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JP7757181B2 - Method for calibrating an X-ray measurement device - Google Patents
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JP7757181B2 - Method for calibrating an X-ray measurement device - Google Patents

Method for calibrating an X-ray measurement device

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JP7757181B2 JP2021211114A JP2021211114A JP7757181B2 JP 7757181 B2 JP7757181 B2 JP 7757181B2 JP 2021211114 A JP2021211114 A JP 2021211114A JP 2021211114 A JP2021211114 A JP 2021211114A JP 7757181 B2 JP7757181 B2 JP 7757181B2
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Description

本発明は、X線計測装置の校正方法に係り、特に、X線計測装置の校正治具の事前の高精度三次元測定が不要なX線計測装置の校正方法に関する。 The present invention relates to a method for calibrating an X-ray measurement device, and in particular to a method for calibrating an X-ray measurement device that does not require prior high-precision three-dimensional measurement of the calibration jig of the X-ray measurement device.

従来、X線計測装置(計測用X線CT装置)は、X線を用いて被測定物を三次元形状計測することができ、外観からでは確認困難な鋳物部品の鬆、溶接部品の溶接不良、および電子回路部品の回路パターンの欠陥など、主に観察・検査に用いられてきた。しかし、近年、3Dプリンタの普及も手伝い、加工品内部の3D寸法計測とその高精度化の需要が増大しつつある。このような需要に対して、X線計測装置にさらなる寸法計測の高精度化が望まれている。 Traditionally, X-ray measurement systems (measuring X-ray CT systems) are capable of measuring the three-dimensional shape of an object using X-rays, and have been used primarily for observation and inspection of defects that are difficult to detect from the outside, such as voids in cast parts, poor welding in welded parts, and defects in the circuit patterns of electronic circuit components. However, in recent years, aided by the spread of 3D printers, there has been an increasing demand for 3D dimensional measurement of the interior of processed products and for high-precision measurement. To meet this demand, there is a demand for X-ray measurement systems with even higher dimensional measurement accuracy.

このX線計測装置の再構成には、回転テーブル位置や線源-X線検出器間距離などの情報が必要である。従って、X線計測装置における寸法計測をより高精度に実施するためには、特許文献1に記載されているように、測定開始前に装置固有の各種校正を行うことが重要となっている。 Reconstructing this X-ray measurement device requires information such as the position of the rotary table and the distance between the radiation source and the X-ray detector. Therefore, in order to perform dimensional measurements with an X-ray measurement device with higher accuracy, it is important to perform various device-specific calibrations before starting measurements, as described in Patent Document 1.

そのための校正処理では、校正治具要素の三次元位置が既知であることを前提としている。 The calibration process for this purpose assumes that the three-dimensional positions of the calibration jig elements are known.

特開2000-298105号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-298105

しかしながら、校正治具の経年変化による変形には対応できず、また、幾何要素測定が容易な配置である必要があるという制約があった。 However, this method was unable to accommodate deformation of the calibration jig due to aging, and was also constrained by the need for a layout that made it easy to measure geometric elements.

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、X線計測装置の校正治具の事前の高精度三次元測定が不要なX線計測装置の校正方法を提供することを課題とする。 The present invention was made to solve the above-mentioned problems of the conventional art, and aims to provide a method for calibrating an X-ray measurement device that does not require prior high-precision three-dimensional measurement of the calibration jig of the X-ray measurement device.

本願の請求項1に係る発明は、X線を用いて被測定物を三次元形状計測するX線計測装置の校正方法であって、前記X線計測装置は、前記X線を発生させるX線源と、前記被測定物を回転可能に載置する回転テーブルと、該被測定物を透過した該X線を検出するX線画像検出器と、を備え、該X線画像検出器への投影像によって特定可能な形状の複数の基準物体を有し、M(M≧4)以上の位置に移動して配置可能な校正治具を、前記回転テーブルに載置する載置工程と、前記X線を該校正治具に照射し該X線画像検出器の出力から、M個の位置にある該基準物体それぞれの投影像の特徴点の位置を特定する特徴位置算出工程と、M個の位置にある該基準物体それぞれの投影像の特徴点の位置と相対位置間隔から、該基準物体の前記X線画像検出器の検出面への射影変換を行うための、カメラパラメータを含む変換行列を算出する変換行列算出工程と、前記投影像の特徴点の位置と前記相対位置間隔の差が小さくなるように前記カメラパラメータを最適化するパラメータ最適化工程と、前記最適化したカメラパラメータを用いて算出した特徴点の相対位置を用いて、前記回転テーブルを所定角度αで回転させてQ(Q≧3)以上の回転位置で回転中心位置を算出する中心位置算出工程と、を含むことにより、前記課題を解決したものである。 The invention according to claim 1 of the present application is a method for calibrating an X-ray measurement apparatus that measures the three-dimensional shape of an object to be measured using X-rays, the X-ray measurement apparatus comprising an X-ray source that generates the X-rays, a rotary table on which the object to be measured is rotatably placed, and an X-ray image detector that detects the X-rays that have passed through the object to be measured, and a plurality of reference objects having shapes that can be identified by images projected onto the X - ray image detector, the calibration jig being movable and positionable at positions M or more (M≧4); a feature position calculation step of irradiating the calibration jig with X-rays and specifying positions of feature points of each of the projection images of the reference object at M positions from the output of the X-ray image detector; a transformation matrix calculation step of calculating a transformation matrix including camera parameters for performing projective transformation of the reference object onto the detection surface of the X-ray image detector from the positions and relative position intervals of the feature points of each of the projection images of the reference object at M positions; a parameter optimization step of optimizing the camera parameters so as to reduce differences between the positions of the feature points of the projection images and the relative position intervals ; and a center position calculation step of rotating the turntable by a predetermined angle α using the relative positions of the feature points calculated using the optimized camera parameters to calculate a rotation center position at Q (Q≧3) or more rotation positions .

本願の請求項2に係る発明は、前記パラメータ最適化工程が、まず、前記カメラパラメータに適当な初期値を設定して各基準物体の相対位置O(i)を求める第1の工程と、前記各基準物体の位置座標X(j)と特徴点座標Im(i,j)の対応から、次式
Im’(i,j)≒ P × {X(j)+O(i)} ・・・(1)
を満たす射影行列Pを求める第2の工程と、求めた射影行列Pを用いて計算した特徴点座標Im’(i,j)を求め、実際の特徴点座標Im(i,j)との差が小さくなるように前記カメラパラメータを最適化する第3の工程と、を含むようにしたものである。
The invention according to claim 2 of the present application is characterized in that the parameter optimization step includes a first step of setting appropriate initial values to the camera parameters and determining the relative position O(i) of each reference object, and calculating the relative position O(i) of each reference object from the correspondence between the position coordinate X(j) of each reference object and the feature point coordinate Im(i, j) using the following equation: Im'(i, j) ≈ P × {X(j) + O(i)} (1)
and a third step of calculating feature point coordinates Im'(i, j) using the calculated projection matrix P and optimizing the camera parameters so that the difference between the calculated feature point coordinates Im'(i, j) and the actual feature point coordinates Im(i, j) becomes small.

本願の請求項3に係る発明は、前記第3の工程に続く第4の工程で、前記第3の工程で最適化した前記カメラパラメータを用いて前記第2の工程の射影行列Pを再度計算し、再び前記第3の工程の最適化を行う処理を前記特徴点座標の差が小さくなるまで繰り返すようにしたものである。 The invention according to claim 3 of the present application comprises a fourth step following the third step, in which the projection matrix P of the second step is recalculated using the camera parameters optimized in the third step, and the optimization process of the third step is repeated again until the difference in the feature point coordinates becomes small.

本願の請求項4に係る発明は、前記第3の工程で前記カメラパラメータが収束した後に前記第2の工程の射影行列Pを再度計算して最適化を繰り返すようにしたものである。 The invention of claim 4 of the present application is such that, after the camera parameters have converged in the third step, the projection matrix P of the second step is recalculated and optimization is repeated.

本願の請求項5に係る発明は、前記第3の工程で前記第2の工程の射影行列Pをカメラパラメータと回転行列と並進行列に分解して、最適化処理の中で射影行列Pも併せて最適化するようにしたものである。 The invention of claim 5 of the present application is such that in the third step, the projection matrix P from the second step is decomposed into camera parameters, a rotation matrix, and a translation matrix, and the projection matrix P is also optimized during the optimization process.

本願の請求項6に係る発明は、前記校正治具において前記基準物体の全てが1つの平面上にのみ載置されている場合には、前記変換行列を射影変換行列とし、該基準物体が三次元的に載置されている場合には、N=6とし且つ該変換行列を射影行列とするようにしたものである。 The invention of claim 6 of the present application is such that when all of the reference objects are placed on only one plane in the calibration jig, the transformation matrix is a projection transformation matrix, and when the reference objects are placed three-dimensionally, N=6 and the transformation matrix is a projection matrix.

本願の請求項7に係る発明は、前記中心位置算出工程で、更に、前記回転テーブルの回転軸を算出するようにしたものである。 The invention according to claim 7 of the present application further comprises calculating the rotation axis of the rotary table in the center position calculation step.

本願の請求項8に係る発明は、前記基準物体を、球とするようにしたものである。 The invention according to claim 8 of this application is such that the reference object is a sphere.

本願の請求項9に係る発明は、前記基準物体の投影像の特徴点の位置を、該投影像の重心位置とするようにしたものである。 The invention according to claim 9 of the present application is such that the position of the feature point of the projected image of the reference object is set to the center of gravity of the projected image.

本発明によれば、X線計測装置の校正治具の事前の高精度三次元測定が不要となる。 This invention eliminates the need for prior high-precision three-dimensional measurement of the calibration jig for the X-ray measurement device.

本発明の実施形態に係るX線計測装置の基本的な構成を示す概略側面図FIG. 1 is a schematic side view showing a basic configuration of an X-ray measurement apparatus according to an embodiment of the present invention. 図1のX線計測装置を主要部のみを示す概略上面図FIG. 2 is a schematic top view showing only the main parts of the X-ray measurement device of FIG. 図1の校正治具を示す図(正面図(A)、上面図(B))2A and 2B are diagrams showing the calibration jig of FIG. 1 (front view (A) and top view (B)); 本発明の実施形態に係るX線計測装置の校正手順を示すフロー図FIG. 1 is a flowchart showing a calibration procedure of an X-ray measurement apparatus according to an embodiment of the present invention. 図4におけるカメラパラメータの最適化処理の一例の詳細フロー図A detailed flow diagram of an example of the camera parameter optimization process in FIG. 図4におけるカメラパラメータの最適化処理の他の例の詳細フロー図A detailed flow diagram of another example of the camera parameter optimization process in FIG. 図4における校正済みの校正治具を用いたX線計測装置の校正手順の一例を示すフロー図FIG. 5 is a flow chart showing an example of a procedure for calibrating the X-ray measurement device using the calibrated calibration jig in FIG. 図7における球の絶対位置を算出する処理の詳細フロー図A detailed flowchart of the process of calculating the absolute position of the sphere in FIG. 図8におけるX線源の絶対位置の算出をした後に、X線源とX線画像検出器との距離と、X線源からのX線画像検出器への垂線の足の位置とを算出するフロー図9 is a flowchart for calculating the distance between the X-ray source and the X-ray image detector and the position of the foot of the perpendicular line from the X-ray source to the X-ray image detector after calculating the absolute position of the X-ray source in FIG. 球の絶対位置とX線源の絶対位置との関係の例を示す図FIG. 1 is a diagram showing an example of the relationship between the absolute position of the sphere and the absolute position of the X-ray source.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the contents of the following embodiments and examples. Furthermore, the constituent elements of the embodiments and examples described below include those that would be easily imagined by a person skilled in the art, those that are substantially the same, and those that are within the so-called equivalent range. Furthermore, the constituent elements disclosed in the embodiments and examples described below may be combined as appropriate, or may be selected and used as appropriate.

図1に本発明の実施形態を示す。なお、図1では、紙面に対して左右方向をz軸方向、紙面に対して上下方向をy軸方向とし、紙面に対して垂直な方向をx軸方向として説明する。 Figure 1 shows an embodiment of the present invention. In Figure 1, the left-right direction relative to the paper surface is the z-axis direction, the up-down direction relative to the paper surface is the y-axis direction, and the direction perpendicular to the paper surface is the x-axis direction.

X線計測装置100は、X線を用いて被測定物を三次元形状計測する装置であり、図1に示す如く、本体部108、ホストコンピュータ128およびモーションコントローラ130を備えている。 The X-ray measurement device 100 is a device that uses X-rays to measure the three-dimensional shape of an object, and as shown in Figure 1, it comprises a main body 108, a host computer 128, and a motion controller 130.

なお、図1、図2では校正治具102が被測定物の代わりに回転テーブル120上に載置されている。校正治具102は、図3(A)、(B)に示す如く、X線118の透過可能な材質(例えばアルミニウム等)でできており、板状部材104上に直径Dの球(基準物体)106を既知の相対位置間隔Pu、Pvで複数(例えば4個×3個でN=12個)備えている(即ち、球106は既知の相対位置間隔Pu、Pvで12箇所に配置されている)。つまり、校正治具102において球106の全てが1つの平面上にのみ載置されている。同時に、12個の球106、言い換えれば、12箇所にある球106の相対位置X(1~12)は既知であるともいえる(X(1~12)とX1~X12とは同じことをいう、以下同様の表記をする)。なお、球106は、形状がシンプルであり、X線画像検出器124への投影像によって容易に特定可能な形状である。なお、図3(A)では、紙面に対して左右方向をu軸方向、紙面に対して上下方向をv軸方向とし、紙面に対して垂直な方向をw軸方向として説明する。 1 and 2, a calibration jig 102 is placed on a rotary table 120 in place of the object to be measured. As shown in FIGS. 3A and 3B, the calibration jig 102 is made of a material (e.g., aluminum) that is transmissive to X-rays 118, and has a plurality of spheres (reference objects) 106 of diameter D (e.g., 4 x 3, or N = 12) on a plate-like member 104 at known relative position intervals Pu and Pv (i.e., the spheres 106 are arranged at 12 locations with known relative position intervals Pu and Pv). In other words, all of the spheres 106 in the calibration jig 102 are placed on only one plane. At the same time, the relative positions X (1 to 12) of the 12 spheres 106, or in other words, the relative positions X (1 to 12) of the 12 spheres 106, can also be said to be known (X (1 to 12) and X1 to X12 mean the same thing, and the same notation will be used hereinafter). The sphere 106 has a simple shape that can be easily identified by the image projected onto the X-ray image detector 124. In FIG. 3(A), the left-right direction relative to the paper surface is the u-axis direction, the up-down direction relative to the paper surface is the v-axis direction, and the direction perpendicular to the paper surface is the w-axis direction.

前記本体部108は、図1に示す如く、ベース112上に、X線118の漏れを防ぐX線遮蔽カバー110と、X線118を発生させるX線源116と、被測定物(図示せず)を回転可能に載置する回転テーブル120と、被測定物を透過したX線118を検出するX線画像検出器124と、を備えている。X線源116は、ベース112上の線源支持台114に設けられている。線源支持台114は、X線源116をxyzの3軸方向へ移動可能とする直動機構を備えることができる。回転テーブル120は、ベース112上のテーブル支持台122に設けられている。なお、テーブル支持台122は、被測定物をxyzの3軸方向へ移動可能とする直動機構を備える。更には、テーブル支持台122に、回転テーブル120の回転軸Axを傾斜調整可能とする傾斜機構が設けられていてもよい。X線画像検出器124は、X線118に感度がある二次元の検出面124Aを有する。X線画像検出器124は、ベース112上の検出器支持台126に支持されている。検出器支持台126も、X線画像検出器124をxyzの3軸方向へ移動可能とする直動機構を備えてもよい。X線源116からのX線118の放射ビームは、z軸方向に円錐状に広がり、その中心線が回転テーブル120の回転軸Axと交差し、X線画像検出器124の検出面124Aの垂線となるように調整される。 As shown in FIG. 1, the main body 108 comprises, on a base 112, an X-ray shielding cover 110 that prevents leakage of X-rays 118, an X-ray source 116 that generates X-rays 118, a rotary table 120 on which a measured object (not shown) is rotatably placed, and an X-ray image detector 124 that detects the X-rays 118 that have passed through the measured object. The X-ray source 116 is mounted on a radiation source support 114 on the base 112. The radiation source support 114 may be equipped with a linear motion mechanism that enables the X-ray source 116 to move in three axes (x, y, and z). The rotary table 120 is mounted on a table support 122 on the base 112. The table support 122 is equipped with a linear motion mechanism that enables the measured object to move in three axes (x, y, and z). Furthermore, the table support 122 may be equipped with a tilt mechanism that enables the tilt adjustment of the rotation axis Ax of the rotary table 120. The X-ray image detector 124 has a two-dimensional detection surface 124A that is sensitive to X-rays 118. The X-ray image detector 124 is supported by a detector support table 126 on the base 112. The detector support table 126 may also be equipped with a linear motion mechanism that enables the X-ray image detector 124 to move in three axes (x, y, and z). The radiation beam of X-rays 118 from the X-ray source 116 expands in a cone shape in the z-axis direction, and is adjusted so that its center line intersects the rotation axis Ax of the rotary table 120 and is perpendicular to the detection surface 124A of the X-ray image detector 124.

図1に示す前記ホストコンピュータ128は、本体部108の線源支持台114、X線源116、回転テーブル120、テーブル支持台122、X線画像検出器124及び検出器支持台126を制御する。また、ホストコンピュータ128は、図示せぬ記憶部に格納されたプログラムを読み出して実行することで、X線計測装置100の計測動作および校正を自動あるいは半自動で行うこともできる。つまり、ホストコンピュータ128は、X線計測装置100の計測動作において、例えば、X線画像検出器124で得られた投影像のデータを再構成して、被測定物の三次元ボリュームデータを作成する。 The host computer 128 shown in FIG. 1 controls the radiation source support base 114, X-ray source 116, rotary table 120, table support base 122, X-ray image detector 124, and detector support base 126 of the main body 108. The host computer 128 can also automatically or semi-automatically perform the measurement operations and calibration of the X-ray measurement device 100 by reading and executing programs stored in a storage unit (not shown). In other words, during the measurement operations of the X-ray measurement device 100, the host computer 128 reconstructs, for example, data of a projection image obtained by the X-ray image detector 124 to create three-dimensional volume data of the object to be measured.

図1に示す前記モーションコントローラ130は、ホストコンピュータ128に接続され、本体部108のX線源116や回転テーブル120の回転・移動、及び各種機構を制御する。 The motion controller 130 shown in Figure 1 is connected to the host computer 128 and controls the rotation and movement of the X-ray source 116 and rotary table 120 in the main body 108, as well as various mechanisms.

測定に当たっては、X線118を発生させた状態で回転テーブル120上の被測定物を回転させ、複数の角度方向(例えば角度分割数1000~6000程度)から投影像を収集する。収集された投影像は、被測定物を水平に横断するスライス面を基準面として再構成処理がなされ、被測定物の三次元ボリュームデータ(三次元像)を作るようになされている。 During measurement, the object to be measured is rotated on the rotary table 120 while X-rays 118 are generated, and projection images are collected from multiple angular directions (for example, approximately 1,000 to 6,000 angular divisions). The collected projection images are reconstructed using a slice plane that horizontally crosses the object to be measured as the reference plane, creating three-dimensional volume data (three-dimensional images) of the object to be measured.

以下、本発明に係る校正方法を説明する。 The calibration method according to the present invention is described below.

前記ホストコンピュータ128は、X線計測装置100の校正において、図3に例示したような、複数(図では3×4=12個)の球106を配置した校正治具102を、図1、2に示した三次元座標測定機のXY平面上で4以の位置(水準とも称する)に移動して投影像を取得することでX線計測装置100を校正する。 In calibrating the X-ray measurement device 100, the host computer 128 moves a calibration jig 102, on which a plurality of spheres 106 (3 × 4 = 12 in the figure) are arranged, as illustrated in FIG. 3, to four or more positions (also referred to as levels) on the XY plane of the three-dimensional coordinate measuring machine shown in FIGS. 1 and 2, and acquires a projection image, thereby calibrating the X-ray measurement device 100.

具体的な実施手順を図4に示す。 The specific implementation procedure is shown in Figure 4.

まず、ステップS2で、校正治具102を三次元座標測定機のXY平面上で4以の位置(水準)に移動して投影像の各球の重心(特徴点の一例)を求める。ここで、各球106の番号、校正治具102の位置座標、球重心座標は下記のとおりとする。
球番号 i … 1~N
校正治具位置の番号 j … 1~M(M≧4)
校正治具位置座標 X(j)
球重心座標 Im(i,j)
First, in step S2, the calibration jig 102 is moved to four or more positions (levels) on the XY plane of the three-dimensional coordinate measuring machine, and the center of gravity (an example of a feature point) of each sphere in the projected image is found. Here, the number of each sphere 106, the position coordinates of the calibration jig 102, and the sphere center of gravity coordinates are as follows:
Ball number i... 1 to N
Calibration jig position number j ... 1 to M (M ≥ 4)
Calibration jig position coordinates X(j)
Sphere center of gravity coordinates Im (i, j)

次いで、ステップS4で、各球iの射影変換行列(ホモグラフィ行列とも称する)H(i)を求める。具体的には、ある球iについて、校正治具位置座標X(j)と球重心座標Im(i,j)の対応から、次式(2)を満たす、例えば3列×3行のホモグラフィ行列H(i)を求めることができる。
H(i)× X(j)≒ Im(i,j) ・・・(2)
Next, in step S4, a projective transformation matrix (also referred to as a homography matrix) H(i) for each sphere i is calculated. Specifically, for a certain sphere i, a homography matrix H(i) of, for example, 3 columns by 3 rows that satisfies the following formula (2) can be calculated from the correspondence between the calibration jig position coordinate X(j) and the sphere center of gravity coordinate Im(i, j).
H(i)×X(j)≒ Im(i,j)...(2)

ここで、ホモグラフィ行列H(i)は、次式(3)で表されるカメラパラメータ(内部パラメータとも称する)A、回転を表すベクトルr1(i)、r2(i)、並進を表すベクトルt(i)を用いて次式(4)のように表せる。
H(i)= A ×[r1(i) r2(i) t(i)] ・・・(4)
Here, the homography matrix H(i) can be expressed as in the following equation (4) using the camera parameters (also referred to as internal parameters) A expressed by the following equation (3), vectors r1(i) and r2(i) representing rotation, and vector t(i) representing translation.
H(i) = A × [r1(i) r2(i) t(i)] ...(4)

式(3)において、fは、X線源116とX線画像検出器124との距離、cx、cyは、X線源116からのX線画像検出器124への垂線の足の位置である。なお、内部パラメータ行列Aの1行1列目の距離fと2行2列目の距離fとは、X線画像検出器124の画素の縦横比が異なる場合には若干値が異なることとなる。また、内部パラメータ行列Aの1行2列目には画像の歪みに関わるスキューSが用いられることもあるが、本実施形態では、スキューSを0としている。 In equation (3), f is the distance between the X-ray source 116 and the X-ray image detector 124, and cx and cy are the positions of the feet of the perpendicular line from the X-ray source 116 to the X-ray image detector 124. Note that the distance f in the first row and first column of the internal parameter matrix A and the distance f in the second row and second column will have slightly different values if the aspect ratio of the pixels of the X-ray image detector 124 is different. Also, the skew S, which relates to image distortion, may be used in the first row and second column of the internal parameter matrix A, but in this embodiment, the skew S is set to 0.

次いで、ステップS6に進み、カメラパラメータAを最適化パラメータとし、計算により得られる各球iの画像重心Im’(i,j)と実際の画像重心Im(i,j)の差Eが小さくなるように最適化を行う。 Next, proceed to step S6, where the camera parameter A is used as the optimization parameter, and optimization is performed so that the difference E between the calculated image centroid Im'(i,j) of each sphere i and the actual image centroid Im(i,j) is minimized.

ステップS6における最適化処理の具体例を図5に示す。 A specific example of the optimization process in step S6 is shown in Figure 5.

まず、ステップS60で、カメラパラメータAに適当な初期値を設定して、相対位置O(i)を求める。 First, in step S60, an appropriate initial value is set for the camera parameter A, and the relative position O(i) is calculated.

求める各球iの相対位置O(i)は、回転を表すベクトルr1(i)、r2(i)と、そこから導出できるr3(i)、並進を表すベクトルt(i)を用いて次式(5)、(6)のように表せる。
R(i)=[r1(i) r2(i) r3(i)] ・・・(5)
O(i)= -R(i)^-1 × t(i) ・・・(6)
The relative position O(i) of each sphere i to be determined can be expressed as in the following equations (5) and (6) using vectors r1(i) and r2(i) representing rotation, r3(i) which can be derived from them, and vector t(i) representing translation.
R(i) = [r1(i) r2(i) r3(i)] ...(5)
O(i) = -R(i)^-1 × t(i) ...(6)

次いで、ステップS62で、球位置座標(=X(j)+O(i))と球重心座標Im(i,j)の対応から、前出式(1)と同じ次式(7)を満たす射影行列Pを求める。
Im’(i,j)≒ P × {X(j)+O(i)} ・・・(7)
Next, in step S62, a projection matrix P that satisfies the following equation (7), which is the same as the above equation (1), is found from the correspondence between the sphere position coordinates (=X(j)+O(i)) and the sphere center of gravity coordinates Im(i, j).
Im'(i,j)≒P × {X(j)+O(i)}...(7)

次いで、ステップS64に進み、ステップS62で求めた射影行列Pを用いて計算した重心座標Im’(i,j)を求め、実際の重心座標Im(i,j)との差Eが小さくなるようにカメラパラメータAを最適化する。
E=|Im(i,j)- P × {X(j)+O(i)}| → min
・・・(8)
Next, proceed to step S64, calculate the center of gravity coordinate Im'(i, j) using the projection matrix P obtained in step S62, and optimize the camera parameter A so that the difference E from the actual center of gravity coordinate Im(i, j) becomes small.
E = | Im (i, j) - P × {X (j) + O (i)} | → min
...(8)

次いで、ステップS66に進み、最適化した相対位置O(i)を用いてステップS62の射影行列Pを再計算し、再びステップS64の最適化を行う。 Next, proceed to step S66, recalculate the projection matrix P in step S62 using the optimized relative position O(i), and perform the optimization again in step S64.

そして、ステップS68に進み、ステップS64、S66の処理をステップS64の残差Eが所定値より小さくなるまで繰り返す。 Then, proceed to step S68, and repeat steps S64 and S66 until the residual error E of step S64 becomes smaller than a predetermined value.

なお、前記最適化処理に際して、図6に示す他の例のように、ステップS66’で、ステップS62で求めた射影行列PをA ×[R t]に分解して、最適化処理の中で射影行列Pも併せて最適化してもよい。 In addition, during the optimization process, as in another example shown in Figure 6, in step S66', the projection matrix P calculated in step S62 may be decomposed into A × [R t], and the projection matrix P may also be optimized during the optimization process.

図5の最適化処理終了後、図4のステップS8に戻り、X線計測装置100を校正する。 After the optimization process in Figure 5 is completed, return to step S8 in Figure 4 and calibrate the X-ray measurement device 100.

具体的には、本発明で求めた球106の相対位置を用いて、例えば以下に示す方法により、テーブルの回転軸や回転中心位置を求める。 Specifically, the relative position of the sphere 106 determined in this invention is used to determine the rotation axis and center of rotation of the table, for example, using the method described below.

図4のステップS8におけるX線計測装置100の校正手順の具体例を図7から図10を用いて説明する。ここでは、ホストコンピュータ128で全ての演算がなされている。なお、例えばk=1のときにk番目の回転位置Poskが回転位置Pos1を示す。また、k番目の回転位置PoskにおいてN=12で球106の数Nのとき、重心位置ImPosk_Sphr_(1~N)が12個の球106の重心位置ImPos1_Sphr_1~ImPos1_Sphr_12それぞれを示すものとする。 A specific example of the calibration procedure for the X-ray measurement device 100 in step S8 of Figure 4 will be described using Figures 7 to 10. Here, all calculations are performed by the host computer 128. Note that when k = 1, for example, the kth rotational position Posk indicates rotational position Pos1. Furthermore, at the kth rotational position Posk, when N = 12 and the number of spheres 106 is N, the center of gravity positions ImPosk_Sphr_(1 to N) indicate the center of gravity positions ImPos1_Sphr_1 to ImPos1_Sphr_12 of the 12 spheres 106, respectively.

最初に、球106を既知の相対位置間隔Pu、Pvで複数備えた校正治具102を、回転テーブル120に載置する(図7のステップS102;載置工程)。そして、回転テーブル120のまだ回転していない状態をk=1とする(図7のステップS104)。 First, the calibration jig 102, which has multiple spheres 106 at known relative position intervals Pu and Pv, is placed on the rotary table 120 (step S102 in Figure 7; placement process). Then, the state in which the rotary table 120 is not yet rotating is set to k = 1 (step S104 in Figure 7).

次に、X線118を校正治具102に照射する(図7のステップS106)、そして、X線画像検出器124の出力から、N個(N=12)の球106それぞれの投影像の重心位置(特徴点の位置)ImPosk_Sphr_(1~12)を特定する(図7のステップS108;なお、ステップS106~ステップS108が特徴位置算出工程)。 Next, X-rays 118 are irradiated onto the calibration jig 102 (step S106 in Figure 7), and the center of gravity positions (feature point positions) ImPosk_Sphr_(1 to 12) of the projected images of each of the N (N = 12) spheres 106 are identified from the output of the X-ray image detector 124 (step S108 in Figure 7; steps S106 to S108 are the feature position calculation process).

次に、12個の球106それぞれの投影像の重心位置ImPosk_Sphr_(1~12)と球106の相対位置X(1~12)から、球106のX線画像検出器124の検出面124Aへの射影変換を行う射影変換行列Hkを算出する(図7のステップS110;変換行列算出工程)。 Next, a projection transformation matrix Hk is calculated to perform a projection transformation of the spheres 106 onto the detection surface 124A of the X-ray image detector 124 from the center of gravity positions ImPosk_Sphr_(1-12) of the projection images of each of the 12 spheres 106 and the relative positions X(1-12) of the spheres 106 (step S110 in Figure 7; transformation matrix calculation process).

次に、回転位置Poskの数kがQ以上(本実施形態では3回以上であればよい)であるかを判断する(図7のステップS112)。回転位置Poskの数kがQ(Q≧3)以上でなければ(図7のステップS112でNo)、回転テーブル120を所定角度αで回転させる(図7のステップS114)。そして、回転位置Poskの数kを1つ増加させ(図7のステップS116)、ステップS106からステップS112までを繰り返す(ステップS106~ステップS116;回転検出工程)。回転位置Poskの数kがQ(Q≧3)以上となった際には(図7のステップS112でYes)、ステップS118に進む。つまり、回転検出工程では、回転テーブル120を所定角度αで2回以上回転させ、特徴位置算出工程と変換行列算出工程とを繰り返す。なお、本実施形態では、所定角度αは、例えば一定の30度としているが、特に限定されず、より小さな角度でもよいし、所定角度αが毎回変化してもよい。 Next, it is determined whether the number k of rotational positions Posk is equal to or greater than Q (three or more times is sufficient in this embodiment) (step S112 in FIG. 7). If the number k of rotational positions Posk is not equal to or greater than Q (Q≧3) (No in step S112 in FIG. 7), the turntable 120 is rotated by a predetermined angle α (step S114 in FIG. 7). Then, the number k of rotational positions Posk is incremented by one (step S116 in FIG. 7), and steps S106 to S112 are repeated (steps S106 to S116; rotation detection process). If the number k of rotational positions Posk is equal to or greater than Q (Q≧3) (Yes in step S112 in FIG. 7), the process proceeds to step S118. That is, in the rotation detection process, the turntable 120 is rotated by the predetermined angle α two or more times, and the feature position calculation process and the transformation matrix calculation process are repeated. In this embodiment, the predetermined angle α is set to a constant value of, for example, 30 degrees, but this is not particularly limited and may be a smaller angle, or the predetermined angle α may change each time.

次に、射影変換行列Hk(k=1~Q)に基づいて回転テーブル120の回転中心位置Cp及び回転軸Axを算出する(中心位置算出工程)。この中心位置算出工程の詳細を詳細に説明する。 Next, the rotation center position Cp and rotation axis Ax of the turntable 120 are calculated based on the projective transformation matrix Hk (k = 1 to Q) (center position calculation process). The details of this center position calculation process will be explained in detail below.

まず、図8に示す如く、回転テーブル120の代わりにX線源116とX線画像検出器124とが回転したと想定する(図8のステップS130)。ちなみに、図10(A)には、回転テーブル120が回転した際の、所定角度αと球106の軌跡Fbとが示されている。そして、図10(B)には、X線源116とX線画像検出器124とが回転したと想定した際のX線源116の絶対位置Xsの軌跡Fsが記載されている。 First, as shown in Figure 8, it is assumed that the X-ray source 116 and the X-ray image detector 124 rotate instead of the rotary table 120 (step S130 in Figure 8). Incidentally, Figure 10(A) shows the predetermined angle α and the trajectory Fb of the sphere 106 when the rotary table 120 rotates. Then, Figure 10(B) shows the trajectory Fs of the absolute position Xs of the X-ray source 116 when it is assumed that the X-ray source 116 and the X-ray image detector 124 rotate.

次に、射影変換行列Hk(k=1~Q)に基づいて所定角度αの回転毎、即ちQ箇所のX線源116の絶対位置Xsを算出する(図8のステップS132)。 Next, the absolute position Xs of the X-ray source 116 at each rotation of a predetermined angle α, i.e., at location Q, is calculated based on the projection transformation matrix Hk (k = 1 to Q) (step S132 in Figure 8).

なお、上記中心位置算出工程で、Q箇所のX線源116の絶対位置Xsが算出される際に、X線源116とX線画像検出器124との距離fと、X線源116からのX線画像検出器124への垂線の足の位置Ccとが不明である場合を、図9を用いて、以下に説明する。 Note that, in the above-mentioned central position calculation process, when the absolute position Xs of the X-ray source 116 at location Q is calculated, a case in which the distance f between the X-ray source 116 and the X-ray image detector 124 and the position Cc of the foot of the perpendicular line from the X-ray source 116 to the X-ray image detector 124 are unknown will be explained below using Figure 9.

まず、k番目の想定回転位置におけるX線源116の絶対位置Xsを算出する際に、X線源116とX線画像検出器124との距離fと、X線源116からのX線画像検出器124への垂線の足の位置Cc(cx,cy)とを変数とする(図9のステップS140)。そして、射影変換行列Hkに基づいて算出されるk番目の想定回転位置におけるX線源116の絶対位置Xsを真円にフィッティングした仮真円の軌跡Fs上の位置とX線源116の絶対位置Xsとの距離誤差を評価する(図9のステップS142)。そして、この距離誤差が最小の誤差となる距離f及び位置Ccとを算出する(図9のステップS144)。 First, when calculating the absolute position Xs of the X-ray source 116 at the kth assumed rotational position, the distance f between the X-ray source 116 and the X-ray image detector 124 and the position Cc(cx, cy) of the foot of the perpendicular from the X-ray source 116 to the X-ray image detector 124 are used as variables (step S140 in FIG. 9). Then, the absolute position Xs of the X-ray source 116 at the kth assumed rotational position calculated based on the projection transformation matrix Hk is fitted to a perfect circle, and the distance error between the position on the trajectory Fs of the provisional perfect circle and the absolute position Xs of the X-ray source 116 is evaluated (step S142 in FIG. 9). Then, the distance f and position Cc that minimize this distance error are calculated (step S144 in FIG. 9).

具体的には、例えば、距離fを適当な値で仮決めし、位置Ccを変化させ、その際に最小の距離誤差となる位置Ccを算出する。次に、その最小の距離誤差となる位置Ccで仮決めし、今度は距離fを変化させ、その際に最小の距離誤差となる距離fを算出する。また、その最小の距離誤差となる距離fに仮決めし、位置Ccを変化させ、その際に最小の距離誤差となる位置Ccを算出する。また、その最小の距離誤差となる位置Ccで仮決めし、再度距離fを変化させ、その際に最小の距離誤差となる距離fを算出する。これを何度か繰り返すことで、最小の距離誤差となる距離f及び位置Ccとを算出することができ、距離f及び位置Ccの最適化を図ることができる。 Specifically, for example, distance f is tentatively set to an appropriate value, position Cc is changed, and the position Cc that results in the smallest distance error is calculated. Next, position Cc that results in that smallest distance error is tentatively set, and distance f is changed again, and the distance f that results in the smallest distance error is calculated. Again, distance f that results in the smallest distance error is tentatively set, and position Cc is changed, and the position Cc that results in the smallest distance error is calculated. Again, position Cc that results in the smallest distance error is tentatively set, and distance f is changed again, and the distance f that results in the smallest distance error is calculated. By repeating this process several times, it is possible to calculate the distance f and position Cc that result in the smallest distance error, thereby optimizing distance f and position Cc.

次に、図7に戻り、X線源116の絶対位置Xa(1~N)の変化から、真円(=仮真円)でフィッティングされた軌跡Fsの中心位置Cpを算出し、その中心位置Cpを回転テーブル120の回転中心位置Cpとする。より詳しく説明するならば、Q箇所のX線源116の絶対位置Xsを真円にフィッティングさせる(図7のステップS120)。このとき、Q>3以上であれば、例えば、最小二乗法にて、真円の中心位置Cpを算出する。Q=3であれば、例えば、連立方程式にて、真円の中心位置Cpを算出する。 Next, returning to FIG. 7, the center position Cp of the trajectory Fs fitted to a perfect circle (= provisional perfect circle) is calculated from the change in the absolute position Xa (1 to N) of the X-ray source 116, and this center position Cp is set as the rotation center position Cp of the rotary table 120. Explaining this in more detail, the absolute positions Xs of the X-ray source 116 at Q locations are fitted to a perfect circle (step S120 in FIG. 7). At this time, if Q > 3 or more, the center position Cp of the perfect circle is calculated, for example, by the least squares method. If Q = 3, the center position Cp of the perfect circle is calculated, for example, by a system of simultaneous equations.

そして、例えば、真円でフィッティングされた軌跡Fsの水平面(xz平面)からの傾斜角度を算出する。そして、回転テーブル120の回転中心位置Cp及び回転軸Axを算出する(図7のステップS122)。この時点で、ホストコンピュータ128により、N=12個の球106それぞれで、真円の中心位置Cpとその軌跡Fbを算出することもできる。このため、12個の球106の真円の中心位置Cpを平均化して、回転中心位置Cpを算出するとともに、それらの軌跡Fbの水平面からの傾斜を平均化することで、回転軸Axの傾斜角度を算出でき、回転軸Axを算出することもできる。 Then, for example, the tilt angle of the trajectory Fs fitted to the perfect circle from the horizontal plane (xz plane) is calculated. Then, the rotation center position Cp and rotation axis Ax of the turntable 120 are calculated (step S122 in Figure 7). At this point, the host computer 128 can also calculate the center position Cp of the perfect circle and its trajectory Fb for each of the N = 12 balls 106. Therefore, by averaging the center positions Cp of the perfect circles of the 12 balls 106 to calculate the rotation center position Cp, and averaging the tilt of these trajectories Fb from the horizontal plane, the tilt angle of the rotation axis Ax can be calculated, and the rotation axis Ax can also be calculated.

このように、本実施形態では、X線画像検出器124への投影像によって特定可能な形状の球106を既知の相対位置間隔Pu、Pvで12個備えた校正治具102を回転テーブル120に載置して、回転テーブル120を3箇所の回転角度に合わせて、校正治具102の投影像を取るだけの極めて簡単な一連の工程で、回転テーブル120の回転中心位置Cpを算出することができる。つまり、本実施形態では、回転中心位置Cpを算出するのに、三次元ボリュームデータを作成する必要がない。 In this way, in this embodiment, the rotation center position Cp of the turntable 120 can be calculated through a series of extremely simple steps: a calibration jig 102 having 12 spheres 106 with known relative position intervals Pu and Pv, each sphere having a shape that can be identified by a projected image onto the X-ray image detector 124, is placed on the turntable 120, the turntable 120 is adjusted to three rotation angles, and a projected image of the calibration jig 102 is taken. In other words, in this embodiment, there is no need to create three-dimensional volume data to calculate the rotation center position Cp.

また、本実施形態では、校正治具102において球106の全てが1つの平面上にのみ載置されているので、k番目の回転位置Poskにおける球106のX線画像検出器124の検出面124Aへの射影変換を行う変換行列が射影変換行列Hkとされていた。このため、12個の球106のうち4個の球106だけを各工程における算出対象として、回転テーブル120の回転中心位置Cpを算出することもでき、更なる校正時間の短縮が可能である。なお、本実施形態では、4個の球106だけでなく、12個全ての球106を各工程における演算対象としたことで、回転テーブル120の回転中心位置Cpを極めて正確に算出することができる。 Furthermore, in this embodiment, since all of the spheres 106 in the calibration jig 102 are placed on only one plane, the transformation matrix used to perform the projection transformation of the spheres 106 at the kth rotation position Posk onto the detection surface 124A of the X-ray image detector 124 is the projection transformation matrix Hk. Therefore, it is possible to calculate the rotation center position Cp of the turntable 120 using only four of the twelve spheres 106 as the calculation target in each process, further reducing the calibration time. Note that in this embodiment, by using all twelve spheres 106 as the calculation target in each process, rather than just four spheres 106, the rotation center position Cp of the turntable 120 can be calculated extremely accurately.

また、本実施形態では、中心位置算出工程で、更に、回転テーブル120の回転軸Axを算出する。このため、仮に回転テーブル120の回転軸Axに対して当初校正不要と想定していても、実際に回転テーブル120の回転軸Axを算出した結果と比較して、校正の必要性を正当に評価することができる。 Furthermore, in this embodiment, the rotation axis Ax of the turntable 120 is also calculated in the center position calculation process. Therefore, even if it is initially assumed that calibration of the rotation axis Ax of the turntable 120 is not required, the necessity of calibration can be properly evaluated by comparing it with the results of actually calculating the rotation axis Ax of the turntable 120.

また、本実施形態では、中心位置算出工程で、回転テーブル120の代わりにX線源116とX線画像検出器124とが回転したと想定し、射影変換行列Hkから所定角度αの回転毎のX線源116の絶対位置Xsを算出することで、回転テーブル120の回転中心位置Cpを算出する。即ち、球106の絶対位置Xaを算出するのではなく、X線源116の絶対位置Xsを算出している。このため、射影変換行列Hkを直接的に使用することにより、結果的に、演算量を低減し、迅速に校正を実現することができる。なお、これに限定されず、球106の絶対位置Xaを算出することで、回転テーブル120の回転中心位置Cpを算出するようにしてもよい。 In addition, in this embodiment, in the center position calculation process, it is assumed that the X-ray source 116 and the X-ray image detector 124 rotate instead of the turntable 120, and the absolute position Xs of the X-ray source 116 is calculated for each rotation of a predetermined angle α from the projection transformation matrix Hk to calculate the rotation center position Cp of the turntable 120. In other words, instead of calculating the absolute position Xa of the sphere 106, the absolute position Xs of the X-ray source 116 is calculated. Therefore, by directly using the projection transformation matrix Hk, the amount of calculation can be reduced and calibration can be achieved quickly. However, this is not limited to this, and the rotation center position Cp of the turntable 120 may also be calculated by calculating the absolute position Xa of the sphere 106.

また、本実施形態では、回転テーブル120を所定角度αで4回以上回転させ、Q箇所のX線源116の絶対位置Xsを算出する際に、X線源116とX線画像検出器124との距離fと、X線源116からのX線画像検出器124への垂線の足の位置Cc(cx,cy)とを変数とする。そして、射影変換行列Hk(k=1~Q)に基づいて算出されるQ箇所のX線源116の絶対位置Xsを真円にフィッティングした仮真円の軌跡Fs上の位置とQ箇所のX線源116の絶対位置Xsとの距離誤差を評価する。これにより、X線源116とX線画像検出器124との距離fと、X線源116からのX線画像検出器124への垂線の足の位置Cc(cx,cy)とを算出する。このため、X線源116とX線画像検出器124との距離fと、X線源116からのX線画像検出器124への垂線の足の位置Cc(cx,cy)とを校正しようとした際には、これらの値を算出することができ、より正確な校正を行うことができる。 In this embodiment, the rotary table 120 is rotated at a predetermined angle α four or more times to calculate the absolute position Xs of the X-ray source 116 at location Q. The variables used are the distance f between the X-ray source 116 and the X-ray image detector 124 and the position Cc(cx, cy) of the foot of the perpendicular line from the X-ray source 116 to the X-ray image detector 124. The absolute position Xs of the X-ray source 116 at location Q, calculated based on the projection transformation matrix Hk (k = 1 to Q), is fitted to a perfect circle to form a virtual circle, and the distance error between the position on the trajectory Fs and the absolute position Xs of the X-ray source 116 at location Q is evaluated. This allows the distance f between the X-ray source 116 and the X-ray image detector 124 and the position Cc(cx, cy) of the foot of the perpendicular line from the X-ray source 116 to the X-ray image detector 124 to be calculated. Therefore, when attempting to calibrate the distance f between the X-ray source 116 and the X-ray image detector 124 and the position Cc (cx, cy) of the foot of the perpendicular line from the X-ray source 116 to the X-ray image detector 124, these values can be calculated, allowing for more accurate calibration.

また、本実施形態では、中心位置算出工程で、X線源116の絶対位置Xsの変化から、真円(=仮真円)でフィッティングされた軌跡Fsの中心位置Cpを算出し、この中心位置Cpを回転テーブル120の回転中心位置Cpとする。つまり、真円でフィッティングすることで、回転位置の総数Qを低減でき、且つ中心位置Cpを一義的に算出することができる。なお、これに限定されず、他の手法にて、回転テーブル120の回転中心位置Cpを算出するようにしてもよい。 Furthermore, in this embodiment, in the center position calculation process, the center position Cp of the trajectory Fs fitted with a perfect circle (= provisional perfect circle) is calculated from changes in the absolute position Xs of the X-ray source 116, and this center position Cp is set as the rotation center position Cp of the turntable 120. In other words, by fitting with a perfect circle, the total number Q of rotation positions can be reduced, and the center position Cp can be calculated uniquely. However, this is not limited to this, and the rotation center position Cp of the turntable 120 may be calculated using other methods.

また、本実施形態では、更に、回転テーブル120の回転軸Axを算出する際には、真円でフィッティングされた軌跡Fsの水平面からの傾斜角度を算出し、その傾斜角度と回転中心位置Cpとから回転軸Axを算出する。このため、回転軸Axを算出するのに、球106は1個あればよいので、回転軸Axを算出する工程を簡略化でき且つ短時間で行うことができる。なお、これに限定されず、例えば、各球106において真円でフィッティングされた軌跡Fsを算出して、その中心位置のずれから、回転軸Axを算出するようにしてもよい。 Furthermore, in this embodiment, when calculating the rotation axis Ax of the turntable 120, the tilt angle of the trajectory Fs fitted to a perfect circle from the horizontal plane is calculated, and the rotation axis Ax is calculated from this tilt angle and the rotation center position Cp. Therefore, only one sphere 106 is required to calculate the rotation axis Ax, so the process of calculating the rotation axis Ax can be simplified and completed in a short time. However, this is not limited to this, and for example, the trajectory Fs fitted to a perfect circle for each sphere 106 can be calculated, and the rotation axis Ax can be calculated from the deviation of its center position.

また、本実施形態では、校正治具102上の基準物体は、球106とされている。このため、球106は、いずれの方向から投影されても輪郭が円となる。即ち、球106は、基準物体として、X線画像検出器124への投影像によって最も容易に特定可能な形状である。なお、これに限定されず、基準物体が、例えば、正多面体や変形した菱形状体を含む多面体であってもよいし、楕円体や円錐体などの曲面を含む形状とされていてもよい。 In addition, in this embodiment, the reference object on the calibration jig 102 is a sphere 106. Therefore, the outline of the sphere 106 is circular regardless of the direction from which it is projected. In other words, the sphere 106 is the shape that can be most easily identified as a reference object by the image projected onto the X-ray image detector 124. However, the reference object is not limited to this, and may be, for example, a polyhedron including a regular polyhedron or a deformed rhombic body, or may have a shape including a curved surface such as an ellipsoid or a cone.

また、本実施形態では、基準物体である球106の投影像の特徴点の位置が、投影像の重心位置とされている。球106の投影像は円であることから、重心位置を算出することが容易であり、少ない位置誤差で算出することができる。なお、これに限らず、基準物体である球106の投影像の特徴点の位置が中心位置であってもよい。あるいは、基準物体が球ではなく、局所的に特徴的な凹部や凸部を備える場合には、その特徴的な凹部や凸部を投影像の特徴点に関連付けるようにしてもよい。 In addition, in this embodiment, the position of a feature point in the projected image of the sphere 106, which is the reference object, is taken as the center of gravity of the projected image. Because the projected image of the sphere 106 is circular, the center of gravity can be calculated easily and with little positional error. However, this is not limited to this, and the position of a feature point in the projected image of the sphere 106, which is the reference object, may also be the center position. Alternatively, if the reference object is not a sphere but has locally characteristic concave or convex portions, the characteristic concave or convex portion may be associated with the feature point of the projected image.

即ち、本実施形態では、被測定物を回転可能に載置する回転テーブル120の回転中心位置Cpを単純な工程で容易に算出することが可能である。 In other words, in this embodiment, the rotation center position Cp of the rotary table 120 on which the object to be measured is rotatably placed can be easily calculated through a simple process.

なお、上記実施形態では、校正治具102において球106の全てが1つの平面上にのみ載置されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、校正治具102において球106の全てが1つの平面上に載置された状態とならず、三次元的に載置されていてもよい。その際には、球106が少なくとも6個以上とされ、次式(9)で示す射影変換行列Hkの代わりに次式(10)で示す射影行列Pkが用いられる。
Hk=A[rk1 rk2 Tk] ・・・(9)
Pk=A[rk1 rk2 rk3 Tk] ・・・(10)
In the above embodiment, all of the spheres 106 are placed on only one plane in the calibration jig 102, but the present invention is not limited to this. For example, all of the spheres 106 may not be placed on one plane in the calibration jig 102, but may be placed three-dimensionally. In this case, there are at least six spheres 106, and a projection matrix Pk shown in the following equation (10) is used instead of the projection transformation matrix Hk shown in the following equation (9).
Hk=A[rk1 rk2 Tk] (9)
Pk=A[rk1 rk2 rk3 Tk] (10)

ホストコンピュータ128は、式(9)の代わりに、以下の射影行列Pkに係る式(10)を用いて、k番目の想定回転位置の3行×4列の射影行列Pkから、X線源116の絶対位置Xsを算出することができる。 The host computer 128 can calculate the absolute position Xs of the X-ray source 116 from the 3-row x 4-column projection matrix Pk of the kth assumed rotational position using the following equation (10) for the projection matrix Pk instead of equation (9).

この場合には、射影行列Pkを用いることで、仮に校正治具102の平面精度がよくなくても、正確な校正を行うことができる。 In this case, by using the projection matrix Pk, accurate calibration can be performed even if the planarity accuracy of the calibration jig 102 is poor.

なお、上記実施形態では、球106が少なくとも4個(あるいは6個)とされていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、2個の球106が少なくとも4箇所(あるいは6箇所)に移動して配置されるような校正治具102の構成であってもよい。 In the above embodiment, there are at least four (or six) balls 106, but the present invention is not limited to this. For example, the calibration jig 102 may be configured so that two balls 106 are movable and positioned in at least four (or six) locations.

また、基準物体は球に限定されず、特徴点の位置も重心位置に限定されない。 Furthermore, the reference object is not limited to a sphere, and the position of the feature point is not limited to the center of gravity.

本発明は、X線計測装置の校正に広く適用することができる。 This invention can be widely applied to the calibration of X-ray measurement devices.

100…X線計測装置
102…校正治具
104…板状部材
106…球
108…本体部
110…X線遮蔽カバー
112…ベース
114…線源支持台
116…X線源
118…X線
120…回転テーブル
122…テーブル支持台
124…X線画像検出器
124A…検出面
126…検出器支持台
128…ホストコンピュータ
130…モーションコントローラ
i…球番号
j…校正治具位置の番号
X(j)…校正治具位置座標
Im(i,j)、Im’(i,j)…球重心座標
H(i)、Hk…射影変換行列(ホモグラフィ行列)
A…カメラ(内部)パラメータ
O(i)…各球の相対位置
r1(i)、r2(i)、r3(i)…回転を表すベクトル
t(i)…並進を表すベクトル
P、Pk…射影行列
100...X-ray measurement device 102...calibration jig 104...plate-shaped member 106...sphere 108...main body 110...X-ray shielding cover 112...base 114...radiation source support base 116...X-ray source 118...X-ray 120...rotary table 122...table support base 124...X-ray image detector 124A...detection surface 126...detector support base 128...host computer 130...motion controller i...sphere number j...calibration jig position number X(j)...calibration jig position coordinates Im(i,j), Im'(i,j)...sphere center of gravity coordinates H(i), Hk...projection transformation matrix (homography matrix)
A...Camera (internal) parameters O(i)...Relative position of each sphere r1(i), r2(i), r3(i)...Vector representing rotation t(i)...Vector representing translation P, Pk...Projection matrix

Claims (9)

X線を用いて被測定物を三次元形状計測するX線計測装置の校正方法であって、
前記X線計測装置は、前記X線を発生させるX線源と、前記被測定物を回転可能に載置する回転テーブルと、該被測定物を透過した該X線を検出するX線画像検出器と、を備え、
該X線画像検出器への投影像によって特定可能な形状の複数の基準物体を有し、M(M≧4)以上の位置に移動して配置可能な校正治具を、前記回転テーブルに載置する載置工程と、
前記X線を該校正治具に照射し該X線画像検出器の出力から、M個の位置にある該基準物体それぞれの投影像の特徴点の位置を特定する特徴位置算出工程と、
個の位置にある該基準物体それぞれの投影像の特徴点の位置と相対位置間隔から、該基準物体の前記X線画像検出器の検出面への射影変換を行うための、カメラパラメータを含む変換行列を算出する変換行列算出工程と、
前記投影像の特徴点の位置と前記相対位置間隔の差が小さくなるように前記カメラパラメータを最適化するパラメータ最適化工程と、
前記最適化したカメラパラメータを用いて算出した特徴点の相対位置を用いて、前記回転テーブルを所定角度αで回転させてQ(Q≧3)以上の回転位置で回転中心位置を算出する中心位置算出工程と、
を含むことを特徴とするX線計測装置の校正方法。
1. A method for calibrating an X-ray measurement apparatus that measures a three-dimensional shape of an object to be measured using X-rays, comprising:
the X-ray measurement device includes an X-ray source that generates the X-rays, a rotary table on which the object to be measured is rotatably placed, and an X-ray image detector that detects the X-rays that have passed through the object to be measured,
a placing step of placing a calibration jig, which has a plurality of reference objects having shapes that can be identified by the projection images onto the X-ray image detector, and which can be moved and placed at M or more positions (M≧4), on the rotary table;
a feature position calculation step of irradiating the calibration jig with the X-rays and identifying the positions of feature points of the projection images of each of the reference objects at M positions from the output of the X-ray image detector;
a transformation matrix calculation step of calculating a transformation matrix including camera parameters for performing projective transformation of the reference object onto the detection surface of the X-ray image detector from the positions and relative position intervals of feature points of each of the projection images of the reference object at M positions;
a parameter optimization step of optimizing the camera parameters so as to reduce a difference between the positions of the feature points of the projected images and the relative position intervals;
a center position calculation step of calculating a rotation center position at a rotation position equal to or greater than Q (Q≧3) by rotating the rotary table by a predetermined angle α using the relative positions of the feature points calculated using the optimized camera parameters;
1. A method for calibrating an X-ray measurement device, comprising:
請求項1において、
前記パラメータ最適化工程が、
まず、前記カメラパラメータに適当な初期値を設定して各基準物体の相対位置O(i)を求める第1の工程と、
前記各基準物体の位置座標X(j)と特徴点座標Im(i,j)の対応から、次式
Im’(i,j)≒ P × [X(j)+O(i)]
を満たす射影行列Pを求める第2の工程と、
求めた射影行列Pを用いて計算した特徴点座標Im’(i,j)を求め、実際の特徴点座標Im(i,j)との差が小さくなるように前記カメラパラメータを最適化する第3の工程と、
を含むことを特徴とするX線計測装置の校正方法。
In claim 1,
The parameter optimization step
A first step of setting appropriate initial values for the camera parameters and determining the relative position O(i) of each reference object;
From the correspondence between the position coordinate X(j) of each reference object and the feature point coordinate Im(i, j), the following equation Im'(i, j) ≈ P × [X(j) + O(i)] is obtained.
A second step of obtaining a projection matrix P that satisfies
a third step of calculating feature point coordinates Im'(i, j) using the obtained projection matrix P, and optimizing the camera parameters so that the difference between the calculated feature point coordinates Im'(i, j) and the actual feature point coordinates Im(i, j) becomes small;
1. A method for calibrating an X-ray measurement device, comprising:
請求項2において、
前記第3の工程に続く第4の工程で、
前記第3の工程で最適化した前記カメラパラメータを用いて前記第2の工程の射影行列Pを再度計算し、再び前記第3の工程の最適化を行う処理を前記特徴点座標の差が小さくなるまで繰り返すことを特徴とするX線計測装置の校正方法。
In claim 2,
In a fourth step following the third step,
a method for calibrating an X-ray measurement device, comprising: calculating the projection matrix P in the second step again using the camera parameters optimized in the third step; and repeating the process of optimizing the third step again until the difference in the feature point coordinates becomes small.
請求項2において、
前記第3の工程で前記カメラパラメータが収束した後に前記第2の工程の射影行列Pを再度計算して最適化を繰り返すことを特徴とするX線計測装置の校正方法。
In claim 2,
a projection matrix P calculated in the second step after the camera parameters have converged in the third step, and optimization is repeated.
請求項2において、
前記第3の工程で前記第2の工程の射影行列Pをカメラパラメータと回転行列と並進行列に分解して、最適化処理の中で射影行列Pも併せて最適化することを特徴とするX線計測装置の校正方法。
In claim 2,
a third step of decomposing the projection matrix P from the second step into camera parameters, a rotation matrix, and a translation matrix, and optimizing the projection matrix P during the optimization process.
請求項1乃至5のいずれかにおいて、
前記校正治具において前記基準物体の全てが1つの平面上にのみ載置されている場合には、前記変換行列は射影変換行列とされ、該基準物体が三次元的に載置されている場合に
は、N=6とされ且つ該変換行列は射影行列とされることを特徴とするX線計測装置の校正方法。
In any one of claims 1 to 5,
A method for calibrating an X-ray measurement device, characterized in that when all of the reference objects are placed on only one plane in the calibration jig, the transformation matrix is a projection transformation matrix, and when the reference objects are placed three-dimensionally, N=6 and the transformation matrix is a projection matrix.
請求項1乃至6のいずれかにおいて、
前記中心位置算出工程で、更に、前記回転テーブルの回転軸を算出することを特徴とするX線計測装置の校正方法。
In any one of claims 1 to 6,
The method for calibrating an X-ray measurement apparatus, wherein the center position calculation step further comprises calculating a rotation axis of the rotary table.
請求項1乃至7のいずれかにおいて、
前記基準物体は、球とされていることを特徴とするX線計測装置の校正方法。
In any one of claims 1 to 7,
2. A method for calibrating an X-ray measurement apparatus, wherein the reference object is a sphere.
請求項1乃至8のいずれかにおいて、
前記基準物体の投影像の特徴点の位置は、該投影像の重心位置とされていることを特徴とするX線計測装置の校正方法。
In any one of claims 1 to 8,
A method for calibrating an X-ray measurement apparatus, wherein the position of the feature point of the projection image of the reference object is set to the position of the center of gravity of the projection image.
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