位置測定装置及び位置測定方法
【課題】測定対象物の測定範囲が撮像領域と比較して極小・広大の何れの場合であってもその測定対象物の表面上の位置を測定可能な位置測定装置及び位置測定方法を提供する。
【解決手段】ワーク２６よりも小さい寸法の撮像領域３０を有する撮像素子５０を、ワーク２６の表面３２上を相対的に移動させながら、ワーク２６の表面３２を撮像する。撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）からワーク２６の表面３２上の模様（例えば、丸型溝８２）を抽出し、抽出された前記模様の、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ＋１）中での変位量を検出し、検出された前記変位量及び前記寸法に基づいてワーク２６の表面３２上の位置を測定する。
【解決手段】ワーク２６よりも小さい寸法の撮像領域３０を有する撮像素子５０を、ワーク２６の表面３２上を相対的に移動させながら、ワーク２６の表面３２を撮像する。撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）からワーク２６の表面３２上の模様（例えば、丸型溝８２）を抽出し、抽出された前記模様の、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ＋１）中での変位量を検出し、検出された前記変位量及び前記寸法に基づいてワーク２６の表面３２上の位置を測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の表面を撮像することにより、その測定対象物の表面上の位置を測定する位置測定装置及び位置測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の長さ（この明細書では、測定対象物の全長、その一部分のサイズ、又は測定対象物の変位等をいう。）を測定するために、撮像式の位置測定装置が用いられる。この位置測定装置は、測定対象物の表面から発せられる光像をＣＣＤ、ＣＭＯＳ画像センサアレイ等のイメージセンサを用いて撮像し、この撮像により得られた画像信号を解析し、その測定対象物の長さを測定する装置である。
【０００３】
例えば、特許文献１及び２では、測定対象物に対して撮像領域を狭小に設定し、測定対象物の変位を高解像度且つ高精度に測定するシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１３９４８号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、このような撮像式の位置測定装置を用いたとしても、測定範囲が広大である測定対象物の長さを計測する場合、測定範囲の大きさと空間分解能との間にはトレードオフの関係が生じるので、測定上の不都合が起こり得る。すなわち、撮像倍率を小さくすると撮像領域内に測定対象物全体を収めることができる一方、撮像の空間分解能が低下するので十分な測定精度が得られない。また、撮像倍率を大きくすると撮像の空間分解能が向上するので測定精度が得られる一方、撮像領域内に測定対象物全体を収めることができない。これは、イメージセンサの性能及び装置構成に限界があり、撮像領域及び空間分解能が有限だからである。
【０００６】
一方、イメージセンサを構成する画素数を増やし撮像領域を大きくする構成が考えられるが、位置測定装置が大型になりその製造コストが高騰するという不都合が生じる。
【０００７】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、装置の大型化や製造コストの高騰を防止しつつ、測定対象物の測定範囲が撮像領域と比較して狭小・広大の何れの場合でもその長さを測定可能な位置測定装置及び位置測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１記載の発明に係る位置測定装置は、測定対象物よりも小さい寸法の撮像領域を有するイメージセンサを、前記測定対象物の表面上を相対的に移動させながら、前記測定対象物の表面を撮像して前記撮像領域内の画像を得、得られた前記撮像領域内の画像を用いて前記測定対象物の表面上の位置を測定する位置測定装置であって、所定の時点における前記撮像領域内の画像から前記測定対象物の表面上の模様を抽出する抽出部と、前記抽出部により抽出された前記模様の、前記所定の時点以後の時点における前記撮像領域内の画像中での変位量を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記変位量及び前記寸法に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定する測定部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、測定対象物の表面上の模様を抽出する抽出部と、撮像領域内の画像中での変位量を検出する検出部とを設けたので、イメージセンサをその撮像領域よりも大きい測定対象物の表面上を相対的に移動させながら、撮像領域内及び撮像領域外での模様の変位量に基づき測定対象物と撮像領域との相対的位置関係を把握可能となり、測定対象物の測定範囲が撮像領域と比較して狭小・広大の何れの場合であってもその測定対象物の表面上の位置を測定することができる。
【００１０】
請求項２記載の発明に係る位置測定装置は、請求項１記載の位置測定装置において、前記抽出部により抽出された前記模様に関する位置情報を記憶する記憶部を有し、前記測定部は、前記変位量、前記寸法及び前記記憶部により記憶された前記位置情報に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、抽出された模様の位置情報を記憶する記憶部を設けたので、撮像領域内で一度抽出された模様がその後に撮像領域を外れた場合であっても、記憶した位置情報に基づき前記模様と撮像領域との相対的位置関係を把握可能となり、撮像領域を超える正視面積を有する測定対象物の表面上の位置を測定することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明に係る位置測定装置は、請求項１又は２に記載の位置測定装置において、前記抽出部は、抽出された前記模様が存在する撮像領域内の画像から前記模様と異なる新たな模様を抽出することを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、抽出された模様が存在する撮像領域内の画像から新たな模様を抽出するようにしたので、抽出された模様間の相対的位置関係を容易に把握可能となり、測定対象物の表面上の位置の測定に要する演算量を少なくすることができる。
【００１４】
請求項４記載の発明に係る位置測定装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記抽出部により抽出された前記模様が現時点における撮像領域内の画像に存在するか否かの判定を行う判定部を有し、前記抽出部は、前記判定部により前記模様が前記現時点における撮像領域内の画像に存在しないと判定したとき前記現時点における撮像領域内の画像から前記新たな模様を抽出することを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、模様が現時点における撮像領域内の画像に存在するか否かの判定を行う判定部を設け、前記模様が存在しないと判定したとき、若しくは撮像領域外に外れるおそれがあると判定したときに新たな模様を抽出するようにしたので、模様を抽出する頻度を減らすことが可能となり、測定対象物の表面上の位置の測定に要する演算量を少なくすることができる。
【００１６】
請求項５記載の発明に係る位置測定装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記記憶部は、前記模様のテンプレートを記憶し、前記検出部は、前記記憶部により記憶された前記テンプレートを用いて領域ベースマッチングに基づき前記模様の変位量を算出することを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の発明によれば、テンプレートを用いて領域ベースマッチングに基づき模様の変位量を算出するようにしたので、模様の変位量を精度良く算出可能となり、測定対象物の表面上の位置を精度良く測定することができる。
【００１８】
請求項６記載の発明に係る位置測定方法は、測定対象物よりも小さい寸法の撮像領域を有するイメージセンサを、前記測定対象物の表面上を相対的に移動させながら、前記測定対象物の表面を撮像して前記撮像領域内の画像を得、得られた前記撮像領域内の画像を用いて前記測定対象物の表面上の位置を測定する位置測定方法であって、所定の時点における前記撮像領域内の画像から前記測定対象物の表面上の模様を抽出する抽出工程と、前記抽出部により抽出された前記模様の、前記所定の時点以後の時点における前記撮像領域内の画像中での変位量を検出する検出工程と、前記検出部により検出された前記変位量及び前記寸法に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定する測定工程と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項６記載の発明によれば、測定対象物の表面上の模様を抽出する抽出工程と、撮像領域内の画像中での変位量を検出する検出工程とを設けたので、撮像領域内及び撮像領域外での模様の変位量に基づき測定対象物と撮像領域との相対的位置関係を把握可能となり、測定対象物の測定範囲が撮像領域と比較して狭小・広大の何れの場合であってもその測定対象物の表面上の位置を測定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る位置測定装置及び位置測定方法によれば、測定対象物よりも小さい寸法の撮像領域を有するイメージセンサを、前記測定対象物の表面上を相対的に移動させながら、前記測定対象物の表面を撮像して前記撮像領域内の画像を得、得られた前記撮像領域内の画像を用いて前記測定対象物の表面上の位置を測定する際に、所定の時点における前記撮像領域内の画像から前記測定対象物の表面上の模様を抽出し、抽出された前記模様の、前記所定の時点以後の時点における前記撮像領域内の画像中での変位量を検出し、検出された前記変位量及び前記寸法に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定するようにしたので、模様の変位量に基づき測定対象物と撮像領域との相対的位置関係を把握可能となり、測定対象物の測定範囲が極小・広大の何れの場合であってもその測定対象物の表面上の位置を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係る位置測定装置の概略斜視図である。
【図２】本実施形態に係る位置測定装置の機能ブロック図である。
【図３】図３Ａ〜図３Ｃは、測定対象物と撮像領域との位置関係を示す概略正視図である。
【図４】本実施形態に係る位置測定方法を実施するためのフローチャートである。
【図５】図５Ａは、時刻ｔ＝０における撮像領域内の画像を表す模式図である。図５Ｂは、時刻ｔ＝１における撮像領域内の画像を表す模式図である。
【図６】図６Ａは、撮像領域内の画像を表す画像信号の説明図である。図６Ｂは、撮像領域内における各画素の対応位置を表す説明図である。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、領域ベースマッチングの一例を示す模式図である。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂは、領域ベースマッチングの他の例を示す模式図である。
【図９】撮像領域内での標的位置の変位量を表す模式図である。
【図１０】撮像領域内の画像から新たな標的位置を設定する方法に関するフローチャートである。
【図１１】撮像領域内での候補位置の選定方法に関する説明図である。
【図１２】測定対象物の長さを測定する方法に関するフローチャートである。
【図１３】測定対象物の表面上に設定された標的位置の位置関係を表す概略正視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る位置測定方法についてそれを実施する位置測定装置との関係において好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態に係る位置測定装置１０の概略斜視図である。
【００２４】
図１に示すように、位置測定装置１０は、測定対象物の表面から発せられる光像を撮像するセンサヘッド１２と、該センサヘッド１２により取得された二次元画像信号（以下、単に画像信号という。）に対して所望の画像処理を施す画像処理装置１４と、センサヘッド１２と画像処理装置１４との間の電気通信を可能とし、且つ画像処理装置１４からセンサヘッド１２への電源供給を可能とするケーブル１６とを備える。
【００２５】
また、画像処理装置１４は、外部装置である上位コントローラ１８と電気的に接続されている。上位コントローラ１８は、例えばＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）で構成され、画像処理装置１４に対して各種の指令を送信するとともに、センサヘッド１２の下方部に配設されているコンベア２０を駆動制御する。
【００２６】
コンベア２０は、円筒状の駆動ローラ２１と、従動ローラ２２と、駆動ローラ２１と従動ローラ２２間に巻回される帯状のベルト２４とを備えている。駆動ローラ２１が上位コントローラ１８を通じて実線矢印方向に回転させられると、ベルト２４が白抜矢印方向に摺動すると同時に、コンベア２０上に載置されているワーク（測定対象物）２６が白抜矢印方向に搬送される。
【００２７】
位置測定装置１０のセンサヘッド１２は、コンベア２０の上方に固定設置されており、その撮像面２８はベルト２４側に指向する。ここで、センサヘッド１２の撮像領域３０は、コンベア２０上に載置されているワーク２６の表面３２に設定されている。
【００２８】
図２は、本実施形態に係る位置測定装置１０の機能ブロック図である。
【００２９】
センサヘッド１２は、照明部３４と、撮像部３６と、通信部３８と、センサヘッド制御部４０とを備える。
【００３０】
照明部３４は、ワーク２６の表面３２上に設けられている撮像領域３０に向けて照明光４６を照射するランプから構成されており、図示しない照明スイッチにより点灯・消灯が自在である。
【００３１】
撮像部３６は、ワーク２６の表面３２で反射されて撮像面２８に入射する反射光４８（ワーク２６の反射光像）を撮像信号に変換する撮像素子（イメージセンサ）５０と、センサヘッド制御部４０からのタイミング制御信号に同期して、前記撮像信号を増幅してセンサヘッド制御部４０に出力する信号処理部５２とを有する。撮像素子５０は、例えば、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等から構成される。
【００３２】
ワーク２６と撮像素子５０との中間位置には図示しない結像光学系が設けられており、ワーク２６の表面３２に照射される撮像領域３０の寸法、すなわち撮像倍率を変更自在である。また、前記結像光学系によって、撮像素子５０が取得する撮像信号に画像歪みが生じないよう適切な光路調整がなされる。
【００３３】
通信部３８は、センサヘッド制御部４０の命令に従って、画像処理装置１４との通信を行う。ここで、ＬＶＤＳ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）を用いれば、電力消費を抑えつつ高速で雑音に強い信号伝送を行うことができる。
【００３４】
画像処理装置１４は、通信部５４と、記憶部５６と、画像処理部５８と、操作部６０と、表示部６２と、外部通信部６４と、外部通信部６６と、制御部６８とを備える。
【００３５】
通信部５４は、制御部６８の命令に従ってセンサヘッド１２との相互通信を行う。記憶部５６は、センサヘッド１２から取得した画像信号を記憶する画像メモリ７０と、画像処理等に用いる各種パラメータを一時的に格納するＲＡＭ７１と、センサヘッド１２の識別番号、センサ感度特性等を含む固有データを記憶するＥＥＰＲＯＭ７２とを備えている。
【００３６】
画像処理部５８は、抽出部７４と、判定部７５と、検出部７６と、算出部７７と、測定部７８とを備えるものであり、ソフトウェア又はハードウェアにより構成される。
【００３７】
操作部６０は、図示しない各種設定のためのスイッチや操作ボタン等で構成される。表示部６２は、例えば液晶パネルで構成されており、測定条件や測定結果に関する各種数値等が表示される。
【００３８】
二つの外部通信部６４、６６は、外部装置と接続するために設けられる。例えば、上位コントローラ１８間でのコマンドや各種データの送受信処理、図示しない外部パソコンとの接続、図示しない他の画像処理装置１４間のデータ通信を行うことができる。かかる通信は、ＵＳＢ２．０、ＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２Ｃ等の一般的な通信規格のみならず、画像処理装置１４独自の通信規格を用いることもできる。
【００３９】
図１及び図２では、画像処理装置１４は、外部通信部６６を介して上位コントローラ１８と接続されている。
【００４０】
制御部６８は、通信部５４、記憶部５６、画像処理部５８、操作部６０、表示部６２、外部通信部６４、６６の制御を含め、画像処理装置１４全体の総括制御を行う。
【００４１】
なお、図１に示す位置測定装置１０は、センサヘッド１２及び画像処理装置１４は別個のユニットとして設けられているが、これらを一体的に構成してもよい。かかる場合は、通信部３８及び通信部５４を省略する構成を採ることができる。
【００４２】
本実施形態の位置測定装置は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作につき、図４に示すフローチャートに従って説明する。
【００４３】
先ず、測定対象物としてのワーク２６をコンベア２０上に載置した後、位置測定装置１０のセンサヘッド１２（図１参照）の位置及び姿勢の調整を行う。図２に示すように、ユーザが操作部６０の図示しない照明スイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作を行うと、操作部６０、制御部６８、通信部５４、ケーブル１６、通信部３８を介し、センサヘッド制御部４０に対して照明部３４の点灯・消灯指示がなされる。センサヘッド制御部４０の点灯・消灯制御により照明部３４は所望の動作を行う。照明部３４からの照明光４６はワーク２６の表面３２に照射されるので、ユーザは、撮像領域３０の位置等を確認してセンサヘッド１２の位置及び姿勢の調整を行うことができる。
【００４４】
ワーク２６の表面３２には、図１及び図３Ａ〜図３Ｃに示すように、右から順に、この実施形態では搬送方向の下流方向側から順に、丸型溝８２、三角型溝８４、四角型溝８６、丸型溝８８が並設されている。図３Ａは、位置測定装置１０による測定前の状態（初期状態）を表し、撮像領域３０の略中央部には丸型溝８２が、撮像領域３０の左端には三角型溝８４の一部が、それぞれ存在している。
【００４５】
なお、ワーク２６の表面３２に画像として濃淡が表れる模様が存在すれば、特定の溝のような三次元形状が存在しなくても本発明を適用することができる。
【００４６】
図１に示すように、駆動ローラ２１が実線矢印方向に回転すると、ベルト２４が白抜矢印方向に摺動されるので、コンベア２０のベルト２４上に載置されたワーク２６は白抜矢印方向に搬送される。すると、ワーク２６の搬送動作によって、ワーク２６と撮像領域３０との位置関係は、初期状態の図３Ａの状態から、図３Ｂ、図３Ｃの状態へと時系列順に変化する。
【００４７】
このようにして、撮像領域３０よりも大きいワーク２６の表面３２上をコンベア２０の搬送動作により相対的に移動させながら、ワーク２６の表面３２上の各溝（丸型溝８２等）をセンサヘッド１２で撮像することができる。
【００４８】
以下、本実施形態に係る位置測定装置１０を用いてワーク２６の長さを測定する測長方法について、図４に示すフローチャートに従って詳細に説明する。
【００４９】
［ステップＳ１］
図２に示すように、ユーザが操作部６０の図示しない測長開始ボタンを押すと、操作部６０、制御部６８、通信部５４、ケーブル１６、通信部３８を介し、センサヘッド制御部４０に対して撮像開始通知がなされる。その後、センサヘッド制御部４０は撮像部３６に対して撮像指示を発する。
【００５０】
そこで、先ず、時刻ｔ＝０での画像信号を取得する（ステップＳ１）。すなわち、時刻ｔ＝０における撮像領域３０内の画像Ｉ（０）を表す画像信号を取得する。
【００５１】
この場合、ワーク２６の反射光像を形成する反射光４８は、撮像面２８へ向けて照射され、図示しない結像光学系により適切な光路調整がなされた後、撮像領域３０の範囲内において、撮像素子５０により光電変換され、撮像信号にされる。前記撮像信号は、センサヘッド制御部４０からのタイミング制御信号に同期して増幅され、センサヘッド制御部４０に供給される。この撮像信号は、その後に通信部３８に供給され、ケーブル１６、通信部５４、制御部６８を介し、画像メモリ７０に格納される。
【００５２】
このようにして、図５Ａに示すような撮像領域３０内の画像Ｉ（０）が得られる（図３Ａも参照）。ここで、撮像領域３０内の画像Ｉ（０）を表す画像信号は、図６Ａに示すように、縦６４画素、横６４画素、各画素の階調数が２５６階調（８ビット）で構成される。便宜のため、縦方向の画素番号を−３１〜３２、横方向の画素番号を−３１〜３２とそれぞれ対応付ける。
【００５３】
［ステップＳ２］
次いで、撮像領域３０内の画像Ｉ（０）から標的位置Ｐ0を設定する（ステップＳ２）。
【００５４】
画像メモリ７０に格納された画像信号のうち、撮像領域３０内の画像Ｉ（０）を表す画像信号（図５Ａ参照）を読み出し、画像Ｉ（０）の中からワーク２６の表面３２上の模様を抽出部７４により抽出する。本実施形態では、抽出部７３により抽出された模様の位置を特定するため、その代表的な位置として丸型溝８２の中心位置を標的位置Ｐ0として求め設定する。
【００５５】
例えば、図６Ｂに示すような二次元座標（ｘ−ｙ座標系）を用いて、撮像領域３０内における各画素の対応位置を定義する。ｘ軸方向、ｙ軸方向の１目盛は、画素サイズ（１画素当たりの寸法）の大きさに相当する。
【００５６】
そうすると、図６Ａに示す画素９０、９２、９４、９６、９８に対応する二次元座標は、それぞれ（０，０）、（３２，３２）、（−３１，３２）、（−３１，−３１）、（３２，−３１）である。
【００５７】
図５Ａに示すように、時刻ｔ＝０における画像Ｉ（０）の略中央位置に丸型溝８２が存在するので、該丸型溝８２が模様として抽出される。このとき、上述したように、標的位置Ｐ0は、丸型溝８２の中心位置である原点（０，０）に設定される。併せて、標的位置の座標Ｐ0（０，０）を記憶部５６（例えば、ＲＡＭ７１）に記憶しておく。
【００５８】
［ステップＳ３］
次いで、時刻ｔ＝１の画像信号Ｉ（１）を取得する（ステップＳ３）。すなわち、時刻ｔ＝１における撮像領域３０内の画像Ｉ（１）を表す画像信号を取得する。
【００５９】
時刻がｔ＝１となった時にセンサヘッド制御部４０が撮像部３６に対し撮像指示を発し、新たに撮像される画像Ｉ（１）を表す画像信号が画像メモリ７０に格納されるまでの動作については、上述の通りであるから説明を省略する。
【００６０】
このようにして、図５Ｂに示すような撮像領域３０内の画像Ｉ（１）が得られる。ここで、撮像周期Δｔは任意の値に設定可能であるが、本明細書では説明を容易にするため、Δｔを１とする。また、撮像周期Δｔが一定値でない場合、すなわち、撮像の時間間隔が不定期である場合でも本発明を適用できることはいうまでもない。
【００６１】
［ステップＳ４］
次いで、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）から標的位置Ｐ0を探索する（ステップＳ４）。
【００６２】
画像メモリ７０に格納された画像信号のうち、画像Ｉ（１）に対応する画像信号（図５Ｂ参照）を読み出し、画像Ｉ（１）の中から標的位置Ｐ0が検出部７６により検出される。
【００６３】
２つの画像Ｉ（１）、Ｉ（０）から所定の共通位置（あるいは共通領域）を識別する方法として、周知技術である領域ベースマッチングを採用することができる。
【００６４】
図７Ａ及び図７Ｂは、領域ベースマッチングの一例を示す模式図である。
【００６５】
図７Ａに示すように、画像Ｉ（０）の標的位置Ｐ0を中心とした所定サイズの領域（例えば、１６画素×１６画素の領域）を抽出し、テンプレート１００として予め記憶部５６（例えば、ＲＡＭ７１）に記憶しておく。一方、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）から任意の位置（図７Ａでは、撮像領域３０の中央右側）を中心とした関心領域１０２を切り出す。この関心領域１０２の画像サイズ（縦横の画素数）は、テンプレート１００と同一である。テンプレート１００及び関心領域１０２に対してＮＣＣ（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ；正規化相互相関）演算子１０４を作用することによって、ＮＣＣが算出される。このＮＣＣは、比較する２つの画像の類似度を表す指標であり、画像処理の技術分野において公知であるため詳細な説明を割愛する。
【００６６】
図７Ａでは、関心領域１０２はテンプレート１００と酷似しているので、ＮＣＣは大きい値を示す。一方、図７Ｂでは、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）のうち任意の位置（図７Ａでは、撮像領域３０の中央左端）を中心とした関心領域１０６を切り出しており、関心領域１０６はテンプレート１００とそれほど類似していないので、ＮＣＣは小さい値を示す。
【００６７】
このように、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）のうちＮＣＣが最大となる関心領域１０２の中心位置が、画像Ｉ（１）内の標的位置Ｐ0であると推定できる。
【００６８】
また、図８Ａ及び図８Ｂは、領域ベースマッチングの他の例を示す模式図である。
【００６９】
図８Ａ及び図８Ｂでは、上記と同様にして切り出されたテンプレート１００及び関心領域１０２、１０６に対してＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ；信号値差の総和）演算子１０８を作用することによって、ＳＡＤが算出される。このＳＡＤは、比較する２つの画像の差異度を表す指標であり、画像処理の技術分野において公知であるため詳細な説明を割愛する。
【００７０】
図８Ａでは、関心領域１０２はテンプレート１００と酷似しているので、ＳＡＤは小さい値を示す。一方、図８Ｂでは、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）のうち任意の位置（図８Ａでは、撮像領域３０の中央左端）を中心とした関心領域１０６を切り出しており、関心領域１０６はテンプレート１００とそれほど類似していないので、ＳＡＤは大きい値を示す。
【００７１】
このように、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）のうちＳＡＤが最小となる関心領域１０２の中心位置が、画像Ｉ（１）内の標的位置Ｐ0であると推定できる。
【００７２】
図９は、撮像領域３０内での標的位置Ｐ0の変位量を表す模式図である。ステップＳ４におけるＰ0の探索結果を、小数点以下切り捨てて計算し、Ｐ0（ｔ＝０）＝（０，０）、Ｐ0（ｔ＝１）＝（１４，０）とすると、標的位置Ｐ0の変位量は、ベクトルΔＰ0＝（１４，０）となる。
【００７３】
なお、画像Ｉ（ｔ）を表す画像信号は離散データであるため、標的位置Ｐ0の座標は、画素の整数倍（つまり、整数値）でしか表現できない。しかし、サブピクセル推定を用いれば、画素分解能を超えた座標表現をすることができる。
【００７４】
ここで、「サブピクセル推定」とは、離散データの座標表現に際し、仮想的に有理数を導入する位置推定方法である。これにより、空間分解能を疑似的に向上できるとともに、量子化誤差の発生を防止することができる。
【００７５】
サブピクセル推定の具体例について説明する。先ず、画像信号の各画素を中心位置としてＮＣＣ（ＳＡＤ）を求め、その最大値（最小値）近傍の３画素×３画素の領域を抽出する。ｘ軸に対するＮＣＣ（ＳＡＤ）の傾向（３組のデータ）を２次曲線で補間し、この２次曲線の軸に相当する位置（画素の有理数倍値）を算出し、標的位置Ｐ0のｘ軸座標として決定する。同様にして、ｙ軸に対するＮＮＣ（ＳＡＤ）の傾向（３組のデータ）を２次曲線で補間し、この２次曲線の軸に相当する位置（画素の有理数倍値）を算出し、標的位置Ｐ0のｙ軸座標として決定する。このようにして、標的位置Ｐ0のｘ座標、ｙ座標を求めることができる。
【００７６】
サブピクセル推定を用いる場合、図９に示すＰ0の探索結果はＰ0（ｔ＝０）＝（０，０）、Ｐ0（ｔ＝１）＝（１４．５，０）であり、標的位置Ｐ0の変位量は、ベクトルΔＰ0＝（１４．５，０）とより高精度になる。
【００７７】
また、本実施形態におけるサブピクセル推定は上述した方法に限定されることなく、種々の方法を採ることができる。
【００７８】
［ステップＳ５］
次いで、標的位置Ｐ0に対応する位置が撮像領域３０内の画像Ｉ（１）に存在するか否かについて判定を行う（ステップＳ５）。この判定は、図２に示す判定部７５により、ステップＳ４における標的位置Ｐ0の探索結果に基づいて行われる。
【００７９】
例えば、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）に標的位置Ｐ0に係る模様（丸型溝８２）の一部が欠けている場合、上述した領域ベースマッチングによる検索演算を行うと、撮像領域３０内に標的位置Ｐ0が現に存在するにもかかわらず、その探索に失敗する可能性がある。
【００８０】
かかる場合は、抽出部７４により抽出された模様（丸型溝８２）が次の撮像の際に撮像領域３０を外れるおそれがあるとして、現時点における撮像領域３０内の画像Ｉ（１）に存在しないとの判定に含めることができる。
【００８１】
［ステップＳ６］
標的位置Ｐ0に対応する位置が撮像領域３０内の画像Ｉ（１）に存在すると判定した場合は、画像Ｉ（０）から画像Ｉ（１）までの標的位置Ｐ0の変位量であるベクトルΔＰ0を算出し（ステップＳ６）、その値を記憶部５６（例えば、ＲＡＭ７１）に記憶する。この計算は、図２に示す算出部７７により行われる。
【００８２】
［ステップＳ７］
次いで、測定対象物としてのワーク２６の表面３２上の所定の長さを測定する（ステップＳ７）。その詳細な方法については後述する。
【００８３】
［ステップＳ８〜Ｓ９］
次いで、撮像終了判定（ステップＳ８）を行う。ハードウェア又はソフトウェア割り込みによる撮像終了指示がなく、センサヘッド１２を用いた撮像を継続する場合は、次の時刻（ｔ＝２）での画像Ｉ（２）を表す画像信号を取得可能となるまで所定時間だけ待機する（ステップＳ９）。
【００８４】
以下、撮像を継続し、標的位置Ｐ0に対応する位置が撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）に存在する限りは、ステップＳ３〜Ｓ９を繰り返す。
【００８５】
［ステップＳ１０］
その後、図３Ｂに示すように、所定時刻ｔにおいて、標的位置Ｐ0に対応する位置が撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）に存在しないと初めて判定される場合は、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）から、標的位置Ｐ0と異なる新たな標的位置Ｐ1を設定する（ステップＳ１０）。図２に示すように、画像メモリ７０に格納された画像信号のうち、画像Ｉ（０）に対応する画像信号を読み出し、画像Ｉ（０）の中からワーク２６の表面３２上の新たな模様が抽出部７３により抽出される。ステップＳ１と同様に、抽出部７３により抽出された新たな模様の代表的な位置としての標的位置Ｐ1を求め設定し、併せて、新たな標的位置の座標Ｐ1を記憶部５６（例えば、ＲＡＭ７１）に記憶しておく。
【００８６】
撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）から、標的位置Ｐ0と異なる新たな標的位置Ｐ1を設定する方法について、図１０に示すフローチャートを参照しながら詳細に説明する。
【００８７】
先ず、画素値分布に基づいた候補位置の抽出を行う（ステップＳ１０１）。
【００８８】
新たに設定した標的位置Ｐ1の周辺領域がすべて均一な画素値を有する場合、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）における標的位置Ｐ1の探索（図４に示すステップＳ４）が極めて困難である。そこで、近隣画素の画素値ばらつきが比較的大きく探索可能であると見込める位置を、標的位置Ｐ1の候補位置｛Ｑj｝として抽出する。
【００８９】
ここでは、候補位置が複数個（Ｍ個）存在する場合を考慮して、候補位置の群を｛Ｑj｝（ｊ＝１、２、…、Ｍ）と記載する。
【００９０】
図１１に示すように、撮像領域の中央画素（０，０）を起点として４つの矢印方向（ＳE、ＳN、ＳW、ＳS）に向けて各画素について画像特徴値を順次算出し、その画像特徴値が所定値を初めて超えた画素を候補位置として選定する。ここで、画像特徴値とは、近隣画素の画素値ばらつきの増加につれて大きくなる評価値である。例えば、関心領域（図７に示す関心領域１０２等と同じ定義）内の標準偏差、関心領域内における画素値とその平均値との信号値差の総和等を画像特徴値とすることができる。
【００９１】
矢印ＳE方向には三角型溝８４が、矢印ＳW方向には四角型溝８６がそれぞれ存在するので、これらの重心位置が候補位置として選定される。一方、中央画素（０，０）から矢印ＳN方向、矢印ＳS方向に対しても各画素について画像特徴値を順次算出するものの、撮像領域３０の境界付近まで画素値が均一であるため、候補位置｛Ｑj｝が存在しないものとしてこの演算を終了する。
【００９２】
上述の方法を採れば、撮像領域の全画素に対して画像特徴値を算出する場合と比較して、処理演算量を大幅に低減することができる。このようにして、高々４個（図１１では２個）の候補位置｛Ｑj｝を抽出する。
【００９３】
次いで、前回の標的位置Ｐ0と候補位置｛Ｑj｝との位置関係を調査する（ステップＳ１０２）。
【００９４】
少なくとも１以上の撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）に、前回の標的位置Ｐ0と今回設定される標的位置Ｐ1とが併存することを要する。さもなければ、標的位置Ｐ0と標的位置Ｐ1との相対的位置関係が特定できないからである。ステップＳ９１で抽出されたすべての候補位置｛Ｑj｝に対して、少なくとも１以上の撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）に、標的位置Ｐ0と候補位置｛Ｑj｝とが併存するか否かを調査する。
【００９５】
ここでは、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ−１）には標的位置Ｐ0が必ず存在することを利用し、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ−１）に候補位置｛Ｑj｝が存在するか否かを判断する方法を採ることができる。かかる場合、上述した領域ベースマッチングを用いることができる。
【００９６】
最後に、候補位置｛Ｑj｝の中から１つの位置を選択し、新たな標的位置Ｐ1を前記１つの位置に設定する（ステップＳ１０３）。例えば、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ−１）に候補位置｛Ｑj｝が１個存在する場合は、標的位置Ｐ1をその候補位置に設定される。また、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ−１）に候補位置｛Ｑi｝が複数個存在する場合は、標的位置Ｐ1を、その複数の候補位置｛Ｑj｝のうち画像特徴値が最大となる候補位置に設定する。
【００９７】
このようにして、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）から、標的位置Ｐ0と異なる新たな標的位置Ｐ1を設定することができる。
【００９８】
［ステップＳ１１］
次いで、標的位置Ｐ0の追跡変位量であるベクトルＰ0Ｐ1を算出する（ステップＳ１１）。この計算は、図２に示す算出部７７により行われる。
【００９９】
本実施形態では、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ−１）に標的位置Ｐ0及びＰ1が併存するようにＰ1を設定したので、ベクトルＰ0Ｐ1を容易に求めることができる。このようにして、ステップＳ１０及びＳ１１で、現在の標的位置Ｐ0（一般式ではＰi）に対して新たな標的位置Ｐ1（一般式ではＰi+1）を設定する。
【０１００】
次いで、撮像終了判定（ステップＳ８）を行う。現時点で終了指示がなく撮像を継続する場合は、次の時刻（ｔ＋１）での撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ＋１）を取得可能となるまで所定時間だけ待機する（ステップＳ９）。
【０１０１】
［ステップＳ７の詳細な説明］
上述したように、撮像の都度に、すなわちリアルタイムで、測定対象物としてのワーク２６の表面３２上の所定の長さを測定する（ステップＳ７）。以下、その測定方法について図１２に示すフローチャートを参照しながら詳細に説明する。
【０１０２】
本実施形態に係る位置測定方法を用いて、ワーク２６の表面３２上に、（Ｎ＋１）個の標的位置（Ｎは自然数）、すなわち、Ｐ0〜ＰNが設定されたものとする（図１３参照）。図２に示すＲＡＭ７１に格納された追跡変位量ベクトル｛ＰiＰi+1｝のデータが読み出され、このデータに基づいて測定部７８により測長される。
【０１０３】
先ず、測長の始点である第１ポイントＸ1と、測長の終点である第２ポイントＸ2を指定する（ステップＳ７１）。指定方法の一例として、図２に示す表示部６２に表示された画像等を参考にして、ユーザがＧＵＩ等の設定手段によって第１ポイントＸ1及び第２ポイントＸ2を設定できる。また、ワーク２６の表面３２に始点／終点を識別可能なマーカを施してもよい。ユーザは、通常、測長を開始する前に測長の始点である第１ポイントＸ1を予め設定しておく。
【０１０４】
次いで、第１ポイントＸ1近傍にある標的位置Ｐm（０≦ｍ≦Ｎ）を決定する（ステップＳ７２）。ここで、少なくとも１つの撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）に、第１ポイントＸ1と標的位置Ｐmとが併存することを要する。かかる条件を満たす標的位置Ｐmであればどの位置を選択してもよい。
【０１０５】
次いで、第１ポイントＸ1と標的位置Ｐmとの相対位置であるベクトルＸ1Ｐmを算出する（ステップＳ７３）。所定の時刻ｔ1における撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ1）が表す領域内に第１ポイントＸ1及び標的位置Ｐmが併存するので、ベクトルＸ1Ｐmを容易に求めることができる。
【０１０６】
次いで、第２ポイントＸ2近傍にある標的位置Ｐn（０≦ｍ＜ｎ≦Ｎ）を決定する（ステップＳ７４）。ここで、少なくとも１つの撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）に、第２ポイントＸ2と標的位置Ｐnとが併存することを要する。かかる条件を満たす標的位置Ｐnであればどの位置を選択してもよい。
【０１０７】
次いで、第２ポイントＸ2と標的位置Ｐnとの相対位置であるベクトルＰnＸ2を算出する（ステップＳ７５）。所定の時刻ｔ2における撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ2）が表す領域内に第２ポイントＸ2及び標的位置Ｐnが併存するので、ベクトルＸ2Ｐnを容易に求めることができる。
【０１０８】
最後に、第１ポイントＸ1と第２ポイントＸ2との変位を算出する（ステップＳ７６）。変位ベクトルＸ1Ｘ2は、式（１）によって求められる。
【０１０９】
【数１】
【０１１０】
このように、抽出部７４（図２参照）により抽出された模様の代表的位置である標的位置｛Ｐi｝は追跡点としての機能を果たす。よって、少なくとも一つの標的位置が存在する画像内の任意の位置について、式（１）のように表現することができる。
【０１１１】
最後に、画素数を単位とするｘ軸変位量、ｙ軸変位量に対し、画素サイズ（１画素当たりの寸法）を乗算することにより、実寸の長さが求められる。なお、画素サイズは、既知である撮像倍率（図示しない結像光学系の設定）と、既知である撮像素子５０の解像度とに基づいて算出できる。
【０１１２】
なお、測長前に（既知のサイズの）高精度のリファレンス目標物を撮像し、画素数を計測し、既知のサイズから画素数を除算することにより、画素サイズを求めることもできる。
【０１１３】
また、計測開始位置である第１ポイントＸ1の位置を予め設定するようにすれば、標的位置｛Ｐi｝を特定するのに必要な画像Ｉ（ｔ）を表す画像信号のみを記憶部５６の画像メモリ７０に記憶し、その他の画像Ｉ（ｔ）を表す画像信号を記憶しない（所定の画像処理後に破棄する）構成であっても上述の位置測定方法を実現できる。かかる場合、記憶部５６の記憶容量を低減でき、且つメモリアクセス回数を低減できるため好ましい態様である。
【０１１４】
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
【０１１５】
例えば、本実施形態では、照明光４６がワーク２６の表面３２で反射され、その反射光像を撮像素子５０で撮像する構成を採っているが、自然光を用いてもよいし、自ら発光する測定対象物の光像を撮像素子５０で撮像してもよい。
【０１１６】
また、撮像素子５０は、モノクロセンサ（単一の受光波長特性を有する素子）でもカラーセンサ（複数種の受光波長特性を有する素子）でも構成可能である。かかる場合は、画像処理装置１４は、取得した画像信号のデータ種類に適した通信や画像処理を行うことができる。
【０１１７】
さらに、本実施形態では、センサヘッド１２の位置及び姿勢を固定し、コンベア２０の搬送動作により該コンベア２０上に載置されたワーク２６を移動させる場合を示したが、センサヘッド１２をワーク２６の表面３２上を相対的に移動させる手段はこれに限定されない。例えば、ワーク２６を固定しながらセンサヘッド１２をワーク２６の表面３２に対して平行に移動させて撮像してもよい。また、測定対象物自体が駆動機構を有しており、移動する測定対象物を撮像してもよい。
【０１１８】
さらに、本実施形態における画像処理部５８に周知技術である画像認識処理を備えるように構成すれば、二次元測長だけでなく、形状判別や色判別を行うこともできる。
【０１１９】
さらに、本発明に係る位置測定装置及び位置測定方法は、二次元座標（Ｘ，Ｙ）のみならず三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）にも適用できる。かかる場合は、Ｚ軸方向の変位は、模様の拡大率・縮小率を検出することにより実現できる。
【０１２０】
さらに、任意の２点の位置を測定すれば、その長さ、三次元変位、角度（第三の位置を中心とした角度方向の変位）を一意に定めることが可能である。したがって、本発明に係る位置測定装置及び位置測定方法は、測長センサや変位センサだけでなく、角度センサや加速度センサ等に適用することもできる。
【符号の説明】
【０１２１】
１０…位置測定装置 １２…センサヘッド
１４…画像処理装置 １６…ケーブル
２６…ワーク ３０…撮像領域
３２…表面 ３４…照明部
３６…撮像部 ３８、５４…通信部
４０…センサヘッド制御部 ４６…照明光
４８…反射光 ５６…記憶部
５８…画像処理部 ６８…制御部
７４…抽出部 ７５…判定部
７６…検出部 ７７…算出部
７８…測定部 ８２、８８…丸型溝
８４…三角型溝 ８６…四角型溝
９０、９２、９４、９６、９８…画素 １００…テンプレート
１０２、１０６…関心領域 １０４…ＮＣＣ演算子
１０８…ＳＡＤ演算子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の表面を撮像することにより、その測定対象物の表面上の位置を測定する位置測定装置及び位置測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の長さ（この明細書では、測定対象物の全長、その一部分のサイズ、又は測定対象物の変位等をいう。）を測定するために、撮像式の位置測定装置が用いられる。この位置測定装置は、測定対象物の表面から発せられる光像をＣＣＤ、ＣＭＯＳ画像センサアレイ等のイメージセンサを用いて撮像し、この撮像により得られた画像信号を解析し、その測定対象物の長さを測定する装置である。
【０００３】
例えば、特許文献１及び２では、測定対象物に対して撮像領域を狭小に設定し、測定対象物の変位を高解像度且つ高精度に測定するシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１３９４８号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、このような撮像式の位置測定装置を用いたとしても、測定範囲が広大である測定対象物の長さを計測する場合、測定範囲の大きさと空間分解能との間にはトレードオフの関係が生じるので、測定上の不都合が起こり得る。すなわち、撮像倍率を小さくすると撮像領域内に測定対象物全体を収めることができる一方、撮像の空間分解能が低下するので十分な測定精度が得られない。また、撮像倍率を大きくすると撮像の空間分解能が向上するので測定精度が得られる一方、撮像領域内に測定対象物全体を収めることができない。これは、イメージセンサの性能及び装置構成に限界があり、撮像領域及び空間分解能が有限だからである。
【０００６】
一方、イメージセンサを構成する画素数を増やし撮像領域を大きくする構成が考えられるが、位置測定装置が大型になりその製造コストが高騰するという不都合が生じる。
【０００７】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、装置の大型化や製造コストの高騰を防止しつつ、測定対象物の測定範囲が撮像領域と比較して狭小・広大の何れの場合でもその長さを測定可能な位置測定装置及び位置測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１記載の発明に係る位置測定装置は、測定対象物よりも小さい寸法の撮像領域を有するイメージセンサを、前記測定対象物の表面上を相対的に移動させながら、前記測定対象物の表面を撮像して前記撮像領域内の画像を得、得られた前記撮像領域内の画像を用いて前記測定対象物の表面上の位置を測定する位置測定装置であって、所定の時点における前記撮像領域内の画像から前記測定対象物の表面上の模様を抽出する抽出部と、前記抽出部により抽出された前記模様の、前記所定の時点以後の時点における前記撮像領域内の画像中での変位量を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記変位量及び前記寸法に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定する測定部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、測定対象物の表面上の模様を抽出する抽出部と、撮像領域内の画像中での変位量を検出する検出部とを設けたので、イメージセンサをその撮像領域よりも大きい測定対象物の表面上を相対的に移動させながら、撮像領域内及び撮像領域外での模様の変位量に基づき測定対象物と撮像領域との相対的位置関係を把握可能となり、測定対象物の測定範囲が撮像領域と比較して狭小・広大の何れの場合であってもその測定対象物の表面上の位置を測定することができる。
【００１０】
請求項２記載の発明に係る位置測定装置は、請求項１記載の位置測定装置において、前記抽出部により抽出された前記模様に関する位置情報を記憶する記憶部を有し、前記測定部は、前記変位量、前記寸法及び前記記憶部により記憶された前記位置情報に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、抽出された模様の位置情報を記憶する記憶部を設けたので、撮像領域内で一度抽出された模様がその後に撮像領域を外れた場合であっても、記憶した位置情報に基づき前記模様と撮像領域との相対的位置関係を把握可能となり、撮像領域を超える正視面積を有する測定対象物の表面上の位置を測定することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明に係る位置測定装置は、請求項１又は２に記載の位置測定装置において、前記抽出部は、抽出された前記模様が存在する撮像領域内の画像から前記模様と異なる新たな模様を抽出することを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、抽出された模様が存在する撮像領域内の画像から新たな模様を抽出するようにしたので、抽出された模様間の相対的位置関係を容易に把握可能となり、測定対象物の表面上の位置の測定に要する演算量を少なくすることができる。
【００１４】
請求項４記載の発明に係る位置測定装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記抽出部により抽出された前記模様が現時点における撮像領域内の画像に存在するか否かの判定を行う判定部を有し、前記抽出部は、前記判定部により前記模様が前記現時点における撮像領域内の画像に存在しないと判定したとき前記現時点における撮像領域内の画像から前記新たな模様を抽出することを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、模様が現時点における撮像領域内の画像に存在するか否かの判定を行う判定部を設け、前記模様が存在しないと判定したとき、若しくは撮像領域外に外れるおそれがあると判定したときに新たな模様を抽出するようにしたので、模様を抽出する頻度を減らすことが可能となり、測定対象物の表面上の位置の測定に要する演算量を少なくすることができる。
【００１６】
請求項５記載の発明に係る位置測定装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の位置測定装置において、前記記憶部は、前記模様のテンプレートを記憶し、前記検出部は、前記記憶部により記憶された前記テンプレートを用いて領域ベースマッチングに基づき前記模様の変位量を算出することを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の発明によれば、テンプレートを用いて領域ベースマッチングに基づき模様の変位量を算出するようにしたので、模様の変位量を精度良く算出可能となり、測定対象物の表面上の位置を精度良く測定することができる。
【００１８】
請求項６記載の発明に係る位置測定方法は、測定対象物よりも小さい寸法の撮像領域を有するイメージセンサを、前記測定対象物の表面上を相対的に移動させながら、前記測定対象物の表面を撮像して前記撮像領域内の画像を得、得られた前記撮像領域内の画像を用いて前記測定対象物の表面上の位置を測定する位置測定方法であって、所定の時点における前記撮像領域内の画像から前記測定対象物の表面上の模様を抽出する抽出工程と、前記抽出部により抽出された前記模様の、前記所定の時点以後の時点における前記撮像領域内の画像中での変位量を検出する検出工程と、前記検出部により検出された前記変位量及び前記寸法に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定する測定工程と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項６記載の発明によれば、測定対象物の表面上の模様を抽出する抽出工程と、撮像領域内の画像中での変位量を検出する検出工程とを設けたので、撮像領域内及び撮像領域外での模様の変位量に基づき測定対象物と撮像領域との相対的位置関係を把握可能となり、測定対象物の測定範囲が撮像領域と比較して狭小・広大の何れの場合であってもその測定対象物の表面上の位置を測定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る位置測定装置及び位置測定方法によれば、測定対象物よりも小さい寸法の撮像領域を有するイメージセンサを、前記測定対象物の表面上を相対的に移動させながら、前記測定対象物の表面を撮像して前記撮像領域内の画像を得、得られた前記撮像領域内の画像を用いて前記測定対象物の表面上の位置を測定する際に、所定の時点における前記撮像領域内の画像から前記測定対象物の表面上の模様を抽出し、抽出された前記模様の、前記所定の時点以後の時点における前記撮像領域内の画像中での変位量を検出し、検出された前記変位量及び前記寸法に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定するようにしたので、模様の変位量に基づき測定対象物と撮像領域との相対的位置関係を把握可能となり、測定対象物の測定範囲が極小・広大の何れの場合であってもその測定対象物の表面上の位置を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係る位置測定装置の概略斜視図である。
【図２】本実施形態に係る位置測定装置の機能ブロック図である。
【図３】図３Ａ〜図３Ｃは、測定対象物と撮像領域との位置関係を示す概略正視図である。
【図４】本実施形態に係る位置測定方法を実施するためのフローチャートである。
【図５】図５Ａは、時刻ｔ＝０における撮像領域内の画像を表す模式図である。図５Ｂは、時刻ｔ＝１における撮像領域内の画像を表す模式図である。
【図６】図６Ａは、撮像領域内の画像を表す画像信号の説明図である。図６Ｂは、撮像領域内における各画素の対応位置を表す説明図である。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、領域ベースマッチングの一例を示す模式図である。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂは、領域ベースマッチングの他の例を示す模式図である。
【図９】撮像領域内での標的位置の変位量を表す模式図である。
【図１０】撮像領域内の画像から新たな標的位置を設定する方法に関するフローチャートである。
【図１１】撮像領域内での候補位置の選定方法に関する説明図である。
【図１２】測定対象物の長さを測定する方法に関するフローチャートである。
【図１３】測定対象物の表面上に設定された標的位置の位置関係を表す概略正視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る位置測定方法についてそれを実施する位置測定装置との関係において好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態に係る位置測定装置１０の概略斜視図である。
【００２４】
図１に示すように、位置測定装置１０は、測定対象物の表面から発せられる光像を撮像するセンサヘッド１２と、該センサヘッド１２により取得された二次元画像信号（以下、単に画像信号という。）に対して所望の画像処理を施す画像処理装置１４と、センサヘッド１２と画像処理装置１４との間の電気通信を可能とし、且つ画像処理装置１４からセンサヘッド１２への電源供給を可能とするケーブル１６とを備える。
【００２５】
また、画像処理装置１４は、外部装置である上位コントローラ１８と電気的に接続されている。上位コントローラ１８は、例えばＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）で構成され、画像処理装置１４に対して各種の指令を送信するとともに、センサヘッド１２の下方部に配設されているコンベア２０を駆動制御する。
【００２６】
コンベア２０は、円筒状の駆動ローラ２１と、従動ローラ２２と、駆動ローラ２１と従動ローラ２２間に巻回される帯状のベルト２４とを備えている。駆動ローラ２１が上位コントローラ１８を通じて実線矢印方向に回転させられると、ベルト２４が白抜矢印方向に摺動すると同時に、コンベア２０上に載置されているワーク（測定対象物）２６が白抜矢印方向に搬送される。
【００２７】
位置測定装置１０のセンサヘッド１２は、コンベア２０の上方に固定設置されており、その撮像面２８はベルト２４側に指向する。ここで、センサヘッド１２の撮像領域３０は、コンベア２０上に載置されているワーク２６の表面３２に設定されている。
【００２８】
図２は、本実施形態に係る位置測定装置１０の機能ブロック図である。
【００２９】
センサヘッド１２は、照明部３４と、撮像部３６と、通信部３８と、センサヘッド制御部４０とを備える。
【００３０】
照明部３４は、ワーク２６の表面３２上に設けられている撮像領域３０に向けて照明光４６を照射するランプから構成されており、図示しない照明スイッチにより点灯・消灯が自在である。
【００３１】
撮像部３６は、ワーク２６の表面３２で反射されて撮像面２８に入射する反射光４８（ワーク２６の反射光像）を撮像信号に変換する撮像素子（イメージセンサ）５０と、センサヘッド制御部４０からのタイミング制御信号に同期して、前記撮像信号を増幅してセンサヘッド制御部４０に出力する信号処理部５２とを有する。撮像素子５０は、例えば、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等から構成される。
【００３２】
ワーク２６と撮像素子５０との中間位置には図示しない結像光学系が設けられており、ワーク２６の表面３２に照射される撮像領域３０の寸法、すなわち撮像倍率を変更自在である。また、前記結像光学系によって、撮像素子５０が取得する撮像信号に画像歪みが生じないよう適切な光路調整がなされる。
【００３３】
通信部３８は、センサヘッド制御部４０の命令に従って、画像処理装置１４との通信を行う。ここで、ＬＶＤＳ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）を用いれば、電力消費を抑えつつ高速で雑音に強い信号伝送を行うことができる。
【００３４】
画像処理装置１４は、通信部５４と、記憶部５６と、画像処理部５８と、操作部６０と、表示部６２と、外部通信部６４と、外部通信部６６と、制御部６８とを備える。
【００３５】
通信部５４は、制御部６８の命令に従ってセンサヘッド１２との相互通信を行う。記憶部５６は、センサヘッド１２から取得した画像信号を記憶する画像メモリ７０と、画像処理等に用いる各種パラメータを一時的に格納するＲＡＭ７１と、センサヘッド１２の識別番号、センサ感度特性等を含む固有データを記憶するＥＥＰＲＯＭ７２とを備えている。
【００３６】
画像処理部５８は、抽出部７４と、判定部７５と、検出部７６と、算出部７７と、測定部７８とを備えるものであり、ソフトウェア又はハードウェアにより構成される。
【００３７】
操作部６０は、図示しない各種設定のためのスイッチや操作ボタン等で構成される。表示部６２は、例えば液晶パネルで構成されており、測定条件や測定結果に関する各種数値等が表示される。
【００３８】
二つの外部通信部６４、６６は、外部装置と接続するために設けられる。例えば、上位コントローラ１８間でのコマンドや各種データの送受信処理、図示しない外部パソコンとの接続、図示しない他の画像処理装置１４間のデータ通信を行うことができる。かかる通信は、ＵＳＢ２．０、ＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２Ｃ等の一般的な通信規格のみならず、画像処理装置１４独自の通信規格を用いることもできる。
【００３９】
図１及び図２では、画像処理装置１４は、外部通信部６６を介して上位コントローラ１８と接続されている。
【００４０】
制御部６８は、通信部５４、記憶部５６、画像処理部５８、操作部６０、表示部６２、外部通信部６４、６６の制御を含め、画像処理装置１４全体の総括制御を行う。
【００４１】
なお、図１に示す位置測定装置１０は、センサヘッド１２及び画像処理装置１４は別個のユニットとして設けられているが、これらを一体的に構成してもよい。かかる場合は、通信部３８及び通信部５４を省略する構成を採ることができる。
【００４２】
本実施形態の位置測定装置は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作につき、図４に示すフローチャートに従って説明する。
【００４３】
先ず、測定対象物としてのワーク２６をコンベア２０上に載置した後、位置測定装置１０のセンサヘッド１２（図１参照）の位置及び姿勢の調整を行う。図２に示すように、ユーザが操作部６０の図示しない照明スイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作を行うと、操作部６０、制御部６８、通信部５４、ケーブル１６、通信部３８を介し、センサヘッド制御部４０に対して照明部３４の点灯・消灯指示がなされる。センサヘッド制御部４０の点灯・消灯制御により照明部３４は所望の動作を行う。照明部３４からの照明光４６はワーク２６の表面３２に照射されるので、ユーザは、撮像領域３０の位置等を確認してセンサヘッド１２の位置及び姿勢の調整を行うことができる。
【００４４】
ワーク２６の表面３２には、図１及び図３Ａ〜図３Ｃに示すように、右から順に、この実施形態では搬送方向の下流方向側から順に、丸型溝８２、三角型溝８４、四角型溝８６、丸型溝８８が並設されている。図３Ａは、位置測定装置１０による測定前の状態（初期状態）を表し、撮像領域３０の略中央部には丸型溝８２が、撮像領域３０の左端には三角型溝８４の一部が、それぞれ存在している。
【００４５】
なお、ワーク２６の表面３２に画像として濃淡が表れる模様が存在すれば、特定の溝のような三次元形状が存在しなくても本発明を適用することができる。
【００４６】
図１に示すように、駆動ローラ２１が実線矢印方向に回転すると、ベルト２４が白抜矢印方向に摺動されるので、コンベア２０のベルト２４上に載置されたワーク２６は白抜矢印方向に搬送される。すると、ワーク２６の搬送動作によって、ワーク２６と撮像領域３０との位置関係は、初期状態の図３Ａの状態から、図３Ｂ、図３Ｃの状態へと時系列順に変化する。
【００４７】
このようにして、撮像領域３０よりも大きいワーク２６の表面３２上をコンベア２０の搬送動作により相対的に移動させながら、ワーク２６の表面３２上の各溝（丸型溝８２等）をセンサヘッド１２で撮像することができる。
【００４８】
以下、本実施形態に係る位置測定装置１０を用いてワーク２６の長さを測定する測長方法について、図４に示すフローチャートに従って詳細に説明する。
【００４９】
［ステップＳ１］
図２に示すように、ユーザが操作部６０の図示しない測長開始ボタンを押すと、操作部６０、制御部６８、通信部５４、ケーブル１６、通信部３８を介し、センサヘッド制御部４０に対して撮像開始通知がなされる。その後、センサヘッド制御部４０は撮像部３６に対して撮像指示を発する。
【００５０】
そこで、先ず、時刻ｔ＝０での画像信号を取得する（ステップＳ１）。すなわち、時刻ｔ＝０における撮像領域３０内の画像Ｉ（０）を表す画像信号を取得する。
【００５１】
この場合、ワーク２６の反射光像を形成する反射光４８は、撮像面２８へ向けて照射され、図示しない結像光学系により適切な光路調整がなされた後、撮像領域３０の範囲内において、撮像素子５０により光電変換され、撮像信号にされる。前記撮像信号は、センサヘッド制御部４０からのタイミング制御信号に同期して増幅され、センサヘッド制御部４０に供給される。この撮像信号は、その後に通信部３８に供給され、ケーブル１６、通信部５４、制御部６８を介し、画像メモリ７０に格納される。
【００５２】
このようにして、図５Ａに示すような撮像領域３０内の画像Ｉ（０）が得られる（図３Ａも参照）。ここで、撮像領域３０内の画像Ｉ（０）を表す画像信号は、図６Ａに示すように、縦６４画素、横６４画素、各画素の階調数が２５６階調（８ビット）で構成される。便宜のため、縦方向の画素番号を−３１〜３２、横方向の画素番号を−３１〜３２とそれぞれ対応付ける。
【００５３】
［ステップＳ２］
次いで、撮像領域３０内の画像Ｉ（０）から標的位置Ｐ0を設定する（ステップＳ２）。
【００５４】
画像メモリ７０に格納された画像信号のうち、撮像領域３０内の画像Ｉ（０）を表す画像信号（図５Ａ参照）を読み出し、画像Ｉ（０）の中からワーク２６の表面３２上の模様を抽出部７４により抽出する。本実施形態では、抽出部７３により抽出された模様の位置を特定するため、その代表的な位置として丸型溝８２の中心位置を標的位置Ｐ0として求め設定する。
【００５５】
例えば、図６Ｂに示すような二次元座標（ｘ−ｙ座標系）を用いて、撮像領域３０内における各画素の対応位置を定義する。ｘ軸方向、ｙ軸方向の１目盛は、画素サイズ（１画素当たりの寸法）の大きさに相当する。
【００５６】
そうすると、図６Ａに示す画素９０、９２、９４、９６、９８に対応する二次元座標は、それぞれ（０，０）、（３２，３２）、（−３１，３２）、（−３１，−３１）、（３２，−３１）である。
【００５７】
図５Ａに示すように、時刻ｔ＝０における画像Ｉ（０）の略中央位置に丸型溝８２が存在するので、該丸型溝８２が模様として抽出される。このとき、上述したように、標的位置Ｐ0は、丸型溝８２の中心位置である原点（０，０）に設定される。併せて、標的位置の座標Ｐ0（０，０）を記憶部５６（例えば、ＲＡＭ７１）に記憶しておく。
【００５８】
［ステップＳ３］
次いで、時刻ｔ＝１の画像信号Ｉ（１）を取得する（ステップＳ３）。すなわち、時刻ｔ＝１における撮像領域３０内の画像Ｉ（１）を表す画像信号を取得する。
【００５９】
時刻がｔ＝１となった時にセンサヘッド制御部４０が撮像部３６に対し撮像指示を発し、新たに撮像される画像Ｉ（１）を表す画像信号が画像メモリ７０に格納されるまでの動作については、上述の通りであるから説明を省略する。
【００６０】
このようにして、図５Ｂに示すような撮像領域３０内の画像Ｉ（１）が得られる。ここで、撮像周期Δｔは任意の値に設定可能であるが、本明細書では説明を容易にするため、Δｔを１とする。また、撮像周期Δｔが一定値でない場合、すなわち、撮像の時間間隔が不定期である場合でも本発明を適用できることはいうまでもない。
【００６１】
［ステップＳ４］
次いで、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）から標的位置Ｐ0を探索する（ステップＳ４）。
【００６２】
画像メモリ７０に格納された画像信号のうち、画像Ｉ（１）に対応する画像信号（図５Ｂ参照）を読み出し、画像Ｉ（１）の中から標的位置Ｐ0が検出部７６により検出される。
【００６３】
２つの画像Ｉ（１）、Ｉ（０）から所定の共通位置（あるいは共通領域）を識別する方法として、周知技術である領域ベースマッチングを採用することができる。
【００６４】
図７Ａ及び図７Ｂは、領域ベースマッチングの一例を示す模式図である。
【００６５】
図７Ａに示すように、画像Ｉ（０）の標的位置Ｐ0を中心とした所定サイズの領域（例えば、１６画素×１６画素の領域）を抽出し、テンプレート１００として予め記憶部５６（例えば、ＲＡＭ７１）に記憶しておく。一方、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）から任意の位置（図７Ａでは、撮像領域３０の中央右側）を中心とした関心領域１０２を切り出す。この関心領域１０２の画像サイズ（縦横の画素数）は、テンプレート１００と同一である。テンプレート１００及び関心領域１０２に対してＮＣＣ（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ；正規化相互相関）演算子１０４を作用することによって、ＮＣＣが算出される。このＮＣＣは、比較する２つの画像の類似度を表す指標であり、画像処理の技術分野において公知であるため詳細な説明を割愛する。
【００６６】
図７Ａでは、関心領域１０２はテンプレート１００と酷似しているので、ＮＣＣは大きい値を示す。一方、図７Ｂでは、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）のうち任意の位置（図７Ａでは、撮像領域３０の中央左端）を中心とした関心領域１０６を切り出しており、関心領域１０６はテンプレート１００とそれほど類似していないので、ＮＣＣは小さい値を示す。
【００６７】
このように、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）のうちＮＣＣが最大となる関心領域１０２の中心位置が、画像Ｉ（１）内の標的位置Ｐ0であると推定できる。
【００６８】
また、図８Ａ及び図８Ｂは、領域ベースマッチングの他の例を示す模式図である。
【００６９】
図８Ａ及び図８Ｂでは、上記と同様にして切り出されたテンプレート１００及び関心領域１０２、１０６に対してＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ；信号値差の総和）演算子１０８を作用することによって、ＳＡＤが算出される。このＳＡＤは、比較する２つの画像の差異度を表す指標であり、画像処理の技術分野において公知であるため詳細な説明を割愛する。
【００７０】
図８Ａでは、関心領域１０２はテンプレート１００と酷似しているので、ＳＡＤは小さい値を示す。一方、図８Ｂでは、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）のうち任意の位置（図８Ａでは、撮像領域３０の中央左端）を中心とした関心領域１０６を切り出しており、関心領域１０６はテンプレート１００とそれほど類似していないので、ＳＡＤは大きい値を示す。
【００７１】
このように、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）のうちＳＡＤが最小となる関心領域１０２の中心位置が、画像Ｉ（１）内の標的位置Ｐ0であると推定できる。
【００７２】
図９は、撮像領域３０内での標的位置Ｐ0の変位量を表す模式図である。ステップＳ４におけるＰ0の探索結果を、小数点以下切り捨てて計算し、Ｐ0（ｔ＝０）＝（０，０）、Ｐ0（ｔ＝１）＝（１４，０）とすると、標的位置Ｐ0の変位量は、ベクトルΔＰ0＝（１４，０）となる。
【００７３】
なお、画像Ｉ（ｔ）を表す画像信号は離散データであるため、標的位置Ｐ0の座標は、画素の整数倍（つまり、整数値）でしか表現できない。しかし、サブピクセル推定を用いれば、画素分解能を超えた座標表現をすることができる。
【００７４】
ここで、「サブピクセル推定」とは、離散データの座標表現に際し、仮想的に有理数を導入する位置推定方法である。これにより、空間分解能を疑似的に向上できるとともに、量子化誤差の発生を防止することができる。
【００７５】
サブピクセル推定の具体例について説明する。先ず、画像信号の各画素を中心位置としてＮＣＣ（ＳＡＤ）を求め、その最大値（最小値）近傍の３画素×３画素の領域を抽出する。ｘ軸に対するＮＣＣ（ＳＡＤ）の傾向（３組のデータ）を２次曲線で補間し、この２次曲線の軸に相当する位置（画素の有理数倍値）を算出し、標的位置Ｐ0のｘ軸座標として決定する。同様にして、ｙ軸に対するＮＮＣ（ＳＡＤ）の傾向（３組のデータ）を２次曲線で補間し、この２次曲線の軸に相当する位置（画素の有理数倍値）を算出し、標的位置Ｐ0のｙ軸座標として決定する。このようにして、標的位置Ｐ0のｘ座標、ｙ座標を求めることができる。
【００７６】
サブピクセル推定を用いる場合、図９に示すＰ0の探索結果はＰ0（ｔ＝０）＝（０，０）、Ｐ0（ｔ＝１）＝（１４．５，０）であり、標的位置Ｐ0の変位量は、ベクトルΔＰ0＝（１４．５，０）とより高精度になる。
【００７７】
また、本実施形態におけるサブピクセル推定は上述した方法に限定されることなく、種々の方法を採ることができる。
【００７８】
［ステップＳ５］
次いで、標的位置Ｐ0に対応する位置が撮像領域３０内の画像Ｉ（１）に存在するか否かについて判定を行う（ステップＳ５）。この判定は、図２に示す判定部７５により、ステップＳ４における標的位置Ｐ0の探索結果に基づいて行われる。
【００７９】
例えば、撮像領域３０内の画像Ｉ（１）に標的位置Ｐ0に係る模様（丸型溝８２）の一部が欠けている場合、上述した領域ベースマッチングによる検索演算を行うと、撮像領域３０内に標的位置Ｐ0が現に存在するにもかかわらず、その探索に失敗する可能性がある。
【００８０】
かかる場合は、抽出部７４により抽出された模様（丸型溝８２）が次の撮像の際に撮像領域３０を外れるおそれがあるとして、現時点における撮像領域３０内の画像Ｉ（１）に存在しないとの判定に含めることができる。
【００８１】
［ステップＳ６］
標的位置Ｐ0に対応する位置が撮像領域３０内の画像Ｉ（１）に存在すると判定した場合は、画像Ｉ（０）から画像Ｉ（１）までの標的位置Ｐ0の変位量であるベクトルΔＰ0を算出し（ステップＳ６）、その値を記憶部５６（例えば、ＲＡＭ７１）に記憶する。この計算は、図２に示す算出部７７により行われる。
【００８２】
［ステップＳ７］
次いで、測定対象物としてのワーク２６の表面３２上の所定の長さを測定する（ステップＳ７）。その詳細な方法については後述する。
【００８３】
［ステップＳ８〜Ｓ９］
次いで、撮像終了判定（ステップＳ８）を行う。ハードウェア又はソフトウェア割り込みによる撮像終了指示がなく、センサヘッド１２を用いた撮像を継続する場合は、次の時刻（ｔ＝２）での画像Ｉ（２）を表す画像信号を取得可能となるまで所定時間だけ待機する（ステップＳ９）。
【００８４】
以下、撮像を継続し、標的位置Ｐ0に対応する位置が撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）に存在する限りは、ステップＳ３〜Ｓ９を繰り返す。
【００８５】
［ステップＳ１０］
その後、図３Ｂに示すように、所定時刻ｔにおいて、標的位置Ｐ0に対応する位置が撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）に存在しないと初めて判定される場合は、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）から、標的位置Ｐ0と異なる新たな標的位置Ｐ1を設定する（ステップＳ１０）。図２に示すように、画像メモリ７０に格納された画像信号のうち、画像Ｉ（０）に対応する画像信号を読み出し、画像Ｉ（０）の中からワーク２６の表面３２上の新たな模様が抽出部７３により抽出される。ステップＳ１と同様に、抽出部７３により抽出された新たな模様の代表的な位置としての標的位置Ｐ1を求め設定し、併せて、新たな標的位置の座標Ｐ1を記憶部５６（例えば、ＲＡＭ７１）に記憶しておく。
【００８６】
撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）から、標的位置Ｐ0と異なる新たな標的位置Ｐ1を設定する方法について、図１０に示すフローチャートを参照しながら詳細に説明する。
【００８７】
先ず、画素値分布に基づいた候補位置の抽出を行う（ステップＳ１０１）。
【００８８】
新たに設定した標的位置Ｐ1の周辺領域がすべて均一な画素値を有する場合、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）における標的位置Ｐ1の探索（図４に示すステップＳ４）が極めて困難である。そこで、近隣画素の画素値ばらつきが比較的大きく探索可能であると見込める位置を、標的位置Ｐ1の候補位置｛Ｑj｝として抽出する。
【００８９】
ここでは、候補位置が複数個（Ｍ個）存在する場合を考慮して、候補位置の群を｛Ｑj｝（ｊ＝１、２、…、Ｍ）と記載する。
【００９０】
図１１に示すように、撮像領域の中央画素（０，０）を起点として４つの矢印方向（ＳE、ＳN、ＳW、ＳS）に向けて各画素について画像特徴値を順次算出し、その画像特徴値が所定値を初めて超えた画素を候補位置として選定する。ここで、画像特徴値とは、近隣画素の画素値ばらつきの増加につれて大きくなる評価値である。例えば、関心領域（図７に示す関心領域１０２等と同じ定義）内の標準偏差、関心領域内における画素値とその平均値との信号値差の総和等を画像特徴値とすることができる。
【００９１】
矢印ＳE方向には三角型溝８４が、矢印ＳW方向には四角型溝８６がそれぞれ存在するので、これらの重心位置が候補位置として選定される。一方、中央画素（０，０）から矢印ＳN方向、矢印ＳS方向に対しても各画素について画像特徴値を順次算出するものの、撮像領域３０の境界付近まで画素値が均一であるため、候補位置｛Ｑj｝が存在しないものとしてこの演算を終了する。
【００９２】
上述の方法を採れば、撮像領域の全画素に対して画像特徴値を算出する場合と比較して、処理演算量を大幅に低減することができる。このようにして、高々４個（図１１では２個）の候補位置｛Ｑj｝を抽出する。
【００９３】
次いで、前回の標的位置Ｐ0と候補位置｛Ｑj｝との位置関係を調査する（ステップＳ１０２）。
【００９４】
少なくとも１以上の撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）に、前回の標的位置Ｐ0と今回設定される標的位置Ｐ1とが併存することを要する。さもなければ、標的位置Ｐ0と標的位置Ｐ1との相対的位置関係が特定できないからである。ステップＳ９１で抽出されたすべての候補位置｛Ｑj｝に対して、少なくとも１以上の撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）に、標的位置Ｐ0と候補位置｛Ｑj｝とが併存するか否かを調査する。
【００９５】
ここでは、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ−１）には標的位置Ｐ0が必ず存在することを利用し、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ−１）に候補位置｛Ｑj｝が存在するか否かを判断する方法を採ることができる。かかる場合、上述した領域ベースマッチングを用いることができる。
【００９６】
最後に、候補位置｛Ｑj｝の中から１つの位置を選択し、新たな標的位置Ｐ1を前記１つの位置に設定する（ステップＳ１０３）。例えば、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ−１）に候補位置｛Ｑj｝が１個存在する場合は、標的位置Ｐ1をその候補位置に設定される。また、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ−１）に候補位置｛Ｑi｝が複数個存在する場合は、標的位置Ｐ1を、その複数の候補位置｛Ｑj｝のうち画像特徴値が最大となる候補位置に設定する。
【００９７】
このようにして、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）から、標的位置Ｐ0と異なる新たな標的位置Ｐ1を設定することができる。
【００９８】
［ステップＳ１１］
次いで、標的位置Ｐ0の追跡変位量であるベクトルＰ0Ｐ1を算出する（ステップＳ１１）。この計算は、図２に示す算出部７７により行われる。
【００９９】
本実施形態では、撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ−１）に標的位置Ｐ0及びＰ1が併存するようにＰ1を設定したので、ベクトルＰ0Ｐ1を容易に求めることができる。このようにして、ステップＳ１０及びＳ１１で、現在の標的位置Ｐ0（一般式ではＰi）に対して新たな標的位置Ｐ1（一般式ではＰi+1）を設定する。
【０１００】
次いで、撮像終了判定（ステップＳ８）を行う。現時点で終了指示がなく撮像を継続する場合は、次の時刻（ｔ＋１）での撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ＋１）を取得可能となるまで所定時間だけ待機する（ステップＳ９）。
【０１０１】
［ステップＳ７の詳細な説明］
上述したように、撮像の都度に、すなわちリアルタイムで、測定対象物としてのワーク２６の表面３２上の所定の長さを測定する（ステップＳ７）。以下、その測定方法について図１２に示すフローチャートを参照しながら詳細に説明する。
【０１０２】
本実施形態に係る位置測定方法を用いて、ワーク２６の表面３２上に、（Ｎ＋１）個の標的位置（Ｎは自然数）、すなわち、Ｐ0〜ＰNが設定されたものとする（図１３参照）。図２に示すＲＡＭ７１に格納された追跡変位量ベクトル｛ＰiＰi+1｝のデータが読み出され、このデータに基づいて測定部７８により測長される。
【０１０３】
先ず、測長の始点である第１ポイントＸ1と、測長の終点である第２ポイントＸ2を指定する（ステップＳ７１）。指定方法の一例として、図２に示す表示部６２に表示された画像等を参考にして、ユーザがＧＵＩ等の設定手段によって第１ポイントＸ1及び第２ポイントＸ2を設定できる。また、ワーク２６の表面３２に始点／終点を識別可能なマーカを施してもよい。ユーザは、通常、測長を開始する前に測長の始点である第１ポイントＸ1を予め設定しておく。
【０１０４】
次いで、第１ポイントＸ1近傍にある標的位置Ｐm（０≦ｍ≦Ｎ）を決定する（ステップＳ７２）。ここで、少なくとも１つの撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）に、第１ポイントＸ1と標的位置Ｐmとが併存することを要する。かかる条件を満たす標的位置Ｐmであればどの位置を選択してもよい。
【０１０５】
次いで、第１ポイントＸ1と標的位置Ｐmとの相対位置であるベクトルＸ1Ｐmを算出する（ステップＳ７３）。所定の時刻ｔ1における撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ1）が表す領域内に第１ポイントＸ1及び標的位置Ｐmが併存するので、ベクトルＸ1Ｐmを容易に求めることができる。
【０１０６】
次いで、第２ポイントＸ2近傍にある標的位置Ｐn（０≦ｍ＜ｎ≦Ｎ）を決定する（ステップＳ７４）。ここで、少なくとも１つの撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ）に、第２ポイントＸ2と標的位置Ｐnとが併存することを要する。かかる条件を満たす標的位置Ｐnであればどの位置を選択してもよい。
【０１０７】
次いで、第２ポイントＸ2と標的位置Ｐnとの相対位置であるベクトルＰnＸ2を算出する（ステップＳ７５）。所定の時刻ｔ2における撮像領域３０内の画像Ｉ（ｔ2）が表す領域内に第２ポイントＸ2及び標的位置Ｐnが併存するので、ベクトルＸ2Ｐnを容易に求めることができる。
【０１０８】
最後に、第１ポイントＸ1と第２ポイントＸ2との変位を算出する（ステップＳ７６）。変位ベクトルＸ1Ｘ2は、式（１）によって求められる。
【０１０９】
【数１】
【０１１０】
このように、抽出部７４（図２参照）により抽出された模様の代表的位置である標的位置｛Ｐi｝は追跡点としての機能を果たす。よって、少なくとも一つの標的位置が存在する画像内の任意の位置について、式（１）のように表現することができる。
【０１１１】
最後に、画素数を単位とするｘ軸変位量、ｙ軸変位量に対し、画素サイズ（１画素当たりの寸法）を乗算することにより、実寸の長さが求められる。なお、画素サイズは、既知である撮像倍率（図示しない結像光学系の設定）と、既知である撮像素子５０の解像度とに基づいて算出できる。
【０１１２】
なお、測長前に（既知のサイズの）高精度のリファレンス目標物を撮像し、画素数を計測し、既知のサイズから画素数を除算することにより、画素サイズを求めることもできる。
【０１１３】
また、計測開始位置である第１ポイントＸ1の位置を予め設定するようにすれば、標的位置｛Ｐi｝を特定するのに必要な画像Ｉ（ｔ）を表す画像信号のみを記憶部５６の画像メモリ７０に記憶し、その他の画像Ｉ（ｔ）を表す画像信号を記憶しない（所定の画像処理後に破棄する）構成であっても上述の位置測定方法を実現できる。かかる場合、記憶部５６の記憶容量を低減でき、且つメモリアクセス回数を低減できるため好ましい態様である。
【０１１４】
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
【０１１５】
例えば、本実施形態では、照明光４６がワーク２６の表面３２で反射され、その反射光像を撮像素子５０で撮像する構成を採っているが、自然光を用いてもよいし、自ら発光する測定対象物の光像を撮像素子５０で撮像してもよい。
【０１１６】
また、撮像素子５０は、モノクロセンサ（単一の受光波長特性を有する素子）でもカラーセンサ（複数種の受光波長特性を有する素子）でも構成可能である。かかる場合は、画像処理装置１４は、取得した画像信号のデータ種類に適した通信や画像処理を行うことができる。
【０１１７】
さらに、本実施形態では、センサヘッド１２の位置及び姿勢を固定し、コンベア２０の搬送動作により該コンベア２０上に載置されたワーク２６を移動させる場合を示したが、センサヘッド１２をワーク２６の表面３２上を相対的に移動させる手段はこれに限定されない。例えば、ワーク２６を固定しながらセンサヘッド１２をワーク２６の表面３２に対して平行に移動させて撮像してもよい。また、測定対象物自体が駆動機構を有しており、移動する測定対象物を撮像してもよい。
【０１１８】
さらに、本実施形態における画像処理部５８に周知技術である画像認識処理を備えるように構成すれば、二次元測長だけでなく、形状判別や色判別を行うこともできる。
【０１１９】
さらに、本発明に係る位置測定装置及び位置測定方法は、二次元座標（Ｘ，Ｙ）のみならず三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）にも適用できる。かかる場合は、Ｚ軸方向の変位は、模様の拡大率・縮小率を検出することにより実現できる。
【０１２０】
さらに、任意の２点の位置を測定すれば、その長さ、三次元変位、角度（第三の位置を中心とした角度方向の変位）を一意に定めることが可能である。したがって、本発明に係る位置測定装置及び位置測定方法は、測長センサや変位センサだけでなく、角度センサや加速度センサ等に適用することもできる。
【符号の説明】
【０１２１】
１０…位置測定装置 １２…センサヘッド
１４…画像処理装置 １６…ケーブル
２６…ワーク ３０…撮像領域
３２…表面 ３４…照明部
３６…撮像部 ３８、５４…通信部
４０…センサヘッド制御部 ４６…照明光
４８…反射光 ５６…記憶部
５８…画像処理部 ６８…制御部
７４…抽出部 ７５…判定部
７６…検出部 ７７…算出部
７８…測定部 ８２、８８…丸型溝
８４…三角型溝 ８６…四角型溝
９０、９２、９４、９６、９８…画素 １００…テンプレート
１０２、１０６…関心領域 １０４…ＮＣＣ演算子
１０８…ＳＡＤ演算子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物よりも小さい寸法の撮像領域を有するイメージセンサを、前記測定対象物の表面上を相対的に移動させながら、前記測定対象物の表面を撮像して前記撮像領域内の画像を得、得られた前記撮像領域内の画像を用いて前記測定対象物の表面上の位置を測定する位置測定装置であって、
所定の時点における前記撮像領域内の画像から前記測定対象物の表面上の模様を抽出する抽出部と、
前記抽出部により抽出された前記模様の、前記所定の時点以後の時点における前記撮像領域内の画像中での変位量を検出する検出部と、
前記検出部により検出された前記変位量及び前記寸法に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定する測定部と、
を有することを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の位置測定装置において、
前記抽出部により抽出された前記模様に関する位置情報を記憶する記憶部を有し、
前記測定部は、前記変位量、前記寸法及び前記記憶部により記憶された前記位置情報に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定する
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の位置測定装置において、
前記抽出部は、抽出された前記模様が存在する撮像領域内の画像から前記模様と異なる新たな模様を抽出する
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置測定装置において、
前記抽出部により抽出された前記模様が現時点における撮像領域内の画像に存在するか否かの判定を行う判定部を有し、
前記抽出部は、前記判定部により前記模様が前記現時点における撮像領域内の画像に存在しないと判定したとき前記現時点における撮像領域内の画像から前記新たな模様を抽出する
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の位置測定装置において、
前記記憶部は、前記模様のテンプレートを記憶し、
前記検出部は、前記記憶部により記憶された前記テンプレートを用いて領域ベースマッチングに基づき前記模様の変位量を算出する
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項６】
測定対象物よりも小さい寸法の撮像領域を有するイメージセンサを、前記測定対象物の表面上を相対的に移動させながら、前記測定対象物の表面を撮像して前記撮像領域内の画像を得、得られた前記撮像領域内の画像を用いて前記測定対象物の表面上の位置を測定する位置測定方法であって、
所定の時点における前記撮像領域内の画像から前記測定対象物の表面上の模様を抽出する抽出工程と、
前記抽出部により抽出された前記模様の、前記所定の時点以後の時点における前記撮像領域内の画像中での変位量を検出する検出工程と、
前記検出部により検出された前記変位量及び前記寸法に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定する測定工程と、
を備えることを特徴とする位置測定方法。
【請求項１】
測定対象物よりも小さい寸法の撮像領域を有するイメージセンサを、前記測定対象物の表面上を相対的に移動させながら、前記測定対象物の表面を撮像して前記撮像領域内の画像を得、得られた前記撮像領域内の画像を用いて前記測定対象物の表面上の位置を測定する位置測定装置であって、
所定の時点における前記撮像領域内の画像から前記測定対象物の表面上の模様を抽出する抽出部と、
前記抽出部により抽出された前記模様の、前記所定の時点以後の時点における前記撮像領域内の画像中での変位量を検出する検出部と、
前記検出部により検出された前記変位量及び前記寸法に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定する測定部と、
を有することを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の位置測定装置において、
前記抽出部により抽出された前記模様に関する位置情報を記憶する記憶部を有し、
前記測定部は、前記変位量、前記寸法及び前記記憶部により記憶された前記位置情報に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定する
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の位置測定装置において、
前記抽出部は、抽出された前記模様が存在する撮像領域内の画像から前記模様と異なる新たな模様を抽出する
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置測定装置において、
前記抽出部により抽出された前記模様が現時点における撮像領域内の画像に存在するか否かの判定を行う判定部を有し、
前記抽出部は、前記判定部により前記模様が前記現時点における撮像領域内の画像に存在しないと判定したとき前記現時点における撮像領域内の画像から前記新たな模様を抽出する
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の位置測定装置において、
前記記憶部は、前記模様のテンプレートを記憶し、
前記検出部は、前記記憶部により記憶された前記テンプレートを用いて領域ベースマッチングに基づき前記模様の変位量を算出する
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項６】
測定対象物よりも小さい寸法の撮像領域を有するイメージセンサを、前記測定対象物の表面上を相対的に移動させながら、前記測定対象物の表面を撮像して前記撮像領域内の画像を得、得られた前記撮像領域内の画像を用いて前記測定対象物の表面上の位置を測定する位置測定方法であって、
所定の時点における前記撮像領域内の画像から前記測定対象物の表面上の模様を抽出する抽出工程と、
前記抽出部により抽出された前記模様の、前記所定の時点以後の時点における前記撮像領域内の画像中での変位量を検出する検出工程と、
前記検出部により検出された前記変位量及び前記寸法に基づいて前記測定対象物の表面上の位置を測定する測定工程と、
を備えることを特徴とする位置測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１７５５９（Ｐ２０１１−１７５５９Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６０８６０（Ｐ２００９−１６０８６０）
【出願日】平成２１年７月７日（２００９．７．７）
【出願人】（０００１０２５１１）ＳＭＣ株式会社 (344)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月７日（２００９．７．７）
【出願人】（０００１０２５１１）ＳＭＣ株式会社 (344)
【Ｆターム（参考）】
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