JP2008076303A - 位置測定装置及び位置測定方法及び位置測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】
ターゲットを設置することなく、更に人手を介在する作業を必要とすることなく容易に広範囲の画像付き３次元データの測定を可能とする。
【解決手段】
測定エリアに向けて測定用パルスビームを照射走査し、該測定用パルスビームの反射光に基づき測距を行い測定エリアに於ける位置データ群を求める距離測定部４と、前記測定エリアを撮像して画像データを取得するデジタル撮像部５と、前記位置データ群と前記画像データとを対応付けて少なくとも２方向から取得した２組の前記位置データ群と前記画像データとを記憶する為の記憶部と、記憶された２つの画像データに基づく両画像のマッチングにより、２つの位置データ群の合成を行う為の演算部とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定測定エリアの画像付き位置データを作成する位置測定装置及び位置測定方法及び位置測定プログラムに係るものである。

従来から、測定対象物に向けて測定パルスビームを照射・走査し、測定対象物からの反射光に基づき測距を行い、その測距値と照射角度値から測定対象物の３次元測定を行い、点群データを得る、所謂レーザスキャナといわれる３次元測定装置が知られている。この３次元測定装置に於いては、測距値と照射角度とから計算される３次元の点群データを得るものであるが、同時に測定対象物の画像データをも取得し、この画像データと点群データとを合成し、画像付きの３次元データを得る様にした測定装置が知られている。

一方、この種の測定装置に於いて、測定対象物は３次元形状であり、１箇所からの測定では測定できない領域が生じるのは避けられない。この為、方向の違う複数の箇所から測定対象物について点群データを測定し、この測定された複数の点群データを同一座標で合成処理することにより、欠落部分のない測定をしていた。その為、従来技術での点群データの合成方法としては、合成用のターゲットを測定対象物に設置し、そのターゲットを高精度で測定して、ターゲット測定結果を基準として座標変換する、又は２つの点群データで共通する点を３点以上指定して座標変換し、概略位置合せした後で、２つの点群データ間の距離を最小にする方法にて行われていたものである。

然し乍ら、従来技術では、ターゲットを測定対象物に設置しなければならず、配置する場合の煩雑な作業を伴い、又高所への設置については困難性の問題があった。又、ターゲットを設置しない場合には、点群データの形状だけを使用して合成する為、測定対象物に凹凸形状等の特徴が必要であり、又凹凸形状等の特徴が合成精度に悪影響を与えるといった問題点を有していたものである。

本発明は斯かる実情に鑑み、上記従来技術の欠点を解決することを目的としてなされたものである。

本発明は、測定エリアに向けて測定用パルスビームを照射走査し、該測定用パルスビームの反射光に基づき測距を行い測定エリアに於ける位置データ群を求める距離測定部と、前記測定エリアを撮像して画像データを取得するデジタル撮像部と、前記位置データ群と前記画像データとを対応付けて少なくとも２方向から取得した２組の前記位置データ群と前記画像データとを記憶する為の記憶部と、記憶された２つの画像データに基づく両画像のマッチングにより、２つの位置データ群の合成を行う為の演算部とを具備する位置測定装置に係るものである。

又本発明は、測定エリアに向けて測定用パルスビームを照射走査し、該測定用パルスビームの反射光に基づき測距を行い測定エリアに於ける位置データ群を求める第１のステップと、前記測定エリアを撮像して画像データを取得する第２のステップと、前記位置データ群と前記画像データとを対応付けて少なくとも２方向から取得した２組の前記位置データ群と前記画像データとを記憶する為の第３のステップと、記憶された２つの画像データに基づく両画像のマッチングにより、２つの位置データ群の合成を行う為の第４のステップとを有する位置測定方法に係るものである。

又本発明は、測定エリアに向けて測定用パルスビームを照射走査し、該測定用パルスビームの反射光に基づき測距を行い測定エリアに於ける位置データ群を求め、前記測定エリアを撮像して画像データを取得し、前記位置データ群と前記画像データとを対応付けて少なくとも２方向から取得した２組の前記位置データ群と前記画像データとを記憶し、記憶された２つの画像データに基づく両画像のマッチングにより２つの位置データ群を合成することを実行させる位置測定プログラムに係り、又前記位置データ群と前記画像データとの対応付けは、前記位置データ群からポリゴンメッシュ化を行い、ポリゴンメッシュと前記画像データとを対応付ける位置測定プログラムに係り、又前記２つの画像データに共通する少なくとも３点以上を概略設定し、該３点以上を基準にして一方の画像を座標変換した後に、前記２つの画像のマッチングを行い、該画像マッチングにより得られた座標により更に座標変換を行う位置測定プログラムに係り、又前記マッチングは、前記２つの画像データに共通する点を３点以上概略設定し、一方の画像に共通点を含む所要の領域のテンプレートを設定し、他方の画像に共通点を含む前記テンプレートより大きい領域の探索領域を設定し、前記テンプレートの画像と前記探索領域の画像について最小２乗法による画像マッチングを行う位置測定プログラムに係り、更に又前記座標変換は、３つ以上の位置データ群を合成する場合、少なくとも３つ以上の位置データ群に共通している点を設定し、該点を基に全ての位置データ群を用いて座標変換を行い、全体の位置データ群の合成を調整する位置測定プログラムに係るものである。

本発明によれば、測定エリアに向けて測定用パルスビームを照射走査し、該測定用パルスビームの反射光に基づき測距を行い測定エリアに於ける位置データ群を求める距離測定部と、前記測定エリアを撮像して画像データを取得するデジタル撮像部と、前記位置データ群と前記画像データとを対応付けて少なくとも２方向から取得した２組の前記位置データ群と前記画像データとを記憶する為の記憶部と、記憶された２つの画像データに基づく両画像のマッチングにより、２つの位置データ群の合成を行う為の演算部とを具備するので、ターゲットを設けることなく、測定エリアに対する２つの位置データ群の対応付けは容易に行える。

又本発明によれば、測定エリアに向けて測定用パルスビームを照射走査し、該測定用パルスビームの反射光に基づき測距を行い測定エリアに於ける位置データ群を求める第１のステップと、前記測定エリアを撮像して画像データを取得する第２のステップと、前記位置データ群と前記画像データとを対応付けて少なくとも２方向から取得した２組の前記位置データ群と前記画像データとを記憶する為の第３のステップと、記憶された２つの画像データに基づく両画像のマッチングにより、２つの位置データ群の合成を行う為の第４のステップとを有するので、ターゲットを設けることなく、測定エリアに対する２つの位置データ群の対応付けは容易に行える。

又本発明によれば、測定エリアに向けて測定用パルスビームを照射走査し、該測定用パルスビームの反射光に基づき測距を行い測定エリアに於ける位置データ群を求め、前記測定エリアを撮像して画像データを取得し、前記位置データ群と前記画像データとを対応付けて少なくとも２方向から取得した２組の前記位置データ群と前記画像データとを記憶し、記憶された２つの画像データに基づく両画像のマッチングにより２つの位置データ群を合成することを実行させるので、ターゲットを設けることなく、測定エリアに対する２つの位置データ群の対応付けは容易に行える。

又本発明によれば、前記位置データ群と前記画像データとの対応付けは、前記位置データ群からポリゴンメッシュ化を行い、ポリゴンメッシュと前記画像データとを対応付けるので、全ての位置データ群と画像データとの対応付けが省略され、処理データの量が減ぜられ、格納する記憶容量の節約と、処理速度の向上が図れる。

又本発明によれば、前記２つの画像データに共通する少なくとも３点以上を概略設定し、該３点以上を基準にして一方の画像を座標変換した後に、前記２つの画像のマッチングを行い、該画像マッチングにより得られた座標により更に座標変換を行うので、位置データ群の合成が簡便に行える。

又本発明によれば、前記マッチングは、前記２つの画像データに共通する点を３点以上概略設定し、一方の画像に共通点を含む所要の領域のテンプレートを設定し、他方の画像に共通点を含む前記テンプレートより大きい領域の探索領域を設定し、前記テンプレートの画像と前記探索領域の画像について最小２乗法による画像マッチングを行うので、マッチング精度が向上する。

更に又本発明によれば、前記座標変換は、３つ以上の位置データ群を合成する場合、少なくとも３つ以上の位置データ群に共通している点を設定し、該点を基に全ての位置データ群を用いて座標変換を行い、全体の位置データ群の合成を調整するので、３つ以上の位置データ群の合成が簡便に而も精度よく実行できる。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

本発明で使用される位置測定装置としては、例えばレーザスキャナが使用される。

レーザスキャナは、短時間で広範囲の多数点についての３次元位置測定が可能な位置測定装置であり、例えばパルスレーザ光線を測定範囲に走査することで、多数点の３次元測定を行う位置測定装置である。

先ず、本発明が実施される位置測定装置について説明する。

図１、図２は第１の実施の形態である位置測定装置を示している。

位置測定装置１は主に、整準部２、該整準部２に設置された回転機構部３、該回転機構部３に支持され、測距部４、撮像部５、制御部６等を含む測定装置本体部７、該測定装置本体部７の上部に設けられた回転照射部８から構成されている。尚、図２は便宜上、図１に対して前記回転照射部８のみ側方から見た状態を示している。

前記整準部２について、説明する。

台盤１１にピン１２が立設され、該ピン１２の上端は曲面に形成され、下部ケーシング１３の底面に形成された凹部に傾動自在に嵌合している。又、前記底面の他の２カ所には、調整螺子１４が螺合貫通しており、該調整螺子１４の下端部には脚部材１５が固着されており、該脚部材１５の下端は、尖端又は曲面に形成され、前記台盤１１に当接している。前記調整螺子１４の上端には整準従動ギア１６が嵌着されている。前記下部ケーシング１３は前記ピン１２と２つの前記調整螺子１４により３点で前記台盤１１に支持され、前記ピン１２の先端を中心に傾動可能となっている。尚、前記台盤１１と前記下部ケーシング１３とは離反しない様に、前記台盤１１と前記下部ケーシング１３との間にはスプリング１９が設けられている。

前記下部ケーシング１３の内部には、２個の整準モータ１７が設けられ、該整準モータ１７の出力軸に整準駆動ギア１８が嵌着され、該整準駆動ギア１８は前記整準従動ギア１６に噛合している。前記整準モータ１７は前記制御部６によって独立して駆動され、前記整準モータ１７の駆動により前記整準駆動ギア１８、前記整準従動ギア１６を介して前記調整螺子１４が回転され、該調整螺子１４の下方への突出量が調整される様になっている。又、前記下部ケーシング１３の内部には傾斜センサ５６（図３参照）が設けられており、該傾斜センサ５６の検出信号に基づき２個の前記整準モータ１７が駆動されることで、前記整準部２の整準がなされる。

前記回転機構部３について説明する。

前記下部ケーシング１３は、前記回転機構部３のケーシングを兼ねており、内部には水平回動モータ２０が設けられ、該水平回動モータ２０の出力軸には水平回動駆動ギア２１が嵌着されている。

前記下部ケーシング１３の上端には、軸受２２を介して回転基盤２３が設けられ、該回転基盤２３の中心には、下方に突出する回転軸２４が設けられ、該回転軸２４には水平回動ギア２５が設けられ、該水平回動ギア２５に前記水平回動駆動ギア２１が噛合されている。

又、前記回転軸２４には水平角検出器２６、例えばエンコーダが設けられ、該水平角検出器２６により、前記下部ケーシング１３に対する前記回転軸２４の相対回転角が検出され、検出結果（水平角）は前記制御部６に入力され、該検出結果に基づき前記制御部６により前記水平回動モータ２０の駆動が制御される様になっている。

前記測定装置本体部７について説明する。

前記回転基盤２３に本体部ケーシング２７が固着され、該本体部ケーシング２７の内部に鏡筒２８が設けられる。該鏡筒２８は、前記本体部ケーシング２７の回転中心と同心の中心線を有し、該本体部ケーシング２７に所要の手段で取付けられる。例えば、前記鏡筒２８の上端にフランジ２９が形成され、該フランジ２９が前記本体部ケーシング２７の天井部に固着される。

前記鏡筒２８は軸心と合致する発光光軸３２を有し、前記発光光軸３２上に光学的分離手段であるビームスプリッタ７４が設けられる。該ビームスプリッタ７４は、可視光を透過し、赤外光を反射するものであり、前記ビームスプリッタ７４により、前記発光光軸３２から反射光軸３８が分離されている。

該反射光軸３８上に前記測距部４が設けられる。

前記反射光軸３８上に発光素子３１が設けられ、前記反射光軸３８上に孔明きミラー３３が配設されている。該孔明きミラー３３は前記反射光軸３８を分岐し、該分岐光軸上には測距受光部３９が設けられている。

前記発光素子３１からはパルスビームが発せられる。該発光素子３１は、例えば半導体レーザ等であり、測距光３７としての赤外光のパルスレーザ光線を発し、前記制御部６によって所要の状態でパルスレーザ光線が発光される様に制御される。該パルスレーザ光線は前記孔明きミラー３３を通過し、前記ビームスプリッタ７４により高低回動ミラー３５に向け反射され、該高低回動ミラー３５を経て測定対象物に照射される様になっている。該高低回動ミラー３５は偏向光学部材であり、前記発光光軸３２上に配設され、該発光光軸３２には集光レンズ３４が配設されている。前記高低回動ミラー３５は鉛直方向の前記発光光軸３２を水平方向の投光光軸３６に偏向する。

前記測距受光部３９には測定対象物からの反射測距光が前記高低回動ミラー３５、前記孔明きミラー３３を経て入射される。又、前記測距受光部３９には、前記測距光３７の分割された一部が内部参照光（図示せず）として入射する様になっており、反射測距光と内部参照光とに基づき測定対象物迄の距離を測定する様になっている。

前記発光素子３１、前記孔明きミラー３３、前記集光レンズ３４、前記高低回動ミラー３５、前記反射光軸３８等は前記測距部４を構成する。

前記発光光軸３２の前記ビームスプリッタ７４を貫通した部分には画像受光部４３が設けられ、該画像受光部４３は前記鏡筒２８の底部に位置する。前記画像受光部４３は多数の画素が平面上に集合されたもの、例えばＣＣＤであり、各画素は前記分岐光軸を中心として位置が特定されている。又画素の位置の特定は、例えば光軸を原点としたＸ−Ｙ座標が想定され、Ｘ座標、Ｙ座標によって特定される。

更に、前記測距受光部３９に入射する光線の角度は前記画像受光部４３の画素の位置によって特定され、画角として表される。

前記高低回動ミラー３５、前記集光レンズ３４、前記画像受光部４３等は、前記撮像部５を構成する。

測定対象物からの撮像光は、前記投光光軸３６と一致する撮像光軸４４に沿って前記高低回動ミラー３５に入射され、前記高低回動ミラー３５により反射された後、前記集光レンズ３４、前記ビームスプリッター７４を透過し前記画像受光部４３に受光され、画像が取得される。

前記回転照射部８について説明する。

前記本体部ケーシング２７の上側に上部ケーシング４１が設けられ、該上部ケーシング４１の側壁の一部は投光窓４２となっている。前記回転照射部８は前記上部ケーシング４１の内部に収納される。

前記フランジ２９の上端にミラーホルダ４７が設けられ、該ミラーホルダ４７に回動軸４８を介して前記高低回動ミラー３５が回転自在に設けられ、該高低回動ミラー３５の一方の軸端に高低回動ギア５１が嵌着され、前記高低回動ミラー３５の他方の軸端には高低角検出器５２が設けられている。該高低角検出器５２は前記高低回動ミラー３５の回動角（回動位置）を検出し、前記制御部６に検出結果を送出する様になっている。

前記ミラーホルダ４７には高低回動モータ５３が取付けられ、該高低回動モータ５３の出力軸に高低回動駆動ギア５４が嵌着され、該高低回動駆動ギア５４は前記高低回動ギア５１に噛合している。前記高低回動モータ５３は、前記高低角検出器５２の検出結果に基づき前記制御部６により駆動が制御される様になっている。又、該制御部６は、前記水平回動モータ２０及び前記高低回動モータ５３を独立して駆動、或は同期して駆動制御可能となっている。

尚、前記上部ケーシング４１の上面には照星照門４６が設けられ、該照星照門４６の視準方向は前記発光光軸３２と直交すると共に前記回動軸４８に対しても直交している。

図３に於いて、前記位置測定装置１の制御系の構成について説明する。

前記制御部６には前記水平角検出器２６、前記高低角検出器５２、前記傾斜センサ５６からの検出信号が入力されると共に操作部５７から作業者が前記位置測定装置１を測定を開始するのに必要な条件、測定開始の指令等を入力できる様になっている。尚、前記操作部５７は前記本体部ケーシング２７等の筐体に設けられてもよく、或は別途独立して設けられ、無線、赤外線等の信号伝達媒体により遠隔操作可能としてもよい。

前記制御部６は前記水平回動モータ２０、前記高低回動モータ５３、前記整準モータ１７を駆動すると共に作業状況、測定結果等を表示する表示部５８を駆動する。又、前記制御部６には、メモリカード、ＨＤＤ等の外部記憶装置５９が設けられ、或は着脱可能に設けられている。

前記制御部６の概略を説明する。

該制御部６は、ＣＰＵで代表される演算部６１と、測距、高低角の検出、水平角の検出をする為に必要な、シーケンスプログラム、演算プログラム、測定データの処理を実行する測定データ処理プログラム、画像処理をする画像処理プログラム、データを前記表示部５８に表示させる為の画像表示プログラム等のプログラム、或はこれらプログラムを統合管理するプログラム等を格納し、測定データ、画像データ等のデータを格納する記憶部６２と、前記水平回動モータ２０を駆動制御する為の水平駆動部６３と、前記高低回動モータ５３を駆動制御する為の高低駆動部６４と、前記整準モータ１７を駆動制御する為の整準駆動部６５、及び前記測距部４により得られた距離データを処理する為の距離データ処理部６６と、前記撮像部５により得られた画像データを処理する画像データ処理部６７等を具備している。

尚、前記距離データ処理部６６、前記画像データ処理部６７の機能を前記演算部６１に実行させてもよく、この場合前記距離データ処理部６６と前記画像データ処理部６７は省略できる。又、前記距離データ処理部６６、前記画像データ処理部６７を個別に具備することで、距離データ処理と、画像データ処理とを平行して実行でき、高速処理が可能となる。

又、前記距離データ処理部６６と前記画像データ処理部６７とを別途設けてもよい。例えば、別途ＰＣを装備し、該ＰＣに前記距離データ処理部６６と前記画像データ処理部６７の機能を実行させる様にしてもよい。この場合、距離データ、画像データを前記外部記憶装置５９に格納し、格納後、該外部記憶装置５９を前記制御部６から取外してＰＣに接続し、ＰＣで距離データ処理、画像データ処理を実行する様にしてもよい。尚、無線ＬＡＮ等所要の通信手段で、前記位置測定装置１で取得したデータをＰＣに送信することもできる。この場合、前記外部記憶装置５９を着脱可能とする必要はなくなり、或は省略することもできる。

次に、前記位置測定装置１による測定作動、画像データ、測距データの取得について、図４〜図６を参照して説明する。

前記位置測定装置１を既知点に設置し、前記操作部５７より整準を指定し、整準を実行させる。

前記整準駆動部６５を介して前記整準モータ１７が駆動され、前記位置測定装置１の傾斜は前記傾斜センサ５６によって検出され、該傾斜センサ５６の検出結果が前記制御部６にフィードバックされる。前記傾斜センサ５６が水平を検出する様に、前記整準モータ１７により前記調整螺子１４が回転される。

整準が完了すると、前記表示部５８に整準完了の表示がなされ、或は警告音等によって整準完了が告知される。

整準が終了すると、前記照星照門４６により視準し、前記位置測定装置１を測定方向に向け、更に測定エリア７２の設定を行う。

該測定エリア７２の撮像を行うが、該測定エリア７２の広さが、１回の撮像範囲を超える場合は、分割して撮像を行う（図示では８分割）。分割して撮像される場合、分割撮像した画像データを連結し易い様に、隣接する撮像画像間で所要部分がオーバラップする様に撮像される。

前記測定エリア７２の設定、１回の撮像範囲、オーバラップ量が設定されることで、前記演算部６１によって分割撮像する場合の必要な条件が演算される。例えば、撮像する分割数、撮像する毎に前記測定装置本体部７を回転する回転角、該測定装置本体部７の撮像方向、前記高低回動ミラー３５の回転角、該高低回動ミラー３５の高低角等が演算される。

前記操作部５７より、撮像の実行を指令する。

前記高低回動ミラー３５の反射面が前記画像受光部４３に対峙する様に前記高低回動ミラー３５の姿勢が設定されると共に前記水平回動モータ２０、前記高低回動モータ５３が駆動され、前記測定装置本体部７が水平方向に回転され、前記高低回動ミラー３５が高低方向に回転される。

前記水平角検出器２６で検出した水平角、前記高低角検出器５２により検出した高低角が前記制御部６にフィードバックされ、前記投光光軸３６が分割した撮像エリア（以下分割エリア７３ａ〜７３ｈ）方向の水平角、高低角に合致する様に制御される。

前記各分割エリア７３ａ〜７３ｈ毎に、演算された水平角、高低角と前記水平角検出器２６、前記高低角検出器５２が検出する水平角、高低角とが合致した状態で、前記画像受光部４３により前記各分割エリア７３ａ〜７３ｈの撮像が行われる。

前記画像受光部４３からの受光信号は、前記各分割エリア７３ａ〜７３ｈに対応する画像をデジタル画像データとして、前記記憶部６２に格納される。

尚、デジタル画像データは、前記画像受光部４３の画素それぞれの信号の集合であり、又画素それぞれの信号は、前記画像受光部４３内での位置（座標位置）を特定する信号を有している。又、該画像受光部４３内での位置は前記撮像光軸４４に対して特定され、更に各画像についての該撮像光軸４４の水平角、高低角は、前記水平角検出器２６、前記高低角検出器５２で検出された値であり、既知となっている。従って、全ての画像の前記測定エリア７２内での位置が既知となると共に、各画像の全ての画素の前記測定エリア７２内での位置が、既知となる。前記記憶部６２に格納される画像データは、各画素毎に水平角データ、高低角データ（番地データ）を含んでいる。

前記測定エリア７２の撮像が完了すると、各分割エリアの画像データを連結することで、前記測定エリア７２を含む連結画像が得られ、該連結画像上で前記測定エリア７２が改めて設定され、前記操作部５７より前記測定エリア７２の測距の実行を指令する。

前記高低回動ミラー３５の反射面が前記発光素子３１に対峙する様に前記高低回動ミラー３５の姿勢が設定されると共に前記水平回動モータ２０、前記高低回動モータ５３が駆動され、前記測定装置本体部７が水平方向に回転され、前記高低回動ミラー３５が高低方向に回転される。

前記発光素子３１から測距光がパルス発光され、前記孔明きミラー３３の孔を通過し、前記高低回動ミラー３５で偏向され、前記投光光軸３６上に投射される。測距光がパルス発光された状態で、前記水平回動モータ２０と前記高低回動モータ５３が同期駆動され、前記測定装置本体部７が水平方向に回転され、前記高低回動ミラー３５が高低方向に回転されることで、前記パルス発光された測距光３７（以下パルス測距光３７）により前記測定エリア７２が走査（レーザスキャン）される。

又、測定対象物７１で反射された反射測距光は前記高低回動ミラー３５により前記発光光軸３２上に偏向され、前記孔明きミラー３３により反射されて前記測距受光部３９に受光される。前記測距部４に於いて反射測距光に基づき各パルス毎に距離測定がなされる。

各パルス毎に測距された距離データが取得される。又、パルス発光された時の前記水平角検出器２６の検出水平角、前記高低角検出器５２の検出高低角も同時に取得され、各距離データは高低角データ、水平角データと対応付けられて前記記憶部６２に格納される。尚、各画素に関する水平角と距離データに関する水平角とは等しく対応し、各画素に関する高低角と距離データに関する高低角の関係は、（画素高低角−９０°）＝（距離データ高低角）となる。

ここで、前記測定エリア７２の広さにもよるが、取得する距離データの数は、数百万〜数千万に及ぶ。取得された距離データと高低角データ、水平角データとを対応付けることで、各測定点についての３次元点データが得られ、更に前記測定エリア７２に含まれる多数の点データ、即ち３次元データ群（点群データ）が得られる。

又、前記測距部４と前記撮像部５とは前記測定装置本体部７に一体に設けられ、同一光軸により撮像され、又測距され、更に前記回転機構部３により一体に水平回転されるので、点群データと画像データ間で回転による位置ずれは生じない。前記画像データの各画素毎の水平角データ、高低角データは、前記点群データの各点の距離データに対応付けられた高低角データ、水平角データと１対１に対応するので、前記距離データと前記画像データとは高低角データ、水平角データに基づき、直ちに対応付けが可能である。

前記測距光３７による前記測定エリア７２全域の走査が完了することで、画像データ、３次元データ群（点群データ）の取得が完了する。

更に、図７〜図１６により、画像付き３次元データの作成の処理について説明する。

ＳＴＥＰ：０１ 前記位置測定装置１の既知点、例えばＡ点への設置が完了した後、スキャンモードの設定が行われる。スキャンモードはレーザスキャンを実施する為の条件であり、スキャンピッチ、測距光３７のビーム径、スキャンポイント等が含まれる。

ＳＴＥＰ：０２ スキャンエリア（測定エリア７２）の設定が行われる。該測定エリア７２の設定は、前記表示部５８に表示される画面上で、水平角Ｈ、垂直角Ｖによって設定する。例えば矩形の４の角の（水平角Ｈ1 、垂直角Ｖ1 ）、（水平角Ｈ2 、垂直角Ｖ2 ）、（水平角Ｈ3 、垂直角Ｖ3 ）、（水平角Ｈ4 、垂直角Ｖ4 ）を設定することで矩形の測定エリア７２が設定される。

尚、前記照星照門４６を観察して、測定エリア７２を設定してもよい。

ＳＴＥＰ：０３ 前記測定エリア７２の画像撮影を行う。該測定エリア７２の広さが、１回の撮像範囲を超える場合は、分割して撮像を行う。分割して撮像される場合、上記した様に、隣接する撮像画像間で所要部分がオーバラップする様に撮像される。撮像された画像（以下分割画像）は、オーバラップ部分を重合させることで連結され、前記表示部５８上にパノラマ画像として表示される。パノラマ画像上で詳細に前記測定エリア７２を設定する。

ＳＴＥＰ：０４ 設定された前記測定エリア７２の範囲をレーザスキャンし、測定する。測定の実施は上記設定した範囲で、パルス測距光が前記測定エリア７２内を走査することで、各パルス毎に測距が実行され、各パルス毎の距離データが取得される。又、１パルス毎の高低角、水平角が、前記水平角検出器２６、前記高低角検出器５２によって検出され、検出結果は前記水平角検出器２６、前記高低角検出器５２から取込まれ、各距離データ毎に対応付けられ、前記記憶部６２に格納される。即ち、各パルスが照射された点（測定点）についての３次元測定が実施され、測定結果が点群データとして前記記憶部６２に格納される。

ＳＴＥＰ：０５ 画像上で詳細に設定された前記測定エリア７２内の点群データが抽出される。

ＳＴＥＰ：０６ 前記画像データの各画素の画角は前記撮像光軸４４に関して既知であり、又該撮像光軸４４の高低角は、撮像方向の高低角と一致するので、各画素の高低角は演算によって求められる。従って、前記画像データと前記３次元データ群との対応付けは、測定点、画素の高低角に基づき対応付けが行える。又、前記撮像部５の撮像光軸と前記測距部４の測距光軸とは同一であり、又該測距部４と前記撮像部５とは一体に水平回転するので、前記画像データと前記３次元データ群との位置関係にずれは生じない。従って、前記画像データと前記３次元データ群との対応付けに於いて、光軸合せ、画像の回転等の画像処理を必要としない。又、別途測定対象物の基準点等の設定をする必要がなく、又画像から対応する基準点の抽出を行う必要がない。更に、画像から基準点の抽出を行う必要がないので、抽出時に生じる誤差もない。

ＳＴＥＰ：０７ 上記した様に、点群データのデータ数は、数百万点から数千万点に及ぶ。この為、点群データをＴＩＮ化（不定形三角網化：ポリゴンメッシュ化）してデータの圧縮、データの省略をして前記演算部６１の負担を軽減する。

尚、不定形三角網は３次元データを頂点とする３角形で構成されるが、頂点とする為に選択する３次元データを粗く選択するか、細かく選択するかで不定形三角の大きさが異なる。図８（Ａ）は粗く３次元データを選択した場合、図８（Ｄ）は細かく３次元データを選択した場合を示し、図８（Ｂ）〜図８（Ｃ）はその中間を示している。

ＴＩＮ化することで、３次元データを有する不定形三角面が形成され、該不定形三角面内に含まれる点データが省略される（データが圧縮される）。

而して、ＴＩＮ化する場合のパターンを幾つか準備することで、データの圧縮率を大きくして高速処理を実施する態様と、データの圧縮率を小さくして細密処理を実施する態様等、状況に応じた処理態様を選択することができる。

ＳＴＥＰ：０８ ＴＩＮ化した点群データと画像データとの対応付けが行われ、点群データと画像データの合成（テクスチャマッピング）が行われる。ここで、ＴＩＮ化する場合の不定形三角頂点のデータについての高低角、水平角は既に取得され、又画像データ中の各画素の高低角、水平角は画角により既知であり、更に共通の前記投光光軸３６により、撮像、測距が行われているので、前記不定形三角頂点は、高低角、水平角を基に画像データ中の画素を直ちに特定でき、点群データと画像データとのテクスチャマッピングは容易に実施される。

ＳＴＥＰ：０９ 点群データと画像データとが対応付けられ合成された、画像付き３次元データが作成される。作成された画像付き３次元データは、前記記憶部６２に格納される。

尚、前記測定エリア７２を変更して、同様にして画像付き３次元データを作成し、複数の測定エリア７２について作成した複数の画像付き３次元データを前記記憶部６２に格納しておいてもよい。

次に、前記位置測定装置１により、立体画像付き３次元データを作成する場合を説明する。立体画像付き３次元データは前記位置測定装置１を別の既知点、例えばＢ点に設置し、上記ＳＴＥＰ：０１〜ＳＴＥＰ：０９で述べたと同様にして、前記測定エリア７２に対してＢ点方向からの画像付き３次元データを作成する。尚、３以上の方向から測定して画像付き３次元データを作成し、前記記憶部６２に格納しておいてもよい。

以下、図９〜図１６を参照してＡ点方向からの画像付き３次元データ（基準データ）とＢ点方向からの画像付き３次元データ（合成用の補助データ）の合成について説明する。

前記操作部５７を操作して、立体画像付き３次元データ作成用の画像処理プログラムを起動する。該画像処理プログラムを起動することで、前記表示部５８の画面はウィンドウ６８ａ、ウィンドウ６８ｂ、ウィンドウ６８ｃにより構成され、前記ウィンドウ６８ａには例えば、前記基準データが表示され、前記ウィンドウ６８ｂには、例えば前記補助データが表示され、前記ウィンドウ６８ｃには、例えば合成画像が表示される。

前記ウィンドウ６８ａ、前記ウィンドウ６８ｂ、前記ウィンドウ６８ｃは、独立して拡大縮小可能であり、又前記ウィンドウ６８には点群データが画像付きで表示される。

ＳＴＥＰ：１１ 基準データを指定することで、基準データは前記ウィンドウ６８ａに表示される。基準データの座標系が基準とされ、基準データと補助データとの合成が行われる。

ＳＴＥＰ：１２ 補助データを指定することで、補助データは前記ウィンドウ６８ｂに表示される。

ＳＴＥＰ：１３ 前記ウィンドウ６８ａ及び前記ウィンドウ６８ｂのそれぞれの画像上で、共通して表示されている部位を少なくとも３点、概略指定する。指定する点は、作業者が画像から特徴部位、例えば角、交点等を選択し、マウス、或はタッチペン等を用いて指定される。

ＳＴＥＰ：１４、ＳＴＥＰ：１５ ３点以上の指定が確認されると、前記基準データの座標系を基準として、前記基準データと前記補助データとの座標をマッチングさせる様、前記補助データのみについて下記直交変換式（１）で座標変換が行われる。

（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝Ｒ・（ｘ，ｙ，ｚ）＋（Ｘ0 ，Ｙ0 ，Ｚ0 ）…（１）
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）：基準データの点群の座標、
（ｘ，ｙ，ｚ）：補助データの点群の座標、
変換パラメータは、Ｒ：回転行列（ω，φ，κ）、平行移動量（Ｘ0 ，Ｙ0 ，Ｚ0 ）とする。

尚、指定点が４点以上の場合は、最小２乗法を用いて解を求め、基準データの点群、補助データの点群とのＸ，Ｙ，Ｚの残差を計算する。

図１２（Ｂ）には、座標変換され、回転、平行移動量が補正された場合の画像が示されている。

上述では、Ａ方向とＢ方向の２方向からの画像付きの３次元データで座標変換を行う例で説明をしたが、測定エリアを、全周に亘り、一定角度ずつずらしながら多数の画像付きの３次元データ（Ａ１，Ａ２，Ａ３，………Ａｉ）を得た場合には、隣合った方向での２つの３次元データ、即ち、「Ａ１とＡ２」，「Ａ２とＡ３」，………「Ａｉ-1とＡｉ」，「ＡｉとＡ１」で共通する点を拘束点（基準点）として順次画像変換を行い、その結果に基づき、全体での変換係数を調整し、この調整した変換係数により最終的な座標変換を行えば、より高い精度の座標変換を行うことができる。

ＳＴＥＰ：１６ 基準データの画像と補助データの画像とをマッチングする。ＳＴＥＰ：１３で指定した点とＳＴＥＰ：１５で座標変換した画像を用いて、基準データの画像と補助データの画像とのマッチングを行い、ＳＴＥＰ：１３で指定した位置の正確な位置を求める。画像マッチングは、基準データの画像と補助データの画像のグレースケール情報を用いて行う。

基準データと補助データのマッチングを行う場合、ＳＴＥＰ：１３で指定した概略の位置を中心として基準データ上に所定形状、例えば正方形のテンプレート６９ａを設定し、又補助データ上にＳＴＥＰ：１３で指定した概略の位置を中心として探索領域６９ｂを設定する。該探索領域６９ｂは、前記テンプレート６９ａより大きく、例えば２倍程度の大きさとする。前記探索領域６９ｂ内を前記テンプレート６９ａと同一の大きさに設定したテンプレート６９ａ′を動かし、前記テンプレート６９ａの濃度値と前記テンプレート６９ａ′の濃度値が最も近似する前記テンプレート６９ａ′の位置を探索する。

前記基準データの画像と前記補助データの画像とは、ＳＴＥＰ：１５の座標変換でスケール、傾きが略一致しており、精度の高い探索結果が得られる。

ここでは、更に対象物の凹凸形状や、投影歪みに有効なマッチング手法である、最小２乗マッチング：ＬＳＭ（Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅｓ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を用い、画像間のマッチングを高精度に行う。

最小２乗マッチングは、図１４、図１５に示す様に、テンプレート６９ａの形状をテンプレート６９ａ′の様にアフィン変形させながらマッチングを行い、対応点をサブピクセル単位で計測する方法である。

パターン比較を行う際のテンプレート６９ａをｆ1 （ｉ，ｊ）、変形されたテンプレート６９ａ′をｆ2 （ｘ，ｙ）とし、該テンプレート６９ａ′の変形を次式のアフィン変換によって近似する。

ｘ＝ａ１ｉ＋ａ２ｊ＋ａ３ ｙ＝ａ４ｉ＋ａ５ｊ＋ａ６…（２）

又、個々の比較する画素に於ける濃度差は、以下の形式で与えられる。
ｄ（ｉ，ｊ）＝ｆ1 （ｉ，ｊ）−ｆ2 （ｘ，ｙ）
＝ｆ1 （ｉ，ｊ）−ｆ2 （ａ１ｉ＋ａ２ｊ＋ａ３，ａ４ｉ＋ａ５ｊ＋ａ６）

次に、濃度差の２乗和を最少とする条件、
即ち、Σｄ（ｉ，ｊ）２→ｍｉｎを満たす様なａ１〜ａ６を決定する。
ここで、ａ１，ａ２，ａ４，ａ５はテンプレート６９ａ′の変形を表し、ａ３，ａ６が求めるべき検出位置の座標となり、サブピクセル精度の位置検出ができる。通常これらの変形パラメータは、マッチングの過程で行う。ここでは点群データ上にマッピングした画像で行うので、テンプレート６９ａ′の変形が容易に推測できる。従って、その変形から、上記パラメータを求めてマッチングを行うことにより、高精度且つ迅速なマッチングを行うことができる。又、図１６に示される様に、上記設定した概略点だけでなく、画像の特徴を用いてメッシュを形成し、それらの画像をマッチングさせることもできる。

尚、上述では、アフィン変形させながらマッチングを行う例で説明をしたが、本実施例に示す様に、事前にＳＴＥＰ：１４で概略の座標変換が行う場合には、アフィン変形の範囲は推測される為所定範囲に限ったアフィン変形でマッチングを行う方法、或いは、アフィン変形させずにテンプレートの形状を矩形のままでマッチングする方法でも、充分な精度が確保できる。

ＳＴＥＰ：１７ ＳＴＥＰ：１６の画像マッチングで得られた座標を用いて、ＳＴＥＰ：１５と同様の式を用いて最終の座標変換を行う。

ＳＴＥＰ：１８ ＳＴＥＰ：１７の座標変換の結果を前記ウィンドウ６８ｃに表示し、合成結果を確認する。而して、点群データと対応付けられた立体画像が得られる。

この様に、基準データの画像と補助データの画像をマッチングして、基準データに対する補助データの座標変換を行うことにより、基準点群データと補助点群データの合成を行うことができる。点群データ同士を合成する場合、点群データの中で共通点を設定することは困難であるが、画像同士のマッチングを介して合成することで点群データ同士の合成が容易に行える。

上述では、Ａ方向とＢ方向の２方向からの２つの画像でマッチングを行う例で説明をしたが、測定エリアを、全周に亘り、一定角度ずらしながら多数の画像付きの３次元データ（Ａ１，Ａ２，Ａ３，………Ａｉ）を得ている場合には、隣合った方向での２つの画像データのマッチングによりそれぞれ座標変換を行い、その結果に基づき、全体での座標変換を調整すれば、より高い精度で点群データの合成ができることは前述したと同様である。又、その時に別途、トータルステーション等で計測された基準点を含めて、調整することもできる。

次に、上記測定を可能とする他の位置測定装置１について説明する。

図１７、図１８は本発明の第２の実施の形態に係る位置測定装置１を示している。尚、図１７と図１８は、図１と図２と同様の関係にある。又、図１７、図１８中、図１と図２中で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施の形態では、第１の実施の形態に用いられた回転機構部３を簡略化したものである。又、発光光軸３２と撮像光軸４４とを光学的に分離する構成については、上記第１の実施の形態と同様である。又、第２の実施の形態に於いても、測距光としては、赤外光が使用される。

画像受光部４３、ビームスプリッタ７４、集光レンズ３４等が収納される鏡筒２８の上端部に該鏡筒２８の一部を形成する上端軸部７５が設けられ、該上端軸部７５に軸受７６を介して回動台７７が回転自在に設けられる。該回動台７７にミラーホルダ４７が取付けられ、更に該ミラーホルダ４７に高低回動ミラー３５が回転自在に設けられ、該高低回動ミラー３５を回動させる高低回動駆動ギア５４が設けられ、前記高低回動ミラー３５の高低角を検出する高低角検出器５２が設けられている。

前記回動台７７に水平回動ギア２５が設けられ、該水平回動ギア２５を回転させる水平回動モータ２０が本体部ケーシング２７の上面に設けられている。又、前記回動台７７と前記本体部ケーシング２７間に前記回動台７７の回転角を検出する水平角検出器２６が設けられている。

第２の実施の形態では、前記高低回動ミラー３５のみが高低方向に回動すると共に水平方向に回動し、測距部４、撮像部５は測定装置本体部７内に固定的に収納されている。

第２の実施の形態に於いて、撮像光軸、測距光軸は投光光軸３６に合致しており、同一となっており、前記高低回動ミラー３５の高低方向の回動、水平方向の回動により、所要範囲で測量が可能であり、所要方向の撮像画像が得られる。

尚、第２の実施の形態では、前記回動台７７が回転することで、前記画像受光部４３に対して画像、反射測距光の受光状態も回転するが、前記画像受光部４３に対する画像、反射測距光の受光状態の回転は、前記水平角検出器２６によって検出されるので、該水平角検出器２６の検出角によって、画像データ、距離データが修正される。

第２の実施の形態では、小型化が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る位置測定装置の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る一部を回転した位置測定装置の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る位置測定装置の構成ブロック図である。 第１の実施の形態に於けるデータ取得を示す説明図である。 第１の実施の形態に於けるデータ取得を示す説明図である。 第１の実施の形態に於けるデータ取得を示す説明図である。 第１の実施の形態に於ける画像付き３次元データの作成の流れを示すフローチャートである。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、第１の実施の形態に於ける点群データのＴＩＮ化の態様を示す説明図である。 第１の実施の形態に於ける画像付き３次元データの作成の流れを示すフローチャートである。 第１の実施の形態に於ける表示部に表示されるウィンドウの状態を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）は、表示部に表示される画像の一例を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）は、表示部に表示される画像の一例を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）は、表示部に表示される画像の一例を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）は、最小２乗マッチングの説明図である。 （Ａ）（Ｂ）は、表示部に表示される画像の一例を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）は、表示部に表示される画像の一例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る位置測定装置の断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る一部を回転した位置測定装置の断面図である。

符号の説明

１ 位置測定装置
２ 整準部
３ 回転機構部
４ 測距部
５ 撮像部
６ 制御部
７ 測定装置本体部
８ 回転照射部
１７ 整準モータ
２０ 水平回動モータ
２６ 水平角検出器
３１ 発光素子
３２ 発光光軸
３３ 孔明きミラー
３５ 高低回動ミラー
３６ 投光光軸
３７ 測距光
３８ 反射光軸
３９ 測距受光部
４３ 画像受光部
４４ 撮像光軸
４６ 照星照門
５２ 高低角検出器
５９ 外部記憶装置
６１ 演算部
６２ 記憶部
６８ ウィンドウ
６９ａ テンプレート
６９ｂ 探索領域
７２ 測定エリア
７３ 分割エリア
７４ ビームスプリッタ

Claims (7)

1. 測定エリアに向けて測定用パルスビームを照射走査し、該測定用パルスビームの反射光に基づき測距を行い測定エリアに於ける位置データ群を求める距離測定部と、前記測定エリアを撮像して画像データを取得するデジタル撮像部と、前記位置データ群と前記画像データとを対応付けて少なくとも２方向から取得した２組の前記位置データ群と前記画像データとを記憶する為の記憶部と、記憶された２つの画像データに基づく両画像のマッチングにより、２つの位置データ群の合成を行う為の演算部とを具備することを特徴とする位置測定装置。
2. 測定エリアに向けて測定用パルスビームを照射走査し、該測定用パルスビームの反射光に基づき測距を行い測定エリアに於ける位置データ群を求める第１のステップと、前記測定エリアを撮像して画像データを取得する第２のステップと、前記位置データ群と前記画像データとを対応付けて少なくとも２方向から取得した２組の前記位置データ群と前記画像データとを記憶する為の第３のステップと、記憶された２つの画像データに基づく両画像のマッチングにより、２つの位置データ群の合成を行う為の第４のステップとを有することを特徴とする位置測定方法。
3. 測定エリアに向けて測定用パルスビームを照射走査し、該測定用パルスビームの反射光に基づき測距を行い測定エリアに於ける位置データ群を求め、前記測定エリアを撮像して画像データを取得し、前記位置データ群と前記画像データとを対応付けて少なくとも２方向から取得した２組の前記位置データ群と前記画像データとを記憶し、記憶された２つの画像データに基づく両画像のマッチングにより２つの位置データ群を合成することを実行させることを特徴とする位置測定プログラム。
4. 前記位置データ群と前記画像データとの対応付けは、前記位置データ群からポリゴンメッシュ化を行い、ポリゴンメッシュと前記画像データとを対応付ける請求項３の位置測定プログラム。
5. 前記２つの画像データに共通する少なくとも３点以上を概略設定し、該３点以上を基準にして一方の画像を座標変換した後に、前記２つの画像のマッチングを行い、該画像マッチングにより得られた座標により更に座標変換を行う請求項３の位置測定プログラム。
6. 前記マッチングは、前記２つの画像データに共通する点を３点以上概略設定し、一方の画像に共通点を含む所要の領域のテンプレートを設定し、他方の画像に共通点を含む前記テンプレートより大きい領域の探索領域を設定し、前記テンプレートの画像と前記探索領域の画像について最小２乗法による画像マッチングを行う請求項３の位置測定プログラム。
7. 前記座標変換は、３つ以上の位置データ群を合成する場合、少なくとも３つ以上の位置データ群に共通している点を設定し、該点を基に全ての位置データ群を用いて座標変換を行い、全体の位置データ群の合成を調整する請求項５の位置測定プログラム。

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