作を行
うことができる最適なテンプレートパターンを自動的に
決定でき、誤認識や位置ずれを生じない最適なテンプレ
ートパターンを作業者の知識や熟練度合いに頼ることな
く、自動的にかつ高速に決定することができる。
【００４３】また、テンプレートと対象画像の輝度レベ
ルの差の総和により類似度を判定し、輝度レベルの差の
総和が最小となる点を検出位置とする正規化残差検定マ
ッチング方式においても、正規化残差値分布の分散値又
は標準偏差を用いて比較することにより、同様の作用効
果を得ることができる。
【００４４】また、輝度レベル分布もしくはエッジ強度
分布に対し、テンプレートと対象画像の画素値を最大値
探索もしくは最小値探索となるように決定された評価式
により類似度を判定し、評価値が最大、もしくは最小と
なる点を検出位置とする一般化されたマッチング方式に
おいても、評価値分布の分散値又は標準偏差を用いて比
較することにより、同様の作用効果を得ることができ
る。
【００４５】また、基準画像に対して輝度レベルに変動
を付与し、付与した変動の範囲の中から最適なテンプレ
ートパターンを上記方法を用いて決定すると、対象画像
に変動が加わっても安定して認識動作を行うことができ
る最適なテンプレートパターンを決定することができ
る。
【００４６】かくして、本発明によれば製造装置を安定
して連続動作させることができ、製造装置の生産能力を
向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるテンプレート
自動決定方法のフローチャートである。
【図２】同実施形態において類似したパターンが含まれ
ない場合の説明図で、（ａ）は対象画像、（ｂ）はテン
プレートパターン、（ｃ）は正規化相互相関値の分布を
示す図である。
【図３】同実施形態において類似したパターンが含まれ
る場合の説明図で、（ａ）は対象画像、（ｂ）はテンプ
レートパターン、（ｃ）は正規化相互相関値の分布を示
す図である。
【図４】同実施形態において類似したパターンが含まれ
ない場合の説明図で、（ａ）は対象画像、（ｂ）はテン
プレートパターン、（ｃ）は正規化残差検定値の分布を
示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態におけるテンプレート
自動決定方法のフローチャートである。
【図６】本発明の第３の実施形態の画像処理装置の構成
を示すブロック図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の画像処理装置の構成
を示すブロック図である。
【図８】従来例のテンプレートマッチング方法における
ピラミッドマッチング方式の説明図である。
【図９】同従来例において、特徴パターンが圧縮される
ことにより類似パターンが発生する例の説明図である。
【図１０】従来例におけるテンプレートの切出し方法を
示し、（ａ）は基準画像、（ｂ）は切出したテンプレー
ト画像を示す図である。
【図１１】従来例におけるテンプレート決定まで処理の
フローチャートである。
【符号の説明】
１ 入力手段 ２ 出力手段 ３ 制御・判定部 ４ 画像処理部 ５ 評価値記憶手段 ６ 演算手段 ７ 分散値分布記憶手段 ８ 画像入力手段 ９ 画像記憶手段 １０ 変動発生器

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 画像平面上の輝度レベル分布を正規化
    し、テンプレートと対象画像の輝度レベルの相関により
    類似度を判定し、相関値が最大になる点を検出位置とす
    る正規化相互相関マッチング方式におけるテンプレート
    パターンの自動決定方法であって、テンプレートになり
    得る複数の画像パターンに対して、画像平面の座標に対
    応して算出された相関値分布の分散値又は標準偏差を用
    いて比較することにより、テンプレートになり得る複数
    の画像パターンの中から最もユニークなパターンを自動
    的に決定することを特徴とするテンプレートパターンの
    自動決定方法。
  2. 【請求項２】 画像平面上の輝度レベル分布を正規化
    し、テンプレートと対象画像の輝度レベルの差の総和に
    より類似度を判定し、輝度レベルの差の総和が最小とな
    る点を検出位置とする正規化残差検定マッチング方式に
    おけるテンプレートパターンの自動決定方法であって、
    テンプレートになり得る複数の画像パターンに対して、
    画像平面の座標に対応して算出された正規化残差値分布
    の分散値又は標準偏差を用いて比較することにより、テ
    ンプレートになり得る複数の画像パターンの中から最も
    ユニークなパターンを自動的に決定することを特徴とす
    るテンプレートパターンの自動決定方法。
  3. 【請求項３】 画像平面上の輝度レベル分布を正規化し
    た輝度レベル分布、もしくはエッジ強度処理を行ったエ
    ッジ強度分布に対し、テンプレートと対象画像の画素値
    を最大値探索もしくは最小値探索となるように決定され
    た評価式により類似度を判定し、評価値が最大もしくは
    最小となる点を検出位置とする一般化されたマッチング
    方式におけるテンプレートパターンの自動決定方法であ
    って、テンプレートになり得る複数の画像パターンに対
    して、画像平面の座標に対応して算出された評価値分布
    の分散値又は標準偏差を用いて比較することにより、テ
    ンプレートになり得る複数の画像パターンの中から最も
    ユニークなパターンを自動的に決定することを特徴とす
    るテンプレートパターンの自動決定方法。
  4. 【請求項４】 基準画像に対して輝度レベルに変動を付
    与し、付与した変動の範囲の中から最適なテンプレート
    パターンを請求項１〜３の何れかに記載の方法を用いて
    決定することを特徴とするテンプレートパターンの自動
    決定方法。
  5. 【請求項５】 任意の形状の探索領域を指定する入力手
    段と、画像及び入力手段で指定された探索領域と処理結
    果を表示する出力手段と、画像の輝度レベル信号を取り
    込む画像入力手段と、画像データを記憶する記憶手段
    と、請求項１〜３の何れかに記載の方法を用いてテンプ
    レートパターンの自動決定を行う演算手段と、演算の結
    果を記憶する記憶手段と、テンプレートマッチングを行
    う画像処理手段と、テンプレートマッチングの評価値を
    記憶する評価値分布記憶手段と、各手段を制御する制御
    手段とを備えたことを特徴とする画像処理装置。
  6. 【請求項６】 任意の形状の探索領域を指定する入力手
    段と、画像及び入力手段で指定された探索領域と処理結
    果を表示する出力手段と、画像の輝度レベル信号を取り
    込む画像入力手段と、画像データを記憶する記憶手段
    と、画像に対して変動を付加する変動付加手段と、請求
    項４に記載の方法を用いてテンプレートパターンの自動
    決定を行う演算手段と、演算の結果を記憶する記憶手段
    と、テンプレートマッチングを行う画像処理手段と、テ
    ンプレートマッチングの評価値を記憶する評価値分布記
    憶手段と、各手段を制御する制御手段とを備えたことを
    特徴とする画像処理装置。
  7. 【請求項７】 請求項５又は６記載の画像処理装置を位
    置決めに用いたことを特徴とする製造装置。
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Cited By (9)

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