JP2009532690A - 形状を測定／認識する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、形状を測定／認識するための方法に関するものであり、２つの異なる方向から測定対象物に向けられている少なくとも２つの電磁振動（１，２）と、照射されている対象物（４）の画像をデジタル形式において撮像するための手段（３）とが用いられる。デジタル形式における上記画像の画像マトリクスを、画素ごとに読み取り、同一の画素について、２つの異なる方向からの照射の強さの値を互いに比較し、画素の高い部分は上記比較の結果として得られる情報から創造される。読み取られた画素の値は、常に次の画素の値が加えられる。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、形状を測定または認識する方法に関するものである。

表面測定は、多くの異なる技術分野で適用されることが求められている。そのような適用例として、例えば、さまざまな製薬品質管理の分野で適用されている、粒子サイズの測定がある。一方で、表面形状の測定がまた、単純な形状認識からヒトの顔の認識、または、さらに複雑なパターンの認識に至るまで、さまざまな種類のパターン認識に用いられている。

一般的な本発明の分野におけるいくつかの従来例は、以下の文献において示されている。

フィンランド特許出願公開第２０００−０４９３号明細書、米国特許第５２３９３５８号明細書、特開平１０−０１００３３号公報、米国特許第６１２２０４３号明細書、および国際公開第０３／０６２８０４号パンフレットには、粉末の粒子サイズまたは表面形状の光学的測定が開示されている。上記文献において、Laitinen、Antikainen、Yliruusi、「Does a powder surface contain all necessary information for particle size distribution analysis?」European Journal of Pharmaceutical Sciences，１７（４〜５），２１７〜２２７においては、測定装置についての以下のような記述がある。上記測定装置において、２つの白色光源が用いられ、試料は１つのカメラを用いて撮像される。この文献において、上記測定装置は、２つの分離した白黒の写真を撮影すると記述されている。第１の画像は対象物を照射している第１ランプを用いて撮影され、第２の画像は対象物を照射している第２ランプを用いて撮影される。いわゆるマトリクス分配の差は、これらの２つの画像から計算される。

上述の方法が有する問題点の一例は、２つの分離した写真は、交互に照射されて撮影されるため、移動している対象物から、その対象物の粒子サイズを測定することができないことである。

以下のリストもまた、さまざまな測定方法及びそれらの改良を開示している文献を示している。：米国特許第６５５６７０６号明細書、国際公開第０２／０５９５４５号パンフレット、米国特許第６０２８６７２号明細書、米国特許第６９７４９６４号明細書、および独国特許第１９９６２７７９号明細書。

本発明は、移動する対象物からでさえも、非常に正確かつ高速に、表面形状の測定及び認識を実行することができる方法および装置を創造することを目的としている。これにより、非常に多くの異なる技術分野において、本発明を利用する大きな機会が提供される。

本発明の前述の利点および長所と、その他の利点および長所とは、添付している特許請求の範囲において、特徴として記述されている方法により達成される。

以下に、添付した本発明のいくつかの実施形態における概要を示す図面を参照しながら本発明を説明する。

図１は、本発明に基づく一実施形態の簡略化した概略的な形象を示している。

図２は、第２の概略的な測定形態を示している。

図３は、本発明に基づく方法及び試験装置を使用して得られた表面画像を示している。

図４は、生産段階における、上記方法によって計算された等値線（contours）を含んでいる図３に基づく画像を示している。

図５は、システムよって作成された地理的画像を示している。

図６は、本発明を利用するための、別の種類の構成を示している。

上述のように、図１は、上記システムを検査するために、試験を行う構成の一例を示している。このように、この構成において使用されている本発明の対象である表面形状測定装置は、例えば、カメラ３に加えて、赤色１および青色２のような２つの異なる着色光源を備えている。デジタルカメラ３は、検査される対象物４の赤色および青色の２つの画像を同時に撮像する。上記カメラは、上方から対象物を撮像し、光源１，２は、試料の反対側にあり、約４５度の角度で試料４に向けられている。

このように、この構成は、実験観測のためだけに作成されたものであり、現実的実用化に関しては、他の要素を備えることが必要である。図２は、測定構成の他の例を示している。図２は、例えば、赤色、青色、および緑色の３つの異なる着色測定光を用いた場合について図示している。３つの光を用いたこのシステムにおいては、測定装置の正確性は、大幅に向上する。

従来からのすべての関連技術は、図面から省略されている。画像処理のために、カメラがコンピュータ機器に接続されていることは言うまでもない。また、上記コンピュータ機器は、所望の最終結果を得るために必要な計算作業を実行するために適したプログラムを有している。

それぞれの画素（画像要素）の、赤色、青色、および緑色の照射電力は、デジタル画像において、記録されている。相対的な表面の高さは、画素の異なる部分の色の強さの値を、簡単な減算によって、デジタル画像から計算される。画素は、一組の光源の方向に、連続的に読み取られる。

３つの光源を備えたシステムは、図２に図示されている。図２において、測定構造体は、円筒状に描写されている。構造体の底は、測定する表面であると仮定する。実行する上で、測定する表面は、どのような表面であってもよい。赤色光源１、青色光源２、および緑色光源６は、円筒５の側面に配置されている。この構成において、画像は、３つの異なる方向から読み取られ、かつ、粒子の高い部分は、粒子の異なる側面から測定される。垂直方向および水平方向のいずれの方向においても、光源が、試料に対して非対称な立体配置に設置されることを妨げない。

本発明に基づく測定は、より具体的には、以下に示すように実行される。それぞれの画素は、上述のように、順番に、かつ連続して、２つの光から成るそれぞれの組の方向に、読み取られる。例えば、２つの異なる方向から対象物を照射する青色および緑色の２つの光に対して、読み取りは実行されると仮定する。測定される対象物全体の画素ごとに、読み取りは実行される。緑色および青色の光の強さは、上述の画素において測定される。読み取っている表面の部分が平面ならば、緑色および青色の光の強さは同じになる。光の強さの差は、この場合は、ゼロと計算される。

次に、続く画素の色彩の強さが読み取られて、かつ、減算が実行される。生じるどのような差も、次の画素の基礎を形成する。このように、すぐ前にある画素の差によって形成された基礎は、次の色彩の強さの差に加えられる。すなわち、加算が実行される。

同じ方向に対して、常に比較を実行することは、以下の結果をもたらす。すなわち、表面形状が隆起している場合、累積合計は増加する。一方、陥没した表面形状は、累積合計を減少する。他の方向に対して、強さの差を計算した場合は、累積値において、隆起した表面形状は、負の方向になり、また、陥没した表面形状は、正の方向になるということが変化する。

画素ごとに検査されている領域の読み取りを実行することは、結果として、非常に正確な表面形状の画像をもたらす。

図３は、本発明に基づく構成を用いて撮像された、表面の写真を示している。図４は、表面の読み取り線の軌道を形成した場合の、結果を描写した線を備えている前記の表面を示している。

図５は、得られた最終結果の表面の地理的画像の一部分を示している。これらの図面、特に図５は、本発明に基づく構成の優れた実用的価値を示している。

測定センサは、上記処理に恒久的に用いることができる。それ以外にも、測定センサは、例えば、粒状物、混合物、結晶化物、または、適切に静電した粒状塊のような動いている対象物に対する内視鏡のようなものに用いることができる。より高度な形状に対して、どんなパターン認識であっても、本発明の基本的アイデアを用いることができる。これは、例えば、防犯照合のための顔認識、またはそれに類する用途に使用することができることを意味する。

１度の露光だけで対象物の撮像することは、動く対象物を撮像するために必須である。なぜなら、分析される画像に関係する全ての情報が、同時に得られるからである。当然ながらこの測定は、試料を傷つけない。

本発明の適用範囲は非常に広い。製薬産業におけるさまざまな測定作業は、非常に広い、本発明の適用範囲を形成すると考えられる。測定は、実際に医薬品の最終製造段階におけるのと同様に、原料製造、および品質制御の段階においても求められている。食品産業は、製薬産業のように、本発明を広く利用することができる分野である。本発明に基づく方法および装置の使用を必要とする他の分野には、例えば、製紙産業、塗装産業が含まれる。その上、さらに広く、ほぼ全ての化学産業では、表面または形状の認識が求められている。

さらに、本発明はまた、電子産業、建設産業、または一般技術産業において用いることに適している。さらに高度な形状に対しても、本発明を適用および使用することができる。例えば、国境監視のような、上述のさまざまな防犯照合に対しても、本発明を適用および使用することができる。

本発明に基づく方法は、例えば、粒子径の測定に非常に好適に用いることができる。現在用いられている測定装置の欠点は、大質量の粒子に対して、認識感度が乏しいことである。なぜなら、従来の方法では、粒子に基づいた認識において、外形を確実に識別することができないためである。本発明に基づけば、例えば、粒子表面の３点は、明確にされる。なぜなら、粒子表面は円形であるとの仮定に基づいて計算されるからである。この仮定は、必ずしも正しいとはいえないが、実際の実験では、実験結果として非常に正確な粒子径を明確にもたらした。

上記方法は、さまざまな表面の凹凸を、高速で測定および検査することができる。上記凹凸は、いくつかの分野において重要である。適用例としては、紙の表面、塗装された木の表面、並びに、さまざまな方法において機械加工された金属、およびプラスチックの表面である。

上記方法は、表面の直線を検査に用いることができる。ある表面は、どのような直線によって、測定対象物と関連しているかを検査することができる。

例えば、塗装、亜鉛メッキ等をした場合の品質検査も、本発明に基づく方法による手段によって簡単に実行される検査の一部分を成している。

指紋認識は、本発明に基づく方法による手段を用いて簡単に実行することができる。

パターン認識は、高速で実行することができる。例えば、出入管理コードが不要な状態で、近づいてきたヒトの顔の３次元座標を、装置が読み取った場合、ドアは開かれる。そしてその３次元座標は、装置に記録される。３次元であるため、２次元認識と比較して、かなり簡素化およびより詳細にすることができる。その上、その装置を用いて、画像を撮像し、使用者を識別した場合には、実施形態に示した方法によって、コンピュータを始動でき、携帯電話の電源を入れることができ、自動車のドアを開けることができる。

その他の実施形態には、肌組織の検査が含まれる。例えば、スキンクリーム産業においては、肌を刺激することなく、しわの数／種類を測定する簡単な方法が求められている。

建設中の建築資材の品質検査、および長期間に渡る耐久性調査。建築資材としては、例えば、木材、れんが、コンクリート、鉄がある。

溶解している表面の観察。考えられる実施形態として、結晶、または作用物質を含んでいる錠剤の、リアルタイムな溶解がある。そのような場合は、溶解している間に、表面がどのようにして変化しているのかを詳しく調べる。

結晶の形成のリアルタイム観察。結晶の形成において、どのようにして個々の結晶が形成されているのかを観察したいという多くの要望がある。上記方法は、対象物を壊すことなく、結晶の形成を観察するための速やかな方法を提供する。

表面の汚れ具合の観察。多くの状況において、表面（壁の表面、床、機器の研究および製作）の汚れ具合を観察することは必要である。

顕微鏡への適用。高速３次元画像は、従来の顕微鏡を用いることにより作成することができる。

内視鏡への適用。上記方法は、内視鏡と接続して用いることができる。この場合、内視鏡が必要とされるすべての分野おいて、上記方法を用いることができる。

デジタルカメラ。上記方法に基づく選択部品は、デジタルカメラに簡単に組み込むことができる。

携帯電話／流行のゲーム。本発明に基づく選択部品は、携帯電話のカメラに簡単に組み込むことができる。上記電話は、使用者およびスイッチを認識する。ゲームをする者は、例えば、プレイヤー自身の３Ｄの顔を持つゲームキャラクターを作成することができる。

道路表面の特性の観察、および問題となっている、例えば、滑り防止装置に関する測定の開発。

飛行機が着陸する間における、空港の滑走路表面の観察。

例えば、超音波を用いるその他の波長調整方法。超音波を用いた胎児の３次元画像化、例えば癌診断における医学画像化。

音響測深への適用は、２つの超音波源を用いるさまざまな手段がある。上記方法は、３次元構造を明確にするために用いることができる。超音波と同様に、電磁放射線を用いてもよい。上記方法は、例えば、海で使用される音響測深に適用する場合、水中で利用することができる。

本発明に基づく方法は、例えば、金属組織、または土壌の調査にも用いることができる。

上述の参考例は、本発明に基づいて用いられる具体的な色の光に合わせて作成しただけである。本発明に基づけば、２つ、またはそれ以上のどのような電磁放射線の光源であっても用いることができるため、これはもちろん全ての実施形態ではない。本質的要素は、それぞれから認識することができる方法により得られる情報を、２つまたはそれ以上組み合わせ、上記に示した原理に基づいて、差は、読み取られ、かつ、修正されることにより、結果は生じるということである。

本発明を適用する他のもう１つの構成の実施形態を、図６に示す。図において、カメラには、参照番号３が付されている。また、図に示される６つの光源には、参照番号１が付されている。光源は、６つよりも明らかに多い所望の数にすることができる。下側は、認識される表面形状の外形である。

上記の場合、いくつかの異なる方法で実施することが可能である。例えば、それぞれの光源は、対象物の画像を撮像するために、順々に用いることができる。また、２つの方向から撮像された画像は、それぞれ比較される。従って、もし望むならば、例えば、白色光のような１種類の光を使用して、動作させることが可能である。一方、組になった２つの異なる光を使用することが可能である。実施形態の方法によって、異なる方向から対象物を照射する青色と緑色との組になった光を使用することが可能である。また、上述のように、さらなる動作を実行することが可能である。以下に示す方法によって、対象物を照射することも可能である。それは、例えば、電磁スペクトル（３つの異なる組になった照明）から、６つの異なる波長幅は得られるという方法である。これらの組になった照明は、図６のように、対称に配置される。この方法での実行は、受光するカメラ内に、適したフィルタがあり、獲得される単一画像が得られるまでに、画像情報は集められる。組になったいくつかの光を用いることによって、画像は、非常に正確になる。

電磁振動は、目的とする対象物に直接達するか、またはミラー、プリズム、若しくはこれらに類する手段を用いることができる。電磁放射線は、多くの方法により操作することができる。例えば、特定の波長を増幅、分離、または取り除くためにフィルタを用いることができる。このような方法は、多くの技術分野において知られている。

本発明に基づく方法は、現在用いられている多くの装置に比べて、非常に高速である。結果および得られた画像に基づいた３次元画像を計算するために求められる計算能力は、非常に合理的である。その根拠として、測定／認識される対象物の種類は非常に多様であるものの、結果は、非常に速く得られる。なぜならば、本発明に基づく方法を用いる場合、計算処理をするために数分、または数十分も要しない。

本発明に基づく一実施形態の簡略化した概略的な形象を示す図である。 第２の概略的な測定形態を示す図である。 図３は、本発明に基づく方法及び試験装置を使用して得られた表面画像を示す図である。 生産段階における、上記方法によって計算された等値線（contours）を含んでいる図３に基づく画像を示す図である。 システムよって作成された地理的画像を示す図である。 本発明を利用するための、別の種類の構成を示す図である。

Claims (12)

1. ２つの異なる方向から測定対象物に向けられている少なくとも２つの電磁振動（１，２）と、照射されている対象物の画像をデジタル形式において撮像するための手段（３）とを用いる形状を測定／認識する方法において、
   デジタル形式における上記画像の画像マトリクスを、画素ごとに読み取り、
   ２つの異なる方向からの上記電磁振動の強さの値を互いに比較し、
   それぞれの画素における２つの波長の強さの値の差に、読み取り方向に対してすぐ前にある画素の対応する差を加えることを特徴とする形状を測定／認識する方法。
2. ２つの異なる方向にある電磁放射線の波長は、基本的に同一であることを特徴とする請求項１に記載の形状を測定／認識する方法。
3. ２つの異なる方向にある電磁放射線の波長は、異なることを特徴とする請求項１に記載の形状を測定／認識する方法。
4. デジタル形式における画像の画像マトリクスの読み取りは、１つの画素について、一対の光源の方向に対して同時に実行されることを特徴とする請求項１に記載の形状を測定／認識する方法。
5. 表面の隆起、陥没、または平面形状を、上記強さの値間の差から決定することを特徴とする請求項１に記載の形状を測定／認識する方法。
6. 少なくとも２つの可視光の波長を、形状を明確にする対象物のイメージングに用いることを特徴とする請求項１に記載の形状を測定／認識する方法。
7. 形状を明確にする対象物のイメージングにおいて、赤色、青色、および緑色の群のうち、少なくとも２つを組み合わせた光を用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の形状を測定／認識する方法。
8. 形状を明確にする対象物のイメージングにおいて、赤色、青色、および緑色の対象物の画像を同時に撮像する手段である、いわゆるデジタルカメラを用いることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の形状を測定／認識する方法。
9. カメラの方向に対して照射されている個々の電磁振動を、対象物の全体画像を撮像するために用いることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の形状を測定／認識する方法。
10. 上記全体画像を、対象物の３次元画像プログラムの作成に用いることを特徴とする請求項９に記載の形状を測定／認識する方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の形状を測定／認識する方法を、粒子サイズを測定するために用いる方法であって、
    少なくとも３つの画素の配置が粒子表面に基づいて決定され、かつ、粒子サイズが上記画素に近似であることを特徴とする方法。
12. ミラー、プリズム、フィルタ、偏光器、およびそれらに類する手段を、電磁放射線に作用させるために用いることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の形状を測定／認識する方法。

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