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LabVIEW誕生20年記念 LabVIEWと画像処理
LabVIEW誕生20年記念 短期連載 日本ナショナルインスツルメンツ株式会社 松原 正浩 1 く、アルゴリズムを組み合わせるなど、ソフトウェアを駆使 する必要がある。しかし、同じ検出ポイントの繰り返し精 度や、同様な画像を同一のアルゴリズムで処理した場合 の再現性などに問題が出る場合もある。このような場合 まず、今回紹介する事例に使用した、マシンビジョンア には、ラインプロファイルを使用した解析により検出エリ プリケーション開発に必要なソフトウェアについて簡単に アを限定することで、高精度なエッジ検出が可能となる。 説明する。 これを利用することで、コントラストが低いX線画像の物体 ソフトウェアには、 「NI LabVIEW」 と 「NI Vision開発モジュ ール」 を使用した。NI LabVIEWは、グラフィカルなアプリ 検出やエッジ検出、および照明が均一にならない曲面のキ ズなどの検出に対応できるようになる。 ケーション開発環境である。また、NI Vision開発モジュー ここでは、X線画像処理にラインプロファイルを活用し ルは、マシンビジョンアプリケーションに必要なソフトウェ た例を紹介する。今回はX線画像を取り上げるため、カメ アツールをひとつにまとめた画像入力／処理用のソフトウ ラやフレームグラバなどのハードウェアに関わるシステム ェアパッケージである。200種類以上の画像処理および解 構成部の説明は割愛する。 析用の関数ライブラリ 「NI Vision」 と、対話式プロトタイプ 作成ツール「NI Vision Assistant」 、およびGigE Visionや IEEE 1394（FireWire）規格を含む、さまざまなカメラに対 応した「NI 画像入力ソフトウェア」から構成されている。 2 歯科医療分野でのアプリケーション事例を紹介する。 最近では、ソフトウェアの進歩に伴い画像処理／解析機 今までは、医師の経験にもとづく判断により処置を決定し 能や関数が豊富になり、エッジやキズの検出が容易にでき ていたが、患者にとってより最適な治療ができるように改 るようになってきた。しかしそれは、照明や光学的な条件 善するため、歯のX線画像をもとに歯根や神経の状態を自 が良く、カメラからの画像がクリアで検出部のコントラスト 動で認識するシステムの要望を受けた。 が高い場合である。画像全体での輝度ムラがある場合や X線画像はコントラストが低く、決して画像状態が良いと 検出部のコントラストが低い場合などは、既存のソフトウェ はいえないため、ラインプロファイルを使用した画像処理 アの処理／解析アルゴリズムだけでの検出は容易ではな による、X線画像の定量的で正確な判断が必要となって eizojoho industrial July 2006︱47 くる。また、当然のことながら短時間での開発が求めら れた。 3 ここからは、NI Vision開発モジュールを使用した具体的 な検出方法などについて説明する。まず、このソフトウェア パッケージに含まれるプロトタイピングツールNI Vision Assistantを使用し、アルゴリズムの検証を行う。200種類 以上の画像処理／解析ライブラリNI Visionの中から、最 適な処理・解析アルゴリズムを選び出し、最適なパラメー タの設定を迅速に行っていく。 図2 奥歯のX線画像 輝度の差 （1） エッジ検出 図1のサンプル画像は、人間の奥歯のX線画像である。 この画像のように背景の輝度が均一ではないため、白い 歯の部分とのコントラストの差が出てしまう。図2の画像 の上部と下部の枠内のヒストグラム（図2-aと図2-b） を 比べると背景の輝度に差があるのが分かる。輝度平均値 でも約2倍程度の差がある。このように場所によって輝度 が違う画像を2値化して、エッジを検出しようとしても2値 化のしきい値が一定の場合、画像全体で適正にエッジが 検出されない。図3や図4のようなズレやはみ出しが発 生する。 図2 -a 図2 上部のヒストグラム 図1 奥歯のX線画像 48 ︱July 2006 図2 -b 図2 下部のヒストグラム eizojoho industrial LabVIEWと画像処理 図3の場合は全体のエッジは検出できているように見え るが、中央部分のエッジは中に入り込んでいる。抽出した 部分のさらに外側に本当のエッジがある。そのため、しき い値を下げてこの部分のエッジを正確に抽出しようとする と、今度は図4のようなはみ出しが下部で発生し、歯以外 の部分も抽出してしまう。このように2値化でのエッジ検出 が曖昧では、形状検査や寸法測定時の繰り返し精度の低 下、さらには誤認識といった原因になってしまう。 （2） ローカル2値化法 前述した問題を解決する方法は、多くの手法が研究さ れているが、単純な方法のひとつに画像を小さな短冊や 図3 2値化によるエッジ検出ずれ 升目に分けて狭い範囲で2値化を行う、ローカル2値化法 がある。それぞれの狭小範囲の画像に適したしきい値で エッジを検出してから全体を組み上げる。 図5は、実際に図2の上部と下部の部分を、それぞれし きい値を変えて2値化した例である。これにより、上部も 下部も正確にエッジの抽出が行われる。このようにして、 上から下まで1ラインごとに詳細にエッジを抽出すること で、より高精度な計測が行える。 （3） ラインプロファイル ここでは、1ラインごとのラインプロファイルを使った2値 化を行う。図6は画像の上中下でラインプロファイルの違 いを見たものである。図6-aが上部ラインのプロファイル である。 コントラストが高く状態が良い。図6-bは中央部ライン 図4 2値化によるはみ出し プロファイルである。中央から下は徐々にコントラストが 低下してくる。図6-cが下部のラインプロファイルである。 ここでは、歯根部の輝度の低下と背景部の輝度の上昇に より、コントラストがますます低下する。 実際には画像全部を上から下まで、または左右にライン をスキャンさせて2値化させなくてはならない。最終的には 自動で全領域をスキャンさせるプログラムが必要になる。 そのため、2値化のしきい値もプログラム上で自動的に変 更させる必要があるが、ここでは単純に輝度の最大値や最 小値に割合を掛けて計算する。図7は、ラインプロファイ ルの平均値をしきい値にしたもので、全体にわたり、かな り正確にエッジの抽出ができているのが分かる。 図5 上部と下部を別々に2値化した例 上部のしきい値:53、下部のしきい値:87 eizojoho industrial July 2006︱49 図6 上中下部の位置での輝度分布 図7 下部の輝度値分布 図6-a 図6上部の輝度値分布 図8 上下限のふたつのしきい値による処理 図6-b 図6中央部の輝度値分布 図6-c 図6下部の輝度値分布 50 ︱July 2006 図9 微分処理を組み合わせた場合 eizojoho industrial LabVIEWと画像処理 4 今回紹介した、ソフトウェアを組み合わせて行ったロー カル2値化の処理は、NI Vision開発モジュールの最新バー ジョンから、基本関数として組み込まれている。このため、 今回紹介したような複雑な画像処理・解析が容易に行え るようになった。さらに、ゴールデンテンプレートマッチン グや、データマトリクスグレーディングツールを使用した ISO 16022（AIM）規格の2Dバーコードの評価など、最新 バージョンでは、より迅速に開発できるようにさまざまな 機能が強化されている。 また、最新の画像入力ソフトウェアでは、GigE Vision規 図10 図9の処理後に2値化した場合 格のカメラにも対応し、より広範なマシンビジョンアプリ ケ ー シ ョン の 構 築 に 対 応 して い る 。 詳 しくは 、 また、ラインプロファイル波形の大きな変化点を見つ www.ni.com/vision/ja/ をご覧いただきたい。 けることによって、歯の内部の陰影（神経部分）部分も取 さらに、NIでは、より複雑なアプリケーションやシステム り出せる。通常のように、画像全体で輝度の中間グレー 統合が必要な場合にも、ソフトウェアやハードウェアのみ 部分を抜き出すために、同じ上下限のふたつのしきい値 ではなく、今回事例を紹介した経験豊富なアライアンス を使って2値化した場合は、図8のようになってしまう。 パートナによるシステムインテグレートも提供している。 そこで、ラインプロファイル波形を使い、微分などで解 なお、7月に行うNIの「マシンビジョン技術フォーラム 析して輝度が大きく変化する点を見つける。そしてその点 2006」 （www.ni.com/jp/event）にて同様の事例を発表する のいくつかの隣接範囲で2値化をすれば、図9のようなわ 予定である。 ずかなコントラスト違いまで抽出することができる。 さらにここからエッジを検出していけば図10のような枠 だけを抜き出すこともできる。 ☆日本ナショナルインスツルメンツ株式会社 営業部 （4） おわりに 今回は、NI LabVIEWとNI Vision開発モジュールの組み 合わせによる、ラインプロファイルの解析を行うことで、X TEL.0120-108492 FAX.03-5472-2977 [email protected] http://www.ni.com/jp 線画像のようなコントラストの低い画像においても正確な エッジ検出を可能とした。 しかし、 画像処理で解決したいという要望はたくさんあり、 ☆株式会社ペリテック 開発第1営業 そこにはさまざまな課題が存在する。工業分野や医療分 システムエンジニア＆部長 野では、さらに速いスピードや高い精度の要求があり、ま 吉田 雄吉 た、フーリエ関数をはじめ振動解析などとの統合処理が必 TEL.027-328-6970 FAX.027-322-7218 要となっている。NIでは、NI LabVIEWに追加して使用す [email protected] るLabVIEW用の「音響／振動解析ツール」や波形解析な http://www.peritec.co.jp ど、さまざまなツールキットを提供しているうえ、ソフトウェ アとモーションやデータ集録などのハードウェアとの統合 も容易なため、これらの要求にも十分対応可能である。 eizojoho industrial ■評価ソフト、パンフレットのダウンロードはこちら ・マシンビジョンパンフレット、Vision Builder AI評価版 ・Vision評価版 ・LabVIEWについての詳細はこちら July 2006︱51