JP2006058160A

JP2006058160A - 線状光データ処理装置、表面形状測定システム、線状光データ処理方法、線状光データ処理装置の制御プログラム、および、コンピュータ読み取り可能な記録媒体

Info

Publication number: JP2006058160A
Application number: JP2004241041A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Okada; 至弘岡田; Tetsuro Shoji; 哲朗正司
Original assignee: Ryukoku University
Current assignee: Ryukoku University
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】光切断法を用いて、計測精度よく広範囲の形状計測と表面粗さ計測とを同時に実現することができる線状光データ処理装置を提供する。
【解決手段】座標特定部２２が、画像データにおける線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標を特定する。表面形状算出部２３は、座標特定部２２が特定した画像面での２次元座標を基に光切断法により物体表面の３次元座標を求め、物体表面の形状を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体の３次元微細形状、表面粗さ、表面の色情報を取得することのできる線状光データ処理装置、表面形状測定システム、線状光データ処理方法、線状光データ処理装置の制御プログラムおよび、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。

従来から、物体にレーザ光を照射することによりその投影像から物体の形状測定を行うことがある。この場合、レーザ光特有のスペックル干渉が発生し、その計測精度を低下させることが知られている。そのため、測定精度の低下を軽減させるためレーザ光照射角度の微小な調整と特殊な投影スクリーンとを利用して測定する装置がある（例えば、特許文献１参照）。

また、光切断法で物体形状を測定する装置がある。光切断法では、線状光に沿った物体表面の位置座標が計測されて物体表面の凹凸が算出される（例えば、特許文献２参照）。

一方、レーザ光を用いて、レーザの反射光により、測定対象物体の表面の粗さを計測する方法が知られている。レーザ光源と２つの検出素子とを用いて物体の表面粗さと表面変異の測定する装置（例えば、特許文献２参照）や、レーザ光源と撮像機とを用いて表面粗さを測定する装置（例えば、特許文献３参照）がある。
特開２００３−８３７２２（２００３年３月２９日公開）特開２００４−１７０８８４（２００４年６月１７日公開）特開平６−４２９４４（１９９４年２月１８日公開）特開２００４−１２５６３２（２００４年４月２２日公開）

しかし、上記特許文献１に記載された装置では、物体の表面形状を取得することができるが、表面粗さを測定することはできない。また、スクリーンに投影された形状をカメラで撮影しているため、物体の色情報を得ることはできない。

また、上記特許文献２に記載された装置では、線状光は有限の幅を持っており、表面形状として微細なものまで計測することができない。

また、特許文献３あるいは４に記載された装置では、レーザ光と比較的簡単な光学系を用いているが、どちらも、レーザ光はスポット光であり、表面粗さを計測できる範囲は微小領域のみである。この計測範囲を拡大するためには、機械的走査を行わなければならない。そのため、測定には、大変時間がかかることになる。

また、これらの測定を統一して扱う、すなわち、計測精度よく広範囲の形状計測と粗さ計測と物体表面の色情報の取得とを同時に実現する手法はない。また、物体表面の色情報を得るものもない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、計測精度よく広範囲の形状計測と表面粗さ計測とを同時に実現することができる、線状光データ処理装置、表面形状測定システム、線状光データ処理方法、線状光データ処理装置の制御プログラムおよび、コンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することにある。

本発明に係る線状光データ処理装置は、上記課題を解決するために、物体に照射された線状光を撮影した画像データを用いて光切断法により物体表面の形状を計測する線状光データ処理装置において、上記画像データにおける線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標を特定する座標特定手段と、上記座標特定手段が特定した上記２次元座標を基に光切断法により物体表面の形状を算出する表面形状算出手段とを有することを特徴している。

また、本発明に係る線状光データ処理方法は、上記課題を解決するために、物体に照射された線状光を撮影した画像データを用いて光切断法により物体表面の形状を計測する線状光データ処理方法において、上記画像データにおける線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標を特定する座標特定ステップと、上記座標特定ステップで特定した上記２次元座標を基に光切断法により物体表面の３次元座標を求め、物体表面の形状を算出する表面形状算出ステップとを含むことを特徴している。

上記構成および方法によると、線状光の長手方向に沿ったへり部分（エッジ）の画像面での２次元座標から、光切断法により物体表面の形状を算出する。

ここで、光切断法では、線状光に沿った物体表面の位置座標が計測されて物体表面の凹凸が算出される。しかし、線状光は有限の幅を持っており、従来の技術では、表面形状として微細なものまで計測することができなかった。

これに対し、上記構成および方法によると、線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標を特定することで、有限な幅を持った線状光でも、画像データにおいて、光切断法で利用しうる先鋭な線状光を得ることができる。そして、そのへり部分の画像面での２次元座標を基に、物体表面の形状を算出するので、物体表面の微細な形状を得ることができる。なお、へり部分は、線状光の下部であっても上部のどちらのへり部分であってもかまわないが、どちらか一方に決めておくのがよい。

また、３次元座標が得られるためにその３次元座標から、物体の表面粗さを求めることができる。このように、上記構成および方法によると、物体表面の形状として、表面変異（凹凸など）だけでなく、表面粗さも取得することができる。これは、へり部分の画像面での２次元座標を明確に決定することができるからである。

また、線状光を用いたデータを処理するため、広範囲における物体表面の形状を一括して取得することができる。微細な形状は、従来は、スポット照射されたレーザ光のデータから求めるため、物体全体の表面形状を得るためには、大変時間がかかった。しかし、上記構成によると、物体の表面形状を得るための時間の短縮を図ることができる。

また、得られた３次元微細形状を、ＶＲＭＬ、ＤＸＦ等の汎用データフォーマットに変換することとにより、市販の３次元ＣＧソフトウェア等への取り込みを容易に行うことができる。

このように、上記構成および方法によると、物体表面の広範囲の形状計測と表面粗さ計測とを同時に実現することができる。

また、本発明に係る線状光データ処理装置では、上記構成に加え、上記座標特定手段は、上記線状光の長手方向に直交する面での輝度分布におけるどちらか一方の立ち上がり位置での輝度値とピークの輝度値との平均値での上記２次元座標を決定してもよい。

上記構成によると、線状光の輝度分布は、略ガウス分布となるため、このガウス分布から、明確に２次元座標を決定することができる。このように、２次元座標を決定することで、線状光のへり部分を明確にして、物体の微細な表面形状を測定することができる。

また、本発明に係る線状光データ処理装置では、上記構成に加え、上記画像データから線状光に沿って画素毎に上記２次元座標を決定してもよい。

上記構成によると、画素毎に上記２次元座標を決定して、物体表面の３次元座標を計算することになるため、物体表面全体の詳細な形状を得ることができる。また、画像データにおける画素数が多い程、物体のより詳細な表面形状を取得することができる。

また、本発明に係る線状光データ処理装置では、上記構成に加え、上記表面形状算出手段が算出した物体表面の形状を表示部に表示させる表示情報制御手段を有してもよい。

上記構成によると、物体表面の詳細な形状をサーフェースデータとして表示部に表示させることができる。よって、ユーザは、微細な形状を目視で確認することができる。

また、本発明に係る線状光データ処理装置では、上記構成に加え、上記表面形状算出手段は、表面の高さが既知の物体に照射された線状光の画像データから上記３次元座標以外の光切断法に必要なパラメータを求め、対象物体の表面の形状を算出してもよい。

上記構成によると、各種パラメータを既知の物体から求めるため、正確に表面形状を計測することができる。

また、本発明に係る線状光データ処理装置では、上記構成に加え、テクスチャ用に取得された物体の画像データであるテクスチャ用画像データから物体表面の色情報を取得する色情報取得手段を有する。

上記構成によると、物体表面の色情報も取得することができる。そのため、例えば、求めた３次元座標点からサーフェースデータを得たものに、テクスチャ用画像データをマッピングすることにより、サーフェースデータに色情報を与えることができる。よって、色情報を伴った表面形状を取得することができる。

また、例えば、絵画の２次元表面の粗さと色情報とを取得し、それを検索のキーとして、あらかじめ２次元表面の粗さと色情報とが蓄積されているデータベースから、類似のタッチで描かれた絵画、あるいは、彩色が似ている絵画等を抽出する場合等、抽出を容易に行うことができる。

また、本発明に係る線状光データ処理装置では、上記構成に加え、上記表面形状算出手段が得た上記３次元座標点から、ＪＩＳ規格に基づき、算術平均高さ、最大高さ、凹凸の傾斜を示す二乗平均平方根傾斜、および凹凸周期の算術平均値である輪郭曲線要素の平均長さの少なくとも１つを求める、規格値算出手段を有してもよい。

上記構成によると、上記３次元座標から、算術平均高さ（Ra）、最大高さ(Rz)、凹凸の傾斜を示す二乗平均平方根傾斜（RΔq）、および凹凸周期の算術平均値である輪郭曲線要素の平均長さ（RSm）の少なくとも求めることができる。

これらの、物体表面における特徴の情報をインデックス化してメタデータを作成することにより、物体表面の形状についてのデジタルコンテンツのデータベース化を容易に実現することが可能である。

また、本発明に係る表面形状測定システムは、上記課題を解決するために、線状光を直交する方向に走査して物体表面に線状光を照射する線状光照射部と、物体に照射された照射光の反射光を撮影して画像データとして取得する画像取得部とを有する測定装置と、上記何れかに記載の線状光データ処理装置とを備え、上記線状光データ処理装置は、上記測定装置により取得された画像データを用いて物体表面の形状を計測することを特徴としている。

上記システムによると、物体表面において、一次元方向に線状に拡がった光を走査することで、広範囲の対象領域への光照射を短時間に実現することができる。また、線状光を照射すると同時に線状光の走査に同期して、線状光の照射された物体表面を撮影して画像データとして取得する。この取得した画像データから光切断法により計測対象の物体の表面までの距離を求め、計測対象の物体全体の微細な３次元形状、および２次元表面の粗さを同時に取得することができる。

ここで、線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標から、光切断法により物体表面の形状を算出する。線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標を特定することで、有限な幅を持った線状光でも、画像データにおいて、光切断法で利用しうる先鋭な線状光を得ることができる。そして、そのへり部分の画像面での２次元座標を基に、物体表面の形状を算出するので、物体表面の微細な形状を得ることができる。

また、３次元座標が得られるためにその３次元座標から、物体の表面粗さを求めることができる。このように、上記システムによると、物体表面の形状として、表面変異（凹凸など）だけでなく、表面粗さも取得することができる。これは、へり部分の２次元座標を明確に決定することができるからである。

また、広範囲の対象領域への光照射を短時間に実現できることから、絵画や壁画などの歴史的文化資産等をデジタルアーカイブする際に有効な利用することができる。

以上ように、上記システムによると、物体表面の広範囲の形状計測と表面粗さ計測とを同時に実現することができる。

また、本発明に係る表面形状測定システムでは、上記システムに加え、上記線状光照射部は、光源に半導体レーザを備えてもよい。

上記システムによると、半導体レーザを用いることで、上記測定装置をコストを削減して安価に製造することができる。また、可動にあるいは持ち運び可能に製造することができる。そのため、屋内だけでなく、屋外においても、物体表面の形状測定に利用することができる。半導体レーザを用いても、線状光のへり部分を利用することで、先鋭な線状光として利用することができるので、物体表面の微細な形状を得ることができる。

なお、上記線状光データ処理装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記各手段として動作させることにより上記線状光データ処理装置をコンピュータにて実現させる線状光データ処理装置の制御プログラム、及びその線状光データ処理装置の制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。

これらの構成によれば、線状光データ処理装置の制御プログラムを、コンピュータに読み取り実行させることによって、上記線状光データ処理装置と同一の作用効果を実現することができる。

本発明に係る線状光データ処理装置は、以上のように、上記画像データにおける線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標を特定する座標特定手段と、上記座標特定手段が特定した画像面での２次元座標を基に光切断法により物体表面の形状を算出する表面形状算出手段とを有する。

上記構成によると、線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標から、光切断法により物体表面の形状を算出する。線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標を特定することで、有限な幅を持った線状光でも、画像データにおいて、光切断法で利用しうる先鋭な線状光を得ることができる。そして、そのへり部分の画像面での２次元座標を基に、物体表面の形状を算出するので、物体表面の微細な形状を得ることができる。
また、３次元座標が得られるためにその３次元座標から、物体の表面粗さを求めることができる。このように、上記構成によると、物体表面の形状として、表面変異（凹凸など）だけでなく、表面粗さも取得することができる。これは、へり部分の画像面での２次元座標を明確に決定することができるからである。

また、線状光を用いているデータを処理するため、広範囲における物体表面の形状を一括して取得することができる。そのため、物体の表面形状を得るための時間の短縮を図ることができる。

このように、上記構成によると、物体表面の広範囲の形状計測と表面粗さ計測とを同時に実現することができる。

本発明の一実施形態について図１ないし図７に基づいて説明すると以下の通りである。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本実施の形態の表面形状測定システム１００の構成を示すブロック図である。表面形状測定システム１００は、測定装置１、線状光データ処理装置２、表示部３を備えている。

測定装置１は、線状光照射部１１と、画像取得部１２と、記憶部１３とを有する。測定装置１は、図２（ａ）〜（ｃ）に示す外形を持つ。図２（ａ）は測定装置１の側面図、（ｂ）は測定装置１の上からの平面図、（ｃ）は測定装置１の正面図である。

線状光照射部１１は、図２（ａ）に示すように、光源１４と、光源１４からのレーザ光を反射させる反射鏡１５、反射鏡１５で反射された光を線状光にして出射するポリゴンミラー１６等からなる光学系とを有する。また、ポリゴンミラー１６を回転させ、線状光をその長手方向と垂直な方向に走査（スキャン）できるようにするステッピングモータ１７を有する。これらは、公知技術および方法を用いて構成することができる。レーザ光は、直進性、高輝度、指向性、干渉性に優れているため好適に用いられる。

光源１４が、例えば半導体レーザであると、定装置を低コストで持ち運び便利に形成することができる。また、可動性、つまり持ち運び可能とすることができ、屋内だけでなく屋外の測定にも便利に用いることができる。しかし、光源１４は上記に限定はされない。またレーザ光の波長としては、例えば、６３５ｎｍや、６３３ｎｍが挙げられるが、これらの数値に限定はされない。また、レーザ光のビーム径としては、例えば、０．４８ｍｍや、０．６３ｍｍ（ＴＥＭｏｏ，±３％）が挙げられるが、これらの数値に限定はされない。また、光源１４は単数であっても複数であってもかまわない。また、本実施形態では、ステッピングモータでポリゴンミラーを回転させ線状光を走査させているが、線状光を走査できるものであれば、上記した構成に限らない。例えば、Ｘステージにより物体を移動させ、つまり、線状光は固定させておき、相対的に物体を移動させることで、線状光をスキャンできるようになっていてもよい。

画像取得部１２は、物体の表面からの反射光を撮影し画像データとして取得するものであり、例えば、ＣＣＤ（Charge coupled device）カメラ（カメラ）を用いて構成される。なお、解像度や画素数等は、希望する測定精度に合わせて任意のカメラを用いればよい。また、画像取得部１２は、線状光を撮影した画像データに加え、テクスチャ用に物体を撮影した画像データであるテクスチャ用画像データも取得する。

画像取得部１２が取得した画像データおよびテクスチャ用画像データは、記憶部１３に記憶される。なお、画像データは、動画であっても、静止画であってもよい。画像取得部１２が取り込んだ画像データやテクスチャ用画像データを、表示部３、あるいは、例えばＣＣＤカメラの表示部に表示させてもよい。

記憶部１３は、画像取得部１２が取得した画像データおよびテクスチャ用画像データを記憶するように、記録媒体により構成される。記憶部１３は、画像取得部１２としてのＣＣＤカメラと分離可能に、あるいは分離不可能に設けられていてもよい。記録媒体としては、特に限定されないが、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ等のディスクのディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、フラッシュＲＯＭ等による半導体メモリ等が挙げられる。

なお、本実施の形態では、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、線状光照射部１１と、画像取得部１２および記憶部１３とが測定装置１として１つの筐体の中に収められているが、別々になっていてもかまわない。

表面形状測定システム１００は、測定装置１を用いることで、物体表面において、一次元方向に線状に拡がった光を走査することで、広範囲の対象領域への光照射を短時間に実現することができる。また、線状光を照射すると同時に線状光の走査に同期して、線状光の照射画像表面を撮影して画像データとして取得する。そして、この取得した画像データから光切断法により、以下で詳細に説明するように、線状光データ処理装置は、計測対象の物体の表面までの距離を求め、計測対象の物体全体の微細な３次元形状、および２次元表面の粗さを同時に取得することができる。

線状光データ処理装置２は、制御部２０と記憶部２１とを有し、物体に照射された線状光を撮影した画像データを用いて光切断法により物体表面の形状を計測する。

制御部２０は、線状光データ処理装置２における各種構成の動作を統括的に制御する。また、制御部２０は、画像データにおける線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標を特定する座標特定部（座標特定手段）２２、上記座標特定手段が特定した上記２次元座標を基に光切断法により物体表面の形状を算出する表面形状算出部（表面形状算出手段）２３、算出手段が算出した物体表面の形状を表示部３に表示させる表示情報制御部（表示情報制御手段）２４、テクスチャ用に取得された物体の画像データから物体表面の色情報を取得する色情報取得部（色情報取得手）２５、物体表面の規格値を算出する規格値算出部（規格値算出手段）２６を有する。これら制御部２０における各構成の動作については後段で詳細に説明する。

制御部２０は、例えば、ＰＣ（Personal Computer）ベースのコンピュータによって構成されていればよい。あるいは、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）によって構成されていてもよい。そして、線状光データ処理装置２の各種構成の動作制御は、制御プログラムをコンピュータに実行させることによって行われる。このプログラムは、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）上に記憶されたものであってもよいし、ＣＤ−ＲＯＭなどのリムーバブルメディアに記録されているものを読み出して使用する形態であってもよいし、ハードディスクなどにインストールされたものを読み出して使用する形態であってもよい。また、この制御部２がインターネットなどの通信ネットワークに接続された構成とする場合、この通信ネットワークを介して上記プログラムをダウンロードしてハードディスクなどにインストールして実行する形態なども考えられる。

記憶部２１は、ＲＡＭ（Random Access Memory）もしくはフラッシュメモリもしくはハードディスクなどの不揮発性の記憶装置によって構成されるものである。この記憶部２１に記憶される内容としては、上記した制御プログラム、およびその他各種プログラム、測定装置１の記憶部１３から移した（読み出した）線状光を撮影した画像データやテクスチャ用画像データ等が挙げられる。この測定装置１からの画像データを移すのは、例えば、記憶部１３が取り出し不可能な記憶媒体であれば、例えばＵＳＢケーブル等を用いて移せばよい。また、記憶部２１が記憶部１３を兼ねていてもよい。

表示部３は、物体表面の詳細な形状を示すサーフェースデータ等の表示情報を表示させる表示手段である。なお、表示部３における表示画面は、表示情報を表示可能であればよく、例えば、液晶パネル、有機ＥＬ（Electro Luminescence）パネルや、プラズマディスプレイパネル（Plasma Display Panel）、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等を用いてもよい。

次に、本実施形態の表面形状測定システム１００を用いた物体の表面形状の測定の流れについて、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、画像取得部１２の受光部（カメラ）、線状光照射部１１の照射端（レーザ）、測定対象の物体表面の配置は、図４のようになる。図４において、カメラと鉛直方向のなす角度はθ、焦点距離はｆ、画像データの中心から画像データ中の線状光までの距離はｘ、レーザとカメラとを結んだ直線とレーザ間の角度はΦ、レーザと測定対象の物体までの距離はＺである。

初めにステップ１（以降、Ｓ１のように称する）では、表面形状が既知の物体（キャリブレーション物体）に線状光を照射し、線状光が照射された物体表面を画像取得部１２としてのカメラ（例えば高精細デジタルカメラ）で撮影し、画像データを取得する。画像データから、線状光の上部もしくは下部の線状光のへり部分の画像面での２次元座標を特定する。ここで、へり部分の画像面での２次元座標の特定は、下記のＳ４、５で詳細に説明する方法と同じ方法で取得ることができる。特定されたへり部分の画像面での２次元座標と既知の３次元座標（既知の表面の高さ）とを用いて、カメラの内部パラメータ（焦点距離、レンズ歪、光学中心等）と外部パラメータ（角度、平行移動量等）とを求める。これらのパラメータは、記憶部２１に記憶される。各種パラメータを既知の物体から求めるため、正確に表面形状を計測することができる。なお、これらパラメータは、予め記憶部２１に記憶されていてもよい。

例えば、焦点距離ｆは、物体表面の高さが既知のためレーザと測定対象の物体までの距離Ｚの値がわかり、下記の式（１）から求めることができる。その他のパラメータも公知の方法により求めればよい。

次にＳ２では、物体の表面に測定装置１における線状光照射部１１は、物体表面に対し、線状光をその長手方向に垂直な方向に走査させて照射する。

次にＳ３では、画像取得部１２は、線状光の走査に同期して、線状光の照射された物体表面を撮影し、画像データを取得する。つまりここでは走査に同期して、シャッターが切られる。そして、得られた画像データは記憶部１３に記憶される。この画像データは、例えば、図５に示すようなものとなる。また、線状光が照射されていない物体表面を撮影し、テクスチャ用の画像データ（テクスチャ用画像データ）を取得してもよい。

次にＳ４では、Ｓ３で取得した画像データが記憶部１３から記憶部２１に移され、この画像データを基に、座標特定部２２が、画像データにおける線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標を決定するために、閾値を決定する。ここでの閾値とは、線状光を２値化するための値、つまり、どこからが線状光であるかを指し示す境界を表す値である。なお、座標特定部２２は、記憶部１３から直接画像データを読み出して処理を行うようになっていてもよい。

ここで、画像データ中の線状光の長手方向に直交する面での輝度分布は、図６に示す様に略ガウス分布となる。そのため、本実施形態では、このガウス分布から、閾値を決定する。詳細には、線状光の下部に対する箇所の立ち上がり位置での輝度値とピークの輝度値輝度値との平均値を閾値として決定する。なお、閾値の決定方法はここに記載された方法に限定はされない。また、立ち上がり位置は、線状光の下部であっても上部のどちらの位置であってもかまわない。すなわち、へり部分は、線状光の下部であっても上部のどちらのへり部分であってもかまわないが、どちらか一方に決めておく。以上のように、閾値を決定することで、線状光のへり部分を明確にして、物体の微細な表面形状を測定することができる。

なお、Ｓ４において、画像データから線状光に沿って画素毎に閾値を決定する。画素毎に閾値を決定すると、画素毎に以下に示す様に３次元座標を計算することができるため、物体表面全体の詳細な形状を得ることができる。しかし、閾値の決定は画素毎に行うことに限定されることはない。なお、画像データにおける画素数が多い程、物体のより詳細な表面形状を取得することができる。

次にＳ５において、座標特定部２２は、Ｓ３で決定した閾値での２次元座標を特定する（座標特定ステップ）。

次にＳ６において、表面形状算出部２３は、Ｓ５で特定した画像面での２次元座標を基に光切断法により物体表面の３次元座標を求め、Ｓ７において、物体表面の形状を算出する（表面形状算出ステップ）。本実施形態では、Ｓ６において、表面形状算出部２３は、Ｓ５で特定した画像面での２次元座標から、図７に示される様な画像データの中心から画像データ中の線状光までの距離ｘを求める。そして、表面形状算出部２３は、Ｓ１で測定したパラメータを記憶部２１から読み出し、上記式（１）を基に、物体表面の３次元座標を得る。なお、光切断法による３次元座標の算出はここに記載した方法には限定されない。

またＳ７において、表示情報制御部２４が、Ｓ６で表面形状算出部２３が算出した物体表面の形状を表示部３に表示させてもよい。物体表面の詳細な形状をサーフェースデータとして表示部に表示させることができる。よって、ユーザは、微細な形状を目視で確認することができる。ここで、Ｓ３において、画像取得部１２がテクスチャ用画像データを取得して、記憶部２１にこのテクスチャ用画像データが記憶されていると、色情報取得部２５は、テクスチャ用画像データから物体表面の色情報を取得する。物体表面の色情報を取得することで、例えば、上記サーフェースデータに、テクスチャ用画像データをマッピングすることにより、サーフェースデータに色情報を与えることができる。表示情報制御部２４は、この色情報を与えられた表面形状を表示部３に表示させるようになっていてもよい。

また、色情報取得部２５が物体表面の色情報を取得することで、例えば、絵画の２次元表面の粗さと色情報とを検索のキーとして、あらかじめ２次元表面の粗さと色情報とが蓄積されているデータベースから、類似のタッチで描かれた絵画、あるいは、彩色が似ている絵画等を抽出できるようになっていてもよい。この場合、抽出を容易に行うことができる。

なお、表示部３での表示以外にも、例えばプリンタ等の出力装置に物体表面の形状を出力してもよい。

次にＳ８において、物体の表面粗さの計測を行う。規格値算出部２６が、表面形状算出部２３が得た上記３次元座標点から、ＪＩＳ規格に基づき、算術平均高さ（Ra）、最大高さ（Rz）、凹凸の傾斜を示す二乗平均平方根傾斜（RΔq）、および凹凸周期の算術平均値である輪郭曲線要素の平均長さ（RSm）の少なくとも１つを求める。３次元座標から、算術平均高さ、最大高さ、凹凸の傾斜を示す二乗平均平方根傾斜、および凹凸周期の算術平均値である輪郭曲線要素の平均長さの少なくとも求めることができるので、これらの物体表面における特徴の情報をインデックス化してメタデータを作成することができる。このことにより、物体表面の形状についてのデジタルコンテンツのデータベース化を容易に実現することが可能である。

以上のように表面形状測定システム１００において線状光データ処理装置２は、線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標から、光切断法により物体表面の形状を算出する。

ここで、光切断法では、線状光に沿った物体表面の位置座標が計測されて物体表面の凹凸が算出される。しかし、線状光は有限の幅を持っており、従来の技術では、表面形状として微細なものまで計測することができなかった。これに対し、表面形状測定システム１００における線状光データ処理装置２は、線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標を決定することで、有限な幅を持った線状光でも、画像データにおいて、光切断法で利用しうる先鋭な線状光を得ることができる。そして、そのへり部分の画像面での２次元座標を基に、物体表面の形状を算出するので、物体表面の微細な形状を得ることができる。

また、物体表面の３次元座標が得られるためにその３次元座標から、物体の表面粗さを求めることができる。このように、表面形状測定システム１００において線状光データ処理装置２は、物体表面の形状として、表面変異（凹凸など）だけでなく、表面粗さも取得することができる。これは、閾値を決定することにより線状光を２値化することができ、へり部分の画像面での２次元座標を特定することができるからである。

このように、線状光データ処理装置２は、物体表面の広範囲の形状計測と表面粗さ計測とを同時に実現することができる。

以上に説明した実施形態では、測定装置１と線状光データ処理装置２と表示部３とを別々のものとして説明したが、例えば測定装置として全て一体型となっていてもよい。また、測定装置１が、持ち運び可能なあるいは移動可能な移動体に設置されていてもよい。また、線状光データ処理装置２は、１つの測定装置１と接続しているが、複数の測定装置１と接続していてもよく、複数の測定装置１の画像データを処理できるようになっていてもよい。

なお、上記実施形態の線状光データ処理装置２の各部や各処理ステップは、ＣＰＵなどの演算手段が、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭなどの記憶手段に記憶されたプログラムを実行し、キーボードなどの入力手段、ディスプレイなどの出力手段、あるいは、インターフェース回路などの通信手段を制御することにより実現することができる。したがって、これらの手段を有するコンピュータが、上記プログラムを記録した記録媒体を読み取り、当該プログラムを実行するだけで、本実施形態の線状光データ処理装置２の各種機能および各種処理を実現することができる。また、上記プログラムをリムーバブルな記録媒体に記録することにより、任意のコンピュータ上で上記の各種機能および各種処理を実現することができる。

この記録媒体としては、マイクロコンピュータで処理を行うために図示しないメモリ、例えばＲＯＭのようなものがプログラムメディアであっても良いし、また、図示していないが外部記憶装置としてプログラム読み取り装置が設けられ、そこに記録媒体を挿入することにより読み取り可能なプログラムメディアであっても良い。

また、何れの場合でも、格納されているプログラムは、マイクロプロセッサがアクセスして実行される構成であることが好ましい。さらに、プログラムを読み出し、読み出されたプログラムは、マイクロコンピュータのプログラム記憶エリアにダウンロードされて、そのプログラムが実行される方式であることが好ましい。なお、このダウンロード用のプログラムは予め線状光データ処理装置２に格納されているものとする。

また、上記プログラムメディアとしては、線状光データ処理装置と分離可能に構成される記録媒体であり、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ等のディスクのディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、フラッシュＲＯＭ等による半導体メモリを含めた固定的にプログラムを担持する記録媒体等がある。

また、上記プログラムコードは、コンピュータが記録媒体から読み出して直接実行できるように記録されていてもよいし、記録媒体から主記憶のプログラム記憶領域へ転送された後コンピュータが主記憶から読み出して実行できるように記録されていてもよい。

さらに、システムあるいは装置を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。そして、通信ネットワークとしては、特に限定されず、具体的には、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、具体的には、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された搬送波あるいはデータ信号列の形態でも実現され得る。

なお、プログラムコードを記録媒体から読み出して主記憶に格納するためのプログラム、および、通信ネットワークからプログラムコードをダウンロードするためのプログラムは、コンピュータによって実行可能にあらかじめシステムあるいは装置に格納されているものとする。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、物体表面の３次元微細形状および２次元表面の粗さを同時に計測することが可能であり、さらに表面の色情報を取得することができる。よって、本発明は、物体の微細な表面形状を必要とする分野に利用でき、例えば、計測技術、３次元形状計測技術、２次元表面粗さ測定技術、画像処理技術、ＣＧ技術等に利用することができる。

具体的には、工場ラインにおける製品の異物検出、割れ検査等、例えば、プリント基板の欠品検査当に利用することができる。また、例えば、絵画や壁画などの歴史的文化資産等をデジタルアーカイブする際にも利用することができる。

本実施の形態に係る表面形状測定システムの要部構成を示すブロック図である。上記表面形状測定システムにおける測定装置の構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上からの平面図、（ｃ）は正面図である。上記表面形状測定システムにおける測定装置の動作を示すフローチャートである。上記表面形状測定システムにおける測定装置の配置を示す図である。上記表面形状測定システムにおける測定装置が測定した画像データの一例を示す図である。線状光の輝度分布を示すグラフである。上記表面形状測定システムにおける測定装置が測定した画像データの中心から画像データ中の線状光までの距離ｘを説明する図である。

符号の説明

１測定装置
２線状光データ処理装置
３表示部
１１線状光照射部
１２画像取得部
１３記憶部
１４光源
１５反射鏡
１６ポリゴンミラー
１７ステッピングモータ
２０制御部
２１記憶部
２２座標特定部（座標特定手段）
２３表面形状算出部（表面形状算出手段）
２４表示情報制御部（表示情報制御手段）
２５色情報取得部（色情報取得手段）
２６規格値算出部（規格値算出手段）
１００表面形状測定システム

Claims

物体に照射された線状光を撮影した画像データを用いて光切断法により物体表面の形状を計測する線状光データ処理装置において、
上記画像データにおける線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標を特定する座標特定手段と、
上記座標特定手段が特定した上記２次元座標を基に光切断法により物体表面の３次元座標を求め、物体表面の形状を算出する表面形状算出手段とを有することを特徴とする線状光データ処理装置。
上記座標特定手段は、上記線状光の長手方向に直交する面での輝度分布におけるどちらか一方の立ち上がり位置での輝度値とピークの輝度値との平均値に対応する上記２次元座標を決定することを特徴とする請求項１に記載の線状光データ処理装置。
上記座標特定手段は、上記画像データから線状光に沿って画素毎に上記２次元座標を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の線状光データ処理装置。
上記表面形状算出手段が算出した物体表面の形状を表示部に表示させる表示情報制御手段を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の線状光データ処理装置。
上記表面形状算出手段は、表面の高さが既知の物体に照射された線状光の画像データから上記３次元座標以外の光切断法に必要なパラメータを求め、対象物体の表面の形状を算出することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の線状光データ処理装置。
テクスチャ用に取得された物体の画像データであるテクスチャ用画像データから物体表面の色情報を取得する色情報取得手段を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の線状光データ処理装置。
上記表面形状算出手段が得た上記３次元座標点から、ＪＩＳ規格に基づき、算術平均高さ、最大高さ、凹凸の傾斜を示す二乗平均平方根傾斜、および凹凸周期の算術平均値である輪郭曲線要素の平均長さの少なくとも１つを求める、規格値算出手段を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の線状光データ処理装置。
線状光を直交する方向に走査して物体表面に線状光を照射する線状光照射部と、物体に照射された照射光の反射光を撮影して画像データとして取得する画像取得部とを有する測定装置と、
請求項１〜７の何れか１項記載の線状光データ処理装置とを備え、
上記線状光データ処理装置は、上記測定装置により取得された画像データを用いて物体表面の形状を計測することを特徴とする表面形状測定システム。
上記線状光照射部は、光源に半導体レーザを備えることを特徴とする請求項８に記載の表面形状測定システム。
物体に照射された線状光を撮影した画像データを用いて光切断法により物体表面の形状を計測する線状光データ処理方法において、
上記画像データにおける線状光の長手方向に沿ったへり部分の画像面での２次元座標を特定する座標特定ステップと、
上記座標特定ステップで特定した上記２次元座標を基に光切断法により物体表面の３次元座標を求め、物体表面の形状を算出する表面形状算出ステップとを含むことを特徴とする線状光データ処理方法。
上記請求項１〜７の何れか１項に記載の線状光データ処理装置を動作させる制御プログラムであって、上記各手段をコンピュータに実現させることを特徴とする線状光データ処理装置の制御プログラム。
請求項１１に記載の線状光データ処理装置の制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。