修正环形旋转体的表面形状数据的方法和检查环形旋转体的外观的装置与流程

本发明涉及在检测环形旋转体(诸如，轮胎)的外观中所使用的修正环形旋转体表面形状数据的方法和检查环形旋转体的外观的装置。

背景技术：

作为轮胎检测中的一种已知的是用于确定接受或拒绝轮胎的外观检查。在该检查中，利用光切法(light-section method)来检测轮胎的表面形状，并且检查轮胎表面是否存在形状缺陷，诸如不期望的凸起、凹陷以及痕迹。

在光切法中，在移动对象的同时，捕获待检查的对象表面由狭缝光所照亮部分的图像，并且从所捕获的图像的像素数据来计算待检查的对象表面的三维形状数据。而且，当待检查的对象是环形旋转体时(诸如轮胎)，在对象关于其中心轴旋转一个循环的同时，检测对象的整个圆周的表面形状(例如，见专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本未审查专利申请公开No.2008-221896

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题

然而，存在如下情况：当待检查的对象偏心旋转时，就会出现中心轴与待检查对象的旋转轴之间的不一致。在此情况下，通过常规方法所获得的对象表面的三维形状数据从实际形状发生变形。由于偏心所导致的对象变形能够通过利用某些修正方法来进行修正，诸如在假设待检查对象是正圆的情况下圆的最小二乘法(最小二乘中心法)。

然而，严格地说轮胎不是正圆，并且除非轮胎固定在轮辋(rim)并且利用内压进行充气，否则变形会扩大。因此，需要假设正圆的修正方法难以准确地修正具有变形轮廓的环形旋转体(诸如轮胎)的三维形状数据。

因此，当待检查的对象是轮胎时，必须在通过将轮胎固定在轮辋上并且利用空气对其充气来限制轮胎的变形之后进行测量。但是，这需要花费时间，并且也必须通过将待检查对象的中心轴与其旋转时的旋转轴进行匹配来消除偏心度。

然而，如果要实现待检查对象的旋转轴与中心轴之间的一致，必须准备诸如高精度定心机构的设备。

鉴于上述技术问题，已经做出本发明，并且本发明的一个目的是提供即使当环形旋转体远不是正圆并且还具有偏心度时，也能够准确修正环形旋转体的表面形状数据的方法，以及利用该修正方法检查该环形旋转体的外观的装置。解决技术问题的技术方案

本发明提供一种用于修正环形旋转体的表面的三维形状数据的方法，其利用环形旋转体与图像获取单元相对彼此转动时所捕获的修正环形旋转体的表面图像。该方法包括如下步骤：设置参考线，该参考线是在垂直于环形旋转体的中心轴的平面内，沿着环形旋转体的待检测表面的闭合曲线(从其获得三维形状数据的数据区域)；通过以相对旋转的旋转中心为中心的等角度分割参考线，在参考线上设置多个参考等角分割点；从相邻的参考等角分割点P_i和P_i+1之间的距离，计算参考线的圆周长度l，该圆周长度是参考线的完整圆的长度；利用该圆周长度l，设置多个参考等距分割点Q_j，这些参考等距分割点Q_j将参考线分割为相等长度；在环形旋转体的径向方向上远离参考等距分割点Q_j预定距离h_k的位置上，设置用于修正环形旋转体的待检测平面的数据的插值点R_j,k；利用三维形状数据来计算插值点R_j,k处的三维形状数据；以及利用上述圆周长度l和距离h_k，在正圆上移动插值点R_j,k，正圆以旋转中心为中心并且具有与上述圆周长度l相同的圆周长度。

通过这种方式，将通过等角度测量所获取的数据转换为沿着环形旋转体的表面的平面形状(参考线)进行等距离分割的数据。并且在不改变环形旋转体的周长的情况下，将该等距离分割的数据重新分配在正圆上。接着，能够准确地修正环形旋转体的表面的形状数据。

本发明还提供了一种用于检查环形旋转体的外观(表面形状)的装置。该装置包括如下单元：图像获取单元，具有将狭缝光投射到环形旋转体的待检查表面的光投射单元，以及将狭缝光所照亮的部分进行成像的图像捕获单元；旋转单元，用于使环形旋转体与图像获取单元相对彼此旋转；图像处理单元，用于通过执行图像获取单元所捕获的环形旋转体的表面图像的图像处理，来计算所述环形旋转体的表面三维数据；以及数据修正单元，用于修正三维数据。而且数据修正单元进一步包括如下单元：参考线设置单元，用于设置参考线，该参考线是在垂直于环形旋转体的中心轴的平面内，沿着环形旋转体的待检测表面的闭合曲线(获得三维形状数据所来自的数据区域)，等角度分割点设置单元，用于通过以相对旋转的旋转中心为中心的等角度分割参考线，在参考线上设置多个参考等角分割点；圆周长度计算单元，用于从相邻的参考等角分割点之间的距离，计算参考线的圆周长度，该圆周长度是参考线的完整圆的长度；等距离分割点设置单元，用于利用该圆周长度，设置多个参考等距分割点，这些参考等距分割点将参考线分割为相等长度；法向矢量计算单元，用于计算参考等距分割点处的单位法向矢量；插值点数据计算单元，用于从分割点矢量与方向矢量的矢量和来计算插值点矢量，该插值点矢量的起点位于旋转中心，其中分割点矢量的起点位于旋转中心，终点位于所述参考等距分割点，其中方向矢量的起点位于参考等距分割点、朝向所述单位法向矢量的方向、并且大小等于单位法向矢量的大小乘以预定距离；插值点数据计算单元，用于利用三维形状数据来计算插值点的深度方向的数据，其中插值点各自是所述插值点矢量的终点；以及插值点移动单元，用于利用上述圆周长度和距离，在正圆上移动插值点，其中正圆以旋转中心为中心并且圆周长度与上述圆周长度相同。

通过实施如上所述的配置，能够获得环形旋转体的表面的准确形状数据。因此，能够准确地执行环形旋转体的外观检查。

需要理解的是，上述发明内容不一定列举本发明的全部必要特征，意在将所有这些特征的子集合包括在本发明中。

附图说明

图1是表示根据本发明的实施例的轮胎外观检查装置的配置的示意图。

图2是表示光切法所获得的轮胎侧壁区域的横截面上的点群数据的示例的示意图。

图3是表示如何设置参考线和参考等角分割点的示意图。

图4是表示如何设置参考等距分割点的示意图。

图5是表示如何设置单位法向矢量的示意图。

图6是表示如何设置插值点矢量以及如何计算插值点的深度方向数据的示意图。

图7是表示如何移动插值点的示意图。

图8是表示轮胎外观检查装置的操作的流程图。

具体实施方式

此后，将参考各个附图描述本发明的各个优选实施例。

图1是表示轮胎外观检查装置10的配置的示意图。如图所示，轮胎外观检查装置10包括图像获取单元11、旋转台12、驱动电机13、电机控制单元14、旋转角度检测单元15以及计算部16。

从旋转台12到旋转角度检测单元15的各个单元构成了用于旋转轮胎T(待检测的对象)的旋转单元。

计算部16包括图像处理单元17、存储单元18、确定单元19以及数据修正单元20。

图像获取单元11包括光投射单元11A和图像捕获单元11B，其捕获作为待检查对象的轮胎T的待检测表面的图像。

光投射单元11A将狭缝光(线光)照射在旋转台12上所安装的轮胎T的待检测表面上。例如，光投射单元11A配备有单色光或白光光源，诸如半导体激光器或者卤素灯。

图像捕获单元11B配备有平面地放置的成像元件，以及用于将从轮胎T表面所反射的狭缝光聚焦到成像元件上的透镜。图像捕获单元11B在轮胎T旋转的每个预定旋转角度(例如，1°)捕获轮胎T侧壁表面的轮廓的图像(狭缝图像S)，该图像是狭缝光所照亮的部分的图像。图像捕获单元11B例如是区域相机，诸如CCD相机。

通过驱动电机13来驱动的旋转台12使得其上所安装的轮胎T以轮胎T的中心轴作为旋转轴进行旋转。需要注意的是，如已提到的，轮胎T的中心轴与实际上旋转台12的旋转轴不必一致。

连接到旋转台12的驱动电机13使旋转台12旋转。

电机控制单元14控制驱动电机13的驱动，以便旋转台12以预定转速进行旋转(例如，60r.p.m.)。

旋转角度检测单元15检测轮胎T的旋转角度(实际上，旋转台12的旋转角度)。旋转角度检测单元15例如是旋转编码器。

需要注意的是，可以将步进电机用作驱动电机13，从而以预定角度增量来旋转转动盘12。在此情况下，可以省略转动角度检测单元15。

计算部16是包括诸如CPU、ROM、RAM等未示出硬件的计算机。通过根据ROM中所存储的程序来执行运算处理，CPU用作图像处理单元17、确定单元19以及数据修正单元20。需要注意的是，存储单元18包括RAM，该RAM是可重写存储器。

图像处理单元17通过对于图像获取单元11所捕获的轮胎T的侧壁表面的轮廓的图像(狭缝图像S)执行图像处理，计算侧壁表面的三维形状数据。更具体地，计算出构成狭缝图像的多个像素当中被照亮像素的重心坐标，以便确定狭缝图像S的各个位置(测量点P_i,k)的二维坐标(x_i,k,z_i,k)。并且从旋转角度检测单元15所检测出的轮胎T的旋转角度θ_i和二维坐标(x_i,k,z_i,k)来确定测量点P_i,k的三维坐标数据。

需要注意的是，指数i表示测量点P_i,k的圆周位置(位于旋转角度θ_i的测量点)，而指数k表示径向位置(从旋转中心O的第k测量点)。

通过针对每个狭缝图像(以每个旋转角Δθ)重复如上所述的操作，能够计算针对轮胎的整个圆的侧壁表面的三维形状数据，其包括以等角度穿过旋转中心O的横截面的点群数据P_i,k。上面提到的旋转角度Δθ可以表示为Δθ＝2π/n。

在此，如果θ_i＝i·Δθ(i＝1到n)，并且通过m_i表示θ_i方向上的测量点P_i,k的数量，那么测量点P_i,k的总数可以被写做N＝(m₁+m₂+······+m_i+······+m_n)。需要注意的是，侧壁表面的三维形状数据通常能够以柱坐标的形式来表示，也就是，P_i,k＝(r_i,k，θ_i，z_i,k)。

存储单元18存储如下数据：标准轮胎(无缺陷轮胎)的侧壁表面的三维形状数据，其用作接受或拒绝轮胎T的外观的参考；测量点P_i,k的三维坐标数据，其是通过图像处理单元17计算出的侧壁表面的三维形状数据；以及其他数据，诸如随后将讨论的通过数据修正单元20所计算或者设置的参考线K、参考等角分割点P_i、以及参考等距分割点Q_i。

确定单元19通过将数据修正单元20所修正的侧壁表面的三维形状数据与预先存储在存储单元18中的标准轮胎的侧壁表面的三维形状数据进行比较，确定接受或者拒绝该轮胎T。

数据修正单元20包括如下单元：参考线设置单元21、等角分割点设置单元22、圆周长度计算单元23、等距分割点设置单元24、法向矢量计算单元25、插值点矢量计算单元26、插值点数据计算单元27以及插值点移动单元28。

法向矢量计算单元25和插值点矢量计算单元26与权利要求1中用于实现设置插值点的步骤的单元对应。

如图3所示，参考线设置单元21设置参考线K，该参考线K是沿着数据区域D的形状的闭合曲线，而等角度分割点设置单元22在该参考线K上设置多个参考等角分割点P_i(i＝1到n)。

需要注意的是，数据区域D是指包括穿过旋转中心O的等角度横截面上的点群数据的区域。也就是说，由边线K₁和肩线K₂所封闭的区域数据区域D是通过图像处理单元17来计算三维坐标数据的区域。而且，沿着数据区域D的形状的闭合曲线是指与边线K₁或肩线K₂类似的闭合曲线。

在该示例中，通过边线K₁来表示参考线K，其中边线K₁是数据区域D的内圆周。

参考等角分割点P_i(i＝1到n)是参考线K上所设置的、通过以旋转中心O为中心的n等分角来分割参考线K的多个点。从如何设置参考等角分割点P_i可以清楚的是，在连接旋转中心O与参考等角分割点P_i的线的延长线上具有测量点P_i,1到测量点P_i,mi,j的m_i,j个点，这些点构成数据区域D(见图2)。

圆周长度计算单元23从相邻的参考等角分割点P_i和P_i+1之间的距离ΔP_i来计算参考线的总长度(此后称为圆周长度l)，该参考线的总长度是参考线K的完整圆长度。也就是说，圆周长度l＝ΔP₁+ΔP₂+······+ΔP_n(其中ΔP_n是P_n和P₁之间的距离)。

如图4所示，等距分割点设置单元24利用圆周长度l，在参考线K上设置多个参考等距分割点Q_j(j＝1到n)，这些点将参考线K分割为相等长度。

更具体地，根据折线P₁P₂······P_i的长度l_P,i和折线Q₁Q₂······Q_j的长度l_Q,j计算参考等距分割点Q_j的位置。因为线段Q_kQ_k+1的长度是l/n，所以折线Q₁Q₂······Q的长度是l_Q,j＝(j-1)·(l/n)。因此，可以将参考等距分割点Q_j的位置作为如下的点来计算，这些点以(l_Q,j–l_P,i):(l_P,i+1–l_Q,j)来划分与Q_j相邻的两个参考等角分割点P_i和P_i+1。通常，由于参考等角分割点P_i与参考等角分割点P_i+1之间的距离ΔP_i要比参考线K的长度短的多，因此能够将参考等距分割点Q_j假设为参考线K上的点。

如图5所示，法向矢量计算单元25计算位于参考等距分割点Q_j的单位法向矢量n_j。在此示例中，单位法向矢量n_j是穿过参考等距分割点Q_j、且垂直于连接与参考等距分割点Q_j相邻的两个参考等距分割点Q_j-1与Q_j+1的线段的单位矢量。

如图6A所示，插值点矢量计算单元26从分割点矢量OQ_j与方向矢量Q_jR_j,k的和(矢量和)来计算插值点矢量OR_j,k，该插值点矢量OR_j,k的起点位于旋转中心，其中的分割点矢量OQ_j的起点位于旋转中心O，终点位于参考等距分割点Q_j，其中的方向矢量Q_jR_j,k起点位于参考等距分割点Q_j，朝向单位法向矢量n_j的方向，其大小等于单位法向矢量的大小乘以预定距离h_k。

距离h_k是与旋转角度θ_i无关的值。为了最大化利用三维数据，其可以是例如利用径向方向的测量点P_i,k之间间隔最小值Δp_min的h_k＝Δp_min·k。或者可以是利用实现接受或拒绝轮胎中的准确度所需要的轮胎径向方向中的分辨率Δr_min的h_k＝Δr_min·k。

如上所提及的，在连接旋转中心O与参考等角分割点的线的延长线上具有测量点P_i,1到测量点P_i,mij的mi,j个点。因此，通过适当地设置i和k，能够设置区域G，该区域G通过插值点R_j,k周围的测量点P_i,k、P_i,k+1、P_i+1,k、P_i+1,k+1来进行定义，其中插值点R_j,k是插值矢量OR_j,k的终点。

如图6B所示，插值点数据计算单元27利用通过图像处理单元17所计算出的测试点P_i,k、P_i,k+1、P_i+1,k、P_i+1,k+1的深度方向数据z_i,k、z_i,k+1、z_i+1,k、z_i+1,k+1，计算插值点R_j,k的深度方向数据Zi,k。

更具体地，假设由穿过测试点P_i,k和P+1,k的弧、穿过测试点P_i,k和P_i+1,k+1的弧、穿过测试点P_i,k和P_i,k+1的直线、以及穿过测试点P_i+1,k和P_i+1,k+1的直线所包围的区域G是矩形，通过利用r-θ坐标系(极坐标)该矩形的垂直边(r)等于P_i,k与P_i,k+1之间的距离，该矩形的水平边(θ)等于P_i,k与P_i+1,k之间的距离。而通过双线性插值来计算插值点R_j,k的深度方向数据Z_j,k。也就是说，假设在r-θ坐标系(极坐标)中，R_j,k的θ坐标等于以a:b(a+b＝1)内分P_i,k与P_i,k之间的距离的θ坐标，而r坐标等于以c:d(c+d＝1)内分P_i,k与P_i,k+1之间的距离的r坐标，利用下面的公式来计算Z_j,k。

[公式1]

Z_j,k＝b·c·Z_i,k+a·c·Z_i+1,k+b·d·Z_i,k+1+a·d·Z_i+1,k+1

需要注意的是，可以利用另外的插值方法(例如双三次方法)取代双线性方法来计算插值点R_j,k的深度方向数据Z_j,k。因此，利用如上所述的过程来设置插值点R_j,k将实现数据区域的三维形状数据的准确插值。而这将提高环形旋转体表面的形状数据的插值准确性。

如图7所示，插值点移动单元28将插值点R_j,k分配在与圆C₀同心的圆C_k上，其中的圆C₀以旋转中心O为中心、圆周长度为1。

圆周长度为1的圆C₀的半径为A＝l/2π。而且，插值点R_j,k是从参考等距分割点Q_j以h_k径向向外转移的点。因此，柱坐标所表示的插值点R_j,k的坐标是R_j,k＝(B_k,θ_j,Z_j,k)。在此，B_k，移动插值点R_j,k所朝向的圆C_k的半径为B_k＝A+h_k。而且，插值点R_j,k关于旋转中心O的旋转角度θ_j为θ_j＝j·(2π/n)，其中j＝1到n。

现在，参考图8的流程图给出根据本发明的轮胎外观检查装置的操作的描述。

首先，将轮胎T设置在适当的位置上(步骤S10)。更具体地，将轮胎T安装在旋转台12上，并且利用驱动旋转台12的驱动电机13，将轮胎T旋转至初始位置(θ_i＝0rad)。

接着，当旋转轮胎T时，通过图像获取单元15来获取轮胎T的侧壁表面的图像(狭缝图像S)。同时，通过旋转角度检测单元15来检测轮胎T的旋转角度θ(步骤S11)。然后根据所捕获的狭缝图像S和轮胎T的旋转角度θ，通过图像处理单元17来计算侧壁表面的三维形状数据(步骤S12)。

接着，利用数据修正单元20来修正计算出的三维形状数据。

更具体地，如图3所示，利用参考线设置单元21来设置沿着数据区域D的形状的参考线K(步骤S13)。然后，通过等角分割点设置单元22，在参考线K上设置参考等角分割点P_i(i＝1到n)(步骤S14)。参考等角分割点Pi是将参考线K分割为关于旋转中心O的相等角度的n个部分的点。

接着，利用参考等角分割点P_i与参考等角分割点P_i+1之间的距离ΔP_i，通过圆周长度计算单元23来计算参考线K的圆周长度l(步骤S15)。然后，利用计算出的参考线K的圆周长度l，在参考线K上设置参考等距分割点Q_j(j＝1到n)(步骤S16)。参考等距分割点Q_j(j＝1到n)是将参考线K分割成相等长度的点。

接着，利用先前所设置的参考等距分割点Q_j，通过法向矢量计算单元25和插值点矢量计算单元26来计算用于修正三维数据的插值点R_j,k(步骤S17)。

插值点R_j,k各自是通过在轮胎径向方向上将参考等距分割点Q_j移动距离h_k所获得的数据区域D内的点。更具体地，插值点R_j,k各自是在插值点矢量OR_j,k的终点处的位置，该插值点矢量OR_j,k能够由分割点位置矢量OR_j,k与方向矢量Q_jR_j,k的矢量和来获得，其中分割点位置矢量OR_j,k的起点位于旋转中心O，终点位于参考等距分割点Qj，其中方向矢量Q_jR_j,k的起点位于参考等距分割点Q_j、方向矢量Q_jR_j,k朝向单位法向矢量n_j的方向并且大小等于距离h_k。

接着，从插值点R_j,k周围的测量点P_i,k、P_i,k+1、P_i+1,k、P_i+1,k+1的深度方向数据，通过插值点数据计算单元27，来计算插值点R_j,k的深度方向数据Z_i,k(步骤S18)。

接着，通过插值点移动单元28，将插值点R_j,k在与圆C₀同心的圆C_k上移动，其中圆C₀以旋转中心O为中心、圆周长度为1(步骤S19)。

如在步骤S20和步骤S21中所示，通过在角向方向和径向方向上分别重复步骤S17和步骤S18的操作，能够将所有的插值点R_j,k分配在以旋转中心O为中心的圆C_k上。

最后，通过比较已修正的侧壁表面的三维形状数据与标准轮胎的侧壁表面的三维形状数据，确定接受或拒绝轮胎T(步骤S22)。

在上述说明书中，已经参考本发明的特定实施例描述本发明。但是，不应当认为本发明的技术范围限制于这些实施例。本领域技术人员清楚的是，在不背离本发明的更宽广精神和范围的情况下，可以做出各种修改和变化。从所附权利要求的范围也将清楚的是所有这样的修改都应包括在本发明的技术范围内。

例如，在上述实施例中，将边缘线(数据区域D的内圆周)作为参考线K来使用。但是，可以将肩线(数据区域D的外圆周)作为参考线K来使用。在此情况下，理所应当的是，单位法向矢量nj必须面向轮胎的径向向内。

而且，在上述实施例中，参考等距分割点Q的数量n’与参考等角分割点P的数量n相同。但是，可以是n’<n，或者相反n’>n。在此情况下，参考等距分割点Q_j不是相邻参考等角分割点P_i和P_i+1的内部分割点。但是，能够通过与上述实施例中相同的方式，利用折线P₁P₂······P_i的长度l_P,i和折线Q₁Q₂······Q_j的长度l_q,j(也就是，l_q,j＝(j-1)·(l/n’))来计算参考等距分割点Q_j的坐标。而且，位于转动角度θ_i的插值点R_j,k的数量m_j’可以小于m_j。但是，如果将通过光切法检测到的三维形状数据进行有效利用，优选的是如在本实施例中，n’≧n并且m_j’≧m_j。

另外，已经描述关于修正通过光切法所获得的轮胎的侧壁区域的三维形状数据的方法的上述实施例。然而，表面形状数据可以是环形旋转体的一部分(诸如，侧壁区域的一部分)的表面形状数据。从轮胎的材料和结构可想到的轮胎本身的变形是有限的；不存在如“改变圆周长度”的变形。因此，通过将上述方法应用到轮胎来等角度地测量的轮胎的侧壁区域的表面形状数据(或者胎面区域的表面形状数据)可以被转换为等距离分割的数据。而且可以通过不改变圆周长度的这样方式，将等距离分割的数据重新分配在正圆上。那么，能够高度准确地修正轮胎表面的形状数据。

此外，能够在不将轮胎固定于轮辋以及将空气充入其中的情况下，检测轮胎的侧壁区域和胎面区域的表面形状数据。通过这种方式，能够明显缩短测量时间。

另外，不需要使用高精度的定心机构，这将简化设备。而且，所使用的数据可以是胎面的表面形状数据。而且，除了光切法以外，可以通过诸如立体相机或莫尔形貌术(moire topography)的方法来获得表面形状数据。而且，由于环形旋转体是轮胎，可以提供能够高速度、低成本地测量轮胎表面形状数据的轮胎外观检查装置。

此外，上述实施例是基于环形旋转体(待检查的对象)是轮胎的假设。但是本发明不限于此。它适用于构成环形旋转体的部分的各个构件(诸如，硅树脂锅盖、圆形产品(诸如，锅本身)、以及半圆柱形的树脂产品的表面(侧面))的检查。

附图标记说明

10 轮胎外观检查装置

11 图像获取单元

11A 光投射单元

11B 图像捕获单元

12 旋转台

13 驱动电机

14 电机控制单元

15 旋转角度检测单元

16 计算部

17 图像处理单元

18 存储单元

19 确定单元

20 数据修正单元

21 参考线设置单元

22 等角分割点设置单元

23 圆周长度计算单元

24 等距分割点设置单元

25 法向矢量计算单元

26 插值点矢量计算单元

27 插值点数据计算单元

28 插值点移动单元

T 轮胎