JPH0782540B2 - ワイヤの傾き検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は画像処理を用いた物体の検査方法に係り、特に
表面が鏡面であるワイヤの立体形状の測定あるいは検査
に好適なワイヤの傾き検出方法に関する。

［従来の技術］ 従来から３次元形状の検出のための方法は種々研究され
ており、その内容は、昭59年11月20日発行、電気学会編
発行の書籍「外観検査の自動化」の4.2.3項「三次元対
象物の画像入力法」において解説されている。この内、
複数のワイヤの各々に沿う３次元位置を求めるには、レ
ンジファインダによる方法、両眼立体視法の２つの方法
があるが、いずれも次のような問題点がある。まずレン
ジファインダによる方法においては、投光したスリット
光の当っている物体上の各点を、別の角度からTVカメラ
で撮像するが、このためには物体表面が拡散反射成分を
持つことが必要である。ところが鏡面反射面を持つ金属
ワイヤではこの成分がほとんどないためワイヤの方向が
ある特定の方向でない限りTVカメラには光が入らず、従
って光の当った点は検出できない。

一方、両眼立体視法では、対象の特定の点が２つのTVカ
メラの画面のどの位置に写るかによって対象への距離を
算出するが、そのためには、その特定の点が、各画面の
走査線上でユニークに１点として求められる必要があ
る。ところがワイヤは線に沿って同じ形状が連続してい
るためワイヤの方向が走査線の方向と近くなると、対応
点の決定に誤差が大きくなり、さらに走査線の方向と一
致すると原理的に検出不可能となってしまう。

他の方法も類似の問題点があり、従来にはワイヤ立体形
状を検出する有効な方法はなかった。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の３次元位置検出の方法は、拡散反射成分を持つ物
体であるか、あるいはコーナや凸起、表面の模様などの
ある物体であるかの条件を必要としていた。これらの条
件のどちらにも適合しない物体についてはその立体形状
を検出できないという問題があった。

本発明の目的は、上記の制限条件から外れる鏡面からな
る線状物体特にワイヤの傾きを検出する方法を提供する
ことにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、ワイヤを撮像する２次元セ
ンサ（以後カメラと呼ぶ）の光軸を中心とする円周上に
光源を有するリング状の照明手段（以後リングライトと
呼ぶ）にて、ワイヤを照明し、カメラでの撮像からワイ
ヤの明暗パターンを求め、明暗パターンおよびリングラ
イトの照明光のワイヤに対する入射角からワイヤの光軸
に垂直な面に対する傾きの範囲を検出する。

また、リングライトの照明光の入射角を変更することに
より、ワイヤの光軸に垂直な面に対する傾きを検出す
る。

［作用］ リングライトは、その径を被検査対象のワイヤに比べて
大きくすると対象上のどの点においてもカメラ光軸とほ
ぼ一定の角度を持った円錐状の入射光線があるようにす
ることができる。従って、もし光軸に垂直な面に対して
α/2だけ傾いた面の要素が存在すると、その面からは強
力な反射光がカメラに向うことになる。その結果画像中
で高い明るさを持った点として撮像される。

また、ワイヤは通常円断面を持つと考えてよい。

以下第７図を用いて照明光の入射角がα、ワイヤの傾き
がφのとき、ワイヤと照明光を水平面に投影したときの
角度差βとの関係を示す。ワイヤの中心軸Ｇの１点０を
中心とし、ワイヤ径と同じ直径の球を考える。この球は
ワイヤ表面と円Ｈで接する。０からカメラ光軸の方向こ
こでは垂直上方のベクトルＭと球との交程をＣとし、Ｇ
とＣを含む垂直面と円Ｈとの交点をＴとする。∠COTは
ワイヤの傾きφに等しい。ＴにおいてCTと円Ｈは直交し
ている。円Ｈ上でカメラ光軸の方向へ反射光を返す点を
Ｐとする。Ｐ点におけるワイヤ表面および球面の垂線Ｎ
は０を通す。鏡面反射の条件から光入射ベクトルＬと、
N,Mは同一平面上にあり、ＭとＬのなす角はα、ＭとＮ
のなす角∠COPはその1/2でα/2である。

ここで球面上に三角形CTPがあることになりＴが直角の
三角形である。垂直上方から見てCTはワイヤ軸の方向、
CPは光の入射方向であり、Ｃにおける角度はβである。
球面における直角三角形に関しては次の式（１）が成立
ちβが求められる。

また∠POTをδとすると次の式（２）が成立つ sinδ＝sinβsin（α/2） …（２） これから理解できるようにφの最大値はα/2で、それは
βおよびδが０のとき、すなわちＰとＴが同一の点にな
ったときに起る。またφ＝0,β＝π/2のときにはδが最
大値α/2をとる。

もしワイヤが円弧状であるとすると、それを上方から見
たとき、（ハ）に示すように反射光の戻る点Ｐの軌跡は
楕円状となる。その軸方向の端にあたる点P₁,P₂におけ
るワイヤの傾きはいずれもα/2である。従ってワイヤの
傾きφが小さくφα/2であれば、リングライトのいず
れかの光源からの反射光がカメラに入射するが、ワイヤ
の傾きが大きくφ＞α/2となるとその部分からは反射光
がカメラに入射しない。すなわちワイヤの傾きが０から
α/2までの部分は明るく光った部分として撮像され、ま
た通常ワイヤの傾きは不連続ではないので、明るく光っ
た領域の端の点の傾きはα/2であると考えられる。

上に述べた原理から、正常なワイヤの傾きパターンと比
較することによって、被検査ワイヤの異常な傾き（多く
の場合大きな傾き）を検出することができる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。複数
のワイヤが張られた対象１をレンズ系２を経てTVカメラ
３で撮像し、その信号を画像処理装置４で処理する。リ
ングライト５をカメラ光軸と垂直に置く。そのとき光源
から対象に向う光線とカメラ光軸とのなす角をαとす
る。検査対象を順次搬送する搬送装置６があり、制御装
置７によって制御されている。搬送の１サイクルが終る
ごとに検査起動信号８が画像処理装置に送られ、検査が
終了すると検査結果信号９が制御装置に返される。制御
装置「不良」の結果を受けとったときに、警報を出して
停止するとか対象を別のルートに排出とかの制御を行な
うようにする。

なお、画像処理装置４と、制御装置７は例えばマイクロ
コンピュータなどを用いて１つの装置として構成しても
よく、そのとき信号8,9は計算機プログラムが扱うデー
タとなる。

また、画像処理装置４は、ワイヤーに沿う明るさの規準
パターンを持ち、入力画像のものとの照合に用いる。

第２図に本実施例における処理のステップを示す。まず
ステップ101で、被検査対象をカメラの視野に搬入す
る。制御装置からの信号を受けて、画像処理装置はステ
ップ102で対象の画像を入力する。ステップ103で対象の
画像に含まれるワイヤの位置を求める。ワイヤの抽出に
は種々の方式が考えられるが、応用毎に背景が異なり、
それぞれに適した方式を採用することになる。例えば背
景が拡散成分を持つほぼ均質な物体であれば、ワイヤが
極端に明か暗であるため、画像においてその境界で大き
な空間微分値が検出される。ワイヤの幅の間隔で検出さ
れる大きな空間微分値の画素を検出してその中点をとる
ことによってワイヤの位置の候補が検出される。次に、
この候補点の中で孤立した点を除き、途切れた点を補充
してワイヤの位置を検出することができる。

ステップ104では、ステップ103で求めたワイヤに沿う各
点の画像内の位置から、画像の値を読み出しワイヤの両
端の間の明るさの分布を求め、これをIiとする。ここで
添字ｉはワイヤに沿ってつけられた番号で、１からＮま
でとし、Ｎは規準パターンにおける点数と同じになるよ
うに、もし差異があるなら全長を規準パターンにおける
点数で分割し、補間することによって再びIiパターンを
求める。このパターンIiにおいてワイヤの傾きがα/2以
下であれば大、α/2以上であれば小の値が得られてい
る。

ステップ105では、ステップ104で得たパターンIiと規準
パターンTiとを比較照合する。この照合の方法には種々
考えられ、その選択は応用毎の検査の意義に基づいて行
なうことになる。そのいくつかを次に挙げる。

（１）誤差値として を求め、これが予め定めた許容値以内であるかどうかを
調べる。

（２）誤差値として を求める。これは各点毎の誤差がある閾値εを越える点
数を求め、全点数に対する比率を求めるものである。

（３）明るさパターンIiをある閾値で暗部、暗部に分離
し、その境界点番号を求め、これと規準パターンから予
め求めてある境界点番号とを比較してそのずれ量を求
め、各々の境界について定めておいた許容ずれ量の範囲
の内にあるかどうかを判定する。このとき余分な境界の
存在、あるべき境界の欠落は重大な欠陥として検出され
る。

ステップ106では、上述の各種方法における誤差が許容
できる範囲にあるかどうかを判定する。許容範囲にあれ
ばステップ107でワイヤ形状が良好であるとして、次の
サイクルに戻るためステップ101に移る。許容できない
ときには、ステップ108でワイヤ形状は不良とし、さら
にステップ109で不良検出に対する行動を取る。たとえ
ば、警報を発して、操作者を呼ぶとか、あるいは、自動
排斥装置の起動をかけりとか、さらに対象に対して不良
であることを明らかに示すしるしをつけるなどの方法が
あるが、これらはさらに大きな生産システムの設計に従
って決めればよい。

本実施例においては、ワイヤ形状の良否の判定に有効な
限界角α/2を設定すると、その倍角αに従ってリングラ
イト５を配置するだけの装置配置だけで、後は画像処理
装置４内の処理で判定できるため複雑な構成の装置を必
要とせず、制御も簡単である。

リングライトとしては、蛍光灯リングライトや発光素子
をリング状に並べたもの、光ファイバーの一端を円形に
並べ、他端から照明光を入力するものなどが利用でき
る。

以上に説明した実施例においては、ワイヤの傾きに関し
て、ある角度α/2との大小のみが検出できた。さらに細
かな角度分布について検出するものとして、以下に述べ
る２つの実施例がある。

第３図は第２の実施例における照明系の構成を示したも
のである。同図に示すように、２つのリングライト５−
1,5−２を軸を同じにして重ねる。このようにすると、
照明光の対象への入射角はα₁,α_２の２通りとなる。

この２つのリングライトの両方、あるいは少くとも入射
角の大きい５−２のリングライトは、画像処理装置４あ
るいは、制御装置７によってオンオフの切換えができる
ようにしておく。

２つのリングライトを用いた検査の手順は以下のように
なる。まず、リングライト５−２をオンとして対象画像
をとり込み、ワイヤ位置の検出を行ない、その位置を用
いてワイヤに沿う明るさを求める。ワイヤ傾きα₂/2ま
で明となっている。この明るさパターンで第１の規準パ
ターンとの比較照合を行なう。もし誤差が範囲外であれ
ば、この段階で不良と判定できる。誤差が範囲内であれ
ば、次にリングライト５−２をオフ，リングライト５−
１をオンとする。今後はワイヤ傾きα₁/2はで明となっ
ている。既に求まっているワイヤ位置を用いて明るさの
パターンを求め、この明るさパターンで第２の規準パタ
ーンと比較照合を行なう。もし誤差が範囲外であれば不
良、範囲内であれば良品と判定する。

この実施例では、水平からα₁/2まで、α₁/2からα₂/2
まで、α₂/2以上と３つの角度範囲に分けてワイヤ形状
を検査することができるので第１の実施例より細かく形
状を検査することができる。またこのリングライトの構
成の利用法として、α_２を大きく、例えば80゜などに設
定するとワイヤの傾き40゜以内の部分が明るく撮像さ
れ、多くの応用例でワイヤの全域にわたって明るくなる
ことが期待でき、ワイヤ位置の検出が単純な２値化など
で行えるなどの長点がある。

第２の実施例の考え方をさらに進めて、３つ以上の必要
な数だけリングライトを重ねる構成を採用することも可
能であり、より詳細な検査を行うことができる。

また各リングライトの入射角は、検査対象の品種に応じ
て設定を変更してもよい。そのようなリングライトの支
持の構造は容易に実現可能である。

さらに第４図に示すようにこれら設定を柔軟に変更でき
るよう、リングライトを駆動機構によってカメラ光軸方
向に自動設定を可能としてもよい。

第５図は第３の実施例におけるリングライトの構成を模
式的に示したものである。リング状の基材21に、円周に
沿って等間隔にＮ個の発光素子22−1,22−2,…,22−Ｎ
を並べ、個別に配線23−1,23−2,…,23−Ｎを駆動回路2
4まで行なう。駆動回路24は画像処理装置４あるいは制
御装置７からの制御信号によって個別に駆動電流のオン
・オフを行なうための回路である。このような回路はレ
ジスタと電流のスイッチ回路、制御信号のデコーダなど
から容易と構成することができる。

平面図Ａ−Ａ′での断面を第５図の下方に描いている
が、発光素子をリング内側の方に折曲げている。発光素
子からの光束は鋭い指向性を持つビームである必要はな
く、もしろTVカメラの視野となる対象の全幅にわたって
均一な光を与えるものが望ましい。

第６図は第５図のリングライトを用いたワイヤ形状の検
査の手順を示したものである。

対象をカメラの視野に搬入し（ステップ201）、まず全
ての発光素子を点灯して（ステップ202）、対象を撮像
し画像中からワイヤを抽出する（ステップ203）。抽出
結果からワイヤに沿う各点の位置Ai（xi,yi）と方向θ
を求める（ステップ（204）。方向は既知とすることも
ありうる。

次にワイヤの傾きについてチェックしたい角度φがある
と、ちょうど傾きがφのときに反射光がカメラに入るよ
うな入射角を求める。入射角の内カメラ光軸との角θは
既知であるので、リングに沿う角度θ′を求める。θ′
とθとの差βは式（１）によってφ，αから計算できる
のでθ′を求めその方向に求も近い発光素子を決定する
ことができる。発光素子は離散的にしか配置できないの
でその角度θ″から逆にφ′を求めておくこともでき
る。決定した発光素子のみを点灯し、他の素子を消すこ
とによってワイヤの１点が光るようになる（ステップ20
5）。ワイヤに沿う明るさIiを求め（ステップ206）これ
を規準パターンTiと照合する。この照合の方法には前述
のように種々の方法があるが、特に位置を比較する方法
が本実施例に適している。

照合の結果誤差が範囲内にあると、さらに他のワイヤ傾
き角について調べるかどうかをみる（ステップ209）。
調べる場合にはステップ205に戻る。もう調べる必要が
ないときにはワイヤ形状を良とし（ステップ210）、ス
テップ201に戻って次の対象の検査に移る。照合の結果
誤差が範囲内にないときにはワイヤ形状を不良とし（ス
テップ211），不良品に対する処置を行なう（ステップ2
12）。

この実施例では、１つのリングのみで、種々のワイヤ傾
き角についての検出が可能であり、リングライトのスペ
ースが小さくて済むのが長所である。また各々１端をリ
ング状に並べた光ファイバーで発光素子からリングまで
光を送るようにしてもよい。このときリングを小さくし
たり、より多くの角度を設定することが可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、通常のTVカメラ
１台と、容易に構成できるリングライトを用いることに
より、非接触でワイヤの３次元的形状を検査することが
でき、簡単な装置構成で高速に検査が可能となる効果が
ある。また高速に動く機構部分も必要とせず、長寿命、
高信頼、高速な検査が可能となっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の基本的な実施例の装置構成図、
第２図は第１の実施例の検査手順を示す図、第３図は第
２の実施例における照明装置の構成図、第４図は第２の
実施例の照明装置の別の構成図、第５図は第３の実施例
における照明装置の構成図、第６図は第３の実施例にお
ける検査の手順を示す図、第７図はワイヤと照明光の入
射反射の幾何的関係を説明する図である。 １……被検査対象、３……TVカメラ、４……画像処理装
置、５……リングライト、７……制御装置、22……発光
素子、23……発光素子駆動回路。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワイヤを撮像する２次元センサの光軸を中
   心とする円周上に光源を有するリング状の照明手段にて
   ワイヤを照明し、 上記２次元センサでの撮像からワイヤの明暗パターンを
   求め、 上記明暗パターンおよび上記リング状の照明手段の照明
   光の上記ワイヤに対する入射角から上記ワイヤの上記光
   軸に垂直な面に対する傾きの範囲を検出することを特徴
   とするワイヤの傾き検出方法。
2. 【請求項２】上記入射角を変更することにより、上記明
   暗パターンおよび変更した入射角から上記ワイヤの光軸
   に垂直な面に対する傾きを検出することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のワイヤの傾き検出方法。
3. 【請求項３】上記リング状の照明手段を複数個設け、上
   記リング状の照明手段の点灯を切り換えることにより、
   上記入射角を変更することを特徴とする特許請求の範囲
   第２項記載のワイヤの傾き検出方法。
4. 【請求項４】上記リング状の照明手段を上記光軸方向に
   移動可能とすることにより、上記入射角を変更すること
   を特徴とする特許請求の範囲第２項記載のワイヤの傾き
   検出方法。
5. 【請求項５】上記リング状の照明手段は、複数の点滅可
   能な発光素子を上記光軸を中心とする円周上に配置した
   ものとし、 上記発光素子を一斉に点灯して、検出すべきワイヤを照
   明し、 上記ワイヤを２次元センサで撮像し、 上記撮像した画象において明暗パターンからワイヤの平
   面上の方向および位置を抽出し、 上記ワイヤの平面上の方向と所定の角度にある上記発光
   素子を点灯し、 上記ワイヤを２次元センサで撮像し、 上記ワイヤの第２の明暗パターンを抽出し、 上記第２の明暗パターンに基づき上記撮像面に対するワ
   イヤの傾きを検出することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のワイヤの傾き検出方法。