JPH0933227A - 三次元形状識別方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スローアウェチップ等の表面の三次元形状を
識別するため、従来の対象物へのそれぞれ特有の照明法
をとるようなことはしないで済むレーザ変位計を用い、
対象物の三次元データを処理して画像表現は簡単に表示
できようし、記憶した登録パターンとの対比を容易にす
る。 【解決手段】 レーザ変位計１を用いることによって得
られる対象物２の三次元データをデータ処理装置４で解
析し、イメージプロセッサボード５にて三次元データを
濃淡画像にし、この濃淡データを加工して対象物の特徴
を最も良く表わす高さ方向のデータのみを選択し他はマ
スクして画像化し、このデータを専用画像処理装置７に
入力し、パターンの登録や識別を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスローアウェイチッ
プのように、表面の凹凸に特徴をもつ対象物の品種識別
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】 画像処理で三次元形状の特徴をとらえるには、照明を
対象物の斜め上方から当てる方法（フロント・ライティ
ング）や、スリット光のような特定のパターンの光を当
てる方法（光切断、ストラクチャーライテング）などの
手法がとられている（映像情報 1993 Vol.25 P43-47 参
照）。また、安定した画像を得るために対象物の色を限
定するという手段が用いられている（特開昭 59-202198
号公報参照）。 レーザ変位計で三次元形状をとらえるには、スポット
状のレーザ変位計をＸ−Ｙ方向に必要な範囲にわたって
移動させ、各点におけるＺ方向データを取込むか、若し
くは、レーザ光を走査し、対象物を走査と直交する方向
に移動させる方式がある。なおレーザ変位計の原理は以
下のとおりである。レーザビームを例えば測定対象物垂
直方向より投光し、前記対象物について基準となる面で
のビームの乱反射による拡散光を、レンズ、スクリーン
からなる受光系の検出角を、動作中心で45度となるよう
に設定すると、前記基準面上におけるレーザポイントは
45度の検出角としてスクリーン上のポイントとして結像
する。次にこの基準面に測定対象物を挿入すると基準面
より測定対象物表面の高さが変るので、この測定対象物
表面での拡散光は受光系の検出角45度に対して変化した
角度となり、前記スクリーン上において基準面反射によ
って生じた結像より離れた結像をなすが、この基準面と
測定対象物面のレーザビーム投射方向の高さの差は、ス
クリーン上における基準面反射による結像位置から測定
対象物面反射による結像位置への変位と比例関係にあ
り、レーザビーム方向における測定対象物の高さ変化
（凹凸）は、スクリーン上で検出できるのである。この
原理は三角測量方式によるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】 従来の照明方法では最適条件を得るのが困難な上に、
得られた条件は限られた対象物にしか使用できず、例え
ば対象物の色、光沢、形状が変わると計測が安定しな
い。 照明で三次元形状を求めるためには、凹凸が深く、か
つシャープな物に限られ、ひらたく浅い凹凸は計測不可
能である。 レーザ変位計をトラバース（又はレーザスポットを走
査）して得られる三次元データはデータが膨大となるケ
ースが多く、結果を表示するにも鳥観図のような複雑な
ソフトを必要とした。また、このようなデータを基に三
次元形状を認識するにも専用のソフトを開発する必要が
あり、汎用的に展開する手段はなかった。 レーザを走査する場合、対象物が走査範囲より大きい
と、対象物をレーザ方向に動かし、複数回計測を必要と
した。 対象物の特徴を表す三次元形状が対象物の全体の高さ
に比べて小さい場合、特徴は全体形状に埋もれ、認識精
度が悪化することになる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためなされたものであって、次の構成を備えるもの
である。 （ａ）三次元形状を取込む手段として、レーザ変位計を
用い、そのデータは二次元濃淡画像に変換してモニタに
表示する。データ取込みを高速化する目的でレーザ変位
計はレーザスポットを走査するタイプが望まれる。 （ｂ）対象物が大きい場合、これを回転させ、レーザス
ポットをその半径方向に走査させる構成とする。 （ｃ）レーザ変位計から得られたデータをデータ処理装
置に取込んだ後、対象物の特徴を最も良く表わす高さ方
向のデータのみを選択し、他はマスク処理を行う。 （ｄ）（ｃ）の処理を行った後のデータを画像化し、そ
れを専用画像処理装置に入力するシステムとし、パター
ン登録や認識はこの専用画像処理装置で行う。

【０００５】

【発明の実施の形態】対象物の三次元形状を識別するた
めの手段としてレーザ変位計を用いることで、対象物の
色や凹凸の程度に影響を受けずに安定したデータを取込
むことが可能となる。また照明を必要としないので、複
雑な照明の調整が不要となり、形状、大きさの変る対象
物に対し、有効である。三次元データを高速に取込むた
めには、レーザスポットを走査させるレーザ変位計が有
効であるが、対象物が走査範囲より大きい場合、対象物
を回転させ、レーザをその半径方向に走査させる構成と
することで、走査範囲の２倍の対象物まで、その全体の
三次元形状を取込むことが可能となる。得られた膨大な
三次元データを二次元の濃淡画像に変換することによっ
て、凹凸データをモニタ上で目視で確認できる上、この
画像を専用画像装置に入力することで、パターン登録や
識別の実行を汎用画像処理装置で行うことが可能となる
から専用ソフトを開発する必要がなくなり、簡単にシス
テムを構築できる。対象物を識別するにあたり、取込ん
だ三次元データのうち、データ処理装置を用いて、その
対象物の特徴を最も良く得られる高さ方向（範囲）のデ
ータを有効とし、他はマスク処理を施すことにより、対
象物の全体高さがその特徴量に比べて大きな場合にも識
別精度を向上することができる。マスク処理を施すしき
い値は、取込まれたデータのヒストグラムを求め、その
分布を明確に分離できる値を求めることで自動的に得る
ことができる。

【０００６】

【実施例】以下にスローアウェイチップの識別例につい
て説明する。図１はスローアウェイチップの形状識別装
置の一例を示す。図示のように、１軸ステージ３に対向
して、その上に、レーザ変位計１が配置される。レーザ
変位計１とデータ処理装置４とは電気的に接続され、デ
ータ処理装置４はイメージプロセッサボード５と電気的
に接続され、イメージプロセッサボード５はモニタ６、
専用画像処理装置７と電気的に接続されている。

【０００７】１軸ステージ３の上に測定対象物２、この
場合は図２に示すスローアウェイチップ（以下ＴＡとい
う）を載置し、その上方に設置されたレーザ変位計１に
てＴＡ表面の凹凸の状態を検出する。ここで用いられる
レーザ変位計１はレーザスポットを走査する形式のもの
で、図において示す直交ｘ，ｙ，ｚ座標軸において矢印
で示すｙ方向にレーザスポットを走査する。これによっ
てｙ方向の各位置におけるｚ方向の凹凸を計測すること
ができる。本例でＴＡは三角形状のチップとして示され
ているが、各辺に切刃８が形成され、その内側にブレー
カ９がそれぞれ形成されている。１軸ステージ３をｘ方
向にモーターｍで定速で動かし、同時にレーザスポット
をｙ方向で走査し、ｚ方向のＴＡ表面の凹凸データを検
出し、この動作を繰返えして行けば、１軸ステージ３を
含むＴＡの表面凹凸データが順次検出される。図３は凹
凸データ検出の概念図である。

【０００８】レーザ変位計で検出された凹凸データは遂
次データ処理装置に取込む。

【０００９】データ処理装置４に取込んだ前記データは
０〜255 の段階の整数に変換し、データ処理装置４に付
設されたイメージプロセッサボード５に書込むことで濃
淡画像を作成する。図４（ａ）は濃淡画像に変換後の画
像の例を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）のｘ方向のＡ
断面における明度のデータを示している。

【００１０】ブレーカ形状を識別する時は、ＴＡの全体
的な形状（図での三角形）は不要であるので、イメージ
プロセッサボード５での操作により、図５に示すように
周囲をマスク処理する。マスク処理する際のしきい値は
得られたデータのヒストグラム分布から求め、しきい値
より小さい値をマスクする。逆に全体形状を識別すると
きは、ブレーカー形状が不要となるので、図６に示すよ
うにブレーカーをマスク処理する。マスク処理する際の
しきい値は得られたデータのヒストグラム分布から求
め、しきい値より大きい値をマスク処理する。

【００１１】この画像を専用画像処理装置に入力し、予
め記録させておいた複数のパターンとの相関関係を次式
により計算し、最も相関値の高いパターンとして認識す
る。

【００１２】

【数１】

【００１３】図７（ａ）は登録パターン（Ｍ）を示し、
図（ｂ）は比較画像（Ｉ）を示す。この場合、登録パタ
ーンは、比較画像作成の手法と同様な手法によって所要
箇所に同様条件によってマスク等加工して作成したもの
である。比較画像を多数登録パターンと比較して、その
いずれにも属さないときは、この比較画像も新たに登録
することができる。数式１に示すように、相関係数Ｃｏ
は登録パターンの明度データＭｉ、比較する画像の明度
データＩｉが大きく関与し、２つの明度データが一致す
る時Ｃｏ＝１となり、明度データの差が大きくなるに従
って０に近付く。ＴＡの場合、その大きさ、被削材の相
違などによってブレーカの形状がわずかに異なってお
り、品種ごとに異なる微小な凹凸の差を基に自動識別に
よる簡単なシステムを実現することができる。

【００１４】図８はレーザを走査する場合、対象物が走
査範囲より大きいとき回転ステージ10を用い、この回転
ステージ10の回転軸上に対象物、例えばＴＡの中心を置
き、レーザ変位計１のレーザースポットがＴＡの中心よ
り半径方向に走査できるように配置し、レーザスポット
で半径方向に走査し、回転ステージ10を遂次回転させる
方法を採れば、すくなくともレーザ変位計の走査範囲の
２倍以内の範囲にある対象物の三次元パターンを認識で
きる。

【００１５】

【発明の効果】本発明は、これまで画像処理が困難とさ
れた、光沢のある（又は色の種類が多い）対象物の三次
元計測を実用化したもので、金属、プラスチックの表面
に付けられた浅い刻印の識別や表面実装部品の識別に適
用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】スローアウェイチップの形状識別装置の一例を
示す。

【図２】スローアウェイチップを斜視図で示す。

【図３】図１の装置によりレーザスポットを走査して検
出される凹凸データの概念図である。

【図４】（ａ）は濃淡画像に変換後の画像を示し、
（ｂ）は（ａ）図のｘ方向のＡ断面における明度のデー
タを示している。

【図５】（ａ）はマスク処理を示し、（ｂ）はマスク処
理によってブレーカ形状のみの像を示し、（Ｃ）はマス
ク処理のしきい値を求めるためのヒストグラム分布を示
す。

【図６】（ａ）はマスク処理を示し、（ｂ）はマスク処
理によってスローアウェイチップの外形形状のみの像を
示し、（Ｃ）はマスク処理のしきい値を求めるためのヒ
ストグラム分布を示す。

【図７】（ａ）は識別用の登録パターン、（ｂ）は比較
画像を示す。

【図８】本発明による対象物の回転、レーザ変位計のレ
ーザスポット走査による対象物表面凹凸データ採取の例
を示す。

【符号の説明】

１ レーザ変位計 ２ 対象物 ３ １軸ステージ ４ データ処理装置 ５ イメージプロセッサボード ６ モニタ ７ 専用画像処理装置 ８ スローアウェイチップ ９ ブレーカ 10 回転ステージ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ変位計を用いることによって得ら
   れる対象物の三次元データをデータ処理装置で解析し、
   あらかじめ記憶させておいたデータのパタンとの類似性
   を比較することで、対象物がどのパタンのものかを識別
   する三次元形状識別方法。
2. 【請求項２】 データ処理装置で三次元データを二次元
   の濃淡画像に変換し、モニタに表示することで、対象物
   の凹凸をカメラで写した像のように再現する方法を具備
   した請求項１記載の三次元形状識別方法。
3. 【請求項３】 レーザスポット光を走査、又は対象物を
   移動させることによって得られる三次元データのうち、
   その対象物の特徴を最も良く表わす高さ方向データのみ
   を有効とし、他の部分はマスクすることによって識別精
   度を向上することを特徴とする請求項１記載の三次元形
   状識別方法。
4. 【請求項４】 レーザを一方向に走査する場合におい
   て、レーザスポットの走査範囲より大きい対象物のパタ
   ーンを認識するために対象物を回転させ、その半径を走
   査することで対象物全体の三次元情報を得ることを特徴
   とする請求項１記載の三次元形状識別方法。
5. 【請求項５】 請求項２により変換された濃淡画像を専
   用画像処理装置に入力することによって、品種登録、識
   別を行うことができる請求項１記載の三次元形状識別方
   法。