JP5867123B2 - Three-dimensional shape measuring apparatus and calibration method - Google Patents
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Description
本発明は、計測対象物の表面の3次元形状を計測する技術に関する。 The present invention relates to a technique for measuring a three-dimensional shape of a surface of a measurement object.
カメラで撮影した画像を解析することにより計測対象物表面の法線(もしくは勾配)を求め、その3次元形状を復元する技術が知られている。 A technique for obtaining a normal (or gradient) of the surface of a measurement object by analyzing an image taken with a camera and restoring the three-dimensional shape is known.
このような技術の一つとしてカラーハイライト方式が知られている(特許文献1)。カラーハイライト方式では、例えば赤、青、緑のリング照明をドーム上に配置して、計測対象に各色を照射する。そして、計測対象からの反射光の色を解析することで、計測対象表面の法線(天頂角成分のみ)の方向を算出している。 A color highlight method is known as one of such techniques (Patent Document 1). In the color highlight method, for example, red, blue, and green ring lights are arranged on the dome, and each color is irradiated to the measurement target. Then, by analyzing the color of the reflected light from the measurement target, the direction of the normal line (only the zenith angle component) of the measurement target surface is calculated.
カラーハイライト法は、計測対象物の反射特性が完全鏡面反射ではない場合(鏡面ローブを有する場合)は、反射光の色混じりによって測定精度が低下してしまう。これに対して、反射特性が完全鏡面ではない場合であっても計測対象物の表面形状を精度良く算出する技術が提案されている(特許文献2)。この技術では、照明パタンを工夫することにより、計測対象物が完全鏡面ではない場合であっても計測対象物からの反射光が正反射光と同じになるようにしている。 In the color highlight method, when the reflection characteristic of the measurement object is not completely specular reflection (having a specular lobe), the measurement accuracy is deteriorated due to color mixture of reflected light. On the other hand, there has been proposed a technique for accurately calculating the surface shape of a measurement object even when the reflection characteristic is not a perfect mirror surface (Patent Document 2). In this technique, the illumination pattern is devised so that the reflected light from the measurement object is the same as the regular reflection light even when the measurement object is not a perfect mirror surface.
完全鏡面ではない物体に入射した光の反射光は、図15に示すように正反射の方向に鋭く狭い光(鏡面スパイク)と、正反射方向からずれた方向へのぼんやりと広がった光(鏡面ローブ)の2つからなる。鏡面ローブとは、計測対象表面上の微小凹凸面(マイクロファセット)によって引き起こされる鏡面反射光の広がりのことを指す。マイクロファセットの向きがばらつくほど、すなわち表面が粗くなるほど鏡面ローブは広がり、逆にマイクロファセットの向きのばらつきが小さくなるほど完全鏡面の状態に近づく。ここで、正反射方向からのずれ(角度)とスパイクに対するローブの光強度の比が、反射特性を表す。反射特性が均一ではない物体では、各表面位置における表面粗さに応じて鏡面ローブの形状が異なる。表面が非常に粗い場合、反射光は鏡面ローブのみで構成されることになる。鏡面ローブと鏡面スパイクの比は1に近くなり、両者の区別がつきにくくなる。 As shown in FIG. 15, the reflected light of light incident on an object that is not a perfect mirror surface includes light that is sharp and narrow in the direction of specular reflection (specular spike) and light that spreads in a direction that deviates from the specular reflection direction (specular surface). Robe). A specular lobe refers to the spread of specular reflection light caused by a micro uneven surface (micro facet) on the surface to be measured. As the orientation of the microfacets varies, that is, as the surface becomes rougher, the specular lobe becomes wider. Conversely, as the variation in the orientation of the microfacets becomes smaller, the mirror surface becomes closer to a perfect specular state. Here, the deviation (angle) from the regular reflection direction and the ratio of the light intensity of the lobe to the spike represent the reflection characteristics. For an object with non-uniform reflection characteristics, the shape of the specular lobe varies depending on the surface roughness at each surface position. If the surface is very rough, the reflected light will consist only of specular lobes. The ratio between the specular lobe and the specular spike is close to 1, making it difficult to distinguish between the two.
このとき、周囲の領域からの光がちょうどキャンセルして完全鏡面の場合と同様のスペクトル特徴が保たれるような照明を採用すれば、反射特性が均一でない物体や表面が粗い物体でも、あたかも完全鏡面の物体と同じように計測することができる。特許文献2には、図16(A)に示すようにドーム形状の照明装置300を用い、完全鏡面以外の計測対象物からの反射光が完全鏡面物体と同じになるような照明パタンが開示されている。計測対象物200が鏡面ローブ400を有するので、照明装置300から計測対象物200に照射されてカメラ100に到達する反射光は、照明装置の領域302および303の範囲の照明の合成光となる。ここで、領域302と領域303の照明が互いにキャンセルするような照明パタンを採用することで、カメラ100に到達する反射光は、正反射方向301からの反射光と同一とすることができる。
At this time, if illumination is used so that the light from the surrounding area is canceled and the spectral characteristics are the same as in the case of a perfect mirror surface, even if the reflection characteristics are not uniform or the surface is rough, it will be completely It can be measured in the same way as a specular object. Patent Document 2 discloses an illumination pattern that uses a dome-
図16(A)に示すように計測対象物の法線の傾きがそれほど大きくない時は、鏡面ローブ全体が照明装置の範囲に収まるため、計測対象物からの反射光を正反射光と同一とすることができる。しかしながら、図16(B)に示すように計測対象物の法線の傾きが大きい場合には、鏡面ローブ全体が照明装置の範囲に収まらなくなる。この場合は、カメラ100に到達する反射光と、正反射方向の反射光とが異なるものとなってしまう。すなわち、照明装置の端部(勾配が急峻な表面に対応)では特許文献2の原理が適用できず、法線計測の精度が大幅に低下してしまう。
As shown in FIG. 16A, when the inclination of the normal line of the measurement object is not so large, the entire specular lobe is within the range of the illumination device, so that the reflected light from the measurement object is the same as the regular reflection light. can do. However, when the inclination of the normal line of the measurement object is large as shown in FIG. 16B, the entire specular lobe does not fall within the range of the illumination device. In this case, the reflected light reaching the
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、照明装置の端部付近に対応する傾きの法線を有する表面であっても、精度良くその向きを計測可能とする技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is to accurately measure the orientation of a surface having a normal line of inclination corresponding to the vicinity of the end of the lighting device. It is to provide the technology.
上記目的を達成するために本発明では、観測される反射光の特徴量と、法線の向きおよび反射特性(ローブ)との関係をあらかじめ予測して、その関係を参照テーブルとして作成しておき、観測時の反射光の特徴量と参照テーブルを用いて正しい法線の向きを求めることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention predicts in advance the relationship between the characteristic amount of reflected light to be observed, the direction of the normal, and the reflection characteristic (lobe), and creates that relationship as a reference table. The feature is that a correct normal direction is obtained by using a characteristic amount of reflected light at the time of observation and a reference table.
より具体的には、本発明は、反射特性が未知の計測対象物の表面形状を測定する3次元形状計測装置であって、所定の照明パタンで前記計測対象物に光を照射する照明手段と、前記計測対象物を撮像する撮像手段と、複数の反射特性および複数の法線方向の組合せについて、当該反射特性および法線方向を有する表面に対して前記照明パタンの光を照射したときの前記表面からの反射光に関する特徴量を記憶する参照テーブルと、前記撮像手段によって撮像された画像から前記計測対象物の各位置における前記特徴量を算出する特徴量算出手段と、前記特徴量算出手段によって算出された前記特徴量と、前記参照テーブルとに基づいて、前記計測対象物の各位置における表面の法線方向を求める形状算出手段と、を有する。 More specifically, the present invention is a three-dimensional shape measuring apparatus that measures the surface shape of a measurement object whose reflection characteristics are unknown, and an illumination unit that irradiates light to the measurement object with a predetermined illumination pattern; The imaging means for imaging the measurement object, and a combination of a plurality of reflection characteristics and a plurality of normal directions, the surface having the reflection characteristics and the normal directions is irradiated with light of the illumination pattern A reference table for storing feature quantities relating to reflected light from the surface; feature quantity calculating means for calculating the feature quantities at each position of the measurement object from an image captured by the imaging means; and the feature quantity calculating means. Shape calculating means for obtaining a normal direction of a surface at each position of the measurement object based on the calculated feature amount and the reference table.
なお、上記において法線の方向というのは、法線の天頂角方向と方位角方向を合わせたものであっても良いし、天頂角方向だけであっても良い。また、反射光に関する特徴量とは、反射光の明るさまたは色、あるいはこれらの量から求められる値とすることができる。 In the above description, the normal direction may be the sum of the zenith angle direction and the azimuth direction of the normal line, or may be only the zenith angle direction. Further, the characteristic amount related to the reflected light can be a brightness or a color of the reflected light, or a value obtained from these amounts.
このような構成を採用することで、照明手段の端部付近に対応する傾きの法線を有する表面であっても、精度良くその向きを計測可能となる。表現を変えれば、照明手段の角度範囲全体に対応する法線傾きを精度良く測定可能となる。 By adopting such a configuration, even on a surface having a normal line of inclination corresponding to the vicinity of the end of the illumination means, the direction can be measured with high accuracy. If the expression is changed, it is possible to accurately measure the normal inclination corresponding to the entire angle range of the illumination means.
上記の照明パタンは、前記参照テーブルにおける一つの特徴量が、一つの法線方向に対応付けられるようなパタンである、ことが好ましい。ここでいう「一つの法線方向」とは、ある程度の範囲を有していても構わない。その範囲は計測に要求される精度によって決定される。 The illumination pattern is preferably a pattern in which one feature amount in the reference table is associated with one normal direction. Here, “one normal direction” may have a certain range. The range is determined by the accuracy required for measurement.
このような照明パタンを採用することで、任意の反射特性の計測対象物について、反射光の特徴量から法線方向を一意に決定することができる。なお、一つの特徴量が、法線方向および反射特性の組み合わせと1対1に対応づけられる照明パタンを採用すれば、撮影された反射光の特徴量から法線方向と反射特性の両方を一意に決定することができる。しかし反射特性を求める必要がなければ、法線の向きが異なれば特徴量が変わるような照明パタン(法線の向きが同じであれば、異なる反射特性でも同一の特徴量と対応づけられても良いような照明パタン、と表現することもできる)を採用することで、撮影された反射
光の特徴量から法線の向きを一意に決定することができる。
By adopting such an illumination pattern, the normal direction can be uniquely determined from the feature quantity of the reflected light with respect to the measurement target having an arbitrary reflection characteristic. Note that if one feature value employs an illumination pattern that has a one-to-one correspondence with the combination of the normal direction and the reflection characteristic, both the normal direction and the reflection characteristic are uniquely determined from the feature value of the captured reflected light. Can be determined. However, if there is no need to obtain the reflection characteristics, an illumination pattern that changes the feature value if the normal direction is different (if the normal direction is the same, even if the reflection characteristic is associated with the same feature value) By adopting a good illumination pattern), it is possible to uniquely determine the direction of the normal from the feature quantity of the reflected light that has been photographed.
本発明における照明パタンは、複数の照明サブパタンの組合せとすることができる。この場合、特徴量は、各照明サブパタンの光を照射した時の計測対象物からの反射光の明るさの組合せとすることができる。 The illumination pattern in the present invention can be a combination of a plurality of illumination sub-patterns. In this case, the feature amount can be a combination of the brightness of the reflected light from the measurement object when the light of each illumination subpattern is irradiated.
このように複数の照明サブパタンを組み合わせて一つの照明パタンを形成することにより、法線方向の分解能を向上させることができる。 Thus, by combining a plurality of illumination sub-patterns to form one illumination pattern, the resolution in the normal direction can be improved.
ここで、前記特徴量算出手段は、それぞれの照明サブパタンで前記照明手段が前記計測対象物に光を照射し、前記撮像手段が前記計測対象物を撮像し反射光の明るさを測定する処理を繰り返すことによって、前記特徴量を求める、ことができる。この場合、照明サブパタンの数と同じ回数だけ撮像を行い、各撮像画像から得られる反射光の明るさの組合せを特徴量として用いることになる。この構成では、それぞれの照明サブパタンにおける照明の色は同じとすることができる。 Here, the feature amount calculation means performs a process in which the illumination means irradiates the measurement object with light in each illumination sub-pattern, and the imaging means images the measurement object and measures the brightness of the reflected light. The feature amount can be obtained by repeating. In this case, imaging is performed as many times as the number of illumination sub-patterns, and the combination of the brightness of reflected light obtained from each captured image is used as the feature amount. In this configuration, the illumination color in each illumination sub-pattern can be the same.
また、前記複数の照明サブパタンはそれぞれ異なる色の照明であり、前記特徴量算出手段は、前記照明手段からそれぞれの照明サブパタンを重ね合わせた光を前記計測対象物に照射して、前記撮像手段が前記計測対象物を撮像し、各色の明るさを求めることによって、前記特徴量を求める、ようにしても良い。この場合は、各色の明るさの組合せが特徴量となる。この構成では、1回のみの撮像によって特徴量を取得することが可能となる。 Further, the plurality of illumination sub-patterns are illuminations of different colors, and the feature amount calculating unit irradiates the measurement object with light superimposed on the respective illumination sub-patterns from the illumination unit, and the imaging unit The feature quantity may be obtained by imaging the measurement object and obtaining the brightness of each color. In this case, the combination of the brightness of each color becomes the feature amount. In this configuration, it is possible to acquire the feature amount by only one imaging.
本発明において、前記照明手段は、略半球形状(ドーム形状)の発光領域を有し、前記複数の照明サブパタンのそれぞれは、方位角方向には発光強度が変化せず、天頂角方向に発光強度が変化し、所定の天頂角においてピークをとるパタンであり、各照明サブパタンにおいて、前記ピークをとる天頂角が異なる、ようにすることができる。 In the present invention, the illumination means has a substantially hemispherical (dome-shaped) light emission region, and each of the plurality of illumination sub-patterns does not change the light emission intensity in the azimuth direction and emits the light intensity in the zenith angle direction. Is a pattern that takes a peak at a predetermined zenith angle, and each illumination sub-pattern has a different zenith angle that takes the peak.
このような構成によれば、各照明サブパタンの反射光の特徴量は、法線の傾き(天頂角)の変化に応じて連続的に変化する。したがって、一つの特徴量は一つの法線の傾き(天頂角)に対応付けられる。また、このような照明サブパタンは、反射特性(ローブ)と法線の傾きの変化に応じて、反射光の特徴量が敏感に変化するパタンである。したがって、法線の傾きを精度良く測定できる。また、このような照明サブパタンを複数組み合わせることで、法線傾きの測定分解能を向上させることができる。この照明サブパタンは方位角方向には変化しないため、法線方向の天頂角成分のみを測定の対象とするための照明構成である。 According to such a configuration, the feature amount of the reflected light of each illumination sub-pattern changes continuously according to the change of the normal inclination (zenith angle). Therefore, one feature amount is associated with one normal slope (zenith angle). Further, such an illumination sub-pattern is a pattern in which the feature amount of reflected light changes sensitively according to changes in reflection characteristics (lobes) and normal slopes. Therefore, the inclination of the normal can be measured with high accuracy. Also, by combining a plurality of such illumination sub-patterns, the normal inclination measurement resolution can be improved. Since this illumination sub-pattern does not change in the azimuth angle direction, it is an illumination configuration for measuring only the zenith angle component in the normal direction.
また、上記のような照明サブパタンを採用する場合に、前記複数の照明サブパタンの一つは、前記略半球形状の端部においてピークをとる、ことが好ましい。 Further, when the illumination subpattern as described above is employed, it is preferable that one of the plurality of illumination subpatterns has a peak at the end portion of the substantially hemispherical shape.
傾きが急峻な表面における鏡面ローブは、その一部が照明から外れてしまう。すなわち、反射光の光量が少なくなってしまう。上記のような構成を採用することで、照明端部に対応する法線傾きを有する表面であっても、反射光の光量を比較的大きくすることができ、したがって測定精度を向上させることができる。 A part of the specular lobe on the surface having a steep inclination is out of the illumination. That is, the amount of reflected light is reduced. By adopting the configuration as described above, the amount of reflected light can be made relatively large even on a surface having a normal inclination corresponding to the illumination end, and therefore the measurement accuracy can be improved. .
また、照明手段の照明パタンは、複数の照明サブパタンのそれぞれが、互いに異なる方向に発光強度が変化するようなパタンとすることができる。あるいは、1つの照明サブパタンは全発光領域で均一の発光強度を有し、その他の照明サブパタンのそれぞれは、互いに異なる方向に発光強度が変化するようなパタンとすることができる。 Further, the illumination pattern of the illumination means can be a pattern in which each of the plurality of illumination sub-patterns changes the light emission intensity in different directions. Alternatively, one illumination sub-pattern can have a uniform emission intensity in the entire emission region, and each of the other illumination sub-patterns can have a pattern in which the emission intensity changes in a different direction.
このような照明パタンを採用することで、計測対象物の法線方向を、天頂角成分および
方位角成分について求めることができる
By adopting such an illumination pattern, the normal direction of the measurement object can be obtained for the zenith angle component and the azimuth angle component.
なお、本発明は、上記手段の少なくとも一部を有する3次元形状計測装置として捉えることができる。また、本発明は、そのような3次元形状計測装置のキャリブレーション方法、または、上記処理の少なくとも一部を含む3次元形状計測方法若しくはかかる方法を実現するためのプログラムとして捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。 The present invention can be understood as a three-dimensional shape measuring apparatus having at least a part of the above means. The present invention can also be understood as a calibration method for such a three-dimensional shape measurement apparatus, a three-dimensional shape measurement method including at least a part of the above processing, or a program for realizing such a method. Each of the above means and processes can be combined with each other as much as possible to constitute the present invention.
本発明によれば、照明装置の端部付近に対応する傾きの法線を有する表面であっても、精度良くその向きを計測することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to accurately measure the direction of a surface having an inclination normal corresponding to the vicinity of the end of the illumination device.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。本実施形態の3次元形状計測装置(以下単に、形状計測装置と称する)は、画像解析により不完全拡散物体の3次元形状計測を行うものである。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The three-dimensional shape measurement apparatus (hereinafter simply referred to as a shape measurement apparatus) of the present embodiment performs three-dimensional shape measurement of an incompletely diffused object by image analysis.
ここではまず、法線の天頂角方向のみを計測対象とし、法線の方位角方向は測定しない形状計測装置について説明する。法線の方位角方向も測定するための構成は別途説明する。 Here, first, a shape measuring apparatus that takes only the normal zenith angle direction as a measurement target and does not measure the normal azimuth angle direction will be described. A configuration for measuring the azimuth direction of the normal will be described separately.
本実施形態で説明する形状計測装置は、各種の自動計測装置、自動検査装置、ロボットビジョンなどにおける物体認識に適用可能であり、例えば基板外観検査装置(AOIシステム)におけるはんだ付けの良否検査や、金属加工物表面の凹凸検査などに好ましく適用することができる。 The shape measuring device described in the present embodiment can be applied to object recognition in various automatic measuring devices, automatic inspection devices, robot visions, etc., for example, soldering quality inspection in a board visual inspection device (AOI system), It can be preferably applied to unevenness inspection on the surface of a metal workpiece.
<計測装置の全体構成>
図1を参照して、形状計測装置の全体構成について説明する。図1は形状計測装置のハードウェア構成を模式的に示す図である。
<Overall configuration of measuring device>
With reference to FIG. 1, the whole structure of a shape measuring apparatus is demonstrated. FIG. 1 is a diagram schematically showing a hardware configuration of the shape measuring apparatus.
形状計測装置は、概略、計測ステージ5、検査ヘッドH、および、情報処理装置6を備えて構成される。検査ヘッドHには、計測ステージ5上に配置された計測対象物4に測定光を照射するための照明装置3と、鉛直上方から計測対象物4を撮影するカメラ(イメージセンサ)1とが取り付けられている。情報処理装置6は、CPU(中央演算処理装置)60、メモリ61、記憶装置62、検査ヘッド制御部63、画像入力部64、照明装置制御部66、ステージ制御部67、ユーザI/F68、表示部69などを備えている。検査ヘッド制御部63は検査ヘッドHのZ方向(計測ステージ5に垂直な方向)の移動を制御する機能であり、ステージ制御部67は計測ステージ5のXY方向の移動を制御する機能である。照明装置制御部66は照明装置3の点灯および消灯(必要に応じて照明パタンの切り替え)を制御する機能である。画像入力部64はカメラ1からデジタル画像を取り込む機能である。ユーザI/F68はユーザにより操作される入力装置であり、例えばポインティングデバイス、タッチパネル、キーボードなどが該当する。表示部69は計測結果などが画面表示される部分であり、例えば液晶ディスプレイなどで構成される。
The shape measuring apparatus is roughly configured to include a measuring
計測時には、検査ヘッドHと計測ステージ5が相対的に移動し、計測対象物4が所定の計測位置(図1の例では、照明装置3の中央(カメラ1の光軸と計測ステージ5の交点))に位置決めされる。そして、照明装置3から測定光を照射した状態で画像が撮影される。カメラ1で撮影された画像は画像入力部64を介して情報処理装置6に取り込まれ、後述する画像解析に供される。以下、形状計測装置の構成および処理について詳しく説明する。
At the time of measurement, the inspection head H and the
(照明装置)
照明装置3は、図1に示すようにドーム形状をした面光源であり、このドーム形状の全てが発光領域である。なお、照明装置3の天頂部分にはカメラ1のための開口が設けられている。このような照明装置3は、例えば、ドーム形状のカラーフィルタと、その外部から白色光を照射する光源とから構成することができる。また、例えば、複数のLEDチップをドームの内側に配列させて拡散板を通して光を照射する構成にしても良い。また、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどをドーム形状にして、照明装置3を構成することもできる。
(Lighting device)
The
照明装置3の発光領域の形状は、計測対象物4の全方位から光を照射できるように半球状のドーム形状であることが好ましい。こうすることにより、あらゆる方向の法線を計測可能となる。しかしながら、計測の対象とする法線方向に対応した位置から光が照射されるような形状であれば、発光領域の形状はどのようなものであっても良い。例えば、表面の法線の向きがほぼ鉛直方向に限られるのであれば、水平方向(角度の浅い方向から)は光を照射する必要がない。
The shape of the light emitting area of the
このような照明装置を利用し適切な照明パタンを採用すれば、1枚の画像のみから計測対象物の表面形状(法線の向き)を計測することができる。このことを図2を参照して説明する。計測対象物4の表面上のある点における法線の向きが矢印Nの向きであり、天頂角がθ、方位角がφであるとする。このとき、カメラ1によって撮影されるその点の色は、照明装置3の領域Rで発光し計測対象物4へ入射する光の反射光となる。ここで領域Rは反射特性(鏡面ローブの形状)に応じた広がりを有しており、カメラ1によって撮影される色は、領域R内の光を反射特性に応じて重み付けされた色となる。ここで、反射光の色が、法線の向きおよび反射特性の組合せと1対1に対応するような照明パタンを採用すれば、1画像のみから計測対象物の法線の向きと反射特性とを求めることができる。また、少なくとも法線の向きが異なれば反射光の色が異なるような照明パタン(法線の向きが同じであれば反射特性が異なっていても反射光の色が同一となることを許容するパタン)であれば、反射特性については一意に定まらないこともあるが、計測対象物の法線の向きは一意に定めることができる。
If an appropriate illumination pattern is employed using such an illumination device, the surface shape (normal direction) of the measurement object can be measured from only one image. This will be described with reference to FIG. It is assumed that the direction of the normal line at a certain point on the surface of the
照明装置3は、上記の条件を満たす照明分布(照明パタン)を有している。ただし、本実施形態では、表面形状の法線の向きのうち天頂角成分のみを計測対象とするため、反射光の色と法線の天頂角とが1対1に対応する照明パタンを採用する。方位角方向も計測可能な照明パタンについては別途説明する。
The illuminating
本実施形態における照明装置3の発光領域の照明分布(照明パタン)は、異なる複数の照明サブパタンを合成したものである。ここでは、3つの照明サブパタンを用い、それぞれの照明サブパタンは赤色光(R)、緑色光(G)、青色光(B)の単色光で実現される。各照明サブパタンは、図3(A)に示すように、発光領域の方位角には依存せず、天頂角のみに依存して変化する分布である。各照明サブパタンは、所定の天頂角においてピークをとり、その角度から離れるに従って徐々に弱くなるようなパタンである。図3(B)に示すように、R,G,Bのそれぞれでピークを取る天頂角位置が異なっており、一つの照明サブパタン(ここではG)は、ドーム形状の発光領域の端部においてピークを取るように設定されている。
The illumination distribution (illumination pattern) of the light emitting region of the
照明装置3の照明パタンは、任意の反射特性の計測対象物4について、カメラ1によって撮影される反射光の特徴量(RGBの各輝度値)が、法線の天頂角と一意に対応する照明パタンであれば任意のパタンを採用可能である。上記で説明した図3(A)(B)に示すようなパタンは、この条件を満たす照明パタンの一つである。なお、照明サブパタンがピークをとる位置を変えてもこの条件を満たすので、照明領域の端部にピークを持つような照明サブパタンは必ずしも採用しなくても構わない。
The illumination pattern of the illuminating
(テーブル)
このように画素の色や明るさは、その点における法線の向きや光源の角度と1対1に対応する。したがって、この形状計測装置では、画素の色や明るさに関する特徴量の値と光源の角度とを対応付けたテーブルを予め作成し、記憶装置62に登録しておく。本実施形態では、照明装置3が、赤色光(R)、緑色光(G)および青色光(B)の3つの成分光を組み合わせた光を投光しているため、特徴量としては、RGB各成分の比を利用する。例えば、RGBの各成分について、最大輝度を1で正規化した上で、(R,G,B)の組み合わせを特徴量とすることができる。また、ある色(ここではG)に対する他の色の比、例えば、R/(R+G),B/(B+G)などを特徴量としても良い。
(table)
Thus, the color and brightness of the pixel correspond one-to-one with the direction of the normal at that point and the angle of the light source. Therefore, in this shape measuring apparatus, a table in which the feature value values relating to the color and brightness of the pixels are associated with the angle of the light source is created in advance and registered in the
以下、図4と図5を参照して、テーブル作成処理について詳しく説明する。図4は、テーブル作成処理を行う情報処理装置6によって実現される機能の機能ブロックを示す図である。図5はテーブル作成処理の流れを示すフローチャートである。テーブル作成処理は、情報処理装置6のCPU60が記憶装置62からプログラムを読み込み実行することにより実現されるものである。ただしこれらの機能ブロックの一部または全部をASIC(エーシック)やPLD(プログラマブルロジックデバイス)などで構成してもよい。
Hereinafter, the table creation processing will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is a diagram illustrating functional blocks of functions realized by the information processing apparatus 6 that performs table creation processing. FIG. 5 is a flowchart showing the flow of table creation processing. The table creation process is realized by the
情報処理装置6は、鏡面の真半球を教示用物体として用いて、輝度値と光源ベクトルの対応関係を取得し(S101)、照明データを作成する(S102)。具体的には、形状が既知な真半球の鏡面物体を教示用物体として計測ステージ5に配置し、照明装置3から上述した照明パタンで投光した状態で、カメラ1によって教示用物体を撮影する。カメラ1によって撮影されたデータは画像入力部64によって情報処理装置6に取り込まれて、鏡面球画像データ601として記憶装置62に格納される。また、教示用物体の形状は既知であるので各位置における表面の法線の向きも既知であり、この情報が形状情報602として記憶装置62にあらかじめ格納される。照明データ作成部603は、鏡面球画像データ601と形状情報602を参照することで、光源ベクトルと特徴量(RGBの各輝度値)の対応関係を取得できる。照明データ作成部603は、この対応関係を照明データ6
04として作成して記憶装置62に格納する。
The information processing device 6 uses the mirror-like hemisphere as a teaching object, acquires the correspondence between the luminance value and the light source vector (S101), and creates illumination data (S102). Specifically, a hemispherical mirror object having a known shape is placed on the
04 is created and stored in the
反射特性情報605は、半田などの計測対象物が取り得る反射特性の範囲を格納したデータである。法線情報606は、計測対象物が取り得る法線の範囲を格納したデータである。
The reflection
レンダリング方程式計算部607は、これらのデータを用いて、表面が任意の反射特性および法線傾きを有する場合の反射光の特徴量を、レンダリング方程式に基づいて算出する。具体的には、反射特性情報605に定義された反射特性σの範囲内でのループ(S103)および法線情報606に定義された法線の向きθの範囲内でのループ(S104)の二重ループにより、範囲内の全ての反射特性σおよび法線の向きθの組み合わせについて以下のレンダリング方程式の計算を行う(S105)。
The rendering
レンダリング方程式計算部607は、BRDFモデルに基づく以下のレンダリング方程式を用いる。本実施形態では鉛フリー半田などの金属を計測の主対象とするので、鏡面ハイライトを対象とするCook-Torranceモデルを利用するが、計測対象物に応じてその他のモデ
ルを用いても良い。
ここで、Eは視線ベクトル、Nは法線ベクトル、Hはハーフベクトル、Lは光源ベクトル、ρは鏡面反射率、σは反射特性(ローブの広がり)、θは法線ベクトルの天頂角である。
The rendering
Here, E is a line-of-sight vector, N is a normal vector, H is a half vector, L is a light source vector, ρ is a specular reflectance, σ is a reflection characteristic (lobe spread), and θ is a zenith angle of the normal vector. .
このレンダリング方程式を解くことで、反射特性σ、法線の天頂角θの表面に照明装置3からの照明を投光した時にカメラ1によって撮影される反射光の特徴量(RGBの輝度値の組合せ)が求められる。出力部608は、各反射特性σおよび法線の天頂角θと、特徴量RGBとの対応を参照テーブル609として作成し記憶装置62に格納する(S106)。
By solving this rendering equation, the characteristic amount of reflected light (a combination of RGB luminance values) captured by the
図6はこのようにして求められた参照テーブルの模式図である。ここで、反射特性σと天頂角θの組合せが異なると、特徴量RGBも異なることが好ましいが、少なくとも天頂角θが異なると特徴量RGBが異なるような照明パタンを採用していれば、反射光の特徴量RGBから天頂角θが求められる。 FIG. 6 is a schematic diagram of the reference table obtained in this way. Here, when the combination of the reflection characteristic σ and the zenith angle θ is different, it is preferable that the feature amount RGB is also different. However, if an illumination pattern in which the feature amount RGB is different at least when the zenith angle θ is different is adopted, The zenith angle θ is obtained from the light feature RGB.
なお、レンダリング方程式を解くことで得られる特徴量に、全ての特徴量が現れるとは限らない。例えば、レンダリング方程式を解いても、特徴量(r,g,b)が得られるとは限らない。そこで、レンダリング方程式によって対応する反射特性σと天頂角θが与えられない特徴量RGBについては、最近傍の特徴量に対応する反射特性σと天頂角θを対応する値として採用する(S107)。具体的には、以下の式で与えられる反射特性σと天頂角θを採用する。
他の方法としては、近傍の複数の特徴量に対応する反射特性σと天頂角θから補間によって求めることも好ましい。
It should be noted that not all feature quantities appear in the feature quantities obtained by solving the rendering equation. For example, even if the rendering equation is solved, the feature quantity (r, g, b) is not always obtained. Accordingly, for the feature quantity RGB for which the corresponding reflection characteristic σ and zenith angle θ are not given by the rendering equation, the reflection characteristic σ and zenith angle θ corresponding to the nearest feature quantity are adopted as corresponding values (S107). Specifically, the reflection characteristic σ and the zenith angle θ given by the following equations are employed.
As another method, it is also preferable to obtain the reflection characteristic σ corresponding to a plurality of nearby feature amounts and the zenith angle θ by interpolation.
このように作成することで、参照テーブル609には、任意の特徴量RGBについて、反射特性σと天頂角θとが対応付けられることになる。 By creating in this way, the reference table 609 associates the reflection characteristic σ and the zenith angle θ with respect to an arbitrary feature amount RGB.
なお、他の形状計測装置により作成したテーブル(汎用テーブル)を利用することも可能ではあるが、好ましくは、この装置自身を用いてテーブルを作成するとよい。そうすることで、照明装置3およびカメラ1の個体差や組み付け誤差などをテーブルに織り込むことができるため、汎用テーブルを利用するより精度の向上を期待できるからである。このようなテーブル作成処理は装置の出荷時に行うことが好ましい。さらに、照明装置3やカメラ1の経年劣化がある場合には定期的にテーブルの更新(キャリブレーション)を行ってもよい。
Although it is possible to use a table (general-purpose table) created by another shape measuring device, it is preferable to create a table using this device itself. By doing so, individual differences and assembly errors of the
教示用物体としてはいかなる形状のものを用いることもできる。例えば、多面体を用いてもよいし、形状が既知の板を様々な角度に傾けたり回転させたりすることもできる。ただし、撮影回数を少なくしテーブル作成の手間を軽減するために、できるだけ多くの法線(勾配)成分を含む表面形状の物体を用いることが好ましい。球体(撮像方向が一方向の場合は本実施形態のように半球でもよい)は、1回の撮像で全方向の法線情報が得られるとともに、球体の方程式から法線ベクトルを簡単に算出できるため、教示用物体に最適である。 Any shape can be used as the teaching object. For example, a polyhedron may be used, and a plate having a known shape can be tilted or rotated at various angles. However, it is preferable to use an object having a surface shape that includes as many normal (gradient) components as possible in order to reduce the number of times of photographing and reduce the labor of table creation. For a sphere (when the imaging direction is one direction, it may be a hemisphere as in this embodiment), normal information in all directions can be obtained by one imaging, and a normal vector can be easily calculated from the equation of the sphere. Therefore, it is optimal for teaching objects.
(形状計測)
次に図7と図8を参照して、形状計測に関わる機能および処理の流れを説明する。図7は、形状計測処理を行う情報処理装置6によって実現される機能の機能ブロックを示す図である。図8は形状計測処理の流れを示すフローチャートである。形状計測処理も、情報処理装置6のCPU60が記憶装置62からプログラムを読み込み実行することにより実現されるものであるが、その一部または全部をASIC(エーシック)やPLD(プログラマブルロジックデバイス)などで構成してもよい。
(Shape measurement)
Next, functions and processing flows related to shape measurement will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a diagram illustrating functional blocks of functions realized by the information processing apparatus 6 that performs shape measurement processing. FIG. 8 is a flowchart showing the flow of the shape measurement process. The shape measurement processing is also realized by the
計測対象物が所定の計測位置に位置決めされると、CPU60は照明装置3から計測対象物に光を照射し、カメラ1による撮影を行う(S201)。撮影された画像は画像入力部64を介して天頂角算出部611に取り込まれる。また、天頂角算出部611は、テーブル作成処理によって作成された参照テーブル609を読み込む(S202)。
When the measurement object is positioned at a predetermined measurement position, the
天頂角算出部611は、撮影画像610の各画素について、その特徴量をキーとして参照テーブル609から天頂角θと反射特性σとを取得する(S203,S204)。ここでは計測対象物の反射特性σを求めることも可能であるが、法線の向きのみを計測する場合には反射特性σを取得する必要は無い。撮像画像中の全ての画素について上記処理を行うことで、天頂角算出部611は計測対象物の全表面について法線の向きを得ることができる(S205)。なお、撮像画像に鏡面表面と拡散表面が含まれる場合には、鏡面表面のみを抽出しその領域に対してのみ上記処理により法線の向きを取得すればよい。
The zenith
このようにして半球状の計測対象物4を対象とした場合の法線マップの例を図9(A)に示す。なお法線マップとは、計測対象物表面の各点における法線を単位ベクトルで図示したものである。
FIG. 9A shows an example of a normal map when the
天頂角算出部611は、法線マップを最終的な出力としても良いが、法線マップから3次元形状を復元することもできる。3次元形状の復元は、ステップS204で得られた各注目点の法線を勾配に変換し、それらをつなぎ合わせることで行われる。この処理をここでは「積分」と表現する。図9(A)の法線マップから復元された形状を図9(B)に示す。この方法によれば、計測対象物の表面の3次元形状を精度良く復元することができる。
The zenith
<実施形態の利点>
本実施形態の形状計測装置によれば、勾配が急峻であり、照明領域の端部に対応する法線を有する表面であっても、その法線の向きを精度良く測定することができる。表現を変えると、照明領域の端部の角度に対応する天頂角範囲まで、精度良く法線の向きを測定することができる。すなわち、従来の形状計測装置ではドーム照明による面勾配の計測可能範囲は照明の角度範囲からローブの大きさを引いた範囲であったが、本実施形態によれば照明範囲全体を計測可能範囲とすることができる。
<Advantages of the embodiment>
According to the shape measuring apparatus of this embodiment, even if the surface has a steep gradient and has a normal corresponding to the end of the illumination area, the direction of the normal can be measured with high accuracy. When the expression is changed, the normal direction can be accurately measured up to the zenith angle range corresponding to the angle of the end of the illumination area. That is, in the conventional shape measuring apparatus, the measurable range of the surface gradient by the dome illumination is a range obtained by subtracting the lobe size from the illumination angle range, but according to the present embodiment, the entire illumination range is defined as the measurable range. can do.
また、本実施形態によれば、計測対象物の反射特性が未知であっても、その表面形状を計測することができる。既知形状の教示用物体に基づいて参照テーブルを作成する従来の手法では、教示用物体と同じ反射特性の物体のみが計測可能であったが、本実施形態であれば任意の反射特性の物体を計測できる。さらに、計測対象物の反射特性を求めることもできる。 Moreover, according to this embodiment, even if the reflection characteristic of the measurement object is unknown, the surface shape can be measured. In the conventional method of creating a reference table based on a teaching object having a known shape, only an object having the same reflection characteristics as that of the teaching object can be measured. It can be measured. Furthermore, the reflection characteristic of the measurement object can also be obtained.
また、形状計測の照明として、各照明サブパタンを異なる色の光で実現し、それらを重ね合わせた照明パタンの光を計測対象に投光しているので、1枚の画像だけから色特徴を取得でき、したがって、計測対象物4の法線の向きを求めることができる。画像の撮影が1回だけであること、および、法線の向きの算出が法線と特徴量の対応関係を格納したテーブルを調べるだけで分かることから簡単に(高速に)計測対象物4の表面形状を計測することが可能である。
Also, as illumination for shape measurement, each illumination sub-pattern is realized with light of different colors, and the light of the illumination pattern that overlaps them is projected onto the measurement object, so color features are acquired from only one image Therefore, the direction of the normal line of the
また、各照明サブパタンは天頂角にのみ応じて変化するパタンであり、所定の天頂角においてピークを取るベル型の発光強度分布を有している。ここで、1つの照明サブパタンは、照明領域の端部付近においてピークをとる構成としている。発光領域端部に対応する急峻な勾配を有する表面では、鏡面ローブの一部が照明領域から外れてしまうため、カメラ1に入射する反射光の光量が低下する。光量の低下は測定精度の低下につながるため、発光領域端部にピークを持つような照明サブパタンを採用することで、このような急峻な勾配の表面からの反射光であっても光量が低下しない構成としている。これにより、照明領域端部に対応する法線傾きであっても精度良く測定できる。
Each illumination sub-pattern is a pattern that changes only depending on the zenith angle, and has a bell-shaped emission intensity distribution that takes a peak at a predetermined zenith angle. Here, one illumination sub-pattern is configured to have a peak near the end of the illumination area. On the surface having a steep gradient corresponding to the end of the light emitting region, a part of the specular lobe deviates from the illumination region, so that the amount of reflected light incident on the
<照明装置の変形例>
上記の実施形態では、図3に示すようにRGBの3色の発光強度が天頂角のみに依存し、所定の天頂角においてピークを取るベル型の発光強度分布を有する照明パタンを採用している。しかしながら、ベル型の発光強度分布とする必要は無く、図10に示すように、所定の天頂角範囲において一定のピーク値を取るような台形型の発光強度分布を採用しても良い。この場合、各照明サブパタンにおいて、ピーク値を取る天頂角は重ならないようにすることが好ましい。またこのような照明パタンを採用する場合も、1つの照明サブパタンについては照明の端部においてピークを取るような構成とすることが好ましい。
<Modification of lighting device>
In the above embodiment, as shown in FIG. 3, the illumination pattern having a bell-shaped emission intensity distribution in which the emission intensity of the three colors RGB depends only on the zenith angle and takes a peak at a predetermined zenith angle is adopted. . However, it is not necessary to have a bell-shaped emission intensity distribution, and a trapezoidal emission intensity distribution that takes a constant peak value in a predetermined zenith angle range may be employed as shown in FIG. In this case, it is preferable that the zenith angles taking the peak values do not overlap in each illumination sub-pattern. Further, even when such an illumination pattern is adopted, it is preferable that one illumination sub-pattern has a configuration that takes a peak at the end of illumination.
上記の実施形態では、計測対象物表面の法線のうち天頂角成分のみを測定することを目的としていたのでRGB3色の発光強度は天頂角にのみ依存して変化している。しかしながら、計測対象物表面の法線の天頂角成分と方位角成分の両方を測定することを目的とする場合には、方位角にも応じて変化するような照明パタンを採用すればよい。なお、この場合は、参照テーブルは、反射特性σと法線の天頂角θおよび方位角φの組合せについて、特徴量RGBが対応付けられたものとなる。テーブルの作成方法は上記の実施形態と同様にして行うことができるので詳細な説明は省略する。なお、上記の実施形態と同様に、天頂角θ、方位角φ、反射特性σの3つの組合せと、反射光の色とが1対1に対応する照明パタンを採用すれば、1枚の撮影画像から、これら3つの量を測定できる。また、少なくとも法線の向き(θ、φ)が異なれば反射光の色が異なるような照明パタン(法線の向
き(θ、φ)が同じであれば反射特性σが異なっていても反射光の色が同一となることを許容するパタン)を採用すれば、反射特性σを一意に定まらないこともあるが、1画像のみから計測対象物の法線の向き(θ、φ)は一意に定めることができる。
In the above-described embodiment, the purpose is to measure only the zenith angle component of the normal of the surface of the measurement object, so that the emission intensity of the RGB three colors changes depending only on the zenith angle. However, when it is intended to measure both the zenith angle component and the azimuth angle component of the normal of the measurement object surface, an illumination pattern that changes according to the azimuth angle may be employed. In this case, the reference table is a table in which the feature amount RGB is associated with the combination of the reflection characteristic σ and the normal zenith angle θ and azimuth angle φ. Since the table creation method can be performed in the same manner as in the above embodiment, a detailed description is omitted. Similarly to the above-described embodiment, if an illumination pattern in which the three combinations of the zenith angle θ, the azimuth angle φ, and the reflection characteristic σ correspond to the color of the reflected light has a one-to-one relationship is adopted, one image is taken. From the image, these three quantities can be measured. Also, an illumination pattern in which the color of the reflected light is different if at least the normal direction (θ, φ) is different (if the normal direction (θ, φ) is the same, the reflected light is reflected even if the reflection characteristics σ are different). The reflection characteristic σ may not be uniquely determined if a pattern that allows the colors to be the same is used, but the normal direction (θ, φ) of the measurement object is uniquely determined from only one image. Can be determined.
例えばこのような照明パタンとして、図11に示すようにRGBの各成分の発光強度をドーム上で異なる方向に対して変化させるパタンがある。ここでは、変化方向が互いに120度となるようにしている。このようなパタンを採用すれば、各照明サブパタンにおいて、天頂角および方位角に応じて発光強度が変化する構成となるので、計測対象物表面の法線の向きを天頂角成分と方位角成分の両方について求めることができるようになる。 For example, as such an illumination pattern, there is a pattern for changing the light emission intensity of each component of RGB in different directions on the dome as shown in FIG. Here, the change directions are set to 120 degrees. If such a pattern is adopted, the emission intensity changes in accordance with the zenith angle and the azimuth angle in each illumination sub-pattern, so the direction of the normal line on the surface of the measurement object is determined by the zenith angle component and the azimuth component. You will be able to ask for both.
別の例として、図12(A)に示すように3色がそれぞれ下方向、右方向、左方向に変化するパタンのように、それぞれが異なる方向に対して変化するパタンを組み合わせたものを利用しても良い。また、3色全てを角度ともに変化させる必要はなく、図12(B)に示すように1色については全面で均一の輝度で発光し、その他の2色については異なる方向に角度とともに変化するようなパタンを採用しても良い。 As another example, a combination of patterns that change in different directions, such as a pattern in which the three colors change downward, rightward, and leftward as shown in FIG. 12A, is used. You may do it. In addition, it is not necessary to change all three colors with an angle. As shown in FIG. 12B, one color emits light with uniform brightness on the entire surface, and the other two colors change with angles in different directions. A simple pattern may be adopted.
またここまでの説明では、異なる色の照明サブパタンを重ね合わせた照明パタンを用いることにより、1回の計測(照明および撮影)だけで対象物の3次元形状を復元することを可能にする構成を述べた。ただし、これに比べて計測時間は長くはなるものの、2種類以上の照明サブパタンを順次点灯してそれぞれ撮影を行い、得られた複数枚の画像を用いて3次元形状を復元してもよい。この方法でも同じ復元結果を得ることができる。なお、異なる照明サブパタンで順次撮影する場合は、各照明サブパタンの発光色と同一色(例えば緑色)とすることができる。この場合、反射光の特徴量は、反射光の各色の輝度値の組合せ(R,G,B)の代わりに、各照明サブパタンによる反射光の輝度値の組合せ(G1,G2,G3)を採用すればよい。このように複数回の計測を繰り返す方式は、計測時間が長くなるというデメリットはあるものの、単色の光源を用いればよいので構成が簡単になり製造コストを下げられるというメリットがある。また、照明サブパタンの数を容易に増やすことができるので、4つ以上照明サブパタンを採用して法線測定の分解能をさらに向上できるというメリットもある。 Further, in the description so far, the configuration that makes it possible to restore the three-dimensional shape of an object by only one measurement (illumination and photographing) by using an illumination pattern in which illumination sub-patterns of different colors are superimposed. Stated. However, although the measurement time is longer than that, two or more types of illumination sub-patterns may be sequentially turned on to perform imaging, and the three-dimensional shape may be restored using a plurality of obtained images. This method can also obtain the same restoration result. In the case of sequentially photographing with different illumination sub-patterns, the light emission color of each illumination sub-pattern can be the same color (for example, green). In this case, the feature value of the reflected light employs a combination (G1, G2, G3) of the reflected light luminance values by the respective illumination sub-patterns instead of the combination of the luminance values of the respective colors of the reflected light (R, G, B). do it. The method of repeating the measurement a plurality of times as described above has a demerit that the measurement time becomes longer, but has a merit that the configuration can be simplified and the manufacturing cost can be reduced because a monochromatic light source may be used. Further, since the number of illumination sub-patterns can be easily increased, there is an advantage that the normal measurement resolution can be further improved by employing four or more illumination sub-patterns.
また照明装置3の形状はドーム状(半球状)に限られず、図13に示すような平板形状でもよい。また平板を弧状に湾曲させた形状でもよい。形状を復元するのであれば、光源の位置が観測した画像から一意に求められる照明であればよい。
Moreover, the shape of the illuminating
また、図14(A)の例のように、右方向に行くほど発光強度が大きくなる赤色光(R)パタンと、左方向に行くほど発光強度が大きくなる緑色光(G)パタンと、上方向に行くほど発光強度が大きくなる青色光(B)パタンを重ね合わせてもよい。この場合は、図14(B)に示すように、各照明サブパタンにおいて、発光強度を角度θに応じて変化するような構成とすればよい。 Further, as in the example of FIG. 14A, a red light (R) pattern whose emission intensity increases toward the right, a green light (G) pattern whose emission intensity increases toward the left, Blue light (B) patterns whose emission intensity increases in the direction may be superimposed. In this case, as shown in FIG. 14B, the light emission intensity may be changed in accordance with the angle θ in each illumination subpattern.
1:カメラ、3:照明装置、4:計測対象物、5:計測ステージ、6:情報処理装置、11:検査ヘッド 1: Camera, 3: Lighting device, 4: Measurement object, 5: Measurement stage, 6: Information processing device, 11: Inspection head
Claims (12)
所定の照明パタンで前記計測対象物に光を照射する照明手段と、
前記計測対象物を撮像する撮像手段と、
複数の反射特性および複数の法線方向の組合せについて、当該反射特性および法線方向を有する表面に対して前記照明パタンの光を照射したときの前記表面からの反射光に関する特徴量を記憶する参照テーブルと、
前記撮像手段によって撮像された画像から前記計測対象物の各位置における前記特徴量を算出する特徴量算出手段と、
前記特徴量算出手段によって算出された前記特徴量と、前記参照テーブルとに基づいて、前記計測対象物の各位置における表面の法線方向を求める形状算出手段と、
を有する3次元形状計測装置。 A three-dimensional shape measuring apparatus for measuring the surface shape of an object to be measured whose reflection characteristic is a ratio of the light intensity of the specular lobe to the specular spike and the angle from the regular reflection direction ,
Illuminating means for irradiating the measurement object with light with a predetermined illumination pattern;
Imaging means for imaging the measurement object;
For a combination of a plurality of reflection characteristics and a plurality of normal directions, a reference for storing a feature amount related to reflected light from the surface when the surface having the reflection characteristics and the normal direction is irradiated with light of the illumination pattern Table,
Feature quantity calculating means for calculating the feature quantity at each position of the measurement object from an image taken by the imaging means;
Based on the feature amount calculated by the feature amount calculation unit and the reference table, a shape calculation unit for obtaining a normal direction of a surface at each position of the measurement object;
A three-dimensional shape measuring apparatus.
請求項1に記載の3次元形状計測装置。 The illumination pattern is a pattern in which one feature amount in the reference table is associated with one normal direction.
The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1.
前記特徴量は、各照明サブパタンの光を照射した時の計測対象物からの反射光の明るさの組合せである、
請求項1または2に記載の3次元形状計測装置。 The illumination pattern is a combination of a plurality of illumination sub-patterns,
The feature amount is a combination of the brightness of the reflected light from the measurement object when the light of each illumination sub-pattern is irradiated.
The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1 or 2.
請求項3に記載の3次元形状計測装置。 The feature amount calculating means repeats a process in which the illumination means irradiates light on the measurement object with each illumination sub-pattern, and the imaging means images the measurement object and measures the brightness of reflected light. , Obtaining the feature amount,
The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 3.
前記特徴量算出手段は、前記照明手段からそれぞれの照明サブパタンを重ね合わせた光
を前記計測対象物に照射して、前記撮像手段が前記計測対象物を撮像し、各色の明るさを求めることによって、前記特徴量を求める、
請求項3に記載の3次元形状計測装置。 The plurality of illumination sub-patterns are illuminations of different colors,
The feature amount calculating means irradiates the measurement object with light superposed with respective illumination sub-patterns from the illumination means, and the imaging means images the measurement object and obtains the brightness of each color. , Obtaining the feature amount,
The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 3.
前記複数の照明サブパタンのそれぞれは、方位角方向には発光強度が変化せず、天頂角方向に発光強度が変化し、所定の天頂角においてピークをとるパタンであり、
各照明サブパタンにおいて、前記ピークをとる天頂角が異なる、
請求項3〜5のいずれかに記載の3次元形状計測装置。 The illumination means has a substantially hemispherical light emitting region,
Each of the plurality of illumination sub-patterns is a pattern in which the emission intensity does not change in the azimuth angle direction, the emission intensity changes in the zenith angle direction, and takes a peak at a predetermined zenith angle,
In each illumination sub-pattern, the zenith angle taking the peak is different,
The three-dimensional shape measuring apparatus according to any one of claims 3 to 5.
請求項6に記載の3次元形状計測装置。 One of the plurality of illumination sub-patterns has a peak at the substantially hemispherical end,
The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 6.
前記複数の照明サブパタンのそれぞれは、互いに異なる方向に発光強度が変化するパタンである、
請求項3〜5のいずれかに記載の3次元形状計測装置。 The illumination means has a substantially hemispherical light emitting region,
Each of the plurality of illumination sub-patterns is a pattern whose emission intensity changes in a different direction from each other.
The three-dimensional shape measuring apparatus according to any one of claims 3 to 5.
1つの照明サブパタンは、全発光領域で均一の発光強度を有するパタンであり、
他の照明サブパタンのそれぞれは、互いに異なる方向に発光強度が変化するパタンである、
請求項3〜5のいずれかに記載の3次元形状計測装置。 The illumination means has a substantially hemispherical light emitting region,
One illumination sub-pattern is a pattern having uniform light emission intensity in the entire light emission region,
Each of the other illumination sub-patterns is a pattern whose emission intensity changes in a different direction from each other.
The three-dimensional shape measuring apparatus according to any one of claims 3 to 5.
前記照明装置の照明パタンの光源ベクトルを取得し、
複数の反射特性(正反射方向からの角度と鏡面スパイクに対する鏡面ローブの光強度の比を意味する。以下同じ。)および複数の法線方向の組み合わせについて、当該反射特性および法線方向を有する表面に対して前記照明パタンの光を照射したときの前記表面からの反射光の特徴量を、レンダリング方程式を解くことで算出し、
反射特性および法線方向と特徴量とを対応づけた参照テーブルを作成する、
キャリブレーション方法。 The measurement object is irradiated with light by an illuminating device, and the measurement object is imaged by an imaging unit in a state where the light is irradiated. From the feature amount of reflected light at each position of the captured image, the surface of the measurement object is measured. A calibration method for a three-dimensional shape measuring apparatus for obtaining a normal direction,
Obtaining a light source vector of an illumination pattern of the illumination device;
A surface having a plurality of reflection characteristics (the angle from the specular reflection direction and the ratio of the light intensity of the specular lobe to the specular spike; the same applies hereinafter) and a plurality of normal directions in combination . The feature quantity of the reflected light from the surface when the illumination pattern is irradiated with light is calculated by solving a rendering equation,
Create a reference table that correlates the reflection characteristics and normal direction with feature values.
Calibration method.
請求項10に記載のキャリブレーション方法。 The acquisition of the light source vector is performed by arranging an object whose surface inclination is known, irradiating light with the illumination device, capturing an image with the imaging unit, and acquiring a feature amount at each position of the object.
The calibration method according to claim 10.
所定の照明パタンで前記計測対象物に光を照射する照明手段を用いて前記計測対象物に光を照射した状態で前記計測対象物を撮像する撮像工程と、
複数の反射特性(正反射方向からの角度と鏡面スパイクに対する鏡面ローブの光強度の比を意味する。以下同じ。)および複数の法線方向の組合せについて、当該反射特性および法線方向を有する表面に対して前記照明パタンの光を照射したときの前記表面からの反射光に関する特徴量を記憶する参照テーブルをあらかじめ記憶する工程と、
前記撮像工程において撮像された画像から前記計測対象物の各位置における前記特徴量を算出する特徴量算出工程と、
前記特徴量算出工程において算出された前記特徴量と、前記参照テーブルとに基づいて
、前記計測対象物の各位置における表面の法線方向を求める形状算出工程と、
を有する3次元形状計測方法。 A three-dimensional shape measurement method for measuring a surface shape of a measurement object whose reflection characteristics are unknown,
An imaging step of imaging the measurement object in a state where the measurement object is irradiated with light using illumination means for irradiating the measurement object with light with a predetermined illumination pattern;
A surface having a plurality of reflection characteristics (the angle from the specular reflection direction and the ratio of the light intensity of the specular lobe to the specular spike; the same applies hereinafter) and a combination of the plurality of normal directions . Storing in advance a reference table for storing feature quantities relating to reflected light from the surface when the illumination pattern is irradiated with light;
A feature amount calculation step of calculating the feature amount at each position of the measurement object from the image captured in the imaging step;
Based on the feature amount calculated in the feature amount calculation step and the reference table, a shape calculation step for obtaining a normal direction of the surface at each position of the measurement object;
A three-dimensional shape measuring method.
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