JP2005524828A - 測定システムにおける方法と装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、測定システムを用いて、対象（３）の特徴を画像化するための方法及び装置に関する。ここで、測定システム又は対象（３）のどちらかが互いに対して所定の運動方向に動き、対象（３）は好ましくは測定システムに対して動くように構成されている。
対象（３）に入射し、且つ運動方向の延長を制限された光によって、少なくとも一個の光源（２）が対象（３）を照らすように構成される。画像化センサー（１）が、光源（２）と同様に対象（３）と同じ側に配され、対象（３）から反射した光を集め、且つこれを電荷に変換するように構成される。画像処理ユニットが、この電荷から対象（３）のデジタル表現（５）を創出するように構成される。光源（２）が、運動方向に見て画像化センサー（１）から所定の間隔を置いて配され、画像処理ユニットが、対象の幾何学的プロファイルの情報と、このプロファイルに基づいて所定の領域における光散乱の情報を同時に読み出すように構成される。

Description

本発明は、一般的に対象の特徴を画像化するための方法と装置に関し、特に測定システムを用いて対象の特徴を画像化するための方法と装置に関する。本発明では、測定システム及び／又は対象は、所定の運動方向に互いに対して動き、対象は好ましくは測定システムに対して動く。対象は、運動方向の延長を制限された入射光によって照らされ、対象から反射した光は、対象と同じ側に配された画像化センサーによって入射光として検出される。画像化センサーは検出された光を電荷に変換し、それに従って対象の特徴のデジタル表現が創出される。

木の欠点を検出する有利な方法が従来技術において既に知られており、それによれば、木の表面が光源（例えば、レーザー）によって照らされ、木の表層における光散乱が測定される。すなわち、物質に入り込む光が記録され、散乱後、それが入った位置とは異なる位置で物質から現れる。これがどのようにして生じるかは、このように測定される物質の内部の特徴に依存する。しかしながら、入射光の大部分は表面で反射され、「散乱光」と呼ばれる。この目的のために、点光源（特許文献１）又は線光源（特許文献２）が用いられる。検出器はディスクリート感光素子を有するが、有利な実施形態では、線光源は二次元画像処理センサー（特許文献２）と共に用いられる。画像処理センサーが様々なウィンドウを定めるための機能、すなわち別の処理のために読み出される画像処理センサーの役割を制限する機能を有するならば、特に有利である。

光源で対象を照らし、次いで所定の角度から対象を観察するセンサーで反射光の表示の位置を検出することにより（いわゆる三角測量）、対象の形状、つまりその断面の幾何学的プロファイルを測定する可能性も知られている。これを以下でプロファイル測定と呼ぶことにする。二個以上の光源（光散乱のための光源とプロファイル測定のための光源）を用いて木材の表面を照らすことにより、一つの画像において光散乱測定とプロファイル測定を結びつけることもまた知られている（特許文献２）。

光散乱を測定する公知の方法において、光源からの照射の方向と画像処理センサーの観察の方向は、実質的に同じ面にある。これは、木片の幾何学的プロファイルに関わらず、反射光と散乱光の両方の表示が常に画像処理センサー上の同じ位置に来ることを意味する。これは、画像表面のほんの一部だけが読み取られればよく、従って測定が高周波数で実行されることを意味する。

他方で、プロファイルを測定する際、反射光と散乱光の表示は全く自然に、次元に依存して異なる位置になる。ここで、異なる測定範囲と精度を得るために、画像ウィンドウのサイズと光源の角度に関して妥協する必要がある。ここで一番大きな制限は、大きな画像ウィンドウは別の処理のために画像処理センサーから読み出そうとするデータを大量にもたらすので、この大量の画像データに関する計算を実行するために、大きなデータ処理容量が必要になるという事実である。

木材を検査する際、光散乱と幾何学的プロファイルの検出を結び付けることが好ましい。しかしながら、上で略述した制限のために、公知の方法を用いて光散乱とプロファイルの同時測定に適する測定回数を得ることは実際にはできていない。ゆえに、異なる光源がこれら二つの測定のために用いられ、従って、これらの特徴はある瞬間に異なる位置で測定されるという一つの問題が生じる。ゆえに、一方の測定のデータは他方の測定に空間的に適合するために補正されなければならず、この補正は決して１００パーセント行うことはできない。さらに明らかに不利な一つの点は、複数の異なる光源が比較的高いシステムコストを伴うという点である。

US3976384 SE501650 AastrandErik、Automatic Inspection of Sawn Wood、博士論文、リンチョーピング大学、１９９６年 WendtP、Coyle E、Gallagher N、StackFilters、IEEE trans、ASSP-34、１９８６年

本発明の目的は、測定システムを用いて、対象の幾何学的プロファイルの情報と、このプロファイルに基づいて所定の領域における光散乱の情報を同時に得るための改良型の方法を提供することである。

別の目的は、測定システムを用いて、対象の幾何学的プロファイルの情報と、このプロファイルに基づいて所定の領域における光散乱の情報を同時に読み出すための改良型の装置を提供することである。

本発明の一つの実施形態によれば、これらの目的は、請求項１〜９のそれぞれの特徴部分に従う方法と装置によって達成される。

本発明を例示の実施形態を用い、付属の図に則してさらに詳細に記述する。
本発明は、同一の光源によって、光散乱（光の分散）及び／又は幾何学的プロファイルを即座に測定するための方法に関する。後のコンピュータユニットの帯域幅が制限されるならば、これは実際には高い測定回数を得るために実際の画像処理センサーで、又はその付近でデータ量を減少させるための方法である。光散乱及び／又は幾何学的プロファイルに関する全ての基本的な情報が、減少したセットから復元される。

さて、本発明を以下の図に則して説明する。図１が、画像化センサーを含むカメラ１、線光源２（例えばレーザー）、及び対象３を備えた典型的なセットアップを示し、その特徴が表されている。図１において、光の入射する場所が対象３上の線４により示される。線光源以外の光源も実行可能である。図２がカメラに記録された像５を示しており、このカメラではレーザー線４の表示が線６で示される。図３に示すように、例えば１０回に１回、画像の列方向に多数の行を加えることによって合計画像を形成すると仮定すると、それにより結局合計画像７では、行１が行（１、１１、２１）等の和を、行２が行（２、１２、２２）等の和を表すことになる。

以下では、光源の表示は、対象で反射した光及び対象で散乱された光の画像化センサー上の表示に関連する。

加法を形成する間、各列のために、光源の表示が初めに見えた行が調べられる。これは、例えば合計を閾値と連続的に比較することにより行われる。別な行を加えた後、合計がある行に対する閾値を超える場合、これが生じた位置が記録される。これは、例えばビットフィールド８における閾値操作の結果を保存することにより行われる。ビットフィールド８は、各行のために合計画像に加えられた行の数と同数のビットを有する。例えば、第一合計が行３１の後閾値に達すると、すなわち第三合計の後、ビット３が記録器に入れられる。次の合計が行２２の閾値に達すると、すなわち第二加法の後、ビット２が入れられる。全ての加法が完了した結果は合計画像であるだけでなく、各列に対して一つのビットフィールドを有するベクトル９でもある。それは、最初のセンサー画像において光源の表示が初めて発生した場所を計算するために用いられる。これは図４にさらに詳しく示される。しかしながら、これは合計があるレベルに達した時に位置を記録する幾つかの実行可能な方法の一つに過ぎないことを特筆する。本発明は、これが正確にどのように行われるかに決して依存しない。

加法の代わりとして、各列の最も大きな値が保持される最大操作（max
operation）を用いることも可能である。これは実際にはあまりノイズに敏感でない結果をもたらすが、他方で実行するのに高い費用がかかる。ゆえに、それは実施形態に依存する。別な代わりとして、いわゆるスタックフィルター操作（非特許文献２）も考えられる。

コンピュータユニットのデータを再現する方法が、本発明に従うビットフィールド９を有するベクトルから生じる。それにより、線の位置を大雑把に見積もることができる。ビットフィールドは、加法の画像によって表される初めの画像における、部分ウィンドウ１０の位置をもたらすと理解される。レーザーの線４を含む初めの画像のこれらの部分だけが、大きく寄与する。線が二つの部分ウィンドウの境界にある場合、図４に示すように、ビットフィールドの対応するビットの両方が一つにされることになる。

従って加法の画像から、合計画像のどのセンサー行に光源の表示があったかを正確に検出することが可能である。光源の表示が複数のセンサー行にわたってのびる大きさと形状を与えられる場合、所定の列１２における強度分布１３を解析することによって、サブピクセル精度１３で線の位置を検出することも可能である。図５に示すように、画像化センサーは実際には離散的な像点を有するので、この解析は一連の離散値に基づいて行われる。例えば、たとえ既知の方法においてこの計算が最初の画像から直接実行されても、このようにして非常に良い精度で線の位置が決定されることはよく知られている（非特許文献１）。本発明の場合、加法の画像についての計算が実施されるが、これをビットフィールド９からの情報と結びつけることにより、最初の画像において線のあった場所が正確に復元される。

同様にして、多数のセンサー行にわたって光源の表示の形状を検討することにより、光散乱を測定することも可能である。表層で光を散乱する物質では、光源の表示は、光散乱が起きない物質におけるそれよりも明らかに幅が広い。検出される強度分布は図５に示す強度分布のような形状を有すると予想される。それにより光散乱の測定は、例えば縁領域（図６のＡ）の強度を直接検討することにより、又は外側領域を中間領域（図６のＢ）と比較することにより、又は全強度（Ａ＋Ｂ）により得られる。縁の強度を測定可能な一つの方法は、二つのセンサー行の間にある先に算出された位置１３から生じる。所定の距離だけ両方向に動く際、位置１４での縁強度が、例えば補間によって計算される。強度分布の形状に関していろいろ変化する他の測定値もまた可能であり、本発明は正確にこれがどのようにして行われるかに決して依存しない。

加法の画像の形成と線の位置の検出が多数の異なる方法で実行される。その一つは、コンピュータユニット（例えば、デジタル信号処理装置）と組み合わせて従来の画像処理センサーを用いることである。画像処理センサーがでたらめな順番でセンサー行を読み出す機能を有する場合、合計画像とビットフィールドベクトルが、図７に従う電子回路によって有利に形成される。そこでは、加法装置１５が線記録器１６に保留された様々な線の内容（content）を加える一方、閾値回路１７が線の近似の位置を検出するために用いられる。ここで、閾値回路１７が、結局合計が初めて閾値を超えるときだけベクトル９が得られることを保証するという点で、図７は幾らか単純化されている。有利な実施形態では、複数の平行出力を有する画像処理センサー（例えば、Photobit
PB1024）が用いられる。そこでは、図７の回路１８が、図８に示すそれぞれの出力のためのセットアップによって再現されている。ここで、加法の代わりとして、最大操作も用いることができる。

別な有利な実施形態では、画像データの列方向の並行処理をするための集積回路（MAPP2200とMAPP2500）を有する画像処理センサーが用いられる。これらの回路は異なるセンサー行からのデータのアナログ加法により、列を形成する機能も有する。それにより、この方法は非常に高速度で実行される。

一個の光源又はカメラを用いる片側だけの測定は、上で実際に示してきた。実際木材は、どちら側にも測定セットアップを用いて、複数の側から何度も測定される。これらは互いに移動可能であり、それでそれらは木材の送り方向の様々な位置で測定したり、同じ位置に留まったりできる。後者の場合、光源からの面が好ましくは一致することが保証される。さもなければ、木材が不規則な形状を有する場合、隣接する測定ユニットの光源からの干渉が起きることになる。どちらかの側の光の面が一致する場合、光源は好ましくは一つの面が複数の光源から照らされるように配される。例えば、その面にある光源を回転させる事ができ、それでそれらは４５°の角度から木材を照らせる。これにより、一個の光源が壊れても照明はまだ利用できるので、さらに照射できるだけでなく、さらに確実性を増すこともできる。片側だけの照明の場合、さらに照射を実行し確実性を増加させるために、その面内で異なる方向からの複数の光源を用いることができる。

上の記述では、光源が直線であることを明確にしておく。別な実施形態には、一つ又は複数の行においてその線を連続する点と置き替えることも含まれる。また、上の記述において、測定は一片の木材に対して実行されることも言い添える。本発明が、他の形状又は木以外の材料の幾何学的プロファイル及び／又は光散乱を測定する事ができるのは明白である。材料の例は、セルロースや紙などの繊維材料である。そのため、本発明は特許請求項の範囲によってのみ限定されると考えられる。

本発明の測定システムの斜視図である。 画像化センサーに記録された、対象で反射した光源の画像を示す図である。 センサー画像がどう圧縮されるかを示す図である。 オリジナル画像を復元するために用いられる復元ベクトルの実施形態を示す図である。 加法画像の列における強度分布を示す図である。 光散乱の情報を得るために強度分布がどう用いられるかを示す図である。 加法画像と復元ベクトルを発生させるための実施形態を示す図である。 加法画像と復元ベクトルを発生させるための別な実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 画像化センサー
３ 対象
５ デジタル表現

Claims (16)

1. 測定システムを用いて対象（３）の特徴を画像化するための方法にして、該測定システム及び／又は上記対象（３）が互いに対して所定の運動方向に動き、好ましくは上記対象が上記測定システムに対して動き、
   上記対象（３）が、上記運動方向の延長を制限された入射光によって照らされ、
   上記対象（３）から反射した光が、上記対象（３）と同じ側に配された画像化センサー（１）によって上記入射光として検出され、
   画像処理センサー（１）は検出された上記光を電荷に変換し、それに従って上記対象（３）のデジタル表現（５）が創出される方法において、
   上記光が、上記対象の運動方向に見て上記画像化センサー（１）から所定の間隔を置いて上記対象（３）に当てられ、
   上記対象の幾何学的プロファイルの情報と、このプロファイルに基づいて所定の領域における光散乱の情報が、上記デジタル表現（５）から同時に読み取られることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、上記デジタル表現（５）が行と列に分割され、圧縮画像（７）が、行の数を減少させることによって上記デジタル表現（５）から創出されることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、所定の順番で上記デジタル表現の行を列方向に加えることにより、行の数を減少させることを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、加法がアナログ手段によって実行されることを特徴とする方法。
5. 請求項３に記載の方法において、上記加法がデジタル手段によって実行されることを特徴とする方法。
6. 請求項３に記載の方法において、列方向の加法の際、上記電荷が所定の閾値を超える行の情報が、つまり反射した光がちょうどその行で検出されることを示す行の情報が、各列のために保存されることを特徴とする方法。
7. 請求項２に記載の方法において、上記圧縮画像が、各列のために、予め選択された行に対する最大値を保存することにより創出されることを特徴とする方法。
8. 請求項１に記載の方法において、上記対象及び上記光散乱の幾何学的プロファイルの情報に加えて、強度分布の情報も上記デジタル表現から読み取られることを特徴とする方法。
9. 測定システムを用いて対象（３）の特徴を画像化するための装置にして、該測定システム又は上記対象（３）のどちらかが互いに対して所定の運動方向に動き、好ましくは上記対象（３）が上記測定システムに対して動くように構成されており、
   上記対象（３）に入射し、且つ上記運動方向の延長を制限された光によって、上記対象（３）を照らすように構成された少なくとも一個の光源（２）と、
   上記光源（２）と同様に上記対象（３）と同じ側に配され、上記対象（３）から反射した光を集め、且つこれを電荷に変換するように構成された画像化センサー（１）と、
   この電荷から上記対象（３）のデジタル表現（５）を創出するように構成された画像処理ユニットとを有する装置において、
   上記光源（２）が、上記運動方向に見て上記画像化センサー（１）から所定の間隔を置いて配され、
   上記画像処理ユニットが、上記対象の上記幾何学的プロファイルの情報と、このプロファイルに基づいて所定の領域における光散乱の情報を、同時に読み出すように構成されることを特徴とする装置。
10. 請求項９に記載の装置において、上記デジタル表現（５）が行と列に分割され、上記画像処理ユニットが、行の数を減少させることによって、上記デジタル表現（５）から圧縮画像（７）を創出するように構成されることを特徴とする装置。
11. 請求項１０に記載の装置において、所定の順番で上記デジタル表現（５）の上記行を列方向に加えることにより、行の数を減少させるように構成されることを特徴とする装置。
12. 請求項１１に記載の装置において、上記画像処理ユニットが、列方向の加法の際、上記電荷が所定の閾値を超える行の情報を、つまり反射した光がその行で検出されることを示す行の情報を、各列のために保存するように構成されることを特徴とする装置。
13. 請求項９に記載の装置において、上記入射光が直線であることを特徴とする装置。
14. 請求項９に記載の装置において、上記入射光が複数の点又は線分から構成されることを特徴とする装置。
15. 請求項１０に記載の装置において、上記画像処理ユニットが、各列のために、予め選択された行に対する最大値を保存することにより、上記圧縮画像を創出するよう構成されることを特徴とする装置。
16. 請求項９に記載の装置において、上記画像処理ユニットが、上記対象（３）及び上記光散乱の幾何学的プロファイルの情報に加えて、上記デジタル表現（５）から上記強度分布の情報をも読み出すために構成されることを特徴とする装置。

Images