JP4784555B2 - 形状評価方法、形状評価装置および三次元検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両等の評価対象物の表面形状を三次元的に評価する形状評価方法および形状評価装置、さらには検査対象物の表面形状を三次元的に検査する三次元検査装置に関するものである。

一般に、自動車等の外観品質を評価するための手法として、評価対象となる対象物の表面形状を三次元的に評価する、ハイライト検査と呼ばれる形状検査が行われている。このハイライト検査は、蛍光灯等の光源から発せられた光線を平行化し、スリット等を介して対象物に照射することで得られる、評価対象物の表面に形成される縞状の光線パターンの流れ具合によって、評価対象物の表面形状を検査するものである。このようなハイライト検査においては、評価対象物表面に形成される光線パターンは、一般的にハイライト線と呼ばれ、この対象物の表面形状に形成されたハイライト線に基づいて、対象物の表面形状の凹凸や丸み具合などについての検査が行われている。具体的には、熟練した検査者が目視することにより確認する官能検査や、対象物の表面を撮影して得られる画像を、理想的な光線パターンと比較して検査を行う自動検査などが知られている。（例えば特許文献１，２）

上述の特許文献１および２は、検査対象物表面に形成された光線パターンを撮影してハイライト線を得る際に、ハイライト線を定量化し、これによって、検査対象物の表面形状品質を定量的に評価しようとするものである。具体的には、特許文献１に記載の技術は、ハイライト線としてコンピュータに画像データを取り込む際に、取り込んだ画像データに含まれるノイズを除去し、ノイズ除去後のハイライト線データから検査対象物の表面形状を定量的に算出することを目的としている。また、特許文献２に記載の技術は、撮影した結果得られる画像データから、ハイライト線として認識するパターンを、自由曲線への当てはめを行うことで得るものであり、認識するハイライト線に不連続性の問題や均一性の問題が発生することをなくすことを目的としている。
特開平６−１９４１４８号公報 特開平７−３３２９５０号公報

ところで、通常行われる表面形状の検査工程では、検査対象物に対する、ハイライト線を撮影する撮影装置の相対位置（即ち撮影視野）や、光源の位置が厳密には一定ではないため、検査対象物の表面形状が同じであっても、撮影されて得られるハイライト線の画像の再現性が十分に得られない場合がある。そのため、これらの手法で検査された対象物の表面は、検査の結果が厳密に再現されず、検査結果を安定させることが難しい。検査結果を安定させるためには、光源の位置や撮影位置等を複数設定し、それらの各位置に基づく多数の理想的な光線パターンを作成し、精度を高めるといった作業が必要となる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、検査された対象物に対する光源や撮影装置の相対位置に関わらず、これらの対象物の表面形状を適切に評価することを可能とする形状評価方法および形状評価装置を提供することを目的とするものである。

また、本発明は、検査対象物に対する光源や撮影装置の相対位置に関わらず、検査対象物の表面形状を適切に検査することを可能とする三次元検査装置を提供することをも目的としている。

本発明にかかる形状評価方法は、前述のような課題を解決するためのものであり、評価対象物の表面形状を認識する形状認識ステップと、認識した評価対象物の表面形状上から代表点を抽出する代表点抽出ステップと、抽出された代表点を中心とした所定範囲についての形状を特定する形状特定ステップと、前記各代表点に対して、光を照射する光源の相対位置に基づく光源方向ベクトルを定義するベクトル定義ステップと、前記各代表点のうち、定義された光源方向ベクトルに対応する仮想的な反射ベクトルが、視認方向として仮想的に定められた方向から所定の範囲内に含まれる代表点のみを選択する代表点選択ステップと、前記選択した各代表点の集まりをハイライト点群とし、このハイライト点群に基づいて、評価対象物の表面に仮想的に生じたハイライト線を作成するハイライト線作成ステップと、を備え、作成したハイライト線に基づいて評価対象物の表面形状の評価を行うことを特徴としている。

このような形状評価方法によれば、評価対象物に対して光を照射する光照射方向や、代表点を選択するための反射ベクトルの方向、即ち評価対象物を撮影する視線方向を自由に設定し、評価体表物の表面に生じるハイライト線（ハイライト点群）を得ることができる。そのため、評価対象物に対する光源や撮影装置の相対位置に関わらず、評価対象物の表面形状を適切に評価することが可能となる。

また、前記代表点選択ステップにおいて、特定された形状によって規定される平面と、所定の方向ベクトルとが平行となる代表点のみを選択するようにしてもよい。即ち、ある特定の方向を評価対象物上に照射された光を視認する方向とすると、この視認する方向と平行な方向に反射する評価対象物表面上の点のみを選択する。このようにすることで、評価対象物上に照射されたハイライト点群を効率的に選択することが可能となる。

また、前記ハイライト線作成ステップは、ハイライト点群中の任意のハイライト点について、所定の範囲内に含まれるハイライト点を集め、これらのハイライト点の集まりから直線方向を決定するステップを含み、各々のハイライト線について決定された直線方向を結ぶことで形成される折れ線に基づいて、ハイライト線を作成するものであってもよい。このようにすると、ハイライト点の集まりから簡単かつ適切にハイライト線を作成することが可能となる。

また、前記視認方向として仮想的に定める方向を変化させて、評価対象物の表面形状を評価するための評価値が最大または最小となる方向を視認方向として定めるようにしてもよい。

また、前記形状認識ステップにおいては、前記評価対象物の表面形状を計測した結果得られる計測値に基づいて、評価対象物の表面形状データを認識するようにしてもよいが、評価対象物を仮想的に構成した際の形状データに基づいて、評価対象物の表面形状データを認識するものであってもよい。特に後者においては、評価対象物がプレス成形や射出成形等によって製造されるものの場合、実際に成形することなく、シミュレーションにより構築された形状の表面形状を仮想的に評価し、表面に生じる面歪みなどを解析することで、成形するための条件を実際に評価対象物を製造する前に検討することが可能となる。

また、前記代表点抽出ステップとしては、特に手法が限定されるものではないが、前記仮想的に構成した評価対象物の形状データへ、等間隔に配置された点群を含む一平面を投影し、前記点群が形状データ上に投影された位置を代表点として抽出するものであってもよい。このようにすると、形状データ上に存在する代表点を、その形状全体からほぼ均一に抽出することが容易に可能となる。

また、本発明にかかる形状評価方法においては、表面形状の評価を行った結果に基づいて、前記形状データを修正し、再度評価を行うステップを備えるものであってもよい。このようにすると、評価対象物を仮想的に創造する場合に、創造した評価対象物の形状データの評価に基づいて、評価対象物の仮想的な形状データを修正し、より適切な形状データを得ることが可能となる。したがって、実際に評価対象物を製造した後に起きる、形状についての不具合等を抑制することができるという効果が得られる。

また、本発明は、前述のような課題を解決する形状評価装置をも提供するものであり、詳細には、評価対象物の表面形状を認識し、認識した評価対象物の表面形状上から代表点を抽出し、抽出された代表点を中心とした所定範囲についての形状を特定し、前記各代表点に対して、光を照射する光源の相対位置に基づく光源方向ベクトルを定義し、前記各代表点のうち、定義された光源方向ベクトルに対応する反射ベクトルが、視認方向として定められた方向から所定の範囲内に含まれる代表点のみを選択し、前記選択した各代表点の集まりをハイライト点群とし、このハイライト点群に基づいて、評価対象物の表面に仮想的に生じたハイライト線を作成するハイライト線作成ステップと、を備え、作成したハイライト線に基づいて評価対象物の表面形状の評価を行うことを特徴としている。

このような形状評価装置によれば、評価対象物に対して光を照射する光照射方向や、代表点を選択するための反射ベクトルの方向、即ち評価対象物を撮影する視線方向を自由に設定し、評価体表物の表面に生じるハイライト線（ハイライト点群）を得ることができる。そのため、評価対象物に対する光源や撮影装置の相対位置に関わらず、評価対象物の表面形状を適切に評価することが可能となる。

このような形状評価装置は、評価対象物の表面形状を計測する計測部を更に備えるものであってもよく、この計測部によって計測した結果得られる計測値に基づいて、表面形状データを認識するものであってもよい。この場合、評価を行う際に、リアルタイムで評価対象物の形状データを認識することができるため、評価工程を簡易に行うことが可能となる。

また、このような形状評価装置においては、評価対象物を仮想的に構成した際の表面形状データを記憶する記憶領域を更に備え、記憶した表面形状データに基づいて評価対象物の表面形状を認識するものであってもよい。このような形状評価装置は、評価対象物がプレス成形や射出成形等によって製造されるものの場合、実際に成形することなく、シミュレーションにより構築された形状の表面形状を仮想的に評価し、表面に生じる面歪みなどを解析することができる。したがって、成形するための条件を実際に評価対象物を製造する前に検討することが可能となる。

また、本発明は前述のような課題を解決する三次元検査装置をも提供する。詳細には、検査対象物の表面形状を計測するための計測部を備え、検査対象物の表面形状を三次元的に検査する三次元検査装置であって、計測部により検査対象物の表面形状を認識し、認識した検査対象物の表面形状上から代表点を抽出し、抽出された代表点を中心とした所定範囲についての形状を特定し、前記各代表点に対して、光を照射する仮想的な光源の相対位置に基づく光源方向ベクトルを定義し、前記各代表点のうち、光源位置に対する相対位置に基づいて定義された光源方向ベクトルに対応する反射ベクトルが、視認方向として定められた方向から所定の範囲内に含まれる代表点のみを選択し、前記選択した各代表点の集まりをハイライト点群とし、このハイライト点群に基づいて、検査対象物の表面に仮想的に生じたハイライト線を作成し、作成したハイライト線に基づいて検査対象物の表面形状の検査を行うことを特徴としている。

このような三次元検査装置は、検査対象物に対して光を照射する仮想的な光源の位置に基づく光照射方向や、代表点を選択するための反射ベクトルの方向、即ち検査対象物を撮影する視線方向を自由に設定することができるため、検査対象物に対する光源や撮影装置の相対位置に関わらず、検査対象物の表面形状を正確に検査することが可能となる。

また、このような三次元検査装置は、検査対象物の表面形状を計測する計測部を備えているため、計測部によって計測した結果得られる計測値に基づいて、表面形状データをリアルタイムに認識することができる。そのため、検査工程を連続して簡易的に行うことができるといった効果が得られる

以上、説明したように、本発明によると、評価対象物に対する光源や撮影装置の相対位置に関わらず、評価対象物の表面形状を適切に評価することが可能となる。

発明の実施形態１．
以下に、図１から図１５を参照しつつ本発明の実施の形態１にかかる形状評価装置および形状評価方法について説明する。尚、本実施形態においては、評価対象物の一例として自動車ボディーの表面形状を評価する例について説明する。

図１は、評価対象物である自動車ボディー（以下、「ワーク」という）の表面形状を評価するための形状評価装置１を概略的に示す図である。形状評価装置１は、ワーク５の外観形状を光学的な手法を用いて計測するための計測部１０と、計測部１０により計測されて得られる計測データを取り込み、取り込んだ計測データを解析するための演算処理部３０と、を備えている。以下、各構成について詳細に説明する。

計測部１０は、公知の３次元形状測定を行うものであって、詳細には、ワーク５の外観について光学的にその形状を計測し、その計測データを演算処理部３０に送信するものである。計測データは、演算処理部３０において仮想的に構成された円筒内の車両位置へと配置される。演算処理部３０においては、送信された計測データから、複数の代表点を抽出して点群データとして記憶領域３５に記憶する。

計測部１０として、例えばＣＣＤカメラ２０を用いてワーク５の表面形状を認識することができる。ＣＣＤカメラ２０は、ワーク５の表面の略全体を撮像する位置に載置されており、ワーク５の表面からの撮像データを取得し、演算処理部３０に送信するものである。尚、ＣＣＤカメラ２０はその撮像方向や静止位置を変更可能に構成されている。

演算処理部３０は、汎用のコンピュータなどにより構成されており、その内部は、図２に示すように、画像処理ユニット３１、ＣＰＵ３２、入力部３３、表示部３４、メモリなどの記憶領域３５などによって構成されている。このような演算処理部３０は、計測部１０としてのＣＣＤカメラ２０より撮像データを受け、その撮像データを解析することで、ワーク５の表面形状についての評価を行う。演算処理部３０では、入力される撮像データについて、座標変換処理等を含む正規化処理を施した後、撮像データを記憶している。尚、ＣＣＤカメラ２０からの撮像データに基づく、ワーク５の表面形状についての評価手法については、詳細を後述する。

図３は、演算処理部３０において仮想的に構成された、ワーク５の計測データ及び光照射部４０を示す概念図である。光照射部４０は、図３に示すように、ワーク５を中心として略円筒状に配置されたハロゲン光源等の直線光源４１，４１，．．．と、各直線光源４１からの光を平行光に変換するための拡散ボード４２，４２，．．．と、変換された光を縞状に照射するための遮光スリット４３，４３，．．．とを備えている。直線光源４１、拡散ボード４２および遮光スリット４３は、略一体的に構成されており、ワーク５の計測データは演算処理部３０によって、光照射部４０の略円筒状の中心線Ｃに沿って座標変換され、所定位置に配置する。この際、直線光源４１およびワーク５は、予め定められた相対位置関係を有するものとする。演算処理部３０は、前述の直線光源の円筒中心方向に対して所定の角度（例えば３０度）で傾斜する方向からワーク５の表面の略全体を仮想的に撮像し、ワーク５の表面からの撮像データを取得することができる。尚、撮像方向や静止位置は変更可能に構成されている。

このように構成された形状評価装置が、計測部１０により計測されたワーク５の計測データに基づいて、ワーク５の表面上に生じるハイライト線を示すハイライト点群を取得し、ワーク５の表面形状を評価する手順を、図４に示すフローチャートを用いつつ詳細に説明する。

まず、形状評価装置１は、計測部１０によりワーク５の三次元形状を計測し（ＳＴＥＰ１０１）、計測データを演算処理部３０に送信する。演算処理部３０では、計測部１０から計測データを受け、計測した後のワーク５を直線光源４１により構成される円筒状の光照射部４０の内側の車両位置へと座標変換する（ＳＴＥＰ１０２）。演算処理部３０は、評価対象物であるワークの表面形状を三次元的に認識する（ＳＴＥＰ１０３）とともに、認識されたワーク５の表面形状上から、所定間隔毎に代表点を抽出する（ＳＴＥＰ１０４）。この代表点を抽出するステップ（ＳＴＥＰ１０４）は、評価対象物の表面形状を略全体に覆うように抽出するのであれば、どのような手法により行われてもよく、例えば、計測部１０により計測される所定の間隔毎に定められた各計測点の位置座標を、そのまま代表点として抽出することも可能である。尚、評価対象物の表面から代表点を抽出する際に、抽出した代表点がワーク５の表面に対して均一に広がるように、抽出する代表点を平均化し、ワーク５の表面全体から略均一に代表点を抽出するようにすることが好ましい。

次に、抽出した代表点の各位置を中心として、評価対象物の表面形状上における所定範囲についての形状を特定する（ＳＴＥＰ１０５）。具体的には、図５に示すように、評価対象物の表面を微小な三角形の集まりで表現し、代表点として抽出された各位置の周りに存在するすべての三角形について、各三角形の頂点と、他の２点とがなす２つのベクトルの外積（Ｎ_ｎ）を計算し、これら２ベクトルの長さの積で割ったベクトルを求め、求めた各ベクトルの和（ΣＮ_ｎ）を求めて正規化を行う。このようにして得られた正規化ベクトルは、各代表点における法線ベクトルとなり、前記代表点における、評価対象物の表面が一つの平面により特定されることになる。

次に、ワーク５の表面形状上において抽出された各代表点と、各直線光源４１との相対的な位置関係から、各代表点に光を照射する光源の光源方向ベクトルを定義する（ＳＴＥＰ１０６）。定義された光源方向ベクトルは、演算処理部３０の記憶領域３５内に記憶される。次に、ワークの表面形状上において抽出された各代表点のうち、定義された光源方向ベクトルに対応する反射ベクトルが、視認方向として定められた方向から所定の範囲内に含まれる代表点のみを選択する（ＳＴＥＰ１０７）。この代表点を選択するステップは、詳細には以下のように行われる。

即ち、ハイライト線として視認される光は、各代表点により視認方向を表すベクトルと平行な方向に反射する光の集まりであるから、各代表点において反射する光が、演算処理部３０において設定された撮像方向（視認方向）に一致する代表点のみを選択すればよい。したがって、図６（ａ）に示すように、視認方向としての撮像方向を示す方向ベクトルをベクトルＥ、各代表点（点Ｐ）における法線ベクトルをベクトルＮ、代表点（点Ｐ）に照射された光の方向ベクトルをベクトルＬ、代表点（点Ｐ）において反射した光の方向ベクトルをベクトルＬ'とすると、以下の式（１）の関係を満たす場合に、各代表点における平面と、方向ベクトル（視認方向）とが平行となる。
Ｌ'//Ｅ即ち、Ｌ'とＥのなす角θ＝０ ・・・（１）
尚、θは以下のようにして求めることができる。
Ｌ'・Ｅ＝｜Ｌ'｜｜Ｅ｜ｃｏｓθ
ｃｏｓθ＝Ｌ'・Ｅ／｜Ｌ'｜｜Ｅ｜
θ＝Ａｃｏｓ（Ｌ'・Ｅ／｜Ｌ'｜｜Ｅ｜）

ただし、実際には評価対象物の表面形状データや代表点の抽出するステップにおいて誤差が含まれるため、式（２）に示すように、視認方向を示すベクトルＥから所定の範囲に反射ベクトルが含まれる代表点を選択する。このようにして選択された代表点の集まり（代表点群）を、ハイライト点群とする。
θ＝Ａｃｏｓ（Ｌ'・Ｅ／｜Ｌ'｜｜Ｅ｜）＜ε（ε：許容誤差） ・・・（２）

尚、上記では点状の光源を用いた場合を説明したが、直線状の光源を用いた場合には以下のようになる。即ち、ハイライト線として視認される光は、各代表点により視認方向を表すベクトルと平行な方向に反射する光の集まりであるから、各代表点において反射する光が、演算処理部３０において設定された撮像方向（視認方向）に一致する代表点のみを選択すればよい。したがって、図６（ｂ）に示すように、視認方向としての撮像方向を示す方向ベクトルをベクトルＥ、各代表点（点Ｐ）における法線ベクトルをベクトルｖ、代表点（点Ｐ）において定義された平面をπ、代表点（点Ｐ）に照射された光の方向ベクトルをベクトルＬ、代表点（点Ｐ）において反射した光の方向ベクトルをベクトルＬ'とすると、以下の式（３）の関係を満たす場合に、各代表点における平面と、方向ベクトル（視認方向）とが平行となる。
ｖ・Ｅ＝０ ・・・（３）

ただし、実際には評価対象物の表面形状データや代表点の抽出するステップにおいて誤差が含まれるため、式（４）に示すように、視認方向を示すベクトルＥから所定の範囲に反射ベクトルが含まれる代表点を選択する。このようにして選択された代表点の集まり（代表点群）を、ハイライト点群とする。
｜ｖ・Ｅ｜＜ε（ε：許容誤差） ・・・（４）

さらに、上述のような手順により選択したハイライト点群から、ハイライト線を作成したのち（ＳＴＥＰ１０８）、作成したハイライト線の曲率を評価する（ＳＴＥＰ１０９）。このハイライト線を作成するステップの具体例、およびハイライト線の曲率評価の具体例については、以下に詳細に説明する。

図７は、前述のように選択したハイライト点群から、ハイライト線を作成するためのフローチャートであり、図８〜図１４はハイライト線を作成する手順の概略を示す概略図である。以下、ハイライト線作成の手順について詳細に説明する。

まず、図８に示すように、ハイライト点群の中から、任意の１点を特定し（ＳＴＥＰ２０１）、その１点と中心とした半径ｒ（ｒ：微小距離）の円Ｃ_０を描く。そして、この円Ｃ_０に含まれるハイライト点を集め、その重心位置をａとする（ＳＴＥＰ２０２）。この重心位置ａの位置は、演算処理部３０の記憶領域３５内に記憶される。

次に、図９に示すように、円Ｃ_０内に含まれるハイライト点の集まりを、最小自乗法等の手法を用いて直線近似する（ＳＴＥＰ２０３）。そして、近似された直線ｌと、円Ｃ_０との交点ｂ_０，ｃ_０を算出可能し（ＳＴＥＰ２０４）、算出したこれらの交点を演算処理部３０の記憶領域３５内に記憶する。尚、点ｂ_０は図８中の矢印Ｐ_０の進行方向側、点ｃ_０は同じく矢印Ｐの後方側とする。

このようにして求めた円と直線との交点が求まり、新たな円の中心が得られたか否かを判断し（ＳＴＥＰ２０５）、新たな円の中心とするのであれば、再度ＳＴＥＰ２０１に戻って同様の計算を行う。この場合は、図１０に示すように、記憶した点ｂ_０を中心とした半径ｒの円Ｃ_１内に含まれる新たなハイライト点を集め、ハイライト点群について、前述の手法と同様の手法を用いて直線近似し、同様に円Ｃ_１との交点を求めている。尚、この実施例では、直線と円の交点のうち、図９に示す矢印Ｐ_１の進行方向側の交点をｂ_１とする。同様に、図示は省略するが、交点ｃ_０についても新たな円を描き、ハイライト点群についての直線近似を行い、新たな交点を求める。

尚、ＳＴＥＰ２０５において、円と直線との交点が求まらない場合としては、例えばハイライト点群についての直線近似を行うことができない場合などが挙げられる。この場合は、例えば図１１に示すように、特定したハイライト点の周辺がハイライト線の端部周辺であると考えられるため、このような場合はＳＴＥＰ２０１に戻り、別のハイライト点を特定する。

また、フローチャートへの記載は省略するが、ＳＴＥＰ２０３において、作成した円Ｃ_１内にＳＴＥＰ２０１で求めた重心位置ａが含まれる場合は、特定した任意のハイライト点周辺において、ハイライト点の集まりが閉じた状態であると判断し、ＳＴＥＰ２０１に戻って別のハイライト点を特定する。

このように、全てのハイライト点群、または十分な数のハイライト点についてハイライト点群を部分的に直線近似し、円（円Ｃ_０〜Ｃ_ｎ）を作成する。そして、これ以上円の中心としてのハイライト点を特定する必要が無いと判断すると（ＳＴＥＰ２０６）、これらの作成した円の中心点を結ぶことにより（ＳＴＥＰ２０７）、図１２に示すような、１つの節の長さがｒの折れ線を作成する。

次に、このように作成された折れ線から、各節の所定の位置を通る曲線を作成する（ＳＴＥＰ２０８）。図１３は、このように作成した曲線の一例であり、各節の１／４および３／４の位置を通る３次のスプライン曲線である。そして、このように作成した曲線をハイライト線とし、このハイライト線を用いることで、評価対象物の表面形状を評価する。

次に、前述のＳＴＥＰ１０９において行われる、評価対象物に表示されたハイライト線の曲率評価の具体的な手法について説明する。図１４は、前記図１３に示されたスプライン曲線上について、等間隔（＝ｄ）に評価点を付与したものである。評価点を付与する間隔（＝ｄ）は、０．１〜１５ｍｍ程度の微小間隔に定められる。

このように付与された評価点を用いて曲率を評価する手法としては、例えば一つの評価点の前後に含まれる評価点の３点の位置に基づいて、これらの３点を通る曲線を近似し、その近似した曲線の曲率を求める手法を用いることができる。また、曲率を評価する手法としては、この他に、一つの評価点を中心とした半径Ｒ（例えばＲ=１５ｍｍ）の円を描き、この円に含まれるハイライト点群を円弧近似し、得られた円弧の曲率を、中心とした評価点における曲率とすることもできる。尚、曲率を評価する手法としては、これら以外にも既知の様々な手法を用いることも可能である。

このようにして各々の評価点における曲率を求めた結果の一例を、図１５に示す。図１５は、ワーク５の表面上において特定されたハイライト線の曲率を示すグラフであって、横軸に線長（［ｍｍ］）、縦軸に曲率を表示するものである。このグラフから明らかなように、図１５中における曲率のやや大きな点Ａ（曲率およそ０．０１）および点Ｂ（曲率およそ０．００６）は、表面形状における不具合として認識される。このように、ワーク５の表面形状についての各ハイライト線の曲率を求めることで、ワーク５全体の表面形状についての不具合を知ることが可能となる。尚、ワーク５の表面形状を表示する際に、前述のようにして求めた曲率情報に基づいて表示方法を変更するようにしてもよい。即ち、所定の曲率範囲ごとに、色分けなどを行って、ワーク５の表面形状を視覚的に表示することで、視覚的にワークの表面形状の不具合を表す状態を簡単に認識することが可能となる。

尚、このようなワークについての表面形状状態を視覚的に表す手法として、求めた表面形状の曲率に基づいて行うだけでなく、曲率の変化率に基づいて行うことも可能である。このようにすると、評価対象物の表面形状の変化がより明確に視覚的に表示されるため、より好適である。

本実施形態は、本発明に係る形状評価装置および形状評価方法を表す一実施形態であって、本発明を特に限定するものではない。例えば、本実施形態は、評価対象物であるワークの形状を計測し、計測した形状を用いて実際の評価対象物上に照射された光が評価対象物上に描くハイライト線を求め、その表面形状を評価（評価）しているが、本発明は、仮想的に創造された評価対象物についての表面形状の評価（評価）に用いることも可能である。

例えば、金型により成形される成形品などの形状評価を行う場合は、実際に成形品を製造する前に、シミュレーションにより仮想的に作成された成形品について、仮想的に光を照射し、仮想的に生じるハイライト線を求めることで、その成形品の表面形状を評価することも可能である。以下、そのような具体例について説明する。

発明の実施形態２．
本実施形態においては、評価対象物は仮想的に作成されたものであるため、その形状を具体的に計測する計測部は不要である。この実施形態においては、仮想的に作成された評価対象物の表面形状についての評価（評価）が行われるため、形状評価装置１'は、図１６に示すように、前述の実施形態において説明した演算処理部３０に対して、評価対象物を仮想的に作成するためのシミュレーション装置５０を接続することで構成される。尚、本実施形態においては、演算処理部３０とシミュレーション装置５０とが別体に構成される例を示しているが、これらは一体のコンピュータにより構成されてもよい。以下、このような形状評価装置１'がシミュレーション装置５０上で仮想的に構築したパネルの表面形状評価を仮想的に行う例について図１７に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、シミュレーション装置５０において仮想的に構築したパネルの形状データを取得し（ＳＴＥＰ３０１）、演算処理部３０において、取得した形状データを車両位置へと座標変換（ＳＴＥＰ３０２）した後、形状データに基づいて三次元形状を認識する（ＳＴＥＰ３０３）。さらに、演算処理部３０では、認識されたパネルの形状上から、所定間隔毎に代表点を抽出する（ＳＴＥＰ３０４）。この代表点を抽出するステップ（ＳＴＥＰ３０４）は、仮想的に構成したパネルの形状データへ、等間隔に配置された点群を含む一平面を投影し、これらの点群が形状データ上に投影された位置を、代表点として抽出する。このようにすると、形状データ上において抽出する代表点が、形状データの全体から略均一に抽出される。

次に、抽出した代表点の各位置を中心として、評価対象物の表面形状上における所定範囲についての形状を特定する（ＳＴＥＰ３０５）。この形状を特定するステップは、前述の実施形態と同様に行われるため、説明は省略する。

次に、パネルの形状データ上において抽出された各代表点に対して、仮想的な直線光源の位置を相対的に決定する（ＳＴＥＰ３０６）。この直線光源の位置は、任意の位置に決定することが可能である。そして、直線光源と、パネルとの相対的な位置関係から、各代表点に光を照射する光源の光源方向ベクトルを定義し（ＳＴＥＰ３０７）、定義した光源方向ベクトルを、演算処理部３０の記憶領域３５内に記憶する。

次に、パネルの表面形状上において抽出された各代表点のうち、定義された光源方向ベクトルに対応する反射ベクトルが、視認方向として定められた方向から所定の範囲内に含まれる代表点のみを選択する（ＳＴＥＰ３０８）。この代表点を選択するステップは、前述の実施形態と同様に行われるため、詳細にはついては説明を省略する。

そして、上述のような手順により選択したハイライト点群から、ハイライト線を仮想的に作成し（ＳＴＥＰ３０９）、作成したハイライト線の曲率を評価する（ＳＴＥＰ３１０）。これらのハイライト線を作成するステップの具体例、およびハイライト線の曲率評価の具体例についても、前述の実施形態と同様であるため、詳細については説明を省略する。

そして、評価したハイライト線の曲率に基づいて、作成した形状データの評価を所定の基準と比較し（ＳＴＥＰ３１１）、十分な評価が得られない場合は、形状データを修正し（ＳＴＥＰ３１２）、ＳＴＥＰ３０１に戻って再度評価を行う。このような形状データの修正および評価を一定の基準を満たすまで繰り返し行う。

このように、仮想的に作成した形状データの表面形状について、仮想的な評価を繰り返し行いつつ形状データを修正することで、実際に成形品を製造する前に、仮想的な作成した形状データ内の不具合をなくすことができる。そのため、このような修正後の形状データを用いることで、実際に成形品を製造した際に生じる不具合が抑制される。

尚、前述の実施形態は、いずれも評価対象物の表面形状評価を行うものについての説明がなされているが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば物体の表面形状を三次元的に検査するための三次元検査装置に適用することも可能である。即ち、評価対象物の形状データを計測する計測手段を備え、計測データに基づいて、検査対象物の表面形状を三次元的に検査する三次元検査装置において、本発明を適用すると、精度のよい三次元形状の検査を行うことが可能となる。

この三次元検査においては、前述の実施形態と同様に、検査対象物の表面形状を計測部により計測することで認識した後、認識した検査対象物の表面形状上から代表点を抽出する。そして、抽出された代表点を中心とした所定範囲についての形状を特定し、前記各代表点に対して、代表点に対する光源の相対位置に基づく光源方向ベクトルを定義し、前記各代表点のうち、定義された光源方向ベクトルに対応する反射ベクトルが、検査対象物表面に対する視認方向として定められた方向から所定の範囲内に含まれる代表点のみを選択する。

さらに、このように選択した各代表点の集まりをハイライト点群とし、このハイライト点群に基づいて、検査対象物の表面に仮想的に生じたハイライト線を作成し、作成したハイライト線に基づいて、検査対象物の表面形状の検査を行う。ハイライト線に基づく検査手法の詳細は、前述の実施形態と同様に、作成されたハイライト線の曲率や曲率変化率を各ハイライト点について求め、これらの曲率や曲率変化率が基準値以上となった場合に異常とみなすなどの手法が用いられる。尚、検査手法の実例としては、このような一例に限られるものではなく、既知の手法を広く適用することが可能である。

以上、説明したように、本実施形態における形状評価装置および形状評価方法、さらには三次元検査装置によると、評価対象物に対する光源や撮影装置の相対位置に関わらず、評価対象物または検査対象物の表面形状を適切に評価／検査することが可能となる。

尚、前述の実施形態においては、評価対象物や検査対象物に、車両やパネルを用いて例を示しているが、本発明はこれに限られるものではなく、三次元的に表面形状を評価または検査する対象物であれば、広く適用することが可能となる。

また、このような評価または検査を行う際に、その対象物を連続的に搬送させ、連続的に評価または検査を行うようにしてもよい。このようにすると、工業製品等の大量生産される物体の形状評価や検査を行う際に好適である。

第１の実施の形態に係る形状評価装置であって、評価対象物である自動車ボディーの表面形状を評価する様子を概略的に示す概略図である。 図１に示す形状評価装置に含まれる演算処理部の内部構成を概念的に示すブロック図である。 演算処理部における、図１に示す形状評価装置を仮想的に示した概念図である。 評価対象物（ワーク）の表面上の撮像データに基づいて、ハイライト線を示すハイライト点群を取得するまでの手順を示すフローチャートである。 評価対象物の表面上の点における法線ベクトルを算出する様子を示す図である。 視認方向を示す方向、各代表点における法線、代表点（点Ｐ）において定義された平面、代表点（点Ｐ）に照射された光の方向、代表点（点Ｐ）において反射した光の方向を概念的に表す図である。 ハイライト点群から、ハイライト線を作成するための手順を示すフローチャートである。 ハイライト線を作成する手順の概略を示す概略図である。 ハイライト線を作成する手順の概略を示す概略図である。 ハイライト線を作成する手順の概略を示す概略図である。 ハイライト線を作成する手順の概略を示す概略図である。 ハイライト線を作成する手順の概略を示す概略図である。 ハイライト線を作成する手順の概略を示す概略図である。 ハイライト線を作成する手順の概略を示す概略図である。 評価対象物（ワーク）の表面上において特定されたハイライト線の曲率を示すグラフである。 第２の実施の形態に係る形状評価装置の構成を概略的に示す概略図である。 第２の実施形態に係る形状評価装置において、仮想的に構築したパネルの表面形状評価を仮想的に行う手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１，１'・・・形状評価装置
５・・・ワーク（評価対象物）
１０・・・計測部
２０・・・ＣＣＤカメラ（撮像部）
３０・・・演算処理部
３１・・・画像処理ユニット
３２・・・ＣＰＵ
３３・・・入力部
３４・・・表示部
３５・・・記憶領域
５０・・・シミュレーション装置

Claims (12)

1. 評価対象物の表面形状を評価する形状評価方法であって、
   評価対象物の表面形状を計測した結果得られる計測値に基づいて、又は、評価対象物の形状を示す仮想的な形状データを読み込むことで、前記評価対象物の表面形状を認識する形状認識ステップと、
   前記認識した評価対象物の表面形状上から代表点を抽出する代表点抽出ステップと、
   前記抽出された代表点を中心とした所定範囲についての形状を特定する形状特定ステップと、
   前記各代表点に対して、光を照射する光源の相対位置に基づく光源方向ベクトルを定義するベクトル定義ステップと、
   前記各代表点のうち、定義された光源方向ベクトルに対応する仮想的な反射ベクトルが、視認方向として仮想的に定められた方向から所定の範囲内に含まれる代表点のみを選択する代表点選択ステップと、
   前記選択した各代表点の集まりをハイライト点群とし、このハイライト点群に基づいて、評価対象物の表面に仮想的に生じたハイライト線を作成するハイライト線作成ステップと、を備え、
   作成したハイライト線上に評価点を付与し、該評価点を用いて曲線を近似し、該近似した曲線の曲率に基づいて評価対象物の表面形状の評価を行うことを特徴とする形状評価方法。
2. 前記代表点選択ステップにおいて、前記代表点を中心とした所定範囲について特定された形状によって規定される平面と、前記定義された光源方向ベクトルに対応する仮想的な反射ベクトルと、が平行となる代表点のみを選択することを特徴とする請求項１に記載の形状評価方法。
3. 前記ハイライト線作成ステップが、ハイライト点群中の任意のハイライト点について、所定の範囲内に含まれるハイライト点を集め、これらのハイライト点の集まりから直線方向を決定するステップを含み、各々のハイライト線について決定された直線方向を結ぶことで形成される折れ線に基づいて、ハイライト線を作成するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の形状評価方法。
4. 前記視認方向として仮想的に定める方向を変化させて、評価対象物の表面形状を評価するための評価値であるハイライト線の曲率が最大または最小となる方向を視認方向として定めることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の形状評価方法。
5. 前記形状認識ステップが、前記評価対象物の表面形状を計測した結果得られる計測値に基づいて、評価対象物の表面形状データを認識するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の形状評価方法。
6. 前記形状認識ステップが、評価対象物の形状を示す仮想的な形状データを読み込むことで、評価対象物の表面形状データを認識するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の形状評価方法。
7. 前記代表点抽出ステップが、前記仮想的に構成した評価対象物の形状データへ、等間隔に配置された点群を含む一平面を投影し、前記点群が形状データ上に投影された位置を、代表点として抽出するものであることを特徴とする請求項６に記載の形状評価方法。
8. 表面形状の評価を行った結果に基づいて、前記形状データを修正し、再度評価を行うことを特徴とする請求項６または７に記載の形状評価方法。
9. 評価対象物の表面形状を評価する形状評価装置であって、
   計測部によって計測した結果得られる計測値、又は、記憶領域に記憶した評価対象物を仮想的に構成した際の表面形状データ、に基づいて、評価対象物の表面形状を認識する手段と、
   認識した評価対象物の表面形状上から代表点を抽出する手段と、
   抽出された代表点を中心とした所定範囲についての形状を特定する手段と、
   前記各代表点に対して、光を照射する光源の相対位置に基づく光源方向ベクトルを定義する手段と、
   前記各代表点のうち、定義された光源方向ベクトルに対応する反射ベクトルが、視認方向として定められた方向から所定の範囲内に含まれる代表点のみを選択する手段と、
   前記選択した各代表点の集まりをハイライト点群とし、このハイライト点群に基づいて、評価対象物の表面に仮想的に生じたハイライト線を作成する手段と、
   前記作成したハイライト線上に評価点を付与し、該評価点を用いて曲線を近似し、該近似した曲線の曲率に基づいて評価対象物の表面形状の評価を行う手段と、
   を有する演算処理部を備える、ことを特徴とする形状評価装置。
10. 評価対象物の表面形状を計測する計測部を更に備え、
    前記評価対象物の表面形状を認識する手段は、前記計測部によって計測した結果得られる計測値に基づいて、表面形状を認識することを特徴とする請求項９に記載の形状評価装置。
11. 評価対象物を仮想的に構成した際の表面形状データを記憶する記憶領域を更に備え、
    前記評価対象物の表面形状を認識する手段は、前記記憶した表面形状データに基づいて評価対象物の表面形状を認識することを特徴とする請求項９または１０に記載の形状評価装置。
12. 検査対象物の表面形状を計測するための計測部を備え、検査対象物の表面形状を三次元的に検査する三次元検査装置であって、
    計測部により検査対象物の表面形状を認識する手段と、
    認識した検査対象物の表面形状上から代表点を抽出する手段と、
    抽出された代表点を中心とした所定範囲についての形状を特定する手段と、
    前記各代表点に対して、光を照射する仮想的な光源の相対位置に基づく光源方向ベクトルを定義する手段と、
    前記各代表点のうち、光源位置に対する相対位置に基づいて定義された光源方向ベクトルに対応する反射ベクトルが、視認方向として定められた方向から所定の範囲内に含まれる代表点のみを選択する手段と、
    前記選択した各代表点の集まりをハイライト点群とし、このハイライト点群に基づいて、検査対象物の表面に仮想的に生じたハイライト線を作成する手段と、
    作成したハイライト線上に評価点を付与し、該評価点を用いて曲線を近似し、該近似した曲線の曲率に基づいて検査対象物の表面形状の検査を行う手段と、
    を有する演算処理部を備える、ことを特徴とする三次元検査装置。

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