JP7197016B2

JP7197016B2 - 検査装置、測定方法及びプログラム

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Publication number: JP7197016B2
Application number: JP2021536460A
Authority: JP
Inventors: 聡辻
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2039-07-26
Also published as: WO2021019616A1; US20220358635A1; JPWO2021019616A1

Description

本発明は、検査装置、測定方法及びコンピュータ可読媒体に関する。

検査対象部材に対してビームを照射することにより取得した点群データにより検査対象部材の三次元形状を推定する技術が知られている。特許文献１には、配管内表面の状態を検出する表面状態センサとレーザー光を照射するレーザー照射部により取得した点群データに基づいて三次元マップを作成し、作成した三次元マップにより自己位置を推定する技術が開示されている。

特開２０１８－０６５１７１号公報

三次元センサを用いた検査対象部材の測定において、取得される点群データの質は、検査対象部材に対する三次元センサの配置のさせ方によって変わってくることが分かっている。取得された点群データの質が十分でない場合、検査対象部材の三次元形状を精度良く推定することができないという問題があった。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、三次元センサを用いた検査対象部材の測定において、質の良い点群データを取得することができる検査装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る検査装置は、検査対象部材に対してビームを照射し、少なくとも光の振幅情報に基づいて前記検査対象部材の点群データを取得する三次元センサと、前記検査対象部材に対する座標軸である基準座標系において、前記点群データの数が最も多く存在する所定の方向を特定する方向特定部と、前記三次元センサに対する座標軸である固有座標系において、前記所定の方向の点群データの数が増えるように、前記基準座標系に対する配置を変更するためのチルト量を決定するチルト量決定部と、を備える。

本発明の第２の態様に係る検査方法は、少なくとも光の振幅情報に基づいて点群データを取得することができる三次元センサにより検査対象部材に対してビームを照射して点群データを取得する第１のステップと、前記検査対象部材に対する座標軸である基準座標系において、前記点群データの数が最も多く存在する所定の方向を特定する第２のステップと、前記三次元センサに対する座標軸である固有座標系において、前記所定の方向の点群データの数が増えるように、前記基準座標系に対する配置を変更するためのチルト量を決定する第３のステップと、を備える。

本発明の第３の態様に係る非一時的なコンピュータ可読媒体は、少なくとも光の振幅情報に基づいて点群データを取得することができる三次元センサにより検査対象部材に対してビームを照射して点群データを取得する第１のステップと、前記検査対象部材に対する座標軸である基準座標系において、前記点群データの数が最も多く存在する所定の方向を特定する第２のステップと、前記三次元センサに対する座標軸である固有座標系において、前記所定の方向の点群データの数が増えるように、前記基準座標系に対する配置を変更するためのチルト量を決定する第３のステップと、をコンピュータに実行させるプログラムが格納されている。

本発明によれば、三次元センサを用いた検査対象部材の測定において、質の良い点群データを取得することができる。

実施の形態１に係る検査装置の構成を示すブロック図である。実施の形態２に係る検査装置の構成を示すブロック図である。実施の形態２に係る検査装置の検査対象部材としての鉄筋である、異形棒鋼の外形を示す模式図である。基準三次元直交座標系及び固有三次元直交座標系について説明する模式図である。三次元センサのビームの照射方向について説明する模式図である。三次元センサから照射されたビームの走査方向について説明する模式図である。実施の形態２に係る検査装置において、検査装置において、三次元センサを用いた検査対象部材の測定において、質の良い点群データを取得することができるように三次元センサをチルトさせるための処理の流れについて説明するフローチャートである。主成分分析の手法により、検査対象部材の点群データから基準方向を検出する方法について説明する模式図である。図７のステップＳ１０３において、基準方向に基づいてチルト量を決定する方法について説明する模式図である。図７のステップＳ１０３において、基準方向に基づいてチルト量を決定する方法について説明する模式図である。図７のステップＳ１０３において、基準方向に基づいてチルト量を決定する別の方法について説明する模式図である。図７のステップＳ１０３において、基準方向に基づいてチルト量を決定する別の方法について説明する模式図である。検査装置において、三次元センサを用いた検査対象部材の測定において、質の良い点群データを取得することができるように三次元センサをチルトさせるための処理の流れの別の例について説明する実施の形態３に係る検査装置の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

［実施の形態１］
以下、実施の形態１について説明する。
図１は、実施の形態１に係る検査装置１０の構成を示すブロック図である。図１に示すように、検査装置１０は、三次元センサ１１と、方向特定部１２と、チルト量決定部１３と、を備えている。

三次元センサ１１は、検査対象部材に対してビームを照射し、少なくとも光の振幅情報に基づいて検査対象部材の点群データを取得する。方向特定部１２は、検査対象部材に対する座標軸である基準座標系において、点群データの数が最も多く存在する所定の方向を特定する。チルト量決定部１３は、三次元センサ１１に対する座標軸である固有座標系において、所定の方向の点群データの数が増えるように、基準座標系に対する配置を変更するためのチルト量を決定する。

このようにすることで、三次元センサ１１を用いた検査対象部材の測定において、質の良い点群データを取得することができる。

［実施の形態２］
以下、実施の形態２について説明する。
まず、実施の形態２に係る検査装置の構成について説明する。図２は、実施の形態２に係る検査装置１１０の構成を示すブロック図である。図２に示すように、検査装置１１０は、三次元センサ１１１と、方向特定部１１２と、チルト量決定部１１３と、姿勢変更部１１４と、を備えている。

三次元センサ１１１は、検査対象部材に対してビームを照射し、少なくとも光の振幅情報に基づいて検査対象部材の点群データを取得する。三次元センサ１１１は、例えば３Ｄ－ＬｉＤＡＲ（ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ)センサである。

ここで、検査対象部材は、異形棒鋼と呼ばれる（異形鉄筋とも呼ばれる）鉄筋である。図３は、異形棒鋼の外形を示す模式図である。図３に示すように、異形棒鋼には表面に「リブ」や「節」と呼ばれる凹凸の突起が設けられている。異形棒鋼は径に応じて“Ｄ１０”、“Ｄ１３”、“Ｄ１６”、“Ｄ１９”のような規格名が定められている。規格名に示される数字は、例えば、Ｄ１０の直径が９．５３ｍｍ、Ｄ１３の直径が１２．７ｍｍと、異形棒鋼のおおよその直径を示している。すなわち、異形棒鋼の直径は２～３ｍｍごとに規格化されている。

再び図２を参照し、方向特定部１１２は、点群データにおいて最も点の数が多く存在する所定の方向である基準方向を検出する。方向特定部１１２は、点群データの分布に基づいて基準方向を検出する。ここで、点群データの分布は、点群データにおける点の分散である。
チルト量決定部１１３は、点群データの点の数が増えるように、基準座標系としての基準三次元直交座標系に対して固有座標系としての固有三次元直交座標系をチルトさせるためのチルト量を、基準方向に基づいて決定する。姿勢変更部１１４は、チルト量に応じて、基準三次元直交座標系に対して三次元センサをチルトさせる。

次に、基準三次元直交座標系及び固有三次元直交座標系について説明する。
基準三次元直交座標系は基準とする三次元直交座標系で、三次元センサ１１１の姿勢が変わっても不変である。固有三次元直交座標系は三次元センサ１１１に固有の三次元直交座標系で、三次元センサ１１１の姿勢に追随して変わる。

図４は、基準三次元直交座標系及び固有三次元直交座標系について説明する模式図である。図４に示すように、基準三次元直交座標系は、第１軸としてのｘ軸、第２軸としてのｙ軸、第３軸としてのｚ軸からなる。これに対し、固有三次元直交座標系は、第４軸としてのｘｕ軸、第５軸としてのｙｕ軸、第６軸としてのｚｕ軸からなる。基準三次元直交座標系と固有三次元直交座標系は、三次元センサ１１１の基準点Ｐ１を原点としている。ｘ軸に対するｘｕ軸の角度のずれをθ１、ｙ軸に対するｙｕ軸の角度のずれをθ２、ｘ軸に対するｘｕ軸の角度のずれをθ３で表す。基準三次元直交座標系に対する固有三次元直交座標系のチルト量は、例えば（θ１、θ２、θ３）と表すことができる。

図５は、三次元センサ１１１のビームの照射方向について説明する模式図である。図５に示すように、検査対象部材において三次元センサ１１１から照射されたビームが当たった箇所を代表点である点Ｐとする。上述した固有三次元直交座標系は極座標表示に変換することができる（以下、固有三次元直交座標系を極座標表示したものを固有三次元極座標系と呼ぶ）。点Ｐは、固有三次元直交座標系で（ｘｕ、ｙｕ、ｚｕ）、固有三次元極座標系で（ｄ、φ、θ）と表されるとする。ここで、ｄは、原点から点Ｐまでの距離、すなわち動径である。φは、ｘｕ軸とｘｕ軸とｙｕ軸を含む平面への動径ベクトル（原点から点Ｐに向かうベクトル）の射影がなす角度である。θはｘｕ軸とｙｕ軸を含む平面と動径ベクトルがなす角度である。ｘｕ＝ｄ・ｃｏｓθ・ｃｏｓφ、ｙｕ＝ｄ・ｃｏｓθ・ｓｉｎφ、ｚｕ＝ｄ・ｓｉｎθの関係が成り立つ。なお、ビームが検査対象部材に当たった箇所の代表点は、ビームの光軸上にあるものとする。

図６は、三次元センサ１１１から照射されたビームの走査方向について説明する模式図である。図６に示すように、三次元センサ１１１のビームの走査方向は、例えば、固有三次元直交座標系のｘｕ軸と平行な方向（水平走査方向）と、固有三次元直交座標系のｚｕ軸に平行な方向（垂直走査方向）である。三次元センサ１１１のビームの、水平走査方向における分解能（刻み角度）はφｓ、垂直走査方向における分解能（刻み角度）はθｓである。各走査方向における分解能は、刻み角度が小さい程高い。

次に、検査装置１１０において、三次元センサ１１１を用いた検査対象部材の測定において、質の良い点群データを取得することができるように三次元センサ１１１をチルトさせるための処理の流れについて説明する。なお、以下の説明では図２についても適宜参照する。

図７は、検査装置１１０において、三次元センサ１１１を用いた検査対象部材の測定において、質の良い点群データを取得することができるように三次元センサ１１１をチルトさせるための処理の流れについて説明するフローチャートである。図７に示すように、まず、三次元センサ１１１により、検査対象部材に対してビームを照射して点群データを取得する（ステップＳ１０１）。続いて、方向特定部１１２が、取得された点群データより、点群データにおいて最も点の数が多く存在する方向である基準方向を検出する（ステップＳ１０２）。続いて、チルト量決定部１１３が、点群データの点の数が増えるように、基準とする三次元直交座標系である基準三次元直交座標系に対して三次元センサに固有の三次元直交座標系である固有三次元直交座標系をチルトさせるためのチルト量を、基準方向に基づいて決定する（ステップＳ１０３）。続いて、姿勢変更部１１４が、決定されたチルト量に応じて三次元センサ１１１をチルトさせる（ステップＳ１０４）。

次に、図７のステップＳ１０２において基準方向を検出する方法の詳細について説明する。
図７のステップＳ１０２において基準方向を検出する方法として、主成分分析（ＰＣＡ：ＰｒｉｎｃｉｐａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ）の手法を適用することができる。主成分分析の手法では、主成分（固有ベクトル）の固有値が分散である。主成分分析の手法では、固有値が大きいから順に第１主成分、第２主成分、・・・と呼ぶ。検査対象部材の点群データは３つのパラメータ（ｘ、ｙ、ｚ）から成るため、第１主成分、第２主成分、第３主成分と、３つの主成分が得られる。

図８は、主成分分析の手法により、検査対象部材の点群データから基準方向を検出する方法について説明する模式図である。上述したように、基準方向は、検査対象部材から取得された点群データにおいて最も点の数が多く存在する方向である。図８に示すように、主成分分析の手法では、点群データにおいて最も点の数が多く存在する方向である基準方向において、点の分散に相当する、主成分の固有値が最大になる。つまり、主成分の固有値が最大となる第１主成分が基準方向である。よって、主成分分析の手法によって第１主成分を検出することで基準方向を検出することができる。

次に、図７のステップＳ１０３において、基準方向に基づいてチルト量を決定する方法の詳細について説明する。
図９及び図１０は、図７のステップＳ１０３において、基準方向に基づいてチルト量を決定する方法について説明する模式図である。図９に示すように、まず、固有三次元直交座標系が基準三次元直交座標系に一致している状態であるとする。また、基準方向が基準三次元直交座標系のｚ軸方向に一致しているとする。

この状態から、図１０に示すように、基準方向に対して固有三次元直交座標系のｚｕ軸がθ傾くように、ｙ軸を回転軸として三次元センサ１１１をチルトさせる。三次元センサ１１１のチルトは、姿勢変更部１１４（図２参照）が実行する。このθは、検査対象部材における点群データの点の数が増えるように決定する。

ここに示す例では、検査対象部材より取得された点群データにおける点の数が５つである図９に示す状態から、検査対象部材より取得された点群データにおける点の数が８つである図１０に示す状態になるように、チルト量を決定する。また、ここに示す例では、ｙ軸を回転軸として三次元センサ１１１をチルトさせているため、図４を参照して説明した、基準三次元直交座標系に対する固有三次元直交座標系のチルト量（θ１、θ２、θ３）は、（θ、０、θ）である。なお、チルトさせる角度は、時計回りを正、反時計回りを負とする。つまり、ここに示す例ではθは負である。

チルト量の決定において、θを、例えば、±１５°、±３０°、±４５°、±６０°と１５°刻みで振って、検査対象部材の点群データにおける点の数が最も多くなるθを見つけるようにしてもよい。このようにすることで、最適なチルト量を効率的に決定することができる。

検査対象部材より取得される点群データの数が多くなれば、検査対象部材の測定をより精度良く行なうことができる。上述したように、本実施の形態に係る検査装置１１０では、検査対象部材より取得される点群データの数が増えるようにチルト量を決定し、決定したチルト量に応じて、基準三次元直交座標系に対して三次元センサ１１１をチルトさせる。これにより、三次元センサ１１１を用いた検査対象部材の測定において、質の良い点群データを取得することができる。

図１１及び図１２は、図７のステップＳ１０３において、基準方向に基づいてチルト量を決定する別の方法について説明する模式図である。ここでは、検査対象部材が、鉄筋などのように、基準方向における長さが十分に長く、基準方向に垂直な方向における長さが基準方向における長さと比較して著しく短いものであるとする。また、三次元センサ１１１のビームの分解能は、水平走査方向よりも垂直走査方向の方が高いとする。

図１１に示すように、分解能が最も高い垂直走査方向が基準方向に水平になるように三次元センサ１１１を設置した場合、取得された点群データにおいて、基準方向には点の数が多く並ぶが、基準方向に垂直な方向には点の数が１点しかない。つまり、取得された点群データにおいて、基準方向に垂直な方向の点の数が基準方向の点の数に対して著しく少なくなる。

そこで、図１２に示すように、基準方向と、三次元センサ１１１におけるビームの走査方向のうちで分解能が最も高い方向である垂直走査方向と、が直交するように、チルト量を決定する。この例では、基準三次元直交座標系に対する固有三次元直交座標系のチルト量（θ１、θ２、θ３）は、（－９０°、０、－９０°）である。これにより、基準方向に垂直な方向の点の数を増やすことができる。

このように、検査対象部材が、基準方向の長さが十分に長く、基準方向に垂直な方向における長さが著しく短いものである場合、基準方向と、三次元センサ１１１におけるビームの走査方向のうちで分解能が最も高い方向と、が直交するようにチルト量を決定する。これにより、三次元センサ１１１を用いた検査対象部材の測定において、質の良い点群データを取得することができる。

［変形例１］
検査装置１１０において、三次元センサ１１１を用いた検査対象部材の測定において、質の良い点群データを取得することができるように三次元センサ１１１をチルトさせるための処理の流れの別の例について説明する。なお、以下の説明では図２についても適宜参照する。

図１３は、検査装置１１０において、三次元センサ１１１を用いた検査対象部材の測定において、質の良い点群データを取得することができるように三次元センサ１１１をチルトさせるための処理の流れの別の例について説明するフローチャートである。図１３に示すように、まず、少なくとも光の振幅情報に基づいて点群データを取得することができる三次元センサ１１１により検査対象部材に対してビームを照射して点群データを取得する（ステップＳ２０１）。続いて、取得された点群データより基準方向を検出する（ステップＳ２０２）。続いて、点群データの点の数が増えるように、基準とする三次元直交座標系である基準三次元直交座標系に対して三次元センサに固有の三次元直交座標系である固有三次元直交座標系をチルトさせるためのチルト量を、最新の基準方向に基づいて決定する（ステップＳ２０３）。続いて、姿勢変更部１１４が、決定されたチルト量に応じて三次元センサ１１１をチルトさせる（ステップＳ２０４）。

ステップＳ２０４に続いて、三次元センサ１１１が検査対象部材の点群データを再度取得する（ステップＳ２０５）。続いて、方向特定部１１２が再度取得された点群データより基準方向を検出する（ステップＳ２０６）。続いて、姿勢変更部１１４は、前回の基準方向の検出結果と今回の基準方向の検出結果との角度差が、閾値未満か否かを判定する（ステップＳ２０７）。ステップＳ２０７において、前回の基準方向の検出結果と今回の基準方向の検出結果との角度差が、閾値未満の場合には、処理を終了させる。ステップＳ２０７において、前回の基準方向の検出結果と今回の基準方向の検出結果との角度差が、閾値以上の場合には、ステップＳ２０３に処理を戻す。三次元センサ１１１をチルトさせるための処理を上述のように行うことで、三次元センサ１１１を用いた検査対象部材の測定において、より質の良い点群データを取得することができる。

［実施の形態３］
以下、実施の形態３について説明する。
図１４は、実施の形態３に係る検査装置２１０の構成を示すブロック図である。図１４に示すように、検査装置２１０は、三次元センサ１１１と、方向特定部１１２と、チルト量決定部１１３と、重畳点群データ作成部１１５と、を備えている。つまり、検査装置２１０は、重畳点群データ作成部１１５を備えていることのみ、図２に示す検査装置１１０の構成と異なる。重畳点群データ作成部１１５は、三次元センサ１１１によって複数回取得された点群データを重ね合わせた重畳点群データを作成する。このようにすることで、三次元センサ１１１を用いた検査対象部材の測定において、より質の良い点群データを取得することができる。

上述の実施の形態では、本発明をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、各処理を、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）にプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

上述の処理を実現するためのプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅｓｔｏｒａｇｅｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒy）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１０、１１０、２１０検査装置
１１、１１１三次元センサ
１２、１１２方向特定部
１３、１１３チルト量決定部
１１４姿勢変更部
１１５重畳点群データ作成部

Claims

検査対象部材に対してビームを照射し、少なくとも光の振幅情報に基づいて前記検査対象部材の点群データを取得する三次元センサと、
前記検査対象部材に対する座標軸である基準座標系において、前記点群データの数が最も多く存在する所定の方向を特定する方向特定部と、
前記三次元センサに対する座標軸である固有座標系において、前記所定の方向の点群データの数が増えるように、前記基準座標系に対する配置を変更するためのチルト量を決定するチルト量決定部と、を備える検査装置。
前記チルト量に応じて、前記基準座標系に対して前記固有座標系がチルトするように前記三次元センサの姿勢を変更する姿勢変更部をさらに備える、請求項１に記載の検査装置。
前記姿勢変更部が前記三次元センサの姿勢を変更した後に、
前記三次元センサが前記検査対象部材の前記点群データを再度取得し、
前記方向特定部が再度取得された前記点群データより前記所定の方向を再度検出し、
前記チルト量決定部は、前回の前記所定の方向の検出結果と今回の前記所定の方向の検出結果との角度差が、閾値未満の場合には前記チルト量の再度の決定を行なわず、前記閾値以上の場合には前記チルト量を再度決定し、
前記姿勢変更部は、前記チルト量が再度決定された場合に、再度決定された前記チルト量に応じて前記三次元センサの姿勢を変更する、請求項２に記載の検査装置。
前記方向特定部は、前記点群データの分布に基づいて前記所定の方向を検出する、請求項１から３のいずれか一項に記載の検査装置。
前記分布は分散である、請求項４に記載の検査装置。
前記チルト量決定部は、前記所定の方向と、前記三次元センサにおけるビームの走査方向のうちで分解能が最も高い方向と、が直交するように前記チルト量を決定する、請求項１から５のいずれか一項に記載の検査装置。
前記三次元センサによって複数回取得された前記点群データを重ね合わせた重畳点群データを作成する重畳点群データ作成部をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の検査装置。
前記検査対象部材は異形棒鋼である、請求項１から７のいずれか一項に記載の検査装置。
少なくとも光の振幅情報に基づいて点群データを取得することができる三次元センサにより検査対象部材に対してビームを照射して点群データを取得する第１のステップと、
前記検査対象部材に対する座標軸である基準座標系において、前記点群データの数が最も多く存在する所定の方向を特定する第２のステップと、
前記三次元センサに対する座標軸である固有座標系において、前記所定の方向の点群データの数が増えるように、前記基準座標系に対する配置を変更するためのチルト量を決定する第３のステップと、を備える測定方法。
少なくとも光の振幅情報に基づいて点群データを取得することができる三次元センサにより検査対象部材に対してビームを照射して点群データを取得する第１のステップと、
前記検査対象部材に対する座標軸である基準座標系において、前記点群データの数が最も多く存在する所定の方向を特定する第２のステップと、
前記三次元センサに対する座標軸である固有座標系において、前記所定の方向の点群データの数が増えるように、前記基準座標系に対する配置を変更するためのチルト量を決定する第３のステップと、をコンピュータに実行させるプログラム。