(57)【要約】【課題】  本発明は、感知された対象物からの多数の光パターンの反射を明確にすることによって対象物を観察するマルチカメラ３次元感知システムに関する。【解決手段】  対象物（１２）の理想モデルの所定の基準画像（２９）は、メモリ（３０）内に格納される。画像レジスタ（２４）は、イメージング装置（２０）と対象物（１２）の理想モデルの基準画像（２９）を含むメモリ（３０）とに結合される。変換推定器（２６）は、スキャン画像（２２）を基準画像（２９）と比較し、スキャン画像（２２）を基準画像（２９）にマッピングする変換を提供し、位置合わせされた対象物のデータ・ポイントのセットを提供する。１つ又はそれ以上のフィルタ・モジュール（１００）は、位置合わせされた対象物のデータ・ポイントを経験的情報により処理して、ノイズを低減し、更に位置合わせの精度及び正確さを向上させる。【選択図】      図１
2005257673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物のゲージ測定を提供する非接触測定システムであって、
構造光により前記対象物（１２）を照射する少なくとも１つの光源（２５０）と、
前記照射された対象物の少なくとも１つの画像を取得するイメージング装置（２０）と、
前記対象物の基準モデル（２９）及び該対象物の少なくとも１つの画像（２２）に対応する情報を格納するように構成された画像レジスタ（２４）と、
前記画像レジスタに結合され、前記対象物の前記少なくとも１つの画像を前記対象物基準モデルに位置合わせするように適合された変換推定器（２６）と、
前記対象物の位置合わせされた画像を受信し、該対象物の位置合わせされた画像からゲージ測定値を識別するように構成されたゲージ測定モジュール（２００）と、
を備える非接触測定システム。
【請求項２】
前記画像レジスタ（２４）が、前記対象物基準モデル（２９）に関連する１つ又はそれ以上のパッチのセットと、前記対象物の少なくとも１つの画像に関連する１つ又はそれ以上のパッチのセットとを格納するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の非接触測定システム。
【請求項３】
前記変換推定器（２６）が、前記対象物基準モデル（２９）に関連するパッチを前記対象物の少なくとも１つの画像（２２）に関連するパッチと比較して、前記対象物の少なくとも１つの画像を前記対象物基準モデルと位置合わせするように構成されることを特徴とする請求項２に記載の非接触測定システム。
【請求項４】
位置合わせされたスキャン画像をフィルタ処理してノイズを除去するために前記画像レジスタ（２４）に結合されたフィルタ・モジュール（１００）を更に備える請求項１に記載の非接触測定システム。
【請求項５】
対象物の非接触ゲージ測定を提供する方法であって、
前記対象物（１２）上の少なくとも１つの光源を用いて構造光を投射して前記対象物を照射する段階（５２）と、
前記照射された対象物の少なくとも１つの画像を取得する段階（５２）と、
前記対象物の既知の基準モデルを表すデータを提供する段階（５４）と、
前記画像を前記基準モデル・データに位置合わせする段階（５４）と、
前記対象物の位置合わせされた画像から前記対象物のゲージ測定を識別する段階（７２）と、
を含む方法。
【請求項６】
前記画像を前記基準モデル・データに位置合わせする段階が、
（ａ）前記基準モデル・データの複数のパッチを前記画像の複数の関連するパッチと比較して該画像のポーズ・データを識別する段階と、
（ｂ）前記識別されたポーズ・データに応答して前記画像のポーズを調整する段階と、
を少なくとも１度は実行することを含むことを特徴とする対象物の非接触ゲージ測定を提供する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
対象物のゲージ測定を提供する非接触測定システムであって、
前記対象物（１２０）を照射するように適合された少なくとも１つの光源（２５０）と、
前記照射された対象物のスキャン画像（２２）を取得するための少なくとも１つのイメージング装置（２０）と、
前記対象物の基準モデル（２９）を表すデータと、前記少なくとも１つのイメージング装置で取得された前記対象物の少なくとも１つのスキャン画像を表すデータとを格納するように構成されたメモリ（３０）と、
前記スキャン画像を操作して信号対雑音比を改善するように構成された少なくとも１つのソフトウェア・モジュール（２４）と、
前記スキャン画像を前記基準モデル・データに位置合わせするように構成された少なくとも１つのソフトウェア・モジュール（２６）と、
前記スキャン画像を処理して前記対象物の縁部の識別を容易にするように構成された少なくとも１つのソフトウェア・モジュール（１００）と、
前記スキャン画像からゲージ測定値を抽出するように構成された少なくとも１つのソフトウェア・モジュール（２００）と、
を含む非接触測定システム。
【請求項８】
前記光源（２５０）が、照射レベルを変更するように調整可能であり、前記イメージング装置が、前記対象物の２つ又はそれ以上の画像を収集するように適合されており、該２つ又はそれ以上の画像各々が異なる照射レベルで収集されることを特徴とする前記対象物（１２）のゲージ測定を提供する請求項７に記載の非接触測定システム。
【請求項９】
前記スキャン画像を操作して信号対雑音比を改善するように構成された前記少なくとも１つのソフトウェア・モジュール（２４）が、異なる照射レベルで収集された前記２つ又はそれ以上の画像の各々から合成画像を生成するように更に構成されることを特徴とする対象物（１２）のゲージ測定を提供する請求項８に記載の非接触測定システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの光源（２５０）が、前記対象物にバックライト照射を提供するように位置決めされ、
前記イメージング装置（２０）が更に、第１の対象物方向で前記バックライト照射によって照射された前記対象物の少なくとも１つの画像を取得するように構成されており、
前記スキャン画像を前記基準モデル・データに位置合わせするように構成された前記少なくとも１つのソフトウェア・モジュールが更に、前記少なくとも１つのバックライト照射画像を位置合わせ処理に組み込むように構成されていることを特徴とする前記対象物のゲージ測定を提供する請求項７に記載の非接触測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元空間において対象物を観察するシステムに関する。より具体的には、本発明は、対象物の３次元形状を定義するデータ・ポイントのセットを得るために、感知された対象物からの多数の光パターンの反射を明確にすることによって対象物を観察するマルチカメラ３次元感知システムに関する。このデータ・ポイントのセットは次に、所定の理想形状情報データ・ポイントのセット、すなわち基準モデルと比較されて、対象物のゲージ測定を識別する。
【背景技術】
【０００２】
従来的には、エーロフォイル（例えばタービン・ブレード）などの複雑な３次元表面を有する製造物のゲージ測定は、冗長的で時間のかかる工程である。航空機エンジン、電力発電機などに用いられるような鍛造ブレードを含むエーロフォイルは、限定ではないが、ゆがみ、ねじれ、拡縮、平行移動を含むことができる変形について検査される。より具体的には、エーロフォイルは、プラットホーム方向、外形断面、積層軸に沿った湾曲及びねじれ、所定の断面における厚さ及び翼弦長さなどの変形パラメータについて検査される。
【０００３】
個々のエーロフォイルのこれらのパラメータを表す緻密で正確なデジタル・データを得る１つの方法は、座標測定装置（一般的に「ＣＭＭ」として知られる）を用いることである。ＣＭＭは、感知プローブを平行移動及び回転させて検査中の対象物の表面に接触させ、対象物の表面上の様々なポイントの位置をサンプリングする。感知プローブが検査中の物品と接触する前に、対象物は最初に既知の物理的位置及び方向に固定する必要があり、これによって既知の基準ポイントのセットを確立することができるようにする。エーロフォイル測定のため、６つの物理的接触ポイントが使用され、この配列は、当業者には「６点ネスト」と呼ばれている。この６つのデータ・ポイントのセットの画定によって、物理的ホルダのエーロフォイルの位置及び方向を引き続き他の任意の座標系に平行移動することができる。ＣＭＭは、サンプル・ポイントの緻密な測定を提供する。しかしながら、感知プローブがデータを得するために継続的に再配置されなければならないので、エーロフォイルのスキャン時間は比較的遅い。表面ポイントの必要な情報が収集されると、コンピュータ・ソフトウェア処理が、コンピュータ支援描画（ＣＡＤ）の基準モデルからこれらのポイントの偏差を計算し、処理ベースの形状変形に関して偏差を分析する。しかしながら、現存のＣＭＭ処理ソフトウェアもまた比較的遅い。
【０００４】
速度が重要となる、これらのパラメータのデータを取得する別の方法は、マイクロメータ、カリパス、シム及び他のゲージを用いるハード・ゲージによる。ハード・ゲージにおいて、測定中の対象物は、理想対象物の所望のパラメータに正確に合致するように構成された金型又は型枠のセットに近接して配置される。次に、測定される対象物の表面と機械ゲージに用いられる金型又は型枠のセットとを比較して、理想対象物形状からの何らかの偏差がないかどうかが決定される。検査中の対象物各々に対して新たなゲージのセットを機械加工しなければならず、これらは変化に対して柔軟性がないので、ハード・ゲージはコスト高であることは理解されるであろう。更に、ハード・ゲージは迅速であるが、緻密な測定データを提供するのではなく、むしろ比較的少ない画定接触ポイントにおける個々の測定値だけを提供する。
【０００５】
対象物の変形パラメータを表す測定値を得る更に別の方法は、全領域非接触測距センサを使用する。これらのセンサは、不透明な対象物の外面をレーザ又は白色光を用いてＣＭＭよりかなり高速でスキャンする。センサは、迅速に対象物をスキャンし、大量のデータを取得することができるが、このデータの精度はＣＭＭを用いて取得したデータよりもかなり劣る。非接触センサの実施例は、レーザ線格子及びステレオ三角測量に基づくセンサ、及び単レーザ線スキャンと対象物の回転に基づくセンサを含む。更に、非接触センサは、移相モアレ及び白色光に基づく。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在のところ、対象物の表面の正確な高速測定を取得し、理想対象物の基準表面測定のセットに当該測定を効率的で正確に位置合わせし、位置合わせされた測定値からノイズをフィルタ処理し、表面の変形を識別し、結果として得られたゲージ情報をオペレータに表示することができるシステムに対する必要性がある。更に、対象物が異なる場合に、対象物毎にゲージ構成要素を置き換える必要がなく、１つ又はそれ以上の異なる形状の対象物を測定するために迅速に再構成することが可能なシステムの必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
要約すると、本発明のシステムは、形状変形に関して複雑な表面の製造物を検査する非接触イメージング装置に関する。イメージング装置は、検査される製造物の表面のスキャン画像を取得するための少なくとも１つのイメージング装置を含む。所定の基準モデル、すなわち製造物の理想モデルの画像がメモリ内に格納される。画像レジスタが、イメージング装置及び理想モデルの基準画像情報を含むメモリに結合される。変形推定器が、スキャン画像を基準モデルと比較し、スキャン画像が基準画像にマッピングされる変換を提供し、位置合わせされた対象物のデータ・ポイントのセットを提供する。１つ又はそれ以上のフィルタが経験的情報により位置合わせされた対象物のデータ・ポイントを処理してノイズを低減し、データ・ポイントの精度及び正確さを増大させる。結果として得られた情報は、製造物のゲージ測定を識別するために処理され位置合わせされた対象物データを使用するゲージ推定器に送られる。ゲージ測定値は、オペレータに表示することができ、対象物が製造される製造工程を制御するのに使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明並びに現在のところ望ましい実施形態において、前述及び他の目的、特徴及び利点は、添付図面と共に以下の説明を読めばより明らかになるであろう。  本明細書の一部を形成する添付図面において、対応する参照符号は、図面全体を通して同じ部分を示す。      
【０００９】
以下の詳細な説明は、例証の目的で本発明を示すものであり、本発明を限定するものではない。本説明により当業者であれば本発明を実施し用いることができることは明らかであり、本説明は、現在本発明を実施する最良の形態と考えることができるものを含む、本発明の幾つかの実施形態、改作、変更、代替物、及び用途を説明するものである。
【００１０】
本明細書の目的において、以下の用語が定義される。
【００１１】
第１に、「画像」は、対象物の特性、設計仕様、又は属性を表すデータを集めたものとして定義される。例えば、対象物の３つの空間的寸法（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を表すデータ収集が、対象物の画像である。このようなデータが、対象物を測定し測定値をメモリ内に格納することにより得られると、格納されたデータは本明細書では「スキャン画像」と呼ばれる。
【００１２】
第２に、ＣＡＤ描画又はデジタル・フォーマットの他の工業規格の集合を含む対象物の形状に関するデータは、本明細書では、対象物の「基準モデル」又は「基準画像」と呼ばれる。対象物の欠陥を検出するため製造物と比較される、対象物の理想モデルの仕様を含むＣＡＤデータを本明細書では基準画像と呼ぶ。
【００１３】
第３に、「ポーズ」は、対象物の所定の視点に対する空間位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）及び方向（ロール、ピッチ、ヨー）であると定義される。
【００１４】
次に、「アライメント」、つまり「ポーズ補正」又は「位置合わせ」は、第１の対象物の少なくとも１つのアライメントパラメータ（平面位置、角度方向など）が第２の対象物の対応するアライメントパラメータに等しく、少なくとも所定の粗い許容範囲内に等しくなるようにする、第２の対象物に対する第１の対象物の再配置又は再配向として定義される。位置合わせは一般に、スキャン画像を基準モデル又は基準画像と所定の許容範囲内で整列させる処理として定義される。位置合わせ処理は一般に２つの段階を含む。第１の段階は、スキャン画像と基準画像との一致するポイント、又は特徴を求めることである。第２の段階は、スキャン画像と基準画像を、共通の座標系に変換することである。この変換は通常、幾何学的変換であり、平行移動、回転、及びスケール変更を含むことができる。変換段階は、２つの画像（スキャン画像及び基準画像）上の対応するポイントが検査される対象物の同じポイントを表すように、２つの画像を互いに対して位置付ける。アライメント又はポーズ補正は、粗い相対的位置付け処理と考えられるので、この後にスキャン画像と基準画像の精密な、すなわちより正確な相対的位置付けを行う位置合わせ段階が続くことができる。
【００１５】
「ポーズ誤差」は、対象物のスキャン画像において表される対象物の位置及び方向と対象物の基準画像において表される対象物の位置及び方向との間の差として定義される。ポーズ補正は、ポーズ誤差が最小限になるように対象物を再配置し再配向する。
【００１６】
最後に、「補間」は、２つの既知の値の間の１つ又はそれ以上の推定値として定義される。精度の問題は、全ての変換に対して共通の問題である。従って、適正なアルゴリズムは、画像内の隣接するピクセルからの変換ポイントにおける補間値を必要とする。
【００１７】
次に図面を参照すると、図１は、本発明の１つの実施形態による、対象物１２の形状の変形を検出する装置１０のブロック図である。装置１０は、対象物１２を検査して、対象物の既知の基準モデル又は他の理想的表示を表すデータと比較したときの対象物１２のゲージ測定値を識別するよう適合されている。次いで、必要に応じて対象物１２のゲージ測定は、従来のフォーマットでオペレータに表示することができる。
【００１８】
本発明の１つの実施形態において、対象物１２は、プラットホーム１６から延びるエーロフォイル１４を有する航空機のタービン・ブレードなどのブレード、及び軸線１８を含む。以下の説明は、一般に、タービン・ブレードの検査に関するものであり、本発明の装置及び方法は、同様の特徴を有する任意の対象物のゲージ測定情報を検出し表示するのに有用であることは、当業者には理解されるであろう。
【００１９】
検査されることになる対象物１２は、イメージング装置２０の感知範囲内に位置付けられる。イメージング装置２０は、好ましくは、並進ステージ上に装着された全領域非接触レーザ測距センサである。イメージング装置２０に用いるのに好適な全領域非接触測距センサは、商業的供給源から現在容易に入手可能である。例えば、インテリジェント・オートメーション・システム社で販売されているモデル４ＤＩセンサを本発明に使用することができる。４ＤＩセンサは、画像データを得るために対象物１２上に投射されるレーザ線パターン及びステレオ三角測量イメージングを利用する。他の適正なイメージング装置２０は、対象物１２が軸線の周りを回転する間、対象物１２の表面上に投射される単レーザ線スキャン移相モアレ・パターン、又は白色光を観察するように構成されたセンサを用いて画像データを取得する。
【００２０】
対象物１２は、好ましくは、回転プラットホーム又は回転式ステージに５つの所定の接触ポイントで固定される。対象物１２は、好ましくない表面反射を低減するように選択された方向に保持される。従来の６点ネストに代わって５つの所定の接触ポイントを使用することで、対象物１２に対して一自由度が許容される。或いは、対象物１２は、後でロバストな最小二乗位置合わせアルゴリズムを用いて決定される未知の方向に固定される。
【００２１】
本発明の１つの実施形態において、単一のイメージング装置２０は、対象物１２の外表面を表す３次元データを含む１つ又はそれ以上のスキャン画像２２を得る。各スキャン画像２２は、次の処理のためにメモリ（図示せず）内に格納される。
【００２２】
本発明の別の実施形態において、並進ステージ上に装着された複数の測距センサ２０が、対象物１２からの表面データを表すスキャン画像２２を同時に収集してメモリ内に格納する。回転ステージを用いて、回転軸１８の周りを対象物１２が回転し、対象物１２の複数の表面の観察が可能になる。
【００２３】
４ＤＩセンサなどの商業的に入手可能な全領域非接触測距センサは、対象物１２の表面上に投射される構造レーザ線を使用する。これら構造レーザ線は、スペックルとして知られる干渉ノイズを含む。これらの構造光システムに現れる干渉ノイズは、相殺されない場合には、システムの性能を制限する場合がある。本発明の１つの実施形態は、３つのパラメータ、すなわちイメージング装置２０のレンズのＦナンバー設定、各レンズのＦナンバー設定でのノイズ（光の小さなスペックル）低減可能性の限界を示す画像散乱データ、及び投射されたレーザ光干渉のレベルに関するデータを収集する。次いで、これら３つのパラメータは、均衡が取られ、対象物１２の表面上に投射される構造レーザ線に現れる干渉ノイズを最小限にすることで最適な性能をもたらす。
【００２４】
光沢のある又はプリズム状の表面特徴を有する対象物１２上の全領域非接触測距センサの性能を改善するため、本発明の１つの実施形態は、対象物１２を投影される光源又は構造レーザ線源に対して、好ましい方向に方向付ける。対象物１２は、対象物の任意のプリズム特徴をほぼ２等分するビューを示すように方向付けられ、イメージング装置２０は、対象物１２が示される角度の長手方向に方向付けられる。対象物１２を照射する光は、光源又はレーザ源及びイメージング装置２０によって画定される平面に対して既知の角度で偏光される。追加の偏光フィルタが、イメージング装置２０の前で同じ角度で方向付けられ、プリズム表面の２つ又はそれ以上の面に反射する任意の光は、基本的にイメージング装置２０から遮断される。
【００２５】
本発明の１つの実施形態において、光沢のある又はプリズム状の表面を有する対象物は、１つ又はそれ以上のイメージング装置２０によって複数回様々な光のレベルで撮像される。次に結果として得られる画像が比較されて組み合わされ、高い光レベルの光沢のある表面から得られたデータ、及び低い光レベルの光沢のない表面から得られたデータを含む少なくとも１つの合成画像を生成する。本発明の１つの実施形態において、スケール値は、対象物を撮像するのに用いられる光の各レベルに適用され、様々な画像の各々からのピクセルが拡縮されて所定の範囲内にある光強度のスケール値を表すピクセルを有する合成画像を生成することができるようにする。
【００２６】
対象物１２の既知の基準モデル又は基準画像２９を表すデータは、メモリ（図示せず）内に格納され、該メモリは、スキャン画像２２が格納されるメモリの割り当て部分とすることができる。基準画像２９は、ゲージ情報を識別するために対象物１２のスキャン画像２２が比較されるデジタル・データを含む。基準画像２９が対象物１２の理想的特徴を含むことは当業者であれば理解するであろう。
【００２７】
本発明に用いるのに好適な基準モデル２９には幾つかの種類が存在する。中でも、検査されることになる対象物１２をスキャンする前に生成される基準モデル又は基準画像２９、検査対象物１２と同様の形状の別の製造物に由来する基準モデル又は基準画像２９、既知の無欠陥対象物に由来する基準モデル又は基準画像２９、及び理想対象物のＣＡＤモデルなどの設計データから生成される基準モデル又は基準画像２９がある。
【００２８】
本発明の１つの実施形態において、基準モデル又は基準画像２９は、イメージング装置２０で受信されるスキャン画像２２のレーザ縞データ抽出の忠実度を高めるために使用される。基準画像２９をガイドとして用いると、２次元フィルタが、検査中の対象物１２のスキャン画像２２の各ポイントに対して生成される。スキャン画像２２がこれらのフィルタを用いて処理されると、非最大抑制法を利用して、スキャン画像２２において観測されるレーザ縞の各々の中心線を識別する。これにより、レーザ縞信号対雑音比は増大し、装置１０の測定精度が改善される。
【００２９】
スキャン画像２２の部分又は領域が、対象物１２の光沢表面からの反射によって生じるような干渉スペックル・ノイズ又は他の光障害によって破損に至る可能性がある。基準画像２９、及び対象物１２の表面上の予想されるレーザ縞配置の事前知識を用いると、イメージング装置２０によって得られた画像２２の非破損領域におけるレーザ縞を用いて、破損した画像２２の部分又は領域におけるレーザ縞を合成することができる。
【００３０】
本発明の１つの実施形態によれば、パッチ決定装置３２及び３４は、スキャン画像２２及び基準画像２９を本明細書でパッチと呼ぶ複数の表面領域に分割するようプログラムされたプロセッサ３５を含む。パッチは、ｘ及びｙ方向に均等に間隔を置いて配置されたサンプル・ポイントを備えるデカルト・サンプリング・グリッドを用いて、最初に基準画像２９をサンプリングすることによって生成される。ｘ及びｙ方向は、ビュー選択器によって画定されたビュー平面にある。サンプル・ポイント間の間隔は、オペレータによって選択されたパッチの総数で決まり、理想のパッチ数は対象物１２の複雑さ、許容計算時間、及び精度要件によって変化する。選択されたパッチの数は、位置合わせに課せられた幾つかの制約を満たす程十分でなければならない。一般に、選択されるパッチの数が多いほど、位置合わせ処理がより高精度になる。パッチ決定装置３２及び３４は、装置１０の他の構成要素から独立して動作する。次いで、決定されたパッチを表すデータは画像レジスタ２４内に格納される。
【００３１】
変換推定器２６は、画像レジスタ２４からの決定されたパッチを表すデータを供給するプロセッサ３６を含む。変換推定器２６は、スキャン画像２２のパッチと基準画像２９のパッチ間の対応するポイントを求める。１つの実施形態において、対象物１２の２つ又はそれ以上のスキャン画像２２が、異なる回転位置で撮影され、対象物の基準モデルに適合される。次いで、２つの異なる位置からの情報を用いて、対象物１２が周りを回転する軸線が識別される。次に回転情報の軸線は、パッチ情報と共に変換推定器２６によって用いられ、より正確で安定した位置合わせ解決法を提供する。
【００３２】
任意選択的であるが、位置合わせの精度は更に、輪郭画像を取得するためにバックライトを対象物１２に照射することによって高めることができる。バックライトを用いると、対象物１２の輪郭が３次元空間に投影され、変換推定器２６によって実行される位置合わせ処理に追加の制約を与える。例えば、高曲率の領域を備える表面を有する対象物１２では、位置合わせは特に困難である。対象物１２のシルエットすなわち「見かけの外形」を撮像するためにバックライトを使用すると、異なる角度から得られた対象物１２の複数の画像は、標準「空間切除法」アルゴリズムを用いる表面形状の近似を与える。次いで、対象物１２の基準画像２９は、関心領域の表面形状の近似に適合させることができ、スキャン画像２２の位置合わせを促進することができる。
【００３３】
タービン・ブレードなどの対象物１２での使用に適合された１つの実施形態において、変換推定器２６は更に、分割器３８、エーロフォイルマッピング部４０、プラットホーム・マッピング部４２、及び拘束装置４４を含む。プロセッサ３６は、スキャン画像２２のスキャンされたデータ・ポイントを画像２９に対して整列させて位置合わせする。次に、分割器３８は、対象物１２の位置合わせされたデータをエーロフォイルデータとプラットホーム・データとに分割する。データの各分割は、それぞれのエーロフォイルマッピング部４０及びプラットホーム・マッピング部４２に提供され、その各々が基準画像２９の対応する部分に各データをマッピングする。拘束装置４４は、位置合わせに対して前縁拘束及びプラットホーム拘束を追加する。変換推定器２６の結果として得られた出力は、スキャン画像２２及び基準画像２９を互いにマッピングする変換（Ｔ）であり、基準画像に対するスキャン画像の位置合わせをたらす（以下「位置合わせされたスキャン画像２２Ｒ」とする）。
【００３４】
更に、図１を参照すると、フィルタ・モジュール１００が、フィルタ・モジュール１００からの位置合わせされたスキャン画像２２Ｒと基準画像２９とを受信するプロセッサ１０２を含む。これらの入力は、１つ又はそれ以上の重み付けフィルタ１０３の基礎を与える。フィルタ１０３は、位置合わせされたスキャン画像２２Ｒに適用されてノイズを除去し、対象物１２の感知面からの所定距離の外にあるデータ・ポイント（外れ値として知られる）を重視しない。本発明の１つの実施形態において、フィルタ１０３は、所定の形状の位置合わせされたスキャン画像２２Ｒを受信するように設計され、所定の形状によって画定された領域内にある画像特徴を強調するように構成されると共に、関心領域の外にある画像特徴を重視しない。
【００３５】
本発明の別の実施形態において、フィルタ・モジュール１００は、対象物の各領域の複数の基準画像２９を使用し、且つ位置合わせされたスキャン画像２２Ｒの任意の隠された画像特徴をこれらが存在する基準画像２９から再構成することにより強調するように構成される。フィルタ・モジュール１００の出力は、位置合わせされてフィルタ処理されたスキャン画像２２ＲＦである。
【００３６】
ゲージ・モジュール２００は、位置合わせされてフィルタ処理された画像２２Ｒと、基準画像２９をとを受信するプロセッサ２０２を含む。本発明の１つの実施形態において、ゲージ・モジュール２００は、位置合わせされてフィルタ処理された画像２２ＲＦの表面を基準画像２９の表面と比較して、位置合わせされてフィルタ処理された画像２２ＲＦによって表される対象物１２の輪郭を識別する。各輪郭に沿って、ゲージ・モジュール２００は、局所的なそり、ねじれ、厚み値を識別し、ハード・ゲージによって形成された測定値をシミュレートするようにする。本発明の１つの実施形態において、これらの測定値は、対象物１２の製造の際に従来より用いられる６点ネストなどの確立されたハード・ゲージ位置に一致する、位置合わせされてフィルタ処理された画像２２ＲＦの所定の位置で取り込まれる。或いは、スキャン処理中に収集された緻密なデータを用いて、ゲージ・モジュール２００は、位置合わせされてフィルタ処理された画像２２ＲＦの位置の無作為な選択から広範な測定値を取り込むように構成される。ゲージ・モジュール２００は、１つ又はそれ以上の実際のゲージ測定値及び／又は公称上のゲージ測定値を識別する。
【００３７】
細い縁部を有する対象物１２の改善された測定値を与えるために、本発明の１つの実施形態は、例えばエーロフォイルの前縁などの対象物１２の縁部に沿って線形ハイライトを生成するように適合された１つ又はそれ以上の位置白色光源２５０を組み込む。好ましくは、位置光源２５０はイメージング装置２０と一致して配置され、取得された画像２２の照射及び閉塞境界の類似性を活用する。線形ハイライトを含む画像２２は、イメージング装置２０を通って見られるように、対象物１２の平滑な表面に沿ったレーザ縞を含む画像２２と同様の特性を有する。従って、線形ハイライトを含む画像２２は、標準構造光システムのレーザ縞を検出する同じアルゴリズムを用いて処理されて付加的なゲージ・データを提供する。
【００３８】
本発明の１つの実施形態において、白色光源２５０は、細い円形の縁部を有する対象物１２の側面に位置付けられる。白色光源２５０の位置は、イメージング装置２０によって見られるように、細い円形縁部から反射される光線として輪郭を生成するように選択される。イメージング装置２０は、反射された輪郭を含む画像２２を取得し、次いで該輪郭は、前述の構造レーザ縞処理アルゴリズムを用いて対象物１２の縁部を位置を特定するのに用いられる。
【００３９】
装置１０に付随する表示装置３００は、任意選択的にゲージ・モジュール２００からの信号を受信し、１つ又はそれ以上の実ゲージ測定値及び／又は公称上ゲージ測定値をオペレータに表示することができる。或いは、装置１０が取得した１つ又はそれ以上の実ゲージ測定値及び／又は公称上ゲージ測定値は、フィードバック制御ループにおいて、さもなければ組立ラインの操業を指示するのに用いることができる。
【００４０】
本発明の別の実施形態において、パッチ決定装置３２及び３４、変換推定器２６、フィルタ・モジュール１００、及びゲージ・モジュール２００の機能は、汎用プロセッサ上で実行可能なソフトウェア命令のセットにより実施される。このプロセッサは、画像レジスタ２４と通信して、そこに格納されたデータにアクセスし、及び任意選択的に表示装置３００と通信してオペレータへの出力を提供する。
【００４１】
次に、図２を参照すると、タービン・ブレードなどの対象物１２の非接触ゲージ測定（図１）の方法が、本発明の例示的な実施形態において示されている。
【００４２】
段階５２では、対象物１２がイメージング装置２０によってスキャンされ、ブレードの１つ又はそれ以上のスキャン画像２２を含むデータ・ポイントを取得する。異なる視点から及び／又は異なる光源を用いた複数の画像を組み合わせて、対象物１２の３次元表面を画定するデータ・ポイント群を形成する。段階５４では、変換推定器２６のプロセッサ３６が、対象物１２を表す表面データ・ポイントの重心及び慣性モーメントを基準画像２９からの対応するデータと整合させる。この整合の結果、対象物１２のスキャン・データは、基準画像２９からのデータにと整合され、大きな収束領域（範囲）をもたらす。これは、平行移動が対象物１２の大きさの最大＋／−２分の１まで、回転が最大＋／−約４５度であるように定められる。
【００４３】
本発明の１つの実施形態において、小さい曲率のパッチを用いるデータ・ポイントのロバストな位置合わせは、ロバスト・クローゼスト・パッチ（ＲＰＣ）アルゴリズムによって実行され、これは、対象物１２の可視の安定した表面に関係する全ポイントを用いて、スキャン画像２２のデータ・ポイントを基準画像２９を含む対応するデータ・ポイントに正確に位置合わせする。段階５６において、対象物１２を表すスキャンされたデータ・ポイントは、ロバスト最小二乗アルゴリズムを用いて小曲率パッチに適合させ、基準画像２９に位置合わせされる。パッチは対象物１２のビューにわたって規則的にサンプリングされる。
【００４４】
【数１】
2005257673.tif 000003
【００４５】
パッチ半径ｒは、オペレータが選択することができ、全てのパッチについて同じである。選択されたパッチ半径ｒ値は、ビュー選択によって定義されるようにｘ及びｙ方向における基準画像２９のサンプリング・ポイント間の近似距離の約１から３倍であるのが好ましい。
【００４６】
計算効率に関しては、対象物１２の表面の大曲率領域にあるパッチを排除することにより、精細な位置合わせに用いられるパッチの数を低減するのが望ましい。このために、対象物１２の表面の局所曲率は、当該技術分野で公知の幾つかの技法の１つを用いて計算され、局所曲率が所定の曲率閾値を上回るパッチは排除される。曲率閾値はオペレータによるパラメータ入力である。このパラメータ値の選択に関する正確な仕様はないが、正規のオペレータは、対象物１２の複雑性に基づいて必要以上の試行を行うことなく所望の計算速度が得られることになる適正な値を決定することができる。
【００４７】
ＲＣＰアルゴリズムは、基準画像２９のパッチを対象物１２の現在のポーズに基づくデータ表面に繰り返し一致させ、次いでこれらの一致に基づくポーズをピラミッド処理法を用いて再推定する。一般に、ピラミッド処理法は、大まかにサンプリングされたデータ空間に関して最初に処理することにより推定を繰り返し計算して精緻化し、次いで引き続きサンプル密度を精緻化する。ピラミッド処理の３つのレベルは、スキャン画像２２と基準画像２９間の整合を要求された精度レベルまで精緻化するのに十分であるのが好ましい。レベル３のピラミッド処理は、対象物１２の表面上で定義されるＮ個のパッチ全てを使用し、レベル２は、約Ｎ／２個のパッチを使用し、レベル１では約Ｎ／４個のパッチを使用する。パッチは、ピラミッド処理の様々なレベルに対して異なっている。レベル１のパッチは例えば、レベル２でパッチを生成するのに用いられるサンプリング・ポイントより約２倍離れたサンプリング・ポイントを用いて生成される、などである。ピラミッド処理の各レベルのパッチは、処理を始める前に計算されて格納されているのが好ましい。
【００４８】
１つの実施形態において、パッチの整合手順が始まるピラミッド処理のレベルは、オペレータによって決定される。この選択は主観的なものであるが、基準画像２９に対する対象物１２のスキャン画像２２の最初の位置合わせ又は整合の精度に関してオペレータの信頼度が高いほど、ピラミッド処理が開始されるレベルが高くなるように導かれる。従って、最初の位置合わせが非常に良好であるとオペレータが考える場合には、オペレータはピラミッド処理をレベル３で開始するように選択することができる。最初の位置合わせにオペレータが全く信頼度が無い場合には、オペレータはピラミッド処理をレベル１で始めるように選択し、計算をレベル２及び３まで進めた後、基準画像２９と対象物１２を表すスキャンされたセンサ・データとの間の一致の最良の推定値で終了することができる。
【００４９】
対象物１２の回転軸１８の計算は、ＲＣＰアルゴリズムの精度を更に高めるために任意選択的に使用される。
【００５０】
段階５８において、本発明の分割器３８は、タービン・ブレードなどの対象物１２の検査に適合され、位置合わせされたデータ・ポイントをタービン・ブレードエーロフォイル１４及びタービン・ブレードプラットホーム１６の双方を表すデータ・ポイントに分割する。これは、基準画像２９のエーロフォイル又はプラットホームに対するスキャンされたデータ・ポイントの近似値に基づいて実行される。プラットホーム１６は、データ・ポイントを基準画像２９にマッピングする基準を提供する。
【００５１】
段階６０において、プラットホーム・マッピング部４２は、３回の平行移動と３回の回転を含む剛体変換によりプラットホーム・データ・ポイントを基準画像２９にマッピングする。
【００５２】
段階６２において、エーロフォイルマッピング部４０は、剛体変換によりエーロフォイル１４上の位置合わせされたデータ・ポイントを基準画像２９にマッピングする。
【００５３】
段階６４において、拘束装置４４は、エーロフォイル１４を基準画像２９に位置合わせする段階に対して前縁拘束を追加する。前縁拘束は、イメージング装置２０のペアによって受信された少なくとも１つ、好ましくは２つのスキャン画像２２から得られる。本発明の１つの実施形態において、エーロフォイル１４は、バックライト照射されて、イメージング装置２０にエーロフォイル縁部の輪郭が投影される。位置白色光源２５０（図１）から照射されたエーロフォイル縁部に関して付加の画像を得ることができ、更に縁部位置データを与える。
【００５４】
前縁拘束により、従来のＣＭＭ６点ネスト接点を概算する。すなわち、追加された拘束が４接点で前縁を固定する。これらは２つの方向と２つの位置を拘束する。段階６６において、プラットホームｘポイントの拘束を位置合わせに追加され、これはプラットホーム１６上の１つの接点に等しい。これは、実際、積層軸１８に沿った平行移動をゼロ設定する。エーロフォイル１４上の小曲率パッチは、エーロフォイル１４の後縁部付近に第６の接点を与える。
【００５５】
段階６８において、剛体変換は、小曲率パッチと、前縁及びプラットホームの追加拘束とから求められる。剛体変換のデータ・ポイントは、エーロフォイル１４及びプラットホーム１６に分割されるデータ・ポイントに関して分割され、これによって異なる拘束及び変換をこれに適用することができる。本発明の１つの実施形態において、３つの平行移動、３つの回転、及び６つの変形パラメータを含む、総数１２の変換パラメータが用いられる。
【００５６】
段階７０において、基準画像２９がフィルタの基礎として用いられ、このフィルタは、ノイズ及び範囲外データ・ポイントを重視しないようにスキャン画像２２から得られた、変換され又は位置合わせされたデータ・ポイントに適用される。スキャン画像データはノイズが存在しないことは期待できない。ノイズを緩和し、基準画像２９とスキャン画像２２との間の一致の最良推定量を求めることに対する影響を低減するために、スキャン画像データは１つ又はそれ以上のフィルタを通して処理される。
【００５７】
フィルタ処理は２つの段階、前フィルタ処理と全体フィルタ処理とを含む。前フィルタ処理中、任意選択的であるが、局所フィルタがスキャン画像パッチ・データに適用される。局所フィルタの実施例は、当該技術分野で公知のメジアンフィルタである。この前フィルタ処理段階の目的は、外れ値、すなわち著しく誤差のあるデータ・ポイントを除去するものである。
【００５８】
次に、全体フィルタ処理段階は、２つの要素を含む。これらの第１は、パッチの中央から対応する基準画像２９のデータ・ポイントまでの距離のロバストな推定を扱う。第２のものは、センサ表面の全体的な平滑化を扱う。また、全体フィルタ処理は、ピラミッド処理関連においても実行される。
【００５９】
基準画像２９の表面上の各ポイントにおいて、画像データの表面上の対応するポイントに対する距離が測定される。
【００６０】
【数２】
2005257673.tif 000004
【００６１】
これは全体フィルタ処理項の第１であり、パッチ内部計算である。
【００６２】
距離計算はロバスト最小二乗距離を最小にするように行われる。これは各パッチについて、
【００６３】
【数３】
2005257673.tif 000005
【００６４】
を最小化することによって行われ、ここで、
【００６５】
【数４】
2005257673.tif 000006
【００６６】
ｍｉは、パッチにおける基準モデル・データ、
ｄｉは、パッチにおけるセンサ画像データ、
【００６７】
【数５】
2005257673.tif 000007
【００６８】
この関数は、ｘが小さいときはｘ二乗重み付けとして機能し、ｘが更に大きくなるにつれ１に近づく点において、最小二乗計算をロバストにする。従って、ｘの大きな値を重視せず、局所的に非常にノイズが多いセンサ・データから生じる可能性がある外れ値及び著しく大きな差異に対してロバストであると考えられる。パラメータδの選択は、幾分任意的である。好ましくは、δは、センサ・ノイズの二乗平均平方根（ｒｍｓ）の約２倍から３倍であるように選択される。
【００６９】
第２の全体フィルタ処理項もまた、パッチ内部計算である。ここでは、ピラミッド計算の各レベルについて、
【００７０】
【数６】
2005257673.tif 000008
【００７１】
を調整することを目的とする。パラメータδはまた、幾分任意的であり、好ましくは、オペレータによって必要以上の試行を行うことなく選択される。
【００７２】
段階７２において、スキャンされた対象物１２を表す結果として得られたデータ・ポイントは、基準画像２９と比較され、ハード・ゲージにより実行された測定をシミュレートする。本発明の１つの実施形態において、シミュレートされた測定の結果が、（ｉ）実値の形式、及び（ｉｉ）変数の形式でオペレータに表示される。
【００７３】
本発明は、これらの処理を実施するためにコンピュータ実装による処理及び装置の形式で具現化することができる。本発明はまた、フロッピー（登録商標）・ディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、ハード・ドライブ、又は他のコンピュータ可読記憶媒体などの有形媒体において具現化される命令を含む、コンピュータ・プログラム・コードの形式で具現化することができ、この場合コンピュータ・プログラム・コードがコンピュータ内に読み込まれてコンピュータによって実行されると、該コンピュータは本発明を実施する装置となる。
【００７４】
本発明は更に、例えば、コンピュータ内に読み込まれ及び／又はコンピュータによって実行される記憶媒体内に格納されるか、電気ワイヤ又はケーブル、光ファイバー、或いは電磁放射などの何らかの送信媒体を介して送信される、いずれかのコンピュータ・プログラム・コードの形式で具現化することができる。コンピュータ・プログラム・コードがコンピュータに読み込まれ、コンピュータで実行されると、該コンピュータは、本発明を実施する装置となる。汎用マイクロプロセッサに実装されると、コンピュータ・プログラム・コードセグメントはマイクロプロセッサを構成し、特定の論理回路を生成する。
【００７５】
ソフトウェア・モジュールのセットなどのコンピュータ・プログラム・コードの形式で本発明を実施することによって、従来の非接触光センサ・システムは、高速で、高密度で、正確なゲージ測定システムを提供するように構成することができる点は容易に明らかになるであろう。更に、システムは、広範囲の再構成なしに対象物の広範なゲージ測定情報をもたらすように容易に適合可能である。
【００７６】
上記の観点から、本発明の幾つかの目的が達成され、他の有利な結果が得られたことが分かるであろう。本発明の範囲から逸脱することなく、上記の構成に様々な変更を行うことができる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】製造物のゲージ情報を測定及び表示するための本発明の非接触センサ装置のブロック図。
【図２】本発明を具現化する、製造物のゲージ情報を測定及び表示する方法のフローチャート。
【符号の説明】
【００７８】
２２：入力画像
２４  画像
２９  基準画像
３２、３４  パッチ決定装置
３６  プロセッサ
３８  分割器
４０  エーロフォイルマッピング部
４２  プラットホーム・マッピング部
４４  拘束装置
１００  フィルタ・モジュール
１０３  フィルタ
１０２  プロセッサ
２００  ゲージ・モジュール
２０２  プロセッサ
２５０  光源
３００  表示装置
【図１】
2005257673.tif 000009
【図２】
2005257673.tif 000010