JP3218875B2 - 立体物の形状検査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、立体物の形状検査装置
に係り、特に、標準形状に対する欠落部分を検査する立
体物の形状検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】砂形表面の欠けによる欠陥部を画像処理
により検出する事例は知られていない。しかしながら、
従来技術で行うならば、図７乃至図１０に示すようなチ
ップ部品の有無の検出の検査に使われている斜光陰影法
を利用し、立体の影によるエッジから欠陥を検出する方
法が考えられる。

【０００３】斜光陰影法を用いる従来例としては、図７
に示すように、チップ部品５２の装着状態を検査する目
的の画像処理装置がある、この従来例では、図示する角
度からチップ部品５２を照射するランプ５３，５４と、
このチップ部品５２からの反射光を受光して画像メモリ
５５，５６に出力するカメラ５１と、画像メモリ５５，
５６の論理差を取ることでチップ部品５２の影を抽出す
る影抽出部と、当該チップ部品５２の影から装着状態を
判定する判定処理部５８とを備えている。図中、チップ
部品５２に付随しているハッチングは当該チップ部品５
２の影を示している。

【０００４】この従来例では、図８に示すように、影映
像をＸ，Ｙそれぞれの方向に投影し、その累積画素数か
らチップ部品５２の中心位置を求める。また、チップ部
品５２が回転している場合には、図９に示すように、
Ｘ，Ｙ方向に所定のウインドを設けて、そのウインド内
の投影画像を交互に求めることで、チップ部品５２の中
心位置を算出する。

【０００５】さらに、図１０に示すように、部品の中心
位置から一定量離れた影の位置を検出し、その値から部
品の回転角度を求めている。

【０００６】他の従来例としては、図１１に示すよう
に、物体６０に対してレーザ６１からスポット光を照射
しその反射像を利用するスポット光を用いる手法があ
る。この図１１に示す従来例では、レンズ中心Ｏから画
面上の点Ｐa方向に延ばした直線ｒと、ビームの直線ｓ
の交点として、物体表面上の点Ｐを三角測量の原理で求
めている。

【０００７】また、能動的に３次元形状をとらえる手法
としては、図１２に示すようなスリット光投影法があ
る。この従来例では、スリット光を物体６０の型表面に
走査し、三角測量の原理から３次元座標値を計算により
求めている。

【０００８】また、スリット光投影法では、図１３に示
すように、スリット光源７２とテレビカメラ７１を一体
化して、フローブヘッド７４によりコンピュータ等の座
標演算部７５に出力する構成が開示されている。これら
図７から図１３に示した従来例は、「画像処理による目
視検査の自動化事例集」目視検査の自動化技術調査委員
会編集，（株）新技術コミュニケーションズ刊，１９９
１年４月１０日第１版に開示されているものである。

【０００９】また、このように画像処理にスリット光を
用いる手法は種々のものが公開されており、３次元形状
を測定するものとしては、上述の外に、特開平３−２８
９０５０号公報や、特開平２−２６８２０７号公報など
にその技術が開示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
図７に示した斜光陰影法では、チップ部品のような直方
体の単純なエッジをとらえることは可能であるが、砂型
表面のようになめらかに曲率の変化する曲面と、急峻に
変化する突起、穴等が接近している複雑な形状では、照
明条件のわずかな変化や位置ズレにも敏感であり、発生
するノイズに弱く、エッジ部分を正確に検出するのは困
難である。

【００１１】また、上述したスリット光投影法では、空
間を１ビットでコード化するため、光切断線を含む画像
を空間を分割する数だけ取り込まなければならず、例え
ば、図１３に示した荷重平均回路７８における計算に多
大な時間を必要とする、という不都合があった。

【００１２】同様に、上述の特開平２−２６８２０７号
公報に開示されている技術では、やはり、形状認識に三
角測量の原理に基づいた計算を必要とするため、生産技
術におけるライン上での形状検査には不向きである、と
いう不都合があった。

【００１３】さらに、上述した全ての従来例では、単純
な形状であれば検査対象とできるが、砂型等の複雑な形
状の立体物を検査対象とした場合、検査時の画像の解像
度を高める必要があり、従って、形状認識に必要な計算
時間が増大してしまう。という不都合があった。

【００１４】そのため、例えば、砂型鋳造で鋳物を制作
している工程で、金型を抜く際に砂型がうまく離れず一
部が欠けて砂型に欠陥を生ずることがあるが、この砂型
により制作した鋳物は不良品になるため、注湯の前に形
の不良を識別する必要がある。しかしながら従来例で
は、生産工程で高速に欠落部分を認識する画像処理を行
うことができない、という不都合があった。

【００１５】

【発明の目的】本発明は、係る従来例の有する不都合を
改善し、特に、複雑な形状の立体物であっても標準物体
からの欠落部分を高速に認識することのできる立体物の
形状検査装置を提供することを、その目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、検
査対象の立体物の表面に複数の光切断線を照射する光源
部と、立体物からの反射光を受光すると共に当該反射光
を光電変換して前処理部に入力する検査画像入力部と、
この検査画像入力部から入力されたアナログ画像データ
をデジタル画像データにＡ／Ｄ変換する前処理部と、当
該立体物の標準モデルのデジタル画像データと前処理部
が出力したデジタル画像データの不一致部分を抽出する
ことで検査画像データを生成する検査画像データ生成部
と、この検査画像データ生成部が出力した検査画像デー
タ中の閉曲線を抽出して当該閉曲線部分を立体物の欠落
部分として出力する閉曲線抽出部とを備えた、という構
成を採っている。これによって前述した目的を達成しよ
うとするものである。

【００１７】

【作用】立体物の形状検査装置の動作中、まず、光源部
は、検査対象の立体物の表面に複数の光切断線を照射す
る。検査画像入力部では、立体物からの反射光を受光す
ると共に当該反射光を光電変換して前処理部に入力す
る。この検査画像入力部が出力したアナログ画像は、前
処理部によってＡ／Ｄ変換され、デジタル画像データと
なる。このデジタル画像データは、二階調で十分である
ため、前処理部では、二階調のデジタル画像データを検
査画像データ生成部に出力する。

【００１８】検査画像データ生成部は、検査対象の立体
物の標準モデルのデジタル画像データと前処理部が出力
したデジタル画像データとを比較して論理差を取ること
で、不一致部分を抽出する。この不一致部分を抽出した
検査画像データは閉曲線抽出部に出力され、閉曲線抽出
部では、この検査画像データ中の閉曲線を抽出して当該
閉曲線部分を立体物の欠落部分として出力する。そのた
め、不一致部分であっても、閉曲線でない部分は画像処
理上のノイズとして扱うこととなる。

【００１９】

【実施例】次に本発明の一実施例について図面を参照し
て説明する。図１は、本発明による立体物の形状検査装
置の構成を示すブロック図である。立体物の形状検査装
置は、検査対象の立体物の表面に複数の光切断線（スリ
ット光）１ａを照射する光源部１と、立体物からの反射
光１ｂを受光すると共に当該反射光１ｂを光電変換して
前処理部３に入力する検査画像入力部２と、この検査画
像入力部２から入力されたアナログ画像データ２ｃをデ
ジタル画像データ３ｄにＡ／Ｄ変換すると共に階調を調
節する前処理部３と、当該立体物の標準モデルのデジタ
ル画像データ３ｅと前処理部３が出力したデジタル画像
データ３ｄの不一致部分を抽出することで検査画像デー
タ４ｆを生成する検査画像データ生成部４と、この検査
画像データ生成部４が出力した検査画像データ中の閉曲
線５ｇを抽出して当該閉曲線部分を立体物の欠落部分５
ｈとして出力する閉曲線抽出部５とを備えている。

【００２０】この構成による欠落部分の認識処理の原理
を図２を参照して説明する。本実施例は、生産技術にお
ける外観検査の自動化に関するものであり、標準モデル
との比較において欠落部分の有無及びその場所等を自動
的に検査するものである。図２（Ａ）に示した形状を正
常な形状であるとすると、図２（Ｂ）では前面に欠落部
分５ｈを生じている。図２（Ｃ）を正常な形状のスリッ
ト光の標準モデルとし、これを標準モデルのデジタル画
像データ３ｅとする。このデジタル画像データ３ｅは、
図２（Ａ）に示したアナログ画像データ２ｃから予め作
成しておく。

【００２１】生産工程で、欠落部分のある立体物を図２
（Ｂ）のように撮像した後、このアナログ画像データ２
ｃを二値化することで図２（Ｄ）のデジタル画像データ
３ｄを得る。次いで、標準モデルのデジタル画像データ
３ｅと検査対象のデジタル画像データ３ｄとの不一致部
分を抽出することで、図２（Ｅ）に示すような検査画像
データ４ｆを生成する。図２（Ｅ）から明らかなよう
に、欠落部分５ｈに対応したスリット光１ａは画像の論
理差を取ることで閉曲線５ｇとして現れる。また、画像
処理中にノイズ５ｉが発生したとしても、ノイズ５ｉは
閉曲線とはなりがたいため、閉曲線５ｇが生じた部分を
欠落部分５ｈとすることでノイズを除去した処理を行う
ことができる。

【００２２】このように、本実施例は、標準データと、
サンプルした検査データの３次元形状データを画像デー
タとして直接比較することにより欠陥を抽出するもので
ある。

【００２３】次に、砂型６を検査対象とした場合を例に
本実施例を詳細に説明する。図３は本実施例の検査対象
である砂型６の一例を示している。図３（Ａ）に示すよ
うに、形状検査装置の検査対象である砂型は、なめらか
に曲率の変化する曲面と、急峻に変化する突起、穴等が
接近している複雑な形状である。図３（Ｂ）は砂型の一
部拡大図である。図３（Ｂ）では、左下の円形部分の右
上部分が欠落している。

【００２４】欠陥には、砂の欠けた凹部分と、欠けた塊
の付着した凸部分の２種類があるが、後者の欠陥は前者
の欠落によって発生するため、本実施例では、前者の凹
部分みを抽出する手法を利用するようにしている。

【００２５】本実施例による形状検査装置は、図４に示
すように、光源部１としての格子投影部１と、ＣＣＤカ
メラ２Ａを備えた検査画像入力部２とを備えている。Ｃ
ＣＤカメラ２Ａは画像処理装置７に接続されていて、こ
の画像処理装置７は、上述した前処理部３，検査画像デ
ータ生成部４及び閉曲線抽出部５とを備えている。画像
処理装置７での検査結果は、本実施例ではホストコンピ
ュータ８に出力するようになっている。またコンベア上
を流れてくる砂型６を正確に位置決めするため、位置決
め用画像入力部９が画像処理装置７に併設されている。

【００２６】次に、図５及び図６を参照して本実施例の
動作を説明する。図５及び図６では、説明を容易にする
ために、砂型６の形状を単純化して記載している。実際
には、図３に示したような形状の砂型を検査対象とし、
良好に動作している。

【００２７】格子投影部１と検査画像入力部２は一軸の
数値制御テーブルに固定され、コンベア上を流れてきた
ラフな位置決めで停止した砂型６の枠についた位置決め
の穴１０の座標を計測することにより精密に位置補正さ
れる。格子投影部１では、複数のスリットを切った格子
をプロジェクターにより検査する砂型表面に垂直に投影
する。

【００２８】光切断線１ａの幅は、検査対象物の大きさ
と、それを見込むＣＣＤカメラ２Ａの撮像範囲によって
変わるため長さでは表現できないが、画素数に対する比
率で表現することができる。本実施例では、一般的な分
解能を持つＣＣＤカメラ２Ａとフレームメモリ（５１２
画素ｘ５１２画素）を用いていて、この場合、１０画素
程度の光切断線１ａの幅であれば形状検査が可能である
ことを確認している。これは、３０ｃｍ四角の検査面
に、幅約６ｍｍのラインを投影した場合に相当する。

【００２９】次に、この光切断線１ａを投影した砂型６
の画像をプロジェクタに対して斜めに構えたＣＣＤカメ
ラ２Ａにより観察する。すると、投影された光の線は砂
型６の奥行きによって曲がり、表面の３次元形状を反映
する。このアナログ画像の例を図５（Ａ）及び図５
（Ｂ）に示した。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）はアナログ
画像データ２ｃを簡略化して表現した図であり、ここで
は、太い黒線は光切断線１ａが当たっていて明るい部分
を表現している。細い線はこのような光切断線１ａを形
成した砂型の形状を示すための線であり、実際のアナロ
グ画像データ２ｃまたは階調のあるデジタル画像データ
３ｄにおいて、砂型の形状は濃度の差によって現れる。

【００３０】アナログ画像データ２ｃは画像処理装置７
に取り込まる。画像処理装置７では、前処理部３が、こ
のアナログ画像データ２ｃを所定のしきい値に基づいて
二値化する。ここでは、砂型６の形状の濃度と、光切断
線１ａの濃度とは際だって異なるため、前処理部３は、
光切断線１ａのみを抽出する二値化を容易に行うことが
できる。実際には、スリットの明暗を反転できる液晶プ
ロジェクタ等を用いて２枚の反転画像の差を取ることに
よって、外乱光及び局所的な反射率の違い等に影響され
ることなく精密な二値化を行うようにしている。二値化
したデジタル画像データの例を図５（Ｃ）及び図５
（Ｄ）に示した。このようにして、砂型６の表面形状を
表す光切断線１ａの画像データを得ることができる。

【００３１】図５（Ａ）は欠落部分５ｈのない標準モデ
ルの砂型６のアナログ画像データ２ｃであり、画像処理
装置７は、これを二値化した図５（Ｃ）に示すデジタル
画像データを標準モデルのデジタル画像データ３ｅとし
て格納しておく。

【００３２】次に、検査する際に、位置決め穴１０の映
像を利用して位置補正を行い、ＣＣＤカメラ及びプロジ
ェクターと砂型６の相対位置を標準モデルのデジタル画
像データ３ｅと一致させる。このように位置補正した状
態で、二値化したデジタル画像データ３ｄを図５（Ｄ）
のように得る。検査画像データ生成部４は、両者のデジ
タル画像データ３ｄ，３ｅの単純な差を取ることによ
り、理想的には、欠けた部分の輝線だけがループ状に残
る検査画像データ４ｆを得ることができる。

【００３３】図６（Ａ）にこの理想的な状態の検査画像
データ４ｆの例を示す。これは、図５に示した欠落のあ
る砂型６のアナログ画像データ２ｃに対応する検査画像
データである。しかしながら、実際には微妙な位置ズレ
や二値化のばらつきにより図６（Ｂ）のようにノイズ５
ｉを含んだ画像が得られることになる。

【００３４】欠落以外のノイズ５ｉの例を図６（Ｃ）に
示した。砂型６の欠落以外のノイズ５ｉは、輝線の微妙
な位置ズレの為に残るものであり、図６（Ｂ）のように
数画素以内の孤立点、あるいは細長い線状のノイズ５ｉ
となって現れる。孤立点は、ノイズ除去により簡単に除
去できる。また、細い線状のノイズ５ｉはそれらをラベ
リングし、形状特徴を利用することでループ状の欠陥と
簡単に区分することができる。

【００３５】画像処理装置７は、このループ状の形状を
持つ部分を欠陥の候補として認識し、欠陥の大きさ、個
数に基づき、所定のしきい値を越えたものを欠陥のある
型と判断してＮＧ信号を出力する。これら一連の画像処
理は、入力，二値化，ノイズ除去，ラベリング，形状判
別という極めて単純な二値画像処理のため、画像処理プ
ロセッサによりトータルでも数十ミリ秒以内に終わらせ
ることができる。

【００３６】また、本実施例で対象としている検査物で
は、一方向からの撮像及び標準モデルの画像との比較で
充分に形状検査を行うことができたが、検査対象の形状
によっては、一方向からの撮像では死角が生じるの場合
があるので、その場合には、同一の立体物を複数方向か
ら撮像して、数方向から標準モデルのデジタル画像デー
タ３ｅと比較するようにするとよい。

【００３７】上述したように本実施例によると、二値化
したデータを使うため、非常に安定した検査が可能とな
る。また、標準モデルとして記憶しておくデータ量が少
なくてすむため、少ない記憶装置で他機種に対応でき
る。しかも、凹凸両方ある欠点の形において、凹面の欠
陥は必ずループ状の形として現れることを利用して、ノ
イズのある画像でも欠陥だけを容易に識別することがで
きる。

【００３８】

【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、これによると、光源部が、検査対象の立体物の表
面に複数の光切断線を照射し、検査画像入力部では、立
体物からの反射光を受光すると共に当該反射光を光電変
換して前処理部に入力するため、検査対象の立体物の表
面形状を表す画像データを得ることができる。さらに、
検査画像データ生成部が、検査対象の立体物の標準モデ
ルの画像データと前処理部が出力した画像データとを比
較して論理差を取ることで、不一致部分を抽出するた
め、標準モデルと検査対象の差を良好に表示することが
できる。しかも、閉曲線抽出部が、この検査画像データ
中の閉曲線を抽出して当該閉曲線部分を立体物の欠落部
分として出力するため、不一致部分であっても、閉曲線
でない部分を画像処理上のノイズとして扱うことができ
る。

【００３９】従って、高分解能の３次元形状を用いるの
に、検査画像を一枚しか必要としないため、画像の取り
込みを高速に行うことがでる。しかも、画像間の差を取
ることにより欠陥だけが浮かび上がるので、三次元計測
用のスリット光投影法のような座標を計算する複雑な手
間を経ずに形状検査を行うことができる。このように、
複雑な形状の立体物であっても標準物体からの欠落部分
を高速に認識することのできる従来にない優れた立体物
の形状検査装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１に示した実施例による欠落部分検査の画像
処理の原理を示す説明図で、図２（Ａ）は標準モデルと
なる立体物を示す図で、図２（Ｂ）は欠落部分の生じた
立体物を示す図で、図２（Ｃ）は標準モデルのデジタル
画像データを示す図で、図２（Ｄ）は欠落部分の生じた
立体物を撮像して生じたデジタル画像データを示す図
で、図２（Ｅ）はこれらのデジタル画像データの検査デ
ータを示す図である。

【図３】本実施例の検査対象である砂型を示す説明図で
あり、図３（Ａ）は全体図であり、図３（Ｂ）は欠けた
部分を表示した一部拡大図である

【図４】図３に示した砂型を検査対象とする実施例の構
成を示す説明図である。

【図５】図４に示した実施例における画像処理上の各種
画像データを示す説明図であり、図５（Ａ）は標準モデ
ルとなる立体物のアナログ画像データを示す図で、図５
（Ｂ）は欠落部分の生じた立体物のアナログ画像データ
を示す図で、図５（Ｃ）は標準モデルのデジタル画像デ
ータを示す図で、図５（Ｄ）は欠落部分の生じた立体物
を撮像したデジタル画像データを示す図である。

【図６】図５に示した画像処理による検査データの例を
示す説明図であり、図６（Ａ）は理想的な場合を示す図
で、図６（Ｂ）はノイズを含んだ場合を示す図で、図６
（Ｃ）は種々の検査データ上の画像の例を示す図であ
る。

【図７】従来例の斜光陰影法を用いた画像処理装置の構
成を示す説明図である。

【図８】図７に示した従来例における中心位置の検出手
法を示す説明図である。

【図９】図７に示した従来例における回転部品の中心位
置の検出方法を示す説明図である。

【図１０】図７に示した従来例における部品の中心位置
からの影の位置により回転角度の検出方法を示す説明図
である。

【図１１】従来のスポット光を用いた画像処理装置の構
成を示す説明図である。

【図１２】従来のスリット光を用いた画像処理装置の一
例の構成を示す説明図である。

【図１３】従来のスリット光を用いた画像処理装置の他
の例の構成を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 光源部（格子投影部） １ａ 光切断線（スリット光） １ｂ 反射光 ２ 検査画像入力部 ２ｃ アナログ画像データ ３ 前処理部 ３ｄ 検査対象のデジタル画像データ ３ｅ 標準モデルのデジタル画像データ ４ 検査画像データ生成部 ４ｆ 検査画像データ ５ 閉曲線抽出部 ５ｇ 検査画像データ中の閉曲線 ５ｈ 立体物の欠落部分 ５ｉ ノイズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01N 21/84 - 21/958 G06T 1/00 G06T 7/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検査対象の立体物の表面に複数の光切断
   線を照射する光源部と、前記立体物からの反射光を受光
   すると共に当該反射光を光電変換して前処理部に入力す
   る検査画像入力部と、この検査画像入力部から入力され
   たアナログ画像データをデジタル画像データにＡ／Ｄ変
   換する前処理部と、当該立体物の標準モデルのデジタル
   画像データと前記前処理部が出力したデジタル画像デー
   タの不一致部分を抽出することで検査画像データを生成
   する検査画像データ生成部と、この検査画像データ生成
   部が出力した検査画像データ中の閉曲線を抽出して当該
   閉曲線部分を前記立体物の欠落部分として出力する閉曲
   線抽出部とを備えたことを特徴とする立体物の形状検査
   装置。