JP7760864B2 - Imaging system and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、透明物体を画像化するための技術に関する。 The present invention relates to technology for imaging transparent objects.
透過軸方向の異なる偏光子が規則的に配置された撮像素子を有する偏光カメラを用いて、透明物体を画像化する技術が知られている(特許文献1参照)。このような技術は、例えば、ガラスや透明樹脂からなる物品の検出や検査などへの応用が期待されている。 A technology is known for imaging transparent objects using a polarization camera with an imaging element in which polarizers with different transmission axis directions are regularly arranged (see Patent Document 1). This technology is expected to be applied to, for example, the detection and inspection of objects made of glass or transparent resin.
透明物体に光を当てると、一部の光が透明物体の表面で鏡面反射する。鏡面反射した光は偏光特性を持つため、偏光カメラで観測することができ、その観測結果をもとに透明物体の表面(反射面)を画像化することができる。 When light is shone on a transparent object, some of the light is specularly reflected from the surface of the transparent object. Because specularly reflected light has polarized properties, it can be observed with a polarization camera, and the surface (reflective surface) of the transparent object can be imaged based on the observation results.
しかしながら、偏光カメラには、鏡面反射光だけでなく、被写体や背景などで拡散反射した光も入射し、それがノイズ要因となる場合がある。また、照明と被写体の間の距離が遠すぎるために鏡面反射光が非常に弱くなり偏光情報の抽出が困難になったり、逆に、照明と被写体が近すぎ、鏡面反射光が明るすぎていわゆる白飛び(反射光が偏光カメラのダイナミックレンジを超えること)が発生し、偏光情報の抽出ができなくなることもある。とはいえ、機材の配置や被写体の選び方によって、透明物体の形状や反射特性、背景の状況、透明物体と照明のあいだの相対距離や相対的な位置関係などは様々であるため、あらゆる被写体ないしあらゆる状況に対して安定的に偏光情報を抽出可能なシステムを実現することは難しい。そのため、偏光カメラを利用した検出や検査を安定して行うには、対象となる被写体ないし状況に応じて、撮影条件などを調整する(追い込む)作業が必要となることが一般的である。しかし、そのような調整作業には高度なスキルおよび知識と試行錯誤が必要であるし、手作業の発生は物品の検出もしくは検査の省力化や自動化への阻害要因ともなる。また、撮影条件の調整が極めて困難なケースもある。例えば、視野内のある部分に合わせて照明の明るさを調整すると、他の部分で白飛びあるいは露光不足が発生してしまう、というような状況である。このような問題は、偏光カメラの視野内に複数の被写体が存在し、被写体ごとに照明との相対距離や相対位置が相違するケースなどで、顕著となる可能性がある。 However, polarization cameras are subject to not only specularly reflected light but also light diffusely reflected from the subject and background, which can cause noise. Furthermore, if the distance between the light source and the subject is too great, the specular reflected light may be very weak, making it difficult to extract polarization information. Conversely, if the light source and the subject are too close, the specular reflected light may be too bright, resulting in so-called blown-out highlights (reflected light exceeding the dynamic range of the polarization camera), making it impossible to extract polarization information. However, because the shape and reflective properties of transparent objects, the background conditions, and the relative distance and relative position between the transparent object and the light source vary depending on the equipment placement and subject selection, it is difficult to create a system that can reliably extract polarization information for all subjects and all situations. Therefore, to reliably perform detection and inspection using polarization cameras, it is generally necessary to adjust (finish) the shooting conditions depending on the target subject and situation. However, such adjustments require advanced skills and knowledge, as well as trial and error, and the manual effort involved hinders labor-saving and automation of item detection and inspection. Furthermore, adjusting the shooting conditions can be extremely difficult in some cases. For example, adjusting the brightness of the lighting to suit one part of the field of view can result in overexposure or underexposure in other parts. This type of problem can become more pronounced when there are multiple subjects in the field of view of the polarization camera, and each subject has a different relative distance or position from the lighting.
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、被写体や状況によらず、偏光情報を安定して抽出することが可能な技術を提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and its purpose is to provide technology that can stably extract polarization information regardless of the subject or situation.
本発明は、透明物体を画像化するための撮像システムであって、透明物体を照明するための照明装置と、透過軸方向の異なる偏光子が規則的に配列された撮像素子を有する偏光カメラと、処理装置と、を備え、前記処理装置は、異なる撮影条件で前記透明物体を撮影するために、前記照明装置と前記偏光カメラのいずれか又は両方を制御する制御手段と、異なる撮影条件で撮影された複数の元画像を取得する画像取得手段と、前記複数の元画像のそれぞれに対し、各画素について、前記透明物体での鏡面反射に由来する偏光に関する情報である偏光情報を抽出する、偏光抽出処理を実行する偏光抽出手段と、前記偏光抽出
処理によって前記複数の元画像のそれぞれから抽出された複数の偏光情報を合成し、前記偏光情報を画像化した偏光情報画像を生成する画像生成手段と、を有することを特徴とする撮像システムを提供する。
The present invention provides an imaging system for imaging a transparent object, comprising: an illumination device for illuminating the transparent object; a polarization camera having an imaging element in which polarizers with different transmission axis directions are regularly arranged; and a processing device, wherein the processing device has: a control means for controlling either or both of the illumination device and the polarization camera to photograph the transparent object under different shooting conditions; an image acquisition means for acquiring a plurality of original images photographed under different shooting conditions; a polarization extraction means for performing a polarization extraction process on each pixel of each of the plurality of original images to extract polarization information, which is information regarding polarization resulting from specular reflection on the transparent object; and an image generation means for combining the plurality of pieces of polarization information extracted from each of the plurality of original images by the polarization extraction process, and generating a polarization information image in which the polarization information is visualized.
機材の配置や被写体の選び方によって、透明物体の形状や反射特性、背景の状況、透明物体と照明のあいだの相対距離や相対的な位置関係などは様々である。そこで、本発明に係る撮像システムでは、同じ透明物体を異なる撮影条件で複数回撮影し、複数の元画像を取得する。いずれかの撮影条件がマッチすれば、当該透明物体の偏光情報を抽出するのに適した元画像が少なくとも1枚は得られるものと期待できる。したがって、複数の元画像のそれぞれから抽出した偏光情報を用いることによって、被写体や状況によらず、偏光情報を安定して抽出することが可能となる。 Depending on the arrangement of equipment and the selection of the subject, the shape and reflection characteristics of transparent objects, the background conditions, and the relative distance and relative positional relationship between the transparent object and the lighting will vary. Therefore, with the imaging system of the present invention, the same transparent object is photographed multiple times under different shooting conditions to obtain multiple original images. If any of the shooting conditions match, it can be expected that at least one original image suitable for extracting the polarization information of the transparent object will be obtained. Therefore, by using the polarization information extracted from each of the multiple original images, it is possible to stably extract polarization information regardless of the subject or situation.
前記画像生成手段は、前記複数の元画像のそれぞれから抽出された前記複数の偏光情報のうち偏光情報の信頼度が最も高いものを選択する操作を画素ごとに行い、各画素について選択された偏光情報を用いて前記偏光情報画像を生成してもよい。 The image generation means may perform an operation of selecting, for each pixel, the polarization information with the highest reliability from the multiple pieces of polarization information extracted from each of the multiple original images, and generate the polarization information image using the polarization information selected for each pixel.
複数の元画像から信頼度の高い偏光情報を集めることにより、良好な偏光情報画像を生成することができる。ここで、全ての画素について、同じ元画像から抽出された偏光情報が選択されるとは限らない。なぜなら、偏光カメラの視野内の位置によって、反射面の形状・向きや反射特性が異なっていたり、反射面に到達する照明光の強度が異なっていたり、拡散反射の影響が異なっていたりするからである。したがって、画素ごとに最適な偏光情報を選択し、それらを用いて最終的な偏光情報画像を生成することで、視野内の位置によらず、信頼度の高い偏光情報画像を得ることができる。またこの方法を用いれば、偏光カメラの視野内に複数の被写体が存在する場合でも(さらに言うと、形状、反射特性、あるいは姿勢の異なる複数の被写体が混在している場合でも)、全ての被写体の偏光情報を精度よく抽出することができる。 A high-quality polarization information image can be generated by collecting reliable polarization information from multiple original images. However, it is not guaranteed that polarization information extracted from the same original image will be selected for every pixel. This is because the shape, orientation, and reflective properties of the reflective surface, the intensity of the illumination light reaching the reflective surface, and the effects of diffuse reflection vary depending on the position within the field of view of the polarization camera. Therefore, by selecting the optimal polarization information for each pixel and using it to generate the final polarization information image, a highly reliable polarization information image can be obtained regardless of the position within the field of view. Furthermore, using this method, it is possible to accurately extract polarization information for all subjects even when there are multiple subjects within the field of view of the polarization camera (or even when multiple subjects with different shapes, reflective properties, or postures are mixed together).
前記画像生成手段は、前記複数の偏光情報のうち偏光の程度が最も強いものを、偏光情報の信頼度が最も高いものとみなしてもよい。「偏光の程度が最も強い」とは、偏光成分が最も明りょうに観測されていることをいう。偏光の程度が強く現れているほど(偏光成分がより明りょうに観測されているほど)、その偏光情報の信頼性が高いと考えることができる。したがって、1つの画素について得られた複数の偏光情報のうちから偏光の程度が最も強いものを選択することで、当該画素(つまり、当該画素に対応する透明物体の反射面上の領域)に関する最も信頼度の高い偏光情報を得ることができる 。 The image generating means may consider the strongest degree of polarization among the multiple pieces of polarization information to be the most reliable polarization information. "Strongest degree of polarization" means that the polarization component is most clearly observed. The stronger the degree of polarization (the more clearly the polarization component is observed), the more reliable the polarization information can be considered. Therefore, by selecting the strongest degree of polarization from the multiple pieces of polarization information obtained for a single pixel, it is possible to obtain the most reliable polarization information for that pixel (i.e., the area on the reflective surface of the transparent object that corresponds to that pixel).
前記制御手段は、明るさが異なる複数の元画像が得られるように、前記照明装置と前記偏光カメラのいずれか又は両方を制御してもよい。鏡面反射光が弱すぎると偏光情報の抽出が困難となるし、鏡面反射光が強すぎても白飛びにより偏光情報が抽出できないため、偏光情報を精度よく抽出するには適切な強度の鏡面反射光を観測することが肝要である。本発明のように明るさが異なる複数の元画像を撮影すれば、いずれかの元画像において適切な強度の鏡面反射光が観測できており、その元画像から信頼性の高い偏光情報を抽出することができると期待できる。 The control means may control either or both of the lighting device and the polarization camera so as to obtain multiple original images with different brightness levels. If the specular reflected light is too weak, it becomes difficult to extract polarization information, and if the specular reflected light is too strong, it becomes impossible to extract polarization information due to overexposure. Therefore, in order to accurately extract polarization information, it is essential to observe specular reflected light of an appropriate intensity. By capturing multiple original images with different brightness levels, as in the present invention, it is possible to observe specular reflected light of an appropriate intensity in one of the original images, and it is expected that reliable polarization information can be extracted from that original image.
前記制御手段は、前記撮影条件として「前記照明装置の照明強度」を異ならせる制御を行ってもよいし、前記撮影条件として「前記偏光カメラの露光時間」を異ならせる制御を行ってもよいし、前記撮影条件として「前記偏光カメラのゲイン」を異ならせる制御を行ってもよい。制御手段は、「前記照明装置の照明強度」、「前記偏光カメラの露光時間」、「前記偏光カメラのゲイン」のうちの2つ以上を同時に制御してもよい。 The control means may perform control to vary the "illumination intensity of the lighting device" as one of the imaging conditions, or may perform control to vary the "exposure time of the polarization camera" as one of the imaging conditions, or may perform control to vary the "gain of the polarization camera" as one of the imaging conditions. The control means may simultaneously control two or more of the "illumination intensity of the lighting device," "exposure time of the polarization camera," and "gain of the polarization camera."
前記制御手段は、前記透明物体に対する照明方向が異なる複数の元画像が得られるよう
に、前記照明装置を制御してもよい。照明方向を変えると、背景などでの拡散反射の状況が変化する。それゆえ、照明方向を変えて撮影した複数の元画像の中から、拡散反射光成分の影響(すなわちノイズ)が最も少なく偏光成分が最も明りょうに現れているものを選択することで、より信頼性の高い偏光情報の抽出が可能となる。
The control means may control the lighting device to obtain a plurality of original images with different lighting directions for the transparent object. Changing the lighting direction changes the state of diffuse reflection in the background, etc. Therefore, by selecting, from the plurality of original images captured with different lighting directions, the image with the least influence of the diffuse reflection component (i.e., noise) and the clearest polarization component, more reliable polarization information can be extracted.
前記照明装置は、独立に点灯可能な複数の光源を有しており、前記制御手段は、点灯する光源を切り替えることによって、前記透明物体に対する照明方向を異ならせてもよい。このような照明装置を用いることで、簡易な制御で高速に照明方向の切り替えが可能となるので、撮影のタクトタイムを短くすることができる。 The lighting device may have multiple light sources that can be turned on independently, and the control means may change the lighting direction relative to the transparent object by switching between the light sources that are turned on. Using such a lighting device allows for quick switching of the lighting direction with simple control, thereby shortening the tact time for photography.
前記偏光抽出処理は、前記元画像の各画素の偏光情報を算出した後に、その算出結果に含まれるノイズを除去ないし低減するノイズ除去処理を含んでもよい。ノイズ除去処理を行うことにより、高品位な偏光情報を抽出することができる。 The polarization extraction process may include a noise removal process that removes or reduces noise contained in the calculation results after calculating the polarization information for each pixel of the original image. By performing the noise removal process, high-quality polarization information can be extracted.
前記ノイズ除去処理は、対象画素とその周辺画素とのあいだで偏光情報を比較することによって、前記対象画素と前記周辺画素の偏光情報が類似するか非類似かを判断し、非類似と判断した場合に、前記対象画素の偏光情報を削除する処理を含んでもよい。このような処理により、信頼性の低い偏光情報を除去することができる。 The noise removal process may include a process of comparing the polarization information of a target pixel and its surrounding pixels to determine whether the polarization information of the target pixel and its surrounding pixels is similar or dissimilar, and deleting the polarization information of the target pixel if it is determined that the polarization information is dissimilar. This process makes it possible to remove unreliable polarization information.
前記ノイズ除去処理は、対象画素とその周辺画素とのあいだで偏光情報を比較することによって、前記対象画素と前記周辺画素の偏光情報が類似するか非類似かを判断し、類似と判断した場合に、前記対象画素の偏光情報を、前記対象画素と前記周辺画素のなかから選択した画素の偏光情報で置き換える処理を含んでもよい。このような処理により、偏光情報がスムージングされるため、偏光情報のSN比をさらに向上することができる。 The noise removal process may include a process of comparing the polarization information of a target pixel and its surrounding pixels to determine whether the polarization information of the target pixel and its surrounding pixels is similar or dissimilar, and if it is determined that the polarization information is similar, replacing the polarization information of the target pixel with the polarization information of a pixel selected from the target pixel and its surrounding pixels. This process smooths the polarization information, further improving the signal-to-noise ratio of the polarization information.
本発明は、照明装置と、透過軸方向の異なる偏光子が規則的に配列された撮像素子を有する偏光カメラと、処理装置と、を備える撮像システムの制御方法であって、前記照明装置と前記偏光カメラのいずれか又は両方を制御することによって、異なる撮影条件で透明物体を撮影するステップと、異なる撮影条件で撮影された複数の元画像を前記処理装置に取り込むステップと、前記処理装置によって、前記複数の元画像のそれぞれに対し、各画素について、前記透明物体での鏡面反射に由来する偏光に関する情報である偏光情報を抽出する、偏光抽出処理を実行し、前記偏光抽出処理によって前記複数の元画像のそれぞれから抽出された複数の偏光情報を合成し、前記偏光情報を画像化した偏光情報画像を生成するステップと、を含むことを特徴とする制御方法を提供してもよい。 The present invention may also provide a control method for an imaging system comprising an illumination device, a polarization camera having an imaging element in which polarizers with different transmission axis directions are regularly arranged, and a processing device, the control method comprising the steps of: photographing a transparent object under different imaging conditions by controlling either or both of the illumination device and the polarization camera; importing into the processing device multiple original images photographed under different imaging conditions; and executing a polarization extraction process using the processing device to extract, for each pixel of each of the multiple original images, polarization information that is information related to polarization resulting from specular reflection on the transparent object; combining the multiple pieces of polarization information extracted from each of the multiple original images by the polarization extraction process; and generating a polarization information image that visualizes the polarization information.
本発明は、上記制御方法の各ステップをプロセッサに実行させるためのプログラムを提供してもよい。 The present invention may also provide a program for causing a processor to execute each step of the above control method.
本発明は、上記手段の少なくとも一部を有する撮像システムとして捉えてもよいし、処理装置、制御装置、あるいは画像処理装置として捉えてもよい。また、本発明は、撮像システムで得られた偏光情報画像を用いて透明物体を検出ないし検査する装置として捉えてもよい。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む撮像システムの制御方法、画像処理方法、検出方法、あるいは検査方法として捉えてもよいし、かかる方法を実現するためのプログラムやそのプログラムを記録した記録媒体として捉えることもできる。なお、上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。 The present invention may be understood as an imaging system having at least some of the above means, or as a processing device, control device, or image processing device. The present invention may also be understood as a device that detects or inspects transparent objects using polarization information images obtained by an imaging system. The present invention may also be understood as a control method, image processing method, detection method, or inspection method for an imaging system that includes at least some of the above processing, or as a program for implementing such a method or a recording medium on which that program is recorded. The above means and processing can be combined with each other to the greatest extent possible to constitute the present invention.
本発明によれば、被写体や状況によらず、偏光情報を安定して抽出することが可能である。 This invention makes it possible to stably extract polarization information regardless of the subject or situation.
<第1実施形態>
(システム構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係る撮像システムの全体構成を模式的に示している。この撮像システム1は、偏光カメラ10を利用して透明物体を画像化するためのシステムであり、例えば、工場の製造ラインにおいて透明物体の検出や検査を行うために利用される。
First Embodiment
(System configuration)
1 is a schematic diagram showing the overall configuration of an imaging system according to a first embodiment of the present invention. This imaging system 1 is a system for capturing an image of a transparent object using a polarization camera 10, and is used, for example, to detect and inspect transparent objects on a factory production line.
撮像システム1は、主な構成として、偏光カメラ10、照明装置11、処理装置12、ステージ13を有して構成される。偏光カメラ10は、偏光子が配列された撮像素子を有する撮像手段である。照明装置11は、ステージ13に配置された被写体(透明物体)Wに照明光Lを照射するための光源である。処理装置12は、撮像システム1全体の制御、および、偏光カメラ10で撮影された画像を用いた情報処理を実行する装置である。ステージ13は、被写体Wを載置ないし保持するための装置である。 The imaging system 1 mainly comprises a polarization camera 10, an illumination device 11, a processing device 12, and a stage 13. The polarization camera 10 is an imaging means having an imaging element with an array of polarizers. The illumination device 11 is a light source for irradiating illumination light L onto a subject (transparent object) W placed on the stage 13. The processing device 12 is a device that controls the entire imaging system 1 and performs information processing using images captured by the polarization camera 10. The stage 13 is a device for placing or holding the subject W.
偏光カメラ10は、ステージ13に配置された被写体Wを天頂方向から撮影するように配置されている。ステージ13と平行にX,Y軸をとり、ステージ13に垂直にZ軸をとったXYZ座標系を考えた場合、偏光カメラ10の光軸はZ軸に平行となる。本システムでは、被写体Wで鏡面反射した光を偏光カメラ10で捉えることが目的のため、被写体表面に対する照明光Lの入射角ができるだけブリュースター角に近い方が望ましい。そこで本実施形態では、照明装置11をステージ13とほぼ同じ高さに(実際上は、照明光Lが
ステージ13で遮られないよう、照明装置11の下端がステージ13の上端とほぼ同じ高さになる程度に)配置し、照明光Lがほぼ真横(Z軸に対し垂直な方向)から被写体Wに入射するようにしている。このような照明配置をローアングル照明とも称する。本実施形態のような天頂カメラとローアングル照明の組み合わせでは、被写体表面への入射角が約45度となる照明光Lの鏡面反射Rが偏光カメラ10で捉えられることとなる。なお、入射角をよりブリュースター角に近づけるために、被写体Wよりも低い位置から照明光Lを当てるような照明配置を採用したり、偏光カメラ10の光軸を照明装置11とは反対側に倒したりしてもよい。
The polarization camera 10 is positioned so as to capture an image of the subject W placed on the stage 13 from the zenith direction. In an XYZ coordinate system with the X and Y axes parallel to the stage 13 and the Z axis perpendicular to the stage 13, the optical axis of the polarization camera 10 is parallel to the Z axis. In this system, the objective is to capture light specularly reflected by the subject W with the polarization camera 10, so it is desirable for the angle of incidence of the illumination light L on the subject surface to be as close to the Brewster's angle as possible. Therefore, in this embodiment, the illumination device 11 is positioned at approximately the same height as the stage 13 (in practice, the lower end of the illumination device 11 is positioned at approximately the same height as the upper end of the stage 13 so that the illumination light L is not blocked by the stage 13), and the illumination light L is incident on the subject W from approximately directly beside it (perpendicular to the Z axis). This illumination arrangement is also referred to as low-angle illumination. With the combination of a zenith camera and low-angle illumination as in this embodiment, the polarization camera 10 captures the specular reflection R of the illumination light L, which has an incident angle of approximately 45 degrees on the subject surface. In order to bring the angle of incidence closer to Brewster's angle, a lighting arrangement may be adopted in which illumination light L is applied from a position lower than the subject W, or the optical axis of the polarization camera 10 may be tilted to the opposite side from the lighting device 11.
(偏光カメラ)
図2を参照して、偏光カメラ10の構成の一例を説明する。図2は、偏光カメラ10の構造を模式的に示す図である。
(polarized camera)
An example of the configuration of the polarization camera 10 will be described with reference to Fig. 2. Fig. 2 is a diagram showing a schematic diagram of the structure of the polarization camera 10.
偏光カメラ10は、撮像素子20に偏光子アレイ21を組み合わせた構造を有する。撮像素子20は、CCD(Charge Coupled Device)センサ、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどの光電変換素子(画素とも称する)が2次元的に配列されたデバイスであり、イメージセンサとも呼ばれる。偏光子アレイ21は、多数の偏光子が2次元的に配列されたデバイスであり、1つの偏光子210が撮像素子20の1つの画素(受光素子)200に対応するように位置およびサイズが設計されている。偏光子210は、特定の方向の直線偏光のみを通過させる性質をもつ光学素子である(偏光子210が透過する直線偏光の振動方向を、その偏光子210の透過軸方向と呼ぶ。)。本実施形態の偏光子アレイ21は、図2に示すように、4種類の透過軸方向(0度、45度、90度、135度)の偏光子210が規則的に配列された構造を有する。具体的には、撮像素子20の2×2の4画素に、それぞれ異なる透過軸方向(0度、45度、90度、135度)の直線偏光成分が入射するような配列パターンがとられている。 The polarization camera 10 has a structure that combines an image sensor 20 with a polarizer array 21. The image sensor 20 is a device in which photoelectric conversion elements (also called pixels), such as a CCD (Charge Coupled Device) sensor or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor, are arranged two-dimensionally, and is also called an image sensor. The polarizer array 21 is a device in which numerous polarizers are arranged two-dimensionally, and the position and size are designed so that one polarizer 210 corresponds to one pixel (light receiving element) 200 of the image sensor 20. The polarizer 210 is an optical element that has the property of only passing linearly polarized light in a specific direction (the vibration direction of the linearly polarized light transmitted by the polarizer 210 is called the transmission axis direction of the polarizer 210). The polarizer array 21 of this embodiment has a structure in which polarizers 210 with four different transmission axis directions (0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees) are regularly arranged, as shown in Figure 2. Specifically, the array pattern is such that linearly polarized light components with different transmission axis directions (0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, 135 degrees) are incident on four 2x2 pixels of the image sensor 20.
撮像素子20および偏光子アレイ21の解像度(画素ピッチ)およびサイズ(画素数)は、被写体や画像の用途に応じて適宜設計すればよい。偏光子アレイ21の実現方法としては、ワイヤーグリッド、フォトニック結晶などがあるが、いずれの方法を用いてもよい。また、図2では、4種類の透過軸方向の偏光子を2×2の4画素に組み合わせたが、偏光子の透過軸方向のバリエーションや配列は他の構成でもよい。 The resolution (pixel pitch) and size (number of pixels) of the image sensor 20 and polarizer array 21 can be designed appropriately depending on the subject and the intended use of the image. The polarizer array 21 can be realized using a wire grid, photonic crystal, or other methods, but either method may be used. Also, while Figure 2 shows four types of polarizers with different transmission axis directions combined into four 2x2 pixels, other variations in the transmission axis directions and arrangement of the polarizers may be used.
(照明装置)
図3Aを参照して、照明装置11の構成の一例を説明する。図3Aは、本実施形態の照明装置11の構造を模式的に示す図であり、偏光カメラ10側からステージ13を視たときの様子を示している。
(Lighting equipment)
An example of the configuration of the illumination device 11 will be described with reference to Fig. 3A. Fig. 3A is a diagram schematically illustrating the structure of the illumination device 11 of this embodiment, showing the state when the stage 13 is viewed from the polarization camera 10 side.
照明装置11は、ステージ13を囲むように配置された、4本の棒状照明30から構成される。4本の棒状照明30を同時に点灯すると、ステージ13上の被写体Wを四方(X正方向、X負方向、Y正方向、Y負方向)から照明することができる。また、いずれかの棒状照明30のみを選択的に点灯させれば、照明方向を切り換えることができる。棒状照明30は、例えば、基板上に配置した複数のLED光源とそれらを覆うように配置した拡散板により構成される。 The lighting device 11 is composed of four rod-shaped lights 30 arranged to surround the stage 13. When all four rod-shaped lights 30 are turned on simultaneously, the subject W on the stage 13 can be illuminated from all four directions (positive X direction, negative X direction, positive Y direction, negative Y direction). Furthermore, the lighting direction can be switched by selectively turning on only one of the rod-shaped lights 30. The rod-shaped lights 30 are composed, for example, of multiple LED light sources arranged on a substrate and a diffuser plate arranged to cover them.
なお、照明装置11の構造は図3Aに示すものに限られない。例えば、図3Bのような円環状の照明装置11を用いてもよい。この構造でも被写体Wを全方位から同時に照明することができる。また、LED光源を選択的に点灯させることで照明方向を任意に切り換えることも可能である。また、全方位照明ではなく、図3Cに示すように特定の方向だけから被写体Wを照明する構成でもよい。例えば、被写体Wの存在範囲が限られていたり、検出したい被写体表面の角度が既知もしくは限られている場合には、必要な方向から照明
すれば足りる。あるいは、図3Cのような照明装置11を用いた場合でも、照明装置11と被写体Wの相対位置を変える(例えば、被写体Wをステージ上で回転させるなど)ことによって全方位的な撮影を行ってもよい。
The structure of the illumination device 11 is not limited to that shown in FIG. 3A . For example, a circular illumination device 11 as shown in FIG. 3B may be used. Even with this structure, the subject W can be simultaneously illuminated from all directions. Furthermore, the illumination direction can be arbitrarily switched by selectively turning on the LED light sources. Instead of omnidirectional illumination, a configuration in which the subject W is illuminated only from a specific direction, as shown in FIG. 3C , may be used. For example, if the range of the subject W is limited or the angle of the subject surface to be detected is known or limited, it is sufficient to illuminate from the required direction. Alternatively, even when the illumination device 11 as shown in FIG. 3C is used, omnidirectional imaging may be performed by changing the relative position of the illumination device 11 and the subject W (e.g., by rotating the subject W on a stage).
(処理装置)
図4を参照して、処理装置12の構成の一例を説明する。図4は、本実施形態の処理装置12の論理構成(機能構成)を示すブロック図である。
(Processing device)
An example of the configuration of the processing device 12 will be described with reference to Fig. 4. Fig. 4 is a block diagram showing the logical configuration (functional configuration) of the processing device 12 of this embodiment.
処理装置12は、主な構成として、カメラ制御部40、照明制御部41、画像処理部42を有する。カメラ制御部40は、偏光カメラ10の制御を担う。例えば、カメラ制御部40は、偏光カメラ10の撮像条件(露光時間、ゲインなど)の制御、偏光カメラ10からの画像データの取り込み、偏光カメラ10のキャリブレーションなどを実行する。照明制御部41は、照明装置11の制御を担う。例えば、照明制御部41は、照明条件(発光強度、発光時間など)の制御、光源ごとの点灯/消灯の制御などを実行する。画像処理部42は、偏光カメラ10から取り込まれた画像に対する処理を実行する。 The processing device 12 mainly comprises a camera control unit 40, an illumination control unit 41, and an image processing unit 42. The camera control unit 40 controls the polarization camera 10. For example, the camera control unit 40 controls the imaging conditions of the polarization camera 10 (exposure time, gain, etc.), captures image data from the polarization camera 10, and calibrates the polarization camera 10. The illumination control unit 41 controls the illumination device 11. For example, the illumination control unit 41 controls the illumination conditions (emission intensity, emission time, etc.) and controls the on/off of each light source. The image processing unit 42 processes the images captured from the polarization camera 10.
本実施形態の画像処理部42は、画像取得部420、偏光抽出部421、偏光情報画像生成部422、表示部423、パラメータ受付部424などの機能を有する。画像取得部420は、偏光カメラ10によって撮影された画像(以下「元画像」とも称する)をカメラ制御部40を介して取得する。偏光抽出部421は、元画像から偏光情報を抽出する偏光抽出処理を行う。偏光情報は、透明物体での鏡面反射に由来する偏光に関する情報である。偏光情報画像生成部422は、偏光抽出処理の抽出結果に基づいて偏光情報を表す画像(以下「偏光情報画像」とも称する)を生成する。表示部423は、生成された偏光情報画像をディスプレイ装置に表示する処理を行う。パラメータ受付部424は、撮像システム1の動作を決定する各種の条件設定(パラメータ)の変更を受け付ける機能である。画像処理部42の各処理の詳細は後述する。 The image processing unit 42 of this embodiment has functions such as an image acquisition unit 420, a polarization extraction unit 421, a polarization information image generation unit 422, a display unit 423, and a parameter reception unit 424. The image acquisition unit 420 acquires an image captured by the polarization camera 10 (hereinafter also referred to as the "original image") via the camera control unit 40. The polarization extraction unit 421 performs polarization extraction processing to extract polarization information from the original image. Polarization information is information related to polarization resulting from specular reflection on a transparent object. The polarization information image generation unit 422 generates an image representing polarization information (hereinafter also referred to as the "polarization information image") based on the extraction results of the polarization extraction processing. The display unit 423 performs processing to display the generated polarization information image on a display device. The parameter reception unit 424 has a function to accept changes to various condition settings (parameters) that determine the operation of the imaging system 1. Details of each process of the image processing unit 42 will be described later.
処理装置12は、例えば、CPU・GPUなどのプロセッサ、主記憶としてのメモリ、補助記憶としてのストレージ、ディスプレイ装置、マウスやタッチパネルなどの入力装置、ネットワークI/F等を備えたコンピュータにより構成してもよい。コンピュータとしては、パーソナルコンピュータ、タブレット端末、スマートフォン、フィールドコンピュータなどの汎用コンピュータを利用してもよいし、組み込み型コンピュータや専用装置でもよいし、偏光カメラ10やPLC(Programmable logic Controller)といった他の装
置のコンピュータ資源を利用するものであってもよい。図4に示す構成は、ストレージなどに格納されたプログラムをメモリにロードしプロセッサによって実行することにより、実現される。ただし、図4に示す構成の一部もしくは全部を、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)などの専用デバイスで構成してもよい。また、クラウドコンピューティングや分散コンピューティングを利用して、図4に示す構成の一部や処理の一部を他の装置で実行してもよい。
The processing device 12 may be configured, for example, by a computer including a processor such as a CPU or GPU, a memory serving as a main memory, a storage serving as an auxiliary memory, a display device, an input device such as a mouse or a touch panel, a network I/F, etc. The computer may be a general-purpose computer such as a personal computer, a tablet terminal, a smartphone, or a field computer, an embedded computer, a dedicated device, or a device that utilizes computer resources of another device such as the polarization camera 10 or a programmable logic controller (PLC). The configuration shown in FIG. 4 is realized by loading a program stored in a storage device or the like into memory and executing it with a processor. However, part or all of the configuration shown in FIG. 4 may be configured with a dedicated device such as an application-specific integrated circuit (ASIC) or a field programmable gate array (FPGA). Furthermore, part of the configuration or part of the processing shown in FIG. 4 may be executed by another device using cloud computing or distributed computing.
(偏光カメラによる透明物体検出)
偏光カメラによる透明物体検出の基本原理について説明する。
(Transparent object detection using a polarization camera)
This section explains the basic principles of transparent object detection using a polarization camera.
図5Aに示すように、ガラスや透明樹脂などの透明物体Wに光50が斜めに入射したとき、入射光50の大部分は屈折光51となり透明物体Wを透過するが、入射光50の一部は透明物体Wの表面(界面)において鏡面反射し、反射光52となる。この鏡面反射において、入射光50に含まれるp波(電界の振動方向が入射面に平行な偏光成分)とs波(電界の振動方向が入射面に垂直な(つまり反射面に平行な)偏光成分)との間に反射率の差が生じる。図5Bは、横軸に入射角、縦軸に反射率をとり、s波とp波の反射率の差の一例を示したものである。この例に示すように、s波の反射率は入射角αに応じて単調増
加するが、p波の反射率は入射角αが0度から増すに従い徐々に減少し、ある角度(ブリュースター角と呼ばれる)で反射率が0となる。したがって、鏡面反射の場合に観測される反射光52は、s波、すなわち、反射面である透明物体Wの表面に平行な方向に振動する偏光成分が支配的となる。このような性質を利用し、偏光カメラによって偏光をとらえることで、透明物体Wの表面(反射面)を画像化することができる。
As shown in FIG. 5A , when light 50 is obliquely incident on a transparent object W, such as glass or transparent resin, most of the incident light 50 becomes refracted light 51 and passes through the transparent object W, while a portion of the incident light 50 is specularly reflected at the surface (interface) of the transparent object W and becomes reflected light 52. This specular reflection results in a difference in reflectance between the p-wave (polarized component whose electric field vibration direction is parallel to the plane of incidence) and the s-wave (polarized component whose electric field vibration direction is perpendicular to the plane of incidence (i.e., parallel to the reflecting surface)) contained in the incident light 50. FIG. 5B , with the horizontal axis representing the angle of incidence and the vertical axis representing the reflectance, shows an example of the difference in reflectance between the s-wave and the p-wave. As shown in this example, the reflectance of the s-wave monotonically increases with the angle of incidence α, while the reflectance of the p-wave gradually decreases as the angle of incidence α increases from 0 degrees, reaching zero at a certain angle (called the Brewster angle). Therefore, the reflected light 52 observed in the case of specular reflection is dominated by the s-wave, i.e., the polarized component vibrating in a direction parallel to the surface of the transparent object W, which is the reflecting surface. By utilizing this property and capturing polarized light with a polarization camera, the surface (reflective surface) of the transparent object W can be imaged.
ところで、偏光カメラには、鏡面反射による偏光だけでなく、被写体や背景などで拡散反射した光も入射する。透明物体の画像化においては、拡散反射光成分は不要でありアーチファクトの原因ともなることから、まずは偏光カメラの画像から偏光成分のみを抽出する必要がある。そのために、本実施形態では、偏光子による透過特性の違いを利用する。 By the way, not only polarized light due to specular reflection but also light diffusely reflected from the subject and background enters a polarization camera. When imaging transparent objects, the diffusely reflected light component is unnecessary and can cause artifacts, so it is first necessary to extract only the polarized light component from the polarization camera image. To achieve this, this embodiment utilizes the difference in transmission characteristics caused by polarizers.
図6を参照して、偏光カメラの画像から偏光成分を抽出する方法を説明する。受光素子で受光される偏光成分の強度は、偏光方向θと偏光子の透過軸方向とが一致した場合に最大となり、透過軸方向が偏光方向θからずれるに従い減少し、透過軸方向と偏光方向θが直交する場合に最小となる。つまり、偏光子の透過軸方向を0度~180度まで変化させていくと、受光素子で受光される偏光成分の強度は正弦波のように変化する。一方、入射光に含まれる拡散反射光成分の強度は、偏光子の透過軸方向に依らず、一定である。したがって、透過軸方向の異なる複数種類の偏光子を通して観測したときの光強度の変化(透過軸方向依存性)に基づいて、入射光に含まれる偏光成分の情報だけを抽出することができる。 Referring to Figure 6, we will explain how to extract polarization components from images captured by a polarization camera. The intensity of the polarization component received by the light receiving element is maximum when the polarization direction θ and the transmission axis direction of the polarizer are aligned. It decreases as the transmission axis direction deviates from the polarization direction θ, and is minimum when the transmission axis direction and the polarization direction θ are perpendicular. In other words, as the transmission axis direction of the polarizer is changed from 0 degrees to 180 degrees, the intensity of the polarization component received by the light receiving element changes like a sine wave. On the other hand, the intensity of the diffusely reflected light component contained in the incident light remains constant, regardless of the transmission axis direction of the polarizer. Therefore, it is possible to extract only information about the polarization component contained in the incident light based on the change in light intensity when observed through multiple types of polarizers with different transmission axis directions (transmission axis direction dependence).
例えば、図6に示すように、透過軸方向が0度、45度、90度、135度の4種類の偏光子210を通して、偏光方向θの偏光成分を含む入射光を観測するケースを想定する。このとき、各偏光子210に対応する画素200の値(透過光の光強度に相当)には、透過軸方向に依存した差が生じている。この4点の画素値に対し、正弦波をフィッティングすることで、偏光成分の偏光方向θおよび偏光強度を推定できる。図6において、フィッティングカーブが最大となる角度が偏光成分の偏光方向θを表し、フィッティングカーブの振幅が偏光強度(偏光度とも呼ぶ)を表している。偏光カメラ10で得られた画像の各画素について、このような偏光抽出処理を適用することにより、偏光カメラ10の視野内に存在する透明物体Wで鏡面反射した偏光の情報(偏光方向、偏光強度など)をとらえることができる。 For example, as shown in Figure 6, consider a case in which incident light containing a polarization component with a polarization direction θ is observed through four polarizers 210 with transmission axis directions of 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees. In this case, the values of the pixels 200 corresponding to each polarizer 210 (corresponding to the light intensity of the transmitted light) differ depending on the transmission axis direction. By fitting a sine wave to these four pixel values, the polarization direction θ and polarization intensity of the polarization component can be estimated. In Figure 6, the angle at which the fitting curve is maximized represents the polarization direction θ of the polarization component, and the amplitude of the fitting curve represents the polarization intensity (also called the degree of polarization). By applying this polarization extraction process to each pixel of the image obtained by the polarization camera 10, information (such as polarization direction and polarization intensity) about the polarized light specularly reflected by a transparent object W present within the field of view of the polarization camera 10 can be captured.
本実施形態の偏光抽出部421による偏光抽出処理も、透過軸方向の異なる複数種類の偏光子を通して観測したときの光強度の変化(透過軸方向依存性)に基づいて偏光情報を抽出する、という基本的な原理は同じである。ただし、精度やユーザビリティのさらなる向上を図るため、マスクサイズ(偏光を算出するときに参照する近傍画素の範囲を規定するパラメータ)の選択、ノイズ除去などのユニークな処理を加えている。詳しくは後述する。 The polarization extraction process performed by the polarization extraction unit 421 in this embodiment also follows the same basic principle of extracting polarization information based on changes in light intensity (transmission axis direction dependency) when observed through multiple types of polarizers with different transmission axis directions. However, to further improve accuracy and usability, unique processing such as selection of mask size (a parameter that defines the range of neighboring pixels to be referenced when calculating polarization) and noise removal has been added. Details will be provided later.
(撮像システムの動作例)
図7のフローチャートに沿って、撮像システム1の動作の一例を説明する。
(Example of operation of imaging system)
An example of the operation of the imaging system 1 will be described with reference to the flowchart of FIG.
ステップS70にて、被写体Wとなる透明物体がステージ13上に配置される。ロボットや搬送装置を利用して被写体Wを搬送・位置決めしてもよいし、作業者がステージ13上に被写体Wをセットしてもよい。 In step S70, a transparent object that will serve as subject W is placed on stage 13. The subject W may be transported and positioned using a robot or transport device, or a worker may set the subject W on stage 13.
ステップS71にて、処理装置12の照明制御部41が、照明装置11の照明条件を設定する。本実施形態の照明装置11は照明強度を1~4の4段階に切り替え可能であり、照明制御部41は、まず照明強度を1(最も暗い状態)に設定する。 In step S71, the lighting control unit 41 of the processing device 12 sets the lighting conditions for the lighting device 11. In this embodiment, the lighting device 11 can switch the lighting intensity between four levels, 1 to 4, and the lighting control unit 41 first sets the lighting intensity to 1 (the darkest state).
ステップS72にて、被写体Wの撮影が行われる。具体的には、照明制御部41が与えられた照明条件に従って照明装置11を点灯させ、被写体Wに照明光を照射する。そして、被写体Wを照明した状態で、カメラ制御部40が与えられた撮像条件に従って偏光カメラ10を制御し、撮影を行う。 In step S72, the subject W is photographed. Specifically, the lighting control unit 41 turns on the lighting device 11 according to the given lighting conditions, and irradiates the subject W with illumination light. Then, with the subject W illuminated, the camera control unit 40 controls the polarization camera 10 according to the given imaging conditions to photograph the subject.
ステップS73にて、処理装置12の画像取得部420が、ステップS72で撮影された画像(元画像)を偏光カメラ10から取り込む。取り込まれた元画像データは、メモリ又はストレージに格納され、画像処理部42による処理に供される。 In step S73, the image acquisition unit 420 of the processing device 12 captures the image (original image) captured in step S72 from the polarization camera 10. The captured original image data is stored in memory or storage and is then processed by the image processing unit 42.
ステップS74にて、処理装置12は全ての撮影条件での撮影が完了したかを確認し、未完了であればステップS71に戻って次の撮影条件での撮影を行う。すなわち、ステップS71にて、照明制御部41が照明装置11の照明強度を2に変更し、ステップS72にて、再び被写体Wが撮影され、ステップS73にて、照明強度2に対応する元画像が取り込まれる。本実施形態では、ステップS71~S74の処理が4回繰り返され、同じ被写体Wに関し、明るさが異なる4枚の元画像が処理装置12に取り込まれる。全ての撮影条件での撮影が完了すると、ステップS75に進む。 In step S74, the processing device 12 checks whether image capture under all shooting conditions has been completed. If not, the process returns to step S71 and performs image capture under the next shooting condition. That is, in step S71, the lighting control unit 41 changes the illumination intensity of the lighting device 11 to 2, in step S72, the subject W is captured again, and in step S73, an original image corresponding to illumination intensity 2 is captured. In this embodiment, the processes of steps S71 to S74 are repeated four times, and four original images of the same subject W with different brightnesses are captured by the processing device 12. When image capture under all shooting conditions has been completed, the process proceeds to step S75.
ステップS75にて、パラメータ受付部424が提供するユーザインターフェイスを利用して、ユーザが、画像処理部42で用いられる画像処理パラメータを入力する。なお、画像処理パラメータを変更する必要がなければ、ステップS74の処理はスキップしてもよい。また、画像処理パラメータの設定は、撮影の前に行ってもよい。 In step S75, the user inputs the image processing parameters to be used by the image processing unit 42 using the user interface provided by the parameter receiving unit 424. Note that if there is no need to change the image processing parameters, the processing of step S74 may be skipped. Furthermore, the image processing parameters may be set before capturing an image.
図8は、パラメータ受付部424が提供する画像処理パラメータ入力用のユーザインターフェイス(UI)の一例である。このUI画面は、マスクサイズ設定80、ノイズ除去設定81、表示画像設定82、全体画像表示エリア83、拡大画像表示エリア84、拡大設定85から構成されている。マスクサイズ設定80は、元画像から偏光情報を算出するときに参照する近傍画素の範囲を規定する「マスクサイズ」を設定するためのUIである。図8の例では、2×2、3×3、4×4、5×5のなかからマスクサイズを選択させるようになっているが、ユーザに任意のサイズを入力させるようにしてもよい。ノイズ除去設定81は、偏光情報の算出結果に含まれるノイズを除去ないし低減する「ノイズ除去処理」に関する条件を設定するためのUIである。図8の例では、ノイズ除去処理を適用するか否かを選択可能であり、「あり」の場合には、さらに、ノイズ除去処理で用いるパラメータ(比較範囲、偏光角度差閾値、偏光強度差閾値)を入力可能である。 Figure 8 shows an example of a user interface (UI) for inputting image processing parameters provided by the parameter receiving unit 424. This UI screen consists of a mask size setting 80, a noise reduction setting 81, a display image setting 82, a full image display area 83, a magnified image display area 84, and a magnification setting 85. The mask size setting 80 is a UI for setting the "mask size," which defines the range of neighboring pixels to be referenced when calculating polarization information from the original image. In the example of Figure 8, the user is prompted to select a mask size from 2x2, 3x3, 4x4, and 5x5; however, the user may also be prompted to input an arbitrary size. The noise reduction setting 81 is a UI for setting conditions for the "noise reduction process," which removes or reduces noise contained in the polarization information calculation results. In the example of Figure 8, the user can select whether or not to apply noise reduction. If "yes," the user can also input parameters to be used in the noise reduction process (comparison range, polarization angle difference threshold, polarization intensity difference threshold).
表示画像設定82は、全体画像表示エリア83および拡大画像表示エリア84に表示する画像の種類を設定するためのUIである。図8の例では、元画像、偏光強度画像、偏光方向画像、明度画像のなかから選択可能となっている。全体画像表示エリア83は、全体画像(低解像度)が表示されるエリアであり、拡大画像表示エリア84は、画像の一部分(枠86で示される部分)が高解像度で表示されるエリアである。また、拡大設定85は、拡大画像表示エリア84に表示する拡大画像の倍率や範囲を設定するためのUIである。 The display image settings 82 are a UI for setting the type of image to be displayed in the full image display area 83 and the enlarged image display area 84. In the example of Figure 8, the original image, polarization intensity image, polarization direction image, and brightness image can be selected. The full image display area 83 is an area where the full image (low resolution) is displayed, and the enlarged image display area 84 is an area where a portion of the image (the portion indicated by the frame 86) is displayed at high resolution. The enlargement settings 85 are a UI for setting the magnification and range of the enlarged image to be displayed in the enlarged image display area 84.
ステップS76にて、偏光抽出部421が、ステップS73で取り込まれた複数の元画像から偏光情報を算出する。偏光情報算出処理の詳細は後述する。 In step S76, the polarization extraction unit 421 calculates polarization information from the multiple original images captured in step S73. Details of the polarization information calculation process will be described later.
ステップS77にて、偏光抽出部421が、ステップS76の算出結果に対してノイズ除去処理を適用する。なお、図8のUIにおいてノイズ除去「なし」に設定されている場合は、ステップS77の処理はスキップされる。ノイズ除去処理の詳細は後述する。 In step S77, the polarization extraction unit 421 applies noise removal processing to the calculation results of step S76. Note that if noise removal is set to "No" in the UI of FIG. 8, the processing of step S77 is skipped. Details of the noise removal processing will be described later.
ステップS78にて、偏光情報画像生成部422が、偏光抽出部421によって複数の
元画像のそれぞれから抽出された複数の偏光情報を合成し、偏光情報画像を生成する。画像生成処理の詳細は後述する。本実施形態では、偏光情報画像として、偏光強度画像、偏光方向画像、明度画像の3種類の画像が生成される。偏光強度画像は、偏光強度(偏光の程度)を濃淡で表す画像であり、偏光方向画像は、偏光方向を濃淡もしくは疑似色で表す画像である。また、明度画像は、偏光成分の光強度を濃淡で表す画像である。
In step S78, the polarization information image generation unit 422 combines the multiple pieces of polarization information extracted from the multiple original images by the polarization extraction unit 421 to generate a polarization information image. Details of the image generation process will be described later. In this embodiment, three types of images are generated as polarization information images: a polarization intensity image, a polarization direction image, and a brightness image. The polarization intensity image is an image that represents the polarization intensity (degree of polarization) using shades, and the polarization direction image is an image that represents the polarization direction using shades or pseudo-colors. The brightness image is an image that represents the light intensity of the polarized component using shades.
ステップS79では、表示部423が、図8のUIの表示画像設定82で選択されている画像を全体画像表示エリア83および拡大画像表示エリア84に表示する。 In step S79, the display unit 423 displays the image selected in the display image settings 82 of the UI in Figure 8 in the full image display area 83 and enlarged image display area 84.
ここで、ユーザが、図8のUI上で表示画像設定82を変更すると、それに応じて全体画像表示エリア83および拡大画像表示エリア84に表示される画像が切り替わる。このUIを利用することにより、元画像の様子と、偏光情報(偏光強度、偏光方向、明度)とを見比べることができるので、例えば、偏光情報の算出やノイズの除去が適切に行われているか確認したり、透明物体の形状や状態を確認したりする作業が容易になる。なお、図8のUI上でマスクサイズ設定80やノイズ除去設定81が変更された場合に、ステップS76~S79の処理が再度実行されてもよい。このようなUIを利用することにより、演算結果(偏光情報画像)を確認しながら、画像処理パラメータ(マスクサイズ、ノイズ除去の有無、比較範囲、閾値など)の追い込みを行うことができる。 Here, when the user changes the display image setting 82 on the UI of Figure 8, the images displayed in the full image display area 83 and the enlarged image display area 84 change accordingly. Using this UI allows the user to visually compare the appearance of the original image with the polarization information (polarization intensity, polarization direction, brightness), making it easy to, for example, check whether the polarization information calculation and noise removal have been performed appropriately, or check the shape and state of transparent objects. Note that if the mask size setting 80 or noise removal setting 81 is changed on the UI of Figure 8, steps S76 to S79 may be executed again. Using such a UI allows the user to fine-tune image processing parameters (mask size, whether or not to perform noise removal, comparison range, threshold, etc.) while checking the calculation results (polarization information image).
本実施形態では、撮影条件として照明装置11の照明条件を変更したが、偏光カメラ10の撮像条件を変更することでも、明るさが異なる画像を撮影することが可能である。例えば、処理装置12のカメラ制御部40が偏光カメラ10の露光時間を変更する制御を行ってもよい。露光時間を長くするほど、撮像素子の受光量が増えるため、明るい画像を撮影することができる。あるいは、カメラ制御部40が偏光カメラ10のゲインを変更する制御を行ってもよい。ゲインは撮像素子での増幅率であり、ゲインを大きくするほど、明るい画像が得られる。もちろん、照明装置11の照明条件と偏光カメラ10の撮像条件の両方を制御しても構わない。 In this embodiment, the lighting conditions of the lighting device 11 were changed as the shooting conditions, but images with different brightness levels can also be captured by changing the imaging conditions of the polarization camera 10. For example, the camera control unit 40 of the processing device 12 may control the exposure time of the polarization camera 10. The longer the exposure time, the greater the amount of light received by the imaging element, and therefore brighter images can be captured. Alternatively, the camera control unit 40 may control the gain of the polarization camera 10. Gain is the amplification factor of the imaging element, and the higher the gain, the brighter the image obtained. Of course, it is also possible to control both the lighting conditions of the lighting device 11 and the imaging conditions of the polarization camera 10.
(偏光情報算出処理)
図9および図10A~図10Dを参照して、偏光抽出部421の偏光情報算出処理(図7のステップS76)の実装例を説明する。図9は偏光情報算出処理のフローチャートであり、図10A~図10Dは近傍画素の例を示す図である。ここでは、元画像のサイズ(画素数)をM行×N列とし、i行j列の画素を(i,j)、その画素の画素値(光強度)をI(i,j)と表記する(i=1,2,・・・,M、j=1,2,・・・,N)。図10A~図10Dは元画像の一部を拡大して示したものであり、一つ一つの矩形が画素を表し、画素内の矢印は透過軸方向を表し、欄外に記載した記号は画素の行番号と列番号を表している。
(Polarization information calculation process)
An example implementation of the polarization information calculation process (step S76 in FIG. 7 ) of the polarization extraction unit 421 will be described with reference to FIG. 9 and FIGS. 10A to 10D. FIG. 9 is a flowchart of the polarization information calculation process, and FIGS. 10A to 10D are diagrams showing examples of neighboring pixels. Here, the size (number of pixels) of the original image is assumed to be M rows and N columns, the pixel in row i and column j is represented as (i, j), and the pixel value (light intensity) of that pixel is represented as I(i, j) (i = 1, 2, ..., M, j = 1, 2, ..., N). FIGS. 10A to 10D show enlarged portions of the original image, with each rectangle representing a pixel, the arrow within the pixel indicating the transmission axis direction, and the symbols in the margins representing the pixel's row number and column number.
ステップS10にて、偏光抽出部421は、図7のステップS71~S74において異なる撮影条件で撮影された複数の元画像のなかから、処理対象の元画像を1つ選択する。本実施形態では、ステップS10において、照明強度1で撮影された元画像、照明強度2で撮影された元画像、照明強度3で撮影された元画像、照明強度4で撮影された元画像の順に選択されるものとする。 In step S10, the polarization extraction unit 421 selects one original image to be processed from among multiple original images captured under different shooting conditions in steps S71 to S74 of FIG. 7. In this embodiment, in step S10, the original images captured at illumination intensity 1, illumination intensity 2, illumination intensity 3, and illumination intensity 4 are selected in that order.
ステップS11にて、偏光抽出部421は、元画像から演算対象とする注目画素を選択する。ステップS11では、(1,1)から(M,N)まで注目画素が順に選択されるものとする。 In step S11, the polarization extraction unit 421 selects a pixel of interest from the original image to be used for calculation. In step S11, the pixels of interest are selected in order from (1,1) to (M,N).
ステップS12にて、偏光抽出部421は、注目画素の偏光情報を算出する際に参照する近傍画素を選択する。ここで選択する近傍画素の範囲は、図8のマスクサイズ設定80
で指定されたマスクサイズで決まる。まずは、デフォルトのマスクサイズである2×2の場合を例に挙げて説明する。マスクサイズが2×2の場合、図10Aに示すように、注目画素(i,j)に隣接する3つの画素(i-1,j-1)、(i-1,j)、(i,j-1)が近傍画素として選択される。なお、注目画素が元画像の境界にあり、近傍画素が存在しない場合には、ステップS12~S13の処理をスキップしてもよいし、適当な値でパディングしてもよい。
In step S12, the polarization extraction unit 421 selects neighboring pixels to be referenced when calculating polarization information for the pixel of interest. The range of neighboring pixels to be selected here is determined by the mask size setting 80 in FIG.
The mask size is determined by the mask size specified in . First, an example of the default mask size of 2 × 2 will be explained. When the mask size is 2 × 2, as shown in FIG. 10A, three pixels (i-1, j-1), (i-1, j), and (i, j-1) adjacent to the pixel of interest (i, j) are selected as neighboring pixels. Note that if the pixel of interest is on the boundary of the original image and there are no neighboring pixels, the processing of steps S12 and S13 may be skipped, or an appropriate value may be padded.
ステップS13にて、偏光抽出部421は、注目画素と近傍画素の光強度(画素値)を基に、注目画素の偏光情報を算出する。透過軸方向が0度、45度、90度、135度の光強度をそれぞれI1、I2、I3、I4とおいた場合、例えば、注目画素の明度I0、偏光方向θ、偏光強度Dは下記式により求まる。
図10Aの例では、4つの画素(i-1,j-1)、(i-1,j)、(i,j-1)、(i,j)に対応する透過軸方向は、それぞれ、90度、135度、45度、0度であるから、式(1)~(3)におけるI1~I4は下記式で与えられる。
I1=I(i,j)
I2=I(i,j-1)
I3=I(i-1,j-1)
I4=I(i-1,j)
In the example of FIG. 10A, the transmission axis directions corresponding to the four pixels (i-1, j-1), (i-1, j), (i, j-1), and (i, j) are 90 degrees, 135 degrees, 45 degrees, and 0 degrees, respectively, and therefore I1 to I4 in equations (1) to (3) are given by the following equations.
I1 = I(i, j)
I2=I(i,j-1)
I3=I(i-1,j-1)
I4=I(i-1,j)
式(1)の明度I0は、注目画素に入射する入射光の強度を表す指標である。式(2)の偏光方向θは、注目画素に入射する入射光に含まれる偏光成分の主軸方位を表す。式(3)の偏光強度Dは、注目画素に入射する入射光に含まれる偏光成分の偏光の程度を表す指標である。 The brightness I0 in equation (1) is an index representing the intensity of the incident light entering the pixel of interest. The polarization direction θ in equation (2) represents the principal axis direction of the polarization component contained in the incident light entering the pixel of interest. The polarization intensity D in equation (3) is an index representing the degree of polarization of the polarization component contained in the incident light entering the pixel of interest.
なお、上記式(1)~(3)は一例であり、他の計算式によって明度、偏光方向、偏光強度に相当する指標を計算しても構わない。例えば、式(1)~(3)における係数を他のものに置き換えたり、式(3)を下記の式(4)に置き換えてもよい。
ステップS14にて、偏光抽出部421は、元画像のすべての画素に対して偏光情報の算出処理が完了したか(すなわち、i=Mかつj=Nであるか)確認し、未処理の画素がある場合にはステップS11に戻って次の注目画素に対する処理を実行する。 In step S14, the polarization extraction unit 421 checks whether the calculation of polarization information has been completed for all pixels in the original image (i.e., whether i = M and j = N), and if there are any unprocessed pixels, it returns to step S11 and performs processing on the next pixel of interest.
ステップS15にて、偏光抽出部421は、すべての元画像に対して偏光情報の算出処理が完了したか確認し、未処理の元画像がある場合にはステップS10に戻って次の元画像に対する処理を実行する。 In step S15, the polarization extraction unit 421 checks whether the polarization information calculation process has been completed for all original images, and if there are any unprocessed original images, it returns to step S10 to process the next original image.
以上述べた処理により、すべての元画像のすべての画素について、3項目の偏光情報(偏光方向θ、偏光強度D、明度I0)が算出される。偏光情報算出処理の演算結果は、例えば、各画素の座標(i,j)と偏光方向θ(i,j)・偏光強度D(i,j)・明度I0(i,j)とを対応付けたデータ形式でメモリ又はストレージに保存され、後段の処理に供される。 Three items of polarization information (polarization direction θ, polarization intensity D, and brightness I0) are calculated for every pixel in every original image through the above-described process. The results of the polarization information calculation process are saved in memory or storage in a data format that associates the coordinates (i,j) of each pixel with the polarization direction θ(i,j), polarization intensity D(i,j), and brightness I0(i,j), and are then used for subsequent processing.
次に、図10B~図10Dを参照して、マスクサイズが2×2より大きい場合の処理例を説明する。 Next, we will explain a processing example when the mask size is larger than 2x2, with reference to Figures 10B to 10D.
図10Bに示すように、マスクサイズが3×3の場合は、ステップS12において、注目画素(i,j)に隣接する8つの画素(i-1,j-1)、(i-1,j)、(i-1,j+1)、(i,j-1)、(i,j+1)、(i+1,j-1)、(i+1,j)、(i+1,j+1)が近傍画素として選択される。図10Bの例では、注目画素と近傍画素を合わせた9つの画素群のなかに、透過軸方向が0度の画素が1つ、45度の画素と135度の画素が2つずつ、90度の画素が4つ含まれる。このように透過軸方向が同じ画素が複数存在する場合には、ステップS13の演算において、透過軸方向ごとの画素の代表値を式(1)~(3)のI1~I4に代入すればよい。 As shown in Figure 10B, when the mask size is 3x3, in step S12, the eight pixels (i-1,j-1), (i-1,j), (i-1,j+1), (i,j-1), (i,j+1), (i+1,j-1), (i+1,j), and (i+1,j+1) adjacent to the pixel of interest (i,j) are selected as neighboring pixels. In the example of Figure 10B, the nine pixel group consisting of the pixel of interest and its neighboring pixels includes one pixel with a transmission axis direction of 0 degrees, two pixels with a transmission axis direction of 45 degrees, two pixels with a transmission axis direction of 135 degrees, and four pixels with a transmission axis direction of 90 degrees. When there are multiple pixels with the same transmission axis direction, the calculation in step S13 simply involves substituting representative values for the pixels in each transmission axis direction into I1 to I4 in equations (1) to (3).
例えば、代表値として平均値を用いる場合であれば、I1~I4は下記式で与えられる。
I1=I(i,j)
I2={I(i,j-1)+I(i,j+1)}/2
I3={I(i-1,j-1)+I(i-1,j+1)+I(i+1,j-1)+I(i+1,j+1)}/4
I4={I(i,j-1)+I(i,j+1)}/2
For example, when the average value is used as the representative value, I1 to I4 are given by the following formula.
I1 = I(i, j)
I2={I(i,j-1)+I(i,j+1)}/2
I3={I(i-1,j-1)+I(i-1,j+1)+I(i+1,j-1)+I(i+1,j+1)}/4
I4={I(i,j-1)+I(i,j+1)}/2
代表値としては、平均値の他、最頻値、中間値、最大値、最小値などを用いてもよい。また、代表値を用いずに、9つの画素の値に対し正弦波のフィッティングを行うことで、I1~I4を推定するか、又は、明度I0、偏光方向θ、偏光強度Dを直接計算してもよい。 In addition to the average value, the mode, median, maximum value, minimum value, etc. may also be used as the representative value. Alternatively, instead of using the representative value, I1 to I4 may be estimated by fitting a sine wave to the values of the nine pixels, or the brightness I0, polarization direction θ, and polarization intensity D may be calculated directly.
図10Cは、マスクサイズが4×4の例である。マスクサイズ3×3のときの8つの近傍画素にさらに7つの画素(i-2,j-2)、(i-2,j-1)、(i-2,j)、(i-2,j+1)、(i-1,j-2)、(i,j-2)、(i+1,j-2)を加えた範囲が選択される。図10Cの例では、選択範囲のなかに0度、45度、90度、135度の画素が4つずつ含まれる。この場合も、3×3の場合と同じく、透過軸方向ごとの代表値をI1~I4に代入するか、16個の画素の値に対し正弦波のフィッティングを行えばよい。 Figure 10C shows an example where the mask size is 4x4. When the mask size is 3x3, the range selected is the eight neighboring pixels plus seven more pixels: (i-2, j-2), (i-2, j-1), (i-2, j), (i-2, j+1), (i-1, j-2), (i, j-2), (i+1, j-2). In the example of Figure 10C, the selected range includes four pixels each at 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees. In this case, as with the 3x3 case, you can either substitute representative values for each transmission axis direction for I1 to I4, or perform sine wave fitting on the values of the 16 pixels.
図10Dは、マスクサイズが5×5の例である。マスクサイズ4×4のときの15個の近傍画素にさらに9つの画素(i-2,j+2)、(i-1,j+2)、(i,j+2)、(i+1,j+2)、(i+2,j-2)、(i+2,j-1)、(i+2,j)、(i+2,j+1)、(i+2,j+2)を加えた範囲が選択される。図10Dの例では、選択範囲のなかに0度の画素が9つ、45度の画素と135度の画素が6つずつ、90度の画素が4つ含まれる。この場合も、3×3の場合と同じく、透過軸方向ごとの代表値をI1~I4に代入するか、25個の画素の値に対し正弦波のフィッティングを行えばよい。 Figure 10D shows an example with a 5x5 mask size. The range selected is the 15 neighboring pixels from a 4x4 mask size plus an additional nine pixels: (i-2, j+2), (i-1, j+2), (i, j+2), (i+1, j+2), (i+2, j-2), (i+2, j-1), (i+2, j), (i+2, j+1), (i+2, j+2). In the example of Figure 10D, the selected range includes nine 0-degree pixels, six 45-degree pixels, six 135-degree pixels, and four 90-degree pixels. In this case, as with the 3x3 case, you can substitute representative values for I1 to I4 for each transmission axis direction, or perform sine wave fitting on the values of the 25 pixels.
本実施形態では、マスクサイズ、すなわち、偏光情報の算出時に参照する画素範囲を任
意に変更できるようになっている。ユーザは、被写体の形状や状態、あるいは、本システムの用途などに応じて、適切なマスクサイズを選択すればよい。
In this embodiment, the mask size, i.e., the pixel range to be referenced when calculating polarization information, can be changed as desired. The user can select an appropriate mask size depending on the shape and condition of the subject, the purpose of the system, etc.
例えば、図11Aに示すように、被写体Wの曲面部分での鏡面反射を偏光カメラ10でとらえるようなケースでは、反射面が極めて狭小なため、(偏光カメラ10の解像度にもよるが)偏光が入射する範囲が数画素幅の狭小領域になることがある。このようなケースにおいては、マスクサイズが大きすぎると、図11Bに示すように、偏光が入射していない画素まで参照してしまい、偏光情報の検出性が低下する可能性がある。したがって、偏光が入射する範囲よりも小さいマスクサイズを選択することが好ましい。これにより、狭小領域における偏光情報を適切に抽出することができる。 For example, as shown in Figure 11A, when the polarization camera 10 captures specular reflection from a curved portion of the subject W, the reflecting surface is extremely small, so the range in which polarized light is incident may be a narrow area of just a few pixels wide (depending on the resolution of the polarization camera 10). In such a case, if the mask size is too large, as shown in Figure 11B, pixels in which no polarized light is incident may also be referenced, which may reduce the detectability of polarization information. Therefore, it is preferable to select a mask size that is smaller than the range in which polarized light is incident. This allows for appropriate extraction of polarization information in a narrow area.
一方で、図12に示すように、平坦な面の反射の特性(鏡面反射、散乱の強さ)により、面上の汚れ・異物などの検査を行うケースでは、画像上の比較的広い範囲において、類似した偏光特性が現れることが想定される。このようなケースにおいては、マスクサイズが小さすぎると、局所的な反射率の違いなどに敏感に影響を受け、検査が安定しない可能性がある。したがって、ある程度大きめのマスクサイズを設定することにより、局所的な反射率の違いなどによるかく乱要因を平均化することが好ましい。これにより、検査の安定性を向上することができる。 On the other hand, as shown in Figure 12, when inspecting for surface contamination or foreign matter, due to the reflective characteristics of a flat surface (specular reflection, scattering strength), it is expected that similar polarization characteristics will appear over a relatively wide area of the image. In such cases, if the mask size is too small, the inspection may be sensitive to local differences in reflectance, making the inspection unstable. Therefore, it is preferable to set a somewhat larger mask size to average out disturbing factors such as local differences in reflectance. This can improve the stability of the inspection.
なお、本実施形態では、マスクサイズの例として2×2、3×3、4×4、5×5の4つを示したが、マスクサイズはこれらに限られない。例えば、5×5より大きいマスクを用いてもよいし、正方形でない形状のマスクを用いてもよい。また、ユーザがマスクのサイズや形状を任意に設計できるようにしてもよい。 In this embodiment, four mask sizes, 2x2, 3x3, 4x4, and 5x5, are shown as examples, but the mask sizes are not limited to these. For example, a mask larger than 5x5 may be used, or a mask with a shape other than a square may be used. Furthermore, the user may be allowed to design the size and shape of the mask as desired.
(ノイズ除去処理)
上述した偏光情報算出処理は、局所的な画素値の差を、偏光子の透過軸方向の違いによる透過量の差であるととらえ、偏光を検出する、という原理を利用している。そのため、例えば、被写体のエッジ部分やテクスチャ部分において空間周波数の高い輝度変化が生じた場合に、偏光による画素値の差であると誤解し、偏光の誤検出を招くことがある。ノイズ除去処理は、このような誤検出によるノイズを、偏光情報算出処理の演算結果から除去ないし低減するための処理である。
(Noise removal processing)
The polarization information calculation process described above utilizes the principle of detecting polarization by regarding local pixel value differences as differences in transmission due to differences in the direction of the polarizer's transmission axis. Therefore, for example, when a high-spatial-frequency brightness change occurs in an edge or texture area of a subject, this may be mistaken for a pixel value difference due to polarization, resulting in a false detection of polarization. The noise removal process is a process for removing or reducing noise due to such false detection from the calculation results of the polarization information calculation process.
図13および図14A、図14Bを参照して、ノイズ除去処理(図7のステップS77)の実装例を説明する。図13はノイズ除去処理のフローチャートであり、図14A、図14Bは比較範囲の例を示す図である。 An example implementation of the noise removal process (step S77 in Figure 7) will be described with reference to Figures 13, 14A, and 14B. Figure 13 is a flowchart of the noise removal process, and Figures 14A and 14B are diagrams showing examples of comparison ranges.
ステップS20にて、偏光抽出部421は、図8のノイズ除去設定81で設定されたパラメータを読み込む。ここでは、ノイズ除去のあり/なし、比較範囲、偏光角度差閾値、偏光強度差閾値の4つのパラメータが読み込まれる。ノイズ除去「なし」に設定されている場合には、以降の処理をスキップする(ステップS21)。ノイズ除去「あり」の場合は、ステップS22に進む。 In step S20, the polarization extraction unit 421 reads the parameters set in the noise removal setting 81 in Figure 8. Here, four parameters are read: noise removal on/off, comparison range, polarization angle difference threshold, and polarization intensity difference threshold. If noise removal is set to "off," subsequent processing is skipped (step S21). If noise removal is set to "on," proceed to step S22.
ステップS22にて、偏光抽出部421は、メモリ又はストレージから偏光情報算出処理の演算結果を読み込む。ここでは、複数の元画像のそれぞれから抽出された、各画素の座標(i,j)と偏光方向θ(i,j)・偏光強度D(i,j)・明度I0(i,j)とが対応付けられたデータが取得される。 In step S22, the polarization extraction unit 421 reads the calculation results of the polarization information calculation process from memory or storage. Here, data is obtained that associates the coordinates (i, j) of each pixel with the polarization direction θ(i, j), polarization intensity D(i, j), and brightness I0(i, j) extracted from each of the multiple original images.
ステップS23にて、偏光抽出部421は、複数の元画像のなかから、処理対象の元画像を1つ選択する。本実施形態では、照明強度1で撮影された元画像、照明強度2で撮影された元画像、照明強度3で撮影された元画像、照明強度4で撮影された元画像の順に選
択されるものとする。
In step S23, the polarization extraction unit 421 selects one original image to be processed from the plurality of original images. In this embodiment, the original images captured at illumination intensity 1, illumination intensity 2, illumination intensity 3, and illumination intensity 4 are selected in this order.
ステップS24にて、偏光抽出部421は、処理対象とする対象画素を選択する。ステップS24では、(1,1)から(M,N)まで対象画素が順に選択されるものとする。 In step S24, the polarization extraction unit 421 selects the target pixel to be processed. In step S24, the target pixels are selected in order from (1,1) to (M,N).
ステップS25にて、偏光抽出部421は、対象画素とその周辺画素のあいだで偏光方向を比較し、偏光方向が類似しているか否か判断する。図14Aに示すように、比較範囲「1」に設定された場合は、対象画素(i,j)と3つの周辺画素(i,j+1)、(i+1,j)、(i+1,j+1)のあいだで比較が行われる。また、図14Bに示すように、比較範囲「2」に設定された場合は、対象画素(i,j)と8つの周辺画素(i-1,j-1)、(i-1,j)、(i-1,j+1)、(i,j-1)、(i,j+1)、(i+1,j-1)、(i+1,j)、(i+1,j+1)のあいだで比較が行われる。そして、偏光方向の差が偏光角度差閾値よりも大きくなる組み合わせが1つでも見つかった場合には、「非類似」と判断し、ステップS27に進む。一方、「類似」と判断された場合には、ステップS26へと進む。 In step S25, the polarization extraction unit 421 compares the polarization directions of the target pixel and its surrounding pixels to determine whether they are similar. As shown in FIG. 14A, when the comparison range is set to "1," a comparison is made between the target pixel (i, j) and the three surrounding pixels (i, j+1), (i+1, j), and (i+1, j+1). Also, as shown in FIG. 14B, when the comparison range is set to "2," a comparison is made between the target pixel (i, j) and the eight surrounding pixels (i-1, j-1), (i-1, j), (i-1, j+1), (i, j-1), (i, j+1), (i+1, j-1), (i+1, j), and (i+1, j+1). If even one combination is found in which the difference in polarization direction is greater than the polarization angle difference threshold, the combination is determined to be "dissimilar," and the process proceeds to step S27. On the other hand, if the combination is determined to be "similar," the process proceeds to step S26.
ステップS26にて、偏光抽出部421は、対象画素とその周辺画素のあいだで偏光強度を比較し、偏光強度が類似しているか否か判断する。比較範囲の選び方は図14Aおよび図14Bで示したとおりである。そして、偏光強度の差が偏光強度差閾値よりも大きくなる組み合わせが1つでも見つかった場合には、「非類似」と判断し、ステップS27に進む。一方、「類似」と判断された場合には、ステップS28へと進む。 In step S26, the polarization extraction unit 421 compares the polarization intensity between the target pixel and its surrounding pixels to determine whether the polarization intensities are similar. The method for selecting the comparison range is as shown in Figures 14A and 14B. If even one combination is found in which the difference in polarization intensity is greater than the polarization intensity difference threshold, it is determined to be "dissimilar" and the process proceeds to step S27. On the other hand, if it is determined to be "similar," the process proceeds to step S28.
偏光方向又は偏光強度のいずれかが「非類似」である場合、対象画素の偏光情報は周辺画素に比べて特異な値(外れ値)になっており、ノイズである蓋然性が高い。そこで、ステップS27にて、偏光抽出部421は、対象画素の偏光情報(偏光方向θおよび偏光強度D)を削除する。 If either the polarization direction or polarization intensity is "dissimilar," the polarization information of the target pixel is an unusual value (outlier) compared to the surrounding pixels, and is likely to be noise. Therefore, in step S27, the polarization extraction unit 421 deletes the polarization information of the target pixel (polarization direction θ and polarization intensity D).
偏光方向と偏光強度のいずれも「類似」である場合、ステップS28にて、偏光抽出部421は、対象画素と比較範囲内の画素のなかで偏光強度が最も大きい画素を選択し、対象画素の偏光方向・偏光強度をその選択画素の偏光方向・偏光強度に置き換える。この処理によって、偏光方向・偏光強度の局所的なばらつきを低減するスムージング効果が得られる。 If both the polarization direction and polarization intensity are "similar," in step S28, the polarization extraction unit 421 selects the pixel with the greatest polarization intensity among the target pixel and the pixels in the comparison range, and replaces the polarization direction and polarization intensity of the target pixel with the polarization direction and polarization intensity of the selected pixel. This process achieves a smoothing effect that reduces local variations in the polarization direction and polarization intensity.
ステップS29にて、偏光抽出部421は、すべての画素に対してノイズ除去処理が完了したか確認し、未処理の画素がある場合にはステップS24に戻って次の対象画素に対する処理を実行する。 In step S29, the polarization extraction unit 421 checks whether noise removal processing has been completed for all pixels, and if there are any unprocessed pixels, returns to step S24 to perform processing on the next target pixel.
ステップS30にて、偏光抽出部421は、すべての元画像に対してノイズ除去処理が完了したか確認し、未処理の元画像がある場合にはステップS23に戻って次の元画像に対する処理を実行する。 In step S30, the polarization extraction unit 421 checks whether noise removal processing has been completed for all original images, and if there are unprocessed original images, returns to step S23 to perform processing on the next original image.
以上述べた処理により、偏光情報算出処理の演算結果である偏光方向θと偏光強度Dに対し、ノイズ(外れ値)の除去とスムージングが行われる。なお、修正後のデータは、メモリ又はストレージ内に上書き保存される。 The above-described process removes noise (outliers) and smooths the polarization direction θ and polarization intensity D, which are the results of the polarization information calculation process. The corrected data is then overwritten and saved in memory or storage.
(画像生成処理)
図15のフローチャートを参照して、画像生成処理(図7のステップS78)の実装例を説明する。
(Image generation processing)
An example of implementation of the image generation process (step S78 in FIG. 7) will be described with reference to the flowchart in FIG.
ステップS40にて、偏光情報画像生成部422は、まず処理対象とする対象画素(i
,j)を1つ選択する。ステップS40~S45のループが繰り返されるたびに、(1,1)から(M,N)まで順に対象画素が選択されるものとする。そして、偏光情報画像生成部422は、対象画素(i,j)について、複数の元画像のそれぞれから抽出された偏光情報を取得する。ここで、k番目の元画像の画素(i,j)から抽出された偏光情報をPIk(i,j)と表記する場合、本例では、照明強度1~照明強度4で撮影された4枚の元画像のそれぞれに対応する偏光情報PI1(i,j)~PI4(i,j)がメモリから読み込まれる。なお、偏光情報PIk(i,j)は、偏光強度Dk(i,j)、偏光方向θk(i,j)、および明度I0k(i,j)の3項目の情報を含んでいる(添え字kは、元画像の番号を表す)。
In step S40, the polarization information image generating unit 422 first selects a target pixel (i
, j) is selected. Each time the loop of steps S40 to S45 is repeated, a target pixel is selected in order from (1,1) to (M,N). The polarization information image generator 422 then obtains polarization information extracted from each of the multiple original images for the target pixel (i,j). Here, if the polarization information extracted from pixel (i,j) of the kth original image is denoted as PIk(i,j), in this example, polarization information PI1(i,j) to PI4(i,j) corresponding to each of the four original images captured at illumination intensities 1 to 4 is read from memory. Note that the polarization information PIk(i,j) includes three items of information: polarization intensity Dk(i,j), polarization direction θk(i,j), and brightness I0k(i,j) (the subscript k represents the original image number).
ステップS41にて、偏光情報画像生成部422は、ステップS40で取得した複数の偏光情報PI1(i,j)~PI4(i,j)を比較し、最も偏光強度Dk(i,j)が強い偏光情報を、最も信頼度が高い偏光情報であるとみなし、対象画素(i,j)の偏光情報として採用する。偏光強度は、偏光の程度を表す指標であり、この値が大きいほど偏光成分が明りょうに観測されていることを意味する。したがって、撮影条件を変えて取得した複数の偏光情報PI1(i,j)~PI4(i,j)の中から、偏光強度が最も強いものを採用することで、画素(i,j)(つまり、当該画素(i,j)に対応する透明物体の反射面上の領域)に関する最も信頼度の高い偏光情報を得ることができる。n番目の元画像の偏光情報であるPIn(i,j)が採用されたものとして以降の説明を続ける。 In step S41, the polarization information image generation unit 422 compares the multiple pieces of polarization information PI1(i,j) through PI4(i,j) acquired in step S40, and considers the polarization information with the strongest polarization intensity Dk(i,j) to be the most reliable polarization information and adopts it as the polarization information for the target pixel (i,j). Polarization intensity is an index that represents the degree of polarization; the higher this value, the more clearly the polarization component is observed. Therefore, by adopting the piece with the strongest polarization intensity from the multiple pieces of polarization information PI1(i,j) through PI4(i,j) acquired under different shooting conditions, the most reliable polarization information for pixel (i,j) (i.e., the area on the reflective surface of the transparent object corresponding to pixel (i,j)) can be obtained. The following explanation will continue assuming that PIN(i,j), the polarization information for the nth original image, is adopted.
ステップS42にて、偏光情報画像生成部422は、ステップS41で選択した偏光情報PIn(i,j)の偏光強度の値Dn(i,j)を、偏光強度画像の画素(i,j)に書き込む。同様に、ステップS43にて、偏光情報画像生成部422は、ステップS41で選択した偏光情報PIn(i,j)の偏光方向の値θn(i,j)を、偏光方向画像の画素(i,j)に書き込む。また、ステップS44にて、偏光情報画像生成部422は、ステップS41で選択した偏光情報PIn(i,j)の明度の値I0n(i,j)を、明度画像の画素(i,j)に書き込む。 In step S42, the polarization information image generation unit 422 writes the polarization intensity value Dn(i,j) of the polarization information PIn(i,j) selected in step S41 to pixel (i,j) of the polarization intensity image. Similarly, in step S43, the polarization information image generation unit 422 writes the polarization direction value θn(i,j) of the polarization information PIn(i,j) selected in step S41 to pixel (i,j) of the polarization direction image. Also, in step S44, the polarization information image generation unit 422 writes the brightness value I0n(i,j) of the polarization information PIn(i,j) selected in step S41 to pixel (i,j) of the brightness image.
以上述べたステップS40~S44の操作を画素ごとに行うことにより(ステップS45)、複数の偏光情報PI1~PI4の良い部分(つまり、信頼性の高い偏光情報)を合成した偏光情報画像を得ることができる。なお、上記実施形態では、偏光強度Dそのものを偏光情報の信頼度を表す指標として用いたが、偏光情報の信頼度は別の指標により求めてもよい。例えば、(I3-I1)2+(I2-I4)2で求まる指標(4つの画素のコントラストの強さに相当する指標)を偏光情報の信頼度として用いてもよい。また、画像の暗部では一般にノイズの影響が出やすいことから、画像の明るさを考慮してもよい。例えば、MAX(I1,I2,I3,I4)が閾値以下の場合(つまり、画像の暗部の場合)には、そこには偏光は無いとみなし、信頼度を0(最小値)にしてもよい。 By performing the above-described steps S40 to S44 for each pixel (step S45), a polarization information image can be obtained by combining the good portions (i.e., highly reliable polarization information) of the multiple polarization information PI1 to PI4. In the above embodiment, the polarization intensity D itself is used as an index representing the reliability of the polarization information, but the reliability of the polarization information may be calculated using a different index. For example, the index calculated by (I3-I1) 2 + (I2-I4) 2 (an index corresponding to the contrast strength of the four pixels) may be used as the reliability of the polarization information. Furthermore, because dark areas of an image are generally more susceptible to noise, the brightness of the image may also be taken into consideration. For example, if MAX(I1, I2, I3, I4) is equal to or less than a threshold value (i.e., in the case of a dark area of the image), it is assumed that there is no polarization, and the reliability may be set to 0 (the minimum value).
上述した撮像システム1を、薬液充填済みシリンジの製造プロセスにおける検出や検査に応用する例を用いて、本実施形態の偏光情報画像の利点を説明する。 The advantages of the polarization information image of this embodiment will be explained using an example in which the above-described imaging system 1 is applied to detection and inspection in the manufacturing process of syringes filled with drug solutions.
薬液充填済みシリンジの製造プロセスでは、通常、ロボットを利用してシリンジのピック&プレースや薬液注入が行われる。このとき、シリンジが不正な位置に存在したり、横倒しの姿勢になっていたりすると、シリンジの破損や製造装置の故障を招くおそれがあるため、シリンジの位置や姿勢を監視し、問題が生じた場合にエラーを出力したり装置を停止したりする仕組みが望まれる。 In the manufacturing process of pre-filled syringes, robots are typically used to pick and place the syringes and inject the liquid. If a syringe is in an incorrect position or lying on its side, it could be damaged or the manufacturing equipment could malfunction. Therefore, a system is needed to monitor the syringe's position and orientation, and output an error or stop the equipment if a problem occurs.
図16Aは、ネスト100に配置されたシリンジ101を天頂に設置した偏光カメラ10で観測する様子を示している。2本のシリンジ101bがネスト100の穴に挿入されず、横倒しになっている。しかし、シリンジ101は無色透明であるため、これを例えば
通常の透過照明と光学カメラで撮影しても、シリンジ101と背景(白色のネスト100)の境界を画像上ほとんど識別することができない。そのため、通常の光学画像では、横倒しのシリンジ101bを検出することは困難である。
16A shows a state in which syringes 101 placed in nest 100 are observed by polarization camera 10 installed at the zenith. Two syringes 101b are not inserted into the holes in nest 100 and are lying on their side. However, because syringes 101 are colorless and transparent, even if they are photographed using, for example, normal transmitted illumination and an optical camera, the boundary between syringe 101 and the background (white nest 100) is barely discernible in the image. Therefore, it is difficult to detect the lying syringes 101b in a normal optical image.
本実施形態の撮像システム1では、図16Bに示すように、ネスト100の周囲にローアングルの照明装置11(光源11r、11l、11t、11b)を設置し、偏光カメラ10でシリンジ101の表面での鏡面反射(偏光)を撮影する。シリンジ101の反射面の向き(反射面の法線のXY平面における方位)は0度~360度の全てをとり得るが、図16Bのようにシリンジ101を四方から照明することによって、あらゆる向きの反射面の鏡面反射を偏光カメラ10で観測可能となる。 In the imaging system 1 of this embodiment, as shown in Figure 16B, low-angle lighting devices 11 (light sources 11r, 11l, 11t, and 11b) are installed around the nest 100, and the polarization camera 10 captures the specular reflection (polarized light) on the surface of the syringe 101. The orientation of the reflective surface of the syringe 101 (the orientation in the XY plane of the normal to the reflective surface) can be any angle between 0 and 360 degrees, but by illuminating the syringe 101 from all sides as shown in Figure 16B, the polarization camera 10 can observe the specular reflection from the reflective surface in any orientation.
しかしながら、例えば、視野の右側にあるシリンジ101rと左側にあるシリンジ101lを比べたときに、それぞれのシリンジ101r、101lで観測される鏡面反射光の強度は同じにならない。各シリンジ101r、101lの右向きの反射面には、ネスト100の右方に配置された光源11rからの光が入射することになるが、光源11rから近い位置にあるシリンジ101rと、光源11rから遠い位置にあるシリンジ101lとでは、反射面に入射する照明光の強度に差があるからである。それゆえ、偏光カメラ10の視野内に存在する全ての被写体を完全に均一な照明条件で撮影することはできない。仮に近位のシリンジ101rに合わせて光源11rの照明強度を設定すると、遠位のシリンジ101lでは偏光成分が弱く偏光情報の抽出が困難となってしまったり、逆に、遠位のシリンジ101lに合わせて光源11rの照明強度を設定すると、近位のシリンジ101rでは白飛びが発生し偏光情報の抽出ができないという状況が起こり得る。 However, when comparing syringe 101r on the right side of the field of view with syringe 101l on the left side, for example, the intensity of the specularly reflected light observed from each syringe 101r, 101l will not be the same. This is because light from light source 11r, located to the right of nest 100, is incident on the right-facing reflective surface of each syringe 101r, 101l, but there is a difference in the intensity of the illumination light incident on the reflective surface between syringe 101r located closer to light source 11r and syringe 101l located farther from light source 11r. Therefore, it is not possible to capture all subjects within the field of view of polarization camera 10 under completely uniform lighting conditions. If the illumination intensity of light source 11r is set to match the proximal syringe 101r, the polarized component in the distal syringe 101l may be weak, making it difficult to extract polarization information. Conversely, if the illumination intensity of light source 11r is set to match the distal syringe 101l, overexposure may occur in the proximal syringe 101r, making it impossible to extract polarization information.
そこで、撮像システム1では、撮影条件を変えて複数回偏光を測定する。図17に示す画像104a~104dは、照明強度を段階的に明るくしたときの偏光強度画像の例を模式的に示している。視野内の位置に応じて最適な照明強度が相違することが判る。これらの画像104a~104dから偏光強度の高い部分を集めて合成することで、視野内に存在する全ての被写体の偏光情報が適切に抽出された高品位な偏光情報画像105を得ることが可能となる。偏光情報画像105では、正しい姿勢のシリンジ101aでは円形の像が明りょうに現れ、横倒しのシリンジ101bでは直線的な帯状の像が明りょうに現れる。このような偏光情報画像105を利用することで、シリンジの位置および姿勢の検査や、不正な位置もしくは姿勢のシリンジの検出を安定的に行うことが可能となる。 Accordingly, imaging system 1 measures polarization multiple times under different imaging conditions. Images 104a-104d in Figure 17 are schematic examples of polarization intensity images obtained when the illumination intensity is gradually increased. It can be seen that the optimal illumination intensity varies depending on the position within the field of view. By collecting and combining the portions of these images 104a-104d with high polarization intensity, it is possible to obtain a high-quality polarization information image 105 in which the polarization information of all subjects present within the field of view has been appropriately extracted. In polarization information image 105, a clearly circular image appears for syringe 101a in the correct position, and a clearly linear band-shaped image appears for syringe 101b that is lying on its side. Using this polarization information image 105 makes it possible to stably inspect the position and orientation of syringes and detect syringes in an incorrect position or orientation.
コンピュータによる画像認識技術を用いて、偏光情報画像105からシリンジの検出や、シリンジの姿勢の判定などを行ってもよい。例えば、正しい姿勢のシリンジは、内側の円形およびその周囲のフランジ部にて鏡面反射が現れる。この画像特徴に着目し、偏光情報画像のなかから、円およびフランジ部の形状をパターンマッチング等の方法にて検出することによって、正しい姿勢のシリンジの自動認識が可能となる。横倒しのシリンジの場合は、例えば、まず、特定の偏光方向範囲(例:0°~60°)を持ち、互いに隣接する画素の集合(画素領域)を抽出し、その後、抽出した画素領域のうちから閾値以上の幅および長さを持つ画素領域を検出すればよい。このような処理によって、横倒しのシリンジの帯状の画素領域を自動認識することが可能となる。 Computer-based image recognition technology may be used to detect syringes from the polarization information image 105 and determine their posture. For example, a syringe in the correct posture will exhibit specular reflection from the inner circle and the flange surrounding it. By focusing on this image feature and detecting the shape of the circle and flange from the polarization information image using a method such as pattern matching, it is possible to automatically recognize syringes in the correct posture. In the case of a syringe lying on its side, for example, first, a set of adjacent pixels (pixel region) within a specific polarization direction range (e.g., 0° to 60°) is extracted, and then pixel regions with widths and lengths greater than or equal to a threshold are detected from the extracted pixel region. This type of processing makes it possible to automatically recognize the strip-shaped pixel region of a syringe lying on its side.
なお、上記実施形態では、照明装置11の照明条件(照明強度)を切り替えて複数回の撮影を実施したが、偏光カメラ10の撮像条件(露光条件又はゲイン)を切り替えながら複数回の撮影を実施してもよいし、あるいは、照明装置11の照明条件と偏光カメラ10の撮像条件の両方を切り替える制御を行ってもよい。すなわち、明るさが異なる複数の元画像を得ることができれば、撮影条件の変更方法は任意である。 In the above embodiment, multiple images were taken while switching the lighting conditions (lighting intensity) of the lighting device 11. However, multiple images may be taken while switching the imaging conditions (exposure conditions or gain) of the polarization camera 10, or control may be exercised to switch both the lighting conditions of the lighting device 11 and the imaging conditions of the polarization camera 10. In other words, as long as multiple original images with different brightnesses can be obtained, any method for changing the imaging conditions may be used.
<第2実施形態>
第1実施形態では、被写体を全方位から照明した状態で撮影を行った。この方法は、視野内のあらゆる向きの反射面をワンショットで撮影できるため、元画像の撮影時間を短縮できるという利点がある。しかしながら、全方位から同時に照明する方法は、ある方位からの照明光の鏡面反射を観測するときに、他の方位からの照明光の拡散反射がノイズとなる可能性がある。図18Aにその一例を示す。光源11rから入射した光は、被写体Wの右側の傾斜面で鏡面反射し、偏光カメラ10で観測される。このとき、他の方位にある光源11lから強い光が入射していると、背景での拡散反射光が透明な被写体Wを通過し、鏡面反射光とともに観測される。例えば、光源11rが被写体Wから遠位にあり、光源11lが被写体Wの近位にあるような状況では、強い拡散反射光によって弱い鏡面反射光がかき消されてしまい、偏光情報の抽出精度が著しく低下する可能性がある。
Second Embodiment
In the first embodiment, the subject was photographed while illuminated from all directions. This method has the advantage of being able to capture reflective surfaces in all directions within the field of view in a single shot, thereby shortening the time required to capture the original image. However, when observing the specular reflection of illumination light from one direction, the method of simultaneous illumination from all directions may result in noise due to diffuse reflection of illumination light from other directions. Figure 18A shows an example. Light incident from light source 11r is specularly reflected from the slope on the right side of subject W and observed by polarization camera 10. If strong light is incident from light source 11l in another direction, the diffuse reflection light in the background passes through the transparent subject W and is observed together with the specular reflection light. For example, in a situation where light source 11r is far from subject W and light source 11l is close to subject W, the strong diffuse reflection light may drown out the weak specular reflection light, significantly reducing the accuracy of extracting polarization information.
このような拡散反射ノイズを低減するため、第2実施形態では、被写体Wに対する照明方向を切り替えながら複数回の撮影を実施する。例えば、図18Bのように、光源11lのみを点灯して1回目の撮影を行い、次に、光源11rのみを点灯して2回目の撮影を行う。これにより、光源11lからの照明光の拡散反射光と、光源11rからの照明光の鏡面反射光とを、分離して観測することができる。したがって、強い拡散反射光によって弱い鏡面反射光がかき消される状況を低減することができる。 In order to reduce this type of diffuse reflection noise, in the second embodiment, multiple shots are taken while switching the illumination direction relative to the subject W. For example, as shown in Figure 18B, the first shot is taken with only light source 11l turned on, and then the second shot is taken with only light source 11r turned on. This makes it possible to observe the diffuse reflection of the illumination light from light source 11l and the specular reflection of the illumination light from light source 11r separately. This reduces the situation in which the weak specular reflection is drowned out by the strong diffuse reflection.
では、図7のフローチャートを参照して、第2実施形態の撮像システム1の動作の一例を説明する。 Now, with reference to the flowchart in Figure 7, we will explain an example of the operation of the imaging system 1 of the second embodiment.
ステップS70にて、被写体Wとなる透明物体がステージ13上に配置される。ロボットや搬送装置を利用して被写体Wを搬送・位置決めしてもよいし、作業者がステージ13上に被写体Wをセットしてもよい。 In step S70, a transparent object that will serve as subject W is placed on stage 13. The subject W may be transported and positioned using a robot or transport device, or a worker may set the subject W on stage 13.
ステップS71にて、処理装置12の照明制御部41が、照明装置11の照明条件(照明方向)を設定する。本実施形態の照明装置11は、ステージ13を囲むように配置された4本の棒状照明(光源)30を有しており、各々の棒状照明30は独立に点灯/消灯の切り替えや照明強度を制御できるようになっている。照明制御部41は、4本の棒状照明30のうちの1本のみが点灯し、他の3本が消灯するように照明条件を設定する。 In step S71, the lighting control unit 41 of the processing device 12 sets the lighting conditions (lighting direction) of the lighting device 11. In this embodiment, the lighting device 11 has four rod-shaped lights (light sources) 30 arranged to surround the stage 13, and each rod-shaped light 30 can be independently switched on/off and its lighting intensity can be controlled. The lighting control unit 41 sets the lighting conditions so that only one of the four rod-shaped lights 30 is turned on and the other three are turned off.
ステップS72にて、被写体Wの撮影が行われる。具体的には、照明制御部41が与えられた照明条件に従って照明装置11を点灯させ、被写体Wに照明光を照射する。このとき、ステージ13上の被写体Wは一方向からのみ照明された状態となる。そして、被写体Wを照明した状態で、カメラ制御部40が与えられた撮像条件に従って偏光カメラ10を制御し、撮影を行う。 In step S72, the subject W is photographed. Specifically, the lighting control unit 41 turns on the lighting device 11 according to the given lighting conditions, and irradiates the subject W with illumination light. At this time, the subject W on the stage 13 is illuminated from only one direction. Then, with the subject W illuminated, the camera control unit 40 controls the polarization camera 10 according to the given imaging conditions to photograph the subject W.
ステップS73にて、処理装置12の画像取得部420が、ステップS72で撮影された画像(元画像)を偏光カメラ10から取り込む。取り込まれた元画像データは、メモリ又はストレージに格納され、画像処理部42による処理に供される。 In step S73, the image acquisition unit 420 of the processing device 12 captures the image (original image) captured in step S72 from the polarization camera 10. The captured original image data is stored in memory or storage and is then processed by the image processing unit 42.
ステップS74にて、処理装置12は全ての撮影条件での撮影が完了したかを確認し、未完了であればステップS71に戻って次の撮影条件での撮影を行う。すなわち、ステップS71にて、照明制御部41が照明装置11の照明方向を変更し、ステップS72にて、再び被写体Wが撮影され、ステップS73にて、新たな元画像が取り込まれる。本実施形態では、ステップS71~S74の処理が4回繰り返され、同じ被写体Wに関し、照明方向が異なる4枚の元画像が処理装置12に取り込まれる。全ての撮影条件での撮影が完了すると、ステップS75に進む。これ以降の処理は、第1実施形態のものと同じでよいので、説明を割愛する。 In step S74, the processing device 12 checks whether image capture under all shooting conditions has been completed. If not, the process returns to step S71 to capture image capture under the next shooting condition. That is, in step S71, the lighting control unit 41 changes the lighting direction of the lighting device 11, in step S72, the subject W is captured again, and in step S73, a new original image is captured. In this embodiment, the processing of steps S71 to S74 is repeated four times, and four original images of the same subject W but with different lighting directions are captured by the processing device 12. When image capture under all shooting conditions has been completed, the process proceeds to step S75. The processing from this point onwards is the same as in the first embodiment, so a description thereof will be omitted.
以上述べたように、照明方向を変えると、背景などでの拡散反射の状況が変化する。それゆえ、照明方向を変えて撮影した複数の元画像の中から、拡散反射光成分の影響(すなわちノイズ)が最も少なく偏光成分が最も明りょうに現れているものを選択することで、より信頼性の高い偏光情報の抽出が可能となる。 As mentioned above, changing the lighting direction changes the diffuse reflection conditions in the background, etc. Therefore, by selecting from multiple original images taken with different lighting directions the one with the least influence of the diffuse reflection component (i.e., noise) and the clearest polarization component, it is possible to extract more reliable polarization information.
本実施形態では、独立に点灯可能な複数の光源を有する照明装置11を用い、点灯する光源を切り替えることによって照明方向の切り替えを実現した。この方法は、簡易な制御で高速に照明方向の切り替えが可能となるので、撮影のタクトタイムを短くすることができるという利点がある。 In this embodiment, a lighting device 11 with multiple light sources that can be turned on independently is used, and the lighting direction is changed by switching the light source that is turned on. This method has the advantage of being able to change the lighting direction quickly with simple control, thereby shortening the tact time for photography.
(その他)
上記実施形態は、本発明の構成例を例示的に説明するものに過ぎない。本発明は上記の具体的な形態には限定されることはなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。
(others)
The above-described embodiment merely exemplifies the configuration of the present invention, and the present invention is not limited to the specific embodiment described above, and various modifications are possible within the scope of the technical concept thereof.
例えば、偏光カメラと照明装置の配置や構成は、図1や図3A~図3Cに示したものに限られず、被写体や用途に応じて適宜設計すればよい。すなわち、照明光の鏡面反射が偏光カメラで観測できさえすればよい。また、複数台の偏光カメラを設けてもよいし、可動式の偏光カメラや照明装置を用いてもよい。 For example, the arrangement and configuration of the polarization camera and lighting device are not limited to those shown in Figure 1 and Figures 3A to 3C, and can be designed appropriately depending on the subject and application. In other words, it is sufficient if the specular reflection of the illumination light can be observed by the polarization camera. Furthermore, multiple polarization cameras can be installed, or movable polarization cameras and lighting devices can be used.
上記実施形態では、0度、45度、90度、135度の偏光子を用いたが、透過軸方向の設定はこれに限られない。撮像素子において異なる透過軸方向の偏光子を通過した光を観測でき、かつ、その観測結果から入射光に含まれる偏光情報を抽出できさえすればよい。 In the above embodiment, polarizers with 0-degree, 45-degree, 90-degree, and 135-degree angles were used, but the setting of the transmission axis direction is not limited to this. All that is required is that the imaging element be able to observe light that has passed through polarizers with different transmission axis directions, and be able to extract polarization information contained in the incident light from the observation results.
図8のUI画面では、偏光情報算出処理で用いるマスクサイズと、ノイズ除去処理で用いるパラメータとを設定可能としたが、UI画面の構成やパラメータ項目は一例にすぎない。偏光抽出処理で用いられるパラメータをユーザに変更させるUIであれば、どのようなものでもよい。すなわち、ユーザ自身が、被写体や用途などに応じて、偏光抽出のロジックを適宜変更できればよい。また、上記実施形態では、パラメータ受付部424がパラメータ設定用のユーザインターフェイスを提供したが、パラメータ受付部424は、ユーザからのパラメータの変更指示をネットワークを通じて外部装置から受信するものでもよい。 The UI screen in Figure 8 allows the user to set the mask size used in the polarization information calculation process and the parameters used in the noise removal process, but the UI screen configuration and parameter items are merely examples. Any UI that allows the user to change the parameters used in the polarization extraction process is acceptable. In other words, it is sufficient if the user can change the polarization extraction logic as appropriate depending on the subject, application, etc. Also, in the above embodiment, the parameter receiving unit 424 provided a user interface for setting parameters, but the parameter receiving unit 424 may also receive parameter change instructions from the user from an external device via a network.
第1実施形態における画像の明るさの切り替え制御と、第2実施形態における照明方向の切り替え制御を一緒に行ってもよい。これにより、視野内全体の照明条件の均一化と、拡散反射ノイズの低減の両方を図ることができ、より信頼性の高い偏光情報の抽出が可能となる。 The image brightness switching control in the first embodiment and the lighting direction switching control in the second embodiment may be performed together. This makes it possible to both uniformize the lighting conditions across the entire field of view and reduce diffuse reflection noise, enabling more reliable extraction of polarization information.
また、第2実施形態では、点灯する光源を切り替えることで照明方向の変更を実現したが、照明装置の構成はこれに限られない。例えば、図3Cに示すような一方向から照明する照明装置11を用い、照明装置11と被写体Wの相対的な位置関係を変更することによって、照明方向の変更を実現してもよい。 In addition, in the second embodiment, the lighting direction is changed by switching the light source that is turned on, but the configuration of the lighting device is not limited to this. For example, the lighting direction may be changed by using a lighting device 11 that illuminates from one direction as shown in Figure 3C and changing the relative positional relationship between the lighting device 11 and the subject W.
<付記1>
透明物体(W)を画像化するための撮像システム(1)であって、
透明物体(W)を照明するための照明装置(11)と、
透過軸方向の異なる偏光子(210)が規則的に配列された撮像素子(20)を有する偏光カメラ(10)と、
処理装置(12)と、を備え、
前記処理装置(12)は、
異なる撮影条件で前記透明物体(W)を撮影するために、前記照明装置(11)と前記偏光カメラ(10)のいずれか又は両方を制御する制御手段(40,41)と、
異なる撮影条件で撮影された複数の元画像を取得する画像取得手段(420)と、
前記複数の元画像のそれぞれに対し、各画素について、前記透明物体(W)での鏡面反射に由来する偏光に関する情報である偏光情報を抽出する、偏光抽出処理を実行する偏光抽出手段(421)と、
前記偏光抽出処理によって前記複数の元画像のそれぞれから抽出された複数の偏光情報を合成し、前記偏光情報を画像化した偏光情報画像を生成する画像生成手段(422)と、を有する
ことを特徴とする撮像システム(1)。
<Appendix 1>
An imaging system (1) for imaging a transparent object (W), comprising:
an illumination device (11) for illuminating a transparent object (W);
a polarization camera (10) having an imaging element (20) in which polarizers (210) with different transmission axis directions are regularly arranged;
a processing device (12),
The processing device (12)
a control means (40, 41) for controlling either or both of the illumination device (11) and the polarization camera (10) in order to photograph the transparent object (W) under different photographing conditions;
image acquisition means (420) for acquiring a plurality of original images taken under different photographing conditions;
a polarization extraction means (421) for executing a polarization extraction process for extracting polarization information, which is information about polarization resulting from specular reflection on the transparent object (W), for each pixel of each of the plurality of original images;
and an image generation means (422) that combines multiple pieces of polarization information extracted from each of the multiple original images by the polarization extraction process and generates a polarization information image that visualizes the polarization information.
<付記2>
照明装置(11)と、透過軸方向の異なる偏光子(210)が規則的に配列された撮像素子(20)を有する偏光カメラ(10)と、処理装置(12)と、を備える撮像システム(1)の制御方法であって、
前記照明装置(11)と前記偏光カメラ(10)のいずれか又は両方を制御することによって、異なる撮影条件で透明物体(W)を撮影するステップと、
異なる撮影条件で撮影された複数の元画像を前記処理装置(12)に取り込むステップと、
前記処理装置(12)によって、前記複数の元画像のそれぞれに対し、各画素について、前記透明物体(W)での鏡面反射に由来する偏光に関する情報である偏光情報を抽出する、偏光抽出処理を実行し、前記偏光抽出処理によって前記複数の元画像のそれぞれから抽出された複数の偏光情報を合成し、前記偏光情報を画像化した偏光情報画像を生成するステップと、を含む
ことを特徴とする制御方法。
<Appendix 2>
A control method for an imaging system (1) including an illumination device (11), a polarization camera (10) having an imaging element (20) in which polarizers (210) having different transmission axis directions are regularly arranged, and a processing device (12), comprising:
A step of photographing a transparent object (W) under different photographing conditions by controlling either or both of the lighting device (11) and the polarization camera (10);
A step of inputting a plurality of original images taken under different photographing conditions into the processing device (12);
a step of executing a polarization extraction process by the processing device (12) for each pixel of each of the plurality of original images to extract polarization information, which is information regarding polarization resulting from specular reflection on the transparent object (W), and synthesizing the plurality of pieces of polarization information extracted from each of the plurality of original images by the polarization extraction process to generate a polarization information image that visualizes the polarization information.
1:撮像システム
10:偏光カメラ
11:照明装置
12:処理装置
13:ステージ
20:撮像素子
21:偏光子アレイ
30:棒状照明
1: Imaging system 10: Polarization camera 11: Illumination device 12: Processing device 13: Stage 20: Imaging element 21: Polarizer array 30: Rod-shaped illumination
Claims (13)
透明物体を照明するための照明装置と、
透過軸方向の異なる偏光子が規則的に配列された撮像素子を有する偏光カメラと、
処理装置と、を備え、
前記処理装置は、
異なる撮影条件で前記透明物体を撮影するために、前記照明装置と前記偏光カメラのいずれか又は両方を制御する制御手段と、
異なる撮影条件で撮影された複数の元画像を取得する画像取得手段と、
前記複数の元画像のそれぞれに対し、各画素について、前記透明物体での鏡面反射に由来する偏光に関する情報である偏光情報を抽出する、偏光抽出処理を実行する偏光抽出手段と、
前記偏光抽出処理によって前記複数の元画像のそれぞれから抽出された複数の偏光情報を合成し、前記偏光情報を画像化した偏光情報画像を生成する画像生成手段と、を有し、
前記画像生成手段は、前記複数の元画像のそれぞれから抽出された前記複数の偏光情報のうち偏光情報の信頼度が最も高いものを選択する操作を画素ごとに行い、各画素について選択された偏光情報を用いて前記偏光情報画像を生成する
ことを特徴とする撮像システム。 1. An imaging system for imaging a transparent object, comprising:
an illumination device for illuminating a transparent object;
a polarization camera having an image sensor in which polarizers with different transmission axis directions are regularly arranged;
a processing device;
The processing device includes:
a control means for controlling one or both of the illumination device and the polarization camera in order to photograph the transparent object under different photographing conditions;
image acquisition means for acquiring a plurality of original images captured under different photographing conditions;
a polarization extraction means for executing a polarization extraction process to extract, for each pixel of each of the plurality of original images, polarization information that is information regarding polarization resulting from specular reflection on the transparent object;
an image generating means for synthesizing the plurality of pieces of polarization information extracted from the plurality of original images by the polarization extraction process and generating a polarization information image by visualizing the polarization information ,
The image generating means performs an operation of selecting, for each pixel, the polarization information with the highest reliability from the plurality of pieces of polarization information extracted from each of the plurality of original images, and generates the polarization information image using the polarization information selected for each pixel.
An imaging system characterized by:
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像システム。 2. The imaging system according to claim 1 , wherein said image generating means regards the strongest degree of polarization among said plurality of pieces of polarization information as the most reliable polarization information.
ことを特徴とする請求項1~2のうちいずれか1項に記載の撮像システム。 The imaging system according to any one of claims 1 to 2 , characterized in that the control means controls one or both of the lighting device and the polarization camera so as to obtain a plurality of original images with different brightness levels.
ことを特徴とする請求項3に記載の撮像システム。 4. The imaging system according to claim 3 , wherein the control means controls the illumination intensity of the illumination device to be different as the imaging condition.
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の撮像システム。 5. The imaging system according to claim 3 , wherein the control means controls the polarization camera to vary an exposure time as the imaging condition.
ことを特徴とする請求項1~2のうちいずれか1項に記載の撮像システム。 3. The imaging system according to claim 1, wherein the control means controls the lighting device so as to obtain a plurality of original images with different lighting directions for the transparent object.
前記制御手段は、点灯する光源を切り替えることによって、前記透明物体に対する照明方向を異ならせる
ことを特徴とする請求項7に記載の撮像システム。 The lighting device has a plurality of light sources that can be turned on independently,
8. The imaging system according to claim 7 , wherein the control means changes the illumination direction of the transparent object by switching the light source to be turned on.
ことを特徴とする請求項1~8のうちいずれか1項に記載の撮像システム。 The imaging system according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the polarization extraction process includes a noise removal process that removes or reduces noise contained in the calculation results after calculating polarization information for each pixel of the original image .
ことを特徴とする請求項9に記載の撮像システム。 10. The imaging system according to claim 9, wherein the noise removal process includes a process of determining whether the polarization information of a target pixel and its surrounding pixels is similar or dissimilar by comparing the polarization information of the target pixel and its surrounding pixels, and deleting the polarization information of the target pixel if it is determined that the polarization information is dissimilar .
ことを特徴とする請求項9又は10に記載の撮像システム。 11. The imaging system according to claim 9, wherein the noise removal process includes a process of comparing polarization information between a target pixel and its surrounding pixels to determine whether the polarization information of the target pixel and the surrounding pixels is similar or dissimilar, and if it is determined that the polarization information is similar, replacing the polarization information of the target pixel with polarization information of a pixel selected from the target pixel and the surrounding pixels .
前記照明装置と前記偏光カメラのいずれか又は両方を制御することによって、異なる撮影条件で透明物体を撮影するステップと、
異なる撮影条件で撮影された複数の元画像を前記処理装置に取り込むステップと、
前記処理装置によって、前記複数の元画像のそれぞれに対し、各画素について、前記透明物体での鏡面反射に由来する偏光に関する情報である偏光情報を抽出する、偏光抽出処理を実行し、前記偏光抽出処理によって前記複数の元画像のそれぞれから抽出された複数の偏光情報を合成し、前記偏光情報を画像化した偏光情報画像を生成するステップと、を含み、
前記偏光情報画像を生成するステップでは、前記複数の元画像のそれぞれから抽出された前記複数の偏光情報のうち偏光情報の信頼度が最も高いものを選択する操作が画素ごとに行われ、各画素について選択された偏光情報を用いて前記偏光情報画像が生成される
ことを特徴とする制御方法。 A control method for an imaging system including an illumination device, a polarization camera having an imaging element in which polarizers with different transmission axis directions are regularly arranged, and a processing device, comprising:
Photographing a transparent object under different photographing conditions by controlling one or both of the illumination device and the polarization camera;
A step of importing a plurality of original images taken under different photographing conditions into the processing device;
and performing a polarization extraction process by the processing device to extract, for each pixel of each of the plurality of original images, polarization information that is information about polarization resulting from specular reflection on the transparent object, and synthesizing the plurality of pieces of polarization information extracted from each of the plurality of original images by the polarization extraction process to generate a polarization information image that visualizes the polarization information,
In the step of generating the polarization information image, an operation of selecting the polarization information with the highest reliability from the plurality of pieces of polarization information extracted from each of the plurality of original images is performed for each pixel, and the polarization information image is generated using the polarization information selected for each pixel.
A control method comprising:
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