JP2602588B2 - エッジ情報抽出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の寸法及び座標等
を測定する測定装置において、対象物のモニタ画像等か
ら特定のエッジ情報を抽出するエッジ情報抽出装置に関
し、特に対象とするエッジが直線でも円弧でも区別する
ことなく正確にエッジ情報を抽出できるようにしたエッ
ジ情報抽出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、物体計測の分野では、例えば
被測定物体の顕微鏡像をＴＶカメラで撮像し、これをモ
ニタ画面上に表示させると共に、画面上の数個の点を指
定することにより、上記被測定物の座標、幅、長さ及び
半径等を算出する測定装置が知られている。この種の装
置では、被測定物体の測定すべき幅、長さ等を規定する
画像中のエッジ上の点を指定して測定が行われる。この
ため、モニタ画像上の指定されたエッジの情報を抽出す
るエッジ情報抽出処理が必要になる。このエッジ情報抽
出処理には、例えば画面輝度（濃度）の中間値をスレッ
ショルドレベルとして多値画像データを２値化し、この
前処理でエッジ部分を明瞭化した上でエッジ情報を抽出
する方法がある。ところが、多値画像によっては画像全
体に適用できる適切なスレッショルドレベルを得ること
が難しい。この点を改善するために本発明者等は先に多
値画像中に任意の数のウインドウを設定する方法を提案
した（特願平 2-35799号）。この方法では限られた面積
のウインドウ内で局部的なスレッショルドレベルを設定
することができるため、多値画像全体で複数のスレッシ
ョルドレベルを持つことができ、全体を一つのスレッシ
ョルドレベルで２値化するような曖昧さがない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したウインドウ設
定式のエッジ情報抽出装置では、各ウインドウ内の２値
化データの中から黒白変化点の座標を各画素列毎に求
め、これに直線近似最小自乗法を適用してその算術平均
からウインドウ内の代表的な座標（例えば中点の座標）
を決定している。この方法によると、対象とするエッジ
が直線の一部である場合は誤差が少ないが、円弧の一部
であると実際のエッジ特徴点との間に誤差が生ずる（算
出した座標が実際のエッジ特徴点より円弧の中心方向に
ずれる）。しかしながら、画素単位で考えた場合、ウイ
ンドウ内のエッジが円弧の一部であるのか直線の一部で
あるのかを判定する方法がないため、上記の誤差を余儀
なくされる問題がある。

【０００４】本発明はこの問題点を解決し、対象とする
エッジが直線の一部か円弧の一部かを区別することな
く、簡単な操作で正確なエッジ特徴点（真のエッジ代表
点座標）を抽出できるようにすることを目的としてい
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明では、多値画像を表示する手段と、前記多値画
像中に１つ以上のウィンドウを設定する手段と、この手
段で設定されたウィンドウを前記多値画像に重畳して表
示させる手段と、この多値画像中のウィンドウによって
指示されたエッジ情報を抽出する手段と、前記エッジ情
報に近似直線を当てはめ、この近似直線からウィンドウ
内のエッジ代表点座標を検出する手段であって、水平方
向及び垂直方向の一方を特定方向とし、前記ウィンドウ
の前記特定方向の幅を、前記ウィンドウの特定方向にお
ける中央に対して均等に変えて前記エッジ代表点座標を
少なくとも２回検出する手段と、この手段で得られた複
数のエッジ代表点座標とこれらをそれぞれ検出する基礎
となった前記ウィンドウの前記特定方向の幅とに基づい
て真のエッジ代表点座標を算出する手段とを備えたこと
を特徴とする。

【０００６】

【作用】ウインドウ内のエッジが直線の一部である場合
は、ウインドウ幅を変化させても１，２回目のエッジ代
表点は変わらない。これに対し、ウインドウ内のエッジ
が円弧の一部である場合は、ウインドウ幅を変化させる
ことで１，２回目のエッジ代表点の間に誤差が生じる。
この誤差はウインドウ幅変化率と密接に関係し、真のエ
ッジ代表点座標を下記の数１で算出することを可能にす
る。即ち、１回目のエッジ代表点座標をＰ0 ’、２回目
のエッジ代表点座標をＰ0 ”、１回目から２回目へのウ
ィンドウ幅変化率を１／ｍとした場合、後述するよう
に、概ね（Ｐ0 −Ｐ0 ”）／（Ｐ0 −Ｐ0 ’）＝１／ｍ
² の関係があるので、真のエッジ代表点座標Ｐ0 は次の
ようになる。

【０００７】

【数１】Ｐ0 ＝（ｍ ² ・Ｐ0 ”−Ｐ’）／（ｍ ² −１）

【０００８】上記の数１は対象とするエッジが直線の一
部でも円弧の一部でも区別することなく適用できる。

【０００９】

【実施例】以下、添付の図面を参照して本発明の実施例
を説明する。図１は、本発明を微小物体の寸法測定装置
に適用した実施例を示す要部ブロック図、図２はその全
体構成を示す斜視図である。この測定装置は大別して、
図２に示すように、被測定物体１の光学像を拡大する測
定顕微鏡２と、この測定顕微鏡２に装着されたＣＣＤカ
メラ３と、このＣＣＤカメラ３からの画像信号を処理し
て寸法測定処理を実行するデータ処理装置４とより構成
されている。測定顕微鏡２には、被測定物体１を載置す
るステージ１２が装着されている。このステージ１２
は、Ｘ方向ステージ調整ハンドル１３、Ｙ方向調整ハン
ドル１４及びステージ回転つまみ１５によって、各々Ｘ
方向、Ｙ方向及び回転方向に移動可能なものとなってい
る。また、本体１１の向かって奥には、上方へ延びるレ
ンズ支持レール１６が固定されており、このレンズ支持
レール１６に、レンズ組立体１７が上下動可能に支持さ
れている。レンズ組立体１７は、被測定物体１と対向す
る側に、４穴レボルバ１８に装着された倍率が異なる４
つの対物レンズ１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄを備え
ている。また、レンズ組立体１７は、その上部に接眼レ
ンズ２０を備え、この接眼レンズ２０と対物レンズ１９
ａ〜１９ｄとを正立三眼鏡筒２１を介して光学的に結合
するものとなっている。このレンズ組立体１７は、焦点
調整ハンドル２２によって上下動される。また、正立三
眼鏡筒２１は、正立三眼鏡筒上下動つまみ２３によって
上下動される。この測定顕微鏡２の正立三眼鏡筒２１の
上部に装着されたＣＣＤカメラ３は、例えば７６８×４
９３の画素数である。

【００１０】データ処理装置４は、図１に示すように構
成されている。なお、処理装置本体３０の内部の各機能
ブロックは、ハードウェアによって実現されていても、
ＣＰＵ及びソフトウェアによって実現されていても良
い。ＣＣＤカメラ３で撮像された被測定物体１の拡大像
のアナログ画像信号は、Ａ／Ｄ変換器３１に入力されて
いる。Ａ／Ｄ変換器３１は、アナログ画像信号を例えば
８ビットの多値画像データに変換する。Ａ／Ｄ変換器３
１から出力される多値画像データは、多値画像メモリ３
２に格納されるようになっている。また、データ処理装
置４にはキーボード３３が設けられており、これにより
ウインドウの数、位置及び大きさ並びに寸法測定の際の
演算条件等を設定することができる。キーボード３３か
らのウインドウ設定のためのデータ（以下、ウインドウ
データと呼ぶ）は、ウインドウ設定メモリ３４に格納さ
れる。このウインドウ設定メモリ３４に格納されたウイ
ンドウデータと多値画像メモリ３２に格納された被測定
物体１の多値画像データとは合成手段３５において重畳
され、ＣＲＴディスプレイ３６に表示されるようになっ
ている。

【００１１】一方、多値画像メモリ３２に格納された多
値画像データとウインドウ設定メモリ３４に格納された
ウインドウデータは、ウインドウ内２値化手段３７にも
供給されている。ウインドウ内２値化手段３７は、指定
されたウインドウ内の多値画像データのみを２値化し
て、ウインドウ内のエッジ部分を明瞭化させる。ウイン
ドウ内２値化手段３７で２値化された画像データは、エ
ッジ座標検出手段３８に供給されている。エッジ座標検
出手段３８は、２値化データからエッジ情報を抽出し、
そのエッジの代表点、例えば中点の座標（以下、エッジ
座標と呼ぶ）を検出する。これらウインドウ内２値化手
段３７及びエッジ座標検出手段３８は、ウインドウ内処
理用メモリ４２を適宜アクセスしてその処理を実行す
る。エッジ座標検出手段３８で検出されたエッジ座標は
座標メモリ３９に格納される。演算手段４０は、座標メ
モリ３９に格納された各ウインドウのエッジ座標と、キ
ーボード３３によって指定された演算条件とに基づい
て、被測定物体１の幅、長さ、半径等の寸法を算出す
る。この算出結果は、測定結果として液晶ディスプレイ
４１に表示されるようになっている。

【００１２】次に、このように構成された本装置の動作
を説明する。ステージ１２上に載置された被測定物体１
の光学像は、測定顕微鏡２によって拡大された後、ＣＣ
Ｄカメラ３で撮像される。ＣＣＤカメラ３からのアナロ
グ画像信号は、Ａ／Ｄ変換器３１で８ビットの多値画像
データにＡ／Ｄ変換され、多値画像メモリ３２に格納さ
れる。多値画像データが多値画像メモリ３２に格納され
ると、中間調を含む多値画像データがＣＲＴディスプレ
イ３６に表示される。このディスプレイ３６に表示され
た多値画像内にＭ×Ｎ（例えば２０×１４）の大きさの
ウインドウを任意の個数設定し、各ウインドウ内でスレ
ッショルドレベルを設定して多値画像を２値化する。図
３は、このようにして２値化されたウインドウ内に直線
のエッジが含まれる例を示している。図示の２値化デー
タは拡大されているため階段状であるが、そのエッジ情
報として得られたＮ個の点（図示の例では１４個の黒
点）を最小自乗法で算術平均すると、図示のような近似
直線Ｌ1 を求めることができる。この直線Ｌ1 の例えば
中点Ｐ0 （Ｎ／２の点）がウインドウ内２値化データの
代表的な座標（エッジ座標）となる。このようにウイン
ドウ内エッジが直線の一部である場合は、得られたエッ
ジ座標が実際のエッジ特徴点にほぼ一致する。

【００１３】これに対し、ウインドウ内に円弧のエッジ
が含まれる場合は事情が異なる。図４の円弧Ｐ1Ｐ0Ｐ2
は、中心Ｏで半径Ｒ0 の円周上に含まれ、その中心は右
水平線Ｈから角度θだけ反時計方向に回転している。こ
こではＲ0 ＝２０、Ｍ×Ｎ＝２０×１４の場合を例とし
ている。このウインドウ内で同様のエッジ抽出処理を行
うと１４個の点が得られるが、これらの点を対象にして
最小自乗法で算術平均した場合、得られる近似直線Ｌ2
は点Ｐ1’,Ｐ2’ を通り、その中点Ｐ0’ は、円弧Ｐ1
Ｐ0Ｐ2 の中点即ち真のエッジ特徴点Ｐ0 からずれた位
置になる。本発明ではこの誤差を可能な限り低減しよう
とするものである。

【００１４】いま、図９において、ｘ＝−ｘ ₁ からｘ＝
ｘ ₁ に至る円弧に最小二乗法によりｙ＝ｂの近似直線を
当てはめる場合について考えると、最小二乗法では、 とした場合のｆが最小値となるｂを求めればよいので、
∂ｆ／∂ｂ＝０となるｂを求めると、 ｂ＝｛ｘ ₁ √（Ｒ ₀ ² −ｘ ₁ ² ）＋Ｒ ₀ ² sin ^{- 1} （ｘ ₁ ／Ｒ ₀ ）｝／２ｘ ₁ となる。ここで、 √（Ｒ ₀ ² −ｘ ₁ ² ）＝ｙ ₁ sin ^{- 1} （ｘ ₁ ／Ｒ ₀ ）＝φ であるから、求めるｂは、 ｂ＝（ｘ ₁ ｙ ₁ ＋Ｒ ₀ ² φ）／２ｘ ₁ この式の右辺の分子（ｘ ₁ ｙ ₁ ＋Ｒ ₀ ² φ）は、図９中斜
線で示した部分の面積を示す。従って、求めるｂは、斜
線で示した面積を２ｘ ₁ で割った値、つまり円弧の部分
の平均的な高さを示す値となる。 ここで、図９における
長方形Ｐa Ｐb Ｐc Ｐd の面積Ｓは、 Ｓ＝２ｘ ₁ ｂ−２ｘ ₁ ｙ ₁ ＝２ｘ ₁ （ｘ ₁ ｙ ₁ ＋Ｒ ₀ ² φ）／２ｘ ₁ −２ｘ ₁ ｙ ₁ ＝Ｒ ₀ ² φ−ｘ ₁ ｙ ₁ となる。これは、結局、円弧Ｐa Ｐe Ｐd の部分の面積
Ｓに相当する。 同様に、図４における平行四辺形Ｐ1 Ｐ
1 ’ Ｐ2 Ｐ2 ’ の面積Ｓは、円弧Ｐ1 Ｐ0 Ｐ2 の面
積Ｓに等しい。 従って、 円弧Ｐ1 Ｐ0 Ｐ2 の両端の点Ｐ
1 ，Ｐ2 を結ぶ直線Ｌ3 の中点をＱとしたとき、近似直
線Ｌ2 の中点Ｐ0 ’ とのずれΔは、円弧Ｐ1 Ｐ0 Ｐ2
の面積Ｓをウインドウの幅Ｎで割った値に等しい。円弧
Ｐ1 Ｐ0 Ｐ2 の面積Ｓは、扇形ＯＰ1 Ｐ2 の面積から三
角形ＯＰ1 Ｐ2 の面積を減算する下記の数２によって表
される。

【００１５】

【数２】 Ｓ＝Ｒ0²｛（θ2−θ1）−ｓｉｎ（θ2−θ1）｝／２

【００１６】一方、点Ｐ0’とＰ0 は共にウインドウの
中線Ｔ上にあるため、それらのＹ座標は共にＲ0・ｓｉ
ｎθである。このとき、点Ｐ1とＰ2のＹ座標はこの値よ
り上下にＮ／２ずつずれている。従って、以下の関係が
成り立つ。

【００１７】

【数３】ｓｉｎθ1＝ｓｉｎθ−Ｎ／２Ｒ0 ｓｉｎθ2＝ｓｉｎθ＋Ｎ／２Ｒ0

【００１８】これらの関係式を用いると、点Ｐ0とＰ0’
との間隔即ち誤差Ｅと半径Ｒ0との比は次のように表さ
れる。

【００１９】

【数４】 Ｅ／Ｒ0 ＝ｃｏｓθ−（ｃｏｓθ2 ＋ｃｏｓθ1 ）／２ ＋｛（θ2 −θ1 ）−ｓｉｎ（θ2 −θ1 ）｝×Ｒ0 ／２Ｎ

【００２０】上式の右辺第１項はＰ0のＸ座標、右辺第
２項はＰ1，Ｐ2間の中点のＸ座標、右辺第３項は円弧面
積Ｓをウインドウ幅Ｎで割った前述のΔに関係する。上
述した誤差Ｅはウインドウ幅Ｎに密接に関係する。即
ち、数４のＥ／Ｒ0とＮ／Ｒ0の関係を図示すると図５の
ようになる。同図は円弧半径Ｒ0の傾きθをパラメータ
として、これを０°から４５°まで５°おきに設定した
ものである。この図から明らかなように、傾きθが一定
であれば、ウインドウ幅Ｎが小さいほど誤差Ｅが減少す
る。またウインドウ幅Ｎが一定であれば、傾きθが小さ
いほど誤差Ｅが減少することも示している。ウインドウ
幅Ｎの減少に対し、誤差Ｅがどの程度減少するかは、図
６のように両対数目盛で表示すると明瞭になる。この図
６は図５と同じ内容を示したものであるが、各特性は直
線となり、その傾きからＥ／Ｒ0 がＮ／Ｒ0 の下げ率
（ｍとする）の自乗で低下することを示している。

【００２１】本発明は、この点に着目して次のような信
号処理を行う。即ち、図７に示すようにＭ×Ｎのウイン
ドウを設定した場合、１回目のエッジ特徴点検出はこの
ウインドウのまま行う。このとき検出された特徴点が前
述のＰ0’である。次にウインドウ幅を中心部に向けて
仮想的に１／ｍにする。図７の１点鎖線Ｖ1，Ｖ2はこの
仮想的なウインドウの範囲を示している。このようにし
て仮想的にＭ×（Ｎ／ｍ）のウインドウが設定された
ら、ここで再度前述したと同様にして２回目のエッジ特
徴点Ｐ0” を求める。この２回目の特徴点Ｐ0” は図８
に示すように、直線Ｌ2 と平行で、円弧の中点Ｐ0 によ
り近い直線Ｌ4 の中点である。この点Ｐ0”も真点Ｐ0に
対しては誤差を有する。しかし、この誤差は１回目の点
Ｐ0’よりは減少している。この誤差の減少の度合いが
ウインドウ幅の減少率ｍに関係することは図５および図
６で示した通りであるが、一般的には減少率ｍの自乗ｍ
² に近似的に比例して誤差は減少する。そこで、本発明
では前述した数１の計算式で真のエッジ特徴点Ｐ0 を算
出する。この数１は、図８に示した点Ｐ0 ，Ｐ0” 間の
距離（誤差）が点Ｐ0 ，Ｐ0’ の距離（誤差）の１／ｍ
² の関係にあることを利用したものである。この計算式
は直線でも円弧でも共通に適用できる。従って、操作者
はこれらを区別することなく真のエッジ特徴点を求める
ことができる。

【００２２】本発明は、種々に変形して実施できる。一
例として、ｍ＝２とすると誤差は１／４になり、またｍ
＝３とすると誤差は１／９に低減されるが、数１の計算
式によれば、ｍの値をどのように選択しても同様の結果
を得ることができる。また、実施例ではウインドウの幅
をＮについて減少させたが、円弧が横方向に横切る場合
はウインドウ幅をＭについて減少させればよい。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、対象
物のモニタ画像等から特定のエッジ情報を抽出するエッ
ジ情報抽出装置において、対象とするエッジが直線の一
部か円弧の一部かを区別することなく、簡単な操作で正
確なエッジ特徴点を抽出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例を示す要部ブロック図であ
る。

【図２】 本発明の実施例装置の外観斜視図である。

【図３】 直線エッジの説明図である。

【図４】 円弧エッジの説明図である。

【図５】 ウインドウ幅と特徴点誤差の特性図である。

【図６】 図５の対数表示特性図である。

【図７】 ウインドウ幅切換の説明図である。

【図８】 各次特徴点と真の特徴点の関係図である。

【図９】 円弧上のエッジ代表点の算出手順の説明図で
ある。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多値画像を表示する手段と、前記多値画
   像中に１つ以上のウィンドウを設定する手段と、 この手段で設定されたウィンドウを前記多値画像に重畳
   して表示させる手段と、 この多値画像中のウィンドウによって指示されたエッジ
   情報を抽出する手段と、 前記エッジ情報に近似直線を当てはめ、この近似直線か
   らウィンドウ内のエッジ代表点座標を検出する手段であ
   って、水平方向及び垂直方向の一方を特定方向とし、前
   記ウィンドウの前記特定方向の幅を、前記ウィンドウの
   特定方向における中央に対して均等に変えて前記エッジ
   代表点座標を少なくとも２回検出する手段と、この手段で得られた複数のエッジ代表点座標とこれらを
   それぞれ検出する基礎となった前記ウィンドウの前記特
   定方向の幅と に基づいて真のエッジ代表点座標を算出す
   る手段と を備えたことを特徴とするエッジ情報抽出装置。