JP2017116404A - 形状認識装置、及び形状認識方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象となる物体の表面に現れている歪みをより正確に認識することのできる形状認識装置及び形状認識方法を提供する。【解決手段】本発明に係る形状認識装置Ｃは、詳細形状データ生成手段１６と、ベース形状データ生成手段１５と、歪値取得手段２０とを備えると共に、物体Ｔの３次元設計データ中の所定領域の形状がベース形状データと同程度に反映された複数の曲率を、製品形状データとして取得する製品形状データ生成手段１７と、３次元データ中の同一領域におけるベース形状データの曲率と製品形状データの曲率とを比較し、曲率の正負が異なる領域については、ベース形状データにおける曲率の値を修正する曲率修正手段１９とをさらに備える。【選択図】図２

Description

本発明は、対象となる物体の表面形状を表す３次元データから、その物体の表面形状の認識を行う形状認識装置及び形状認識方法に関する。

例えば車両のボディやドアパネル等のプレス加工品においては、その表面品質の向上がしばしば問題となっている。すなわち、プレス加工品の形状が大きく変化する部位の周辺には、本来あるべき面形状（設計形状）から大きくかけ離れた比較的小さな凹凸（窪みや突出部）が現れることがある。これら凹凸のように製品面の曲率が急激に変化する部分は、設計された曲面と比較して全体的に湾曲するように歪んでいる部分と比べて、視覚的に歪みと感じることが多い。以上の理由より、これら凹凸を含む製品面上の歪み（面歪みとも呼ばれる）は、生産準備段階での不具合の中でも比較的大きなウェイトを占めるものであり、なるべく初期の段階でこの種の不具合を解消する必要がある。

この問題に関し、本出願人は、特許文献１において、この種の歪みを客観的に評価することのできる手法を提案している。この文献に記載の形状認識装置は、対象となる物体の表面形状を表す３次元データから、物体の表面形状の認識を行う形状認識装置であって、３次元データ中の所定領域の形状が詳細に反映された複数の曲率を、詳細形状データとして取得する詳細形状データ生成手段と、３次元データ中の所定領域の形状が詳細形状データよりも粗く反映された複数の曲率を、ベース形状データとして取得するベース形状データ生成手段と、３次元データ中の同一領域における詳細形状データの曲率とベース形状データの曲率とに基づいて歪値を取得する歪値取得手段とを備えるものである。

特開２０１０−２１０５７６号公報

特許文献１に記載の形状認識装置によれば、対象となる物体のベースとなる形状を基準とした歪値を評価することができるので、視覚的に歪みと感じやすい凹凸を客観的に認識することが可能となる。

一方で、上述の如き構成の形状認識装置を用いた方法では、場合によっては、本来あるべき面歪みが的確に評価されないケースがあることが判明した。すなわち、上述の形状認識装置は、形状が詳細に反映された詳細形状データの曲率と、形状が詳細形状データよりも粗く反映されたベース形状データの曲率とに基づいて、具体的には双方の曲率の比較によって、歪値を取得するものである。そのため、仮に本来であれば曲率が正となる（設計データ上では凸形状となる）領域であるのにもかかわらず、詳細形状データの曲率とベース形状データの曲率がそれぞれ負の値を示す場合、特に双方の曲率の差が非常に小さい場合には、歪値が負となり、あるいは零に近い値となることが考えられる。これでは実際に製品面上に大きく現れている歪みを見逃すことにもつながりかねない。

以上の事情に鑑み、本明細書では、対象となる物体の表面に現れている歪みをより正確に認識することのできる形状認識装置及び形状認識方法を提供することを、本発明により解決すべき技術的課題とする。

前記課題の解決は、本発明に係る形状認識装置によって達成される。すなわち、この認識装置は、対象となる物体の表面形状を表す３次元データから、当該物体の表面形状の認識を行う形状認識装置であって、３次元データ中の所定領域の形状が詳細に反映された複数の曲率を、詳細形状データとして取得する詳細形状データ生成手段と、３次元データ中の所定領域の形状が詳細形状データよりも粗く反映された複数の曲率を、ベース形状データとして取得するベース形状データ生成手段と、３次元データ中の同一領域における詳細形状データの曲率とベース形状データの曲率とに基づいて歪値を取得する歪値取得手段とを備える形状認識装置において、物体の３次元設計データ中の所定領域の形状がベース形状データと同程度に反映された複数の曲率を、製品形状データとして取得する製品形状データ生成手段と、３次元データ中の同一領域におけるベース形状データの曲率と製品形状データの曲率とを比較し、曲率の正負が異なる領域については、ベース形状データにおける曲率の値を修正する曲率修正手段とをさらに備える点をもって特徴付けられる。

また、前記課題の解決は、本発明に係る形状認識方法によっても達成される。すなわち、この認識方法は、対象となる物体の表面形状を表す３次元データから、物体の表面形状の認識を行う形状認識方法であって、３次元データ中の所定領域の形状が詳細に反映された複数の曲率を、詳細形状データとして取得する詳細形状データ生成ステップと、３次元データ中の所定領域の形状が詳細形状データよりも粗く反映された複数の曲率を、ベース形状データとして取得するベース形状データ生成ステップと、３次元データ中の同一領域における詳細形状データの曲率とベース形状データの曲率とに基づいて歪値を取得する歪値取得ステップとを備える形状認識方法において、物体の３次元設計データ中の所定領域の形状がベース形状データと同程度に反映された複数の曲率を、製品形状データとして取得する製品形状データ生成ステップと、３次元データ中の同一領域におけるベース形状データの曲率と製品形状データの曲率の正負を比較し、正負が異なる領域については、ベース形状データにおける曲率の値を修正する曲率修正ステップとをさらに備える点をもって特徴付けられる。

このように、本発明では、３次元データ中の所定領域の形状が詳細に反映された複数の曲率としての詳細形状データと、３次元データ中の所定領域の形状が詳細形状データよりも粗く反映された複数の曲率としてのベース形状データとに基づき、物体のベースとなる形状を基準とした歪値（面歪み）を取得するに際して、物体の３次元設計データ中の所定領域の形状がベース形状データと同程度に反映された複数の曲率を、製品形状データとして取得すると共に、この製品形状データの曲率とベース形状データの曲率とを比較し、正負が異なる領域については、ベース形状データの曲率の値を修正するようにした。このように物体の３次元設計データに基づいて製品形状データを取得し、この製品形状データの曲率をベース形状データの曲率と比較することで、対象物体の３次元形状の凹凸が明らかに設計段階とは逆になって現れている領域を漏れなく認識することができる。また、その場合に、正負が異なる領域について、ベース形状データの曲率の値を修正することで、対象物体のベースとなる表面形状を実際に近い形に修正して、歪みをより正確に認識することが可能となる。従って、形状認識結果に対する信頼性の向上を図ることが可能となる。

以上のように、本発明によれば、対象となる物体の表面に現れる歪みをより正確に認識することができるので、これまで以上に物体の形状認識結果に対する信頼性を高めることが可能となる。

本発明に係る３次元計測システムの全体構成を示す斜視図である。 本発明に係る３次元計測システムのブロック回路図である。 本発明に係る形状認識装置のブロック回路図である 評価処理ルーチンのフローチャートである。 計測対象と座標系とを示す斜視図である。 計測対象の側面図である。 データ変換処理部における変換形態を示す斜視図である。 切り出された３次元データの点群の高さ値を反映させる際の２種の領域のサイズを示す図である。 切り出しにより取得された３次元データの表面形状を示す図である。 近似曲線により形状曲線の曲率を求める際の処理を模式的に示す図である。 曲率の差から歪値を取得する際の処理を示す図である。 ベース形状データと製品形状データとの関係を示す図である。 ベース形状データの修正態様を説明するための図である。

以下、本発明に係る形状認識装置及び形状認識方法の一実施形態を図面に基づき説明する。

〔システム構成〕
図１及び図２は、本発明に係る３次元計測システムの全体構成を示している。これらの図に示すように、この３次元計測システムは、先端にデジタルカメラを有する撮影ユニットＶを備えた多関節型のロボットハンドＨと、このロボットハンドＨを制御するロボットハンドコントローラＡと、撮影ユニットＶで撮影した計測対象物Ｔの画像データを取得する画像取得ユニットＢと、この画像取得ユニットＢから画像データを取得し物体の表面形状としての歪みを取得する形状認識装置Ｃとを備える。

撮影ユニットＶは、計測対象物Ｔの表面に対し投影レンズ１Ｌを介して格子パターンを投影するパターン投影装置１と、撮影レンズ２Ｌを介して計測対象物Ｔの表面の撮影を行うデジタル型のカメラ２とを備える。ロボットハンドＨは、複数のアーム部３と、夫々のアーム部３を独立して駆動する電動モータ４とを備え、ロボットハンドコントローラＡが予めセットされたプログラムを実行することにより、撮影ユニットＶで計測対象物Ｔを異なる方向から撮影して、計測対象物Ｔの表面全体の撮影を可能とする。画像取得ユニットＢは、撮影ユニットＶで撮影された画像データの格子パターンから計測対象物Ｔの形状を判定し３次元画像を生成する。

ロボットハンドコントローラＡは、コントロールプログラム５に従ってアーム部３を制御するアームコントロール手段６を備える。画像取得ユニットＢはカメラ２から画像データ取得手段７が画像データを取得し、この画像データから３次元画像生成手段８が３次元画像を生成する。画像データから３次元画像を生成する技術は特開２００２−２５７５２８号公報や特開２００４−３１７４９５号公報等に示されるように公知のものを用いており、このような処理を行うことにより、計測対象物Ｔの表面形状が３次元座標系で表される点群となる３次元画像が生成される。

形状認識装置Ｃは、ハードの面では、ディスプレイｄ、キーボードｋ、マウスｍ等が接続する汎用コンピュータによって構成され、画像取得ユニットＢから取得した３次元画像から計測対象物Ｔの表面の歪量を抽出して評価を行い、評価結果をディスプレイｄに出力する。

[制御構成]
また、図２及び図３に示すように、形状認識装置Ｃは、ソフトの面では、データ取得手段１１と、データ変換手段１２と、ノイズ除去手段１３と、除外領域設定手段１４と、ベース形状データ生成手段１５と、詳細形状データ生成手段１６と、製品形状データ生成手段１７と、曲率取得手段１８と、曲率修正手段１９と、歪値取得手段としての形状評価手段２０と、評価画像生成手段２１と、測定対象形状取得手段２２とを備える。

これら、データ取得手段１１、データ変換手段１２、ノイズ除去手段１３、除外領域設定手段１４、ベース形状データ生成手段１５、詳細形状データ生成手段１６、製品形状データ生成手段１７、曲率取得手段１８、曲率修正手段１９、形状評価手段２０、評価画像生成手段２１、測定対象形状取得手段２２は形状認識装置Ｃとして機能する汎用コンピュータのストレージ上に展開されるソフトウエアで構成されるものであるが、これらをソフトウエアとロジック等のハードウエアとの組み合わせによって構成してもよく、ロジック等のハードウエアのみによって構成してもよい。

[制御形態]
この制御構成による制御の概要を図４のフローチャートに示す。以下、形状認識装置Ｃの機能を図４に示す制御の流れと併せて説明する。

データ取得手段１１は、通信ケーブルを介して画像取得ユニットＢの３次元画像生成手段８で生成された３次元画像を取得する（＃０１ステップ）。形状認識装置Ｃでは、撮影ユニットＶで撮影された画像から生成された３次元画像だけを処理対象とするのではなく、例えば、ＳＴＬファイル等のデータ構造を有した３次元データを処理対象にすることも可能である。すなわち、計測対象となる物体の３次元表面に対応する点群から直接、ベース形状データ生成手段１５及び詳細形状データ生成手段１６によってベース形状データ及び詳細形状データを算出することも可能である。なお、本実施形態のように計測対象物Ｔが車両のドアパネルである場合、上述したＳＴＬファイル等のデータ構造を有する３次元データには、ＣＡＥなどで解析して得られたプレス加工後の計測対象物Ｔの３次元データが含まれる。

図５及び図６は、計測対象物Ｔ（物体の一例）としてのドアパネルの斜視図及び側面図を示している。ここでは、このドアパネルを車体に備えた姿勢での前後方向をＸ軸方向とし、上下方向をＹ軸方向とし、幅方向をＺとして示している。このドアパネルのパネル部分にはドアハンドル（図示せず）が装着される座面Ｔａと開口Ｔｂとが形成されている。

データ変換手段１２は取得した３次元画像から計測対象物Ｔの表面形状を示す点群（Ｚ座標値・高さ値を示す点の集まり）を設定ピッチのＸ−Ｙ平面上の格子点上の点群に変換することで３次元データを生成する（＃０２ステップ）。つまり、データ取得手段１１で取得した３次元画像の３次元座標系は、ドアパネルの前後方向・上下方向がＸ−Ｙ軸方向と必ずしも一致するものではなく、表面形状を示す高さ値（Ｚ方向での値）を示す点群のピッチが、必ずしもこの形状認識装置Ｃで処理するための適正な値とはならない。

このような理由からデータ変換手段１２は、図７に示すように、計測対象物Ｔとしてのドアパネルの前後方向をＸ軸方向に設定し、上下方向をＹ軸方向に設定し、幅方向（ドアの厚さ方向）をＺ軸方向に設定し、３次元画像データ値から３次元データ値を生成する。なお、データ変換手段１２で生成された３次元データにおける点群とは、計測対象物Ｔの表面に存在する仮想点であり、３次元座標で位置が特定されるものを指す。

このようにして生成される３次元データは、数ｍｍ未満の設定ピッチのＸ−Ｙ平面を基準にして高さ値がＺ座標として表されるデータ構造を有する。この変換を行う際には、データ取得手段１１で取得した点群（同図では３次元画像値として示す）が存在しない領域における高さ値を求める処理が必要となるが、この処理として、例えば、バイリニア法や、ニアレストネイバー法のように隣接する点群の高さ値を反映させた高さ値を補間処理により新たに作り出すことになる。これらの処理が行われることにより、Ｘ−Ｙ平面を基準にしてＺ方向で高さ値が示される単純なデータ構造の３次元データが生成され、結果として、データ量を低減する。また、このデータ変換手段１２ではＳＴＬファイルのようにポリゴンを生成するデータを含むものでは、このデータを取り除く処理を行うことになる。

ノイズ除去手段１３は、３次元データに含まれるノイズを除去する（＃０３ステップ）。この除去では表面形状を示す複数の座標（高さ値）を、所定の領域毎について移動平均をとる処理が行われる。この処理により注目座標における高さ値が周辺の高さ値と比較してかけ離れた値である場合には、周辺の高さ値を反映した値に変換され、結果としてノイズが除去される。なお、このノイズ除去手段１３によるノイズ除去の処理形態は、特開２００７−１２７６１０号公報等に示されるように、表面形状を示す多数の点群の１つを特定点とし、その特定点の座標値（高さ値）と、これに隣接する点の座標値（高さ値）とを比較し、高さ値の差に基づいてスムージングの処理を行う等、移動平均を取る処理以外の処理形態であってもよい。

除外領域設定手段１４は、曲率取得モジュールと、領域設定モジュールとを有し、除外領域設定処理を行う（＃０４ステップ）。曲率取得モジュールは、ノイズが除去された３次元データを取得して曲率取得手段１８に与えることで、この曲率取得手段１８が３次元データから生成した２次元データの点群から算出した計測対象物Ｔの形状を示す曲率を取得する。領域設定モジュールは、曲率が設定値を超える（曲線の半径が小さい）領域を抽出し、この領域や、この領域で取り囲まれる部位をＸ−Ｙ座標系で位置が表される除外領域に設定する（曲率取得手段１８の処理形態は後述する）。

この処理では、曲率取得手段１８によって計測対象物Ｔの表面形状の曲率を算出する処理が必須となるため、できるだけ狭い領域毎の曲率を算出することが望ましい。

この実施形態では曲率に基づいて除外領域を設定しているが、曲率だけではなく、平均的な表面より設定量を超えて突出する部位や、設定量を超えて窪む領域があれば、これらを含む部位、あるいは、これらで取り囲まれる部位を除外領域とするように領域設定モジュールの処理形態を設定してもよい。

本発明の形状認識装置Ｃでは、後述するようにベース形状データ生成手段１５と詳細形状データ生成手段１６、並びに製品形状データ生成手段１７とにおいてノイズが除去された３次元データから３次元データを切り出し、この３次元データの点群から切り出した領域の表面形状が反映される２次元データ構造の表面形状データを生成し、この表面形状データを曲率取得手段１８に与える処理を行う。曲率取得手段１８では与えられた表面形状データの点群から複数の曲率を算出し、ベース形状データ生成手段１５と詳細形状データ生成手段１６、並びに製品データ生成手段１７のそれぞれにフィードバックすることでベース形状データと詳細形状データ、並びに製品形状データとが生成される。

しかしながら、計測対象物Ｔの座面Ｔａのように比較的狭い領域において大きい曲率で形状が変化する部位が存在する場合には、点群の位置と、計測対象物Ｔにおける現実の曲面との位置関係によっては正確な曲率を求めることが出来ないことも多い。このような領域を評価対象の領域に含めた場合には評価の精度低下を招くことから、計測対象物Ｔの表面形状の評価を行う際に精度低下を招く領域を除外するために、除外領域設定手段１４が除外領域を設定する。

ベース形状データ生成手段１５と詳細形状データ生成手段１６、並びに製品形状データ生成手段１７は、３次元データ切り出しモジュールと、除外処理モジュールと、２次元データ化モジュールと、曲率取得モジュールとを有する。

詳細形状データ生成手段１６は、ノイズが除去された３次元データから所定の範囲に設定された幅の３次元データを切り出し、切り出した３次元データの表面形状が反映される２次元データ構造となる単一の表面形状データを生成し、この表面形状データから取得した複数の曲率で表される詳細形状データを生成する（＃０５ステップ）。

具体的な処理としては、３次元データ切り出しモジュールが、設定方向（ここではＹ軸方向）で所定幅の領域の３次元データを切り出し、図８に示すようにＸ軸方向で第１設定間隔Ｄ１（３０ｍｍ程度・第１設定範囲の一例）の範囲に含まれる点群をＺ座標（高さ値）に反映させる処理を行う。この処理では、複数の点群のＺ座標を反映させる領域のサイズとして第１設定間隔Ｄ１が設定され、このサイズの領域を点群のピッチでＸ軸方向に移動させながら、上記領域の移動平均を取る等の処理によりＸ軸方向での点群ピッチと等しいピッチでＺ座標（高さ値）を生成する（＃０５ステップの〈ａ〉）。次に、除外処理モジュールが３次元データのうち除外領域に含まれる点Ｐ（高さ値）が存在する場合には、その点Ｐを除外する（＃０５ステップの〈ｂ〉）。

この後、２次元データ化モジュールが座標変換を行うことにより、３次元データを２次元データ化して表面形状データを得る（＃０５ステップの〈ｃ〉）。そして、曲率取得モジュールが、表面形状データを曲率取得手段１８に与えることで、この曲率取得手段１８から表面形状データの形状に対応した複数の曲率を取得し、複数の曲率で成る詳細形状データを生成する（＃０５ステップの〈ｄ〉）。

ベース形状データ生成手段１５は、詳細形状データ生成手段１６と同様にノイズが除去された３次元データから所定の範囲に設定された幅の３次元データを切り出し、切り出した３次元データの表面形状が反映される２次元データ構造となる単一の表面形状データを生成し、この表面形状データから取得した複数の曲率で表されるベース形状データを生成する（＃０６ステップ）。

具体的な処理としては、３次元データ切り出しモジュールが、設定方向（Ｙ軸方向）で所定幅の領域の３次元データを切り出し、図８に示すようにＸ軸方向で第２設定間隔Ｄ２（第１設定間隔Ｄ１の２倍〜１０倍程度・第２設定範囲の一例）の範囲に含まれる点群をＺ座標（高さ値）に反映する処理を行う。この処理では、複数の点群のＺ座標を反映させる領域のサイズとして第２設定間隔Ｄ２が設定され、このサイズの領域を点群のピッチでＸ軸方向に移動させながら、上記領域の移動平均を取る等の処理によりＸ軸方向での点群ピッチと等しいピッチでＺ座標（高さ値）を生成する（＃０６ステップの〈ａ〉）。次に、除外処理モジュールが３次元データのうち除外領域に含まれる点Ｐ（高さ値）が存在する場合には、その点Ｐを除外する（＃０６ステップの〈ｂ〉）。

この後、２次元データ化モジュールが座標変換を行うことにより、３次元データを２次元データ化して表面形状データを得る（＃０６ステップの〈ｃ〉）。そして、曲率取得モジュールが、表面形状データを曲率取得手段１８に与えることで、この曲率取得手段１８から複数の曲率を取得し、複数の曲率で成るベース形状データを生成する（＃０６ステップの〈ｄ〉）。

製品形状データ生成手段１７は、計測対象物Ｔの３次元設計データから所定の範囲に設定された幅の３次元データを切り出し、切り出した３次元データの表面形状が反映される２次元データ構造となる単一の表面形状データを生成し、この表面形状データから取得した複数の曲率で表される製品形状データを生成する（＃０７ステップ）。計測対象物Ｔの３次元設計データには、例えば計測対象物Ｔ（ここではドアパネル）自体のＣＡＤデータ、あるいは計測対象物Ｔの成形金型のＣＡＤデータなどが適用可能である。これら３次元設計データは、詳細形状データやベース形状データ用のデータ取得手段１１とは別個のデータ取得手段２３により取得され、必要に応じてデータ変換手段１２、ノイズ除去手段１３、及び除外領域設定手段１４による処理を施した状態で、製品形状データ生成手段１７に与えられる。もちろん、可能であれば、取得した３次元設計データ中の表面形状に対応する点群から直接、製品形状データ生成手段１７による以下の処理演算を施すようにしてもよい。

具体的な処理としては、３次元設計データ切り出しモジュールが、設定方向（Ｙ軸方向）で所定幅の領域の３次元データを切り出し、図８に示すようにＸ軸方向で第２設定間隔Ｄ２（第１設定間隔Ｄ１の２倍〜１０倍程度・第２設定範囲の一例）の範囲に含まれる点群をＺ座標（高さ値）に反映する処理を行う。言い換えると、ベース形状データの取得時と同程度の設定間隔の範囲に含まれる点群をＺ座標（高さ値）に反映する処理を行う。この処理では、複数の点群のＺ座標を反映させる領域のサイズとして第２設定間隔Ｄ２が設定され、このサイズの領域を点群のピッチでＸ軸方向に移動させながら、上記領域の移動平均を取る等の処理によりＸ軸方向での点群ピッチと等しいピッチでＺ座標（高さ値）を生成する（＃０７ステップの〈ａ〉）。次に、除外処理モジュールが３次元データのうち除外領域に含まれる点Ｐ（高さ値）が存在する場合には、その点Ｐを除外する（＃０７ステップの〈ｂ〉）。

この後、２次元データ化モジュールが座標変換を行うことにより、３次元データを２次元データ化して表面形状データを得る（＃０７ステップの〈ｃ〉）。そして、曲率取得モジュールが、表面形状データを曲率取得手段１８に与えることで、この曲率取得手段１８から複数の曲率を取得し、複数の曲率で成る製品形状データを生成する（＃０７ステップの〈ｄ〉）。

このように＃０５ステップ〜＃０７ステップにおいて、除外領域に含まれる点Ｐを除去する処理では、高さ値を「０」にする処理を行うのではなく、高さ値（点Ｐ・点群）が存在しない状態にする。

図５、図６に示すように、計測対象物Ｔの表面形状が湾曲しているものでは、切り出した３次元データの点群が示す高さ値も円弧状を示す。従って、切り出された３次元データについてＹ軸方向の座標値としてＹ１、Ｙ２‥‥Ｙｎを与えた場合には、図９に示す如く、Ｙ１、Ｙ２‥‥Ｙｎに対応する高さ値はＺ軸方向で高さが互いに異なる値となる。

このような理由から、＃０５ステップ〜＃０７ステップの（ｃ）の処理の座標変換として、Ｙ軸方向での複数の点Ｐ毎の法線と、Ｚ軸と平行する基準軸との間の角度θだけ、対応する湾曲中心で回転させて同一の平面上に投影する座標変換により２次元データ構造の表面形状データが生成される。なお、湾曲中心は３次元データにおいて表面形状を示すＹ軸方向での点群（高さ値）の分布が示す形状から点Ｐ毎に算出される。

曲率取得手段１８は、２次曲線適用モジュールと曲率演算モジュールとを有している。＃０５ステップ〜＃０７ステップの（ｄ）の処理において、表面形状データが与えられ、この表面形状データの点群が表す形状曲線に対応する複数の曲率を生成する。この曲率取得手段１８は、２次曲線適用モジュールが点群で表される形状曲線に対応して２次曲線を適用し、この２次曲線から曲率演算モジュールが曲率を演算し、この演算結果を詳細形状データ生成手段１６と、ベース形状データ生成手段１５、並びに製品形状データ生成手段１７にフィードバックすることになる。

曲率取得手段１８の２次曲線適用モジュールは、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示す如く、表面形状データの形状曲線に対応した点群をサンプルポイントＰとし、この複数のサンプルポイントＰのうち、３点以上のサンプルポイントＰを設定する。そして、中央付近を頂点とした点群付近を通過する２次曲線を近似曲線Ｆとして適用し、適用された近似曲線のサンプルポイントＰの中央部での曲率に基づいて曲率を算出する。この近似曲線Ｆは２次曲線であることから、係数の値の増減により複数のサンプルポイントＰと一致する位置又は近似する位置を通過する形状が設定される。また、この２次曲線とは２次微分可能な関数として捉えることが可能である。

なお、２次曲線で成る近似曲線Ｆを設定する場合に、サンプルポイントＰが表す形状曲線が下に凸であると、近似曲線Ｆの係数は正「＋」になり、上に凸であると、係数は負「−」になる。また、サンプルポイントが表す形状曲線が直線に近いものであるほど近似曲線Ｆの係数は「０」に近い値となる。従って、サンプルポイントＰが表す形状曲線が上に凸から下に凸に変化する変曲点においても係数の値が正から負に切り換わるだけで済み、形状曲線が直線に近いものでも無理なく近似曲線Ｆを設定できる。この曲率取得手段１８では、近似曲線Ｆとして２次曲線を用いているが、例えば、３次関数以上の高次関数曲線や、サインカーブや、双曲線等を用いるものであってもよい。

曲率演算モジュールで曲率を求めるには、近似曲線のサンプルポイント中央部（頂点付近）での湾曲の程度から直接的に取得することも可能である。具体例の１つとして近似曲線の湾曲の程度を数値化してテーブルとして保存しておき、湾曲の程度に基づいてテーブルから曲率値を取得する処理が考えられる。また、曲率を求める具体的な処理形態としては、曲率演算モジュールが、センターラインＱを設定し、このセンターラインＱの方向で中央のサンプルポイントＰからの距離と、このセンターラインから直交する方向での近似曲線Ｆまでの距離とが一致する位置と、中央のサンプルポイントＰまでの距離の１／２を中心点Ｓに想定し、この中心点Ｓを中心とし、頂点に内接するものの半径を曲率の半径ｒとし、この半径ｒの逆数を曲率とする演算を行っても良い。このように曲率を求める処理においてセンターラインＱの設定や中心点Ｓの設定は、図１０に示すものに限るものではなく、例えば、センターラインＱを２つのサンプルポイントＰの中間に設定することや、処理に適した任意のものに設定することも可能である。

このような処理からベース形状データと製品形状データは複数の曲率で構成され、詳細形状データも同様に複数の曲率で構成される。

この実施の形態では、除外領域設定手段１４と、ベース形状データ生成手段１５と、詳細形状データ生成手段１６、並びに製品形状データ生成手段１７からの指示によって曲率取得手段１８が曲率の演算を行っているが、これに代えて除外領域設定手段１４と、ベース形状データ生成手段１５と、詳細形状データ生成手段１６、並びに製品形状データ生成手段１７において、曲率取得手段１８と同様の処理を行うモジュールを備え、そのモジュールで曲率を算出する処理を行ってもよい。

詳細形状データとベース形状データ、並びに製品形状データを生成する際には、計測対象物Ｔの全面の形状評価を行うために、３次元データ切り出しモジュール（又は３次元設計データ切り出しモジュール）が切り出し領域をＹ軸方向にシフトしながら＃０５〜＃０７ステップの処理が反復して行われる（＃０８ステップ）。特に、切り出す対象をＹ軸方向にシフトする際には、先に切り出される３次元データ（又は３次元設計データ）と、この後に切り出される３次元データ（又は３次元設計データ）とがＹ軸方向で重複しないように処理形態が採用されているが、Ｙ軸方向で一部重複するように処理形態を設定してもよい。

曲率修正手段１９では、詳細形状データ生成手段１６とベース形状データ生成手段１５、並びに製品形状データ生成手段１７で生成された詳細形状データとベース形状データ、並びに製品形状データのうち、必要に応じて、ベース形状データとしての曲率の値を修正する（＃０９ステップ）。具体的には、３次元データ中の同一領域におけるベース形状データの曲率と製品形状データの曲率とを比較し、曲率の正負が異なる領域については、ベース形状データにおける曲率の値を修正する（詳細は後述する）。そして、修正したベース形状データの曲率と詳細形状データの曲率とを形状評価手段２０で比較して図１１に示すように歪値を取得する（＃１０ステップ）。

形状評価手段２０は、必要に応じて曲率の修正がなされたベース形状データと、詳細形状データとの複数の曲率のうちＸ軸方向で同一の領域における曲率同士を比較して歪値を取得する（＃１０ステップ）。この歪値は曲率の値の差を算出する単純な処理であるが、図１１に示すように、ベース形状データの曲率を基準にし、詳細形状データ曲率との差を歪値として取得する。

〔形状評価手段の異なる処理形態〕
特に、本発明では、歪値を取得する際に、ベース形状データと詳細形状データとの複数の曲率から想定される２種の外形曲線（図示せず）を演算によって生成し、ベース形状データに対応する外形曲線と、詳細形状データに対応する外形曲線との差（オフセット量）から歪値を取得するように形状評価手段２０の処理形態を設定してもよい。この処理形態を採用することにより、ベース形状データを基準にした詳細形状データの凹凸量を実寸に近い値で取得することになる。

以下、図１２及び図１３に基づき、曲率修正手段１９によるベース形状データとしての複数の曲率の修正態様の一例（＃０９ステップの一例）を説明する。

図１２は、Ｘ軸方向における詳細形状データとベース形状データ、並びに製品形状データの曲率を示すグラフである。この図に示すように、例えば位置Ｘ１や位置Ｘ２においては、ベース形状データの曲率と詳細形状データの曲率との差が大きく（歪値ε１，ε２の絶対値が大きく）、また、それぞれの位置でのベース形状データの曲率と製品形状データの曲率との差が小さいことから、これらの位置Ｘ１，Ｘ２において視覚的に大きな歪みの認識がなされることは妥当といえる。これに対して、例えば位置Ｘ３においては、詳細形状データの曲率とベース形状データの曲率との差が小さいため、形状評価手段２０では、この位置Ｘ３における歪値を非常に小さいもの（実質的に問題ないレベルのもの）と判定する可能性が高い。しかしながら、この位置Ｘ３において、ベース形状データの曲率と、製品（計測対象物Ｔ）の設計上の形状データである製品形状データの曲率とを比較すると、双方の曲率が大きく乖離していることがわかる。特に、図示のように、曲率の正負が異なるような剥離が生じている場合には、明らかに問題となる歪みが生じているものと認定するべきであるところ、詳細形状データの曲率とベース形状データの曲率との差が零に近いと、形状評価手段２０では、上述の歪みを実質的にないものとして判定してしまうおそれがある。

そこで、本発明では、曲率修正手段１９を設けて、３次元データ（３次元形状データ及び３次元設計データ）の同一領域におけるベース形状データの曲率と製品形状データの曲率とを比較し、双方の曲率の正負が異なる領域については、ベース形状データの曲率の値を修正する。具体的には、図１３に示すように、Ｘ軸方向の各位置におけるベース形状データの曲率と製品形状データの曲率とを比較し、双方の曲率の正負が異なる場合には、ベース形状データの曲率の値を製品形状データの曲率の値に置き換える。例えば位置Ｘｉにおけるベース形状データの曲率は零であり、製品形状データの曲率は正の値を示していることから、位置Ｘｉにおけるベース形状データの曲率については修正の必要はない。一方、位置Ｘｉ＋１におけるベース形状データの曲率は負の値を示しているのに対し、同位置Ｘｉ＋１における製品形状データの曲率は正の値を示しているので、位置Ｘｉ＋１におけるベース形状データの曲率の値を、同位置Ｘｉ＋１における製品形状データの曲率の値に置き換える（図１３中、一番左側の上向き矢印で示す置き換えを行う。）。同様に、曲率の正負が異なる位置Ｘｉ＋２，Ｘｉ＋３…におけるベース形状データの曲率の値についても、同一位置Ｘｉ＋２，Ｘｉ＋３…における製品形状データの曲率の値に置き換える。このようにして、ベース形状データの曲率の値を修正することで、計測対象物Ｔの３次元表面形状の凹凸が明らかに設計段階とは逆になって現れている領域を漏れなく認識することができる。また、その場合に、正負が異なる領域について、ベース形状データの曲率の値を修正することで、計測対象物Ｔのベースとなる表面形状をより実際に近い形に修正して、歪みをより正確に認識することが可能となる。従って、形状認識結果に対する信頼性の向上を図ることが可能となる。

なお、本実施形態では、ベース形状データの曲率の値を製品形状データの曲率の値に置き換えることで、当該ベース形状データの曲率を修正する場合を例示したが、もちろんこれ以外の手段で修正を行うことも可能である。例えばベース形状データの曲率の値を零にするなど、製品形状データの曲率の値と置き換えるまでとはいかなくとも、製品形状データの曲率との平均値をとる、曲率の値を零にする等して、製品形状データの曲率に近づけるようにしてもよい。

評価画像生成手段２１は、測定対象形状取得手段２２から計測対象物Ｔの外縁を示すアウトラインを示す形状イメージデータを取得し、この形状イメージデータの内部領域に対して同じ歪値を含むエリアを設定し、夫々のエリアに対し、そのエリアに対して歪値に対応した色相・濃度のペイントを行い、このイメージをディスプレイｄに表示する（＃１１ステップ）。

この評価画像生成手段２１の処理が行われることにより、ディスプレイｄには計測対象物Ｔの形状のイメージが表示されると共に、この形状のイメージの内部領域に対して、突出方向の歪みと、窪み方向の歪みとを異なる色相で表示する共に、歪みの量に対応して濃度や色相を異ならせることで、歪みが存在する領域と歪みの方向と歪みの程度とが視覚的に把握できるようになる。

このように、本発明によれば、撮影ユニットＶで取得した３次元データ構造の撮影データから３次元データを生成し、ノイズの除去の後に、この３次元データの所定の領域の形状を粗く反映した曲率群で成るベース形状データを生成すると共に、３次元データの所定の領域の形状を詳細に反映した曲率群で成る詳細形状データを生成する。この後に、生成されたベース形状データと詳細形状データとにおける同一の領域の曲率を比較して歪値を取得するので、例えば、全体的に緩やかな凸状となる表面形状の一部の狭い領域に凹状の歪みが存在する場合でも、この凹状の歪みを的確に検出できるものとなる。また、詳細形状データとベース形状データに加えて、物体の３次元設計データに基づいて、所定領域の形状がベース形状データと同程度に反映された複数の曲率を製品形状データとして取得し、この製品形状データの曲率をベース形状データの曲率と比較するようにしたので、対象物体（計測対象物Ｔ）の３次元表面形状の凹凸が明らかに設計段階とは逆になって現れている領域を漏れなく認識することができる。また、その場合に、正負が異なる領域について、ベース形状データの曲率の値を修正することで、対象物体のベースとなる表面形状をより実際に近い形に修正して、歪みをより正確に認識することが可能となる。従って、形状認識結果に対する信頼性の向上を図ることが可能となる。

また、計測対象物Ｔに歪みが存在する場合には、ディスプレイｄに計測対象物Ｔと同じ形状のイメージを表示し、そのイメージの内部に歪みの分布の領域を表示し、その領域毎に歪みに対応した色相・濃度のペイントを行うので、視覚的に歪みが存在する位置を把握できると同時に、歪みの方向（凸あるいは凹）と、歪みの程度とを視覚的に把握できるものとなる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、もちろん形状認識装置及び形状認識方法は、本発明の範囲内において、他の形態を採ることも可能である。

〔別実施形態〕
本発明では、撮影によって取得した３次元データでも、ＣＡＤデータやＣＡＥデータなどＳＴＬファイル構造の３次元データであっても、取得した３次元データから直接的に詳細形状データとベース形状データ、並びに製品形状データを生成するように処理形態を設定してもよい。具体例を挙げると、詳細形状データ生成手段１６が、計測対象物Ｔの表面形状を示す３次元データの点群の座標のうち、設定方向で所定幅の点群の座標を取得し、この点群から第１設定間隔Ｄ１毎の点群を取得し、この点群の周辺点群から最小自乗法等により近似平面を定義し、この近似平面の原点０を設定する。

次に、この近似平面の法線方向をＺ’軸として、このＺ’軸を含む平面（例えば、Ｚ’−Ｘ’平面）に対して周辺点群の座標が反映する写像（２次元データ）を生成する。この写像に対して近似曲線を適用し、その近似曲線の曲率計算することで原点０を検査点とする詳細形状データの曲率を得る。これと同様に、ベース形状データ生成手段１５が、第２設定間隔Ｄ２毎の点群から原点０を検査点とするベース形状データの曲率を得る。この原理により複数の原点０に基づく詳細形状データとベース形状データの曲率を得ることが可能となり、前述同様の処理により詳細形状データとベース形状データの曲率から歪値を取得し、表示することで歪みを把握することが可能となる。

この別実施形態では、除外領域を除外する処理を説明していないが、ベース形状データ生成手段１５又は詳細形状データ生成手段１６が取得した３次元データにおいて除外領域を設定し、処理対象から除外してもよく、取得した３次元データにノイズが含まれる可能性があるものについては、ベース形状データ生成手段１５又は詳細形状データ生成手段１６が取得した後にノイズの除去を行うように処理形態を設定してもよい。

１５ ベース形状データ生成手段
１６ 詳細形状データ生成手段
１７ 製品形状データ生成手段
１８ 曲率取得手段
１９ 曲率修正手段
２０ 形状評価手段

Claims (2)

1. 対象となる物体の表面形状を表す３次元データから、前記物体の表面形状の認識を行う形状認識装置であって、前記３次元データ中の所定領域の形状が詳細に反映された複数の曲率を、詳細形状データとして取得する詳細形状データ生成手段と、前記３次元データ中の所定領域の形状が前記詳細形状データよりも粗く反映された複数の曲率を、ベース形状データとして取得するベース形状データ生成手段と、前記３次元データ中の同一領域における前記詳細形状データの曲率と前記ベース形状データの曲率とに基づいて歪値を取得する歪値取得手段とを備える形状認識装置において、
   前記物体の３次元設計データ中の所定領域の形状が前記ベース形状データと同程度に反映された複数の曲率を、製品形状データとして取得する製品形状データ生成手段と、
   前記３次元データ中の同一領域における前記ベース形状データの曲率と前記製品形状データの曲率とを比較し、前記曲率の正負が異なる領域については、前記ベース形状データにおける曲率の値を修正する曲率修正手段とをさらに備えることを特徴とする形状認識装置。
2. 対象となる物体の表面形状を表す３次元データから、前記物体の表面形状の認識を行う形状認識方法であって、前記３次元データ中の所定領域の形状が詳細に反映された複数の曲率を、詳細形状データとして取得する詳細形状データ生成ステップと、前記３次元データ中の所定領域の形状が前記詳細形状データよりも粗く反映された複数の曲率を、ベース形状データとして取得するベース形状データ生成ステップと、前記３次元データ中の同一領域における前記詳細形状データの曲率と前記ベース形状データの曲率とに基づいて歪値を取得する歪値取得ステップとを備える形状認識方法において、
   前記物体の３次元設計データ中の所定領域の形状が前記ベース形状データと同程度に反映された複数の曲率を、製品形状データとして取得する製品形状データ生成ステップと、
   前記３次元データ中の同一領域における前記ベース形状データの曲率と前記製品形状データの曲率の正負を比較し、前記正負が異なる領域については、前記ベース形状データにおける曲率の値を修正する曲率修正ステップとをさらに備えることを特徴とする形状認識方法。

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