JPH041847B2

JPH041847B2 -

Info

Publication number: JPH041847B2
Application number: JP59009044A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Myagi; Katsuhisa Pponda
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1984-01-20
Filing date: 1984-01-20
Publication date: 1992-01-14
Also published as: JPS60152907A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）この発明は二つの映像信号から得られる相関信
号を精査あるいは比較対照することにより、物体
の形状、配列などの不整を検出可能とした装置に
関する。

（従来技術）動いている物体、たとえば流れ作業工程中にあ
る生産途上物体が、規格に示された形状を維持し
ているかどうかを判定する作業は、従来、人間の
判断力に依存するところが多かつた。この種の作
業を省力化し、機械化する努力も多く試みられ、
実用化されているものもあるが、形状のわずかな
違い、たとえば管状物体の軸の曲り、棒状物品の
軸向きの不揃い（不整列）などをオンラインで検
出できる実用的装置は実現されていないと言つて
もよい。生産工程に使用されるこの種の検出用装
置には、(1)簡易なシステム構成、(2)高速動作、(3)
低価格の３要件が課せられる。しかも、この種の
検出用装置の基本技術はパターン認識であり、画
像処理であるから、現在極度に技術の進歩してい
るデイジタル画像処理を用いると、物体そのもの
の形状、配列の整、不整を判断し、検出すること
は不可能でないようにも思われるが、簡易システ
ムで、低価格で、しかもオンライン処理に適応で
きる高速性が維持できる装置の実現には課題が多
い。

（発明の要旨）この発明は第１に物体の形状もしくは配列の不
整を簡単なシステム構成で検出する装置を実現す
ることを目的としている。

この発明はそのために１台もしくは２台のテレ
ビカメラによつて、相互に比較すべき２つの映像
信号を得、それら２つの映像信号の相関信号を作
り、その相関信号の形態ないしは構造から、物体
の形状もしくは配列の不整を検出するようにして
いる。

２つの映像信号の相関信号を得るための相関装
置として、デイジタル信号処理をすることも可能
ではあるが、特に、音響光学的画像相関装置（例
えば、特公昭60−34315号特許第1324916号のテレ
ビ画像相関装置）を用いると、確実にオンライン
で検出装置を動作させることができる。この発明
は第２の目的である高速動作に適した方法を実現
するものである。

さらに、この発明は、テレビカメラと相関器と
を用いる構成を採用するので、システム構成が簡
単で、結局は低価格の装置を実現することがで
き、それを第３の目的としている。

この発明の特徴は、相互相関演算において、相
関出力信号の持つ位相（位置）情報の消去と呼ば
れる特殊な現像を利用しており、相関信号の同期
信号位置から最大位置までの間隔の変化を観測し
て、被検物体の走査方向の幅の中心位置の変化を
検出している。言い換えれば、２つの入力信号
（映像信号すなわち、入力画面）の位相（位置）
ずれのみを検出し、被検物体の中心位置が、撮像
時の走査方向にどの程度変化したかを瞬時に（実
時間）計測できるようにした点に特徴がある。

その点において、従来知られているいくつかの
相関演算を用いた発明と相違している。

例えば、特公昭56−33641「物体移動量自動認識
方法」では、相互演算の計算結果を類似の程度を
大きさとして評価し、いわゆる重ね合わせを行う
ことによつて時間的にどのくらい被検物体がいた
かを「重ね合せ時のシフト量」より逆算する古典
的方式すなわち、相関は重ね合せと見る原理に基
づく方式を改良したもので、その改良がこの技術
思想の主要点であり、シフト量をあらかじめ予想
しておく点に特徴があるとするものである。

また、特開昭56−126703「位置検出方法および
その装置」もまた、相関演算の出力値によつて標
準パターンと被位置決めパターンとの類似度に関
する情報を得て、被位置決めパターン中に存在す
る標準パターンの位置を決定するものであるが、
この装置の特徴は、相関演算に使用する取り込み
パターンが照明むら、表面状態、傾きによる映り
具合の変化等で劣化してしまうのを補正するため
に、標準パターンの細分化と、劣化の要因を補正
する重み付けを行つた点にあり、相互相関演算は
単に類似性を定量的に表わす手段として使用して
いるにすぎない点は、前記特公昭56−33641の発
明と同じである。

さらに、特公昭54−18891「図形認識装置」は立
体である被検物体を二つの方向から撮影した画像
信号から、主に視差を利用して、元の立体を再現
しようとしたもので、二つの画像内の対応点を確
定するために相互相関演算を用いているが、この
装置の特徴も、二つの画像に対する補正の仕方す
なわち、立体像を二枚の平面像に投影した際の歪
みを画像の微小領域に対する重み付けで解消した
点にある。

これらの先行技術にはいずれも開示するところ
がない本発明の特徴を繰り返し述べれば、「撮像
時の走査方向の範囲内で、二つの被検物体の位置
（物体が単一であるときは、異なる二つの位置）
が同一の方向に動いた場合には、相関出力のピー
ク位置は変化せず、二つが異なる方向に動いた場
合（例えば、パイプ等の例では曲がりや傾きがあ
つた場合）にはピーク位置の移動という変化が見
られる」という相関の独自の性質に着目し、被検
物体の形状もしくは配列の不整を検出する装置で
ある。

（動作原理）この発明は後に述べるように、いくつかの実施
態様が実現できるが、まず、発明の理解のために
２台のテレビカメラを用いて、それぞれから２つ
の映像信号を得て、それらの映像信号の相関信号
を得る場合について、動作原理を説明する。第１
図によつて、形状の不整を試験される物体は例え
ば管材１で、その長手方向軸が曲つているものと
する。２台のテレビカメラは管軸方向の直線上
に、異なる２点で入力画像２をとらえる。それぞ
れ画角（点線矩形）２ａ，２ｂを有し管軸に対し
てほぼ垂直方向に矢印の走査線３ａ，３ｂのごと
く走査して、映像信号４ａ，４ｂを得る。映像信
号には水平同期信号HORa，HORbがある。管の
外径は一様で均一であるのが普通であるから、通
常は第１図に示したような映像信号４ａ，４ｂが
得られる。ただし、被検物体の存在により、背景
の黒レベルに対して、信号が白レベルで現れる場
合について述べてゆく。（逆の場合についても、
同様に考えることができることは明らかである。）つぎに、映像信号を用いた相関演算の原理を音
響光学的画像相関装置について説明する。第２図
にその構成略図を示す。この装置は一般に使用さ
れているテレビカメラの映像出力信号が電気光学
的相関器の入力信号として適当な繰返し周期と周
波数帯域をもつことに着目し、電気光学的相関器
によつて各水平走査ごとの映像信号の相関信号を
得、受像器画面上で相関画像を構成するものであ
る。第２図における画像相関装置では、入力画像
２を掃引信号発生器５、テレビカメラ６、同期信
号分離回路７より成る撮像装置１００で撮影し、
得られた映像信号を相関器１０１に入力して各水
平走査ごとの映像信号の相関信号を得る。この相
関信号を同期信号混合器８、受像器９より成る受
像装置１０２に入力し、前記受像器９の画面上に
前記入力画像２の相関画像を表示させる。

次に映像信号を用いた光学的相関演算の原理を
簡単に説明する。前記相関器１０１は、２個の超
音波光変調器とフーリエ変換光学系を有した、実
時間電気光学的相関器の一種であり、２個の超音
波光変調器に加える電気信号をf₁（ｘ），f₂（ｘ）
とすれば、相関出力信号Ｃ（τ）は次式で与えら
れる。

Ｃ（τ）＝∫^d _-dF₁（ｘ−τ）F₂（ｘ＋τ）dx……(1) ただし、F₁（ｘ）＝｛f₁（ｘ）｝²、F₂（ｘ）＝｛f₂
（ｘ）｝²であるが、f₁（ｘ）、f₂（ｘ）がともに２値
信
号の場合にはF₁（ｘ）＝f₁（ｘ）、F₂（ｘ）＝f₂（ｘ）
が成立する。(1)式の積分区間〔−ｄ，ｄ〕はフー
リエ変換光学系の光束の幅により決まる値であ
る。また、光学系内のレンズの作用で積分演算
が、超音波光変調器内での超音波伝搬でｆ（ｘ）
の移動（遅延）τが自動的に行なわれるため(1)式
の演算を実現することができる。(1)式を自己相関
演算の場合を例にとつて説明する。第３図は前記
撮像装置１００による映像信号の撮り方を示した
図である。前記掃引信号発生器２により前記テレ
ビカメラ６を図のように双方向水平走査させ各水
平走査ごとに走査方向が反転している映像信号ｆ
（α，ｉ）を得る。αは水平走査方向座標、ｉは
水平走査回数である。この映像信号ｆ（α，ｉ）
は白黒２値の信号であるとする。ｆ（α，ｉ）が
前記相関器１０１に入力され、相関器内で行なわ
れる相関演算の様子を第４図に示す。第４図ａ，
ｄは入力された映像信号ｆ（α，ｉ）が相関器内
の超音波光変調器により互いに反対方向にτの速
度で伝搬して行く状態を示しており、中央部分２
ｄで相関演算が行なわれる。２ｄの幅は相関器内
の光束の幅であり、前述した積分区間に相当す
る。また、相関器内では映像信号ｆ（α，ｉ）と
ｆ（α，ｉ＋１）その相互相関が行なわれる。同
図ｃは積分区間２ｄにおけるｆ（α，ｉ）とｆ
（α，ｉ＋１）との相互相関出力を示している。
図でも明らかなように光学的相関器内ではｆ（α，
ｉ）≒ｆ（α，ｉ＋１）が成立し、ｆ（α，ｉ）と
ｆ（α，ｉ＋１）との相互相関は次式のようにｆ
（α，ｉ）の自己相関Ｃ（τ）を表わす。

Ｃ(τ,i)＝∫^d-dｆ(α-τ,i)ｆ(α+τ,i)dα ……(2) ここで重要な点は、積分区間２ｄにおいてｆ（α，
ｉ）とｆ（α，ｉ＋１）との相関演算を行なうた
めには、少なくともｆ（α，ｉ），ｆ（α，ｉ＋１）
の信号の前後にこれらの信号の長さの1/2以上の
無信号部分が存在しなくてはならないことであ
る。すなわち、同図に示すように水平同期時間を
Thとすれば入力画像より得た映像信号の各水平
走査ごとの長さはTh／２以下とし、残りの部分
は無信号区間とするか、または、映像信号を各走
査毎に一つおきに無信号化し、水平同期時間Th
の長さの映像信号と無信号区間とを交互に作り出
す必要がある。

さて、本発明ではこの様な超音波とコヒーレン
ト光との相関演算を利用した音響光学的画像相関
装置を用いて２台のテレビカメラの映像信号を相
互相関演算し、その最大振幅値が出現する位置、
言いかえれば、電気信号では時刻に相当する水平
同期信号からの経過時間の変化を検出し、テレビ
カメラで撮影した物体の中心位置が一致している
（たとえば水平走査の中央位置にある）か否かを
判定するようにする。

相互相関演算によれば、積分区間内で相関をと
るべき２つの信号が、同じ方向に、（水平走査方
向に）等しい距離（位置もしくは時間）だけずれ
ていたとしても、最大出力値の位置には変化を生
じないという特性がある。すなわち、並進に対す
る相関出力の不変性または位相情報の消去と呼ば
れる特性である。この発明では、この特性を利用
して、映像信号から特徴の抽出をはかるようにし
ている。つまり、この特性を利用することによ
り、２台のテレビカメラの視野の画面内で、等し
い距離だけ水平走査方向にずれた位置に存在する
物体の相互相関出力は、テレビ画面の中央部に現
れることになり、物体がテレビカメラの視野のど
の位置に存在しても、その関係は不変である。こ
れに対して、入力物体が２台のテレビカメラで互
いに異なる視野位置にある場合は、相関出力画像
の位置は、前述の等しい位置に対する相関出力画
像位置（画面中央位置）からずれてくる。このず
れの大きさは被検物体の位置の差に比例した量と
なる。

たとえば、直径が一様な棒状物体の任意の２点
をテレビカメラで撮像し、その映像信号を２値化
した後、相関演算を施すと出力は二等辺三角形の
形状を示す。等しい矩形波形の相関は二等辺三角
形になる。この場合には、この三角形のピーク位
置は電気回路で容易にかつ正確に検出することが
できる。よつて、被検物体の何点かで得た映像信
号の相互相関出力のピーク位置を比較することに
より簡単なシステムで被検物体の形状もしくは配
列の不整、傾きや曲りなどを検出することができ
る。

（構成）つぎに、この発明を図面により具体的に説明す
る。第５図は２台のテレビカメラ６ａ，６ｂを用
いて管の曲りを検出するようにした本発明の実施
例のブロツク図である。図中の記号は第１図ない
し第４図と共通である。テレビカメラは管軸にほ
ぼ垂直の方向に、平行に走査（３ａ，３ｂ）して
映像信号４ａ，４ｂを得ている。相関器１０１か
ら出力される二つの映像信号の相互相関信号Ｃ
（τ）は水平同期信号間の中央からｅだけ離れた
位置にピークをもつ信号として図示してある。こ
れは管軸の曲りによつて映像信号４ａが中央から
ずれている信号であることに由来する。相互相関
信号Ｃ（τ）をピーク検出回路１０３によつて、
そのピーク位置を強調するようにして出力すれ
ば、中央からのピーク位置のずれが即ち管の曲り
として検出することができる。なお、この実施例
においては、管１の径が多小異なる（太さにばら
つきがある）場合でも、映像の中央位置（管軸の
位置）で相互相関信号のピークが得られることに
なるから、そのような管であつても、管軸の直、
不直（真直か、曲つたものか）を判定することが
できるという特長を備えていることが理解できよ
う。

また、第５図では１本の管の曲りについて図示
してあるが、第１のテレビカメラの画角２ａと第
２のテレビカメラの画角２ｂとの中にある物体が
異なる二つの物体である場合には、水平走査と直
角方向（長手方向あるいは軸方向）の向きの変
化、すなわち二物体の配列の不整が検出できるこ
とになる。

つぎに本発明の第二実施例を第６図のブロツク
図によつて説明する。この実施例の特徴は、１台
のテレビカメラ６で、時間を違えて二つの映像信
号を得るようにしている。図中記号は第１図ない
し第５図と同じである。第６図の実施例では相関
器１０１に加えられる第一の映像信号４ａは遅延
回路１０４を経ており、タイミングを第二の映像
信号４ｂと合わせて、相関演算が行なわれてい
る。この実施例によれば、被試験物体が軸方向に
移送されている場合に軸の曲りを検出できるし、
軸に垂直方向に幅の変化がある場合にも適用でき
る。

以上の二つの実施例（第５図及び第６図）から
も明らかなように、本発明では次のような実施例
が実現できる。

(イ) 相互相関演算の代りにたたみ込み積分演算を
利用する演算処理。

(ロ) 管、棒などのように、中心軸が直線でなく、
たとえばドーナツツ状の円環形状の物体で、中
心軸が正しく円弧を描いているか否かを検査す
る装置。この場合は円弧の描かれるべき位置が
テレビカメラの視野の中心となるようにセツト
すればよい。

(ハ) 相関器として、音響光学的画像相関器に代え
て、デイジタル演算器を用いることもできる。
これには将来、必要な高速デイジタル信号処理
技術が、たとえば専用LSI等で実用化されねば
ならない。

(ニ) 二本の平行走査に代えて、走査は常に同一の
場所を行なうこととし、走査時間の相違を利用
して、移動する物体の別な場所を走査したのと
同じ効果を生じさせるようにした装置構成。

本願出願後に公開された特開昭59−157507号公
報には、本願発明と類似の形状欠陥検出装置（特
願昭58−32303号）が記載されているが、これと
本願との相異点を列挙すると、次の通りである。

特願昭58−32303号の先願発明の特徴は： (1) 被測定物は一方向について凹凸のない面を有
する物に限定する。

(2) 被測定物の表面に格子状のパターンを投影す
る格子フイルタが必須である。

(3) 相関演算は(2)の格子状のパターンによるモア
レ縞のパターンの映像信号を用い、該モアレ縞
が平行か否かを判断する単純なものである。

(4) 相関器は従来より使用されているデジタル相
関器で、映像信号をＡ／Ｄ変換して相関器入力
としている。

これに対して、本願発明の特徴を各項目毎に比
較列記すれば、 (1) 被測定物に対する限定（例えば、一方向につ
いては凹凸のないこと等）は全く無く、TVカ
メラで撮像可能な画像はすべて入力画像信号と
して処理することができる。

(2) 入力画像に限定条件が付かないのは、格子状
のパターンの投影など、被測定物に対して特別
に照明条件等を規定しなくとも良いことによ
る。被測定物はTVカメラで撮像可能程度に照
明されていれば良い。

(3) 相関演算は入力画像そのものの映像信号
（Ｓ／Ｎ比向上のため、白黒２値を用いる場合
もある）を用いて行い、相関出力の処理は単に
出力振幅値の大小をコンパレータ等で判断する
のではなく、相関出力波形の形状（振幅値、ピ
ーク値の位置他）を判断して入力画像の形状や
配列も判定する。

(4) (3)の相関演算を高速に（ほぼリアルタイム
で）実行するにはＡ／Ｄ変換器付きのデジタル
相関器では不可能であり、本願発明者らがすで
に出願済の音響光学的画像相関装置など、リア
ルタイム相関器が必要である。

以上のように、本願はTV映像信号をそのまま
リアルタイム処理可能な相関器の使用、特に音響
光学的画像相関装置の利用を前提とした本格的な
相関信号処理装置の応用に関する発明であり、モ
アレ縞等、特定画像の比較を相関器で簡便に行う
比較検査装置とは原理、動作、共に明確な相違点
がある。

（効果）以上述べたように、本発明の物体の形状もしく
は配列の不整検出装置は、テレビカメラを用いて
二つの映像信号を得てから、その二映像信号の相
関演算を行ない、その相関演算出力を精査して判
定を下すようにしたから、相関演算のもつ並進に
対する不変性によつて、不整の特徴を簡易なシス
テムで識別し判定できるようにした。この際、前
記先願発明のように、少なくとも一方向について
凹凸のない面を有する物に限定をする必要もない
し、また、モアレ縞を形成するために格子フイル
タを必須の構成要件とする必要もない。

とくに、相関演算を実施するための装置として
音響光学的画像相関装置を利用すると、相関演算
をオンラインで実行できるので、現業生産工程で
生産物の良否判定を即時実施でき、したがつて本
発明の装置を工程のフイードバツク用センサとし
て採用可能とした。

実施の態様は応用方法に合わせて、いろいろな
変形が可能であり、本発明の産業上の利用可能性
は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明するための図面、
第２図は本発明の必須構成要件である相関器の一
実施例の構成図、第３図及び第４図は第２図の相
関器の動作を説明するための図面、第５図および
第６図は本発明の異なる実施例の構成図である。図中、１：被試験物体、３：テレビカメラの走
査線、４：映像信号、１００：撮像装置、１０
１：相関装置、１０２：受像装置、Ｃ（τ）：相関
信号。

Claims

【特許請求の範囲】１直線上に配置され、該直線と所定の角度をな
す方向に走査して、被検物体からそれぞれ第一及
び第二の映像信号を得るための第一及び第二の撮
像装置と、該第一および第二の映像信号を受領し
て、両信号の相関信号を得る相関装置と、該相関
信号の同期信号位置から最大値位置までの間隔の
変化によつて、前記被検物体の走査方向幅の中心
位置が第一の映像信号と第二の映像信号とで走査
方向に変化したことを判定する判定手段とを備え
た物体の形状もしくは配列の不整検出装置。２前記第一の映像信号を得る撮像装置と、前記
第二の映像信号を得る撮像装置とが一個の撮像装
置でなり、時間を違えて前記第一の映像信号と前
記第二の映像信号とを得ることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の物体の形状もしくは配列
の不整検出装置。３前記相関信号を得る装置が音響光学的画像相
関装置であることを特徴とする特許請求の範囲第
１項または第２項記載の物体の形状もしくは配列
の不整検出装置。