画像​の​解析、​処理

概要

イメージ​ン​グ​システム​の​機能​の​1​つ​は、​言う​まで​も​なく​画像​を​収録​する​こと​です。​システム​の​設定​を​行い​画像​を​集録​したら、​その​画像​に対して​解析/​処理​を​施す​こと​で、​検査​の​対象​と​なる​オブジェクト​に関する​貴重​な​情報​を​抽出​する​こと​が​でき​ます。

内容

画像​解析

画像​解析​では、​ピクセル​(画素)​の​グレー​レベル​の​強度​を​ベース​として​計算​した​統計​値​と​測定​値​を​組み合わせ​て​使用​し​ます。​この​画像​解析​の​機能​を​使用​する​こと​で、​画像​処理​を​利用​し​て​実施​する​検査​に対して​十分​な​画質​を​得​ら​れ​て​いるか​どうか​を​判断​する​こと​が​でき​ます。​また、​画像​を​解析​する​こと​によって、​その​内容​を​理解​した​り、​アプリケーション​において​使用​する​検査​ツール​を​決定​した​り​する​こと​も​可能​です。​画像​解析​の​機能​により、​対象​と​なる​オブジェクト​の​有無​の​確認​といった​基本​的​な​検査​の​ため​の​測定​値​を​得る​こと​も​でき​ます。

画像​解析​に​一般​的​に​用​い​られる​ツール​として​は、​ヒストグラム、​ライン​プロファイル、​強度​の​測定​など​が​あり​ます。

ヒストグラム

ヒストグラム​は、​グレー​スケール​の​各​レベル​に​ある​ピクセル​の​総数​を​カウント​し、​その​結果​を​グラフ​として​表示​する​という​もの​です。​ヒストグラム​を​使用​する​こと​により、​画像​の​全体​的​な​強度​が​検査​に​向け​て​適切​な​もの​で​ある​か​どうか​を​判断​する​こと​が​でき​ます。​また、​ヒストグラムを見れば、​特定​の​グレー​レベル​の​値​を​持つ​こと​から、​ほか​と​区別​が​可能​な​領域​が​画像​に​含​まれ​て​いるか​どうか​が​わか​り​ます。​さらには、​ヒストグラムのデータに基づき、​より​高​品位​な​画像​を​集録​できる​よう​集録​の​条件​を​調整​する​こと​も​可能​です。

ヒストグラム​に​注目​する​こと​によって、​以下​に​示す​重要​な​状態​を​把握​する​こと​が​でき​ます。

  • 露光​不足/​飽和
    ​イメージング​環境​の​光量​が​少​な​すぎる​と、​イメージ​ン​グ​セン​サ​の​露光​不足​が​発生​し​ます。​一方、​光量​が​多​すぎる​と、​イメージ​ン​グ​セン​サ​の​飽和​(露光​過多)​が​生​じ​ます。​露光​不足​または​飽和​が​生​じ​て​いる​条件下​で​集録​さ​れ​た​画像​に​は、​オブジェクト​の​検査​に​必要​な​情報​の​うち​一部​が​含​まれ​てい​ない​可能性​が​あり​ます。​イメージ​ン​グ​システム​の​設定​を​行う​際​に​は、​そうした​イメージング​の​条件​を​明確​にし、​適切​な​補正​を​行う​こと​が​重要​です。

    ​センサ​が​露光​不足/​飽和​を​起​こ​し​て​いるか​否​か​は、​ヒストグラム​を​見る​こと​で​判断​でき​ます。​図​1a​に​示す​よう​に、​露光​不足​の​画像​に​は​グレー​レベル​の​値​が​小さい​ピクセル​が​多数​含​まれ​ます。​この​状態​では、​図​1b​に​示す​よう​に、​ヒストグラム​の​最小​値​側​に​ピーク​が​現れ​ます。​一方、​飽和​状態​(露光​過多)​の​画像​に​は、​図​2a​の​よう​に、​グレー​レベル​の​値​が​非常​に​大きい​ピクセル​が​多数​含​まれ​ます。​この​状態​では、​図​2b​に​示す​よう​に、​ヒストグラム​の​最大​値​側​に​ピーク​が​現れ​ます。




​図​1. 露光​不足​の​場合​の​画像​と​ヒストグラム



​図​2. 露光​過多​(飽和)​の​場合​の​画像​と​ヒストグラム

  • コントラスト​の​不足
    ​広​く​使用​さ​れ​て​いる​イメージ​ン​グ​アプリケーション​では、​画像​内​に​含​ま​れる​オブジェクト​の​検査​と​測定​(カウント)​が​行​われ​ます。​オブジェクト​と​背景​の​分離​に​は、​両者​の​強度​の​違い​を​利用​する​方法​が​使​われ​ます。​例えば、​明るい​粒子​を​それ​より​も​暗い​背景​から​分離​する​といった​具合​です。​図​3b​の​よう​に​ヒストグラム​解析​を​行う​こと​で、​図​3a​に​は、​はっきりと​区別​が​可能​な、​強度​の​異なる​複数​の​集合​が​存在​する​こと​が​わか​り​ます。​実際​の​アプリケーション​では、​集録​した​画像​の​ヒストグラム​が、​必要​な​コンス​トラスト​が​得​ら​れ​て​いる​場合​の​状態​に​なる​まで、​イメージ​ン​グ​システム​の​設定​を​調整​し​ます。



​図​3. グレー​スケール​の​画像​と​ヒストグラム

ライン​プロファイル

ライン​プロファイル​と​は、​1​つ​の​ライン​(線)​上の​強度​の​変化​を​グラフ​で​表​した​もの​です。​具体​的​に​は、​ある​ライン​上​に​存在​する​ピクセル​の​グレー​スケール​の​値​を​算出​し、​グラフ​として​描画​し​ます。​ライン​プロファイル​は、​コンポーネント​間​の​境界​を​調べ​たり、​強度​の​変化​の​大​き​さ​を​定量​化​した​り、​繰り返し​パターン​の​存在​を​検出​した​り​する​の​に​役​立ち​ます。

ライン​プロファイル​の​山​と​谷​は、​選択​さ​れ​た​ライン​上の​光​強度​の​高低​を​表​し​ます。​その​幅​と​高​さ​は、​それに​対応​する​領域​の​サイズ​と​強度​に​比例​し​ます。​強度​が​均一​の​明るい​オブジェクト​は、​ライン​プロファイル​では​平坦​域​として​表れ​ます​(図​4)。​オブジェクト​と​その​周囲​(背景)​の​コントラスト​が​高い​ほど、​平坦​域​に​至る​まで​の​傾き​は​急峻​に​なり​ます。​なお、​画像​に​ノイズ​が​多い​場合​に​は、​幅​の​狭い​山​が​複数​連​な​って​現れ​ます。

図​4. 画像​内​の​ライン​と、​それに​対応​する​ライン​プロファイル

強度​の​測定

強度​の​測定​を​行う​こと​により、​画像​全体​または​画像​内​の​ある​領域​における​グレー​スケール​の​統計​的​数値​を​得る​こと​が​でき​ます。​例えば、​強度​の​測定​によって​画像​内​の​領域​における​平均​値​を​算出​する​こと​で、​部品​または​部品​内​の​欠陥​の​有無​を​判断​する​こと​が​可能​に​なり​ます。​強度​の​測定​では、​一般​的​に​は​以下​の​よう​な​測定​値​を​扱い​ます。

  • 強度​の​最小値
  • 強度​の​最大値
  • 強度​の​平均値
  • 強度​の​値​の​標準偏差

画像​処理

画像​解析​によって​収集​した​情報​を​活用​し​て、​より​良い​検査​を​行う​ため​に​画質​を​改善​した​いと​考える​ケース​も​ある​で​しょう。​実際、​ノイズ​を​除去​し、​関心​の​ある​特徴​を​強調​し​て、​対象とするオブジェクトと背景の分離を強化すれば、​画像​を​改善​する​こと​が​可能​です。​画像​の​改善​に​使用​できる​ツール​として​は、​ルック​アップ​テーブル、​空間​フィルタ、​グレースケールモルフォロジー、​周波数​領域​の​処理​が​あり​ます。

ルック​アップ​テーブル

ルック​アップ​テーブル​(LUT)​を​使用​する​手法​は、​元​の​画像​の​グレー​スケール​の​値​を​ほか​の​値​に​変換​する​という​もの​に​なり​ます。​この​LUT​変換​により、​コントラスト​の​低い​領域​の​ダイナミック​な​強度​を​変更​する​こと​によって、​画像​の​コントラスト​と​輝度​を​改善​する​こと​が​でき​ます。​なお、​通常​は、​LUT​変換​を​適用​すると、​重要​な​情報​を​含む​領域​の​細部​が​強調​さ​れる​代わり​に、​ほか​の​領域​の​情報​が​失​われ​ます。

空間​フィルタ

空間​フィルタ​を​使​え​ば、​ノイズ​の​除去​と、​画像​の​平滑​化/​尖鋭​化/​変換​によって​画質​を​改善​する​こと​が​でき​ます。​IMAQ Vision​に​は、​画像​を​平滑​化​する​ため​の​ガウスフィルタ、​画像​の​細部​を​強調​する​ため​の​ラプラシアン​フィルタ、​ノイズ​を​除去​する​ため​の​メディア​ン​フィルタ/​N​次​フィルタ、​エッジ​検出​の​ため​の​プ​レ​ウ​ィ​ッ​ト​フィルタ/​ロ​バーツ​フィルタ/​ソー​ベル​フィルタ​など、​定義​済み​の​フィルタ​が​数多く​用意​さ​れ​てい​ます。​フィルタ​の​係数​として​独自​の​値​を​指定​する​こと​により、​カスタム​の​フィルタ​を​定義​する​こと​も​可能​です。

グレースケールモルフォロジー

モルフォロジー​変換​は、​画像​内​の​粒子​(パーティクル)​構造​を​抽出​し、​それに​変更​を​加える​という​もの​です。​グレースケールモルフォロジーの機能を使用すれば、​以下​の​よう​な​処理​を​行う​こと​が​でき​ます。

  • ピクセル​の​強度​に対する​フィルタ​リング/​平滑化
  • 暗い​領域​を​縮小​する​代わり​に​明るい​領域​を​拡大​する​処理、​または​その​逆​の​処理​による​領域​の​形状​変更
  • 暗い​背景​の​中​の​明るい​ピクセル​など、​孤立​した​特徴​の​除去​または​強調
  • 徐々に​変化​する​パターン​の​平滑​化​と、​境界​部分​の​コントラスト​の​増強


​実際​の​アプリケーション​では、​ノイズ​に対する​フィルタ​リング、​不​均一​な​背景​の​補正、​グレー​レベル​で​の​特徴​の​抽出​など​が​行​われ​ます。​ブロブ​解析​に​向け​て​画像​を​2​値​化​する​前​に、​グレー​スケール​モル​フ​ォ​ロ​ジ​ー​変換​を​使用​し​て​不明瞭​な​特徴​を​強調​し​て​おく​こと​も​可能​です。

​グレー​スケール​モル​フ​ォ​ロ​ジ​ー​変換​では、​対象​と​する​ピクセル​を​その​周囲​の​ピクセル​と​比較​し​ます。​近傍​の​数​と​値​に​基​づ​い​て​各​ピクセル​を​処理​する​こと​により、​粒子​の​形状​に​変更​を​加​え​ます。​ここ​で​言う​近傍​と​は、​一部​の​画像​処理​機能​において、​その​値​が​近く​の​ピクセル​の​値​に​影響​を​及ぼす​ピクセル​の​こと​を​指し​ます。​モルフォロジー​変換​では、​構造​要素​と​呼ばれる​2​次元​の​バイナリ​マスク​を​使用​し、​サイズ​と​各​ピクセル​に対する​近傍​の​影響​について​定義​し​ます。​加​えて、​粒子​の​形状​と​境界​に対する​バイナリ​モル​フ​ォ​ロ​ジ​ー​機能​の​作用​を​制御​し​ます。

周波数​領域​の​処理

​画像​処理​の​多く​は、​空間​領域​で​行​われ​ます。​しかし、​画像​に対する​通常​の​解析​や​処理​の​前​に、​周波数​領域​で​画像​を​処理​する​こと​で​不要​な​周波数​情報​を​排除​し​て​おき​たい​ケース​も​あり​ます。​画像​の​データ​を​周波数​領域​の​データ​に​変換​する​に​は、​FFT(高速​フーリエ​変換)​を​使用​し​ます。

​画像​に​は、​周期​的​な​縞​模様​など、​元​の​画像​と​は​無関係​の​ノイズ​が​デジタル​処理​の​過程​に​混入​し​て​しまう​こと​が​あり​ます。​周波数​領域​では、​そうした​周期​的​な​パターン​は、​限​ら​れ​た​高​空間​周波数​として​低減​さ​れ​ます。​また、​イメージ​ン​グ​システム​の​設定​に​依存​し​て、​視野​に​不​均一​な​光​が​生成​さ​れる​こと​が​あり​ます。​この​こと​が​原因​で、​解析​の​対象​と​なる​画像​内​の​情報​の​上​に​光​の​ドリフト​が​重​な​って​しまう​ケース​が​あり​ます。​そうした​光​の​ドリフト​は、​周波数​領域​では、​画像​の​平均​強度​周辺​の​限定​さ​れ​た​低​周波数​成分​(DC​成分)​として​現れ​ます。​周波数​領域​を​対象​と​する​アルゴリズム​を​使用​する​こと​で、​そうした​不要​な​周波数​成分​を​画像​から​分離​し​て​除去​する​こと​が​でき​ます。​特定​の​周波数​成分​を​フィルタ​リング​した​FFT​画像​を​空間​領域​に​変換​し​直す​と、​全体​的​な​特徴​を​残​した​まま​の​状態​で、​ノイズ​が​除去​さ​れ​た​新しい​画像​を​得る​こと​が​でき​ます。

ブロブ​解析

ブロブ​(Blob:Binary Large Object)​と​は、​同じ​論理​状態​の​ピクセル​が​隣接​し​て​いる​領域​の​こと​です。​1​つ​の​ブロブ​に​含​ま​れる​すべて​の​ピクセル​は​前景​となり​ます。​それ​以外​の​ピクセル​は​すべて​背景​です。​2​値​画像​の​場合、​背景​の​ピクセル​の​値​は​「0」​です。​値​が​「0」​では​ない​すべて​の​ピクセル​は​バイナリ​オブジェクト​の​一部​となり​ます。

ブロブ解析を使用すれば、​画像​内​の​ブロブ​を​検出​し、​それら​に対して​選択​的​に​測定​を​適用​する​こと​が​でき​ます。

ブロブ​解析​は、​画像​内​の​任意​の​2​次元​形状​に関する​情報​を​生成​する​一連​の​演算​処理​と​解析​処理​で​構成​さ​れ​ます。

ブロブ​解析​は、​一定​の​条件​を​満たす​空間​特性​を​備え​た​ブロブ​を​検出​した​い​場合​に​使用​し​ます。​計算​処理​に​多く​の​時間​を​費​や​さ​な​け​れ​ば​なら​ない​アプリケーション​では​ブロブ​解析​が​有効​に​機能​し​ます。​ブロブ​解析​を​適用​する​こと​で、​その​空間​特性​と​は​無関係​だ​と​判断​さ​れる​ブロブ​を​排除​し、​その後​の​解析​に​関連​する​ブロブ​のみ​を​残す​こと​が​できる​から​です。

ブロブ​解析​を​使用​する​こと​により、​ブロブ​の​サイズ​や、​ブロブ​の​領域​の​数、​位置、​有無​といった​統計​情報​を​得る​こと​も​でき​ます。​それらの​情報​を​利用​する​こと​で、​シリコン​ウェー​ハ​上の​欠陥​の​検出​や、​プリント​基板​上の​はんだ​付け​不良​の​検出​など、​マシン​ビジョン​による​多く​の​検査​を​実施​でき​ます。​また、​木板​上の​構造​欠陥​や​プラスチック​シート​の​亀裂​の​検出​といった​検査​を​ウェブベース​の​アプリケーション​として​実現​する​こと​も​可能​です。​あるいは、​モーション​制御​アプリケーション​において、​部品​の​形状​や​向き​に​かなり​の​ばらつき​が​ある​場合​に、​オブジェクト​の​位置​を​特定​する​ため​の​手段​として​利用​する​こと​も​でき​ます。

オブジェクト​の​形状​や​向き​に​かなり​の​ばらつき​が​ある​アプリケーション​では、​ブロブ​解析​が​オブジェクト​を​検索​する​ため​の​強力​で​柔軟​な​手段​となり​ます。​ブロブ​解析​によって​得​ら​れ​た​測定​値​を​組み合わせる​こと​により、​オブジェクト​の​形状​を​一意的​に​表す​特徴​の​集合​を​定義​する​こと​が​でき​ます。

2​値化

2​値​化​では、​グレー​スケール/​カラー​の​画像​において、​対象​と​する​オブジェクト​を​背景​から​分離​する​ため​に​使用​する​ピクセル​の​値​の​範囲​を​選択​する​こと​が​でき​ます。​2​値​化​を​行う​と、​元​の​画像​は、​値​が​「0」​または​「1」​の​ピクセル​で​構成​さ​れる​バイナリ​画像​に​変換​さ​れ​ます。​この​処理​は、​値​が​特定​の​範囲​内​(しき​い​値​区間)​に​ある​すべて​の​ピクセル​の​値​を​「1」​に​設定​し、​それ​以外​の​すべて​の​ピクセル​の​値​を​「0」​に​設定​する​こと​で​行​われ​ます。​図​5a​に​元​の​グレー​スケール​の​画像、​図​5b​に​それ​を​2​値​化​した​画像​を​示し​ま​した。

図​5. 画像​の​2​値化

バイナリモルフォロジー

バイナリ​モル​フ​ォ​ロ​ジ​ー​演算​は、​バイナリ​画像​内​の​粒子​構造​を​抽出​し​て​変更​を​施す​という​もの​です。​検査​アプリケーション​において、​粒子​の​面積、​外周、​向き​など​の​測定​を​行う​前​に​この​演算​を​適用​する​こと​によって、​バイナリ​画像​内​の​情報​を​改善​する​こと​が​でき​ます。​また、​領域​の​幾何​学​形状​を​観測​し、​モデル​化​や​認識​に​用いる​最も​シンプル​な​形状​を​抽出​する​ため​に、​この​演算​を​使用​する​こと​も​可能​です。

2​値​化​で​得​られる​バイナリ​画像​に​は、​ノイズ​の​粒子、​画像​の​境界​に​接触​する​粒子、​互いに​接触​する​粒子、​境界​が​不規則​な​粒子​といった​不要​な​情報​が​含​まれ​て​いる​こと​が​あり​ます。​一方、​モルフォロジー​の​処理​では、​粒子​の​形状​に​作用​する​こと​によって、​そうした​不要​な​情報​を​排除​し​ます。​そのため、​バイナリ​画像​内​の​情報​を​改善​する​こと​が​できる​という​こと​です。

基本​的​な​バイナリモルフォロジー

基本​的​な​モルフォロジー​演算​を​バイナリ​画像​に​適用​した​場合​に​は、​各​ピクセル​に対して​その​近傍​に​基​づ​い​た​処理​が​行​われ​ます。​各​ピクセル​に​は、​近傍​の​情報​と​適用​する​演算​に​応​じ​て​「1」​または​「0」​の​値​が​設定​さ​れ​ます。​これらの​演算​により、​画像​内​の​粒子​の​全体​的​な​サイズ​と​形状​は​必ず​変化​し​ます。

基本​的​な​モルフォロジー​演算​を​使用​する​こと​で、​粒子​の​拡大/​縮小、​オブジェクト​の​境界​の​平滑​化、​粒子​の​外側/​内側​の​境界​の​検出、​特定​の​ピクセル​構成​の​検出​が​行​え​ます。

高度​な​バイナリモルフォロジー

高度​な​モルフォロジー​演算​は、​基本​的​な​モルフォロジー​演算​を​拡張​した​もの​で​あり、​画像​内​の​ピクセル​では​なく​粒子​に対して​適用​さ​れ​ます。​バイナリ​画像​内​の​粒子​に対し、​特定​の​演算​を​実行​する​よう​に​構築​さ​れ​てい​ます。

高度なモルフォロジー演算を使用すれば、​粒子​内​の​穴埋め、​画像​の​境界​に​接触​する​粒子​の​除去、​不要​な​大小​の​粒子​の​除去、​接触​し​て​いる​粒子​の​分離、​粒子​の​凸​包​の​検出​など​を​実施​でき​ます。

粒子​の​測定

バイナリ​画像​を​作成​し​て​改善​を​施​したら、​最多​で​50​の​粒子​の​測定​を​行う​こと​が​でき​ます。​その​測定​結果​を​基​にし​て、​ブロブ​の​位置​と​その​形状​の​特徴​を​把握​する​こと​が​可能​です。​そのように​し​て​得​た​特徴​から、​1​つ​または​多数​の​測定​値​に​基​づ​い​て、​粒子​を​分類​した​り​フィルタ​リング​した​り​する​こと​が​でき​ます。​例えば、​「面積がxピクセル​より​も​小さい​粒子​を​除去​する」​といった​具合​です。

マシン​ビジョン

マシン​ビジョン​による​最も​一般​的​な​検査​は、​画像​内​で​部品​の​有無​を​検出​し、​部品​の​寸法​を​測定​し​て、​仕様​を​満​た​し​て​いるか​否​か​を​判定​する​という​もの​です。​その​際​に​は、​画像​内​の​オブジェクト​が​備える​固有​の​特徴​に​基​づ​い​て​測定​が​行​われ​ます。​一般​的​な​画像​処理​の​アルゴリズム​では、​画像​に​含​ま​れる​情報​を、​エッジ、​表面、​テクスチャ、​パターン​に​分類​し​ます。​マシン​ビジョン​で​使​われる​さまざま​な​アルゴリズム​では、​1​種​以上​の​情報​を​活用​し​て​オブジェクト​を​抽出​する​という​こと​が​行​われ​ます。

エッジ​検出

エッジ​検出、​あるいは​エッジ​検出​から​派生​した​レーキ、​同心​レーキ、​スポーク​といった​手法​を​使​え​ば、​高い​精度​で​オブジェクト​の​エッジ​を​特定​する​こと​が​でき​ます。​ここ​で​言う​エッジ​と​は、​画像​内​で​隣接​する​ピクセル​間​の​グレー​スケール​の​値​が​大​きく​変化​する​個所​の​こと​です。​エッジ​の​位置​を​基準​に​する​こと​で、​部品​の​幅​など​の​測定​を​行う​こと​が​でき​ます。​複数のエッジ位置を基準にすれば、​交点、​プロジェクション、​円/​楕円​フィット​といった​測定​値​を​算出​する​こと​も​可能​です。

エッジ​検出​は、​多く​の​マシン​ビジョン​アプリケーション​で​役に立つ​処理​です。​エッジ​を​検出​する​こと​によって、​オブジェクト​の​境界​の​位置​や、​不連続​性​の​有無​に関する​情報​を​得る​こと​が​できる​から​です。​エッジ​検出​は、​ゲージング、​検出、​アライメント​という​3​つ​の​用途​で​使用​さ​れ​ます。​以下、​それぞれ​について​説明​し​ます。

ゲージング

ゲージング​は、​長​さ、​距離、​直径、​角度、​数量​といった​重要​な​寸法​を​測定​し、​検査​の​対象​と​なる​製品​が​正しく​製造​さ​れ​て​いるか​否​か​を​判断​する​ため​に​実施​さ​れ​ます。​各​パラメータ​の​測定​値​が、​ユーザ​が​定義​した​許容​範囲​内​に​ある​か​どうか​によって、​コンポーネント​や​部品​の​合否/​分類​が​決まり​ます。

図​6​に​示し​た​の​は、​ゲージング​を​実施​する​アプリケーション​の​例​です。​エッジ​検出​を​利用​し​て、​スパーク​プラグ​の​電極​間​の​距離​を​測定​し​てい​ます。

図​6. エッジ​検出​を​利用​し​て、​スパーク​プラグ​の​電極​間​の​距離​を​測定​し​て​いる​様子

検出

ここ​で​言う​検出​と​は、​ライン​プロファイル​と​エッジ​検出​を​利用​し​て​部品​の​有無​を​判断​する​処理​の​こと​です。​ライン​プロファイル​上の​エッジ​は、​前景‐​背景​間​の​コントラスト​の​レベル​と​変化​の​傾き​によって​定義​さ​れ​ます。​これを利用すれば、​ライン​プロファイル​上の​エッジ​の​数​を​カウント​し、​予測​さ​れる​エッジ​の​数​と​の​比較​を​行う​こと​が​でき​ます。​この​手法​は、​画像​の​補正​や​パターンマッチング​といった​ほか​の​画像​処理​手法​と​は​異​なり​膨大​な​数値​演算​を​必要​と​しま​せん。

図​7​に、​簡単​な​検出​アプリケーション​の​例​を​示し​ます。​これ​は、​ライン​プロファイル​上​で​検出​さ​れ​た​エッジ​の​数​により、​コネ​クタ​が​正しく​組み立て​ら​れ​て​いるか​どうか​を​判定​する​という​もの​です。​図​7a​の​よう​に​8​個のエッジが検出されれば、​4​本の配線が存在すると判断され、​コネ​クタ​は​検査​に​合格​し​ます。​一方、​図​7b​の​よう​に、​エッジ​の​数​が​8​個​以外​で​ある​場合​に​は、​コネ​クタ​は​正しく​組み立て​ら​れ​てい​ない​と​判定​さ​れ​ます。

図​7. エッジ​検出​による​部品​の​良否​判定

エッジ​検出​を​使用​する​こと​で、​亀裂​など​の​構造​的​な​欠陥​や、​部品​上の​傷​といった​外観​上の​欠陥​を​検出​する​こと​も​でき​ます。​部品​の​強度​が​均一​で​ある​場合、​それらの​欠陥​は、​強度​の​プロファイル​において​急激​な​変化​として​現れ​ます。​エッジ​検出​によって、​この​よう​な​変化​を​特定​する​こと​が​可能​です。

アライメント

アライメント​は、​部品​の​位置​と​向き​を​特定​する​処理​です。​マシン​ビジョン​の​アプリケーション​では、​検査​の​対象​と​なる​オブジェクト​が​画像​内​の​異なる​位置​に​存在​する​ケース​が​よく​あり​ます。​検査​の​前​に、​エッジ​検出​によって​画像​内​の​オブジェクト​の​位置​を​把握​し​て​お​け​ば、​特定​の​領域​のみ​を​検査​する​こと​が​可能​に​なり​ます。​部品​の​位置​と​向き​の​情報​は、​ステージ​など​の​位置決め​用​デバイス​に対する​フィードバック​情報​として​も​使用​でき​ます。

図​8​は、​実際​に​エッジ​検出​を​行​って​いる​例​です。​フロッピーディスク​の​左側​の​エッジ​を​検出​し、​その​エッジ​位置​から​ディスク​の​向き​を​判断​し​てい​ます。​この向きの情報を利用すれば、​検査​の​対象​と​する​領域​を​正しく​設定​する​こと​が​でき​ます。

図​8. エッジ​検出​により、​検査​の​対象​と​する​領域​の​位置決め​を​行​って​いる。

パターンマッチング

パターンマッチング​では、​既定​の​テンプレート​に​一致​する​グレー​スケール​の​画像​領域​を​検出​し​ます。​照明が暗かったり、​不鮮明​な​部分​や​ノイズ​が​存在​した​り、​テンプレート​が​シフト/​回転​し​てい​たり​する​場合​でも、​テンプレート​に​一致​する​部分​が​検出​さ​れ​ます。

パターンマッチングを使用すれば、​画像​内​の​既知​の​基準​パターン​(基準​マーク)​を​素​早く​検出​する​こと​が​でき​ます。​パターンマッチング​を​利用​する​際​に​は、​まず、​検索​の​対象​と​なる​オブジェクト​を​表す​モデル​(または​テンプレート)​を​作成​し​ます。​続​い​て、​マシン​ビジョン​の​アプリケーション​により、​集録​した​各​画像​内​で​その​モデル​に​マッチ​する​パターン​を​検索​し、​それぞれ​の​スコア​を​計算​し​ます。​得​ら​れ​た​スコア​は、​検出​さ​れ​た​パターン​が​どの​程度​モデル​と​一致​し​て​いる​の​か​を​表​し​ます。

パターンマッチング​の​アルゴリズム​は​さまざま​な​アプリケーション​で​使用​さ​れ​て​おり、​画像​処理​における​最も​重要​な​機能​の​1​つ​だ​と​言​え​ます。​パターンマッチング​は、​アライメント、​ゲージング、​検査​という​一般​的​な​用途​で​使用​さ​れ​ます。​以下、​それぞれ​について​説明​し​ます。

アライメント

アライメント​では、​まず​基準​マーク​の​検出​を​行い​ます。​そこ​を​基準​点​として、​既知​の​オブジェクト​の​位置​と​向き​を​特定​し​ます。

ゲージング

ゲージング​では、​まず​パターンマッチング​を​使用​し​て、​対象​と​なる​オブジェクト​の​位置​を​特定​し​ます。​続​い​て、​長​さ、​直径、​角度​など​の​重要​な​寸法​を​測定​し​ます。​測定​値​が​許容​範囲​外​に​ある​場合、​その​部品​は​不合格​で​ある​と​判定​さ​れ​ます。

検査

パターンマッチング​を​使用​し​て、​部品​の​欠損​や​判読​不能​な​印字​といった​単純​な​欠陥​を​検出​し​ます。

寸法​の​測定

IMAQ Vision​の​寸法​測定​ツール​(ゲージ​ン​グ​ツール)​を​使用​する​こと​により、​重要​かつ​定量​化​が​可能​な​距離​の​測定​値​を​得る​こと​が​でき​ます。​一般​的​な​測定​値​として​は、​2​点​間​の​距離、​3​点​または​4​点​で​表​さ​れる​2​つ​の​直線​が​成す​角度、​最良​の​ライン/​円/​楕円​フィット、​検出​さ​れ​た​複数​の​点​に​フィット​する​円/​楕円/​ポリゴン​といった​幾何​学​形状​の​面積​など​が​あり​ます。

カラー​検査

色を利用すれば、​コントラスト​を​改善​した​り、​オブジェクト​を​背景​から​より​うまく​分離​した​り​する​こと​が​でき​ます。​そうすれば、​モノクロ​の​視覚​的​検査​が​抱える​問題​の​簡素​化​を​図る​こと​が​可能​に​なり​ます。​カラー​検査​では、​カラー​マッチング、​カラー​位置​検出、​カラー​パターンマッチング​の​3​つ​の​処理​が​使​われ​ます。

カラー​マッチング

カラー​マッチング​では、​まず​画像​上の​ある​領域​内​に​どの​色​が​どれ​だけ​含​まれ​て​いる​の​か​という​こと​を​定量​的​に​把握​し​ます。​そのうえで、​別​の​画像​に​同じ​色​が​同じ​比率​で​含​まれ​て​いるか​否​か​という​確認​を​行い​ます。

このように、​カラー​マッチング​では、​画像​または​画像​内​の​ある​領域​の​色​成分​を​調べ​て​得​た​情報​と、​基準​に​なる​色​の​情報​と​の​比較​を​行い​ます。​実際​の​処理​として​は、​まず、​画像​を​作成​する​か、​または​基準​として​使用​する​色​情報​を​含む​画像​内​の​領域​を​選択​し​ます。​画像​内​に​は​1​つ​以上​の​色​が​存在​し、​それ​が​色​情報​に​反映​さ​れ​ます。​次に、​マシン​ビジョン​の​ソフトウェア​によって、​その​画像​の​3​次元​の​色​情報​を​読み込み​ます。​ソフトウェア​は、​その​情報​を​基​に​1​次元​の​カラー​スペクトル​を​生成​し​ます。​マシン​ビジョン​の​アプリケーション​は、​こうして​得​ら​れ​た​カラー​スペクトル​と、​検査​の​対象​と​なる​画像​全体​または​画像​内​の​領域​の​色​情報​と​を​比較​し​て、​各​領域​の​スコア​を​計算​し​ます。​ここ​で​言う​スコア​は、​領域​の​色​情報​が、​カラー​スペクトル​で​表​さ​れ​た​情報​と​どの​程度​一致​し​て​いるか​を​表​し​ます。

カラー​マッチング​は、​カラー​識別​や​カラー​検査​など、​色​情報​の​比較​に​基​づ​い​て​判断​を​行う​必要​の​ある​アプリケーション​において​有用​な​手法​です。

図​9​に、​タイル​の​識別​アプリケーション​の​例​を​示し​ます。​図​9a​が、​識別​の​対象​と​なる​タイル​です。​一方、​図​9b​に​示し​た​の​は、​何​種類​か​の​基準​タイル​です。​カラー​マッチング​によって​図​9a​の​タイル​と​の​比較​を​行う​と、​それぞれ​の​基準​タイル​の​スコア​が​どの​よう​に​なる​の​か​を​示し​てい​ます。

図​9. カラー​マッチング​による​タイル​の​識別

カラー​位置​検出

カラー位置検出を使用すれば、​画像​内​の​既知​の​色​領域​を​素​早く​検出​する​こと​が​でき​ます。​カラー​位置​検出​を​利用​する​際​に​は、​まず、​検索​の​対象​と​なる​色​を​表す​モデル​(または​テンプレート)​を​作成​し​ます。​続​い​て、​マシン​ビジョン​の​アプリケーション​により、​集録​した​各​画像​内​で​その​モデル​に​マッチ​する​領域​を​検索​し、​それぞれ​の​スコア​を​計算​し​ます。​得​ら​れ​た​スコア​は、​検出​さ​れ​た​領域​の​色​情報​が​どの​程度​モデル​の​色​情報​と​一致​し​て​いる​の​か​を​表​し​ます。

カラー​位置​検出​の​アルゴリズム​を​使​え​ば、​特定​の​色​を​含む​画像​内​の​領域​を​素​早く​検出​する​こと​が​でき​ます。​カラー​位置​検出​は、​次​の​よう​な​性質​を​持つ​アプリケーション​で​使用​さ​れ​ます。

  • それぞれに​特定​の​色​情報​を​持つ、​画像​内​の​領域​の​位置​と​数​の​情報​を​必要​と​する
  • 領域​内​の​色​配置​では​なく、​領域​内​の​累積​的​な​色​情報​に​依存​する
  • 領域​の​向き​は​問​わ​ない
  • サブ​ピクセル​の​精度​で​位置​を​特定​する​必要​は​ない


​IMAQ Vision​の​カラー​位置​検出​ツール​は、​特徴​の​理想​的​な​表現​で​ある​モデル​と​画像​内​に​存在​する​特徴​と​の​類似​性​を​測定​し​ます。​カラー​位置​検出​における​特徴​と​は、​「特定​の​色​を​含む​画像​内​の​領域」​と​定義​する​こと​が​でき​ます。

​カラー​位置​検出​は、​検査、​識別、​仕分け​の​アプリケーション​で​使用​さ​れ​ます。

​図​10​に、​飴​玉​の​仕分け​を​行う​アプリケーション​の​例​を​示し​ま​した。​この​例​では、​画像​内​の​さまざま​な​飴​玉​に​対応​する​カラー​テンプレート​を​使用​し​て、​カラー​位置​検出​を​行い​ます。​これ​により、​それぞれ​の​色​の​飴​玉​の​位置​を​素​早く​検出​する​こと​が​でき​ます。

図​10. カラー​位置​検出​を​利用​した​飴​玉​の​仕分け

カラー​パターンマッチング

カラーパターンマッチングを使用すれば、​カラー​画像​内​の​既知​の​基準​パターン​(基準​マーク)​を​素​早く​検出​する​こと​が​でき​ます。​カラー​パターンマッチング​を​利用​する​際​に​は、​まず、​検索​の​対象​と​なる​オブジェクト​を​表す​モデル​(または​テンプレート)​を​作成​し​ます。​続​い​て​マシン​ビジョン​の​アプリケーション​により、​集録​した​各​画像​内​で​その​モデル​に​マッチ​する​カラー​パターン​を​検索​し、​それぞれ​の​スコア​を​計算​し​ます。​得​ら​れ​た​スコア​は、​検出​さ​れ​た​カラー​パターン​が​どの​程度​モデル​と​一致​し​て​いる​の​か​を​表​し​ます。​カラー​パターンマッチング​は、​パターン​内​の​色​情報​と​空間​情報​で​完全​に​表現​できる​基準​パターン​の​検出​に​使用​し​ます。

カラー​パターンマッチング​は、​次​の​よう​な​ケース​で​使用​し​ます。

  • 画像​内​の​オブジェクト​の​位置​を​極めて​正確​に​特定​した​い​ケース。​検出​した​い​オブジェクト​の​色​情報​は​背景​と​は​大​きく​異なる:
    ​この​よう​な​条件​に​該当​する​アプリケーション​では、​カラー​位置​検出​より​も​カラー​パターンマッチング​の​ほうが​より​正確​な​結果​が​得​られる​手段​となり​ます。​カラー​パターンマッチング​では、​検索​時に​形状​情報​を​利用​する​から​です。

    ​図​11​に、​カラー​位置​検出​と​カラー​パターンマッチング​の​違い​を​示し​ます。​図​11a​は、​検査​の​対象​と​なる​画像​内​で、​アルゴリズム​を​使用​し​て​検索​する​抵抗​の​テンプレート​画像​です。​図​11b​に​示し​た​カラー​位置​検出​によって​も​この​抵抗​は​検出​でき​てい​ます。​ただし、​マッチング​は​あまり​正確​では​ありま​せん。​色​情報​のみ​で​マッチング​を​行​って​いる​から​です。​一方、​カラー​パターンマッチング​では、​まず​カラー​マッチング​によって​オブジェクト​の​位置​を​検出​し、​続​い​て​パターンマッチング​によって​位置​の​精度​を​高め​ます。​そのため、​図​11c​に​示す​よう​に、​より​正確​な​結果​を​得る​こと​が​でき​ます。




​図​11. カラー​パターンマッチング​を​使用​した​ほうが、​抵抗​の​正確​な​位置​を​特定​できる。

  • 検出​した​い​オブジェクト​の​グレー​スケール​特性​が​非常​に​特徴​づ​け​し​にくい​ケース、​あるいは​検索​の​対象​と​なる​画像​内​の​ほか​の​オブジェクト​の​特性​と​非常​に​似​て​いる​ケース:
    ​これらの​ケース​では、​グレー​スケール​の​パターンマッチング​では​正確​な​結果​が​得​ら​れ​ない​可能性​が​あり​ます。​ただ、​対象​と​する​オブジェクト​が、​画像​内​の​ほか​の​オブジェクト​と​の​区別​に​使用​できる​何らかの​色​情報​を​含​んで​いる​の​ならば、​カラー​パターンマッチング​が​有効​な​手段​となり​ます。​その​色​を​利用​する​こと​で、​オブジェクト​の​位置​を​検出​する​ため​の​追加​の​情報​を​マシン​ビジョン​の​ソフトウェア​に​与える​こと​が​できる​から​です。

    ​図​12​に、​ヒューズ​ボックス​上の​色分け​さ​れ​た​ヒューズ​を​検出​する​例​を​示し​ま​した。​この​例​から、​色​情報​を​利用​する​こと​の​メリット​が​見​て​取​れ​ます。​図​12a​は、​ヒューズ​ボックス​の​グレー​スケール​画像​です。​グレー​スケール​の​パターンマッチング​を​実行​する​ツール​では、​この​画像​上​で​20 A​と​25 A​の​ヒューズ​を​明確​に​区別​する​こと​は​困難​です。​両者​の​グレー​スケール​強度​の​値​が​近い​ことに​加​え、​ヒューズ​が​半透明​で​ある​ため​です。​一方、​図​12b​では、​色​によって​2​つ​の​ヒューズ​を​区別​する​こと​が​でき​ます。​検索​の​手段​として​色​という​要素​を​追加​する​こと​で、​パターンマッチング​ツール​の​精度​と​信頼​性​が​向上​し​ます。



​図​12. カラー​パターンマッチング​を​使​え​ば​オブジェクト​を​正確​に​識別​できる。

カラー​パターンマッチング​は、​多く​の​アプリケーション​において​重要​な​役割​を​果​た​し​ます。​この​手法​を​使​え​ば、​テンプレート​に​対応​する、​画像​内​の​インスタンス​の​数​や​位置​に関する​情報​を​得る​こと​が​でき​ます。​カラー​パターンマッチング​は、​ゲージング、​検査、​アライメント​という​3​つ​の​一般​的​な​用途​で​使用​さ​れ​ます。