JP2020527225A - 測定対象の表面を光学測定する方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明は、画像パターンを表示する画像生成装置と、測定対象による反射、散乱又は透過による影響を受けた画像パターンを記録する撮像装置と、を備えて、測定対象の表面を光学測定する方法を実施する装置に関する。
画像パターンは、例えば、照明スクリーンを介して、プロジェクタを介して、又は、ディスプレイモニタを使用してそれぞれ生成又は表示され、調査対象の表面上に投影される。
画像パターンは、調査される表面上での反射、散乱、回折、又は透過による影響を受け、影響を受けた画像パターンが、カメラで記録される。
この影響を受けた画像パターンは、次に、コンピューターで処理され、そこから測定結果が計算される。
既知のパターン特性と、測定対象の表面によって変化又は影響を受けた画像パターンとから、表面特徴に関する結論を導出可能である。
多くの場合、検査される表面特徴は、形状、幾何学形状、欠陥、欠落、又は、表面組織などである。
パターンの表示によく使用されるのは、市販のプロジェクタ(LCDプロジェクタ)又はコンピューター画面又はテレビ画面である。
これらは、主に、消費者向けに設計されており、人間の目で見るのに適するように設計されている。
人間の目は、モニタの多くの客観的誤差を無意識に補正し、正しい画像表現を作成している。
一方、カメラは、グレートーンや色を検出するため、例えば、モニタの客観的な誤差も、結果の画像に含まれる。
画像処理のダウンストリームアルゴリズムでは、これらの変化により、誤った測定結果を出すアーチファクトに繋がる場合がある。
さらに、これらの変化により、測定を不能にする可能性のある、画像又は画像セクションの露光過多又は露光不足が発生する可能性がある。
問題の1つは、プロジェクタとモニタとが、カメラではなく、人間の目に適するように設計されていることである。
人間の目は、約0.3から約0.5のガンマ値を持つ一方、モニタのガンマ値は、それぞれ約2.2(Windows)と約1.8(Mac)である。
画像処理用のカメラには、通常、ガンマ値=1の線形ガンマ補正がなされている。
これにより、結果画像の輝度の値が非線形になり、正確な測定に使用できなくなる。
これにより、モニタは、画面の隅部よりも画面の中央部で明るくなることが多く、カメラの視線がモニタに入射する場所に応じて、画像の輝度が変化する。
しかし、表面検査を行う際、モニタは、調査対象の表面を介することで間接的に観測するだけであるので、斜めからの観測が、必要になることがしばしばある(例えば、反射面に対するディフレクトメトリでは、入射角=反射角が適用される)。
これにより、観測角度に応じた輝度変化が引き起こされる。
これにより、ある画像パターンから次の画像パターンに変更するときに、全体的な輝度(表面の輝度)が変化し、カメラに記録される輝度も変化する。
この場合、過変調しないようにカメラを調整する必要がある。
さらなる不利益とは、画像パターンの変化により、画像内の輝度が変化し、画像処理のアーチファクト(「太陽の位置」)につながる場合があることである。
この方法は、補正関数を用いることで、前記撮像装置が記録した、前記影響を受けた画像パターンが、実質的に一定及び/又は均質及び/又は線形の輝度を、時間的及び/又は場所的に示すように、前記画像生成装置を適合させ、したがって、前記表示された画像パターンを適合させることを特徴とする。
特に、補正関数が、画像生成装置によって表示又は示される画像パターンを適合させるために用いられる。
これにより、後続の画像処理ステップでアーチファクトを防止又は少なくとも減らすことができる。
「影響を受けた画像パターン」とは、測定対象による反射、散乱、回折、又は透過による変化又は影響を受けた画像パターンである。
この場合、画像生成装置には、撮像装置に適さない事前設定がしばしばなされている。
例えば、人間の目では、暗から明までの輝度がほぼ線形に増加するように、工場出荷時に輝度が調整されている。
いわゆる、ガンマ補正によって、より高いガンマ値を設定することで人間の目のガンマ値(0.3から0.5の範囲)を画像生成装置で強く補うことにより、線形の輝度の印象が生まれる。
それにもかかわらず、例えば、カメラなどの撮像装置は、画像処理に対してほぼ線形の応答動作(ガンマ値=1)をするように既に設定されているため、撮像装置によって記録される画像パターンの輝度は、非線形になる。
グレートーンに基づいて計算する場合、例えば、非線形になることを考慮せずに平均化すると、誤った結果になる。
画像生成装置のガンマ補正又はガンマ値を、撮像装置のガンマ補正又はガンマ値に適合させることにより、グレートーンが、正しく変化する。
画像生成装置、特に、モニタでは、様々な種類の背景照明を使用する。
全面LEDパネル、冷陰極エミッタ又はLED又はエッジ(エッジ型LED)である。
光は、プラスチック製の光伝導パネルを用いることで、モニタ領域全体に可能な限り均一に分散される。
ただし、分散は、理想的ではなく、輝度が高い領域と低い領域とが存在する。
輝度のこの差は、測定可能であり、そこから補正関数を決定してもよい。
画像生成装置、特に、モニタは、正面から中央を観察するように設計されている。
したがって、輝度は、前方に向けての放射に対応して分布している。
測定の用途において、画像生成装置と、測定対象と、撮像装置とが、3次元で三角配置されることで、斜め方向からの視線もあり得るため、この設計基準は、しばしば満たされない。
したがって、撮像装置が取得する輝度の印象は、観測方向にも依存している。
画像生成装置、測定対象、及び画像撮像装置の配置が既知の場合、輝度は、(変化する可能性さえある)幾何学的配置に合わせて、補正関数を用いて適合されてもよい。
言い換えると、補正関数は、画像の内容に応じて個々の画像の輝度を補正可能である。
明るい画像(パターン内の白い部分が多い画像、例えば、白いブロックが多い、又は画像内で最大値と最小値が変化する正弦パターンを有する、グレイコード)の場合、連続する画像が同じ全体的な輝度になるように、グレートーンを補正できる。
例えば、正弦波の画像パターンを変更することで全体的な輝度を少なくともほぼ同じに維持するように、正弦波の画像パターンの幅をモニタの幅に合わせることができる。
例えば、ルックアップテーブルを補正関数として用いてもよい。
このようなテーブルを用いると、入力値が出力値にマッピングされるため、入力に応じて補正された出力値が生成される。
さらに、補正関数は、画像生成装置の物理的特性に依存してもよい。
例えば、モニタの内部ガンマ値は、ファームウェア内のルックアップテーブル(LUT)によって実現される。
ファームウェアは、輝度を所望の印象にするために、LUTからの値を使用してコンピューターで信号が計算されるように、モニタ上にグレー値を表示する。
例えば、補正関数は、モニタファームウェア内に、補正されたLUTとして実施され、グレートーンを線形に変化させる。
したがって、例えば、画像生成装置の中央部の輝度は、位置依存性の補正関数、例えば、補正多項式又はn次の多項式を介して低減されてもよい。
したがって、この場合、補正関数は、数学関数である。
画像生成装置により表示される画像は、画像パターン表示が画像生成装置、例えば、モニタの表面全体に均一な分布を有するように、縁に沿って明るく、中央で暗くしてもよい。
数学関数は、空間的及び/又は時間的に変化可能な関数であってもよい。
空間関数を使用すると、例えば、画像生成装置上に表示される画像内の輝度の差を1方向又は2方向、つまり、1次元又は2次元(フラット)に変化可能である。
時間的に変化する関数を用いると、連続する画像の輝度変化を適合させることができる。
前記補正関数が、1軸又は2軸で空間的に作用する、及び/又は、時間的に変化可能である。
したがって、画像パターンを表示する画像生成装置と、前記測定対象による反射、散乱、回折及び/又は透過による影響を受けた前記画像パターンを記録する撮像装置と、を備える、請求項1乃至請求項11のいずれか一項に記載の方法を実施する装置であって、前記撮像装置が記録した、前記影響を受けた画像パターンが、少なくとも本質的に一定及び/又は均質及び/又は線形の輝度を時間的及び/又は場所的に示すように、補正関数を介して前記描かれた画像パターンを適合させる補正ユニットを、前記画像生成装置が有することを特徴とする。
これらの特徴と装置の請求項に関する特徴との組み合わせは、可能であるだけでなく、有利であり、明らかに本開示の一部である。
一方では、請求項1に続く請求項を参照し、他方では、図面による本発明の実施形態の以下の説明を参照されたい。
図面による本発明の実施形態の説明と併せて、一般的に、実施形態及び教示のさらなる発展についての説明がなされる。
この装置は、画像生成装置1、例えば、モニタを含む。
画像生成装置1は、測定対象2上に投影される画像パターンを描く。
例えば、測定対象2は、表面が光学測定される、塗装された自動車であってもよい。
さらに、装置は、図1に視線7が示されている撮像装置3(特にカメラ)を含む。
撮像装置3は、測定対象2上で反射、散乱、回折及び/又は透過による影響を受けた画像パターンを記録する。
測定対象2上に投影される画像パターンを最適化する画像生成装置1は、補正ユニット4を含む。
撮像装置3として機能するカメラのピクセルごとに、描かれた正弦パターンの振幅及び位相位置が、影響を受けて記録された画像パターンから計算される。
記録された画像パターン内の正弦波の振幅が顕著であればあるほど、計算結果は、より安定し、信号の定義が弱いと、測定ノイズが増加する。
しかし、カメラ3のダイナミックレンジを超えないように、記録パラメータを選択する必要がある。
カメラ3は、通常、0から255の範囲のグレートーンを提供し、測定表面内において、255の値を超えてはならない。
このような過飽和が起こると、正弦波の上部欠落につながるため、その位相位置を明確に決定できなくなる。
実際には、これは、次の理由により不可能である。
むしろ、結果は、より低いグレー値になり、これは、モニタ1の輝度の放射量の2次元の平均からなる。
したがって、装置をセットアップする際に、対応するフリーギャップを上方に常に残すように注意する必要がある。
個々の位置で車両の形状が変化することも、記録された画像パターンの強度に影響を与えるため、適宜考慮する必要がある。
この例では、記録パラメータが正しく設定されている。
それにもかかわらず、記録された画像パターンの個々の領域の正弦パターンのコントラストに差異があることが、はっきりと視認できる。
第1領域5は、次の特性を有する記録された画像パターンの、最も明るい領域を示す。
つまり、すべてのグレートーンが、200未満であり、つまり、255の上限までの充分なギャップがある。
つまり、正弦は、70のグレートーン振幅で表され、これは、充分である。
これにより、計算された曲率図にノイズが発生する。
図3は、図2でマークされた第2領域6とともに、図2のドア部分の曲率図を示している。
輝度が、この位置において、領域の残りの部分と比較して著しく低下している。
均一に塗装されており、どこでも同じように反射している。
むしろ、以下の要因が主に考慮されるべきである。
図2の画像を記録するために、モニタ1のすべてのピクセルの正弦パターンが、0から255のグレートーンの最大有効振幅で示されている。
しかし、既に述べたように、記録には、130から200の間のグレートーンのみが含まれている。
これは、とりわけ、表面の拡散反射によっても引き起こされ、このことが、ゼロに近い又はゼロに等しいグレートーンである、完全な黒が存在しない理由である。
したがって、本発明によれば、記録を改善するために、正弦値に補正値を乗じて、場所により変化するモニタ1の輝度を均一化する。
最も暗い、0から255の全範囲を使用する必要があり、つまり、係数は、1である。
最も明るい(例えば、隅部より100%明るい)、
正弦値に係数0.5を乗ずる、
0から127の間の範囲が使用される。
図4は、モニタ1上の位置に対するモニタ1のグレートーンを示している。
幅8が1900ピクセル、高さ9が1080ピクセルのモニタ1が示されている。
図4のz軸10は、110から230の範囲で存在しているグレートーン11を示している。
モニタ1は、中央部で最も明るい一方、輝度は、隅部に向かって急激に低下している。
この補正多項式により、必要な係数を各ピクセルに対して計算することができる。
補正領域の式は、使用する個々のモニタ1の種類に依存する。
両方向に明確な対称性を有する、4次までの多項式が、実際の用途で有利であることが、証明されている。
この補正の目的で、モニタ1上に表示される画像パターンのグレートーンが乗算される。
通常、理想的な正弦波が描かれる。
補正後の結果は、図7に示すような補正されたグレートーンを有する、モニタ1の表面全体で適合された正弦波13である。
中央部の最大輝度は、隅部と比較して低下している。
その結果、モニタ1の表面全体にわたる、画像パターンの輝度分布が均一になる。
モニタ1の角度依存性の輝度放射によって生じる追加効果を、輝度分布を過剰補正することで、減少させてもよい。
つまり、中央部が隅部と同じ輝度で描かれるように係数を決定するのではなく、隅部を中央部より意図的に明るく表示してもよい。
これは、隅部の輝度低下が約25%しかない、より最近の設計のモニタ1で実施可能である。
分析された例では、露光時間を再び増やすことさえ可能である。
これにより、第2領域6でも、測定値の均一な、ノイズのない、又は完全な分布が生じる。
そのために、カメラ3が測定対象2の反射面を観測する方位角と極角を補正関数として利用することが可能であろう。
これに必要な正弦、余弦(又は正接のそれぞれ)の三角関数の代わりに、モニタ1の幅又は高さのそれぞれのみに依存する線形関数を、最初の近似の補正関数として使用可能である。
例えば、LUTを使用するなど、さらなる補正関数も同じ態様で可能である。
この目的のために、例えば、4つの画像(Ik、ここでk=1..4)が記録され、各ストリップは、等距離の位相長さψk(位相シフト90°)を有する。
これらの画像(Ik(x、y))から次の画像を計算できる:
いわゆる「勾配画像」は、例えば、へこみ、こぶ、塗料垂れなどの複数の表面欠陥を評価するのに適している。
微分することで、「勾配画像」は、「曲率図」に変更され、「曲率図」では、定義されたエッジを有する特に小規模な幾何学的欠陥が明確に視認可能である。
この例として、空洞、斑点、欠け、傷が挙げられる。
この表現により、マット領域に関する重要な情報、例えば、汚れ、傷、コーティングの欠陥などが提供される。
この例では、モニタ1の幅は、正弦波の進行量の整数倍であり、これにより、モニタ1の全幅にわたる輝度の平均値(図9で+/−1に正規化)が、正確にゼロになる。
この例では、モニタ1の幅は、正弦波の進行量の整数倍ではなく、モニタ1の幅全体にわたる輝度の平均値がゼロに等しくならない。
光の反射部分(本質的には、当初の正弦パターン)は、拡散散乱部分(本質的には、表示さたパターンの平均輝度)にわたって付加的に重ねられる。
正弦波強度分布の各位相は、90°オフセットされ、これは、位相計測ディフレクトメトリを用いる場合に当てはまる。
ここで、位相シフトの原理により、個々の記録は、正弦波の進行量の異なる部分を描いている。
図10に示す効果により、まず、モニタの幅全体での個々の正弦パターンの平均輝度表示が変化していることが導かれる。
そして、反射の拡散部分と重ね合わさると、各画像パターンの平均輝度が、オフセットされる。
こうすることで、結果として得られる変調画像(方程式3)又は振幅画像(方程式4)にそれぞれ輝度の変化が生じる。
適合された正弦波表現では、変調画像又は振幅画像はそれぞれ一定の輝度を示す。
方程式3と方程式4は、それぞれ4つの画像の強度I1からI4を含む。
それぞれが、90°位相シフトされ、幅に適合した4つの正弦波を足し合わせると、モニタ1の値は、(幅全体で)一定になるであろう。
これは、図12と図13に破線で示されている。
しかし、適合されていないと、正弦波ベースの変調(変調画像の場合は、図12、振幅画像の場合は、図13)が発生する。
この変調は、好ましくない正弦パターンを選択することで生じ、測定表面の拡散散乱部分と合わさって、得られる測定データの誤った解釈につながる。
上記の説明は、モニタ1の高さにも等しく適用される。
モニタ1上の輝度表示に対して適切に選択された補正関数(長い破線)を使用すると、結果画像(短い破線)の輝度の線形に関する印象を調整できる。
2・・・測定対象
3・・・撮像装置
4・・・補正ユニット
5・・・第1領域
6・・・第2領域
7・・・視線
8・・・幅
9・・・高さ
10・・・z軸
11・・・グレートーン
12・・・ストリップ
13・・・適合された正弦波
Claims (12)
- 測定対象(2)の表面を光学測定する方法であって、
画像生成装置(1)により表示された画像パターンが、前記測定対象(2)上に投影され、前記測定対象(2)による反射、散乱、回折及び/又は透過による影響を受けた前記画像パターンが、撮像装置(3)を用いて記録され、
補正関数を用いることで、前記撮像装置(3)が記録した、前記影響を受けた画像パターンが、少なくとも実質的に一定及び/又は均質及び/又は線形の輝度を、時間的及び/又は場所的に示すように、前記画像生成装置(1)を適合させて前記表示された画像パターンを適合させることを特徴とする、方法。 - 前記補正関数を用いることで、前記画像生成装置(1)のガンマ補正を、前記撮像装置(3)のガンマ補正に適合させることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記画像生成装置(1)の不均質な輝度分布が、前記補正関数を用いることで補正されることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の方法。
- 前記画像生成装置(1)により表示された前記画像パターンの、斜方視線(7)によって生じる不均質が、前記補正関数を用いることで補正されることを特徴とする、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の連続的に表示された画像パターンのそれぞれが少なくとも本質的に同じ全体的な輝度を有するように、一連の複数の連続的に表示された画像パターンのグレートーン分布及び/又は色分布が、前記補正関数を用いることで適合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方法。
- 前記表示された画像パターンの幾何学的配置を、前記補正関数を用いることで前記画像生成装置(1)に適合させることを特徴とする、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の方法。
- ルックアップテーブルが、前記補正関数として用いられることを特徴とする、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の方法。
- 任意の数学関数が、前記補正関数として用いられることを特徴とする、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の方法。
- 線形関数が、前記補正関数に重ねられることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
- 前記補正関数が、1軸又は2軸で空間的に作用する、及び/又は、時間的に変化することを特徴とする、請求項6乃至請求項9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記画像生成装置(1)が、プロジェクタ及び/若しくはモニタ及び/若しくはスクリーンを備え、
前記撮像装置(3)が、カメラを備えていることを特徴とする、請求項1乃至請求項10のいずれか一項に記載の方法。 - 画像パターンを表示する画像生成装置(1)と、前記測定対象(2)による反射、散乱、回折及び/又は透過による影響を受けた前記画像パターンを記録する撮像装置(3)と、を備えている、請求項1乃至請求項11のいずれか一項に記載の方法を実施する装置であって、
前記撮像装置(3)が記録した、前記影響を受けた画像パターンが、少なくとも本質的に一定及び/又は均質及び/又は線形の輝度を時間的及び/又は場所的に示すように、前記補正関数を介して前記表示された画像パターンを適合させる補正ユニット(4)を、前記画像生成装置(1)が有していることを特徴とする、装置。
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