JP2005345479A

JP2005345479A - 変位測定装置

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Publication number: JP2005345479A
Application number: JP2005212591A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Okamoto; 和年岡本; Hiroyuki Yamamoto; 裕之山本
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: JP3941822B2

Abstract

【課題】変位積算時の誤差を増大させない変位測定装置を提供する。
【解決手段】変位測定装置は基準画像記憶部と、測定画像記憶部と、基準画像候補記憶部と、これらの各記憶部に格納された画像データを用いて測定対象物の変位を算出する信号処理部とを具備し、この信号処理部は所定の基準画像切り替え準備条件が成立したときに新たな基準画像の候補を基準画像候補記憶部に格納すると共に、前記基準画像切り替え準備条件が成立しているときに前記基準画像と前記基準画像候補との間の距離に相当する量を演算し、所定の基準画像更新条件が成立したときに前記基準画像と前記基準画像候補の前記距離に相当する量の平均的な値を前記基準画像の位置に加算し、かつ前記基準画像候補を新たな基準画像として前記基準画像記憶部に格納するようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、各種機器の振動や位置変化、速度などを光学的に測定する変位測定装置に関し、特に測定精度を改善した変位測定装置に関するものである。

出願人は特願２０００―０５５８５７号明細書において、各種機器の微少な動きや振動などを光学的に高精度で測定することができる変位測定装置の発明を提案した。以下にこの発明の概要を説明する（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−２４１９１９号公報

図４は変位測定装置の構成図である。図４において、測定対象４には照明系５から赤外光などの照明が照射される。測定対象４からの反射光は結像光学系６によって集められ、画像センサ部７に結像する。

画像センサ部７には多数の画素（画像素子）を１次元状に並べたＣＣＤリニアイメージセンサを用いる。この画像センサ部７にはクロック発生部８からクロック信号が入力され、各画素の出力信号が順番に読み出される。この出力信号はＡ／Ｄ変換器９でデジタル信号に変換され、信号処理部１０に出力される。

基準画像記憶部１３には基準状態における画像センサ部７の出力信号、すなわち画像データが格納される。同様にして、測定画像記憶部１４には測定状態の画像データが格納される。

信号処理部１０は基準画像記憶部１３と測定画像記憶部１４に格納された画像データを比較して変位を演算し、表示器１２に表示する。また、この変位データをＤ／Ａ変換器１１でアナログ信号に変換し、外部に出力する。

次に、図５に基づいて変位を求める手順を説明する。なお、画像センサ部７はＣＣＤリニアイメージセンサであり、Ｎ個の画像素子が１次元状に並んでいるものとする。

図５上段は基準画像記憶部１３に格納された基準画像の画像データ、下段は測定画像記憶部１４に格納された測定画像の画像データである。また、各々の図において縦軸は各画素の出力値、横軸は各々の画素の位置を表す。例えば位置ｍの出力値は（ｍ＋１）番目の画素の出力である。

図５上段の図において、位置ｍから位置（ｍ＋Ｍ−１）までの範囲は基準画像範囲である。この範囲はＭ個の画素データで構成されている。信号処理部１０はこの基準画像範囲の画像パターンと類似のパターンを下段の測定画像の画像データから検索する。検索には最短距離法や相互相関法などのパターンマッチング演算を用いる。

図５では、測定画像上で基準画像からｘ画素ずれた位置に基準画像範囲と類似の画像パターンが検出されたことを表している。この画像のずれ量ｘから下式（１）によって変位量Ｘが演算できる。
Ｘ＝Ａ・ｘ・・・・・・・・・（１）
Ａは光学系の光学倍率などによって決まる比例定数である。

また、前回の変位量をＸ’、今回の変位量をＸ、サンプリング周期をＴとすると、下式（２）によって速度Ｖを演算することができる。
Ｖ＝（Ｘ−Ｘ’）／Ｔ・・・・・・・・・（２）

測定の形態にはアブソリュート測定とインクリメンタル測定の２種類がある。アブソリュート測定は画面内で測定対象がどう動くかを測定するものであり、インクリメンタル測定は測定対象が画面をはみ出した場合に変位を積算して測定するものである。

アブソリュート測定では基準画像記憶部１３の画像データは同じものを用いる。それに対してインクリメンタル測定では予め画素のずれ量の範囲を定めておき、ずれ量がこの範囲を越えると測定画像記憶部１４に格納された画像データで基準画像記憶部１３の内容および基準画像位置を更新して測定を行うようにする。

しかしながら、このような変位測定装置には、次のような課題があった。

インクリメンタル測定では誤差の積算による測定精度の低下が発生する。インクリメンタル測定は測定が終了した測定画像を次の測定の基準画像とするものであるので、ある測定の演算結果に誤差が含まれているとその誤差は以降の測定にも含まれてしまい、誤差が積算されて増大してしまうという課題があった。

測定対象が静止している場合であっても、演算結果には多少のばらつきが存在する。変位積算時の演算結果がばらつき分布の平均値に近いと誤差は小さく、また積算時に相互にキャンセルされて誤差は増大しない。しかしながら、演算結果がばらつき分布の端にあるとキャンセルされず、誤差が増大してしまうという課題もあった。

従って本発明が解決しようとする課題は、変位積算時の誤差を増大させない変位測定装置を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
測定対象物４の測定画像から基準画像に類似する部分を検索してこの測定画像と基準画像とのずれ量を求め、このずれ量から測定対象物４の変位量を測定する変位測定装置であって、
基準画像の画像データが格納される基準画像記憶部１３と、
測定対象物４の測定画像の画像データが格納される測定画像記憶部１４と、
基準画像候補の画像データが格納される基準画像候補記憶部１と、
これら基準画像記憶部１３、測定画像記憶部１４および基準画像候補記憶部１に格納された画像データを用いて測定対象物４の変位を算出する信号処理部１０を具備し、
この信号処理部１０は所定の基準画像切り替え準備条件が成立したときに新たな基準画像の候補を基準画像候補記憶部１に格納すると共に、前記基準画像切り替え条件が成立しているときに前記基準画像と前記基準画像候補との間の距離に相当する量を演算し、所定の基準画像更新条件が成立したときに前記基準画像と前記基準画像候補の距離に相当する量の平均的な値を前記基準画像の位置に加算し、かつ前記基準画像候補を新たな基準画像として基準画像記憶部１３に格納するようにしたものである。測定精度を向上させることができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、基準画像と基準画像候補のずれ量がフルスパンの所定の割合以上であることを基準画像切り替え準備条件としたものである。簡単な条件なので処理を早くすることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、基準画像と測定画像のずれ量がフルスパンの所定の割合以上になったときを基準画像変更条件としたものである。簡単な条件なので処理を早くすることができる。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし請求項３に記載の発明において、基準画像と基準画像候補とのずれ量を所定の回数演算したことを基準画像変更条件としたものである。回数を数えるだけであり、処理を速くすることができる。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし請求項４に記載の発明において、基準画像と基準画像候補の距離に相当する量の単純な平均値を平均的な値としたものである。簡単に計算できる。

請求項６記載の発明は、請求項１ないし請求項４に記載の発明において、基準画像と基準画像候補の距離に相当する量の中央値を平均的な値としたものである。異常な値を除去できる。

請求項７記載の発明は、請求項１ないし請求項４に記載の発明において、基準画像と基準画像候補の距離に相当する量の最頻値を平均的な値としたものである。異常な値を除去できる。

本発明によれば、次の効果が期待できる。請求項１記載の発明によれば、測定対象物４の測定画像から基準画像に類似する部分を検索してこの測定画像と基準画像とのずれ量を求め、このずれ量から測定対象物４の変位量を測定する変位測定装置であって、基準画像の画像データが格納される基準画像記憶部１３と、測定対象物４の測定画像の画像データが格納される測定画像記憶部１４と、基準画像候補の画像データが格納される基準画像候補記憶部１と、これら基準画像記憶部１３、測定画像記憶部１４および基準画像候補記憶部１に格納された画像データを用いて測定対象物４の変位を算出する信号処理部１０を具備し、この信号処理部１０は所定の基準画像切り替え準備条件が成立したときに新たな基準画像の候補を基準画像候補記憶部１に格納すると共に、前記基準画像切り替え条件が成立しているときに前記基準画像と前記基準画像候補との間の距離に相当する量を演算し、所定の基準画像更新条件が成立したときに前記基準画像と前記基準画像候補の距離に相当する量の平均的な値を前記基準画像の位置に加算し、かつ前記基準画像候補を新たな基準画像として基準画像記憶部１３に格納するようにした。

従来基準画像の更新時の誤差が大きく問題になっていたが、本発明を適用することにより基準画像更新時のばらつきを押さえることができるので、測定精度が向上するという効果がある。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、基準画像と測定画像のずれ量がフルスパンの所定の割合以上であることを基準画像切り替え準備条件とした。簡単な条件なので、条件を満たしているかのチェック処理を速くすることができるという効果がある。

請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の発明において、基準画像と測定画像のずれ量がフルスパンの所定の割合以上になったときを基準画像変更条件とした。簡単な条件なので、条件を満たしているかのチェック処理を速くすることができるという効果がある。また、頻繁に基準画面が更新されることがなくなるため、安定した測定が出来るという効果もある。

請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし請求項３に記載の発明において、基準画像と基準画像候補とのずれ量を所定の回数演算したことを基準画像変更条件とした。回数を数えるだけであり、処理を速くすることができるという効果がある。また、基準画像と基準画像候補とのずれ量を決まった回数測定するので、平均的な値のばらつきが少なくなるという効果もある。

請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし請求項４に記載の発明において、基準画像と基準画像候補の距離に相当する量の単純な平均値を平均的な値とした。簡単に計算でき、かつ平均的な値として妥当な値になるという効果がある。

請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし請求項４に記載の発明において、基準画像と基準画像候補の距離に相当する量の中央値を平均的な値とした。ずれ量に異常な値があっても平均的な値には影響を与えないので、安定した測定が出来るという効果がある。

請求項７記載の発明によれば、請求項１ないし請求項４に記載の発明において、基準画像と基準画像候補の距離に相当する量の最頻値を平均的な値とした。妥当な値を平均的な値とすることができるので、安定した測定が可能になるという効果がある。

以下に、図に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明に係る変位測定装置の一実施例を示す構成図である。なお、図４と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この実施例はインクリメンタル測定を改良したものである。
図１において、１は基準画像候補記憶部であり、基準画像記憶部１３を更新する画像データの候補が格納される。

この実施例では、インクリメンタル測定時に測定画像記憶部１４に格納されている測定済みの画像データで基準画像記憶部１３をすぐに更新しないで、一旦基準画像候補記憶部１に格納する。そして、基準画像候補と基準画像との距離に相当する量を複数回求め、これらの平均的な値を採用することによりインクリメンタル時の誤差を減少させるようにするものである。

図２は本発明に係る変位測定装置の一実施例の動作を示すフローチャートである。図２において、最初に基準画像を切り替えるための準備条件および基準画像更新条件を設定する。前述したように、この実施例では測定済みの画像データをすぐに基準画像としないで、所定の条件を満たした後に更新するようにする。ここでは、そのための条件を設定する。

次に、基準状態の画像である基準画像を基準画像記憶部１３に格納し、基準画像の位置Ｘ_０を０に初期化する。このときに基準画像の範囲も設定する。ここまでが準備段階であり、これ以降が測定段階になる。

まず、測定画像を測定画像記憶部１４に格納する。次に、上で設定した基準画像の基準画像範囲の部分と測定画像を比較して、基準画像と測定画像のずれ量ｘを計算する。この比較は両者の画像データのパターンマッチングを取ることにより行う。

次に、光学倍率関数Ａ（ｘ）を用いて、下記（３）式から変位量Ｘを計算する。
Ｘ＝Ａ（ｘ）＋Ｘ_０・・・・・・・・（３）
この（３）式は前記（１）式とほぼ同じであるが、前記（１）式のＡは定数であるのに対して、この（３）式の光学倍率関数Ａ（ｘ）はずれ量ｘの関数である。
この光学倍率関数Ａ（ｘ）については後述する。

次に、前記（２）式によってサンプリング周期Ｔから速度Ｖを計算する。そして、今回の変位量Ｘを前回の変位量Ｘ’に代入して、表示器１２に計算結果を表示し、またＤ／Ａ変換器１１でアナログ信号に変換して外部に出力する。

次に、最初に設定した基準画像切り替え準備条件を満たしているかを調べ、満たしていない（ＦＡＬＳＥ）と測定終了であるかをチェックして、測定終了でないと次のサンプリング周期の測定画像を測定画像記憶部１４に格納して同じ動作を繰り返す。

基準画像切り替え条件を満たしている（ＴＲＵＥ）と、２回以上連続してＴＲＵＥになっているかをチェックし、なっていない（ＦＡＬＳＥ）と測定画像記憶部１４の内容を基準画像候補記憶部１に格納する。すなわち、最初に基準画像切り替え準備条件を満たしたときのみ格納する。

そして、基準画像位置と基準画像候補位置との距離に相当する量をΔｋ、今回の変位量ＸをΔ０とする。そして、基準画像更新条件が成立しているかを判断する。

２回以上連続してＴＲＵＥになる（ＴＲＵＥ）と、測定画像と基準画像候補の基準区間部分を比較してこれらのずれ量ｙを計算し、光学倍率関数Ａ（ｘ）を用いて基準画像候補を取得した時点からの変位量Ｙを計算する。すなわち、Ｙ＝Ａ（ｙ）とする。そして、前記（３）式で求めたＸとこのＹの差をΔｋとし、基準画像更新条件が成立しているかどうかを判断する。

基準画像更新条件が成立している（ＴＲＵＥ）と、基準画像候補記憶部１の内容を基準画像記憶部１３に格納する。すなわち、基準画像候補を基準画像とする。そして、求めたΔ０とΔｋ（ｋ＝１・・・・）の値から平均的なΔを求めて、基準画像の位置Ｘ_０にこのΔを加算した値を新しい基準画像の位置とする。

この処理が終了した後、および基準画像更新条件が成立していない（ＦＡＬＳＥ）場合または基準画像切り替え準備条件が成立していない（ＦＡＬＳＥ）場合は測定終了かを判定し、測定終了でないと新たな測定画像を測定画像記憶部１４に格納して、前述した処理を繰り返す。

図２の基準画像切り替え条件としては、例えば基準画像からのずれ量の範囲をフルスパンの６０％と決めておき、計算で求めたずれ量がこのずれ量の範囲を越えているかどうかを条件とする。この条件が成立すると新しい基準画像の候補となる画像を基準画像候補記憶部１に格納し、基準画像候補と基準画像の距離Δｋを複数回求めるようにする。

また、基準画像更新条件としては、例えば基準画像からのずれ量の範囲をフルスパンの８０％とし、計算で求めたずれ量がこの範囲を越えたかどうかを条件とする。この条件が満たされると基準画像を変更し、基準画像候補と基準画像の距離Δｋの平均的な値を基準座標位置Ｘ_０に加算して新しい基準座標位置とする。

基準画像更新条件としては、基準画像候補と基準画像との距離Δｋを求める回数の上限を設定し、この上限を越えたときに基準画像更新条件が満たされたとしてもよい。その他種々の条件が考えられる。また、Δｋの平均的な値を求める手順としては、単なる平均値を計算してもよく、また最頻値や中央値（メディアン）を採用してもよい。

次に、図３に基づいてこの実施例の動作を詳しく説明する。図３（Ａ）〜（Ｆ）は画像データを表した図であり、縦軸は各画素の出力値、横軸はその位置を表す。図３（Ａ）は基準画像を示したものであり、太線２は基準画像の範囲である。この基準画像２のずれ量ｘ_０＝０、変位量Ｘ_０は０である。

同図（Ｂ）は測定画像を表した図である。２１は基準画像２とマッチした部分を表す。ずれ量はｘ_１であり、変位量Ｘ_１はＡ（ｘ_１）＋Ｘ_０となる。なお、Ａ（ｘ）は光学倍率関数である。このずれ量ｘ_１は基準画像切り替え準備条件を満足していないので、何もしないで次の測定を実行する。

同図（Ｃ）の２２は基準画像２にマッチした部分を表す。ずれ量はｘ_ｎであり、変位量Ｘ_ｎはＡ（ｘ_ｎ）＋Ｘ_０となる。このずれ量ｘ_ｎは基準画像切り替え準備条件を満足しているので、新しい基準画像の候補３を設定する。また、基準画像と基準画像候補の距離に相当する量Δ０＝Ｘ_ｎと置く。

同図（Ｄ）２３は基準画像２とマッチした部分、３１は新基準画像候補３とマッチした部分である。基準画像２とのずれ量はｘ_ｎ＋１であり、変位Ｘ_ｎ＋１＝Ａ（ｘ_ｎ＋１）＋Ｘ_０になる。また、新基準画像候補３とのずれ量はｙ_１であり、（Ｃ）を基準とした変位Ｙ_１＝Ａ（ｙ_１）になる。また、Δ１＝Ｘ_ｎ＋１−Ｙ_１＝Ａ（ｘ_ｎ＋１）＋Ｘ_０−Ａ（ｙ_１）である。

同図（Ｅ）の２４は基準画像２にマッチした部分でありずれ量はｘ_ｎ＋ｍ、３２は新基準画像候補３にマッチした部分であり、ずれ量はｙ_ｍである。従って、変位Ｘ_ｎ＋ｍ＝Ａ（ｘ_ｎ＋ｍ）＋Ｘ_０、変位Ｙ_ｍ＝Ａ（ｙ_ｍ）になる。また、Δｍ＝Ｘ_ｎ＋ｍ−Ｙ_ｍ＝Ａ（ｘ_ｎ＋ｍ）＋Ｘ_０−Ａ（ｙ_ｍ）である。

この値は基準画像更新条件を満たすので、基準画像２を新基準画像候補３で更新する。また、Δとして今まで求めたΔｋの単純平均を採用して、

とし、Ｘ_０にこのΔを加算して新しいＸ_０とする。すなわち、Ｘ_０＝Ｘ_０＋Δとする。

同図（Ｆ）の３３はこの新しい基準画像とマッチした部分である。このときのずれ量はｘ_{ｎ＋ｍ＋１}であり、変位Ｘ_{ｎ＋ｍ＋１}＝Ａ（ｘ_{ｎ＋ｍ＋１}）＋Ｘ_０になる。基準画像が更新された直後なので基準画像切り替え準備条件は成立しない。以降、この動作を継続する。

このように、基準画像切り替え準備条件が成立すると基準画像候補を選定して基準画像候補記憶部１に格納して、この基準画像候補と基準画像との変位量Δｋを求めていき、基準画像更新条件が成立すると基準画像候補を基準画像とし、変位量Δｋの平均的な値を前基準画像の位置Ｘ_０に加算して新たな基準画像の位置とするようにする。

なお、従来例ではずれ量から変位を求める光学倍率係数は定数としたが、この発明では任意の関数とした。これによって光学系の収差、画素ピッチの不均一、照明の不均一などによる誤差を補正できる。この光学倍率関数は予め使用するレンズなどについて校正を行って求め、ＬＵＴ(Look Up Table)あるいは関数などの形でデータを用意しておくようにする。

本発明の一実施例を示す構成図である。本発明の一実施例を示すフローチャートである。本発明の動作を説明するための特性図である。従来の変位測定装置の構成図である。変位測定装置の動作を説明するための特性図である。

符号の説明

１基準画像候補記憶部
２基準画像
２１，２２，２３，２４基準画像とマッチした部分
３基準画像候補
３１，３２，３３基準画像候補とマッチした部分
４測定対象物
５照明系
７画像センサ部
１０信号処理部
１３基準画像記憶部
１４測定画像記憶部

Claims

測定対象物の測定画像から基準画像に類似する部分を検索して、前記測定画像と前記基準画像とのずれ量を求め、このずれ量から前記測定対象物の変位量を測定する変位測定装置において、
前記変位測定装置は基準画像の画像データが格納される基準画像記憶部と、
測定対象物の測定画像の画像データが格納される測定画像記憶部と、
基準画像候補の画像データが格納される基準画像候補記憶部と、
これら基準画像記憶部、測定画像記憶部および基準画像候補記憶部に格納された画像データを用いて前記測定対象物の変位を算出する信号処理部と、
を具備し、
この信号処理部は所定の基準画像切り替え準備条件が成立したときに新たな基準画像の候補を基準画像候補記憶部に格納すると共に、前記基準画像切り替え準備条件が成立しているときに前記基準画像と前記基準画像候補との間の距離に相当する量を演算し、所定の基準画像更新条件が成立したときに前記基準画像と前記基準画像候補の前記距離に相当する量の平均的な値を前記基準画像の位置に加算し、かつ前記基準画像候補を新たな基準画像として前記基準画像記憶部に格納するようにしたことを特徴とする変位測定装置。
前記基準画像と前記基準画像候補のずれ量がフルスパンの所定の割合以上であることを前記基準画像切り替え準備条件としたことを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
前記基準画像と前記基準画像候補のずれ量がフルスパンの所定の割合以上になったときを前記基準画像変更条件としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の変位測定装置。
前記基準画像と前記基準画像候補とのずれ量を所定の回数演算したことを前記基準画像変更条件としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の変位測定装置。
前記基準画像と前記基準画像候補の距離に相当する量の単純な平均値を前記平均的な値としたことを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の変位測定装置。
前記基準画像と前記基準画像候補の距離に相当する量の中央値を前記平均的な値としたことを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の変位測定装置。
前記基準画像と前記基準画像候補の距離に相当する量の最頻値を前記平均的な値としたことを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の変位測定装置。