JP2921660B2 - 物品形状計測方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、撮像デバイスで撮
像して取得する２次元映像を画像処理して対象物品の輪
郭形状を計測する方法および装置に関し、特にＣＡＤを
用いて平板を加工することにより製作される板状の橋梁
部材などの工業部品や建築部材が設計値通り作成された
かどうかを検査する形状検査に用いて好ましい物品形状
計測方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、撮像装置により取得した画像に基
づいて加工品の検査を行う方法として、理想形状を表し
たテンプレートを画像と重ね合わせて、ずれた部分の面
積をもって評価する方法があった。この方法では、対象
とする物品が画像に収まっている必要があるため、撮像
装置の分解能が検査における測定寸法の精度を決定す
る。このため画素数が多い高価なテレビカメラを使用す
るか、多数のカメラを使用して等価的に大画面を構成す
るようにする必要があるが、これらの方法により十分な
検査精度を達成することは経済的意味において困難であ
った。なお、テンプレートを検査装置に入力するために
は、理想に最も近い製品を慎重に製作するか多くの製品
からそのような物を選んで、これを検査装置にかけその
映像を基準テンプレートとする方法が一般に用いられ
る。従って、基準となる物を実作する必要があった。ま
た、上記の方法では、被検査物品の画像とテンプレート
の向きや位置にずれがあっても、それがそのまま不一致
部分として評価値に算入されることになるので、両者の
位置や向きが正確に対応していなければならない。この
ため、被検査物が一定の位置で一定の姿勢を取るように
予め整列させて検査位置に供給するための装置が必要が
あった。

【０００３】また特に橋梁や大型建造物の部品などは、
使用する部分に合わせて一品ずつＣＡＤで設計して単品
製作する場合も少なくなく、必然的に多品種少量生産と
なる。このような場合に製品検査用のテンプレートを製
品毎に作成したり、被検査物の姿勢調整装置を設備する
ことは経済的に困難である。なお、検査対象の物品がＣ
ＡＤによって加工されたものであるときには、演算プロ
グラムにかけてＣＡＤデータから直接に比較基準とする
ためのテンプレートを生成し、撮像装置により取得され
た製品の映像に重ね合わせてその寸法がＣＡＤデータに
対して許容範囲にあるかを検証する方法があった。この
方法では、検査対象をＣＡＤデータに合わせて位置決め
しておく必要があった。また、物品の輪郭全周について
データ処理するための大きなデータ記憶容量と高いデー
タ処理能力を必要とした。

【０００４】特開昭６３−２０１８７６号公報は、ＣＡ
Ｄ技術に基づいて形状に関する設計を行うと共に、その
時のＣＡＤデータを直接用いて模様パターンと姿勢情報
と位置情報とを含む検査仕様を作成するような、テレビ
カメラ等の画像を利用した形状検査方法を開示する。開
示された方法は、検査対象物品が任意の姿勢をとって
も、その画像から慣性主軸や重心など、向きと位置の情
報を抽出しこれに基づいてテンプレートの向きと位置に
合致するようにテンプレートあるいは画像を画像処理手
段により回転・移動させてから両者を比較することを特
徴とする。この方法はＣＡＤデータを活用するものであ
るため、実物モデルを実作する必要がなく、容易にかつ
素早く検査仕様を形成することができる。また、物品の
位置や姿勢に左右されずに検査を実施することが可能で
ある。

【０００５】また、特開平６−１３７８１５号公報は、
長尺物の寸法検査をするために、予め正確に位置決めさ
れた２個のテレビカメラのそれぞれが対象物品の一方の
端部を測定するようにして、これにカメラ間の距離情報
を加味することにより正確な長さを計測する方法を開示
している。この方法によればカメラの解像度が十分でな
くても物品の一部分を拡大して撮影した画像情報に基づ
いて算定するので、長さ測定の精度は、全体を１個のカ
メラの視野に収めて測定する方法と比較して大きく向上
する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開昭６３−
２０１８７６号公報に開示された発明は、対象とする物
品全体が、あるいは検査する部分全体が、カメラの視野
内に収まっていなければ向きと位置の情報を抽出するこ
とができないため、対象の最大径をカメラの画素数で割
った値以上の寸法精度を期待することができない。従っ
て、撮像デバイスの画素は極めて高い密度で配列されて
いる必要があり、ちょっと大きな物品になると製品検査
における一般的な精度を達成するような撮像デバイスを
入手することすら現状では困難である。また、特開平６
−１３７８１５号公報に開示された発明は、カメラが撮
影する位置が予め決まっているので、対象とする物品の
端部が必ずその撮影位置に来るようにしなければならな
い。また、この発明は、両端部の寸法から全体の長さを
正確に求めるものであって、カメラが撮影しない部分の
形状を測定することはできないから、多様な物品につい
て色々な部位に関して検査することは不可能であった。

【０００７】そこで、本発明は、限られた分解能もしく
は限られた画素数を有するカメラを活用して、任意の位
置・姿勢にある任意の形状を有する物品の形状を計測す
る方法と装置を提供することを目的とする。特に、ＣＡ
Ｄを用いて製作された板状の工業部品や建築部材が設計
値に対して許容範囲内で作成されたかどうかを検査する
形状検査に用いて好ましい物品形状計測方法と装置を提
供することを目的とする。また、コンベアで検査位置に
供給されてくる製品を素早く検査して良品と不良品に仕
分けする検査装置に適用しうる物品形状計測方法と装置
を提供することを目的とする。さらに、ＣＡＤを用いて
製作される多品種少量生産品について経済的に検査する
ことができる検査装置、また大型部材について検査が容
易にできる装置を可能とする物品形状計測方法と装置を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の物品形状計測方法は、所定の位置に据えた
対象物品を撮像デバイスで撮像して取得する２次元映像
を画像処理して対象物品の平面形状を計測する方法にお
いて、撮像デバイスにより対象物品の部分の２次元映像
を取得し、対象物品の輪郭線における特徴点を抽出し、
特徴点の座標を算出した後、撮像デバイスを対象物品の
輪郭線に沿って移動して対象物品の別の部分の２次元映
像を取得し、その部分の輪郭線における特徴点を抽出し
座標を算出し、その座標情報と撮像装置移動量とからそ
の特徴点の位置を算定する工程を、取得する２次元映像
が初めの２次元映像において抽出した基準点を含むよう
になるまで繰り返すことにより、算出した複数の特徴点
位置の相互関係によって対象物品の形状を代表すること
を特徴とする。

【０００９】本発明の物品形状計測方法においては、対
象物品の有すべき輪郭形状を処理して求めた特徴点の位
置情報を予め記憶して、その記憶した位置情報と２次元
映像から抽出して算定した各特徴点の位置情報とを比較
して、対象物品の位置と向きを確定し、記憶した位置情
報と対比して、対象物品の寸法精度を算定するようにす
ることができる。また、特徴点の位置情報として、特徴
点の近傍における性質を表す属性を含むことが好まし
い。さらに、抽出して算出した各特徴点の位置情報と記
憶した位置情報との差を総合した残差に基づいて対象物
品の寸法精度を推定するようにすることが好ましい。ま
た、対象物品がＣＡＤにより工作された物であるときに
は、対象物品の有すべき輪郭形状の情報としてその対象
物品の加工に用いたＣＡＤデータを利用することができ
る。さらに、対象物品の内部に孔が存在する場合には、
各特徴点の記憶した位置情報と映像から算定した位置情
報を比較することによって対象物品の位置と向きを確定
した後、ＣＡＤデータに基づいて対象物品の内部に存在
すべき孔の位置を推定して、そのあるべき位置の上に撮
像デバイスを移動させて、孔の計測を行うようにするこ
とができる。また、所定位置において対象物品を検出し
たときに、対象物品を静止させて撮像デバイスが対象物
品の２次元映像取得を開始するように構成することがで
きる。

【００１０】上記課題を解決するため、本発明の物品形
状計測装置は、対象物品を載せる物品載置台と、載置台
の上面に対向するように設けられ、物品の少なくとも一
部分の２次元映像情報を生成する２次元撮像装置と、２
次元撮像装置を物品載置台上面に対してほぼ平行な平面
内で移動させ、その移動量を出力する撮像位置制御装置
と、取得した２次元映像情報を論理処理して対象物品の
輪郭における局所的な特徴点を抽出する画像処理装置
と、抽出された特徴点の撮像面を基準とする座標と２次
元撮像装置の移動量とから各特徴点の位置または特徴点
相互の位置関係を算出する演算処理装置を備え、撮像位
置制御装置により２次元撮像装置を画像処理装置が検出
した対象物品の輪郭に沿って自動的に周回させつつ順次
対象物品の２次元映像情報を取得して特徴点を抽出し、
演算処理装置により特徴点の撮像面基準座標位置と２次
元撮像装置の移動量とから求めた各特徴点の載置台基準
座標位置または特徴点相互の関係位置から特徴点相互の
位置関係を算出し、取得した複数の特徴点の相互位置関
係に代表される対象物品の形状を計測するものであるこ
とを特徴とする。本発明の物品形状計測装置は、また、
対象物品を加工するためのＣＡＤデータを処理した形状
特徴点データを記憶する記憶装置を備え、形状特徴点デ
ータと取得した対象物品の特徴点相互位置関係とを比較
して対象物品の加工仕上げ合否を判定するように構成さ
れていて良い。さらに、本発明の物品形状計測装置は、
物品載置台が対象物品を搬送するベルトコンベアを有
し、物品載置台の所定の位置にベルトコンベア上の物品
を検出するセンサを備えて、そのセンサが物品を検出す
ると物品の搬送を停止し、２次元撮像装置による物品の
撮影を開始するように構成することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の物品形状計測方法では、
撮像デバイスで対象物品の一部分を撮影して、その部分
の映像から局所的な形状特徴点を抽出し、その特徴点の
座標を求める。板状物品を対象とするときには、座標系
は２次元座標系であれば足り、座標面は撮像デバイスの
画面にとっても、計測装置中の適当な平面にとっても良
い。また、特徴点としては、例えば物品の輪郭線に交差
する２本の直線が存在するならば、その交点を用いるこ
とができる。このような交点は物品の輪郭形状における
頂点である場合もあれば、両直線の延長線が物品の外部
あるいは内部で交わる仮想的な点である場合もあるが、
いずれも特徴点として利用することができる。また輪郭
が曲線を有するときには、その曲率中心や変曲点、ある
いは最も曲率半径が小さい頂点などが利用できる。な
お、特徴点は、撮像デバイスの取得する１画面内の情報
では足らず複数の画面にわたる情報を総合して始めて抽
出できる場合もあるが、このような場合にも抽出アルゴ
リズムは本質的に同じものとなる。

【００１２】次いで、撮像デバイスを移動して別の部分
を撮影し、その部分における局所的な特徴点を抽出して
座標を求める。先の特徴点の座標値と今回抽出された特
徴点の座標値に別途与えられる撮像デバイスの移動量を
勘案して、両特徴点間の相対的位置関係を算定する。両
者の相対的位置関係は、物品が静置されている載置台に
対するそれぞれの特徴点の座標を算定することでも求め
られる。撮像デバイスは、例えばＸＹテーブルなどの、
正確に移動量を知ることができる装置を利用して載置台
に対して平行な平面内を２次元的に移動される。対象物
品の特徴点を落ちなく拾うためには、撮像デバイスを対
象物品の輪郭に沿って移動させて形状情報を連続的に取
得することが好ましい。例えば、画面内の物体映像の輪
郭を辿って画面の枠に達した点が次の画面の中心付近に
来るようにＸＹテーブルを駆動するようにすると、必ず
連続した輪郭情報を取得することができる。この方法で
は、物品内部に孔が存在するような場合にも、外側の輪
郭だけを辿ることができる。また、一つの画面中に複数
の輪郭線が現れている場合にも、現在辿っている部分に
つながっている部分だけを対象とするから、情報処理が
簡便になる効果がある。なお、撮像範囲がある程度大き
い場合には、対象物品の周囲を厳密になぞらなくても必
要な情報を取得することが可能である。また、長い直線
部分では途中の映像を省略することも可能である。

【００１３】このようにして対象物品の特徴点を順次に
抽出し座標を算出していくと、やがて最初に抽出した特
徴点と同じ座標値を有する特徴点が捕捉される。このと
きに撮像デバイスが物品の外郭を一周して物品形状の特
徴点を全て探り終えたことになる。輪郭を順次なぞるよ
うにして形状測定する場合は、初めの画像において物品
輪郭上に任意の点をとって基準点とし、その座標を算出
して記憶しておいて、取得した２次元映像中に基準点と
同じ座標を有する点が再度現れたときをもって物品輪郭
の周回を完了したと判定するのであっても良い。これら
特徴点の集合は対象物品の形状を代表するものとなる。
ここで例えば、適当な特徴点を原点とし別の適当な特徴
点がＸ軸上に来るように座標を変換すれば、等価的に物
品の位置と姿勢を基準位置に合わせることになり、物品
の形状および寸法がより容易に判定できるようになる。

【００１４】また、これら実測した特徴点の座標値をあ
るべき完成品すなわち基準品の特徴点配置に照らし合わ
せることにより、対応する点の位置のずれの程度から対
象物品の加工精度を評価することができる。なおこの
時、対象物品は姿勢や位置を厳格に決めていないので、
上下逆さまになったり、表裏が逆になっている場合もあ
る。従って、基準品との対比を取るためには、両者を同
じ位置・姿勢に据えて比較する必要がある。そこで、特
徴点の近傍における特性を表す属性を付加情報として用
いると、対象物品と基準品を比較するために対象物品を
基準品と同じ位置・姿勢に直して照合することが格段に
容易になる。属性とは、特徴点の近傍の状態を分類して
表したものをいい、測定したデータから容易に判定でき
かつ基準品の形状データから容易に決められるものであ
ることが好ましい。属性として色々な指標が利用できる
が、例えば、対象物品の映像中で特徴点を中心とする小
さな半径の円に沿って物品の存否を検出して物品の存在
比率に基づいて定めることができる。このように決めた
特徴点の属性を加味して測定対象物品の特徴点配列と予
め記憶された基準品の特徴点配列を対比すると、個々の
位置情報を詳細に参照しなくても、特徴点が出現する順
に属性情報を並べて比較するだけで、両者を同定して対
応点を特定することが可能となる場合がある。

【００１５】製品検査では、測定対象物品と基準品の特
徴点同士の座標値の偏差や特徴点間の距離あるいは特徴
点を結ぶ線のなす角の偏差など形状を左右する指標につ
いて許容範囲内にあるかを検証し、いずれか一つでも許
容範囲を逸脱していればこの物品は不良と判定される。
また、個々のデータが許容範囲内にある場合にも、さら
に残差が所定の値以上である場合は不良とみなされる。
ここで残差とは、上記特徴点毎に求められる偏差の絶対
値や自乗値を全特徴点について加えた総和をいう。な
お、残差は、偏差について単純に積算するのでなく項毎
に適当な荷重値を掛けてから加えるようにすると、目的
により適合する判定指標とすることができる。

【００１６】なお、物品内部に鑽孔されている孔につい
て測定や検査をする場合には、上記のようにして外形情
報から対象物品の姿勢位置を明らかにした上で、ＣＡＤ
データから求めた形状情報からその孔があるべき位置を
算出し、撮像デバイスをその位置上に移動させて映像を
取得し、実際に開けられた孔の位置と形状を測定して良
否の判断を行うことができる。

【００１７】本発明の物品形状計測方法は、撮像デバイ
スの方を移動させてその移動量を加味して位置情報を取
得するものであり、撮像デバイスの解像度が比較的小さ
くても撮像する範囲を小さくして必要な測定精度を確保
することができる。また、局所における特徴点を抽出し
てその座標値あるいは点間距離や方向など特徴点相互の
位置関係を求め、これら座標データ等だけを利用して形
状判断を行うものであるため、テンプレートを使用する
ときのように輪郭全周にわたる連続的な軌跡情報を必要
とせず、演算処理も容易であり、高度な演算処理装置も
大きな記憶容量も必要としない。

【００１８】なお、検査対象がＣＡＤで製作した製品で
ある場合には、物品形状に関する完璧な情報がＣＡＤデ
ータに含まれている。しかし、ＣＡＤデータは切削の手
順を指示するものであって製品形状を全体像として捉え
るためには必ずしも適当でない。従って、従来は一旦基
準品を実作しこれを検査機にかけることにより基準品の
寸法を検査機に入力していた。ところが、本発明の形状
計測方法を用いる場合には、上記特徴点の座標等はＣＡ
Ｄデータから直接に簡単な演算で求めて加工精度の判定
に利用することができ、従来のように基準品を実作した
りする手間が不要となる。また、少量生産品について
も、製品を加工する際に使用したＣＡＤデータを取り込
んで基準情報とすればすむから、容易に検査装置を構成
することが可能となる。こうしたＣＡＤデータは検査装
置の記憶装置に予め収納しておくこともできるが、別途
外部に構築したデータベースから必要に応じて取り込む
ことも可能である。

【００１９】また、多数の製品について製品検査する場
合には、コンベアを用いて連続的に検査を実施すること
ができる。コンベアにより製品を検査位置に送り込む
と、撮像デバイスの直下に到達したところをセンサーが
検出してコンベアを止め、撮像デバイス下の任意の位置
に任意の姿勢で存在する製品の周辺を撮像デバイスが周
回しながら製品の部分部分の映像を適当数取得すると、
画像処理装置等で各局所的特徴点を抽出し座標値を算出
し、これら特徴点の座標値の群から製品の良否を判定す
る。判定が終了するとコンベアが動いて、検査済みの製
品を検査位置から搬出し次の製品を搬入する。検査済み
の製品はその判定結果に従って、良品ラインと不良品ラ
インに仕分けされる。

【００２０】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の形状計測方法と
形状計測装置の一実施例に基づいて本発明をさらに詳細
に説明する。本実施例は、本発明の形状計測方法をＣＡ
Ｄデータに基づき製作した板状物品を検査する検査装置
に適用したものである。図１は本発明の形状計測装置を
適用した板状物品の検査装置のブロック図である。図１
において、検査装置には製品１を検査位置に搬送してく
るベルトコンベア２が備えられている。ベルトコンベア
２には一側に発光器３が、発光器３に対向する他方の側
に光センサー４が備えられていて、物品センサーを構成
している。発光器３から出射される赤外光はベルトコン
ベア２の上面すれすれに走行して光センサー４に入射す
るようになっている。ベルトコンベア２上に物体が存在
すると、光線を遮断して光センサー４の出力が変化する
ので、物体の存否が検知される。

【００２１】また、ベルトコンベア２の上方に、ベルト
の横断方向に駆動するＸ軸、移動方向に駆動するＹ軸を
有するＸＹステージ５を備えている。ＸＹステージ５は
ベルト上面に対向するように真下に向けて備えられた２
次元ＣＣＤカメラ６を搭載し、これをベルト面に平行な
面内で移動させることにより撮像位置を制御する。ＸＹ
ステージ５の各軸には図示されていないエンコーダが備
えられていてＣＣＤカメラ６の各軸方向の移動量が正確
に測定できるようになっている。

【００２２】画像処理装置７は、ＣＣＤカメラ６の映像
出力を受けて、画面中の各画素における濃淡情報である
映像出力を処理し画像中に表れた物品の輪郭線を検出
し、さらにこの情報から輪郭線の特性を抽出する。画像
中から輪郭線を検出する手法や輪郭線に現れる直線や曲
線の性質を調べる手法には色々ある。例えば輪郭線から
直線セグメントを検出してその式を求める方法としてハ
フ(Hough)変換が良く知られている。なお、ハフ変換は
メモリーコストや時間コストを厭わなければ曲線等の検
出にも使用することができる。

【００２３】演算処理装置８は、画像処理装置７で求め
られた輪郭線中の直線等についての情報を取り込んで、
直線同士の交点や曲線部の曲率など局所的な特徴を抽出
する。本実施例では直線同士の交点を特徴点として利用
するので、画像処理装置７で求めた輪郭中に存在する直
線の式から交点位置、すなわち特徴点の座標を求める。
特徴点の座標が決まったら、画像処理装置７に戻り、特
徴点を取り囲む近傍領域について物品が占める割合を算
出して、各特徴点の属性を確定する。

【００２４】これらの処理が終わると、駆動制御装置９
を介してＸＹステージ５を駆動してＣＣＤカメラ６が次
の画面を取り込むようにする。画面内の物体映像の輪郭
線が画面の枠でカットされた点が次の画面の中心付近に
来るようにＸＹテーブルを駆動する。この時、輪郭線が
画面内に２本以上ある場合にもその画面の処理を始めた
ときに辿っていた輪郭線だけを対象として、他の輪郭線
は問題にしない。一筆書きの線をなぞると同じことで、
画面内で繋がっていない輪郭線はカメラを移動しながら
辿っていく内にいずれ到達するからである。このように
カメラを移動すれば、画面は必ず重複しながら輪郭線を
捉えるから輪郭中の特徴点を見逃すことがない。ＣＣＤ
カメラ６の移動量はＸＹステージ５のＸ軸とＹ軸のアー
ムに設けたエンコーダで測定され、演算処理装置８にお
ける特徴点位置の算出に用いられる。位置算出の精度は
ＣＣＤカメラとエンコーダの分解能のうち低い方に制約
されるため、両者の仕様が整合するように選択してあ
る。なお、ＸＹステージの駆動がステップモーターで行
われる場合は、エンコーダによらずに駆動パルスをカウ
ントして移動量を知るようにすることができる。

【００２５】駆動制御装置９はまた光センサー４の物品
検出信号を入力して、物品の存在を検出したときにベル
トコンベア２の動きを止め、対象物品の測定を終了した
ときにベルトコンベア２を動かすようにコンベア駆動モ
ータ１０を制御する。演算処理装置８がＣＣＤカメラ６
により取り込んだ物体映像から抽出された特徴点情報が
初めの画面から得られた特徴点情報と合致することを見
いだし、ＣＣＤカメラ６が対象物品の外周を一周して輪
郭測定に必要な情報を取得し終えた時に、駆動制御装置
９はＣＣＤカメラ６の駆動を停止する。演算処理装置８
はそれまでに取得した特徴点情報から、特徴点同士の距
離や特徴点を結ぶ直線間の角度など、特徴点相互の位置
関係を明らかにし形状を数量的に捉えることが可能にな
るような指標値を算出する。

【００２６】基準情報記憶装置１１は、対象物品を製作
するために作成されたＣＡＤデータに基づき演算・解析
して抽出された特徴点と、その特徴点について求められ
物品の形状を基準とする適当な座標系で表現された座標
と特徴点相互の位置関係および属性とを記憶する。また
部材の内部に孔があるときには孔の位置や寸法、たとえ
ば円孔のときには中心と半径、の情報を記憶する。これ
らのデータは製品の良否判定の基準となる。ＣＡＤデー
タはＮＣ工作機械による切削を指示するためのデータで
あるから、必ずしも特徴点が表だって現れていない。例
えば、直線部も一方の端点と他方の端点を指定すれば足
りるので、延長上の交点は示されない。しかし、ＣＡＤ
データ中の２点の位置情報からその２点を結ぶ直線の方
程式を求め、その延長が他の直線と交差する点を求める
ことは容易である。また、こうした特徴点の周囲を物品
が占める割合を求めることもできるから、属性値を得る
ことも可能である。なお、座標系としては、適当な頂点
を原点とし、頂点に会する直線を主軸とする直交座標や
極座標が、後の工程のために便利である。

【００２７】比較判定装置１２は、対象物品を周回して
完成した輪郭全体について演算処理装置８が抽出した特
徴点と、その特徴点の座標や特徴点相互の位置関係を表
す指標値および属性のデータを受け取って、基準情報記
憶装置１１に記憶された基準データと対比し、特徴点同
士の対応関係を見いだして対象物品の位置・姿勢と記憶
された基準データを整合させて合否を判定する。このと
き、特徴点の属性に注目すると、両者の特徴点の属性値
が同じ順に出現するような部分が発見されればその部分
が対応関係にあるとみることができる。また対象物品が
裏を向けているときには属性値の並びが逆になるから、
直ちに判定が付く。このように、特徴点の属性は測定デ
ータと基準データを整合させるときに役に立つ指標とな
る。

【００２８】製品の検査は、所定の特徴点間の距離や角
度関係を調べてこれらのいずれかがが予め決められた許
容範囲を越えていれば不合格とする。それぞれの位置関
係が全て許容範囲に収まる場合にも、ずれが一方に偏っ
たりするときには不良品として排除しなければならない
場合がある。このような不良品を検出するために、個々
の特徴点位置関係における基準データとのずれの絶対値
をとり、この絶対値の積算値がある閾値を越えないこと
を確認している。ここで絶対値の積算値の代わりに二乗
値の積算値を平方した値を用いても良い。なお、特徴点
位置関係に重み付けするため項毎に適当な荷重値を決め
てこれを掛けた上で積算するようにすると、製品等級に
よく対応する指標とすることができる。

【００２９】また、材料の内部に存在する孔を検査する
場合には、上記の外形検査で合格した物だけを対象と
し、基準データに表された孔の位置を検査位置におかれ
た対象物品の座標に変換して求めた位置にＣＣＤカメラ
６を移動して画像を取得し、画像処理をして孔があるべ
き位置・形状とどれだけずれているかを測定する。この
ずれが許容値を越えていれば不良品であり、許容値を超
えなくとも他の特徴点位置関係におけるずれと積算して
閾値を越えていれば不合格となる。

【００３０】仕分け装置１３は、比較判定装置１２によ
る良否判定結果に従って、ベルトコンベアの下流に設け
た図示されていないゲートを制御し、製品を良品ライン
と不良品ラインに仕分けする。なお、上記説明において
画像処理装置７、演算処理装置８、駆動制御装置９、比
較判定装置１２、基準情報記憶装置１１等がそれぞれ独
立した装置のように記載したが、これらは必要な機能を
適宜統合・分割した１個あるいは複数の装置からなって
いて良いことは勿論である。

【００３１】図２は本発明の形状計測方法の手順を説明
するフローチャートである。検査を開始するときには
（Ｓ１）、検査対象の製品１を予め特定し、その製品の
製作に用いたＣＡＤデータを中央のデータベースから取
り込む（Ｓ２）。製品１の特定は、操作員が設計番号な
どをキーボードから入力する方法以外にも、製品に付し
た形式等を表わす文字をカメラで捉えて映像から機械判
読したりバーコードを用いて自動的に入力することも可
能である。取り込んだＣＡＤデータから特徴点として直
線同士の交点を計算し、属性としてその交点近傍の状態
を解析して分類し属性値を定めて、これらを基準情報記
憶装置１１に記憶する（Ｓ３）。これら基準情報は検査
対象となりうる製品が決まっている場合には予め基準情
報記憶装置１１に記憶させておくこともできる。

【００３２】ここで、図３は物品輪郭の特徴点とその属
性の一例を説明する概念図である。図３は、６個の辺２
１〜２６を有するほぼ６角形をした図形２０から抽出す
る特徴点３１〜４１を示している。特徴点としては、相
隣る辺同士の交点と１個おきに取った辺の内平行でない
辺同士の交点を採用している。なお、図形２０の内部に
は円孔３０が存在する。属性については、物品輪郭の直
線部分の延長線が交差する点のように周囲が空間である
場合の属性値を０とし、物品の凸部の頂点で直線部分が
交差する場合を１とし、凹部の頂点で交差する場合を２
とし、交差点が物品の内部にあるときを３と決めてい
る。この属性値は、特徴点を中心とする小さな半径の円
に沿った物品の存在比率を求めることで決定できる。こ
のようにして求めた属性を特徴点が出現する順に並べて
比較すると、対象物品と基準品の特徴点配列を同定して
対応点を特定できる場合がある。

【００３３】辺２１が辺２６と交わる点３１は頂点の切
り欠き部分にあるので属性値は０であり、辺２２と交わ
る点３２は円状突起部にあり点近傍全周が物体であるの
で属性値は３である。また、辺２１が辺２３と交わる点
３３も物品の外部にあるので属性値は０である。また辺
２２が辺２３と交わる点３４は頂点にあるので属性値は
１であり、辺２２が辺２４と交わる点３５は空中で交差
するので属性値は０である。辺２２は辺２５と点４２で
交わるが、辺２２と辺２５の間には辺が２個挟まれてい
るので対象としない。できるだけ小さな部分の形状から
特徴点を抽出することが演算処理上好ましく、また特徴
点をあまり沢山使用しても演算が煩雑になる割には対応
付けを容易にすることにはならないからである。同様に
して、図中かっこ内に示したように、特徴点３６、３
８、４０の属性値は１、特徴点３７、３９、４１の属性
値は０となる。これら属性値を特徴点の順に並べると０
３０１０１０１０１０という数列ができる。この図形と
対応するＣＡＤデータを用いて製作した製品を検査機に
掛けて抽出した特徴点の属性値数列が、例えば１００３
０１０１０１０であるならば、特徴点２個分だけ時計方
向に回転させると製品の姿勢と基準情報とが対応するよ
うになって、特徴点位置の偏差を算定することが可能に
なる。

【００３４】さて図２に戻り、検査が開始されると、ベ
ルトコンベア２が駆動され、ベルト上に搭載された製品
１が検査位置に搬送されてきて、発光器３から出射して
ベルトコンベア２を横切る赤外線を遮るところを光セン
サー４が検出する。製品１はベルトコンベア２に供給す
るときに整列させないので検査位置に到達したときのコ
ンベア上の位置も姿勢も不定で、上下左右・表裏も定ま
っていない。物品センサーが製品１の先端が検査位置に
達したことを検出すると、ＸＹステージ５がＸ軸アーム
を駆動して、原点位置近くに対比していたＣＣＤカメラ
６を物品センサーの検出線に沿って移動して、映像画面
中に製品１の部分の画像を捉えるようにする。

【００３５】この位置でＣＣＤカメラ６が製品１の２次
元画像を取り込む（Ｓ４）。画像処理装置７が２次元の
映像信号を画像処理して画面における製品の輪郭線位置
を確定し、輪郭線上の点についてハフ変換を施して直線
要素を抽出する（Ｓ５）。抽出された直線は基準とする
原点からの距離と傾き角、あるいは主軸における切片と
いう形で与えられる。従って、特徴点として抽出された
直線同士の交点の位置を求めることは容易である。ＣＣ
Ｄカメラ６の位置はＸＹステージ５の位置測定機能によ
り正確に把握されているので、上記特徴点の位置はＸＹ
ステージを基準とする座標上に定めることが可能であ
る。また、ＣＣＤカメラ６を移動したときの移動量も同
様にＸＹステージ５により正確に把握されるので、特徴
点位置を各画面を基準とした座標として求めた上でカメ
ラの移動量を加えて特定することもでき、これらは単な
る手順の差で全く等価である。

【００３６】次に、特徴点の近傍を物品が占めるか空間
が占めるかを検出し、その割合を算出して分類し属性値
にする。すなわち、１００％空間が占めれば属性値は０
であり、半分以上であれば１、半分以下であれば２、全
く物品が占めれば３とする。このようにして、特徴点の
位置と属性を算出する（Ｓ６）。

【００３７】さらに、ＣＣＤカメラ６が製品１の周囲を
一周したかを確認する（Ｓ７）。まだ一周していない場
合には取得した２次元映像における物品の輪郭線が画面
の端で遮られている点の座標を求めてＸＹステージ５を
駆動し、ＣＣＤカメラ６の撮像位置を移動して新しい画
面の中心部分にその点が来るようにして（Ｓ８）、ＣＣ
Ｄカメラ６により製品１の新しい部分の２次元画像を取
り込み（Ｓ４）、その部分の輪郭線から直線を抽出し
（Ｓ５）、特徴点とその属性を算出し（Ｓ６）、再び製
品１の周囲を一周したかを確認する（Ｓ７）。それでも
まだ一周していない場合には再び同じ工程を繰り返す。

【００３８】図４は上述したＣＣＤカメラ６の移動方法
を説明する図面である。始めに取得したＣＣＤカメラ６
の２次元映像が画面Ｐ１であるとすると、映像中の物品
１の輪郭線が画面の稜線５１で遮られた点５２を読みと
って、ＣＣＤカメラ６の光軸が点５２付近に来るように
ＸＹステージ５を駆動する。このときの移動量はＸＹス
テージ５のエンコーダにより正確に測定されている。こ
こで取得した画面Ｐ２は輪郭線上の点５２をほぼ中央に
据えて対象物品の輪郭部分を捉えた映像になっている。
同様にして、輪郭線の端点５３、５４、・・・を次の画
面Ｐ３、Ｐ４、・・・の中央に据えるようにＣＣＤカメ
ラ６を順次移動しながら映像を取得する。追跡中の輪郭
部分と不連続な輪郭線が画面中に現れる場合にも、追跡
中の部分と連続しない部分は無視して端点を決定してカ
メラを移動すればよい。不連続部分も物品の外郭線であ
る限り、やがて別の画面中で追跡対象となるからであ
る。製品１の周囲を一周し終えたか否かは、取得した画
面Ｐｎから抽出して求めた特徴点情報に検査の始めにＣ
ＣＤカメラ６が取得した画面Ｐ１で求めた製品１の部分
の特徴点情報と一致するものがあるかを調べれば判定で
きる。また、始めに取得した画像中の適当な位置６０の
座標を求めておき、現在取得している画像中にその位置
が含まれるかによっても判定することができる。

【００３９】製品１の周囲を一周し終えた場合は、取得
した情報に基づいて製品良否の判定を行う（Ｓ９）。そ
れまでに取得した全ての特徴点の位置と属性値を基準情
報の特徴点位置と属性値と対比し、両者の配置関係が一
致する位置を見いだして、対応関係を特定する。先に図
３を用いて説明したように、属性値の出現順を参考にす
ると比較的容易に対応関係を発見することができる。こ
うして見いだされた対応関係に基づいてベルトコンベア
２上の製品１の位置・姿勢が算定され、基準情報の原点
と主軸の位置が対象物品の対応点と対応輪郭線に合致す
るように基準情報座標を座標変換して、両者をマッチン
グさせる。

【００４０】次に、特定の特徴点同士の距離や特徴点を
結ぶ直線間の角度のずれ、すなわち偏差を算出する。こ
れら偏差は形状に従って予め許容範囲が規定されている
ので、その範囲を越えていないことを確認する。もし許
容範囲を越えるものがひとつでも存在すればそれを発見
した時点で製品は格外品と判定できるので検査は終了す
る。全ての偏差が許容範囲内にあるときには、偏差の絶
対値をとって積算してその総和が予め決めた閾値を越え
ないか判定する。ひとつずつは許容できる偏差であって
も、許容範囲ぎりぎりのものがいくつもある場合とか対
向する偏差が競合して実質的な偏差としては大きくなる
場合など、複合すると許容できない場合があるからであ
る。製品の良否に大きく影響する項目の比重を大きくす
るために項目により適当なウェートを掛けて積算して判
定するようにしても良い。

【００４１】上記検査で外形の加工について合格したも
のについては、内部に鑽孔した孔３２について検査する
（Ｓ１０）。上記手順により、物品の実際の位置と姿勢
が定まりかつ基準情報と現物をマッチングして対応位置
が分かっているから、演算処理装置８により設計上物品
内部に鑽孔された孔のあるべき位置が算定できる。図４
中に点線で表されたように、ＸＹステージ５によりＣＣ
Ｄカメラ６をその位置に移動させて映像を取得して、そ
の実際の位置と寸法を測定することが可能である。穴の
形状に制約はないが、円孔の場合には中心座標と半径の
精度で工作の良否が判定できる。複数の孔が存在すると
きは順次定位置にカメラを移動させながら基準情報と実
際の映像との偏差を検出して良否を判断する。

【００４２】比較判定装置１２が上記情報を統合して総
合的に製品の合否を判断して（Ｓ１１）、判定結果を仕
分け装置１３に伝えて、コンベア２を駆動して製品１を
検査位置から排除すると、仕分け装置１３が判定結果に
従って製品を良品ラインと不良品ラインに仕分けして、
検査は終了する（Ｓ１２）。ベルトコンベア２には既に
次の製品１’が搭載されていてこれが検査位置に搬送さ
れてくるので、検査装置は製品１’の型式番号等に準拠
して対応するＣＡＤデータを取り込んで基準情報を生成
するか、既に記憶してある基準情報から選んで、検査工
程を開始する。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したとおり、本実施例の形状計
測方法を用いた検査では、対象物品の外周を一周しなが
ら、物品の部分的な画像から写っている部分の局所的な
特徴点を抽出し、撮像デバイスの移動量を加味して特徴
点の位置等を特定し、対象物品の計測・検査するもので
あるため、計測・検査の精度は撮像デバイスの視野・分
解能や対象物品のサイズに左右されない。抽出するのは
特徴点だけで、その位置関係をＣＡＤデータから得られ
た特徴点と比較することにより対象物品の位置姿勢外形
寸法の計測しあるいはさらに検査を行う方式であり、メ
モリ容量と計算コストを大幅に節約できる。なお、本発
明の計測方法では、対象物品の輪郭に互いに平行でない
３本以上の直線成分が含まれていれば、検査が可能であ
る。また、検査の基準とするＣＡＤデータは、検査対象
毎に対応するものを取り込むように構成することができ
るから、多品種少量生産品の検査に用いることができ
る。

【００４４】さらに、ＣＡＤで平板を加工して得た板状
物品を決められた検査位置に据えて検査するが、この時
の物品の位置と姿勢は不定であってもよい。なお、大型
部材を扱う場合には、ベルトコンベアで搬送するかわり
に別途特別な台車等を用いて検査位置に据えるようにす
る必要がある。従来、対象物品を決められた位置姿勢に
正確に据えること自体が大変な労力を要求する作業であ
ったが、本実施例の方法においては対象物品の位置や姿
勢が不定であっても正確な測定と検査が可能であるか
ら、物品の据え付けに細かい神経を用いる必要がなくな
った。外形のみならず物品内部に鑽孔された穴の形状と
位置についても合否判定する必要がある場合があるが、
本実施例においては、対象物品とＣＡＤデータと対応を
とった後でＣＡＤデータに基づいて穴のあるべき位置を
算定し、実際の対象物品の対応位置にＣＣＤカメラを移
動して２次元映像を取得し、画像処理して穴の実際の位
置や寸法を検査することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の形状計測装置を適用した板状物品の検
査装置のブロック図である。

【図２】本発明の形状計測方法の手順を説明するフロー
チャートである。

【図３】本発明における物品輪郭の特徴点と属性の一例
を説明する概念図である。

【図４】本発明におけるＣＣＤカメラの移動方法を説明
する図面である。

【符号の説明】

１ 製品 ２ ベルトコンベア ３ 発光器 ４ 光センサー ５ ＸＹステージ ６ ＣＣＤカメラ １０ 駆動モータ ２０ 基準図形 ２１、・・・、２６ 辺 ３０ 穴 ３１、・・・、４１ 特徴点 ５１ 画面の稜線 ５２、５３、・・・ 輪郭線の端点 ６０ 画面中の任意の点 Ｐ１、Ｐ２、・・・ 画面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷口 徹 千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工 業株式会社 野田工場内 (72)発明者 加藤 征也 千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工 業株式会社 野田工場内 (72)発明者 大杉 章生 千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工 業株式会社 野田工場内 (56)参考文献 特開 平７−129755（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−288500（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−203913（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−236316（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−194607（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G06F 17/50 G06T 1/00 - 9/20

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の位置に据えた対象物品を撮像デバ
   イスで撮像して取得する２次元映像を画像処理して該対
   象物品の平面形状を計測する方法において、 該撮像デバイスにより該対象物品の部分の２次元映像を
   取得し、 該２次元映像の対象物品輪郭線を検出し、 該輪郭線における特徴点を抽出して該特徴点の座標を算
   出した後、 該撮像デバイスを対象物品の輪郭線に沿って移動して対
   象物品の別の部分の２次元映像を取得し、該別の部分の
   輪郭線における別の特徴点を抽出しその座標を算出し、
   その座標情報と撮像装置移動量とから該別の特徴点の位
   置を算定する工程を、取得した２次元映像が初めに抽出
   した基準点を含むようになるまで繰り返して、算出した
   複数の特徴点位置の相互関係によって対象物品の形状を
   代表することを特徴とする物品形状計測方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の物品形状計測方法であっ
   て、 前記対象物品の有すべき輪郭形状を処理して求めた特徴
   点の位置情報を予め記憶して、該記憶した位置情報と前
   記抽出して算定した各特徴点の位置情報と比較して、対
   象物品の位置と向きを該記憶した位置情報と対応させて
   比較し、該対象物品の寸法精度を算定することを特徴と
   する物品形状計測方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の物品形状計測方法であっ
   て、 前記特徴点の位置情報として、該特徴点の近傍における
   性質を表す属性を含むことを特徴とする物品形状計測方
   法。
4. 【請求項４】 請求項２または３に記載の物品形状計測
   方法であって、 前記抽出して算出した各特徴点の位置情報と記憶した位
   置情報との差を総合した残差に基づいて対象物品の寸法
   精度を推定することを特徴とする物品形状計測方法。
5. 【請求項５】 請求項２ないし４のいずれかに記載の物
   品形状計測方法であって、 前記対象物品の有すべき輪郭形状の情報が該対象物品の
   加工に用いたＣＡＤデータであることを特徴とする物品
   形状計測方法。
6. 【請求項６】 請求項５記載の物品形状計測方法であっ
   て、 前記各特徴点の記憶した位置情報と算定した位置情報を
   比較することによって前記対象物品の位置と向きを確定
   した後、前記ＣＡＤデータに基づいて該対象物品の内部
   に存在すべき孔の位置を推定して、該位置上方に前記撮
   像デバイスを移動させて、該孔の計測を行うことを特徴
   とする物品形状計測方法。
7. 【請求項７】 請求項１記載の物品形状計測方法であっ
   て、 所定位置において前記対象物品を検出したときに、該対
   象物品を静止させて前記撮像デバイスによる該対象物品
   の２次元映像取得を開始することを特徴とする物品形状
   計測方法。
8. 【請求項８】 対象物品を載せる物品載置台と、 該載置台上面に対向するように設けられ、物品の少なく
   とも一部分の２次元映像情報を生成する２次元撮像装置
   と、 該２次元撮像装置を前記載置台上面に対してほぼ平行な
   平面内で移動させ、その移動量を出力する撮像位置制御
   装置と、 前記２次元映像情報を論理処理して前記物品の輪郭を検
   出する画像処理装置と、 該物品輪郭情報から輪郭における局所的な特徴点を抽出
   して、前記抽出された特徴点についての撮像面を基準と
   する座標位置と前記２次元撮像装置の移動量とから各特
   徴点の載置台を基準とする座標位置または特徴点相互の
   関係位置を算出する演算処理装置とを備え、 前記撮像位置制御装置により前記２次元撮像装置を前記
   画像処理装置が検出した前記対象物品の輪郭に沿って自
   動的に周回させつつ順次前記対象物品の前記２次元映像
   情報を取得して特徴点を抽出し前記演算処理装置により
   特徴点の撮像面基準座標位置と前記２次元撮像装置の移
   動量とから求めた各特徴点の載置台基準座標位置または
   特徴点相互の関係位置から特徴点相互の位置関係を算出
   し、 取得した複数の特徴点位置の相互関係により代表させた
   該対象物品の形状を計測する物品形状計測装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の物品形状計測装置であっ
   て、 さらに、前記対象物品を加工するためのＣＡＤデータを
   処理した形状特徴点データを記憶する記憶装置を備え、
   該形状特徴点データと取得した前記対象物品の特徴点位
   置相互関係とを比較して該対象物品の加工精度の合否を
   判定することを特徴とする物品形状計測装置。
10. 【請求項１０】 請求項９記載の物品形状計測装置であ
    って、 前記物品載置台が前記物品を搬送するベルトコンベアを
    有し、該物品載置台の所定の位置にベルトコンベア上の
    物品を検出する物品センサを備えて、該物品センサが物
    品を検出すると物品の搬送を停止し、２次元撮像装置に
    よる物品の撮影を開始するように構成したことを特徴と
    する物品形状計測装置。