JP2007307580A - 鋳型キャビティ面の計測方法およびその記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳型キャビティ面全体を比較的短い時間で計測することが可能な方法を提供する。
【解決手段】基準位置計測用カメラによる鋳型キャビティ面画像を用いて三次元座標を構成し、CADデータによって生成された鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルを回転および平行移動させて、鋳型キャビティ面画像と同じ位置に仮想的に配置し、底面部あるいは側面部の１個の計測対象点Pをステレオ計測用カメラによって撮影して、計測対象点Pのステレオ画像上の周辺小領域から一対の画像パターンを抽出し、一対の画像パターンのうち一方を参照画像パターン、他方を比較画像パターンとしてパターンマッチング処理して真の対応点を見出し、計測対象点Pに相当する実際の鋳型キャビティ面の三次元座標を復元する工程を多数繰り返して計測対象点Pの多数個の三次元座標を計測し、計測対象点Pの多数個の三次元座標を基に面を復元して鋳型キャビティ面画像を生成し、評価する。
【選択図】図６

Description

本発明は、鋳型キャビティ面の計測方法およびその記憶媒体に係り、より詳しくは、鋳型キャビティ面を造型する金型のCADデータおよびステレオ計測用カメラのレンズの歪を除去する補正パラメータを記憶しかつ表示手段を有するコンピュータによって制御されるステレオ計測用カメラにより前記鋳型キャビティ面を撮影し、さらに前記コンピュータによって制御される基準位置計測用カメラにより前記鋳型キャビティ面の基準位置を撮影して、この鋳型キャビティ面を非接触式に計測する方法およびその記憶媒体に関する。

従来、対象物表面を非接触式に計測する方法の一つとして特許第３０２１８１５号公報で開示されるものがある。この方法は、カメラによって異なる多数の位置から対象物の像を撮影して、対象物表面の無接触式の座標測定を行う方法において、カメラの座標測定機械の、回転/旋回装置を備えた三次元方向に移動可能な測定アームに取り付け、測定アームを少なくとも２つの異なる位置に移動させて、回転/旋回装置を用いてカメラを回動もしくは旋回させることによって測定すべき対象物に照準を合わせ、両位置で撮影された像を記憶しかつ対象物表面の特徴付けられた点の座標に関連して自体公知の写真測量法式の評価法により評価し、このばあい座標測定機械の測定ロッドおよび回転/旋回装置の角度信号発生器によって得られた位置および角度測定値をカメラの像座標から対象物座標を計算するために一緒に考慮するようにしたものである。
特許第３０２１８１５号公報

そこで、この対象物表面の無接触式座標測定方法を鋳型キャビティ面の計測方法として活用することを試みたが、この従来の方法では、鋳型キャビティ面を計測するのに時間が多くかかるなどの問題があった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、鋳型キャビティ面を比較的短い時間で計測することが可能な鋳型キャビティ面の計測方法およびその記憶媒体を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１の発明における鋳型キャビティ面の計測方法は、鋳型キャビティ面を造型する金型のCADデータおよびステレオ計測用カメラのレンズの歪を除去する補正パラメータを記憶しかつ表示手段を有するコンピュータによって制御されるステレオ計測用カメラにより前記鋳型キャビティ面を撮影し、さらに前記コンピュータによって制御される基準位置計測用カメラにより前記鋳型キャビティ面の基準位置を撮影して、この鋳型キャビティ面を非接触式に計測する方法であって、前記表示手段に生成された前記基準位置計測用カメラによる前記鋳型キャビティ面画像を用いて三次元座標を構成し、前記CADデータによって前記表示手段に生成された前記鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルを回転および平行移動させて、前記鋳型キャビティ面画像と同じ位置に仮想的に配置し、前記鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルの底面部あるいは側面部に１個の計測対象点Pを取り、この計測対象点Pを前記ステレオ計測用カメラによって撮影してステレオ画像を前記表示手段上に生成し、前記表示手段上に生成された前記計測対象点Pのステレオ画像上の周辺小領域から一対の画像パターンを抽出し、抽出した一対の画像パターンのうち一方を参照画像パターン、他方を比較画像パターンとしてパターンマッチング処理して真の対応点を見出し、前記計測対象点Pのステレオ画像を基に前記計測対象点Pに相当する実際の前記鋳型キャビティ面の三次元座標を復元し、前記計測対象点Pのステレオ画像を前記表示手段上に生成する工程から実際の前記鋳型キャビティ面の三次元座標を復元する工程を多数繰り返して前記計測対象点Pの多数個の三次元座標を計測し、
計測した前記計測対象点Pの多数個の三次元座標を基に面を復元して前記鋳型キャビティ面画像を生成し、生成された前記鋳型キャビティ面画像を評価することを特徴とする。

なお、本発明において、表示手段に生成された基準位置計測用カメラによる鋳型キャビティ面画像を用いて三次元座標は、具体的には次のようにして構成する。すなわち、鋳型キャビティ面画像から鋳型ガイドピンの中心を求め、次に、２個の中心を結ぶ方向をｘ軸、水平面内でｘ軸に直交する方向をｙ軸、さらに鉛直方向をｚ軸とする。そして、原点は鋳型金型に設けられたガイドピンの中心に取る。

またなお、本発明において、ステレオ計測用カメラのレンズの歪を除去は、以下の手順で行う。すなわち、１)図１−ａに示すように、校正用ボードの画像をコンピュータに入力する。２) 図１−ｂに示すように、隣接する４個の黒色ドット中心で構成される四辺形を歪補正前図形、レンズ歪がない仮想画像から得た同様の四辺形を歪補正後図形とする。３)両図形間には、次式に示す疑似アフィン変換の関係が成り立つと仮定して、aからhの８個の未知数を、画像内のすべての四辺形について求めデータベース化する。
μ_i＝ax_iy_i＋bx_i＋cy_i＋d 、 ν_i＝ex_iy_i＋fx_i＋gy_i＋h 、 (i=１、４)
なお、疑似アフィン変換とは、線形ねじれ変換ないし共１次変換と呼ばれる２次元平面内の座標変換で、画像に存在する幾何歪を除去するときにしばしば仮定される歪のモデルである。
４)歪補正後の画像を生成するには、上式の関係から得られた逆関数x＝f^-1(μ、ν)、y＝g^-1 (μ、ν)を用いて、画素(μ、ν)に対する歪補正前の位置(x、y)を求め、次に、その周囲４近傍の画素値から線形補間により、画素(μ、ν)の画素値を決定する。
これにより、図２−ａに示すレンズ歪の補正前の画像を、図２−ｂに示すレンズ歪の補正後の画像にすることができる。

なお、補正後の画像の周囲に黒色の線状領域があるのは、レンズ歪がいわゆる樽型状態であるため、黒色領域に対応する画素が補正前の画像上に存在しないからである。

なお、鋳型は、直径約0.1mmの砂を用いて造型されており、その表面は微視的には平らではない。したがって、表面の１点のみの三次元位置を高精度に計測してもあまり意味がなく、本発明における復元計算では、計測した多数の点を基に、平均的な復元面を求めている。

またなお、本発明において、ステレオ画像の視差を得るための相関計算には、次式に示す残差逐次検定法を用いている。
なお、残差逐次検定法とは、パターンマッチング処理の１手法で、（１）式に示す画像のＭ×Ｎ小領域内の残差計算において、１画素単位の残差を計算する度に評価値Ｒを逐次的に求め、その値と予め設定しておいた閾値とを比較することで、Ｍ×Ｎ回の計算を完了する前に計算の打切りを判断する高速化手法である。

ただし、式中のＩ₀、Ｉ₁ はステレオ画像上の１対の投影像、ｋ₀、ｌ₀およびｋ_ｌ、ｌ_ｌは、それぞれ投影像Ｉ₀およびＩ₁上の画素位置を表す。両画像のパターンが一致していないときは、評価値Ｒが急激に増加するので、適当な閾値を定めることで高速にパターンマッチング処理を行うことができる。
なお、パターンマッチング処理とは、テンプレートと呼ばれる小領域の画像と、（１）式の意味で最も似ている小領域を、他の画像において探索する処理のことである。

パターンマッチング処理により、図３に示す点（x₀、y₀ 、f）と（x_i、y_i 、f）が空間の点Ｐの像であると認識されたとき、点Ｐの三次元位置の座標は次式で求めることができる。
ｘ＝ｘ₀ｄ／（ｘ₀−ｘ₁）、ｙ＝ｙ₀ｄ／（ｘ₀−ｘ₁）、ｚ＝ fｄ／（ｘ₀−ｘ₁）

計測した点群にフィットする平面の方程式を下式で表す。
ｌｘ＋ｍｙ＋ｎｚ＝δ ただしｌ^２＋ｍ^２＋ｎ^２＝１
このとき、次式を評価式として、最小二乗法によりＥが最小となる条件より、平面の方程式を決定する。
なお、最小二乗法とは、実験で得られる数値の組がもつ相関関係の描くグラフを、適当なモデルから想定される関数を用いて近似するときに、想定する関数の値と実験値との誤差の二乗和が最小となるように関数の係数を決定する手法のことである。

ただし、上式における（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ、ｚ_ｉ）はステレオ計測で得た面の復元座標である。

計測した点群にフィットする円筒面と計測した点との関係を図４に示す。図中の２本の実線は円筒の側面を表し、ａは円筒面の中心線の方向ベクトル、1／ｋは円筒の半径、ｎは原点から円筒面の最近傍点へ向かう単位ベクトル、ρは座標原点から円筒面までの距離を表す。Ｐｉ（ｉ＝1、・・・、Ｎ）が与えられたとき、点群に最適にフィットする円筒面は、次式の評価式を最小にする解を、非線形最小二乗法を用いて求めることにより得ることができる。

ただし、ｄチルダは距離関数を表し、ｓは真の円筒表面上にある点の位置ベクトルの集合、ｐは計測された点の位置ベクトルを表す。すなわち、ｄチルダは計測された点から円筒面までの最短距離である。

効果

上記の説明から明らかなように請求項１の発明は、鋳型キャビティ面を造型する金型のCADデータおよびステレオ計測用カメラのレンズの歪を除去する補正パラメータを記憶しかつ表示手段を有するコンピュータによって制御されるステレオ計測用カメラにより前記鋳型キャビティ面を撮影し、さらに前記コンピュータによって制御される基準位置計測用カメラにより前記鋳型キャビティ面の基準位置を撮影して、この鋳型キャビティ面を非接触式に計測する方法であって、前記表示手段に生成された前記基準位置計測用カメラによる前記鋳型キャビティ面画像を用いて三次元座標を構成し、前記CADデータによって前記表示手段に生成された前記鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルを回転および平行移動させて、前記鋳型キャビティ面画像と同じ位置に仮想的に配置し、前記鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルの底面部あるいは側面部に１個の計測対象点Pを取り、この計測対象点Pを前記ステレオ計測用カメラによって撮影してステレオ画像を前記表示手段上に生成し、前記表示手段上に生成された前記計測対象点Pのステレオ画像上の周辺小領域から一対の画像パターンを抽出し、抽出した一対の画像パターンのうち一方を参照画像パターン、他方を比較画像パターンとしてパターンマッチング処理して真の対応点を見出し、前記計測対象点Pのステレオ画像を基に前記計測対象点Pに相当する実際の前記鋳型キャビティ面の三次元座標を復元し、前記計測対象点Pのステレオ画像を前記表示手段上に生成する工程から実際の前記鋳型キャビティ面の三次元座標を復元する工程を多数繰り返して前記計測対象点Pの多数個の三次元座標を計測し、計測した前記計測対象点Pの多数個の三次元座標を基に面を復元して前記鋳型キャビティ面画像を生成し、生成された前記鋳型キャビティ面画像を評価するから、鋳型キャビティ面を比較的短い時間で計測することが可能になるなどの優れた実用的効果を奏する。

発明の実施の形態

以下、本発明を適用した鋳型キャビティ面の計測システムについて、図５および図６に基づき詳細に説明する。図５に示すように、本鋳型キャビティ面の計測システムは、鋳型キャビティ面を撮影するステレオ計測用カメラ１・２と、鋳型を内蔵した鋳枠（金枠）の合わせピンまたは穴を計測する２個の基準位置計測用カメラ３・３と、前記ステレオ計測用カメラ１・２および前記基準位置計測用カメラ３・３を制御するコンピュータ４とで構成してある。

そして、前記コンピュータ４は、前記鋳型キャビティ面を造型する金型のCADデータおよびステレオ計測用カメラ１・２のレンズの歪を除去する補正パラメータを記憶しかつ表示手段としてのディスプレイ（図示せず）を有している。さらに、コンピュータ４は、
前記ディスプレイに生成された前記基準位置計測用カメラ３・３による鋳型キャビティ面画像を用いて三次元座標を構成する機能と、前記CADデータによって前記ディスプレイに生成された前記鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルを回転および平行移動させて、前記鋳型キャビティ面画像と同じ位置に仮想的に配置する機能と、前記鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルの底面部あるいは側面部に１個の計測対象点Pを取り、この計測対象点Pを前記ステレオ計測用カメラ１・２によって撮影してステレオ画像を前記ディスプレイ上に生成する機能と、前記ディスプレイ上に生成された前記計測対象点Pのステレオ画像上の周辺小領域から一対の画像パターンを抽出する機能と、抽出した一対の画像パターンのうち一方を参照画像パターン、他方を比較画像パターンとしてパターンマッチング処理して真の対応点を見出す機能と、前記計測対象点Pのステレオ画像を基に前記計測対象点Pに相当する実際の前記鋳型キャビティ面の三次元座標を復元する機能と、前記計測対象点Pのステレオ画像を前記ディスプレイ上に生成する工程から実際の前記鋳型キャビティ面の三次元座標を復元する工程を多数繰り返して前記計測対象点Pの多数個の三次元座標を計測する機能と、計測した前記計測対象点Pの多数個の三次元座標を基に面を復元して前記鋳型キャビティ面画像を生成する機能と、生成された前記鋳型キャビティ面画像を評価する機能と、を有している。

次に、このように構成されたものの作動について図６に基づき説明する。本鋳型キャビティ面の計測システムは、ディスプレイに生成された基準位置計測用カメラ３・３による鋳型キャビティ面画像を用いて三次元座標を構成し、続いて、CADデータによってディスプレイに生成された鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルを回転および平行移動させて、鋳型キャビティ面画像と同じ位置に仮想的に配置する。次いで、鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルの底面部あるいは側面部に１個の計測対象点Pを取り、続いて、この計測対象点Pをステレオ計測用カメラ１・２によって撮影してステレオ画像Ｉ₀およびＩ₁をディスプレイ上に生成し、続いて、ディスプレイ上に生成された計測対象点Pのステレオ画像Ｉ₀およびＩ₁上の周辺小領域から一対の画像パターンＳ_０およびＳ_１を抽出する。次いで、抽出した一対の画像パターンＳ_０およびＳ_１のうち一方を参照画像パターン、他方を比較画像パターンとしてパターンマッチング処理して真の対応点を見出し、続いて、計測対象点Pのステレオ画像Ｉ₀およびＩ₁を基に計測対象点Pに相当する実際の鋳型キャビティ面の三次元座標を復元する。次いで、計測対象点Pのステレオ画像をディスプレイ上に生成する工程から実際の鋳型キャビティ面の三次元座標を復元する工程を多数繰り返して計測対象点Pの多数個の三次元座標を計測し、続いて、計測した計測対象点Pの多数個の三次元座標を基に面を復元して鋳型キャビティ面画像を生成する。その後、生成された鋳型キャビティ面画像を評価する。

本発明におけるカメラレンズの歪除去の工程の一部を説明する説明図である。 本発明におけるカメラレンズの歪除去の工程の一部を説明する説明図である。 本発明におけるステレオ計測原理を説明するための説明図である。 本発明における計測した点群にフィットする円筒面と計測した点Ｐとの関係を示す説明図である。 本発明を適用した鋳型キャビティ面の計測システムの模式図である。 本発明を適用した鋳型キャビティ面の計測システムの作用の一部について説明するための説明図である。

Claims (2)

1. 鋳型キャビティ面を造型する金型のCADデータおよびステレオ計測用カメラのレンズの歪を除去する補正パラメータを記憶しかつ表示手段を有するコンピュータによって制御されるステレオ計測用カメラにより前記鋳型キャビティ面を撮影し、さらに前記コンピュータによって制御される基準位置計測用カメラにより前記鋳型キャビティ面の基準位置を撮影して、この鋳型キャビティ面を非接触式に計測する方法であって、
   前記表示手段に生成された前記基準位置計測用カメラによる前記鋳型キャビティ面画像を用いて三次元座標を構成し、
   前記CADデータによって前記表示手段に生成された前記鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルを回転および平行移動させて、前記鋳型キャビティ面画像と同じ位置に仮想的に配置し、
   前記鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルの底面部あるいは側面部に１個の計測対象点Pを取り、この計測対象点Pを前記ステレオ計測用カメラによって撮影してステレオ画像を前記表示手段上に生成し、
   前記表示手段上に生成された前記計測対象点Pのステレオ画像上の周辺小領域から一対の画像パターンを抽出し、
   抽出した一対の画像パターンのうち一方を参照画像パターン、他方を比較画像パターンとしてパターンマッチング処理して真の対応点を見出し、
   前記計測対象点Pのステレオ画像を基に前記計測対象点Pに相当する実際の前記鋳型キャビティ面の三次元座標を復元し、
   前記計測対象点Pのステレオ画像を前記表示手段上に生成する工程から実際の前記鋳型キャビティ面の三次元座標を復元する工程を多数繰り返して前記計測対象点Pの多数個の三次元座標を計測し、
   計測した前記計測対象点Pの多数個の三次元座標を基に面を復元して前記鋳型キャビティ面画像を生成し、
   生成された前記鋳型キャビティ面画像を評価することを特徴とする鋳型キャビティ面の計測方法。
2. 鋳型キャビティ面を造型する金型のCADデータおよびステレオ計測用カメラのレンズの歪を除去する補正パラメータを記憶しかつ表示手段を有するコンピュータによって制御されるステレオ計測用カメラにより前記鋳型キャビティ面を撮影し、さらに前記コンピュータによって制御される基準位置計測用カメラにより前記鋳型キャビティ面の基準位置を撮影して、この鋳型キャビティ面を非接触式に計測するに当たり、前記CADデータ、前記補正パラメータ、前記基準位置計測用カメラおよび前記コンピュータの制御プログラムを記憶した記憶媒体であって、
   前記表示手段に生成された前記基準位置計測用カメラによる前記鋳型キャビティ面画像を用いて三次元座標を構成し、
   前記CADデータによって前記表示手段に生成された前記鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルを回転および平行移動させて、前記鋳型キャビティ面画像と同じ位置に仮想的に配置し、
   前記鋳型キャビティ面のワイヤフレームモデルの底面部あるいは側面部に１個の計測対象点Pを取り、この計測対象点Pを前記ステレオ計測用カメラによって撮影してステレオ画像を前記表示手段上に生成し、
   前記表示手段上に生成された前記計測対象点Pのステレオ画像上の周辺小領域から一対の画像パターンを抽出し、
   抽出した一対の画像パターンのうち一方を参照画像パターン、他方を比較画像パターンとしてパターンマッチング処理して真の対応点を見出し、
   前記計測対象点Pのステレオ画像を基に前記計測対象点Pに相当する実際の前記鋳型キャビティ面の三次元座標を復元し、
   前記計測対象点Pのステレオ画像を前記表示手段上に生成する工程から実際の前記鋳型キャビティ面の三次元座標を復元する工程を多数繰り返して前記計測対象点Pの多数個の三次元座標を計測し、
   計測した前記計測対象点Pの多数個の三次元座標を基に面を復元して前記鋳型キャビティ面画像を生成し、
   生成された前記鋳型キャビティ面画像を評価するプログラムを記憶した記憶媒体。