(57)【要約】【課題】世界座標系に対するレーザ計測装置におけるローカル座標系の位置及び姿勢を容易に推定することができるようにする。【解決手段】距離画像生成部１２０が、複数の位置姿勢毎の特定物体の３次元座標データに基き複数の位置姿勢毎に特定物体までの距離を表す距離画像を生成し、対応点検出部１３０が、複数の位置姿勢毎の距離画像の各々について検出した、当該距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点のうち、距離画像間で対応する対応点を検出し、姿勢・位置算出部１４０が、対応点と、基準位置姿勢での３次元座標データから求められる世界座標系の特定物体上の各点の３次元座標である基準座標のうち、当該対応点に相当する基準座標とに基づいて算出した、世界座標系の２次元座標と基準となる位置姿勢での距離画像上の２次元座標との間での平面射影変換行列に基づいて、世界座標系に対するレーザ計測装置の固有の座標系の位置及び姿勢を算出する。【選択図】図１
2020024142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体上の複数の点の各々についての前記点の３次元座標を含む３次元座標データを計測するレーザ計測装置によって得られた、特定物体の前記３次元座標データであって、複数の位置姿勢毎の前記特定物体の前記３次元座標データに基づいて、前記複数の位置姿勢毎に、前記特定物体までの距離を表す距離画像を生成する距離画像生成部と、
前記距離画像生成部により生成された前記複数の位置姿勢毎の前記距離画像の各々について、前記距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点を検出し、前記距離画像間で対応するコーナー点である対応点を検出する対応点検出部と、
前記検出された前記対応点と、前記複数の位置姿勢のうちの基準となる位置姿勢での前記３次元座標データから求められる、世界座標系における前記特定物体上の各点の３次元座標である基準座標のうち、前記対応点に相当する前記特定物体上の点の前記基準座標とに基づいて、前記世界座標系の各点の２次元座標と前記距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列を算出し、前記平面射影変換行列に基づいて、前記世界座標系に対する前記レーザ計測装置の固有の座標系であるローカル座標系の位置及び姿勢を算出する姿勢・位置算出部と、
を含む計測校正装置。
【請求項２】
前記姿勢・位置算出部により算出された前記世界座標系に対する前記レーザ計測装置のローカル座標系の位置及び姿勢に基づいて、前記レーザ計測装置が計測した３次元座標データを、前記世界座標系に変換する３次元変換部
を更に含む請求項１記載の計測校正装置。
【請求項３】
前記複数の位置姿勢毎に、撮像装置により得られた前記特定物体を表す撮像画像を取得する撮像画像取得部を更に含み、
前記対応点検出部は、更に、前記複数の位置姿勢毎の前記撮像画像の各々について、前記撮像画像の画素値が変化する点である第２コーナー点を検出し、前記撮像画像間で対応する前記第２コーナー点である第２対応点を検出し、
前記姿勢・位置算出部は、更に、前記検出された前記第２対応点と、前記第２対応点に相当する前記特定物体上の点の前記基準座標とに基づいて、前記世界座標系の各点の２次元座標と前記撮像画像上の２次元座標との間での平面射影変換するための第２平面射影変換行列を算出し、前記第２平面射影変換行列に基づいて、前記世界座標系に対する前記撮像装置の固有の座標系である第２ローカル座標系の位置及び姿勢を算出する
請求項１又は２記載の計測校正装置。
【請求項４】
前記特定物体は、手前側に、幅ｗ、高さｈ、奥行きｄの直方体が水平方向にｗの間隔で配置され、かつ、垂直方向にｈの間隔で配置され、正面からみたときに手前側の表面形状が、市松模様状となる請求項１乃至３の何れか１項記載の計測校正装置。
【請求項５】
距離画像生成部が、物体上の複数の点の各々についての前記点の３次元座標を含む３次元座標データを計測するレーザ計測装置によって得られた、特定物体の前記３次元座標データであって、複数の位置姿勢毎の前記特定物体の前記３次元座標データに基づいて、前記複数の位置姿勢毎に、前記特定物体までの距離を表す距離画像を生成し、
対応点検出部が、前記距離画像生成部により生成された前記複数の位置姿勢毎の前記距離画像の各々について、前記距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点を検出し、前記距離画像間で対応するコーナー点である対応点を検出し、
姿勢・位置算出部が、前記検出された前記対応点と、前記複数の位置姿勢のうちの基準となる位置姿勢での前記３次元座標データから求められる、世界座標系における前記特定物体上の各点の３次元座標である基準座標のうち、前記対応点に相当する前記特定物体上の点の前記基準座標とに基づいて、前記世界座標系の各点の２次元座標と前記距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列を算出し、前記平面射影変換行列に基づいて、前記世界座標系に対する前記レーザ計測装置の固有の座標系であるローカル座標系の位置及び姿勢を算出する
計測校正方法。
【請求項６】
コンピュータを、請求項１乃至４の何れか１項記載の計測校正装置の各部として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測校正装置、計測校正方法、及びプログラムに係り、特に、世界座標系に対するレーザ計測装置におけるローカル座標系の位置及び姿勢を推定する計測校正装置、計測校正方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ計測装置（あるいはレンジファインダ装置）は、３次元空間の形状や３次元物体の形状を密な３次元座標データとして獲得することができるセンシングデバイスである。計測仕様の範囲内であれば、人物の形状、室内空間、屋外の景観データ、あるいは市街地の地形データ等を計測することができる。
【０００３】
一般的に、レーザ計測装置の内部に３次元座標系（以下、ローカル座標系）が設定され、その座標系において外界の３次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を含む３次元座標データが計測される。
【０００４】
複数台のレーザ計測装置（あるいは複数台のレンジファインダ装置）を使って３次元形状のデータを計測するときは、各レーザ計測装置に設置された座標系で３次元座標データが計測される。
【０００５】
このため、統一した３次元座標系（以降、世界座標系）において、それぞれの３次元座標データを合成するあるいは統合する必要がある。従来から、この技術はレジストレーションとして知られている。
【０００６】
例えば、３次元物体を取り囲むようにレーザ計測装置を配置して、獲得した３次元座標データを世界座標系において合成すると、３次元物体全周囲の密な３次元座標データが得られる。
【０００７】
３次元座標データのレジストレーションには、外界に世界座標系を設置する必要がある。
【０００８】
図２０にて、レーザ計測装置Ａにローカル座標系ＸＹＺ、レーザ計測装置Ｂにローカル座標系Ｘ’Ｙ’Ｚ’、外界に世界座標系ＸｗＹｗＺｗをそれぞれ設定したとき、世界座標系の３次元座標データを使ってレジストレーションする例を示す。これは基準点測量又は基準点計測と呼ばれている。
【０００９】
まず、世界座標系の３次元座標データ（基準点）を各レーザ計測装置で計測する。次に、レーザ計測装置で得た３次元座標データはローカル座標系で計測されているため、各レーザ計測装置で得たそれぞれの３次元座標データを、世界座標系の３次元座標データへ変換する。
【００１０】
測量分野では、このような基準点を使った３次元座標データの合成が用いられている。このときに行われる３次元座標系の変換は、３次元回転変換と平行移動変換とを行う。
【００１１】
非特許文献１には、与えられた基準点の３次元座標データから３次元回転変換と平行移動量を算出する方法が記載されており、非特許文献２には、レーザ計測装置で得た３次元座標に関して正解の３次元形状モデルが与えられることを前提として、獲得した３次元座標データの位置を調整する方法が記載されている。
【００１２】
また、非特許文献３には、２次元平面パターンを使ったキャリブレーション方法が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】B. K. P. Horn, "Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions", Journal of the Optical Society of America A, Vol.4, Issue 4, 1987, pp.629-642.
【非特許文献２】P.J. Besl and N.D. McKay, "A Method for Registration of 3-D Shapes", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol.14, No.2, 1992, pp.239-256.
【非特許文献３】Z. Zhang, "A Flexible New Technique for Camera Calibration", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol.22, No.11, 2000.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
レーザ計測装置を常に固定した状態で使用することを前提とすれば、外界に正確な基準点を設置して、その基準点を同定する処理により３次元座標データのレジストレーションを実施できる。
【００１５】
しかし、獲得した３次元点群データから基準点に該当する１つの３次元座標を正確に抽出する必要があり、専門的なキャリブレーション作業が伴う。
【００１６】
非特許文献１では、図２０に示したように、レーザ計測装置Ａとレーザ計測装置Ｂを使って３次元座標データが測定したとき、片方のローカル座標系（レーザ計測装置Ｂの３次元座標系）をもう一方のローカル座標系（レーザ計測装置Ａの３次元座標系）へ剛体変換する方法が公開されている。
【００１７】
この剛体変換では、３次元座標系間の３次元回転行列と３次元並進ベクトルとが構成されており、剛体変換によって両レーザ計測装置で測定した３次元座標データが同じ座標系上に合成することができる。
【００１８】
片方の３次元座標系からもう一方の３次元座標系への剛体変換は、世界座標系において各ローカル座標系の姿勢と位置とを求めることと等価である。
【００１９】
以下、これをレーザ計測のキャリブレーションと呼ぶことにする。
【００２０】
非特許文献１の方法を利用するにあたり、空間中の同一の点をそれぞれレーザ計測装置Ａとレーザ計測装置Ｂとで測定する必要がある。また、当然ながら、正確な剛体変換を求めるためには、１点ではなく１００点等と多くの３次元点のペアが必要になる。
【００２１】
レーザ計測した３次元座標データの中から、同じ点であるか否かを特定する作業はやや面倒な作業である上に、レーザ計測の空間解像度の限界により、精密に同じ点であることを特定することは容易ではない、という問題があった。
【００２２】
非特許文献２では、２つの点群データの位置合わせを自動で行うＩＣＰ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ  Ｃｌｏｓｅｓｔ  Ｐｏｉｎｔ）アルゴリズムが公知となっている。
【００２３】
例えば、まず、レーザ計測装置Ｂで得た点群を構成する各点に対し、レーザ計測装置Ａで得た点群における最近傍点を探索し、これらを仮の対応点とする。次に、これらの対応点間の距離を最小化するような剛体変換を推定する。
【００２４】
ＩＣＰアルゴリズムは、対応点探索と剛体変換推定を繰り返すことにより、２つの点群の位置を正確に合わせることができる。
【００２５】
ただし、ＩＣＰアルゴリズムでは、２つの点群を位置合わせする運動（回転運動と並進運動）が大きいとき、良い初期値を与えないと対応点探索がうまくいかず、ＩＣＰアルゴリズムにおいて回転運動と並進運動が局所解に陥る。
【００２６】
このため、レーザ計測のキャリブレーションが不十分となって、２つの点群の位置合わせが不安定になってしまう、という問題があった。
【００２７】
また、レーザ計測装置の台数が新たに増えたり、固定したレーザ計測装置の位置又は姿勢を変更したりする度に、レーザ計測装置のキャリブレーションが必要になる。
【００２８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、世界座標系に対するレーザ計測装置におけるローカル座標系の位置及び姿勢を容易に推定することができる計測校正装置、計測校正方法、及びプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明に係る計測校正装置は、物体上の複数の点の各々についての前記点の３次元座標を含む３次元座標データを計測するレーザ計測装置によって得られた、特定物体の前記３次元座標データであって、複数の位置姿勢毎の前記特定物体の前記３次元座標データに基づいて、前記複数の位置姿勢毎に、前記特定物体までの距離を表す距離画像を生成する距離画像生成部と、前記距離画像生成部により生成された前記複数の位置姿勢毎の前記距離画像の各々について、前記距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点を検出し、前記距離画像間で対応するコーナー点である対応点を検出する対応点検出部と、前記検出された前記対応点と、前記複数の位置姿勢のうちの基準となる位置姿勢での前記３次元座標データから求められる、世界座標系における前記特定物体上の各点の３次元座標である基準座標のうち、前記対応点に相当する前記特定物体上の点の前記基準座標とに基づいて、前記世界座標系の各点の２次元座標と前記距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列を算出し、前記平面射影変換行列に基づいて、前記世界座標系に対する前記レーザ計測装置の固有の座標系であるローカル座標系の位置及び姿勢を算出する姿勢・位置算出部と、を備えて構成される。
【００３０】
また、本発明に係る計測校正方法は、距離画像生成部が、物体上の複数の点の各々についての前記点の３次元座標を含む３次元座標データを計測するレーザ計測装置によって得られた、特定物体の前記３次元座標データであって、複数の位置姿勢毎の前記特定物体の前記３次元座標データに基づいて、前記複数の位置姿勢毎に、前記特定物体までの距離を表す距離画像を生成し、対応点検出部が、前記距離画像生成部により生成された前記複数の位置姿勢毎の前記距離画像の各々について、前記距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点を検出し、前記距離画像間で対応するコーナー点である対応点を検出し、姿勢・位置算出部が、前記検出された前記対応点と、前記複数の位置姿勢のうちの基準となる位置姿勢での前記３次元座標データから求められる、世界座標系における前記特定物体上の各点の３次元座標である基準座標のうち、前記対応点に相当する前記特定物体上の点の前記基準座標とに基づいて、前記世界座標系の各点の２次元座標と前記距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列を算出し、前記平面射影変換行列に基づいて、前記世界座標系に対する前記レーザ計測装置の固有の座標系であるローカル座標系の位置及び姿勢を算出する。
【００３１】
本発明に係る計測校正装置及び計測校正方法によれば、距離画像生成部が、物体上の複数の点の各々についての当該点の３次元座標を含む３次元座標データを計測するレーザ計測装置によって得られた、特定物体の３次元座標データであって、複数の位置姿勢毎の特定物体の３次元座標データに基づいて、複数の位置姿勢毎に、特定物体までの距離を表す距離画像を生成し、対応点検出部が、距離画像生成部により生成された複数の位置姿勢毎の距離画像の各々について、当該距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点を検出し、距離画像間で対応するコーナー点である対応点を検出する。
【００３２】
そして、姿勢・位置算出部が、検出された対応点と、複数の位置姿勢のうち基準となる位置姿勢での３次元座標データから求められる、世界座標系における特定物体上の各点の３次元座標である基準座標のうち、当該対応点に相当する特定物体上の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と基準となる位置姿勢での距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列を算出し、当該平面射影変換行列に基づいて、世界座標系に対するレーザ計測装置の固有の座標系であるローカル座標系の位置及び姿勢を算出する。
【００３３】
このように、レーザ計測装置によって得られた、特定物体の３次元座標データであって、複数の位置姿勢毎の特定物体の３次元座標データに基づいて、複数の位置姿勢毎に、特定物体までの距離を表す距離画像を生成し、複数の位置姿勢毎の距離画像の各々について、当該距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点を検出し、距離画像間で対応するコーナー点である対応点を検出し、検出された対応点と、複数の位置姿勢のうちの基準となる位置姿勢での３次元座標データから求められる、世界座標系における特定物体上の各点の３次元座標である基準座標のうち、当該対応点に相当する特定物体上の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列を算出し、当該平面射影変換行列に基づいて、世界座標系に対するレーザ計測装置の固有の座標系であるローカル座標系の位置及び姿勢を算出することにより、世界座標系に対するレーザ計測装置におけるローカル座標系の位置及び姿勢を容易に推定することができる。
【００３４】
また、本発明に係る計測校正装置は、前記姿勢・位置算出部により算出された前記世界座標系に対する前記レーザ計測装置のローカル座標系の位置及び姿勢に基づいて、前記レーザ計測装置が計測した３次元座標データを、前記世界座標系に変換する３次元変換部を更に含むことができる。
【００３５】
また、本発明に係る計測校正装置は、前記複数の位置姿勢毎に、撮像装置により得られた前記特定物体を表す撮像画像を取得する撮像画像取得部を更に含み、前記対応点検出部は、更に、前記複数の位置姿勢毎の前記撮像画像の各々について、前記撮像画像の画素値が変化する点である第２コーナー点を検出し、前記撮像画像間で対応する前記第２コーナー点である第２対応点を検出し、前記姿勢・位置算出部は、更に、前記検出された前記第２対応点と、前記第２対応点に相当する前記特定物体上の点の前記基準座標とに基づいて、前記世界座標系の各点の２次元座標と前記撮像画像上の２次元座標との間での平面射影変換するための第２平面射影変換行列を算出し、前記第２平面射影変換行列に基づいて、前記世界座標系に対する前記撮像装置の固有の座標系である第２ローカル座標系の位置及び姿勢を算出することができる。
【００３６】
また、本発明に係る計測校正装置の前記特定物体は、手前側に、幅ｗ、高さｈ、奥行きｄの直方体が水平方向にｗの間隔で配置され、かつ、垂直方向にｈの間隔で配置され、正面からみたときに手前側の表面形状が、市松模様状となるように構成することができる。
【００３７】
本発明に係るプログラムは、上記の計測校正装置の各部として機能させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の計測校正装置、計測校正方法、及びプログラムによれば、世界座標系に対するレーザ計測装置におけるローカル座標系の位置及び姿勢を容易に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る計測校正装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る特定物体の一例を示すイメージ図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る特定物体の一例を示すイメージ図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る距離画像の例を示すイメージ図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る対応点検出の一例を示すイメージ図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る計測校正装置の計測校正処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る計測校正装置の距離画像生成処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る計測校正装置の対応点検出処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る計測校正装置の姿勢・位置算出処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態に係る計測校正装置の３次元座標変換処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る計測校正装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る特定物体の一例を示すイメージ図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る計測校正装置の距離画像生成処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係る計測校正装置の対応点検出処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１５】本発明の第２の実施の形態に係る計測校正装置の姿勢・位置算出処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第３の実施の形態に係る計測校正装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態に係る特定物体の一例を示すイメージ図である。
【図１８】本発明の第４の実施の形態に係る計測校正装置の構成を示すブロック図である。
【図１９】本発明の第４の実施の形態に係る特定物体の一例を示すイメージ図である。
【図２０】従来技術におけるレーザ計測装置のレジストレーションの例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００４１】
＜本発明の実施の形態に係る計測校正装置の概要＞
まず、本発明の実施の形態の概要について説明する。
【００４２】
レーザ計測装置により３次元物体を計測した物体上の複数の点の各々についての３次元座標を含む３次元座標データ（ローカル座標系ＸＹＺ上の３次元座標の集合）を、２次元座標系の２次元座標データに変換することができる。
【００４３】
一方で、当該３次元物体の世界座標系ＸｗＹｗＺｗ上の座標（ｘｗ，ｙｗ，ｚｗ）には２次元座標（ｘｗ，ｙｗ）が含まれており、２次元座標｛ｕ，ｖ｝と２次元座標（ｘｗ，ｙｗ）との間には平面射影変換の関係がある。
【００４４】
このことに基づき、本発明の実施の形態では、レーザ計測装置により３次元物体を計測した３次元座標データを距離画像に変換する。
【００４５】
当該距離画像から３次元物体に対応する点を検出し、距離画像上の対応点の２次元座標と、３次元物体の世界座標系上の２次元座標との平面射影変換行列
2020024142.tif 000003
を求める。
【００４６】
そして、平面射影変換行列
2020024142.tif 000004
から、世界座標系に対するローカル座標系の原点位置を表す３次元並進ベクトルＴ及び世界座標系に対するローカル座標系の姿勢を表す回転行列
2020024142.tif 000005
を算出する。
【００４７】
本発明によれば、特定の３次元物体を計測するだけで世界座標系におけるレーザ計測装置のローカル座標系の位置姿勢を簡単に推定することを可能とする。
【００４８】
さらに、レーザ計測装置の姿勢又は位置を変更した場合でも、同様の作業を行うことにより、瞬時にレーザ計測装置のローカル座標系の位置姿勢を簡単に推定することを可能とする。
【００４９】
また、３次元物体を取り囲むように複数台のレーザ計測装置を使って３次元座標データを獲得するとき、それらの点群データを世界座標系において合成することができ、３次元物体の全周囲形状の３次元座標データを得ることができ、映画製作あるいは番組制作などのコンピュータグラフィックス、更には実環境とのリアルな仮想現実感（ｖｉｒｔｕａｌ  ｒｅａｌｉｔｙ）や拡張現実感（ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  ｒｅａｌｉｔｙ）を生み出すことができる。
【００５０】
＜本発明の第１の実施の形態に係る計測校正装置の構成＞
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る計測システム１０の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る計測システム１０の構成を示すブロック図である。
【００５１】
計測システム１０は、計測校正装置１００と、レーザ計測装置２００と、計測データベース（ＤＢ）３００とを含んで構成される。
【００５２】
レーザ計測装置２００は、物体上の複数の点の各々についての当該点の３次元座標を含む３次元座標データを計測する。
【００５３】
具体的には、レーザ計測装置２００は、特定物体の３次元座標データを計測する。
【００５４】
本実施形態では、特定物体の一例として、図２に示す３次元の物体を計測する。図３に、当該特定物体の正面図、及び水平方向と垂直方向とのそれぞれの断面図を示す。
【００５５】
当該特定物体は、手前側に、幅ｗ、高さｈ、奥行きｄの直方体が水平方向にｗの間隔、垂直方向にｈの間隔で配置され、正面から見たときに手前側の表面形状が、市松模様状となる物体である。
【００５６】
基準となる位置姿勢での特定物体の正面図において、水平方向にＸｗ軸、垂直方向にＹｗ軸を定義し、その２つの軸に直交する方向にＺｗ軸を定義し、その原点を、あらかじめ定められた特定物体の中心ＯとしたＸｗＹｗＺｗ座標系を世界座標系とする（図２）。
【００５７】
レーザ計測装置２００は、当該特定物体の位置姿勢を変えて、レーザ計測装置２００のローカル座標系ＸＹＺにおけるＳ個（Ｓは２以上の自然数）の位置姿勢毎の特定物体の３次元座標データを計測する。
【００５８】
ここで、３次元座標データは、特定物体上の複数の点の各々についての当該点の３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を含む。また、Ｓ個の位置姿勢には、特定物体の基準となる位置姿勢が含まれるものとする。
【００５９】
具体的には、レーザ計測装置２００は、当該レーザ計測装置２００の計測中心を原点とし、レーザ計測装置に設定したローカル座標系により、特定物体の３次元座標を得る。特定物体のＳ個の位置姿勢は、位置のみ変更したもの、及び姿勢のみ変更したものを含んでもよい。
【００６０】
そして、レーザ計測装置２００は、計測したＳ個の位置姿勢毎の特定物体の３次元座標データの全てを、計測ＤＢ３００に格納する。
【００６１】
計測ＤＢ３００には、特定物体の基準となる位置姿勢での世界座標系における各点の３次元座標である基準座標と、レーザ計測装置２００により計測された特定物体の３次元座標データであって、ローカル座標系ＸＹＺにおけるＳ個の位置姿勢毎の３次元座標データとが格納される。また、計測ＤＢ３００には、基準となる位置姿勢での特定物体の３次元座標データから求められる、世界座標系における特定物体上の各点の３次元座標である基準座標が格納される。
【００６２】
計測校正装置１００は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、後述する計測校正処理ルーチンを実行するためのプログラムを記憶したＲＯＭとを備えたコンピュータで構成され、機能的には次に示すように構成されている。
【００６３】
図１に示すように、本実施形態に係る計測校正装置１００は、取得部１１０と、距離画像生成部１２０と、対応点検出部１３０と、姿勢・位置算出部１４０と、３次元座標変換部１５０と、出力部１６０とを備えて構成される。
【００６４】
取得部１１０は、計測ＤＢ３００から、特定物体の基準となる位置姿勢での世界座標系における各点の３次元座標である基準座標、及びレーザ計測装置２００により計測されたＳ個の位置姿勢毎の特定物体の３次元座標データを取得する。
【００６５】
そして、取得部１１０は、レーザ計測装置２００により計測されたＳ個の位置姿勢毎の３次元座標データを距離画像生成部１２０に、特定物体の基準座標を姿勢・位置算出部１４０に、特定物体の基準座標及びレーザ計測装置２００により計測されたＳ個の位置姿勢毎の３次元座標データを３次元座標変換部１５０にそれぞれ渡す。
【００６６】
距離画像生成部１２０は、レーザ計測装置２００によって得られた、Ｓ個の位置姿勢毎の当該特定物体の３次元座標データに基づいて、Ｓ個の位置姿勢毎に、当該特定物体までの距離を表す距離画像を生成する。
【００６７】
具体的には、距離画像生成部１２０は、まず、距離画像を生成するためのパラメータｆを設定する。パラメータｆの設定では、パラメータｆに予め定めた値を与える（例えば、ｆ＝１０００とする）。
【００６８】
次に、距離画像生成部１２０は、レーザ計測装置２００により得られたＳ個の位置姿勢の各々について、当該位置姿勢の３次元座標データに基づいて、距離画像を生成する。距離画像とは、物体までの距離を表す画像であり、奥行きの距離を白黒濃淡等で可視化した透視投影画像である。
【００６９】
特定物体のある位置姿勢の３次元座標データの３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から、距離画像上の２次元座標（ｕ，ｖ）を求める計算には、下記式（１）に示す透視投影の式を用いる。
【００７０】
【数１】
2020024142.tif 000006
【００７１】
レーザ計測装置２００をカメラ装置に置き換えて考えると、式（１）はカメラの透視投影に対応し、パラメータｆは距離画像の焦点距離に対応する。
【００７２】
次に、距離画像生成部１２０は、レーザ計測装置から各点までの距離Ｌを下記式（２）を用いて算出し、距離Ｌの値に応じて値０から値２５５へ量子化することにより距離画像の濃淡値ｇを算出する。
【００７３】
【数２】
2020024142.tif 000007
【００７４】
例えば、式（２）で得られる距離Ｌの値が小さい値ほど黒（濃淡値ｇ＝０）に、大きい値ほど白（濃淡値ｇ＝２５５）に近づくように、２次元座標データ（ｕ，ｖ）の濃淡値ｇを算出する。
【００７５】
距離画像生成部１２０は、当該位置姿勢の３次元座標データに含まれる全ての３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）について、同様に２次元座標データ（ｕ，ｖ）の濃淡値ｇを算出することにより、当該位置姿勢の３次元座標データの特定物体までの距離を表す距離画像を生成する。
【００７６】
同様に、距離画像生成部１２０は、他の位置姿勢の各々について、当該位置姿勢の３次元座標データに基づいて、距離画像を生成する。すなわち、距離画像生成部１２０は、図４に示すＳ枚の距離画像を得る。
【００７７】
そして、距離画像生成部１２０は、Ｓ個の位置姿勢の各々についての距離画像を、対応点検出部１３０に渡す。
【００７８】
対応点検出部１３０は、距離画像生成部１２０により生成された複数の位置姿勢毎の距離画像の各々について、当該距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点を検出し、距離画像間で対応するコーナー点である対応点を検出する。
【００７９】
具体的には、対応点検出部１３０は、まず、１番目の距離画像の白黒濃淡のコーナー点を検出する。コーナー点検出の例を図５に示す。
【００８０】
非特許文献３で公知になっている２次元平面パターンを使ったカメラキャリブレーションの例では、このような白黒濃淡の画像が使われている。対応点検出部１３０は、３次元座標データを距離画像へ変換することにより、従来の画像処理手法を使ってコーナー点を検出する。
【００８１】
次に、次の距離画像においても同様のコーナー点を検出する。
【００８２】
このとき、先の距離画像で検出したコーナー点に対応するコーナー点かどうかをチェックして、同じ位置のコーナー点であれば、対応点とする。
【００８３】
この処理を全ての距離画像に行い、得られた対応点のうち、特定物体にある各直方体の表面の格子点に相当する対応点の２次元座標データを、対応点の検出結果とする。
【００８４】
そして、対応点検出部１３０は、検出した全ての対応点を、姿勢・位置算出部１４０に渡す。
【００８５】
姿勢・位置算出部１４０は、各距離画像における対応点と、当該対応点に相当する特定物体上の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列
2020024142.tif 000008
を算出し、平面射影変換行列
2020024142.tif 000009
に基づいて、世界座標系に対するレーザ計測装置２００の固有の座標系であるローカル座標系ＸＹＺの位置及び姿勢を算出する。
【００８６】
具体的には、姿勢・位置算出部１４０は、まず、特定物体の基準となる位置姿勢での世界座標系ＸｗＹｗＺｗにおける各点（各格子点）の３次元座標である基準座標（Ｘｗ，Ｙｗ，Ｚｗ）から、世界座標系の各点の２次元座標（Ｘｗ，Ｙｗ）を求める。
【００８７】
より具体的には、図２で示されているように、特定物体の各直方体の幅ｗと高さｈの値に応じて、各格子点に相当する３次元座標（Ｘｗ，Ｙｗ，０）を得る。すなわち、各格子点は、Ｚｗ＝０の平面とみなす。
【００８８】
次に、姿勢・位置算出部１４０は、対応点検出部１３０により得られた対応点のうち、各距離画像における対応点の２次元座標（ｕ，ｖ）と、基準座標の２次元座標（Ｘｗ，Ｙｗ）から平面射影変換行列
2020024142.tif 000010
を求める。
【００８９】
対応点検出部１３０により得られた対応点の２次元座標（ｕ，ｖ）と、基準座標の２次元座標（Ｘｗ，Ｙｗ）の間には、平面射影変換（ｐｌａｎｅ−ｈｏｍｏｇｒａｐｈｙ）の関係が成り立つためである。
【００９０】
平面射影変換とは、非特許文献３で示されているように、下記式（３）で与えられる平面物体の透視投影である。
【００９１】
【数３】
2020024142.tif 000011
【００９２】
上記式（３）において、λはスケール係数であり、Ｈは３×３の平面射影変換行列である。
【００９３】
上述したように、姿勢・位置算出部１４０は、式（３）に従って、平面射影変換をするための平面射影変換行列
2020024142.tif 000012
を推定する。
【００９４】
次に、姿勢・位置算出部１４０は、推定した平面射影変換行列
2020024142.tif 000013
に基づいて、世界座標系に対するレーザ計測装置２００の固有の座標系であるローカル座標系ＸＹＺの位置及び姿勢を算出する
【００９５】
本実施形態では、世界座標系に対するローカル座標系の姿勢を回転行列
2020024142.tif 000014
、世界座標系に対するローカル座標系の原点位置を３次元並進ベクトル
2020024142.tif 000015
とする。
【００９６】
回転行列
2020024142.tif 000016
は、３×３の行列であり、３次元ベクトルｒ１，ｒ２，ｒ３を用いて下記式（４）として表される。
【００９７】
【数４】
2020024142.tif 000017
【００９８】
平面射影変換行列
2020024142.tif 000018
、回転行列
2020024142.tif 000019
、及び３次元並進ベクトル
2020024142.tif 000020
は、平面射影変換の関係において、下記（５）の関係を有する。
【００９９】
【数５】
2020024142.tif 000021
【０１００】
姿勢・位置算出部１４０は、上記式（５）の関係に基づいて、回転行列を構成する３次元ベクトルｒ１及びｒ２と、３次元並進ベクトル
2020024142.tif 000022
とを、下記式（６）により求める。
【０１０１】
【数６】
2020024142.tif 000023
【０１０２】
また、姿勢・位置算出部１４０は、回転行列
2020024142.tif 000024
を構成するもう１つのベクトルｒ３を、下記式（７）により求める。
【０１０３】
【数７】
2020024142.tif 000025
【０１０４】
ここで、式（７）の
2020024142.tif 000026
は、ベクトルの外積を表す。
【０１０５】
そして、姿勢・位置算出部１４０は、算出した回転行列
2020024142.tif 000027
、及び３次元並進ベクトル
2020024142.tif 000028
を、３次元座標変換部１５０に渡す。
【０１０６】
３次元座標変換部１５０は、姿勢・位置算出部１４０により算出された世界座標系に対するレーザ計測装置２００のローカル座標系の位置及び姿勢に基づいて、レーザ計測装置２００が新たに計測した３次元座標データを、世界座標系に変換する。
【０１０７】
具体的には、３次元座標変換部１５０は、姿勢・位置算出部１４０により算出された世界座標系に対するレーザ計測装置２００のローカル座標系の位置及び姿勢を示す回転行列
2020024142.tif 000029
、及び３次元並進ベクトル
2020024142.tif 000030
を用いて、レーザ計測装置２００が計測した３次元座標データの３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を、世界座標系の３次元座標（Ｘｗ，Ｙｗ，Ｚｗ）に変換する。
【０１０８】
そして、３次元座標変換部１５０は、世界座標系に変換したレーザ計測装置２００が計測した３次元座標データを、出力部１６０に渡す。
【０１０９】
出力部１６０は、世界座標系に変換したレーザ計測装置２００が計測した３次元座標データを出力する。
【０１１０】
＜本発明の第１の実施の形態に係る計測校正装置の作用＞
図６は、本発明の実施の形態に係る計測校正処理ルーチンを示すフローチャートである。
【０１１１】
レーザ計測装置２００により、特定物体の位置姿勢を変えながら、レーザ計測装置２００のローカル座標系ＸＹＺにおけるＳ個の位置姿勢毎の特定物体の３次元座標データを計測する。取得部１１０に計測データが入力されると、計測校正装置１００において、図６に示す計測校正処理ルーチンが実行される。
【０１１２】
まず、ステップＳ１００において、取得部１１０が、レーザ計測装置２００により計測されたＳ個の位置姿勢毎の３次元座標データを取得する。また、基準となる位置姿勢での特定物体の３次元座標データから、世界座標系における特定物体上の各点の３次元座標である基準座標を求める。
【０１１３】
ステップＳ１１０において、距離画像生成部１２０は、レーザ計測装置２００によって得られた、Ｓ個の位置姿勢毎の当該特定物体の３次元座標データに基づいて、Ｓ個の位置姿勢毎に、当該特定物体までの距離を表す距離画像を生成する。
【０１１４】
ステップＳ１２０において、対応点検出部１３０は、上記ステップＳ１１０により生成された複数の位置姿勢毎の距離画像の各々について、当該距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点を検出し、距離画像間で対応するコーナー点である対応点を検出する。
【０１１５】
ステップＳ１３０において、姿勢・位置算出部１４０は、各距離画像における対応点と、当該対応点に相当する特定物体の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列
2020024142.tif 000031
を算出し、平面射影変換行列
2020024142.tif 000032
に基づいて、世界座標系に対するレーザ計測装置２００の固有の座標系であるローカル座標系ＸＹＺの位置及び姿勢を算出する。
【０１１６】
ステップＳ１４０において、３次元座標変換部１５０は、上記ステップＳ１３０により算出された世界座標系に対するレーザ計測装置２００のローカル座標系の位置及び姿勢に基づいて、レーザ計測装置２００が新たに計測した３次元座標データを、世界座標系に変換する。
【０１１７】
ステップＳ１５０において、出力部１６０は、世界座標系に変換したレーザ計測装置２００が計測した３次元座標データを出力する。
【０１１８】
次に、図７を用いて、ステップＳ１１０における距離画像生成処理ルーチンについて説明する。
【０１１９】
ステップＳ２００において、距離画像生成部１２０は、距離画像を生成するためのパラメータｆを設定する。
【０１２０】
ステップＳ２１０において、距離画像生成部１２０は、レーザ計測装置２００によって得られた、Ｓ個の位置姿勢毎の当該特定物体の３次元座標データのうち、１番目の３次元座標データを選択する。
【０１２１】
ステップＳ２２０において、距離画像生成部１２０は、上記式（１）を用いて、選択された３次元座標データの各点の３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から、２次元座標（ｕ，ｖ）を計算する。
【０１２２】
ステップＳ２３０において、距離画像生成部１２０は、レーザ計測装置から選択された３次元座標データの各点までの距離Ｌを、上記式（２）を用いて算出し、距離Ｌの値に応じて値０から値２５５へ量子化することにより距離画像の濃淡値ｇを算出する。
【０１２３】
ステップＳ２４０において、距離画像生成部１２０は、全ての３次元座標データについて処理したか否かの判定を行う。
【０１２４】
全ての３次元座標データについて処理していない場合（ステップＳ２４０のＮＯ）、ステップＳ２５０において、距離画像生成部１２０は、次の３次元座標データを選択し、ステップＳ２２０に戻る。
【０１２５】
一方、全ての３次元座標データについて処理している場合（ステップＳ２４０のＹＥＳ）、リターンする。
【０１２６】
次に、図８を用いて、ステップＳ１２０における対応点検出処理ルーチンについて説明する。
【０１２７】
ステップＳ３００において、対応点検出部１３０は、上記ステップＳ１１０により生成された複数の位置姿勢毎の距離画像のうち、１番目の距離画像を選択する。
【０１２８】
ステップＳ３１０において、対応点検出部１３０は、選択された距離画像のコーナー点を検出する。
【０１２９】
ステップＳ３２０において、対応点検出部１３０は、既にコーナー点を検出した距離画像で検出したコーナー点に対応するコーナー点かどうかをチェックして、同じ位置のコーナー点であれば、対応点として検出する。
【０１３０】
ステップＳ３３０において、対応点検出部１３０は、全ての距離画像について処理したか否かの判定を行う。
【０１３１】
全ての距離画像について処理していない場合（ステップＳ３３０のＮＯ）、ステップＳ３４０において、対応点検出部１３０は、次の距離画像を選択し、ステップＳ３１０に戻る。
【０１３２】
一方、全ての距離画像について処理している場合（ステップＳ３３０のＹＥＳ）、リターンする。
【０１３３】
次に、図９を用いて、ステップＳ１３０における姿勢・位置算出処理ルーチンについて説明する。姿勢・位置算出部１４０は、各距離画像における対応点と、当該対応点に相当する特定物体上の各点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と距離画像上の２次元座標との間で射影変換するための平面射影変換行列
2020024142.tif 000033
を算出し、平面射影変換行列
2020024142.tif 000034
に基づいて、世界座標系に対するレーザ計測装置２００の固有の座標系であるローカル座標系ＸＹＺの位置及び姿勢を算出する。
【０１３４】
ステップＳ４００において、姿勢・位置算出部１４０は、各対応点について、当該対応点に相当する特定物体上の点の基準座標を取得する。
【０１３５】
ステップＳ４１０において、姿勢・位置算出部１４０は、各対応点と、当該対応点に相当する特定物体上の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列
2020024142.tif 000035
を算出する。
【０１３６】
ステップＳ４２０において、姿勢・位置算出部１４０は、上記ステップＳ４１０により算出した平面射影変換行列
2020024142.tif 000036
に基づいて、世界座標系に対するレーザ計測装置２００の固有の座標系であるローカル座標系ＸＹＺの位置及び姿勢を算出し、リターンする。
【０１３７】
次に、図１０を用いて、ステップＳ１４０における３次元座標変換処理ルーチンについて説明する。
【０１３８】
３次元座標変換部１５０は、上記ステップＳ１３０により算出された世界座標系に対するレーザ計測装置２００のローカル座標系の位置及び姿勢に基づいて、レーザ計測装置２００が新たに計測した３次元座標データを、世界座標系に変換する。
【０１３９】
ステップＳ５００において、３次元座標変換部１５０は、レーザ計測装置２００によって得られた、Ｓ個の位置姿勢毎の当該特定物体の３次元座標データのうち、１番目の３次元座標データを選択する。
【０１４０】
ステップＳ５１０において、３次元座標変換部１５０は、上記ステップＳ１３０により算出された世界座標系に対するレーザ計測装置２００のローカル座標系の位置及び姿勢に基づいて、選択された３次元座標データを、世界座標系に変換する。
【０１４１】
ステップＳ５２０において、３次元座標変換部１５０は、処理を停止するか否かの判定を行う。
【０１４２】
全ての３次元座標データについて処理していない処理を停止しない場合（ステップＳ５２０のＮＯ）、ステップＳ５３０において、３次元座標変換部１５０は、次の３次元座標データを選択し、ステップＳ５１０に戻る。
【０１４３】
一方、全ての３次元座標データについて処理している場合（ステップＳ５２０のＹＥＳ）、リターンする。
【０１４４】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る計測校正装置によれば、レーザ計測装置によって得られた、特定物体の３次元座標データであって、複数の位置姿勢毎の特定物体の３次元座標データに基づいて、複数の位置姿勢毎に、特定物体までの距離を表す距離画像を生成し、複数の位置姿勢毎の距離画像の各々について、当該距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点を検出し、距離画像間で対応するコーナー点である対応点を検出し、検出された対応点と、複数の位置姿勢のうちの基準となる位置姿勢での３次元座標データから求められる、世界座標系における特定物体上の各点の３次元座標である基準座標のうち、当該対応点に相当する特定物体上の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列を算出し、当該平面射影変換行列に基づいて、世界座標系に対するレーザ計測装置の固有の座標系であるローカル座標系の位置及び姿勢を算出することにより、世界座標系に対するレーザ計測装置におけるローカル座標系の位置及び姿勢を容易に推定することができる。
【０１４５】
また、このような構成により、レーザ計測装置の姿勢又は位置を変更した場合であっても、世界座標系に対するレーザ計測装置におけるローカル座標系の位置及び姿勢を高速に推定することができる。
【０１４６】
＜本発明の第２の実施の形態に係る計測校正装置の構成＞
図１１を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る計測システム２０の構成について説明する。なお、第１の実施の形態に係る計測システム１０と同様の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１４７】
図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る計測システム２０の構成を示すブロック図である。
【０１４８】
本実施形態では、計測校正装置５００は、レーザ計測装置２００と撮像装置４００とを共に校正する。
【０１４９】
計測システム１０は、レーザ計測装置２００と、計測データベース（ＤＢ）３１０と、撮像装置４００と、計測校正装置５００とを含んで構成される。
【０１５０】
本実施形態では、特定物体の一例として、図１２に示す３次元の物体を計測する。当該特定物体の正面図、及び水平方向と垂直方向とのそれぞれの断面図は、図３と同様であるが、当該特定物体では、手前の表面は黒色、奥の表面などのそれ以外の表面は白色となっている。
【０１５１】
また、当該特定物体は、手前側に、幅ｗ、高さｈ、奥行きｄの直方体が水平方向にｗの間隔、垂直方向にｈの間隔で配置され、正面から見たときに手前側の表面形状が、市松模様状となる物体である。
【０１５２】
基準となる位置姿勢における特定物体の正面図において、水平方向にＸｗ軸、垂直方向にＹｗ軸を定義し、その２つの軸に直交する方向にＺｗ軸を定義し、その原点を特定物体の中心ＯとしたＸｗＹｗＺｗ座標系を世界座標系とする（図１２）。
【０１５３】
撮像装置４００は、レーザ計測装置２００と同様に、当該特定物体の位置姿勢を変えて、特定物体をカメラ等で撮影し、Ｓ枚の撮像画像を生成する。なお、位置姿勢の数であるＳは、レーザ計測装置２００と異なる値としてもよい。
【０１５４】
そして、撮像装置４００は、生成したＳ枚の撮像画像を、計測ＤＢ３１０に格納する。
【０１５５】
計測ＤＢ３１０には、第１の実施の形態に係る計測ＤＢ３００と同様に、レーザ計測装置２００により計測された特定物体の３次元座標データであって、ローカル座標系ＸＹＺにおけるＳ個の位置姿勢毎の３次元座標データとが格納される。また、計測ＤＢ３１０には、基準となる位置姿勢での特定物体の３次元座標データから求められる、世界座標系における特定物体上の各点の３次元座標である基準座標が格納される。
【０１５６】
また、計測ＤＢ３１０には、更に、撮像装置４００により得られたＳ個の位置姿勢毎の撮像画像が格納される。
【０１５７】
計測校正装置５００は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、後述する計測校正処理ルーチンを実行するためのプログラムを記憶したＲＯＭとを備えたコンピュータで構成され、機能的には次に示すように構成されている。
【０１５８】
図１１に示すように、本実施形態に係る計測校正装置５００は、撮像画像取得部５１０と、距離画像生成部１２０と、対応点検出部５３０と、姿勢・位置算出部５４０と、３次元座標変換部１５０と、出力部５６０とを備えて構成される。
【０１５９】
撮像画像取得部５１０は、取得部１１０と同様に、計測ＤＢ３１０から、特定物体の基準となる位置姿勢での世界座標系における各点の３次元座標である基準座標、及びレーザ計測装置２００により計測されたＳ個の位置姿勢毎の特定物体の３次元座標データを取得する。
【０１６０】
また、撮像画像取得部５１０は、複数の位置姿勢毎に、計測ＤＢ３１０から、撮像装置４００により得られた特定物体を表す撮像画像を取得する。
【０１６１】
そして、撮像画像取得部５１０は、レーザ計測装置２００により計測されたＳ個の位置姿勢毎の３次元座標データを距離画像生成部１２０に、特定物体の基準座標を姿勢・位置算出部５４０に、特定物体の基準座標及びレーザ計測装置２００により計測されたＳ個の位置姿勢毎の３次元座標データを３次元座標変換部１５０にそれぞれ渡す。
【０１６２】
また、撮像画像取得部５１０は、撮像装置４００により得られた特定物体を表す撮像画像を、対応点検出部５３０に渡す。
【０１６３】
対応点検出部５３０は、対応点検出部１３０と同様に、距離画像生成部１２０により生成された複数の位置姿勢毎の距離画像の各々について、当該距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点を検出し、距離画像間で対応するコーナー点である対応点を検出する。
【０１６４】
対応点検出部５３０は、更に、複数の位置姿勢毎の撮像画像の各々について、当該撮像画像の画素値が変化する点である第２コーナー点を検出し、撮像画像間で対応する第２コーナー点である第２対応点を検出する。
【０１６５】
具体的には、対応点検出部５３０は、まず、１番目の撮像画像の画素値が変化する点である第２コーナー点を検出する。
【０１６６】
図１２に示す３次元物体を撮像装置４００が撮影すると、黒色の面は全て平面射影の画像として観測することができる。すなわち、第１実施形態において３次元座標データから平面射影変換による距離画像を得た場合と同様に、撮像装置４００は、撮像観測によって平面射影による白黒パターンを撮影することとなる。奥の面は白色であるため、撮像画像は図４に示す市松模様のような画像となる。
【０１６７】
対応点検出部５３０は、このような撮像画像の黒色と白色との画素値が変化する点である第２コーナー点を、従来の画像処理手法を用いて検出する。
【０１６８】
次に、対応点検出部５３０は、次の撮像画像においても同様に、第２コーナー点を検出する。
【０１６９】
このとき、対応点検出部５３０は、先の撮像画像で検出した第２コーナー点に対応する第２コーナー点かどうかをチェックして、同じ位置の第２コーナー点であれば、第２対応点とする。
【０１７０】
対応点検出部５３０は、この処理を全ての撮像画像に行い、得られた対応点のうち、特定物体にある各直方体の表面の格子点に相当する対応点の２次元座標データを、第２対応点の検出結果とする。
【０１７１】
そして、対応点検出部５３０は、検出した全ての対応点及び第２対応点を、姿勢・位置算出部５４０に渡す。
【０１７２】
姿勢・位置算出部５４０は、姿勢・位置算出部１４０と同様に、各距離画像における対応点と、当該対応点に相当する特定物体上の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列
2020024142.tif 000037
を算出し、平面射影変換行列
2020024142.tif 000038
に基づいて、世界座標系に対するレーザ計測装置２００の固有の座標系であるローカル座標系ＸＹＺの位置及び姿勢を算出する。
【０１７３】
また、姿勢・位置算出部５４０は、更に、検出された第２対応点と、当該第２対応点に相当する特定物体上の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と撮像画像上の２次元座標との間での平面射影変換するための第２平面射影変換行列
2020024142.tif 000039
を算出し、第２平面射影変換行列
2020024142.tif 000040
に基づいて、世界座標系に対する撮像装置４００の固有の座標系である第２ローカル座標系の位置及び姿勢を算出する。
【０１７４】
具体的には、姿勢・位置算出部５４０は、対応点検出部５３０により得られた第２対応点のうち、各撮像画像における第２対応点の２次元座標（ｕ，ｖ）と、基準座標の２次元座標（Ｘｗ，Ｙｗ）から、上記式（３）に従って、平面射影変換をするための第２平面射影変換行列
2020024142.tif 000041
を推定する。
【０１７５】
次に、姿勢・位置算出部５４０は、推定した第２平面射影変換行列
2020024142.tif 000042
に基づいて、世界座標系に対する撮像装置４００の固有の座標系であるローカル座標系ＸＹＺの位置及び姿勢を算出する
【０１７６】
本実施形態では、世界座標系に対するローカル座標系の姿勢を回転行列
2020024142.tif 000043
、世界座標系に対するローカル座標系の原点位置を３次元並進ベクトル
2020024142.tif 000044
とする。
【０１７７】
回転行列
2020024142.tif 000045
は、３×３の行列であり、３次元ベクトルｒ１，ｒ２，ｒ３を用いて上記式（４）として表される。
【０１７８】
姿勢・位置算出部５４０は、上記式（５）の関係に基づいて、回転行列を構成する３次元ベクトルｒ１及びｒ２と、３次元並進ベクトル
2020024142.tif 000046
とを、上記式（６）により求める。
【０１７９】
また、姿勢・位置算出部５４０は、回転行列
2020024142.tif 000047
を構成するもう１つのベクトルｒ３を、上記式（７）により求める。
【０１８０】
そして、姿勢・位置算出部５４０は、算出したレーザ計測装置２００の回転行列
2020024142.tif 000048
、及び３次元並進ベクトル
2020024142.tif 000049
を、３次元座標変換部１５０に渡す。
【０１８１】
また、姿勢・位置算出部５４０は、算出した撮像装置４００の回転行列
2020024142.tif 000050
、及び３次元並進ベクトル
2020024142.tif 000051
を、出力部５６０に渡す。
【０１８２】
出力部５６０は、世界座標系に変換したレーザ計測装置２００が計測した３次元座標データを出力する。また、出力部５６０は、撮像装置４００の回転行列
2020024142.tif 000052
、及び３次元並進ベクトル
2020024142.tif 000053
を出力する。
【０１８３】
＜本発明の第２の実施の形態に係る計測校正装置の作用＞
図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る計測校正処理ルーチンを示すフローチャートである。なお、第１の実施の形態に係る計測校正処理ルーチンと同様の処理については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１８４】
レーザ計測装置２００により、特定物体の位置姿勢を変えながら、レーザ計測装置２００のローカル座標系ＸＹＺにおけるＳ個の位置姿勢毎の特定物体の３次元座標データを計測すると共に、撮像装置４００により、Ｓ個の位置姿勢毎の特定物体の撮像画像を取得する。計測ＤＢ３１０に計測データ及び撮像画像が格納されると、計測校正装置５００において、図１３に示す計測校正処理ルーチンが実行される。
【０１８５】
ステップＳ６０５において、撮像画像取得部５１０は、計測ＤＢ３１０から、撮像装置４００により得られた特定物体を表す撮像画像を取得する。
【０１８６】
ステップＳ６２０において、対応点検出部５３０は、上記ステップＳ１１０により生成された複数の位置姿勢毎の距離画像の各々について、当該距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点を検出し、距離画像間で対応するコーナー点である対応点を検出すると共に、複数の位置姿勢毎の撮像画像の各々について、当該撮像画像の画素値が変化する点である第２コーナー点を検出し、撮像画像間で対応する第２コーナー点である第２対応点を検出する。
【０１８７】
ステップＳ６３０において、姿勢・位置算出部５４０は、各距離画像における対応点と、当該対応点に相当する特定物体上の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列
2020024142.tif 000054
を算出し、平面射影変換行列
2020024142.tif 000055
に基づいて、世界座標系に対するレーザ計測装置２００の固有の座標系であるローカル座標系ＸＹＺの位置及び姿勢を算出する。検出された第２対応点と、当該第２対応点に相当する特定物体上の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と撮像画像上の２次元座標との間での平面射影変換するための第２平面射影変換行列
2020024142.tif 000056
を算出し、第２平面射影変換行列
2020024142.tif 000057
に基づいて、世界座標系に対する撮像装置４００の固有の座標系である第２ローカル座標系の位置及び姿勢を算出する。
【０１８８】
次に、図１４を用いて、ステップＳ６２０における対応点検出処理ルーチンについて説明する。
【０１８９】
ステップＳ７５０において、対応点検出部５３０は、上記ステップＳ６０５により取得した複数の位置姿勢毎の撮像画像のうち、１番目の撮像画像を選択する。
【０１９０】
ステップＳ７６０において、対応点検出部５３０は、選択された撮像画像の第２コーナー点を検出する。
【０１９１】
ステップＳ７７０において、対応点検出部５３０は、既に第２コーナー点を検出した撮像画像で検出した第２コーナー点に対応する第２コーナー点かどうかをチェックして、同じ位置の第２コーナー点であれば、第２対応点として検出する。
【０１９２】
ステップＳ７８０において、対応点検出部５３０は、全ての撮像画像について処理したか否かの判定を行う。
【０１９３】
全ての撮像画像について処理していない場合（ステップＳ７８０のＮＯ）、ステップＳ７９０において、対応点検出部５３０は、次の撮像画像を選択し、ステップＳ７６０に戻る。
【０１９４】
一方、全ての撮像画像について処理している場合（ステップＳ７８０のＹＥＳ）、リターンする。
【０１９５】
次に、図１５を用いて、ステップＳ６３０における姿勢・位置算出処理ルーチンについて説明する。
【０１９６】
ステップＳ８３０において、姿勢・位置算出部５４０は、各対応点と、当該対応点に相当する特定物体上の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と撮像画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列
2020024142.tif 000058
を算出する。
【０１９７】
ステップＳ８４０において、姿勢・位置算出部５４０は、上記ステップＳ８３０により算出した第２平面射影変換行列
2020024142.tif 000059
に基づいて、世界座標系に対する撮像装置４００の固有の座標系であるローカル座標系ＸＹＺの位置及び姿勢を算出し、リターンする。
【０１９８】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る計測校正装置によれば、更に、複数の位置姿勢毎に、撮像装置により得られた特定物体を表す撮像画像を取得し、複数の位置姿勢毎の撮像画像の各々について、当該撮像画像の画素値が変化する点である第２コーナー点を検出し、撮像画像間で対応する第２コーナー点である第２対応点を検出し、基準となる位置姿勢での撮像画像における第２対応点と、第２対応点に相当する特定物体の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と基準となる位置姿勢での撮像画像上の２次元座標との間での平面射影変換するための第２平面射影変換行列を算出し、第２平面射影変換行列に基づいて、世界座標系に対する撮像装置の固有の座標系である第２ローカル座標系の位置及び姿勢を算出するため、世界座標系に対するレーザ計測装置におけるローカル座標系の位置及び姿勢を容易に推定すると共に、撮像装置におけるローカル座標系の位置及び姿勢も同時に推定することができる。
【０１９９】
また、このような構成により、撮像装置の姿勢又は位置を変更した場合であっても、世界座標系に対する撮像装置におけるローカル座標系の位置及び姿勢を高速に推定することができる。
【０２００】
＜本発明の第３の実施の形態に係る計測校正装置の構成＞
図１６を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る計測システム３０の構成について説明する。なお、第１の実施の形態に係る計測システム１０と同様の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０２０１】
図１６は、本発明の第３の実施の形態に係る計測システム３０の構成を示すブロック図である。
【０２０２】
計測システム３０は、計測校正装置１００と、Ｎ台のレーザ計測装置２００＃１〜＃Ｎと、計測データベース（ＤＢ）３２０とを含んで構成される。
【０２０３】
本実施形態において、計測校正装置１００の各部の処理内容は、１台のレーザ計測装置２００を使った場合と同様である。
【０２０４】
本実施形態に係る計測システム３０では、レーザ計測装置２００＃１〜レーザ計測装置２００＃Ｎを切り替えながら、計測ＤＢ３２０に各レーザ計測装置２００により得られた３次元座標データを格納する。
【０２０５】
計測ＤＢ３２０には、第１の実施の形態に係る計測ＤＢ３００と同様に、特定物体の基準となる位置姿勢での世界座標系における各点の３次元座標である基準座標と、レーザ計測装置２００により計測された特定物体の３次元座標データであって、ローカル座標系ＸＹＺにおけるＳ個の位置姿勢毎の３次元座標データとが格納される。
【０２０６】
また、計測ＤＢ３２０には、各レーザ計測装置２００の、基準となる位置姿勢での特定物体の３次元座標データから求められる、世界座標系における特定物体上の各点の３次元座標である基準座標が格納される。
【０２０７】
また、本実施形態は、原則として、第１実施形態と同様に、図２に示す３次元物体を特定物体として用いる。
【０２０８】
しかし、特定物体を取り囲むようにレーザ計測装置２００＃１〜レーザ計測装置２００＃Ｎを配置した場合には、特定物体として図１７に示す３次元物体を使う。
【０２０９】
図１７に示す特定物体は、幅ｗ、高さｈ、奥行きｄの直方体が水平方向にｗの間隔、垂直方向にｈの間隔で配置される物体である。また、当該特定物体は、正面と背面は同じ形状であるように構成される。
【０２１０】
以上説明したように、本実施形態に係る計測校正装置によれば、レーザ計測装置によって得られた、特定物体の３次元座標データであって、複数の位置姿勢毎の特定物体の３次元座標データに基づいて、複数の位置姿勢毎に、特定物体までの距離を表す距離画像を生成し、複数の位置姿勢毎の距離画像の各々について、当該距離画像の濃淡が変化する点であるコーナー点を検出し、距離画像間で対応するコーナー点である対応点を検出し、検出された対応点と、複数の位置姿勢のうちの基準となる位置姿勢での３次元座標データから求められる、世界座標系における特定物体上の各点の３次元座標である基準座標のうち、当該対応点に相当する特定物体上の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と距離画像上の２次元座標との間で平面射影変換するための平面射影変換行列を算出し、当該平面射影変換行列に基づいて、世界座標系に対するレーザ計測装置の固有の座標系であるローカル座標系の位置及び姿勢を算出することを、複数のレーザ計測装置の各々について行うことにより、複数のレーザ計測装置の各々により得られる３次元座標データを世界座標系において容易に合成することができる。
【０２１１】
また、特定物体を取り囲むように複数のレーザ計測装置を配置することにより、特定物体の全周囲形状の３次元座標データを容易に得ることができる。
【０２１２】
＜本発明の第４の実施の形態に係る計測校正装置の構成＞
図１８を参照して、本発明の第４の実施の形態に係る計測システム４０の構成について説明する。なお、第２の実施の形態に係る計測システム２０と同様の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０２１３】
図１８は、本発明の第４の実施の形態に係る計測システム４０の構成を示すブロック図である。
【０２１４】
計測システム４０は、計測校正装置５００と、Ｎ台のレーザ計測装置２００＃１〜＃Ｎと、計測データベース（ＤＢ）３３０と、Ｍ台の撮像装置４００＃１〜＃Ｍを含んで構成される。
【０２１５】
本実施形態において、計測校正装置５００の各部の処理内容は、１台のレーザ計測装置２００を使った場合と同様である。
【０２１６】
本実施形態に係る計測システム４０では、第３実施形態と同様に、レーザ計測装置２００＃１〜レーザ計測装置２００＃Ｎを切り替えながら、計測ＤＢ３３０に各レーザ計測装置２００により得られた３次元座標データを格納する。
【０２１７】
同様に、本実施形態に係る計測システム４０では、撮像装置４００＃１〜撮像装置４００＃Ｍを切り替えながら、計測ＤＢ３３０に各撮像装置４００により得られた撮像画像を格納する。
【０２１８】
計測ＤＢ３３０には、第１の実施の形態に係る計測ＤＢ３００と同様に、特定物体の基準となる位置姿勢での世界座標系における各点の３次元座標である基準座標と、レーザ計測装置２００により計測された特定物体の３次元座標データであって、ローカル座標系ＸＹＺにおけるＳ個の位置姿勢毎の３次元座標データとが格納される。
【０２１９】
また、計測ＤＢ３３０には、第３の実施の形態に係る計測ＤＢ３２０と同様に、各レーザ計測装置２００の、基準となる位置姿勢での特定物体の３次元座標データから求められる、世界座標系における特定物体上の各点の３次元座標である基準座標が格納される。
【０２２０】
また、計測ＤＢ３３０には、第２の実施の形態に係る計測ＤＢ３１０と同様に、撮像装置４００により得られたＳ個の位置姿勢毎の撮像画像が格納される。
【０２２１】
また、本実施形態は、原則として、第２実施形態と同様に、図１２に示す３次元物体を特定物体として用いる。
【０２２２】
しかし、特定物体を取り囲むようにレーザ計測装置２００＃１〜レーザ計測装置２００＃Ｎ、及びＭ台の撮像装置４００＃１〜＃Ｍを配置した場合には、特定物体として図１９に示す３次元物体を使う。
【０２２３】
図１９に示す特定物体は、幅ｗ、高さｈ、奥行きｄの直方体が水平方向にｗの間隔、垂直方向にｈの間隔で配置される物体である。また、当該特定物体は、正面と背面は同じ形状であるように構成され、手前の表面は黒色、奥の表面は白色である。
【０２２４】
以上説明したように、本実施形態に係る計測校正装置によれば、複数の位置姿勢毎に、撮像装置により得られた特定物体を表す撮像画像を取得し、複数の位置姿勢毎の撮像画像の各々について、当該撮像画像の画素値が変化する点である第２コーナー点を検出し、撮像画像間で対応する第２コーナー点である第２対応点を検出し、基準となる位置姿勢での撮像画像における第２対応点と、第２対応点に相当する特定物体の点の基準座標とに基づいて、世界座標系の各点の２次元座標と基準となる位置姿勢での撮像画像上の２次元座標との間での平面射影変換するための第２平面射影変換行列を算出し、第２平面射影変換行列に基づいて、世界座標系に対する撮像装置の固有の座標系である第２ローカル座標系の位置及び姿勢を算出することを、複数のレーザ計測装置の各々及び複数の撮像装置の各々について行うことにより、複数のレーザ計測装置の各々により得られる３次元座標データを世界座標系において容易に合成すると共に、複数の撮像装置の各々により得られる撮像画像を容易に合成することができる。
【０２２５】
また、特定物体を取り囲むように複数のレーザ計測装置及び複数の撮像装置を配置することにより、特定物体の全周囲形状の３次元座標データを容易に得ることができると共に、特定物体の全周囲形状の撮像画像を容易に得ることができる。
【０２２６】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
【０２２７】
上述の実施形態において、当該特定物体は、手前側に、幅ｗ、高さｈ、奥行きｄの直方体が水平方向にｗの間隔、垂直方向にｈの間隔で配置されるものとして記載したが、当該直方体は、立方体であってもよい。
【０２２８】
上述の実施形態では、各処理部が接続されるものとして説明したが、これに限定されるものではない。各処理部間のデータの受け渡しは、ハードディスク、ＲＡＩＤ装置、ＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体を利用する、又は、ネットワークを介してリモートなデータ資源を利用する形態としてもよい。
【０２２９】
また、本願明細書中において、プログラムが予めインストールされている実施形態として説明したが、当該プログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して提供することも可能である。
【符号の説明】
【０２３０】
１０   計測システム
２０   計測システム
３０   計測システム
４０   計測システム
１００ 計測校正装置
１１０ 取得部
１２０ 距離画像生成部
１３０ 対応点検出部
１４０ 姿勢・位置算出部
１５０ 次元座標変換部
１６０ 出力部
２００ レーザ計測装置
３００ 計測ＤＢ
３１０ 計測ＤＢ
３２０ 計測ＤＢ
３３０ 計測ＤＢ
４００ 撮像装置
５００ 計測校正装置
５１０ 撮像画像取得部
５３０ 対応点検出部
５４０ 姿勢・位置算出部
５６０ 出力部
【図１】
2020024142.tif 000060
【図２】
2020024142.tif 000061
【図３】
2020024142.tif 000062
【図４】
2020024142.tif 000063
【図５】
2020024142.tif 000064
【図６】
2020024142.tif 000065
【図７】
2020024142.tif 000066
【図８】
2020024142.tif 000067
【図９】
2020024142.tif 000068
【図１０】
2020024142.tif 000069
【図１１】
2020024142.tif 000070
【図１２】
2020024142.tif 000071
【図１３】
2020024142.tif 000072
【図１４】
2020024142.tif 000073
【図１５】
2020024142.tif 000074
【図１６】
2020024142.tif 000075
【図１７】
2020024142.tif 000076
【図１８】
2020024142.tif 000077
【図１９】
2020024142.tif 000078
【図２０】
2020024142.tif 000079