JP3013255B2

JP3013255B2 - 形状測定方法

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Publication number: JP3013255B2
Application number: JP2147782A
Authority: JP
Inventors: 泰作橋本
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1990-06-06
Filing date: 1990-06-06
Publication date: 2000-02-28
Anticipated expiration: 2015-02-28
Also published as: JPH0440573A

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、上記画像データの光部分上に任意の距離の２点をとっ
て、これら２点を結ぶ直線と光部分とで囲まれた部分の
面積を演算し、これら２点を光部分上を距離を一定に保
った状態で順次移動させて、上記面積の演算値が所定の
しきい値の一方の側から他方の側に変化するときの２点
の一方の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。

第４図において、光部分（H1）上に任意の距離の２点
（Ａ）（Ｂ）をとって、これら２点（Ａ）（Ｂ）を結ぶ
直線と光部分（H1）とで囲まれた部分の面積を演算する
と、２点（Ａ）（Ｂ）が両方とも直線部（L1）上にある
ときは、面積はほぼ０であるが、それ以外のときは、面
積に正の値が現われる。したがって、０に近いしきい値
を設定して、上記２点を光部分（H1）上を距離を一定に
保った状態で順次移動させ、上記面積の演算値が所定の
しきい値の一方の側から他方の側に変化するときの２点
の一方の点を求めることにより、変曲点（RS）を検出す
ることができる。上記のような面積に基づいて判断する
ので、しきい値の設定に余裕があり、細かい調整が可能
で、ノイズに強く、精度の向上が図れる。

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、測定台（２）にのせら
れる。測定台（２）は、上下２段の水平面すなわち上側
の第１水平面（2a）と下側の第２水平面（2b）の間に垂
直な基準面（2c）が形成されたものである。そして、パ
ネル（１）は、第１平面（1a）が水平かつ第１水平面
（2a）と同じ高さになり、かつ第２平面（1b）が基準面
（2c）と平行になるように、第２水平面（2b）上にのせ
られる。

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、測定台（２）およびパネル（１）の表
面に真上から第１水平面（2a）および基準面（2c）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）に面する測定台
（２）およびパネル（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（Ｏ）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（Ｏ）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。

通常、テレビ画像の左側にはパネル（１）に当たった
光の部分（H1）、右側には測定台（２）に当たった光の
部分（H2）がそれぞれ表われる。なお、前者を第１光部
分、後者を第２光部分と呼ぶことにする。

第１光部分（H1）は、第１平面（1a）に当たった光の
部分に対応する第１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。第
１直線部（L1）の左端を第１始点（S1）、曲線部（C1）
の右端を第１終点（E1）、第１直線部（L1）から曲線部
（C1）に移る点（変曲点）をＲ始点（RS）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）側の一部しか写らない。したがって、
Ｒ始点（RS）は、第１平面（1a）から円筒面（1c）に移
る点すなわち実際の円筒面（1c）の始点と一致するが、
第１終点（E1）は、円筒面（1c）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）とは一致しない。

第２光部分（H2）は、第２図（ａ）のように表われる
場合と、同図（ｂ）のように表われる場合とがある。第
２図（ａ）の場合、第２光部分（H2）は、第１水平面
（2a）に当たった光の部分に対応する第２直線部（L2）
と、基準面（2c）に当たった光の部分に対応する第３直
線部（L3）とからなる。この場合、第２直線部（L2）の
右端を第２始点（S2）、第３直線部（L3）の左端を第２
終点（E2）、第２直線部（L2）から第３直線部（L3）に
移る点（変曲点）を折点（F2）と呼ぶことにする。第２
図（ｂ）の場合、第２光部分（H2）は、第１水平面（2
a）に当たった光の部分に対応する第２直線部（L2）だ
けからなる。この場合、第２直線部（L2）の右端が第２
始点（S2）、左端が第２終点（E2）であると同時に折点
（F2）となる。

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）（H2）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］、Ｚ［ｉ］およびＬ
［ｉ］を作って演算処理装置（６）に出力する。ｉは、
光部分（H1）（H2）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）（H2）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）（H2）のＺ座標値で
ある。Ｌ［ｉ］は、このｉ番目の水平走査線ｉ上の光部
分（H1）（H2）の輝度すなわち光の強度である。なお、
このような画像データのうち、第１光部分（H1）に対応
するものを第１データ、第２光部分（H2）に対応するも
のを第２データと呼ぶことにする。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。

この測定は、曲線部（C1）の画像データから円筒面
（1c）の終点（Ｒ終点）（RE）を検出して、第２平面
（1b）の位置を求め、これと基準面（2c）との間隔を求
めるものである。なお、前述のように、第１光部分（H
1）の曲線部（C1）には、円筒面（1c）に当たった光の
一部しか写っていない。このため、上記の測定において
は、曲線部（C1）の画像データより、回帰曲線を用いて
円筒面（1c）の形状を推定し、これによってＲ終点（R
E）を検出している。

第３図において、まず、画像処理装置（５）からデー
タを読込み（ステップ１）、データの再配置を行なう
（ステップ２）。次に、第２始点（S2）、第２終点（E
2）、第１始点（S1）および第１終点（E1）の検出を行
なう（ステップ３）。次に、折点（F2）の検出を行ない
（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、第２平面（1b）と基準面（2c）の間隔を計
算し（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データは、
光部分（H1）（H2）のある水平走査線番号ｉについての
Ｙ［ｉ］、Ｚ［ｉ］、Ｌ［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］、Ｚ［ｉ］およびＬ
［ｉ］を次のようにセットする。

Ｚ［ｉ］＝1000 Ｙ［ｉ］＝Ｌ［ｉ］＝０ステップ３のS2、E2、S1、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。

第３図のステップ４の折点（F2）の検出処理は、たと
えば次のようにして行なわれる。

すなわち、まず、第２データの平滑化を行ない、この
平滑データの１次微分および２次微分を行ない、さらに
この２次微分データの平滑化を行ない、この平滑データ
が所定値以下となる点を折点（F2）とする。

また、座標データを平滑化処理して、この平滑化デー
タの微分値が所定値以上となる点を第１仮折点として設
定し、上記座標データの微分値が所定値以上となる点を
第２仮折点とし、これら第１仮折点と第２仮折点の座標
の差が所定値以下になるまで第２仮折点を演算し、この
差が所定値以下になる第２仮折点を折点（F2）とするこ
とにより、折点（F2）を検出することもできる。

第３図のステップ５のＲ始点（RS）の検出処理の１例
を、第１光部分（H1）を表わす第４図およびその検出処
理のフローチャートを表わす第５図を参照して説明す
る。

第４図において、まず、曲線部（C1）上に任意の距離
の２点（Ａ）（Ｂ）をとって（ステップ11）、これら２
点（Ａ）（Ｂ）を結ぶ直線と光部分（H1）とで囲まれた
部分の面積を演算し（ステップ12）、これを所定のしき
い値と比較する（ステップ13）。面積の演算値がしきい
値以下になるまで、２点（Ａ）（Ｂ）を距離を一定に保
った状態で直線部（L1）側に少しずつ移動させる（ステ
ップ14）。そして、面積の演算値がしきい値以下となっ
たときの点（Ａ）をＲ始点（RS）とし（ステップ15）、
処理を終了する。

光部分（H1）上に任意の距離の２点（Ａ）（Ｂ）をと
って、これら２点（Ａ）（Ｂ）を結ぶ直線と光部分（H
1）とで囲まれた部分の面積を演算すると、２点（Ａ）
（Ｂ）が両方とも直線部（L1）上にあるときは、面積は
ほぼ０であるが、それ以外のときは、面積に正の値が現
われる。したがって、上記のように２点（Ａ）（Ｂ）を
曲線部（C1）側から直線部（L1）側に移動させて面積の
演算値がしきい値以下になったときの点（Ａ）を求める
ことにより、変曲点（RS）を検出することができる。上
記のような面積に基づいて判断するので、しきい値の設
定に余裕があり、細かい調整が可能で、ノイズに強く、
精度の向上が図れる。

同様に、２点（Ａ）（Ｂ）を直線部（L1）側から曲線
部（C1）側に少しずつ移動させて、面積の演算値がしき
い値より大きくなったときの点（Ａ）を求めることによ
り、Ｒ始点（RS）を検出することもできる。

第３図のステップ６の回帰関数決定の処理は、第１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、第１光部分（H1）の第
１直線部（L1）がＹ軸と平行になるように画像データの
座標変換（回転変換）を行なったのち、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。

第３図のステップ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。

このようにして求められたＲ終点（RE）はパネル
（１）の円筒面（1c）と第２平面（1b）との境界に合致
しており、Ｒ終点（RE）のＹ座標値は第２平面（1b）の
Ｙ座標値と一致している。また、先に求められている折
点（F2）は測定台（２）の第１水平面（2a）と基準面
（2c）との境界と合致しており、折点（F2）のＹ座標値
は基準面（2c）のＹ座標値と一致している。したがっ
て、Ｒ終点（RE）のＹ座標値と折点（F2）のＹ座標値と
の差が、パネル（１）の第２平面（1b）と基準面（2c）
との間隔を表わしている。第３図のステップ８では、こ
のようにＲ終点（RE）のＹ座標値と折点（F2）のＹ座標
値との差を演算することにより、パネル（１）の第２平
面（1b）と基準面（2c）との間隔を求めている。

パネル（１）および測定台（２）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
画像の第１光部分の図、第５図は第４図に対応した検出
処理の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、（２）……測定台、
（2a）（2b）……水平面、（2c）……基準面、（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。

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、上記画像データの光部分上に任意の距離の２点をとっ
て、これら２点を結ぶ直線と光部分とで囲まれた部分の
面積を演算し、これら２点を光部分上を距離を一定に保
った状態で順次移動させて、上記面積の演算値が所定の
しきい値の一方の側から他方の側に変化するときの２点
の一方の点を上記変曲点とすることを特徴とする形状測
定方法。