JPS636679A - ワイヤの傾き検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は画像処理を用いた物体の検査方法に係り、特に
表面が鏡面であるワイヤの立体形状の測定あるいは検査
に好適なワイヤの傾き検出方法に関する。

［従来の技術］ 従来から３次元形状の検出のための方法は種々研究され
ており、その内容は、昭５９年１１月２０日発行、電気
学会編発行の書籍「外観検査の自動化」の４．２．３項
「三次元対象物の画像入力法」において解説されている
。この内、複数のワイヤの各々に沿う３次元位置を求め
るには、レンジファインダによる方法、両眼立体視法の
２つの方法があるが、いずれも次のような問題点がある
。

まずレンジファインダによる方法においては、投光した
スリット光の当っている物体上の各点を、別の角度から
ＴＶカメラで撮像するが、このためには物体表面が拡散
反射成分を持つことが必要である。ところが鏡面反射面
を持つ金属ワイヤではこの成分がほとんどないためワイ
ヤの方向がある特定の方向でない限りＴＶカメラには光
が入らず、従って光の当った点は検出できない。

−方、両眼立体視法では、対象の特定の点が２つのＴＶ
カメラの画面のどの位置に写るかによって対象への距離
を算呂するが、そのためには、その特定の点が、各画面
の走査線上でユニークに１点として求められる必要があ
る。ところがワイヤは線に沿って同じ形状が連続してい
るためワイヤの方向が走査線の方向と近くなると、対応
点の決定に誤差が大きくなり、さらに走査線の方向と一
致すると原理的に検出不可能となってしまう。

他の方法も類似の問題点があり、従来にはワイヤ立体形
状を検出する有効な方法はなかった。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の３次元位置検出の方法は、拡散反射成分を持つ物
体であるか、あるいはコーナや凸起、表面の模様などの
ある物体であるかの条件を必要としていた。これらの条
件のどちらにも適合しない物体についてはその立体形状
を検出できないという問題があった。

本発明の目的は、上記の制限条件から外れる鏡面からな
る線状物体特にワイヤの傾きを検出する方法を提供する
ことにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明では２次元センサ（以
後カメラと呼ぶ）で対象を撮像するようにし、また照明
のため上記２次元センサの光軸に垂直な面内にあり、光
軸を中心とする円上に並んだ光源（以後リングライトと
呼ぶ）を用いる。

まず、２次元センサで得た画像の中から対象ワイヤを抽
出し、ワイヤに沿う各点の２次元的位置・方向を求める
。次に画像の中でワイヤに沿う明るさの分布から、ワイ
ヤの撮像面に対する傾きを検出する。

［作用］ リングライトは、その径を被検査対象のワイヤに比べて
大きくすると対象上のどの点においてもカメラ光軸とほ
ぼ一定の角度を持った円錐状の入射光線があるようにす
ることができる６従って、もし光軸に垂直な面に対して
α／２だけ傾いた面の要素が存在すると、その面からは
強力な反射光がカメラに向うことになる。その結果画像
中で高い明るさを持った点として撮像される。

また、ワイヤは通常円断面を持つと考えてよい。

以下第７図を用いて照明光の入射角がα、ワイヤの傾き
がφのとき、ワイヤと照明光を水平面に投影したときの
角度差βとの関係を示す。ワイヤの中心軸Ｇの１点０を
中心とし、ワイヤ径と同じ直径の球を考える。この球は
ワ、イヤ表面と円Ｈで接する。０からカメラ光軸の方向
ここでは垂直上方のベクトルＭと球との文種をＣとし、
ＧとＣを含む垂直面と円Ｈとの交点をＴとする。乙ＣＯ
Ｔはワイヤの傾きφに等しい、ＴにおいてＣＴと円Ｈは
直交している。円Ｈ上でカメラ光軸の方向へ反射光を返
す点をＰとする。Ｐ点におけるワイヤ表面および球面の
垂線ＮはＯを通す。鏡面反射の条件から光入射ベクトル
Ｌと、Ｎ、Ｍは同一平面上にあり、ＭとＬのなす角はα
、ＭとＮのなす角乙ＣＯＰはその１／２でα／２である
。

二こで球面上に三角形ＣＴＰがあることになりＴが直角
の三角形である。垂直上方から見てＣＴはワイヤ軸の方
向、ＣＰは光の入射方向であり。

Ｃにおける角度はβである。球面における直角三角形に
関しては次の式（１）が成立ちβが求められる。

また、？ＰＯＴをδとすると次の式（２）が成立つｓｉ
ｎδ＝＝　ｓｉｎβｓｉｎ　（α／２）　　　　　　・
・・（２）これから理解できるようにφの最大値はα／
２で、それはβおよびδが０のとき、すなわちＰとＴが
同一の点になったときに起る。またφ＝Ｏ２β＝ル／２
のときにはδが最大値α／２をとる。

もしワイヤが円孤状であるとすると、それを上方から見
たとき、（ハ）に示すように反射光の戻る点Ｐの軌跡は
楕円状となる。その軸方向の端にあたる点Ｐ１．Ｐ２に
おけるワイヤの傾きはいずれもα／２である。従ってワ
イヤの傾きφが小さくφくα／２であれば、リングライ
トのいずれかの光源からの反射光がカメラに入射するが
、ワイヤの傾きが大きくφ〉α／２となるとその部分か
らは反射光がカメラに入射しない、すなわちワイヤの傾
きがＯからα／２までの部分は明るく光った部分として
撮像され、また通常ワイヤの傾きは不連続ではないので
、明るく光った領域の端の点の傾きはα／２であると考
えられる。

上に述べた原理から、正常なワイヤの傾きパターンと比
較することによって、被検査ワイヤの異常な傾き（多く
の場合大きな傾き）を検出することができる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。複数
のワイヤが張られた対象１をレンズ系２を経てＴＶカメ
ラ３で撮像し、その信号を画像処理装置４で処理する。

リングライト５をカメラ光軸と垂直に置く。そのとき光
源から対象に向う光線とカメラ光軸とのなす角をαとす
る。検査対象を順次搬送する搬送装置６があり、制御装
置７によって制御されている。搬送の１サイクルが終る
ごとに検査起動信号８が画像処理装置に送られ、検査が
終了すりと検査結果信号９が制御装置に返される。制御
装置ｒ不良」の結果を受けとったときに、警報を出して
停止するとか対象を別のルートに排出とかの制御を行な
うようにする。

なお、画像処理装置４と、制御装置７は例えばマイクロ
コンピュータなどを用いて１つの装置として構成しても
よく、そのとき信号８，９は計算機プログラムが扱うデ
ータとなる。

また１画像処理装置４は、ワイヤーに沿う明るさの規準
パターンを持ち、入力画像のものとの照合に用いる。

第２図に本実施例における処理のステップを示す、まず
ステップ１０１で、被検査対象をカメラの視野に搬入す
る。制御装置からの信号を受けて、画像処理装置はステ
ップ１０２で対象の画像を入力する。ステップ１０３で
対象の画像に含まれるワイヤの位置を求める。ワイヤの
抽出には種々の方式が考えられるが、応用毎に背景が異
なり、それぞれに適した方式を採用することになる１例
えば背景が拡散成分を持つほぼ均質な物体であれば、ワ
イヤが極端に明か暗であるため、画像においてその境界
で大きな空間微分値が検出される。ワイヤの幅の間隔で
検出される大きな空間微分値の画素を検出してその中点
をとることによってワイヤの位置の候補が検出される。

次に、この候補点の中で孤立した点を除き、途切れた点
を補充してワイヤの位置を検出することができる。

ステップ１０４では、ステップ１０３で求めたワイヤに
沿う各点の画像内の位置から、画像の値を読み出しワイ
ヤの両端の間の明るさの分布を求め、これをＩｉとする
。ここで添字ｉはワイヤに沿ってつけられた番号で、１
からＮまでとし、Ｎは規準パターンにおける点数と同じ
になるように、もし差異があるなら全長を規準パターン
における点数で分割し、補間することによって再びＩｉ
パターンを求める。このパターンＩｉにおいてワイヤの
傾きがα／２以下であれば大、α／２以上であれば小の
値が得られている。

ステップ１０５では、ステップ１０４で得たパターンＩ
ｉと規準パターンＴｉとを比較照合する。

この照合の方法には種々考えられ、その選択は応用毎の
検査の意義に基づいて行なうことになる。

そのいくつかを次に挙げる。

（１）誤差値として Ｎ、≠１ を求め、これが予め定めた許容値以内であるかどうかを
調べる。

（２）誤差値として Ｎ】＝１ を求める。これは各点毎の誤差がある閾値Ｅを越える点
数を求め、全点数に対する比率を求めるものである。

（３）明るさパターンＩｉをある閾値で暗部、暗部に分
離し、その境界点番号を求め、これと規準パターンから
予め求めである境界点番号とを比較してそのずれ量を求
め、各々の境界について定めておいた許容ずれ量の範囲
の内にあるかどうかを判定する。このとき余分な境界の
存在、あるべき境界の欠落は重大な欠陥として検出され
る。

ステップ１０６では、上述の各種方法における誤差が許
容できる範囲にあるかどうかを判定する。

許容範囲にあればステップ１０７でワイヤ形状が良好で
あるとして、次のサイクルに戻るためステップ１０１に
移る。許容できないときには、ステップ１０８でワイヤ
形状は不良とし、さらにステップ１０９で不良検出に対
する行動を取る。たとえば、警報を発して、操作者を呼
ぶとか、あるいは、自動排斥装置の起動をかけりとか、
さらに対象に対して不良であることを明らかに示すしる
しをつけるなどの方法があるが、これらはさらに大きな
生産システムの設計に従って決めればよい。

本実施例においては、ワイヤ形状の良否の判定に有効な
限界角α／２を設定すると、その倍角αに従ってリング
ライト５を配置するだけの装置配置だけで、後は画像処
理装置４内の処理で判定できるため複雑な構成の装置を
必要とせず、制御も簡単である。

リングライトとしては、蛍光灯リングライトや発光素子
をリング状に並べたもの、光ファイバーの一端を円形に
並べ、他端から照明光を入力するものなどが利用できる
。

以上に説明した実施例においては、ワイヤの傾きに関し
て、ある角度α／２との大小のみが検出できた。さらに
細かな角度分布について検出するものとして、以下に述
べる２つの実施例がある。

第３図は第２の実施例における照明系の構成を示したも
のである。同図に示すように、２つのリングライト５−
１．５−２を軸を同じにして重ねる。このようにすると
、照明光の対象への入射角はα１．α２の２通りとなる
。

この２つのリングライトの両方、あるいは少くとも入射
角の大きい５−２のリングライトは、画像処理装置４あ
るいは、制御装置７によってオンオフの切換えができる
ようにしておく。

２つのリングライトを用いた検査の手順は以下のように
なる。まず、リングライト５−２をオンとして対象画像
をとり込み、ワイヤ位置の検出を行ない、その位置を用
いてワイヤに沿う明るさを求める。ワイヤ傾きα２／２
まで明となっている。

この明るさパターンで第１の規準パターンとの比較照合
を行なう。もし誤差が範囲外であれば、この段階で不良
と判定できる。誤差が範囲内であれば、次にリングライ
ト５−２をオフ、リングライト５−１をオンとする。今
後はワイヤ傾きα１／２はで明となっている。既に求ま
っているワイヤ位置を用いて明るさのパターンを求め、
この明るさパターンで第２の規準パターンと比較照合を
行なう。もし誤差が範囲外であれば不良、範囲内であれ
ば良品と判定する。

この実施例では、水平からα１／２まで、α１／２から
α２／２まで、α２／２以上と３つの角度範囲に分けて
ワイヤ形状を検査することができるので第１の実施例よ
り細かく形状を検査することができる。またこのリング
ライトの構成の利用法として、α２を大きく１例えば８
０″′などに設定するとワイヤの傾き４０°以内の部分
が明るく撮像され、多くの応用例でワイヤの全域にわた
って明るくなることが期待でき、ワイヤ位置の検出が単
純な２値化などで行えるなどの長点がある。

第２の実施例の考え方をさらに進めて、３つ以上の必要
な数だけリングライトを重ねる構成を採用することも可
能であり、より詳細な検査を行うことができる。

また各リングライトの入射角は、検査対象の品種に応じ
て設定を変更してもよい。そのようなリングライトの支
持の構造は容易に実現可能である。

さらに第４図に示すようにこれら設定を柔軟に変更でき
るよう、リングライトを駆動機構によってカメラ光軸方
向に自動設定を可能としてもよい。

第５図は第３の実施例におけるリングライトの構成を模
式的に示したものである。リング状の基材２１に、円周
に沿って等間隔にＮ個の発光素子２２−１．２２−２．
・・・、２２−Ｎを並べ、個別に配線２３−１．２３−
２．・・・、２３−Ｎを駆動回路２４まで行なう。駆動
回路２４は画像処理装置４あるいは制御装置７からの制
御信号によって個別に駆動電流のオン・オフを行なうた
めの回路である。このような回路はレジスタと電流のス
イッチ回路、制御信号のデコーダなどから容易と構成す
ることができる。

平面図Ａ−Ａ’での断面を第５図の下方に描いているが
、発光素子をリング内側の方に折曲げている。発光素子
からの光束は鋭い指向性を持つビームである必要はなく
、むしろＴＶカメラの視野となる対象の全幅にわたって
均一な光を与えるものが望ましい。

第６図は第５図のリングライトを用いたワイヤ形状の検
査の手順を示したものである。

対象をカメラの視野に搬入しくステップ２ｏ１）、まず
全ての発光素子を点灯して（ステップ２０２）、対象を
撮像し画像中からワイヤを抽出する（ステップ２０３）
、抽出結果からワイヤに沿う各点の位置Ａｉ（ｘｉ、ｙ
ｉ）と方向θを求める（ステップ（２０４）。方向は既
知とすることもありうる。

次にワイヤの傾きについてチエツクしたい角度φがある
と、ちょうど傾きがφのときに反射光がカメラに入るよ
うな入射角を求める。入射角の内カメラ光軸との角θは
既知であるので、リングに沿う角度θ′を求める９　θ
′とθとの差βは式（１）によってφ、αから計算でき
るのでθ′を求めその方向に求も近い発光素子を決定す
ることができる。発光素子は離散的にしか配置できない
のでその角度θ′から逆にφ′を求めておくこともでき
る。決定した発光素子のみを点灯し、他の素子を消すこ
とによってワイヤの１点が光るようになる（ステップ２
０５）。ワイヤに沿う明るさＩｉを求め（ステップ２０
６）これを規準パターンＴｉと照合する。この照合の方
法には前述のように種々の方法があるが、特に位置を比
較する方法が本実施例に適している。

照合の結果誤差が範囲内にあると、さらに他のワイヤ傾
き角について調べるかどうかをみる（ステップ２０９）
。調べる場合にはステップ２０５に戻る。もう調べる必
要がないときにはワイヤ形状を良としくステップ２１０
）、ステップ２０１に戻って次の対象の検査に移る。照
合の結果誤差が範囲内にないときにはワイヤ形状を不良
としくステップ２１１）、不良品に対する処置を行なう
（ステップ２１２）。

この実施例では、１つのリングのみで、種々のワイヤ傾
き角についての検出が可能であり、リングライトのスペ
ースが小さくて済むのが長所である。また各々１端をリ
ング状に並べた光ファイバーで発光素子からリングまで
光を送るようにしてもよい。このときリングを小さくし
たり、より多くの角度を設定することが可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、通常のＴＶカメ
ラ１台と、容易に構成できるリングライトを用いること
により、非接触でワイヤの３次元的形状を検査すること
ができ、簡単な装置構成で高速に検査が可能となる効果
がある。また高速に動く機構部分も必要とせず、長寿命
、高信頼、高速な検査が可能となっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の基本的な実施例の装置構成図、
第２図は第１の実施例の検査手順を示す図、第３図は第
２の実施例における照明装置の構成図、第４図は第２の
実施例の照明装置の別の構成図、第５図は第３の実施例
における照明装置の構成図、第６図は第３の実施例にお
ける検査の手順を示す図、第７図はワイヤと照明光の入
射反射の幾何的関係を説明する図である。 １・・・被検査対象、３・・・ＴＶカメラ、４・・・画
像処理装置、５・・・リングライト、７・・・制御装置
、２２・・・発光素子、２３・・・発光素子駆動回路。 、・′二） 、・　゛　　　Ｉ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、検出すべきワイヤを２次元センサで撮像し、該２次
   センサの光軸と軸を同じとするリング状の照明手段で、
   該ワイヤを照明し、該撮像した画像においてワイヤ上に
   生じる明暗のパターンに基き、該光軸と重直な面に対す
   るワイヤの傾きを検出することを特徴とするワイヤの傾
   き検出方法。 ２、上記２次元センサの光軸上に複数のリング状の照明
   手段を設け、該リング状の照明手段を切替えて上記ワイ
   ヤを照明することを特徴とする特許請求の範囲第１項の
   ワイヤ傾きの検出方法。 ３、上記リング状の照明手段は、複数の点滅可能な小光
   源を上記照明手段のリングに沿って配置したものとし、
   該小光源を一斉に点燈、又は順次点灯とすることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項又は第２項のワイヤ傾き検
   出方法。