JP2017040488A - 三次元温度分布表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 三次元ＣＡＤデータを備える立体的な測定対象物の表面温度分布を三次元的に簡易に表示する。【解決手段】赤外カメラ２Ａ〜２Ｃが複数設けられ、パソコン３は、ＣＡＤデータから測定対象物１の三次元ワイヤフレーム画像を生成し、赤外カメラ２Ａ〜２Ｃの設置点から見た三次元ワイヤフレーム画像に二次元温度分布画像を重ねて表示し、重ね表示された状態での二次元温度分布画像の各画素と三次元ワイヤフレーム画像を構成する各ポリゴンに対応付けられた二次元テクスチャ画像の各画素との対応関係を確定し、二次元温度分布画像の各画素における温度情報を二次元テクスチャ画像の各画素に付与して当該テクスチャ画像を完成し、完成した二次元テクスチャ画像を、これに対応するポリゴンに貼り付ける。二次元温度分布画像が得られていない画像部分を構成する各ポリゴンに対しては、その周囲の、完成した二次元テクスチャ画像が貼り付けられたポリゴンの温度情報から算出された温度情報を各画素に付与した二次元テクスチャ画像を貼りつける【選択図】 図１

Description

本発明は測定対象物の表面温度分布を三次元的に表示することができる三次元温度分布表示装置に関する。

測定対象物の表面温度分布を表示する表示装置は従来、例えば特許文献１に示されているように、上記表面温度分布を二次元的に表示するものが普通である。

特開２００１−２４９０５２

しかし、測定対象物が奥行きのある立体的なものである場合にその表面温度分布を二次元的に表示しても、奥行きのある実際の分布状態を正確に把握することは難しい。一方、測定対象物が機械部品等である場合には当該測定対象物の精密な三次元ＣＡＤデータが準備されていることが多い。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、三次元ＣＡＤデータを備える立体的な測定対象物の表面温度分布を三次元的に簡易に表示することができる三次元温度分布表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明では、ＣＡＤデータから測定対象物（１）の三次元ワイヤフレーム画像（４）を生成する画像生成手段（３、ステップ１０２）と、測定対象物（１）の二次元温度分布画像（６）を遠隔的に取得する温度測定手段（２Ａ〜２Ｃ，３，ステップ１０６）と、温度測定手段（２Ａ〜２Ｃ）の設置点（Ｆａ）から見た三次元ワイヤフレーム画像（４）に二次元温度分布画像（６）を重ねて表示する重ね表示手段（３、ステップ１０７）と、重ね表示された状態での二次元温度分布画像（６）の各画素（６１）と三次元ワイヤフレーム画像（４）を構成する各ポリゴン（４１）に対応付けられた二次元テクスチャ画像（５）の各画素（５１）との対応関係を確定する対応関係確定手段（３、ステップ１０８）と、二次元温度分布画像（６）の各画素（６１）における温度情報を二次元テクスチャ画像（５）の各画素（５１）に付与して当該テクスチャ画像を完成する画像完成手段（３、ステップ１０９）と、完成した二次元テクスチャ画像（５）を、これに対応するポリゴン（４１）に貼り付ける貼付け手段（３，ステップ２０２）とを具備し、貼付け手段（３，ステップ２０２）は三次元ワイヤフレーム画像（４）のうち、重ね表示される二次元温度分布画像（６）が得られていない画像部分を構成する各ポリゴン（４１）に対して、その周囲の、完成した二次元テクスチャ画像が貼り付けられたポリゴン（４１）の温度情報から熱伝導率を考慮して算出された温度情報を各画素に付与した二次元テクスチャ画像（５）を貼りつけるものである。

本第１発明においては、三次元ワイヤフレーム画像の各ポリゴンに、二次元温度分布画像の各画素の温度情報を付与されたテクスチャ画像が貼り付けられて、測定対象物の表面温度分布が三次元表示されるから、奥行きのある実際の温度分布状態が正確に示され、温度分布を的確に把握することができる。また、ＣＡＤデータから生成される三次元ワイヤフレーム画像を利用するから、表面温度分布の三次元表示を簡易に行うことができる。さらに、温度測定手段の死角となって二次元温度分布画像（６）が得られていない画像部分を構成する各ポリゴンに対しても、その周囲のポリゴンの温度情報から算出された温度情報を付与した二次元テクスチャ画像が貼り付けられるから、測定対象物の三次元表面温度分布表示に欠落部を生じることが防止される。

本第２発明では、前記重ね表示手段（３、ステップ１０７）は、二次元温度分布画像（６）から抽出された複数の特徴点が、三次元ワイヤフレーム画像（４）から抽出された同数の特徴点に一致するように二次元温度分布画像（６）と三次元ワイヤフレーム画像（４）を重ねて表示するものである。

本第２発明においては、二次元温度分布画像と三次元ワイヤフレーム画像からそれぞれ抽出された特徴点を一致させることによって両画像を重ねて表示しているから、重ね表示の操作が簡易化されその自動化が容易になる。

本第３発明では、前記温度測定手段（２Ａ〜２Ｃ，３，ステップ１０６）は、取得した二次元温度分布画像（６）が、画面の所定位置に来るように位置ずれ補正を行うものである。

本第３発明においては、測定対象物が移動して取得された二次元温度分布画像の位置ずれが補正されるから、その後の三次元ワイヤフレーム画像との重ね表示が確実に行われる。

なお、上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を参考的に示すものである。

以上のように、本発明の三次元温度分布表示装置等によれば、三次元ＣＡＤデータを備える立体的な測定対象物の表面温度分布を三次元的に簡易に表示することができる。

本発明の一実施形態における、三次元温度分布表示装置のハード構成を示す図である。 赤外カメラのカメラ位置を説明する概念図である。 赤外カメラの視線方向を説明する概念図である。 パソコンで実行される処理プログラムの処理手順を示すフローチャートである。 モニタ画面上での色分布画像の位置ずれとその補正を説明する正面図である。 外形合致操作の詳細を示すフローチャートである。 赤外カメラの位置、色分布画像、ワイヤフレーム画像の位置関係を示す概念図である。 テクスチャ画像の概念的拡大図である。 パソコンで実行される処理プログラムの処理手順を示すフローチャートである。 車両部品の温度分布をモニタ上に三次元表示した場合の正面図である。 赤外カメラの位置、色分布画像、ポリゴンの位置関係を示す概念図である。 温度分布画像が得られない部分を含むワイヤフレーム画像の概念的斜視図である。 隣接するポリゴンの概念図である。 従来例における、車両部品の温度分布をモニタ上に二次元表示した場合の正面図である。

なお、以下に説明する実施形態はあくまで一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が行う種々の設計的改良も本発明の範囲に含まれる。

図１には測定装置の全体構成を示す。図１において、立体的な測定対象物１を囲むようにして三箇所に、上記測定対象物１から放射される赤外線を感知する温度測定手段を構成する赤外カメラ２Ａ，２Ｂ，２Ｃが設置されている。なお、以下の説明を容易にするために本実施形態では測定対象物１の形状は単純な直方体であるとする。上記各赤外カメラ２Ａ，２Ｂ，２Ｃからの出力画像は信号線２１，２２，２３によって、ＣＰＵ、メモリ、各種インターフェース等を内蔵しモニタ３１やキーボード３２を備えたパソコン３に入力されている。

測定対象物１および各赤外カメラ２Ａ〜２Ｃの三次元的な位置は予めパソコン３内に設定されている。測定対象物１の位置はそのほぼ中心の位置が設定されており、一方、各赤外カメラ２Ａ〜２Ｃの位置としては図２に示す論理的焦点位置Ｆａが設定される。図２において、符号２４は赤外カメラ２Ａ〜２Ｃの対物レンズ、符号２５は撮像センサを示し、符号Ｆｂは実際の焦点位置である。論理的焦点位置Ｆａは対物レンズ２４に入射する光Ｌの延長線上の交点である。したがって、赤外カメラ２Ａ〜２Ｃの視線方向は図３（図は赤外カメラ２Ａを例に示してある）に示すように、カメラ位置Ｆａと測定対象物１の位置Ｐを結ぶ三次元直線ベクトルＶで示される。なお、赤外カメラの設置台数は３台に限られるのものではない。

以下、パソコン３で実行される処理プログラムの処理手順を図４、図６、図９のフローチャートを参照しつつ説明する。パソコン３のメモリ内には外部のデータベース等から上記測定対象物１のＣＡＤデータが取り込まれ（ステップ１０１）、ＣＡＤデータから測定対象物１の三次元ワイヤフレーム画像が生成されて（ステップ１０２）モニタ３１上に表示される（ステップ１０３）。ワイヤフレーム画像はモニタ３１上で平行移動、縦回転、横回転、ズームイン、ズームアウトが可能である。上記ワイヤフレーム画像を構成するポリゴンは本実施形態では全て三角形としてあり、これらポリゴンは３次元空間内の３点を直線で結んだ三角形平面である。各ポリゴンには同形の三角形のテクスチャ画像がそれぞれソフト的に予め対応付けられている。すなわち、各テクスチャ画像は二次元のビットマップであり、ポリゴン面上の各点とテクスチャ画像上の各ピクセル（画素）が対応付けられている。

各赤外カメラ２Ａ〜２Ｃで三方向から撮影された測定対象物１の温度分布画像がパソコン３内に取り込まれる（ステップ１０４）。パソコン３内には温度とこれに対応する色を設定した温度カラーテーブルが予め準備されており、温度カラーテーブルを参照して上記温度分布画像から色分布画像（熱画像）６が作成される（ステップ１０５）。この色分布画像は、カメラ視線方向から見たカメラ広角に応じた四角形の二次元ビットマップである。

上記色分布画像６はパソコン３のモニタ３１上に表示される（ステップ１０６）。なお、この際、測定対象物１がライン上を搬送されている場合等には停止時に位置ずれを生じる場合がある。そこで、モニタ３１の画面上に表示された色分布画像６が図５（１）に示すように位置ずれを生じている場合には、測定対象物１の位置ずれに応じて図５（２）に示すように、モニタ３１上の予め定められた所定位置（本実施例では中央）へ色分布画像６が来るように位置ずれ補正を行う（ステップ１０７，１０８）。これは電子式手ぶれ補正の技術を使用して、図５（２）に示すように、表示画素をずらして不足領域を画像延長で補間しつつ（同図の斜線部）モニタ３１の表示枠を移動させて色分布画像６がモニタ３１上の所定位置に表示されるようにするものである。なお、色分布画像６が位置ずれを生じる原因は測定対象物１の停止時の位置ずれ以外に、測定対象物１が振動している場合等がある。また、位置ずれを補正する方法は上記以外にも、色分布画像６の移動量と移動方向をベクトルで求めて、その逆ベクトルによって色分布画像６を所定位置へ戻すようにしても良い。

この後、モニタ３１上に表示されている三次元ワイヤフレーム画像を平行移動、回転、ズームイン、ズームアウト等させて、色分布画像６上における測定対象物１（以下、単に色分布画像という）の外形にワイヤフレーム画像４の外形を合致させる（ステップ１０９）。この際の外形合致操作（フィッティング）は、図６のステップ２０１〜２０４に示すように、色分布画像６上の複数（例えば４点以上）の特徴点（コーナ部等）と、ワイヤフレーム画像４上の同数の特徴点を手動で指定しておき、赤外カメラの画角やその配置から計算される分解能等のカメラパラメータを読みだして、これより求められた変形パラメータに基づいて上記各特徴点が一致するようにワイヤフレーム画像４を自動で平行移動、回転、ズームイン、ズームアウト等させるものである。

色分布画像６と三次元ワイヤフレーム画像４の外形合致操作を終えた状態を模式的に図７に示す。図７において、ワイヤフレーム画像４の表面は多数の二次元三角ポリゴン４１で構成されている。なお、同図は理解を容易にするためにワイヤフレーム画像４の一つの面のポリゴン４１のみを、その大きさを誇張して描いてある。符号５はポリゴン４１の一つに対応するテクスチャ画像を示す。

この状態で、赤外カメラ位置Ｆａやワイヤフレーム画像４上の各位置を特定する三次元のオブジェクト座標系Ｃoと、色分布画像６上の各位置を特定する二次元のビューポート座標系Ｃvがソフト（例えばOpenGL）的に関連付けられる（ステップ１１０）。したがって、カメラ位置Ｆａと色分布画像６のピクセルの一つ６１を指定すると、これに対応するワイヤフレーム画像４のポリゴン４１上の点４１１が決まる。これを図７で模式的に説明すると、カメラ位置Ｆａから色分布画像６上のピクセル６１に至る視線の延長線がポリゴン４１面に入射する点が上記点４１１となる。このように、色分布画像６上のピクセル６１とポリゴン４１面上の点４１１とは一対一に対応しており、既述のように、ポリゴン４１面上の各点４１１とテクスチャ画像５上の各ピクセル５１も対応付けられているから、結局、色分布画像６上の各ピクセル６１とテクスチャ画像５上の各ピクセル５１が対応している。この対応付けを例えば変換テーブルで予めパソコン３内に準備しておくと、演算が不要であるから処理を高速化することができる。

点４１１に対応するテクスチャ画像５のピクセル５１は一又は複数ある。これは色分布画像６とテクスチャ画像５の二次元的な大きさの比較によって決定される。本実施形態では例えば図８に示すテクスチャ画像５の四角領域Ｓ内の複数ピクセル５１が色分布画像６上の一つのピクセル６１に対応しており、この四角領域Ｓに上記ピクセル６１の色情報が与えられる。このようにして、色分布画像６の全てのピクセル６１について、ワイヤフレーム画像４の各ポリゴン４１上の点４１１に対応するテクスチャ画像５のピクセル５１に色情報が与えられて（ステップ１１１）、ワイヤフレーム画像を構成する全てのポリゴンについてこれらに対応するテクスチャ画像が完成する（ステップ１１２）。以上の手順は、全ての赤外カメラ２Ａ〜２Ｃで得られた温度分布画像から変換された各色分布画像６について行われる（ステップ１１３）。なお、色分布画像に変換することなく、温度分布画像の温度情報を直接各ピクセルに与えてテクスチャ画像を完成させるようにしても良い。

測定対象物１の表面温度分布を表示する場合には、図９に示すように、モニタ３１上に測定対象物１の三次元ワイヤフレーム画像４を表示し（ステップ３０１）、その各ポリゴン４１に、これに対応する完成したテクスチャ画像５を貼り付ける（テクスチャマッピング、ステップ３０２）。これにより、測定対象物１の表面温度分布が三次元的に表示される。

ここで、図１０には測定対象物１たる車両部品についてその温度分布を三次元表示したものを示す。一方、図１４には同一車両部品についてその温度分布を従来の二次元表示したものを示す。表面温度分布を三次元表示したものでは、奥行きのある実際の分布状態が正確に示されるから温度分布状況を的確に把握することができる。この際、視点に応じて画面内の測定対象物１の姿勢を変化させると、ポリゴンに貼り付けられたテクスチャ画像も一体に移動するから、視点を変えて温度分布状況を詳細に検討することができる。

なお、測定対象物の表面温度分布を表示する際の、パソコン３におけるテクスチャマッピングされるポリゴンの選択は以下のように行う。すなわち、図１１に示すように、ワイヤフレーム画像を構成するポリゴンの一つ４１Ａを選択してこれを対象ポリゴンとし、オブジェクト座標系Ｃｏにおける対象ポリゴン４１Ａの中心４１２の座標を算出する。この中心４１２の座標を、ビューポート座標系Ｃｖの色分布画像６上の点６２の座標に変換し、カメラ位置Ｆａから上記点６２に至る視線の延長線上に他のポリゴン４１Ｂ，４１Ｃが存在するか否か判定する。そして、対象ポリゴン４１Ａがカメラ位置Ｆａに一番近い場合のみ当該対象ポリゴン４１Ａに対するテクスチャマッピングを可能にする。このような判定が全てのポリゴンに対して行なわれる。

ところで、赤外カメラ２Ａ〜２Ｃの死角となって測定対象物１の一部の温度分布画像が得られない場合がある。この場合には、温度分布画像が得られていない三次元ワイヤフレーム画像４部分（図１２の白抜き部分）を構成する各ポリゴン４１ｙに対しては、完成した二次元テクスチャ画像５（図７参照）が貼り付けられたその周囲のポリゴン４１ｘの温度情報から新たな温度情報を算出して上記ワイヤフレーム画像４を完成させる。

図１２に示すワイヤフレーム画像では温度分布画像が得られていない部分を構成するポリゴンが複数あるが、そのうちの一つのポリゴン４１ｙについて、具体的に温度情報の算出方法を説明すると、図１３に示すように、三角形のポリゴン４１ｙに隣接する三角形のポリゴン４１ｘの中心の温度情報ｔ1から、熱伝導率を考慮して下式（１）で算出される温度情報ｔ2を各画素に付与した二次元テクスチャ画像５を作成して、これを上記ポリゴン４１ｙに貼りつける。
ｔ2＝ｔ1｛１−（ｄ2・ｃ1）／（ｄ1・ｃ2）｝…（１）
ここで、ｃ1はポリゴン４１ｘについて予め定めた熱伝導率、ｃ2はポリゴン４１ｙについて予め定めた熱伝導率、ｄ1はポリゴン４１ｘの中心（重心）からポリゴン４１ｙとの境界までの距離、ｄ2はポリゴン４１ｙの中心からポリゴン４１ｘとの境界までの距離である。なお、ポリゴン４１ｙに隣接するポリゴン４１ｘが複数ある場合（図１３に示す例では二つ）には、各ポリゴン４１ｘについて上式（１）より得られる温度情報ｔ2を算出し、これら温度情報ｔ2を平均した値をポリゴン４１ｙの温度情報として採用する。

１…測定対象物、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…赤外カメラ（温度測定手段）、３…パソコン、４…ワイヤフレーム画像、４１…ポリゴン、５…テクスチャ画像、５１…ピクセル（画素）、６…色分布画像（温度分布画像）、６１…ピクセル（画素）。

Claims (3)

1. ＣＡＤデータから測定対象物の三次元ワイヤフレーム画像を生成する画像生成手段と、
   前記測定対象物の二次元温度分布画像を遠隔的に取得する温度測定手段と、
   前記温度測定手段の設置点から見た前記三次元ワイヤフレーム画像に前記二次元温度分布画像を重ねて表示する重ね表示手段と、
   重ね表示された状態での前記二次元温度分布画像の各画素と前記三次元ワイヤフレーム画像を構成する各ポリゴンに対応付けられた二次元テクスチャ画像の各画素との対応関係を確定する対応関係確定手段と、
   前記二次元温度分布画像の各画素における温度情報を前記二次元テクスチャ画像の各画素に付与して当該テクスチャ画像を完成する画像完成手段と、
   完成した前記二次元テクスチャ画像を、これに対応する前記ポリゴンに貼り付ける貼付け手段とを具備し、
   前記貼付け手段は、前記三次元ワイヤフレーム画像のうち、重ね表示される前記二次元温度分布画像が得られていない画像部分を構成する各ポリゴンに対して、その周囲の、完成した二次元テクスチャ画像が貼り付けられたポリゴンの温度情報から熱伝導率を考慮して算出された温度情報を各画素に付与した二次元テクスチャ画像を貼りつけるものである三次元温度分布表示装置。
2. 前記重ね表示手段は、二次元温度分布画像から抽出された複数の特徴点が、三次元ワイヤフレーム画像から抽出された同数の特徴点に一致するように前記二次元温度分布画像と前記三次元ワイヤフレーム画像を重ねて表示するものである請求項１に記載の三次元温度分布表示装置。
3. 前記温度測定手段は、取得した二次元温度分布画像が、画面の所定位置に来るように位置ずれ補正を行うものである請求項１に記載の三次元温度分布表示装置。