JP7524735B2 - Image measurement device and image measurement method - Google Patents
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Description
本発明は、画像計測装置および画像計測方法に関する。 The present invention relates to an image measurement device and an image measurement method.
下記特許文献１には、対象物の表面欠陥を検査する目的で、３つ以上の環状の照明ブロックを用いて、順次点灯させて対象物をカメラで計測し、複数の画像からフォトメトリックステレオ法を用いて法線ベクトルを算出し、表面欠陥を検査する技術が開示されている。
The following
しかしながら、特許文献１の技術は、複数の照明角度条件で計測しているが、各照明の仰角がすべて同一、あるいは仰角が小さい光源から大きい光源までの範囲が狭く、人が様々な角度でみたときの品質を評価できる照明構成にはなっていない。また、仰角の変化が小さいため、対象物表面の法線ベクトルの算出精度も制限されてしまう。
However, while the technology in
上記の問題を解決する方法として、ドーム状に複数のＬＥＤ光源を配置し、法線ベクトルの推定精度を高める方法も考案されているが、非常に多くの光源が必要となること、また照明の制御が複雑化する。また、半円球状のドーム型になるため、計測装置の形状も制約を受ける。 As a method to solve the above problem, a method has been devised in which multiple LED light sources are arranged in a dome shape to improve the accuracy of estimating the normal vector, but this requires a very large number of light sources and complicates the control of the lighting. In addition, the shape of the measurement device is restricted because it is a semi-spherical dome shape.
一実施形態に係る画像計測装置は、対象物の表面に対向して配置された撮像装置と、対象物の表面に対して方位角および仰角の少なくともいずれか一方が連続的に変化するように配置された複数の光源と、複数の光源を順次切り替えて点灯させながら、一の光源が点灯する毎に、撮像装置に対象物の表面の画像を撮像させる制御部とを備える。 An image measurement device according to one embodiment includes an imaging device arranged facing the surface of an object, a plurality of light sources arranged so that at least one of the azimuth angle and the elevation angle with respect to the surface of the object changes continuously, and a control unit that sequentially switches between the plurality of light sources and causes the imaging device to capture an image of the surface of the object each time a light source is turned on.
一実施形態に係る画像計測装置によれば、比較的少ない数の光源を用いて、効率よく光照射角度が多様である複数の画像を取得できる。 According to one embodiment of the image measurement device, multiple images with a variety of light irradiation angles can be efficiently acquired using a relatively small number of light sources.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。 One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
（画像計測装置１００の概略構成）
図１は、一実施形態に係る画像計測装置１００の概略構成を示す図である。図１に示す画像計測装置１００は、光照射方向が異なる複数の対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像し、当該複数の画像に基づいて、画素毎の法線ベクトルを算出することにより、対象物１０の表面１０Ａの三次元形状を算出および表示可能な装置である。なお、本実施形態では、便宜上、対象物１０の表面１０Ａと平行な方向を、Ｘ軸方向およびＹ軸方向とし、対象物１０の表面１０Ａと直交する方向を、Ｚ軸方向とする。
(Schematic configuration of image measurement device 100)
Fig. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an image measuring
図１に示すように、画像計測装置１００は、撮像装置１１０、光源ユニット１２０、および制御装置１３０、および第１の偏光フィルタ１４０を備える。
As shown in FIG. 1, the
撮像装置１１０は、対象物１０の表面１０Ａに対向して配置されている。撮像装置１１０は、対象物１０の表面１０Ａのある下方（図中Ｚ軸負方向）を撮像方向として、対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像する。撮像装置１１０は、撮像された画像に対するＡ－Ｄ変換処理および各種画像処理を施した後、当該画像を制御装置１３０へ出力する。なお、本実施形態では、撮像装置１１０の一例として、画素数１９２０×１２００ピクセルの画像を撮像可能な、モノクロカメラ（１２ｂｉｔ）を用いている。また、本実施形態では、撮像装置１１０の光軸と、光源ユニット１２０がなす螺旋の中心軸とを一致させている。また、本実施形態では、撮像装置１１０のレンズ面と、対象物１０の表面１０Ａとの距離を、１００ｍｍとしている。また、本実施形態では、撮像装置１１０のレンズとして、画像解像度が０．０５ｍｍ／ｐｉｘｅｌとなるレンズを用いている。なお、撮像装置１１０のレンズ面と、対象物１０の表面１０Ａとの距離は、対象物１０の表面１０Ａのサイズ、撮像装置１１０のレンズの焦点距離、画像解像度等に応じて、適切に調整され得る。
The
光源ユニット１２０は、対象物１０の表面１０Ａに対向して螺旋状または渦巻状に配置された複数の光源１２１を有する。複数の光源１２１は、各々が、対象物１０の表面１０Ａのある方向（図中Ｚ軸負方向）を光照射方向として、対象物１０の表面１０Ａに光を照射する。本時形態では、各光源１２１として、白色光を発光するＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いている。複数の光源１２１は、変形可能な任意の線状部材１２２（例えば、透明なチューブ）によって直列的に連結されている。これにより、光源ユニット１２０は、線状部材１２２を螺旋状または渦巻状に湾曲させることにより、複数の光源１２１を、螺旋状または渦巻状に配置することができる。なお、光源１２１の数が多いほど、後述する制御装置１３０（演算部１３２）による法線ベクトルの算出精度が向上する。このため、本実施形態では、一例として、１０個の光源１２１を用いている。特に、本実施例では、線状部材１２２によって連結された複数の光源１２１を螺旋状に配置することにより、効率よく光の照射方向（方位角および仰角）の異なる複数の光源１２１を配置することが可能となる。光源ユニット１２０は、制御装置１３０の制御により、各光源１２１を個別に点灯状態および非点灯状態に切り替えることができる。また、光源ユニット１２０は、光源１２１毎に設けられた、複数の第２の偏光フィルタ１２３を有する。各第２の偏光フィルタ１２３は、「第２の偏光手段」の一例であり、光源１２１の光照射方向に設けられている平板状の部材である。なお、複数の第２の偏光フィルタ１２３は、直列的に連結されたものであってもよく、螺旋状または渦巻状を有するものであってもよい。
The
なお、図１に示す例では、１０個の光源１２１は、半径が一定であり、且つ高さ位置が徐々に変化する螺旋状に配置されている。これに限らず、複数の光源１２１は、半径および高さ位置が徐々に変化する螺旋状に配置されてもよい。また、複数の光源１２１は、高さ位置が一定であり、且つ半径が徐々に変化する渦巻状に配置されてもよい。また、光源１２１の数は、１０個に限らず、９個以下であってもよく、１１個以上であってもよい。また、本実施形態では、光源ユニット１２０がなす螺旋の直径を、１００ｍｍとしている。但し、これに限らず、光源ユニット１２０がなす螺旋の直径は、対象物１０の表面１０Ａのサイズに応じて、適切に調整され得る。
In the example shown in FIG. 1, the ten
制御装置１３０は、画像計測装置１００を制御する。制御装置１３０は、制御部１３１、演算部１３２、および表示部１３３を備える。
The
制御部１３１は、撮像装置１１０および光源ユニット１２０を制御する。例えば、制御部１３１は、複数の光源１２１を順次切り替えて点灯させながら、一の光源１２１が点灯する毎に、撮像装置１１０に対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像させる。例えば、図１０に示す例では、光源ユニット１２０は、１０個の光源１２１を備える。この場合、制御部１３１は、１０個の光源１２１を順次切り替えて点灯させながら、一の光源１２１が点灯する毎に、撮像装置１１０に対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像させる。これにより、撮像装置１１０は、光の照射方向が異なる１０枚の表面１０Ａの画像を撮像することができる。
The
演算部１３２は、撮像装置１１０によって撮像された複数の画像（すなわち、光の照射方向が異なる複数の表面１０Ａの画像）に基づいて、フォトメトリックステレオ法を用いて、対象物１０の表面１０Ａの法線ベクトルを算出することができる。そして、演算部１３２は、算出された法線ベクトルに基づいて、表面１０Ａの三次元形状を算出することができる。
The
表示部１３３は、演算部１３２によって算出された、対象物１０の表面１０Ａの三次元形状を表示する。例えば、表示部１３３としては、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等を用いることができる。
The
なお、制御装置１３０の各機能部は、例えば、制御装置１３０において、コンピュータがプログラムを実行することによって実現することが可能である。また、制御装置１３０の各機能部は、例えば、制御装置１３０において、一又は複数の処理回路によって実現することが可能である。ここで、本明細書における「処理回路」とは、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、制御装置１３０の各機能を実行するよう設計されたASIC（Application Specific Integrated Circuit）、DSP（digital signal processor）、FPGA（field programmable gate array）や従来の回路モジュール等のデバイスを含むものとする。
Each functional unit of the
第１の偏光フィルタ１４０は、「第１の偏光手段」の一例であり、撮像装置１１０の撮像方向に設けられている平板状の部材である。本実施形態では、第１の偏光フィルタ１４０の偏光方向を、各光源１２１に設けられた第２の偏光フィルタ１２３の偏光方向と直交させている。これにより、第１の偏光フィルタ１４０は、偏光特性を有する表面反射成分を、反射することができる。すなわち、第１の偏光フィルタ１４０は、撮像装置１１０のレンズ内に入射する表面反射成分を抑制することができる。その結果、一実施形態に係る画像計測装置１００は、撮像装置１１０によって撮像された対象物１０の表面１０Ａの画像に基づく、法線ベクトルの算出精度の低下を抑制することができる。
The first polarizing
（複数の光源１２１の配置位置の一例）
図２は、一実施形態に係る画像計測装置１００における方位角および仰角の定義を示す図である。図２に示すように、本実施形態では、ＸＹ平面において、光源１２１の配置位置がなす角度を、方位角θと定義する。但し、Ｘ正軸を０度とする。また、図２に示すように、本実施形態では、ＸＹ平面に対して、光源１２１の配置位置がなす角度を、仰角Φと定義する。
(One example of arrangement positions of the multiple light sources 121)
2 is a diagram showing the definitions of the azimuth angle and the elevation angle in the
図３は、一実施形態に係る画像計測装置１００における複数の光源１２１の配置位置の一例を示す図である。図１に示すように、本実施形態では、１０個の光源１２１が、ｚ軸を中心とし、半径が一定であり、且つ高さ位置が徐々に変化する螺旋状に配置されている。
Figure 3 is a diagram showing an example of the arrangement of multiple
本実施形態では、図３に示すように、各光源１２１の配置位置を、（ｘ，ｙ，ｚ）で表すことができる。但し、対象物１０の表面１０Ａの中心点を（０，０，０）とする。また、仰角Φが最も小さい１番目の光源１２１の配置位置を、（５０ｍｍ，０ｍｍ,１８．６ｍｍ）としている。なお、各光源１２１の配置位置ｘ，ｙ，ｚは、以下の式（１）で表現できる。
In this embodiment, as shown in FIG. 3, the position of each
ｘ＝ａ・ｃｏｓθ,ｙ＝ａ・ｓｉｎθ,ｚ＝ｂ・θ・・・（１） x=a・cosθ,y=a・sinθ,z=b・θ...(1)
上記式（１）において、ａは、光源ユニット１２０がなす螺旋の半径である。本実施形態では、半径ａを「５０ｍｍ」としている。また、上記式（１）において、ｂは、定数である。本実施形態では、定数ｂとして「５」を用いている。
In the above formula (1), a is the radius of the spiral formed by the
また、本実施形態では、図３に示すように、各光源１２１を配置したことにより、仰角Φが最も小さい１番目の光源１２１の、方位角θが０度となっており、仰角Φが２０度となっている。そして、本実施形態では、１０個の光源１２１が、番号順に、方位角θが７２度ずつ高められたものとなっており、且つ、仰角Φが５度ずつ高められたものとなっている。
In this embodiment, by arranging the
（制御装置１３０による処理の手順）
図４は、一実施形態に係る制御装置１３０による処理の手順を示すフローチャートである。図４に示すフローチャートは、画像計測装置１００が備える制御装置１３０による、対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像してから、対象物１０の表面１０Ａの三次元形状を表示するまでの、一連の制御の手順を示す。
(Processing procedure by the control device 130)
Fig. 4 is a flowchart showing a procedure of processing by the
まず、作業者が、撮像装置１１０による撮像位置に対し、対象物１０の代わりに、白色拡散板を配置する。
First, the operator places a white diffusion plate in place of the
そして、制御部１３１が、１０個の光源１２１のうち、最も仰角Φが小さい１番目の光源１２１を点灯させる（ステップＳ４０１）。
Then, the
次に、制御部１３１が、一の光源１２１によって光が照射された状態の、白色拡散板の画像を撮像する（ステップＳ４０２）。
Next, the
次に、制御部１３１が、光照射方向が異なる１０枚の白色拡散板の画像を撮像したか否かを判断する（ステップＳ４０３）。
Next, the
ステップＳ４０３において、光照射方向が異なる１０枚の白色拡散板の画像を撮像していないと判断された場合（ステップＳ４０３：Ｎｏ）、制御部１３１が、１０個の光源１２１のうち、次に仰角Φが小さい一の光源１２１を点灯させる（ステップＳ４０４）。そして、制御部１３１は、ステップＳ４０２へ処理を戻す。
If it is determined in step S403 that images of ten white diffusion plates with different light irradiation directions have not been captured (step S403: No), the
一方、ステップＳ４０３において、光照射方向が異なる１０枚の白色拡散板の画像を撮像したと判断された場合（ステップＳ４０３：Ｙｅｓ）、作業者が、撮像装置１１０による撮像位置に対し、白色拡散板に変えて、対象物１０を配置する。
On the other hand, if it is determined in step S403 that images of 10 white diffusion plates with different light irradiation directions have been captured (step S403: Yes), the operator places the
そして、制御部１３１が、１０個の光源１２１のうち、最も仰角Φが小さい１番目の光源１２１を点灯させる（ステップＳ４０５）。
Then, the
次に、制御部１３１が、一の光源１２１によって光が照射された状態の、対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像する（ステップＳ４０６）。
Next, the
次に、制御部１３１が、光照射方向が異なる１０枚の対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像したか否かを判断する（ステップＳ４０７）。
Next, the
ステップＳ４０７において、光照射方向が異なる１０枚の対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像していないと判断された場合（ステップＳ４０７：Ｎｏ）、制御部１３１が、１０個の光源１２１のうち、次に仰角Φが小さい一の光源１２１一の光源１２１を点灯させる（ステップＳ４０８）。そして、制御部１３１は、ステップＳ４０６へ処理を戻す。
If it is determined in step S407 that 10 images of the
一方、ステップＳ４０７において、光照射方向が異なる１０枚の対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像したと判断された場合（ステップＳ４０７：Ｙｅｓ）、演算部１３２が、対象物１０の表面１０Ａの画像に対して、所定の照度補正処理を行うことにより、補正画像（照度補正処理後の、対象物１０の表面１０Ａの画像）を生成する（ステップＳ４０９）。
On the other hand, if it is determined in step S407 that ten images of the
次に、演算部１３２が、ステップＳ４０９で生成された補正画像に基づいて、フォトメトリックステレオ法を用いて、対象物１０の表面１０Ａの法線ベクトルを算出する（ステップＳ４１０）。なお、演算部１３２による法線ベクトルの算出方法の一例については、後述する。
Next, the
次に、演算部１３２が、ステップＳ４１０で得られた法線ベクトルに基づいて、対象物１０の表面１０Ａの三次元形状を算出する（ステップＳ４１１）。ここで、演算部１３２は、公知の技術を用いて、対象物１０の表面１０Ａの三次元形状を算出することができる。なお、演算部１３２による三次元形状の算出方法の一例については、図５を用いて後述する。
Next, the
次に、表示部１３３が、ステップＳ４１２で算出された、対象物１０の表面１０Ａの三次元形状を表示する（ステップＳ４１２）。その後、制御装置１３０は、図４に示す一連の処理を終了する。
Next, the
（照度補正処理の一例）
ここで、照度補正処理の一例について具体的に説明する。本実施形態では、複数の光源１２１の各々が、拡散光を照射するものであり、且つ、配光特性を持つ。このため、光源１２１毎に、対象物１０の表面１０Ａにおける照度が異なる。そこで、本実施形態では、白色拡散板の画像を撮像し、当該白色拡散板の画像を用いて、照度補正を行う。そのため、本実施形態では、光源１２１毎に、白色拡散板の画像と、対象物１０の表面１０Ａの画像とを撮像しているのである。
(An example of illuminance correction processing)
Here, an example of the illuminance correction process will be specifically described. In this embodiment, each of the multiple
例えば、演算部１３２は、白色拡散板の画像における輝度分布をＷｎ（ｉ，ｊ）とし、対象物１０の表面１０Ａの画像における輝度分布をＭｎ（ｉ，ｊ）として、下記式（２）により、補正画像の輝度分布Ｌｎ（ｉ,ｊ）算出することができる。
For example, the
Ｌｎ（ｉ,ｊ）＝Ｍｎ（ｉ，ｊ）／Ｗｎ（ｉ，ｊ）×（Ｔ／Ｓｎ）・・・（２） Ln(i,j)=Mn(i,j)/Wn(i,j)×(T/Sn)...(2)
なお、（ｉ，ｊ）は各画素の画素位置を示す。ｉは、水平方向の画素位置を示す。ｊは、垂直方向の画素位置を示す。 Note that (i, j) indicates the pixel position of each pixel. i indicates the pixel position in the horizontal direction. j indicates the pixel position in the vertical direction.
また、白色拡散板の画像を撮像したときの撮像装置１１０の露光時間をＴとし、対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像したときの撮像装置１１０の露光時間をＳｎとする。また、光源１２１の番号をｎとする。本実施形態では、ｎ＝１～１０である。
The exposure time of the
なお、本実施形態では、複数の光源１２１の間で、白色拡散板の画像を撮像するときの露光時間をＴを、画素が飽和しない適切な値で同一としている。一方、本実施形態では、複数の光源１２１の間で、対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像するときの露光時間Ｓｎを異ならせている。但し、これに限らず、複数の光源１２１の間で、白色拡散板の画像を撮像するときの露光時間をＴを異ならせてもよい。また、複数の光源１２１の間で、対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像するときの露光時間Ｓｎを同一としてもよい。
In this embodiment, the exposure time T when capturing an image of the white diffusion plate is set to the same value among the multiple
上記式（２）によれば、対象物１０の表面１０Ａの画像における輝度分布Ｍｎ（ｉ，ｊ）を、白色拡散板の画像における輝度分布Ｗｎ（ｉ，ｊ）で除算することにより、光源１２１の配光特性、および、対象物１０の表面１０Ａと光源１２１との距離の変化による照度ムラを抑制することができる。
According to the above formula (2), by dividing the luminance distribution Mn(i,j) in the image of the
また、上記式（２）によれば、白色拡散板の画像を撮像したときの撮像装置１１０の露光時間Ｔと、対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像したときの撮像装置１１０の露光時間Ｓｎとの比を乗算することにより、露光時間の違いによる輝度変化を補正することができる。
Furthermore, according to the above formula (2), the brightness change due to the difference in exposure time can be corrected by multiplying the ratio between the exposure time T of the
（法線ベクトルの算出方法の一例）
次に、法線ベクトルの算出方法の一例について具体的に説明する。
(An example of a method for calculating a normal vector)
Next, an example of a method for calculating a normal vector will be specifically described.
まず、演算部１３２は、法線ベクトルの必要となる、各光源方向のベクトルを算出する。具体的には、演算部１３２は、各光源１２１の３次元位置から、各光源１２１の方位角θおよび仰角φを求める。そして、演算部１３２は、各光源１２１の方位角θおよび仰角φから、下記式（３）～（５）により、各光源方向のベクトル（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）を算出する。
First, the
Ｓｘ＝－ｃｏｓθ・ｃｏｓφ・・・（３）
Ｓｙ＝－ｓｉｎθ・ｃｏｓφ・・・（４）
Ｓｚ＝－ｓｉｎφ・・・（５）
Sx=-cosθ・cosφ...(3)
Sy=-sinθ・cosφ...(4)
Sz=-sinφ...(5)
演算部１３２は、上記式（３）～（５）により、１０個の光源１２１（図３参照）の各々について、光源方向のベクトル（Ｓｘｎ，Ｓｙｎ，Ｓｚｎ）を算出する。但し、ｎは、光源番号である。
The
次に、演算部１３２は、対象物１０の表面１０Ａの法線ベクトルを算出する。フォトメトリックステレオ法では、各光源方向のベクトル（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）と、対象物１０の表面１０Ａの法線ベクトル（Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚ）と、対象物１０の表面１０Ａの画像の輝度値との関係を、下記式（６）で表わすことができる。よって、演算部１３２は、下記式（６）により、法線ベクトル（Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚ）を算出することができる。
Next, the
例えば、制御装置１３０の表示部１３３は、ここで得られた法線ベクトル（Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚ）の各値をＲＧＢ値に置換することによって、表面１０Ａの三次元形状をカラー画像化することができる。そして、表示部１３３は、生成された三次元形状のカラー画像を、ＣＧ（コンピューターグラフィックス）レンダリングソフトを用いて、表面１０Ａの三次元形状を表示することができる。
For example, the
（三次元形状の算出方法の一例）
次に、図５を参照して、演算部１３２による三次元形状の算出方法の一例について具体的に説明する。図５は、一実施形態に係る制御装置１３０による三次元形状の算出時における、注目画素と周辺画素との対応関係を示す図である。
(An example of a method for calculating a three-dimensional shape)
Next, an example of a method for calculating a three-dimensional shape by the
例えば、演算部１３２は、ステップＳ４１０で得られた法線ベクトル（Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚ）から、各画素のｘ軸方向およびｙ軸方向の傾きを算出し、それらの傾きから、各画素の高さを算出する。具体的には、演算部１３２は、各画素のｘ軸方向の傾きｐを、－（Ｎｘ／Ｎｚ）によって算出し、ｙ軸方向の傾きｑを、－（Ｎｙ／Ｎｚ）によって算出できる。そして、演算部１３２は、注目画素の画素位置を（ｍ，ｎ）とする場合、画素位置（ｍ，ｎ）の高さｈを、下記式（７）および式（８）によって算出できる。但し、ｈ（ｍ－１，ｎ）およびｈ（ｍ，ｎ－１）は、注目画素の周辺の周辺画素の高さを示す。
For example, the
ｈ１（ｍ，ｎ）＝ｈ（ｍ－１，ｎ）＋ｐ（ｍ－１，ｎ）・・・（７）
ｈ２（ｍ，ｎ）＝ｈ（ｍ，ｎ－１）＋ｑ（ｍ，ｎ－１）・・・（８）
h1(m,n)=h(m-1,n)+p(m-1,n)...(7)
h2 (m, n) = h (m, n-1) + q (m, n-1) (8)
さらに、演算部１３２は、ノイズの影響を抑制するため、下記式（９）により、上記式（７）によって算出されたｈ１と、上記式（８）によって算出されたｈ２との平均値を、注目画素の高さｈ（ｍ，ｎ）として算出できる。
Furthermore, in order to suppress the influence of noise, the
ｈ（ｍ，ｎ）＝｛ｈ１（ｍ，ｎ）＋ｈ２（ｍ，ｎ）｝／２・・・（９） h(m,n)={h1(m,n)+h2(m,n)}/2...(9)
演算部１３２は、複数の画素の各々について、上記のとおり高さｈを算出することにより、対象物１０の表面１０Ａの三次元形状を算出することができる。
The
（対象物１０の表面１０Ａの三次元形状の一例）
図６は、一実施形態に係る制御装置１３０によって算出された、対象物１０の表面１０Ａの三次元形状の一例を示す図である。図６に示す三次元形状は、凹凸がある合皮の表面１０Ａの三次元形状である。図６に示す三次元形状は、上記したとおり、光照射方向が異なる複数の画像に基づいて、制御装置１３０の演算部１３２によって算出されたものである。このため、図６に示す三次元形状は、実際の表面１０Ａの三次元形状が、高精度に再現されたものとなっている。
(One example of a three-dimensional shape of the
Fig. 6 is a diagram showing an example of a three-dimensional shape of the
以上説明したように、一実施形態に係る画像計測装置１００は、対象物１０の表面１０Ａに対向して配置された撮像装置１１０と、対象物１０の表面１０Ａに対向して螺旋状に配置された複数の光源１２１と、複数の光源１２１を順次切り替えて点灯させながら、一の光源１２１が点灯する毎に、撮像装置１１０に対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像させる制御部１３１と、撮像装置１１０によって撮像された複数の画像に基づいて、対象物１０の表面１０Ａの法線ベクトルを算出する演算部１３２とを備える。
As described above, the
これにより、一実施形態に係る画像計測装置１００は、複数の光源１２１の方位角および仰角を連続的に変化するものとすることができるため、比較的少ない数の光源１２１を用いて、効率よく光照射角度が多様である複数の画像を取得できる。また、一実施形態に係る画像計測装置１００は、複数の光源１２１における仰角の範囲（すなわち、仰角が最も小さい光源１２１の仰角と、仰角が最も大きい光源１２１の仰角との差）を大きくすることができる。このため、一実施形態に係る画像計測装置１００は、対象物１０の表面１０Ａの法線ベクトルを、より高精度に算出することができる。
As a result, the
また、一実施形態に係る画像計測装置１００は、光源ユニット１２０がなす螺旋の径および高さを任意の調整することにより、複数の光源１２１の配置位置を容易に多様化することができる。
In addition, the
したがって、一実施形態に係る画像計測装置１００によれば、対象物１０の表面１０Ａの法線ベクトルを、より簡易な装置構成で、より高精度に算出することができる。
Therefore, according to one embodiment of the
（光沢画像の生成方法）
一実施形態に係る制御装置１３０の演算部１３２は、さらに、対象物１０の表面１０Ａの表面反射成分を表す光沢画像を生成することができる。以下、演算部１３２による光沢画像の生成方法について具体的に説明する。
(Method of generating glossy image)
The
（手順１）まず、演算部１３２は、これまでに説明したのと同様の方法により、白色拡散板の画像を撮像する。
(Step 1) First, the
（手順２）次に、演算部１３２は、これまでに説明したのと同様の方法により、対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像する。
(Step 2) Next, the
（手順３）次に、演算部１３２は、撮像装置１１０側の第１の偏光フィルタ１４０を９０度回転させることで、表面反射成分が強調された、対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像する。具体的には、演算部１３２は、撮像装置１１０側の第１の偏光フィルタ１４０を９０度回転させることで、第１の偏光フィルタ１４０の偏光方向を、各光源１２１に設けられた第２の偏光フィルタ１２３の偏光方向と平行にする。これにより、対象物１０の表面１０Ａからの反射光のうち、表面反射成分は、第１の偏光フィルタ１４０を透過して撮像装置１１０のレンズ内に入射され、それ以外の成分は、第１の偏光フィルタ１４０を透過せずに撮像装置１１０のレンズ内に殆ど入射されなくなる。これにより、演算部１３２は、表面反射成分が強調された状態で、対象物１０の表面１０Ａの画像を撮像することができる。
(Step 3) Next, the
（手順４）次に、演算部１３２は、上記（手順２）で得られた画像（すなわち、表面反射成分が抑制された画像）と、上記（手順３）で得られた画像（すなわち、表面反射成分が強調された画像）との各々について、これまでに説明したのと同様の方法により、補正画像を生成する。例えば、演算部１３２は、上記式（２）によって、上記（手順２）で得られた画像の補正画像Ｌｎ（ｉ，ｊ）を算出する。また、例えば、演算部１３２は、下記式（１０）によって、上記（手順３）で得られた画像の補正画像Ｌ'ｎ（ｉ，ｊ）を算出する。
Ｌ'ｎ（ｉ，ｊ）＝Ｍ'ｎ（ｉ，ｊ）／Ｗｎ（ｉ，ｊ）×（Ｔ／Ｓ'ｎ）・・・（１０）
(Step 4) Next, the
L'n(i,j)=M'n(i,j)/Wn(i,j)×(T/S'n)...(10)
但し、Ｗｎ（ｉ，ｊ）は、白色拡散板の画像における輝度分布を示す。また、Ｍ'ｎ（ｉ，ｊ）は、上記（手順３）で得られた画像における輝度分布を示す。また、白色拡散板の画像を撮像したときの撮像装置１１０の露光時間をＴとし、上記（手順３）で得られた画像を撮像したときの撮像装置１１０の露光時間をＳ'ｎとする。また、光源１２１の番号をｎとする。本実施形態では、ｎ＝１～１０である。
Where, Wn(i,j) indicates the luminance distribution in the image of the white diffuser. Furthermore, M'n(i,j) indicates the luminance distribution in the image obtained in the above (step 3). Furthermore, the exposure time of the
（手順５）次に、演算部１３２は、上記（手順４）で得られた補正画像Ｌ'ｎ（ｉ，ｊ）と補正画像Ｌｎ（ｉ，ｊ）との差分を、対象物１０の表面１０Ａの表面反射成分を表す光沢画像として算出する。例えば、演算部１３２は、光沢画像Ｇ（ｉ，ｊ）を、下記式（１１）によって算出することができる。
Ｇ（ｉ，ｊ）＝Ｌ'ｎ（ｉ，ｊ）－Ｌｎ（ｉ，ｊ）・・・（１１）
(Step 5) Next, the
G(i,j)=L'n(i,j)-Ln(i,j)...(11)
（手順６）演算部１３２は、上記（手順１）～（手順５）を、光源１２１毎に行うことにより、光源１２１毎（すなわち、光照射方向毎）の、複数の光沢画像を得ることができる。
(Step 6) The
（光沢画像の一例）
図７は、一実施形態に係る制御装置１３０によって算出された、光沢画像の一例を示す図である。図７に示す光沢画像は、制御装置１３０の演算部１３２によって算出された、図６に示す表面１０Ａ（すなわち、凹凸がある合皮の表面）の光沢画像である。特に、図７に示す光沢画像は、仰角が６０度である光源１２１から光を照射したときの光沢を表す光沢画像である。
(Example of a glossy image)
Fig. 7 is a diagram showing an example of a gloss image calculated by the
このように、一実施形態に係る画像計測装置１００では、演算部１３２は、撮像装置１１０によって撮像された複数の対象物１０の表面１０Ａの画像に基づいて、対象物１０の表面１０Ａの光沢をさらに算出することができる。
In this way, in the
これにより、一実施形態に係る画像計測装置１００は、多様な光照射方向からの表面１０Ａの光沢特性を効率的に取得することができる。特に、一実施形態に係る画像計測装置１００は、法線ベクトルの算出に使用した光源１２１および撮像装置１１０を利用して、表面１０Ａの光沢特性を取得することができるため、比較的簡易な装置構成とすることができる。
As a result, the
（照度補正処理の変形例）
演算部１３２は、これまでに説明した照度補正処理（すなわち、白色拡散板の画像を用いた簡易的な照度補正処理）に代えて、より高精度な照度補正処理を行うことにより、対象物１０の表面１０Ａの画像の照度を補正して、補正画像を生成してもよい。これにより、演算部１３２は、より高精度に法線ベクトルを算出することができる。以下、図８および図９を参照して、より高精度な照度補正処理について具体的に説明する。
(Modification of Illuminance Correction Processing)
Instead of the illuminance correction process described above (i.e., a simple illuminance correction process using an image of a white diffusion plate), the
図８は、光源１２１から照射された光の距離の違いを示す図である。図９は、対象物１０の表面１０Ａにおける中心の画素位置（０，０）と右端部の画素位置（５００，０）との位置関係と距離の対応関係とを示す図である。
Figure 8 is a diagram showing the difference in distance of light emitted from
図８に示すように、光源１２１から照射される光が拡散光である場合、表面１０Ａにおける照射位置に応じて、光源１２１からの距離が異なる。そして、光源１２１からの距離が長くなるほど、照射位置における輝度は低くなる。たとえば、図８に示す例では、光源１２１から表面１０Ａの中央部Ｐ１までの距離Ｌ１よりも、光源１２１から表面１０Ａの左端部Ｐ２までの距離Ｌ２のほうが長い。このため、左端部Ｐ２の輝度は、中央部Ｐ１の輝度よりも低くなる。特に、輝度は、光源１２１からの距離の２乗に反比例する法則がある。そこで、ここで説明するより高精度な照度補正処理は、この法則に基づいた照度補正を行う。
As shown in FIG. 8, when the light emitted from the
（手順１）まず、演算部１３２は、基準となる光源１２１（例えば、仰角が最も小さい光源１２１）と、表面１０Ａにおける基準となる画素位置（例えば、表面１０Ａにおける中心の画素位置）との距離Ｄ（すなわち、基準距離）を算出する。
(Step 1) First, the
（手順２）次に、演算部１３２は、表面１０Ａにおける全ての画素について、光源１２１からの距離ｄ（ｉ，ｊ）を算出する。例えば、演算部１３２は、表面１０Ａの画像が１０００×１０００ピクセルである場合、１個の光源１２１に対し、距離ｄ（ｉ，ｊ）を、１０００×１０００個の画素の各々について算出する。なお、演算部１３２は、距離ｄ（ｉ，ｊ）として、各画素の位置と光源１２１の三次元的位置との２点間の距離を算出する。
(Step 2) Next, the
例えば、表面１０Ａの中心の画素位置を（ｉ，ｊ）＝（０，０）として、方位角が０度であり、且つ、仰角が４５度である光源１２１の三次元的位置が（ｘ，ｙ，ｚ）＝（５０ｍｍ，０ｍｍ，５０ｍｍ）である場合、画素位置（０，０）と光源１２１との距離ｄ（０，０）は、下記式（１２）により、図９に示すように、「７０．７ｍｍ」となる。
For example, if the pixel position at the center of
また、例えば、表面１０Ａの画像の右端部の画素位置を（ｉ，ｊ）＝（５００，０）として、且つ、撮像時の画像の解像度が１ｐｉｘｅｌ＝０．０５ｍｍである場合、画素位置（５００，０）と光源１２１との距離ｄ（５００，０）は、下記式（１３）により、図９に示すように、「５５．９ｍｍ」となる。
For example, if the pixel position at the right end of the image of
（手順３）次に、演算部１３２は、下記式（１４）によって、輝度Ｌ（ｉ,ｊ）を補正することで、輝度画像Ｌ'（ｉ,ｊ）を算出する。
(Step 3) Next, the
上記式（１４）は、各画素位置の照度が、上記（手順１）で求めた距離Ｄのときの照度と等しくなるように、各画素位置の照度を補正するものである。 The above formula (14) corrects the illuminance at each pixel position so that it is equal to the illuminance at the distance D determined above (step 1).
（手順４）次に、演算部１３２は、各画素位置に対し、光源方向ベクトルを算出する。具体的には、演算部１３２は、各画素位置の光源方向ベクトルを、各画素位置と光源１２１の三次元的位置との２点に基づいて算出する。演算部１３２は、このように算出された各画素位置の光源方向ベクトルを用いて、上記式（４）により、各画素位置の法線ベクトルを算出することができる。
(Step 4) Next, the
なお、演算部１３２は、さらに、予め測定しておいた光源１２１の配光特性を考慮して、各画素位置の照度を補正してもよい。例えば、演算部１３２は、光源１２１の配光特性に基づいて、各画素位置と光源１２１との角度に応じた重み付けを、各画素位置毎に行うことにより、各画素位置の照度を補正してもよい。
The
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and variations are possible within the scope of the gist of the present invention as described in the claims.
１０ 対象物
１０Ａ 表面
１００ 画像計測装置
１１０ 撮像装置
１２０ 光源ユニット
１２１ 光源
１２２ 線状部材
１２３ 第２の偏光フィルタ
１３０ 制御装置
１３１ 制御部
１３２ 演算部
１３３ 表示部
１４０ 第１の偏光フィルタ
REFERENCE SIGNS
Claims (9)
前記対象物の表面に対して方位角および仰角の少なくともいずれか一方が連続的に変化するように配置された複数の光源と、
前記複数の光源を順次切り替えて点灯させながら、一の前記光源が点灯する毎に、前記撮像装置に前記対象物の表面の画像を撮像させる制御部と
を備え、
前記複数の光源は、
螺旋状または渦巻状に配置されている
ことを特徴とする画像計測装置。 An imaging device disposed opposite to a surface of the object;
A plurality of light sources arranged such that at least one of an azimuth angle and an elevation angle with respect to a surface of the object changes continuously;
a control unit that sequentially switches the plurality of light sources on and causes the imaging device to capture an image of the surface of the object each time one of the light sources is turned on ,
The plurality of light sources include
Arranged in a spiral or whorl
1. An image measuring device comprising:
前記対象物の表面に対して方位角および仰角の少なくともいずれか一方が連続的に変化するように配置された複数の光源と、
前記複数の光源を順次切り替えて点灯させながら、一の前記光源が点灯する毎に、前記撮像装置に前記対象物の表面の画像を撮像させる制御部と
を備え、
前記撮像装置によって撮像された複数の前記画像に基づいて、前記対象物の表面の法線ベクトルを算出する演算部をさらに備え、
前記制御部は、
前記複数の光源を順次切り替えて点灯させながら、一の前記光源が点灯する毎に、前記撮像装置に白色拡散板の画像をさらに撮像させ、
複数の前記白色拡散板の画像に基づいて、複数の前記対象物の表面の画像の照度を補正し、
照度の補正後の複数の前記対象物の表面の画像に基づいて、前記対象物の表面の法線ベクトルを算出する
ことを特徴とする画像計測装置。 An imaging device disposed opposite to a surface of the object;
A plurality of light sources arranged such that at least one of an azimuth angle and an elevation angle with respect to a surface of the object changes continuously;
a control unit that sequentially switches the plurality of light sources on and causes the imaging device to capture an image of the surface of the object each time one of the light sources is turned on ,
A calculation unit that calculates a normal vector of a surface of the object based on a plurality of the images captured by the imaging device,
The control unit is
while sequentially switching and lighting the plurality of light sources, each time one of the light sources is turned on, the imaging device is caused to further capture an image of a white diffusion plate;
correcting illuminances of the images of the surfaces of the plurality of objects based on the images of the plurality of white diffusers;
Calculating a normal vector of the surface of the object based on a plurality of images of the surface of the object after the illuminance correction
1. An image measuring device comprising:
前記撮像装置によって撮像された複数の前記画像に基づいて、前記対象物の表面の光沢をさらに算出する
ことを特徴とする請求項２に記載の画像計測装置。 The calculation unit is
The image measuring device according to claim 2 , further comprising: a calculation unit that calculates a glossiness of the surface of the object based on a plurality of the images captured by the imaging device.
前記光源の光照射方向に設けられた第２の偏光手段と
をさらに備え、
前記第１の偏光手段および前記第２の偏光手段は、
互いに偏光方向が直交する状態と、互いに偏光方向が平行する状態とに切り替え可能である
ことを特徴とする請求項３に記載の画像計測装置。 a first polarizing means provided in an imaging direction of the imaging device;
and a second polarizing means provided in a light irradiation direction of the light source,
The first polarizing means and the second polarizing means
4. The image measuring device according to claim 3 , wherein the image measuring device is switchable between a state in which the polarization directions are orthogonal to each other and a state in which the polarization directions are parallel to each other.
前記第１の偏光手段および前記第２の偏光手段が互いに偏光方向が直交する状態にあるときに前記撮像装置によって撮像された前記対象物の表面の画像に基づいて、前記対象物の表面の法線ベクトルを算出する
ことを特徴とする請求項４に記載の画像計測装置。 The calculation unit is
The image measuring device according to claim 4, characterized in that a normal vector of the surface of the object is calculated based on an image of the surface of the object captured by the imaging device when the polarization directions of the first polarization means and the second polarization means are perpendicular to each other.
前記第１の偏光手段および前記第２の偏光手段が互いに偏光方向が直交する状態にあるときに前記撮像装置によって撮像された前記対象物の表面の画像と、前記第１の偏光手段および前記第２の偏光手段が互いに偏光方向が平行する状態にあるときに前記撮像装置によって撮像された前記対象物の表面の画像とに基づいて、前記対象物の表面の光沢を算出する
ことを特徴とする請求項４または５に記載の画像計測装置。 The calculation unit is
The image measuring device according to claim 4 or 5, characterized in that the gloss of the surface of the object is calculated based on an image of the surface of the object captured by the imaging device when the polarization directions of the first polarization means and the second polarization means are perpendicular to each other , and an image of the surface of the object captured by the imaging device when the polarization directions of the first polarization means and the second polarization means are parallel to each other .
変形可能な線状部材によって直列的に連結されている
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の画像計測装置。 The plurality of light sources include
7. The image measuring device according to claim 1, wherein the measuring elements are connected in series by a deformable linear member.
前記複数の光源を順次切り替えて点灯させながら、一の前記光源が点灯する毎に、前記撮像装置に前記対象物の表面の画像を撮像させる制御工程を含み、
前記複数の光源は、
螺旋状または渦巻状に配置されている
ことを特徴とする画像計測方法。 1. An image measurement method using an image measurement device including an imaging device arranged to face a surface of an object, and a plurality of light sources arranged such that at least one of an azimuth angle and an elevation angle with respect to the surface of the object changes continuously, comprising:
a control step of sequentially switching and lighting the plurality of light sources and causing the imaging device to capture an image of the surface of the object each time one of the light sources is turned on ;
The plurality of light sources include
Arranged in a spiral or whorl
13. An image measuring method comprising:
前記複数の光源を順次切り替えて点灯させながら、一の前記光源が点灯する毎に、前記撮像装置に前記対象物の表面の画像を撮像させる制御工程を含み、
前記撮像装置によって撮像された複数の前記画像に基づいて、前記対象物の表面の法線ベクトルを算出する演算工程をさらに含み、
前記制御工程は、
前記複数の光源を順次切り替えて点灯させながら、一の前記光源が点灯する毎に、前記撮像装置に白色拡散板の画像をさらに撮像させ、
複数の前記白色拡散板の画像に基づいて、複数の前記対象物の表面の画像の照度を補正し、
照度の補正後の複数の前記対象物の表面の画像に基づいて、前記対象物の表面の法線ベクトルを算出する
ことを特徴とする画像計測方法。 1. An image measurement method using an image measurement device including an imaging device arranged to face a surface of an object, and a plurality of light sources arranged such that at least one of an azimuth angle and an elevation angle with respect to the surface of the object changes continuously, comprising:
a control step of sequentially switching and lighting the plurality of light sources and causing the imaging device to capture an image of the surface of the object each time one of the light sources is turned on ;
The method further includes a calculation step of calculating a normal vector of the surface of the object based on a plurality of the images captured by the imaging device,
The control step includes:
while sequentially switching and lighting the plurality of light sources, each time one of the light sources is turned on, the imaging device is caused to further capture an image of a white diffusion plate;
correcting illuminances of the images of the surfaces of the plurality of objects based on the images of the plurality of white diffusers;
Calculating a normal vector of the surface of the object based on a plurality of images of the surface of the object after the illuminance correction
13. An image measuring method comprising:
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