JP4427258B2 - Signal processing method, signal processing program, recording medium recording this signal processing program, and signal processing apparatus - Google Patents

Signal processing method, signal processing program, recording medium recording this signal processing program, and signal processing apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号処理方法に関し、特に被測定物の寸法、形状、うねり、粗さなどの表面性状を測定して得たデータにフィルタ処理を施す信号処理方法に関する。
【0002】
【背景技術】
被測定物の三次元形状を測定する三次元測定機、二次元の輪郭形状を測定する輪郭形状測定機や画像測定機、真円度を測定する真円度測定機、更に被測定物表面のうねりや粗さ等を測定する表面粗さ測定機などの、被測定物表面の輪郭形状、粗さ、うねりなどを測定する表面性状測定機が知られている。これらは接触式あるいは非接触式のセンサーと被測定物とを相対的に移動させて被測定物表面の測定データを収集する。
【0003】
このようにして収集された測定データには、通常、ノイズなどの外乱成分が含まれている。
外乱成分としては、高周波成分を含む電気・磁気的な誘導ノイズなどが多いが、例えば、被測定物表面の輪郭形状を求めたい場合には、表面粗さやうねりなどの成分は外乱成分となり得る。
このような外乱成分を必要に応じて除去するために、測定データに対してフィルタ処理を施して、例えば高周波成分を除去することが行われる。
このためのフィルタ処理の最も簡単な構成は、測定データがアナログ信号である場合には、抵抗とコンデンサからなる時定数回路があるが、これらの時定数回路は、通常、位相歪を発生させる。そのために、フィルタ処理された測定データは、被測定物の表面形状が急激に変化する個所などになまりを生じるなどして、表面形状の情報を正確に反映できないという欠点があった。
【0004】
これに対して、測定データをアナログ信号からディジタル信号に変換し、このディジタル信号に対して、コンピュータのフィルタ処理プログラムによってフィルタ処理を行う方法がある。
このフィルタ処理プログラムを用いることによって、時定数回路と同等の性能を有するフィルタ処理を行うことができるほか、ガウシアンフィルタなどの、位相歪を発生させないフィルタ処理も容易に行うことができる。
【0005】
しかし、これらのガウシアンフィルタや2CRフィルタなどでは、測定データ始点あるいは測定データ終点領域における変形が発生したり、測定データに含まれる周期の長いうねり成分に対する追随性が十分ではないという問題があった。
また、測定データ中に局所的に急激に変化する異常データが含まれていた場合、この異常データの影響を大きく受けて、フィルタ処理後のデータが局所的に変形してしまうという問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
これらの問題を回避するために、スプラインフィルタが用いられる。
このスプラインフィルタは、データ始点あるいはデータ終点領域における変形の発生を抑えることが出来るほか、測定データに含まれる周期の長いうねり成分に対する追随性も良いことが知られている。
【0007】
しかし、その反面、スプラインフィルタには、測定データのわずかな変動に対してフィルタ処理結果が大きく変化してしまう場合がある。この問題を解決するために、例えば特開平9-179992号公報で開示された発明は、オーバサンプリングとフィルタリング後にスプライン曲線を求め、そのスプライン曲線と補間データとの誤差の大きさを判断して複数のスプライン曲線を求め、それらの曲線をたし込んでいく構成となっている。しかし、この方法はオーバサンプリングによって、元々は測定データとしては存在しなかったデータを生成することから、被測定物の表面性状などの測定データに応用するには、信頼性の点で問題があった。
【0008】
また、特開平8-278343号公報で開示された発明は、信号波形の高周波成分のパワーが所定値以上の場合にこれを除去し、ついで、信号波形を複数の区分に分割して区分毎にスプライン平滑化を行う構成となっている。しかし、この方法も区分毎にスプライン平滑化を行ったのちに、各データを結合することから、結合点における平滑性の点で予測が難しく、被測定物の表面性状などの測定データに応用するには、やはり信頼性の点で問題があった。
【0009】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、スプラインフィルタの特徴を残しつつ、被測定物の表面性状などの測定データにも応用できる信頼性の高い信号処理方法を提供し、あわせて、信号処理プログラム、この信号処理プログラムを記録した記録媒体および信号処理装置を提供する。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、被測定物の表面性状を測定して得た測定データに対してフィルタ処理を施す信号処理方法において、前記測定データを測定経路に沿って入力する測定データ入力ステップと、前記測定データが周期的であるか否かを判定し、この判定に従って重み付きスプラインフィルタ式を選定する選定ステップと、前記測定データに対する重みを単位行列で与えてスプラインフィルタ出力の初期値を得る初期化ステップと、前記測定データに対する重みを調整して決定する重み調整ステップと、前記重み調整ステップで決定された重みを用いてスプラインフィルタ出力を得るスプラインフィルタ出力算出ステップと、前記重みの収束を判定する収束判定ステップと、前記スプラインフィルタ出力に基づいて信号処理結果を出力する出力ステップとを備え、前記重み調整ステップにおいて決定される重みは、前記重み付きスプラインフィルタ式により算出されるスプライン曲線からの測定データの離隔量と、前記離隔量に基づいて定められる変数とによって、前記離隔量が大きいほど、小さく調整され、前記収束判定ステップにおいて前記重みが非収束と判定された場合には、前記重みを更新して、前記重み調整ステップと前記スプラインフィルタ出力算出ステップとを繰り返し、前記測定データに対してロバストスプラインフィルタ処理を施すことを特徴とする。
【0011】
この発明によれば、重み付きスプラインフィルタ式を選定し、選定されたスプラインフィルタ式に基づいてその重みを順次更新しながらスプラインフィルタ出力であるスプライン曲線を繰り返し算出し、その重みが収束した段階のスプライン曲線を信号処理結果であるフィルタ出力とするロバストスプラインフィルタ処理を測定データに対して容易に施すことができる。よって、測定データの始点あるいは測定データの終点領域における変形(end-effect)を防止でき、測定データに含まれる周期の長いうねり成分に対する追随性あるいはノイズ成分に影響されずに測定データに含まれる形状を抽出できる。その結果、形状追随性も良好なフィルタ処理が可能となり、測定データの信頼性がより向上する。
【0012】
ここで、測定データとは、一次元時系列データ(例えば直交するX軸とY軸について、X軸方向に所定間隔毎にY軸の変位を測定したデータ)、二次元データ(例えば直交するX軸とY軸で定義されるXY平面内の自由曲線データ)、三次元データ(例えば直交するX軸、Y軸、Z軸で定義されるXYZ空間内の自由空間曲線データ)あるいは、半径と角度で定義される極座標などの測定データをいう。
また、測定データを測定経路に沿って入力するとは、あらかじめ決められた走査方向に沿って測定データを入力する他、被測定物の表面を倣い測定して測定データを入力することも含めていう。
【0014】
さらに、重み付きスプラインフィルタ式により算出されるスプライン曲線からの測定データの離隔量が大きいほどその重みが小さくなるので、測定データに含まれる異常データの影響を受けないロバストスプラインフィルタ処理が可能となる。つまり、スプライン曲線から離れた測定データの重みは小さく、スプライン曲線に近い測定データの重みを大きくして、繰り返し、スプライン曲線を求める。すると、スプライン曲線が徐々に測定データに含まれる本来の形状成分(例えば被測定物の形状真値など)に近づいて行く。そして重みが収束したと判断された時点の最後のスプライン曲線は、本来の形状成分に対して十分に誤差の小さい形状成分として求められる。その結果、極めて良好なロバストスプラインフィルタ処理が行えることになる。
【0015】
また、本発明は、前記測定データは、直交2次元以上の成分を含み、前記測定データの離隔量は、前記各成分毎の自乗和に基づいて決定されることが好ましい。
【0016】
この発明によれば、測定データが直交座標における二次元データあるいは三次元データである場合に、スプライン曲線からの測定データの離隔量は、各軸毎の成分(例えば、X軸成分、Y軸成分、Z軸成分など)の自乗和に基づいて決定するので、離隔量の算出が容易に行える。従って、各測定データの重みを決定することが容易になる。
【0017】
また、本発明は、前記収束判定ステップは、前記重み調整ステップにおいて決定された前記重みの変化が所定値以下となった場合に、前記重みが収束したと判定することが好ましい。
【0018】
この発明によれば、繰り返しループ処理における重みの変化が所定値以下となった場合に、重みが収束したと判定できるので、不必要な繰り返しループによる処理時間の増大を防止でき、ロバストスプラインフィルタ計算処理時間を短縮できる。さらに、重みの変化が所定値以下となった時点のスプライン曲線は、測定データに含まれる本来の形状成分との誤差が十分小さくなったものと判断できるので、極めて良好なロバストスプラインフィルタ処理が行えることになる。
【0019】
また、本発明は、前記出力ステップは、前記測定データに対する重みが所定値を超える場合にその重みを1に更新する重み更新ステップと、前記更新された重みに基づいてスプラインフィルタ出力を得るスプラインフィルタ再出力算出ステップと、前記スプラインフィルタ再出力算出ステップおける前記スプラインフィルタ出力を信号処理結果として出力する信号処理結果出力ステップと、を含むことが好ましい。
【0020】
この発明によれば、収束判定ステップにおいて重みが収束したと判定された時点の重みが所定値を超える場合にその重みを1に更新し、再度スプラインフィルタ出力を得て、その結果を信号処理結果として出力することができる。つまり、重み調整ステップとスプラインフィルタ出力算出ステップとを繰り返して重みが収束したと判定された時点において、その重みが所定値を超える点の測定データは有効データとみなしてその重みを1に更新した後、再度スプラインフィルタ出力を得る。すると、測定データに対するロバストスプラインフィルタ計算が、より確実に行える。そして、その結果を信号処理結果として出力するので、測定データに含まれる本来の形状成分に対して十分誤差の小さいスプライン曲線を求めることができる。その結果、形状追随性の良いロバストスプラインフィルタ処理が可能となる。
【0021】
また、本発明は、前記測定データは、直交2次元以上の成分を含み、前記スプラインフィルタ出力を得るときに、前記各成分毎に重み付きスプラインフィルタ計算を行った結果に基づいて前記スプラインフィルタ出力を得ることが好ましい。
【0022】
この発明によれば、測定データが二次元データや三次元データの場合であっても、各軸の成分毎(例えばX軸成分、Y軸成分など)に重み付きスプラインフィルタ計算を行った結果に基づいてスプラインフィルタ出力を得ることが出来るので、複雑な曲線であっても計算処理が単純化でき、測定データに対するロバストスプラインフィルタ計算処理時間の短縮化が可能になる。
【0023】
また、本発明は、前記測定データ入力ステップにおいて、前記測定データは前記測定経路に沿って所定間隔で入力されることが好ましい。
【0024】
この発明によれば、あらかじめ決められた走査方向に沿って測定データを入力する他、被測定物の表面を倣い測定して測定データを入力する場合においても、測定経路に沿って所定間隔で測定データが入力されるので、例えばX軸方向に所定間隔で測定データを入力する場合などに比べて形状変化点(例えば直線から円弧への変化点や段差の境界点など)をより正確に捉えることが出来る。つまり、形状判断の誤りなどを防止でき、信頼性の高い測定データ入力が可能になる。
【0025】
また、本発明は、前記測定データ入力ステップは、前記測定データに対する局所的に離隔した特異点データを削除するステップを含むことが好ましい。
【0026】
この発明によれば、例えば、工場内などの動力機器をノイズ源とする強力な誘導ノイズの発生によって、測定データに含まれた局所的に突出して離隔したデータ(例えば、両側のデータに対して1箇所だけが極端に値の異なるデータ)を明らかな特異点データとして前もって削除できるので、ロバストスプラインフィルタ処理の信頼性が更に向上する。
【0027】
本発明の信号処理プログラムは、上記の信号処理方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。また、本発明の記録媒体は、上記信号処理プログラムをコンピュータ読み出し可能に記録したことを特徴とする。そして、本発明の信号処理装置は、上記の信号処理プログラムをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【0028】
このような構成によれば、CPU(中央処理装置)やメモリ(記憶装置)を有するコンピュータを組み込んでこのコンピュータに各工程を実行させるようにプログラムを構成すれば、例えば、重み調整や収束判定などの他、測定データの次元に従った離隔量の決定などを含めて各種のパラメータを容易に変更することができる。そして、このプログラムを記録した記録媒体をコンピュータに直接差し込んでプログラムをコンピュータにインストールしてもよく、記録媒体の情報を読み取る読取装置をコンピュータに外付けし、この読み取り装置からコンピュータにプログラムをインストールしてもよい。なお、プログラムは、インターネット、LANケーブル、電話回線等の通信回線や無線によってコンピュータに供給されてインストールされてもよい。
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
まず、重み付きスプラインフィルタを説明する。
一例として、nをデータ数、yk(k=0,1,・・・,n-1)を測定データ、スプライン関数をs、としたとき、測定データとの残差の二乗和、
【数1】

Figure 0004427258
を、スプラインのエネルギー、
【数2】
Figure 0004427258
を最小にするという条件下で、最小にすることで実現する。すなわち、スプラインフィルタは、
【数3】
Figure 0004427258
としたとき、I(s)を最小にするスプライン関数sを求めることによって実現される。ただし、λはラグランジェの未定乗数である。
【0029】
いま、wk(k=0,1,・・・,n-1)を各測定点における残差に対する重みとすれば、重み付きのスプラインフィルタに対応した式、
【数4】
Figure 0004427258
が得られる。
【0030】
ここで、スプライン関数sを定ピッチで離散化し、第2項を、
【数5】
Figure 0004427258
とすると、
【数6】
Figure 0004427258
【0031】
となる。ただし、
【数7】
Figure 0004427258
とする。したがって、I(s)を最小にする離散化スプラインの値skは、
【数8】
Figure 0004427258
を満足する。
【0032】
式(6)においてI(s)を最小にするスプライン関数で重み付きスプラインフィルタを定義する。
【0033】
ここで、非周期的測定データに対する重み付きスプラインフィルタの行列表現を考えると、非周期的な測定データにおいては、境界条件を
【数9】
Figure 0004427258
とすると、
【数10】
Figure 0004427258
であるので、
【数11】
Figure 0004427258
とおくことにより、非周期的データに対する重み付きスプラインフィルタの行列表現は、
【数12】
Figure 0004427258
で与えられる。
【0034】
但し、
【数13】
Figure 0004427258
である。
【0035】
次に、周期的測定データに対する重み付きスプラインフィルタの行列表現を考えると、周期的な測定データにおいては、周期境界条件の式を
【数14】
Figure 0004427258
とすると、
【数15】
Figure 0004427258
であるから、
【数16】
Figure 0004427258
として、周期データに対する重み付きスプラインフィルタの行列表現は、
【数17】
Figure 0004427258
で与えられる。
【0036】
ここで、スプラインフィルタの振幅特性と位相特性を検討する。
重みW=I(単位行列)としたスプラインフィルタの式、
【数18】
Figure 0004427258
を、z-1がΔx分の遅延を意味することに注意し、z変換で表現すると、
【数19】
Figure 0004427258
となる。
【0037】
スプラインフィルタの伝達関数H(z)は、
【数20】
Figure 0004427258
で与えられる。振幅特性と位相特性を調べるために、
【数21】
Figure 0004427258
とおくと、
【数22】
Figure 0004427258
となる。
【0038】
ここで、
【数23】
Figure 0004427258
であるから、
【数24】
Figure 0004427258
となり、振幅特性は、
【数25】
Figure 0004427258
となる。
【0039】
一方、位相特性は、
【数26】
Figure 0004427258
となり、スプラインフィルタは、位相補償フィルタであることがわかる。
【0040】
一例として、カットオフ周波数ω=ωCで50%減衰のフィルタを実現する場合、振幅特性において、
【数27】
Figure 0004427258
とすれば良く、これにより定数αが次式で与えられる。
【数28】
Figure 0004427258
カットオフ周波数ω=ωCで50%減衰のフィルタの伝達特性(振幅特性、位相特性)を図5に示す。
【0041】
次に、このように定義された重み付きスプラインフィルタの解法を検討する。
重み付きスプラインフィルタの行列表現、
【数29】
Figure 0004427258
の左辺係数行列、
【数30】
Figure 0004427258
は、対称行列である。
【0042】
そこで、Mを修正コレスキー(Choleskey)法により下三角行列Lと対角行列Dに分解すると(行列Mが疎行列であることを利用すれば、行列の分解は非常に効率的に行うことが出来る。)、
【数31】
Figure 0004427258
となり、重み付きスプラインフィルタは、
【数32】
Figure 0004427258
と表される。
【0043】
ここで、
【数33】
Figure 0004427258
とすれば、
【数34】
Figure 0004427258
となる。
【0044】
ここで、Lは下三角行列であるから容易にXを求めることが出来る。さらに、
【数35】
Figure 0004427258
なる関係より、求まったXから容易にSを求めることができる。
実際の適用にあたっては、
【数36】
Figure 0004427258
となる場合が有り得ることから、行列Mが特異になる可能性がある。
【0045】
従って、理想的には特異値分解法により解くことが好ましいが、特異値分解法を使った場合、大容量の記憶装置と多大の計算処理時間が必要となる。ところが、現実の測定データに適用することを考えた場合、行列Mが特異になることは非常にまれであり、行列Mが特異になっている状態では測定データ自体に問題を抱えていると推測される。そこで、本件発明においては、行列Mが特異になっている場合でも、なんらかの解答を出力可能な、ギルとマーレイ(Gill-Murray)の修正コレスキー(Choleskey)法を適用することで、計算効率の確保と特異行列対策を両立させる。
【0046】
以上のように解法に裏付けられた重み付きスプラインフィルタが導出されたので、以下、重みWを更新しながら収束条件を満足するまで繰り返し計算処理を行うことによって、ロバストスプラインフィルタが実現される。
図1は、その第1の処理手順を示すフローチャートであり、図2は、ロバストスプライン処理を実行する装置の機能ブロック図である。この処理にあたっては、まず、測定データを入力する測定データ入力ステップと、重み付きスプラインフィルタ式を選定する選定ステップ(ST3)が実行される。
【0047】
測定データ入力ステップでは、測定機などから入力手段1により測定データを入力してコンピュータなどの記憶装置2に格納するステップST1と、記憶された測定データの内、局所的に離隔した特異点データを特異点データ削除手段3にて削除するステップST2が実行される。
ここでは、測定データは粗さ測定機で測定された一次元時系列データであるとする。すなわち、例えば、表面粗さ測定機などにおいて、測定子を一方向(x方向)に移動させた場合に、x方向の所定ピッチで粗さデータyを取得したような場合を意味する。また、特異点データであるか否かの判定としては、測定データの最小二乗曲線からの離隔量が所定値以上、かつ、所定区間巾以下、であるか否かで容易に判定することが出来る。
【0048】
その後、選定ステップST3において、判定手段4にて測定データが非周期的であるか周期的であるかを判定し、この判定に従って重み付きスプラインフィルタ式を選定する。より具体的には、測定データが非周期的であるか周期的であるかによって(12)式を用いるか、(17)式を用いるかを判定する。
次に初期化処理(ST4)を行うが、ここでは、図示したように、W=I(単位行列)としたスプラインフィルタ処理の出力値の初期値S0を求める(非ロバストなスプラインフィルタ計算)。
次に、測定データYとSm(mは繰り返しのステップを示す。)とから後述する方法で重み調整手段5により重みWmを調整して決める(ST5)。
【0049】
その後、スプラインフィルタ出力算出手段6において重み付きスプラインフィルタ、
【数37】
Figure 0004427258
からスプラインフィルタ出力Sm+1を求める(ST6)。
ここで、後述する重みの収束判定(ST7)を収束判定手段51にて行って、収束条件が成立していなければ、mを更新して(m=m+1)(ST10)、再度重みWmを調整する(ST5)。
【0050】
収束条件が成立していれば(ST7:YES)、繰り返し処理を終了して、ロバストスプラインフィルタの出力値Smを得て(ST8)、スプライン曲線が出力手段7に出力される。
以上の処理において、重みWmを調整して決める方法として(ST5)、適合型バイウエイト(Biweight)法を用いて次のように決定する。
【数38】
Figure 0004427258
【0051】
ここで、σを残差の標準偏差として、
【数39】
Figure 0004427258
【数40】
Figure 0004427258
とする。
【0052】
また、ST7における収束条件としては、重みの変化が十分小さくなり、以下に示す式を満足した時点で繰り返し処理を打ち切る。
【数41】
Figure 0004427258
【0053】
一次元時系列データに対して、この第1実施形態におけるロバストスプラインフィルタ処理による信号処理方法を実施した例を図3に示す。ここではスパイクノイズを付加した測定データを対象として、通常のスプラインフィルタ処理を施した結果のスプライン曲線と、本件発明のロバストスプラインフィルタ処理を施した結果のスプライン曲線の両方を重ねて表示したものである。この図から明らかなように、スプラインフィルタによる結果が、スパイクノイズによる変化を受けているのに対して、ロバストスプラインフィルタによる結果では、本来の形状に沿ったスプライン曲線が得られている。また、図3(A)からもわかるように、ゆるやかなうねりをもった形状に対する追随性も良好である。
【0054】
この方法によれば、次の効果が期待できる。
(1)スプラインフィルタのロバスト化が容易に実現できるので、測定データ始点あるいは測定データ終点領域における変形を防止でき、測定データに含まれる周期の長いうねり成分に対する追随性あるいはノイズ成分に影響されずに測定データに含まれる形状を抽出できるので形状追随性も良好なフィルタ処理が可能となり、測定データの信頼性がより向上する。
(2)測定データに含まれた局所的に離隔した特異点データを削除できるので、ロバストスプラインフィルタ処理の信頼性が更に向上する。
【0055】
(3)重み付きスプラインフィルタ式により算出されるスプライン曲線からの測定データの離隔量が大きいほどその重みが小さくなるので、測定データに含まれる異常データの影響を受けないロバストスプラインフィルタ処理が可能となる。
(4)繰り返しループ処理における重みの変化が所定値以下となった場合に、重みが収束したと判定できるので、不必要な繰り返しループによる処理を防止でき、ロバストスプラインフィルタ計算処理時間を短縮できる。
【0056】
(第2実施形態)
次に、ロバストスプラインフィルタを実現する第2の処理手順を説明する。この処理手順は、前記第1の処理手順と同一であるが、用いる計算式が異なる。
すなわち、重み付きスプラインフィルタの式、
【数42】
Figure 0004427258
を変形して、
【数43】
Figure 0004427258
とする。
【0057】
ここで、繰り返しステップmにおいて、
【数44】
Figure 0004427258
を用いる。
この第2の処理手順の特徴は、前記第1の処理手順の効果(1)から(4)に加えて更に次の効果が期待できる。
【0058】
(5)左辺の係数行列、
【数45】
Figure 0004427258
が繰り返しステップにおいて常に同値となるので、全体としてロバストスプラインフィルタ計算処理時間が短縮化される場合がある。
【0059】
(第3実施形態)
次に、本発明の信号処理方法にかかる第3実施形態として、二次元的に測定された二次元データである測定データに対する信号処理方法について説明する。ここで、二次元データである測定データとは、例えば、三次元測定機などにおいて、Z座標一定のもとで被測定物の輪郭曲面を所定ピッチで測定して取得された(x、y)座標値等を意味する。あるいは、平面的に描かれた図形をスキャナで読み込んだ場合のデータ等を意味する。つまり、第1実施形態においては、処理の対象はy座標だけであったのに対して、第3実施形態では、x座標およびy座標の両者を処理の対象とする。
第3実施形態の基本的構成は第1実施形態と同様であるが、スプライン曲線sを求めるための出発の式である式(6)に対応する式に特徴がある。
【0060】
第3実施形態では、スプラインのエネルギーを最小にする条件のもとで、測定データ(xk、yk)と、この測定データ(xk、yk)に対応するスプライン曲線s上の点(sx(xk、yk)、sy(xk、yk))とのX方向およびY方向の距離の二乗和を最小にするスプライン曲線を求める。すなわち、前記の付帯条件のもとで次の式で表されるI(s)を最小にするスプライン関数sを求める。
【0061】
【数46】
Figure 0004427258
【0062】
ただし、右辺第2項において、ラプラシアンの2次近似を次のように表す。
【0063】
【数47】
Figure 0004427258
【0064】
そして、x成分、y成分ごとにそれぞれ第1実施形態で説明した重み付きスプラインフィルタを実行する((式37)を参照)。
ここで、定数αについては、測定経路に沿ったサンプリングピッチΔlおよびカットオフ波長λc’から次の式で与えられる。
【0065】
【数48】
Figure 0004427258
【0066】
すると、二次元測定データに関する各区間におけるスプライン曲線を導出するスプラインフィルタが実現される。
さらに、重みWを更新して収束条件(式41)を満たすまで処理を繰り返すロバストスプラインフィルタにおいては、(式38)における(yk−sk m)を次の式で与えられる二点間距離とする。すなわち、測定データ(xk、yk)と、この測定データ(xk、yk)に対応するスプライン曲線s上の点(sx(xk、yk)、sy(xk、yk))との距離とする。
【0067】
【数49】
Figure 0004427258
【0068】
(式49)を準用した(式38)により算出された重みWの収束を(式41)で収束判定する。重みWが収束したところで、出力値Sm(スプライン関数)から測定データに対応するスプライン曲線を得る。このスプライン曲線は、出力手段に出力される。
【0069】
図4(A)に、正葉線にスパイクノイズを付加した入力データに対して、スプライン処理を施したものと、ロバストスプライン処理を施したものとを比較して示す。図4(A)より、単なるスプライン処理では、スパイクノイズに引きずられてしまっているのに対して、ロバストスプライン処理では、スパイクノイズを抑えたロバスト(頑健)な結果が得られることがわかる。図4(B)に、エアフォイルにスパイクノイズを付加した入力データに対して、スプライン処理を施したものと、ロバストスプラインを施したものとを示すところ、結果は図4(A)と同様である。
【0070】
この第3実施形態においては、前記第1実施形態と第2実施形態における効果(1)から(5)に加えて、更に次の効果を奏する。
(6)測定データが直交座標における二次元データである場合に、スプライン曲線からの測定データの離隔量は、各軸毎の成分(例えば、X軸成分、Y軸成分など)の自乗和に基づいて決定するので、離隔量の算出が容易に行える。従って、各測定データの重みを決定することが容易になる。
【0071】
(7)測定データが二次元データの場合であっても、各軸の成分毎(例えばX軸成分、Y軸成分など)に重み付きスプラインフィルタ計算を行った結果に基づいてスプラインフィルタ出力を得ることが出来るので、複雑な曲線であっても計算処理が単純化でき、測定データに対するロバストスプラインフィルタ計算処理時間の短縮化が可能になる。
【0072】
(8)被測定物を二次元平面内で倣い測定して二次元データを得て、これを測定データとして入力する場合においても、測定経路に沿って所定間隔で測定データが入力されるので、例えばX軸方向に所定間隔で測定データを入力する場合などに比べて形状変化点(例えば直線から円弧への変化点や段差の境界点など)をより正確に捉えることが出来る。つまり、形状判断の誤りなどを防止でき、信頼性の高い測定データ入力が可能になる。
【0073】
(第4実施形態)
次に、本発明の信号処理方法にかかる第4実施形態として、三次元的に測定された三次元データである測定データに対する信号処理方法について説明する。ここで、三次元データである測定データとは、例えば、三次元測定機などにおいて、被測定物表面を所定ピッチで測定して取得された(x、y、z)座標値等を意味する。つまり、第1実施形態においては、処理の対象はy座標だけであったのに対して、第4実施形態では、x座標、y座標およびz座標の三者を処理の対象とする。
第4実施形態の基本的構成は第1実施形態と同様であるが、スプライン曲線sを求めるための出発の式である式(6)に対応する式に特徴がある。
【0074】
第4実施形態では、スプラインのエネルギーを最小にする条件のもとで、測定データ(xk、yk、zk)と、この測定データ(xk、yk、zk)に対応するスプライン曲線s上の点(sx(xk、yk、zk)、sy(xk、yk、zk)、sz(xk、yk、zk))とのX方向、Y方向およびZ方向の距離の二乗和を最小にするスプライン曲線を求める。すなわち、前記の付帯条件のもとで次の式で表されるI(s)を最小にするスプライン関数sを求める。
【0075】
【数50】
Figure 0004427258
【0076】
ただし、右辺第2項において、ラプラシアンの2次近似は、第3実施形態に倣って表される。
そして、x成分、y成分、z成分ごとにそれぞれ第1実施形態で説明した重み付きスプラインフィルタを実行する((式37)を参照)。なお、定数αについては、三次元空間における測定経路に沿ったサンプリングピッチΔlおよびカットオフ波長λc’により(式48)に倣って定義される。
【0077】
すると、三次元測定データに関する各区間におけるスプライン曲線を導出するスプラインフィルタが実現される。
さらに、重みWを更新して収束条件(式41)を満たすまで処理を繰り返すロバストスプラインフィルタにおいては、(式38)における(yk−sk m)を次の式で与えられる二点間距離とする。すなわち、測定データ(xk、yk、zk)と、この測定データ(xk、yk、zk)に対応するスプライン曲線s上の点(sx(xk、yk、zk)、sy(xk、yk、zk)、sz(xk、yk、zk))との距離とする。
【0078】
【数51】
Figure 0004427258
【0079】
そして、(式51)を準用した(式38)により算出された重みWの収束を(式41)で収束判定する。重みWが収束したところで、出力値Sm(スプライン関数)から測定データに対応するスプライン曲線を得る。このスプライン曲線は、出力手段に出力される。
【0080】
この第4実施形態においては、前記第1実施形態と第2実施形態における効果(1)から(5)に加えて、次の効果を奏する。
(9)第3実施形態における効果(6)から(8)を更に三次元データに対して奏することができる。従って、測定データが三次元データであっても、ロバストスプラインフィルタの計算処理時間を増大させることなく、計算負荷を低減することができる。
【0081】
(変形例1)
本発明の信号処理方法の変形例について説明する。第1実施形態においては、収束判定された時点におけるスプライン曲線をそのまま信号処理結果として出力する例を示したが、この変形例では、もう一度スプライン曲線を求め直し、その結果を信号処理結果として出力する。
【0082】
図6に、図1のスプライン曲線出力(ST9)の変形例を示す。
ここでは、まず取得した出力値Smを入力する(ST91)。その後、再計算を行うか否かを判定する(ST92)。例えば、高精度で信号処理結果を得たい場合はYESを、既に充分な精度で結果が得られたと判断するときはNOを、オペレータがその時点で指定すれば良い。あるいは、前もって指定しておくことも出来る。
再計算を行わない場合は(NO)、出力値Smのスプライン曲線を出力手段7によって出力する。再計算を行う場合は(YES)、前もって設定された所定値を超える重みを1に更新する(ST93)。つまり、所定値を超えた重みを持つ測定データは有効データであると判断して、スプライン計算処理への寄与度を100%とする。
その後、更新された重みに基づいて重み付きスプラインフィルタ計算を行って出力を得る(ST94)。ここで得られたスプライン曲線を信号処理結果として出力手段7から出力する(ST95)。
【0083】
この変形例は、第1実施形態から第4実施形態においても実施できるので、効果(1)から(9)の他、次の効果を奏することができる。
(10)収束判定ステップにおいて重みが収束したと判定された時点の重みが所定値を超える場合にその重みを1に更新し、再度スプラインフィルタ出力を得て、その結果を信号処理結果として出力することができる。つまり、重み調整ステップとスプラインフィルタ出力算出ステップとを繰り返して重みが収束したと判定された時点において、その重みが所定値を超える点の測定データは有効データと見做してその重みを1に更新した後、再度スプラインフィルタ出力を得ることができるので、測定データに対するロバストスプラインフィルタ計算が、より確実に行える。そして、その結果を信号処理結果として出力するので、測定データに含まれる本来の形状成分に対して十分誤差の小さいスプライン曲線を求めることができるので、形状追随性の良いロバストスプラインフィルタ処理が可能となる。
【0084】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。
たとえば、これらの各実施形態に限らず、三次元粗さデータ、輪郭形状測定機による測定データ、真円度測定機で測定されたデータ、三次元測定機で測定された形状データ、画像測定機で測定されたデータなどのいずれであっても、本発明を実施できる。
【0085】
また、測定データの収集が接触式のセンサか、非接触式のセンサであるか否かも問わず、さらに、被測定物の表面性状データに限らず、時系列的に発生する電気信号データなどであっても本発明を実施できる。
さらに、本実施形態においては、測定データは一旦、記憶装置に格納される場合に限って説明したが、測定データが収集される毎に、いわゆるリアルタイムで計算処理を行う場合であっても本発明を実施できる。
【0086】
さらに、本発明の信号処理方法をコンピュータに実行させる信号処理プログラムとしてもよく、この信号処理プログラムは、CD-ROMなどの可搬形の記憶メディアを用いて、各種のコンピュータで実行可能な形で格納することができる。また、この信号処理プログラムは、機械言語に翻訳されるコンパイル形式であっても、あるいは中間言語に翻訳されるインタプリタ形式であっても良い。
【0087】
また、コンピュータに前記信号処理プログラムを実行させて信号処理装置を構成することが出来る。すなわち、測定データ入力ステップを実行させて測定データ入力手段を、選定ステップを実行させて選定手段を、初期化ステップを実行させて初期化手段を、重み調整ステップを実行させて重み調整手段を、スプラインフィルタ出力算出ステップを実行させてスプラインフィルタ出力算出手段を、収束判定ステップを実行させて収束判定手段を、出力ステップを実行させて出力手段を構成し、これによって信号処理装置を構成できる。
【0088】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ロバストスプラインフィルタによるフィルタ処理を施すことのできる信号処理方法を高速、かつ、高精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の信号処理方法に係る第1実施形態において、信号処理手順を示すフローチャートである。
【図2】前記第1実施形態において、信号処理を行う装置の機能ブロック図である。
【図3】前記第1実施形態において、一次元時系列データに対してスプライン処理の結果とロバストスプライン処理との結果とを比較する図である。
【図4】本発明の第3実施形態において、スプライン処理の結果とロバストスプライン処理の結果とを比較する図である。
【図5】本発明に係る信号処理方法に係る伝達特性を示す図である。
【図6】本発明の変形例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
3 特異点データ削除手段
5 重み調整手段
6 スプラインフィルタ出力算出手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a signal processing method, and more particularly to a signal processing method for filtering data obtained by measuring surface properties such as dimensions, shapes, swells, and roughness of an object to be measured.
[0002]
[Background]
A three-dimensional measuring machine for measuring the three-dimensional shape of the object to be measured, a contour shape measuring machine and an image measuring machine for measuring a two-dimensional contour shape, a roundness measuring machine for measuring roundness, and a surface of the object to be measured. 2. Description of the Related Art A surface texture measuring instrument that measures the contour shape, roughness, undulation, etc. of the surface of an object to be measured, such as a surface roughness measuring instrument that measures swell and roughness, is known. These collect the measurement data of the surface of the object to be measured by relatively moving the contact type or non-contact type sensor and the object to be measured.
[0003]
The measurement data collected in this way usually includes disturbance components such as noise.
As the disturbance component, there are many electrical and magnetic induction noises including high-frequency components. For example, when it is desired to obtain the contour shape of the surface of the object to be measured, components such as surface roughness and swell can be disturbance components.
In order to remove such disturbance components as necessary, the measurement data is filtered to remove, for example, high-frequency components.
The simplest configuration for filtering for this purpose is a time constant circuit composed of a resistor and a capacitor when the measurement data is an analog signal. These time constant circuits usually generate phase distortion. For this reason, the filtered measurement data has a drawback that the information on the surface shape cannot be accurately reflected due to, for example, rounding at a location where the surface shape of the object to be measured changes rapidly.
[0004]
On the other hand, there is a method in which measurement data is converted from an analog signal to a digital signal, and the digital signal is filtered by a filter processing program of a computer.
By using this filter processing program, filter processing having performance equivalent to that of the time constant circuit can be performed, and filter processing that does not generate phase distortion, such as a Gaussian filter, can be easily performed.
[0005]
However, these Gaussian filters, 2CR filters, and the like have a problem in that deformation occurs in the measurement data start point or measurement data end point region, and the followability to the wavy component having a long period included in the measurement data is not sufficient.
In addition, if the measurement data includes abnormal data that changes rapidly locally, there is a problem that the data after filtering is locally deformed due to the influence of the abnormal data. .
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
To avoid these problems, spline filters are used.
It is known that this spline filter can suppress the occurrence of deformation in the data start point or data end point region, and also has good followability with respect to a wavy component having a long period included in measurement data.
[0007]
However, on the other hand, the spline filter may have a large change in the filter processing result with respect to slight fluctuations in the measurement data. In order to solve this problem, for example, the invention disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-79992 obtains a spline curve after oversampling and filtering, and determines the magnitude of an error between the spline curve and interpolation data. The spline curve is obtained, and these curves are added. However, since this method generates data that did not originally exist as measurement data by oversampling, there is a problem in terms of reliability when applied to measurement data such as the surface properties of the object to be measured. It was.
[0008]
Further, the invention disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-278343 removes the power of the high-frequency component of the signal waveform when it exceeds a predetermined value, and then divides the signal waveform into a plurality of sections. It is configured to perform spline smoothing. However, this method also combines the data after performing spline smoothing for each section, so it is difficult to predict in terms of smoothness at the connection point, and it is applied to measurement data such as the surface properties of the object to be measured. However, there was still a problem in terms of reliability.
[0009]
The present invention has been made to solve such problems, and provides a highly reliable signal processing method that can be applied to measurement data such as surface properties of an object to be measured while retaining the characteristics of a spline filter. In addition, a signal processing program, a recording medium on which the signal processing program is recorded, and a signal processing apparatus are provided.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the present invention providesObtained by measuring the surface properties of the object to be measuredIn a signal processing method for filtering measurement data, a measurement data input step for inputting the measurement data along a measurement path; and the measurement dataDetermines whether or not is periodic and follows this determinationA selection step of selecting a weighted spline filter equation, an initialization step of obtaining a weight of the measurement data by a unit matrix to obtain an initial value of the spline filter output, and a weight adjustment step of adjusting and determining the weight of the measurement data A spline filter output calculating step for obtaining a spline filter output using the weight determined in the weight adjusting step, a convergence determining step for determining convergence of the weight, and outputting a signal processing result based on the spline filter output An output step, and the weight determined in the weight adjustment step is determined by a separation amount of measurement data from a spline curve calculated by the weighted spline filter equation and a variable determined based on the separation amount. The smaller the distance, the smaller the adjustment If the weight is determined to be non-convergence in the convergence determination step, the weight is updated, the weight adjustment step and the spline filter output calculation step are repeated, and the measurement data is robust spline. A filtering process is performed.
[0011]
According to the present invention, a weighted spline filter equation is selected, and a spline curve as a spline filter output is repeatedly calculated while sequentially updating the weight based on the selected spline filter equation. Robust spline filter processing using the spline curve as a filter output as a signal processing result can be easily performed on the measurement data. Therefore, it is possible to prevent the end-effect at the start point of the measurement data or the end point region of the measurement data, and the shape included in the measurement data without being affected by the follow-up characteristic or the noise component of the long period included in the measurement data. Can be extracted. As a result, it is possible to perform filter processing with good shape following characteristics, and the reliability of measurement data is further improved.
[0012]
  here, MeasureConstant data is one-dimensional time-series data (for example, data obtained by measuring the displacement of the Y axis at predetermined intervals in the X-axis direction for orthogonal X-axis and Y-axis), two-dimensional data (for example, orthogonal X-axis and Y-axis). Free-curve data in the XY plane defined by the axis), three-dimensional data (for example, free-space curve data in the XYZ space defined by the orthogonal X-axis, Y-axis, and Z-axis), or defined by the radius and angle Measurement data such as polar coordinates.
  Further, inputting measurement data along a measurement path includes inputting measurement data along a predetermined scanning direction, and inputting measurement data by measuring the surface of the object to be measured.
[0014]
  furtherSince the weight decreases as the distance of the measurement data from the spline curve calculated by the weighted spline filter equation increases, robust spline filter processing that is not affected by abnormal data included in the measurement data becomes possible. That is, the weight of the measurement data away from the spline curve is small, and the weight of the measurement data close to the spline curve is increased to repeatedly obtain the spline curve. Then, the spline curve gradually approaches the original shape component (for example, the shape true value of the object to be measured) included in the measurement data. The last spline curve at the time when it is determined that the weight has converged is obtained as a shape component having a sufficiently small error with respect to the original shape component. As a result, extremely good robust spline filter processing can be performed.
[0015]
  Further, the present invention provides the measurement dataIsIt is preferable that the measurement data includes two or more orthogonal components, and the distance of the measurement data is determined based on the sum of squares of each component.
[0016]
According to the present invention, when the measurement data is two-dimensional data or three-dimensional data in Cartesian coordinates, the separation amount of the measurement data from the spline curve is the component for each axis (for example, the X-axis component and the Y-axis component). , The Z-axis component, etc.) is determined based on the sum of squares, so that the distance can be easily calculated. Therefore, it becomes easy to determine the weight of each measurement data.
[0017]
In the present invention, it is preferable that the convergence determination step determines that the weight has converged when the change in the weight determined in the weight adjustment step becomes a predetermined value or less.
[0018]
According to the present invention, it is possible to determine that the weight has converged when the change in the weight in the iterative loop processing is equal to or less than a predetermined value. Processing time can be shortened. Furthermore, since it can be determined that the error with the original shape component included in the measurement data is sufficiently small for the spline curve at the time when the change in weight becomes equal to or less than a predetermined value, extremely good robust spline filter processing can be performed. It will be.
[0019]
In the present invention, the output step includes a weight update step for updating the weight to 1 when the weight for the measurement data exceeds a predetermined value, and a spline filter for obtaining a spline filter output based on the updated weight. It is preferable to include a re-output calculation step and a signal processing result output step of outputting the spline filter output in the spline filter re-output calculation step as a signal processing result.
[0020]
According to the present invention, when the weight at the time when it is determined that the weight has converged in the convergence determination step exceeds a predetermined value, the weight is updated to 1, the spline filter output is obtained again, and the result is obtained as the signal processing result. Can be output as In other words, when it is determined that the weight has converged by repeating the weight adjustment step and the spline filter output calculation step, the measurement data at the point where the weight exceeds a predetermined value is regarded as valid data and the weight is updated to 1. After that, the spline filter output is obtained again. Then, the robust spline filter calculation for the measurement data can be performed more reliably. Since the result is output as a signal processing result, a spline curve having a sufficiently small error with respect to the original shape component included in the measurement data can be obtained. As a result, it is possible to perform robust spline filtering with good shape tracking.
[0021]
  Further, the present invention provides the measurement dataIsWhen the spline filter output is obtained including two or more orthogonal components, it is preferable to obtain the spline filter output based on a result of performing weighted spline filter calculation for each component.
[0022]
According to the present invention, even if the measurement data is two-dimensional data or three-dimensional data, the result of the weighted spline filter calculation for each axis component (for example, the X-axis component, the Y-axis component, etc.) Since the spline filter output can be obtained based on this, the calculation process can be simplified even for a complex curve, and the robust spline filter calculation process time for the measurement data can be shortened.
[0023]
In the measurement data input step according to the present invention, it is preferable that the measurement data is input at predetermined intervals along the measurement path.
[0024]
According to the present invention, in addition to inputting measurement data along a predetermined scanning direction, measurement data is input at a predetermined interval along the measurement path even when measuring data is input by copying the surface of the object to be measured. Since data is input, for example, the shape change point (for example, a change point from a straight line to a circular arc or a step boundary point) can be captured more accurately than when measurement data is input at a predetermined interval in the X-axis direction. I can do it. That is, it is possible to prevent errors in shape determination and the like, and to input measurement data with high reliability.
[0025]
In the present invention, it is preferable that the measurement data input step includes a step of deleting locally separated singularity data with respect to the measurement data.
[0026]
According to the present invention, for example, by generating strong induction noise using a power device in a factory or the like as a noise source, locally protruding and separated data included in measurement data (for example, data on both sides) Since data with extremely different values at only one location can be deleted in advance as obvious singularity data, the reliability of the robust spline filter processing is further improved.
[0027]
A signal processing program according to the present invention causes a computer to execute the signal processing method described above. The recording medium of the present invention is characterized in that the signal processing program is recorded so as to be readable by a computer. And the signal processing apparatus of this invention makes a computer run said signal processing program, It is characterized by the above-mentioned.
[0028]
According to such a configuration, if a computer having a CPU (central processing unit) or a memory (storage device) is incorporated and a program is configured to cause the computer to execute each process, for example, weight adjustment, convergence determination, etc. In addition, various parameters can be easily changed including determination of the separation amount according to the dimension of the measurement data. Then, the recording medium on which the program is recorded may be directly inserted into the computer, and the program may be installed in the computer. A reading device that reads information on the recording medium is externally attached to the computer, and the program is installed on the computer from the reading device. May be. The program may be supplied and installed on the computer via a communication line such as the Internet, a LAN cable, a telephone line, or wirelessly.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
First, the weighted spline filter will be described.
As an example, n is the number of data, yk(K = 0, 1,..., N-1) is the measurement data, and the spline function is s, the sum of squares of the residual with the measurement data,
[Expression 1]
Figure 0004427258
The energy of the spline,
[Expression 2]
Figure 0004427258
This is achieved by minimizing under the condition of minimizing. That is, the spline filter is
[Equation 3]
Figure 0004427258
Is realized by obtaining a spline function s that minimizes I (s). Where λ is Lagrange's undetermined multiplier.
[0029]
Now wkIf (k = 0, 1,..., N-1) is a weight for the residual at each measurement point, an expression corresponding to a weighted spline filter,
[Expression 4]
Figure 0004427258
Is obtained.
[0030]
Here, the spline function s is discretized at a constant pitch, and the second term is
[Equation 5]
Figure 0004427258
Then,
[Formula 6]
Figure 0004427258
[0031]
It becomes. However,
[Expression 7]
Figure 0004427258
And Therefore, the value s of the discretization spline that minimizes I (s)kIs
[Equation 8]
Figure 0004427258
Satisfied.
[0032]
In Equation (6), a weighted spline filter is defined by a spline function that minimizes I (s).
[0033]
Here, considering the matrix representation of the weighted spline filter for non-periodic measurement data, the boundary condition is
[Equation 9]
Figure 0004427258
Then,
[Expression 10]
Figure 0004427258
So
## EQU11 ##
Figure 0004427258
The matrix representation of the weighted spline filter for aperiodic data is
[Expression 12]
Figure 0004427258
Given in.
[0034]
However,
[Formula 13]
Figure 0004427258
It is.
[0035]
Next, considering the matrix representation of the weighted spline filter for periodic measurement data, the periodic boundary condition formula is
[Expression 14]
Figure 0004427258
Then,
[Expression 15]
Figure 0004427258
Because
[Expression 16]
Figure 0004427258
The matrix representation of the weighted spline filter for periodic data is
[Expression 17]
Figure 0004427258
Given in.
[0036]
Here, the amplitude characteristic and phase characteristic of the spline filter are examined.
Spline filter formula with weight W = I (unit matrix),
[Expression 18]
Figure 0004427258
The z-1Means a delay of Δx, and expressed in z-transform,
[Equation 19]
Figure 0004427258
It becomes.
[0037]
The transfer function H (z) of the spline filter is
[Expression 20]
Figure 0004427258
Given in. To examine the amplitude and phase characteristics,
[Expression 21]
Figure 0004427258
After all,
[Expression 22]
Figure 0004427258
It becomes.
[0038]
here,
[Expression 23]
Figure 0004427258
Because
[Expression 24]
Figure 0004427258
And the amplitude characteristic is
[Expression 25]
Figure 0004427258
It becomes.
[0039]
On the other hand, the phase characteristic is
[Equation 26]
Figure 0004427258
Thus, it can be seen that the spline filter is a phase compensation filter.
[0040]
As an example, the cut-off frequency ω = ωCWhen realizing a 50% attenuation filter, the amplitude characteristics
[Expression 27]
Figure 0004427258
Thus, the constant α is given by the following equation.
[Expression 28]
Figure 0004427258
Cut-off frequency ω = ωCFig. 5 shows the transfer characteristics (amplitude characteristics and phase characteristics) of the 50% attenuation filter.
[0041]
Next, the solution of the weighted spline filter defined in this way is examined.
Matrix representation of weighted spline filter,
[Expression 29]
Figure 0004427258
Left-side coefficient matrix of
[30]
Figure 0004427258
Is a symmetric matrix.
[0042]
Therefore, if M is decomposed into a lower triangular matrix L and a diagonal matrix D using the modified Cholesky method (using the fact that the matrix M is a sparse matrix, the matrix can be decomposed very efficiently. Yes,)
[31]
Figure 0004427258
And the weighted spline filter is
[Expression 32]
Figure 0004427258
It is expressed.
[0043]
here,
[Expression 33]
Figure 0004427258
given that,
[Expression 34]
Figure 0004427258
It becomes.
[0044]
Here, since L is a lower triangular matrix, X can be easily obtained. further,
[Expression 35]
Figure 0004427258
From this relationship, S can be easily obtained from the obtained X.
In actual application,
[Expression 36]
Figure 0004427258
The matrix M can be singular.
[0045]
Therefore, it is ideally solved by the singular value decomposition method. However, when the singular value decomposition method is used, a large-capacity storage device and a large amount of calculation processing time are required. However, when applying to actual measurement data, it is very rare that the matrix M becomes singular, and it is assumed that the measurement data itself has a problem when the matrix M is singular. Is done. Therefore, in the present invention, even when the matrix M is singular, by applying the Gill-Murray modified Choleskey method that can output some kind of answer, the computational efficiency can be improved. Ensure both security and singular matrix countermeasures.
[0046]
As described above, since the weighted spline filter supported by the solution is derived, the robust spline filter is realized by repeatedly performing the calculation process until the convergence condition is satisfied while updating the weight W.
FIG. 1 is a flowchart showing the first processing procedure, and FIG. 2 is a functional block diagram of an apparatus for executing robust spline processing. In this process, first, a measurement data input step for inputting measurement data and a selection step (ST3) for selecting a weighted spline filter equation are executed.
[0047]
In the measurement data input step, step ST1 in which the measurement data is input from the measuring device or the like by the input means 1 and stored in the storage device 2 such as a computer, and the singular point data locally separated from the stored measurement data. Step ST2 of deleting by the singular point data deleting means 3 is executed.
Here, it is assumed that the measurement data is one-dimensional time series data measured by a roughness measuring machine. That is, for example, in a surface roughness measuring machine or the like, when the probe is moved in one direction (x direction), the roughness data y is acquired at a predetermined pitch in the x direction. Whether or not the data is singularity data can be easily determined by whether or not the distance from the least square curve of the measurement data is not less than a predetermined value and not more than a predetermined section width. .
[0048]
Thereafter, in the selection step ST3, the determination means 4 determines whether the measurement data is aperiodic or periodic, and selects a weighted spline filter equation according to this determination. More specifically, it is determined whether the equation (12) or the equation (17) is used depending on whether the measurement data is aperiodic or periodic.
Next, initialization processing (ST4) is performed. Here, as shown in the figure, the initial value S of the output value of the spline filter processing with W = I (unit matrix) is set.0(Non-robust spline filter calculation).
Next, measured data Y and Sm(M represents a repetition step.) The weight W is adjusted by the weight adjusting means 5 in the manner described later.m(ST5).
[0049]
Thereafter, in the spline filter output calculation means 6, a weighted spline filter,
[Expression 37]
Figure 0004427258
To spline filter output Sm + 1Is obtained (ST6).
Here, the convergence determination unit 51 performs weight determination (ST7), which will be described later, and if the convergence condition is not satisfied, m is updated (m = m + 1) (ST10), and the weight W is again determined.mIs adjusted (ST5).
[0050]
If the convergence condition is satisfied (ST7: YES), the iterative process is terminated and the output value S of the robust spline filterm(ST8), the spline curve is output to the output means 7.
In the above processing, the weight WmAs a method of determining by adjusting (ST5), the adaptive biweight method is used as follows.
[Formula 38]
Figure 0004427258
[0051]
Where σ is the standard deviation of the residual,
[39]
Figure 0004427258
[Formula 40]
Figure 0004427258
And
[0052]
Further, as the convergence condition in ST7, the process is repeated when the change in weight is sufficiently small and the following equation is satisfied.
[Expression 41]
Figure 0004427258
[0053]
FIG. 3 shows an example in which the signal processing method by the robust spline filter processing in the first embodiment is performed on the one-dimensional time series data. Here, for the measurement data with spike noise added, both the spline curve resulting from the normal spline filter processing and the spline curve resulting from the robust spline filter processing of the present invention are superimposed and displayed. is there. As is apparent from this figure, the result of the spline filter is subject to a change due to spike noise, whereas the result of the robust spline filter provides a spline curve along the original shape. Further, as can be seen from FIG. 3A, the followability with respect to a shape having a gentle undulation is also good.
[0054]
According to this method, the following effects can be expected.
(1) Since the spline filter can be easily made robust, deformation at the measurement data start point or measurement data end point region can be prevented, and it is not affected by the follow-up to the long-term waviness component included in the measurement data or the noise component. Since the shape included in the measurement data can be extracted, it is possible to perform a filtering process with good shape tracking, and the reliability of the measurement data is further improved.
(2) Since the locally separated singularity data included in the measurement data can be deleted, the reliability of the robust spline filter processing is further improved.
[0055]
(3) Since the weight decreases as the distance of the measurement data from the spline curve calculated by the weighted spline filter equation increases, robust spline filter processing that is not affected by abnormal data included in the measurement data is possible. Become.
(4) Since it can be determined that the weight has converged when the change in the weight in the iterative loop processing is equal to or less than a predetermined value, unnecessary processing due to the iterative loop can be prevented, and the robust spline filter calculation processing time can be shortened.
[0056]
(Second Embodiment)
Next, a second processing procedure for realizing a robust spline filter will be described. This processing procedure is the same as the first processing procedure, but the calculation formula used is different.
That is, the weighted spline filter equation,
[Expression 42]
Figure 0004427258
Transform
[Equation 43]
Figure 0004427258
And
[0057]
Here, in repeat step m,
(44)
Figure 0004427258
Is used.
In addition to the effects (1) to (4) of the first processing procedure, the following effects can be expected from the characteristics of the second processing procedure.
[0058]
(5) left side coefficient matrix,
[Equation 45]
Figure 0004427258
Since they always have the same value in the repetition step, the robust spline filter calculation processing time as a whole may be shortened.
[0059]
(Third embodiment)
Next, as a third embodiment of the signal processing method of the present invention, a signal processing method for measurement data that is two-dimensional data measured two-dimensionally will be described. Here, the measurement data which is two-dimensional data is obtained by measuring the contour curved surface of the object to be measured at a predetermined pitch with a constant Z coordinate in, for example, a three-dimensional measuring machine (x, y). Means coordinate values. Or, it means data when a figure drawn in a plane is read by a scanner. That is, in the first embodiment, the processing target is only the y coordinate, whereas in the third embodiment, both the x coordinate and the y coordinate are the processing targets.
The basic configuration of the third embodiment is the same as that of the first embodiment, but is characterized by an expression corresponding to Expression (6), which is a starting expression for obtaining the spline curve s.
[0060]
In the third embodiment, the measurement data (xk, Yk) And this measurement data (xk, Yk) On the spline curve s (sx(Xk, Yk), Sy(Xk, Yk)) And a spline curve that minimizes the sum of squares of the distances in the X and Y directions. That is, a spline function s that minimizes I (s) expressed by the following equation under the above-mentioned incidental conditions is obtained.
[0061]
[Equation 46]
Figure 0004427258
[0062]
However, in the second term on the right side, the Laplacian quadratic approximation is expressed as follows.
[0063]
[Equation 47]
Figure 0004427258
[0064]
Then, the weighted spline filter described in the first embodiment is executed for each x component and y component (see (Equation 37)).
Here, for the constant α, the sampling pitch Δl along the measurement path and the cutoff wavelength λc'Is given by the following equation.
[0065]
[Formula 48]
Figure 0004427258
[0066]
Then, a spline filter for deriving a spline curve in each section related to the two-dimensional measurement data is realized.
Further, in the robust spline filter that repeats the process until the weight W is updated and the convergence condition (Expression 41) is satisfied, (y in (Expression 38)k-Sk m) Is the distance between two points given by the following equation. That is, measurement data (xk, Yk) And this measurement data (xk, Yk) On the spline curve s (sx(Xk, Yk), Sy(Xk, Yk)).
[0067]
[Formula 49]
Figure 0004427258
[0068]
The convergence of the weight W calculated by (Expression 38) applying (Expression 49) is determined by (Expression 41). When the weight W has converged, the output value SmA spline curve corresponding to the measurement data is obtained from (spline function). This spline curve is output to the output means.
[0069]
FIG. 4A shows a comparison between input data obtained by adding spike noise to the normal leaf line and that obtained by performing spline processing and that subjected to robust spline processing. From FIG. 4A, it can be seen that the mere spline processing is dragged by spike noise, whereas the robust spline processing provides a robust (robust) result with suppressed spike noise. FIG. 4 (B) shows the input data with spike noise added to the airfoil and the result of applying spline processing and the result of applying robust spline. The results are the same as in FIG. 4 (A). is there.
[0070]
In the third embodiment, in addition to the effects (1) to (5) in the first and second embodiments, the following effects are further obtained.
(6) When the measurement data is two-dimensional data in Cartesian coordinates, the separation amount of the measurement data from the spline curve is based on the sum of squares of components for each axis (for example, X-axis component, Y-axis component, etc.). Therefore, the distance can be easily calculated. Therefore, it becomes easy to determine the weight of each measurement data.
[0071]
(7) Even if the measurement data is two-dimensional data, a spline filter output is obtained based on the result of weighted spline filter calculation for each axis component (for example, X-axis component, Y-axis component, etc.). Therefore, even for a complicated curve, the calculation process can be simplified, and the robust spline filter calculation process time for the measurement data can be shortened.
[0072]
(8) Even when measuring the object to be measured in a two-dimensional plane to obtain two-dimensional data and inputting this as measurement data, the measurement data is input at predetermined intervals along the measurement path. For example, a shape change point (for example, a change point from a straight line to an arc or a boundary point of a step) can be captured more accurately than when measurement data is input at predetermined intervals in the X-axis direction. That is, it is possible to prevent errors in shape determination and the like, and to input measurement data with high reliability.
[0073]
(Fourth embodiment)
Next, as a fourth embodiment according to the signal processing method of the present invention, a signal processing method for measurement data which is three-dimensional data measured three-dimensionally will be described. Here, the measurement data that is the three-dimensional data means (x, y, z) coordinate values obtained by measuring the surface of the object to be measured at a predetermined pitch in a three-dimensional measuring machine, for example. That is, in the first embodiment, the processing target is only the y-coordinate, whereas in the fourth embodiment, three of the x-coordinate, y-coordinate, and z-coordinate are the processing targets.
The basic configuration of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment, but is characterized by an equation corresponding to equation (6), which is a starting equation for obtaining the spline curve s.
[0074]
In the fourth embodiment, measurement data (xk, Yk, Zk) And this measurement data (xk, Yk, Zk) On the spline curve s (sx(Xk, Yk, Zk), Sy(Xk, Yk, Zk), Sz(Xk, Yk, Zk)) And the spline curve that minimizes the sum of squares of the distances in the X, Y, and Z directions. That is, a spline function s that minimizes I (s) expressed by the following equation under the above-mentioned incidental conditions is obtained.
[0075]
[Equation 50]
Figure 0004427258
[0076]
However, in the second term on the right side, the Laplacian quadratic approximation is expressed according to the third embodiment.
Then, the weighted spline filter described in the first embodiment is executed for each of the x component, the y component, and the z component (see (Expression 37)). For the constant α, the sampling pitch Δl and the cutoff wavelength λ along the measurement path in the three-dimensional space.c′ Is defined according to (Equation 48).
[0077]
Then, a spline filter for deriving a spline curve in each section related to the three-dimensional measurement data is realized.
Further, in the robust spline filter that repeats the process until the weight W is updated and the convergence condition (Expression 41) is satisfied, (y in (Expression 38)k-Sk m) Is the distance between two points given by the following equation. That is, measurement data (xk, Yk, Zk) And this measurement data (xk, Yk, Zk) On the spline curve s (sx(Xk, Yk, Zk), Sy(Xk, Yk, Zk), Sz(Xk, Yk, Zk)).
[0078]
[Formula 51]
Figure 0004427258
[0079]
Then, the convergence of the weight W calculated by (Expression 38) applying (Expression 51) is determined by (Expression 41). When the weight W has converged, the output value SmA spline curve corresponding to the measurement data is obtained from (spline function). This spline curve is output to the output means.
[0080]
In addition to the effects (1) to (5) in the first embodiment and the second embodiment, the fourth embodiment has the following effects.
(9) The effects (6) to (8) in the third embodiment can be further exerted on the three-dimensional data. Therefore, even if the measurement data is three-dimensional data, the calculation load can be reduced without increasing the calculation processing time of the robust spline filter.
[0081]
(Modification 1)
A modification of the signal processing method of the present invention will be described. In the first embodiment, an example in which the spline curve at the time when the convergence is determined is output as it is as a signal processing result, but in this modification, the spline curve is obtained again and the result is output as the signal processing result. .
[0082]
FIG. 6 shows a modification of the spline curve output (ST9) of FIG.
Here, first, the acquired output value SmIs input (ST91). Thereafter, it is determined whether or not to perform recalculation (ST92). For example, the operator may specify YES when it is desired to obtain the signal processing result with high accuracy, and NO when determining that the result has already been obtained with sufficient accuracy. Alternatively, it can be specified in advance.
When no recalculation is performed (NO), the output value SmThe spline curve is output by the output means 7. When recalculation is performed (YES), the weight exceeding the predetermined value set in advance is updated to 1 (ST93). That is, measurement data having a weight exceeding a predetermined value is determined to be valid data, and the contribution to the spline calculation process is set to 100%.
Thereafter, a weighted spline filter calculation is performed based on the updated weight to obtain an output (ST94). The spline curve obtained here is output from the output means 7 as a signal processing result (ST95).
[0083]
Since this modification can also be implemented in the first to fourth embodiments, in addition to the effects (1) to (9), the following effects can be achieved.
(10) When the weight at the time when it is determined that the weight has converged in the convergence determination step exceeds a predetermined value, the weight is updated to 1, a spline filter output is obtained again, and the result is output as a signal processing result. be able to. That is, when it is determined that the weight has converged by repeating the weight adjustment step and the spline filter output calculation step, the measurement data at the point where the weight exceeds a predetermined value is regarded as valid data and the weight is set to 1. Since the spline filter output can be obtained again after the update, the robust spline filter calculation for the measurement data can be performed more reliably. Since the result is output as a signal processing result, a spline curve having a sufficiently small error with respect to the original shape component included in the measurement data can be obtained, so that robust spline filter processing with good shape following capability is possible. Become.
[0084]
While the present invention has been described with reference to a preferred embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
For example, not limited to these embodiments, three-dimensional roughness data, measurement data by a contour shape measuring machine, data measured by a roundness measuring machine, shape data measured by a three-dimensional measuring machine, an image measuring machine The present invention can be implemented with any of the data measured in (1).
[0085]
Whether the measurement data collection is a contact type sensor or a non-contact type sensor, it is not limited to the surface property data of the object to be measured. Even if it exists, this invention can be implemented.
Furthermore, in the present embodiment, the measurement data has been described only when it is once stored in the storage device. However, the present invention is applicable even when calculation processing is performed in real time each time measurement data is collected. Can be implemented.
[0086]
Furthermore, the signal processing method of the present invention may be a signal processing program that causes a computer to execute the signal processing program, and the signal processing program is stored in a form that can be executed by various computers using a portable storage medium such as a CD-ROM. can do. The signal processing program may be in a compiled format that is translated into a machine language or in an interpreted format that is translated into an intermediate language.
[0087]
In addition, a signal processing apparatus can be configured by causing a computer to execute the signal processing program. In other words, the measurement data input step is executed, the measurement data input means is executed, the selection step is executed, the selection means is executed, the initialization step is executed, the initialization means is executed, the weight adjustment step is executed, and the weight adjustment means is executed. The spline filter output calculating step is executed to configure the spline filter output calculating means, the convergence determining step is executed to execute the convergence determining means, and the output step is executed to configure the output means, thereby configuring the signal processing apparatus.
[0088]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a signal processing method capable of performing filter processing using a robust spline filter can be performed at high speed and with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a signal processing procedure in a first embodiment according to a signal processing method of the present invention.
FIG. 2 is a functional block diagram of an apparatus that performs signal processing in the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram comparing the result of spline processing and the result of robust spline processing for one-dimensional time-series data in the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram comparing the result of spline processing and the result of robust spline processing in the third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating transfer characteristics according to a signal processing method according to the present invention.
FIG. 6 is a flowchart showing a modification of the present invention.
[Explanation of symbols]
3 Singularity data deletion means
5 Weight adjustment means
6 Spline filter output calculation means

Claims (10)

被測定物の表面性状を測定して得た測定データに対してフィルタ処理を施す信号処理方法において、
前記測定データを測定経路に沿って入力する測定データ入力ステップと、
前記測定データが周期的であるか否かを判定し、この判定に従って重み付きスプラインフィルタ式を選定する選定ステップと、
前記測定データに対する重みを単位行列で与えてスプラインフィルタ出力の初期値を得る初期化ステップと、
前記測定データに対する重みを調整して決定する重み調整ステップと、
前記重み調整ステップで決定された重みを用いてスプラインフィルタ出力を得るスプラインフィルタ出力算出ステップと、
前記重みの収束を判定する収束判定ステップと、
前記スプラインフィルタ出力に基づいて信号処理結果を出力する出力ステップとを備え、
前記重み調整ステップにおいて決定される重みは、
前記重み付きスプラインフィルタ式により算出されるスプライン曲線からの測定データの離隔量と、前記離隔量に基づいて定められる変数とによって、前記離隔量が大きいほど、小さく調整され、
前記収束判定ステップにおいて前記重みが非収束と判定された場合には、前記重みを更新して、前記重み調整ステップと前記スプラインフィルタ出力算出ステップとを繰り返し、前記測定データに対してロバストスプラインフィルタ処理を施すことを特徴とする信号処理方法。
In a signal processing method for performing a filtering process on measurement data obtained by measuring the surface property of a measurement object ,
A measurement data input step for inputting the measurement data along a measurement path;
A selection step of determining whether the measurement data is periodic and selecting a weighted spline filter equation according to the determination ;
An initializing step of obtaining an initial value of a spline filter output by giving a weight to the measurement data in a unit matrix;
A weight adjustment step of adjusting and determining a weight for the measurement data;
A spline filter output calculation step for obtaining a spline filter output using the weight determined in the weight adjustment step;
A convergence determination step for determining convergence of the weights;
An output step of outputting a signal processing result based on the spline filter output,
The weight determined in the weight adjustment step is:
The amount of measurement data from the spline curve calculated by the weighted spline filter equation and a variable determined based on the amount of separation are adjusted to be smaller as the amount of separation increases.
When it is determined in the convergence determination step that the weight is non-convergence, the weight is updated, the weight adjustment step and the spline filter output calculation step are repeated, and robust spline filter processing is performed on the measurement data. The signal processing method characterized by giving.
前記測定データは、直交2次元以上の成分を含み、
前記測定データの離隔量は、前記各成分毎の自乗和に基づいて決定されることを特徴とする請求項1に記載の信号処理方法。
The measurement data includes two or more orthogonal components,
The signal processing method according to claim 1, wherein the separation amount of the measurement data is determined based on a sum of squares of each component.
前記収束判定ステップは、
前記重み調整ステップにおいて決定された前記重みの変化が所定値以下となった場合に、前記重みが収束したと判定することを特徴とする請求項1から2のいずれかに記載の信号処理方法。
The convergence determination step includes:
3. The signal processing method according to claim 1, wherein the weight is determined to have converged when the change in the weight determined in the weight adjustment step is equal to or less than a predetermined value. 4.
前記出力ステップは、
前記測定データに対する重みが所定値を超える場合にその重みを1に更新する重み更新ステップと、
前記更新された重みに基づいてスプラインフィルタ出力を得るスプラインフィルタ再出力算出ステップと、
前記スプラインフィルタ再出力算出ステップにおける前記スプラインフィルタ出力を信号処理結果として出力する信号処理結果出力ステップと、
を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の信号処理方法。
The output step includes
A weight update step for updating the weight to 1 when the weight for the measurement data exceeds a predetermined value;
A spline filter re-output calculation step for obtaining a spline filter output based on the updated weight;
A signal processing result output step for outputting the spline filter output in the spline filter re-output calculation step as a signal processing result;
The signal processing method according to claim 1, further comprising:
前記測定データは、直交2次元以上の成分を含み、
前記スプラインフィルタ出力を得るときに、前記各成分毎に重み付きスプラインフィルタ計算を行った結果に基づいて前記スプラインフィルタ出力を得ることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の信号処理方法。
The measurement data includes two or more orthogonal components,
5. The signal processing according to claim 1, wherein when the spline filter output is obtained, the spline filter output is obtained based on a result of performing weighted spline filter calculation for each component. Method.
前記測定データ入力ステップにおいて、
前記測定データは前記測定経路に沿って所定間隔で入力されることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の信号処理方法。
In the measurement data input step,
6. The signal processing method according to claim 1, wherein the measurement data is input at predetermined intervals along the measurement path.
前記測定データ入力ステップは、
前記測定データに対する局所的に離隔した特異点データを削除するステップを含むことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の信号処理方法。
The measurement data input step includes
7. The signal processing method according to claim 1, further comprising the step of deleting locally separated singularity data with respect to the measurement data.
請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の信号処理方法をコンピュータに実行させることを特徴とした信号処理プログラム。  A signal processing program causing a computer to execute the signal processing method according to claim 1. 請求項8に記載の信号処理プログラムを記録したことを特徴とする記録媒体。  9. A recording medium on which the signal processing program according to claim 8 is recorded. 請求項8に記載の信号処理プログラムをコンピュータに実行させることを特徴とする信号処理装置。  A signal processing apparatus that causes a computer to execute the signal processing program according to claim 8.
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