JP6983898B2 - 中空の対象物の内側表面の形状、寸法及び伸縮特性を測定するための方法 - Google Patents

Description

中空の対象物の内側表面の形状、寸法、そして伸縮特性を測定するための方法、中空の対象物の三次元モデルを構成する方法、中空の対象物の内側表面の形状、寸法、そして伸縮特性を測定するための装置、そして、中空の対象物の内側表面の三次元モデルの構成する装置である。

本発明は、測定技術及び測定の方法に関連し、本発明は、特に、ブーツからサンダルといった大幅に異なる種類の靴の寸法を決定するために使用される装置によって靴製造業において使用可能である。

この方法及び装置は、靴、衣類、帽子についての測定、製造、デザイン、又は品質の評価（解剖学的／整形外科的を含む）を行う場合に靴、衣類、ニットウエア産業において、同様に、整形外科的な靴底、整形術、人口器官といった、人間の体に対して正確な適合を提供しなければならない製品において使用することができる。これらは毎日の生活において、靴、衣類、帽子といった各顧客の実際のユニークな体の特性に適合したものを販売し及び遠隔で購入するために市場に提供するといった販売業界において使用することができる。

これらの方法及び装置はまた、任意の形状の薄肉の対象物、例えばパイプ（pipe）、サイフォン（siphon）、種々の容器（vessel）、坑道（tunnels）などを測定するときにも使用することができる。この装置は、周囲の寸法（girth）、外周(circumference)、楕円形(ovalness)、形状の逸脱、輪郭の幾何学形状といったパラメータを測定することができる。

靴の内側表面を決定するための装置が存在する。その作動原理は、カメラにしっかりと接続されたプローブであって、プローブには検出要素を有し、これは測定されるものの表面に接触し、そしてカメラが対象物の外側に位置する一連のマークの２Ｄ画像によって案内され、画像はカメラに対して調節可能である。そして、３Ｄモデルがプログラムによって構築される（ＵＳ２０１００２３８２７１Ａ１，２０１０年９月２３日）

前述の装置には、以下のよう欠点がある。検出プローブは１つだけ存在し、手作業で表面全体を調べる必要があり、プローブに加わる圧力の異なる大きさによって測定に歪が生じ、労働集約的であり、測定に時間がかかる。

靴やパイプといった内側空間の三次元的な形状を検出するための方法は光学的な方法であり、このような方法を実行するための装置が存在する（ＵＳ２００５／０１６８７５６Ａ１，２００５年８月４日）

この発明は、内側空間の三次元的な形状を光学的に検出するための方法及びこの方法を実行するための装置に関する。このプロトタイプの動作原理は、マーキングを有する形状適合材料を空間の内側の壁に固定する。カメラが内側に収容され、一連の一部重なる画像を撮る。フォトグラム的な方法によって画像を処理し、内側表面の３Ｄモデルが得られる。

この方法における欠点は、マーキング材料を、測定しようとする表面全体の上に固定する必要があるということであり、これは材料を接着する手段を設け、後に取り除く必要があるために難しい。さらに、マーキング材料がしっかりしたものでない場合には、測定しようとする対象物の実際の形状はひずむ可能性がある。

中空の対象物の内側表面の形状、寸法及び伸縮特性を測定する以前の方法の技術的結果は、正確性において改善されるべきであり、労働集約性及び測定時間が低減されるべきである。

中空の対象物の内側表面の形状、寸法、及び、伸縮特性を測定する方法であって、装置を測定対象物の中に挿入したときに、測定表面上でストレスが一様な状態を作り出すプローブ上に配置されたインジケータを通してフラットなマーキングストリップに対する空間的データをカメラが受け取り、これにより対象物の内側空間の三次元モデルを構築し、再現された三次元モデルを測定した結果としてその寸法を受信し、同じ対象物の異なるレベルの力でのスキャニング及び変形する本体の最初の寸法と最終的な寸法とのあいだの差分係数の測定の結果として前記伸縮特性を得る、方法、用いることによって、技術的結果が実現される。

既存の方法は、３Ｄ対象物の測定において接触及び非接触の方法を組み合わせることを提案する。この装置は、対象物の形状及び寸法についてのデータを収集する方法で、対象物の三次元デジタルモデルを生成することを可能にする。３Ｄデータを抽出するのにカメラ画像が用いられる（視野の中で表面の寸法及び形状についての情報を収集する）。その結果、対象物の表面の幾何学的なポイントクラウドが生成される。

装置のプローブによって及ぼされる機械的伸びのストレスのインパクトのもとで、同時に伸縮性のある管状の対象物のセクションが自身で回復するという点で、精度の改善が実現される。

伸縮性の対象物に実際の形状を与えるために、表面は、測定セクションの限界内で弾性プローブのシステムによって均一に引き伸ばされる。

最初に測定対象物の中に装置をスムーズに挿入するために、プローブを引っ込める及びプローブを展開する機構が用いられる。

伸縮性のある材料を測定する場合は、剛体状態にあるプローブが測定表面にしっかりと押し付けられ、表面は元の形状に回復し、これにより測定の精度が向上する。

上述のプロトタイプとは異なり、われわれは、一つの側だけのマーキング材料を用いることを提案する。内側表面の３Ｄモデルの生成は、われわれの場合は、測定対象物の画像によらず、フラットなマーキングストリップに対するプローブ上のインジケータの位置の画像による。さらに、プローブは、剛体状態で測定空間の内側にあり、対象物の材料を均等に引き延ばす。これにより、元の変形されていない形状の測定を可能とする。

測定結果は、ポイントクラウドの形態で出力され、これはＣＡＤファイル（ｏｂｊ）を生成する。

装置には、その機構の一部として、測定プローブが備えられる。

対象物の内側表面に沿って移動するあいだに、三次元軸座標の読み取りが行われる。装置には、ビデオ又は写真のカメラが備えられ、これによりリアルタイムで三つの平面についてのスキャニングプローブの先端の正確な位置についての情報を受け取ることができる。

図１は、靴の形状及び寸法を決定するための位置にある装置を示している。

中空の対象物の内側表面の三次元モデルを構築するこの方法の技術的な結果によって、精度が向上し、労働集約性及び測定時間が低減される。

これは、プローブのインジケータの位置がビデオ画像のフレーム上で認識され、点位置の数学的アルゴリズムを用いてカウントされ、プローブ点の組が、点の組として内側表面の現在のセクションの組を生成する表面と接触し、ビデオフレーム上でマークされたストリップの要素が認識され、フラットなマーキングストリップに関する装置の現在の座標及び角度方向を定義し、現在のセクションと結びつけ、座標系を生成し、フレーム上で生成されたセクションを結合し、これにより内側表面の三次元モデルがポイントクラウドとして生成される、という方法によって実現される。

装置が測定対象物に挿入されているあいだに、カメラによって画像が記録される。各画像をさらに処理する過程で、プローブのインジケータの位置及びフラットなマーキングストリップの画像の断片の位置が決定される。図２は、受け取った情報に基づいてフラットなマーキングストリップ及びインジケータを明瞭に見ることができるカメラの画像を示しており、これによりソフトウェアによる画像の処理、及び、測定対象物の点の座標を得ることを可能とする。

プローブのインジケータの画像上で、ＲＧＢ（赤、緑、青）フォーマットにおける画像の緑色のチャネル「Ｇ」のサーチが実行される。このサーチは２段階で実行される。最初に、フルスキャンで緑色のピクセルが記憶される。そして、これらの中からモンテカルロ法によって、緑のピクセルの最大数を含む円形の領域（６４０×４８０ピクセルの画像サイズで半径５ピクセルで）をサーチする。第１のインジケータを見出したあと、ここに属する緑のピクセルが主画像から除去され、次のインジケータのサーチが実行される。もしも緑のピクセルで満たされた別の円形領域を見出すことが不可能であれば、視野におけるインジケータの総数についての結論を導く。

視野内のインジケータの数が大幅に減少したときは（特に８から３へ）、ビデオ記録を停止する。これは、装置が測定空間から出てプローブがまっすぐになったことを意味する。

各画像上で、プローブのインジケータは、内側表面のセクションについての情報を獲得する。

一連の画像によって、内側空間のセクションのセットを受け取ることができる。すなわちポイントクラウドである。セクション同士を結合するために、フラットなマーキングストリップを使用する。これにより、空間内の測定された各セクションの位置を高い精度で確立することができる。

インジケータは、プローブの端部から離れているので、予備的なキャリブレーションが実行され、これによりカメラの軸と内側表面上のプローブの接触点とのあいだの実際の角度を用いて、画像の光学中心からのインジケータの距離をピクセルで相関させることができる。

マーカーストリップ上の画像は、黒と白の長方形と楕円形のランダムな組み合わせである。図は、画素の小さい断片はユニークであり同じマーカーストリップ上で繰り返されることがないような寸法によって分布される。このユニーク性の要求は、広範囲の特徴距離において異なる寸法の断片（特に２×２ｍｍ²から２０×２０ｍｍ²までの正方形断片）に対して満たされなければならない。

プローブはある幅を有するので、フラットなマーキングストリップの画像の大きな部分をカバーする。したがって、装置の位置を決定するために、プローブ同士のあいだ（特に靴の前の部分を測定するとき）又はプローブの端部同士のあいだ（特に靴の後の部分を測定するとき）に位置するマーキングストリップの画像の断片が用いられる。

マーカーストリップ画像の断片をサーチするために、狭い範囲のモンテカルロ法が使用される。これにより、マーカーストリップの座標系における断片のｘφ，ｙφ座標、正方形ａφの断片の寸法を決定することができ、そして、これらのパラメータを、カメラから来る画像における断片のパラメータ、ある角度で見たときに歪んだ正方形断片を表すｘ，ｙ座標及び台形パラメータ（上辺と下辺のあいだの差、上辺の下辺に対する水平オフセット、全体としての台形回転角）とリンクさせることができる。画像の断片の結合に対する参照点として、対応するピクセルの強度の差の２乗の合計を使用する。

各フレームに対して、マーカーストリップの画像の正方形の３つの断片、すなわちメインの断片と、上向きにインデントされメインの断片に対して右側の複数の断面、のサーチが実行される。マーキングストリップ上の３つの断片のｘφ，ｙφ座標に従って、カメラの光学中心の座標ｘ₃，ｙ₃，ｚ₃及びカメラの光学軸の角度方向α₃，β₃，γ₃が計算される。この６つのパラメータによって、空間内でのプローブの先端の位置の決定が明確かつ非常に正確に可能となり、このフレームに対して生成された複数の点を、測定対象物内の内側表面の形状に従って、共通のポイントクラウドに追加することができる（図３）。

この装置を、中空の対象物の内側表面の形状、寸法及び伸縮特性の測定、及び中空の対象物の内側表面の三次元モデルの構築に使用することによって、正確性が改善され、労働集約性及び測定時間が低減されるという技術的結果が得られる。

上記の技術的結果は、本体、本体に取り付けられたカメラ、インジケータを有する２又は３以上のプローブ、そしてフラットなマーキングストリップから構成される装置によって実現される。

図４は、本体１、軸２、レンズユニット３、キー４、ハンドル５、インジケータ７を有するプローブ６、ロッキングハーフリング８、固定ハーフリング９、レンズ１０、そしてコンピュータに接続されるカメラ１１を示している。この装置には、測定される伸縮性の表面の形状を回復させるために、弾性プローブの開き角をロックする機構が存在する。

靴の測定のために靴の内底の形状をしたフラットなマーキングストリップは、図５の空間に示されるように、カメラから受け取った画像を位置決めすることを意図している。

異なる寸法の黒及び白の長方形及び楕円形のランダムな組み合わせとして生成されたフラットなマーキングストリップの画像を図６に示す。

図７に示すプローブは、ハンドルの動きが伝達されるシャンクを含む複雑な形状を有しており、軸はどちらに回転するかに関連して本体のベッドに位置しており、凸状のシャフトは軸から横にずれており、最初の部分はプローブを伸ばしたときに圧縮力を生成するために柔軟であり、最後の部分には素材が引っかかるのを防ぐとともに良好な接触のために丸みを設けている。シャフトの固い部分には、インジケータのための１又２以上の突起が設けてあり、これらの位置はこの機構に組み込まれた三次元空間においてカメラによってモニターされている。

ソフトウェアによって、取り込んだポイントクラウドを、測定された内側表面の三次元モデルに変換することができる。

装置は以下のように動作する。ハンドル５をレンズ１０と反対の方向に動かすことによって、レンズユニット３のスロット内で動くプローブ６のシャンクが、互いに接触するまでプローブユニットの開き角を小さくする。同時に、キー４はその弾性によって、本体１の表面上にある剛性の状態にある。プローブ６が引っ込められた位置で、装置は測定対象物の内部に配置される。ハンドル５をレンズ１０の方向へ動かすことによって、ハンドルから力を抜いたときのプローブの曲がりを防ぎながら、キー４が収まる本体１内のスロットによって決定される要求された力まで、プローブ６が広がる。記録のためにカメラ１１がオンとなり、マーカーストリップに対するインジケータ７の位置をコンピュータに送信する。ハンドル５によって、装置は測定対象物から移動され、プローブ６はそれに加えられたテンションによって、測定表面にしっかりと接触する。測定後に、カメラはオフにされる。コンピュータは受信した情報を、測定された内側表面の３Ｄモデルへ変換する。

図８、図９、図１０は、測定対象物（靴）の内側表面に沿って動くときの装置の位置を示している。図８は、靴のつま先革を測定している装置を示す。図９は、装置による靴のうしろ部分の測定を示す。靴の内側にある装置の位置を示すために、靴を縦方向に切ってある。図１０は靴の断面で、装置による靴の中央部分の測定を示している。図１１は、靴の上部分を透明にして、つま先を測定しているときの装置のプローブの位置を示している。これらの図から、インジケータを有するプローブは、すべての位置において靴の内側表面としっかりと接触していることが分かる。

図１２及び図１３は、用途の分野が靴に限られないこと、そして、装置は衣類（袖）や技術的対象物、すなわちパイプの内側表面を測定できることを示している。

装置は、プローブをいくつかの位置で固定することができ、最小３つの位置、すなわち腕を閉じた位置、半分開いた位置、完全に開いた位置（１００°の角度）で固定することができる。これによりプローブは、必要とされる堅固さで開くことができる。伸縮性材料の同じ対象物を異なる堅固さで測定すれば、その伸縮特性を容易に決定することができ、特に、変形する本体の最初の寸法と最終的な寸法とのあいだの差分係数に等しい絶対的な変形の数量を決定することができる。このように、この装置によって革、織物、その他の異なる種類の材料の弾性伸張特性を測定することが可能となる。図１４及び図１５は、袖口の伸縮性の測定を示しており、図１４は高い剛性、図１５は低い剛性に対応する。図１６及び図１７は、袖口の伸縮性を測定するときのカメラ画像を示している。図１６及び図１７において、インジケータの点から構成される部分が、図Ｂにおけるよりも図Ａにおける方が大きいことが分かる。

その装置はさらに、表面の品質の制御、及び、伸縮性の材料を伸ばしたときにのみ認識できる欠陥の検出を可能にする。図１８はカメラ画像を示しており、シャツの縫い目が見える。装置を袖に挿入したときに生地は伸び、そして縫い目が伸び、すべての欠陥をカメラを通して感知することができる。

Claims (1)

1. 中空の対象物の内側表面の形状、寸法、及び、伸縮特性を測定する方法であって、
   コンピュータ又はその他の処理装置に接続されカメラと、インジケータを有する２つ又はそれ以上のプローブとを有する装置を、中空の対象物の中に挿入することと、
   インジケータを有する２つ又はそれ以上のプローブによって、中空の対象物の内側表面に一様にストレスが加わる状態を作り出すことと、
   装置を中空の対象物の最初の部分から最後の部分へ移動させ、処理装置で画像を生成することと、
   前記カメラによってフラットなマーキングストリップに対する空間的データを受け取ることと、
   ビデオ画像フレーム上のプローブのインジケータの位置を検出することと、
   数学的アルゴリズムによって、点の位置及びプローブの表面との接触点の合計を計算することと、
   点の組の形態で内側表面の現在のセクションの組を得ることと、
   ビデオ画像フレーム上でフラットなマーキングストリップの要素を検出することと、
   フラットなマーキングストリップに対する装置の現在の座標及び角度方向を決定することと、
   表面の現在のセクションを共通の座標系とリンクさせることと、
   一連のフレームに対して得られた複数のセクションを結合することと、
   ポイントクラウドの形態で内側表面の三次元モデルを受け取ることと、
   少なくとも周囲の寸法、外周、長円度、形状の逸脱、輪郭の幾何学形状を含む内側表面の三次元モデルの寸法を得ることと、
   正常及び伸ばされた状態という２つの状態における中空の伸縮性の対象物の測定値を得ることと、
   コンピュータ又はその他の計算装置を用いて、正常及び伸ばされた状態という２つの状態において得られた中空の対象物の寸法間の差分係数を計算することによって、中空の対象物の伸縮特性を決定すること、
   を含む方法。

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