JP5333143B2 - Shape measuring apparatus, shape measuring method and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状測定装置、形状測定方法およびプログラムに関する。 The present invention relates to a shape measuring device, a shape measuring method, and a program.
従来、ある物体の形状を計測するために、計測装置によって制御された光を対象物に投射する能動型の3次元画像計測法が用いられている。この3次元画像計測法は、例えば、時間変調レーザ光源と遅延積分型(Time Delay Integration:TDI)カメラとを用いて縞画像を生成し、移動物体の形状を測定する方法である。この方法は、1枚の画像から測定対象物の形状に関する情報を抽出できるものであり、装置自体もパターン投影装置と、カメラと、画像処理装置とで構成できるため、各種産業に広く応用可能である。特に、時間変調レーザ光源とTDIカメラとを使用して縞画像を得る方法は、移送される鋼板の微小な凹凸欠陥などの検査に有用な方法である。 Conventionally, in order to measure the shape of an object, an active three-dimensional image measurement method in which light controlled by a measurement device is projected onto an object has been used. This three-dimensional image measurement method is a method of measuring a shape of a moving object by generating a fringe image using, for example, a time-modulated laser light source and a delay integration type (Time Delay Integration: TDI) camera. This method can extract information on the shape of the measurement object from a single image, and the apparatus itself can be composed of a pattern projection device, a camera, and an image processing device, and thus can be widely applied to various industries. is there. In particular, a method of obtaining a fringe image using a time-modulated laser light source and a TDI camera is a useful method for inspecting minute irregularities on a steel sheet to be transferred.
ところで、上記の3次元画像計測法は、物体表面に対して所定の周期のパターンを照射して縞画像を生成する方法であり、その測定過程において、縞画像中の隣接する画素間の位相のつながり具合を考慮する必要がある。この隣接画素間の位相の整合をとるために、3次元画像計測法では、位相接続処理と呼ばれる処理が行われることが多い。 By the way, the above three-dimensional image measurement method is a method of generating a fringe image by irradiating a pattern with a predetermined period on the surface of an object. In the measurement process, the phase between adjacent pixels in the fringe image is measured. It is necessary to consider the connection. In order to match the phase between adjacent pixels, a process called phase connection process is often performed in the three-dimensional image measurement method.
このような位相接続処理として、以前より様々な方法が提案されている。例えば、以下の特許文献1〜特許文献3では、位相が確定した画素と、これから位相接続を行う画素との位相差が最も小さくなるように、位相が未確定の画素に対応する位相に対して2πの整数倍(0,±1,±2,・・・)を加算することで、位相接続を行う方法が開示されている。また、以下の特許文献4および特許文献5では、処理を行う画像を、隣接画素間の位相変化が十分小さい領域(すなわち、位相が連続しているとみなすことができる領域)に分割し、当該領域に含まれる画素の位相に対して領域単位で2πの整数倍を加算する方法が開示されている。 Various methods have been proposed as such phase connection processing. For example, in the following Patent Document 1 to Patent Document 3, the phase corresponding to a pixel whose phase is undetermined so that the phase difference between the pixel whose phase is fixed and the pixel to which phase connection will be performed is minimized A method of performing phase connection by adding integer multiples (0, ± 1, ± 2,...) Of 2π is disclosed. Further, in Patent Document 4 and Patent Document 5 below, an image to be processed is divided into regions in which the phase change between adjacent pixels is sufficiently small (that is, a region in which the phase can be considered to be continuous). A method of adding an integer multiple of 2π in units of regions to the phase of pixels included in the region is disclosed.
しかしながら、上記特許文献1〜3に記載の方法では、位相接続前の位相にノイズが含まれる場合に、位相に対して本来2πを加算すべきではないにも関わらず加算を行ってしまい、大きな誤差が残存する可能性があるという問題があった。また、これらの方法は、画像を構成する全ての画素に対する逐次処理であるため、並列演算による処理の高速化が困難であるという問題があった。 However, in the methods described in Patent Documents 1 to 3, when noise is included in the phase before phase connection, addition is performed even though 2π should not be originally added to the phase. There was a problem that an error may remain. Moreover, since these methods are sequential processes for all the pixels constituting the image, there is a problem that it is difficult to increase the processing speed by parallel computation.
また、上記特許文献4および特許文献5に記載の方法では、処理対象となる画像の位相変化が大きい場合には、分割数が増加することとなり、結果として処理時間が増加するという問題があった。これは、処理対象となる画像によって処理時間が変動することを意味するため、例えばオンライン処理などのように処理時間に制約が存在する場合には、これらの文献に記載の方法の適用が困難となってしまう。 Further, in the methods described in Patent Document 4 and Patent Document 5, when the phase change of the image to be processed is large, the number of divisions increases, resulting in a problem that the processing time increases. . This means that the processing time varies depending on the image to be processed. Therefore, when there are restrictions on the processing time such as online processing, it is difficult to apply the methods described in these documents. turn into.
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、被測定物体の表面に対して所定の周期のパターンを照射して、生成された縞画像から被測定物の3次元形状を測定する際の、縞画像中の隣接する画素間の位相接続処理の高度化を狙いとするものである。本発明の目的とするところは、処理に要する演算負荷が入力画像に依存せず、接続前の位相に含まれるノイズによる誤差の発生を防止することが可能な、形状測定装置、形状測定方法およびプログラムを提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and irradiates the surface of the object to be measured with a pattern having a predetermined period, and measures the three-dimensional shape of the object to be measured from the generated fringe image. This is intended to enhance the phase connection processing between adjacent pixels in the fringe image. An object of the present invention is to provide a shape measuring device, a shape measuring method, and a shape measuring device capable of preventing an error caused by noise included in a phase before connection without depending on an input image and a calculation load required for processing. To provide a program.
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、相対的に周期の長い長周期波により変調された相対的に周期の短い短周期波からなる線状のレーザ光を測定対象物に照射し、当該測定対象物により反射された前記線状のレーザ光を撮像する物体撮像装置と、前記物体撮像装置により生成された前記測定対象物の撮像画像に対して画像処理を行い、前記測定対象物の形状を特定する演算処理装置と、を備え、前記演算処理装置は、前記測定対象物の撮像画像に基づいて、当該撮像画像に含まれる前記長周期波および前記短周期波の位相をそれぞれ算出する位相算出部と、前記位相算出部により算出された前記長周期波の位相に基づいて重み付き最小二乗法により前記長周期波の位相を接続するとともに、当該接続された長周期波の位相および前記位相算出部により算出された前記短周期波の位相に基づいて重み付き最小二乗法により前記短周期波の位相を接続する位相接続部と、前記位相接続部により接続された前記短周期波の位相に基づいて、前記測定対象物の形状を特定する形状特定部と、を有し、前記位相算出部は、前記長周期波および前記短周期波の振幅を更に算出し、前記位相接続部は、前記位相算出部により算出された前記長周期波および前記短周期波の振幅に基づいて、前記重み付き最小二乗法で用いられる重みを決定する形状測定装置が提供される。
In order to solve the above problems, according to an aspect of the present invention, a linear laser beam composed of a short-period wave having a relatively short period and modulated by a long-period wave having a relatively long period is measured. An object imaging device that images the linear laser light reflected by the measurement object, and performs image processing on a captured image of the measurement object generated by the object imaging device, An arithmetic processing device that identifies the shape of the measurement object, and the arithmetic processing device, based on a captured image of the measurement target, includes the phases of the long-period wave and the short-period wave included in the captured image. And a phase calculation unit for calculating the phase of the long period wave by a weighted least square method based on the phase of the long period wave calculated by the phase calculation unit, and the connected long period wave of phase A phase connecting portion connecting the phase of the short-period waves by weighted least square method on the basis of preliminary the phase calculation section wherein the short period waves the phase calculated by the short period waves coupled by the phase connecting portion based on the phase, have a, a shape identifying unit which identifies a shape of the measurement object, the phase calculation unit further calculates the amplitude of the long period wave and the short period waves, the phase connecting portion Is provided with a shape measuring device for determining a weight used in the weighted least square method based on the amplitude of the long period wave and the short period wave calculated by the phase calculation unit .
前記位相接続部は、前記長周期波の位相の接続結果に基づいて、前記短周期波の位相を接続する際の当該位相の初期値を生成することが好ましい。 It is preferable that the phase connection unit generates an initial value of the phase when the phase of the short period wave is connected based on a connection result of the phase of the long period wave.
前記位相接続部は、前記撮像画像において前記振幅が所定の閾値以下となる位置に対応する前記重みの値を、予め定められた値以下の正の値とし、前記振幅が所定の閾値以下となる位置以外の位置に対応する前記重みの値を1としてもよい。 The phase connection unit sets the weight value corresponding to the position where the amplitude is equal to or smaller than a predetermined threshold in the captured image as a positive value equal to or smaller than a predetermined value, and the amplitude is equal to or smaller than the predetermined threshold. The weight value corresponding to a position other than the position may be 1.
前記位相接続部は、前記短周期波の位相を接続する処理を行う際に、前記撮像画像における各位置の位相の前記初期値と、当該各位置に隣接する位置の位相の初期値との差分の絶対値和を算出し、当該差分の絶対値和が所定の閾値超過であった場合、該当する位置の前記重みの値を0としてもよい。 The phase connection unit, when performing the process of connecting the phases of the short period waves, the difference between the initial value of the phase of each position in the captured image and the initial value of the phase of the position adjacent to the position If the sum of absolute values of the differences exceeds a predetermined threshold, the weight value at the corresponding position may be set to zero.
前記長周期波の周期が前記短周期波の周期のK倍であるとき、前記位相接続部は、位相接続後の前記長周期波の位相をK倍したものを、前記短周期波の位相の初期値としてもよい。 When the period of the long-period wave is K times the period of the short-period wave, the phase connection unit is obtained by multiplying the phase of the long-period wave after phase connection by K times the phase of the short-period wave. It may be an initial value.
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、相対的に周期の長い長周期波により変調された相対的に周期の短い短周期波からなる線状のレーザ光により測定対象物を走査しながら測定対象物により反射された前記線状のレーザ光を撮像し、前記測定対象物の撮像画像を生成するステップと、前記測定対象物の撮像画像に基づいて、当該撮像画像に含まれる前記長周期波および前記短周期波の位相と、前記長周期波および前記短周期波の振幅と、をそれぞれ算出するステップと、算出された前記長周期波の位相に基づいて重み付け最小二乗法により前記長周期波の位相を接続するとともに、当該接続された長周期波の位相および算出された前記短周期波の位相に基づいて重み付き最小二乗法により前記短周期波の位相を接続するステップと、前記位相を接続するステップにより接続された前記短周期波の位相に基づいて、前記測定対象物の形状を特定するステップと、を含み、前記位相を接続するステップでは、算出された前記長周期波および前記短周期波の振幅に基づいて、前記重み付き最小二乗法で用いられる重みを決定する形状測定方法が提供される。
In order to solve the above problem, according to another aspect of the present invention, a linear laser beam composed of a short-period wave having a relatively short period modulated by a long-period wave having a relatively long period is used. Imaging the linear laser beam reflected by the measurement object while scanning the measurement object, generating a captured image of the measurement object, and imaging the measurement object based on the captured image of the measurement object a phase of the long periodic wave and the short-period waves included in the image, and calculating the length and the amplitude of the periodic wave and the short period waves, respectively, based on the long periodic wave of the phase issued calculated The phase of the long period wave is connected by the weighted least square method, and the phase of the short period wave is calculated by the weighted least square method based on the phase of the connected long period wave and the calculated phase of the short period wave. Connect A step that, based on the connected the short-period wave phase by the step of connecting the phase, identifying a shape of the measurement object, seen containing an in step of connecting the phase is calculated Further, there is provided a shape measuring method for determining a weight used in the weighted least square method based on the amplitude of the long period wave and the short period wave .
また、上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、相対的に周期の長い長周期波により変調された相対的に周期の短い短周期波からなる線状のレーザ光を測定対象物に照射し、当該測定対象物により反射された前記線状のレーザ光を撮像する物体撮像装置により生成された測定対象物の撮像画像に対して画像処理を行うコンピュータに、前記撮像画像に基づいて、当該撮像画像に含まれる前記長周期波および前記短周期波の位相をそれぞれ算出する位相算出機能と、算出された前記長周期波の位相に基づいて重み付け最小二乗法により前記長周期波の位相を接続するとともに、当該接続された長周期波の位相および前記位相算出機能により算出された前記短周期波の位相に基づいて重み付き最小二乗法により前記短周期波の位相を接続する位相接続機能と、位相接続後の前記短周期波の位相に基づいて、前記測定対象物の形状を特定する形状特定機能と、を実現させ、前記位相算出機能は、前記長周期波および前記短周期波の振幅を更に算出し、前記位相接続機能は、前記位相算出機能により算出された前記長周期波および前記短周期波の振幅に基づいて、前記重み付き最小二乗法で用いられる重みを決定するプログラムが提供される。
In order to solve the above problems, according to still another aspect of the present invention, a linear laser beam composed of a short-period wave having a relatively short period and modulated by a long-period wave having a relatively long period To the computer that performs image processing on the captured image of the measurement object generated by the object imaging device that images the linear laser light reflected by the measurement object. Based on the image, the phase calculation function for calculating the phase of the long period wave and the short period wave included in the captured image, respectively, and the long square wave based on the calculated phase of the long period wave by the weighted least square method with connecting periodic wave phase, by the connected long period wave phase and weighted least-squares method on the basis of the calculated short-period wave phase by the phase calculation function of the short-period waves A phase connection function of connecting the phase, based on the short periodic wave phase after phase connection, a shape specifying function of specifying the shape of the measurement object, is realized, the phase calculation function, the long period The phase connection function is used in the weighted least squares method based on the amplitude of the long period wave and the short period wave calculated by the phase calculation function. program is provided for determining the weight to be.
以上説明したように本発明によれば、被測定物体の表面に対して所定の周期のパターンを照射して、生成された縞画像から被測定物の3次元形状を測定する際に、重みつき最小二乗法を用いた位相接続処理を行うことにより、縞画像中の隣接する画素間の位相接続処理の高度化を図ることができる。これにより、本発明では、処理に要する演算負荷が入力画像に依存しないようにすることができ、接続前の位相に含まれるノイズによる誤差の発生を防止することが可能となる。 As described above, according to the present invention, when the surface of the object to be measured is irradiated with a pattern having a predetermined period and the three-dimensional shape of the object to be measured is measured from the generated fringe image, weighting is performed. By performing the phase connection process using the least square method, the phase connection process between adjacent pixels in the fringe image can be enhanced. Thereby, in the present invention, the calculation load required for processing can be made independent of the input image, and it is possible to prevent the occurrence of errors due to noise included in the phase before connection.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.
(第1の実施形態)
<形状測定装置の全体構成について>
まず、図1〜図16を参照しながら、本発明の第1の実施形態に係る形状測定装置の全体構成について、詳細に説明する。
(First embodiment)
<Overall configuration of shape measuring device>
First, the overall configuration of the shape measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
なお、以下の説明では、線状レーザ光源とTDIカメラとを用いて形状測定を行う場合を例にとるが、本実施形態に係る形状測定装置は、かかる例に限定されるわけではなく、物体に対して空間的な周期パターンを照射可能な光源と撮像装置とを用いたものであってもよい。 In the following description, a case where shape measurement is performed using a linear laser light source and a TDI camera is taken as an example. However, the shape measurement apparatus according to the present embodiment is not limited to such an example, and an object is measured. Alternatively, a light source capable of irradiating a spatial periodic pattern and an imaging device may be used.
本実施形態に係る形状測定装置10は、物体の形状を光学的に測定する装置であって、例えば図1に示したように、物体撮像装置100と、演算処理装置200と、を主に備える。形状測定の対象(以下、測定対象物とも称する。)としては、例えば、製鉄所等で製造される鋼板Sが想定される。測定対象物である鋼板Sは、鋼板の長手方向(図1の左右方向)に一定の速さで搬送されている。本実施形態に係る形状測定装置10は、鋼板Sの搬送中に、この鋼板Sの形状を測定し、鋼板表面に存在する凹みや疵などの欠陥を検出する。 The shape measuring apparatus 10 according to the present embodiment is an apparatus that optically measures the shape of an object, and mainly includes, for example, an object imaging device 100 and an arithmetic processing device 200 as shown in FIG. . As an object of shape measurement (hereinafter also referred to as a measurement object), for example, a steel sheet S manufactured at a steel mill or the like is assumed. The steel plate S that is the measurement object is conveyed at a constant speed in the longitudinal direction of the steel plate (left and right direction in FIG. 1). The shape measuring apparatus 10 according to the present embodiment measures the shape of the steel sheet S during conveyance of the steel sheet S, and detects defects such as dents and wrinkles present on the surface of the steel sheet.
[物体撮像装置について]
まず、物体撮像装置100について説明する。
本実施形態に係る物体撮像装置100は、例えば図1に示したように、レーザ光源101と、ロッドレンズ103と、遅延積分型(TDI)カメラ105と、を主に備える。
[About object imaging device]
First, the object imaging apparatus 100 will be described.
The object imaging apparatus 100 according to the present embodiment mainly includes a laser light source 101, a rod lens 103, and a delay integration type (TDI) camera 105, for example, as shown in FIG.
レーザ光源101は、例えば、連続的にレーザ発振を行うCWレーザ光源を用いることが可能である。レーザ光源101が発振する光の波長は、例えば、400nm〜800nm程度の可視光帯域に属する波長であることが好ましい。レーザ光源101は、後述する演算処理装置200から送出される照射タイミング制御信号に基づいて、レーザ光の発振を行う。 As the laser light source 101, for example, a CW laser light source that continuously performs laser oscillation can be used. The wavelength of light oscillated by the laser light source 101 is preferably a wavelength belonging to the visible light band of about 400 nm to 800 nm, for example. The laser light source 101 oscillates laser light based on an irradiation timing control signal sent from the arithmetic processing unit 200 described later.
ロッドレンズ103は、レーザ光源101から射出されたレーザ光を、測定対象物である鋼板Sの幅方向(図1の紙面に垂直な方向)に沿って扇状に広げるレンズである。これにより、レーザ光源101から射出されたレーザ光は線状レーザ光Lとなり、鋼板Sに照射されることとなる。なお、本実施形態に係る物体撮像装置100では、レーザ光を扇状に広げることが可能なものであれば、ロッドレンズ以外のレンズを利用してもよい。 The rod lens 103 is a lens that spreads the laser light emitted from the laser light source 101 in a fan shape along the width direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1) of the steel sheet S that is the measurement object. As a result, the laser light emitted from the laser light source 101 becomes the linear laser light L, and the steel sheet S is irradiated. In the object imaging apparatus 100 according to the present embodiment, a lens other than the rod lens may be used as long as the laser light can be fanned out.
ここで、図1に示したように、レーザ光源101およびロッドレンズ103は、線状レーザ光Lが鋼板Sに対して斜めに入射するように配置されている。 Here, as shown in FIG. 1, the laser light source 101 and the rod lens 103 are arranged so that the linear laser light L is incident on the steel sheet S obliquely.
測定対象物である鋼板Sの表面の線状レーザ光Lが照射された部分には、鋼板Sの幅方向に沿って線状の明るい部位が形成される。また、鋼板Sは、鋼板Sの長手方向に沿って搬送されているため、鋼板Sからみると、線状の明るい部位も鋼板Sの長手方向に沿って移動していることとなる。線状の明るい部分からの反射光(線状反射像)は、遅延積分型カメラ105まで伝送され、遅延積分型カメラ105によって撮像される。 In the portion irradiated with the linear laser beam L on the surface of the steel sheet S that is the measurement object, a linear bright portion is formed along the width direction of the steel sheet S. Further, since the steel plate S is conveyed along the longitudinal direction of the steel plate S, when viewed from the steel plate S, the linear bright part is also moved along the longitudinal direction of the steel plate S. The reflected light (linear reflection image) from the linear bright part is transmitted to the delay integration camera 105 and captured by the delay integration camera 105.
遅延積分型(TDI)カメラ105は、搬送されている鋼板Sの線状反射像を撮像する。TDIカメラ105は、多数の光電変換素子がマトリクス状に配置された、2次元の受光面を備える。鋼板Sの線状反射像が、TDIカメラ105のレンズ107を介して、1列分の幅で光電変換素子に入射すると、TDIカメラ105の各光電変換素子は、それぞれで蓄積した電荷を、光電変換素子と同じ行に位置し、かつ、一つ後ろの列に位置する光電変換素子へと転送する。この転送のタイミングは、全ての光電変換素子で同一であり、後述する演算処理装置200から送出されるカメラシフトパルス信号によって制御される。すなわち、カメラシフトパルス信号が入力するたびに、各光電変換素子は電荷を一列ごとに転送する。最終列に位置する光電変換素子は、カメラシフトパルス信号が入力されると、蓄積している電荷を読み出して、後述する演算処理装置200に出力する。これにより、後述する演算処理装置200には、線状反射像に対応する光切断画像が出力されることとなる。 The delay integration type (TDI) camera 105 captures a linear reflection image of the steel sheet S being conveyed. The TDI camera 105 includes a two-dimensional light receiving surface on which a large number of photoelectric conversion elements are arranged in a matrix. When the linear reflection image of the steel sheet S enters the photoelectric conversion element with a width of one column through the lens 107 of the TDI camera 105, each photoelectric conversion element of the TDI camera 105 converts the accumulated charge into the photoelectric conversion element. The data is transferred to the photoelectric conversion element located in the same row as the conversion element and located in the next column. The timing of this transfer is the same for all photoelectric conversion elements, and is controlled by a camera shift pulse signal sent from the arithmetic processing unit 200 described later. That is, each time a camera shift pulse signal is input, each photoelectric conversion element transfers the charge one column at a time. When the camera shift pulse signal is input, the photoelectric conversion elements located in the last column read out the accumulated charges and output them to the arithmetic processing unit 200 described later. As a result, a light section image corresponding to the linear reflection image is output to the arithmetic processing unit 200 described later.
ここで、鋼板Sは、鋼板の長手方向に沿って移動しているため、レーザ光源101からレーザ光を鋼板Sに照射し、TDIカメラ105を用いて鋼板Sの線状反射像を一定時間撮像すると、鋼板Sの長手方向の各位置における光切断画像を順次得ることができる。こうして得られた各光切断画像を縦にした状態で横方向に順に配列することにより、鋼板S全体を表す画像を得ることができる。 Here, since the steel plate S moves along the longitudinal direction of the steel plate, the steel plate S is irradiated with laser light from the laser light source 101, and a linear reflection image of the steel plate S is captured for a certain time using the TDI camera 105. Then, the light cutting image in each position of the longitudinal direction of the steel plate S can be obtained sequentially. An image representing the entire steel sheet S can be obtained by sequentially arranging the optically cut images thus obtained in the horizontal direction.
一般に、TDIカメラ105では、電荷が転送される途中で、各光電変換素子に光が入射すると、入射した光の強度に対応する電荷が上乗せされることとなる。しかしながら、本実施形態に係る形状測定装置10では、上述したように、光電変換素子に1列分の幅の線状反射像が入射するため、電荷の転送途中で各光電変換素子に電荷が上乗せされることは、ほとんど生じない。また、レーザ光の波長だけを透過するような光学バンドパスフィルタをTDIカメラ105の前に設けてもよい。 In general, in the TDI camera 105, when light is incident on each photoelectric conversion element while charges are being transferred, a charge corresponding to the intensity of the incident light is added. However, in the shape measuring apparatus 10 according to the present embodiment, as described above, a linear reflection image having a width corresponding to one column is incident on the photoelectric conversion elements, so that charges are added to the photoelectric conversion elements during the transfer of charges. Little happens. An optical bandpass filter that transmits only the wavelength of the laser beam may be provided in front of the TDI camera 105.
また、線状レーザ光Lは周期的に変調され、線状レーザ光Lの強度が時間的に変化するため、TDIカメラ105の受光面での各行において、列方向の各光電変換素子に蓄積される電荷量(すなわち、受光強度)の分布も周期的に変化することとなる。このため、TDIカメラ105から出力される各光切断画像を縦にした状態で横方向に順に配列することにより得られる画像は、画像の横方向に沿って、各光切断画像の濃度(すなわち、強度に対応)が周期的に変化する縞画像となる。 Further, since the linear laser beam L is periodically modulated and the intensity of the linear laser beam L changes with time, in each row on the light receiving surface of the TDI camera 105, the linear laser beam L is accumulated in each photoelectric conversion element in the column direction. The distribution of the amount of charge (that is, the received light intensity) also periodically changes. For this reason, an image obtained by sequentially arranging the light cut images output from the TDI camera 105 in the horizontal direction in the vertical direction is the density of each light cut image (that is, the horizontal direction of the image (that is, (Corresponding to intensity) is a fringe image that periodically changes.
図2に、上述のようにして生成される縞画像の一例を示す。ここで、縞とは、濃度変化の一周期分に相当する光切断画像のことである。このような縞画像では、縦方向、すなわち縞に平行な方向が測定対象物である鋼板Sの幅方向に対応し、横方向、すなわち縞に直交する方向が、測定対象物2である鋼板Sの長手方向に対応する。TDIカメラ105のカメラシフト周波数とレーザ光の変調周波数との比をM:1とすると、M個の光切断画像、すなわち横方向のM画素分が、一本の縞を構成することとなる。 FIG. 2 shows an example of a fringe image generated as described above. Here, the stripe is a light section image corresponding to one period of density change. In such a fringe image, the longitudinal direction, that is, the direction parallel to the fringe corresponds to the width direction of the steel sheet S that is the measurement object, and the horizontal direction, that is, the direction orthogonal to the fringe is the steel sheet S that is the measurement object 2. Corresponds to the longitudinal direction. If the ratio of the camera shift frequency of the TDI camera 105 to the modulation frequency of the laser light is M: 1, M light-cut images, that is, M pixels in the horizontal direction form one stripe.
線状レーザ光Lは、測定対象物である鋼板Sの表面に斜めから入射するので、例えば鋼板Sに凹部が存在すると、図1において線状レーザ光Lの反射点は右方向にずれる。その結果、TDIカメラ105の光電変換素子上での光切断画像の位置も、右方向すなわち列方向にずれることになる。このため、縞画像において、この凹部で反射した線状レーザ光Lに対応する光切断画像は、凹部以外の平坦部で反射した線状レーザ光Lに対応する光切断画像よりも時間的に早く出力されることになる。したがって、TDIカメラ105から出力される1次元画像を横方向に順に配列することにより得られる2次元画像において、鋼板Sに存在する凹部は、縞のずれとして認識することができる。例えば、図2において、縞の曲がっている部分は、測定対象物に存在する凹部に対応している。 Since the linear laser beam L is incident on the surface of the steel sheet S, which is an object to be measured, from an oblique direction, for example, when there is a recess in the steel sheet S, the reflection point of the linear laser beam L in FIG. As a result, the position of the light section image on the photoelectric conversion element of the TDI camera 105 is also shifted rightward, that is, in the column direction. For this reason, in the fringe image, the light cut image corresponding to the linear laser light L reflected by the concave portion is earlier in time than the light cut image corresponding to the linear laser light L reflected by the flat portion other than the concave portion. Will be output. Therefore, in the two-dimensional image obtained by sequentially arranging the one-dimensional images output from the TDI camera 105 in the horizontal direction, the concave portions present in the steel sheet S can be recognized as a stripe shift. For example, in FIG. 2, the portion where the stripe is bent corresponds to the concave portion present in the measurement object.
なお、線状レーザ光Lの鋼板Sへの入射角は、任意の値に設定することが可能であるが、例えば45度とすることが好ましい。入射角を45度とすることで、測定対象物である鋼板Sの深さ変化量が縞の移動量と等しくなり、縞の移動量から容易に鋼板Sに存在する凹部の深さに関する情報を得ることができるためである。 The incident angle of the linear laser beam L to the steel sheet S can be set to an arbitrary value, but is preferably set to 45 degrees, for example. By setting the incident angle to 45 degrees, the amount of change in the depth of the steel sheet S as the measurement object becomes equal to the amount of movement of the stripes, and information on the depth of the recesses present in the steel sheet S can be easily obtained from the amount of movement of the stripes. This is because it can be obtained.
ところで、図3(a)に示したように、例えば測定対象物である鋼板Sに段差21が存在し、段差21の深さが半周期の位相の差である場合を考える。この場合、レーザ光源101から強度変調光を鋼板Sに照射し、TDIカメラ105から得られる測定データに基づいて生成される縞画像は、図3(b)に示すような画像となる。 By the way, as shown to Fig.3 (a), the case where the level | step difference 21 exists in the steel plate S which is a measuring object, for example, and the depth of the level | step difference 21 is a phase difference of a half cycle is considered. In this case, the striped image generated based on the measurement data obtained by irradiating the steel plate S with the intensity-modulated light from the laser light source 101 and being obtained from the TDI camera 105 is an image as shown in FIG.
図3(a)を参照すると、段差21の両側で、縞a−a’、縞b−b’、縞c−c’、・・・という対応関係が成立していることがわかる。しかしながら、図3(b)に示したようなカメラ画像のみでは、例えば縞bは、縞a’に対応する縞であるのか、縞b’に対応する縞であるのかを判定することができない。さらに、TDIカメラ105から得られる信号の情報は位相のみであるため、段差の深さが半周期を超える場合、情報の連続性が失われ、物体表面の形状の測定を困難にする。このような縞の連続性に関する問題は、縞画像を投影する方法においても同様に発生する。 Referring to FIG. 3A, it can be seen that the correspondence relationship of the stripe a-a ′, the stripe b-b ′, the stripe c-c ′,... However, it is impossible to determine, for example, whether the stripe b is a stripe corresponding to the stripe a 'or a stripe corresponding to the stripe b' only by the camera image as shown in FIG. Further, since the signal information obtained from the TDI camera 105 is only the phase, if the depth of the step exceeds a half cycle, the continuity of the information is lost, making it difficult to measure the shape of the object surface. Such a problem relating to the continuity of fringes also occurs in the method of projecting fringe images.
上述のような段差の問題は、形状測定装置10で使用する強度変調の周期(縞の周期)と段差の高さとの関係に起因するものであるため、形状測定装置10において、縞の周期よりも長い周期の正弦波を利用することが考えられる。しかしながら、長周期波のみで物体の測定を行うと、長周期波は空間解像度が低いために、生じる誤差が相対的に大きくなる。従って、本実施形態に係る形状測定装置10が備える演算処理装置200では、長周期波を用いて段差の概略の高さを得ると共に、段差の概略の高さを利用して短周期波の位相を接続するようにし、高精度で表面形状を測定できるようにした。 The problem of the level difference as described above is caused by the relationship between the intensity modulation period (the period of the stripes) used in the shape measuring apparatus 10 and the height of the level difference. It is conceivable to use a sine wave with a long period. However, when an object is measured using only a long-period wave, the spatial error of the long-period wave is low, so that a generated error becomes relatively large. Therefore, in the arithmetic processing device 200 included in the shape measuring apparatus 10 according to the present embodiment, the approximate height of the step is obtained using the long period wave, and the phase of the short period wave is obtained using the approximate height of the step. The surface shape can be measured with high accuracy.
[演算処理装置の全体構成について]
続いて、図1を参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置10が備える演算処理装置の構成について、詳細に説明する。
[Overall configuration of arithmetic processing unit]
Next, the configuration of the arithmetic processing device provided in the shape measuring apparatus 10 according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIG.
本実施形態に係る演算処理装置200は、例えば図1に示したように、タイミング信号発生部201と、画像処理部203と、表示部205と、記憶部207と、を主に備える。 For example, as illustrated in FIG. 1, the arithmetic processing device 200 according to the present embodiment mainly includes a timing signal generation unit 201, an image processing unit 203, a display unit 205, and a storage unit 207.
タイミング信号発生部201は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、通信装置等により実現される。タイミング信号発生部201は、所定の周波数ωをもつ正弦波形の信号を発生させ、発生させた正弦波形の信号を、レーザ光源101に送出する。レーザ光源101は、外部から入力される信号により、発振強度を連続的に変化させられるものであるため、タイミング信号発生部201から送出された正弦波形の信号を受信することで、正弦波形で出力が変化するレーザ光を発振することが可能となる。すなわち、タイミング信号発生部201は、発生させた正弦波形をレーザ光源101に送出することで、レーザ光源101が発するレーザ光を周期的に変調させることができる。 The timing signal generation unit 201 is realized by, for example, a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a communication device, and the like. The timing signal generator 201 generates a sine waveform signal having a predetermined frequency ω, and sends the generated sine waveform signal to the laser light source 101. Since the laser light source 101 can continuously change the oscillation intensity by a signal input from the outside, it receives a sine waveform signal sent from the timing signal generator 201 and outputs it in a sine waveform. It is possible to oscillate laser light that changes. That is, the timing signal generator 201 can periodically modulate the laser light emitted from the laser light source 101 by sending the generated sine waveform to the laser light source 101.
より詳細には、タイミング信号発生部201は、通常の周期の正弦波(周波数ω1)と、この周波数ω1の正弦波よりも周期の長い正弦波(周波数ω2)とを発生させ、これら2種類の正弦波を加算してレーザ光を変調させる。以下では、通常の周期を有する相対的に短い周期の正弦波(周波数ω1の正弦波)を「短周期波」と称することとし、通常の周期の周波数よりも周期の長い正弦波(周波数ω2の正弦波)を「長周期波」と称することとする。ここで、タイミング信号発生部201は、長周期波の周期を短周期波の周期のK倍となるように、レーザ光を変調させる。 More specifically, the timing signal generator 201 generates a sine wave having a normal period (frequency ω 1 ) and a sine wave having a longer period than the sine wave having the frequency ω 1 (frequency ω 2 ). Two types of sine waves are added to modulate the laser beam. Hereinafter, a sine wave having a normal cycle and a relatively short cycle (frequency ω 1 sine wave) will be referred to as a “short cycle wave”, and a sine wave having a longer cycle than the normal cycle frequency (frequency ω). 2 ) is referred to as a “long-period wave”. Here, the timing signal generator 201 modulates the laser beam so that the period of the long-period wave is K times the period of the short-period wave.
また、タイミング信号発生部201は、上記周波数ω1のM倍の周波数をもつ正弦波形を発生させてカメラシフトパルス信号とし、発生させたカメラシフトパルス信号を、TDIカメラ105に送出する。 The timing signal generation unit 201 generates a sine waveform having a frequency M times the frequency ω 1 as a camera shift pulse signal, and transmits the generated camera shift pulse signal to the TDI camera 105.
以上説明したように、タイミング信号発生部201は、物体撮像装置100に設けられたレーザ光源101およびTDIカメラ105の駆動を制御する駆動制御部であるといえる。 As described above, the timing signal generation unit 201 can be said to be a drive control unit that controls driving of the laser light source 101 and the TDI camera 105 provided in the object imaging apparatus 100.
画像処理部203は、例えば、CPU、ROM、RAM、通信装置等により実現される。画像処理部203は、物体撮像装置100(より詳細には、物体撮像装置100のTDIカメラ105)から取得した撮像データを利用して生成した縞画像に対して、位相を接続する処理(以下、位相接続処理とも称する。)を含む画像処理を行い、測定対象物である鋼板Sの形状を特定する。画像処理部203は、鋼板Sに対応する縞画像への画像処理が終了すると、得られた鋼板Sの形状に関する情報を、表示部205に伝送する。 The image processing unit 203 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, a communication device, and the like. The image processing unit 203 connects a phase to a fringe image generated by using imaging data acquired from the object imaging apparatus 100 (more specifically, the TDI camera 105 of the object imaging apparatus 100) (hereinafter, referred to as “phase imaging”). Image processing including a phase connection process) is performed, and the shape of the steel sheet S that is the measurement object is specified. When the image processing on the striped image corresponding to the steel plate S is completed, the image processing unit 203 transmits information about the obtained shape of the steel plate S to the display unit 205.
なお、この画像処理部203については、以下で改めて詳細に説明する。 The image processing unit 203 will be described in detail later again.
表示部205は、例えば、CPU、ROM、RAM、出力装置等により実現される。表示部205は、画像処理部203から伝送された、測定対象物である鋼板Sの測定結果を、演算処理装置200が備えるディスプレイ等の出力装置に表示する。これにより、形状測定装置10の利用者は、搬送されている測定対象物(鋼板S)の表面形状の測定結果を、その場で把握することが可能となる。 The display unit 205 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, an output device, and the like. The display unit 205 displays the measurement result of the steel sheet S, which is the measurement object, transmitted from the image processing unit 203 on an output device such as a display provided in the arithmetic processing device 200. Thereby, the user of the shape measuring apparatus 10 can grasp the measurement result of the surface shape of the measurement object (steel plate S) being conveyed on the spot.
記憶部207は、演算処理装置200が備える記憶装置の一例である。記憶部207には、本実施形態に係る演算処理装置200が、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、または、各種のデータベース等が、適宜記録される。この記憶部207は、タイミング信号発生部201、画像処理部203、表示部205等が、自由に読み書きを行うことが可能である。 The storage unit 207 is an example of a storage device included in the arithmetic processing device 200. The storage unit 207 appropriately records various parameters, the progress of processing, or various databases that need to be saved when the arithmetic processing apparatus 200 according to the present embodiment performs some processing. The The storage unit 207 can be freely read and written by the timing signal generation unit 201, the image processing unit 203, the display unit 205, and the like.
[画像処理部について]
続いて、図4を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置200が備える画像処理部203について、詳細に説明する。図4は、本実施形態に係る演算処理装置が有する画像処理部の構成を説明するためのブロック図である。
[About the image processing unit]
Next, the image processing unit 203 included in the arithmetic processing apparatus 200 according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 4 is a block diagram for explaining a configuration of an image processing unit included in the arithmetic processing apparatus according to the present embodiment.
本実施形態に係る画像処理部203は、例えば図4に示したように、信号取得部211と、位相算出部213と、位相接続部215と、形状特定部217と、を主に備える。 For example, as illustrated in FIG. 4, the image processing unit 203 according to the present embodiment mainly includes a signal acquisition unit 211, a phase calculation unit 213, a phase connection unit 215, and a shape identification unit 217.
信号取得部211は、例えば、CPU、ROM、RAM、通信装置等により実現される。信号取得部211は、物体撮像装置100のTDIカメラ105から送出された光切断画像に対応する信号データを取得する。また、信号取得部211は、取得した光切断画像に対応する信号データを用いて、測定対象物である鋼板Sの縞画像を表す信号データを生成する。信号取得部211は、生成した縞画像を表す信号データを、後述する位相算出部213に伝送する。また、信号取得部211は、TDIカメラ105から取得した信号データや、生成した縞画像を表す信号データ等を、記憶部207等に記録してもよい。 The signal acquisition unit 211 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, a communication device, and the like. The signal acquisition unit 211 acquires signal data corresponding to the light section image transmitted from the TDI camera 105 of the object imaging apparatus 100. Moreover, the signal acquisition part 211 produces | generates the signal data showing the fringe image of the steel plate S which is a measuring object using the signal data corresponding to the acquired light cutting image. The signal acquisition unit 211 transmits signal data representing the generated fringe image to a phase calculation unit 213 described later. The signal acquisition unit 211 may record signal data acquired from the TDI camera 105, signal data representing the generated fringe image, and the like in the storage unit 207 and the like.
位相算出部213は、短周期波および長周期波の2種類の正弦波を加算して変調したレーザ光を鋼板Sへ照射することで得られた縞画像に基づいて、各画素に対応する位相を算出する。以下では、図5および図6を参照しながら、長周期波と短周期波とを加算する2周波加算により撮像した縞画像に対して処理を行う場合を例にとって、位相算出部213の機能について説明する。 The phase calculation unit 213 adds a phase corresponding to each pixel based on a fringe image obtained by irradiating the steel sheet S with a laser beam modulated by adding two types of sine waves of a short period wave and a long period wave. Is calculated. Hereinafter, the function of the phase calculation unit 213 will be described with reference to FIGS. 5 and 6, taking as an example a case where processing is performed on a fringe image captured by two-frequency addition that adds a long-period wave and a short-period wave. explain.
図5(a)に示す図は、周波数ω1の短周期波と、短周期波よりも長い周期を有する周波数ω2の長周期波とを加算して変調したレーザ光を鋼板Sに照射して得られた縞画像の一例である。この縞画像の入力画像の1ラインを取り出すと、図5(b)に示す信号が得られる。 The diagram shown in FIG. 5 (a) irradiates the steel sheet S with a laser beam modulated by adding a short period wave with a frequency ω 1 and a long period wave with a frequency ω 2 having a longer period than the short period wave. It is an example of the fringe image obtained in this way. When one line of the input image of the fringe image is taken out, a signal shown in FIG. 5B is obtained.
図6に、本実施形態に係る位相算出部213における信号処理の動作の概略を示す。図5(b)に示す2周波加算による信号は、短周期信号処理部221と長周期信号処理部223とに入力される。短周期信号処理部221は、入力された信号に対して短周期波と同一の周波数ω1を持つ複素キャリアの実部(Re)および虚部(Im)を乗算して、乗算結果をローパスフィルタ(LPF)225に入力する。さらに、短周期信号処理部221は、ローパスフィルタ225からの出力を、座標変換部227に入力して座標変換し、短周期信号の振幅r1と位相θ1とを算出する。短周期信号の位相θ1が求める位相量であり、位相量の大きさは、測定対象物である鋼板Sの表面形状を高精度に反映するもので、例えば段差の深さに対応する。 FIG. 6 shows an outline of the signal processing operation in the phase calculation unit 213 according to the present embodiment. The signal obtained by the two-frequency addition shown in FIG. 5B is input to the short cycle signal processing unit 221 and the long cycle signal processing unit 223. The short-period signal processing unit 221 multiplies the input signal by the real part (Re) and imaginary part (Im) of the complex carrier having the same frequency ω 1 as the short-period wave, and the multiplication result is a low-pass filter. Input to (LPF) 225. Further, the short cycle signal processing unit 221 inputs the output from the low-pass filter 225 to the coordinate conversion unit 227, performs coordinate conversion, and calculates the amplitude r1 and the phase θ1 of the short cycle signal. The phase amount obtained by the phase θ1 of the short-period signal, and the magnitude of the phase amount reflects the surface shape of the steel sheet S as the measurement object with high accuracy and corresponds to, for example, the depth of the step.
長周期信号処理部223は、短周期信号処理部221と同様に、入力された信号に対して長周期波と同一の周波数ω2を持つ複素キャリアの実部(Re)および虚部(Im)を乗算した後、乗算結果をローパスフィルタ229に入力する。さらに、長周期信号処理部223は、ローパスフィルタ229からの出力を、座標変換部231に入力して座標変換し、長周期信号の振幅r2と位相θ2とを算出する。得られた位相θ2は、表面形状を粗く示すもので、本例では、以下に説明するように、短周期波の位相θ1を正しく接続するために位相接続部215により使用される。 The long-cycle signal processing unit 223 is similar to the short-cycle signal processing unit 221 in that the real part (Re) and imaginary part (Im) of the complex carrier having the same frequency ω 2 as the long-period wave with respect to the input signal. , The multiplication result is input to the low pass filter 229. Further, the long cycle signal processing unit 223 inputs the output from the low pass filter 229 to the coordinate conversion unit 231 to perform coordinate conversion, and calculates the amplitude r2 and the phase θ2 of the long cycle signal. The obtained phase θ2 shows a rough surface shape, and in this example, as will be described below, the phase connection unit 215 uses the phase θ1 of the short-period wave to correctly connect the phase θ2.
ここで、図6に示した信号処理について、一般的な式を用いて説明する。短周期波を周波数ω1の余弦波とし、長周期波を周波数ω2の余弦波とし、縞の変位量をdxとする。この場合、短周期波および長周期波は、それぞれ以下のように表される。 Here, the signal processing shown in FIG. 6 will be described using a general formula. The short-period waves and cosine waves of frequency omega 1, the long period waves and cosine waves of frequency omega 2, a displacement of the fringes and dx. In this case, the short period wave and the long period wave are respectively expressed as follows.
ここで、上述の短周期波および長周期波の単純に加算した場合、観測波形Iaddは、以下の式1のように表される。 Here, when the short-period wave and the long-period wave described above are simply added, the observed waveform I add is expressed as the following Expression 1.
ここで、上記式1において2を足しているのは、光強度は負になることはないという条件を満たすためである。さらに、短周期波の位相を算出する際の複素キャリアCは、C=exp(jω1x)であるため、単純加算の場合、複素キャリアを乗算して得られる結果であるIadd×Cは、以下の式2のようになる。 Here, the reason why 2 is added in the above formula 1 is to satisfy the condition that the light intensity never becomes negative. Furthermore, since the complex carrier C for calculating the phase of the short-period wave is C = exp (jω 1 x), in the case of simple addition, I add × C, which is the result obtained by multiplying the complex carrier, is The following equation 2 is obtained.
以上のように、乗算結果を成分の和で表すと、直流成分+(ω1−ω2)+ω1+(ω1+ω2)+2ω1となる。 As described above, when the multiplication result is expressed as a sum of components, the direct current component + (ω 1 −ω 2 ) + ω 1 + (ω 1 + ω 2 ) + 2ω 1 is obtained.
図7は、図6に示した短周期信号処理部221による、短周期波の周波数ω1をローパスフィルタにより取り出す過程をスペクトル領域で示したものである。図7(a)は、縞画像の1ラインの信号のスペクトルを示したものである。縞画像の1ラインの信号のスペクトルは、短周期波の複素周波数の成分±ω1と、長周期信号の複素周波数の成分±ω2と、直流成分と、を含む。この直流成分は、観察される明るさは正の値しかとらないことから、信号の符号を常に正にするように、バイアスをかけた結果である。 FIG. 7 shows, in the spectral domain, a process in which the short period signal processing unit 221 shown in FIG. 6 takes out the frequency ω 1 of the short period wave with a low pass filter. FIG. 7A shows the spectrum of the signal of one line of the fringe image. Spectra of one line of the signal of the fringe image includes a component ± omega 1 complex frequency short period waves, the component ± omega 2 of the complex frequency of the long cycle signal, a DC component, a. This DC component is the result of applying a bias so that the sign of the signal is always positive because the observed brightness has only a positive value.
次に、短周期信号処理部221が短周期波の複素周波数の成分ω1を持った正弦波Cを乗算することにより、図7(b)に示すように、スペクトル領域では、成分それぞれが右にω1だけ移動する。この結果にローパスフィルタを通すことで、短周期信号処理部221は、複素キャリア乗算前の短周期波成分ω1を取り出すことが可能となる。しかしながら、図7(b)に示したローパスフィルタの通過域をみると、ω1−ω2の成分がローパスフィルタの通過域に入っている。すなわち、このローパスフィルタでは、複素キャリア乗算前の短周期波成分ω1のみを取り出すことはできず、ω1−ω2の成分を含んでしまうことになる。 Next, as shown in FIG. 7B, the short period signal processing unit 221 multiplies the sine wave C having the complex frequency component ω 1 of the short period wave. moving only ω 1 in. By passing the result through a low-pass filter, the short-period signal processing unit 221 can extract the short-period wave component ω 1 before the complex carrier multiplication. However, looking at the passband of the low-pass filter shown in FIG. 7B, the component of ω 1 −ω 2 is in the passband of the low-pass filter. That is, with this low-pass filter, it is not possible to extract only the short-period wave component ω 1 before the complex carrier multiplication, and the component ω 1 −ω 2 is included.
この影響を、図8により説明する。図8は、ローパスフィルタを通過後の信号のベクトル図である。実軸の周波数零の成分であるベクトルv0は、複素キャリア乗算前の短周期波成分ω1に対応するものであり、この成分は変動しない。しかしながら、ω1−ω2成分は、周波数が零ではないため、対応するベクトルv2は、ベクトル図上で回転することになる。観測されるベクトルは、ベクトルv0とベクトルv2の和であるベクトルv1であるため、ベクトルv2が回転すると、ベクトルv1は変動し、その位相(ベクトルv1の角度)も変化することになる。この結果、位相算出部213による位相算出処理に誤差が生じることとなる。 This effect will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a vector diagram of the signal after passing through the low-pass filter. The vector v0, which is a zero-frequency component on the real axis, corresponds to the short-period wave component ω1 before complex carrier multiplication, and this component does not vary. However, since the frequency of the ω 1 −ω 2 component is not zero, the corresponding vector v2 rotates on the vector diagram. Since the observed vector is the vector v1, which is the sum of the vector v0 and the vector v2, when the vector v2 rotates, the vector v1 changes and its phase (the angle of the vector v1) also changes. As a result, an error occurs in the phase calculation processing by the phase calculation unit 213.
このように、1枚の画像から長短の周期による信号を分離するためには、ローパスフィルタを使用するが、使用するローパスフィルタによっては、必要な情報を分離できないことがある。しかしながら、図9に示すように、ローパスフィルタのバンド幅を狭くすることにより、必要な情報を得ることができる。これにより、演算処理に若干の負担がかかるものの、短周期波の周波数のみを取り出すことができる。本実施形態に係る位相算出部213は、短周期波のみが通過できる狭い通過域をもつローパスフィルタを用いるものである。 As described above, a low-pass filter is used to separate a signal with a long and short cycle from one image, but depending on the low-pass filter used, necessary information may not be separated. However, as shown in FIG. 9, necessary information can be obtained by narrowing the bandwidth of the low-pass filter. As a result, only a short-period wave frequency can be extracted, although a slight burden is imposed on the arithmetic processing. The phase calculation unit 213 according to the present embodiment uses a low-pass filter having a narrow pass band through which only a short period wave can pass.
本実施形態に係る位相算出部213は、このようにして算出された位相θ1およびθ2を、後述する位相接続部215に伝送する。また、位相算出部213は、算出した振幅r1およびr2を、位相接続部215に伝送することが好ましい。 The phase calculation unit 213 according to the present embodiment transmits the phases θ1 and θ2 calculated in this way to the phase connection unit 215 described later. Further, the phase calculation unit 213 preferably transmits the calculated amplitudes r1 and r2 to the phase connection unit 215.
位相接続部215は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。位相接続部215は、位相算出部213から伝送された位相を、段差の深さなどの表面形状の情報に正確に対応するように、位相を接続する処理を行なう。 The phase connection unit 215 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The phase connecting unit 215 performs processing for connecting the phases so that the phase transmitted from the phase calculating unit 213 accurately corresponds to information on the surface shape such as the depth of the step.
上述のようにして位相算出部213で算出された短周期波の位相は、座標変換部により逆三角関数(より詳細には、arctan)を用いて算出されるものであるため、−πからπまでの値をとる。しかしながら、段差の深さなどが対応する位相において、その位相がπまたは−πを超えて変化した場合には、実際には±π以上の位相を有しているにもかかわらず、算出結果は、−π〜πまでの値となってしまう。その結果、位相算出部213によって算出された位相は、例えば図10の上段に示したように、不連続的に変化することとなる。 Since the phase of the short-period wave calculated by the phase calculation unit 213 as described above is calculated using an inverse trigonometric function (more specifically, arctan) by the coordinate conversion unit, it is −π to π. Takes values up to. However, if the phase changes by more than π or -π in the corresponding phase, such as the depth of the step, the calculation result is obtained even though it actually has a phase of ± π or more. , From −π to π. As a result, the phase calculated by the phase calculation unit 213 changes discontinuously as shown in the upper part of FIG.
そこで、位相接続部215は、位相算出部213から伝送された位相が段差の深さなどの表面形状の情報に正確に対応するように、位相を接続する処理を行なう。その結果、例えば図10の上段に示したような不連続的に変化している位相は、図10の下段に示したような、実際の位相変化を表したような位相となる。位相接続部215は、位相接続処理後の位相を、後述する形状特定部217に伝送する。 Therefore, the phase connecting unit 215 performs a process of connecting the phases so that the phase transmitted from the phase calculating unit 213 accurately corresponds to the surface shape information such as the depth of the step. As a result, for example, the phase that changes discontinuously as shown in the upper part of FIG. 10 becomes a phase that represents an actual phase change as shown in the lower part of FIG. The phase connecting unit 215 transmits the phase after the phase connecting process to the shape specifying unit 217 described later.
なお、位相接続部215が行う位相接続処理については、以下で改めて詳細に説明する。 The phase connection process performed by the phase connection unit 215 will be described in detail later.
形状特定部217は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。形状特定部217は、位相接続部215から伝送された位相接続処理後の位相に基づいて、測定対象物の表面に存在する凹みの深さdを算出し、測定対象物の形状を特定する。 The shape specifying unit 217 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like. Based on the phase after the phase connection process transmitted from the phase connecting unit 215, the shape specifying unit 217 calculates the depth d of the dent existing on the surface of the measuring object, and specifies the shape of the measuring object.
ここで、TDIカメラ105における光電変換素子の列方向の撮影分解能をs(mm/画素)とし、線状レーザ光Lの入射角をθとすると、線状レーザ光Lの反射点が長手方向にずれた距離h=d・tanθは、縞画像においてh/s画素に相当する。また、TDIカメラ105のカメラシフト周波数とレーザ光の変調周波数との比がM:1のとき、縞画像において横方向のM画素分が一本の縞を構成する。すなわち、縞がM画素分だけずれたときに、位相のずれは2πとなる。したがって、線状レーザ光Lの反射点が長手方向に距離hずれたときの縞画像データにおける位相のずれΔφは、M/2π=(h/s)/Δφの関係より、以下の式3のようになる。 Here, when the imaging resolution in the column direction of the photoelectric conversion elements in the TDI camera 105 is s (mm / pixel) and the incident angle of the linear laser light L is θ, the reflection point of the linear laser light L is in the longitudinal direction. The shifted distance h = d · tan θ corresponds to h / s pixels in the striped image. When the ratio between the camera shift frequency of the TDI camera 105 and the modulation frequency of the laser beam is M: 1, M pixels in the horizontal direction form one stripe in the stripe image. That is, when the fringes are shifted by M pixels, the phase shift is 2π. Therefore, the phase shift Δφ in the fringe image data when the reflection point of the linear laser beam L is shifted by the distance h in the longitudinal direction is expressed by the following formula 3 from the relationship M / 2π = (h / s) / Δφ. It becomes like this.
d={M・s/(2π・tanθ)}・Δφ ・・・(式3) d = {M · s / (2π · tan θ)} · Δφ (Expression 3)
従って、形状特定部217は、TDIカメラ105の撮影分解能や線状レーザ光Lの入射角θといった物体撮像装置100の設定値と、タイミング信号発生部201から取得した周波数の比Mと、位相接続部215から伝送された位相φと、上記式3とを用いて、測定対象物の表面に存在する凹みの深さdを算出することができる。 Therefore, the shape specifying unit 217 sets the setting value of the object imaging device 100 such as the imaging resolution of the TDI camera 105 and the incident angle θ of the linear laser light L, the frequency ratio M acquired from the timing signal generating unit 201, and the phase connection. Using the phase φ transmitted from the unit 215 and the above equation 3, the depth d of the dent existing on the surface of the measurement object can be calculated.
厳密には、通常のレンズを用いた場合、撮影分解能sは深さdに応じて変化するため、補正を行う必要があるが、鋼板の凹みを測定する場合のように、レンズ作動距離に対して深さ変化が微小な場合は、かかる撮影分解能sの変化を実用上無視することができる。また、テレセントリックレンズを使えば、撮影分解能sを深さdによらず、一定とすることができる。 Strictly speaking, when a normal lens is used, the imaging resolution s changes according to the depth d, and thus correction is necessary. However, as in the case of measuring the dent of the steel plate, the lens working distance is not affected. When the depth change is very small, the change in the imaging resolution s can be ignored in practice. If a telecentric lens is used, the imaging resolution s can be made constant regardless of the depth d.
形状特定部217は、測定対象物の表面に存在する凹みの深さの算出が終了すると、測定対象物の形状を表す算出結果を、表示部205に伝送する。 When the calculation of the depth of the dent existing on the surface of the measurement object is completed, the shape specifying unit 217 transmits a calculation result representing the shape of the measurement object to the display unit 205.
[演算処理装置の変形例について]
以上、本実施形態に係る画像処理部203の構成について、詳細に説明した。
なお、先に説明した本実施形態に係る演算処理装置200は、狭帯域ローパスフィルタを用いることにより、従来の方法では測定ができなかった深い段差を、高精度で測定することができる。しかしながら、測定対象に傾きがある場合には、傾きに応じて位相差の変化が増大し、所望の位相がうまく取り出せないことが生じうる。
[Modification of Arithmetic Processing Unit]
The configuration of the image processing unit 203 according to the present embodiment has been described in detail above.
Note that the arithmetic processing device 200 according to the present embodiment described above can measure a deep step that cannot be measured by a conventional method with high accuracy by using a narrow-band low-pass filter. However, when the measurement object has an inclination, a change in phase difference increases according to the inclination, and a desired phase may not be extracted well.
図11は、測定対象物が平坦な場合と傾いている場合とで周波数が変化することを説明するための説明図である。レーザ光源からの投射光Lを、平坦な測定対象物p1に入射させて、周期信号s1を得るものとする。ここで、測定対象が傾斜している場合、同じ測定装置を用いて、傾斜している測定対象物p2にレーザ光源からの投射光Lを入射させると、周期パターンの変位量は場所により変化するため、図11に示したように、得られる周期信号s2の周波数は、平坦な測定対象物p1に入射させた場合に比べて変化する。この結果は、縞パターンを投影する方法でも同様である。 FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining that the frequency changes depending on whether the measurement object is flat or tilted. The projection light L from the laser light source is incident on the flat measurement object p1, and the periodic signal s1 is obtained. Here, when the measurement target is tilted, when the projection light L from the laser light source is incident on the tilted measurement target p2 using the same measurement apparatus, the displacement amount of the periodic pattern changes depending on the location. Therefore, as shown in FIG. 11, the frequency of the obtained periodic signal s2 changes compared to the case where it is incident on the flat measurement object p1. This result is the same in the method of projecting the fringe pattern.
図11に示したように測定対象が傾いている場合は、縞の変位量dxは位置xを用いて、dx=αx(αは比例定数)と表せる。したがって、単純加算の場合、観測波形の式Iaddは、以下の式4のようになる。以下の式4から明らかなように、周波数ω1,ω2は、傾斜が存在することによって、(1+α)倍されることとなる。 When the measurement object is tilted as shown in FIG. 11, the fringe displacement dx can be expressed as dx = αx (α is a proportional constant) using the position x. Therefore, in the case of simple addition, the observed waveform formula I add is expressed by the following formula 4. As is apparent from the following Equation 4, the frequencies ω 1 and ω 2 are multiplied by (1 + α) due to the presence of the slope.
この観測波形のスペクトルを、図12(a)に示す。図7(a)に示した平坦な場合の観測波形のスペクトルと比較して、周波数が(1+α)倍となっていることがわかる。この信号に対して画像処理部203で処理を行ない、図9に示した狭帯域ローパスフィルタを通す処理を、図12(b)に示す。図12(b)からわかるように、図9に示したような狭い通過域をもつローパスフィルタでは、フィルタの通過域に短周期波が含まれなくなり、短周期波成分を取り出すことができなくなる。 The spectrum of this observed waveform is shown in FIG. It can be seen that the frequency is (1 + α) times compared to the spectrum of the observed waveform in the flat case shown in FIG. FIG. 12B shows a process in which this signal is processed by the image processing unit 203 and passed through the narrow band low pass filter shown in FIG. As can be seen from FIG. 12B, in the low pass filter having a narrow pass band as shown in FIG. 9, the short pass wave is not included in the pass band of the filter, and the short pass wave component cannot be extracted.
先に説明したように、周期パターンを短周期と長周期との単純加算で構成した場合、測定対象が平坦な場合であれば、通過域を狭くしたローパスフィルタを使用することにより、深い段差があっても段差の深さを測定できる。しかしながら、測定対象物に傾斜がある場合には、段差の深さが正確に求められない場合がある。 As described above, when the periodic pattern is configured by simple addition of a short period and a long period, if the object to be measured is flat, a low-pass filter with a narrow pass band can be used to create a deep step. Even if it exists, the depth of the step can be measured. However, when the measurement object is inclined, the depth of the step may not be accurately obtained.
以下では、狭帯域のローパスフィルタを用いることなく、段差の深さを正確に測定可能な、本実施形態に係る演算処理装置200の変形例について説明する。本変形例に係る演算処理装置は、短周期波を振幅変調(Amplitude Modulation:AM変調)して、長周期信号を重畳する。 Below, the modification of the arithmetic processing apparatus 200 which concerns on this embodiment which can measure the depth of a level | step difference correctly, without using a low-pass filter of a narrow band is demonstrated. The arithmetic processing unit according to the present modification performs amplitude modulation (AM modulation) on the short period wave and superimposes the long period signal.
まず、図13(a)に示すように、タイミング信号発生部201によりAM変調された線状のレーザ光Lを移動している測定対象物である鋼板Sに照射して、TDIカメラ105で撮像したもの等から、1枚の縞画像を得る。縞画像の1ライン分の波形を図13(b)に示す。図13(b)は、図13(a)の縞画像の1ラインxを取り出した場合の波形である。ここで、短周期波は、サンプリング周波数の1/4(0.25倍)の周波数であり、長周期波は、サンプリング周波数の1/16(0.0625倍)の周波数となっている。すなわち、長周期波の周期は、短周期波の周期に対して4倍になっている。 First, as shown in FIG. 13A, a linear laser beam L that has been AM-modulated by the timing signal generator 201 is irradiated onto a moving steel plate S that is a measurement object, and is imaged by a TDI camera 105. A striped image is obtained from the processed image. The waveform for one line of the fringe image is shown in FIG. FIG. 13B shows a waveform when one line x of the stripe image of FIG. 13A is extracted. Here, the short period wave is 1/4 (0.25 times) the sampling frequency, and the long period wave is 1/16 (0.0625 times) the sampling frequency. That is, the period of the long period wave is four times that of the short period wave.
図14は、本変形例に係る演算処理装置200の画像処理部203が備える位相算出部213における信号処理の動作の概略を示す。まず、図13(b)に示した信号は、位相算出部213の短周期信号処理部221に入力される。短周期信号処理部221は、入力された信号に対して短周期波と同一の周波数ω1をもつ複素キャリアの実部(Re)および虚部(Im)を乗算して、乗算結果をローパスフィルタ(LPF)225に入力する。さらに、短周期信号処理部221は、ローパスフィルタ225からの出力を、座標変換部227に入力して座標変換し、短周期波の位相θ1と振幅r1とを算出する。得られた位相θ1が短周期波の位相であり、表面形状を高精度に反映している情報である。 FIG. 14 shows an outline of the signal processing operation in the phase calculation unit 213 included in the image processing unit 203 of the arithmetic processing device 200 according to this modification. First, the signal shown in FIG. 13B is input to the short period signal processing unit 221 of the phase calculation unit 213. The short-period signal processing unit 221 multiplies the input signal by the real part (Re) and imaginary part (Im) of a complex carrier having the same frequency ω 1 as the short-period wave, and the multiplication result is a low-pass filter. Input to (LPF) 225. Further, the short cycle signal processing unit 221 inputs the output from the low-pass filter 225 to the coordinate conversion unit 227, performs coordinate conversion, and calculates the phase θ1 and the amplitude r1 of the short cycle wave. The obtained phase θ1 is the phase of the short period wave, and is information reflecting the surface shape with high accuracy.
短周期信号処理部221により得られた振幅r1は、位相算出部213の長周期信号処理部223に入力される。算出された振幅r1は、長周期波の周波数ω2により周期的に変化するものであるため、長周期信号処理部223は、入力された位相r1に対して長周期波と同一の周波数ω2をもつ複素キャリアの実部(Re)および虚部(Im)を乗算して、乗算結果をローパスフィルタ229に入力する。さらに、長周期信号処理部223は、ローパスフィルタ229からの出力を、座標変換部231に入力して座標変換し、長周期信号の振幅r2と位相θ2とを算出する。得られた位相θ2は、測定対象物である鋼板Sの表面形状を粗く示すもので、短周期波の位相θ1を正しく接続するために、位相接続部215により用いられる。 The amplitude r1 obtained by the short cycle signal processing unit 221 is input to the long cycle signal processing unit 223 of the phase calculation unit 213. Since the calculated amplitude r1 changes periodically with the frequency ω 2 of the long-period wave, the long-cycle signal processing unit 223 has the same frequency ω 2 as the long-period wave with respect to the input phase r1. Multiplying the real part (Re) and imaginary part (Im) of the complex carrier having, and the multiplication result is input to the low-pass filter 229. Further, the long cycle signal processing unit 223 inputs the output from the low pass filter 229 to the coordinate conversion unit 231 to perform coordinate conversion, and calculates the amplitude r2 and the phase θ2 of the long cycle signal. The obtained phase θ2 is a rough indication of the surface shape of the steel sheet S that is the object to be measured, and is used by the phase connecting portion 215 to correctly connect the phase θ1 of the short period wave.
ここで、図14に示した信号処理について、一般的な式を用いて説明する。AM変調された観測波形Iamは、以下の式5のように表される。ここで、以下式5において、Aは、変調度を表すパラメータであり、0〜1の値をとるものである。 Here, the signal processing shown in FIG. 14 will be described using a general formula. The AM-modulated observation waveform I am is expressed as the following Expression 5. Here, in the following formula 5, A is a parameter representing the degree of modulation, and takes a value of 0 to 1.
ここで、上記式5において2を足しているのは、光強度は負になることはないという条件を満たすためである。さらに、短周期波の位相を算出する際の複素キャリアCは、C=exp(jω1x)であるため、複素キャリアを乗算して得られる結果であるIam×Cは、以下の式6のようになる。 Here, the reason why 2 is added in the above formula 5 is to satisfy the condition that the light intensity never becomes negative. Furthermore, since the complex carrier C when calculating the phase of the short-period wave is C = exp (jω 1 x), I am × C, which is the result obtained by multiplying the complex carrier, is given by become that way.
以上のように、乗算結果を成分の和で表すと、−ω2+直流成分+ω2+ω1+(2ω1−ω2)+2ω1+(2ω1+ω2)となる。 As described above, when the multiplication result is expressed as a sum of components, −ω 2 + DC component + ω 2 + ω 1 + (2ω 1 −ω 2 ) + 2ω 1 + (2ω 1 + ω 2 ) is obtained.
図15に、縞画像の1ラインの信号のスペクトルを示したものである。図15(a)は、AM変調を受けた観測波形Iamのスペクトルである。ここで、直流成分は、観測光の強度は負にはならないことから、得られた信号が負にならないように、バイアスをかけた結果である。 FIG. 15 shows the spectrum of the signal of one line of the fringe image. FIG. 15A shows the spectrum of the observed waveform I am that has undergone AM modulation. Here, the direct current component is a result of applying a bias so that the obtained signal does not become negative because the intensity of the observation light does not become negative.
AM変調の結果、短周期波の両側に長周期波の周波数分(0.625)だけ離れて側波帯が現れる。図15(b)は、複素キャリアCを乗算した結果である。図15(b)に示したスペクトルは、図15(a)に示したスペクトルから右方向に0.25だけ移動している。このとき、ローパスフィルタの通過域には、±ω2の成分が含まれているが、単純加算の場合とは異なり、これらは原点に対称に現れている。 As a result of AM modulation, sidebands appear on both sides of the short-period wave, separated by the long-period wave frequency (0.625). FIG. 15B shows the result of multiplying the complex carrier C. The spectrum shown in FIG. 15B is shifted to the right by 0.25 from the spectrum shown in FIG. At this time, ± ω 2 components are included in the passband of the low-pass filter, but unlike the case of simple addition, these appear symmetrically at the origin.
図16は、ローパスフィルタ通過域における信号のベクトル図である。実軸上にある周波数が零の成分、すなわち短周期波の位相θ1は変化しない。また、長周期波の成分±ω2は振動するものの、反対方向に回転するベクトルと考えられるため、互いに打ち消しあって、短周期波の位相θ1には影響を与えない。したがって、本変形例に係る画像処理部203では、狭帯域のローパスフィルタを用いることなく、主キャリアの位相θ1を求めることができる。 FIG. 16 is a vector diagram of signals in the low-pass filter passband. The zero-frequency component on the real axis, that is, the phase θ1 of the short period wave does not change. In addition, although the component ± ω 2 of the long-period wave oscillates, it is considered to be a vector rotating in the opposite direction, so that they cancel each other and do not affect the phase θ 1 of the short-period wave. Therefore, the image processing unit 203 according to the present modification can determine the phase θ1 of the main carrier without using a narrow-band low-pass filter.
ここで、振幅r1は、長周期波の成分±ω2のベクトルの回転によって、伸縮する。すなわち、短周期信号処理部221で得られた振幅r1は、長周期波の周波数ω2で周期的に変動する。したがって、この信号r1の位相を求める処理を、先に説明したように、長周期信号処理部223で行なう。長周期信号処理部223は、短周期信号処理部221と同様に、長周期波と同一の周波数をもつ正弦波を乗算して、得られた乗算結果をローパスフィルタ229に入力する。また、長周期信号処理部223は、ローパスフィルタ229からの出力に対して座標変換し、長周期信号の位相θ2を得ることができる。この場合は、単一の正弦波の位相を取り出すことに相当するため、この処理においても、本変形例では、ローパスフィルタとして狭帯域のものを使用せず、通常の通過領域を有するローパスフィルタを使用することが可能である。通常の通過領域を有するローパスフィルタは、低コストで構成することが可能であり、また、処理に要する計算量を削減することができる。 Here, the amplitude r1 is the rotation of components ± omega 2 vector long period waves, expands and contracts. That is, the amplitude r1 obtained by the short period signal processing unit 221 periodically varies at the frequency ω 2 of the long period wave. Therefore, the processing for obtaining the phase of the signal r1 is performed by the long period signal processing unit 223 as described above. Similarly to the short cycle signal processing unit 221, the long cycle signal processing unit 223 multiplies a sine wave having the same frequency as the long cycle wave, and inputs the obtained multiplication result to the low pass filter 229. Further, the long cycle signal processing unit 223 can perform coordinate conversion on the output from the low pass filter 229 to obtain the phase θ2 of the long cycle signal. In this case, this corresponds to extracting the phase of a single sine wave. Therefore, in this process, a low-pass filter having a normal pass region is used instead of a narrow-band filter in this modification. It is possible to use. A low-pass filter having a normal pass region can be configured at low cost, and the amount of calculation required for processing can be reduced.
本変形例に係る位相算出部213は、このようにして算出された位相θ1およびθ2を、位相接続部215に伝送する。また、位相算出部213は、算出した振幅r1およびr2を、位相接続部215に伝送することが好ましい。 The phase calculation unit 213 according to the present modification transmits the phases θ1 and θ2 calculated in this way to the phase connection unit 215. Further, the phase calculation unit 213 preferably transmits the calculated amplitudes r1 and r2 to the phase connection unit 215.
本変形例に係る位相接続部215は、第1の実施形態に係る位相接続部215と同様に、以下で改めて詳細に説明する位相接続処理に基づいて、位相算出部213から伝送された位相を、段差の深さなどの表面形状の情報に正確に対応するように位相の接続処理を行なう。 Similarly to the phase connection unit 215 according to the first embodiment, the phase connection unit 215 according to the present modification uses the phase transmitted from the phase calculation unit 213 based on the phase connection process described in detail later. Then, phase connection processing is performed so as to accurately correspond to information on the surface shape such as the depth of the step.
このように、本変形例に係る演算処理装置200では、振幅変調されたレーザ光を用いることにより、測定対象が傾いている場合であっても段差の深さを正確に測定することが可能である。 As described above, in the arithmetic processing device 200 according to the present modification, by using the amplitude-modulated laser beam, the depth of the step can be accurately measured even when the measurement target is tilted. is there.
以上、本実施形態に係る演算処理装置200の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、CPU等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。 Heretofore, an example of the function of the arithmetic processing apparatus 200 according to the present embodiment has been shown. Each component described above may be configured using a general-purpose member or circuit, or may be configured by hardware specialized for the function of each component. In addition, the CPU or the like may perform all functions of each component. Therefore, it is possible to appropriately change the configuration to be used according to the technical level at the time of carrying out the present embodiment.
なお、上述のような本実施形態に係る演算処理装置の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。 A computer program for realizing each function of the arithmetic processing apparatus according to the present embodiment as described above can be produced and installed in a personal computer or the like. In addition, a computer-readable recording medium storing such a computer program can be provided. The recording medium is, for example, a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a flash memory, or the like. Further, the above computer program may be distributed via a network, for example, without using a recording medium.
<形状測定方法の全体的な流れについて>
続いて、図17を参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置が実施する形状測定方法の全体的な流れについて、詳細に説明する。図17は、本実施形態に係る形状測定方法の全体的な流れを説明するための流れ図である。
<Overall flow of shape measurement method>
Next, the overall flow of the shape measuring method performed by the shape measuring apparatus according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 17 is a flowchart for explaining the overall flow of the shape measuring method according to the present embodiment.
まず、本実施形態に係る形状測定装置10に設けられた物体撮像装置100は、線状レーザ光Lが照射されている移動物体(例えば、鋼板S)をTDIカメラ105で撮像する。形状測定装置10に設けられた演算処理装置200の画像処理部203(より詳細には、信号取得部211)は、TDIカメラ105により撮像された撮像画像に対応する信号を取得して、1枚の縞画像を生成する(ステップS11)。その後、信号取得部211は、生成した縞画像の信号を、位相算出部213に伝送する。 First, the object imaging apparatus 100 provided in the shape measuring apparatus 10 according to the present embodiment images a moving object (for example, a steel plate S) irradiated with the linear laser light L with the TDI camera 105. The image processing unit 203 (more specifically, the signal acquisition unit 211) of the arithmetic processing device 200 provided in the shape measuring apparatus 10 acquires a signal corresponding to the captured image captured by the TDI camera 105, and acquires one sheet. A fringe image is generated (step S11). Thereafter, the signal acquisition unit 211 transmits the generated fringe image signal to the phase calculation unit 213.
演算処理装置200の位相算出部213は、信号取得部211から伝送された縞画像の信号に対して図6または図14に示したような信号処理を実施し、信号に含まれる短周期波および長周期波の振幅と位相とを算出する(ステップS13)。位相算出部213は、算出した短周期波および長周期波の位相等を、位相接続部215に伝送する。 The phase calculation unit 213 of the arithmetic processing device 200 performs signal processing as shown in FIG. 6 or 14 on the fringe image signal transmitted from the signal acquisition unit 211, and the short period wave included in the signal and The amplitude and phase of the long period wave are calculated (step S13). The phase calculation unit 213 transmits the calculated short period wave and the phase of the long period wave to the phase connection unit 215.
演算処理装置200の位相接続部215は、位相算出部213から伝送された位相等に基づいて、長周期波の位相を利用した短周期波の位相接続処理を実施する(ステップS15)。この位相接続処理については、以下で改めて詳細に説明する。位相接続部215は、接続後の短周期波の位相を、形状特定部217に伝送する。 The phase connection unit 215 of the arithmetic processing device 200 performs the phase connection process of the short period wave using the phase of the long period wave based on the phase transmitted from the phase calculation unit 213 (step S15). This phase connection process will be described in detail later. The phase connection unit 215 transmits the phase of the short-period wave after connection to the shape specifying unit 217.
演算処理装置200の形状特定部217は、位相接続部215から伝送された接続後の短周期波の位相を、先に説明した式3等を利用して、移動物体に存在する段差の深さに変換する(ステップS17)。これにより、演算処理装置200は、測定した鋼板などの移動物体の形状(表面形状)を高精度に計測することができる。 The shape specifying unit 217 of the arithmetic processing device 200 uses the equation 3 described above to determine the depth of the step existing in the moving object, using the phase of the short-period wave after connection transmitted from the phase connection unit 215. (Step S17). Thereby, the arithmetic processing apparatus 200 can measure the shape (surface shape) of moving objects, such as a measured steel plate, with high precision.
<位相接続処理について>
続いて、図18〜図25を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置200(より詳細には、位相接続部215)において実施される位相接続処理について、詳細に説明する。
<About phase connection processing>
Next, the phase connection process performed in the arithmetic processing device 200 according to the present embodiment (more specifically, the phase connection unit 215) will be described in detail with reference to FIGS.
[位相接続処理の概要について]
まず、図18および図19を参照しながら、位相接続処理の概要について説明する。図18および図19は、位相接続処理について説明するための説明図である。
[Outline of phase connection processing]
First, an outline of the phase connection process will be described with reference to FIGS. 18 and 19. 18 and 19 are explanatory diagrams for describing the phase connection processing.
位相接続部215で行われる位相接続処理は、観測された位相(これは、図10の上段に示したように、真の位相の大きさに関わらず−π〜πの範囲の値をとるものである。)を利用して、真の位相の傾き(すなわち、縞画像における互いに隣接する位置での真の位相間の差分)を決定する処理である。 The phase connection processing performed by the phase connection unit 215 is performed by observing the observed phase (this is a value in the range of −π to π regardless of the true phase size as shown in the upper part of FIG. 10. Is used to determine the true phase gradient (that is, the difference between the true phases at positions adjacent to each other in the fringe image).
○表記の定義
以下の説明では、例えば図2に示したような縞画像において、縞を構成する画素の位置を特定するために、便宜的にi,jという2つの座標軸を考える。ここで、座標軸iと座標軸jとは互いに直行する軸である。例えば、図2に示したような縞画像において、縦方向または横方向のどちらか一方を座標軸iとし、他方を座標軸jとすることが可能である。また、以下の説明では、iおよびjという表記を、各座標軸上での位置を表すパラメータとしても使用する。
In the following description, for example, in the striped image as shown in FIG. 2, two coordinate axes i and j are considered for the sake of convenience in order to specify the positions of the pixels constituting the strip. Here, the coordinate axis i and the coordinate axis j are axes orthogonal to each other. For example, in the striped image as shown in FIG. 2, one of the vertical direction and the horizontal direction can be the coordinate axis i, and the other can be the coordinate axis j. In the following description, the notations i and j are also used as parameters representing positions on the coordinate axes.
また、以下の説明では、実際に観測された位相(以下、観測位相とも称する。)をψi,j(−π≦ψi,j<π)と表すこととし、位相接続処理により求めるべき真の位相をφi,jと表すこととする。また、観測位相ψi,jの2種類の差分Δxi,jおよびΔyi,jを、以下の式101および式102のように定義する。 In the following description, an actually observed phase (hereinafter also referred to as an observed phase) is represented as ψ i, j (−π ≦ ψ i, j <π), and the true value to be obtained by the phase connection process. Is expressed as φ i, j . Further, two types of differences Δx i, j and Δy i, j of the observation phase ψ i, j are defined as in the following Expression 101 and Expression 102.
Δxi,j=R(ψi+1,j−ψi,j) ・・・(式101)
Δyi,j=R(ψi,j+1−ψi,j) ・・・(式102)
Δx i, j = R (ψ i + 1, j −ψ i, j ) (Equation 101)
Δy i, j = R (ψ i, j + 1 −ψ i, j ) (Formula 102)
ここで、上記式101および式102において、R(・)は、代入された値に対して2πの整数倍を加算または減算し、値を[−π,π)の範囲(−π以上π未満)に収める演算である。例えば、このR(・)に(−4π/3)が代入されると、R(−4π/3)=(2π/3)が出力されることとなる。 Here, in the above formulas 101 and 102, R (•) is obtained by adding or subtracting an integer multiple of 2π to the substituted value, and setting the value within the range [−π, π) (−π or more and less than π). ). For example, when (−4π / 3) is substituted for R (•), R (−4π / 3) = (2π / 3) is output.
なお、以下の説明において、ψi,j、φi,j、Δxi,j、Δyi,jという表記のi,jという添え字を省略する場合があるので、注意されたい。 Note that in the following description, the suffixes i and j in the notation ψ i, j , φ i, j , Δx i, j , and Δy i, j may be omitted.
○観測位相ψi,jと真の位相φi,jとの関係
先にも説明したように、位相接続部215で実施される位相接続処理は、観測位相ψi,jに基づいて真の位相φi,jの差分を決定する処理である。この処理を行うにあたって、算出した真の位相φi,jが、正しい値であるのか否かを判断する条件が必要となる。この条件は、「観測位相ψにノイズが存在せず、真の位相φについて、隣接する位置での位相の差の絶対値がπよりも小さい」というものである。この条件を満たす場合、観測位相ψの差分であるΔxおよびΔyは、それぞれ真の位相φのX方向差分およびY方向差分と等しくなる。
○ Relationship between observation phase ψ i, j and true phase φ i, j As described above, the phase connection processing performed in phase connection unit 215 is true based on observation phase ψ i, j. This is a process for determining the difference between the phases φ i, j . In performing this process, a condition for determining whether or not the calculated true phase φ i, j is a correct value is necessary. This condition is that “there is no noise in the observation phase ψ, and the absolute value of the phase difference between adjacent positions is smaller than π with respect to the true phase φ”. When this condition is satisfied, Δx and Δy, which are the differences in the observation phase ψ, are respectively equal to the X-direction difference and the Y-direction difference of the true phase φ.
例えば図18の上側に示したように、算出した真の位相φi,jが観測位相ψi,jと等しい場合について考える。このとき、位置(i,j)のj方向に沿って隣接する位置(i,j+1)の観測位相ψi,j+1が、ψi,j+1=φi,j+α−2πであるとする。j方向に沿った観測位相ψの差分は、図18から明らかなように、ψi,j+1−ψi,j=α−2πである。そのため、Δyi,j=R(ψi,j+1−ψi,j)=αとなる。 For example, consider the case where the calculated true phase φ i, j is equal to the observed phase ψ i, j as shown on the upper side of FIG. At this time, it is assumed that the observation phase ψ i, j + 1 of the position (i, j + 1) adjacent to the position (i, j) along the j direction is ψ i, j + 1 = φ i, j + α-2π. As is apparent from FIG. 18, the difference in the observation phase ψ along the j direction is ψ i, j + 1 −ψ i, j = α−2π. Therefore, Δy i, j = R (ψ i, j + 1 −ψ i, j ) = α.
ここで、αがπよりも小さい値であれば、先に説明した条件によりΔyi,jが真の位相のY方向差分と等しいこととなり、図18の下側に示したように、位置(i,j+1)における真の位相φi,j+1は、φi,j+1=φi,j+αとなる。 Here, if α is a value smaller than π, Δyi, j is equal to the true phase difference in the Y direction under the conditions described above. As shown in the lower side of FIG. , J + 1), the true phase φ i, j + 1 is φ i, j + 1 = φ i, j + α.
従って、位相接続部215は、任意の点を起点として、先に説明したような条件を利用しながら差分を積算していくことで、真の位相φを求めることが可能である。 Therefore, the phase connection unit 215 can obtain the true phase φ by integrating the differences starting from an arbitrary point and using the conditions described above.
しかしながら、観測位相ψにノイズがある場合、算出したΔx,Δyと差分が一致する真の位相φが存在しない場合がある。例えば、i×j=3×3個の格子点を考え、各jにおける観測位相ψが、図19の左側に示したようなものであり、格子点の中央i=2,j=2にノイズが存在する場合を考える。このノイズの存在により、i=2,j=2における観測位相ψ2,2は、大きな負の値となっているものとする。 However, when there is noise in the observation phase ψ, there may be no true phase φ whose difference matches the calculated Δx, Δy. For example, suppose i × j = 3 × 3 lattice points, the observation phase ψ at each j is as shown on the left side of FIG. 19, and noise is present at the center i = 2 and j = 2 of the lattice points. Suppose that exists. It is assumed that the observation phase ψ 2,2 at i = 2 and j = 2 has a large negative value due to the presence of this noise.
ここで、ψ2,2−ψ1,2が−πより大きい負の値である場合、Δx1,2は負となる。また、ψ3,2−ψ2,2は+πより大きな正の値となり、Δx2,2も負となる。このようにΔx,Δyを計算して勾配方向を図示すると、図19の右側のようになる。図から明らかなように、位相接続部215により行われる積算の経路(順序)が変わると、積算する値が正の値となったり負の値となったりするため、積算する経路によって、真の位相φの値が異なることになる。 Here, when ψ 2,2 −ψ 1,2 is a negative value larger than −π, Δx 1,2 is negative. In addition, ψ 3,2 −ψ 2,2 is a positive value larger than + π, and Δx 2,2 is also negative. In this way, Δx and Δy are calculated and the gradient direction is illustrated as shown on the right side of FIG. As is apparent from the figure, when the integration path (order) performed by the phase connection unit 215 changes, the integration value becomes a positive value or a negative value. The value of the phase φ will be different.
従って、観測位相にノイズが存在する場合、位相接続部215は、全ての位置においてΔxi,j,Δyi,jと差分が一致するような真の位相φを算出することができないため、真の位相φを算出するために、差分の誤差を最小化する処理である最小二乗法を行う。 Therefore, if there is noise in the observed phase, the phase connection unit 215 cannot calculate the true phase φ such that the difference between Δx i, j and Δy i, j matches at all positions. In order to calculate the phase φ, the least square method, which is a process for minimizing the difference error, is performed.
○重みなし最小二乗法を用いた位相接続処理
本実施形態に係る位相接続部215では、重み付き最小二乗法を用いて観測位相の接続を行うが、この重み付き最小二乗法を用いた位相接続処理を説明するに先立ち、重み付き最小二乗法の基本となる重みなし最小二乗法を用いた位相接続処理について、まず説明する。
○ Phase connection processing using weightless least square method In the phase connection unit 215 according to the present embodiment, the observation phase is connected using the weighted least square method, and the phase connection using the weighted least square method is used. Prior to explaining the processing, the phase connection processing using the weightless least square method, which is the basis of the weighted least square method, will be described first.
差分の誤差を最小化するためには、求めるべき値を変数とし観測された値を定数とする、求めるべき値と観測された値との差分で表される関数を生成し、この関数を最小化することを考えればよい。そこで、重みなし最小二乗法を用いた位相接続処理を行う際には、求めるべき値である真の位相φi,jの差分を変数とし、観測された値である観測位相ψi,jの差分を定数とする関数を考えればよい。ここで、求めるべき値と観測された値との差分で表される関数として、以下の式11で表される差分の二乗和を用いた関数Jを使用する。以下では、この関数Jのことを、評価関数Jと称することとする。 In order to minimize the difference error, a function expressed by the difference between the value to be obtained and the observed value is generated, with the value to be obtained as a variable and the observed value as a constant, and this function is minimized. You should think about becoming. Therefore, when performing the phase connection process using the weightless least square method , the difference of the true phase φ i, j that is the value to be obtained is used as a variable, and the observed phase ψ i, j that is the observed value is You can think of a function with the difference as a constant. Here, as a function represented by a difference between a value to be obtained and an observed value, a function J using a square sum of differences represented by the following Expression 11 is used. Hereinafter, this function J will be referred to as an evaluation function J.
上記式11の右辺を参照すると明らかなように、右辺第1項は、変数として扱われる真の位相の差分(φi+1,j−φi,j)と、定数として扱われる観測位相であるΔxi,jとの差分(すなわち、真の位相の差分と観測位相の差分との誤差)の二乗となっている。同様に、右辺第2項は、変数として扱われる真の位相の差分(φi,j+1−φi,j)と、観測位相であるΔyi,jとの差分の二乗となっている。また、上記式11における総和は、全ての格子点(i,j)に対して行われるものである。 As is apparent from the right side of Equation 11 above, the first term on the right side is the true phase difference (φ i + 1, j −φ i, j ) treated as a variable and Δx which is an observation phase treated as a constant. It is the square of the difference between i and j (that is, the error between the true phase difference and the observed phase difference). Similarly, the second term on the right side is the square of the difference between the true phase difference (φ i, j + 1 −φ i, j ) treated as a variable and Δy i, j which is the observation phase. Further, the summation in the above equation 11 is performed for all lattice points (i, j).
式11から明らかなように、評価関数Jは常に0以上の値をとる関数であり、この評価関数Jが最小(すなわち、J=0)となるのは、全ての格子点(i,j)について、真の位相の差分が観測位相の差分と一致したときである。そのため、かかる評価関数Jの値を最小化する変数の値を求めることで、実際の観測位相の差分を正しく反映した真の位相φの差分を得ることができる。 As is clear from Expression 11, the evaluation function J is a function that always takes a value of 0 or more, and this evaluation function J is minimum (that is, J = 0) that all the lattice points (i, j) When the true phase difference coincides with the observed phase difference. Therefore, by obtaining the value of a variable that minimizes the value of the evaluation function J, it is possible to obtain the true phase φ difference that correctly reflects the actual observation phase difference.
上記式11では、評価関数Jを差分の形で表記したが、この評価関数Jは、積分の形で表すこともできる。この場合、評価関数Jは、以下の式12のように表される。 In the above equation 11, the evaluation function J is expressed in the form of a difference, but this evaluation function J can also be expressed in the form of integration. In this case, the evaluation function J is expressed as the following Expression 12.
ここで、上記式12において、φx、Δxは、それぞれ、求めるべき真の位相のx方向微分および観測位相の差分のx方向微分であり、φy、Δyは、それぞれ、求めるべき真の位相のy方向微分および観測位相の差分のy方向微分である。 Here, in the above equation 12, φ x and Δ x are the x-direction derivative of the true phase to be obtained and the x-direction derivative of the difference between the observed phases, respectively, and φ y and Δ y are the true values to be obtained, respectively. Y-direction differentiation of the phase and the y-direction differentiation of the difference between the observation phases.
積分型で評価関数Jを表記した場合、式12の最小化する変数を求める処理は、変分法を用いて未知関数φ(x,y)を求める問題に帰着する。評価関数Jは、差分の二乗和として表されることから常に正の値をとる関数であり、この変分法を用いた処理は、未知関数φ(x,y)の微小変化に対して、評価関数Jの変動量がゼロになるφ(x,y)を求める問題に帰着することとなる。この問題を数式で表わすと、以下の式13に示すオイラー・ラグランジュ方程式(Euler−Lagrange equation)となるため、式12を最小化する変数を求める問題は、結局、以下の式14で表されるポアソン方程式(Poisson equation)に帰着することとなる。 When the evaluation function J is expressed in an integral form, the process of obtaining the variable to be minimized in Expression 12 results in a problem of obtaining the unknown function φ (x, y) using a variational method. The evaluation function J is a function that always takes a positive value because it is expressed as the sum of squares of the difference, and the processing using this variation method is performed with respect to a minute change of the unknown function φ (x, y). This results in a problem of obtaining φ (x, y) at which the fluctuation amount of the evaluation function J becomes zero. If this problem is expressed by a mathematical expression, the Euler-Lagrange equation shown in the following Expression 13 is obtained. Therefore, the problem of obtaining a variable that minimizes the Expression 12 is eventually expressed by the following Expression 14. This results in a Poisson equation.
ここで、上記式14において、φxxおよびΔxxは、それぞれ、真の位相φおよび観測位相の差分Δの変数xによる2階微分であり、φyyおよびΔyyは、それぞれ、真の位相φおよび観測位相の差分Δの変数yによる2階微分である。これらの2階微分を、差分の形で表記すると、以下の式15〜式18となる。 Here, in the above equation 14, φ xx and Δ xx are second-order derivatives of the true phase φ and the difference Δ of the observation phase Δ by the variable x, and φ yy and Δ yy are the true phase φ, respectively. And second-order differentiation of the observation phase difference Δ by the variable y. When these second-order derivatives are expressed in the form of differences, the following equations 15 to 18 are obtained.
φxx:(φi+1,j−φi,j)−(φi,j−φi−1,j) ・・・(式15)
φyy:(φi,j+1−φi,j)−(φi,j−φi,j−1) ・・・(式16)
Δxx:Δxi,j−Δxi−1,j ・・・(式17)
Δyy:Δyi,j−Δyi−1,j ・・・(式18)
φ xx : (φ i + 1, j −φ i, j ) − (φ i, j −φ i−1, j ) (Equation 15)
φ yy : (φ i, j + 1 −φ i, j ) − (φ i, j −φ i, j−1 ) (Expression 16)
Δ xx : Δx i, j −Δx i−1, j (Expression 17)
Δ yy : Δy i, j −Δy i−1, j (Expression 18)
従って、式14で表されるポアソン方程式を差分の形で表記すると、以下の式19となり、この方程式の解を求めるためには、全てのφi,jについて、連立方程式を解けばよいこととなる。 Therefore, when the Poisson equation represented by the equation 14 is expressed in the form of a difference, the following equation 19 is obtained. In order to find a solution of this equation, it is only necessary to solve the simultaneous equations for all φ i, j. Become.
φi+1,j+φi−1,j+φi,j+1+φi,j−1−4φi,j
=Δxi,j−Δxi−1,j+Δyi,j−Δyi,j−1 ・・・(式19)
φ i + 1, j + φ i−1, j + φ i, j + 1 + φ i, j−1 −4φ i, j
= Δx i, j −Δx i−1, j + Δy i, j −Δy i, j−1 (Equation 19)
ここで、式19で表される連立方程式を解くための方法として、例えば、いわゆる反復法や直接法を用いることが可能である。反復法の例として、ヤコビ(Jacobi)法、ガウス・ザイデル(Gauss−Seidel)法、逐次過緩和(Successive Over Relaxation:SOR)法および共役勾配法(Conjugate Gradient Method)等を挙げることができる。また、直接法の例として、LU分解(Lower−Upper decomposition)等を挙げることができる。なお、これらの方法は、あくまでも一例であって、上述の方法以外の解法を適宜利用することが可能である。また、以下の説明では、式19で表される連立方程式を、反復法を用いて解く場合について説明するが、かかる場合に限定されるわけではない。 Here, as a method for solving the simultaneous equations represented by Equation 19, for example, a so-called iterative method or a direct method can be used. Examples of the iterative method include a Jacobi method, a Gauss-Seidel method, a successive over relaxation (SOR) method, and a conjugate gradient method (Conjugate Gradient Method). Moreover, LU decomposition (Lower-Upper decomposition) etc. can be mentioned as an example of a direct method. Note that these methods are merely examples, and solutions other than those described above can be used as appropriate. Further, in the following description, a case where the simultaneous equations represented by Expression 19 are solved using an iterative method will be described, but the present invention is not limited to such a case.
ここで、上記式19で表される連立方程式を、ガウス・ザイデル法を用いた反復演算により解く場合を考える。k回目の反復における未知関数φi,jをφi,j(k)と表記することとすると、ガウス・ザイデル法での反復演算では、添え字にi−1またはj−1を含むものについては、(k+1)回目の値を利用することができる。従って、ガウス・ザイデル法を用いて式19を解く場合、上記式19は、以下の式20のように変形することができる。 Here, consider a case where the simultaneous equations represented by the above equation 19 are solved by an iterative operation using the Gauss-Seidel method. Assuming that the unknown function φ i, j in the k-th iteration is expressed as φ i, j (k), in the iterative operation in the Gauss-Seidel method, the subscript includes i−1 or j−1. Can use the (k + 1) -th value. Therefore, when solving the equation 19 using the Gauss-Seidel method, the equation 19 can be transformed into the following equation 20.
式20を解く場合、X方向の格子点数をNxとすると、i=1〜Nxとなり、Y方向の格子点数をNyとすると、j=1〜Nyとなるため、境界(すなわち、i=1またはi=Nxまたはj=1またはj=Nyである位置)の計算に必要な境界外の値、すなわちφ0,1,φNx+1,1等の扱いを考慮する必要がある。境界の扱いとして、以下の1)または2)に示す何れかの条件を用いることが好ましい。 When solving Equation 20, if the number of lattice points in the X direction is Nx, i = 1 to Nx, and if the number of lattice points in the Y direction is Ny, j = 1 to Ny, so the boundary (ie, i = 1 or It is necessary to consider the handling of values outside the boundary necessary for the calculation of i = Nx or j = 1 or j = Ny), that is, φ 0,1, φ Nx + 1,1 and the like. As the handling of the boundary, it is preferable to use any one of the following conditions 1) or 2).
1)境界では、位相の傾きはゼロである。
φ0,1=φ1,1=φ0,1、Δx0,1=Δy1,0=0 等
2)境界では、以下のような対称性が成り立つ。
φ0,1=φ2,1、φ1,0=φ1,2、Δx0,1=−Δx1,1、Δy1,0=−Δy1,1
1) At the boundary, the phase slope is zero.
φ 0,1 = φ 1,1 = φ 0,1 , Δx 0,1 = Δy 1,0 = 0, etc. 2) The following symmetry holds at the boundary.
φ 0,1 = φ 2,1 , φ 1,0 = φ 1,2 , Δx 0,1 = −Δx 1,1 , Δy 1,0 = −Δy 1,1
このような条件を用いて式20を解くことで、真の位相φi,jを一括して算出することが可能となる。 By solving Equation 20 using such conditions, the true phase φ i, j can be calculated in a lump.
○重み付き最小二乗法を用いた位相接続処理
先に説明した重みなし最小二乗法を用いた位相接続処理であるが、測定対象物の表面に段差等が存在し、先に説明した「真の位相φについて、隣接する位置での位相の差の絶対値がπよりも小さい」という条件が成立しないような場所や、測定対象物の表面に汚れ等の黒い部分が存在し、部分的に縞画像が取得できない場所(すなわち、位相のノイズ成分が大きい部分)が存在する場合等には、かかる場所の周囲において、接続後の位相に誤差が生じることとなる。そこで、本実施形態に係る位相接続部215は、以下で説明するような重み付き最小二乗法を用いた位相接続処理を行うことで、上述のような位相に誤差が生じる場所であっても、高精度に真の位相を算出することができる。
○ Phase connection processing using the weighted least squares method The phase connection processing using the weightless least squares method described above, but there are steps on the surface of the measurement object. The location where the condition that the absolute value of the phase difference between adjacent positions is smaller than π is not satisfied, or there are black parts such as dirt on the surface of the object to be measured, which are partially striped. When there is a place where an image cannot be acquired (that is, a portion where the noise component of the phase is large), an error occurs in the connected phase around the place. Therefore, the phase connection unit 215 according to the present embodiment performs a phase connection process using a weighted least square method as described below, so that even in a place where an error occurs in the phase as described above, The true phase can be calculated with high accuracy.
例えば、図20(a)に示したような鋼板などの測定対象物を考える。この測定対象物の一端には図20(a)に示したような切れ目が存在し、測定対象物には、上側に反り返っている領域(領域A)と、下側に反り返っている領域(領域B)とが存在するものとする。このような場合における位相画像(例えば、位相が+πのときに画像が白くなり、−πのときに画像が黒くなるような濃淡画像)は、図20(b)に示したように、領域Aおよび領域Bがつながっている左端部では、画像は互いに類似した濃さとなって表され、領域Aでは右端部に進むほど濃さが薄くなり、領域Bでは右端部に進むほど濃さが濃くなるものと推測される。 For example, consider a measurement object such as a steel plate as shown in FIG. A cut as shown in FIG. 20A is present at one end of the measurement object, and the measurement object has a region that warps upward (region A) and a region that warps downward (region). B) exist. The phase image in such a case (for example, a grayscale image in which the image becomes white when the phase is + π and the image becomes black when the phase is −π), as shown in FIG. And at the left end where the region B is connected, the images are displayed with similar darkness. In the region A, the darkness decreases as it goes to the right end, and in the region B, the darkness increases as it goes to the right end. Presumed to be.
図20(b)に示したような位相を算出することができるように、本実施形態に係る位相接続部215では、図20(a)に示したような物理的な切れ目の存在する場所に対応する数式に対して、図20(c)に示したような数学的な切れ目を導入し、誤差が生じる場所を演算の処理対象領域から除外する。 In order to be able to calculate the phase as shown in FIG. 20B, the phase connection unit 215 according to the present embodiment has a physical break as shown in FIG. A mathematical break as shown in FIG. 20C is introduced to the corresponding mathematical expression, and the place where the error occurs is excluded from the processing target area.
上述のような数学的な切れ目を導入するために、本実施形態に係る位相接続部215は、先に説明した評価関数Jを以下の式103のように変更する。 In order to introduce the mathematical break as described above, the phase connecting unit 215 according to the present embodiment changes the evaluation function J described above to the following Expression 103.
ここで、上記式103において、φ、Δx、Δyは、重みなし最小二乗法の場合と同様であり、W(i,j)(0≦W(i,j)≦1)は、位置(i,j)の重みである。この重みW(i,j)の値を、位置(i,j)それぞれについて変化させることで、本実施形態に係る位相接続部215は、評価関数Jに対して数学的な切れ目を導入する。すなわち、位相接続部215は、段差等の存在により位相差の絶対値に関する条件が成立しない場所や、位相のノイズ成分が大きな場所に対しては、重みW(i,j)の値を計算精度の範囲内で1に比べてほぼ0とみなすことが可能な予め定められた値以下の正の値、例えば0.001などの0に近い値に設定し、通常の場所(上述のような場所以外の部分)では、重みW(i,j)の値を1とする。 Here, in Expression 103 above, φ, Δx, and Δy are the same as in the case of the weightless least square method, and W (i, j) (0 ≦ W (i, j) ≦ 1) is the position (i , J). By changing the value of the weight W (i, j) for each position (i, j), the phase connecting unit 215 according to the present embodiment introduces a mathematical break for the evaluation function J. That is, the phase connection unit 215 calculates the value of the weight W (i, j) for a place where the condition regarding the absolute value of the phase difference is not satisfied due to the presence of a step or the like, or a place where the phase noise component is large. Within a range of 0, a positive value that is less than or equal to a predetermined value that can be regarded as almost 0 compared to 1 is set to a value close to 0, such as 0.001, and a normal location (location as described above) In the portion other than), the value of the weight W (i, j) is set to 1.
かかる重みW(i,j)を導入することで、差分型の表記を行った評価関数Jの式(評価関数Jの離散化解を与える式)は、以下の式104のように、各格子点の重みW(i,j)が掛かった形となる。 By introducing such weights W (i, j), the expression of the evaluation function J that expresses the differential type (an expression that gives a discretized solution of the evaluation function J) is expressed by each lattice point as shown in Expression 104 below. The weight W (i, j) is applied.
本実施形態に係る位相接続部215は、位相算出部213から、長周期波の観測位相ψ(図6または図14におけるθ2)および短周期波の観測位相ψ(図6または図14におけるθ1)の2種類の観測位相が伝送される。そのため、位相接続部215は、長周期波の観測位相ψi,jおよび短周期波の観測位相ψi,jのそれぞれについて、上記式104に示した重み付き最小二乗法に基づく位相接続処理を行う。なお、以下の説明では、式104で表される連立方程式を、反復法を用いて解く場合について説明するが、かかる場合に限定されるわけではない。 The phase connection unit 215 according to the present embodiment, from the phase calculation unit 213, observes the long-period wave observation phase ψ (θ2 in FIG. 6 or FIG. 14) and the short-period wave observation phase ψ (θ1 in FIG. 6 or FIG. 14). These two types of observation phases are transmitted. Therefore, the phase connection unit 215 performs phase connection processing based on the weighted least square method shown in the above equation 104 for each of the observation phase ψ i, j of the long period wave and the observation phase ψ i, j of the short period wave. Do. In the following description, a case where the simultaneous equations represented by Expression 104 are solved using an iterative method will be described, but the present invention is not limited to such a case.
以下、位相接続部215で実施される位相接続処理を具体的に説明する。
位相接続部215は、まず、位相算出部213から伝送された長周期波の観測位相ψi,jを利用して、式104に基づく位相接続処理を行う。この際に、位相接続部215は、長周期波の真の位相φi,jの初期値を0として、重み付き最小二乗法を行う。
Hereinafter, the phase connection process performed by the phase connection unit 215 will be specifically described.
First, the phase connection unit 215 performs phase connection processing based on Expression 104 using the observation phase ψ i, j of the long-period wave transmitted from the phase calculation unit 213. At this time, the phase connecting unit 215 performs the weighted least square method with the initial value of the true phase φ i, j of the long-period wave as 0.
また、位相接続部215は、式104における長周期波の各格子点(i,j)の重みW(i,j)を、位相算出部213から伝送された長周期波の振幅(図6または図14におけるr2)に基づいて予め設定しておく。例えば、位相接続部215は、各格子点(i,j)における長周期波の振幅r2を参照して、振幅r2が、所定の閾値thr1以下となっているか否かを判断する。位相接続部215は、振幅r2が上述のような条件を満たす場合、該当する格子点(i,j)が除外すべき部分であると判断し、重みW(i,j)の値を0に近い値に設定する。また、位相接続部215は、振幅r2が上述のような条件を満たさない場合には、該当する格子点(i,j)は除外すべき部分ではないと判断し、重みW(i,j)の値を1とする。 Further, the phase connecting unit 215 uses the weight W (i, j) of each lattice point (i, j) of the long-period wave in Expression 104 as the amplitude of the long-period wave transmitted from the phase calculation unit 213 (FIG. 6 or It is set in advance based on r2) in FIG. For example, the phase connecting unit 215 refers to the amplitude r2 of the long-period wave at each lattice point (i, j) and determines whether or not the amplitude r2 is equal to or less than a predetermined threshold value thr1. When the amplitude r2 satisfies the above conditions, the phase connecting unit 215 determines that the corresponding lattice point (i, j) is a part to be excluded, and sets the value of the weight W (i, j) to 0. Set to a close value. Further, when the amplitude r2 does not satisfy the above condition, the phase connecting unit 215 determines that the corresponding lattice point (i, j) is not a part to be excluded, and the weight W (i, j) The value of 1 is assumed to be 1.
ここで、位相接続部215は、重みW(i,j)を、長周期波の振幅の大きさに応じて連続的に変化させてもよく、上述の条件を満たしたか否かに基づいて0に近い値か1かのいずれかを値を用いるようにしてもよい。重みW(i,j)の値を0に近い値または1の2値とする場合には、位相接続部215は、上述の条件を満たした場合に重みW(i,j)を0に近い値とし、条件を満たさない場合に重みW(i,j)を1とする。 Here, the phase connecting unit 215 may continuously change the weight W (i, j) according to the amplitude of the long-period wave, and the value 0 based on whether or not the above condition is satisfied. A value close to 1 or 1 may be used. When the value of the weight W (i, j) is set to a value close to 0 or a binary value of 1, the phase connection unit 215 sets the weight W (i, j) close to 0 when the above condition is satisfied. The weight W (i, j) is 1 when the condition is not satisfied.
このようにして決定された重みW(i,j)と真の位相φi,jの初期値とに基づき、位相接続部215は、位相算出部213から伝送された長周期波の観測位相ψi,jの位相接続処理を実施し、長周期波の真の位相φi,jを算出する。 Based on the weight W (i, j) determined in this way and the initial value of the true phase φ i, j , the phase connecting unit 215 observes the observation phase ψ of the long-period wave transmitted from the phase calculating unit 213. The phase connection process of i, j is performed, and the true phase φ i, j of the long period wave is calculated.
位相接続部215は、長周期波の位相接続処理が終了すると、続いて、短周期波の位相接続処理を実施する。ここで、本実施形態に係る形状測定装置10では、タイミング信号発生部201により、長周期波の周期が短周期波の周期のK倍となるように変調されている。その結果、長周期波の1周期は短周期波のK周期に対応するため、位相接続後の長周期波の位相をK倍したものが、理想的な条件における短周期波の接続後の位相(すなわち、求めるべき真の位相φ)となるはずである。そこで、位相接続部215は、長周期波の位相接続処理(重み付き最小二乗法を利用した位相接続処理)により得られた真の位相φi,jをK倍したものを、短周期波の真の位相φi,jの初期値とする。このようにして位相の初期値を設定することで、初期値0から反復法による演算を繰り返すよりも、反復回数を削減することが可能となる。 When the phase connection process of the long period wave is completed, the phase connection unit 215 subsequently performs the phase connection process of the short period wave. Here, in the shape measuring apparatus 10 according to the present embodiment, the timing signal generator 201 modulates the period of the long period wave so that it is K times the period of the short period wave. As a result, since one cycle of the long period wave corresponds to the K period of the short period wave, a phase obtained by multiplying the phase of the long period wave after phase connection by K is the phase after connection of the short period wave under ideal conditions. (That is, the true phase φ to be obtained). Therefore, the phase connection unit 215 K times the true phase φ i, j obtained by the phase connection process of the long period wave (phase connection process using the weighted least squares method) The initial value of the true phase φ i, j is assumed. By setting the initial value of the phase in this way, it is possible to reduce the number of iterations rather than repeating the calculation by the iterative method from the initial value 0.
また、位相接続部215は、長周期波の場合と同様にして、式104における短周期波の各格子点(i,j)の重みW(i,j)を、位相算出部213から伝送された短周期波の振幅(図6または図14におけるr1)に基づいて予め設定しておく。例えば、位相接続部215は、各格子点(i,j)における短周期波の振幅r1を参照して、振幅r1が、所定の閾値thr2以下となっているか否かを判断する。位相接続部215は、振幅r1が上述のような条件を満たす場合、該当する格子点(i,j)が除外すべき部分であると判断し、重みW(i,j)の値を0に近い値に設定する。また、位相接続部215は、振幅r1が上述のような条件を満たさない場合には、該当する格子点(i,j)は除外すべき部分ではないと判断し、重みW(i,j)の値を1とする。 Similarly to the case of the long-period wave, the phase connection unit 215 transmits the weight W (i, j) of each lattice point (i, j) of the short-period wave in Expression 104 from the phase calculation unit 213. It is set in advance based on the amplitude of the short-period wave (r1 in FIG. 6 or FIG. 14). For example, the phase connecting unit 215 refers to the amplitude r1 of the short period wave at each lattice point (i, j) and determines whether or not the amplitude r1 is equal to or less than a predetermined threshold value thr2. When the amplitude r1 satisfies the above conditions, the phase connecting unit 215 determines that the corresponding lattice point (i, j) is a part to be excluded, and sets the value of the weight W (i, j) to 0. Set to a close value. Further, when the amplitude r1 does not satisfy the above condition, the phase connecting unit 215 determines that the corresponding lattice point (i, j) is not a part to be excluded, and the weight W (i, j) The value of 1 is assumed to be 1.
ここで、位相接続部215は、長周期波の場合と同様に、重みW(i,j)を、短周期波の振幅の大きさに応じて連続的に変化させてもよく、上述の条件を満たしたか否かに基づいて0か1かのいずれかを値を用いるようにしてもよい。 Here, as in the case of the long-period wave, the phase connection unit 215 may continuously change the weight W (i, j) according to the magnitude of the amplitude of the short-period wave. A value of either 0 or 1 may be used based on whether or not the above is satisfied.
また、位相接続部215は、短周期波の振幅に応じて重みW(i,j)を決定するだけでなく、長周期波の真の位相に基づいて算出された短周期波の真の位相の初期値に応じて、重みW(i,j)を決定することが好ましい。例えば、位相接続部215は、算出された短周期波の真の位相の初期値の変化を算出し、この位相の初期値の変化が大きい箇所(位相の初期値の変化が所定の閾値以上となる箇所)を特定する。位相の初期値の変化を表す値として、例えば、格子点(i,j)での位相と、この格子点(i,j)に隣接する格子点での位相との間の差分の絶対値和|φi+1,j−φi,j|+|φi,j+1−φi,j|を用いることができる。 In addition, the phase connection unit 215 not only determines the weight W (i, j) according to the amplitude of the short period wave, but also the true phase of the short period wave calculated based on the true phase of the long period wave. It is preferable to determine the weight W (i, j) according to the initial value of. For example, the phase connection unit 215 calculates a change in the initial value of the true phase of the calculated short period wave, and a portion where the change in the initial value of the phase is large (the change in the initial value of the phase is equal to or greater than a predetermined threshold value). Is identified). As a value representing a change in the initial value of the phase, for example, the sum of absolute values of differences between the phase at the lattice point (i, j) and the phase at the lattice point adjacent to the lattice point (i, j) | Φi + 1, j− φi , j | + | φi , j + 1− φi , j | can be used.
長周期波の位相(真の位相)は、測定対象物の表面形状の概略を反映するものである。そのため、長周期波の真の位相に基づいて算出された初期値の変化が大きいということは、該当する位置(i,j)において、大きな段差等が存在する可能性があることを示唆している。そのため、位相接続部215は、位相の初期値の変化が大きい箇所の重みW(i,j)を0に近い値に設定する。この場合にも、位相接続部215は、重みW(i,j)を初期値の変化に応じて連続的に変化させてもよく、所定の閾値との関係に応じて0に近い値または1のいずれかの値に設定してもよい。このように、位相接続部215は、短周期波の位相接続処理に関し、短周期波の振幅だけでなく位相の初期値の変化に応じて、重みW(i,j)の値を決定する。 The phase of the long-period wave (true phase) reflects the outline of the surface shape of the measurement object. Therefore, a large change in the initial value calculated based on the true phase of the long-period wave suggests that there may be a large step or the like at the corresponding position (i, j). Yes. Therefore, the phase connection unit 215 sets the weight W (i, j) at a location where the change in the initial value of the phase is large to a value close to zero. Also in this case, the phase connection unit 215 may continuously change the weight W (i, j) according to the change of the initial value, and may be a value close to 0 or 1 depending on the relationship with the predetermined threshold value. It may be set to any of the values. As described above, the phase connection unit 215 determines the value of the weight W (i, j) in accordance with the change in the initial value of the phase as well as the amplitude of the short period wave, regarding the phase connection process of the short period wave.
また、位相接続部215は、短周期波に関する重みWを算出する際に、短周期波の振幅から算出された重みW1と上述の差分の絶対値和から算出された重みW2との積W1×W2を用いても良い。この場合には、位相接続部215は、短周期波の振幅が小さいところまたは大きな段差が存在する可能性があるところにおいて、重みW(i,j)を0に近い値に設定し、それ以外の場所では重みW(i,j)を1とすることになる。 In addition, when calculating the weight W related to the short period wave, the phase connection unit 215 calculates the product W1 × the weight W1 calculated from the amplitude of the short period wave and the weight W2 calculated from the absolute value sum of the above differences. W2 may be used. In this case, the phase connection unit 215 sets the weight W (i, j) to a value close to 0 at a place where the amplitude of the short-period wave is small or a large step may exist, and otherwise In this case, the weight W (i, j) is set to 1.
位相接続部215は、上述のようにして短周期波の初期値および重みW(i,j)を決定し、式104に基づく重み付き最小二乗法による位相接続処理を行って、短周期波の真の位相φi,jをまとめて算出する。このようにして算出された短周期波の真の位相φi,jが、測定対象物の表面形状を表した求めるべき位相であるため、位相接続部215は、算出した接続後の短周期波の位相φを、形状特定部217に伝送する。 The phase connection unit 215 determines the initial value and the weight W (i, j) of the short period wave as described above, performs the phase connection process by the weighted least square method based on Expression 104, and The true phase φ i, j is calculated together. Since the true phase φi, j of the short-period wave calculated in this way is a phase to be obtained that represents the surface shape of the measurement object, the phase connecting unit 215 calculates the calculated short-period wave after connection. The phase φ is transmitted to the shape specifying unit 217.
また、位相接続部215は、反復法を用いて式104で表される方程式を解く場合、k回目の反復で得られた位相φi,jと、(k−1)回目の反復で得られた位相φi,jとの差分を算出し、算出した差分が所定の閾値以下となった場合に、位相φi,jの値が収束したと判断し、反復を終了してもよい。また、位相接続部215は、位相φi,jについて所定の反復回数分だけ反復を行った後、位相φi,jが収束しているか否かに関わらず反復を終了してもよい。この場合、反復回数の上限は、各種の統計処理等を利用して予め設定しておくことが可能である。 Further, when the phase connection unit 215 solves the equation represented by Expression 104 using the iterative method, the phase φ i, j obtained in the k-th iteration and the (k−1) -th iteration are obtained. The difference from the phase φ i, j may be calculated, and when the calculated difference is equal to or less than a predetermined threshold, it is determined that the value of the phase φ i, j has converged, and the iteration may be terminated. The phase connecting unit 215 may end the iteration regardless of whether or not the phase φ i, j has converged after iterating the phase φ i, j by a predetermined number of iterations. In this case, the upper limit of the number of iterations can be set in advance using various statistical processes.
位相φi,jの値が収束するまで反復を行うことで、位相接続部215は、求めるべき位相φi,jを、極めて高精度に算出することが可能となる。また、反復回数の上限を予め設定し、この上限を超えた場合に収束の如何に関わらず反復を終了することで、入力された縞画像によらず演算に要するコストを一定とすることができる。また、1回の位相接続処理に要する演算時間を見積もることが可能となるため、本実施形態に係る形状測定装置10を、製造ライン上で使用することも可能となる。 By repeating until the value of the phase φ i, j converges, the phase connecting unit 215 can calculate the phase φ i, j to be obtained with extremely high accuracy. In addition, by setting an upper limit of the number of iterations in advance and ending the iteration regardless of convergence when the upper limit is exceeded, the cost required for computation can be made constant regardless of the input fringe image. . In addition, since the calculation time required for one phase connection process can be estimated, the shape measuring apparatus 10 according to the present embodiment can be used on the production line.
なお、式104を解く際にあたって、方程式を解くための手法や境界の扱い等については、重みなし最小二乗法を用いた位相接続処理と同様である。 When solving the equation 104, the method for solving the equation, the handling of the boundary, and the like are the same as the phase connection processing using the weightless least square method.
また、上述の説明では、段差等の存在により位相差の絶対値に関する条件が成立しない場所や、位相のノイズ成分が大きな場所を、位相算出部213が算出した振幅の大きさに基づいて特定する場合について説明したが、かかる場所を特定する方法は、上述の方法に限定されるわけではない。例えば、位相接続部215は、位相算出部213により算出された長周期波の位相波形を微分し、得られた微分波形を解析することで、上述のような場所を特定してもよい。また、位相接続部215は、測定対象物を撮像した撮像画像の画素値に基づいて、上述のような場所を特定してもよい。 Further, in the above description, a place where the condition regarding the absolute value of the phase difference is not satisfied due to the presence of a step or the like or a place where the phase noise component is large is specified based on the magnitude of the amplitude calculated by the phase calculation unit 213. Although the case has been described, the method for specifying such a place is not limited to the above-described method. For example, the phase connection unit 215 may identify the place as described above by differentiating the phase waveform of the long-period wave calculated by the phase calculation unit 213 and analyzing the obtained differential waveform. Further, the phase connecting unit 215 may specify the place as described above based on the pixel value of the captured image obtained by capturing the measurement object.
[1次元の位相接続処理の具体例]
続いて、図21および図22を参照しながら、本実施形態に係る重み付き最小二乗法を用いた位相接続処理をについて、観測位相および真の位相が1次元である場合を例にとって、具体的に説明する。図21および図22は、本実施形態に係る位相接続処理の具体例を説明するための説明図である。
[Specific example of one-dimensional phase connection processing]
Next, with reference to FIGS. 21 and 22, the phase connection process using the weighted least square method according to the present embodiment will be described in detail using an example in which the observation phase and the true phase are one-dimensional. Explained. 21 and 22 are explanatory diagrams for describing a specific example of the phase connection processing according to the present embodiment.
なお、以下では、比較のために、重みなし最小二乗法を用いた場合と、重み付き最小二乗法を用いた場合の双方について、説明する。 In the following, for comparison, both the case of using the unweighted least square method and the case of using the weighted least square method will be described.
○演算条件
ここで、実際の位相(正しい位相)φ1〜φ5および観測位相ψ1〜ψ5は、図21に示したように、それぞれ以下のような値であるものとする。
Calculation Conditions Here, it is assumed that the actual phases (correct phases) φ1 to φ5 and the observation phases φ1 to φ5 have the following values as shown in FIG.
[φ1,φ2,φ3,φ4,φ5]
=[0,(2/3)π,(4/3)π,(6/3)π,(8/3)π]
[ψ1,ψ2,ψ3,ψ4,ψ5]
=[0,(2/3)π,−(2/3)π,0,(2/3)π]
[Φ1, φ2, φ3, φ4, φ5]
= [0, (2/3) π, (4/3) π, (6/3) π, (8/3) π]
[Ψ1, ψ2, ψ3, ψ4, ψ5]
= [0, (2/3) π,-(2/3) π, 0, (2/3) π]
上述の観測位相ψ1〜ψ5より、Δx1〜Δx4は、以下のようになる。 From the observation phases ψ1 to ψ5 described above, Δx1 to Δx4 are as follows.
[Δx1,Δx2,Δx3,Δx4]
=[(2/3)π,(2/3)π,(2/3)π,(2/3)π]
[Δx1, Δx2, Δx3, Δx4]
= [(2/3) π, (2/3) π, (2/3) π, (2/3) π]
また、境界においては、先だって説明した2)の条件(対称の条件)に基づき、以下のような条件を与えるものとする。 In the boundary, the following conditions are given based on the condition 2) (symmetric condition) described above.
φ0=φ2、φ6=φ4、Δx0=−Δx1、Δx5=−Δx4 φ0 = φ2, φ6 = φ4, Δx0 = −Δx1, Δx5 = −Δx4
○重みなし最小二乗法の場合
先に説明した式14より、考慮すべき方程式は、φxx=Δxxである。したがって、本例の場合には、評価関数Jの離散化解を与える式は、以下の式21のようになる。
In the case of the unweighted least square method From Equation 14 described above, the equation to be considered is φ xx = Δ xx . Therefore, in the case of this example, an expression that gives a discretized solution of the evaluation function J is as shown in Expression 21 below.
φi+1+φi−1−2φi=Δxi−Δxi−1 ・・・(式21) φ i + 1 + φ i−1 −2φ i = Δx i −Δx i−1 (Expression 21)
したがって、式21をガウス・ザイデル法等の反復法で解く場合、その反復式は、以下の式22となる。 Therefore, when the equation 21 is solved by an iterative method such as the Gauss-Seidel method, the iterative equation becomes the following equation 22.
φi(k+1)
=(1/2)×(φi+1(k)+φi−1(k+1)−Δxi+Δxi−1)
・・・(式22)
φ i (k + 1)
= (1/2) × (φ i + 1 (k) + φ i−1 (k + 1) −Δx i + Δx i−1 )
... (Formula 22)
本例の場合、上記式22を具体的に書き下すと、以下のようになる。 In the case of this example, the above formula 22 is specifically written as follows.
φ1(k+1)=(1/2)(2φ2(k)−2Δx1)
=φ2(k)−(2/3)π ・・・(式23)
φ2(k+1)=(1/2)(φ1(k+1)+φ3(k)) ・・・(式24)
φ3(k+1)=(1/2)(φ2(k+1)+φ4(k)) ・・・(式25)
φ4(k+1)=(1/2)(φ3(k+1)+φ5(k)) ・・・(式26)
φ5(k+1)=(1/2)(2φ4(k+1)+2Δx3)
=φ4(k+1)+(2/3)π ・・・(式27)
φ1 (k + 1) = (1/2) (2φ2 (k) −2Δx1)
= Φ2 (k) − (2/3) π (Expression 23)
φ2 (k + 1) = (1/2) (φ1 (k + 1) + φ3 (k)) (Equation 24)
φ3 (k + 1) = (1/2) (φ2 (k + 1) + φ4 (k)) (Equation 25)
φ4 (k + 1) = (1/2) (φ3 (k + 1) + φ5 (k)) (Equation 26)
φ5 (k + 1) = (1/2) (2φ4 (k + 1) + 2Δx3)
= Φ4 (k + 1) + (2/3) π (Expression 27)
真の位相φの初期値としては、
φ1(0)=φ2(0)=φ3(0)=φ4(0)=φ5(0)=0
を与えるものとする。
As an initial value of the true phase φ,
φ1 (0) = φ2 (0) = φ3 (0) = φ4 (0) = φ5 (0) = 0
Shall be given.
式23〜式27を、上述の初期値に基づいて反復演算すると、φ1〜φ5は、それぞれ以下の値に収束した。 When Expressions 23 to 27 were iteratively calculated based on the above initial values, φ1 to φ5 converged to the following values, respectively.
φ1(∞)=−(5/3)π
φ2(∞)=−π
φ3(∞)=−(1/3)π
φ4(∞)=(1/3)π
φ5(∞)=π
φ1 (∞) = − (5/3) π
φ2 (∞) = − π
φ3 (∞) = − (1/3) π
φ4 (∞) = (1/3) π
φ5 (∞) = π
収束値と、実際の位相φの値とを比較すると、得られた収束値は、定数分を除いて正しいことがわかる。すなわち、得られた収束値に対して、一律に(5/3)πを加算すると、実際の位相φの値となっている。 Comparing the convergence value with the actual phase φ value shows that the obtained convergence value is correct except for a constant. That is, when (5/3) π is uniformly added to the obtained convergence value, the value of the actual phase φ is obtained.
このように、式14に示したようなポアソン方程式に基づく位相接続処理では、Δx1〜Δx4のように観測位相の差分のみを与えて演算を行い、得られる結果は2点間の傾きが各Δxと一致するような値に収束するため、定数分の任意性がある。 As described above, in the phase connection process based on the Poisson equation as shown in Expression 14, the calculation is performed by giving only the difference between the observation phases as Δx1 to Δx4, and the obtained result is that the slope between the two points is Δx Since it converges to a value that matches, there is an arbitrary number of constants.
○重み付き最小二乗法の場合
重み付き最小二乗法の例では、φ3の位置で段差が存在しているものと仮定し、演算を行うこととする。また、重みWは、0または1の2値であるとする。この場合、重みWは、W1=W2=W4=W5=1、W3=0となる。また、重みWに対しても対称の条件を考慮し、W0=W1であるとする。
In the case of the weighted least square method In the example of the weighted least square method, it is assumed that there is a step at the position of φ3 and the calculation is performed. The weight W is assumed to be a binary value of 0 or 1. In this case, the weights W are W1 = W2 = W4 = W5 = 1 and W3 = 0. Further, in consideration of a symmetric condition with respect to the weight W, it is assumed that W0 = W1.
本例の場合、式104より、評価関数Jの離散化解を与える式は、以下のようになる。 In the case of this example, an expression that gives a discretized solution of the evaluation function J from Expression 104 is as follows.
W1(φ2−φ1)−W0(φ1−φ0)=W1Δx1−W0Δx0
→ φ2−φ1=Δx1 ・・・(式105)
W2(φ3−φ2)−W1(φ2−φ1)=W2Δx2−W1Δx1
→ φ3+φ1−2φ2=Δx2−Δx1 ・・・(式106)
W3(φ4−φ3)−W2(φ3−φ2)=W3Δx3−W2Δx2
→ φ2−φ3=−Δx2 ・・・(式107)
W4(φ5−φ4)−W3(φ4−φ3)=W4Δx4−W3Δx3
→ φ5−φ4=Δx4 ・・・(式108)
W5(φ6−φ5)−W4(φ5−φ4)=W5Δx5−W4Δx4
→ φ4−φ5=−Δx4 ・・・(式109)
W1 (φ2-φ1) −W0 (φ1-φ0) = W1Δx1-W0Δx0
→ φ2−φ1 = Δx1 (Formula 105)
W2 (φ3-φ2) −W1 (φ2-φ1) = W2Δx2-W1Δx1
→ φ3 + φ1-2φ2 = Δx2−Δx1 (Formula 106)
W3 (φ4-φ3) −W2 (φ3-φ2) = W3Δx3-W2Δx2
→ φ2−φ3 = −Δx2 (Formula 107)
W4 (φ5-φ4) −W3 (φ4-φ3) = W4Δx4-W3Δx3
→ φ5-φ4 = Δx4 (Formula 108)
W5 (φ6-φ5) −W4 (φ5-φ4) = W5Δx5-W4Δx4
→ φ4-φ5 = −Δx4 (Formula 109)
上記式105〜式109より明らかなように、φ1〜φ3に関する式105〜式107には、φ4およびφ5という変数は存在せず、φ4およびφ5に関する式108および式109には、φ1〜φ3という変数が存在していないことがわかる。このように、重みW3=0とすることで、φ1〜φ3と、φ4およびφ5との間で関連性をなくし、処理対象を、φ1〜φ3の領域と、φ4およびφ5の領域とに分割することができる。 As is clear from the above formulas 105 to 109, there are no variables φ4 and φ5 in formulas 105 to 107 relating to φ1 to φ3, and φ1 to φ3 in formulas 108 and 109 relating to φ4 and φ5. You can see that the variable does not exist. In this way, by setting the weight W3 = 0, the relationship between φ1 to φ3 and φ4 and φ5 is eliminated, and the processing target is divided into the regions φ1 to φ3 and the regions φ4 and φ5. be able to.
ここで、初期値としてφ1=φ2=φ3=0、φ4=φ5=4π(すなわち、φ3とφ4との間に高さ4πの段差が存在することを表す初期値)を与え、反復演算を行うと、以下のような収束値が得られた。また、得られた収束値を模式的に図示すると、図22のようになる。 Here, as initial values, φ1 = φ2 = φ3 = 0, φ4 = φ5 = 4π (that is, an initial value indicating that a height difference of 4π exists between φ3 and φ4), and iterative calculation is performed. The following convergence values were obtained. Further, the obtained convergence value is schematically shown in FIG.
φ1(∞)=−π
φ2(∞)=−(1/3)π
φ3(∞)=(1/3)π
φ4(∞)=(10/3)π
φ5(∞)=4π
φ1 (∞) = − π
φ2 (∞) = − (1/3) π
φ3 (∞) = (1/3) π
φ4 (∞) = (10/3) π
φ5 (∞) = 4π
図22から明らかなように、各位相間の差分は、与えられた観測位相の差分である(2/3)πに一致していることがわかる。また、φ1〜φ3と、φ4およびφ5とを比較すると、この2つの領域間で、位相の段差が約4πとなっていることがわかる。この結果から、重み付け最小二乗法を用いた位相接続処理を行うと、初期値で与えられた段差が保存されることがわかる。 As is clear from FIG. 22, it can be seen that the difference between the phases coincides with (2/3) π, which is the difference between the given observation phases. Further, comparing φ1 to φ3 with φ4 and φ5, it can be seen that the phase difference between these two regions is about 4π. From this result, it is understood that when the phase connection process using the weighted least square method is performed, the step given by the initial value is preserved.
本実施形態に係る位相接続部215による位相接続処理では、短周期波の位相を接続する際に、測定対象物の表面形状の概略を反映している長周期波の接続後の位相を用いて、位相の初期値の生成を行う。そのため、位相接続部215による位相接続処理では、短周期波の位相接続処理を行う際に、適切な段差の情報を含む初期値が設定されることとなる。したがって、上記の具体例からも明らかなように、位相接続部215は、重みWを適切に選択して重み付け最小二乗法による位相接続処理を行うことで、測定対象物の表面に大きな段差等が存在したとしても、正確に位相の接続を行うことができる。 In the phase connection processing by the phase connection unit 215 according to the present embodiment, when the phase of the short period wave is connected, the phase after the connection of the long period wave reflecting the outline of the surface shape of the measurement object is used. The initial value of the phase is generated. For this reason, in the phase connection process by the phase connection unit 215, an initial value including appropriate step information is set when the phase connection process of the short period wave is performed. Therefore, as is clear from the above specific example, the phase connection unit 215 appropriately selects the weight W and performs the phase connection process by the weighted least square method, thereby causing a large step or the like on the surface of the measurement object. Even if it exists, the phase connection can be performed accurately.
なお、重み付き最小二乗法を用いた位相接続処理においても、得られた算出結果に、定数分の任意性があることは、重みなし最小二乗法を用いた位相接続処理の場合と同様である。しかしながら、基準となる位相の大きさ(すなわち、ある位置での正しい位相の大きさ)が解っていれば、接続後の位相を確定することができる。 Even in the phase connection process using the weighted least square method, the obtained calculation result has an arbitrary number of constants as in the case of the phase connection process using the weightless least square method. . However, if the reference phase magnitude (that is, the correct phase magnitude at a certain position) is known, the connected phase can be determined.
また、2周波の組み合わせ方の別の方法として、長周期波の接続後の位相をK倍したものの差分で短周期波のΔx,Δyに相当する値ΔxL、ΔyLを算出し、短周期波の観測位相ψから算出された本来のΔx、Δyと比較して、段差に相当する部分(すなわち、ΔxとΔxLとがかけ離れている部分)ではΔxLをΔxの代わりに使うということも考えられる。しかしながら、この場合には、ΔxLとΔxの切り替え点にて、位相φが滑らかにつながらない場合がある。また、反復法を用いて位相接続処理を実施する際に、Δxの値が大きい場合には、反復回数を多く設定する必要があり、位相接続処理に要する時間が増加する可能性がある。 As another method of combining the two frequencies, the values ΔxL and ΔyL corresponding to Δx and Δy of the short period wave are calculated from the difference between K times the phase after connection of the long period wave, and the short period wave Compared to the original Δx and Δy calculated from the observation phase ψ, it may be considered that ΔxL is used instead of Δx in a portion corresponding to a step (that is, a portion where Δx and ΔxL are far apart). However, in this case, the phase φ may not be smoothly connected at the switching point between ΔxL and Δx. Further, when the phase connection process is performed using the iterative method, if the value of Δx is large, it is necessary to set a large number of iterations, which may increase the time required for the phase connection process.
[位相接続処理の並列処理化について]
続いて、本実施形態に係る位相接続部215で実施される位相接続処理の並列処理化について、図23を参照しながら説明する。図23は、位相接続処理の並列処理化について説明するための説明図である。
[Parallel processing of phase connection processing]
Next, parallel processing of the phase connection process performed by the phase connection unit 215 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 23 is an explanatory diagram for explaining parallel processing of the phase connection processing.
本実施形態に係る位相接続部215で実施される位相接続処理は、従来の位相接続処理のような逐次処理ではないため、位相接続処理を実施する処理対象領域をいくつかの部分領域に分割して処理を行うことで、位相接続処理の並列処理化を実現することができる。 Since the phase connection process performed by the phase connection unit 215 according to the present embodiment is not a sequential process as in the conventional phase connection process, the processing target area for performing the phase connection process is divided into several partial areas. By performing the processing, parallel processing of the phase connection processing can be realized.
例えば図23に示したように、ある1つの処理対象領域を、4つのプロセッサを用いて反復法(ガウス・ザイデル法)により並列処理する場合を考える。この場合、位相接続部215は、処理対象領域を4つに分割し、それぞれの領域における位相接続処理を1つのプロセッサに担当させる。例えば図23の上段に示したように、位相接続部215は、左上の領域Aをプロセッサ1に担当させ、右上の領域Bをプロセッサ2に担当させ、左下の領域Cをプロセッサ3に担当させ、右下の領域Dをプロセッサ4に担当させる。 For example, as shown in FIG. 23, a case is considered in which a certain processing target region is processed in parallel by an iterative method (Gauss-Seidel method) using four processors. In this case, the phase connection unit 215 divides the processing target region into four, and causes one processor to perform the phase connection processing in each region. For example, as shown in the upper part of FIG. 23, the phase connection unit 215 causes the processor 1 to handle the upper left area A, causes the processor 2 to handle the upper right area B, and causes the processor 3 to handle the lower left area C. The processor 4 is in charge of the lower right area D.
処理対象領域を図23の下段に示したように分割し、ガウス・ザイデル法による反復処理を行う場合、各プロセッサは、着目している格子点と、この格子点に隣接する格子点の反復結果を用いて位相接続処理を実施する。 When the region to be processed is divided as shown in the lower part of FIG. 23 and the iterative process is performed by the Gauss-Seidel method, each processor repeats the grid point of interest and the grid point adjacent to this grid point. The phase connection process is performed using
領域Aを担当するプロセッサ1は、領域A内に存在する格子点の反復結果のみを用いて位相接続処理を実施することができる。しかしながら、他の領域を担当するプロセッサは、自身の領域に隣接する領域を担当するプロセッサから、境界に位置する格子点に隣接する格子点のk回目の反復結果を取得する必要がある。具体的には、図23の下段に示したように、領域B〜領域Dについては、斜線で示した境界に位置する格子点について、自身の左側および上側に位置する領域を担当するプロセッサから、k回目の反復結果を取得する。 The processor 1 in charge of the area A can perform the phase connection process using only the repetition result of the grid points existing in the area A. However, the processor in charge of the other area needs to obtain the kth iteration result of the grid point adjacent to the grid point located at the boundary from the processor in charge of the area adjacent to its own area. Specifically, as shown in the lower part of FIG. 23, for the regions B to D, from the processor in charge of the regions located on the left side and the upper side of the lattice points located at the boundaries indicated by the oblique lines, Obtain the kth iteration result.
この際、位相接続部215は、ガウス・ザイデル反復の(k+1)回目の反復において、厳密には隣接する領域に属するφ(k+1)を要求することとなるが、φ(k+1)ではなくφ(k)を用いて、位相接続処理を実施する。 At this time, in the (k + 1) -th iteration of the Gauss-Seidel iteration, the phase connection unit 215 strictly requests φ (k + 1) belonging to the adjacent region, but instead of φ (k + 1), φ (k + 1) k) is used to perform the phase connection process.
担当する領域の一部分とはいえ、本来φ(k+1)を用いて演算を行うべきところをφ(k)を用いて演算を行うため、算出する値の収束性が若干低下する可能性がある。しかしながら、全処理対象領域に含まれる格子点数は実用的には数万から数百万点であり、4から16程度に分割する場合では収束性の低下は無視できる。 Although it is a part of the area in charge, since the calculation is performed using φ (k) where φ (k + 1) should be originally calculated, there is a possibility that the convergence of the calculated value is slightly reduced. However, the number of grid points included in the entire processing target area is practically tens of thousands to several millions, and in the case of dividing into about 4 to 16, the decrease in convergence can be ignored.
このように、本実施形態に係る位相接続方法では、処理対象領域をいくつかの領域に分割して複数のプロセッサに並列処理させることが容易であり、複数のプロセッサによる演算の高速化を図ることが容易に実現できる。 As described above, in the phase connection method according to the present embodiment, it is easy to divide the processing target area into several areas and allow a plurality of processors to perform parallel processing, and to increase the calculation speed of the plurality of processors. Can be easily realized.
以上、本実施形態に係る位相接続部215で実施される、重み付き最小二乗法を用いた位相接続処理について、詳細に説明した。以下では、かかる位相接続方法を、実際の流れに沿って説明する。 The phase connection process using the weighted least square method performed by the phase connection unit 215 according to the present embodiment has been described in detail above. Hereinafter, such a phase connection method will be described along an actual flow.
<重み付き最小二乗法を用いた位相接続方法の流れ>
まず、図24を参照しながら、位相接続部215で実施される、重み付き最小二乗法を用いた位相接続処理の流れについて、順を追って説明する。図24は、本実施形態に係る位相接続方法について説明するための流れ図である。
<Flow of phase connection method using weighted least square method>
First, the flow of the phase connection process using the weighted least square method performed by the phase connection unit 215 will be described in order with reference to FIG. FIG. 24 is a flowchart for explaining the phase connection method according to the present embodiment.
位相接続部215は、まず、位相算出部213から伝送された長周期波の振幅r2に基づいて、先に説明したようにして、長周期波の位相接続処理に用いる重みWの値を決定する(ステップS101)。続いて、位相接続部215は、算出した重みWを用いて、真の位相の初期値を0とした重み付き最小二乗法により、長周期波の位相を接続する(ステップS103)。これにより、位相接続部215は、位相が正しく接続された接続後の長周期波の位相を得ることができる。 First, the phase connection unit 215 determines the value of the weight W used for the phase connection process of the long period wave, as described above, based on the amplitude r2 of the long period wave transmitted from the phase calculation unit 213. (Step S101). Subsequently, the phase connecting unit 215 uses the calculated weight W to connect the phases of the long-period wave by the weighted least square method with the initial value of the true phase being 0 (step S103). Thereby, the phase connection part 215 can obtain the phase of the long-period wave after the connection in which the phases are correctly connected.
続いて、位相接続部215は、算出した長周期波の位相と、長周期波と短周期波との周期比Kとを利用して、短周期波の位相の初期値を算出する(ステップS105)。より詳細には、位相接続部215は、算出した長周期波の位相φi,jをK倍して、格子点(i,j)における短周期波の位相の初期値とする。 Subsequently, the phase connecting unit 215 calculates the initial value of the phase of the short period wave using the calculated phase of the long period wave and the period ratio K between the long period wave and the short period wave (step S105). ). More specifically, the phase connection unit 215 multiplies the calculated phase φ i, j of the long-period wave by K to obtain an initial value of the phase of the short-period wave at the lattice point (i, j).
次に、位相接続部215は、位相算出部213から伝送された短周期波の振幅r1と、長周期波の接続後の位相を用いて算出した初期値とに基づいて、短周期波の位相接続処理に用いる重みWの値を決定する(ステップS107)。より詳細には、位相接続部215は、短周期波の振幅r1が所定の条件を満たす場所、および、位相の初期値の変化(例えば、位相の初期値の差分の絶対値和)が所定の条件を満たす場所を特定し、かかる場所に該当する重みWの値を0に近い値に設定し、その他の場所では1に設定する。 Next, the phase connection unit 215 determines the phase of the short period wave based on the amplitude r1 of the short period wave transmitted from the phase calculation unit 213 and the initial value calculated using the phase after the connection of the long period wave. The value of the weight W used for the connection process is determined (step S107). More specifically, the phase connection unit 215 has a predetermined location where the amplitude r1 of the short-period wave satisfies a predetermined condition and a change in the initial value of the phase (for example, the sum of absolute values of the differences between the initial values of the phases). A place satisfying the condition is specified, and the value of the weight W corresponding to the place is set to a value close to 0, and set to 1 in other places.
その後、位相接続部215は、算出した位相の初期値と、決定した重みWの値とを用いて、重み付き最小二乗法により短周期波の位相を接続する(ステップS109)。これにより、位相接続部215は、位相が正しく接続された接続後の短周期波の位相を得ることができる。 After that, the phase connecting unit 215 connects the phase of the short-period wave by the weighted least square method using the calculated initial value of the phase and the determined value of the weight W (step S109). Thereby, the phase connection part 215 can obtain the phase of the short-period wave after the connection in which the phases are correctly connected.
なお、上述の説明では、短周期波の位相の初期値を算出した後に、短周期波の位相接続処理に用いる重みWの値を決定する場合について説明したが、本実施形態に係る位相接続方法で実施される処理の順番は、かかる順番に限定されるわけではない。例えば、短周期波の位相接続処理に用いる重みWの値を決定してから、位相の初期値を算出してもよく、重みWの決定と、位相の初期値の算出とを、平行して行ってもよい。 In the above description, the case of determining the value of the weight W used for the phase connection process of the short period wave after calculating the initial value of the phase of the short period wave has been described. However, the phase connection method according to the present embodiment The order of the processes performed in is not limited to this order. For example, the initial value of the phase may be calculated after determining the value of the weight W used for the phase connection process of the short period wave, and the determination of the weight W and the calculation of the initial value of the phase are performed in parallel. You may go.
<並列処理化された位相接続方法の流れ>
続いて、図25を参照しながら、並列処理化された位相接続方法の流れについて説明する。図25は、本実施形態に係る並列処理化された位相接続方法について説明するための流れ図である。
<Flow of parallel connection phase connection method>
Next, the flow of the phase connection method that has been parallelized will be described with reference to FIG. FIG. 25 is a flowchart for explaining the parallel connection phase connection method according to the present embodiment.
先に説明した位相接続処理を並列処理で実施する場合には、位相接続部215は、まず、位相接続処理を実施する処理対象領域全てに対して、先に説明したような手順で初期値を設定する(ステップS201)。続いて、位相接続部215は、位相接続処理に利用可能なプロセッサの個数等に応じて処理対象領域を複数の領域に分割し、各領域における位相接続処理を担当させるプロセッサを決定する。また、位相接続部215は、予め、位相接続処理に必要となる重みWの算出を行っておく。 When the phase connection process described above is performed in parallel processing, the phase connection unit 215 first sets initial values for all processing target areas to be subjected to the phase connection process in the procedure described above. Set (step S201). Subsequently, the phase connection unit 215 divides the processing target area into a plurality of areas in accordance with the number of processors available for the phase connection process, and determines a processor in charge of the phase connection process in each area. In addition, the phase connecting unit 215 calculates the weight W necessary for the phase connecting process in advance.
続いて、各領域における処理を担当するプロセッサは、自身が担当する領域の左側および上側に位置する領域を担当するプロセッサから、k回目の反復における境界値を取得する(ステップS203)。各領域を担当するプロセッサは、k回目の反復における境界値を取得すると、プロセッサごとに分担領域の位相接続処理を行い、(k+1)回目の反復における位相の値を算出する(ステップS205)。 Subsequently, the processor in charge of processing in each region acquires the boundary value in the kth iteration from the processor in charge of the region located on the left side and the upper side of the region in charge thereof (step S203). When the processor in charge of each region acquires the boundary value in the kth iteration, the processor performs phase connection processing of the assigned region for each processor, and calculates the phase value in the (k + 1) th iteration (step S205).
続いて、各プロセッサは、並列処理を実施している全てのプロセッサが(k+1)回目の反復演算を終了するまで待機する(ステップS207)。全てのプロセッサの(k+1)回目の反復演算が終了すると、各プロセッサは、反復回数を表すパラメータkを(k+1)に設定し(ステップS209)、所定の反復回数を終了したか否かを判断する(ステップS211)。 Subsequently, each processor waits until all processors performing parallel processing finish the (k + 1) -th iterative operation (step S207). When the (k + 1) th iteration operation of all the processors is completed, each processor sets a parameter k representing the number of iterations to (k + 1) (step S209), and determines whether or not the predetermined number of iterations has been completed. (Step S211).
所定の反復回数分、反復演算を行っていない場合には、各プロセッサは、再びステップS203に戻って、反復演算を実施する。また、所定の反復回数分、反復演算を行っていた場合には、各プロセッサは、反復演算を終了し、その時点での演算結果を出力する。 If the iterative operation has not been performed for the predetermined number of iterations, each processor returns to step S203 again to perform the iterative operation. Further, when iterative calculations have been performed for a predetermined number of iterations, each processor ends the iterative calculation and outputs the calculation result at that time.
かかる流れで処理を行うことで、位相接続部215は、反復法を用いた位相接続処理を、並列処理化することが可能となる。 By performing processing in such a flow, the phase connection unit 215 can perform parallel processing on the phase connection processing using the iterative method.
(ハードウェア構成について)
次に、図26を参照しながら、本発明の実施形態に係る演算処理装置200のハードウェア構成について、詳細に説明する。図26は、本発明の実施形態に係る演算処理装置200のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
(About hardware configuration)
Next, the hardware configuration of the arithmetic processing apparatus 200 according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 26 is a block diagram for explaining the hardware configuration of the arithmetic processing apparatus 200 according to the embodiment of the present invention.
演算処理装置200は、主に、CPU901と、ROM903と、RAM905と、を備える。また、演算処理装置200は、更に、バス907と、入力装置909と、出力装置911と、ストレージ装置913と、ドライブ915と、接続ポート917と、通信装置919とを備える。 The arithmetic processing device 200 mainly includes a CPU 901, a ROM 903, and a RAM 905. The arithmetic processing device 200 further includes a bus 907, an input device 909, an output device 911, a storage device 913, a drive 915, a connection port 917, and a communication device 919.
CPU901は、演算処理装置および制御装置として機能し、ROM903、RAM905、ストレージ装置913、またはリムーバブル記録媒体921に記録された各種プログラムに従って、演算処理装置200内の動作全般またはその一部を制御する。ROM903は、CPU901が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。RAM905は、CPU901の実行において使用するプログラムや、その実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはCPUバス等の内部バスにより構成されるバス907により相互に接続されている。 The CPU 901 functions as an arithmetic processing device and a control device, and controls all or a part of the operation in the arithmetic processing device 200 according to various programs recorded in the ROM 903, the RAM 905, the storage device 913, or the removable recording medium 921. The ROM 903 stores programs used by the CPU 901, calculation parameters, and the like. The RAM 905 primarily stores programs used in the execution of the CPU 901, parameters that change as appropriate during the execution, and the like. These are connected to each other by a bus 907 constituted by an internal bus such as a CPU bus.
バス907は、ブリッジを介して、PCI(Peripheral Component Interconnect/Interface)バスなどの外部バスに接続されている。 The bus 907 is connected to an external bus such as a PCI (Peripheral Component Interconnect / Interface) bus via a bridge.
入力装置909は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチおよびレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置909は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段(いわゆる、リモコン)であってもよいし、演算処理装置200の操作に対応したPDA等の外部接続機器923であってもよい。さらに、入力装置909は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、CPU901に出力する入力制御回路などから構成されている。演算処理装置200のユーザは、この入力装置909を操作することにより、演算処理装置200に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。 The input device 909 is an operation unit operated by the user, such as a mouse, a keyboard, a touch panel, a button, a switch, and a lever. The input device 909 may be, for example, remote control means (so-called remote control) using infrared rays or other radio waves, or may be an external connection device 923 such as a PDA corresponding to the operation of the arithmetic processing device 200. May be. Furthermore, the input device 909 includes, for example, an input control circuit that generates an input signal based on information input by a user using the operation unit and outputs the input signal to the CPU 901. The user of the arithmetic processing device 200 can input various data and instruct processing operations to the arithmetic processing device 200 by operating the input device 909.
出力装置911は、取得した情報をユーザに対して視覚的または聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、CRTディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ELディスプレイ装置およびランプなどの表示装置や、スピーカおよびヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置911は、例えば、演算処理装置200が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、演算処理装置200が行った各種処理により得られた結果を、テキストまたはイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。 The output device 911 is configured by a device that can notify the user of the acquired information visually or audibly. Examples of such devices include CRT display devices, liquid crystal display devices, plasma display devices, EL display devices and display devices such as lamps, audio output devices such as speakers and headphones, printer devices, mobile phones, and facsimiles. The output device 911 outputs results obtained by various processes performed by the arithmetic processing device 200, for example. Specifically, the display device displays results obtained by various processes performed by the arithmetic processing device 200 as text or images. On the other hand, the audio output device converts an audio signal composed of reproduced audio data, acoustic data, and the like into an analog signal and outputs the analog signal.
ストレージ装置913は、演算処理装置200の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置913は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)等の磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、または光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置913は、CPU901が実行するプログラムや各種データ、および外部から取得した各種のデータなどを格納する。 The storage device 913 is a data storage device configured as an example of a storage unit of the arithmetic processing device 200. The storage device 913 includes, for example, a magnetic storage device such as an HDD (Hard Disk Drive), a semiconductor storage device, an optical storage device, or a magneto-optical storage device. The storage device 913 stores programs executed by the CPU 901, various data, various data acquired from the outside, and the like.
ドライブ915は、記録媒体用リーダライタであり、演算処理装置200に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ915は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体921に記録されている情報を読み出して、RAM905に出力する。また、ドライブ915は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体921に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体921は、例えば、CDメディア、DVDメディア、Blu−rayメディア等である。また、リムーバブル記録媒体921は、コンパクトフラッシュ(登録商標)(CompactFlash:CF)、フラッシュメモリ、または、SDメモリカード(Secure Digital memory card)等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体921は、例えば、非接触型ICチップを搭載したICカード(Integrated Circuit card)または電子機器等であってもよい。 The drive 915 is a recording medium reader / writer, and is built in or externally attached to the arithmetic processing unit 200. The drive 915 reads information recorded on a removable recording medium 921 such as a mounted magnetic disk, optical disk, magneto-optical disk, or semiconductor memory, and outputs the information to the RAM 905. The drive 915 can also write a record on a removable recording medium 921 such as a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, or a semiconductor memory. The removable recording medium 921 is, for example, a CD medium, a DVD medium, a Blu-ray medium, or the like. The removable recording medium 921 may be a CompactFlash (registered trademark) (CompactFlash: CF), a flash memory, an SD memory card (Secure Digital memory card), or the like. Further, the removable recording medium 921 may be, for example, an IC card (Integrated Circuit card) on which a non-contact IC chip is mounted, an electronic device, or the like.
接続ポート917は、機器を演算処理装置200に直接接続するためのポートである。接続ポート917の一例として、USB(Universal Serial Bus)ポート、IEEE1394ポート、SCSI(Small Computer System Interface)ポート、RS−232Cポート等がある。この接続ポート917に外部接続機器923を接続することで、演算処理装置200は、外部接続機器923から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器923に各種のデータを提供したりする。 The connection port 917 is a port for directly connecting a device to the arithmetic processing device 200. Examples of the connection port 917 include a USB (Universal Serial Bus) port, an IEEE 1394 port, a SCSI (Small Computer System Interface) port, and an RS-232C port. By connecting the external connection device 923 to the connection port 917, the arithmetic processing apparatus 200 acquires various data directly from the external connection device 923 or provides various data to the external connection device 923.
通信装置919は、例えば、通信網925に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置919は、例えば、有線または無線LAN(Local Area Network)、Bluetooth(登録商標)、またはWUSB(Wireless USB)用の通信カード等である。また、通信装置919は、光通信用のルータ、ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)用のルータ、または、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置919は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばTCP/IP等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置919に接続される通信網925は、有線または無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内LAN、赤外線通信、ラジオ波通信または衛星通信等であってもよい。 The communication device 919 is a communication interface configured with, for example, a communication device for connecting to the communication network 925. The communication device 919 is, for example, a communication card for wired or wireless LAN (Local Area Network), Bluetooth (registered trademark), or WUSB (Wireless USB). The communication device 919 may be a router for optical communication, a router for ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), or a modem for various communication. The communication device 919 can transmit and receive signals and the like according to a predetermined protocol such as TCP / IP, for example, with the Internet and other communication devices. The communication network 925 connected to the communication device 919 is configured by a wired or wireless network, and may be, for example, the Internet, a home LAN, infrared communication, radio wave communication, satellite communication, or the like. .
以上、本発明の実施形態に係る演算処理装置200の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。 Heretofore, an example of the hardware configuration capable of realizing the function of the arithmetic processing device 200 according to the embodiment of the present invention has been shown. Each component described above may be configured using a general-purpose member, or may be configured by hardware specialized for the function of each component. Therefore, it is possible to change the hardware configuration to be used as appropriate according to the technical level at the time of carrying out this embodiment.
(実施例)
以下では、実施例を示しながら、本発明の実施形態に係る形状測定装置および形状測定方法について、詳細に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも本発明の実施形態に係る形状測定装置および形状測定方法の一例であって、本発明に係る形状測定装置および形状測定方法が、以下の例に限定されるわけではない。
(Example)
Hereinafter, the shape measuring apparatus and the shape measuring method according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to examples. In addition, the Example shown below is an example of the shape measuring apparatus and shape measuring method which concern on embodiment of this invention to the last, Comprising: The shape measuring apparatus and shape measuring method which concern on this invention are limited to the following examples. Do not mean.
<実施例1>
まず、短周期波の周期を4点、長周期波の周期を32点とする、256×256点のAM変調画像を作成し、この領域の1/4の部分(i,jとも128〜256の部分)に、短周期波で5πの平面を置いた場合の人工的なデータを生成した。従って、この人工的なデータにおいては、周期比K=8となる。この人工的なデータに対して、本実施形態に係る重み付き最小二乗法を用いた位相接続処理を行った。この例では、長周期波の最小二乗法の重みは全て1とした。また、短周期波の重みは、長周期波の接続後の位相を8倍して与えた反復の初期値の差の絶対値|φi+1,j−φi,j|+|φi,j+1−φi,j|が0.2πを超える部分については0.001とし、その他の部分は1とした。
<Example 1>
First, a 256 × 256 point AM-modulated image having four short-period wave periods and 32 long-period wave periods is created, and a quarter portion (i and j are both 128 to 256) of this region. The artificial data in the case where a 5π plane is placed with a short period wave is generated. Therefore, in this artificial data, the cycle ratio K = 8. A phase connection process using the weighted least square method according to the present embodiment was performed on the artificial data. In this example, the weights of the least-squares method for long-period waves are all 1. Further, the weight of the short-period wave is the absolute value of the difference between the initial values of repetitions obtained by multiplying the phase after the connection of the long-period wave by 8 | φ i + 1, j −φ i, j | + | φ i, j + 1 The portion where −φ i, j | exceeds 0.2π is set to 0.001, and the other portions are set to 1.
また、比較のため、同一の入力データに対して、短周期波のみで重み付き最小二乗法を用いた位相接続処理を行った。この場合では、重みを全て1と設定し、実質的に重みなしの最小二乗法を用いた位相接続処理とした。 For comparison, a phase connection process using the weighted least square method with only a short period wave was performed on the same input data. In this case, all the weights are set to 1, and the phase connection process using the least-square method with substantially no weight is used.
得られた結果を、図27(a)および図27(b)に示す。図27(a)は、短周期波のみを用いて位相接続処理を行った場合の位相接続結果であり、図27(b)は、長周期波および短周期波を用いて、本実施形態に係る重み付き最小二乗法を行った場合の位相接続結果である。 The obtained results are shown in FIGS. 27 (a) and 27 (b). FIG. 27A shows the phase connection result when the phase connection processing is performed using only the short period wave, and FIG. 27B shows the present embodiment using the long period wave and the short period wave. It is a phase connection result at the time of performing the weighted least square method which concerns.
図27(a)から明らかなように、短周期波のみの場合には、i=j=128付近で高さが一度負の値となってから正の値になるという挙動を示し、高さのレベルについても、設定した5πの段差を正確に再現できていないことがわかる。逆に、長周期波および短周期波を用いて、本実施形態に係る位相接続処理を実施した場合には、5π(約16程度)の段差を再現できていることがわかる。 As is clear from FIG. 27A, in the case of only a short period wave, the behavior is such that the height once becomes a negative value and then becomes a positive value in the vicinity of i = j = 128. It can be seen that the level difference of 5π cannot be accurately reproduced with respect to the level of. Conversely, when the phase connection processing according to the present embodiment is performed using the long period wave and the short period wave, it can be seen that a step of 5π (about 16) can be reproduced.
<実施例2>
次に、実際の鋼板に対して、本実施形態に係る位相接続処理を実施した場合の例について説明する。この鋼板の端部(周囲)は、粘着テープによって覆われており、また、鋼板の表面には、凹みが存在しており、紙が貼り付けられている。
<Example 2>
Next, an example in which the phase connection process according to the present embodiment is performed on an actual steel plate will be described. The edge part (periphery) of this steel plate is covered with the adhesive tape, and the dent exists in the surface of the steel plate, and the paper is affixed.
また、この鋼板の縞画像を、TDIカメラを用いて撮像した。TDIカメラの分解能は0.3mmとし、レーザ光源の鋼板への入射角は45度とし、TDIカメラは、鋼板の表面に対して垂直な位置に設置した。 Moreover, the striped image of this steel plate was imaged using a TDI camera. The resolution of the TDI camera was 0.3 mm, the incident angle of the laser light source to the steel plate was 45 degrees, and the TDI camera was installed at a position perpendicular to the surface of the steel plate.
また、タイミング信号発生部201により、短周期波の周期が縞画像の4画素分に相当する周期とし、長周期波の周期が縞画像の32画素分に相当する周期となるように、タイミング信号を発生させた。すなわち、長周期波と短周期波との周期の比が8:1となるようにした。 In addition, the timing signal generator 201 sets the timing signal so that the period of the short period wave is a period corresponding to four pixels of the fringe image and the period of the long period wave is a period corresponding to 32 pixels of the fringe image. Was generated. That is, the ratio of the period of the long period wave to the short period wave was set to 8: 1.
図28Aおよび図28Bは、実際に得られた縞画像の一部を示したものである。図28Aに示した座標軸において、x方向が鋼板の幅方向に対応し、y方向が鋼板の搬送方向に対応している。また、図28Bは、図28Aに示した縞画像をy軸に沿って1ライン分切り出したグラフ図である。図28Bから明らかなように、短周期波は、4画素に対応する周期を有しており、長周期波は、32画素に対応する周期を有していることがわかる。 28A and 28B show a part of the fringe image actually obtained. In the coordinate axes shown in FIG. 28A, the x direction corresponds to the width direction of the steel plate, and the y direction corresponds to the conveyance direction of the steel plate. FIG. 28B is a graph obtained by cutting out the stripe image shown in FIG. 28A by one line along the y-axis. As is clear from FIG. 28B, it can be seen that the short period wave has a period corresponding to 4 pixels, and the long period wave has a period corresponding to 32 pixels.
図28Aに示した縞画像を含む鋼板の全領域にわたる画像を、本実施形態に係る演算処理装置200を用いて処理した。図28Cは、位相算出部211によって算出された短周期波の振幅を用いて生成された、振幅の挙動を示した画像(振幅画像)である。この振幅画像は、振幅の大小を色の濃淡で表した画像となっている。なお、この振幅画像には、低い周波数のAM変調成分が重畳されている。 An image over the entire region of the steel sheet including the stripe image shown in FIG. 28A was processed using the arithmetic processing device 200 according to the present embodiment. FIG. 28C is an image (amplitude image) showing the behavior of the amplitude, generated using the amplitude of the short period wave calculated by the phase calculation unit 211. This amplitude image is an image in which the magnitude of the amplitude is represented by color shading. Note that a low frequency AM modulation component is superimposed on the amplitude image.
図28Cから明らかなように、画像の周辺部(すなわち、鋼板の周辺部)と、画像の中央部では、画像の色の濃さが異なっており、周囲が粘着テープで覆われているという状態が反映されていることがわかる。また、図28Cの左下に位置する点線で囲った部分には、色の濃淡が周囲と異なる略矩形の領域が存在し、この部分に紙が貼り付けられていることがわかる。また、図28Cの右側に位置する点線で囲った部分には、周囲の濃い色の部分の中に、白い色をした部分が含まれており、凹みが存在していることが推察される。 As is clear from FIG. 28C, the image has a different color density at the periphery of the image (ie, the periphery of the steel plate) and the center of the image, and the periphery is covered with adhesive tape. It can be seen that is reflected. In addition, it can be seen that there is a substantially rectangular region having a color shade different from the surroundings in a portion surrounded by a dotted line located in the lower left of FIG. 28C, and paper is pasted on this portion. In addition, the portion surrounded by the dotted line located on the right side of FIG. 28C includes a white color portion in the surrounding dark color portion, and it is assumed that there is a dent.
また、図28Dは、位相算出部211によって算出された短周期波の位相を図示した画像(観測位相を示した画像)であり、図28Eは、位相算出部211によって算出された長周期波の位相を図示した画像である。 28D is an image illustrating the phase of the short-period wave calculated by the phase calculation unit 211 (an image showing the observation phase), and FIG. 28E is an image of the long-period wave calculated by the phase calculation unit 211. It is the image which illustrated the phase.
図28Dを見ると、図28Dの左側から右側に向かって、画像の色が黒から白へと変化している部分が3箇所見受けられる。位相画像においては、画像の色が黒から白へと変化することは、位相差が2πであることを示しているため、図28Dに示した短周期波の位相画像では、約6π程度の位相差が図示されていることがわかる。 Looking at FIG. 28D, three portions where the color of the image changes from black to white are seen from the left side to the right side of FIG. 28D. In the phase image, when the color of the image changes from black to white indicates that the phase difference is 2π, the phase image of the short period wave shown in FIG. 28D has a level of about 6π. It can be seen that the phase difference is illustrated.
また、図28Dから明らかなように、周囲の粘着テープ、表面に添付された紙、表面に存在する凹み、といったものを、明確に把握することができる。 Further, as is clear from FIG. 28D, it is possible to clearly grasp the surrounding adhesive tape, paper attached to the surface, dents existing on the surface, and the like.
図28Eを見ると、短周期波の位相画像ほど明確ではないものの、周囲の粘着テープや表面に添付された紙などの存在を把握することができる。また、紙が存在する部分の上側に位置する白い部分から、図28Eの右下の黒い部分までの位相差を調べたところ、位相差は、約(3/4)πとなっており、短周期波の位相画像における位相差6πの約1/8となっている。 When FIG. 28E is seen, although it is not as clear as the phase image of a short period wave, presence of the surrounding adhesive tape, the paper attached to the surface, etc. can be grasped | ascertained. Further, when the phase difference from the white portion located above the portion where the paper is present to the black portion on the lower right in FIG. 28E is examined, the phase difference is about (3/4) π, which is short. It is about 1/8 of the phase difference 6π in the phase image of the periodic wave.
以上のような振幅画像および位相画像を用いて、先に説明したような本実施形態にかかる重み付き最小二乗法を用いた位相接続処理を行った。ここで、重み付き最小二乗法は、反復法(ガウス・ザイデル法)を用いて反復演算を行い、反復の終了条件は、全てのφi,jについて反復ごとの変化量が0.01未満になるという条件とした。 Using the amplitude image and the phase image as described above, the phase connection process using the weighted least square method according to the present embodiment as described above was performed. Here, the weighted least square method performs an iterative operation using an iterative method (Gauss-Seidel method), and the iteration termination condition is that the amount of change for each iteration is less than 0.01 for all φ i, j. The condition was to be.
短周期波の位相接続処理に際しては、算出した長周期波の位相を8倍したものを初期値とした。また、短周期波の位相接続処理に用いられる重みWについて、短周期波の振幅と差分の絶対値和との積が0.2πを超えた場合には重みWを0.001とし、0.2π未満の場合には重みWを1とした。 In the phase connection process of the short period wave, the initial value is obtained by multiplying the calculated phase of the long period wave by 8 times. In addition, regarding the weight W used for the phase connection processing of the short period wave, when the product of the amplitude of the short period wave and the sum of absolute values of the differences exceeds 0.2π, the weight W is set to 0.001. The weight W is set to 1 when it is less than 2π.
得られた結果を図29Aに示す。図29Aの上段に示した画像が、本実施形態に係る位相接続処理により得られた、位相接続後の短周期波の位相画像である。また、図29の下段に示したグラフ図は、上段に示した画像を矢印の部分でy軸に沿って切断した場合の断面形状を表したグラフ図である。 The obtained result is shown in FIG. 29A. The image shown in the upper part of FIG. 29A is a phase image of a short-period wave after phase connection obtained by the phase connection process according to the present embodiment. The graph shown in the lower part of FIG. 29 is a graph showing the cross-sectional shape when the image shown in the upper part is cut along the y-axis at the portion indicated by the arrow.
図29Aから明らかなように、本実施形態に係る位相接続処理を実施することで、段差の存在に起因するノイズを含む縞画像であっても、高精度に位相接続処理を行うことが可能であり、ノイズの無い良好な画像が得られることがわかる。 As is clear from FIG. 29A, by performing the phase connection process according to the present embodiment, it is possible to perform the phase connection process with high accuracy even for a fringe image including noise due to the presence of a step. It can be seen that a good image without noise can be obtained.
また、図29Bは、図28C〜図28Eに示した画像を、従来の位相接続方法を用いて位相接続したものである。用いた従来の位相接続方法は、短周期波の位相画像において、隣接する画素の位相変化量がπを超えていたら、±2πを加算する、という方法である。 FIG. 29B is obtained by phase-connecting the images shown in FIGS. 28C to 28E using a conventional phase connection method. The conventional phase connection method used is a method of adding ± 2π if the phase change amount of the adjacent pixel exceeds π in the phase image of the short period wave.
図29Bから明らかなように、従来の位相接続方法を用いて位相接続を行った場合には、図29Bのx軸方向に平行なノイズが多数存在し、間違って位相が接続されている部分が多数存在していることがわかる。 As is clear from FIG. 29B, when phase connection is performed using the conventional phase connection method, there are many noises parallel to the x-axis direction in FIG. It can be seen that there are many.
このように、本実施形態に係る位相接続方法を用いることで、段差等に起因するノイズを含む縞画像であっても、これらのノイズによる誤差や誤接続の発生を防止しながら、極めて良好な位相接続後の位相画像を得ることができる。これにより、本実施形態に係る形状測定装置では、測定対象物の形状(表面形状)を精度良く測定することが可能となる。 As described above, by using the phase connection method according to the present embodiment, even a fringe image including noise caused by a step or the like is extremely good while preventing errors due to the noise and occurrence of erroneous connection. A phase image after phase connection can be obtained. Thereby, in the shape measuring apparatus according to the present embodiment, the shape (surface shape) of the measurement object can be accurately measured.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.
10 形状測定装置
100 物体撮像装置
101 レーザ光源
103 ロッドレンズ
105 遅延積分型カメラ
107 レンズ
200 演算処理装置
201 タイミング信号発生部
203 画像処理部
205 表示部
207 記憶部
211 信号取得部
213 位相算出部
215 位相接続部
217 形状特定部
S 鋼板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Shape measuring device 100 Object imaging device 101 Laser light source 103 Rod lens 105 Delay integration type camera 107 Lens 200 Arithmetic processing device 201 Timing signal generation unit 203 Image processing unit 205 Display unit 207 Storage unit 211 Signal acquisition unit 213 Phase calculation unit 215 Phase Connection part 217 Shape specifying part S Steel plate
Claims (7)
前記物体撮像装置により生成された前記測定対象物の撮像画像に対して画像処理を行い、前記測定対象物の形状を特定する演算処理装置と、
を備え、
前記演算処理装置は、
前記測定対象物の撮像画像に基づいて、当該撮像画像に含まれる前記長周期波および前記短周期波の位相をそれぞれ算出する位相算出部と、
前記位相算出部により算出された前記長周期波の位相に基づいて重み付き最小二乗法により前記長周期波の位相を接続するとともに、当該接続された長周期波の位相および前記位相算出部により算出された前記短周期波の位相に基づいて重み付き最小二乗法により前記短周期波の位相を接続する位相接続部と、
前記位相接続部により接続された前記短周期波の位相に基づいて、前記測定対象物の形状を特定する形状特定部と、
を有し、
前記位相算出部は、前記長周期波および前記短周期波の振幅を更に算出し、
前記位相接続部は、前記位相算出部により算出された前記長周期波および前記短周期波の振幅に基づいて、前記重み付き最小二乗法で用いられる重みを決定する、形状測定装置。 The linear laser beam which is irradiated with a linear laser beam consisting of a short-period wave with a relatively short period modulated by a long-period wave with a relatively long period and reflected by the measurement object An object imaging device for imaging light;
An arithmetic processing device that performs image processing on a captured image of the measurement object generated by the object imaging device and identifies the shape of the measurement object;
With
The arithmetic processing unit includes:
A phase calculation unit that calculates phases of the long-period wave and the short-period wave included in the captured image based on the captured image of the measurement object;
Based on the phase of the long-period wave calculated by the phase calculation unit, the phase of the long-period wave is connected by a weighted least square method, and the phase of the connected long-period wave and the phase calculation unit are calculated. A phase connection unit that connects the phases of the short-period waves by a weighted least square method based on the phase of the short-period waves
Based on the phase of the short period wave connected by the phase connection unit, a shape specifying unit for specifying the shape of the measurement object;
I have a,
The phase calculation unit further calculates the amplitude of the long-period wave and the short-period wave,
The shape measuring apparatus, wherein the phase connecting unit determines a weight used in the weighted least square method based on amplitudes of the long-period wave and the short-period wave calculated by the phase calculation unit .
前記撮像画像において前記振幅が所定の閾値以下となる位置に対応する前記重みの値を、予め定められた値以下の正の値とし、
前記振幅が所定の閾値以下となる位置以外の位置に対応する前記重みの値を1とする、請求項1または2に記載の形状測定装置。 The phase connection part is
In the captured image, the weight value corresponding to the position where the amplitude is equal to or less than a predetermined threshold is a positive value equal to or less than a predetermined value,
The amplitude is 1 the value of the weight corresponding to the position other than the position equal to or less than a predetermined threshold, the shape measuring apparatus according to claim 1 or 2.
前記位相接続部は、位相接続後の前記長周期波の位相をK倍したものを、前記短周期波の位相の初期値とする、請求項4に記載の形状測定装置。 When the period of the long period wave is K times the period of the short period wave,
The shape measuring apparatus according to claim 4 , wherein the phase connecting unit sets an initial value of the phase of the short period wave to K times the phase of the long period wave after phase connection.
前記測定対象物の撮像画像に基づいて、当該撮像画像に含まれる前記長周期波および前記短周期波の位相と、前記長周期波および前記短周期波の振幅と、をそれぞれ算出するステップと、
算出された前記長周期波の位相に基づいて重み付け最小二乗法により前記長周期波の位相を接続するとともに、当該接続された長周期波の位相および算出された前記短周期波の位相に基づいて重み付き最小二乗法により前記短周期波の位相を接続するステップと、
前記位相を接続するステップにより接続された前記短周期波の位相に基づいて、前記測定対象物の形状を特定するステップと、
を含み、
前記位相を接続するステップでは、算出された前記長周期波および前記短周期波の振幅に基づいて、前記重み付き最小二乗法で用いられる重みを決定する、形状測定方法。 The linear laser beam reflected by the measurement object while scanning the measurement object with a linear laser beam consisting of a short period wave with a relatively short period modulated by a long period wave having a relatively long period And generating a captured image of the measurement object;
Calculating the phase of the long-period wave and the short-period wave included in the captured image, and the amplitude of the long-period wave and the short-period wave, respectively, based on the captured image of the measurement object;
With connecting phase of the long periodic wave by weighted least square method on the basis of the calculated the issued the long periodic wave of phase, based on the attached long period waves the phase and calculated the short periodic wave phase Connecting the phase of the short period wave by a weighted least square method;
Identifying the shape of the measurement object based on the phase of the short period wave connected by connecting the phase;
Only including,
The shape measuring method , wherein in the step of connecting the phases, a weight used in the weighted least square method is determined based on the calculated amplitudes of the long-period wave and the short-period wave .
前記撮像画像に基づいて、当該撮像画像に含まれる前記長周期波および前記短周期波の位相をそれぞれ算出する位相算出機能と、
算出された前記長周期波の位相に基づいて重み付け最小二乗法により前記長周期波の位相を接続するとともに、当該接続された長周期波の位相および前記位相算出機能により算出された前記短周期波の位相に基づいて重み付き最小二乗法により前記短周期波の位相を接続する位相接続機能と、
位相接続後の前記短周期波の位相に基づいて、前記測定対象物の形状を特定する形状特定機能と、
を実現させ、
前記位相算出機能は、前記長周期波および前記短周期波の振幅を更に算出し、
前記位相接続機能は、前記位相算出機能により算出された前記長周期波および前記短周期波の振幅に基づいて、前記重み付き最小二乗法で用いられる重みを決定する、プログラム。
The linear laser beam which is irradiated with a linear laser beam consisting of a short-period wave with a relatively short period modulated by a long-period wave with a relatively long period and reflected by the measurement object In a computer that performs image processing on a captured image of a measurement object generated by an object imaging device that captures light,
A phase calculation function for calculating the phases of the long-period wave and the short-period wave included in the captured image based on the captured image;
The phase of the long period wave is connected by a weighted least square method based on the phase of the calculated long period wave, and the phase of the connected long period wave and the short period wave calculated by the phase calculation function A phase connection function for connecting the phases of the short-period waves by a weighted least square method based on the phase of
Based on the phase of the short period wave after phase connection, a shape specifying function for specifying the shape of the measurement object;
Realized ,
The phase calculation function further calculates the amplitude of the long period wave and the short period wave,
The phase connection function, on the basis of the the long periodic wave and the amplitude of the short-period waves calculated by the phase calculation function, determines a weight to be used in the weighted least squares method, program.
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