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JP2004163271A - Noncontact image measuring apparatus - Google Patents

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JP2004163271A
JP2004163271A JP2002329669A JP2002329669A JP2004163271A JP 2004163271 A JP2004163271 A JP 2004163271A JP 2002329669 A JP2002329669 A JP 2002329669A JP 2002329669 A JP2002329669 A JP 2002329669A JP 2004163271 A JP2004163271 A JP 2004163271A
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JP
Japan
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measurement
optical axis
image
laser
target space
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JP2002329669A
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Hirobumi Chikatsu
博文 近津
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Tokyo Denki University
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Tokyo Denki University
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a noncontact image measuring apparatus capable of performing highly accurate photographic surveying in an object space under condition that a reference point can not be placed in the object space by enabling on-site calibration which eliminates both confining conditions on scale distances or altitude reference points in the object space and the need for a ground reference point. <P>SOLUTION: The noncontact image measuring apparatus comprises both a half mirror 20 for correspondingly directing both the photographing optical axis 16 of a digital camera 10 and the laser optical axis 18 of a laser range finder 14 toward points of measurement in the space to be measured and a personal computer 22 for computing external orientation elements and internal orientation elements of the digital camera 10 on the basis of acquired image coordinates and measured distances on six points of measurement or more in the space to be measured photographed from two locations or more by the digital camera 10 and to which the distances are measured by the laser range finder 14. The noncontact image measuring apparatus enables three-dimensional measurement on the space to be measured. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、民生用等の高解像度デジタルカメラによる簡便なデジタル写真測量を実用化し得る非接触画像計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
写真測量におけるアナログからデジタルへの変化は、フィルムからCCD(電化結合素子)センサへの変遷であり、フィルムの現像およびプリントという従来のフィルムカメラでは避けられなかった時間的損失が解消され、リアルタイムな画像取得が可能になった。特に最近ではセンサ技術の飛躍的な発展により、CCDセンサの高解像度化が急速に進み、多種多様な高解像度民生用デジタルカメラが発売されており、高解像度民生用デジタルカメラによる簡便なデジタル写真測量の実用化が多くの分野において期待されている。
【0003】
従来、撮影画像に距離を関連つける技術には、広範囲な実空間を対象とした濃淡画像を取得しその画像中の任意の1点に対してカメラからの距離情報を取得し、画像を繋ぎ合わせてパノラマ画像を作成し、パノラマ画像中に距離が測られた対象物の距離情報が記録されている距離情報付き画像作成装置の技術が開示されている(特許文献1)。
一方、被写体の空間的な位置、すなわち、3次元座標を求めることを扱う写真測量においては、地上写真測量、空中写真測量などの種類があるがその拠り所とする原理は同じであり、写真は中心投影像であることである。詳しく述べると、写真測量は中心投影画像である写真の平面座標を測定し、さらに被写体、レンズ、フィルム(あるいは撮像素子)を結ぶ光の幾何学的条件を利用して、被写体の空間位置、すなわち3次元座標を求めることである。測定には必ず何らかの誤差が含まれており、写真側量では、種々の誤差を含んだ測定値から未知変量の最適値を求めなければならず、レンズ歪、焦点距離、主点位置などの補正パラメータの内部標定要素に基づく内部標定と、撮影点の位置とカメラの傾きの外部標定要素に基づく外部標定とが重要になるとされる(非特許文献1)。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−227963号
【非特許文献1】
(社団法人)日本写真測量学会発行(平成9年4月改定版発行)、解析写真測量委員会発刊「解析写真測量」
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
発明者は、前記の背景からこれまでに高解像度の民生用デジタルカメラのデジタル写真測量への応用を検討し、さらに民生用デジタルカメラによるデジタル写真測量のソフトウエアの開発などを行ってきた。
【0006】
しかしながら、現在多くの手法では、内部標定要素は予め取得されている必要があり、さらに対象物に対する実座標を取得するためには対象空間上に縮尺距離、あるいは標高基準点が必要とされ、これらの拘束が民生用デジタルカメラによる簡便なデシタル写真測量を実用化する上でのボトルネックとなっているという問題点がある。
【0007】
なお、前記特許文献1では、単に距離情報を撮影画像の特定に対応つけるというものであり、10枚の画像を繋ぎ合わせてパノラマ画像を作成した場合、その画像中に10点に対する距離情報が記録されていることになる。特許文献1ではその第6頁に記載のように、画像の重ね合わせに射影変換式を使っているが、この変換式は厳密には2次元の射影変換式と呼ばれるものであって、対象面が平面の場合に限られるものである。従って、3次元座標を持つ実空間に対してこの式で変換することには誤差が伴うものであり、この誤差は写真測量の分野では見逃せない大きな誤差になりうる。これに対して、写真測量の分野ではコンピュータのモニタ上に表現することよりも、実空間の正確な3次元座標が求められ、精度の面で全く要求されるレベルが異なるものである。
【0008】
本発明は、前記従来の問題点を解消するためなされたものであって、対象空間上に縮尺距離、あるいは標高基準点の拘束条件および地上基準点を不要とするオンサイト・キャリブレーションを可能にして、対象空間に基準点を置けない条件の対象空間で高精度な写真測量をできるようにする非接触画像計測装置を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は前記課題を解決するため、次の構成を有する。
本発明は、測定点を含む測定対象空間を撮影するデジタル撮像手段と、撮影画像中の測定点の画像座標を求める画像座標演算手段と、測定対象空間の測定点までの距離を非接触で計測するレーザ距離計と、前記デジタル撮像手段の撮影光軸および前記レーザ距離計のレーザ光軸が一致して前記測定対象空間の測定点に向かうようにさせるための光軸一致手段と、2位置以上から撮影しおよび距離計測した測定対象空間の6点以上の測定点について前記求められた画像座標と計測距離に基づき、デジタル撮像手段の外部標定要素および内部標定要素を算出する演算手段と、撮影画像、計測距離、画像座標、外部標定要素、および内部標定要素を記憶格納する記憶手段とを有し、測定対象空間の三次元計測を可能とすることを特徴とする非接触画像計測装置である。
ここで、写真測量を正確に行うためには、撮像手段の中心から測定対象空間上の測定点までの距離を正しく知る必要がある。そのため、従来の前記特許文献1のようにレーザとカメラの光軸が平行になるようにカメラとレーザ距離計をセットするものではなく、本発明では、ハーフミラーなどの光軸一致手段を用いてデジタル撮像手段の光軸とレーザ距離計の光軸を完全に一致するようにしている。また、本発明では、2位置以上から撮影し距離計測し、デジタル撮像手段、レーザ距離計、および座標演算手段により測定対象空間の6点以上の測定点(好ましくは例えばモニタ画像上で認識しやすい特徴点とする。また、以下においてこの測定点は擬似的な基準点、つまり「擬似基準点」と称する)について求めた画像座標(一般的な手法で画像処理によって求めても、測定者が手計算で求めてもよい)とレーザ距離計による計測距離に基づき、外部標定要素および内部標定要素を算出できるので、デジタル撮像手段のキャリブレーションが可能になる。
したがって、測定対象空間にわざわざ別途に基準点を設けなくても擬似基準点は測定対象空間に適宜に設定可能になるので、従来基準点を設けられないことから計測できなかった自然地形や建造物の写真測量を簡便かつ高精度に行えるものである。すなわち、発明者は、民生用の300万画素デジタルカメラ、レーザ距離計およびパーソナルコンピュータを一体とした画像計測システムを開発し、対象空間上に縮尺距離、あるいは標高基準点の拘束条件および地上基準点を不要とするオンサイト・キャリブレーションを可能にしたものである。したがって、対象空間の精密3次元測定さらには3次元表現を現場・現地にて行えるシステムを構築できるものである。
【0010】
なお、前記光軸一致手段は、測定対象空間と前記デジタル撮像手段との間の光軸上に設けられたハーフミラーであって、該ハーフミラーを透過して前記デジタル撮像手段の測定対象空間の測定点に向かう光軸と前記ハーフミラーにより反射されて測定対象空間の測定点に向かうレーザ光軸とを一致させるための前記ハーフミラーを有することが好適である。これにより、ハーフミラーという簡便な構造でデジタル撮像手段とレーザ距離計の両光軸を光学的に正確に一致させることを実現できる。
また、前記デジタル撮像手段による撮影画像を(例えばファインダー画像として)画面表示しかつ該表示画面上にレーザ距離計のレーザ光照射点を表示するモニタ手段と、デジタル撮像手段およびレーザ距離計の光軸のうちの少なくとも一方の光軸を調整可能にする光軸調整手段とを備えたことが好適である。非接触画像計測装置において、写真測量する際には、予め光軸合わせを行ったあと測量現場に持ち込むが、現場にて再度光軸を調整可能にすることが望ましい。これにより、リアルタイムの画像を取得して撮像現場でのキャリブレーション(オンサイト・キャリブレーション)およびリアルタイムでの画像を取得し、対象空間の3次元計測(3D計測)が可能になる。
また、デジタル撮像手段、レーザ距離計、記憶手段、ハーフミラー、モニタ手段、光軸調整手段、およびデータ処理手段を一体の筐体内に設けるとともに、当該筐体を旋回方向および仰角方向で2軸回転可能に軸支する支持手段(2軸回転が可能ない専用の三脚等を設ける)を設けたことが好適である。このようにすれば、デジタル撮像手段から測定対象空間の測定点までの斜距離を計測可能にすることができ、デジタル撮像手段、レーザ距離計、モニタ手段などを一体の筐体に収容して一体化させることにより、リアルタイムに画像を取得し、オンサイト・キャリブレーションおよび3D計測をより一層簡単にかつ正確にできる。また、本発明の非接触画像計測装置では2位置から対象空間の撮影および距離測定を行う。また、デジタル撮像手段とレーザ距離計の光軸が一致した状態を保ってモニタを見ながら測量ができる。よって、非接触画像計測装置自体の取り扱いが容易でかつ測量精度が向上する。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は実施形態にかかる非接触画像計測装置の説明ブロック図である。
図1に示すように、前記非接触計測装置は、測定点を含む測定対象空間を撮影するものでズーム機能を有するデジタルカメラ(デジタル撮像手段)10と、撮影画像中の測定点の画像座標を求める下記パーソナルコンピュータ22などの座標演算手段12と、測定対象空間の測定点までの距離を非接触で計測するレーザ距離計14と、前記デジタルカメラ10の撮影光軸16および前記レーザ距離計14のレーザ光軸18が一致して前記測定対象空間の測定点に向かうようにさせるためのハーフミラー(光軸一致手段)20と、2位置以上から前記デジタルカメラ10で撮影しおよびレーザ距離計14で距離計測した測定対象空間の6点以上の測定点について前記求められた画像座標と計測距離に基づき、デジタルカメラ10の外部標定要素および内部標定要素を算出するパーソナルコンピュータ(PC:演算手段の例)22を有し、測定対象空間の三次元計測を可能とするものである。
【0012】
また、前記非接触画像計測装置は、デジタルカメラ10の撮影画像、レーザ距離計14の計測距離、求めた画像座標、算出した外部標定要素、および内部標定要素等を記憶格納するメモリ(記憶手段)24と、前記デジタルカメラ10による撮影画像を画面に表示しかつ該表示画面上にレーザ距離計14のレーザ光照射点を表示する液晶表示素子からなるモニタ(モニタ手段)26と、デジタルカメラ10およびレーザ距離計14の光軸のうちの少なくとも一方の光軸を調整可能にする回転可能なミラー32からなる光軸調整手段とを備えている。
【0013】
また、前記光軸一致手段であるハーフミラー20は、測定対象空間に向う前記デジタルカメラ10の光軸16上に設けられたハーフミラー20であって、該ハーフミラー20(表面20f、裏面20r)を透過して前記デジタルカメラ10の測定対象空間の測定点に向かう撮影視野の撮影光軸16と、レーザ距離計14より出射されたレーザ光がハーフミラー20の表面20fにより反射されて測定対象空間の測定点に向かうレーザ光軸18とを一致させるためのハーフミラー20である。
【0014】
実施形態の非接触画像計測装置は、デジタルカメラ10、レーザ距離計14、メモリ24、ハーフミラー20、モニタ26、光軸調整手段のミラー32、および演算手段22を一体の筐体28内に設けるとともに、当該筐体28を水平面上での旋回方向(旋回方向軸30A)および上下方向の仰角方向(仰角方向軸30B)における2軸回転可能に軸支する(2軸回転可能な三脚等を用いる)支持構造30を設けている。
なお、この筐体28内に設けられる前記のレーザ距離計14自体のレーザ出射方向は、デジタルカメラ10の撮影光軸と平行になっているが、レーザ距離計14のレーザ出射前方に全反射のミラー32を軸回転可能に設け、該ミラー32によりレーザ距離計より出射されたレーザ光14Aを反射してハーフミラー20の表面20fにレーザ光14Aを導いている。そして、該ミラー32の角度位置を調整可能にしてレーザ光14Aの光軸18の調整により、レーザ光軸18と撮影光軸16とを一致させることが可能になっている。
【0015】
また、前記モニタ26上に画像表示するためのデータ処理用のパーパーソナルコンピュータ22には、メモリ(記憶手段)24としてハードディスクドライブ(HDD)24Aとランダムアクセスメモリ(RAM)24Bと、演算処理手段としての中央処理ユニット(CPU)22Aをマザーボード22B上に設けて、前記筐体28内に収容されている。
具体的には、前記デジタルカメラは314万画素、レーザ距離計12は距離精度40mまで±3mm、ファインダ画像の転送用にビデオキャプチャーボード22Cをマザーボード22Bに接続している。
【0016】
実施形態の非接触画像計測装置における外部標定要素と内部標定要素の求め方について説明する。
画像計測する場合、デジタルカメラ中心から対象空間までの距離を正しく知る必要があるため、レーザ光軸18とデジタルカメラ10光軸(撮影光軸)16とが完全に一致するようにハーフミラー20を用いている。また、モニタ26はデジタルカメラ10のファインダとしても使用できる。
[1] まず、測定対象空間の臨める第1の位置から、デジタルカメラ10による測定対象空間の画像をパーソナルコンピュータ22に取り込む。
[2] そして、測定対象空間の特徴点(擬似基準点)6点に対して、非接触画像計測装置のシステムを収容した筐体28を支持構造30上で回転させてその点に対するレーザ距離計14により距離測定を行う。
[3] モニタ(ファインダ)26を通して測定点を狙い、さらにデジタルカメラ10のズーム機能を用いてレーザ光14Aが照射されている点を前記測定点に正確に一致させることができる。また、システムの回転に伴う誤差を防ぐために、システムの回転中心とカメラ軸の中心とは一致させてある。
[4] 測定点の画像座標は、パーソナルコンピュータ22により画像処理で求めるか、あるいは手動で求めることができる。また、これらの求められた画像座標は、距離を対応付けられてパーソナルコンピュータ22のメモリ24に記録される。
[5] そして、6点以上の測定点(特徴点)に対する画像座標および距離を取得したのち、デジタルカメラのキャリブレーション(デジタルカメラの外部標定要素、内部標定要素)の算出をパーソナルコンピュータ22で行う。
[6] デジタルカメラ10などの非接触画像計測装置のシステムを前記第1の位置から移動させて、第2の位置に設置し[1]から[5]までの操作を行う。
[7] これから以降は、従来の写真測量と同じく、2位置で撮影・測定したステレオ画像に対してバンドル調整法により測定対象空間の3次元座標の算出を行い、既存のCGソフト(コンピュータグラフィックスソフトウエア)を用いて3D表現を可能にする。
【0017】
次に、前記デジタルカメラのキャリブレーション(デジタルカメラの外部標定要素、内部標定要素)の算出について説明する。
本実施形態の非接触画像計測装置では、地上基準点の設置を必要としないオンサイト・キャリブレーション手法(測定する現地におけるキャリブレーション)を可能にするものであり、非接触画像計測装置により得られた距離を拘束条件として、2位置で得た左右のステレオ画像を同時に調整するもので、左右のカメラ位置3次元座標(X0L,Y0L,Z0L)、(X0R,Y0R,Z0R)、左右のカメラ姿勢(ωL,ψL,κL)、(ωR,ψR,κR)、カメラの焦点距離f、主点位置x0,y0、ディストーション計数p1、センサから画面座標への変換係数a1,a2および擬似基準点の3次元座標が未知量となる。なお、擬似基準点とは、キャリブレーション(校正)に利用される距離が計測された測定対象空間内の点であり、オンサイト・キャリブレーションのためには、測定対象空間内に6点以上の擬似基準点が必要であり、この場合30個の未知量に対して36個の条件式が得られることとなる。
【0018】
詳しく説明する。上記の場合、画像取得において、外部標定要素(撮影点の位置とカメラの傾き)6個が未知量となる。2箇所からの撮影であるので左右のカメラに対する外部標定要素12個が未知量となる。また、内部標定要素(主点位置x0,y0、焦点距離f、アフィン変換係数a1,a2、レンズ歪係数p1)の6個が未知量であり、厳密には左右のカメラでこれらの値はほんのわずかに異なるが、今回はこれらの値は変化しないものとして考える。従って、左右の外部標定要素、内部標定要素のあわせて18個が未知量となる。
【0019】
次に、測定対象空間の中の6個の擬似基準点に対して距離測定を行うわけであるが、擬似基準点に対する3次元座標も未知量となるので、6×3=18個が未知量となり、合計36個の未知量となる。
これに対して、1点の擬似基準点に対して2個の共線条件式が得られるので、片方の写真から6個の擬似基準点に対して12個、これを左右の画像同時に解くことにより、合計24個の条件式が得られる。
【0020】
さらに、左右のカメラ位置で対象空間中の同じ擬似基準転点に対して距離測定を行うわけであるから、1点の擬似基準転点に対して1個の距離条件式(距離の拘束式)ができ、1枚の画像で6個の距離条件式ができ、左右の画像を同時に扱うことにより6+6=12個の距離条件式が出来る。
したがって、条件式は24+12=36個となり、ここに未知量の数と方程式の数が等しくなり、問題が解けることになる。
【0021】
前述の場合、未知量は30個としている。これは未知量の数を少なくするために、例えば擬似基準点中の1点を原点(0,0,0)と仮定する。するとその擬似基準点に対する3次元座標は既知となるので、未知量から3減らして33となる。このほか、測定対象空間中にX軸、Y軸を決めてやると、さらに幾何学的に未知量を3個減らすことが出来、最終的に30個の未知量となる。
通常30個の未知量に対して、30個の方程式があれば解けるのであるが、今回の場合は非線型方程式を扱うことになるので、通常は未知量の数を条件式より少なくして、最小2乗法により解く。距離の条件を入れることで、非接触計測を可能にしているが、左右のカメラ、すなわち2箇所からの画像を同時に扱っているところが、解法のポイントである。
【0022】
発明者は、本発明を実施した非接触画像計測装置の例をイメージセンシングへの応用を検証するために図3に示すような、テストターゲットTのステレオ撮影を行った。テストターゲットTには、42点の円形黒丸Dのターゲットを設け、計測された42点の黒丸D(側点)に対する3次元座標の精度検証を行った。なお、このテストターゲットTは縦1.8m、横1.55m、奥行きZ(中央2列)0.33mであり、等間隔に縦7個、横6個の黒丸Dを設けたものであり、さらに各黒丸Dの中心には、反射シールEが貼り付けられており、この反射シールEの中央を一級トータルステーション(距離精度±1mm、角度精度±2’’)を用いた計測結果を各黒丸の真値とした。
各テストターゲットTの画像座標は、撮影した画像に二値化処理を施して黒丸Dの部分のみを抜き出し、その黒丸の中心の面積重心として求めたものである。
ステレオ撮影における撮影状況を図4に示す。
【0023】
一方、図5は、本発明を実施した非接触画像計測装置によるオンサイト・キャリブレーションを行い、前記42点の側点(黒丸)に対して平均二乗誤差(RMSE1)を求めた結果と、基準点9点を用いて従来のバンドル調整法によりカメラキャリブレーションを行い33点の側点に対して平均二乗誤差(RMSE2)を求めた結果を示すものである。
図5より、平面・奥行き精度ともに本発明に係る非接触画像計測装置による結果は、従来の基準点を用いるバンドル調整法による結果よりもわずかながら低い値となっている。この理由としては、前記非接触画像計測装置による結果は測定距離の精度、さらに光軸とレーザ軸の一致の不完全性と推測されるが、本発明に係る非接触画像計測装置は従来多大な労力と時間を要していた地上基準点設置作業が必要のないこと、およびオンサイトの3D(3次元)計測が可能であること、さらには、オンサイトモデリングも可能であることを考慮すると、デジタルカメラを用いたイメージセンシング分野において、きわめて有効な方法であることが理解できる。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、対象空間上に縮尺距離、あるいは標高基準点の拘束条件および地上基準点を不要とするオンサイト・キャリブレーションを可能にして、対象空間に基準点を置けない条件の対象空間で高精度な写真測量をできる。
なお、本発明において、前記デジタル撮像手段による撮影画像および撮影光軸を表示しかつ該表示画像上にレーザ距離計のレーザ光照射点を表示するモニタ手段と、少なくともレーザ距離計の光軸を調整するための光軸調整手段とを備えたものにすれば、モニタ手段に撮像光軸とレーザ距離計のレーザ光照射点を表示できるのでその表示画面を見ながら、光軸調整手段によりレーザ距離計の光軸調整ができるので、リアルタイムの画像を取得して撮像現場でのキャリブレーション(オンサイト・キャリブレーション)およびリアルタイムでの画像を取得し、対処物の3次元計測(3D計測)が可能になる。
また、撮像画像データおよび距離データをメモリ手段に格納しかつモニタ手段に画像表示するためデータ処理手段を有し、デジタル撮像手段、レーザ距離計、メモリ手段、ハーフミラー、モニタ手段、光軸調整手段、およびデータ処理手段を一体の筐体内に設けるとともに、当該筐体が旋回方向および仰角方向で2軸回転可能に軸支する支持手段(2軸回転可能な専用の三脚等を用いる)を設けることができ、このようにすれば、デジタル撮像手段から測定対象空間の測定点までの斜距離を計測可能にすることができ、デジタル撮像手段、レーザ距離計、モニタ手段などを一体の筐体に収容して一体化させたことにより、ビデオキャプチャーボードなどのデータ処理手段を介してリアルタイムに画像を取得し、オンサイト・キャリブレーションおよび3D計測をより一層簡単にかつ正確にできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態にかかる非接触画像計測装置の説明ブロック図である。
【図2】図1の非接触画像計測装置の支持部への取り付け説明図である。
【図3】本発明に係る非接触画像計測装置を検証するためのテストターゲットの外観説明図であり、(a)がテストターゲットの全体図、(b)が個々のターゲット(黒丸)の説明図である。
【図4】同じく、本発明に係る非接触画像計測装置を検証するための撮影状況の説明図である。
【図5】本発明を実施した非接触画像計測装置によるオンサイト・キャリブレーションを行った結果と、従来のバンドル調整法によりカメラキャリブレーションを行った結果を示すものである。
【符号の説明】
10 デジタルビデオカメラ(デジタル撮像手段)
12 座標演算手段
14 レーザ距離計
16 撮影光軸
18 レーザ光軸
20 ハーフミラー(光軸一致手段)
22 パーソナルコンピュータ(演算手段)
22A 中央処理ユニット(CPU)
22B マザーボード
24 メモリ(記憶手段)
24A ハードディスクドライブ(HDD)
24B ランダムアクセスメモリ(RAM)
26 メモリ
28 筐体
30 支持構造
30A 旋回方向軸
30B 仰角方向軸
32 ミラー
D テストターゲット(黒丸)
T テストターゲット
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-contact image measurement device capable of realizing simple digital photogrammetry using a high-resolution digital camera for consumer use or the like.
[0002]
[Prior art]
The change from analog to digital in photogrammetry is the transition from film to CCD (Electrical Coupling Device) sensor, eliminating the time loss inevitable in conventional film cameras of film development and printing, and real-time Image acquisition is now possible. In recent years, in particular, with the rapid development of sensor technology, the resolution of CCD sensors has been rapidly increasing, and a wide variety of high-resolution consumer digital cameras have been released. Is expected in many fields.
[0003]
Conventionally, techniques for associating a distance with a captured image include acquiring a grayscale image covering a wide real space, acquiring distance information from a camera for an arbitrary point in the image, and joining the images. A technique of an image creating apparatus with distance information in which a panoramic image is created by using a panoramic image and distance information of an object whose distance is measured in the panoramic image is recorded (Patent Document 1).
On the other hand, in photogrammetry which deals with obtaining the spatial position of a subject, that is, three-dimensional coordinates, there are types such as ground photogrammetry and aerial photogrammetry, but the principle on which they are based is the same. That is, it is a projection image. More specifically, photogrammetry measures the plane coordinates of a photograph, which is a central projection image, and further utilizes the geometrical condition of light connecting the subject, lens, and film (or image sensor) to determine the spatial position of the subject, that is, That is, to obtain three-dimensional coordinates. The measurement always contains some errors, and for the photographic side amount, the optimal value of the unknown variable must be obtained from the measured value containing various errors, and correction of lens distortion, focal length, principal point position, etc. It is considered that the internal orientation based on the internal orientation element of the parameter and the external orientation based on the external orientation element of the position of the photographing point and the inclination of the camera are important (Non-Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-227963 [Non-patent document 1]
Published by the Japan Society of Photogrammetry (Revised in April 1997), published by the Analysis Photogrammetry Committee, "Analysis Photogrammetry"
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
From the above background, the inventors have studied the application of a high-resolution digital camera for consumer use to digital photogrammetry, and have further developed software for digital photogrammetry using a consumer digital camera.
[0006]
However, in many methods at present, the internal orientation elements need to be acquired in advance, and further, to acquire the actual coordinates of the object, a scale distance or an elevation reference point is required in the object space. Is a bottleneck in the practical application of simple digital photogrammetry using a consumer digital camera.
[0007]
Note that, in Patent Document 1, distance information is simply associated with the specification of a captured image. When a panoramic image is created by joining 10 images, distance information for 10 points is recorded in the image. It will be. In Patent Document 1, as described on page 6, a projective transformation formula is used for superimposing images, but this transform formula is strictly called a two-dimensional projective transform formula, and Is a plane. Therefore, conversion to a real space having three-dimensional coordinates by this equation involves an error, and this error can be a large error that cannot be overlooked in the field of photogrammetry. On the other hand, in the field of photogrammetry, accurate three-dimensional coordinates in real space are required rather than representation on a computer monitor, and the level required in terms of accuracy is completely different.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and enables on-site calibration that eliminates the need for a scale distance or a constraint condition of an elevation reference point and a ground reference point on a target space. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a non-contact image measurement device that enables high-accuracy photogrammetry in a target space where a reference point cannot be set in the target space.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention has the following configuration in order to solve the above-mentioned problems.
The present invention provides a digital imaging unit for photographing a measurement target space including a measurement point, an image coordinate calculation unit for obtaining image coordinates of a measurement point in a captured image, and a non-contact measurement of a distance to a measurement point in the measurement target space A laser rangefinder, an optical axis matching unit for causing the imaging optical axis of the digital imaging unit and the laser optical axis of the laser rangefinder to coincide with each other and head toward a measurement point in the measurement target space, and two or more positions Calculating means for calculating an external orientation element and an internal orientation element of the digital imaging means, based on the determined image coordinates and the measured distance for six or more measurement points in the measurement target space which have been photographed and distance-measured; A storage means for storing a measurement distance, an image coordinate, an external orientation element, and an internal orientation element, thereby enabling three-dimensional measurement of a measurement target space. It is a measuring device.
Here, in order to accurately perform photogrammetry, it is necessary to correctly know the distance from the center of the imaging means to the measurement point in the measurement target space. For this reason, the camera and the laser range finder are not set so that the laser and the optical axis of the camera are parallel to each other as in the above-mentioned Patent Document 1, but in the present invention, the optical axis matching means such as a half mirror is used. The optical axis of the digital imaging means and the optical axis of the laser distance meter are completely matched. Further, in the present invention, the distance is measured by photographing from two or more positions, and six or more measurement points (preferably, for example, easily recognized on a monitor image) in the measurement target space by the digital imaging means, the laser distance meter, and the coordinate calculation means. In the following, this measurement point is referred to as a pseudo reference point, that is, referred to as a “pseudo reference point”. The external orientation element and the internal orientation element can be calculated on the basis of the distance measured by the laser range finder, and thus the calibration of the digital imaging means can be performed.
Therefore, the pseudo reference point can be appropriately set in the measurement target space without separately setting a reference point in the measurement target space, so that natural terrain and buildings which could not be measured because the conventional reference point could not be provided. Can be easily and accurately performed. That is, the inventor has developed an image measurement system that integrates a 3 million pixel digital camera for consumer use, a laser range finder, and a personal computer, and sets a reduced distance or an altitude reference point constraint condition and a ground reference point on the target space. This enables on-site calibration that eliminates the need. Therefore, it is possible to construct a system capable of performing precise three-dimensional measurement and three-dimensional expression of a target space on site.
[0010]
The optical axis coincidence unit is a half mirror provided on an optical axis between the measurement target space and the digital imaging unit, and transmits the half mirror to define a measurement target space of the digital imaging unit. It is preferable to have the half mirror for making the optical axis toward the measurement point coincide with the laser optical axis reflected by the half mirror and toward the measurement point in the measurement target space. This makes it possible to optically and precisely match the optical axes of the digital imaging means and the laser range finder with a simple structure of a half mirror.
Monitor means for displaying an image photographed by the digital imaging means on a screen (for example, as a finder image) and displaying a laser beam irradiation point of the laser distance meter on the display screen; and optical axes of the digital imaging means and the laser distance meter And an optical axis adjusting means for adjusting at least one of the optical axes. In the non-contact image measurement device, when performing photogrammetry, the optical axis is adjusted in advance and then brought to the survey site, but it is desirable that the optical axis can be adjusted again at the site. Thereby, a real-time image is acquired, calibration at the imaging site (on-site calibration) and an image in real time are acquired, and three-dimensional measurement (3D measurement) of the target space can be performed.
In addition, the digital imaging unit, the laser range finder, the storage unit, the half mirror, the monitor unit, the optical axis adjusting unit, and the data processing unit are provided in an integrated housing, and the housing is biaxially rotated in the turning direction and the elevation direction. It is preferable to provide a supporting means that supports as much as possible (provides a dedicated tripod or the like that is not capable of biaxial rotation). In this way, the oblique distance from the digital imaging means to the measurement point in the measurement target space can be measured, and the digital imaging means, the laser distance meter, the monitoring means, and the like are housed in an integrated housing and integrated. This makes it possible to acquire images in real time, and perform on-site calibration and 3D measurement more easily and accurately. Further, the non-contact image measurement device of the present invention performs photographing and distance measurement of the target space from two positions. In addition, it is possible to perform surveying while looking at the monitor while maintaining the state where the optical axes of the digital imaging means and the laser distance meter are aligned. Therefore, handling of the non-contact image measuring device itself is easy and the surveying accuracy is improved.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory block diagram of the non-contact image measurement device according to the embodiment.
As shown in FIG. 1, the non-contact measurement device captures an image of a measurement target space including a measurement point and has a digital camera (digital imaging means) 10 having a zoom function and an image coordinate of the measurement point in the captured image. A coordinate calculation means 12 such as a personal computer 22 to be determined, a laser distance meter 14 for measuring a distance to a measurement point in a measurement target space in a non-contact manner, a photographing optical axis 16 of the digital camera 10 and the laser distance meter 14 A half mirror (optical axis matching means) 20 for causing the laser optical axis 18 to coincide with each other and head toward the measurement point in the measurement object space, taking an image with the digital camera 10 from two or more positions, and using the laser distance meter 14 External orientation elements of the digital camera 10 based on the obtained image coordinates and the measurement distance for the six or more measurement points in the measurement target space where the distance was measured. A personal computer to calculate the internal orientation parameters and: have (PC example of an arithmetic unit) 22, and makes it possible to three-dimensional measurement of the measurement object space.
[0012]
Further, the non-contact image measuring device is a memory (storage means) for storing an image taken by the digital camera 10, a measurement distance of the laser range finder 14, a calculated image coordinate, a calculated external orientation element, an internal orientation element, and the like. 24, a monitor (monitor means) 26 composed of a liquid crystal display element for displaying an image captured by the digital camera 10 on a screen and displaying a laser beam irradiation point of the laser rangefinder 14 on the display screen; And an optical axis adjusting means comprising a rotatable mirror 32 capable of adjusting at least one of the optical axes of the laser range finder 14.
[0013]
The half mirror 20, which is the optical axis matching means, is a half mirror 20 provided on the optical axis 16 of the digital camera 10 facing the measurement target space, and the half mirror 20 (the front surface 20f, the back surface 20r). The laser beam emitted from the laser range finder 14 is reflected by the surface 20f of the half mirror 20, and the imaging optical axis 16 of the imaging field of view toward the measurement point in the measurement object space of the digital camera 10 Is a half mirror 20 for matching the laser optical axis 18 toward the measurement point.
[0014]
In the non-contact image measuring apparatus according to the embodiment, the digital camera 10, the laser distance meter 14, the memory 24, the half mirror 20, the monitor 26, the mirror 32 of the optical axis adjusting unit, and the calculating unit 22 are provided in an integrated housing 28. At the same time, the housing 28 is supported to be biaxially rotatable in a turning direction (a turning direction axis 30A) and a vertical elevation direction (an elevation direction axis 30B) on a horizontal plane (a tripod capable of biaxial rotation is used). ) A support structure 30 is provided.
Although the laser emission direction of the laser range finder 14 provided in the housing 28 is parallel to the imaging optical axis of the digital camera 10, the laser A mirror 32 is provided so as to be rotatable about the axis, and the laser light 14A emitted from the laser distance meter is reflected by the mirror 32 to guide the laser light 14A to the surface 20f of the half mirror 20. By adjusting the angle position of the mirror 32 and adjusting the optical axis 18 of the laser beam 14A, the laser optical axis 18 and the photographing optical axis 16 can be matched.
[0015]
The personal computer 22 for data processing for displaying an image on the monitor 26 includes a hard disk drive (HDD) 24A as a memory (storage means) 24, a random access memory (RAM) 24B, and an arithmetic processing means. A central processing unit (CPU) 22A is provided on a motherboard 22B and housed in the housing 28.
Specifically, the digital camera has 3.14 million pixels, the laser distance meter 12 has a distance accuracy of ± 3 mm up to 40 m, and a video capture board 22C connected to a motherboard 22B for transferring a finder image.
[0016]
A method for obtaining an external orientation element and an internal orientation element in the non-contact image measurement device according to the embodiment will be described.
When measuring an image, it is necessary to correctly know the distance from the center of the digital camera to the target space. Therefore, the half mirror 20 is positioned so that the laser optical axis 18 and the optical axis (photographing optical axis) 16 of the digital camera 10 completely match. Used. The monitor 26 can also be used as a finder of the digital camera 10.
[1] First, an image of the measurement target space by the digital camera 10 is taken into the personal computer 22 from a first position where the measurement target space can be seen.
[2] Then, the housing 28 accommodating the system of the non-contact image measurement device is rotated on the support structure 30 with respect to six characteristic points (pseudo reference points) in the measurement target space, and the laser distance meter for the points is provided. The distance is measured by 14.
[3] It is possible to aim at the measurement point through the monitor (finder) 26 and use the zoom function of the digital camera 10 to make the point irradiated with the laser beam 14A exactly coincide with the measurement point. Further, in order to prevent an error due to the rotation of the system, the center of rotation of the system is coincident with the center of the camera axis.
[4] The image coordinates of the measurement point can be obtained by image processing by the personal computer 22 or manually. The obtained image coordinates are recorded in the memory 24 of the personal computer 22 in association with the distance.
[5] After acquiring the image coordinates and the distances for the six or more measurement points (feature points), the personal computer 22 calculates the calibration of the digital camera (the external orientation element and the internal orientation element of the digital camera). .
[6] The system of the non-contact image measurement device such as the digital camera 10 is moved from the first position, installed at the second position, and the operations from [1] to [5] are performed.
[7] From now on, as in the conventional photogrammetry, three-dimensional coordinates of a measurement target space are calculated for stereo images taken and measured at two positions by a bundle adjustment method, and the existing CG software (computer graphics Software)) to enable 3D representation.
[0017]
Next, the calculation of the calibration of the digital camera (the external orientation element and the internal orientation element of the digital camera) will be described.
The non-contact image measurement apparatus according to the present embodiment enables an on-site calibration method (calibration at the site to be measured) that does not require installation of a ground reference point, and is obtained by the non-contact image measurement apparatus. The left and right stereo images obtained at the two positions are simultaneously adjusted using the distance as a constraint condition. The left and right camera positions are three-dimensional coordinates (X0L, Y0L, Z0L), (X0R, Y0R, Z0R), the left and right camera postures. (ΩL, ψL, κL), (ωR, ψR, κR), camera focal length f, principal point position x0, y0, distortion count p1, conversion coefficients a1, a2 from sensor to screen coordinates, and pseudo reference point The dimensional coordinates are unknown quantities. The pseudo reference point is a point in the measurement target space at which the distance used for calibration (calibration) is measured. For on-site calibration, six or more points are included in the measurement target space. A pseudo reference point is required. In this case, 36 conditional expressions are obtained for 30 unknown quantities.
[0018]
explain in detail. In the above case, in image acquisition, six external orientation elements (the position of the imaging point and the inclination of the camera) are unknown quantities. Since the photographing is performed from two places, twelve external orientation elements for the left and right cameras are unknown quantities. Six internal orientation elements (principal point positions x0 and y0, focal length f, affine transformation coefficients a1 and a2, and lens distortion coefficient p1) are unknown quantities. Strictly speaking, these values are only small for the left and right cameras. Although slightly different, we will assume that these values do not change this time. Therefore, a total of 18 left and right external orientation elements and internal orientation elements are unknown quantities.
[0019]
Next, distance measurement is performed for six pseudo reference points in the measurement target space. Since the three-dimensional coordinates for the pseudo reference points are also unknown quantities, 6 × 3 = 18 unknown quantities are used. And a total of 36 unknowns are obtained.
On the other hand, since two collinear conditional expressions are obtained for one pseudo reference point, 12 for six pseudo reference points from one photograph are solved simultaneously for the left and right images. As a result, a total of 24 conditional expressions are obtained.
[0020]
Further, since the distance measurement is performed for the same pseudo reference turning point in the target space at the left and right camera positions, one distance conditional expression (distance constraint expression) is obtained for one pseudo reference turning point. Thus, six distance conditional expressions can be obtained with one image, and 6 + 6 = 12 distance conditional expressions can be obtained by simultaneously processing the left and right images.
Therefore, the number of conditional expressions is 24 + 12 = 36, where the number of unknowns and the number of equations are equal, and the problem can be solved.
[0021]
In the above case, the unknown quantity is 30 pieces. This assumes that, for example, one of the pseudo reference points is the origin (0, 0, 0) in order to reduce the number of unknown quantities. Then, since the three-dimensional coordinates for the pseudo reference point are known, 33 is obtained by subtracting 3 from the unknown quantity. In addition, if the X-axis and the Y-axis are determined in the measurement target space, three unknown quantities can be further geometrically reduced, and finally, 30 unknown quantities are obtained.
Normally, 30 unknowns can be solved if there are 30 equations, but in this case, nonlinear equations will be treated. Solve by the least squares method. The non-contact measurement is enabled by setting the condition of the distance, but the point of the solution is that the left and right cameras, that is, the images from two places are handled at the same time.
[0022]
The inventor performed stereo photography of a test target T as shown in FIG. 3 in order to verify the application of the non-contact image measurement device embodying the present invention to image sensing. The test target T was provided with 42 circular black circle D targets, and the accuracy of three-dimensional coordinates of the measured 42 black circles D (side points) was verified. The test target T has a length of 1.8 m, a width of 1.55 m, a depth Z (central two rows) of 0.33 m, and is provided with seven vertical and six black circles D at equal intervals. Further, a reflective seal E is attached to the center of each black circle D, and the center of the reflective seal E is measured with a first-class total station (distance accuracy ± 1 mm, angular accuracy ± 2 ″) to indicate the black circle D. True value.
The image coordinates of each test target T are obtained by subjecting the captured image to binarization processing, extracting only the black circle D, and determining the area center of gravity of the black circle.
FIG. 4 shows a shooting situation in stereo shooting.
[0023]
On the other hand, FIG. 5 shows a result obtained by performing on-site calibration by the non-contact image measurement device embodying the present invention, obtaining a mean square error (RMSE1) for the 42 side points (black circles), and a reference value. The figure shows the result obtained by performing camera calibration by the conventional bundle adjustment method using nine points and calculating the mean square error (RMSE2) for 33 side points.
As shown in FIG. 5, the results obtained by the non-contact image measurement device according to the present invention are slightly lower in both the plane and the depth accuracy than the results obtained by the conventional bundle adjustment method using the reference points. The reason for this is presumed that the result of the non-contact image measurement device is the accuracy of the measurement distance and the imperfection of the coincidence between the optical axis and the laser axis. Considering that there is no need for labor and time-consuming ground reference point installation work, that on-site 3D (three-dimensional) measurement is possible, and that on-site modeling is also possible, It can be understood that this is an extremely effective method in the field of image sensing using a digital camera.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to perform on-site calibration that does not require the restriction condition of the scale distance or the elevation reference point and the ground reference point on the target space, and place the reference point in the target space. High-accuracy photogrammetry can be performed in a target space with no conditions
In the present invention, a monitor means for displaying a photographed image and a photographing optical axis by the digital photographing means and displaying a laser beam irradiation point of the laser distance meter on the displayed image, and adjusting at least an optical axis of the laser distance meter. And an optical axis adjusting means for performing the operation, the imaging optical axis and the laser beam irradiation point of the laser distance meter can be displayed on the monitor means. Real-time image acquisition and calibration at the imaging site (on-site calibration) and real-time image acquisition, enabling three-dimensional measurement (3D measurement) of the target object Become.
A data processing unit for storing the captured image data and the distance data in the memory unit and displaying the image on the monitor unit; a digital imaging unit, a laser distance meter, a memory unit, a half mirror, a monitor unit, and an optical axis adjusting unit , And data processing means are provided in an integral housing, and support means (using a dedicated tripod capable of rotating in two axes) is provided for supporting the housing so as to be capable of rotating in two directions in a turning direction and an elevation direction. In this way, the oblique distance from the digital imaging means to the measurement point in the measurement target space can be measured, and the digital imaging means, the laser distance meter, the monitoring means, and the like are housed in an integrated housing. And integrated into a real-time image via a data processing means such as a video capture board. And possible 3D measurement even more easily and accurately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory block diagram of a non-contact image measurement device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of attachment of the non-contact image measurement device of FIG. 1 to a support unit.
FIGS. 3A and 3B are external explanatory views of a test target for verifying the non-contact image measurement device according to the present invention, wherein FIG. 3A is an overall view of the test target and FIG. 3B is an explanatory view of an individual target (black circle). It is.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a shooting situation for verifying the non-contact image measurement device according to the present invention.
FIG. 5 shows a result of performing on-site calibration by a non-contact image measurement device embodying the present invention and a result of performing camera calibration by a conventional bundle adjustment method.
[Explanation of symbols]
10. Digital video camera (digital imaging means)
12 Coordinate calculation means 14 Laser distance meter 16 Photographing optical axis 18 Laser optical axis 20 Half mirror (optical axis matching means)
22 Personal computer (arithmetic means)
22A Central processing unit (CPU)
22B Motherboard 24 Memory (storage means)
24A Hard Disk Drive (HDD)
24B random access memory (RAM)
26 Memory 28 Housing 30 Support structure 30A Revolving direction axis 30B Elevation direction axis 32 Mirror D Test target (black circle)
T test target

Claims (4)

測定点を含む測定対象空間を撮影するデジタル撮像手段と、
撮影画像中の測定点の画像座標を求める画像座標演算手段と、
測定対象空間の測定点までの距離を非接触で計測するレーザ距離計と、
前記デジタル撮像手段の撮影光軸および前記レーザ距離計のレーザ光軸が一致して前記測定対象空間の測定点に向かうようにさせるための光軸一致手段と、
2位置以上から撮影しおよび距離計測した測定対象空間の6点以上の測定点について前記求められた画像座標と計測距離に基づき、デジタル撮像手段の外部標定要素および内部標定要素を算出する演算手段と、
撮影画像、計測距離、画像座標外部標定要素、および内部標定要素を記憶格納する記憶手段とを有し、測定対象空間の三次元計測を可能とすることを特徴とする非接触画像計測装置。
Digital imaging means for photographing a measurement target space including a measurement point,
Image coordinate calculating means for obtaining image coordinates of a measurement point in a captured image;
A laser distance meter that measures the distance to the measurement point in the measurement target space without contact,
Optical axis matching means for causing the photographing optical axis of the digital imaging means and the laser optical axis of the laser distance meter to coincide with each other so as to be directed to a measurement point in the measurement target space,
Calculating means for calculating an external orientation element and an internal orientation element of the digital imaging means based on the obtained image coordinates and measurement distances for the six or more measurement points in the measurement target space which are photographed from two or more positions and distance measured; ,
A non-contact image measurement apparatus, comprising: a storage unit for storing a captured image, a measurement distance, an image coordinate external orientation element, and an internal orientation element, and enabling three-dimensional measurement of a measurement target space.
光軸一致手段は、測定対象空間と前記デジタル撮像手段との間の光軸上に設けられたハーフミラーであって、該ハーフミラーを透過して前記デジタル撮像手段の測定対象空間の測定点に向かう光軸と前記ハーフミラーにより反射されて測定対象空間の測定点に向かうレーザ光軸とを一致させるための前記ハーフミラーを有することを特徴とする請求項1に記載の非接触画像計測装置。The optical axis matching unit is a half mirror provided on the optical axis between the measurement target space and the digital imaging unit, and transmits through the half mirror to a measurement point of the measurement target space of the digital imaging unit. 2. The non-contact image measurement device according to claim 1, further comprising the half mirror for matching an optical axis going to the laser axis reflected by the half mirror to a measurement point in a measurement target space. 3. 前記デジタル撮像手段による撮影画像を画面に表示しかつ該表示画面上にレーザ距離計のレーザ光照射点を表示するモニタ手段と、
デジタル撮像手段およびレーザ距離計の光軸のうちの少なくとも一方の光軸を調整可能にする光軸調整手段とを備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の非接触画像計測装置。
Monitor means for displaying an image captured by the digital imaging means on a screen and displaying a laser beam irradiation point of a laser distance meter on the display screen,
3. The non-contact image measuring apparatus according to claim 1, further comprising: an optical axis adjusting unit configured to adjust at least one of an optical axis of the digital imaging unit and an optical axis of the laser range finder.
デジタル撮像手段、レーザ距離計、記憶手段、ハーフミラー、モニタ手段、光軸調整手段、およびデータ処理手段を一体の筐体内に設けるとともに、当該筐体を旋回方向および仰角方向で2軸回転可能に軸支する支持手段を設けたことを特徴とする請求項1ないし3のうちのいずれか1項に記載の非接触画像計測装置。A digital imaging unit, a laser range finder, a storage unit, a half mirror, a monitor unit, an optical axis adjusting unit, and a data processing unit are provided in an integrated housing, and the housing is rotatable in two directions in a turning direction and an elevation direction. The non-contact image measuring apparatus according to claim 1, further comprising a supporting unit that supports the shaft.
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