JP2013092465A - Three-dimensional surface inspection device and three-dimensional surface inspection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車やその部品などの計測対象物の表面の凹みや大きな疵などの三次元的欠陥を非接触で検査する三次元表面検査装置および三次元表面検査方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional surface inspection apparatus and a three-dimensional surface inspection method for inspecting non-contact three-dimensional defects such as dents and large wrinkles on the surface of a measurement object such as an automobile and its parts.
自動車のボディーの表面の疵、凹みや塗装の剥がれなどの検査は、自動車の生産やリサイクルにおいて非常に重要である。しかしながら、現状ではこれらの品質検査は、熟練工の目視に頼っており、作業員によりばらつきがあるだけでなく、作業員に過大な負担を掛けることになる。そのため、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等のデジタル式撮影装置を用い、非接触で高速かつ高精度に計測対象物の表面検査を行うことが可能な表面検査装置が望まれている。 Inspections such as wrinkles, dents and paint peeling on the surface of automobile bodies are very important in automobile production and recycling. However, at present, these quality inspections rely on the visual inspection of skilled workers, which not only varies depending on the worker, but also places an excessive burden on the worker. Therefore, there is a demand for a surface inspection apparatus capable of performing a surface inspection of a measurement object at high speed and with high accuracy in a non-contact manner using a digital photographing apparatus such as a digital camera or a digital video camera.
自動車のボディーのような三次元的形状を有する計測対象物を計測する三次元画像計測は、受動法と能動法に大別できる。典型的な受動計測法は、2台のカメラによるステレオ計測法が挙げられる。ステレオ計測法は、計測物体の各部分の画像特徴を利用して2台のカメラにより撮影した2枚の画像の対応点関係を明らかにし、その三次元座標を計算する手法であるので、物体の輪郭などの計測に好適であるが、緩やかな面などの特徴の少ない部分の計測には不向きである。 Three-dimensional image measurement for measuring a measurement object having a three-dimensional shape such as an automobile body can be broadly divided into a passive method and an active method. A typical passive measurement method includes a stereo measurement method using two cameras. The stereo measurement method is a technique for clarifying the corresponding point relationship between two images taken by two cameras using the image features of each part of the measurement object, and calculating the three-dimensional coordinates. Although it is suitable for measuring contours and the like, it is not suitable for measuring parts with few features such as gentle surfaces.
一方、典型的な能動計測法としては、パターン光投影計測法が挙げられる。パターン光投影計測法は、パターン光を計測対象物に投影することにより、能動的に計測対象物に特徴を付けるので、緩やかな面などの特徴の少ない部分の計測にも適応できる。 On the other hand, as a typical active measurement method, there is a pattern light projection measurement method. The pattern light projection measurement method actively applies a feature to the measurement object by projecting the pattern light onto the measurement object, so that it can be applied to measurement of a part having a small feature such as a gentle surface.
また、正弦波のようなパターン光を計測対象物に投影し、その複数枚の反射パターン画像に基づく位相シフト解析方法が知られている。例えば、パターン光投影に基づく三次元画像計測の計測時間の短縮と計測精度の向上のため、特許文献1,2に記載の手法が提案されている。特許文献1の手法では、最適強度変調パターン光の使用により、1回のパターン光の投影で三次元画像計測を実現でき、計測の時間短縮と精度向上が可能であるが、表面反射の強い自動車のボディーの表面計測には不向きである。
A phase shift analysis method is also known in which pattern light such as a sine wave is projected onto a measurement object and a plurality of reflection pattern images are used. For example, methods described in
また、特許文献2の手法では、より高い密度を持つ計測線パターンと基準線パターンの使用により、より高精度の三次元画像計測が実現できるが、ハイライト等の表面反射の強い計測対象物への応用が困難である。すなわち、一般のパターン光投影技術に基づく三次元画像計測は、自動車のボディーのような艶のある物体、すなわち鏡面反射の強い物体には適応困難である。
Further, in the method of
そこで、鏡面反射の強い物体に対しては、以下の技術が提案されている。例えば、特許文献3の手法では、計測対象物に対して光源光が直接当たらないようにすることにより、鏡面反射が酷い計測対象物であってもその表面検査を可能としている。また、特許文献4に記載の手法では、直線状の明暗パターンを計測対象物に投影し、その反射パターンの境界点の解析により計測対象物の表面の凹凸の欠陥を検出するものであり、自動車表面の凹みの計測に対応可能となっている。
Therefore, the following techniques have been proposed for objects with strong specular reflection. For example, in the method of
ところが、特許文献3の手法では、二次元式の画像計測技術を用いるので、自動車の表面疵等の二次元的な計測は可能であるものの、凹みの深さなどの三次元的な検査を行うことができない。また、特許文献4の手法は、パターンの境界点を主に用いた解析手法であり、二値化画像解析に似た解析手法であるため、凹凸の深さを精密に計測することが困難である。また、境界線のないところの凹凸の計測は困難である。
However, since the method of
そこで、本発明においては、鏡面反射が酷い計測対象物であっても、簡単な構造により低コストで高精度かつ高速に表面の凹みや大きな疵などの三次元的欠陥を検査することが可能な三次元表面検査装置および三次元表面検査方法を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, it is possible to inspect three-dimensional defects such as surface dents and large wrinkles with high accuracy and high speed at a low cost with a simple structure even for a measurement object with severe specular reflection. It is an object to provide a three-dimensional surface inspection apparatus and a three-dimensional surface inspection method.
本発明の三次元表面検査装置は、計測対象物を撮影する撮影装置と、曲面状に配設されて計測対象物を覆うフィルタ膜と、フィルタ膜の曲面状に沿って周期的な強度分布を持つ曲面状強度分布のパターン光を投影し、フィルタ膜を介して計測対象物に投影する曲面パターン光投影手段と、撮影装置により撮影された画像に対し、曲面状強度分布を直線状強度分布に変換するデコード処理を行うことで、計測対象物の表面の三次元的欠陥を検出する欠陥検出手段とを含むものである。 The three-dimensional surface inspection apparatus of the present invention has an imaging device for photographing a measurement object, a filter film disposed in a curved surface and covering the measurement object, and a periodic intensity distribution along the curved surface of the filter film. Curved pattern light projection means for projecting the pattern light of the curved surface intensity distribution and projecting onto the measurement object through the filter film, and the curved surface intensity distribution to the linear intensity distribution for the image photographed by the photographing apparatus It includes a defect detection means for detecting a three-dimensional defect on the surface of the measurement object by performing a decoding process for conversion.
また、本発明の三次元表面検査方法は、曲面状に配設されて計測対象物を覆うフィルタ膜に対し、フィルタ膜の曲面状に沿って周期的な強度分布を持つ曲面状強度分布のパターン光を投影し、フィルタ膜を介して計測対象物に投影すること、計測対象物を撮影装置により撮影し、撮影された画像に対し、曲面状強度分布を直線状強度分布に変換するデコード処理を行うことで、計測対象物の表面の三次元的欠陥を検出することを含むことを特徴とする。 Further, the three-dimensional surface inspection method of the present invention is a curved surface intensity distribution pattern having a periodic intensity distribution along the curved surface shape of the filter film with respect to the filter film disposed in a curved surface and covering the measurement object. A process of projecting light and projecting it onto a measurement object through a filter film, photographing the measurement object with a photographing device, and converting a curved intensity distribution into a linear intensity distribution for the photographed image This includes detecting a three-dimensional defect on the surface of the measurement object.
これらの発明によれば、計測対象物に対してパターン光は直接投影されず、フィルタ膜を介して投影されるので、鏡面反射が酷い計測対象物であっても、その表面にパターン光の光源が直接映り込まないため、この計測対象物を普通に撮影することで、この撮影された画像から容易に計測対象物の表面欠陥を検出することができる。このとき、投影されるパターン光は、フィルタ膜の曲面状に沿って周期的な強度分布を持つが、この撮影された画像に対し、曲面状強度分布を直線状強度分布にデコード処理により変換すると、計測対象物の表面の三次元的欠陥部分は直線状強度分布から外れるので、この三次元的欠陥部分を検出することが可能となる。 According to these inventions, the pattern light is not directly projected onto the measurement object, but is projected through the filter film. Therefore, even if the measurement object has severe specular reflection, the light source of the pattern light on the surface Therefore, the surface defect of the measurement object can be easily detected from the photographed image by normally photographing the measurement object. At this time, the projected pattern light has a periodic intensity distribution along the curved surface shape of the filter film. However, if the curved surface intensity distribution is converted into a linear intensity distribution by decoding processing on the photographed image. Since the three-dimensional defect portion on the surface of the measurement object deviates from the linear intensity distribution, this three-dimensional defect portion can be detected.
本発明によれば、鏡面反射が酷い計測対象物であっても、その表面にパターン光の光源が直接映り込まないため、この計測対象物を普通に撮影することで、この撮影された画像から容易に計測対象物の表面欠陥を検出することができ、計測対象物表面の凹みや大きな疵などの三次元的欠陥部分を低コストで高精度かつ高速に検出することが可能となる。 According to the present invention, even if the object to be measured has a severe specular reflection, the light source of the pattern light is not directly reflected on the surface thereof. The surface defect of the measurement object can be easily detected, and a three-dimensional defect portion such as a dent or a large wrinkle on the measurement object surface can be detected with high accuracy and high speed at low cost.
以下、本発明の実施の形態における三次元表面検査装置について、図面を用いて説明する。図1は本発明の実施の形態における三次元表面検査装置の全体構成図、図2は図1の三次元表面検査装置の詳細な構成を示すブロック図である。 Hereinafter, a three-dimensional surface inspection apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a three-dimensional surface inspection apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of the three-dimensional surface inspection apparatus of FIG.
図1に示すように、本発明の実施の形態における三次元表面検査装置は、自動車のボディーやその部品などの計測対象物Xの表面の疵や凹みなどの三次元的欠陥を非接触で検査する装置であり、線状光源1と、線状光源1と計測対象物Xとの間に配置され、線状光源1の光が計測対象物Xに直接当たらないように前記線状光源1の光を均一に減光するフィルタ膜2と、計測対象物Xを撮影する撮影装置としてのカメラ装置3と、線状光源1およびカメラ装置3が接続されるコンピュータ4とから構成される。
As shown in FIG. 1, the three-dimensional surface inspection apparatus in the embodiment of the present invention inspects three-dimensional defects such as wrinkles and dents on the surface of a measurement object X such as an automobile body and its parts in a non-contact manner. The
線状光源1は、普通の市販されている例えば、蛍光灯やLEDなどの線状の照明機器である。フィルタ膜2は、半透明な材料によりドーム状やトンネル状などの曲面状に形成されたものであり、線状光源1からの光を減光および拡散するものである。線状光源1は、このフィルタ膜2の曲面状に沿って複数本配置されている。
The
フィルタ膜2の透過率は、線状光源1の光量および計測対象物Xの表面反射率に応じて適切に選ばれるが、一般的には5%から95%までの範囲である。カメラ装置3はデジタル式カメラである。カメラ装置3は画像のデジタルデータを取得可能な撮影装置であればよく、8ビット、10ビット、12ビットや16ビット等のもの、3CCD、1CCDやCMOS等のイメージセンサを用いたもの、静止画カメラ、動画カメラやビデオカメラ等のどのようなものでもよい。
The transmittance of the
コンピュータ4は、線状光源1およびカメラ装置3を接続するためのインターフェース(図示せず。)を備えており、図示しない検査プログラムの実行により、図2に示す記憶手段10、投影パターン光制御手段11、写真撮影手段12、欠陥検出手段13、寸法推定手段14、検査結果表現手段15および出力手段16として機能する。
The
投影パターン光制御手段11は、複数本の線状光源1を制御、例えばオン−オフ制御することにより、フィルタ膜2の曲面状に沿って周期的な強度分布を持つ曲面状強度分布のパターン光を投影するものである。この投影パターン光制御手段11による線状光源1の制御データは、記憶手段10に記憶されている。
The projection pattern light control means 11 controls a plurality of
写真撮影手段12は、検査に適用できる画像を撮影するために必要な最適なパラメータ(以下、「撮影パラメータ」と称す。)でカメラ装置3を制御して、計測対象物Xの表面の撮影を行い、撮影された画像データを記憶装置10に記憶させるものである。このカメラ装置3の制御に必要な撮影パラメータ等は、記憶手段10に記憶されている。また、記憶手段10には、後述する各手段により算出された結果のデータ等も記憶される。
The photographic means 12 controls the
欠陥検出手段13は、写真撮影手段12により入力された画像データの解析により、計測対象物Xの表面にある凹みや大きな疵等の三次元的欠陥を検出するものである。寸法推定手段14は、検出された三次元的欠陥の寸法(径や深さ等)を画像解析により推定するものである。 The defect detection means 13 detects three-dimensional defects such as dents and large wrinkles on the surface of the measurement object X by analyzing the image data input by the photography means 12. The size estimation means 14 estimates the size (diameter, depth, etc.) of the detected three-dimensional defect by image analysis.
検査結果表現手段15は、三次元的欠陥の位置、形状やサイズ等の検査結果を、ユーザが分かりやすい方法でコンピュータ4のモニタ上で表現するものである。また、検査結果表現手段15は、必要に応じてモニタ上で検査結果を拡大表示、縮小表示、全体表示や部分表示等させる機能を備えている。出力手段16は、写真撮影した画像や検査結果等を、画像、テキストファイル、表、グラフや数値などの方式で、各種のメディアに保存したり、出力したりするものである。
The inspection result expression means 15 expresses inspection results such as the position, shape and size of the three-dimensional defect on the monitor of the
なお、図2に示すように、曲面パターン光投影手段5は、線状光源1と投影パターン光制御手段11により構成される。なお、線状光源1は、必要とする投影パターン光を生成するために、予め、その総合的な位置関係と、互いの間隔と、フィルタ膜2との間の距離を調整しておく。
As shown in FIG. 2, the curved pattern light projection unit 5 includes a linear
次に、本実施形態における三次元表面検査装置による計測対象物Xの表面の凹み等の三次元的欠陥部分の検査処理について説明する。図3は本実施形態における三次元表面検査装置による検査処理のフロー図である。 Next, an inspection process for a three-dimensional defect portion such as a dent on the surface of the measurement object X by the three-dimensional surface inspection apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 3 is a flowchart of inspection processing by the three-dimensional surface inspection apparatus in the present embodiment.
本表面検査装置を使用する前に、線状光源1を設定する。設定は、まず線状光源1の位置、各線状光源1の間隔、すなわち各線状光源1間の距離を調節する(S101)。続いて、線状光源1とフィルタ膜2との間の距離を調節し、曲面状強度分布パターン光の生成のための環境を備える(S102)。上記の設定は、毎回計測の前に行う必要はなく、表面検査装置の構築の際に一回だけ行えば良い。
Before using the surface inspection apparatus, the linear
続いて、コンピュータ4の投影パターン光制御手段11の指令により、各線状光源1のオン−オフを制御し、計測のための曲面状空間強度分布パターン光を生成する(S103)。図4は曲面状強度分布パターン光の生成のイメージ図であり、(a)は線状光源1の配置と、フィルタ膜2の表面の曲面状に沿って周辺に生成したパターン光の強度分布のイメージ図、(b)は(a)のフィルタ膜2を平面上に展開(円弧Rを直線化)した際のパターン光の強度分布のイメージ図である。図4(b)に示すように、同図(a)の曲面状強度分布のパターン光の強度分布は、平面上に展開すると強度分布が正弦波となるパターン光である。
Subsequently, on / off of each linear
次に、コンピュータ4の写真撮影手段12がカメラ装置3の撮影パラメータを調節し、計測対象物Xから反射された曲面状強度分布パターン光をカメラ装置3により撮影し、画像をコンピュータ4に入力する(S104)。写真撮影手段12は入力した画像の強度分布を解析し、欠陥検出に理想的な画像かどうかを判断する。理想的な画像であれば次の処理に進むが、理想的な画像でなければ、理想的な画像が撮れるまで繰り返しカメラ装置3の撮影パラメータを調節し、撮影する(S105)。
Next, the photographic means 12 of the
理想的な画像が撮影されたら、欠陥検出手段13により曲面状強度分布のパターン光である正弦波を直線状強度分布に変換するデコード処理を行う(S106)。このとき、計測対象物Xの表面に凹みなどの形状変化がなければ、撮影された画像の強度分布は図6(a)に示すような綺麗な正弦波分布なので、デコードの結果は同図(b)に示すような直線状の強度分布になる。一方、計測対象物Xの表面に凹みなどの形状変化があれば、図7(a)に示すように凹みなどの欠陥部分の画像の強度の位相分布に変化が生じ、綺麗な正弦波分布は得られなくなる。そのため、デコードすると、同図(b)に示すように、この欠陥部分は直線から外れるので、この直線から外れた部分に凹みなどの欠陥が存在すると判定できる(S107)。 When an ideal image is taken, the defect detection means 13 performs a decoding process for converting a sine wave, which is a pattern light of a curved intensity distribution, into a linear intensity distribution (S106). At this time, if there is no shape change such as a dent on the surface of the measurement object X, the intensity distribution of the photographed image is a clean sine wave distribution as shown in FIG. It becomes a linear intensity distribution as shown in b). On the other hand, if there is a shape change such as a dent on the surface of the measurement object X, the intensity phase distribution of the image of the defective part such as the dent changes as shown in FIG. It can no longer be obtained. Therefore, when the decoding is performed, as shown in FIG. 5B, the defective portion deviates from the straight line, so that it can be determined that there is a defect such as a dent in the portion deviating from the straight line (S107).
また、寸法推定手段14により凹みの寸法および深さを推定する。図7(b)に示す直線から外れた範囲は凹みの寸法と比例し、直線から外れた程度は凹みの深さと比例するため、寸法推定手段14は、直線から外れた範囲と程度より、凹みの寸法と深さを推定できる(S108)。この検査結果は、検査結果表現手段15によりコンピュータ4のモニタ上でコンピュータグラフィックスによる表現ができ(S109)、出力手段16により各種の記憶メディアに保存したり、出力したりすることができる(S110)。
Further, the size and depth of the dent are estimated by the size estimation means 14. The range deviating from the straight line shown in FIG. 7B is proportional to the size of the dent, and the extent deviating from the straight line is proportional to the depth of the dent. Can be estimated (S108). The inspection result can be expressed by computer graphics on the monitor of the
なお、上記実施形態では、曲面状強度分布のパターン光として正弦波状の強度分布を持つパターン光を用いたが、その他のパターン光として、図5に示すような台形波状や矩形波状等の周期的な強度分布を持つパターン光を使用することも可能である。 In the above embodiment, pattern light having a sinusoidal intensity distribution is used as the pattern light of the curved surface intensity distribution. However, as other pattern light, a periodic light such as a trapezoidal wave or a rectangular wave as shown in FIG. It is also possible to use pattern light having a strong intensity distribution.
本実施形態における三次元表面検査装置では、計測対象物Xに対してパターン光は直接投影されず、フィルタ膜2を介して投影され、フィルタ膜2により減光および拡散されるので、鏡面反射が酷い計測対象物Xであっても、その表面にパターン光の光源が直接映り込まないため、この計測対象物Xを普通に撮影することで、この撮影された画像から容易に計測対象物Xの表面欠陥を検出することが可能となっており、数秒から数十秒の短時間で処理することが可能である。
In the three-dimensional surface inspection apparatus according to the present embodiment, the pattern light is not directly projected onto the measurement object X, but is projected through the
また、計測対象物Xに投影されるパターン光は、フィルタ膜2の曲面状に沿って周期的な強度分布を持ち、撮影された画像に対し、曲面状強度分布を直線状強度分布にデコード処理により変換すると、計測対象物Xの表面の三次元的欠陥部分は直線状強度分布から外れるので、この三次元的欠陥部分を容易に検出することが可能となっており、数秒から数十秒で、凹み等の三次元的欠陥の検査を行うことが可能である。
Further, the pattern light projected onto the measurement object X has a periodic intensity distribution along the curved surface shape of the
本発明の三次元表面検査装置および三次元表面検査方法は、自動車やその部品などの計測対象物の表面の凹みや大きな疵などの三次元的欠陥を非接触で検査する装置および方法として有用であり、特に鏡面反射の酷い計測対象物の検査に好適である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The three-dimensional surface inspection apparatus and the three-dimensional surface inspection method of the present invention are useful as an apparatus and method for inspecting three-dimensional defects such as dents and large wrinkles on the surface of measurement objects such as automobiles and parts thereof in a non-contact manner. In particular, it is suitable for inspection of a measurement object having a severe specular reflection.
X 計測対象物
1 線状光源
2 フィルタ膜
3 カメラ装置
4 コンピュータ
5 曲面パターン光投影手段
10 記憶手段
11 投影パターン光制御手段
12 写真撮影手段
13 欠陥検出手段
14 寸法推定手段
15 検査結果表現手段
16 出力手段
Claims (4)
曲面状に配設されて前記計測対象物を覆うフィルタ膜と、
前記フィルタ膜の曲面状に沿って周期的な強度分布を持つ曲面状強度分布のパターン光を投影し、前記フィルタ膜を介して前記計測対象物に投影する曲面パターン光投影手段と、
前記撮影装置により撮影された画像に対し、前記曲面状強度分布を直線状強度分布に変換するデコード処理を行うことで、前記計測対象物の表面の三次元的欠陥を検出する欠陥検出手段と
を含む三次元表面検査装置。 A photographing device for photographing a measurement object;
A filter film disposed in a curved surface and covering the measurement object;
A curved surface pattern light projection means for projecting a pattern light of a curved surface intensity distribution having a periodic intensity distribution along the curved surface of the filter film, and projecting it onto the measurement object via the filter film;
Defect detection means for detecting a three-dimensional defect on the surface of the measurement object by performing a decoding process for converting the curved surface intensity distribution into a linear intensity distribution on the image photographed by the photographing apparatus. Including 3D surface inspection equipment.
前記フィルタ膜の曲面状に沿って複数本配置された線状光源と、
前記複数本の線状光源を制御して前記フィルタ膜の表面形状に沿って周期的な強度分布を持つ曲面状強度分布のパターン光を構成する投影パターン光制御手段と
を含むものである請求項1記載の三次元表面検査装置。 The curved surface pattern light projection means includes:
A plurality of linear light sources arranged along the curved surface of the filter film;
2. A projection pattern light control means for controlling the plurality of linear light sources to form a curved light intensity distribution pattern light having a periodic intensity distribution along the surface shape of the filter film. 3D surface inspection equipment.
前記計測対象物を撮影装置により撮影し、撮影された画像に対し、前記曲面状強度分布を直線状強度分布に変換するデコード処理を行うことで、前記計測対象物の表面の三次元的欠陥を検出すること
を含む三次元表面検査方法。 A pattern light of a curved surface intensity distribution having a periodic intensity distribution is projected along the curved surface shape of the filter film on a filter film that is arranged in a curved surface and covers the measurement object, and passes through the filter film. Projecting onto the measurement object;
The measurement object is imaged by an imaging device, and a three-dimensional defect on the surface of the measurement object is detected by performing a decoding process on the captured image to convert the curved surface intensity distribution into a linear intensity distribution. A three-dimensional surface inspection method comprising detecting.
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