JP2879355B2

JP2879355B2 - 形状測定方法

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Publication number: JP2879355B2
Application number: JP15355390A
Authority: JP
Inventors: 靖一藤本; 由信冷水
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1990-06-11
Filing date: 1990-06-11
Publication date: 1999-04-05
Anticipated expiration: 2014-04-05
Also published as: JPH0443907A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は、たとえばプレスパネルなどのように平面
とこれに連なる曲面を有する被測定物の形状を光切断法
によって測定するに際し、２次元撮像手段で撮像された
画像データを処理して上記平面と曲面との変曲点を求め
る形状測定方法に関する。

従来の技術および発明の課題上記のような被測定物の形状測定においては、平面と
曲面との変曲点の検出を必要とすることが多い。

上記のような被測定物の形状を測定する方法として、
光切断法が検討されているが、光切断法において、上記
のような変曲点を自動的に検出する方法は提案されてい
ない。

このため、従来は、表面粗さ計などを用いて作業者が
目視によって形状を測定しているが、人為的誤差が大き
く、測定に時間がかかるという問題があった。

画像データから変曲点を検出する方法として、１次微
分または２次微分を用いた差分法が考えられるが、この
ような方法では、きずなどによるノイズの影響を受けや
すく、精度の高い測定が困難である。

この発明の目的は、上記の問題を解決し、光切断法を
用いて平面と曲面との変曲点を自動的にかつ正確に検出
できる方法を提供することにある。

課題を解決するための手段この発明による形状測定方法は、平面とこれに連なる曲面を有する被測定物の形状を光
切断法によって測定するに際し、２次元撮像手段で撮像
された画像データを処理して上記平面と曲面との変曲点
を求める方法であって、互いに直交する第１座標軸と第２座標軸を用いて、被
測定物の平面に当たった光部分の直線部が第１座標軸と
平行になるように、上記画像データを表わし、この光部
分の直線部の端点と被測定物の曲面に当たった光部分の
曲線部の端点を検出し、画像データの第２座標軸方向の
座標値を平滑化し、この平滑データを光部分の直線部側
から走査して、平滑データの微分値が所定値以上となる
点を第１仮変曲点とし、この第１仮変曲点と光部分の曲
線部の端点の間の第１座標軸方向の座標値の差と第２座
標軸方向の座標値の差との比が所定の範囲に入るまで第
１仮変曲点を求め、この比が所定の範囲に入る第１仮変
曲点を仮変曲点とし、画像データを光部分の直線部側か
ら走査して、画像データの第２座標軸方向の座標値の微
分値が所定値以上となる点を第２仮変曲点とし、この第
２仮変曲点と仮変曲点の座標の差が所定値以下となるま
で第２仮変曲点を求め、この差が所定値以下となる第２
仮変曲点を上記変曲点とすることを特徴とするものであ
る。

作用光切断法において、平面とこれに連なる曲面を有する
被測定物を２次元撮像手段で撮像すると、第４図のよう
な画像が得られる。この画像は被測定物の表面に当たっ
た光の部分（光部分）（H1）を表わしており、直線部
（L1）が平面の光部分、曲線部（C1）が曲面の光部分を
表わしており、直線部（L1）と曲線部（C1）との変曲点
（RS）が平面と曲面の変曲点に対応している。

この発明の方法においては、第４図のように、互いに
直交するＹ軸（第１座標軸）とＺ軸（第２座標軸）を用
いて、直線部（L1）がＹ軸と平行になるように、画像デ
ータを表わす。そして、直線部（L1）の端点（S1）と曲
線部（C1）の端点（E1）を検出し、画像データのＺ座標
値を平滑化し、この平滑データを直線部（L1）側から走
査して、平滑データの微分値が所定値以上となる点を第
１仮変曲点とし、この第１仮変曲点と曲線部の端点（E
1）の間のＹ座標値の差とＺ座標値の差との比が所定の
範囲に入るまで第１仮変曲点を求め、この比が所定の範
囲に入る第１仮変曲点を仮変曲点とし、画像データを直
線部（L1）側から走査して、画像データのＺ座標値の微
分値が所定値以上となる点を第２仮変曲点とし、この第
２仮変曲点と仮変曲点の座標の差が所定値以下となるま
で第２仮変曲点を求め、この差が所定値以下となる第２
仮変曲点を変曲点（RS）とする。このため、次に説明す
るように、光切断法を用いて変曲点を自動的にかつ正確
に検出することができ、したがって、誤差が小さく、測
定が容易で、測定時間も短縮される。

画像データのＺ座標値を平滑化し、この平滑データを
直線部（L1）側から走査して微分すると、微分値は変曲
点に達するまでは小さいが、変曲点では大きくなる。ま
た、画像データを平滑化してから微分しているので、単
に画像データを微分する場合に比べて、ノイズの影響を
受けにくい。このため、平滑データの微分値が所定値以
上となる点を第１仮変曲点とすれば、通常は、この第１
仮変曲点は真の変曲点（RS）の近傍の点になる。

上記のように平滑データの微分値の大小を調べても、
ノイズの影響により、真の変曲点（RS）から離れた点を
第１仮変曲点として検出することがある。ところが、こ
のような場合でも、第１仮変曲点と曲線部（C1）の端点
（E1）の間のＹ座標値の差ΔＹとＺ座標値の差ΔＺとの
比ΔY/ΔＺを調べることにより、次のように、真の変曲
点（RS）から離れた第１仮変曲点を仮変曲点とせずに、
真の変曲点（RS）の近傍の第１仮変曲点だけを仮変曲点
として検出することができる。

すなわち、変曲点（RS）と端点（E1）との位置関係は
被測定物によって決まっており、ほぼ一定であるから、
変曲点（RS）についての比ΔY/ΔＺもほぼ一定である。
この変曲点（RS）についての比ΔY/ΔＺを含む一定の範
囲を定めれば、変曲点（RS）の近傍の第１仮変曲点（P
o）については比ΔY/ΔＺが上記の範囲に入るが、変曲
点（RS）から離れた第１仮変曲点（P1）（P2）について
は比ΔY/ΔＺが上記の範囲を外れる。したがって、比Δ
Y/ΔＺが上記の範囲を外れたときにはその第１仮変曲点
を仮変曲点とはせずに、次の第１仮変曲点を求め、比Δ
Y/ΔＺが上記の範囲に入ったときの第１仮変曲点を仮変
曲点とすることにより、真の変曲点（RS）の近傍の第１
仮変曲点（Po）だけを仮変曲点として検出することがで
きる。

上記のようにして求めた仮変曲点は、平滑化によりデ
ータがなまっているので、必ずしも真の変曲点（RS）と
一致しないが、真の変曲点（RS）は仮変曲点の近傍に存
在する。そして、画像データのＺ座標値をそのまま微分
した微分値が所定値以上となる点を第２仮変曲点とし
て、仮変曲点との座標の差が所定値以下となる第２仮変
曲点を変曲点とするので、ノイズの影響を受けずに、真
の変曲点（RS）を正確に検出することができる。

実施例以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明す
る。

第１図は、被測定物をであるプレスパネル（１）と、
形状測定装置の全体概略構成を示す。

パネル（１）は、互いに直角をなす２つの平面すなわ
ち第１平面（1a）と第２平面（1b）とが1/4部分円筒面
（1c）で繋っているものであり、測定時には、第１平面
（1a）が水平になり、かつ第２平面（1b）が下向きに垂
直になるように配置される。

測定装置は、光源（３）、CCDテレビカメラ（２次元
撮像手段）（４）、画像処理装置（５）および演算処理
装置（６）を備えている。

光源（３）は、パネル（１）の表面の真上から第１平
面（1a）および第２平面（1b）と直交するスリット光線
を照射するものであり、たとえば半導体レーザなどが使
用される。

テレビカメラ（４）は、光源（３）に面するパネル
（１）の表面に当たった光を撮像するためのものであ
る。

画像処理装置（５）は、テレビカメラ（４）の映像信
号を処理して、後述する画像データを演算装置に出力す
るものである。

演算処理装置（６）は、画像処理装置（５）の出力よ
りパネル（１）の形状を求めるものであり、コンピュー
タによって構成されている。

第２図は、テレビカメラ（４）で撮像されたテレビ画
像の１例を示す。なお、テレビ画像について、第２図の
上下左右を上下左右とする。

テレビ画像は水平走査線（Ａ）と所定の基準クロック
パルスによって複数の点に等分され、各点は、次のよう
に、Ｙ軸とＺ軸を用いて表わされる。すなわち、テレビ
画像の中央の左右方向の軸をＹ軸、上下方向の軸をＺ軸
とし、これらの交点を原点（０）とする。したがって、
水平走査線方向すなわち水平走査方向がＺ軸方向、これ
と直交する垂直走査方向がＹ軸方向となる。また、テレ
ビ画像の右側がＹ軸の正方向、左側が負方向であり、テ
レビ画像の下側がＺ軸の正方向、上側が負方向である。
そして、各点の座標値は、パネル（１）の実際の寸法
（mm）を100倍した整数値で表わされる。テレビ画像と
これに写っているパネルの部分の実際の寸法との関係
は、パネル（１）とテレビカメラ（４）との相対位置関
係によって決まる。今、テレビ画面の左右幅がパネル
（１）の実際の寸法30mmに、テレビ画面の上下幅がパネ
ル（１）の実際の寸法20mmにそれぞれ相当するとすれ
ば、テレビ画像の原点（０）のＹ座標値およびＺ座標値
はともに０、右端のＹ座標値は＋1500（＋15mm）、左端
のＹ座標値は−1500（−15mm）、下端のＺ座標値は＋10
00（＋10mm）、上端のＺ座標値は−1000（−10mm）であ
る。

各水平走査線のＹ座標値は、変数Ｙ［ｉ］に格納され
る。ここで、ｉは水平走査線（Ａ）の番号（走査線番
号）である。水平走査線（Ａ）の数はたとえば484本で
あり、右端のものを０として、順に番号を付している。
すなわち、右端の水平走査線（Ａ）の番号ｉは０、左端
の水平走査線（Ａ）の番号ｉは483である。

テレビ画像には、パネル（１）に当たった光の部分
（光部分）（H1）が表われる。光部分（H1）は、第１平
面（1a）に当たった光の部分に対応する直線部（L1）
と、円筒面（1c）に当たった光の部分に対応する曲線部
（C1）とからなる。通常、直線部（L1）は左側に、曲線
部（C1）は右側に表われる。直線部（L1）の左端を始点
（S1）、曲線部（C1）の右端を終点（E1）、直線部（L
1）から曲線部（C1）に移る点（変曲点）をＲ始点（R
S）と呼ぶことにする。パネル（１）に当たった光をテ
レビカメラ（４）で撮像した場合、反射率の関係などよ
り、円筒面（1c）の第１平面（1a）側の部分しか写ら
ず、円筒面（1c）と第２平面（1b）の境界部まで写らな
いことがある。したがって、Ｒ始点（RS）は、第１平面
（1a）から円筒面（1c）に写る点すなわち実際の円筒面
（1c）の始点と一致するが、終点（E1）は、円筒面（1
c）から第２平面（1b）に移る点すなわち実際の円筒面
（1c）の終点（Ｒ終点）（RE）とは必ずしも一致しな
い。

画像処理装置（５）は、上記のように等分した複数の
点に対応する映像信号を輝度情報に変換し、光部分（H
1）のある水平走査線（Ａ）についてのみ、次のような
画像データｉ、Ｙ［ｉ］およびＺ［ｉ］を作って演算処
理装置（６）に出力する。ｉは、光部分（H1）のある水
平走査線（Ａ）の走査線番号である。Ｙ［ｉ］は、光部
分（H1）のある水平走査線（Ａ）のＹ座標値である。Ｚ
［ｉ］は、このｉ番目の水平走査線ｉ上の光部分（H1）
のＺ座標値である。なお、このような機能を有する画像
処理装置（５）として、市販品を使用することができ
る。

次に、第３図のフローチャートを参照して、測定時の
演算処理装置（６）の動作の１例の概略を説明する。

第３図において、まず、画像処理装置（５）から画像
データを読込み（ステップ１）、画像データの再配置を
行なう（ステップ２）。次に、始点（S1）および終点
（E1）の検出を行なう（ステップ３）。次に、画像デー
タの座標変換を行ない（ステップ４）、Ｒ始点（RS）の
検出を行なう（ステップ５）。次に、回帰関数の決定を
行ない（ステップ６）、Ｒ終点（RE）を決定する（ステ
ップ７）。そして、最後に、形状のチェックを行ない
（ステップ８）、処理を終了する。

前述のように、画像処理装置から得られる画像データ
は、光部分（H1）のある水平走査線番号ｉについてのＹ
［ｉ］、Ｚ［ｉ］のみである。このため、ステップ２の
データ再配置により、光部分の存在しない走査線番号ｉ
に関して、Ｙ［ｉ］およびＺ［ｉ］を次のようにセット
する。

Ｚ［ｉ］＝1000 Ｙ［ｉ］＝０ステップ３の始点S1および終点E1の検出は、走査線番
号ｉを変化させて画像データを調べることにより行なう
ことができる。

ステップ４の座標変換は、Ｙ軸に対する直線部（L1）
の傾き角を求め、この傾き角が０になるように、画像デ
ータを回転させることにより行なわれる。

次に、この発明の要旨であるステップ５のＲ始点（R
S）の検出処理につき、テレビ画像を示す第４図および
検出処理のフローチャートを示す第５図に基づいて説明
する。

すなわち、まず、画像データのＺ座標軸の平滑化を行
なう。この処理は、たとえば、ｉをS1（始点）からE1
（終点）＋４まで走査して、次の式により平滑データＳ
［ｉ］を求めるものである（ステップ101、102、103、1
04、102、……103）。

Ｓ［ｉ］＝（Ｚ［ｉ］＋Ｚ［ｉ−１］＋Ｚ［ｉ−２］＋Ｚ［ｉ−３］＋Ｚ［ｉ−４］）/5 次に、ｉをS1からE1＋９へ走査し、第１仮変曲点の検
出を行なう。この処理は次の式により平滑データをＳ
［ｉ］の微分値Ｄ［ｉ］を求め、これを所定のしきい値
と比較し、しきい値以上となる点を第１仮変曲点（Ｐ）
とするものである（ステップ201、202、203、204、20
5、202、……203、206）。

Ｄ［ｉ］＝Ｓ［ｉ−５］−Ｓ［ｉ］第１仮変曲点（Ｐ）が検出されると、その第１仮変曲
点（Ｐ）と終点（E1）の間のＹ座標値の差ΔＹおよびＺ
座標値の差ΔＺ、ならびにこれらの比ΔY/ΔＺを求め
（ステップ301）、これが真のＲ始点（RS）についての
比ΔY/ΔＺを含む所定の範囲（Ｒ始点存在範囲）にある
かどうかを調べる（ステップ302）。比ΔY/ΔＺがＲ始
点存在範囲になければ、その第１仮変曲点（Ｐ）は仮変
曲点とはせずに、引続きｉを走査して、第１仮変曲点の
検出（ステップ204、205、202、……203、206）と、検
出された第１仮変曲点（Ｐ）についての比ΔY/ΔＺの演
算およびチェック（ステップ301、302）を続ける。そし
て、ステップ302において比ΔY/ΔＺがＲ始点存在範囲
に入る第１仮変曲点（Ｐ）を仮変曲点（Ｒ）とする（ス
テップ303）。

第４図のような画像データのＺ座標値を上記のように
平滑化し、この平滑データＳ［ｉ］の上記のように微分
すると、微分値Ｄ［ｉ］は始点（S1）からＲ始点（RS）
に達するまでは小さいが、Ｒ始点（RS）では大きくな
る。また、画像データを平滑化してから微分しているの
で、単に画像データを微分する場合に比べて、ノイズの
影響を受けにくい。このため、平滑データＳ［ｉ］の微
分値Ｄ［ｉ］がしきい値以上となる点を第１仮変曲点と
すれば、通常は、この第１仮変曲点はＲ始点（RS）の近
傍の点になる。

上記のように平滑データＳ［ｉ］の微分値Ｄ［ｉ］の
大小を調べても、ノイズの影響により、Ｒ始点（RS）か
ら離れた点を第１仮変曲点として検出することがある。
ところが、このような場合でも、上記のように第１仮変
曲点と曲線部（C1）の終点（E1）の間のＹ座標値の差Δ
ＹとＺ座標値の差ΔＺとの比ΔY/ΔＺを調べることによ
り、真のＲ始点（RS）から離れた第１仮変曲点を仮変曲
点とせずに、真のＲ始点（RS）の近傍の第１仮変曲点だ
けを仮変曲点として検出することができる。

すなわち、Ｒ始点（RS）と終点（E1）との位置関係は
パネル（１）によって決まっており、ほぼ一定であるか
ら、Ｒ始点（RS）についての比ΔY/ΔＺもほぼ一定であ
る。このＲ始点（RS）についての比ΔY/ΔＺを含む一定
のＲ始点存在範囲を定めれば、Ｒ始点（RS）の近傍の第
１仮変曲点（Po）については比ΔY/ΔＺがＲ始点存在範
囲に入るが、Ｒ始点（RS）から離れた第１仮変曲点（P
1）（P2）については比ΔY/ΔＺがＲ始点存在範囲を外
れる。したがって、比ΔY/ΔＺがＲ始点存在範囲を外れ
たときにはその第１仮変曲点を仮変曲点とはせずに、次
の第１仮変曲点を求め、比ΔY/ΔＺがＲ始点存在範囲に
入ったときの第１仮変曲点を仮変曲点とすることによ
り、真のＲ始点（RS）の近傍の第１仮変曲点（Po）だけ
を仮変曲点として検出することができる。

仮変曲点が検出されると、ｉをS1からE1＋９へ走査
し、第２仮変曲点の検出を行なう。この処理は、次の式
により画像データのＺ座標値Ｚ［ｉ］の微分値Ｄ［ｉ］
を求め、これを所定のしきい値と比較し、しきい値以上
となる点を第２仮変曲点（Ｑ）とするものである（ステ
ップ401、402、403、404、405、402、……403、406）。

Ｄ［ｉ］＝Ｚ［ｉ−５］−Ｚ［ｉ］第２仮変曲点（Ｑ）が検出されると、その第２仮変曲
点（Ｑ）と仮変曲点（Ｒ）のＹ座標値の差ΔＹを求め
（ステップ407）、この差を所定のしきい値と比較する
（ステップ408）。この差がしきい値より大きければ、
その第２仮変曲点（Ｑ）はＲ始点とはせずに、引続きｉ
を走査して、第２仮変曲点の検出（ステップ404、405、
402、……403、406）と、検出された第２仮変曲点
（Ｑ）についての差ΔＹの演算およびチェック（ステッ
プ407、408）を続ける。そして、ステップ408において
差ΔＹがしきい値以下となる第２仮変曲点（Ｑ）をＲ始
点（RS）とし（ステップ409）、処理を終了する。

上記のようにして求めた仮変曲点（Ｒ）は、平滑化に
よりデータがなまっているので、必ずしも真のＲ始点
（RS）と一致しないが、真のＲ始点（RS）は仮変曲点
（Ｒ）の近傍に存在する。そして、上記のように画像デ
ータのＺ座標値Ｚ［ｉ］をそのまま微分した微分値が所
定値以上となる点を第２仮変曲点（Ｑ）として、仮変曲
点（Ｒ）との差ΔＹが所定値以下となる第２仮変曲点
（Ｑ）をＲ始点とするので、ノイズの影響を受けずに、
真のＲ始点（RS）を正確に検出することができる。

なお、上記の処理において、比ΔY/ΔＺのかわりに比
ΔY/ΔＺを用いることもできる。

ステップ６の回帰関数決定の処理は、光部分（H1）の
曲線部（C1）を推定するための回帰関数たとえばＺ＝ae
^bYの係数ａおよびｂを最小２乗法によって決定するもの
であり、たとえば、Ｒ始点（RS）がＺ軸と一致するよう
に画像データの座標変換（平行移動）を行ない、Ｒ始点
（RS）のＺ座標値を順に変えて、仮に求めた回帰関数と
画像データとの誤差の２乗の重み付き積分値が最小にな
るようにａおよびｂを決定する。

ステップ７のＲ終点（RE）の決定処理は、たとえば、
次のようにして行なわれる。

上記のようにして回帰関数である指数関数Ｚ＝ae^bYが
決まると、これを用い、Ｒ始点（RS）からＺ座標値を少
しずつ変えながら、指数関数上のＹ座標値を計算し、こ
のＹ座標値の１次微分値が所定のしきい値Ｔより小さく
なった点をＲ終点（RE）とする。また、逆に、指数関数
Ｚ＝ae^bYを用い、Ｒ始点（RS）からＹ座標値を少しずつ
変えながら、指数関数上のＺ座標値を計算し、このＺ座
標値の１次微分値が所定のしきい値Ｔより大きくなった
点をＲ終点（RE）とすることもできる。

最後のステップ８の形状のチェックは、前記方法によ
って求めたプレスパネル（１）の形状測定データとプレ
スパネル（１）の形状規模データとを比較し、形状の検
査を行なう。

パネル（１）とテレビカメラ（４）との相対位置関係
により、テレビ画像が第２図と異なるものになることが
ある。ところが、このような場合でも、上記とほぼ同様
に画像データを処理して、測定を行なうことができる。
また、画像データに適当な座標変換を施すことにより、
第２図のような画像データに変換して、処理することも
できる。

発明の効果この発明の形状測定方法によれば、上述のように、光
切断法を用いて平面と曲面との変曲点（Ｒ始点）を自動
的にかつ正確に検出することができ、誤差が小さく、測
定が容易で、測定時間も短縮される。しかも、きずなど
のノイズの影響を受けにくく、精度の高い測定ができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す被測定物と形状測定装
置の概略斜視図、第２図はテレビ画像の１例を示す図、
第３図は形状測定の処理の１例を示すフローチャート、
第４図はＲ始点検出処理の１例を説明するためのテレビ
画像の光部分の図、第５図はＲ始点検出処理の１例を示
すフローチャートである。（１）……プレスパネル（被測定物）、（1a）（1b）…
…平面、（1c）……部分円筒面、（３）……光源、
（４）……CCDテレビカメラ（２次元撮像手段）、
（５）……画像処理装置、（６）……演算処理装置。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭56−118604（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−196608（ＪＰ，Ａ) 特開平３−32470（ＪＰ，Ａ) 特開平３−186705（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G06T 7/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】平面とこれに連なる曲面を有する被測定物
の形状を光切断法によって測定するに際し、２次元撮像
手段で撮像された画像データを処理して上記平面と曲面
との変曲点を求める方法であって、互いに直交する第１座標軸と第２座標軸を用いて、被測
定物の平面に当たった光部分の直線部が第１座標軸と平
行になるように、上記画像データを表わし、この光部分
の直線部の端点と被測定物の曲面に当たった光部分の曲
線部の端点を検出し、画像データの第２座標軸方向の座
標値を平滑化し、この平滑データを光部分の直線部側か
ら走査して、平滑データの微分値が所定値以上となる点
を第１仮変曲点とし、この第１仮変曲点と光部分の曲線
部の端点の間の第１座標軸方向の座標値の差と第２座標
軸方向の座標値の差との比が所定の範囲に入るまで第１
仮変曲点を求め、この比が所定の範囲に入る第１仮変曲
点を仮変曲点とし、画像データを光部分の直線部側から
走査して、画像データの第２座標軸方向の座標値の微分
値が所定値以上となる点を第２仮変曲点とし、この第２
仮変曲点と仮変曲点の座標の差が所定値以下となるまで
第２仮変曲点を求め、この差が所定値以下となる第２仮
変曲点を上記変曲点とすることを特徴とする形状測定方
法。