TW201205033A - Shape measuring device and calibrating method - Google Patents

Description

201205033 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種測量測量對象物之表面之三維形 狀的技術。 【先前技術】 已知一種藉由分析以相機所拍攝之影像，求得測量對 象物表面的法線（或斜率）以復原其三維形狀的技術。例 如，在專利文獻1，揭示從多段地配置之環狀照明照射同 心圓狀的圖案光後，測量焊接表面之斜率的手法。又，在 專利文獻2，揭示在醫療用內視鏡，將圖案光照射於活體 組織，從其正反射方向計算法線以復原活體組織表面之形 狀的手法。又，在專利文獻3，揭示使用平行光照明與線 感測器以測量迴焊後之焊接表面之斜率的手法。除了這些 手法以外，亦已知使複數個光源依序點燈，並觀察物體之 陰影的變化’藉以求得物體表面之法線的手法（所謂的光度 立體攝影法）’或以相異的角度照射紅、藍、綠之3色光， 並觀察物體表面的顏色，藉以求得其法線方向的手法 (Structured-light)等。 [專利文獻] [專利文獻1]特開平8-14849號公報 [專利文獻2]特開2009-273655號公報 [專利文獻3]特開20〇9-168582號公報 201205033 【發明內容】 [發明所欲解決之課題] 如上述所示，雖然在依據法線計算的形狀測量手 有各種方式，但其基本原理，在所謂的進行將影像的 量（顔色或亮度）與法線（或光源角度）賦予對應這點上 通的。舉鏡面物體的測量裝置爲例作說明，如第1 7 所示，在某測量點P觀測來自於光源L之入射光之特 色或亮度）的情況，求得在點P之法線的角度0，作爲 L之角度的1/2。 在這種裝置中，一般是以相機之視野的中心爲基 置來設定光源L之角度0。因而，嚴格說來，當測量 素的位置）偏離視野中心時，會發生法線的計算誤差 如，如第1 7圖（b)所示，儘管測量點p ’之實際的法線 ㊀ 比中心點P的法線角度β大’但都被算出成相同 度。在此發生的誤差（I θ’ 一 θ| )係根據從視野之 點Ρ至測量點Ρ ’爲止的距離d、與從視野之中心點ρ 源L爲止的距離1所決定，d變大時誤差變大，而1變 誤差變小。以往，藉由以1遠大於d的方式設計裝置 在實用上忽略誤差。 可是，在基板外觀檢査（AOI系統）等的領域中， 使檢查裝置小型化或提高檢査速度，需要寬視野化， 無法充分取得d與1的差，而無法忽略法線的計算誤 法存 特徵 是共 圖（a) 徵（顏 光源 準位 點（像 。例 角度 的角 中心 至光 :大時 :，而 爲了 所以 差。 201205033 本發明係鑑於上述之情況而開發者，其目的在於提供 一種用以儘可能縮小因測量點位置的差異所造成之法線的 計算誤差，且高精度地算出測量對象物之三維形狀的技術。 [解決課題之手段] 爲了達成該目的，在本發明，藉由因應於測量點（注意 點）的位置，適應地切換法線計算用的資料（表或變換式 等），使計算誤差小至實際上可忽略的程度。 具體而言，本發明的形狀測量裝置係具有：照明手段， 係將光照射於配置在工作台上的測量對象物；攝像手段， 係拍攝該測量對象物；特徵量算出手段，係在從該照明手 段照射光之狀態藉該攝像手段拍攝，藉此得到影像，再從 該影像’對該測量對象物之表面上的複數個注意點算出關 於顏色或亮度的特徵量；記憶手段，係預先記億資料，而 該資料係將特徵量的値與用以從特徵量的値特定表面之法 線方向的資訊賦予對應；及形狀算出手段，係藉由參照該 記憶手段所記憶之資料，從利用該特徵量算出手段所算出 之特徵量的値算出在該複數個注意點的法線方向，再從該 算出結果算出該測量對象物之表面的三維形狀；該形狀測 量裝置的特徵爲：該記憶手段係記憶對在該攝像手段的視 野內設定之複數個基準位置所製作的複數個資料；該形狀 算出手段係因應於注意點的位置，切換參照的資料。 依據本構成，因爲因應於注意點的位置，切換資料， 所以可不管注意點的位置，使法線的計算誤差變小。因此， 201205033 與以住s置相比，可商精度求得測量對象物表面的三維形 狀。反之可說，亦可在仍然保持與以往裝置相等的精度下， 使裝置小型化或寬視野化。在此’作爲「用以從特徵量的 値特定表面之法線方向的資訊」，例如有法線方向、斜率（傾 斜）、入射光（光源）的角度等。 以使各個副區域包含該基準位置的方式將該攝像手段 的視野分割成複數個副區域，且按各副區域將資料賦予對 應’該形狀算出手段係選擇與注意點所屬之副區域對應的 資料’作爲參照的資料較佳。依據本構成，因爲可簡單地 決定應參照的資料’所以可使處理簡易化及高速化。當然， 資料的選擇方法未限定如此。雖然處理變得稍微複雜，亦 可作成檢測出最接近注意點的基準位置後，參照與該基準 位置對應的資料’或者，亦可選擇接近注意點的複數個基 準位置後’使用那些複數個資料的內容（例如內插），算出 法線。 在此’該複數個資料的各個係在將表面形狀是已知的 教導用物體配置於該基準位置，並從該照明手段照射光之 狀態’利用該攝像手段拍攝，再使用所得之該教導用物體 的影像所製作較佳。藉由依此方式使用裝置本身的構成製 作資料’因爲可將照明手段或攝像手段之個體差異或組裝 誤差等編入資料，所以可期待提高精度。 該照明手段係具有既定面積之發光區域的面光源，從 該發光區域內的各位置所照射之光的光譜分布彼此相異較 201205033 佳。藉由使用這種照明手段，只測量（照明及拍攝）一次， 可求得測量對象物的三維形狀，而可縮短測量時間。 該照明手段係照射重疊著具有彼此相異的發光強度分 布之複數個照明圖案而成的光’或依序照射該複數個照明 圖案的面光源，各照明圖案的發光強度分布係將與通過配 置該測量對象物之點的該工作台平行的直線作爲中心軸， 發光強度被設定成相對於繞該中心軸的角度呈線性地變化 者較佳。藉由使用這種照明手段，即使是反射特性不均勻 的物體或表面粗糙的物體，亦可高精度地測量。此外，由 於構造上或設計上的理由等’亦有難實現嚴密之線性的情 況。在此情況，只要實質上實現線性即可。即，在本發明， 「發光強度呈線性地變化」係包含「發光強度實質上呈線 性變化」的槪念。 此外’本發明可理解爲具有該手段之至少一部分的形 狀測量裝置。又，本發明亦可理解爲那種形狀測量裝置的 校準方法’或者包含該處理之至少一部分的形狀測量方法 或用以實現該方法的程式。該手段及處理的各個係可儘可 能彼此組合，而構成本發明。 例如，本發明的校準方法，該形狀測量裝置係利用照 明裝置將光照射於測量對象物，在照射光之狀態利用攝像 裝置拍攝該測量對象物，再從對所拍攝的影像之該測量對 象物之表面上的複數個注意點所取得之關於顏色或亮度的 特徵量，算出該測量對象物之表面的三維形狀，該校準方 201205033 法係使已知表面是傾斜的物體配置於攝像位置的視野內， 再利用該照明裝置從至少複數個相異的方向對該物體照射 發光強度分布彼此相異的光；從所拍攝之影像抽出關於該 物體之表面之傾斜的特徵量；記憶將配置該物體之影像上 的位置與該抽出之特徵量賦予對應的資料，作爲在測量對 象物之複數個測量位置之測量値的校準用資料。在此，「已 知表面是傾斜的物體」係半球體較佳。因爲拍攝一次，可 得到全方向（3 60度）的法線資訊，而且從球體的方程式可簡 單地算出法線向量。 [發明之效果] 根據本發明，可儘可能地縮小因測量點位置的差異所 造成之法線的計算誤差，並高精度地算出測量對象物之三 維形狀。 【實施方式】 以下，參照圖面，說明本發明之較佳實施形態。本實 施形態的形狀測量裝置是根據影像分析來進行鏡面物體的 三維測量。本裝置是可應用在各種自動測量裝置、自動檢 查裝置及機器人視覺等的物體識別，例如可適用於基板外 觀檢查裝置（AOI系統）之焊接的好壞檢查、或金屬加工物 表面之凹凸檢査等。 <測量裝置的整體構成> 參照第1圖，說明形狀測量裝置的整體構成。第1圖 係表示形狀測量裝置之硬體構成的示意圖。 201205033 形狀測量裝置大致上係具備測量工作台5、檢查頭H 及資訊處理裝置6而構成。在檢查頭H ’安裝：照明裝置 3，係用以將測量光照射於配置在測量工作台5上的測量對 象物4 ;及相機（影像感測器）1 ’係從正上方拍攝測量對象 物4。資訊處理裝置6具備有CPU(中央計算處理裝置）6〇、 記憶體6 1、記憶裝置62、檢查頭控制部63 '影像輸入部 64 '照明裝置控制部66、工作台控制部67、使用者I/F68 及顯示部69等。檢查頭控制部63的功能是控制檢查頭Η 在Ζ方向（垂直於測量工作台5的方向）的移動，工作台控 制部6 7的功能是控制測量工作台5在ΧΥ方向的移動。照 明裝置控制部66的功能是控制照明裝置3之點燈及熄燈 (因應需求切換照明圖案）。影像輸入部6 4的功能是從相機 1取入數位影像。使用者I/F6 8是由使用者所操作之輸入裝 置’例如適合爲指示裝置、觸控面板及鍵盤等。顯示部69 是以畫面顯示測量結果等的部分，例如由液晶顯示器等所 構成。 在測量時’檢查頭Η與測量工作台5相對地移動，而 測量對象物4被定位在既定測量位置（在第1圖的例子中是 照明裝置3的中央（相機1的光軸與測量工作台5的交 點然後，在從照明裝置3照射測量光之狀態拍攝影像。 部64被取入於資訊處 以下，詳細說明形狀 以相機1所拍攝之影像經由影像輸入 理裝置6，以供作後述的影像分析，。 測量裝置的構成及處理。 -10- 201205033 (照明裝置） 照明裝置3如第1圖所示，是作成圓頂形狀的面光源， 此圓頂形狀全部是發光區域。此外，相機1用的開口設於 照明裝置3的天頂部分。這種照明裝置3例如.可由圓頂形 狀的彩色濾光器與從其外部照射白光的光源所構成。又， 例如亦可作成使複數個LED晶片排列於圓頂的內側以穿過 擴散板地照射光的構成。又，亦可將液晶顯示器或有機電 致發光顯示器等作成圓頂形狀，而構成照明裝置3。 爲了可從測量對象物4的全方位照射光，照明裝置3 之發光區域的形狀是以半球狀的圓頂形狀較佳。依此方 式，可測量所有方向的法線。可是，只要是從與作爲測量 對象之法線方向對應的位置照射光的形狀，發光區域的形 狀亦可爲任何形狀。例如，將表面的法線方向限定爲大致 鉛垂方向時，則水平方向（從角度小的方向）不必照射光。 在照明裝置3之發光區域之各位置的發光係被設定成 在全部的位置發出光譜分布相異的光。例如，在發光是以 紅光（R)、綠光（G)、藍光（B)之3色光成分合成來實現的情 況，如第2圖所示，使RGB各成分的發光強度在圓頂上相 對於不同的方向作變化。在此，作成變化方向相互呈120 度。藉由這種RGB成分的組合，在發光區域之各位置的發 光係成爲RGB各成分的組合全部相異，因此，能以在全部 的位置發出光譜分布相異的光，若朝向測量對象物4的入 射方向相異，則入射光的光譜分布（RGB的強度比）就相異 -11 - 201205033 的方式作設定。此外，發光色不僅是上述的3色，亦可使 用3色以上的色成分（色頻）。 此外’在第3圖（a) (b)表示在第2圖之一個成分光的強 度變化（照明圖案）。第3圖（a)係表示一個成分光之等色線 (等發光強度）的立體圖。第3圖（b)係對應於第3圖（a)的側 視圖。依此方式，通過圓頂（半球）之直徑的平面與圓頂之 交線係成爲等色線。此外，雖然在第2、3圖表示成R G B 各成分的發光強度呈階段地變化（在圖上以8階段變化）， 但此乃係爲了使圖面容易看的緣故，實際上各成分光的發 光強度（亮度）是連續地變化。而且，此發光強度的變化係 設定成相對於角度呈線性變化。更具體言之，在將發光強 度的最小値設爲Lmin、發光強度的最大値設爲Lm ax、且 包含等色線的平面與水平面之夾角設爲0時，以在此等色 線上的發光強度 L(0)可滿足 L(0)= Lmin + (Lmax — Lmin)x(0/n)的關係之方式設定發光強度。當如第3圖（a) 所示定義出「極」時，則此0是經度，在本實施形態的光 源分布（照明圖案）可表達成相對於經度呈線性地變化。或 者，此照明圖案亦可表達成：以與通過配置測量對象物之點 〇的測量工作台5平行的直線作爲中心軸，發光強度被設 定成相對於繞此中心軸的角度0呈線性地變化。 藉由利用具有這種光源分布（照明圖案）的照明裝置， 可僅由1張影像測量出測量對象物的表面形狀（法線方 向）。茲參照第4圖作說明。設位在測量對象物4的表面上 -12- 201205033 之某點的法線方向是箭號N的方向、天頂角是0、方位角 是0。此時，利用相機1所拍攝之該點的顏色成爲在照明 裝置3的區域R發光並向測量對象物4射入之光的反射 光。依此方式，表面的法線方向（Θ、</>)與光源方向（在照 明裝置3之發光區域的位置）係一對一對應。而且，因爲從 相異方向所射入的光具有相異的光譜分布（在發光區域之 全部的位置發出光譜分布相異的光），所以藉由調査攝影影 像的顏色（光譜分布），可就天頂角及方位角雙方來算出在 該點的法線方向。 (表） 依此方式，像素的顏色或亮度係與在該點的法線方向 或光源角度t對一對應。因此，在此形狀測量裝置，預先 製作將關於像素的顏色、亮度之特徵量的値與光源角度賦 予對應的表，並預先登錄於記憶裝置62 »在本實施形態， 因爲照明裝置3係投射由紅光（R)、綠光（G)及藍光（B)3種 成分光所組合的光，所以利用RGB各成分的比値作爲特徵 量。例如，可就RGB各成分，將最大亮度標準化爲1後， 再將（R，G,B)的組合作爲特徵量。又，亦可將其他顔色對某 顏色（在此爲G)之比値，例如R/(R+ G)、B/(B + G)等作爲 特徵量。 可是，在使用這種表來計算法線方向的情況，如第17 圖（b)的說明所示’測量點之位置的差異所造成之誤差可能 成爲問題。於是’在本實施形態的形狀測量裝置，將複數 -13- 201205033 個基準位置設定於相.機1的視野內，並對該各基準位置準 備相異的表。而且，藉由因應於位置選擇適當的表後算出 法線’將誤差儘可能地縮小。 以下’參照第5圖與第6圖，詳細說明表製作處理。 第5圖係表示表製作處理之流程的流程圖。又，第6圖（a) 係表示拍攝表製作用影像時之狀態的立體圖（除去照明裝 置3的一部分後之圖示），第6圖（b)係表示表製作用影像 之一例的圖。此外，第5圖所示的處理是藉由資訊處理裝 置6的CPU60從記憶裝置62讀入程式後執行而實現。其 中，亦可利用 ASIC(專用積體電路；Application Specific Integratd Circuit)或 PLD(可程式邏輯元件；Programmable Logic Device)等構成。 如第6圖（a)所示，將相機1的視野10虛擬地分割成 4 X 4共1 6個副區域，並將基準位置1 1設置於各副區域的 中心。然後，將表面形狀是已知的教導用物體1 2(在此， 使用半球體）配置成對準一個基準位置1 1後，從照明裝置 3照射光，再利用相機1拍攝（步驟S 1 0)。所拍攝之影像經 由影像輸入部64被取入於資訊處理裝置6。藉由一面改變 教導用物體12的位置一面重複此處理’而可得到與各基準 位置（各副區域）對應的16張影像。第6圖（b)是將16張影 像合倂而成。此外，因爲在以下的步驟從影像求得教導用 物體12之正確的位置與大小，在攝影時不必將教導用物體 1 2嚴格地定位。 -14， 201205033 接著，CP U60分析此影像，在求得映像於各 之教導用物體12的中心座標與直徑後，使用該中 直徑，從球面方程式算出各像素之法線的角度（步 接著，CPU60將各像素之法線的角度變換成光源7 S 1 2)。此時’雖然亦可藉由使法線的天頂角單純 倍，而求得光源角度，但是爲了成爲從基準位置 的光源角度，以實施幾何學上、光學上的修正計 然後，CPU60按各副區域求取各像素之特徵 製作將特徵量的値與光源角度賦予對應的表（步馬 依此方式所製作的1 6個表被儲存於記憶裝置 S 1 4) ° 此外，雖然亦可利用藉其他的形狀測量裝置 表（泛用表），但以使用此裝置本身來作成表者較 方式’因爲可將照明裝置3及相機1之個體差異 差等編入表，而可期待提升比利用泛用表還高的 種表製作處理以在裝置出貨時進行者較佳。再者 裝置3或相機1有老化的情況，亦可定期地進行 (校準）。 作爲教導用物體1 2，亦可使用任何形狀者。 可使用多面體，亦可使形狀是已知的板傾斜或轉 角度。其中，爲了減少攝影次數，以減少表製作 間’宜使用包含儘可能多之法線（斜率）成分之表 物體。因爲球體（在攝影方向爲一個方向的情況， 副區域上 心座標與 驟 S 1 1 )。 与度（步驟 地變成2 .1看到時 算較佳。 量的値， 装 S 1 3)。 6 2 (步驟 所作成的 佳。依此 或組裝誤 精度。這 ，在照明 表的更新 例如，亦 動成各種 的人力時 面形狀的 亦可如本 -15- 201205033 實施形態爲半球）在一次攝影可得到全部方向的法線資 訊，而且可從球體方程式簡單地算出法線向量，所以最適 合於教導用物體1 2。 此外，雖然在本實施形態設置4><4共1 6個副區域，但 是區域的分割數或基準位置的排列未受此限，可因應於相 機1之視野的大小或要求精度等而適當地設計。又，亦可 不是在拍攝全部的副區域之影像後彙整地製作表，而是按 各副區域來進行攝影及製作表。 (形狀測量） 其次，參照第7圖，說明關於形狀測量之功能及處理 的流程。第7圖係表示形狀測量處理之流程的流程圖。雖 然這些處理係藉由資訊處理裝置6的CPU60從記憶裝置62 讀入程式後執行而實現者，但是亦可利用 ASIC(Application Specific Integratd Circuit)或 PLD(可程 式邏te兀件；Programmable Logic Device)等構成其一部分 或全部。 測量對象物被定位於既定的測量位置時，CPU60從照 明裝置3將光照射於測量對象物，並利用相機1拍攝（步驟 S2 0)。所拍攝之影像經由影像輸入部64被取入。接著， C P U 6 0將影像分割成i 6個副區域（步驟s 2 1 )，而且對測量 對象物部分的各像素（注意點）算出上述之特徵量的値（步 驟 S22) » 5 -16- 201205033 CPU60從記億裝置62讀入與第1個副區域對應的表 時，參照該表，將屬於第1個副區域之各注意點之特徵量 的値變換成光源角度。第1個副區域的計算結束時，CPU60 讀入與第2個副區域對應的表，求取屬於第2個副區域之 注意點的光源角度。依此方式，按各副區域（即因應於注意 點的位置）來適當地切換要參照的表，而針對全部的注意點 來計算光源角度（步驟S23)。 接著，CPU60從各注意點的光源角度算出法線方向（步 驟S24)。在第8圖（a)表示從半球狀之測量對象物4的影像 所算出之法線圖的例子。此外，法線圖是以單位向量表示 在測量對象物表面之各點的法線。 最後，CPU60將在步驟S24所得之各注意點的法線變 換成斜率’並將其.等相連接以復原三維形狀（步驟s 2 5 )。 在此’此處理以「積分」來表達。第8圖（b)表示從第8圖 (a)的法線圖所復原的形狀。 依據本方法’可高精度地復原測量對象物之表面的三 維形狀°此外’雖然在本實施形態利用表算出法線，但是 亦可不是使用表’而是例如使用從特徵量之値算出法線方 向的變換式（近似式）進行法線算出。在此情況，預先按各 副區域設定變換式的參數値，並因應相機所拍攝之注意點 的位置來切換變換式的參數値即可， <實施形態的優點> -17- 201205033 依據本實施形態的形狀測量裝置，由於因應注意點的 位置來進行表的切換，所以可無關乎注意點的位置的情形 下使法線的計算誤差變得夠小。因此可精度佳地求得測量 對象物的三維形狀。反之，可在仍然保持與以往同等的精 度下，謀求裝置小型化、寬視野化。又，因爲作成預先按 各副區域將表賦予對應，並根據注意點屬於哪一個副區域 來切換參照的表，所以應參照之表的決定變得簡單，可使 處理簡單化及高速化。 又，在形狀測量的照明方面，因爲是利用針對全部的 入射角方向射入光譜分布相異之光的照明裝置3，所以可 僅從1張影像針對天頂角成分及方位角成分雙方求得測量 對象物4的法線方向。因爲影像的攝影是僅一次，以及法 線方向的算出係光是調查儲存法線與特徵量之對應關係的 表就可得知，所以可簡單（高速）地測量測量對象物4的表 面形狀。 在拍攝擴散物體（具有反射特性是朗伯（Lambertian)特 性的物體）的情況，該影像成爲來自各種方向的入射光所混 合者。在本實施形態，在照明裝置3的發光區域，使RGB 之3成分的光如第2圖所示在等間隔的方向（彼此相差120 度的方向）變化，而且使其變化的程度相同。因此，如第9 圖所示，關於任意的天頂角，在該天頂角之來自全方位角 之每一色的光強度總和在各顏色相等。對全天頂角積分， 各色之光強度的總和亦相等。因而，從擴散物體向位於鉛 -18- 201205033 垂方向之相機射入的光之RGB的成分光全部成爲相同的 強度，該攝影影像係成爲對擴散物體拍攝白色的反射光。 即，在攝影對象是由鏡面物體（測量對象物體）與擴散物體 雙方所構成的情況’可測量鏡面物體的表面形狀，而且可 對擴散物體進行宛如照射白光的攝影。因此，例如在進行 焊接檢查時，對焊劑以外的對象（基板、1C等）可根據對象 顏色實施檢查。 又，藉由利用上述的照明裝置3，亦可針對反射特性 不均勻的對象物進行高楕度的測量。以下，茲作說明。如 第10圖所示，射入不是完全鏡面的物體之光的反射光係由 在正反射方向尖銳且窄的光（鏡面尖光）、及朝向偏離正反 射方向之方向的模糊擴展的光（鏡面瓣光）之2種光所構 成。鏡面瓣光意指由測量對象表面上之微小凹凸面 (micro facet)所引起之鏡面反射光的擴展。微小凹凸面的方 向愈不均，即表面愈粗糙，鏡面瓣光愈擴展，反之微小凹 凸面之方向的不均愈小，愈接近完全鏡面之狀態。在此， 從正反射方向的偏移（角度）與瓣光對尖光的光強度之比値 係表示反射特性。以反射特性不均勻的物體而言，鏡面瓣 光的形狀會因各表面位置的表面粗糙度而不同。在表面很 粗糙的情況，反射光僅由鏡面瓣光所構成。鏡面瓣光與鏡 面尖光的比値接近1，兩者變得難以區別。 由於有這種鏡面瓣光的擴展，在攝影影像的亮度値不 僅受到來自與物體的表面位置對應之發光區域（第4圖中 -19- 201205033 的區域R)的光影響，且亦受到來自其周圍的光影響。即， 以表面粗糙的物體而言，會造成來自與正反射方向對應之 發光區域的光和來自其周圍區域的光相混合，而成爲觀測 與完全鏡面之情況相異的光譜特徵。 此時，若能進行來自周圍之區域的光剛好取消而保持 和完全鏡面的情況同樣之光譜特徵的照明，則即使是反射 特性不均勻的物體或表面粗糙的物體，亦可宛如與完全鏡 面之物體一樣地測量。而爲了予以實現，理論上，只要如 以下所示設定照明裝置3的光源分布（照明圖案）即可。 即，如第1 1圖所示，在將從入射角（0 i、0 i)的方向 向測量點P射入之光源的放射亮度設爲Li (p、0 i、0 i)時， 關於在點P之任意的法線向量及發光區域上之任意的點對 稱區域Ω，以下的數學式成立。 [數學式Π /fc，，武)siB 贫邱辦=銬，禽） 在此，Ρ是物體表面上的測量點，（θί、（/li)是光源的 入射方向（0是天頂角成分，</>是方位角成分，以下一 樣。），（0 r、0 r)是光源光的反射方向（相機的視線方向）， f是點P的反射特性，Ω是看反射特性f中的鏡面瓣光的立 體角，kf是放射亮度的衰減百分比（與物體表面的反射特性 相依）。 在本實施形態的照明裝置3 ’將RGB各成分光的發光 強度設定成相對於角度（經度）呈線性變化（參照第2、3 -20- 201205033 圖）。亮度相對於角度（經度）呈線性變化的照明圖案是該數 學式的一個近似解。又’將RGB各成分光的圖案重疊所得 之照明裝置3的照明圖案亦成爲該數學式的近似解。 參照第1 2圖，從別的觀點來說明利用這種照明圖案可 抵消鏡面瓣光的影響。第1 2圖係爲了說明本實施形態之照 明圖案的效果，而表示可得到接近理想的光之亮度變化方 向的一維方向的圖。在此’如第12圖所示，僅考慮來自角 度a(正反射方向）、角度a+o：及角度a— α3個點的光。 來自角度a+ a、a- α之位置的光之瓣係數彼此相等，設 爲σ。又，照明裝置3在角度a—α、a、a+a之各個位 置的發光強度，設爲是與角度成正比的（a— a)L、aL、（a + a)L。於是，來自這3個點之反射光的合成係成爲σ (a —a)L+aL+ a(a+ a)L = (l+2cr)aL，得知來自圍圍的光 之擴散光所造成的影響全部被抵消。此外，雖然在此僅考 慮a±a的2個點，但可容易得知來自圍圍之光之擴散光的 影響會全部被抵消。這情形針對RGB各個光是成立的，因 此，利用RGB各色之發光強度的比値所表示的特徵量成爲 與完全鏡面反射之情況相同的値。因而，即使是反射特性 不均勻之物體的情況，亦與完全鏡面反射之情況一樣，可 從1張影像高精度地取得測量對象物的表面形狀。 此外，上述的說明是關於可得到最理想之效果的方向 的說明。關於其他的方向，如上述所示的線性失效’雖然 嚴格說來無法抵消擴散反射的影響，但在實用上無問題之 -21- 201205033 範圍是可除去擴散反射的影響。雖然上述的實施例的關於 鏡面物體的測量’但是本發明亦可應用於擴散物體的測 量。在擴散物體的法線測量方面，已知有光度立體攝影所 代表之色度成形法（Shape from Shading)的手法。Shape from Shading是利用亮度會隨著擴散物體之面的傾斜（法 線）遠離光源方向而變暗的性質而從物體之面的亮度求得 形狀的手法。這些與在該鏡面物體的實施例一樣，從預先 將測量用照明投影於形狀是已知的教導用物體（大多爲球） 所拍攝到的影像，預先求得物體之法線與面之亮度的對應 關係’而與鏡面物體同樣地，當因教導用物體的位置與檢 查位置相異而與光源的位置關係產生變化時，亮度與法線 的關係瓦解而發生誤差。教導用物體之位置與測量位置的 距離愈遠，誤差愈大，這點亦相同。因此，利用本發明， 針對擴散面，係依據複數個視野內的基準位置，按各位置 來切換對應關係並測量，可儘可能地縮小影像整體之法線 算出精度的惡化。 <照明裝置的變形例> 在該實施形態的說明，雖然是利用重疊有使RGB 3色 的發光強度相對於各相差1 2 0度的方向與角度一起變化之 圖案的照明裝置，但是照明圖案未受限於此。例如，亦可 利用如第1 3圖（a)所示，以3色分別在下方向、右方向、 左方向變化的圖案的方式將各個對相異方向變化的圖案組 合者。又，不必使3色全部都與角度一起變化，如第13 -22- 201205033 圖（b)所示，亦可採用有1色在整個面以均勻的亮度發光， 而其他的2色在相異方向與角度一起變化的圖案。 又，在該實施形態，作成藉由使用重疊有相異之色頻 的照明圖案之照明裝置，可僅測量一次就復原對象物的三 維形狀。但，亦可使2種以上的照明圖案依序點燈，分別 進行攝影後，使用所得之複數張影像來復原三維形狀，不 過測量時間比該實施形態的長。在此方法亦可得到一樣的 復原效果。此外，在一面切換照明圖案一面拍攝的情況， 如第13圖（c)所示，亦可使用發光強度分布彼此相異的複 數個單色照明圖案（在此情況，相機亦可爲單色）。 在該實施形態，雖然採用發光強度相對於經度方向的 角度呈線性變化的照明圖案，但是照明圖案未受限於此。 例如第14圖所示，亦適合使用發光強度相對於緯度方向呈 線性變化的照明圖案。這種照明圖案亦是該數學式的一個 近似解，可大致抵消鏡面瓣光的影響，而檢測出正反射光。 又，照明裝置3的形狀未限定爲圓頂狀（半球狀），亦 可爲如第1 5圖所示的平板形狀。亦可以是使平板彎曲成弧 形的形狀。只要是使形狀復原者，則只要是可從所觀測的 影像求得唯一的光源位置之照明即可。 又，如第1 6圖（a)的例子所示，亦可將愈往右方向發 光強度愈強的紅光（R)圖案、愈往左方向發光強度愈強的綠 光（G)圖案及愈往上方向發光強度愈強的藍光（B)圖案重 疊。在此情況，亦如第丨6圖（b)所示，在各圖案，藉由使 -23- 201205033 發光強度相對於角度θ呈線性變化，可大致抵消鏡面瓣光 的影響。在此，0是繞著通過點ρ (配置測量對象物的點） 且平行於測量工作台5的直線之角度。或者，0亦可表達 成通過照明裝置3之發光區域上的等發光強度線（等色線） 與點Ρ的平面與平行於測量工作台5的平面之夾角。 <其他的變形例> 本發明未受限於該實施形態的形狀測量裝置，只要是 利用使影像的特徵量（顏色或亮度）與法線（或光源的角度） 賦予對應的表，都可適用於任何方式的形狀測量裝置。 【圖式簡單說明】 第1圖係形狀測量裝置之硬體構成的示意圖。 第2圖係按RGB表示在照明裝置的發光區域之彩色 圖案的圖。 第3圖係說明在照明裝置的發光區域之RGB各色之 變化的圖’（a)係立體圖，（b)係側_圖。 第4圖係說明測量對象物表面之法線方向與發光區 域之對應的圖。 第5圖係表示表製作處理之流程的流程圖。 第6圖（a)係表示拍攝表製作用影像時之狀態的立體 圖’第6圖（b)係表示表製作用影像之一例的圖。 第7圖係表示形狀測量處理之流程的流程圖。 第8圖（a)係表示法線圖之—例的圖，第8圖（b)係表 示復原後之形狀之一例的圖。 -24- 201205033 第9圖係說明照明裝置的彩色圖案所造成之效果的 圖。 第1 0圖係說明反射特性的圖。 第1 1圖係用以說明入射光與反射光的圖。 第12圖係用以說明鏡面瓣光之抵消效果的圖。 第1 3圖係表示照明圖案之變形例的圖。 第1 4圖係表示照明圖案之變形例的圖。 第1 5圖係表示具備平板形狀之照明裝置的形狀測量 裝置之構成的圖。 第1 6圖係用以說明在平板形狀之照明裝置之照明圖 案的圖。 第1 7圖用以說明測量位置的差異所造成之計算誤差 的圖。 【主要元件符號說明】 4，i 1 相機 3 照明裝置 4 測量對象物 5 測量工作台 6 資訊處理裝置 Η 檢查頭 60 CPU 61 記憶體 62 記憶裝置- -25- 201205033 63 檢查 64 影像 66 照明 67 工作 68 使用 69 顯示 頭控制部 輸入部 裝置控制部 台控制部 者I/F 部 -26

Claims (1)

1. 201205033 七、申請專利範圍： 1. 一種形狀測量裝置，係具有： 照明手段’係將光照射於配置在工作台上的測量對象 物； 攝像手段，係拍攝該測量對象物； 特徵量算出手段，係從自該照明手段照射光之狀態下 藉該攝像手段拍攝所得到的影像，針對該測量對象物之 表面上的複數個注意點，算出關於顏色或亮度的特1 量； 記憶手段，係預先記億將特徵量的値與用以從特徵量 的値特定表面之法線方向的資訊賦予對應之資料；及 形狀算出手段，係藉由參照該記憶手段所記憶之資 料，從利用該特徵量算出手段所算出之特徵量的値’算 出在該複數個注意點的法線方向’再從該算出結果算出 該測量對象物之表面的三維形狀； 該形狀測量裝置的特徵爲： 該記憶手段係記億針對設定在該攝像手段的視野內 之複數個基準位置各自所作成的複數個資料·’ 該形狀算出手段係因應於注意點的位置’切換參照的 資料。 2. 如申請專利範圍第1項之形狀測量裝置’其中以使各個 副區域包含該基準位置的方式將該攝像手段的視野分 割成複數個副區域，且使資料與各副區域賦予對應’該 -27- 201205033 形狀算出手段係選擇與注意點所屬之副區域對應的資 料，作爲參照的資料。 3 .如申請專利範圍第1項之形狀測量裝置，其中該複數個 資料的各自係使用在將表面形狀是已知的教導用物體 配置於該基準位置，且在從該照明手段照射光之狀態下 利用該攝像手段拍攝獲得之該教導用物體的影像所作 成。 4 ·如申請專利範圍第1至3項之任一項的形狀測量裝置， 其中該照明手段係具有既定面積之發光區域的面光 源’且從該發光區域內的各位置所照射之光的光譜分布 彼此相異。 5 ·如申請專利範圍第1至3項之任一項的形狀測量裝置， 其中該照明手段係照射重疊著具有彼此相異的發光強 度分布之複數個照明圖案而成的光，或依序照射該複數 個照明圖案的面光源，各照明圖案的發光強度分布係設 定成：以通過配置該測量對象物之點的平行於該工作台 的直線作爲中心軸，而發光強度會相對於繞該中心軸的 角度呈線性變化。 6 . —種形狀測量裝置之校準方法，該形狀測量裝置係利用 照明裝置將光照射於測量對象物，在照射光之狀態利用 攝像裝置拍攝該測量對象物，再從針對所拍攝的影像之 該測量對象物之表面上的複數個注意點所取得之關於 顏色或亮度的特徵量，算出該測量對象物表面的三維形 狀，該校準方法的特徵爲： -28- 201205033 使已知表面是傾斜的物體配置於攝像位置的視野 內’再利用該照明裝置從至少複數個相異的方向對該物 體照射發光強度分布彼此相異的光； 從所拍攝之影像抽出關於該物體之表面之傾斜的特 徵量； 記憶將配置該物體之影像上的位置與該抽出之特徵 量賦予對應的資料，作爲在測量對象物之複數個測量位 置之測量値的校準用資料。 7.如申請專利範圍第6項之校準方法，其中該已知表面是 傾斜的物體係半球狀的鏡面體。 8 .如申請專利範圍第6項之校準方法，其中該攝像裝置係 從該物體的上面拍攝。 9.如申請專利範圍第6至8項之任一項的校準方法，其中 該照明裝置係具有既定面積之發光區域的面光源，且從 該發光區域內的各位置對該物體照射光之光譜分布彼 此相異的光。 10.如申請專利範圍第6至8項之任一項的校準方法，其中 該照明裝置係具有作成可將具有發光強度分布彼此相 異之光的複數個照明圖案重疊或依序照射之發光區域 的面光源，且以各照明圖案的發光強度分布以通過配置 該物體的該基準位置之平面上的既定値線爲中心軸且 發光強度會相對於繞該中心軸的角度呈線性地變化的 方式’對該物體照射該發光強度分布彼此相異的光。 -29-