(57)【要約】測量器をキャリブレートする方法が開示され、該測量器はベース要素とイメージセンサーを具備するカメラとを有しており、該カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、該傾斜軸は該垂直軸周りの該カメラの回転と共に該垂直軸周りに回転され、本方法においては、キャリブレーション点及び異なる面において捕獲されたイメージセンサー上のキャリブレーション点のイメージに関連するデータが使用され、前記キャリブレーション点の各々に対するデータは前記各キャリブレーション点と該測量器との間の距離を表わす距離データを有しており、且つ前記各キャリブレーション点のイメージの各々に対するデータは前記イメージセンサー上の前記各キャリブレーション点のイメージの位置を表わすイメージ位置データ及び該垂直軸周りの該傾斜軸の回転の水平角度及び該傾斜軸周りの該カメラの垂直傾斜角度を表わす配向データを有している。更に、該キャリブレーション点の各々に対する距離データ及び該キャリブレーション点のイメージの各々に対するイメージ位置及び配向データに基づいて、該測量器が、カメラの少なくとも１個の光学的特性及び該垂直軸及び該傾斜軸の相対的配向及び該ベース要素、該垂直軸、該傾斜軸のうちの１つと相対的なカメラの配向のうちの少なくとも１つを考慮に入れて同時的にキャリブレートされる。
2007514943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース要素とイメージセンサーを具備するカメラとを有する測量器をキャリブレートする方法において、前記カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、前記傾斜軸は前記垂直軸周りの前記カメラの回転と共に前記垂直軸周りに回転され、
キャリブレーション点と関連するデータ及び異なる面内において捕獲された前記イメージセンサー上の前記キャリブレーション点のイメージが使用され、前記キャリブレーション点の各々に対するデータは前記各キャリブレーション点と前記測量器との間の距離を表わす距離データを有しており且つ前記各キャリブレーション点の前記イメージの各々に対するデータは前記イメージセンサー上の前記各キャリブレーション点の前記イメージの位置を表わすイメージ位置データ及び前記垂直軸周りの前記傾斜軸の水平回転角度及び前記傾斜軸周りの前記カメラの垂直傾斜角度を表わす配向データを有しており、
前記キャリブレーション点の各々に対する前記距離データ及び前記キャリブレーション点の前記イメージの各々に対する前記イメージ位置及び配向データに基づいて、前記測量器が、前記カメラの少なくとも１個の光学的特性及び前記垂直軸と前記傾斜軸との相対的配向及び前記ベース要素、前記垂直軸及び前記傾斜軸のうちの１つに対する前記カメラの配向のうちの少なくとも１つを同時的に考慮に入れてキャリブレートされる方法。
【請求項２】
ベース要素とイメージセンサーを具備するカメラとを有する測量器をキャリブレートする方法において、前記カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、前記傾斜軸は前記垂直軸周りの前記カメラの回転と共に前記垂直軸周りに回転され、
キャリブレーション点のイメージが前記イメージセンサー上において且つ２つの面内において異なる位置において発生され、
前記キャリブレーション点の各々に対して、夫々のキャリブレーション点と前記測量器との間の距離を表わす距離データ、及び前記キャリブレーション点の各イメージに対して、前記イメージセンサー上の前記キャリブレーション点のイメージの位置を表わす位置データ、前記垂直軸周りの前記傾斜軸の水平回転角度及び前記傾斜軸の前記カメラの垂直傾斜角度を表わす配向データが決定され、
前記キャリブレーション点の各々に対する距離データ及び前記キャリブレーション点のイメージの各々に対する配向データに基づいて、前記カメラの少なくとも１個の光学的特性及び前記垂直軸及び前記傾斜軸の相対的配向及び前記ベース要素、前記垂直軸及び前記傾斜軸のうちの１つに対する前記カメラの配向のうちの少なくとも１つを同時的に考慮に入れて前記測量器をキャリブレートさせる方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記イメージセンサー上のキャリブレーション点のイメージの位置を計算するためにモデルを使用し、前記モデルは調節可能なモデルパラメータを有しており且つ前記キャリブレーション点の前記イメージの各々と関連する距離データ及び配向データを使用し、且つキャリブレーションのために、前記距離データ、位置データ及び配向データを使用して、前記キャリブレーション点及びモデルパラメータの少なくとも方向を推定することにより前記モデルを前記位置データに対して当て嵌める方法。
【請求項４】
請求項３において、前記キャリブレーション点及び前記モデルパラメータの方向の推定のために、最尤推定値が使用される方法。
【請求項５】
請求項３又は４において、前記モデルパラメータのうちの少なくとも１つが前記測量器からの前記キャリブレーション点の距離又は前記キャリブレーション点のイメージを捕獲する場合の前記カメラのフォーカシング状態に依存する方法。
【請求項６】
請求項３乃至５のうちのいずれか１項において、前記モデルが、前記ベース要素に固定されている器械座標系における座標を前記カメラに固定されているカメラ座標系へ変換させる変換及びキャリブレーション点の位置を前記カメラ座標系における前記イメージセンサー上の位置へマッピングするカメラモデルを有しており、前記変換が調節可能な変換パラメータを有しており且つ前記カメラモデルが調節可能なカメラパラメータを有しており、且つキャリブレーションのために、前記器械座標系におけるキャリブレーション点の座標及び前記変換パラメータ及びカメラパラメータが推定され、従って前記モデルにより計算される如き前記キャリブレーション点のイメージの位置が前記キャリブレーション点のイメージの測定した位置に対して当て嵌められる方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のうちのいずれか１項において、前記キャリブレーションが垂直インデックスエラー及びコリメーションエラーのうちの少なくとも１つも考慮に入れて実施される方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちのいずれか１項において、前記キャリブレーションが、前記傾斜軸、前記ベース要素に固定されている器械座標系のうちの１つと相対的な前記カメラの配向を推定することを包含している方法。
【請求項９】
請求項３乃至６のうちのいずれか１項において、前記カメラモデルが投影中心を有しており、その中に、前記カメラモデルに従って、前記イメージセンサー上に結像された物点からの全ての光線が交差し、且つ少なくとも１個のモデルパラメータが前記投影中心の位置に関係している方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちのいずれか１項において、少なくとも２個のキャリブレーション点と関連する距離データが異なるものである方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のうちのいずれか１項において、前記イメージセンサーにより捕獲されるイメージが得られ、前記捕獲されたイメージは前記キャリブレーション点のうちの少なくとも１個のイメージを有しており、且つ前記イメージセンサー上のキャリブレーション点のうちの前記少なくとも１個の前記イメージの位置が前記イメージにおけるキャリブレーション点のイメージをサーチすることにより決定される方法。
【請求項１２】
請求項２又は請求項３乃至１１のうちのいずれか１項及び請求項２において、前記測量器に対する前記キャリブレーション点のうちの少なくとも１個の距離が光電子距離計測を使用して決定される方法。
【請求項１３】
請求項２又は１２のうちのいずれか又は請求項３乃至１１のうちのいずれか及び請求項２において、少なくとも１個の物点が前記イメージセンサー上に結像されている仮想キャリブレーション点へ結像される方法。
【請求項１４】
請求項１３において、前記仮想キャリブレーション点が、コリメータ及びコリメータ対物レンズと前記コリメータ対物レンズの焦点との間でシフト可能なマークによって発生される方法。
【請求項１５】
請求項２又は請求項３乃至１４のうちのいずれか及び請求項２において、前記キャリブレーション点のうちの少なくとも１個に対して、前記イメージセンサーのイメージの位置が予め定められており、前記キャリブレーション点が前記イメージセンサーの前記所定の位置へ結像されるまで前記垂直軸周りの回転及び前記傾斜軸周りの傾斜のうちの少なくとも１つによって前記カメラを前記キャリブレーション点に対して指向させ、且つその結果得られる配向データが読取られる方法。
【請求項１６】
請求項１４において、前記キャリブレーション点のうちの少なくとも１つに対して、前記キャリブレーション点のイメージが前記イメージセンサー上に規則的な配置状態で発生される方法。
【請求項１７】
請求項１５において、前記キャリブレーション点のうちの少なくとも１つに対して、前記イメージセンサーの所定の区域をカバーする複数個のセルからなる配置が発生され且つ前記セル内のランダムな位置が前記キャリブレーション点のイメージの位置として使用される方法。
【請求項１８】
請求項２又は請求項３乃至１４のうちのいずれか及び請求項２において、前記キャリブレーション点のうちの少なくとも１つに対して、前記カメラを所定の配向状態に指向させ、前記配向状態が水平及び垂直角度又は水平及び垂直角度インクリメントの所定の組合わせによって定義されており、且つ各配向状態において、前記キャリブレーション点の夫々のイメージに対するイメージ位置データが得られる方法。
【請求項１９】
請求項１８において、前記イメージ位置データ及び対応する配向データが両方の面に対して得られる方法。
【請求項２０】
プロセッサ、前記プロセッサにより実行される場合に請求項１又は請求項３乃至１１のうちのいずれか及び請求項１に基づく方法を実施するためのコンピュータプログラムが格納されているメモリを有しており、更に、キャリブレーション点及び前記方法において使用されるキャリブレーション点のイメージと関連するデータを読取るためのインターフェースを有しているデータ処理システム。
【請求項２１】
請求項２０において、更に、コリメータの対物レンズと前記コリメータの焦点との間で前記コリメータのマークを移動させるために前記コリメータの駆動部に対するコマンドを出力するための出力インターフェースを有しており、前記コンピュータプログラムが異なる距離において仮想キャリブレーション点を発生するために前記マークを移動させるための命令を有しているデータ処理システム。
【請求項２２】
請求項２０又は２１において、更に、前記測量器に対して制御コマンドを発行するためのインターフェースを有しており、前記制御器は、ベース要素とイメージセンサーを具備するカメラとを有しており、前記カメラは前記測量器の前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、前記傾斜軸は前記垂直軸周りの前記カメラの回転と共に前記垂直軸周りに回転され、且つ前記測量器は、制御コマンドにより制御可能であるように前記垂直軸周りの前記カメラの回転及び前記傾斜軸周りの前記カメラの傾斜のための駆動部を有しており、前記コンピュータプログラムは、更に、キャリブレーション点及び前記イメージセンサー上の所定の位置のイメージを発生させるためのプログラムコードを有しているデータ処理システム。
【請求項２３】
コンピュータ上で稼動される場合に請求項１又は請求項３乃至１１のうちのいずれか及び請求項１に基づく方法を実施するためのプログラムコードを有しているコンピュータプログラム。
【請求項２４】
コンピュータ上で稼動される場合に請求項１又は請求項３乃至１１のうちのいずれか及び請求項１に基づく方法を実施するためにコンピュータにより読取可能な格納媒体上に格納されているプログラムコードを有しているコンピュータプログラムプロダクト。
【請求項２５】
請求項２３に基づくコンピュータプログラム又は請求項２４に基づくコンピュータプログラムプロダクトにおいて、更に、前記測量器に対して制御コマンドを発行することによりキャリブレーション点及び前記イメージセンサー上の所定の位置のイメージを発生するためのプログラムコードを有しているコンピュータプログラム又はコンピュータプログラムプロダクト。
【請求項２６】
測量器をキャリブレートするシステムにおいて、前記測量器がベース要素とイメージセンサーを具備するカメラとを有しており、前記カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、前記傾斜軸は前記垂直軸周りの前記カメラの回転と共に前記垂直軸周りに回転され、本システムが、コリメータ、コリメータ対物レンズと前記コリメータ対物レンズの焦点との間でシフト可能なマーク、前記マークをシフトさせるための駆動部、及び請求項１９又は請求項１９及び２０に基づくデータ処理システムを有しており、前記データ処理システムにより発生される制御コマンドに応答して前記マークを移動させるために出力インターフェースが前記コリメータの前記駆動部と接続されているシステム。
【請求項２７】
ベース要素とイメージセンサーを具備するカメラとを有している測量器において、前記カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、前記傾斜軸は前記垂直軸周りの前記カメラの回転と共に前記垂直軸周りに回転され、本測量器が請求項１乃至１９のうちのいずれか１項に基づく方法を使用してキャリブレートされる測量器。
【請求項２８】
イメージセンサーを具備するカメラを有する測量器において、前記イメージセンサー上の前記カメラによる物点のイメージングを、投影中心、前記イメージセンサーにより捕獲されるイメージに基づくイメージを表示するディスプレイ、及び視準軸を表わすマークを表示するために前記ディスプレイを制御する制御ユニットを有するカメラモデルの使用によりモデル化することが可能であり、前記視準軸は前記投影中心及び交点又は前記傾斜軸と前記垂直軸の最も近づいた点によって定義される測量器。
【請求項２９】
ベース要素とイメージセンサーを具備するカメラとを有する測量器において、前記カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、前記傾斜軸は前記垂直軸周りの前記カメラの回転と共に前記垂直軸周りに回転され、前記カメラによる前記イメージセンサー上での物点のイメージングは、前記カメラに固定されている座標系で動作するカメラモデル及び器械座標系とカメラ座標系との間で座標を変換する変換モデルの使用によりモデル化することが可能であり、本器は、更に、データ処理ユニットを有しており、前記カメラ及び変換モデルを使用して前記カメラにより捕獲される物点の方向を決定するためのプログラムコードが格納されており、前記器械座標系の原点から前記物点への方向が前記カメラモデル及び前記変換モデルによって得られる方向及び前記器械座標系の原点から前記物点の距離を使用して計算される測量器。
【請求項３０】
測量器用のコンピュータプログラムにおいて、前記測量器は、データ処理システムと、ベース要素と、イメージセンサーを具備するカメラとを有しており、前記カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、前記傾斜軸は前記垂直軸周りの前記カメラの回転と共に前記垂直軸周りに回転され、前記カメラによる前記イメージセンサー上の物点のイメージングは、前記カメラに固定されている座標系において動作するカメラモデル及び器械座標系とカメラ座標系との間で座標を変換する変換モデルの使用によりモデル化することが可能であり、本コンピュータプログラムは、前記カメラ及び変換モデルを使用して前記カメラにより捕獲された物点の方向を決定するためのプログラムコードを有しており、前記器械座標系の原点から前記物点への方向が、前記カメラモデル及び前記変換モデルによって得られる方向及び前記プログラムが前記データ処理システムにより実行される場合に前記器械座標系の原点から前記物点の距離を使用して計算されるコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラを有する測量器をキャリブレート（較正）する方法、該方法を実施する手段、及び該方法の使用によりキャリブレートされる測量器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
測量は、しばしば、例えば地形におけるリフレクター（トリプルリフレクター）又はターゲット等の点の位置又は角度の決定を包含する。これらの角度又は位置は、セオドライト又はタキオメーター等の測量器によって測定することが可能である。
【０００３】
空間内の位置は、適宜の座標系における座標によって定義することが可能である。例えば、１個の点の位置は、互いに直交している３個の軸を有するカーテシアン座標系に関して定義されるカーテシアン座標によって定義することが可能である。然しながら、位置を測定する場合に、球座標がより適切である。図１に示したように、１個の点の位置は直交座標系の原点に対してのその距離ｄ、該座標系の水平軸のうちの１つと該座標系の原点と該点の水平面上への投影とを接続する線及び、最後に、該水平面に直交する座標系軸と該座標系の原点と該点とを接続する線との間の垂直角度θによって球座標で定義することが可能である。当該技術においてよく知られているように、カーテシアン座標は球座標へ変換することが可能であり且つその逆も又真である。
【０００４】
セオドライト又はタキメーター（ｔａｃｈｙｍｅｔｅｒ）又はトータルステーションとしても知られているタキオメーター（ｔａｃｈｅｏｍｅｔｅｒ）等の測量器は球座標を利用する。図１に概略的に示したように、既知のセオドライト又はタキオメーターは、該セオドライト又はタキオメーターのベース要素３に対して固定されている垂直軸２周りに回転可能な望遠鏡１、及び垂直軸２周りの望遠鏡１の回転と共に回転される傾斜（チルト）軸４を有している。垂直軸２周りの回転角度及び該傾斜即ちチルト軸周りの傾斜即ちチルト角度は、対応する水平円５及び垂直円６から読むことが可能である。
【０００５】
理想的なセオドライト又はタキオメーターにおいては、傾斜（チルト）軸４は垂直軸２に対して直交しており且つ両方の軸は１個の点において交差する。更に、視準軸（ｓｉｇｈｔｉｎｇ  ａｘｉｓ）又は視軸（ｓｉｇｈｔ  ａｘｉｓ）とも呼ばれる望遠鏡１の視線７は、傾斜軸４に対して直交しており、更に、傾斜軸４と垂直軸２との交差点を介して走行している。ある点の位置を測定する場合に、理想的には、垂直軸２が完全に垂直であり、即ち、それが重力の方向に向くようにセオドライト又はタキオメーターを配向させる。次いで、垂直軸２に対して直交する面と垂直軸２とによって球座標を定義することが可能であり、その原点は傾斜軸４と垂直軸２の交差点である。水平円５によって、該座標系のうちの１つの軸を定義することが可能であり、それはベース要素３に関して固定されている。上述した角度α及びθを測定するために、垂直軸２の周りに望遠鏡１を回転させ且つ傾斜軸４の周りに望遠鏡１を傾斜させることによって測定すべき点に対して望遠鏡１の視準軸７を指向させる。角度αは水平円から読取ることが可能であり且つ角度θは垂直点６から読取ることが可能である。測量器からのその点の距離を知ることにより、そのカーテシアン座標は容易に得ることが可能である。然しながら、実際的には、理想的なセオドライト又はタキオメーターに対する上述した条件は満足されない。むしろ、測定精度は異なるタイプのエラーによって減少される場合がある。該位置のエラーは、垂直軸２のオリエンテーション即ち配向（定位又は標定ともいう）に関するものである。それは地面に対して完全に垂直（鉛直）であるべきであり、即ち、それは重力の方向に沿って向くべきであるが、実際には、そうではない場合がある。このエラーは、測量器自身によって発生されるものではなく、従って、測量器の適切な配向によって回避することが可能であるに過ぎない。第二のエラーとして、視線エラー即ちコリメーションエラーが発生する場合があり、それは視準軸７と傾斜軸４との間の角度γの直角からの逸れである（図２Ａ参照）。第三のエラーはいわゆるチルト軸即ち傾斜軸エラー（図２Ｂ参照）であり、それは傾斜軸と垂直軸との間の角度の直角からの逸れである。最後に、いわゆるハイトインデックス（ｈｅｉｇｈｔ−ｉｎｄｅｘ）エラーｚ0が発生する場合があり、それは視準軸と垂直軸との間の真の角度と垂直延長上で読取った対応する角度との間の逸れである（図２Ｃ参照）。これら最後の３つのエラーは、測量器のトリランスによって発生される。正確な測定を与えることが可能であるためには、測量器をキャリブレート即ち較正することが必要であり、それは水平円及び垂直円上で読取った角度の間の関係であり、且つ対応する真の角度が確立されねばならない。
【０００６】
いわゆるビデオセオドライト又はビデオタキオメーターは、例えば、望遠鏡全体又は望遠鏡の接眼レンズのみを置換させることが可能なカメラを有している点において従来のセオドライト又はタキオメーターと異なっている。図３に概略的に示したように、カメラ８は光学系９とイメージセンサー１０とを有している。光学系９はイメージセンサー１０上のシーン内の点のイメージを形成する。従って、測定されるべき１つの点はイメージセンサー１０上のある位置上に結像される。イメージセンサー上のその点のイメージの位置から測量器からのその点への方向であって真の垂直及び水平角度により定義される方向を決定するために、イメージセンサー上の位置と空間内の対応する方向との間の関係を知ることが必要である。
【０００７】
理想的なカメラの光軸はイメージセンサーの面に対して垂直であるべきであり且つ光学系は収差又は歪みがないものとすべきである。更に、光軸はカメラの基準軸に対して平行であるべきである。
【０００８】
然しながら、実際のカメラはこれらの理想的な特性を有するものではない。従って、キャリブレーション、即ち空間内の方向とイメージセンサー上のこれらの方向のイメージの対応する位置との間のマッピングが必要である。
【０００９】
ビデオセオドライト又はビデオタキオメーター等のカメラを具備する測量器の場合には、少なくとも２つのキャリブレーションが必要であると思われ、即ち、測量器の軸に関してのキャリブレーションとカメラに関してのキャリブレーションである。
【００１０】
Ｙ．  Ｄ．  Ｈｕａｎｇによる文献「セオドライト上のカメラ方法を使用したワイルドＰ３２カメラのキャリブレーション（Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｗｉｌｄ  Ｐ３２  Ｃａｍｅｒａ  ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｃａｍｅｒａ−ｏｎ−Ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ  ｍｅｔｈｏｄ）」、Ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｉｃ  Ｒｅｃｏｒｄにおいて発行、１６−９１）、１９９８年において、Ｈｕａｎｇは、異なる距離に配置した１つ又は高々２つの基準点を、測量器自身とカメラとからなるシステムである測量器へ接続している。これらの基準点は異なる測量器方向、即ち測量器上に設定すべき水平及び垂直角度の異なる組合わせにおいてキャリブレートすべきカメラで観察する。Ｈｕａｎｇはセオドライトを使用しているので、これら２つの点の間の距離、又は該点と測量器との間の距離が既知でなければならない。Ｈｕａｎｇの方法の更なる欠点は、垂直軸エラー及び横方向コリメーションエラー等の測量器エラーは考慮外のままであるということである。然しながら、キャリブレーションエラーはこれらの測定器エラーの大きさと共に増加し、そのことは測量器の全体的な精度を低下させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の基礎をなす目的は、カメラを具備する測量器、特にビデオセオドライト又はビデオタキオメーターをキャリブレートする方法であって、実施することが容易であり且つ測量器に関してのほんの僅かの情報を必要とするに過ぎない方法を提供すること、及び本方法を実行する手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第一の側面によれば、ベース要素とイメージセンサーを具備するカメラとを有する測量器をキャリブレート即ち較正する方法が提供され、該カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、該傾斜軸は該垂直軸周りの該カメラの回転と共に該垂直軸周りに回転され、キャリブレーション点及び異なる面において捕獲された該イメージセンサー上の該キャリブレーション点のイメージと関連するデータが使用され、前記キャリブレーション点の各々に対するデータは前記各キャリブレーション点と前記測量器との間の距離を表わす距離データを有しており且つ前記各キャリブレーション点のイメージの各々に対するデータは前記イメージセンサー上の前記各キャリブレーション点のイメージの位置を表わすイメージ位置データ及び該垂直軸周りの該傾斜軸の水平回転角度及び該傾斜軸周りの該カメラの垂直傾斜角度を表わす配向データを有しており、且つ該キャリブレーション点の各々に対する距離データ及び該キャリブレーション点のイメージの各々に対するイメージ位置及び配向データに基づいて、該カメラの少なくとも１つの光学的特性及び該垂直軸及び該傾斜軸の相対的配向及び該ベース要素、該垂直軸及び該傾斜軸のうちの１つに対する該カメラの配向のうちの少なくとも１つを同時的に考慮に入れて該測量器をキャリブレートする。
【００１３】
更に、本発明の第二の側面によれば、ベース要素とイメージセンサーを具備するカメラとを有する測量器をキャリブレートする方法が提供され、該カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、該傾斜軸は該垂直軸周りの該カメラの回転と共に該垂直軸周りに回転され、キャリブレーション点のイメージが２つの面において且つ該イメージセンサー上の異なる位置において発生され、前記キャリブレーション点の各々に対して、夫々のキャリブレーション点と該測量器との間の距離を表わす距離データ、及び、前記キャリブレーション点の各イメージに対して、該イメージセンサー上のキャリブレーション点のイメージの位置を表わすデータ、該垂直軸周りの該傾斜軸の水平回転角度及び該傾斜軸の該カメラの垂直傾斜角度を表わす配向データを決定し、且つ該キャリブレーション点の各々に対する距離データ及び該キャリブレーション点のイメージの各々に対する位置及び配向データに基づいて、該カメラの少なくとも１つの光学的特性及び該垂直軸及び該傾斜軸の相対的配向及び該ベース要素、該垂直軸及び該傾斜軸のうちの１つに対する該カメラの配向のうちの少なくとも１つを同時的に考慮に入れて該測量器をキャリブレートする。
【００１４】
本発明に基づくこれらの方法は、カメラを具備する任意の測量器、特にビデオセオドライト及びビデオタキオメーターに適している。
【００１５】
本測量器はベース要素を有しており、それは測量すべき点、特に、本測量器が使用される場合の地面に対して固定した位置にある。例えば、該ベース要素は三脚又は三脚の一部の上に装着することが可能である。
【００１６】
本測量器は、更に、イメージセンサーを具備するカメラを有している。該カメラは、更に、該イメージセンサー上に測量すべき点を結像させるための光学系又は少なくとも１個のレンズを有している。好適には、該光学系は、本測量器からある距離における物点の完全なるイメージング即ち結像を実施することが可能である。然しながら、該カメラは、本測量器の他の光学系によって発生されるキャリブレーション点のイメージのみを結像することも可能である。該カメラの光学系特性は、特に、該カメラの結像特性とすることが可能である。光学的特性は、該カメラのレンズ即ち対物レンズの焦点距離、該レンズ又は対物レンズに対する該イメージセンサーの位置及び配向又は該カメラのレンズ又は対物レンズのイメージエラー等の該カメラのオプティックスの特性を包含することが可能である。
【００１７】
該イメージセンサーは、少なくとも二次元における分解能で光を検知することを可能とする光検知要素からなる任意の少なくとも二次元の配置とすることが可能である。光検知要素からなる配置は任意のものとすることが可能である。好適には、該要素は少なくともほぼ矩形状のマトリクスとして又はハニカムパターンで配置されている。該イメージセンサーは、特に、光検知要素としてＣＭＯＳ要素又はＣＣＤ要素を有することが可能であり、特に、当該技術において公知の如くＣＭＯＳアレイ又はＣＣＤアレイを有することが可能である。本測量器は、更に、イメージ採取ユニットを有することが可能であり、それは該イメージセンサーへ接続されており且つ該イメージセンサーにより供給される信号からイメージを発生する。該イメージは、当業者に既知であるような任意の適宜のフォーマットで供給することが可能である。好適には、該イメージセンサーから得られ且つ該イメージを表わすイメージデータは圧縮される。
【００１８】
該カメラは本測量器の垂直軸周りに回転可能であり、それは本測量器が使用される場合に垂直方向にあるべきであるが、そうでない場合には、任意の方向を有することが可能である。該カメラは、更に、該カメラが該垂直軸周りに回転される場合に回転される傾斜軸周りに傾斜させることが可能である。特に、該カメラは、垂直軸周りに回転可能なアリダード上に装着することが可能である。該傾斜軸は、好適には、あり得るチルト即ち傾斜軸エラーを除いて、該垂直軸に対して直交している。
【００１９】
本測量器は、更に、いわゆる水平円を有することが可能であり、それは垂直軸に対して垂直な面内における所定の方向に関しての傾斜軸の角度位置を定義するのに役立ち、該垂直軸及び従って該面及び該所定の方向は該ベース要素に関して固定されている。更に、本測量器はいわゆる垂直円を有することが可能であり、それは傾斜軸に対して垂直な面内における傾斜軸周りの回転に関して該カメラの角度位置を決定するために使用することが可能である。該角度位置は、傾斜軸に対して垂直な面内における任意の所定の方向で定義することが可能である。好適には、該所定の方向は、本測量器が使用中である場合に天頂に対応し、即ち垂直軸と同軸状である。該水平角度及び垂直角度は、ベース要素に関しての該カメラのオリエンテーション即ち配向を一意的に定義するために使用することが可能である。
【００２０】
本発明に基づく上述した方法は、このような測量器をキャリブレート即ち較正するのに役立つ。キャリブレーション即ち較正とは、特に、点の方向と呼ばれるものであって、物点がベース要素に固定されている座標系に関して存在する方向と、物点のイメージを有するイメージをキャプチャ即ち捕獲する場合に使用される測定した水平及び垂直角度のみならずイメージセンサー上の物点のイメージの位置との間の関係を決定することを意味することが可能である。
【００２１】
該第二の側面に基づく方法は、キャリブレーションのために使用されるデータの採取を包含しているという点において、第一の側面に基づく方向と異なっている。従って、第一の側面に基づく方法は、例えば格納媒体上で又は本方法を実施するための装置への接続を介して供給することが可能な任意のデータを使用して実施することが可能である。
【００２２】
キャリブレーションのためには、少なくとも２つのキャリブレーション点が使用され、それは、又、基準点とみなすことができるもの又は基準点として参照されるものとすることが可能である。更に、各キャリブレーション点に対して、少なくとも１つのイメージ、好適にはイメージセンサー上のキャリブレーション点の幾つかのイメージが発生される。この目的のために、キャリブレーション点と測量器との固定した相対的位置において、カメラを垂直軸周りに回転させ及び／又は傾斜軸周りに傾斜させることが可能である。第一の側面に基づく（及び又第二の側面に基づく）本方法は、キャリブレーション点と測量器との間の距離を表わす各キャリブレーション点に対するデータ及び各キャリブレーション点の各イメージに対するイメージ位置データ及び配向データを使用する。該位置データは、対応する配向データにより定義されるオリエンテーション即ち配向状態にある測量器のオプティックスによりイメージセンサー上にキャリブレーション点が結像される場合のイメージセンサー上のキャリブレーション点のイメージの位置を表す。該位置データは、例えば、キャリブレーション点のイメージの場所におけるＣＣＤアレイにおける１個のピクセルに対する識別により与えることが可能である。該配向（即ちオリエンテーション）データは、特に、対応する水平及び垂直角度を表わし、それらは、水平又は垂直サイクル等の適宜の測定装置の使用により、又はカメラを対応するオリエンテーション即ち配向状態に設定することにより得ることが可能である。
【００２３】
該データは測量器の２つの面において発生される。同じキャリブレーション点の２つのイメージが測量器を第一の面から第二の面に持って来ることにより得ることが必要なものではない。セオドライト又はタキオメーター等の測量器の場合の２つの面の使用は当該技術において公知である。カメラの第一面において物点を見ることが可能である場合には、軸エラーが大き過ぎる等の場合を除いて、カメラを２００ｇｏｎ（ゴン）即ち１８０度だけ回転させ且つ傾斜軸周りに傾斜させることによりリバースさせる場合に、即ち第二の面において同一の点を見ることが可能である。
【００２４】
これらのデータは、以下においてはキャリブレーションデータとも呼称されるが、測量器をキャリブレートするために使用される。キャリブレーションは、少なくとも、垂直軸に対する傾斜軸の相対的配向、即ち、特に、傾斜軸エラー、及び、同時的に、カメラの少なくとも１つの光学的特性を考慮に入れる。カメラの光学的特性は、イメージングのために使用されるオプティックスにより決定されるカメラの任意の特性、特に、オプティックスとイメージセンサーとの間の相対的位置とすることが可能である。
【００２５】
更に、キャリブレーションは、これらのエラー源及び特性を同時的に考慮に入れ、即ち、キャリブレーションは、エラー源のうちの１つのみか又はカメラの光学的特性の１つのみのいずれかを考慮に入れて夫々別個のキャリブレーションが実施される少なくとも２つのステップにおいて実施されるものではない。
【００２６】
測量器の異なる面において得られたデータの使用及び潜在的な軸エラーとカメラの光学的特性の同時的な包含のために、測量器の非常に精密で且つ高速なキャリブレーションを達成することが可能である。更に、僅かなものに過ぎず又更なる測量器又はカメラデータが必要なものではない。
【００２７】
本発明の第三の側面によれば、データ処理システムが提供され、本データ処理システムは、プロセッサと、該プロセッサによりプログラムが実行される場合に本発明に基づく方法を実施するためのコンピュータプログラムが格納されているメモリとを有しており、更に、本方法において使用されるキャリブレーション点のイメージ及びキャリブレーション点と関連するデータを読取るためのインターフェースとを有している。特に、本発明の第一の側面に基づく方法をこのデータ処理システムにより実施することが可能である。
【００２８】
本データ処理システムは、測量器がキャリブレーションされる場合にのみ測量器へ接続させることが必要な別個の装置とすることが可能である。然しながら、測量器自身が前述したコンピュータプログラムが格納されているメモリを具備する所定のタスクに従って測定した量を処理するためのデータ処理システムを有することが可能である。このプロセッサは、又、コンピュータプログラムを稼動するために使用することが可能である。データ処理システムのタイプに依存して、該プロセッサは、特別のマイクロプロセッサ、パソコン又はワークステーション又はデジタル信号プロセッサにおいて使用されるプロセッサとすることが可能である。
【００２９】
インターフェースとして、データを読取ることを可能とする任意の手段を使用することが可能である。最も簡単な場合においては、所要のデータをタイプ入力するためのキーボードか又は交換することが可能なデータキャリアを読取るための読取装置とすることが可能である。該読取装置は、例えば、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ、フロッピィディスクドライブ又はＵＳＢスティック又はメモリカード等のフラッシュＲＯＭメモリ装置用の読取器とすることが可能である。然しながら、有益的には、該インターフェースは、ケーブル又はブルトース、ワイヤレスＬＡＮ又は光学的インターフェース等のワイヤレスリンクを介しての測量器とデータ処理システムとの間のデータ接続に適している。別の実施例においては、該インターフェースは、又、測量器へコマンドを出力するのに適している。
【００３０】
本発明の別の側面によれば、コンピュータプログラムが提供され、該コンピュータプログラムは、それがコンピュータ上で稼動される場合に、本発明の第一の側面に基づく方法を実施するためのプログラムコードを有している。
【００３１】
本発明の更なる側面によれば、コンピュータプログラムプロダクトが提供され、該コンピュータプログラムプロダクトは、それがコンピュータ上で稼動される場合に本発明の第一の側面に基づく方法を実施するためのコンピュータにより読取可能な格納媒体上に格納されているプログラムコードを有している。該格納媒体は、特に、フロッピィディスク又はハードディスク等の磁気格納媒体、磁気・光学ディスク又はＣＤ又はＤＶＤ等の光学的格納媒体とすることが可能である。又、フラッシュメモリチップ等の永久的なメモリを使用することが可能である。
【００３２】
コンピュータは、特に、上述したデータ処理システムにより実現することが可能である。特に、コンピュータプログラム又はコンピュータプログラムプロダクトは、キャリブレーション点及びイメージセンサー上のキャリブレーション点のイメージと関連するデータを読取るためのコンピュータプログラムを有することが可能であり、前記キャリブレーション点の各々に対して、該データは前記キャリブレーション点と測量器との間の距離を表わす距離データを有しており、且つキャリブレーション点のイメージの各々に対して、該データは前記イメージセンサー上のキャリブレーション点のイメージの位置を表わすイメージ位置データ及び垂直軸周りの傾斜軸の水平回転角度及び傾斜軸周りのカメラの垂直傾斜軸を表わす配向データを有しており、且つキャリブレーション点の各々に対する距離データ及び該キャリブレーション点のイメージの各々に対するイメージ位置及び配向データに基づいて、カメラの少なくとも１個の光学的特性及び垂直軸と傾斜軸との相対的配向及びベース要素、垂直軸及び傾斜軸のうちの１つに対するカメラの配向のうちの少なくとも１つを考慮に入れて同時的に測量器がキャリブレートされる。該データは、該データが書き込まれた任意の格納媒体又はメモリから読取ることが可能である。
【００３３】
キャリブレーションは幾つかの態様で実施することが可能である。本発明の好適実施例によれば、イメージセンサー上のキャリブレーション点のイメージの位置を計算するためのモデルが使用され、該モデルは、調節可能なモデルパラメータを有しており且つキャリブレーション点のイメージの各々と関連する距離データ及び配向データを使用し、且つキャリブレーションのために、該モデルは、距離データ、位置データ及び配向データを使用してキャリブレーション点及びモデルパラメータの少なくとも方向を推定することにより位置データに対して当て嵌められる。キャリブレーション点の方向は、該キャリブレーション点が測量器に関して位置する方向である。測量器に対するキャリブレーション点の距離は既知であるので、測量器、即ち少なくともベース要素に関してのキャリブレーション点の位置を完全に決定するためにキャリブレーション点の方向で充分である。該方向は、ベース要素に固定した座標系におけるキャリブレーション点の球座標の２つの角度により表わすことが可能であり、３番目の球座標はキャリブレーション点と測量器との間の距離である。このタイプのキャリブレーションは、測量器の異なる特性を捉えられることを可能とし、イメージセンサー上のキャリブレーション点のイメージの位置に関する影響を有する場合があり及び又当て嵌めの品質の計算を可能とする場合がある。キャリブレーションの品質はキャリブレーションのために使用されるモデルに強く依存する。モデルが測量器の特性をより良く表わせば表わす程、そのモデルはキャリブレーションのために使用されるキャリブレーションデータに対してより良く当て嵌めることが可能である。
【００３４】
キャリブレーション点の方向及びモデルパラメータは、任意の適宜の推定方法により推定することが可能である。然しながら、キャリブレーション点の方向及びモデルパラメータの推定のために、最尤推定値を使用することが好ましい。特に、最小二乗当て嵌めを実施することが可能であり、それはイメージセンサー上のキャリブレーション点のイメージの測定位置とモデルにより計算されたキャリブレーション点のイメージの位置との間の逸れを最小とする。これらのタイプの推定値は極めて高速に実施することが可能である。
【００３５】
カメラのイメージング特性は、イメージセンサーと相対的な結像すべき点の距離及び／又はカメラのフォーカシング状態、例えばカメラの対物レンズの位置又はカメラの対物レンズのうちの少なくとも１個のレンズの位置に依存する場合がある。この場合においても精密なキャリブレーションを可能とするために、モデルパラメータのうちの少なくとも１つが測量器からのキャリブレーション点の距離又はキャリブレーション点のイメージをキャプチャ即ち捕獲する場合のカメラのフォーカシング状態に依存するものであることが望ましい。該モデルパラメータは滑らかな態様で該距離又はカメラのフォーカシング状態に依存する場合がある。一方、可能な距離の範囲又は対物レンズ及び／又はレンズ位置の範囲は所定数のサブレンジに分割される場合がある。従って、該パラメータは各サブレンジに対して異なる値をとる場合がある。
【００３６】
特に好適な実施例においては、該モデルはベース要素へ固定された測量器座標系の座標をカメラに固定されたカメラ座標系へ変換するための変換及びキャリブレーション点の位置をカメラ座標系におけるイメージセンサー上の位置へマッピングするためのカメラモデルを有している。該変換は、調節可能な変換パラメータを有しており且つ該カメラモデルは調節可能なカメラパラメータを有している。キャリブレーションのために、測量器座標系におけるキャリブレーション点の座標及び変換パラメータ及びカメラパラメータが推定され、従って該モデルにより計算されるキャリブレーション点のイメージの位置がキャリブレーション点のイメージの測定された位置に対して当て嵌められる。このタイプのモデルはカメラ特性及び特にカメラの光学的特性からの測量器の特性、特に測量器軸及びカメラの装着の概念的に明確な分離を可能とさせる。この実施例に基づく方法により、軸エラーの大きさを決定することが可能である。これらは、測量器の構成、その製造又は機械的再調節を改善するために使用することが可能である。特に、カメラモデルパラメータのうちの少なくとも１つは上述したパラグラフにおいて説明したように距離及び／又はカメラのフォーカシング状態に依存する場合がある。
【００３７】
該変換は、好適には、傾斜軸エラーに関する少なくとも１つのパラメータを包含している。好適には、キャリブレーションは、又、垂直インデックスエラー及びコリメーションエラーのうちの少なくとも１つを考慮に入れて実施される。この文脈において、コリメーションエラーは傾斜軸と直角、即ち９０゜即ち１００ｇｏｎからのカメラモデルにより与えられるカメラ軸、視準軸、イメージング軸のうちの１つとの間の角度の逸れである。垂直インデックスエラーは真の垂直角度からの好適には天頂である傾斜軸に対して垂直な面内の所定の方向に対してカメラが向いている場合の垂直円上の垂直角度の読みの逸れである。好適には、該変換は、コリメーションエラー及び垂直インデックスエラーのうちの１つを表わす少なくとも１つのパラメータを包含している。これらのエラーは、変換とカメラモデルとを有するモデルを使用する場合に容易に考慮することが可能である。何故ならば、該変換に関する対応する効果を適宜の回転行列により組込むことが可能だからである。
【００３８】
更に、キャリブレーションは、好適には、傾斜軸及びベース要素に固定した測量器座標（器械座標）系のうちの１つに対するカメラのオリエンテーション即ち配向を推定することを包含している。カメラの配向は、特に、レンズフォルダーにより定義される軸のようなカメラの機械的要素により定義される軸の配向に関係している場合がある。好適には、この場合に、該変換は傾斜軸及びベース要素に固定した測量器座標系のうちの１つに対するカメラの配向を表わす少なくとも１つのパラメータを包含している。この場合に、カメラの誤配向に起因するエラーを考慮に入れることが可能である。
【００３９】
一般的に、本発明に基づく方法の場合には、任意のカメラモデルを使用することが可能である。然しながら、カメラモデルが、該カメラモデルに基づいてイメージセンサー上に結合された物点からの全ての光線が交差する投影中心を有しており、該方法において、少なくとも１つのモデルパラメータが該投影中心の位置に関係していることが望ましい。該投影中心の位置は、ベース要素、特に、ベース要素に固定した測量器座標系と相対的に表わすことが可能である。特に、カメラの視野がむしろ制限されている場合には、好適には、カメラモデルとしてピンホールモデルを使用することが可能であり、それは極めて簡単なモデル方程式を可能とするがいまだに充分な精度を可能とする。キャリブレーションの良好な精度を達成するために、該モデルは、好適には、投影中心の位置を表わす少なくとも３個のモデルパラメータを有している。従って、測量器の軸と相対的に任意の位置にあるカメラを具備する測量器を極めて正確にキャリブレートすることが可能である。
【００４０】
更に、カメラの光学的、特に、結像特性の幾つかを表わすために、本発明の１実施例においては、カメラモデルがモデルのイメージ面と投影中心との間の距離を表わすパラメータを有している。特に、該パラメータはピンホールカメラモデルにおいてカメラ定数を反映する場合がある。該イメージ面は、好適には、イメージセンサーにより決定される。長い焦点距離を有するカメラの精密なキャリブレーションも可能とするために、少なくとも該カメラ定数は該距離及び／又はカメラのフォーカシング状態に依存する場合がある。
【００４１】
イメージ面と相対的な投影中心の位置は、カメラの光学系の光学的特性により多くが決定され、従って、本発明の意味においてカメラの光学的特性を表わす。特に、それは、カメラの光学系の焦点距離に関連している場合がある。従って、カメラ又はカメラの光学系に関しての更なるデータを使用することなしに、異なるタイプの光学系を容易にモデル化することが可能である。
【００４２】
高精度のキャリブレーションを達成するために、カメラモデルは、好適には、イメージにおける歪みを表わすモデルパラメータを有している。これらの歪みは、例えば、カメラのオプティックスの不完全性に起因するものである場合がある。
【００４３】
カメラの光学的特性に関連するモデルパラメータを決定するために、好適には、少なくとも２つのキャリブレーション点と関連する距離データが異なる。従って、夫々のキャリブレーション点が測量器から異なる距離に位置されている。本方法の精度、従って本キャリブレーションの精度は、測量器からのこれらの点の距離の間の距離が大きければ大きい程一層良くなる場合がある。
【００４４】
更に、良好な精度で傾斜軸エラーを表わすモデルパラメータを決定することが可能であるために、好適には、少なくとも１つのキャリブレーション点の少なくとも２つのイメージを使用し、それはかなりの高さを有しており、即ち天頂に近いものである。
【００４５】
又、高い精度のキャリブレーションを得るために、好適には、キャリブレーション点のイメージの数は調節可能なモデルパラメータの数よりも大きく、特に一層大きいものである。
【００４６】
キャリブレーションの精度は、キャリブレーション点の少なくとも１つの各イメージに対して、イメージ位置データ及び／又は配向データの１つを超える決定が為される場合に、更に向上させることが可能な場合がある。
【００４７】
好適には、イメージ位置データはイメージセンサー上の位置を明示的に表わすデータを有している。例えば、これらのデータは、夫々の位置における光検知要素の識別コードにより所与のものとすることが可能である。該識別コードは、例えばピクセル又は光検知要素のアドレスであり、必要である場合に位置を計算するために使用することが可能である。然しながら、該モデルは、又、直接的に該識別コードを与えることも可能である。
【００４８】
然しながら、別の実施例においては、イメージセンサーによりキャプチャ即ち捕獲されるイメージが得られ、該捕獲されたイメージはキャリブレーション点のうちの少なくとも１つのイメージを有しており、且つイメージセンサー上のキャリブレーション点のうちの前記少なくとも１つの前記イメージの位置が該イメージ内のキャリブレーション点のイメージをサーチすることにより決定することが望ましい。従って、この実施例は、カメラによりとられたイメージから自動的にキャリブレーション点のイメージの実際の位置を決定することを可能とする。キャリブレーション点のイメージは、任意の適宜の既知の物体認識方法によってイメージセンサーにより捕獲されたイメージにおいて認識することが可能である。
【００４９】
例えば、カメラの同一の配向を使用して２つのイメージをとることが可能であり、１つのイメージはキャリブレーション点のイメージを有しており且つ他方のイメージはバックグラウンドのみを示している。次いで、結果的に得られる差分イメージにおけるシグネチャとしてキャリブレーション点のみが残存するように該イメージを互いに減算させることが可能であり、そのシグネチャはスレッシュホールド基準によって検知することが可能である。キャリブレーション点を表わすターゲットの形状が既知である場合には、テンプレートを使用することも可能である。該テンプレートの位置は、該テンプレートをイメージ内のキャリブレーション点のイメージに対してマッチさせるために変化され、そのことは、例えば、当該技術において既知の相関方法により行うことが可能である。
【００５０】
従って、キャリブレーション点のうちの１つを表わすテンプレートを使用してキャリブレーション点のイメージをサーチすることが好ましい。
【００５１】
キャリブレーション点の距離データは、幾つかの方法により得ることが可能である。測量器が所定のキャリブレーション点を使用してキャリブレートされる場合には、これらの点の距離は所定のものとすることが可能であり且つ既知のデータとして供給されるか又はこれらのキャリブレーション点と共に使用するために特別に適合されたコンピュータプログラム内に包含される。この目的のために、測量器がキャリブレートされる場合にその測量器が配置されている所定の位置を与えることが可能である。特に、ビデオタキオメーターが実際のキャリブレーション点を使用してキャリブレートされる場合に、測量器に対するキャリブレーション点のうちの少なくとも１つの距離が光電子距離計測により決定されることが好ましい。光電子距離計測、即ち光電子距離測定は、距離の極めて精密な測定を可能とする。更に、キャリブレーション点のイメージが発生される時に該測定を行うことが可能である。例えば、２つの既知の方法を使用することが可能であり、例えば、位相差による距離の決定、又はパルス型レーザービームを使用する飛行時間測定によるものである。
【００５２】
別の変形例として、キャリブレーション点は測量器からの既知の距離に設けることが可能である。
【００５３】
該キャリブレーション点は実際の物体、例えばリフレクタのような共同するターゲット（トリプルリフレクタ）又は視野内の物体の形態で与えることが可能である。然しながら、キャリブレーション点は実際の物体の１つの点であることは必要ではない。本発明の２番目の側面に基づく本方法の１つの好適実施例によれば、少なくとも１つの物点が仮想キャリブレーション点に結像され、それはイメージセンサー上に結像される。該物点は任意の実際の物体又は実際の物体のうちの１つの点とすることが可能であり、例えば、光源又は照明したクロスヘア又はスリットとすることが可能である。この実施例は、測量器からの大きな仮想距離におけるキャリブレーション点を使用してもキャリブレーションを可能とする。
【００５４】
本方法の特に好適な実施例においては、仮想キャリブレーション点はコリメーター及びコリメーター対物レンズ、特にコリメーターレンズとコリメーター対物レンズの焦点との間でシフトさせることが可能なマークによって発生される。通常、１個を超えるコリメーターを使用することが可能であり、特に、異なる高さにあるキャリブレーション点が得られる場合にはそうである。別のオプションとして、１つのコリメーターにおいて、少なくとも２つのマークの配置を使用して同時に夫々の数の仮想キャリブレーション点を発生することが可能である。コリメーターは、それらが平行な光線を射出し且つ光学的無限にある点を有限距離へ投影するということに特徴付けられる。該マーク、例えばクロスヘア、スリット又はその他の形状の絞りが無限における該マークのイメージを発生するためにコリメーターの焦点に設けられる。該マークは適宜の駆動機構により該コリメーターにおいてシフトさせることが可能であり、該駆動機構は手作業により又はモータにより動作させることが可能である。好適には、延長可能なコリメーターが使用され、それは、コリメーターの対物レンズを有する対物レンズ部分と、照明装置を有する照明部分とを具備しており、該対物レンズ部分及び該照明部分は互いにシフト可能である。該マークは、該照明部分に装着することが可能であり、従って該対物レンズ部分と相対的な該照明部分のシフト動作は、異なる仮想距離における該マークの仮想イメージを発生するために使用することが可能である。好適には、シフト量をミクロン精度で読取ることが可能である。
【００５５】
好適には、仮想キャリブレーション点の距離が物点と該物点の仮想イメージを発生するイメージングオプティックスとの間、該イメージングオプティックスと測量器との間の距離に基づいて、且つ該イメージングオプティックスのイメージング特性に基づいて得られる。特に、コリメーターの場合には、焦点と相対的なシフト量から及び対物レンズの焦点距離から、仮想キャリブレーション点を表わす仮想正立イメージのイメージ距離を決定することが可能である。この仮想イメージは、キャリブレートすべき測量器で見ることが可能である。測量器の垂直軸からコリメーター対物レンズ即ちコリメーターレンズのプリンシプル（ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）面即ちプリンシプル焦点面への距離の和から及びイメージ距離から、測量器と該コリメーターにより形成される仮想キャリブレーション点との間の最終的仮想距離を計算することが可能である。
【００５６】
従って、２，０００メートル又はそれ以上の大きな仮想距離において仮想キャリブレーション点を発生するためにコリメーターを使用することが可能であり、一方コリメーター無しでこのような距離においてキャリブレーション点を形成することは困難である。特に、障害物を見ることがないフィールドにおいてこのように大きな距離を見つけることは困難な場合がある。更に、空気の乱流のような大気現象等の大きな距離におけるキャリブレーション測定値に悪影響を与える可能性のある付加的なファクターを回避することが可能である。更に、異なる寸法のキャリブレーション点ターゲットが、ほぼ同じ寸法のイメージを得るために異なる距離に対して必要とされる場合がある。従って、コリメーターによりキャリブレーションは、殆ど空間を必要とせず且つ基本的に自動的に動作することが可能であるので、製造後の機器のキャリブレーションに対して特に適している。最後に、この方法はキャリブレーションを環境条件とは独立的なものとさせる。何故ならば、一般にピクセルから構成される例えば検知器マトリクスアレイであるカメラのイメージセンサーは、しばしば、周辺光による影響に露呈されるからである。
【００５７】
好適には、本発明に基づくデータ処理システムは、コリメーターの対物レンズとコリメーターの焦点との間でコリメーターのマークを移動させるためのコリメーターの駆動部に対してコマンドを出力するための出力インターフェースを有しており、且つ該コンピュータプログラムは異なる距離において仮想キャリブレーション点を発生させるためにマークを移動させるための命令を有している。詳細に説明すると、該命令は該プログラムが稼動される場合に該駆動部に対して発行される制御コマンドを発生することが可能である。好適には、本発明に基づく該コンピュータプログラム及びコンピュータプログラムプロダクトは、駆動部によりシフト可能なマークを具備するコリメーターの駆動部に対して発行される制御コマンドを発生することが可能なプログラムコードを有している。
【００５８】
本発明の別の側面によれば、測量器をキャリブレートするシステムが提供され、該測量器は、ベース要素と、イメージセンサーを具備するカメラとを有しており、該カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、該傾斜軸は該垂直軸周りに該カメラの回転と共に該垂直軸周りに回転され、該システムはコリメーター、コリメーター対物レンズと該コリメーター対物レンズの焦点との間でシフトさせることが可能なマーク、及び該マークをシフトさせるための駆動部、及び請求項１９又は請求項１９と２０に基づくデータ処理システムを有しており、該出力インターフェースは該データ処理システムにより発生される制御コマンドに応答して該マークを移動させるために該コリメーターの該駆動部と接続されている。このシステムは、本発明に基づく方法を実施するために使用することが可能である。好適には、該駆動部はステッピングモーターを有しており、従って該コリメーター内の該マークの位置は精密に設定することが可能である。一方、位置センサーを有する位置決め装置を使用することが可能であり、該位置センサーの信号は、該マークを所定の位置へ移動させるために該駆動部のモータを制御するために使用される。
【００５９】
キャリブレーション点の数及び各キャリブレーション点のイメージの数は、好適には、以下の基準に従って選択することが可能である。使用される全てのキャリブレーション点のイメージの総数はキャリブレーションのために使用されるモデルパラメータの数よりもより大きなものでなければならない。良好な精度を得るためには、イメージの数はパラメータの数よりも一層大きなものとすべきである。上述したように、測量器から異なる距離において少なくとも２個のキャリブレーション点を設けるべきである。
【００６０】
特に、イメージセンサー上の軸からずれた点に対してもキャリブレーションを得るために、キャリブレーション点の少なくとも１つに対するイメージがイメージセンサーが異なる位置において発生されることが望ましい。好適には、それらはイメージセンサーの少なくとも所定の区域にわたって均一に分布されている。
【００６１】
イメージ点の所定の分布は異なる態様で得ることが可能である。本発明の好適実施例によれば、キャリブレーション点のうちの少なくとも１つに対して、イメージセンサーのイメージの位置が予め決定され、キャリブレーション点がイメージセンサーの所定の位置に結像されるまで、垂直軸周りの回転及び傾斜軸周りの傾斜のうちの少なくとも１つによりカメラをキャリブレーション点へ指向させ、且つその結果得られる配向データを読取り且つ好適には格納する。好適には、該カメラは閉ループ制御を使用して再配向させることが可能である。好適には、本発明に基づくデータ処理システムは、更に、測量器に対して制御コマンドを発行するためのインターフェースを有しており、該測量器はベース要素とイメージセンサーを具備するカメラとを有しており、該カメラは測量器の前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、該傾斜軸は該垂直軸周りに該カメラの回転と共に該垂直軸周りに回転され且つ該測量器は制御コマンドにより制御可能な垂直軸周りの該カメラの回転及び傾斜軸周りの該カメラの傾斜のための駆動部を有しており、該コンピュータプログラムは、更に、キャリブレーション点のイメージ及びイメージセンサー上の所定の位置を発生するためのプログラムコードを有している。又、本発明に基づくコンピュータプログラム及びコンピュータプログラムプロダクトは、好適には、測量器に対して制御コマンドを発行することによりキャリブレーション点のイメージ及びイメージセンサー上の所定の位置を発生するためのプログラムコードを有している。該プログラムコードは、測量器に対する適宜のインターフェースを介して出力に対して制御コマンドを発行すべく適合させることが可能である。該制御コマンドは該駆動部によって該カメラの再配向を発生させることが可能である。再配向が完了すると、別のイメージが捕獲され、且つ、例えばデータ処理システムへ送られ、それはキャリブレーション点のイメージの位置及び所定の位置からのその逸れを決定し且つ更なる制御コマンドを発行する。従って、人間による動作を殆ど必要とすることのない自動的キャリブレーションが可能である。
【００６２】
本発明の第二の側面に基づく方法の１つの好適実施例においては、キャリブレーション点のうちの少なくとも１つに対して、該キャリブレーション点のイメージをイメージセンサー上の規則的な配置で発生させる。特に、光検知要素の矩形状の配置を具備するイメージセンサーが使用される場合には、その規則的な配置は矩形状のグリッドにより与えることが可能である。該グリッドは、角度の組合わせを表わす位置が設定される場合に、基準点がイメージセンサーの面全体にわたり可及的に均一に分布されるように選択することが可能である。勿論、その他の規則的な配置、例えば六角形配置を使用することが可能である。
【００６３】
位置データの読取は、常に、イメージセンサー上の同一の位置において行われる場合には、イメージセンサーにおける不良又は欠陥が信頼性のあるキャリブレーションを阻止する場合がある。好適実施例によれば、キャリブレーション点のうちの少なくとも１つに対して、イメージセンサーの所定の区域をカバーするセルの配置が発生され且つ該セル内のランダムな位置がキャリブレーション点のイメージの位置として使用される。好適には、イメージセンサーの該所定の区域は、少なくとも、測量作業のために使用されるイメージセンサーの区域を有している。該セルの配置は、該配置により決定される位置においてセル基準点例えば幾何学的中心、及び該セルの寸法及び形状を与えることに発生することが可能である。一般的には、該セルは任意に配置させることが可能である。然しながら、好適には、該セルは規則的に配置される。例えば、マトリクス状のセルの配置を使用することが可能である。該セル内におけるランダムな位置は、所定の確率分布に従って分布される擬似乱数を発生するいわゆる擬似乱数発生器によって得ることが可能である。適宜の乱数発生器は、例えば、Ｐｒｅｓｓ,  Ｈ．  ｅｔ  ａｌ．「Ｃにおける数値的レセピー（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｒｅｃｅｉｐｅｓ  ｉｎ  Ｃ）」、ケンブリッジユニバーシティプレス、１９９２年、２７４−２８６頁に記載されている。ランダムな位置の使用は、キャリブレーションに関しての欠陥性の光検知要素の影響を減少させることを可能とする。
【００６４】
本方法の１つの好適実施例においては、少なくとも２つのランダムな位置が各セルに対して与えられ、且つキャリブレーション点の第一イメージが第一面内のこれらのランダムな位置のうちの第一のものにおいて発生され且つ該キャリブレーション点の第二のイメージが第二面におけるこれらのランダムな位置のうちの第二のものにおいて発生される。従って、各角度組合わせのランダムな位置は第一面及び第二面に対して同じであることは必要ではなく且つ別々に決定することが可能である。ランダムな位置及び対応する配向データを、最初に、第一面における各セルに対して決定し且つ後に第二面における各セルに対して決定することが可能であるということはこの実施例の１つの利点である。
【００６５】
一方、キャリブレーション点のうちの少なくとも１つに対して、カメラを所定の配向状態に指向付け、該配向は水平及び垂直な角度又は水平及び垂直の角度インクリメントの所定の組合わせにより定義され、且つ各配向において、キャリブレーション点の夫々のイメージに対するイメージ位置データが得られる。この実施例は、水平及び垂直な角度の迅速な設定を可能とさせる。何故ならば、カメラの配向を制御するために閉ループ制御は必要ではないからである。回転又はチルト即ち傾斜は、到達すべき角度によって又はカメラの相次ぐ再配向間の角度インクリメントにより定義することが可能である。特に、本発明に基づく方法が同じタイプの多数の測量器のキャリブレーションのために使用される場合には、水平及び垂直な角度は、測量器におけるトリランスとは別に、イメージセンサー上のイメージ位置の所望の分布を得ることが可能であるように選択することが可能である。これらの水平及び垂直な角度の組合わせは、格納し且つキャリブレートすべき各測量器に対して使用することが可能である。
【００６６】
好適実施例においては、キャリブレーション点のイメージの少なくとも１つに対して、イメージ位置データ及び対応する配向データが両方の面に対してえられる。従って、第一面に対してデータを得た後に、カメラを垂直軸周りに２００ｇｏｎ即ち１８０゜だけ回転させ、次いで、４００ｇｏｎ−第一面における測定のために設定した垂直角度の垂直角度へ傾斜させる。この場合に、垂直角度０が天頂に対応するものと仮定される。この場合に、キャリブレーションのために使用されるデータにおいて傾斜軸エラーはより明示的に表れる場合があり、従ってキャリブレーションはより精密及び／又はより高速である場合がある。
【００６７】
イメージセンサーにより得られたイメージデータを処理するためのデータ処理ユニットを具備する測量器のキャリブレーションが完了すると、対応するモデルデータを測量器とは別体のデータ処理ユニット又は測量器内に統合されたデータ処理ユニットへ格納することが可能である。更に、プログラムを該データ処理ユニットに格納することが可能であり、そのプログラムは、キャリブレーションのために使用するモデル、得られたモデルパラメータ及び設定した水平及び垂直角度に基づいてイメージセンサー上に結像された物点の方向の計算を行うことを可能とする。
【００６８】
従って、本発明の更なる側面によれば、測量器が提供され、該測量器は、ベース要素とイメージセンサーを具備するカメラとを有しており、該カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であって、該傾斜軸は該垂直軸周りの該カメラの回転と共に該垂直軸周りに回転され、該測量器は、本発明に基づく方法を使用してキャリブレートされる。特に、本測量器は、非揮発性メモリを有することが可能であり、該メモリ内において、キャリブレーションから得られたモデルパラメータの値及びキャリブレーションのために使用される該モデルを使用して計算を実施するためのプログラムコードが格納されており、且つ本測量器は該プログラムを実行するためのプロセッサを有することが可能である。
【００６９】
従って、本発明の別の側面によっても測量器が提供され、該測量器は、ベース要素とイメージセンサーを具備するカメラとを有しており、該カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であり、該傾斜軸は該垂直軸周りの該カメラの回転と共に該垂直軸周りに回転され、該カメラによるイメージセンサー上の物点のイメージングをカメラに固定した座標系で動作するカメラモデル及び測量器座標系（器械座標系）とカメラ座標系との間で座標変換するための変換モデルの使用によりモデル化することが可能であり、該測量器は、更に、データ処理ユニットを有しており、その中には該カメラモデル及び変換モデルを使用して該カメラにより捕獲される物点の方向を決定するためのプログラムコードが格納されており、測量器座標系の原点から該物点への方向が該カメラモデル及び該変換モデル及び測量器座標系の原点から該物点への距離によって得られる方向を使用して計算される。好適には、本測量器は、更に、物点と測量器座標系の原点との間の距離を測定するための距離測定装置を有している。好適には、測量器座標系の原点は、傾斜軸と垂直軸との交差点又は最も近づいた点であり、従って該測量器は望遠鏡のみを具備する既知のタキオメーターとして使用することが可能である。特に、カメラは、傾斜軸に対して平行な方向に測量器座標系の原点からオフセットさせることが可能である。
【００７０】
又、測量器用のコンピュータプログラムが提供され、該測量器はデータ処理システムと、ベース要素と、イメージセンサーを具備するカメラとを有しており、該カメラは前記ベース要素に関して固定されている垂直軸周りに回転可能であり且つ傾斜軸周りに回転可能であって、該傾斜軸は該垂直軸周りの該カメラの回転と共に該垂直軸周りに回転され、該カメラによるイメージセンサー上の物点のイメージングを、該カメラに固定した座標系において動作するカメラモデル及び測量器座標系とカメラ座標系との間で座標変換する変換モデルの使用によりモデル化することが可能であり、該コンピュータプログラムは該カメラ及び変換モデルを使用して該カメラにより捕獲される物点の方向を決定するためのプログラムコードを有しており、測量器座標系の原点から該物点への方向が、該プログラムがデータ処理システムにより実行される場合に、該カメラモデル及び該変換モデル及び測量器座標系の原点から該物点の距離によって得られる方向を使用して計算される。
【００７１】
本発明の更に別の側面によれば、測量器が提供され、該測量器は、カメラによるイメージセンサー上の物点のイメージングを投影中心を具備するカメラモデルの使用によりモデル化することが可能であるようにイメージセンサーを具備するカメラと、該イメージセンサーにより捕獲されたイメージに基づくイメージを表示するためのディスプレイと、視準軸を表わすマークを表示するために該ディスプレイを制御するための制御ユニットとを有しており、該視準軸は該投影中心と傾斜軸及び垂直軸の交差点又は最も近づいた点によって定義される。該視準軸の写真測量定義は、この写真測量視準軸のイメージ面、即ちイメージセンサー面との交差により定義されるクロスヘア、垂直インデックスエラー及び横方向コリメーションエラーが距離とは独立した定数であるという利点を有している。従って、これらのエラーは測定したデータの処理において容易に考慮に入れることが可能である。
【００７２】
本発明の例示的実施例を添付の図面を参照し例として以下に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７３】
本発明に基づく方法の第一の例示的な好適実施例によりキャリブレートすることが可能なビデオタキオメーター１１を模式的且つ簡単化した態様で図４乃至６に示してある。
【００７４】
アリダード１２がビデオタキオメーター１１に対するスタンドとして作用する三脚１４のベース要素１３の上に配置されている。アリダード１２は垂直軸１５の周りに回転可能であり、該垂直軸は、ビデオタキオメーター１１が地面に関して正しく配向されている場合に地面に対して垂直に配向されている。アリダード１２は望遠鏡ユニット１６を担持しており、該望遠鏡ユニットは、ハウジング１７内において、広い視野を具備するファインダーカメラ１８とテレカメラ１９とを有している。望遠鏡ユニット１６は傾斜軸２０周りに回転可能であり、該傾斜軸は最大で傾斜軸エラーまで垂直軸１５に対して直交している。従って、傾斜軸１４は垂直軸１２周りのカメラ１８及び１９のうちの１つの回転と共に回転する。制御パネル２１が着脱自在にアリダード１２へ装着されている。アリダード１２はハンドル８６によって操作することが可能である。
【００７５】
垂直軸１５の周りにアリダード１２を回転させ且つ傾斜軸２０の周りに望遠鏡ユニット１６を傾斜させるために、夫々、回転及び傾斜駆動部２２及び２３が設けられている。
【００７６】
垂直軸１５周りの回転角度又は水平角度の測定のために、水平角度用のメモリの付いた水平円２４及び検知ヘッド２５が設けられている。水平円２４は垂直軸１５と同心円状である。検知ヘッド２５はアリダード１２上に保持されており且つアリダード１２、従って望遠鏡ユニット１６及びカメラ１８及び１９のベース要素１３と相対的な角度位置を検知することが可能である。
【００７７】
傾斜軸２０周りの回転角度、即ち傾斜、即ち垂直角度の測定のために、垂直角度用のメモリの付いた垂直円２６が傾斜軸２０と同軸状である傾斜軸２０に対応して装着されている。アリダード１２上に保持されている垂直角度用の検知ヘッド２７が望遠鏡ユニット１６の角度位置を検知することが可能である。
【００７８】
ビデオタキオメーター１１は、更に、アリダード１２内に配置されている光学的垂直器２８を有しており、それは垂直方向において下方へ指向した小型望遠鏡を有している。該小型望遠鏡の光軸は、実質的に、垂直軸１２と同軸状である。従って、光学的垂直器２８は、例えば境界石等の地面上の１つの点の上方にビデオタキオメーター１１をセンタリング又は位置決めするために使用することが可能である。代替として、垂直方向下方へ光ビームを射出する光学的垂直器を使用することが可能であり、該光ビームは垂直軸１２と実質的に同軸状である。
【００７９】
傾きセンサー即ちクリノメーター２９もアリダード１２内に配置されており、それはアリダード１２の傾き、従って、互いに直交する２つの方向におけるビデオタキオメーター１１の傾きを測定し、従って、垂直軸１５が与えられた測定精度内において真の垂直方向にあるか否か、従ってチルト即ち傾斜軸２０が最大でチルト即ち傾斜軸エラーまで地面と相対的に真の水平方向にあるか否かをチェックすることを可能とする。
【００８０】
望遠鏡ユニット１６内には３個の光学装置が配置されており、それは図４において正面からが示されており且つ図５において横方向断面図で示されている。これらはファインダーカメラ１８、テレカメラ１９及び距離測定装置３０である。
【００８１】
テレカメラ１９は対物レンズ３１と、フォーカシングレンズ３２と、第一イメージセンサー３３とを有している。物体即ち物点が対物レンズ３１及びフォーカシングレンズ３２によってイメージセンサー３３上に結像され、その場合に、該イメージをイメージセンサー上にフォーカシングするために、フォーカシングレンズ３２は図５において矢印で示したように、対物レンズ３１及びフォーカシングレンズ３２の光軸に沿って移動される。テレカメラ１９の視野はむしろ狭く且つ図５に示したように境界光線３４によって囲まれている。
【００８２】
ファインダーカメラ１８はテレカメラ１９の光学的要素のうちの幾つかを使用している。ファインダーカメラ１８は対物レンズ３１と、対物レンズ３１の光路内に配置されているビーム分割用プリズム３５と、補助的対物レンズ３６と、ダイヤフラム３７と、第二イメージセンサー３８とを有している。対物レンズ３１と補助的対物レンズ３６とによって形成される結合型対物レンズは、ファインダーカメラ１８によって捕捉されるシーンからの光を第二イメージセンサー３８上にフォーカスさせる。結合型対物レンズにおいて、対物レンズ３１を介して通過する光はビーム分割用プリズム３５の半反射表面３９によって補助的対物レンズ３６へ向かって反射される。補助的対物レンズ３６はファインダーカメラ１８に対する結合型対物レンズの焦点距離を減少させる。ダイヤフラム３７は２，３メートルを超える距離における物体に対する第二イメージセンサー３８上での基本的にフォーカスしたイメージングを確保し、従ってファインダーカメラ１８に対して、フォーカシングレンズは必要ではない。結合型対物レンズの減少された焦点距離に起因して、ファインダーカメラ１８の視野（図５において制限光線４０により示してある）はテレカメラ１９のものよりも一層大きい。好適には、ファインダーカメラ１８の視界はテレカメラ１９の視界の１０倍又はそれ以上である場合がある。
【００８３】
第一及び第二イメージセンサー３３及び３８は、両方共、ＣＣＤマトリクスセンサーであり、それは非常に良い近似で矩形状である光検知要素からなる配置を有している。該イメージセンサーにより捕獲されるイメージは以下に更に説明するユニットにより処理される。
【００８４】
距離測定装置３０は、光学的放射射出／受取ユニット４１、ビーム分割用層４３を具備するダイクロイックビーム分割用プリズム４２と、対物レンズ３１とを有している。該射出／受取ユニット４２は、赤外線放射を射出し、それはダイクロイックビーム分割用層４３によって選択的に対物レンズ３１へ向かって反射される。該赤外線放射は、次いで、地形内のリフレクター又はターゲットにあたる場合があり、そこから戻される。対物レンズ３１は戻された赤外線放射をビーム分割用プリズム４２を介して射出／受取ユニット４１へフォーカスさせる。射出／受取ユニット４１は赤外線放射のパルスを射出し且つ射出／受取ユニット４１からターゲットへ且つ射出／受取ユニット４１へ戻る該パルスの飛行時間を測定し且つその飛行時間からビデオタキオメーター１１からそのターゲットへの距離を決定する。
【００８５】
ビデオタキオメーター１１のコンポーネントのどのような動きも電子的に影響される。図６はブロック図を示しており、そこでは、ビデオタキオメーター１１の種々の機能的ブロックが模式的に示されており、それらの互いの接続が包含している。破線は夫々のコンポーネント及び装置が配置されている物理的ユニットを例示している。
【００８６】
アリダード１２内に配置されているバッテリ４４がビデオタキオメーター１１にパワーを供給すべく作用する電源ユニット４５に電源を供給する。電源ユニット４５はアリダード１２内の全てのコンポーネント及び装置及び望遠鏡ユニット６、及びそれに接続されている全てのモジュールに所要の動作電圧を供給する。より良い全体図とするために、これらの接続線は図示していない。個々のコンポーネントは、アリダード１２内のコンポーネントの場合のように、別々の線を介して個別的に接続することが可能であり、又はアリダード１２と望遠鏡ユニット１６との間でデータと電源線とを与える中央バス４６により接続することが可能である。傾斜軸２０上に配置したスリップリング４７がアリダード１２内のバス４６のセクションを望遠鏡ユニット１６と接続する。これらのスリップリング４７によって、望遠鏡ユニット１６内の電気的又は電子的コンポーネントは、電力を供給することが可能であり、且つアリダード１２内のコンポーネントとデータを交換することが可能である。
【００８７】
垂直軸１５上に配置したスリップリング４７′は、外部からの電源及び図示していないプラグを介しての外部装置への又はそれからのデータ転送を可能とさせる。
【００８８】
ビデオタキオメーター１１の制御又は動作のために、ビデオタキオメーター１１は制御パネル２１及び対応するノブにより動作可能なアリダード１２上に配置した角度エンコーダの形態の動作要素４８，４９，５０が設けられている。ビデオタキオメーター１１の動作を制御するための重要な電気的装置は、アリダード１２内に配置されており且つ電源ユニット４５により電力が供給される装置制御ユニット５１である。
【００８９】
制御パネル２１はオペレータとビデオタキオメーターとの間の通信をつかさどり且つ入力のためのキーボード５２、例えばＬＣＤ等のカメラ１８又は１９の夫々の１つにより捕獲されるデータ及びイメージの出力のためのディスプレイ５３、ディスプレイ５３とキーボード５２とに接続されているコンピュータ５４が設けられている。
【００９０】
制御パネル２１はアリダード１２内に配置されている装置制御ユニット５１及び解放可能な接続５５を介して電源ユニット４５へ接続されている。制御パネル２１は着脱自在であるので、それはそれ自身のバッテリを具備することが可能であり、そのことは、制御パネル２１がアリダード１２から取り外した場合であってもコンピュータ５４が継続して動作することを確保する。コンピュータ５４は接続５６を介して装置制御コンピュータ５１へ接続されており且つそのプログラム及びデータメモリによって多数の測地計算することが可能である。
【００９１】
動作要素４８，４９，５０は対応するインターフェース５７を介して装置制御コンピュータ５１へ接続されている。このインターフェース５７は、夫々、動作要素４８，４９，５０の回転位置に対応する信号を発生することが可能であり、該信号は装置制御ユニット５１へ送信される。
【００９２】
動作要素４８及び４９は、夫々、垂直軸１５周りのアリダード１２の回転及び傾斜軸２０周りの望遠鏡ユニット１６の傾斜を制御すべく機能する。動作要素４８及び４９の夫々及びインターフェース５７からの信号に応答して、装置制御ユニット５１はアリダード１２内の制御回路５８及び５９を介して駆動部２２及び２３を制御して垂直軸１５周りにアリダード１２を回転させ且つ望遠鏡ユニット１６を傾斜軸２０の周りにチルト即ち傾斜させる。角度測定値は駆動部２２及び２３を制御するために使用することが可能である。
【００９３】
駆動部２２及び２３は動作要素４８，４９夫々によって単独に制御されることは必要ではないが、装置制御ユニット５１内に格納されており且つ実行されるプログラムに基づいて又は装置制御ユニット５１へ送られるコマンドに基づいて制御することも可能である。
【００９４】
駆動部２２及び２３は角度測定装置、即ち水平角度に対するメモリの付いた水平円２４と対応する検知ヘッド２５、又は垂直角度に対するメモリのついた垂直円２６と対応する検知ヘッド２７の夫々と共同し、従って測定可能な態様で、望遠鏡ユニット１６を具備するアリダード１２を所望により垂直軸１５周りに回転させることが可能であり且つ望遠鏡ユニット１６を傾斜軸２０周りに回転させることが可能であり且つ所望の水平及び垂直角度位置とさせることが可能である。この目的は就中、検知ヘッド２５及び２７から信号を受取り且つ該信号に応答して水平駆動部２２用の制御回路５８及び垂直駆動部２３用の制御回路５８を制御する装置制御コンピュータ５１によって達成される。
【００９５】
アリダード１２が垂直軸５周りに回転され且つ望遠鏡ユニット１６が傾斜軸２０周りに回転される角度は３つの態様で与えることが可能である。第一に、動作要素４８及び４９は対応する角度を装置制御コンピュータ５１へ入力することを可能とする。第二に、装置制御コンピュータ５１はビデオタキオメーター１１の他のコンポーネントからのデータの関数として設定されるべき角度を決定することが可能であり、従って制御回路５８及び５９夫々を制御することが可能である。第三に、対応するデータは例えばＲＳ２３２インターフェースであるインターフェース６０を介して制御装置ユニット５１へ入力することが可能である。
【００９６】
装置制御コンピュータ５１へ接続されており且つアンテナ６２を具備する無線モジュール６１は、例えば遠隔制御等の遠隔装置とデータを交換すべく作用する。例えば、ビデオタキオメーター１１は図示していないが測定のターゲット点に位置されている遠隔制御又はステーションにより遠隔制御することが可能である。
【００９７】
イメージセンサー３３及び３８の信号を処理するために、データ圧縮ユニット６３が望遠鏡ユニット１６内に設けられており、それはイメージセンサー３３及び３８から受取ったイメージセンサーを圧縮する。次いで圧縮されたデータは装置制御ユニット５１を送ることが可能であり、それは該データを処理し及び／又はコンピュータ５４及びディスプレイ５３へ転送することが可能である。
【００９８】
フォーカシングレンズ３２の位置を制御するために、アリダード１２に配置した動作要素４８及び４９と同じタイプの動作要素５０がインターフェース５７を介して装置制御ユニット５１へ信号を供給し、該ユニット５１は対応する制御信号を望遠鏡ユニット１６内に配置されているサーボ制御ユニット６４へ供給し、フォーカシングレンズ３２をシフトさせるための対応するフォーカシング駆動部を駆動する。この駆動部は図示していない。
【００９９】
装置制御ユニット５１は、更に、上述した光学的垂直器２８及び傾きセンサー２９へ接続している。
【０１００】
装置制御ユニット５１は揮発性メモリと、非揮発性メモリと、該非揮発性メモリ内に格納されているプログラムを実行するためのプロセッサとを有している。該プログラムはイメージセンサー３３及び３８の夫々から得られたイメージを処理し且つ処理したイメージを制御パネル２１のコンピュータ５４をしてディスプレイ５３上に表示するように適合されている。該プログラムは、更に、プログラムモジュールを有しており、それは、水平及び垂直円２４及び２６から読取った水平及び垂直角度及びイメージセンサー３３上の物点のイメージの位置の関数としてテレカメラ１９により捕獲されたイメージの物点の方向を計算することが可能である。該物点は図示していないがコンピュータ５４を介して装置制御ユニット５１へ接続されているマウス等のポインティングデバイスにより選択することが可能である。
【０１０１】
ビデオタキオメーター１１は本発明の第一の例示的実施例に基づくデータ処理システム６５及び延長自在なコリメータ６６を使用して本発明の第一の例示的実施例に基づく測量器をキャリブレートするための方法によってキャリブレートすることが可能である。
【０１０２】
そのセットアップを模式的に図７に示してある。
【０１０３】
データ処理システム６５は、プロセッサ６７、プロセッサ６７によって実行されるべきプログラム及び永久的及び一時的データを格納するためのメモリ６８、及びキャリブレーションのために使用されるデータを読取り且つキャリブレートされるべき測量器、即ちビデオセオドライト１１へコマンドを送るためのインターフェース６９を有している。本実施例においては、インターフェース６９はＲＳ２３２インターフェースである。データ処理システム６５は、更に、本発明の第一の好適な例示的実施例に基づくコンピュータプログラムが格納されているＣＤ７１の形態にある格納媒体から本発明の第一の好適な例示的実施例に基づくコンピュータプログラムを読取るためにこの場合にはＣＤ−ＲＯＭドライブ７０である格納媒体用の読取器を有している。該コンピュータプログラムがＣＤ−ＲＯＭドライブ７０によってＣＤ７１から読取られ且つメモリ６８内に格納されると、データ処理システムにより実行されるべきキャリブレーション方法のステップを実施するためにそれをプロセッサ６７により実行することが可能である。
【０１０４】
データ処理システム６５はこの例においては適宜のケーブルである接続７２を介してビデオタキオメーター１１のインターフェース６０へ接続している。
【０１０５】
このセットアップは、更に、コリメーター６６を包含しており、それは仮想キャリブレーション点を発生すべく作用する。図８により詳細に示してあるコリメーター６６は案内管要素７３と被案内管要素７４とを有している。被案内管要素７４は、案内管要素７３によって案内されながら案内管要素７３内において摺動自在である。
【０１０６】
案内管要素７３は図示していない装着手段によって地面と相対的に固定した位置に装着することが可能である。被案内管要素７４は図８には示していないノブにより動作されるべきラックアンドピニオン駆動部７５によって案内管要素７３と相対的に摺動させることが可能である。案内管要素７３と相対的な被案内管要素７４の位置は、例えばこれらの管要素７３及び７４に刻設したスケール８７によって最大でミクロンの精度で適宜の測定装置により決定することが可能である。
【０１０７】
被案内管要素７４内に配置した照明装置７６がすりガラススクリーン７７を照明する。照明されたすりガラススクリーン７７は第一クロスヘア７８を照明する。照明装置７６により射出された光の光路内に配置したビームスプリッター７９が第一クロスヘア７８を通過した光を案内管要素７３内に装着されている対物レンズ８０へ向かって再指向させる。対物レンズ８０は、対物レンズ８０と第一クロスヘア７８との間の距離によって決定される距離へ実像又は虚像としてクロスヘア７８を結像させる。キャリブレーションの目的のために、第一クロスヘア７８が対物レンズ８０とその物体側焦点との間に位置されている。従って、クロスヘア７８は仮想キャリブレーション点を発生するために使用することが可能なフローティングマークを表わしている。
【０１０８】
第二クロスヘア８１がビームスプリッター７９を超えて対物レンズ８０の光軸上に配置されており且つ接眼レンズ８２により見ることが可能である。
【０１０９】
テレカメラ１９がアクティブである場合のビデオタキオメーター１１のキャリブレーションの場合に、キャリブレーションのために調節すべきモデルパラメータを包含するモデルが使用される。該モデルは２つのサブモデルを有している。
【０１１０】
第一サブモデルは、ベース要素１３に固定されている座標系における座標をカメラ、即ちテレカメラ１９に固定されているカメラ座標系へ変換するためのモデルであり、パラメータとして、測量器に設定した水平及び垂直角度及びイントロダクションにおいて説明した軸エラー、即ち傾斜軸エラー及び何等かの形態のコリメターエラー及び垂直インデックスエラーに関連するパラメータを包含している。
【０１１１】
第二サブモデルはカメラモデルであり、それはカメラによる物点の該カメラのイメージセンサー上へのイメージング即ち結像を表わす。この実施例においては、ピンホールモデルが使用される。
【０１１２】
このモデルにおいては、基本的に２つの座標系が使用される。第一座標系は測量器座標系（器械座標系）と呼ばれ、ベース要素１３に関して固定されている（図４参照）。それはカーティシアン座標系であり、その原点は垂直軸１５と傾斜軸２０との交差点にあり、且つＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交している。これらの軸が交差しない場合には、これらの軸の最も近い点が座標系の原点として使用される。Ｘ軸及びＹ軸は垂直軸１５に対して直交し、従って、垂直軸１５が地面に対して垂直である場合には、水平である。この座標系において、点Ｐはカーティシアン座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有している。
【０１１３】
第二に、カメラ座標系が使用され、それはカメラ１９に関して固定されている。それはｘ軸、ｙ軸、ｚ軸により定義され、３つの軸全ては互いに直交している。点Ｐの位置はカメラ座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）により記述することが可能である。
【０１１４】
以下において、測量器座標系における座標は、常に、大文字で表記し、一方カメラ座標系における座標は常に小文字で表記する。
【０１１５】
最初に、図９を参照してカメラモデルについてより詳細に説明する。
【０１１６】
カメラモデルとして使用されるピンホールモデルは、イメージセンサー上にカメラにより結像される点Ｐがイメージセンサー３３と関係しており且つ、特に、同一の面である場合があるイメージ面ＩＰ上への投影中心Ｏを介してのこの点の投影により記述することが可能であると仮定する。
【０１１７】
従って、ピンホールモデルは、イメージ面ＩＰ及び該イメージ面と相対的な投影中心Ｏの位置により決定される。投影中心と相対的な投影中心の位置がカメラオプティックス、ここでは対物レンズ３１とフォーカシングレンズ３２とによって決定されるので、その位置はカメラの光学的特性、特に、カメラのイメージング即ち結像特性を表わしている。イメージ面への物点Ｐのイメージングはイメージ面上への投影中心Ｏを介しての物点の投影により表わされる（図９参照）。そのイメージ面は、基本的にイメージセンサーの面であると仮定されて、従ってカメラ座標系のｘ軸及びｙ軸はイメージ面に対して平行である。矩形状のカメラ座標系のｚ軸はイメージ面に対して直交する投影中心を介しての線である。イメージは常にイメージ面内にあるので、その位置はｘ及びｙ座標によってのみ特性付けることが可能である。
【０１１８】
（ｘ，ｙ，ｚ）がカメラ座標系における点Ｐの座標であり且つ（ｘ0，ｙ0，ｚ0）がカメラ座標系における投影中心座標であるとする。従って、投影中心Ｏを介してのイメージ面ＩＰに直交する線の貫通点Ｈp即ちｚ軸はｘｙ面内において座標ｘ0及びｙ0を有している。更に、（ｘ′，ｙ′，ｚ′）はイメージ面におけるカメラにより発生された点ＰのイメージＰ′の座標を示している。カメラオプティックスが歪みを発生しない場合には、単純な幾何学的論拠によって以下の関係が得られる（図９参照）。
【０１１９】
【数１】
2007514943.tif 000003
【０１２０】
尚、ｃkは投影中心とイメージ面との間の距離を表わすいわゆるカメラ定数である。従って、ｚ′＝ｃkが成立する。
【０１２１】
カメラオプティックスはイメージにおいて歪みを発生する場合があり、その歪みはカメラオプティックスにおいて使用されるレンズの不完全性及び／又はそれらのアライメントによって発生される。一次径方向歪みを考慮するために、別のパラメータｖを導入する。歪みにより発生されるイメージの位置における相対的変化は、定数ｖ×貫通点Ｈpからのイメージの径方向距離の二乗としてモデル化される。点（ｘ，ｙ，ｚ）のイメージが歪みなしでイメージ面において（ｘ′，ｙ′）に該当する場合には、貫通点Ｈpからのイメージ点の平方した径方向距離は（ｘ′−ｘ0）2＋（ｙ′−ｙ0）2である。従って、歪み補正値Δｘ′及びΔｙ′が加算され（図９参照）その結果次式となる。
【０１２２】
【数２】
2007514943.tif 000004
【０１２３】
ｖはカメラのオプティックスの上述した一次径方向歪みを表わすカメラモデルパラメータである。
【０１２４】
これらの式はカメラ座標系においてのみ有効である。物点の座標が測量器座標系において表現されるべき場合には、これらの座標系の変換が必要である。これは変換用のサブモデルである。
【０１２５】
一般的に、該変換は、座標系軸周りの３つの回転と空間内の並進ベクトルのシーケンスにより表わすことが可能である。従って、カメラ座標系における点Ｐの座標ｐt＝（ｘ，ｙ，ｚ）は次式、
【０１２６】
【数３】
2007514943.tif 000005
【０１２７】
によって測量器座標系における座標Ｐt＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ）へ変換される。尚、Ｔは変換ベクトルであり且つＲ-1は回転行列の積Ｒの逆数である。キャリブレーション期間中に、投影中心の位置及びイメージ面の位置及び配向は調節されるので、カメラ座標系の原点を投影中心として選択することが可能であり、その結果次式が得られる。
【０１２８】
【数４】
2007514943.tif 000006
【０１２９】
この関係をｘ′及びｙ′に対する式に挿入するといわゆる共線方程式が得られる。
【０１３０】
【数５】
2007514943.tif 000007
【０１３１】
尚、ｒij，ｉ，ｊ＝１，．．．，３はＲの行列要素であり且つ測量器座標系における投影中心Ｏの座標は（Ｘ0，Ｙ0、Ｚ0）である。
【０１３２】
カメラ座標系の原点は投影中心に選択されており且つｚ軸はイメージ面に対して直交していると仮定されているので、ＣＣＤセンサーの行列の行及び列に沿って指向されるｘ″軸及びｙ″軸を有するイメージセンサー座標系におけるイメージセンサー上で読取られるイメージ位置（ｘ″，ｙ″）は、ｘ′＝ｘ″−ｘs″及びｙ′＝ｙ″−ｙs″により与えられるカメラ座標系におけるイメージ位置に対応しており、尚（ｘs″，ｙs″）はイメージセンサーにより測定されるイメージ面とｚ軸の交差の位置の座標であり、即ちイメージセンサー上の対応するピクセル位置である。従って、上述した式においてｘ′及びｙ′はｘ″−ｘs及びｙ″−ｙsにより置換される。
【０１３３】
要するに、カメラモデルのパラメータは貫通点の座標ｘs，ｙsと、カメラ定数ｃkと、カメラオプティックスの歪み特性を表わすパラメータｖとである。カメラ座標系の定義により、ｘ0＝ｙ0＝０が成立する。
【０１３４】
カメラ座標系と測量器座標系との間の変換は、例えば、以下に説明するように測量器座標系と一致するオリエンテーション即ち配向から開始してカメラ座標系の相次ぐ回転を実施することにより種々の態様で派生させることが可能である。
【０１３５】
図１０は、座標軸ｘ，ｙ，ｚを有するカメラ座標系、座標ｘ″，ｙ″を有するイメージ座標系、座標（ｘs″，ｙs″，ｃk）を有する原点、ｘ″及びｙ″軸がｘ及びｙ軸と平行であること、及びそれらの測量器座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する関係を示している。図１０において、測量器座標系の原点は理論的な傾斜軸、垂直軸、視準軸の交点に位置している（即ち、夫々、測量器中心又はタキオメーター中心にある）。これらの理論的な軸に対して、上述した条件が満足される場合には、理論的な垂直軸１５は地面に対して垂直であると仮定され、理論的な傾斜軸２０′と理論的な垂直軸１５との間の角度及び理論的な視準軸８３と理論的な傾斜軸２０′との間の角度は直角であると仮定される。３つの軸全ては１つの点で交差し、その点は測量器座標系の原点である。更に、実際の垂直軸が理論的な垂直軸であると仮定される。測量器座標系のＺ軸は測量器の垂直軸と一致し、且つＹ軸は水平点２４上でマーク付けされたゼロ方向と一致する。
【０１３６】
カメラ座標系の原点は投影中心Ｏである。然しながら、図１０において、より良い概観を与えるために、その原点はイメージプレーンへシフトして示してある。主点Ｈp、即ち投影中心を貫通しており且つイメージ面ＩＰに対して直交している線の貫通点はイメージ面におけるイメージ座標系において座標ｘs″及びｙs″を有している。
【０１３７】
図１０乃至１２に示したように、実際の傾斜軸２０は角度ｉだけ理論的な傾斜軸２０′から逸れている場合があり、その角度は実際の傾斜軸２０と垂直軸１５の間の角度の直角からの逸れである。従って、角度ｉは傾斜軸エラーを表わしている。
【０１３８】
更に、理論的な視準軸８３は投影中心Ｏを貫通して走行することは必要ではない。この逸れは２つの角度ｃ0及びｚ0により表わすことが可能である。角度ｃ0は理論的な傾斜軸２０′及び理論的な視準軸８３によって与えられる面内において、理論的な傾斜軸２０′と投影中心Ｏを貫通する線との間の角度及び理論的な視準軸８３と理論的な傾斜軸２０′の交差点として定義される。角度ｚ0は、垂直軸１５と理論的な視準軸８３によって与えられる面内において、理論的な視準軸８３と投影中心Ｏを貫通する線との間の角度及び理論的な視準軸８３と理論的な傾斜軸２０′との交差点として定義される。
【０１３９】
カメラレンズのレンズマウンティングにより定義される望遠鏡軸１１０の理論的な視準軸８３からの逸れは、望遠鏡軸１１０と理論的な視準軸８３との間の角度ｃFにより定義される。
【０１４０】
カメラ座標系は、又、角度ω，φ，κだけ測量器座標系の軸周りに回転される場合があり、それらはビデオタキオメーター１１の何等かのエラー及び方向とは独立であると仮定される。
【０１４１】
上述した逸れは、夫々、水平及び垂直円２４及び２６から読取られる場合に、実際の又は真の水平及び垂直角度の夫々の角度からの逸れを発生する。
【０１４２】
カメラ座標系の実際の又は実効的傾斜角度は、
Ｖ0＝Ｖm＋ｚ0
により与えられ、それは図１０及び１２から決定することが可能である。ここで、Ｖmは垂直円２６から読取られる場合の垂直角度を示している。
【０１４３】
角度ｃ0及びｃFは次式のコリメーションエラーとして、夫々、投影中心及び実際の水平角度の球座標に関して同じ影響を有している。
【０１４４】
【数６】
2007514943.tif 000008
【０１４５】
角度ｉはｉｃｏｔ（Ｖ0）の水平角度における逸れを発生する。
【０１４６】
従って、垂直軸周りにカメラ座標系が回転される実効水平角度Ｈｚeffは次式となり、
【０１４７】
【数７】
2007514943.tif 000009
【０１４８】
尚、Ｈｚmは水平円２４から読取られる水平角度を示している。
【０１４９】
これらの式の詳細なる導出についてはＤｅｕｍｌｉｃｈ，  Ｆ．，  Ｓｔａｉｇｅｒ，  Ｒ．「測量技術の器械知識（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｎｋｕｎｄｅ  ｄｅｒ  Ｖｅｒｍｅｓｓｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ）」、ハイデルベルグ、ドイツ、９版、２０６乃至２０８頁において見出すことが可能である。
【０１５０】
回転行列Ｒ-1は、測量器座標系と一致するオリエンテーション即ち配向において開始してカメラ座標系の以下の回転シーケンスを考慮することにより得ることが可能である。
【０１５１】
最初に、カメラ座標系を実効水平角度Ｈｚeffだけ垂直軸周りに回転させる。回転された座標系における対応する座標は以下の回転行列により得ることが可能である。
【０１５２】
【数８】
2007514943.tif 000010
【０１５３】
傾斜軸エラーは、角度ｉだけ変化された、即ち回転されたカメラ座標系のｙ軸周りの回転により考慮される。
【０１５４】
対応する座標変換は以下の回転行列により与えられる。
【０１５５】
【数９】
2007514943.tif 000011
【０１５６】
さて、２度回転させたカメラ座標系を、実効垂直角度Ｖ0だけ２度回転させたカメラ座標系のｘ軸周りに更に回転させる。測地学においては垂直角度は天頂から測定されることを考慮に入れると、該座標変換に対する対応する回転行列は以下のようになる。
【０１５７】
【数１０】
2007514943.tif 000012
【０１５８】
４番目のステップにおいて、これまで回転されたカメラ座標系を現在のｙ軸周りに角度ｃFだけ更に回転させる。対応する座標変換は回転行列により以下の如くに書くことが可能である。
【０１５９】
【数１１】
2007514943.tif 000013
【０１６０】
最後に、最後の回転により得られたカメラ座標系を角度ωだけｘ軸周りに、角度φだけｙ軸周りに、且つ角度κだけｚ軸周りに回転させる。対応する回転行列は以下の如くである。
【０１６１】
【数１２】
2007514943.tif 000014
【０１６２】
従って、行列要素ｒij，ｉ，ｊ＝１，．．．，３を有する完全な回転行列は以下の如くである。
【０１６３】
【数１３】
2007514943.tif 000015
【０１６４】
図１０から、測量器座標系における投影中心Ｏの座標は以下の如くに書くことが可能である。
【０１６５】
【数１４】
2007514943.tif 000016
【０１６６】
尚、Ｓ0は測量器座標系の原点からの投影中心の距離を示している。
【０１６７】
従って、完全なる変換は回転行列Ｒ及び投影中心の位置によって与えられる。この変換において使用される変換パラメータ、即ち該変換をパラメータ化する変換パラメータはｉ，ｃ0，ｃF，ｚ0，Ｓ0，ω，φ，κである。該変換は、又、水平円上で読取られる水平及び垂直角度Ｈｚm及びＶmに依存する。
【０１６８】
共線方程式及び座標変換を使用して、球座標Ｈｚ，Ｖ，Ｓ、従って器械座標系におけるカーティシアン座標（Ｓｃｏｓ（Ｈｚ）ｓｉｎ（Ｖ），Ｓｓｉｎ（Ｈｚ）ｓｉｎ（Ｖ），Ｓｃｏｓ（Ｖ））を有しており且つカメラモデルパラメータと以下の変換パラメータとを使用して水平及び垂直角度Ｈｚm及びＶmに結像される物点のイメージの位置ｘ″及びｙ″を計算することが可能である。
【０１６９】
【数１５】
2007514943.tif 000017
【０１７０】
尚、
【０１７１】
【数１６】
2007514943.tif 000018
【０１７２】
上の式は簡単化のために以下の如くに書くことが可能である。
【０１７３】
【数１７】
2007514943.tif 000019
【０１７４】
本発明の第一の好適な実施例に基づく方法を図１３乃至１５を参照して説明する。この方法は４つの主要なセクションに分割することが可能である。
【０１７５】
第一セクションＳ１において、コリメーター６６、データ処理システム６５、ビデオタキオメーター１１によってキャリブレーションデータが得られる。
【０１７６】
コリメーター６６によって、幾つかの仮想キャリブレーション点Ｐi，ｉ＝１，．．．，Ｎ、尚Ｎは正の整数である、が与えられる。これらの仮想キャリブレーション点に対する距離データが、光路に沿ってのクロスヘア７８と対物レンズ８０との間の距離及び対物レンズ８０とビデオタキオメーター１１との間の距離を測定することにより得られる。更に、各キャリブレーション点に対して、該キャリブレーション点のイメージが異なる位置において発生され、且つイメージセンサー及びイメージセンサー上のイメージの位置を表わす対応するイメージ位置データ及び対応する水平及び垂直角度を表わす配向データがビデオタキオメーター１１の両方の面において得られる。これらのステップの幾つかはデータ処理システム６５におけるコンピュータプログラムにより実施される。
【０１７７】
第二セクションＳ２において、キャリブレーションのために使用されるモデルが与えられ、それは、この例においては、上述したモデルである。該モデルはデータ処理システム６５において実行されるコンピュータプログラムのプログラムコードの形態で与えられる。
【０１７８】
第三セクションＳ３において、該モデルパラメータに対する値及び測量器座標系におけるキャリブレーション点と関連する方向を表わすデータが最小二乗推定方法を使用して推定される。このセクションにおける全てのステップもデータ処理システム６５におけるコンピュータプログラムにより実施される。
【０１７９】
第四セクションＳ４において、得られたモデルパラメータが測量器、即ちビデオタキオメーター１１内に格納され、その中において使用されてイメージセンサー上の与えられた位置に対し測量器座標系における対応する方向を計算し、且つイメージセンサー３３上に結像される点のビデオタキオメーターからの距離が既知である場合には、対応するカーティシアン座標も計算する。
【０１８０】
セクションＳ１において、各キャリブレーション点に対し、即ちＮ回、図１４に示したステップが実行される。
【０１８１】
最初に、ステップＳ５において、対物レンズ８０に関するその位置を変化させることによりコリメーター６８におけるクロスヘア７８の仮想イメージを発生することにより新たなキャリブレーション点が与えられる。その目的のために、クロスヘア７８は距離Δｆだけ対物レンズ８０の焦点と対物レンズ８０との間で移動されねばならない。
【０１８２】
ステップＳ６において、測量器、即ちビデオタキオメーター１１と仮想キャリブレーション点との間の距離Ｄが得られる。図１６はその計算を例示している。この図において、第一クロスヘア７８は簡単化のために対物レンズ８０の光軸上に示してある。距離Ｄを計算するために、クロスヘア７８の仮想イメージの対物レンズ８０、より精密にはビデオタキオメーター側上の対物レンズ８０の主面Ｈからの距離ｓが次式により対物レンズ８０の焦点距離ｆ及び対物レンズ８０の焦点からのクロスヘア７８の距離ΔＦから計算される。
【０１８３】
【数１８】
2007514943.tif 000020
【０１８４】
次いで、仮想イメージ距離ｓを対物レンズ８０、即ちその上述した主面Ｈと測量器、即ちビデオタキオメーター１１の垂直軸との間の距離ＳTh/Hへ加算する。
【０１８５】
データ処理システム６５に関し、本発明の第一の例示的実施例に基づくコンピュータプログラムが開始され且つ最初に図には示していないディスプレイ及びキーボードを介して正の整数Ｎを入力することを要求する。整数Ｎを入力した後に、該プログラムは第一キャリブレーション点に関連する距離データの入力を要求する。これらのデータの入力の後に、プロセッサ６７はデータ処理システムのメモリ６８内にそのデータを格納する。別の実施例においては、数Ｎはコンピュータプログラム内にプリセットすることが可能であり、従ってユーザのインタラクションは必要ではない。
【０１８６】
ステップＳ７において、与えられたキャリブレーション点に対して、イメージセンサー３３上に異なるイメージが発生され、且つ対応するイメージ位置データ及び配向データが得られ且つデータ処理システム６５内に格納される。
【０１８７】
キャリブレーション点のイメージの発生及びキャリブレーションのために必要なデータの発生をより詳細に図１５に示してある。
【０１８８】
図１５に示したステップＳ８は第一キャリブレーション点に対して実施される。以下のキャリブレーション点に対して、このステップは、少なくとも、キャリブレーション点を与えるためにコリメーターが使用され、且つ望遠鏡ユニット１６、即ちカメラ１９の再配向を除いて、測量器、即ちビデオタキオメーター１１と相対的なコリメーターの配向が不変のままである場合には、必要である場合にのみ実施されることが必要であるに過ぎない。このステップにおいて、カメラ１９は発生されたキャリブレーション点に対して指向される。この実施例においては、キャリブレーション点のイメージがイメージセンサー３３上に表れることで充分である。
【０１８９】
更に、カメラを第一面内に持込み、そのことは、カメラ１９の垂直軸が０と２００ｇｏｎとの間であることを意味し、０は垂直円２６により決定されるように天頂である。
【０１９０】
次に、ステップＳ９において、カメラ１９を回転させ且つ傾斜させてイメージセンサー３３上のキャリブレーション点のイメージをイメージセンサー３３上の所定の開始位置へ移動させる。好適には、この開始位置はイメージセンサー３３の角部のうちの１つの近くに位置している。この目的のために、データ処理システム６５内に格納されているコンピュータプログラムは、イメージセンサー３３により捕獲されるイメージ等のイメージにおける物体認識用のプログラムモジュールを有している。データ処理システム６５のメモリ６８において、クロスヘア７８を表わすテンプレートが格納されている。既知の物体認識技術、例えばテンプレートマッチングアルゴリズムの使用により、捕獲したイメージ、即ちイメージセンサー３３上のキャリブレーション点のイメージの位置が得られる。そこで、該コンピュータプログラムは、キャリブレーション点のイメージを開始位置により近づけるために、カメラ１９を垂直軸１５周りに与えられたインクリメントだけ回転させ及び／又は傾斜軸２０周りに傾斜させるべきか否かを計算する。次いで、それは対応するコマンドを測量器に対して発行し、その場合に、装置制御ユニット５１が該対応するコマンドを受取け且つ駆動部２２及び／又は２３により夫々の角度だけカメラ１９を移動させる。次いで、新たなイメージが捕獲され且つキャリブレーション点のイメージが開始位置に到達するまでこのプロセスが繰り返される。それにより、キャリブレーション点のイメージが開始位置に近づくに従い、角度インクリメントの寸法を減少させることが可能である。
【０１９１】
ステップＳ１０において、該プログラムは、キャリブレーション点のイメージのターゲット位置としてイメージセンサーをカバーするマトリクス即ち行列のセルにおけるランダムな位置を計算する。その目的のために、イメージセンサーは所定の正の整数Ｌ及びＭでＬ×Ｍ行列に分割されており、該セルの幾何学的中心が計算される。図１７において、セル８８はイメージセンサー３３をカバーする矩形状のアレイに配置されている。これらのセルの幾何学的中心はｘによりマークしてある。該幾何学的中心の各々に対し、該行列における各方向に対して、擬似乱数発生器を使用して乱数を決定し、該乱数の大きさは対応する方向におけるセルの寸法の半分未満であり、次いで、夫々の方向における幾何学的中心の座標へ加算される。その結果得られる該セルの各々におけるランダムな位置を白抜き円により図１７に示してある。乱数の使用はイメージセンサーにおける欠陥性の光検知要素の影響を劇的に減少させる。何故ならば、イメージ位置が常に欠陥性のピクセル上にあることを回避することが可能だからである。これらの位置はデータ処理システム６５のメモリ６８内に格納される。
【０１９２】
ステップＳ１１において、望遠鏡ユニット１６、従ってカメラ１９が回転され且つ傾斜されてイメージセンサー３３上のキャリブレーション点のイメージをターゲット位置へ移動させる。その目的のために、ステップＳ９において同一のアルゴリズムを使用することが可能である。キャリブレーション点のイメージがターゲット位置に到達すると、イメージ位置データ、即ちイメージ面内のイメージの座標ｘ″及びｙ″が格納され且つ配向データ、即ち水平及び垂直円夫々により決定される水平角度Ｈｚm及び垂直角度Ｖmがデータ処理システム６５から測量器へ送られる対応するコマンドに応答して測量器から読取られる。
【０１９３】
イメージ位置データ及び配向データが各ターゲット位置に対して格納された後に、ステップＳ１２において、カメラ１９が第二面内のキャリブレーション点へ指向され、即ち、垂直円により決定される垂直角度は２００と４００ｇｏｎの間である。キャリブレーション点のイメージが第二面内においてイメージセンサー３３上に表われることを確保するために、カメラは、好適には、垂直軸５周りに２００ｇｏｎだけ回転させ、次いで、４００ｇｏｎ−ステップＳ１１における最後のターゲット位置に対して得られた垂直角度だけ傾斜させる。
【０１９４】
以下のステップＳ１３及びＳ１４はステップＳ１０及びＳ１１に対応しており、唯一の差異は、カメラ１９が第二面内にあることである。
【０１９５】
ステップＳ１５がキャリブレーション点の最後のものに対して実施されると、キャリブレーション用に使用されるモデルがステップＳ２において与えられる。その目的のために、データ処理システム内に格納されているコンピュータプログラムは上述したようなモデルを表わす対応する命令を有している。
【０１９６】
セクションＳ３のステップは該コンピュータプログラムにより実行される。各キャリブレーション点Ｐi，ｉ＝１，．．．，Ｎに対して、Ｑ個のイメージｊ，ｊ＝１，．．．，Ｑ、尚Ｑは正の整数である、が発生され且つこれらのデータを読取ることにより対応するイメージ位置及び配向データが得られると、モデルパラメータ、測量器座標系におけるキャリブレーション点の方向及び夫々の配向データの関数としてキャリブレーション点のイメージの位置を予測するモデルが測定したイメージ位置データに適合するようにモデルパラメータが調節される。推定方法、即ち最小二乗推定は最小二乗による古典的な調節方法と等価なものであり、全てのキャリブレーション点ｉ及び該キャリブレーション点の全てのイメージｊにわたっての以下の和により与えられる誤差関数Ｅ（ｉ，ｃ0，ｃF，ｚ0，ω，φ，κ；Ｓ0，ｃk，ｘs，ｙs，ｖ；｛Ｓl，｛ｘ″lj，ｙ″lj，Ｖmlj，Ｈｚmlj｝｝）に基づいている。
【０１９７】
【数１９】
2007514943.tif 000021
【０１９８】
ここで、Ｓl，｛ｘ″lj，ｙ″lj，Ｖmlj，Ｈｚmlj｝はキャリブレーション点ｌに対する距離及び該キャリブレーション点の全てのイメージに対するデータセットｊ＝１，．．．，Ｑを示しており、イメージｊに対するデータセットはイメージ位置データｘ″lj，ｙ″lj及び垂直及び水平角度Ｖmlj，Ｈｚmljセットを有している。
【０１９９】
誤差関数Ｅは、適宜の最小化手順、例えば、Ｂｅｎｎｉｎｇ，  Ｗｉｌｈｅｌｍ「測地学、地理情報及び土木における統計（Ｓｔａｔｉｓｔｉｋ  ｉｎ  Ｇｅｏｄａｓｉｅ，  Ｇｅｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｕｎｄ  Ｂａｕｗｅｓｅｎ）」、ハイデルベルグ、ドイツ、２００２年、ＩＳＢＮ３−８７９０７−３８３−Ｘ、１４０頁に記載されているようなガウス・ニュートンアルゴリズムを使用して最小化される。
【０２００】
セクションＳ４において、該コンピュータプログラムにより得られたデータは測量器内に格納される。その目的のために、データ処理システム６５はこれらのデータをインターフェース６９及び接続７２を介して測量器、即ちビデオタキオメーター１１へ送り、それはこれらのデータを装置制御ユニット５１の非揮発性メモリ内に格納し、その中には、キャリブレーションのために使用されるモデルを表わすコンピュータプログラムの命令も格納されている。
【０２０１】
本方法の性能は、以下の例により例示することが可能である。この例においては、上述した方法の各変形例が使用されるが、その場合に、各角度の組合わせに対し、１つを超える測定が為される。３００ｍｍの焦点距離及び１００ｍにおける固定した焦点を具備しており、１″の角度測定精度を具備する器械に適合させたカメラをキャリブレートするために、例えば２０ｍ、８０ｍ、５００ｍの距離における３つのキャリブレーション点及び、例えば、８×６位置のグリッドに配列した望遠位置当たり全部で４８個の角度の組合わせを使用することが可能である。ランダムな逸れが０．０５ピクセルより大きいことのない角度組合わせ当たり３０個の測定が行われ且つ対応するデータが使用される場合に、垂直及び水平方向において約１″の方向測定の精度で測量器をキャリブレートすることが可能である。従って、本方法は、又、比較的大きな焦点距離を有するカメラのキャリブレーションに適している。
【０２０２】
該モデルを使用して、イメージセンサー上の物点のイメージのイメージ位置データから測量器座標系に関しての該物点の方向を計算することが可能である（図１９参照）。次式を使用し、
【０２０３】
【数２０】
2007514943.tif 000022
【０２０４】
尚、
【０２０５】
【数２１】
2007514943.tif 000023
【０２０６】
は測量器座標系の原点から投影中心Ｏへのベクトルを示すものであり、結像した物点Ｐに対応する測定したイメージ位置データｘ′P，ｙ′Pを測量器、即ちビデオタキオメーター１１の座標へ変換させることが可能である。ＰT′は測定したイメージ位置に対応する方向を表わす測量器座標系におけるベクトルである。投影中心Ｏ及び点ＰT′は両方共測量器に関する座標において既知であり、且つ結像光線ａを定義し、その上に物点がｘ′T，ｙ′Tにより表わされるイメージセンサー上の位置に結像される。光線はビデオタキオメーター中心、即ち測量器座標系の原点を交差することを必要としないので、ビデオタキオメーター中心から物点Ｐの距離（近似的な距離）はビデオタキオメーター中心に関する方向の正しい計算のために与えられねばならない。この距離はビデオタキオメーター中心、即ち測量器座標系の原点周りに延在する球の半径として使用され、且つ結像光線ａにより交差される。このように、２つの座標トリプレットが得られ、それはカメラの機能を具備する望遠鏡ユニット１６の位置に依存して方向計算のために使用することが可能である。ビデオタキオメーター中心が結像光線に近ければ近いほど、この方法は与えられた距離から一層依存しなくなる。
【０２０７】
このように実施したカメラキャリブレーションの場合に、投影中心Ｏと傾斜軸及び垂直軸の交差により形成される測量器中心とを接続する直線として写真測量視準軸を定義することも可能である。図１９において、点線で示してある写真測量視準軸は、測量器中心が座標系の原点であるので、ベクトル
【０２０８】
【数２１】
2007514943.tif 000024
【０２０９】
と同軸状の線である。然しながら、この写真測量視準軸は図１１に示した実際の視準軸と同一ではない。イメージ面における写真測量視準軸の貫通点はクロスヘアの位置を決定し、そこにおいて、横及び垂直コリメーションの古典的なエラーはその距離に沿って一定である。パラメータ推定期間中に決定されない限り、投影中心の横及び垂直方向の逸れは、横及び垂直コリメーションの古典的なエラーが該距離に沿って変化することがないピクセルで測定することが可能である。
【０２１０】
物点がこのように定義されたクロスヘアで視準される場合には、該クロスヘア、タキオメーター中心、投影中心Ｏ及び物点Ｐは直線上に存在し、この直線は写真測量結像光線と同一である。
【０２１１】
ビデオセオドライト１１のコンピュータ５４において、ディスプレイ５３上の写真測量視準軸を表わすマーク１１１、例えばクロスヘアを表示するためのプログラムコードを格納することが可能であり（図２０参照）、従って、該コンピュータはディスプレイを制御するための制御ユニットを表わしている。ディスプレイ５３上の対応する位置は測量器内に格納されているキャリブレーションパラメータから計算することが可能であり、又は一度計算し次いで測量器、例えばコンピュータ５４の非揮発性メモリ内に永久的に格納することが可能である。
【０２１２】
横及び垂直コリメーションエラーがゼロに等しいイメージ面内の点として従来の器械において定義されたクロスヘアの位置は、同一の態様で、カメラの検知器表面上の１個のピクセルへ割当てることが可能であり、光学的コンポーネントが余り良く中心位置決めされていない場合には、このピクセルは、最悪の場合に，距離と共に変化する場合がある。
【０２１３】
ファインダーカメラ１８も第一の例示的実施例に記載した方法，データ処理システム、コリメーター及びコンピュータプログラムを使用してキャリブレートすることが可能である。投影中心位置が単にモデル内の１組のパラメータとして見ることが可能であるので、光路が真っ直ぐではないという事実はキャリブレーション方法の修正を必要とするものではない。これは本発明の１つの重要な利点である。
【０２１４】
本発明の第二の例示的実施例においては、カメラの歪みに対するより詳細なモデルが使用され、その場合により高い次数及び／又は放射相称ではない項も使用されるという点においてこの方法は第一の例示的実施例において記載した方法と異なっている。Ｌｕｈｍａｎｎ，  Ｔｈｏｍａｓ「近距離写真測量：基礎、方法及び応用（Ｎａｈｂｅｒｅｉｃｈｓｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｉｅ：  Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎ、  Ｍｅｔｈｏｅｄｎ  ｕｎｄ  Ａｎｗｅｎｄｕｎｇｅｎ）」、ハイデルベルグ，ドイツ，２０００年、ＩＳＢＮ３−８７９０７−３２１−Ｘ、１１９乃至１２２頁は上述したモデルに対する対応する補正を開示している。
【０２１５】
本発明の第三の例示的実施例においては、図１８に模式的に示したキャリブレーション用のシステムが使用される。このシステムは器械の基本的に自動的なキャリブレーションを可能とさせる。該システムはコリメーター６６とは異なるコリメーター６６′を有しており、それは、マーク、即ちクロスヘア７８がデータ処理システム６５′を介して制御される電気的駆動部８４により移動させることが可能であるという点で異なっている。データ処理システム６５′は、それがコリメーターの駆動部８４へコマンドを出力するための別の出力インターフェース８５を有しているという点において該データ処理システムと異なっている。更に、メモリ６８′内に格納されるコンピュータプログラムは，プロセッサ６７上で稼動される場合に、プロセッサ６７をして出力インターフェース８５を介して駆動部８４へ制御コマンドを発行し、クロスヘア７８を所定の位置へ移動させ且つ仮想キャリブレーション点の対応する仮想距離を計算するためのプログラムコードを包含している。
【０２１６】
最初に、ユーザが測量器をコリメーター６６′と相対的に所定の、例えばマークを付けた位置とさせ、その場合に仮想イメージクロスヘア７８はイメージセンサー３３へ結像させることが可能である。その位置はコリメーター及びカメラの特性に依存して決定され且つ仮想キャリブレーション点をクロスヘア７８を移動することにより与えることが可能であるように選択される。別の変形例においては、測量器を所定の位置に位置決めするためにマウントを使用することが可能である。
【０２１７】
次いで、データ処理システム６５′はセクションＳ１乃至Ｓ４の全てのステップを自動的に実施し、必要である場合には測量器１１に対してコマンドを発行し、測量器１１からイメージ位置データ及び対応する配向データを受取り、且つステップＳ６及びセクションＳ３における計算を実施する。
【０２１８】
この実施例の変形例においては、キャリブレーション点の距離をマークの夫々の位置と共に格納することが可能であり、従って該マークの仮想イメージの距離は各キャリブレーションに対して計算することは必要ではない。
【０２１９】
別の例示的実施例においては、測量器からのターゲットの距離の可能な範囲を所定数Ｇの距離サブレンジに分割する。距離サブレンジの数及びそれらの実際の制限値はカメラの光学的特性、特に、カメラオプティックス及びその焦点距離に依存して選択することが可能である。
【０２２０】
各距離サブレンジにおいて、同一のモデルを使用する。然しながら、カメラモデルパラメータ、カメラ定数ｃK、歪みパラメータｖ、オフセットｘs及びｙsは各距離サブレンジに対して特定的なモデルパラメータとして定義される。この状態を図２１に例示してあり、その場合に、測量器１１の周りにＧ＝３の異なる距離レンジＤ1，Ｄ2，Ｄ3が部分的に示されている。実際に、距離サブレンジＤ3は無限へ延在している。各距離サブレンジは最小距離と最大距離とによって定義される。距離サブレンジの各々において、キャリブレーション点１１２が測量器から異なる距離に設けられている。図２１は視覚化のためにのみ距離サブレンジ及びキャリブレーション点を示すものであって、実際にはキャリブレーション点はコリメーター６６′により与えられる。
【０２２１】
距離サブレンジと関連しているＧ個の異なる組のカメラモデルパラメータ（Ｓ0，ｃK，ｖ，ｘs，ｙS）l，ｌ＝１，．．．，Ｇが距離に依存して使用されるように該モデルを拡張する。キャリブレーション点の距離がこれらの距離サブレンジのうちの１つに該当すると、対応するカメラモデルパラメータ、即ちカメラモデルパラメータの値がＵx及びＵyに対する式において使用される。
【０２２２】
次いで、キャリブレーションは前の例示的な実施例における如くに進行し、その場合に、キャリブレーション点の距離の変化の後に、カメラが再度フォーカスされる。最小化のために、全てのモデルパラメータが調節され、即ち異なる組のカメラモデルもである。
【０２２３】
最小化の後に、Ｇ組のカメラモデルパラメータが得られ、それは、次いで、測量器１１の非揮発性メモリ内に格納される。装置制御ユニット５１において、例えば、キャリブレーションにより与えられるＧ個のカメラモデルパラメータにより与えられる値の間の補間によって距離の関数としてカメラモデルパラメータの値を計算するためのプログラムコードを格納することが可能である。次いで、ターゲットの距離が与えられると、その座標又は方向又は方位を、補間から得られたカメラモデルパラメータを使用して第一の例示的実施例におけるように計算することが可能である。
【０２２４】
最後に説明した例示的実施例の変形例においては、装置制御ユニット５１において決定されるフォーカシングレンズの位置により定義されるカメラのフォーカシング状態を該距離の代わりに使用することが可能である。注意すべきことであるが、フォーカシングレンズの位置は物点の距離の関数であり、該物点のイメージはフォーカシングレンズの運動によりイメージセンサー上にフォーカスされる。このことは、測量器が自動フォーカシング装置を有している場合に特に望ましいものである。次いで、フォーカシングレンズの位置は自動フォーカシング装置により自動的に与えることが可能であり且つ計算のために使用することが可能である。
【０２２５】
同一のタイプのより多くの数の測量器をキャリブレートするのに特に適した更なる例示的実施例はこの第三の例示的実施例に基づいている。キャリブレーション点の距離、即ちマーク即ちクロスヘア７８の位置、及びこれらのキャリブレーション点のイメージの位置は予め定められており且つデータ処理システム内に格納されている。従って、該距離はデータ処理システムのメモリから対応するデータを読取ることにより得ることが可能であり、且つイメージ位置は一度決定することが必要であるに過ぎず、次いで全ての器械に対し使用することが可能である。
【０２２６】
本発明の更に別の例示的実施例においては、キャリブレーション点のイメージが以下の態様で発生される。第一の例示的実施例におけるように、キャリブレーション点のイメージが開始位置にあるようにカメラをキャリブレーション点に対して配向させる。然しながら、この例示的実施例においては、水平及び垂直角度は値の所定の組合わせに従って設定される。テレカメラ１９の場合におけるように視野が狭い場合には、該角度は一定間隔で与えることが可能である。これらの値は、軸エラーがなく且つ所望の光学的特性を有する理想的なカメラを仮定して、結果的に得られるイメージ点がイメージセンサーにわたって全て均一に分布されるように選択することが可能である。実際の器械の軸のトリランス及び実際のカメラの光学的特性に起因して実際の分布は異なる場合がある。これらの角度を設定した後に、イメージ位置データを、例えば、再度物体認識を使用して、決定し、且つ水平及び垂直角度を有する配向データと共に格納させる。モデルパラメータの推定、即ち最小化を第一の例示的実施例におけるように実施する。
【０２２７】
この例示的実施例の変形例においては、水平及び垂直円に基づいて設定されるべき水平及び垂直角度の各組合わせに対して、イメージセンサー上のキャリブレーション点のイメージ点の位置が測量器の両方の面内において得られ、即ち第一面内において水平角度がＨｚl及び垂直角度がＶlである場合には、天頂が０ｇｏｎに対応する場合に、カメラは水平角度Ｈｚll＝２００ｇｏｎ  ＋  Ｈｚl及び垂直角度Ｖll＝４００ｇｏｎ  −  ｖlに設定される。別の好適な例示的な実施例においては、キャリブレーション点として、測量器から異なる距離にあるトリプルリフレクタを使用することが可能である。距離測定装置３０を使用して距離データを得ることが可能である。
【０２２８】
本発明は、又、上述した望遠鏡ユニット１６とは異なる図２１に示した望遠鏡ユニット１６′を具備するビデオタキオメーターと共に使用することも可能である。
【０２２９】
それは、第一の例示的実施例におけるような対物レンズ３１と、フォーカシングレンズ９１と、反転プリズム９２と、クロスヘア９３と、接眼レンズ９４とによって形成される望遠鏡８９を有している。図２０における矢印で示されるように、該望遠鏡の光軸に沿ってフォーカシングレンズ９１をシフトさせることによりイメージがクロスヘア９３上にフォーカスされる。該望遠鏡はターゲットに視準するために使用される。
【０２３０】
望遠鏡ユニット１６′における更なる装置は、夫々、トラッキング装置又はトラッカーによって構成され、それはターゲット点に位置されているリフレクターを自動的に視準すべく作用し且つ、それが１つの点から別の点へ運ばれる場合にそれを追跡する。該トラッカーは、光学的放射の狭い束を射出する送信器、該束が送信方向に入射し、且つターゲットにおける反射の後に受信方向に入射する対物レンズ３１、受信オプティックス、ターゲットにより反射された且つ受信オプティックスによりその上にフォーカスされた該束の位置を検知する受信器９５、及びターゲットにより反射されて戻された光束の位置が受信器９５上で一定に止まるように望遠鏡ユニット１６′又はアリダード１２を夫々案内する閉ループ制御を有している。
【０２３１】
より詳細には、該トラッカーの送信器は、例えばレーザーダイオード等の光学的、好適には赤外の放射を射出する放射供給源９６及び第一コリメーション用オプティックス９７及びその斜めの面において放射供給源９６から進行し且つ第一コリメーターオプティックス９７によりコリメーションされる光束が対物レンズ３１の光軸の方向に反射されるプリズム９８を有する送信オプティックスを有している。該受信オプティックスは分割プリズム９９及び第二コリメーターオプティックス１００により形成されている。最後に、受信器９５は送信器からの放射に対して感応性を有する幾つかの検知要素を有している。受信器９５の場合、例えば、クオードラント（ｑｕａｄｒａｎｔ）ダイオード又はカメラ回路を使用することが可能である。
【０２３２】
該トラッカーの送信器は、放射供給源９６により射出され、第一コリメーターオプティックス９７によりコリメートされ且つプリズム９８によって対物レンズ３１の光軸上に偏向された光束を、対物レンズ３１の中心を介してターゲットへ送信する。該光束は、ターゲット、例えば、夫々、トリプルミラー又はリフレクターによってタキオメーターに向かって反射して戻され、次いで対物レンズ３１を介して再度望遠鏡ユニット１６′へ入る。ターゲットへの及び戻りの途中において、最初に幅狭であった該光束はかなり広がり、ターゲットから充分に大きな距離において、それは、その戻りにおいて、対物レンズ３１の直径全体を充たし、従ってプリズム９８上に入射することのない該光束の部分はダイクロイックミラー１０１を通過する。該送信器により射出された光束の波長は、該光束が実質的な反射なしでダイクロイックミラー１０１を通過するように選択されており、従って前記ミラーは前記光束に関して実際的に何等影響を有するものではない。ダイクロイックミラー１０１を通過した光束は、次いで、分割プリズム９９へ入る。その分割層は該送信器により射出された放射の波長において選択的に反射し、従ってそれは分割プリズム９９へ入った光束を第二コリメーターオプティックス１００の方向に偏向させるが可視光を通過させる。第二コリメーターオプティックス１００は、ターゲットにより反射された送信器からの光束をトラッカーの受信器９５上へフォーカスさせる。受信器９５上のターゲットのイメージの位置が所定の位置、例えば中心から逸れる場合には、トラッカーはこのような逸れの量及び方向に関する信号を装置制御コンピュータ（図４においては不図示）を供給し、それは、受信器９５上のイメージが再度所定の位置、この例においては中心となるように、必要な場合には、アリダード１２と共に望遠鏡ユニット１６′を回転させるべく駆動部を制御する。
【０２３３】
更に、ファインダーカメラ１０２が望遠鏡ユニット１６′内に設けられている。ファインダーカメラ１０２はカメラ対物レンズ１０３とイメージセンサー１０４とを有している。イメージセンサー１０４の信号は装置制御ユニット５１へ接続されているイメージ処理回路１０５により処理される。ファインダーカメラ１０２は、より容易に測定すべきターゲットを見つけるために使用することが可能である。ファインダーカメラ１０２は、ピンホールカメラモデルの投影中心を、原理的に、垂直軸に関して任意に位置させることが可能であるように、第一の例示的実施例において説明したのと同一の方法を使用してキャリブレートすることが可能である。
【０２３４】
距離測定装置１０６は放射をターゲットへ指向させ且つそれによって反射して戻される放射を受取ることによりターゲットからタキオメーターへの距離を測定する。距離測定装置１０６は該望遠鏡のコンポーネントにより及び更なるコンポーネントにより形成されている。図２２は明示的に図示しておらず且つ所定の波長範囲内においてパルス型の態様で赤外線放射を射出する、例えばレーザーダイオードである赤外線供給源が、送信／受信オプティックス１０７によるフォーカシングの後に、赤外線放射を該赤外線供給源からの光に対して反射性であるプリズム１０８の表面へ指向させ、且つそこからそれをダイクロイックミラー１０１へ通過させ、それは距離測定装置１０６の赤外線供給源からの赤外線に対して反射性であり、従って、該赤外線を対物レンズ３１へ偏向させる。赤外線供給源及び送信／受信オプティックス１０７は、該赤外線供給源により射出される光束が対物レンズ３１の焦点幅である対物レンズ３１からの距離にある距離測定装置１０６の光軸に沿ってフォーカスされるように配置され且つ形成されており、従って、ほぼ平行な光束が対物レンズ３１により射出され、前記光束は、次いで、例えばトリプルミラーであるリフレクター等のターゲット、又は例えば家屋の壁等の自然のターゲット上に衝突する。反射された光束は、対物レンズ３１、ダイクロイックミラー１０１、プリズム９８の表面１０８を介してターゲットからの同一の光路に沿って送信／受信オプティックス１０７へ逆に通過し、該オプティックスは該光束を距離測定装置１０６の受信要素（図２０において不図示）上にフォーカスし、該装置は該放射を検知する。従って、ターゲットへの距離は射出と受信との間のパルスの経過時間から決定され、その経過時間は対応する電子回路によって決定される。該光束は対物レンズ３１の光軸に沿って射出されるので、該望遠鏡により視準されるターゲットへの距離は該光軸上で決定される。
【０２３５】
本発明の幾つかの側面は以下に説明する別の観点から理解することが可能である。そこにおいて、タキオメーター及びタキメーターの用語は同義語として使用する。
【０２３６】
測量は、ビデオ測量器、特に、ビデオタキメーター又はビデオセオドライト、即ち接眼レンズではなく空間的に分解する検知器アレイを組み込んだカメラを具備したタキメーター又はセオドライトを益々利用している。このようなカメラの使用は、カメラのいわゆる内部及び外部配向が未知であるのでキャリブレーションの問題が関与する。内部配向は、イメージ面における２つの相互に直交する軸とこれらに垂直であり原点から眼点即ち物点から発生する全ての光線が交差する投影中心Ｏへ延在する１本の軸、及びそれらから発生する座標系により定義される。測量器のものと相対的なこの座標系の位置は外部配向により記述され、そのことは３つの並進と３つの回転とを可能とする。概して、カメラはほぼ最適なアライメントを有しており、投影中心Ｏからイメージ面上へ落される垂直位置は器械の望遠鏡システムの光軸と一致するが、上述したタイプの測量器においては、最大の精度が基本的なものであり、従って、例えば調節の残留エラーはキャリブレーション点即ちカメラモデル及びそれが取付けられている器械と相対的なカメラの位置の決定を要求する。
【０２３７】
カメラ自身をキャリブレートするために、従来技術は写真測量方法を使用している。地形写真測量におけるカメラキャリブレーションの現在最も一般的な方法は同時的キャリブレーションとして知られている。この方法の場合、カメラのキャリブレーションパラメータが物体情報の評価と共に決定される。イメージデータ評価及びキャリブレーションに対する基礎は、夫々、解析的モデルである。カメラキャリブレーションの別の方法はテストフィールドを使用する。このようなテストフィールドは信号化したターゲット、例えば照明した物点を有しており、その座標及び／又はスケールデータは既知である。該テストフィールドは、通常、３つの次元を有しており且つ異なる捕獲形態、即ちテストフィールドと相対的なカメラの位置を使用して写真を撮る。同時的キャリブレーションの方法と同じように、テストフィールドによりカメラキャリブレーションの方法は解析的モデルに基づいている。このモデルにおいては、配向のパラメータは物体情報とイメージ座標との間の機能的関係から決定される。このためにイメージング光線の交差の適切な幾何学的形状又は捕獲用の幾何学的形状及び物点を有するフィールドの空間的拡張を必要とする。物点に対して使用可能な空間が大きければ大きい程且つ特により深ければ深い程、精度がより大きく且つカメラをキャリブレートすることが可能な信頼性はより大きい。冗長な測定を行うことが有益的であり、即ち決定すべきパラメータの数を超える観測を収集することが有益的である。調節手順によって、該パラメータはより大きな信頼性を持って決定することが可能である。測地学において確立されている調節手順は最小二乗法である。
【０２３８】
どのような解析的モデルの基礎も共線方程式として知られているものにより与えられ、それはいわゆる外部空間における物点の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と所謂内部空間、即ちカメラの内部配向を記述する座標系における物点のイメージの内部座標（ｘ′，ｙ′，−ｃK）との間の関数的関係を確立する。ｃKはキャリブレートした焦点距離として、又はカメラ定数として知られており、その絶対値はイメージングオプティックスの焦点距離ｆと同等である場合がある。内部座標系におけるｘ′及びｙ′イメージ座標に対して、共線方程式は以下の如くである。
【０２３９】
【数２２】
2007514943.tif 000025
【０２４０】
座標（Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0）は外部空間における眼点即ち投影中心Ｏの位置を表わし、それは、同時に、イメージ座標系の原点である。大きさｒij、尚ｉ，ｊ＝１，．．．，３、は回転行列Ｒの要素であり、それは外部座標系と相対的なイメージ座標系の回転を記述する。このように、外部空間内の１つの点の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）はイメージ座標へ変換することが可能である。逆に、物体座標は、例えばイメージ捕獲時におけるカメラの位置から物点の距離等の更なる情報が既知でない限りイメージ座標から計算することは不可能である。座標ｘ′o及びｙ′oはカメラのイメージ面内のいわゆる主点の位置を記述する。これはイメージ面を投影中心Ｏと接続する垂線に沿っての貫通点により定義される。カメラレンズに対する許容差は、一方においては、キャリブレートした焦点距離ｃKにより、且つ、他方においては、カメラオプティックスのイメージングエラーを反映する歪みパラメータΔｘ′，Δｙ′により為される。
【０２４１】
タキメーター又はセオドライトのような測量器においてカメラが使用される場合には、内部及び外部配向のパラメータに加えて、器械特定パラメータ及び、多分、器械軸のエラーも存在しているので、既知の写真測量方法を容易に使用することは不可能である。タキメーターが使用される場合には、該器械で行われるベアリング（ｂｅａｒｉｎｇ）測定が、キャリブレーションに包含されねばならない。この問題に対するアプローチは従来技術においても知られており、恐らく最も近い従来技術はＹ．  Ｄ．  Ｈｕａｎｇによる文献である「カメラ・オン・セオドライト方法を使用してワイルドＰ３２カメラのキャリブレーション（Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｗｉｌｄ  Ｐ３２  Ｃａｍｅｒａ  ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｃａｍｅｒａ−ＯＮ−Ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ  ｍｅｔｈｏｄ）」、Ｐｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｉｃ  Ｒｅｃｏｒｄにおいて出版、１６（９１）、１９９８年である。Ｈｕａｎｇは異なる距離に配置した１個又は最大で２個の基準点を器械（この用語は測量器自身とカメラからなるシステムを示している）へ接続している。これらの基準点は異なる器械方向、即ち器械上に設定すべき水平及び垂直角度の異なる組合わせにおいてキャリブレートされるべきカメラで観察される。Ｈｕａｎｇはセオドライトを使用しているので、これら２つの点の間の距離、即ち該点と該器械との間の距離は既知でなければならない。Ｈｕａｎｇの方法の欠点は、傾斜軸及び横コリメーションエラー等の器械エラーは考慮されないままであるということである。キャリブレーションエラーはこれらの器械エラーの大きさに依存してより大きく、そのことは器械の全体的な精度を減少させる。
【０２４２】
この従来技術の状態から出発して、本発明の基礎となる課題は空間的に分解する検知器アレイを有するカメラを具備する測量器をキャリブレートする改良した方法を開発することである。
【０２４３】
空間的に分解する検知器アレイを組込んだカメラを具備する測量器をキャリブレートする方法が与えられると、該測量器は与えられた基準点Ｐi、尚ｉ＝１，．．．，Ｎ及び正の整数Ｎを相次いで視準するために使用されて、各基準点Ｐiへの距離を確立し、第一位置即ち第一面内において、該測量器に設定すべき推定角度Ｈｚl及び垂直角度Ｖlの異なる組合わせに対してカメラのイメージ面内の基準点Ｐiのイメージのイメージ座標を決定し、これらのイメージ座標を夫々の角度組合わせ（Ｈｚl，Ｖl）に関連して保存し、且つ調節手順を使用して保存したデータから測量器と相対的なカメラの位置を確立し、この問題は、該角度の組合わせの各々に対して、該測量器を垂直軸周りに２００ｇｏｎだけ回転させ且つそれを水平角度Ｈｚllに設定し、且つ該カメラを水平傾斜軸周りに回転させ且つそれをＶll＝４００ｇｏｎ−Ｖlである垂直角度Ｖllへ設定することにより第二位置即ち第二面を設定するような態様で解決している。０ｇｏｎの垂直角度は天頂の視準に対応している。第二位置即ち面において、再度、基準点Ｔiのイメージ座標が決定され且つ夫々の角度組合わせ（Ｈｚll，Ｖll）に関連して保存する。最後に、夫々、位置又は面の両方に保存した角度の組合わせのデータ、即ち夫々の角度組合わせに関連して保存したイメージ座標を使用してキャリブレーションを行う。
【０２４４】
換言すると、空間的に分解する検知器アレイを有するカメラを具備する測量器をキャリブレートする方法であって、該測量器を使用して、相次いで、所定の基準点（Ｐi）、尚ｉ＝１，．．．，Ｎ及び自然数（Ｎ）を視準し、各基準点（Ｐi）に対して、その距離を決定し、且つ、第一位置又は面において、該カメラのイメージ面における基準点（Ｐi）のイメージのイメージ座標を該測量器上に設定すべき水平角度（Ｈｚl）及び垂直角度（Ｖl）の異なる与えられた組合わせに対して決定し、且つ夫々の角度組合わせ（Ｈｚl，Ｖl）に関連して保存し、且つ該測量器と相対的なカメラの位置を該保存したデータに基づいて調節手順により決定する方法において、該角度組合わせの各々に対して、該測量器を垂直軸周りに２００ｇｏｎだけ回転させ且つそれを水平角度（ｈｚll）へ設定し、且つ該カメラを水平傾斜軸周りに回転させ且つそれをＶll＝４００ｇｏｎ−Ｖlである垂直角度（Ｖll）へ設定することによって第二位置又は面を設定し、且つ、該第二位置又は面において、同様に、基準点（Ｐi）のイメージのイメージ座標を決定し且つ夫々の角度組合わせ（Ｈｚll，Ｖll）に関連して保存し、且つ位置又は面の両方に対して保存したデータを使用してキャリブレーションを実施することを特徴とする方法が提供される。
【０２４５】
第一位置又は面において、水平角度Ｈｚl及び垂直角度Ｖlが測量器上に設定される。第二位置又は面を設定するために、該測量器を最初に、最初に設定した水平角度Ｈｚlから２００ｇｏｎ、即ち半円だけ回転させ、従って水平角度Ｈｚllは第二位置又は面において設定される。この後に、垂直角度Ｖllを次式に従って設定する。
【０２４６】
【数２３】
2007514943.tif 000026
【０２４７】
このことは、該垂直角度が設定されるスケールが垂直軸の回転に加わるという事実を可能とする。この手順において、垂直角度スケールのゼロ、即ち垂直角度が０ｇｏｎである点が天頂に位置決めされ、そのことは、この角度が設定されると、カメラオプティックスが垂直上方に向くことを意味する。
【０２４８】
この手順において、角度組合わせの各々に対して第一位置又は面において測定した後に直接的に第二位置又は面を設定するか、又は第一位置又は面内において全ての測定を行い、次いで第二位置又は面内において全ての測定を行うかということは問題ではない。一般的に、後者のオプションが好適であり、というのは、測量器が広範囲の回転によりストレスがかけられることがより少ないからである。
【０２４９】
拡張した数学的モデルと共に、この方法はキャリブレーションにおいてより高い精度を達成することを可能とする。ここにおいての基礎も共線方程式により訂正され、その差異は、外部空間における投影中心及び物点の両方が極座標で記述されるということである。測量器の使用から発生する付加的なパラメータは、その乗算が合計の回転行列を発生する更なる回転行列により写真測量モデルにおいて部分的に許容される。カメラが測量器と剛的に接続されているので、カメラは、垂直軸及び／又は水平傾斜軸周りの測量器の回転に参画する。測量器は角度測定システムが設けられているので、２つの回転角度は直接的に測定される。回転の効果を有する一定の角度の逸れを許容することが更に必要である。これらは、チルト即ち傾斜動作が垂直軸と直角でない場合に発生する測量器の傾斜軸エラー、及びその効果が横コリメーションエラーのものに対応する投影中心の理論的視準軸からの横方向の逸れを包含している。
【０２５０】
本発明の好適実施例においては、基準点Ｐiが測量器から異なる距離において与えられるか又は位置される。このように、キャリブレーションの精度を更に増加させることが可能である。本方法の精度は、空間的深さにおいて該点が互いにより離れていればいる程一層高い。
【０２５１】
本方法の特に好適な実施例において、基準点Ｐiは、コリメーター及びコリメーターレンズ又はコリメーター対物レンズとその焦点距離との間でシフトさせることが可能なフローティングマークによって与えるか又は位置される。従来技術は、しばしば、調節及び測定手順のために測地装置と共にコリメーターを使用する。コリメーターは、平行な光線を射出し且つ光学的無限に存在する点を有限距離へ投影するという特徴を有している。フローティングマーク、何等かのその他の形状のスリット又は絞りがコリメーターの焦点に設けられている。延長部を具備するコリメーターの場合には、フローティングマークをコリメーターレンズ又は対物レンズとコリメーターレンズ又は対物レンズの焦点との間でシフトさせることが可能である。そのシフト量は、通例、ミクロン精度で読取ることが可能である。焦点及び焦点距離と相対的なシフト量から、仮想の正立イメージのイメージ距離を設定することが可能である。このイメージをキャリブレートすべき測量器で観察する。測量器の垂直軸からコリメーターレンズ又は対物レンズの主焦点面への距離とイメージ距離との和から、測量器とコリメーターにより形成される仮想基準点との間の最終的な距離が得られる。従って、コリメーターは、２０００ｍ又はそれ以上の大きな距離にある基準点を形成するために使用することが可能であり、一方、コリメーターなしでこのような距離に基準点を形成することは困難であり、障害物を見ることなしにこのような距離を見つけることは極めて困難であり、測定を阻害する場合のある付加的なファクタは空気の乱れのような大気現象である。更に、ほぼ寸法が等しい夫々のイメージ点を得るために異なる距離に対して異なる寸法の基準点が必要とされる場合がある。従って、殆ど空間をとることがなく且つほぼ自動化することが可能であるので、コリメーターによるキャリブレーションは、製造業者による仕上げられた器械のキャリブレーションにとって特に適している。最後に、通例複数のピクセルから構成されるカメラの空間的に分解する検知器アレイは、しばしば、周辺光による影響に露呈されるので、この方法はキャリブレーションを環境条件から独立したものとさせる。
【０２５２】
本方法の別の実施例においては、角度の組合わせが予め定められているか又はグリッドにより与えられる。このグリッドは、角度の組合わせを表わす位置が設定される場合に、基準点がイメージ全体にわたって可及的に均一であるように分布されるように選択される。
【０２５３】
本方法の更に別の実施例においては、該グリッドにおける１つの位置に対応する角度組み合わせの各々に対して、測量器のこの位置に設定することは、この位置からのランダムな逸れの決定及びそれを許容することを包含している。このランダムな逸れは、いずれの方向においても、その方向における２つのグリッド位置の間の距離の半分よりもより小さいものとすることが可能である。このように、調節計算期間中にのみ検知されることのある存在する可能性のあるシステマチックエラーを減少させることが可能である。いずれの方向においても２つの隣接するグリッド位置の間の距離の半分よりも該エラーがより大きくなることを許容しないことが好都合であり、そうでない場合には、基準点のイメージの分布の均一性が実質的に阻害されることとなる。各角度の組合わせのランダムなエラーは第一及び第二位置又は面に対して等しいものであることは必要ではなく且つ別々に設定することが可能である。即ち、各角度の組合わせに対して、ランダムな逸れは第一及び第二位置又は面に対して別々に決定することが可能である。その決定は、例えば、擬似乱数のシーケンスを使用する計算により行うことが可能である。
【０２５４】
タキメーターが使用される場合には、電気光学的距離測定により基準点Ｐiへの距離を決定することが有益的である。
【０２５５】
以後、図２３乃至２６を参照し且つタキメーターの形態における実施例を参照して本発明の別の例示的実施例について詳細に説明する。
【０２５６】
図２３は、先ず第一に、本発明に基づく方法を実施するために使用することが可能なタキメーターの構成を模式的に示している。固定した下部部分２０１の上に配置して万能取付装置である上部部分２０２が支持されており、それはここで断面で示してあり、軸受２０３を介して垂直軸周りに回転させることが可能である。上部部分２０２の回転は、水平駆動部２０４によって行うことが可能である。水平のグレードをつけた円２０５上に設定される角度Ｈｚl又はＨｚllが水平検知ヘッド２０６を介して自動的に記録され且つ制御及びデータ解析ユニット（不図示）へ送信される。カメラの機能を有する望遠鏡本体２０７も示されており、それは上部部分２０２と接続されている軸受２０８を介して傾斜軸周りに回転可能に装着されている。望遠鏡本体２０７は対物レンズ２０９と、フォーカシングレンズと、例えばＣＣＤアレイである検知器アレイとを包含している。望遠鏡本体２０７の回転は、垂直駆動部２１０により行うことが可能である。垂直のグレイドを付けた円２１１上に設定される角度Ｖl又はＶllは垂直検知ヘッド２１２を介して制御・データ解析ユニットへ送信される。
【０２５７】
図２４は上位の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に関連した座標（ｘ′，ｙ′，−ｃK）を有するイメージ座標系を示している。この図は、上位の座標系の原点がタキオメーター又はセオドライト上に設定する水平角度が読取られる水平円の中心に位置していることを示しており、というのは、前記座標系は空間においてその位置を変化しないからであり、然しながら、実際には、前記原点は垂直軸と傾斜軸と視準軸との交点（タキオメーターの中心）に位置している。上位座標系のＺ軸は測量器の垂直軸と一致しており、且つＹ軸は水平円上にマーク付けされているゼロ方向と一致している。イメージ座標系の原点はイメージ面内における座標ｘ′0及びｙ′0を有する主点Ｈ′であり、この主点は投影中心Ｏに対する接続線の貫通点によって定義され、この線はイメージ面に対して垂直である。更に、角度κ，φ，ωの３つの回転が示されており、それらはタキオメーターのどのようなエラー及び方向とも独立しており且つ、基本的に、視準オプティックスと相対的なカメラの装着により与えられる。それらは次式の回転行列により記述される。
【０２５８】
【数２４】
2007514943.tif 000027
【０２５９】
主点Ｈ′と投影中心Ｏとの間の距離はキャリブレートされた焦点距離ｃKである。
【０２６０】
Ｚ軸は傾斜軸と交差し、その周りに垂直軸の回転が行われる。傾斜軸エラーのために、実線として図２４に示した実際の傾斜軸は点線で示した理論的な傾斜軸から逸れている。傾斜軸と測量器の垂直軸の非直交性の間の角度の逸れをｉで示してある。同様に、イメージを捕獲する方向に対応しており且つ図面においてイメージ座標系の−ｚ′軸として示してある実際の視準軸は破線で示した理論的な視準軸から逸れている。更に、投影中心Ｏは垂直軸と傾斜軸との交差点により定義される器械中心と一致するものではないので、モデルを完成し且つ完全な回転行列を得るために更なるパラメータを導入せねばならない。パラメータＳ0は器械中心から投影中心Ｏへの斜めの距離を記述する。パラメータｃ0は傾斜軸と直交する理論的な視準軸からの投影中心Ｏの角度の逸れを記述し、且つパラメータｚ0は配向された理論的な視準軸からの投影中心Ｏの垂直角度の逸れを記述する。更なる重要な特性について図２５及び２６において説明する。図２５には測量器から読取られた水平角度Ｈｚl/llが示されており、インデックス「ｌ／ｌｌ」は、これが第一位置又は面において読取った水平角度Ｈｚl又は第二位置又は面において読取った角度Ｈｚllのいずれでも良いことを意味している。水平角度Ｈｚl/llの値は測量器内側の検知ヘッドの位置に依存し、それは、ここでは、距離ａでマーク付けしてある。角度ｃFは望遠鏡本体の機械的な軸の理論的な視準軸からの角度の逸れ、即ち傾斜軸との直交性からの角度の逸れである。望遠鏡本体の機械的な軸は対物レンズ、摺動レンズ及び接眼レンズ等の光学的コンポーネントの中心性により定義される。該光学的コンポーネントが理想的に中心位置決めされ且つ整合されている場合には、この軸は望遠鏡本体の光軸と一致する。ｃFは古典的な横コリメーションエラーのように作用し、それは専らカメラに関して作用し且つ投影中心に作用するものではない。この図中には、又、物点Ｐと座標（ｘ′P，ｙ′P，−ｃK）を有するイメージ面内のそれに対応するイメージ点Ｐ′が示されている。最後に，図２６においては、垂直面が示されており、それは垂直軸に関して読取られた垂直方向Ｖl/llであり、この方向は角度の形態で示してある。この場合も、インデックス「ｌ／ｌｌ」は、これらが第一位置又は面において読取った垂直角度Ｖlか又は第二位置又は面において読取った垂直角度Ｖllのいずれでも良いことを意味している。
【０２６１】
これらの表記方法でもって、投影中心Ｏの座標は以下のようになる。
【０２６２】
【数２５】
2007514943.tif 000028
【０２６３】
次いで、これらは共線方程式において使用される。
【０２６４】
測量器内に組込んだカメラのイメージ座標系の全体的な回転に対する回転行列を得るために、７つの回転が相次いで実行される。最初の回転はアリダードの回転であり、即ち垂直軸周りの測量器の回転である。この回転は間接的に角度Ｈｚl/llと結合される。然しながら、ここで、角度ｉで記述される測量器の傾斜軸の潜在的エラー、及び傾斜軸との直交性からの望遠鏡本体の軸の逸れｃFの影響を考慮に入れることが必要である。これは改良された水平角度Ｈｚkとなる。
【０２６５】
【数２６】
2007514943.tif 000029
【０２６６】
Ｖ0＝Ｖl/ll＋ｚ0は投影中心の垂直角度を示している。イメージ座標系のｚ′軸周りに角度−ＨｚKだけ回転が行われると、結果的に次式の回転行列が得られる。
【０２６７】
【数２７】
2007514943.tif 000030
【０２６８】
垂直軸周りのアリダードの回転を完了し、且つ更なる機械的な運動が行われない場合には、傾斜軸エラーは回転としてイメージ座標系に関し作用する。
【０２６９】
この回転は，第一の回転に参加したｙ′軸周りの角度ｉだけの第二回転として実行される。この配置において、傾斜軸がほぼｘ′軸と平行であるものと仮定すると、結果的に得られる回転行列は以下のものである。
【０２７０】
【数２８】
2007514943.tif 000031
【０２７１】
考慮すべき次の回転は、垂直角度によるイメージ座標系の回転である。この回転は、測量器上で測定した方向Ｖl/llに直接的に関連付けることが可能であり、補正ｚ0を可能とする。原理的には、イメージ座標系はｘ′軸周りに２００ｇｏｎだけ回転される。その回転行列は以下の通りである。
【０２７２】
【数２９】
2007514943.tif 000032
【０２７３】
次の回転は、これも内部的にのみ作用するものであるが、望遠鏡本体の軸の逸れｃFにより行われる。この場合における回転行列は以下の通りである。
【０２７４】
【数３０】
2007514943.tif 000033
【０２７５】
これに続いて上述した角度κ，φ，ω周りの３つの回転があり、それらも内部的なもののみである。次いで、全体的な回転行列Ｒは正しい順番におけるこれら回転行列の相次ぐ乗算となり、即ち次式の如くである。
【０２７６】
【数３１】
2007514943.tif 000034
【０２７７】
このように、器械特定パラメータを考慮し且つ方向測定の助けを借りて測量器内に組み込んだカメラの回転を任意的に記述することが可能である。回転行列Ｒの要素ｒi,jは、共線方程式に対する入力量としても使用される。
【０２７８】
３００ｍｍの焦点距離及び１００ｍにおける固定した焦点を有しており１″の角度測定精度を具備する器械に適合させたカメラをキャリブレートするために、例えば２０ｍ、８０ｍ、５００ｍの距離における３つの点及び８×６個の位置からなるグリッド内に配置された望遠鏡位置あたり全部で４８個の角度組合わせを使用し、角度の組合わせあたり３０個の測定値であり、その場合にランダムな逸れが０．０５ピクセルを超えるものではない場合に、測量器を垂直及び水平方向において約１″の方向測定の精度にキャリブレートすることが可能である。従来のキャリブレーション方法による長焦点カメラをキャリブレートすることの試みはこれまでのところ失敗している。
【０２７９】
ここで注意すべきことであるが、この態様のキャリブレーションは、又、器械方向をイメージ座標から派生することを可能とする。従って、視準軸の外側において方向測定を行うことが可能である。このキャリブレーションに起因して、投影中心は器械の任意の位置においてカーティシアン座標により計算することが可能である。次式を使用して、
【０２８０】
【数３２】
2007514943.tif 000035
【０２８１】
測定したイメージ座標をタキメーターの座標系へ変換することが可能である。ＰT′はタキメーター座標系へ変換した測定したイメージ座標でのベクトルである。投影中心Ｏ及び点ＰT′は、両方共、タキメーターに関する座標で既知であり、且つ結像光線ｇを定義する。これはタキメーター中心と交差するものではないので、タキメーター中心からの物点Ｐの距離（近似的な距離）がタキメーター中心を参照する厳格な方向の逸れに対して与えられねばならない。この距離はタキメーター中心周りに延在しており且つ結像光線ｇにより交差される球の半径として使用される。このように、２つの座標トリプレットが得られそれは、カメラの機能を有する望遠鏡本体の位置に依存して、方向計算のために使用することが可能である。タキメーター中心が結合光線に近ければ近いほど、この方法は与えられた距離からの依存性はより少なくなる。本方法をタキメーターを使用して上に説明したが、本明細書に記載した前提条件を満足する限り、それは、又、セオドライト等のその他の測量器又はいわゆるスキャナと共に使用することが可能である。
【０２８２】
このようにして、カメラのキャリブレーションを実施すると、写真測量視準軸を定義することも可能であり、即ち、投影中心Ｏを傾斜軸及び垂直軸の交点により形成される測量器中心と接続する直線としてである。然しながら、この視準軸は図２５に示した実際の視準軸と同一ではない。イメージ面における写真測量視準軸の貫通点がクロスヘアの位置を決定し、そこにおいて、古典的な横コリメーションエラー及び垂直高さインデックスエラーはその距離に沿って一定である。パラメータ推定期間中に決定されない限り、投影中心の横及び垂直の逸れは、横及び垂直コリメーションの古典的なエラーが該距離に沿って変換することのないピクセルで測定することが可能である。
【０２８３】
物点がこのようにして定義されたクロスヘアで視準されると、クロスヘアと、タキオメーター中心と、投影中心Ｏと、物点Ｐは直線上に位置し、この直線は写真測量結像光線と一致する。
【０２８４】
横コリメーションエラー及び垂直高さインデックスエラーがゼロに等しいイメージ面におけるその点として従来の器械において定義されるクロスヘアの位置は、同一の態様で、カメラの検知器表面上の１個のピクセルへ割当てることが可能であり、光学的コンポーネントの中心位置決めがあまりよくない場合には、このピクセルは、最悪の場合に、距離と共に変化する場合がある。
【図面の簡単な説明】
【０２８５】
【図１】対応する座標系と物点と共にタキオメーターを示した模式的斜視図。
【図２Ａ】コリメーションエラーを有する図１に示したタキオメーターの平面図。
【図２Ｂ】傾斜軸エラーを有する図１に示したタキオメーターの正面図。
【図２Ｃ】垂直高さインデックスエラーを有する図１に示したタキオメーターの側面図。
【図３】ビデオタキオメーターを示した簡単化した斜視図。
【図４】本発明と共に使用するビデオタキオメーターを示した正面図。
【図５】図４におけるビデオタキオメーターの望遠鏡ユニットを示した側面図。
【図６】図４におけるビデオタキオメーターの模式的ブロック図。
【図７】データ処理システムと延長可能なコリメーターと共に図４におけるビデオタキオメーターを示した模式図。
【図８】図７におけるコリメーターの模式的断面図。
【図９】ピンホールカメラモデルを例示した概略図。
【図１０】本発明の第一の例示的な好適実施例に基づく方法におけるキャリブレーション方法において使用する軸及びイメージ面の配置及び座標系を例示した斜視図。
【図１１】図１０における配置の平面図。
【図１２】図１１における配置の側面図。
【図１３】本キャリブレーション方法の概略を示したフローチャート。
【図１４】図１３における方法のセクションＳ１におけるキャリブレーション点のイメージの発生を例示したフローチャート。
【図１５】図１４に示した方法のステップＳ７における１個の点のイメージの発生を例示したより詳細なフローチャート。
【図１６】仮想イメージ点の仮想距離の計算を例示した概略図。
【図１７】図４乃至６におけるビデオタキオメーターの第一イメージセンサーの１つのセクション及びイメージセンサーの該セクションをカバーする複数個のセルからなる配置を示した概略図。
【図１８】本発明の第二の好適な例示的実施例に基づく方法を使用して図４乃至６におけるビデオタキオメーターをキャリブレートするためのセットアップを示した概略図。
【図１９】器械中心に関する方法の計算を例示した概略図。
【図２０】図１におけるビデオタキオメーターのディスプレイ及び該ディスプレイ上に表示される写真測量視準軸を表わすマークを示した概略図。
【図２１】本発明の別の例示的実施例に基づく方法を説明するための概略図。
【図２２】図１３乃至１５における方法によってキャリブレートすることが可能な別のビデオタキオメーターの望遠鏡ユニットを示した概略断面側面図。
【図２３】更に別のタキオメーターの構成を示した概略図。
【図２４】２つの座標系と主要な回転を示した概略図。
【図２５】水平軸を包含する水平面における基本的な関係を示した概略図。
【図２６】垂直軸を包含する垂直面内の基本的な関係を示した概略図。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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