JP2018162997A - 情報処理装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】画像中において撮像された測定光のピーク位置の検出精度を推定する技術を提供する。【解決手段】情報処理装置２において、画像取得部２３１は、形状計測のための測定光が照射された測定対象物体を撮像して得られた測定画像を取得する。プロファイル取得部２３２は、測定画像において測定光が撮像されている領域の画素値のプロファイルを取得する。重心移動量算出部２３３は、プロファイルにおいて画素値をＮ乗（Ｎは１以上の実数）した場合における画素値の重心位置に対する、Ｍ乗（ＭはＮより大きな実数）した場合における画素値の重心位置の移動量を算出する。出力部２３４は、測定画像においてプロファイルを取得した位置と、重心移動量算出部２３３が算出した移動量とを対応づけて出力する。【選択図】図３

Description

本発明は、情報処理装置及びプログラムに関する。

従来、測定対象物にレーザ光を照射し、測定対象物の表面から反射した光を検出することにより、測定対象物の各部の位置座標等を取得する非接触型の測定技術が知られている（特許文献１）。

特許第５８６９２８１号公報

このような技術においては、レーザ光等の測定光が照射された測定対象物を撮像した画像を解析して測定光の位置を特定し、三角測量の原理を用いて測定対象物の形状を測定する。ここで、一般に測定光は一定の幅を持つ。このため、測定光が照射された測定対象物を撮像した画像において、測定光に対応する領域も一定の幅を持つことになる。

一定の幅を持つ測定光の領域から一つの位置を特定するために、測定光の光量のピーク位置、すなわち、画像における輝度値のピーク位置を特定することが行われる。測定光の位置は測定対象物の形状特定に直結するため、画像中において撮像された測定光のピーク位置の検出精度は、物体形状の測定精度を左右する重要な要素となる。したがって、測定光のピーク位置の検出精度を数値化することができれば、形状測定の精度を特定するための有用な手掛かりとなる。

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、画像中において撮像された測定光のピーク位置の検出精度を推定する技術を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、情報処理装置である。この装置は、形状計測のための測定光が照射された測定対象物体を撮像して得られた画像を取得する画像取得部と、前記画像において前記測定光が撮像されている領域の画素値のプロファイルを取得するプロファイル取得部と、前記プロファイルにおいて前記画素値をＮ乗（Ｎは１以上の実数）した場合における画素値の重心位置に対する、Ｍ乗（ＭはＮより大きな実数）した場合における画素値の重心位置の移動量を算出する重心移動量算出部と、前記画像において前記プロファイルを取得した位置と、前記重心移動量算出部が算出した移動量とを対応づけて出力する出力部と、を備える。

前記プロファイル取得部は、前記画像において前記測定光が撮像されている領域の短手方向を第１の軸、前記測定光の強度を第２の軸とする画素値のプロファイルを取得してもよく、前記重心移動量算出部は、前記第１の軸における座標をｘ座標、ｘ座標における前記画素値をＩ（ｘ）としたとき、前記移動量Ｓを、
で表される式で算出してもよい。

前記出力部は、前記画像において前記プロファイルを取得した位置に前記移動量に応じて異なる画素値を割り当てた画像を出力してもよい。

本発明の第２の態様は、プログラムである。このプログラムは、コンピュータに、形状計測のための測定光が照射された測定対象物体を撮像して得られた画像を取得する機能と、前記画像において前記測定光が撮像されている領域の画素値のプロファイルを取得する機能と、前記プロファイルにおいて前記画素値をＮ乗（Ｎは１以上の実数）した場合における画素値の重心位置に対する、Ｍ乗（ＭはＮより大きな実数）した場合における画素値の重心位置の移動量を算出する機能と、前記画像において前記プロファイルを取得した位置と、算出した前記移動量とを対応づけて出力する機能と、を実現させる。

このプログラムは、計測装置や情報処理装置等のハードウェア資源の基本的な制御を行うために機器に組み込まれるファームウェアの一部として提供されてもよい。このファームウェアは、例えば、機器内のＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュメモリなどの半導体メモリに格納される。このファームウェアを提供するため、あるいはファームウェアの一部をアップデートするために、このプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供されてもよく、また、このプログラムが通信回線で伝送されてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、コンピュータプログラム、データ構造、記録媒体などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、画像中において撮像された測定光のピーク位置の検出精度を推定する技術を提供することができる。

実施の形態に係る計測システムの全体構成を模式的に示す図である。 実施の形態に係る情報処理装置が実行する解析処理を説明するための図である。 実施の形態に係る情報処理装置の機能構成を模式的に示す図である。 実施の形態に係る重心移動量算出部が算出する重心位置の移動量を説明するための図である。 実施の形態に係る出力部が生成した移動量と、比較例に係る歪度との比較を説明するための図である。 実施の形態に係る情報処理装置が実行する情報処理の流れを説明するためのフローチャートである。

＜実施の形態の概要＞
以下図１を参照して、実施の形態の概要を述べる。
図１は、実施の形態に係る計測システムＭＳの全体構成を模式的に示す図である。計測システムＭＳは、計測装置１、情報処理装置２及び表示装置３を含む。

計測装置１は、光学式プローブ１１と台１２とを備える。光学式プローブ１１は、測定対象物Ｗの表面を走査し、測定対象物Ｗの表面の位置座標を測定する。このため計測装置１は、光源１１１と撮像部１１２とを含む。台１２は、計測対象とする測定対象物Ｗを載置して固定するための台である。光学式プローブ１１は台１２に対して平行な方向（図１中矢印Ａで示す方向）に移動自在である。なお、図示はしないが、計測装置１はアーム式三次元測定機であってもよい。この場合、光学式プローブ１１は、台１２に対して平行な方向以外の方向に移動することもできる。

光源１１１は、測定光（例えばラインレーザ）を照射することができる。また撮像部１１２は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等の既知の固体撮像素子である。撮像部１１２は、測定対象物Ｗを被写体に含む画像（以下「測定画像」と記載する。）を撮像する。

光学式プローブ１１は、光源１１１が測定光を台１２に向けて照射している状態で、移動しながら撮像部１１２に測定対象物Ｗを撮像させる。これにより、撮像部１１２は、測定対象物Ｗの表面の各部に測定光が照射されている状態の測定対象物Ｗを被写体に含む測定画像を撮像することができる。

情報処理装置２は、例えばデスクトップＰＣ（Personal Computer）やノートＰＣ、ワークステーション等の計算機である。情報処理装置２は計測装置１と有線又は無線で接続されており、形状計測のための測定光が照射された測定対象物Ｗを撮像して得られた測定画像を計測装置１から取得する。表示装置３は情報処理装置２のモニタであり、情報処理装置２が取得した測定画像や、解析結果を示す画像等を表示することができる。

図１において、実線で示す拡大領域Ｃ１は、計測装置１において測定対象物Ｗ及び撮像部１１２を含むワーク領域Ｃ２の拡大図である。拡大領域Ｃ１において、破線で示す実光路Ｌ１は、測定対象物Ｗが存在する場合における測定光の光路である。一方一点鎖線で示す仮想光路Ｌ２は、測定対象物Ｗが存在しない場合いおける測定光の光路である。

既知の技術であるため詳細な説明は省略するが、拡大領域Ｃ１に示すように、測定光の光路は測定対象物Ｗが存在する場合と存在しない場合とで異なる。結果として、測定対象物Ｗが存在する場合と存在しない場合とでは、測定光が撮像部１１２の画像素子上において結像する位置が異なる。すなわち、測定対象物Ｗの高さＨの情報は、撮像部１１２が撮像した測定画像における測定光の位置のずれＤに変換される。したがって、情報処理装置２は計測装置１が撮像した測定画像を解析することにより、測定対象物Ｗの立体形状を計測することができる。

図２（ａ）―（ｂ）は、実施の形態に係る情報処理装置２が実行する解析処理を説明するための図である。より具体的には、図２（ａ）は計測装置１における撮像部１１２が撮像した測定画像の一例を示す図である。また図２（ｂ）は、撮像部１１２が測定撮像した画像における測定光のプロファイルを示す図である。

図２（ａ）には、光源１１１が測定光としてラインレーザを照射した場合の測定画像を示している。ラインレーザは直線形状の光であるため、測定対象物Ｗが存在しない場合には測定光は測定画像において直線形状となる。しかしながら、台１２上に測定対象物Ｗが載置されている場合、測定対象物Ｗの高さに応じて測定画像における測定光の撮像位置が変化する。図２（ａ）に示す例では、曲面の外形を持つ測定対象物Ｗを計測しているため、測定光Ｉの一部が曲線となって撮像されている。

情報処理装置２は、測定画像における測定光Ｉの位置が、測定対象物Ｗが存在しない場合における撮像位置からどの程度ずれているかを計測することにより、その位置における測定対象物Ｗの高さを測定することができる。しかしながら、光源１１１が照射する光は幅を持つため、何らかの基準に基づいて測定画像における「測定光Ｉの位置」を特定する。具体的には、情報処理装置２は、測定画像において測定光Ｉが撮像されている領域の画素値のプロファイルを取得してその重心位置を解析することにより、測定画像における測定光Ｉの位置を測定する。

図２（ｂ）は、測定画像において測定光Ｉが撮像されている領域の短手方向を横軸、測定光Ｉの相対強度を縦軸とするプロファイルを示す図である。より具体的には、図２（ｂ）は、図２（ａ）において領域Ｃ３に含まれる測定光Ｉの、線分Ｌ３上の画素値を正規化した場合におけるプロファイルを示す図である。図２（ｂ）に示すように、測定光Ｉのプロファイルは、ピークから離れるほど減衰する正規分布のような形状となっている。

そこで情報処理装置２は、測定画像の各場所において図２（ｂ）に示すような画素値のプロファイルを作成し、プロファイルの重心位置を求める。情報処理装置２は求めた重心位置を、その場所における測定光Ｉの位置とする。これにより、情報処理装置２は測定画像から測定光Ｉの位置を特定することができるため、測定対象物Ｗの立体形状を測定することができる。

ところで、測定光Ｉのプロファイルは厳密には左右対称とならない場合がある。例えば図２（ｂ）に示す例では、図中右側の方がプロファイルのすそ野が広く歪んだ形状となっている。これは、測定対象物の材料や傾斜角等が主な原因である。

実施の形態に係る情報処理装置２は、輝度値をＮ乗（Ｎ≧１）した場合におけるプロファイルの重心位置に対する、輝度値をＭ乗（Ｍ＞Ｎ）した場合におけるプロファイルの重心位置の移動量Ｓを用いて定量化することにより、その位置における測定光Ｉのピーク位置の検出精度を定量化する。これにより、実施の形態に係る情報処理装置２は、測定画像の各部におけるプロファイルの歪みを精度よく定量化することができる。結果として、撮像された測定光のピーク位置の検出精度自体を精度よく推定することができる。
以下、実施の形態に係る情報処理装置２についてより詳細に説明する。

＜情報処理装置２の機能構成＞
図３は、実施の形態に係る情報処理装置２の機能構成を模式的に示す図である。情報処理装置２は、入力インタフェース２１、記憶部２２、及び制御部２３を備える。
入力インタフェース２１は、情報処理装置２が計測装置１等の外部の装置からデータを取得するためのインタフェースである。入力インタフェース２１は、例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）インタフェース、各種記録メディアのリーダ、又はWi-Fi（登録商標）等の通信モジュールによって実現される。

記憶部２２は、基本プログラム等を格納するＲＯＭや、情報処理装置２の作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）、及び画像データやアプリケーションプログラムを格納するＨＤＤ（Hard Disc Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等の大容量記憶装置である。

制御部２３は、情報処理装置２のＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサであり、記憶部２２に記憶されたプログラムを実行することによって画像取得部２３１、プロファイル取得部２３２、重心移動量算出部２３３、及び出力部２３４として機能する。

画像取得部２３１は、形状計測のための測定光Ｉが照射された測定対象物Ｗを撮像して得られた測定画像を、入力インタフェース２１を介して計測装置１から取得する。プロファイル取得部２３２は、測定画像において測定光Ｉが撮像されている領域の画素値のプロファイルを取得する。より具体的には、プロファイル取得部２３２は、測定画像において測定光Ｉが撮像されている領域の短手方向を第１の軸、測定光Ｉの強度を第２の軸とする画素値のプロファイルを取得する。

重心移動量算出部２３３は、プロファイル取得部２３２が取得したプロファイルにおいて、画素値をＮ乗（Ｎは１以上の実数）した場合における画素値の重心位置に対する、Ｍ乗（ＭはＮより大きな実数）した場合における画素値の重心位置の移動量Ｓを算出する。より具体的には、重心移動量算出部２３３は、プロファイル取得部２３２が生成したプロファイルの第１の軸における座標をｘ座標、ｘ座標における画素値をＩ（ｘ）としたとき、移動量Ｓを以下の式（１）を用いて算出する。

図４は、実施の形態に係る重心移動量算出部２３３が算出する重心位置の移動量Ｓを説明するための図である。図４において、実線で示すプロファイルは図２（ｂ）に示すプロファイルと同一である。すなわち、図４において実線及び黒丸で示すプロファイルは、画素値を１乗した場合におけるプロファイルを示す。一方、図４において破線及び白丸で示すプロファイルは、画素値を２乗した場合におけるプロファイルを示す。

また図４において、実線の縦線は画素値を１乗した場合における重心位置を示し、破線の縦線は画素値を２乗した場合における重心位置を示す。図４に示す例では、画素値の重心位置は図中左側にＳだけ移動したことになる。重心移動量算出部２３３は、便宜上、図４における左側を「マイナス方向」、右側を「プラス方向」と規定する。したがって、図４に示す例では、重心移動量算出部２３３は重心の移動量として「−Ｓ」を出力する。

ここで、測定画像の画素値は測定対象物Ｗの表面における測定光Ｉの強度（Intensity）に対応し、０以上の値を持つ。したがって、Ｍが１より大きな数である場合、画素値をＭ乗することは、画素値が大きいほどより強調されることになる。言い換えると、画素値をＭ乗することは、プロファイルにおいて小さな画素値の影響を弱めることになる。

図４に示すように、画素値が２乗されたプロファイルは、元のプロファイルよりもすそ野に存在する画素の値が相対的に小さくなっている。これは画素値が２乗されたプロファイルは、元のプロファイルよりも対称な形に近づいていることを示唆している。

当然ながら、元のプロファイルが対称な形であっても画素値を累乗することによって小さな画素値の影響が弱まることになる。しかしながら、元のプロファイルが対称な形である場合には、画素値を累乗した後のプロファイルも対称である。重心移動量算出部２３３が式（１）に基づいて移動量Ｓを算出する場合、元のプロファイルが対象である場合にはその値は０となる。つまり、式（１）は、算出対象とするプロファイルの形状が対称からずれているほど、すなわち歪んでいるほど、移動量Ｓの値は０から離れる。ゆえに、式（１）はプロファイルの対称性を定量化するために用いることができる。

そこで、出力部２３４は、測定画像においてプロファイルを取得した位置と、重心移動量算出部２３３が算出した移動量Ｓとを対応づけて出力する。より具体的には、出力部２３４は、測定画像においてプロファイルを取得した位置に、移動量Ｓに応じて異なる画素値を割り当てた画像を出力する。出力部２３４が出力する画像は、測定対象物Ｗの各位置における測定の信頼度を示す、いわば「信頼度マップ」ということができる。情報処理装置２の使用者は、信頼度マップを見ることにより、測定対象物Ｗの形状測定の信頼度を一見して把握することができる。なお、信頼度マップの具体例は後述する。

＜比較例＞
ここで、プロファイルの対称性を示す量として、従来「歪度」が知られている。歪度ｓは、以下の式（２）で与えられる。
式（２）において、ｘ_ａｖｇ及びσは、それぞれプロファイルの重心及び標準偏差を示す。式（２）に示す歪度ｓも、式（１）に示す移動量Ｓと同様に、プロファイルの形状が対称の場合０であり、プロファイルの形状が対象からずれるほど０から離れる値を出力することが知られている。

式（２）に示すように、歪度ｓの定義式には（ｘ−ｘ_ａｖｇ）^３という項がある。この項は、プロファイルにおいて重心から離れた個所ほど、歪度ｓの算出時の寄与度が３乗に比例して大きくなることを示している。すなわち、プロファイルのすそ野部分の寄与度が、重心位置よりも大きくなることを示している。この結果、歪度ｓはプロファイルの重心から離れた位置に対応する画素のわずかなノイズを大きく増大させ、その算出値の安定性を低下させる。結果として、歪度ｓはピーク位置検出における信頼度評価の指標としては、信号ノイズ比が悪くなる傾向にある。

図５（ａ）―（ｂ）は、実施の形態に係る出力部２３４が生成した移動量Ｓと、比較例に係る歪度ｓとの比較を説明するための図である。具体的には、図５（ａ）は、測定対象物Ｗとして校正用の球を測定した場合における、出力部２３４が出力した信頼度マップである。測定対象物Ｗが球であるため、出力部２３４が出力した信頼度マップも略円形となっている。

図５（ａ）において、画素値の大きな領域（すなわち白色に近い領域）は、移動量Ｓが小さく信頼度の高い領域であることを示している。反対に、画素値の小さな領域（すなわち黒色に近い領域）は、移動量Ｓが大きく信頼度が低い領域であることを示している。図５（ａ）は、測定対象物Ｗである球の端部で移動量Ｓが大きくなっており、この部分ではピーク波形の歪みが大きくなっていることを示している。一方で、球の端部以外の領域では一様に信頼度が高くなっている。測定対象物Ｗは校正用の球であるため、図５（ａ）において多くの領域において信頼度が高いという結果は妥当である。

図５（ｂ）は、測定対象物Ｗとして図５（ａ）と同じ校正用の球を測定した場合における、歪度ｓを用いた信頼度マップを示す図である。図５（ｂ）に示す例は、図５（ａ）に示す例と比較して、画像中の各領域における信頼度の指標値のばらつきが大きい。これは、実施の形態に係る重心移動量算出部２３３が算出する移動量Ｓに基づく信頼度マップは、従来知られている歪度ｓを用いた信頼度マップよりも、算出した信頼度自体の信頼性が高いことを示している。

このように、実施の形態に係る出力部２３４は式（１）に基づいてプロファイルの重心の移動量を算出するため、測定対象物Ｗの計測の信頼性を精度よく定量化することができる。

＜情報処理装置２の処理フロー＞
図６は、実施の形態に係る情報処理装置２が実行する情報処理の流れを説明するためのフローチャートである。本フローチャートにおける処理は、例えば情報処理装置２の電源が投入されたときに開始する。

画像取得部２３１は、形状計測のための測定光Ｉが照射された測定対象物Ｗを撮像して得られた測定画像を取得する（Ｓ２）。プロファイル取得部２３２は、測定画像において解析対象とする領域を選択する（Ｓ４）。プロファイル取得部２３２は、測定画像において測定光Ｉが撮像されている領域の短手方向を第１の軸、測定光Ｉの強度を第２の軸とする画素値のプロファイルを取得する（Ｓ６）。

重心移動量算出部２３３は、取得したプロファイルにおいて画素値をＮ乗（Ｎは１以上の実数）した場合における画素値の重心位置に対する、Ｍ乗（ＭはＮより大きな実数）した場合における画素値の重心位置の移動量を算出する（Ｓ８）。

プロファイル取得部２３２が測定画像中の全ての領域を選択するまでの間（Ｓ１０のＮｏ）、情報処理装置２の記憶部２２はステップＳ４に戻って上述の術の処理を継続する。プロファイル取得部２３２が測定画像中の全ての領域を選択すると（Ｓ１０のＹｅｓ）、出力部２３４は、測定画像においてプロファイルを取得した位置に移動量Ｓに応じて異なる画素値を割り当てた信頼度マップを示す画像を出力する（Ｓ１２）。

出力部２３４が信頼度マップを示す画像を出力すると、本フローチャートにおける処理は終了する。

以上説明したように、実施の形態に係る情報処理装置２によれば、測定画像中において撮像された測定光Ｉのピーク位置の検出精度を推定する技術を提供することができる。

特に、情報処理装置２は、測定画像において測定光Ｉが撮像されている領域の画素値のプロファイルをまず算出する。情報処理装置２はそのプロファイルにおいて画素値をＮ乗（Ｎは１以上の実数）した場合における画素値の重心位置に対する、Ｍ乗（ＭはＮより大きな実数）した場合における画素値の重心位置の移動量Ｓを算出する。この移動量ＳをＩのピーク位置の検出精度を示す指標とすることにより、情報処理装置２は従来知られた歪度を用いた指標よりも信頼性の高い指標を得ることができる。

また、情報処理装置２は測定画像においてプロファイルを取得した位置に移動量Ｓに応じて異なる画素値を割り当てた画像を出力することにより、情報処理装置２の使用者は一見して測定対象物Ｗの各部における測定精度の信頼性を把握することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

＜変形例＞
上記では、計測装置１と情報処理装置２とが異なる装置である場合について説明した。しかしながら、計測装置１と情報処理装置２とは同じ装置であってもよい。これは例えば計測装置１が情報処理装置２と同等の計算リソースを備えさせることで実現できる。

１・・・計測装置
２・・・情報処理装置
３・・・表示装置
１１・・・光学式プローブ
１１１・・・光源
１１２・・・撮像部
１２・・・台
２１・・・入力インタフェース
２２・・・記憶部
２３・・・制御部
２３１・・・画像取得部
２３２・・・プロファイル取得部
２３３・・・重心移動量算出部
２３４・・・出力部
ＭＳ・・・計測システム

Claims (4)

1. 形状計測のための測定光が照射された測定対象物体を撮像して得られた画像を取得する画像取得部と、
   前記画像において前記測定光が撮像されている領域の画素値のプロファイルを取得するプロファイル取得部と、
   前記プロファイルにおいて前記画素値をＮ乗（Ｎは１以上の実数）した場合における画素値の重心位置に対する、Ｍ乗（ＭはＮより大きな実数）した場合における画素値の重心位置の移動量を算出する重心移動量算出部と、
   前記画像において前記プロファイルを取得した位置と、前記重心移動量算出部が算出した移動量とを対応づけて出力する出力部と、
   を備える情報処理装置。
2. 前記プロファイル取得部は、前記画像において前記測定光が撮像されている領域の短手方向を第１の軸、前記測定光の強度を第２の軸とする画素値のプロファイルを取得し、
   前記重心移動量算出部は、前記第１の軸における座標をｘ座標、ｘ座標における前記画素値をＩ（ｘ）としたとき、前記移動量Ｓを、
   で表される式で算出する、
   請求項１に記載の情報処理装置。
3. 前記出力部は、前記画像において前記プロファイルを取得した位置に前記移動量に応じて異なる画素値を割り当てた画像を出力する、
   請求項１又は２に記載の情報処理装置。
4. コンピュータに、
   形状計測のための測定光が照射された測定対象物体を撮像して得られた画像を取得する機能と、
   前記画像において前記測定光が撮像されている領域の画素値のプロファイルを取得する機能と、
   前記プロファイルにおいて前記画素値をＮ乗（Ｎは１以上の実数）した場合における画素値の重心位置に対する、Ｍ乗（ＭはＮより大きな実数）した場合における画素値の重心位置の移動量を算出する機能と、
   前記画像において前記プロファイルを取得した位置と、算出した前記移動量とを対応づけて出力する機能と、
   を実現させるプログラム。