(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平面を規定する受け面、および、受け面に直交する１平面を規定する１対の第１突き当て、および、当該１平面および受け面に直交する平面を規定する第２突き当てで対象物を位置決めする検査台と、対象物の実写像を生成する撮像装置と、対象物の三次元像を特定する形状データに基づき仮想空間で対象物の三次元像を再現し、この三次元像に対して前記受け面、第１突き当ておよび第２突き当ての位置を特定することで、対象物の実寸法を規定する三次元座標系を仮想空間で構築する座標系構築回路と、三次元座標系に従って撮像装置に関する光学系主点の位置および光学系主軸の向き並びに焦点距離を特定する撮像装置情報に基づき、実写像が映し出される投影面を仮想空間内で特定する投影面特定回路と、特定された投影面に前記三次元座標系を投影する描画回路とを備えることを特徴とする形状検証システム。
【請求項２】
請求項１に記載の形状検証システムにおいて、前記描画回路は、前記形状データに基づき前記投影面に前記対象物の二次元理想像を描き出すことを特徴とする形状検証システム。
【請求項３】
請求項２に記載の形状検証システムにおいて、前記実写像および二次元理想像を重ねて画面上に表示させる表示回路をさらに備えることを特徴とする形状検証システム。
【請求項４】
請求項３に記載の形状検証システムにおいて、前記三次元座標系に従って前記実写像と前記二次元理想像との間で寸法誤差を測定する誤差測定回路をさらに備えることを特徴とする形状検証システム。
【請求項５】
請求項４に記載の形状検証システムにおいて、前記三次元座標系が構築する三次元空間で前記三次元像を移動させる画像操作回路と、三次元座標系に従って三次元像の移動量を算出する移動量算出回路とをさらに備えることを特徴とする形状検証システム。
【請求項６】
請求項５に記載の形状検証システムにおいて、前記三次元像上で前記二次元理想像の輪郭線を特定する輪郭抽出回路と、前記三次元像の表面に対して直交する法線方向に輪郭線の移動方向を設定する移動方向決定回路とをさらに備えることを特徴とする形状検証システム。
【請求項７】
請求項５に記載の形状検証システムにおいて、前記三次元像の稜線を抽出する輪郭抽出回路と、稜線に接する１表面に対して直交する法線方向に稜線の移動方向を設定するとともに、稜線に対する接線方向および法線方向に直交する外積方向に稜線の移動方向を設定する移動方向決定回路とをさらに備えることを特徴とする形状検証システム。
【請求項８】
水平面を規定する受け面上に設置されて、受け面に直交する１平面を規定する１対の第１突き当て、および、当該１平面および受け面に直交する平面を規定する第２突き当てに突き当てられる対象物の実写像を描き出す画像データを撮像装置から取得する工程と、対象物の三次元像を特定する形状データに基づき仮想空間で対象物の三次元像を再現し、この三次元像に対して前記受け面、第１突き当ておよび第２突き当ての位置を特定することで、対象物の実寸法を規定する三次元座標系を仮想空間で構築する工程と、三次元座標系に従って撮像装置に関する光学系主点の位置および光学系主軸の向き並びに焦点距離を特定する撮像装置情報に基づき、実写像が映し出される投影面を仮想空間内で特定する工程と、特定された投影面に前記三次元座標系を投影する工程とを備えることを特徴とする形状検証方法。
【請求項９】
請求項８に記載の形状検証方法において、前記形状データに基づき投影面に前記対象物の二次元理想像を描き出す工程をさらに備えることを特徴とする形状検証方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の形状検証方法において、前記実写像および二次元理想像を重ねて画面上に表示させる工程をさらに備えることを特徴とする形状検証方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の形状検証方法において、前記三次元座標系に従って前記実写像と前記二次元理想像との間で寸法誤差を測定する工程をさらに備えることを特徴とする形状検証方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の形状検証方法において、前記寸法誤差を測定するにあたって、前記三次元座標系が構築する三次元空間で前記三次元像を移動させる工程と、三次元座標系に従って三次元像の移動量を算出する工程とをさらに備えることを特徴とする形状検証方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の形状検証方法において、前記移動量を算出するにあたって、前記三次元像上で前記二次元理想像の輪郭線を特定する工程と、前記三次元像の表面に対して直交する法線方向に輪郭線の移動方向を設定する工程とをさらに備えることを特徴とする形状検証方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の形状検証方法において、前記移動量を算出するにあたって、前記三次元像の稜線を抽出する工程と、稜線に接する１表面に対して直交する法線方向に稜線の移動方向を設定する工程と、稜線に対する接線方向および法線方向に直交する外積方向に稜線の移動方向を設定する工程とをさらに備えることを特徴とする形状検証方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の形状検証システムにおいて、前記投影面は、前記光学系主点から前記焦点距離で離れ、前記光学系主点と前記対象物との間で前記光学系主軸に直交する座標平面を備えることを特徴とする形状検証システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の形状検証システムにおいて、前記投影面特定回路は、前記座標平面に規定される二次元座標系と前記三次元座標系との間で座標変換を実現する変換行列を特定することを特徴とする形状検証システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載の形状検証システムにおいて、前記三次元座標系で特定される三次元座標点（ｘ，ｙ，ｚ）は、
【数１】
0004481384.tif 000015
ただし、
【数２】
0004481384.tif 000016
に基づき、前記二次元座標系で特定される二次元座標点（ｘｉ，ｙｉ）に写像されることを特徴とする形状検証システム。
【請求項１８】
水平面を規定する受け面上に設置されて、受け面に直交する１平面を規定する１対の第１突き当て、および、当該１平面および受け面に直交する平面を規定する第２突き当てに突き当てられる対象物の実写像を描き出す画像データを撮像装置から取得する工程と、対象物の三次元像を特定する形状データに基づき仮想空間で対象物の三次元像を再現し、この三次元像に対して前記受け面、第１突き当ておよび第２突き当ての位置を特定することで、対象物の実寸法を規定する三次元座標系を仮想空間で構築する工程と、三次元座標系に従って撮像装置に関する光学系主点の位置および光学系主軸の向き並びに焦点距離を特定する撮像装置情報に基づき、実写像が映し出される投影面を仮想空間内で特定する工程と、対象物の三次元像を特定する形状データに基づき投影面に対象物の二次元理想像を描き出す工程とをコンピュータに実行させることを特徴とする記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の形状を検証する形状検証システムおよび形状検証方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、製造の分野では、加工品が設計通りに加工されたか否か、成型品が設計通りに成形されたか否かが検証される。この検証には、高い精度で加工品や成型品を象った検査具が広く用いられる。検査具に加工品や成型品がはめ込まれると、検査具で規定される理想形状に対して実際の加工品や成型品の誤差が一目で確認されることができる。そういった誤差は例えばノギスなどを用いて測定されることができる。
【０００３】
その一方で、そういった検証にあたって、三次元測定機を用いて加工品や成型品の実寸法を測定することが広く行われている。三次元測定機で測定された実寸法と、加工品や成型品の設計寸法を特定する形状データとが比較されると、加工品や成型品の寸法誤差が算出されることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の検査具は各加工品や成型品ごとに用意されなければならない。検査具の製作には多大な費用や手間がかかるだけでなく、製作された検査具を保管するにあたって多大なスペースが必要とされる。その一方で、前述した三次元測定機では、加工品や成型品の表面に沿って接触プローブを万遍なく移動させなければならない。接触プローブは加工品や成型品の表面に点接触することから、寸法測定にあたって加工品や成型品の全表面にわたって十分なサンプルデータを取得するには多大な時間が必要とされる。しかも、人手を用いて接触プローブを移動させれば測定結果にばらつきが生じてしまい、ロボットを用いて自動的に接触プローブを移動させればティーチング作業に多くの時間や労力が費やされてしまう。
【０００５】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、カメラで撮像される実写像に基づき画像処理を用いて簡単に製品の形状を検証することが可能な形状検証システムや形状検証方法を提供することを目的とする。また、本発明は、そういった形状検証システムや形状検証方法に有効な仮想カメラ画像形成システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１発明によれば、対象物の実写像を生成する撮像装置と、三次元座標系に従って撮像装置に関する光学系主点の位置および光学系主軸の向き並びに焦点距離を特定する撮像装置情報に基づき、実写像が映し出される投影面を特定する投影面特定回路と、特定された投影面に前記三次元座標系を投影する描画回路とを備えることを特徴とする形状検証システムが提供される。
【０００７】
かかる形状検証システムによれば、撮像装置情報を用いることによって仮想空間に実写像の投影面は再現されることができる。再現された投影面に対象物の実寸法を規定する三次元座標系が投影されることによって、対象物の実写像に基づき対象物の実寸法が測定されることができる。測定された実寸法が対象物の設計寸法に比較されれば、対象物の形状寸法精度は検証されることができる。各加工品や成型品ごとに検査具を用意する必要はなく、しかも、三次元測定機のように加工品や成型品の表面に沿って多数のサンプルデータを取得する必要もない。
【０００８】
描画回路は、前記対象物の三次元像を特定する形状データに基づき前記投影面に対象物の二次元理想像を描き出してもよい。形状データで復元される対象物の三次元像は三次元座標系に従って描かれる。したがって、投影面に描き出される二次元理想像はそういった三次元座標系すなわち対象物の実寸法を規定する物体座標系を反映する。言い換えれば、投影面に物体座標系の透視像が描き出されることに等しい。したがって、二次元理想像によれば、物体座標系に従って対象物の理想位置が特定されることができることとなる。形状データは、例えば周知の三次元ＣＡＤ／ＣＡＭシステムなどを用いて構築されればよい。
【０００９】
ここで、形状検証システムは、前記実写像および二次元理想像を重ねて画面上に表示させる表示回路を備えてもよい。こうした表示回路の働きによれば、対象物の形状誤差や寸法誤差の有無が一目で確認されることができる。
【００１０】
しかも、形状検証システムは、前記三次元座標系に従って前記実写像と前記二次元理想像との間で寸法誤差を測定する誤差測定回路をさらに備えてもよい。こうした誤差測定回路の働きによれば、前述のように形状誤差や寸法誤差の有無が確認されることができるだけでなく、そういった形状誤差や寸法誤差の大きさが確認されることができる。例えば、誤差測定回路は、投影面に描き出される三次元座標系に従って形状誤差や寸法誤差の大きさを実測してもよい。
【００１１】
寸法誤差を測定するにあたって、誤差測定回路は、前記三次元座標系が構築する三次元空間で前記三次元像を移動させる画像操作回路と、三次元座標系に従って三次元像の移動量を算出する移動量算出回路とを備えてもよい。三次元座標系に従った三次元像の移動は、投影面に描き出される二次元理想像の移動を引き起こす。したがって、例えば対象物の実写像と二次元理想像とが重ねて表示される際に、実写像と二次元理想像とが完全に一致するまで三次元像を移動させれば、その移動量は、対象物の実寸法を規定する三次元座標系に従って実写像と二次元理想像との寸法誤差を表現することとなる。
【００１２】
このように寸法誤差を算出するにあたって、形状検証システムは、前記三次元像上で前記二次元理想像の輪郭線を特定する輪郭抽出回路と、前記三次元像の表面に対して直交する法線方向に輪郭線の移動方向を設定する移動方向決定回路とをさらに備えてもよい。こうした構成によれば、実写像の投影面上で決められた法線方向に実写像と二次元理想像との寸法誤差を確実に測定することが可能となる。
【００１３】
その一方で、そういった寸法誤差を算出するにあたって、形状検証システムは、前記三次元像の稜線を抽出する輪郭抽出回路と、稜線に接する１表面に対して直交する法線方向に稜線の移動方向を設定するとともに、稜線に対する接線方向および法線方向に直交する外積方向に稜線の移動方向を設定する移動方向決定回路とをさらに備えてもよい。こうした構成によれば、前述と同様に、実写像の投影面上で決められた法線方向および外積方向に実写像と二次元理想像との寸法誤差を確実に測定することが可能となる。
【００１４】
こうした形状検証システムでは、デジタル画像によって前記実写像が提供されれば、投影面に規定される二次元座標系に基づき実写像の二次元座標値は簡単に特定されることができる。こうしたデジタル画像は例えばＣＣＤ（電荷結合素子）を用いたデジタルカメラによって生成されればよい。
【００１５】
また、第２発明によれば、対象物が取り込まれた三次元座標系に従ってカメラに関する光学系主点の位置および光学系主軸の向き並びに焦点距離を特定するカメラ情報に基づき、対象物の実写像が映し出される投影面を構築する投影面特定回路と、構築された投影面に前記三次元座標系を投影する描画回路とを備えることを特徴とする仮想カメラ画像形成システムが提供される。
【００１６】
かかる仮想カメラ画像形成システムによれば、カメラ情報を用いることによって仮想空間に実写像の投影面は再現されることができる。再現された投影面に三次元座標系が投影されると、形成された三次元座標系の二次元像によって投影面上で実寸法は規定される。その結果、実寸法を反映した仮想カメラ画像が形成されることができる。
【００１７】
描画回路は、前記対象物の三次元像を特定する形状データに基づき前記投影面に対象物の二次元理想像を描き出してもよい。形状データで復元される対象物の三次元像は三次元座標系に従って構築される。したがって、三次元座標系とともにその三次元座標系で構築された三次元像が投影面に投影されると、投影面には、カメラ情報で特定されるカメラによって撮像されると想定される対象物の二次元像が描き出されることができる。
【００１８】
こうした仮想カメラ画像形成システムでは、投影面は、前記光学系主点から前記焦点距離で離れ、前記光学系主点と前記対象物との間で前記光学系主軸に直交する座標平面を備えることが望ましい。一般のカメラでは、光学系主点を挟んで投影面すなわち結像面と対象物とが対峙する。その結果、投影面には対象物の倒立像が描き出される。したがって、光学系主点と対象物との間に投影面を規定することができれば、対象物の二次元像を倒立させることなく仮想カメラ画像を形成することが可能となる。
【００１９】
投影面を構築するにあたって、投影面特定回路は、前記座標平面に規定される二次元座標系と前記三次元座標系との間で座標変換を実現する変換行列を特定すればよい。こうした変換行列が特定されれば、三次元座標系に従って特定される三次元座標点は、投影面上の二次元座標系に従った二次元座標点に一義的に写像されることができる。前述のカメラ情報は、こうした変換行列によって一義的に表現されることが可能となる。
【００２０】
このとき、前記三次元座標系で特定される三次元座標点（ｘ，ｙ，ｚ）は、例えば、
【数３】
0004481384.tif 000002
ただし、
【数４】
0004481384.tif 000003
に基づき、前記二次元座標系で特定される二次元座標点（ｘi ，ｙi ）に写像されればよい。
【００２１】
第１および第２発明に係る形状検証システムが実現する形状検証方法は、例えばコンピュータによって処理されるソフトウェアプログラムに従って実現されてもよい。こういったソフトウェアプログラムは、例えばＦＤ（フロッピーディスク）といった磁気記録媒体、ＣＤ（コンパクトディスク）やＤＶＤ（デジタルビデオディスク）といった光学記録媒体、いわゆるＭＯといった光磁気記録媒体、その他の任意の記録媒体を通じてコンピュータに取り込まれればよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
【００２３】
図１は、対象物Ｗの形状精度を検証する形状検証システム１０の構成を概略的に示す。この形状検証システム１０は、対象物Ｗの実写像すなわち投影面に映し出される対象物Ｗの二次元像を取得するデジタルスチルカメラ１１を備える。このデジタルスチルカメラ１１は、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）を利用して、対象物Ｗの実写像を再現する画像データを出力する。この画像データによれば、任意の投影面に微細な間隔で設定される各画素ごとに画像情報が特定される。各画素の位置は、例えば投影面に設定される二次元座標系に従って特定されることができる。ただし、デジタルスチルカメラ１１のほか、撮像装置には、デジタルビデオカメラや、ＣＣＤ以外の画像取得手段を用いて各画素ごとに画像情報を特定する撮像装置が用いられてもよく、プリント写真に基づき画像データを生成するスキャナなどが用いられてもよい。
【００２４】
エンジニアリングワークステーション（ＥＷＳ）１２は、デジタルスチルカメラ１１で取得された実写像に基づき対象物Ｗの形状寸法誤差を測定する。この形状検証システム１０では、取得される実写像に基づいて対象物Ｗの輪郭や幾何学的稜線に関する形状寸法誤差が測定される。こうした形状検証システム１０は、例えば自動車の外板といった部品の形状精度や、そういった部品の加工や成形に用いられる金型の形状精度を検証する際に用いられることができるだけでなく、複数の部品で組み立てられたアセンブリや完成品の組立精度や形状精度を検証する際に用いられることができる。
【００２５】
形状検証システム１０には、対象物Ｗの三次元形状を測定する三次元測定機１３がさらに組み込まれてもよい。三次元測定機１３は、対象物Ｗと接触プローブ１４との接触を通じて、対象物Ｗの三次元像を再現するにあたって必要とされる三次元座標値を取得する。１つの三次元座標値を取得するにあたって、接触プローブ１４は、例えば任意の三次元座標系でｘ座標値およびｙ座標値を維持しながらｚ軸方向に移動する。接触までに測定されるｚ軸方向の移動量に基づきｚ座標値は特定される。ｘｙ平面に沿って微細な間隔で設定される多数の測定点ごとにｚ座標値は測定されていく。その結果、対象物Ｗの三次元像を再現するために十分な三次元座標点の集合体が得られる。接触プローブ１４の動きは例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１５によって制御される。こうした三次元測定機１３は、平面や曲面、凹凸面の歪みといったデジタルスチルカメラ１１による実写像に現れにくい形状の歪みを測定する際に役立つ。
【００２６】
図２に示されるように、検証にあたって対象物Ｗは検査台１６に設置される。検査台１６には、対象物Ｗを受け止める水平かつ平坦な受け面１７と、受け面１７から垂直に立ち上がる複数（例えば３つ）の突き当て１８ａ、１８ｂ、１８ｃとが設けられる。受け面１７は、物体座標系ｘｙｚに従ってｚ座標値の基準を規定する。すなわち、ｚ座標値は、受け面１７からの高さに基づき特定されることができる。２つの突き当て１８ａ、１８ｂは、受け面１７に直交する１平面を規定する。規定された１平面は、物体座標系ｘｙｚに従ってｙ座標値の基準に設定される。すなわち、ｙ座標値は、２つの突き当て１８ａ、１８ｂによって規定された１平面からの距離に基づき特定されることができる。さらに、残りの突き当て１８ｃは、他の２つの突き当て１８ａ、１８ｂによって規定された１平面と受け面１７とに直交する１平面を規定する。規定された１平面は、物体座標系ｘｙｚに従ってｘ座標値の基準に設定される。したがって、ｘ座標値は、突き当て１８ｃによって規定された１平面からの距離に基づき特定されることができる。
【００２７】
ここでは、物体座標系ｘｙｚのｘｙ平面は受け面１７に沿って規定される。加えて、２つの突き当て１８ａ、１８ｂは物体座標系ｘｙｚのｘｚ平面を規定し、他の突き当て１８ｃは物体座標系ｘｙｚのｙｚ平面を規定する。ただし、物体座標系ｘｙｚは、１または複数の座標軸に沿って平行移動してもよい。
【００２８】
図３に示されるように、ＥＷＳ１２は、三次元測定機１３で測定された三次元形状と、形状データに基づき復元される対象物Ｗの理想三次元像とを相互に比較する面情報解析回路２１を備える。この面情報解析回路２１によれば、例えば、三次元測定機１３で測定された三次元座標点の集合体に基づき対象物Ｗを表現するポリゴンが再構築され、再構築されたポリゴンに基づいて対象物Ｗの三次元像が描き出される。描き出された三次元像と理想三次元像とが相互に比較される結果、対象物Ｗの平面や曲面の歪みといった形状寸法誤差は導き出される。こうして導き出された形状寸法誤差は例えばディスプレイ２２の画面に表示されることができる。同時に、ディスプレイ２２の画面には、再構築されたポリゴンに基づき対象物Ｗの三次元像が表示されてもよく、そういった三次元像とともに理想三次元像（すなわち比較の結果）が表示されてもよい。
【００２９】
ここで、形状データは、例えばＬＡＮ（構内回線網）などによってＥＷＳ１２に接続された大容量記憶装置２３内に構築された製品データベースから取得される。製品データベースには、任意の三次元座標系に基づき各製品ごとに三次元像を規定する三次元設計データが格納される。各三次元設計データは、例えば周知の三次元ＣＡＤ／ＣＡＭシステムなどを用いて構築されることができる。ただし、形状データは、可搬性の記録媒体を用いてＥＷＳ１２に転送されてもよい。
【００３０】
さらにＥＷＳ１２には、デジタルスチルカメラ１１で取得された実写像と、形状データに基づき描かれる二次元理想像とを相互に比較する辺情報解析回路２４が設けられる。二次元理想像は例えば対象物Ｗの輪郭や幾何学的稜線によって描かれる。この辺情報解析回路２４は、実写像と二次元理想像との比較結果をディスプレイ２２の画面に表示させることができる。
【００３１】
辺情報解析回路２４は、例えば図４に示されるように、仮想空間に再現される対象物Ｗおよびデジタルスチルカメラ１１に基づき、デジタルスチルカメラ１１で撮像されると想定される仮想カメラ画像を形成する仮想カメラ画像形成回路２６を備える。表示回路２７は、仮想カメラ画像形成回路２６で形成された仮想カメラ画像と実写像とを重ねてディスプレイ２２の画面に表示させる。
【００３２】
仮想カメラ画像形成回路２６は、仮想空間に物体座標系ｘｙｚすなわち三次元座標系を再現する座標系構築回路２８を備える。物体座標系ｘｙｚを再現するにあたって、座標系構築回路２８は、大容量記憶装置２３から取り込まれる形状データに基づき仮想空間で対象物Ｗの三次元像を再現する。この三次元像に対して検査台１６の受け面１７および突き当て１８ａ、１８ｂ、１８ｃの位置が特定されると、仮想空間では、対象物Ｗの実寸法を規定する物体座標系ｘｙｚすなわち三次元座標系が構築される。
【００３３】
投影面特定回路２９は、物体座標系ｘｙｚが構築された仮想空間で、対象物Ｗの実写像が映し出される投影面を特定する。特定された投影面には、デジタルスチルカメラ１１の光学系主点から焦点距離で離れ、光学系主点と対象物Ｗとの間でデジタルスチルカメラ１１の光学系主軸に直交する座標平面が描かれる。こうした座標平面を描くにあたって、投影面特定回路２９は、三次元座標系に従ってデジタルスチルカメラ１１に関する光学系主点の位置および光学系主軸の向き並びに焦点距離を特定する撮像装置情報すなわちカメラ情報を取得する。このカメラ情報は、座標平面に規定される二次元座標系と、仮想空間で再現される三次元座標系との間で座標変換を実現する変換行列
【数５】
0004481384.tif 000004
によって表現される。変換行列Ｒは、例えば、
【数６】
0004481384.tif 000005
ただし、
【数７】
0004481384.tif 000006
に基づき導き出されることができる。こうした変換行列Ｒによれば、物体座標系ｘｙｚで特定される全ての三次元座標点（ｘ，ｙ，ｚ）は投影面上の二次元座標点（ｘi ，ｙi ）に写像されることができる。
【００３４】
描画回路３０は、形状データに基づき再現された対象物Ｗの三次元像を投影面に投影し、対象物Ｗの二次元理想像を形成する。二次元理想像の形成にあたって描画回路３０では、対象物Ｗの輪郭線や幾何学的稜線を規定する三次元座標点（ｘ，ｙ，ｚ）に変換行列Ｒが掛け合わされる。その結果、例えば仮想空間の物体座標系ｘｙｚで対象物Ｗの三次元像が移動すると、その移動に伴い投影面上で二次元理想像は移動することとなる。
【００３５】
描画回路３０には、仮想カメラ画像形成回路２６で構築された三次元座標系すなわち物体座標系ｘｙｚに従って実写像と二次元理想像との間で寸法誤差を測定する誤差測定回路３１が接続される。この誤差測定回路３１は、例えば、仮想空間に再現される三次元像上で二次元理想像の輪郭線を特定したり三次元像の幾何学的稜線を抽出したりする輪郭抽出回路３２を備える。この輪郭抽出回路３２によれば、例えばマウス３３といった入力装置を通じて操作者が入力する指令に従って任意の輪郭線や幾何学的稜線が選び出されることができる。
【００３６】
移動方向決定回路３４は、選び出された輪郭線や稜線の移動方向を決定する。こうした移動方向には、例えば三次元像の表面に対して直交する法線方向が選択されてもよく、後述するように、稜線に接する１表面に対して直交する法線方向や、稜線に対する接線方向および法線方向にともに直交する外積方向が選択されてもよい。
【００３７】
画像操作回路３５は、仮想空間に構築された物体座標系ｘｙｚすなわちスケール座標系に従って、決定された移動方向に対象物Ｗの三次元像を移動させることができる。この移動にあたって、画像操作回路３５は、決定された移動方向に基づき、例えばボリュームスイッチ３６の操作量に応じて物体座標系ｘｙｚに従ったｘ座標値、ｙ座標値およびｚ座標値の各増減値を特定する。例えば移動方向決定回路３４で前述の法線方向および外積方向が選択された場合には、法線方向および外積方向に個別に三次元像の移動を引き起こす２つのボリュームスイッチ３６が設けられればよい。
【００３８】
移動量算出回路３７は、三次元座標系すなわち物体座標系ｘｙｚに従って輪郭線や稜線の移動量を算出する。輪郭線や稜線の移動量は、例えば画像操作回路３５で特定されるｘ座標値、ｙ座標値およびｚ座標値の各増減値に基づき算出されることができる。ただし、こうした移動量は、ボリュームスイッチ３６の操作量に基づき算出されてもよい。この場合には、例えば０．５ｍｍや１μｍといった単位長さの移動量を引き起こすｘ座標値、ｙ座標値およびｚ座標値の各増減値すなわちボリュームスイッチ３６の操作量が明らかであればよい。ここでは、第１移動量算出回路３７ａによって、稜線に接する１表面に対して直交する法線方向に稜線の法線方向移動量は算出される。その一方で、第２移動量算出回路３７ｂによって、稜線に対する接線方向および法線方向にともに直交する外積方向に稜線の外積方向移動量は算出される。
【００３９】
次に本実施形態に係る形状検証システム１０の動作を詳述する。ここでは、辺情報解析回路２４の動作に着目し、面情報解析回路２１の動作に関する説明は省略される。面情報解析回路２１は周知の技術に基づき動作すればよい。
【００４０】
いま、例えば図２に示される対象物Ｗの形状を検証する場面を想定する。操作者は、対象物Ｗを特定する形状データを大容量記憶装置２３の製品データベースからＥＷＳ１２に取り込ませる。形状データが取り込まれると、座標系構築回路２８は、ＥＷＳ１２に認識される仮想空間に対象物Ｗの三次元像を再現する。こうした三次元像は例えばディスプレイ２２の画面に表示される。
【００４１】
同時に、座標系構築回路２８は、物体座標系ｘｙｚのｘｙ平面を規定する受け面１７の三次元像や、ｘｚ平面を規定する突き当て１８ａ、１８ｂの三次元像、ｙｚ平面を規定する突き当て１８ｃの三次元像を再現する。操作者は、例えば図５に示されるように、再現された対象物Ｗの三次元像に対して受け面１７の位置を特定したり、図６に示されるように、突き当て１８ａ、１８ｂ、１８ｃの位置を特定する。こうして受け面１７や突き当て１８ａ、１８ｂ、１８ｃの位置が特定されると、検査台１６に設定された物体座標系ｘｙｚがＥＷＳ１２内の仮想空間に再現される。対象物Ｗの三次元像は、ｘｙ平面、ｙｚ平面およびｘｚ平面を基準に物体座標系ｘｙｚ内で位置決めされることとなる。
【００４２】
続いて操作者は、デジタルスチルカメラ１１で生成された画像データをＥＷＳ１２に取り込ませる。画像データによれば、実写像の投影面に設定される二次元座標系に従って各画素の二次元座標値（ｘi ，ｙi ）が特定される。各画素の画像情報（例えば色情報）が識別される結果、対象物Ｗの輪郭および幾何学的稜線を規定する二次元座標点（ｘi ，ｙi ）の集合が特定される。
【００４３】
以上のようにＥＷＳ１２に形状データおよび画像データが取り込まれると、描画回路３０は、投影面特定回路２９で特定された変換行列Ｒを用いて、仮想空間に再現される対象物Ｗの三次元像を投影面に写像する。すなわち、三次元像の輪郭や幾何学的稜線を規定する各三次元座標点（ｘ，ｙ，ｚ）に変換行列Ｒが掛け合わされる。その結果、投影面には、例えば図７に示されるように、二次元座標点（ｘi ，ｙi ）の集合によって対象物Ｗの二次元理想像４１が描き出される。変換行列Ｒは仮想空間の全ての三次元座標点（ｘ，ｙ，ｚ）を投影面に写像させることができることから、描き出された二次元理想像４１は、対象物Ｗの実寸法を規定する物体座標系ｘｙｚを反映する。言い換えれば、投影面には、例えば図７に示されるように、物体座標系ｘｙｚの透視像が描き出される。したがって、二次元理想像４１によれば、物体座標系ｘｙｚに従って対象物Ｗの理想位置が特定されることができる。
【００４４】
表示回路２７は、画像データに基づき投影面上に対象物Ｗの実写像を再現し、再現された実写像に対象物Ｗの二次元理想像を重ね合わせる。その結果、投影面に描き出された物体座標系ｘｙｚの透視像に対象物Ｗの実写像は取り込まれる。投影面では、物体座標系ｘｙｚに従って実写像の実位置が特定されることができることとなる。
【００４５】
こうして単一の投影面に描き出された対象物Ｗの実写像と二次元理想像とがディスプレイ２２の画面に表示されると、対象物Ｗの寸法誤差の有無は一目で確認されることができる。二次元理想像と、実写像で特定される幾何学的稜線とが互いに一致すれば対象物Ｗの寸法誤差は存在しないこととなる。その一方で、二次元理想像と、実写像で特定される幾何学的稜線との間に生じる「ずれ」は物体座標系ｘｙｚに従って対象物Ｗの寸法誤差を表現することとなる。ただし、ここでは、後述する誤差測定回路３１の働きに応じて、ディスプレイ２２の画面には必ずしも物体座標系ｘｙｚの透視像は表示される必要はない。
【００４６】
この形状検証システム１０によれば、操作者は、二次元理想像と実写像との間に観察される「ずれ」の大きさすなわち寸法誤差を測定することができる。この測定にあたって、操作者は、まず、マウス３３を操作して二次元理想像の輪郭線や幾何学的稜線といった特徴を指定する。例えば図８に示されるように、操作者は、マウス３３の移動を通じてディスプレイ２２の画面上でマウスポインタ４２を移動させ、マウス３３のクリック操作を通じてマウスポインタ４２が指し示す輪郭線や幾何学的稜線４３を指定する。輪郭抽出回路３２は、仮想空間に再現された対象物Ｗの三次元像上で、クリック時のマウスポインタ４２が指し示す輪郭線や幾何学的稜線４３を特定する。
【００４７】
図８に示されるように、例えば幾何学的稜線４３が指定されると、移動方向決定回路３４は、仮想空間に再現された三次元像上で、指定された幾何学的稜線４３に接する１表面に対して直交する法線方向４４と、その幾何学的稜線４３に対する接線方向４５および法線方向４４にともに直交する外積方向４６とを特定する。こうして法線方向４４および外積方向４６が特定されると、画像操作回路３５は、ボリュームスイッチ３６の操作量と、物体座標系ｘｙｚに従ったｘ座標値、ｙ座標値およびｚ座標値の各増減値とを対応づける。この場合には、一方のボリュームスイッチ３６に対して法線方向移動時のｘ座標値、ｙ座標値およびｚ座標値の各増減値が設定され、他方のボリュームスイッチ３６に対して外積方向移動時のｘ座標値、ｙ座標値およびｚ座標値の各増減値が設定される。
【００４８】
例えば一方のボリュームスイッチ３６が操作されると、仮想空間に再現された三次元像では、各三次元座標点（ｘ，ｙ，ｚ）に決められたｘ座標値、ｙ座標値およびｚ座標値の各増減値が加えられる。その結果、仮想空間では、三次元像は決められた法線方向に移動することとなる。この移動は、投影面に描かれた二次元理想像４７の移動に反映される。したがって、ディスプレイ２２の画面では、実写像４８に対して二次元理想像４７が相対的に移動する。同様に、他方のボリュームスイッチ３６が操作されると、仮想空間で三次元像は決められた外積方向に移動し、その結果、ディスプレイ２２の画面では実写像４８に対して二次元理想像４７は相対的に移動することとなる。
【００４９】
ボリュームスイッチ３６の操作や三次元像の移動に応じて、移動量算出回路３７では、物体座標系ｘｙｚに従って三次元像の移動量が算出される。この場合には、例えば第１移動量算出回路３７ａで法線方向移動量は算出され、第２移動量算出回路３７ｂで外積方向移動量は算出される。算出された移動量は例えばディスプレイ２２の画面上に表示される。
【００５０】
このとき、操作者は、ディスプレイ２２の画面を観察しながら２つのボリュームスイッチ３６を操作し、二次元理想像４７で特定される幾何学的稜線４３と、実写像４８で対応する幾何学的稜線４９とを互いに重ね合わせる。実写像４８の稜線４９と二次元理想像４７の稜線４３とが一致した時点で算出される法線方向移動量や外積方向移動量は、形状データに基づき再現される対象物Ｗの三次元像と、撮像された実際の対象物Ｗの三次元像との法線方向寸法誤差や外積方向寸法誤差に相当する。したがって、操作者は、実写像４８と二次元理想像４７とが一致した時点でディスプレイ２２の画面に表示される法線方向移動量や外積方向移動量を読み取ればよい。こうして、物体座標系ｘｙｚに従って対象物Ｗの実位置と理想位置との間で寸法誤差は測定される。
【００５１】
ここで、仮想カメラ画像形成回路２６の原理を簡単に説明する。いま、例えば図９に示されるように、対象物Ｗおよびピンホールカメラ５１を取り込んだ三次元座標系ＸＹＺを想定する。この三次元座標系ＸＹＺでは、ｚ軸とピンホールカメラ５１の光学系主軸とは一致する。ピンホール５２の前方には、ピンホール５２から焦点距離ｆで離れた仮想結像面５３が設定される。この仮想結像面５３には対象物Ｗの二次元像が描かれる。現実のピンホールカメラ５１では、ピンホール５２の背後でピンホール５２から焦点距離ｆで離れた実結像面５４に対象物Ｗの倒立像が結像される。ただし、仮想結像面５３に描かれる二次元像と倒立像とは一致する。
【００５２】
こうして設定された三次元座標系ＸＹＺに従えば、対象物Ｗと二次元像との間、すなわち、対象物Ｗ上で特定される三次元座標点（ｘ，ｙ，ｚ）と、仮想結像面５３で想定される対応二次元座標点（ｘi ，ｙi ，ｚi ）との間には、
【数８】
0004481384.tif 000007
といった関係が成立する。ｚi ＝０に設定すると、
【数９】
0004481384.tif 000008
に基づき、
【数１０】
0004481384.tif 000009
が得られる。こうした非線形変換は次式のような線形変換に置き換えられることができる。
【００５３】
【数１１】
0004481384.tif 000010
ただし、
【数１２】
0004481384.tif 000011
図１０に示されるように、現実には、対象物Ｗおよびピンホールカメラ５１はともに物体座標系ｘｙｚに存在する。したがって、仮想結像面５３すなわち投影面に規定される二次元座標系ｘi ｙi と物体座標系ｘｙｚとは、回転および平行移動を含めた変換によって関連付けられることができる。こうした変換が加えられると、
【数１３】
0004481384.tif 000012
が得られる。すなわち、
【数１４】
0004481384.tif 000013
【数１５】
0004481384.tif 000014
が導き出される。その結果、３ｘ４のＣ行列には、ピンホールカメラ５１の主点５５の位置や、光学系主軸５６の向き、焦点距離ｆを始めとする全ての情報が含まれることとなる。したがって、３ｘ４のＣ行列が特定されれば、物体座標系ｘｙｚで特定される全ての三次元座標点（ｘ，ｙ，ｚ）は、実写像の投影面に規定される二次元座標系ｘi ｙi に従って二次元座標点（ｘi ，ｙi ）に写像されることができる。
【００５４】
以上のような形状検証システム１０の動作は、ＥＷＳ１２のＣＰＵ（中央演算処理装置）によって処理されるソフトウェアプログラムに従って実現されればよい。こういったソフトウェアプログラムは、図１１に示されるように、例えばＦＤ（フロッピーディスク）といった磁気記録媒体６１、ＣＤ（コンパクトディスク）やＤＶＤ（デジタルビデオディスク）といった光学記録媒体６２、その他の任意の記録媒体を通じてＥＷＳ１２に取り込まれればよい。
【００５５】
なお、本実施形態では、以上のように三次元物体の対象物に対して形状精度の検証が実現されることができるだけでなく、二次元の対象物に対して形状精度の検証が実現されてもよい。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、製品ごとに用意される検査具や、多数の測定点で三次元座標値を拾う三次元測定機を用いずに簡単に製品の形状を検証することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る形状検証システムの全体構成を概略的に示す模式図である。
【図２】  検査台を概略的に示す斜視図である。
【図３】  形状検証システムの全体構成を機能的に示すブロック図である。
【図４】  辺情報解析回路の構成を概略的に示すブロック図である。
【図５】  仮想空間で三次元像に対して位置決めされた受け面を表示するディスプレイの画面を示す図である。
【図６】  仮想空間で三次元像に対して位置決めされた突き当てを表示するディスプレイの画面を示す図である。
【図７】  投影面に投影された物体座標系の透視像を示す図である。
【図８】  実写像と二次元理想像とが重ねて表示されるディスプレイの画面を示す図である。
【図９】  仮想カメラ画像形成回路の原理を概略的に示す模式図である。
【図１０】  物体座標系ｘｙｚと投影面上の二次元座標系ｘi ｙi との関係を示す模式図である。
【図１１】  他の具体例に係る形状検証システムの全体構成を概略的に示す模式図である。
【符号の説明】
１０  形状検証システム、１１  撮像装置としてのデジタルスチルカメラ、１２  コンピュータとしてのエンジニアリングワークステーション（ＥＷＳ）、２６  仮想カメラ画像形成システムとして機能する仮想カメラ画像形成回路、２７表示回路、２９  投影面特定回路、３０  描画回路、３１  誤差測定回路、３２  輪郭抽出回路、３５  画像操作回路、３７  移動量算出回路、３７ａ  第１移動量算出回路、３７ｂ  第２移動量算出回路、４１  二次元理想像、４３  三次元像の稜線、４４  法線方向、４５  接線方向、４６  外積方向、４７  二次元理想像、４８  実写像、５５  光学系主点、５６  光学系の主軸、６１  記録媒体としての磁気記録媒体、６２  記録媒体としての光学記録媒体、Ｗ  対象物。
【図１】
0004481384.tif 000017
【図２】
0004481384.tif 000018
【図３】
0004481384.tif 000019
【図４】
0004481384.tif 000020
【図５】
0004481384.tif 000021
【図６】
0004481384.tif 000022
【図７】
0004481384.tif 000023
【図８】
0004481384.tif 000024
【図９】
0004481384.tif 000025
【図１０】
0004481384.tif 000026
【図１１】
0004481384.tif 000027