JP2010049501A - 粒状物体の計数方法およびその方法を用いる計数装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粒状物体の計数方法およびその方法を用いる計数装置において、粒状物体が３次元的に複雑に重なった場合であっても２次元画像に基づく計数方法よりも適用範囲を拡張可能とすると共に、計数精度を向上可能とする。
【解決手段】粒状物体の集合物の外観表面に対して粒状物体の内部に相当する内部空間を定義し、内部空間に参照点を設定する参照点設定ステップ（＃２）と、参照点を始点として内部空間のみを通して見える参照点を可視点とし、各始点について始点と可視点の組を形成する可視点選択ステップ（＃３）と、前記組を可視点の数が少ない組の順に並べ替える整列ステップ（＃４）と、可視点の数が少ない組から順に当該組に含まれる可視点と同一の点を始点とする順方向下位の組を消去する絞込ステップ（＃５）と、絞込の後に残っている組の数を粒状物体の個数とする結果出力ステップ（＃６）とを含む。外観表面の凸部に始点が生き残って、個数が求まる。
【選択図】図１

Description

本発明は、錠剤やカプセル剤などのような粒状物体の計数方法およびその方法を用いる計数装置に関する。

マシンビジョンには多くの問題があり、例えば、物を数えるようなことがなお適切に解決されてない。また、人は、特に、条件が悪いときにこの作業に困難を感じる。例えば、３０個、４０個の、多数の錠剤やカプセルなどの薬が、狭い場所にあり、薬が重なって積み上げられている場合などがそうである。物を数えるプロセスは、人にとって不得意である。しばしば、この作業は、遅く、状況に応じて、人々は一方または両方の手を使って数える。人は、より正確に数えるために、両目を細めたり片目を閉じたりする。理由は、この感覚におけるニューロンと脳の要素とが発達していないからであろうと考えられる。従って、この処理を速くできない。

ところで、従来から、粒状物体を１個ずつ計数して分包するための自動機が開発されているが、医療施設において患者が服用する錠剤などのように人手によって仕分けや分包を行うこととされている場合には、仕分け後に計数することが必要となる。また、自動機によって計数された状態や分包された状態において、全品検査や抜き取り検査などの目的で再度計数することがある。これらのような計数は、単体の粒状物体ではなく、複数の粒状物体の集合物を計数対象とすることになる。

粒状物体の集合物が何個の粒状物体によって構成されているかを調べるために、一般に画像処理が用いられる。例えば、複数の粒状物体を入れた透明な袋の外から粒状物体を撮像し、得られた画像に２値化処理やパターンマッチング処理などを施して粒状物体の計数が行われる。

上述の画像処理を用いるマシンビジョンによる計数において、画像中の粒状物体が重なったり接触している場合であっても粒状物体の個数を正確に計数できることが望まれる。そこで、例えば、複数の円板状の錠剤が互いに部分的に重なった状態の錠剤画像から錠剤領域の輪郭線（エッジ）を抽出し、複数の円弧を接続した状態の輪郭線によって囲まれた内部領域を、参照点の方法（後述）を用いて、通常のパターンマッチングを用いることなく、複数の領域に分離し、分離された領域数を錠剤の計数値とする計数方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

参照点の方法は、内部領域に輪郭線に沿って複数の参照点を分散配置し、各参照点について内部領域から出ることなく見通せる他の参照点（可視点という）の数を計数した後、各参照点から計数値が最小の参照点（全ての計数値が同一の場合は任意の参照点）を基準点として抽出する処理を行い、当該基準点およびその可視点を除いた残りの参照点について前記基準点を抽出する処理を再度行い、これらの処理を参照点がなくなるまで繰り返し、抽出された基準点の数を計数値とする方法である。各基準点とその点に含まれる可視点の全てを相互に結ぶ直線によって囲まれる領域が、いわば仮想的な単一錠剤領域と見做される。なお、この単一錠剤領域は領域境界における接線ベクトルの回転方向が一定である領域、すなわち凸領域となる。
特開２００６−２３４５１８号公報

しかしながら、上述したパターンマッチングによる計数方法や、特許文献１に示されるような基準点を抽出する計数方法においては、基本的に２次元画像に基づく計数方法であり、粒状物体が３次元的に複雑に重なった場合や、大きな粒状物体の画像中に小さな粒状物体の画像が含まれる場合（この場合、小さな粒状物体の輪郭線を抽出できない）などには適用できないか、または計数精度が低下するという問題がある。

本発明は、上記課題を解消するものであって、粒状物体が３次元的に複雑に重なった場合であっても２次元画像に基づく計数方法よりも適用範囲を拡張できると共に、計数精度を向上できる粒状物体の計数方法およびその方法を用いる計数装置を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、粒状物体の集合物の外観表面位置を計測して得られた３次元データを与えられて該３次元データを構成する粒状物体の個数を求める計数方法であって、前記３次元データによって定義される外観表面に対して粒状物体の内部に相当する内部空間を定義し、外観表面の全面について該外観表面から所定の距離だけ内側に入った内部空間に所定の密度で参照点を設定する参照点設定ステップと、前記参照点の任意の１点について、その点を始点とし他の参照点を終点とする直線のうち内部空間のみを通過する直線の終点を可視点として選択し、前記選択された可視点を前記始点に関連づけて１つの始点と１または複数の可視点とからなる組を形成する処理を、全ての参照点について行う可視点選択ステップと、前記可視点選択ステップによって形成された始点と可視点とからなる複数の組を、可視点の数が少ない組の順に並べ替える整列ステップと、前記整列ステップの後に可視点の数が少ない組から順に、当該組に含まれるいずれかの可視点と同一の点を始点とする順方向下位の組を消去する処理を、全ての組について行う絞込ステップと、前記絞込ステップの後に消去されずに残っている組の数を粒状物体の個数として出力する結果出力ステップと、を含むものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の計数方法において、前記参照点設定ステップでは、近傍の外観表面の曲率が大きいところほど前記密度を高くして参照点を設定するものである。

請求項３の発明は、請求項２に記載の計数方法において、前記曲率が所定値以下の場合には参照点を設定しないものである。

請求項４の発明は、請求項２または請求項３に記載の計数方法において、前記曲率の中心が内部空間側にない場合には参照点を設定しないものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の計数方法において、前記参照点設定ステップにおいて用いられる外観表面は、粒状物体の集合物を載置した基台面から粒状物体表面位置までの高さ分布によって定義され、前記内部空間は前記外観表面と前記基台面との間の空間として定義されるものである。

請求項６の発明は、請求項５に記載の計数方法において、前記基台面からの高さは、該基台面に垂直ではない一定方向における、基台面と粒状物体表面位置との距離で定義され、前記内部空間は前記距離の分布によって定義された外観表面と該外観表面を前記一定方向から前記基台面に射影してなる像面との間の空間として定義されるものである。

請求項７の発明は、粒状物体の集合物の外観表面位置を計測して得られた３次元データに基づいて、前記３次元データのもととなった粒状物体の個数を求める計数装置であって、前記３次元データおよび該データに基づいて得られるデータを記憶する記憶手段と、前記３次元データによって定義される外観表面に対して粒状物体の内部に相当する内部空間を定義し、外観表面の全面について該外観表面から所定の距離だけ内側に入った内部空間に所定の密度で参照点を設定する参照点設定手段と、前記参照点設定手段によって設定された参照点の任意の１点について、その点を始点とし他の参照点を終点とする直線のうち内部空間のみを通過する直線の終点を可視点として選択し、前記選択された可視点を前記始点に関連づけて１つの始点と１または複数の可視点とからなる組を形成する処理を、全ての参照点について行う可視点選択手段と、前記可視点選択手段によって形成された始点と可視点とからなる複数の組を、可視点の数が少ない組の順に並べ替える整列手段と、前記整列手段によって整列された各組について可視点の数が少ない組から順に、当該組に含まれるいずれかの可視点と同一の点を始点とする順方向下位の組を消去する処理を、全ての組について行う絞込手段と、前記絞込手段によって絞り込まれた後に消去されずに残っている組の数を粒状物体の個数として出力する結果出力手段と、を備えたものである。

請求項８の発明は、請求項７に記載の計数装置において、前記３次元データを取得するための３次元計測手段をさらに備えたものである。

請求項１の発明によれば、２次元画像よりも情報量の多い３次元データに基づいて計数するので、粒状物体が３次元的に複雑に重なった場合や、大きな粒状物体の上に小さな粒状物体が含まれるように重なっている場合（画像では小さな粒状物体の輪郭線を抽出できない）であっても２次元画像に基づく計数方法よりも計数の適用範囲を拡張できると共に、計数精度を向上できる。この計数方法では、参照点（始点）と可視点の組から絞り込まれて残った組の始点（以下、これを主点、またはプリンシパルポイントと呼ぶ）が、前記絞込によって、外観表面を構成する個々の粒状物体の代表点を抽出するように選択されることになり、残った組の数、つまり前記主点の数によって計数値が得られる。これらの主点は、３次元データによって定義された外観表面の形状を反映するように自動的に絞り込まれて選択された点である。

請求項２の発明によれば、一般に、外観表面形状の変化が小さいところには主点の存在率が低く、変化が大きいところでは主点の存在率が高いので、より存在率、従って必要性の高いところに重点的に参照点を設定して、計数精度を高めると共に、計数処理速度を高めることができる。また、主点は、最終的にどの参照点、つまり他のいずれの主点、からも見えない点であり、凸部において存在率が高い。

請求項３の発明によれば、より確実に計数処理速度を高めることができる。

請求項４の発明によれば、可視点となる可能性の高い参照点を初めから設定しないことにより、参照点の数を減らして高速処理を実現できる。

請求項５の発明によれば、容易に得られる３次元データによって、外観表面と内部空間とを容易に矛盾なく定義できる。

請求項６の発明によれば、異なる方向から計測して得られる３次元データに基づく外観表面と内部空間とを用いて複数回の異なる計数をすることにより、計数結果を比較することができ、計数精度の向上が図れる。

請求項７の発明によれば、粒状物体の集合物の外観表面の３次元データを与えられることにより、粒状物体が３次元的に複雑に重なった場合であっても、精度良く計数できる。

請求項８の発明によれば、３次元データを自ら取得でき、自己完結した計数装置を実現できる。

以下、本発明の一実施形態に係る粒状物体の計数方法およびその方法を用いる計数装置について、図面を参照して説明する。図１は計数処理のフローチャートを示し、図２、図３、図４は本方法と装置が計数対象とする粒状物体を示し、図５は計数対象としない粒状物体を示す。

本計数方法は、図１に示すように、３次元データ入手ステップ（＃１）に続く、粒状物体の集合物の外観データである外観表面に対して粒状物体の内部に相当する内部空間を定義し、内部空間に参照点を設定する参照点設定ステップ（＃２）と、参照点を始点として内部空間のみを通して見える参照点を可視点とし、各始点について始点と可視点の組を形成する可視点選択ステップ（＃３）と、前記組を可視点の数が少ない組の順に並べ替える整列ステップ（＃４）と、可視点の数が少ない組から順に当該組に含まれる可視点と同一の点を始点とする順方向下位の組を消去する絞込ステップ（＃５）と、絞込の後に残っている組の数を粒状物体の個数とする結果出力ステップ（＃６）とを含んで構成され、外観表面の形状データ、すなわち凹凸情報から、その凹凸形状を構成する粒状物体の個数を求める方法である。以下、各ステップ毎に詳細説明する。

（３次元データ入手ステップ＃１）
本計数方法の最初のステップにおいて、まず、３次元データが入手される（＃１）。３次元データは、図２、図３に示すように、集合状態にある粒状物体の凹凸データ、すなわち、ある方向から見たときの、基準面から外観表面位置までの高さ分布データである。これらのデータは、レーザ距離計などを用いて容易に取得できる。

ここで、本方法の適用範囲に関する説明を行う。本方法は、粒状物体、特に、錠剤やカプセルなどを計数対象とすることができる。さらに述べると、図２、図３に示すように、それぞれ球体、円板、円柱である粒状物体Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２（代表または総称して、粒状物体Ｍとも記す）の形状や寸法が複数種類混在していても計数可能である。また、粒状物体は、例えば、図４（ａ）〜（ｆ）に示すような、球体や楕円体、四角体、円板、三角錐、凸多面体などのように、一般に、凹部のない凸状の粒状物体であれば計数対象とすることができる。

なお、図５（ａ）（ｂ）における矢印ｋで示す凹部を有する物体Ｋや、図５（ｃ）に示すような穴部ｋを有する物体Ｋなどは計数対象とすることはできない。これらを本計数方法で計数すると、誤って計数する可能性がある。また、本方法では、隠蔽された物体、つまり他の物体の下に重なって完全に見えなくなっている物体は、計数できない。

以下では、図６乃至図９を参照して、簡単で具体的な計数サンプルについて説明する。図６は計数サンプルを示し、１つの孤立した粒状物体Ｍ１と、一方が他方に乗り上げた状態の２つの粒状物体Ｍ２，Ｍ３が、基台面２ａの上に存在している。基台面２ａは直交座標系ｘｙｚのｘｙ面にある。

上述の計数サンプル（粒状物体Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）の外観表面位置を、ｚ軸上方から計測して、基台面２ａ（基準面）から外観表面位置までの高さ分布データとして取得すると、図７に示す外観表面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３（代表または総称して、外観表面Ｓとも記す）のデータが得られる。この外観表面Ｓのデータは、図６に示されている外観表面の高さ分布データ（ｚ値のｘｙ分布データ）である。このようなデータが、上述の３次元データ入手ステップ（＃１）において、取得されるか、または入手したデータを加工して得られる。

（参照点設定ステップ＃２）
上述のように、３次元データによって外観表面Ｓが定義されると、図８に示すように、外観表面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に対して粒状物体の内部に相当する内部空間ｓｐが定義される。内部空間ｓｐは、外観表面Ｓと、この外観表面Ｓをｚ方向に沿って基準面（基台面２ａ）に射影してできた像との間の空間として定義される。この内部空間ｓｐの側壁（外観表面Ｓ１等の端部と基台面２ａとを結ぶ面）は、ｚ方向に平行であり、基台面２ａに垂直である。また、内部空間ｓｐは、粒状物体Ｍ３の下部空間などを含むので、各粒状物体の堆積空間より大きな空間となっている。

内部空間が定義されると、外観表面Ｓの全面について外観表面から所定の距離ｄだけ内側に入った内部空間ｓｐに所定の密度で参照点ｑ１，ｐ１・・（代表または総称して、参照点ｐとも記す）を設定する。距離ｄは、一般に、小さくすれば計数精度が上がり、大きくすれば下がる。また、距離ｄは、粒状物体の寸法にも依存して最適範囲が存在するので、実験的に定めればよい。

また、参照点ｐの密度、従って参照点数は、一般に、多ければ計数精度が上がり、少なければ精度が落ちる。余り多すぎても、計算処理負担が増大するにもかかわらず、精度向上率は飽和することになるので、最適範囲が存在する。従って、計数精度を検査しながら、参照点数を増減すればよい。参照点ｐの設定によって、参照点設定ステップ（＃２）の処理が終了する。

（可視点選択ステップ＃３）
上記のように定義された参照点ｐの任意の１点（例えば参照点ｑ１）について、その点を始点とし他の参照点を終点とする直線のうち内部空間ｓｐのみを通過する直線の終点を可視点として選択し（例えば参照点ｑ２，ｑ３）、選択された可視点を前記始点に関連づけて１つの始点と１または複数の可視点とからなる組を形成する。可視かどうかの判定は、例えば２点を結ぶ直線上のボクセル（ｖｏｘｅｌ）の値が、内部空間ｓｐとしての値を持つかどうかを逐一調べればよい。また、内部空間の境界面を数式で表現して、その面を前記直線が通過するどうかを計算により判断するようにしてもよい。

上述のようにして得られた組を、例えば、組（ｑ１；ｑ２，ｑ３）と表す。このような処理を、全ての参照点について行って、可視点選択ステップ（＃３）の処理が終了する。この処理によって得られた結果が、図９（ａ）に示されている。

（整列ステップ＃４）
上記可視点選択ステップ（＃３）によって形成された始点と可視点とからなる複数の組を、可視点の数が少ない組の順に並べ替える（＃４）。図９（ａ）に示される本例の場合、既に整列、すなわちソーティングされた状態となっている。

（絞込ステップ＃５）
上記整列ステップ（＃４）の後に、可視点の数が少ない組（順方向上位の組）から順に、当該組に含まれるいずれかの可視点と同一の点を始点とする順方向下位の組を消去する処理を、全ての組について行う。例えば、図９（ｂ）に示すように、参照点ｑ１を始点とする組（ｑ１；ｑ２，ｑ３）には、可視点ｑ２，ｑ３があり、これらの可視点ｑ２，ｑ３を始点とする組（ｑ２；ｑ１，ｑ３），（ｑ３；ｑ１，ｑ２）が消去される。さらに、組（ｐ１；ｐ２，ｐ６）の可視点ｐ２，ｐ６によって、組（ｐ２；ｐ１，ｐ５，ｐ６），（ｐ６；ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４，ｐ５）が消去される。消去された組は、その後の処理に寄与しない。このような消去が全ての組について行われると、絞込ステップ（＃５）の処理が終了する。

（結果出力ステップ＃６）
上記絞込ステップ（＃５）の後に消去されずに残っている組の数を粒状物体の個数として出力する（＃６）。本例の場合、図９（ｂ）に示されるように、参照点ｑ１，ｐ１，ｐ３を始点とする組が残っており、計数結果が３とされる。

上記の例では説明の簡単のために、図８に示すように、Ｉ−Ｉ線断面内で参照点を設定して、本計数方法を説明したが、一般的には、２次元的または３次元的に広がった外観表面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の下部に、３次元的に参照点ｐを設定して、上記可視点選択ステップ（＃３）を実行することになる。なお、Ｉ−Ｉ線断面は対称面になっており、このような対称面がある場合は、その対象面内に参照点を設定して粒状物体の個数を計数できる。

次に、図１０乃至図１３を参照して、本計数方法を適用する他の例を説明する。図１０は計数サンプルを示し、互いに大きさの異なる３つの粒状物体Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が、基台面２ａの上に、大きな順に階段状に重ねられて存在している。基台面２ａは直交座標系ｘｙｚのｘｙ面にある。このような計数サンプルを上方から撮影して画像処理によって計数する場合、粒状物体Ｍ１しか計数できない。

図１１には、上述の計数サンプル（粒状物体Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）の外観表面位置を、ｚ軸上方（白抜き矢印の方向Ｌ）から計測して設定した外観表面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が示されている。外観表面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は全て基台面２ａに平行である。また、外観表面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３と基台面２ａによって定義される内部空間ｓｐは、各粒状物体Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の内部空間ｓｐ１，ｓｐ２，ｓｐ３の総和に一致している。参照点ｐが、各外観表面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の下方に設定されている。

図１２（ａ）（ｂ）は、説明の便のために参照点の数を減らしているが、参照点の３次元分布の例を示している。参照点Ｅ，Ｆ，Ｄは外観表面Ｓ１の下部の内部空間ｓｐ１にあり、参照点Ａ，Ｃは外観表面Ｓ２の下部の内部空間ｓｐ２にあり、参照点Ｂは外観表面Ｓ３の下部の内部空間ｓｐ３にある。破線両矢印は、互いに可視となる参照点同士を結ぶ線である。また、非可視点の例が、参照点Ａ，Ｆについて示されている。

図１３（ａ）は、図１２（ａ）（ｂ）の例について、始点と可視点の組（Ａ；Ｂ，Ｃ，Ｅ）等を示している。なお、図中の点数は、各組における可視点の数を示す。図１３（ａ）に対して、上述の整列ステップ（＃４）を行うと、図１３（ｂ）に示す結果となる。

上述の整列ステップ（＃４）後の結果に、上述の絞込ステップ（＃５）の処理を行うと、図１３（ｃ）に示す結果となる。本例の場合、参照点Ｂ，Ｃ，Ｆを始点とする組が残っており、計数結果が３とされる。

なお、図１４は、上述の整列ステップ（＃４）を行わずに、図１３（ａ）の結果に対して、上述の絞込ステップ（＃５）の処理を行った例を示す。この場合、始点が消され過ぎて、参照点Ａ，Ｄを始点とする２つの組だけが残っており、正しく計数することができていない。

（実施例の効果）
本計数方法によれば、２次元画像よりも情報量の多い３次元データに基づいて計数するので、粒状物体が３次元的に複雑に重なった場合であっても２次元画像に基づく計数方法よりも計数の適用範囲を拡張できると共に、計数精度を向上できる。この計数方法では、参照点（始点）と可視点の組から絞り込まれて残った組の始点（以下、これを主点、またはプリンシパルポイントと呼ぶ）が、前記絞込によって、外観表面を構成する個々の粒状物体の代表点を抽出するように選択されることになり、残った組の数、つまり前記主点の数によって計数値が得られる。これらの主点は、３次元データによって定義された外観表面の形状を反映するように自動的に絞り込まれて選択された点である。また、主点は、最終的にどの参照点、つまり他のいずれの主点からも見えない点である。

さらに述べると、本計数方法における内部空間ｓｐは、その上部表面に位置する外観表面Ｓの凹凸（さらに厳密には、その凸部分）に、個々の粒状物体の形状の一部を残している。そして、その凸部を、効率的なアルゴリズムによって検出することにより、粒状物体の計数を行うことができる。その、効率的なアルゴリズムは、上述の可視点選択ステップ（＃３）、整列ステップ（＃４）、絞込ステップ（＃５）を核とするものである。そして、これらのステップは、計算機におけるソフトウエアとして、容易に組込可能であり、また、処理も単純で高速並列処理化が可能である。

本計数方法の基礎は、外観表面Ｓが、個々の粒状物体Ｍの外観の全体または一部の寄せ集めからなり、また、個々の粒状物体Ｍは、互いに他の物体内に侵入したり、他の物体を変形したりすることがない点にある（観点１）。このことから、上述のように、外観表面Ｓの凸部分に、個々の粒状物体Ｍの形状の一部が残ることになる。

また、全体が凸状の粒状物体Ｍは、その内部空間に設定された如何なる参照点も互いに可視である（観点２）。図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したように、一部に凹部があると、その内部空間における参照点の可視性は阻害される。この観点１，２を、凹凸を有する外観表面Ｓを上部表面に備えた内部空間ｓｐについて適用して考えると、外観表面Ｓの凸部に、絞込ステップ（＃５）の処理によって消去されない参照点（主点、プリンシパルポイント）が互いにいずれからも可視とはならずに生き残ることが分かる。また、自己の内部では、互いに可視であるから、絞込ステップ（＃５）の処理によって１点だけが生き残り、他は消去されることになる。例えば、図６における孤立した粒状物体Ｍ１において、参照点ｑ１が残っている。

（参照点設定について）
次に、図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して、参照点設定ステップ（＃２）における参照点の効率的な設定方法について説明する。参照点は、図１５（ａ）に示すように、近傍の外観表面Ｓの曲率が大きいところほど密度を高くし、逆に、図１５（ｂ）に示すように、曲率が小さいところほど密度を低くして参照点ｐを設定する。上述の議論から、一般に、曲率が小さくて外観表面形状の変化が小さいところには主点の存在率が低く、曲率が大きくて変化が大きいところでは主点の存在率が高い。従って、このような設定方法によると、より存在率（従って必要性）の高いところに重点的に参照点を設定して、計数精度を高めると共に、計数処理速度を高めることができる。

さらに、外観表面Ｓの曲率が所定値以下の場合には参照点を設定しないようにする。このような設定方法によると、計数精度を損なうことなく、確実に計数処理速度を高めることができる。

また、図１５（ｃ）に示すように、外観表面Ｓの曲率の中心が内部空間ｓｐ側にない場合には参照点を設定しないようにする。可視点となる可能性の高い参照点を初めから設定しないことにより、参照点の数を減らして高速処理を実現できる。以上を要約すると、互いに見えにくそうなところには参照点を多く、逆に、互いに見えやすそうなところには参照点を少なく設定ればよい、といえる。

（計数装置）
次に、図１６を参照して、上記計数方法を実行する計数装置を説明する。図１６に示す計数装置１は、図１に示した計数方法を実行する装置である。すなわち、計数装置１は、粒状物体の集合物の外観表面位置を計測して得られた３次元データに基づいて、その３次元データのもととなった粒状物体の個数を求める装置である。そこで、計数装置１は、上述の計数方法に対応して、３次元データおよび該データに基づいて得られるデータを記憶する記憶手段１１と、上述した各処理ステップ（＃２〜＃６）を実行するための手段である、参照点設定手段１２、可視点選択手段１３、整列手段１４、絞込手段１５、および結果出力手段１６を備えている。また、計数装置１は、データ入力手段１７と、操作手段１８と、計数装置１の各手段を制御する中央制御手段１０とを備えている。

記憶手段１１は、３次元データなどを記憶する他に、計数方法を実行するためのプログラム、その実行時に必要なパラメータ、ライブラリなどを記憶する記憶装置からなる。この記憶手段１１は、処理中の作業用記憶装置としても用いられる。参照点設定手段１２は、図１における参照点設定ステップ（＃２）を実行する手段であり、３次元データによって定義される外観表面Ｓに対して粒状物体Ｍの内部に相当する内部空間ｓｐを定義し、外観表面Ｓの全面について該外観表面Ｓから所定の距離だけ内側に入った内部空間ｓｐに所定の密度で参照点ｐを設定する。

可視点選択手段１３は、可視点選択ステップ（＃３）を実行する手段であり、参照点設定手段１２によって設定された参照点ｐの任意の１点について、その点を始点とし他の参照点を終点とする直線のうち内部空間のみを通過する直線の終点を可視点として選択し、前記選択された可視点を前記始点に関連づけて１つの始点と１または複数の可視点とからなる組を形成する処理を、全ての参照点について行う。

整列手段１４は、整列ステップ（＃４）を実行する手段であり、可視点選択手段１３によって形成された始点と可視点とからなる複数の組を、可視点の数が少ない組の順に並べ替える。絞込手段１５は、絞込ステップ（＃５）を実行する手段であり、整列手段１４によって整列された各組について可視点の数が少ない組から順に、当該組に含まれるいずれかの可視点と同一の点を始点とする順方向下位の組を消去する処理を、全ての組について行う。

結果出力手段１６は、結果出力ステップ（＃６）を実行する手段であり、絞込手段１５によって絞り込まれた後に消去されずに残っている組の数を粒状物体Ｍの個数として出力する。結果出力手段１６は、計数結果や画像を表示するためのモニタ装置を備えている。

データ入力手段１７は、他の装置が粒状物体の集合物の外観表面位置を計測して取得した３次元データを計数装置１に取り込むための装置からなる。データ入力手段１７は、各種の通信媒体を用いる通信装置、磁気メモリ、メモリカード、メモリスティック、コンパクトディスクなどの各種の記録媒体からデータを読み取る読取装置などによって構成される。操作手段１８は、マウスやトラックボール、ジョイスティックなどの各種ポインタ、さらにキーボードなどの操作信号入力装置、および、計数装置１からの応答を表示または報知するためのモニタ装置、音響装置、光点滅装置などによって構成される。

中央制御手段１０は、ＣＰＵやメモリや外部記憶装置や表示装置や入力装置などを備えた一般的な構成を備えた電子計算機、およびその上のプロセスまたは機能の集合によって構成される。中央制御手段１０として、周辺機器とのインターフェースを有し、ＯＳを組み込まれているパーソナルコンピュータ（ＰＣ）一式を用いることができる。この場合、上記各ステップ（＃２）からステップ（＃６）に対応する各手段（参照点設定手段１２から結果出力手段１６まで）は、ＰＣ上のソフトウエアによって構成される。

このような計数装置１によれば、粒状物体Ｍの集合物の外観表面Ｓの３次元データを与えられることにより、粒状物体Ｍが３次元的に複雑に重なった場合であっても、精度良く粒状物体Ｍの個数を計数できる。

（計数装置の他の例）
次に、図１７を参照して、上記計数装置１を拡張した構成例を説明する。この拡張した計数装置１は、基台面２ａに載置された各種形状の粒状物体Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２等の集合物の外観表面位置の３次元データを取得してそのデータを計数装置１に出力する３次元計測手段２をさらに備えて構成される。

３次元計測手段２は、３次元データを取得するために、制御計算装置２０と、照明装置２１と、撮像用カメラ２２とを備えて構成される。制御計算装置２０は、照明や撮像のタイミングを制御するために、照明装置２１と撮像用カメラ２２とを制御したり、照明光の明暗パターンを生成したりする。また、制御計算装置２０は、３次元データを生成するために撮像用カメラ２２からの出力信号を計算処理し、その結果、得られた３次元データを計数装置１に出力する。

このような３次元計測手段２は、周知の位相シフト法を用いる外観表面位置計測装置として構成することができる。この場合、照明装置２１から互いに位相の異なる複数の明暗縞パターンの照明光で粒状物体Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２等の集合物を照明し、撮像用カメラ２２は各照明パターン毎に撮像し、制御計算装置２０が撮像画像のデータを処理して３次元データを取得する。照明装置２１は１つでもよいが、複数備えると照明条件の異なる３次元データを取得できる。この場合、カメラ２２の位置を変えるとよい。

また、３次元計測手段２は、照明装置２１からスリット状のレーザビームを出力し、カメラ２２で間欠的に撮像しつつ、基台面２ａを矢印ｘ方向に前後動させることにより、３次元データを取得するようにしてもよい。また、３次元計測手段２は、照明装置２１と撮像用カメラ２２とに代えて、レーザビームによる測距装置を用いて、粒状物体Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２等の集合物をスキャンして３次元データを取得するようにしてもよい。３次元計測手段２は、上記構成に限らず、一般に、所望の計測時間と所望の計測精度のもとで３次元データを取得できる装置であればよい。このような３次元計測手段２を備えた計数装置１は、３次元データを自ら取得でき、自己完結した計数装置１を計数システムとして実現できる。

（外観表面および内部空間について）
次に、図１８、図１９、図２０を参照して、内部空間の設定方法について一般的な説明する。図１８（ａ）は、基台面２ａ上の球体を基台面２ａに垂直な方向Ｌ（図中の白抜き矢印の方向）から見たときの外観表面Ｓと内部空間ｓｐを示す。内部空間ｓｐは外観表面Ｓと基台面２ａの間の空間として定義される。内部空間ｓｐの側壁Ｔは方向Ｌに平行に設定された境界面である。このような内部空間ｓｐを直交内部空間Ｎｓｐと呼ぶことにする。先に示した図８における内部空間ｓｐは、この直交内部空間Ｎｓｐに分類される。

上記の直交内部空間Ｎｓｐを言い換えると、参照点設定ステップ（＃２）において用いられる外観表面Ｓは、粒状物体Ｍの集合物を載置した基台面２ａから粒状物体Ｍの表面位置までの高さ（高さｈと表記する）の分布によって定義され、直交内部空間Ｎｓｐは、この外観表面Ｓと基台面２ａとの間の空間として定義される、と表現される。

ところで、方向Ｌは、必ずしも基台面２ａに垂直である必要はない。例えば、図１８（ｂ）は、基台面２ａの法線に対して角度θを有する方向Ｌから見たときの外観表面Ｓと内部空間ｓｐを示している。この場合、側壁Ｔは方向Ｌに平行に設定された境界面であって、基台面２ａに対して傾斜している。このような種類の内部空間ｓｐを傾斜内部空間Ｋｓｐと呼ぶことにする。

上記の傾斜内部空間Ｋｓｐを言い換えると、基台面２ａから粒状物体Ｍの表面位置までの前記高さｈは、基台面２ａに垂直ではない一定方向に沿って測定された距離であって、の基台面２ａと粒状物体Ｍの表面位置との間の距離で定義され、傾斜内部空間Ｋｓｐは、前記距離の分布によって定義された外観表面Ｓと外観表面Ｓを前記一定方向から前記基台面２ａに射影してなる像が形成する面（像面）との間の空間として定義される、と表現される。

図１９、図２０に示される内部空間ｓｐは、傾斜内部空間Ｋｓｐの例を示す。すなわち、これら図は、図６に示した計数サンプルに対して、図８の直交内部空間Ｎｓｐとは異なる外観表面および内部空間を定義した傾斜内部空間Ｋｓｐを示すものである。図１９において、外観表面Ｓａが外観表面として測定されており、この外観表面Ｓａに対して参照点ｐａが設定されている。外観表面Ｓａと参照点ｐａは、図８の場合に対する追加の情報となっている。また、側壁Ｔは、基台面２ａに垂直ではなく、方向Ｌに平行に設定されている。また、図２０において、図１９の場合と同様に、外観表面Ｓａと参照点ｐａが、図８の場合に対する追加の情報となっており、側壁Ｔが方向Ｌに平行に設定されている。

上述の図１９、図２０、図８などにおける外観表面Ｓ（総称）は、使用目的にあわせて測定するのではなく、情報量のより多い外観表面Ｓのデータから、例えば、図１９に適合させるための外観表面Ｓのデータを抽出して図１９に示す内部空間を定義するようにしてもよい。つまり、種々の方向Ｌのもとで、広い範囲の外観表面Ｓのデータ、すなわち３次元形状データを測定し、そのデータに基づいて、直交内部空間Ｎｓｐや、傾斜内部空間Ｋｓｐを定義して、それぞれについて計数処理を行うことができる。

上述のように、内部空間ｓｐを直交内部空間Ｎｓｐによって定義すれば、容易に得られる３次元データによって、外観表面と内部空間とを容易に矛盾なく定義できる。また、傾斜内部空間Ｋｓｐを用いる方法によれば、異なる方向から計測して得られる３次元データに基づく外観表面と内部空間とを用いて計数するので、計数結果を比較することができ、計数精度の向上が図れる。例えば、被計測物体が３次元形状であることにより発生する自己隠蔽（いわゆるオクルージョン）に起因する計数結果の違いなどを比較検証したり、補正したりして、計数精度を向上することができる。

また、内部空間ｓｐは、上述の直交内部空間Ｎｓｐや、傾斜内部空間Ｋｓｐに限らず、より一般的な空間とすることができる。少なくとも、参照点を内部に設定でき、各参照点が互いに可視か、可視でないかを判断できる空間であれば、内部空間ｓｐとして採用できる。従って、例えば、粒状物体Ｍを載置するための基台面２ａによる平面は、必ずしも内部空間ｓｐを規定する面として用いなくてもよい。この基台面２ａ側の空間境界は、少なくとも参照点を内部空間ｓｐの内部に含み、外観表面Ｓに交わらない範囲で、もとの基台面２ａの位置よりも外観表面Ｓ側に近づけることができ、また、遠ざけることができる。また、この基台面２ａ側の境界は平面でなくてもよい。また、内部空間ｓｐは、上述の直交内部空間Ｎｓｐや種々の傾斜内部空間Ｋｓｐを組み合わせて形成される外観表面Ｓを用いて、形成することができる。また、外観表面Ｓとして、基台面２ａ側から（裏面側から）計測して得られた外観表面Ｓを含むものとすることができる。

本発明の一実施形態に係る計数方法と計数装置における計数処理のフローチャート。 同上計数方法と計数装置が計数対象とする粒状物体の集合物の例を示す斜視図。 図２の粒状物体の集合物を上方から見た斜視図。 （ａ）〜（ｆ）は同上計数方法と計数装置が計数対象とすることができる粒状物体の例を示す斜視図。 （ａ）〜（ｃ）は同上計数方法と計数装置が計数対象とすることができない粒状物体の例を示す斜視図。 同上計数方法と計数装置を用いる計数例を説明するための粒状物体の集合物の斜視図。 図６の粒状物体の集合物の外観表面を示す側面図。 同上集合物の外観表面、内部空間および内部空間に設定された参照点を示す、図６におけるＩ−Ｉ線断面図。 （ａ）は図８の参照点について求めた参照点と可視点の組の図、（ｂ）は同上計数方法による絞込ステップを説明する図。 同上計数方法と計数装置が計数対象とする粒状物体の集合物の他の例を示す斜視図。 同上集合物の外観表面、内部空間および内部空間に設定された参照点を示す、図１０のＩＩ面における断面図。 （ａ）は同上集合物における参照点間の可視不可視状態を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）を他の角度から見た斜視図。 （ａ）は図１２（ａ）（ｂ）の参照点について求めた参照点と可視点の組の図、（ｂ）は同組を可視点の数の順に並べ替えた図、（ｃ）は同上計数方法における絞込ステップを説明する図。 図１３（ａ）の状態から絞込ステップを実施した場合の不具合を説明する図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は同上計数方法を適用する際の参照点の設定方法を説明する断面図。 同上計数方法を用いる計数装置のブロック構成図。 同上計数装置に３次元計測手段を備えて計数を行う状況を示す斜視図。 （ａ）（ｂ）は同上計数方法における外観表面および内部空間を定義する際の３次元データの用い方の違いを説明するための断面図。 図６に示した計数対象物に対して図８の場合とは異なる３次元データの用い方で外観表面および内部空間を定義した断面図。 図６に示した計数対象物に対して図８の場合とはさらに異なる３次元データの用い方で外観表面および内部空間を定義した断面図。

符号の説明

１ 計数装置
２ ３次元計測手段
１１ 記憶手段
１２ 参照点設定手段
１３ 可視点選択手段
１４ 整列手段
１５ 絞込手段
１６ 結果出力手段
２ａ 基台面
Ａ〜Ｆ，ｐ，ｐ１〜ｐ６，ｑ１〜ｑ３ 参照点
Ｍ，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ 粒状物体
ｓｐ，ｓｐ１，ｓｐ２，ｓｐ３ 内部空間
Ｓ，Ｓａ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 外観表面

Claims (8)

1. 粒状物体の集合物の外観表面位置を計測して得られた３次元データを与えられて該３次元データを構成する粒状物体の個数を求める計数方法であって、
   前記３次元データによって定義される外観表面に対して粒状物体の内部に相当する内部空間を定義し、外観表面の全面について該外観表面から所定の距離だけ内側に入った内部空間に所定の密度で参照点を設定する参照点設定ステップと、
   前記参照点の任意の１点について、その点を始点とし他の参照点を終点とする直線のうち内部空間のみを通過する直線の終点を可視点として選択し、前記選択された可視点を前記始点に関連づけて１つの始点と１または複数の可視点とからなる組を形成する処理を、全ての参照点について行う可視点選択ステップと、
   前記可視点選択ステップによって形成された始点と可視点とからなる複数の組を、可視点の数が少ない組の順に並べ替える整列ステップと、
   前記整列ステップの後に可視点の数が少ない組から順に、当該組に含まれるいずれかの可視点と同一の点を始点とする順方向下位の組を消去する処理を、全ての組について行う絞込ステップと、
   前記絞込ステップの後に消去されずに残っている組の数を粒状物体の個数として出力する結果出力ステップと、を含むことを特徴とする計数方法。
2. 前記参照点設定ステップでは、近傍の外観表面の曲率が大きいところほど前記密度を高くして参照点を設定することを特徴とする請求項１に記載の計数方法。
3. 前記曲率が所定値以下の場合には参照点を設定しないことを特徴とする請求項２に記載の計数方法。
4. 前記曲率の中心が内部空間側にない場合には参照点を設定しないことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の計数方法。
5. 前記参照点設定ステップにおいて用いられる外観表面は、粒状物体の集合物を載置した基台面から粒状物体表面位置までの高さ分布によって定義され、前記内部空間は前記外観表面と前記基台面との間の空間として定義されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の計数方法。
6. 前記基台面からの高さは、該基台面に垂直ではない一定方向における、基台面と粒状物体表面位置との距離で定義され、前記内部空間は前記距離の分布によって定義された外観表面と該外観表面を前記一定方向から前記基台面に射影してなる像面との間の空間として定義されることを特徴とする請求項５に記載の計数方法。
7. 粒状物体の集合物の外観表面位置を計測して得られた３次元データに基づいて、前記３次元データのもととなった粒状物体の個数を求める計数装置であって、
   前記３次元データおよび該データに基づいて得られるデータを記憶する記憶手段と、
   前記３次元データによって定義される外観表面に対して粒状物体の内部に相当する内部空間を定義し、外観表面の全面について該外観表面から所定の距離だけ内側に入った内部空間に所定の密度で参照点を設定する参照点設定手段と、
   前記参照点設定手段によって設定された参照点の任意の１点について、その点を始点とし他の参照点を終点とする直線のうち内部空間のみを通過する直線の終点を可視点として選択し、前記選択された可視点を前記始点に関連づけて１つの始点と１または複数の可視点とからなる組を形成する処理を、全ての参照点について行う可視点選択手段と、
   前記可視点選択手段によって形成された始点と可視点とからなる複数の組を、可視点の数が少ない組の順に並べ替える整列手段と、
   前記整列手段によって整列された各組について可視点の数が少ない組から順に、当該組に含まれるいずれかの可視点と同一の点を始点とする順方向下位の組を消去する処理を、全ての組について行う絞込手段と、
   前記絞込手段によって絞り込まれた後に消去されずに残っている組の数を粒状物体の個数として出力する結果出力手段と、を備えたことを特徴とする計数装置。
8. 前記３次元データを取得するための３次元計測手段をさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載の計数装置。