JPH10232110A - 光切断法によるワーク計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光切断法によりワークのエッジ部の位置を計
測する方法において、濃淡画像データを用いて計測精度
を向上させると共に計測時間を短縮する。 【解決手段】 濃淡画像に現われるワークの光切断画像
Ｓの端末部ＳＥの位置を、テンプレートＴＰを用いてパ
ターンマッチングにより割出す。画像ＳのＹ軸方向延在
部分に交差するＸ軸に平行な走査線ＬＸを端末部ＳＥの
位置を基準にして複数設定し、各走査線ＬＸ上の輝度分
布に基づいて画像Ｓに合致する各走査線ＬＸ上の画像点
ＰＳを検出し、これら画像点からＹ軸方向延在部分に近
似する画像線Ｌの方程式を求める。画像Ｓの端末部ＳＥ
に交差するＹ軸に平行な走査線ＬＹを端末部の位置を基
準にして複数設定し、各走査線ＬＹ上の輝度分布に基づ
いて画像先端縁に合致する各走査線上の画像境界点ＰＢ
を検出する。これら境界点ＰＢのうちＹ軸方向最先端に
位置する点Ｅを通る直線ＬＥと画像線ＬＳとの交点Ｏを
計測基準点として、ワークのエッジ部の位置を計測す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光切断法によるワ
ーク計測方法、特に、ワークのエッジ部の位置を計測す
る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ワークにスリット光を照射するス
リット光源と、スリット光の光面に対し光軸が斜交する
ような位置関係で配置した撮像器とを備える光学式測定
装置を用い、ワークに照射されたスリット光が描くワー
クの光切断像を撮像し、撮像器の画面に現われるワーク
の光切断画像からワークのエッジ部の位置を計測する方
法は知られている。

【０００３】ここで、スリット光の光面に直交し、且
つ、撮像器の光軸を含む面に平行な画面上の座標軸をＸ
軸、Ｘ軸に直交する画面上の座標軸をＹ軸とすると、光
切断画像はＹ軸方向に帯状にのびる像になり、そのＹ軸
方向先端の端末部がワークのエッジ部に対応する部分に
なる。そして、ワークのエッジ部にアールが付いている
と、光切断画像の端末部がエッジ部のアールに対応する
アールでＸ軸方向に湾曲する先細の湾曲形状になり、エ
ッジ部の位置を１点に特定して計測することができなく
なる。

【０００４】かかる問題を解決するため、特開平７−１
３９９１１号公報により、濃淡画像データを二値化した
二値化画面上で光切断画像のＹ軸方向最先端点の座標を
検出し、この座標を基準にしてＹ軸方向に延在する光切
断画像の部分に交差するＹ軸方向に離間した２つのウイ
ンドウを設定し、両ウインドウ内の光切断画像の夫々の
重心の座標を求め、両重心を通る第１の直線の方程式
と、第１の直線に対し直角で前記最先端点を通る第２の
直線の方程式とを求めて、両直線の交点の座標を算出
し、該交点を計測基準点としてワークのエッジ部の位置
を計測する方法が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例のように二
値化画面を用いる場合は、画面に背景照明等の外乱光に
よる画像部分が明部となって現われ、最先端点や各ウイ
ンドウ内の重心が光切断画像そのものの最先端点や重心
からずれ、計測誤差を生じ易くなる。

【０００６】そのため、濃淡画像データを用いて位置計
測を行なうことが望まれるが、濃淡画面上で光切断画像
の最先端点の座標を検出することは容易ではない。例え
ば、画面を微小ピッチで走査して最先端点の座標を検出
することが考えられるが、これでは計測に時間がかか
り、オンライン計測を行う場合、計測時間に合わせてラ
インのタクトタイムを長くせざるを得ず、生産性が低下
する。

【０００７】本発明は、以上の点に鑑み、濃淡画像デー
タを用いて計測精度を向上させると共に計測時間を可及
的に短縮し得るようにした計測方法を提供することを課
題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく、
本発明は、ワークにスリット光を照射するスリット光源
と、スリット光の光面に対し光軸が斜交するような位置
関係で配置した撮像器とを備える光学式測定装置を用
い、ワークに照射されたスリット光が描くワークの光切
断像を撮像し、撮像器の画面に現われるワークの光切断
画像からワークのエッジ部の位置を計測する方法であっ
て、画像データとして濃淡画像データを用いるものにお
いて、スリット光の光面に直交し、且つ、撮像器の光軸
を含む面に平行な画面上の座標軸をＸ軸、Ｘ軸に直交す
る画面上の座標軸をＹ軸として、Ｙ軸方向に延在する光
切断画像のワークのエッジ部に対応するＹ軸方向先端の
端末部を含む所定範囲の画像形状を表わすテンプレート
を用いてパターンマッチングを行ない、光切断画像の端
末部の位置を割出す工程と、割出された光切断画像の端
末部の位置を基準にして、Ｙ軸方向に延在する光切断画
像の部分が存在するＹ軸方向の所定の計測範囲を設定
し、該計測範囲にＹ軸方向に所定ピッチでＸ軸方向の走
査線を複数設定し、各走査線上の輝度分布に基づいて光
切断画像に合致する各走査線上の画像点の座標を検出
し、これら画像点の座標から光切断像のＹ軸方向延在部
分に近似する画像線の方程式を求める工程と、割出され
た光切断画像の端末部の位置を基準にして、該端末部に
交差するＹ軸方向の走査線をＸ軸方向に所定ピッチで複
数設定し、各走査線上の輝度分布に基づいて光切断画像
の端末部のＹ軸方向先端縁に合致する各走査線上の画像
境界点の座標を検出し、これら画像境界点のうちＹ軸方
向最先端に位置する画像境界点を最先端点として抽出す
る工程と、最先端点を通るＸ軸に平行又は前記画像線に
直角な直線と該画像線との交点の座標を求める工程とを
備え、前記交点を計測基準点としてワークのエッジ部の
位置を計測する、ことを特徴とする。

【０００９】本発明では、パターンマッチングで割出さ
れた光切断画像の端末部の位置を基準にして走査線を設
定するため、走査線は光切断画像のＹ軸方向延在部分や
端末部分の所定箇所に確実に交差し、かくて、限られた
数の走査線による計測で画像線の方程式と最先端点の座
標とを正確に求めることができ、最先端点を通る直線と
画像線との交点を計測基準点としてワークのエッジ部の
位置を正確に特定できる。従って、ワークのエッジ部の
位置計測を正確に短時間で行ない得られ、タクトタイム
の短いラインでもオンライン計測が可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、自動車車体等のワークＷ
の計測に用いる光学式測定装置の概要を示しており、該
装置は、ワークＷにスリット光を照射するスリットレー
ザ等から成るスリット光源１と、ＣＣＤカメラから成る
撮像器２と、撮像器２からの画像信号を入力する画像処
理装置３とで構成されている。

【００１１】スリット光源１と撮像器２はロボット等の
移動機構の動作端に取付けられる図外の測定ヘッドに搭
載され、測定ヘッドをワークＷの複数の計測部位に各対
向する位置に順に移動して、各計測部位の計測を行う。
尚、スリット光源１と撮像器２とは、スリット光の光面
に撮像器２の光軸が所定角度θ（例えば４５°）で斜交
するような位置関係で測定ヘッドに搭載される。

【００１２】以下、ワークＷのエッジ部ＷＥの位置計測
について説明する。計測に際しては、スリット光源１を
ワークＷに正対させた状態でスリット光を照射し、スリ
ット光が描くワークＷの光切断像ｓを撮像器２で撮像す
る。ここで、スリット光の光面ＳＰに直交する、撮像器
２の光軸を含む平面に平行な撮像画面の座標軸をＸ軸、
Ｘ軸に直交する座標軸をＹ軸とすると、撮像画面に、図
２に示す如く、Ｙ軸方向に帯状にのびる光切断画像Ｓが
現われる。

【００１３】ここで、ワークＷのエッジ部ＷＥに図１に
示すようにアールが付いていると、光切断画像ＳのＹ軸
方向先端の端末部ＳＥが、Ｘ軸方向に湾曲した先細の湾
曲形状になり、端末部ＳＥの位置を一義的に特定できな
くなる。そこで、Ｙ軸方向に延在する光切断画像Ｓの部
分に近似する画像線の方程式と、光切断画像ＳのＹ軸方
向最先端点の座標とを求め、最先端点を通るＸ軸に平行
な直線と画像線との交点の座標を算出し、該交点を計測
基準点としてワークＷのエッジ部ＷＥの位置を計測す
る。

【００１４】画像線の方程式は、画像処理装置３におい
て、撮像器２からの濃淡画像データで構成される濃淡画
面上に、光切断画像ＳのＹ軸方向延在部分に交差するよ
うに複数の走査線を設定し、光切断画像Ｓの各走査線に
合致する画像点の座標を検出し、これら画像点の座標か
ら回帰処理によって求めるもので、画像線の方程式を正
確に求めるには、各走査線の設定精度の向上が必要にな
る。

【００１５】そこで、本実施形態では、各走査線の設定
精度を向上させるため、光切断画像Ｓの端末部ＳＥを含
む所定範囲の画像形状を表わすテンプレートを用いて濃
淡画面に対するパターンマッチングを行なうことにより
端末部ＳＥの位置を割出し、この位置に基づいて各走査
線を所要の画像部分に交差するよう正確に設定し得るよ
うにしている。

【００１６】テンプレートは、マスタワークに対する計
測を行うティーチング時のデータに基づいて作成される
もので、以下ティーチング時の計測について詳述する。

【００１７】ティーチング計測では、先ず、マスタワー
クにスリット光を照射して、マスタワークの光切断像ｓ
を撮像する。次に、撮像画面に、図３（Ａ）に示す如
く、Ｘ軸に平行な走査線ＬをＹ軸方向に微小ピッチ（例
えば５ピクセルピッチ）で多数設定し、各走査線上の輝
度分布から光切断画像Ｓの各走査線に合致する画像点Ｐ
ＳのＸ座標を検出する。

【００１８】図３（Ａ）のＬｎの走査線上の輝度分布は
図４（Ａ）に示す通りである。この輝度分布グラフに
は、光切断画像Ｓに由来する左側の山部と、外乱光に由
来する右側の山部とが現われている。

【００１９】次に、走査線上の各点の輝度変化を表わす
ピーク度Ｐを求め、走査線上のピーク度Ｐの分布を表わ
す図４（Ｂ）に示すようなピーク度分布グラフを作成す
る。Ｘ座標がｎの走査線上の点のピーク度Ｐは、図５
（Ａ）に示す如く、該点における輝度分布グラフ上の輝
度点をａｎ、該点を中心にして走査線上に設定する所定
幅の計測範囲Ｒの両端点における輝度分布グラフ上の輝
度点を夫々ｂｎ，ｃｎとして、ｂｎとｃｎとを結ぶ結線
に対するａｎの高さを表わす値として求められる。この
場合、前記結線の中点に対するａｎの高さ（＝｛２ａｎ
−（ｂｎ＋ｃｎ）｝／２）をピーク度Ｐとしても良く、
また、前記結線にａｎから降した垂線の長さをピーク度
Ｐとしても良い。ここで、図５（Ａ）の輝度分布では、
Ｘ＝ｎ１の点のピーク度Ｐは正の値になり、Ｘ＝ｎ２の
点のピーク度Ｐは負の値になる。

【００２０】輝度分布グラフに現われる外乱光に由来す
る山部は比較的幅が広いため、ピーク度Ｐは小さくな
り、一方、光切断画像Ｓに由来する山部は比較的幅が狭
いためピーク度Ｐは大きくなる。そして、前記計測範囲
Ｒの幅を適切な値（例えば１０ピクセル）に設定すれ
ば、ピーク度分布グラフの山部のうち所定値以上の高さ
を持つ山部は光切断画像Ｓに由来するものと判断でき
る。

【００２１】上記の如くして選定したピーク度分布グラ
フの山部の頂点の位置を光切断画像Ｓの走査線に合致す
る画像点の位置とすることも可能であるが、頂点の位置
は計測の度に多少ともばらつくため、ピーク度分布グラ
フの選定された山部に対応する輝度分布グラフの山部の
面積重心の位置を画像点の位置とすることが考えられ
る。この場合、背景照明の影響を受ける山部の両裾部分
を除外して面積重心を求めることが望ましいが、面積重
心の計測範囲をどのようにして規定するかが問題にな
る。

【００２２】ここで、ピーク度分布曲線は、輝度分布グ
ラフの山部の両裾の立上り部で一旦負の値になり、或る
程度立上ったところで正の値になる。そして、ピーク度
分布曲線の山部の両側にピーク度が零になる零点Ｐ０が
現われ、零点Ｐ０間の区間は背景照明の影響を受けない
部分になる。そのため、図５（Ｂ）に示す如く、輝度分
布グラフの零点Ｐ０間の区間における面積重心Ｇ´を求
めて、その位置を画像点の位置とすれば、背景照明の影
響を排除して画像点の位置を正確に検出できる。

【００２３】然し、輝度分布グラフの山部の撮像方向側
（右側）の傾斜は反対側の傾斜よりも緩やかになり勝ち
であり、そのため、山部の面積重心Ｇ´が山部の頂点の
位置から撮像方向側にずれてしまう。一方、ピーク度分
布グラフの山部は、輝度分布グラフの山部の傾斜が両側
で異なっても、両側の傾斜がほぼ等しくなる。従って、
ピーク度分布グラフの零点Ｐ０間の区間における山部の
面積重心Ｇはその山部の頂点の位置から左程ずれない。
従って、画像点の検出精度を向上させるには、ピーク度
分布グラフの零点Ｐ０間の区間の面積重心Ｇを求めて、
該重心Ｇの位置を画像点ＰＳのＸ座標とすることが望ま
しい。

【００２４】以上の如くして光切断画像の各走査線に合
致する画像点ＰＳの位置を検出すると、これら画像点Ｐ
Ｓの位置を表わす点列データを作成する。点列データを
グラフ化して表わすと図３（Ｂ）に示すようになる。次
に、Ｙ軸方向最先端に位置する画像点を端点Ａとして抽
出すると共に、画像線を求めるべき画像範囲の境界とな
る画像点を基端点Ｂとして外部操作で選択する。そし
て、基端点Ｂから所定範囲に存する画像点の座標から回
帰処理で画像線ＬＳの方程式を求め、端点Ａを通るＸ軸
に平行な直線ＬＡと画像線ＬＳとの交点Ｑの座標を算出
する。また、端点Ａから所定範囲（図３（Ｂ）の１点鎖
線の範囲）に存する画像点の点列データをテンプレート
作成用データとして記憶する。

【００２５】そして、ワークＷの計測に際し、ワークの
計測部位に対応するテンプレート作成用データを読み出
して、テンプレート用の画像データをグラフィック処理
により作成する。このグラフィック処理は、各点を線で
結ぶ線状化処理と、各ピクセルの周囲８個のピクセルの
輝度を該各ピクセルの輝度の輝度と等しくする膨張化処
理と、各ピクセルの輝度をその周囲８個のピクセルの輝
度の平均値にする平滑化処理とを順に実行することで行
なわれる。

【００２６】図６（Ａ）は、ワークＷの光切断画像Ｓが
現われた濃淡画面に対するテンプレートＴＰによるパタ
ーンマッチングの実施状況を視界的に表示しており、光
切断画像Ｓの端末部ＳＥの位置、即ち、上記各点Ａ，
Ｂ，Ｑに対応する各点Ａ´，Ｂ´，Ｑ´の位置がパター
ンマッチングにより割出される。尚、画面とテンプレー
トＴＰとを同じ比率（例えば１／４）で縮小してパター
ンマッチングを行い、パターンマッチングの処理時間を
短縮することが望ましい。

【００２７】次に、点Ｑ´と点Ｂ´との結線を複数等
分、例えば、８等分する各等分点の位置を求め、走差線
が光切断画像ＳのＹ軸方向延在部分以外の部分、例え
ば、端末部ＳＥにかからないよう、図６（Ｂ）に示す如
く、点Ｑ´寄りと点Ｂ´寄りの等分点を除く残りの５個
の各等分点を通るＸ軸に平行な５本の走査線ＬＸを設定
する。次に、各走査線ＬＸ上の輝度分布に基づいて光切
断画像Ｓの各走査線ＬＸに合致する画像点ＰＳの座標を
検出する。ここで、画像点ＰＳの検出は、ティーチング
計測時の画像点ＰＳの検出と同様に行なう。即ち、図５
（Ａ）（Ｂ）に示す如く、輝度分布グラフからピーク度
分布グラフを作成し、ピーク度分布グラフの山部の零点
ＰＯ間の区間における面積重心Ｇを求め、該重心Ｇの位
置を画像点ＰＳの位置とする。

【００２８】次に、上記画像点ＰＳの座標から回帰処理
によって画像線ＬＳの方程式を求める。この場合、光切
断画像Ｓの形状をティーチング時に判別しておき、ワー
ク面が平面で光切断画像Ｓが直線状であれば直線として
画像線ＬＳの方程式を求め、ワーク面が曲面で光切断画
像Ｓが曲線状であれば円弧として画像線ＬＳの方程式を
求める。

【００２９】また、図６（Ｃ）に示すように、点Ｑ´と
点Ａ´との間を複数等分、例えば、５等分した長さを１
ピッチとして、Ｙ軸に平行な走査線ＬＹを光切断画像Ｓ
の端末部ＳＥから外れて画像を検出しなくなるまでＸ軸
方向に複数設定し、各走査線ＬＹ上の輝度分布に基づい
て、光切断画像Ｓの端末部ＳＥのＹ軸方向先端縁に合致
する各走査線ＬＹ上の画像境界点ＰＢの座標を検出す
る。

【００３０】この場合、例えば点Ｑ´を通る走査線ＬＹ
上の輝度分布は図７（Ａ）に示すようになり、輝度がＹ
軸方向先方に向って減少する領域において輝度分布曲線
を微分した微分曲線を作成すると、図７（Ｂ）に示すよ
うに光切断画像Ｓの端末部ＳＥのＹ軸方向先端縁に対応
する位置に山部が現われる。この場合、微分曲線の頂点
の位置を画像境界点ＰＢの位置としても良いが、頂点を
一義的に特定することは困難であり、ばらつきが出る。
そこで、本実施形態では、微分曲線の頂点を一応求める
と共に、この頂点に合致するピクセルの前後各２ピクセ
ルにおける微分曲線上の点を求め、頂点とその前後各２
点、計５点から微分曲線の頂点部分に近似する放物線Ｌ
Ｐの方程式を回帰処理によって算出し、この放射線ＬＰ
の頂点の位置を画像境界点ＰＢとしている。

【００３１】次に、画像境界点ＰＢのうちＹ軸方向最先
端に位置する画像境界点を最先端点Ｅとして抽出し、図
６（Ｄ）に示すように、最先端点Ｅを通るＸ軸に平行な
直線ＬＥと上記画像線ＬＳとの交点Ｏの座標を算出す
る。最後に、交点Ｏの座標を常法に従って三次元化し、
空間座標系におけるワークＷのエッジ部ＷＥの位置を計
測する。

【００３２】尚、ワークのエッジ部が角付けされている
と、光切断画像Ｓの端末部ＥＳの形状は図８（Ａ）に示
すようになりＸ軸方向に湾曲しなくなる。然し、端末部
ＳＥは多少とも丸みを持つため、上記と同様に点Ｑ´と
点Ａ´との間を５等分した長さを１ピッチとして、Ｙ軸
に平行な走査線ＬＹをＸ軸方向に複数設定し、各走査線
ＬＹ上の画像境界点ＰＢの座標を検出し、最先端点Ｅを
抽出して、図８（Ｂ）に示すように交点Ｏの座標を算出
する。

【００３３】また、上記実施形態では、最先端点Ｅを通
るＸ軸に平行な直線ＬＥと画像線ＬＳとの交点Ｏを計測
基準点としているが、最先端点Ｅを通り画像線ＬＳに直
角な直線の方程式を求めて、この直線と画像線ＬＳとの
交点を計測基準点にしても良い。

【００３４】隣接するワークのエッジ部間の隙間や段差
を計測する場合は、両ワークに跨るようにスリット光を
照射し、同一画面に現われる両ワークの光切断画像の夫
々について上記と同様の処理を施して各ワークのエッジ
部の位置を計測し、これらエッジ部の位置から隙間や段
差を求めれば良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 光学式測定装置の概要を示す斜視図

【図２】 図１に示す状態で撮像した撮像画面を示す図

【図３】 （Ａ）ティーチング計測時の撮像画面に対す
る走査線の設定を示す図、（Ｂ）マスタワークの光切断
画像の点列データを示す図

【図４】 （Ａ）走査線上の輝度分布を示すグラフ、
（Ｂ）ピーク度分布を示すグラフ

【図５】 （Ａ）ピーク度の求め方を示す図、（Ｂ）画
像点の求め方を示す図

【図６】 （Ａ）パターンマッチングの状況を示す図、
（Ｂ）光切断画像のＹ軸方向延在部分に対する走査線の
設定を示す図、（Ｃ）光切断画像の端末部に対する走査
線の設定を示す図、（Ｄ）計測基準点となる交点の求め
方を示す図

【図７】 （Ａ）端末部に設定した走査線上の輝度分布
を示す図、（Ｂ）画像境界点の求め方を示す図

【図８】 （Ａ）角付けされたエッジ部を有するワーク
の光切断画像の端末部に対する走査線の設定を示す図、
（Ｂ）計測基準点となる交点の求め方を示す図

【符号の説明】

１ スリット光源 ２ 撮像器 ３ 画像処理装置 Ｓ 光切断画像 ＳＥ 端末部 ＴＰ テンプレート ＬＸ Ｘ軸に平行な走査線 ＬＹ Ｙ軸に平行な走査
線 ＰＳ 画像点 ＰＢ 画像境界点 Ｅ 最先端点 ＬＳ 画像線 ＬＥ 最先端点を通る直線 Ｏ 交点

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワークにスリット光を照射するスリット
   光源と、スリット光の光面に対し光軸が斜交するような
   位置関係で配置した撮像器とを備える光学式測定装置を
   用い、ワークに照射されたスリット光が描くワークの光
   切断像を撮像し、撮像器の画面に現われるワークの光切
   断画像からワークのエッジ部の位置を計測する方法であ
   って、画像データとして濃淡画像データを用いるものに
   おいて、 スリット光の光面に直交し、且つ、撮像器の光軸を含む
   面に平行な画面上の座標軸をＸ軸、Ｘ軸に直交する画面
   上の座標軸をＹ軸として、 Ｙ軸方向に延在する光切断画像のワークのエッジ部に対
   応するＹ軸方向先端の端末部を含む所定範囲の画像形状
   を表わすテンプレートを用いてパターンマッチングを行
   ない、光切断画像の端末部の位置を割出す工程と、 割出された光切断画像の端末部の位置を基準にして、Ｙ
   軸方向に延在する光切断画像の部分が存在するＹ軸方向
   の所定の計測範囲を設定し、該計測範囲にＹ軸方向に所
   定ピッチでＸ軸方向の走査線を複数設定し、各走査線上
   の輝度分布に基づいて光切断画像に合致する各走査線上
   の画像点の座標を検出し、これら画像点の座標から光切
   断画像のＹ軸方向延在部分に近似する画像線の方程式を
   求める工程と、 割出された光切断画像の端末部の位置を基準にして、該
   端末部に交差するＹ軸方向の走査線をＸ軸方向に所定ピ
   ッチで複数設定し、各走査線上の輝度分布に基づいて光
   切断画像の端末部のＹ軸方向先端縁に合致する各走査線
   上の画像境界点の座標を検出し、これら画像境界点のう
   ちＹ軸方向最先端に位置する画像境界点を最先端点とし
   て抽出する工程と、 最先端点を通るＸ軸に平行又は前記画像線に直角な直線
   と該画像線との交点の座標を求める工程とを備え、 前記交点を計測基準点としてワークのエッジ部の位置を
   計測する、 ことを特徴とする光切断法によるワーク計測方法。