(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定点の三次元位置を計測するための三次元位置計測システムであって、
測定点に設置される指示棒と、
前記測定点から前記指示棒の軸方向上に既知の第１の固定長ずれる位置に固定されたプリズムと、
解析パターンを有し、前記解析パターンを前記指示棒の軸方向と垂直な面で前記指示棒の軸方向前後に前記プリズムから既知の第２の固定長ずれる位置に固定する傾斜ケースと、
前記プリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、を備え、
前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置と、前記画像撮像部にて前記傾斜ケースを撮像して得た画像から得た前記指示棒の傾斜方向と、前記第１の固定長と、から前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
【請求項２】
測定点の三次元位置を計測するための三次元位置計測システムであって、
測定点に設置される指示棒と、
前記測定点から前記指示棒の軸方向上に既知の第１の固定長ずれる位置に固定されたプリズムと、
解析パターンを有し、前記解析パターンを前記指示棒の軸方向と垂直な面で前記指示棒の軸方向前後に前記プリズムから既知の第２の固定長ずれる位置に固定する傾斜ケースと、
前記プリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、前記プリズムの周囲風景を撮影する画像撮像部と、前記プリズムを撮影するプリズム撮像部とを有する測量機と、を備え、
前記プリズム撮像部にて前記プリズムを撮像し、前記プリズムを視準して、前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置、前記画像撮像部にて前記傾斜ケースを撮像して得た画像から得た前記指示棒の傾斜方向、および前記第１の固定長から、前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
【請求項３】
前記三次元位置計測システムは、
前記測距部および前記測角部で前記プリズムのプリズム中心の三次元位置を取得し、
前記傾斜ケースを撮像して得た画像を解析して前記解析パターンのパターン中心を算出し、
前記画像上での前記パターン中心と前記プリズム中心とから前記傾斜ケースの位置方向を算出し、
前記傾斜ケースの位置方向上で前記プリズム中心の三次元位置からの距離が前記第２の固定長となる点である前記パターン中心の三次元位置を算出し、
前記プリズム中心の三次元位置から、前記パターン中心の三次元位置と前記プリズム中心の三次元位置とを通る直線に沿う方向に、前記第１の固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元位置計測システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の三次元位置計測システムで使用される指示棒であって、
前記測定点から前記指示棒の軸方向上に既知の第１の固定長ずれる位置にプリズムが固定され、
解析パターンを有し、前記解析パターンを前記指示棒の軸方向と垂直な面で前記指示棒の軸方向前後に前記プリズムから既知の第２の固定長ずれる位置に固定する傾斜ケースが形成された指示棒。
【請求項５】
測定点の三次元位置を計測するための三次元位置計測方法であって、
測定点に設置される指示棒と、
前記測定点から前記指示棒の軸方向上に既知の第１の固定長ずれる位置に固定されたプリズムと、
解析パターンを有し、前記解析パターンを前記指示棒の軸方向と垂直な面で前記指示棒の軸方向前後に前記プリズムから既知の第２の固定長ずれる位置に固定する傾斜ケースと、
前記プリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、を用いて、
前記測距部および前記測角部で前記プリズムのプリズム中心の三次元位置を取得するプリズム位置取得工程と、
前記傾斜ケースを撮像して得た画像を解析して前記解析パターンのパターン中心を算出するパターン中心算出工程と、
前記画像上での前記パターン中心と前記プリズム中心とから前記傾斜ケースの位置方向を算出するモジュール位置算出工程と、
前記傾斜ケースの位置方向上で前記プリズム中心の三次元位置からの距離が前記第２の固定長となる点である前記パターン中心の三次元位置を算出するパターン中心位置算出工程と、
前記プリズム中心の三次元位置から、前記パターン中心の三次元位置と前記プリズム中心の三次元位置とを通る直線に沿う方向に、前記第１の固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測する測定点計測工程と、
を有することを特徴とする三次元位置計測方法。
【請求項６】
測定点の三次元位置を計測するための三次元位置計測システムであって、
測定点に設置される指示棒と、
前記測定点から前記指示棒の軸方向上に既知の第１の固定長ずれる位置に固定されたターゲットと、
解析パターンを有し、前記解析パターンを前記指示棒の軸方向と垂直な面で前記指示棒の軸方向前後に前記ターゲットから既知の第２の固定長ずれる位置に固定する傾斜ケースと、
前記ターゲットまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、を備え、
前記傾斜ケースおよび前記ターゲットを撮像して得た画像を解析して前記解析パターンのパターン中心および前記ターゲットのターゲット中心を算出し、
前記測距部および前記測角部で前記ターゲット中心の三次元位置を取得し、
前記画像上での前記パターン中心と前記ターゲット中心とから前記傾斜ケースの位置方向を算出し、
前記傾斜ケースの位置方向上で前記ターゲット中心の三次元位置からの距離が前記第２の固定長となる点である前記パターン中心の三次元位置を算出し、
前記ターゲット中心の三次元位置から、前記パターン中心の三次元位置と前記ターゲット中心の三次元位置とを通る直線に沿う方向に、前記第１の固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
【請求項７】
測定点の三次元位置を計測するための三次元位置計測システムであって、
測定点から既知の第１の固定長ずれる位置に固定されたプリズムと、
解析パターンを有し、前記解析パターンを前記測定点と前記プリズムのプリズム中心を結ぶ線と垂直な面かつ前記第１の固定長と同方向前後に前記プリズムから既知の第２の固定長ずれる位置に固定される傾斜ケースと、
前記プリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、を備え、
前記測距部および前記測角部で前記プリズム中心の三次元位置を取得し、
前記傾斜ケースを撮像して得た画像を解析して前記解析パターンのパターン中心を算出し、
前記画像上での前記パターン中心と前記プリズム中心とから前記傾斜ケースの位置方向を算出し、
前記傾斜ケースの位置方向上で前記プリズム中心の三次元位置からの距離が前記第２の固定長となる点である前記パターン中心の三次元位置を算出し、
前記プリズム中心の三次元位置から、前記パターン中心の三次元位置と前記プリズム中心の三次元位置とを通る直線に沿う方向に、前記第１の固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定点の三次元位置を計測するためのシステムであって、特に、測定点から既知の固定長ずれた位置にプリズムが固定された指示棒を用いて測定点の三次元位置を計測するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
測量、計測、またはＢＩＭ（Building Information Modeling）の分野では、一般的に、測距および測角を行う測量機と再帰反射型のプリズムを利用して、測定点の三次元位置を計測する。ただし、プリズムには所要の大きさがあることから、測定点に直接プリズムの光学的な反射点を設置することができない。このため、一般的に、プリズムを指示棒（または指示台）に固定する手法が採られている。
【０００３】
詳細には、指示棒の先端を測定点に設置し、指示棒に測定点から既知の固定長だけずらした位置にプリズムを固定し、気泡管等を使用して指示棒の鉛直状態を確保してプリズムの三次元位置計測を行い、この計測値に対し、上記の固定長分だけ鉛直下方に移動して測定点の三次元位置を演算する。しかし、この手法は、部屋の角など、指示棒を傾斜させなければならない場合には使用できなかった。
【０００４】
これに対し、測定点から指示棒を傾斜させた状態であっても計測が行える三次元位置計測システムがある。例えば特許文献１では、指示棒上に、既知の長さ分だけ離間させた二点に反射プリズムを固定して、二点のプリズムに対し測定し、二点の三次元位置から測定点の位置を演算している。また、特許文献２では、指示棒に入射角センサと傾斜センサとを備え、これらセンサの値を利用して測定点の位置を演算している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７３５４２２号
【特許文献２】特開２０１０−２２３７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の構成では、二点を同時に測定することができないため、二点の測定中はプリズムを静止させるという作業制約があった。また、プリズムが遠距離にあるときは、二つのプリズム間の距離を離さなければならない等の不都合があった。特許文献２の構成では、新たなセンサの搭載が必要であり高価であった。
【０００７】
本発明は、前記問題を解決するため、測定点から指示棒を傾斜させた状態であっても、特段の作業制約なく計測が行える三次元位置計測システ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】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明のある態様に係る三次元位置計測システムでは、測定点に設置される指示棒と、前記測定点から前記指示棒の軸方向上に既知の第１の固定長ずれる位置に固定されたプリズムと、解析パターンを有し、前記解析パターンを前記指示棒の軸方向と垂直な面で前記指示棒の軸方向前後に前記プリズムから既知の第２の固定長ずれる位置に固定する傾斜ケースと、前記プリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、を備え、前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置と、前記画像撮像部にて前記傾斜ケースを撮像して得た画像から得た前記指示棒の傾斜方向と、前記第１の固定長と、から前記測定点の三次元位置を計測する。
【０００９】
または、ある態様に係る三次元位置計測システムでは、測定点に設置される指示棒と、前記測定点から前記指示棒の軸方向上に既知の第１の固定長ずれる位置に固定されたプリズムと、解析パターンを有し、前記解析パターンを前記指示棒の軸方向と垂直な面で前記指示棒の軸方向前後に前記プリズムから既知の第２の固定長ずれる位置に固定する傾斜ケースと、前記プリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、前記プリズムの周囲風景を撮影する画像撮像部と、前記プリズムを撮影するプリズム撮像部とを有する測量機と、を備え、前記プリズム撮像部にて前記プリズムを撮像し、前記プリズムを視準して、前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置、前記画像撮像部にて前記傾斜ケースを撮像して得た画像から得た前記指示棒の傾斜方向、および前記第１の固定長から、前記測定点の三次元位置を計測する。
【００１０】
上記態様において、前記三次元位置計測システムは、前記測距部および前記測角部で前記プリズムのプリズム中心の三次元位置を取得し、前記傾斜ケースを撮像して得た画像を解析して前記解析パターンのパターン中心を算出し、前記画像上での前記パターン中心と前記プリズム中心とから前記傾斜ケースの位置方向を算出し、前記傾斜ケースの位置方向上で前記プリズム中心の三次元位置からの距離が前記第２の固定長となる点である前記パターン中心の三次元位置を算出し、  前記プリズム中心の三次元位置から、前記パターン中心の三次元位置と前記プリズム中心の三次元位置とを通る直線に沿う方向に、前記第１の固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測してもよい。
【００１１】
上記態様の三次元位置計測システムにおいて使用される指示棒は、前記測定点から前記指示棒の軸方向上に既知の第１の固定長ずれる位置にプリズムが固定され、解析パターンを有し、前記解析パターンを前記指示棒の軸方向と垂直な面で前記指示棒の軸方向前後に前記プリズムから既知の第２の固定長ずれる位置に固定する傾斜ケースが形成されていてもよい。
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明のある態様に係る三次元位置計測方法は、測定点に設置される指示棒と、前記測定点から前記指示棒の軸方向上に既知の第１の固定長ずれる位置に固定されたプリズムと、解析パターンを有し、前記解析パターンを前記指示棒の軸方向と垂直な面で前記指示棒の軸方向前後に前記プリズムから既知の第２の固定長ずれる位置に固定する傾斜ケースと、前記プリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、を用いて、前記測距部および前記測角部で前記プリズムのプリズム中心の三次元位置を取得するプリズム位置取得工程と、前記傾斜ケースを撮像して得た画像を解析して前記解析パターンのパターン中心を算出するパターン中心算出工程と、前記画像上での前記パターン中心と前記プリズム中心とから前記傾斜ケースの位置方向を算出するモジュール位置算出工程と、  前記傾斜ケースの位置方向上で前記プリズム中心の三次元位置からの距離が前記第２の固定長となる点である前記パターン中心の三次元位置を算出するパターン中心位置算出工程と、前記プリズム中心の三次元位置から、前記パターン中心の三次元位置と前記プリズム中心の三次元位置とを通る直線に沿う方向に、前記第１の固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測する測定点計測工程と、を有していてもよい。
【００１３】
または、ある態様に係る三次元位置計測システムでは、測定点に設置される指示棒と、前記測定点から前記指示棒の軸方向上に既知の第１の固定長ずれる位置に固定されたターゲットと、解析パターンを有し、前記解析パターンを前記指示棒の軸方向と垂直な面で前記指示棒の軸方向前後に前記ターゲットから既知の第２の固定長ずれる位置に固定する傾斜ケースと、前記ターゲットまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、を備え、前記傾斜ケースおよび前記ターゲットを撮像して得た画像を解析して前記解析パターンのパターン中心および前記ターゲットのターゲット中心を算出し、前記測距部および前記測角部で前記ターゲット中心の三次元位置を取得し、前記画像上での前記パターン中心と前記ターゲット中心とから前記傾斜ケースの位置方向を算出し、前記傾斜ケースの位置方向上で前記ターゲット中心の三次元位置からの距離が前記第２の固定長となる点である前記パターン中心の三次元位置を算出し、前記ターゲット中心の三次元位置から、前記パターン中心の三次元位置と前記ターゲット中心の三次元位置とを通る直線に沿う方向に、前記第１の固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。
【００１４】
または、ある態様に係る三次元位置計測システムでは、測定点から既知の第１の固定長ずれる位置に固定されたプリズムと、解析パターンを有し、前記解析パターンを前記測定点と前記プリズムのプリズム中心を結ぶ線と垂直な面かつ前記第１の固定長と同方向前後に前記プリズムから既知の第２の固定長ずれる位置に固定される傾斜ケースと、前記プリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、を備え、前記測距部および前記測角部で前記プリズム中心の三次元位置を取得し、前記傾斜ケースを撮像して得た画像を解析して前記解析パターンのパターン中心を算出し、前記画像上での前記パターン中心と前記プリズム中心とから前記傾斜ケースの位置方向を算出し、前記傾斜ケースの位置方向上で前記プリズム中心の三次元位置からの距離が前記第２の固定長となる点である前記パターン中心の三次元位置を算出し、前記プリズム中心の三次元位置から、前記パターン中心の三次元位置と前記プリズム中心の三次元位置とを通る直線に沿う方向に、前記第１の固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、指示棒が傾斜していても、測定点に指示棒の先端を設置するだけで、測定点の三次元位置を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施の形態に係る三次元位置計測システムの全体構成を示す斜視図である。
【図２】測量機の内部構成を示すブロック図である。
【図３】本実施の形態に係る指示棒の構成を示す右方斜視図である。
【図４】同指示棒の計測状態の平面図である。
【図５】測量機から指示棒を見た図であって、（ａ）は指示棒の軸方向が視線方向と一致しているときの状態を示す図、（ｂ）は指示棒の軸方向が視線方向からずれたときの状態を示す図である。
【図６】三次元位置計測システムの計測フロー図であり、（ａ）は基本形のフロー、（ｂ）は自動追尾を行う場合のフローである。
【図７】三次元位置を算出するフロー図である。
【図８】ビジュアル画像の例である。
【図９】計測手法のイメージ図である。
【図１０】解析パターンの変形例である。
【図１１】傾斜ケースの変形例である。
【図１２】傾斜ケースの変形例である。
【図１３】傾斜ケースの変形例である。
【図１４】図１３の変形例に係る三次元位置を算出するフロー図である。
【図１５】ビジュアル画像の例である。
【図１６】ビジュアル画像の例である。
【図１７】図１３の変形例に係る計測手法のイメージ図である。
【図１８】本実施の第２の形態に係る指示棒の構成を示す右方斜視図である。
【図１９】第２の実施形態に係る測量機の内部構成を示すブロック図である。
【図２０】第２実施形態に係る三次元位置計測システムの計測フロー図であり、（ａ）は基本形のフロー、（ｂ）は自動追尾を行う場合のフローである。
【図２１】第３の実施形態に係る構成を示す右方斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
（システム全体）
図１は本実施の形態に係る三次元位置計測システムの全体構成を示す斜視図である。三次元位置計測システム１は、測量機２と、プリズム３と、指示棒４と、傾斜ケース５を備える。指示棒４は、先端を測定点Ｘに設置して使用される。測量機２は、三脚６を用いて既知の点に据え付けられる。なお、矢印ｅは測量機２の視線方向を示している。
【００１９】
（測量機）
測量機２は、自動追尾可能なモータドライブトータルステーションである。図２は測量機２の内部構成を示すブロック図である。
【００２０】
測量機２は、水平角検出器１１と、鉛直角検出器１２と、傾斜センサ１３と、操作部１４と、水平回転駆動部１５と、鉛直回転駆動部１６と、演算制御部１７と、記憶部１８と、通信部１９と、ＥＤＭ２０と、プリズム撮像部２１と、画像撮像部２２と、表示部２３と、走査部２４と、第２の画像撮像部２５を備える。
【００２１】
ＥＤＭ（光波測距儀）２０は、プリズム３を視準して赤外レーザ等の測距光を出射し、プリズム３までの測距を行う測距部である。走査部２４は、測距光とは異なる波長の赤外レーザ等の走査光を出射して、プリズム３を探索走査する。水平回転駆動部１５および鉛直回転駆動部１６は、ＥＤＭ２０を収容した筐体を水平および鉛直方向に回転駆動させるモータである。水平角検出器１１および鉛直角検出器１２は、ロータリーエンコーダであり、ＥＤＭ２０を収容した筐体の水平方向および鉛直方向の回転角度をそれぞれ求め、視準光軸の水平角および鉛直角を求める測角部である。傾斜センサ１３は、ＥＤＭ２０の筐体の傾斜を検出し水平に整準するために使用される。
【００２２】
記憶部１８には、ＥＤＭ２０を制御して測距測角を行う為のプログラム、操作部１４から入力される信号に基づき水平回転駆動部１５および鉛直回転駆動部１６を駆動する為のプログラム、通信を制御する為のプログラム、プリズム３の自動視準、自動追尾を行う為のプログラム、後述する画像処理プログラム、後述する測定点Ｘの三次元位置を算出するための演算プログラム等の各種プログラムが格納されている。操作部１４からは、上記プログラムに要する各種操作が行える。演算制御部１７は、上記プログラムらを実行し、各種演算および各種制御を行う。通信部１９は、外部無線機等から指示信号を受信する。演算制御部１７は、外部から指示された場合、測定点の方向にＥＤＭ２０を回転駆動させ、自動追尾の開始／停止等も行う。表示部２３は、各種表示や計測値等を表示する。
【００２３】
プリズム撮像部２１および画像撮像部２２は、画像信号を出力するイメージセンサであり、例えばＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等、画素（ピクセル）の集合体で構成されている。画像撮像部２２は、プリズム３の周囲風景（プリズム３も含めた風景）を撮影する。プリズム撮像部２１は、走査光の波長のみを通すフィルタが設けられており、プリズム３によって反射された走査部２４からの走査光を受光することで、プリズム３のみを好適に撮影するように構成されている。第２の画像撮像部２５は、任意の構成要素であり、画像撮像部２２よりも広角のものである。用途は後述する。
【００２４】
なお、上記は測量機２の構成の一例であり、当業者の知識に基づく改変がなされてよい。
【００２５】
（指示棒）
図３は本実施の形態に係る指示棒４の構成を示す右方斜視図、図４は図３の指示棒４の計測状態の平面図である。指示棒４は、棒状の支持体３１と、プリズム３と、傾斜ケース５とを備える。
【００２６】
支持体３１は、先端が石突き状に形成されており、計測時は先端が測定点Ｘに設置される。支持体３１の素材は特に限定されないが、例えば金属等、適度な剛性と軽量性を備えるものが好ましい。支持体３１の他方の端部には、プリズム３が固定されている。
【００２７】
プリズム３は、指示棒４（支持体３１）の軸方向ＰＰ上にプリズム３の中心（以下、プリズム中心Ｐｃ）が配置されるように固定されている。なお、プリズム中心Ｐｃとは、厳密にはプリズム３の浮上点とする。ここで浮上点とは、プリズム３が測量機２に対し傾斜しても不動に見える仮想的な点を言う。プリズム中心Ｐｃから支持体３１の先端（測定点Ｘ）までの長さは既知の距離で固定されている（以下、この距離を第１の固定長Ｌ１とする）。本形態では、プリズム３は、コーナーキューブプリズムの他に、入射光に対して平行な反射光を出射可能でかつターゲット中心が画像解析可能なものが採用でき、再帰性の反射シート等も使用できる。
【００２８】
（傾斜ケース）
図３および図４に示すように、傾斜ケース５は、解析のための解析パターン４１と、解析パターン４１を支持するケース４２とを備える。
【００２９】
解析パターン４１は、指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面に、指示棒４の軸方向ＰＰの方向にプリズム中心Ｐｃから前方に既知の距離（第２の固定長Ｌ２）だけずれる位置に固定されている。なお、前後方向の記述に関し、軸方向ＰＰにおいて測定点Ｘ側を後方としている。解析パターン４１は、本形態ではパターン幅４４を有する正円として形成されている。
【００３０】
ただし、解析パターン４１は、画像解析により解析パターン４１の中心（後述するパターン中心Ｋｃ）が求まる形状であればどのような形状であってもよい。解析パターン４１の変形例は後述する（図１０）。
【００３１】
ケース４２は、前方に開口部４３を有し、前面に解析パターン４１が形成された円柱状の中空体であり、プリズム３を中に収容する。ケース４２は、支持体３１に固定されている。
【００３２】
ただし、ケース４２は、解析パターン４１をプリズム３の前後に固定できるものであれば、解析パターン４１と概略一致する形状としなくてもよい。
【００３３】
また、解析パターン４１は、開口部４３を画成するケース４２の前面で形成されているが、ケース４２と同素材で形成する必要はなく、画像処理上の明暗差が有利となる配色、例えば白黒色などを印刷、貼付け等で形成されるのも好ましい。また、解析パターン４１は、ケース４２の外周または内周に形成されてもよい。プリズム３および傾斜ケース５は、接着／ネジ止め／凹凸係合／溶着等の好適な固定手段にて固定されてよい。
【００３４】
次に、図５は測量機２から指示棒４を見た図であって、（ａ）は指示棒４の軸方向ＰＰと視線方向ｅが一致しているときの状態を示す図、（ｂ）は指示棒４の軸方向ＰＰが視線方向ｅからずれたときの状態を示す図である。
【００３５】
測量機２の視線方向ｅが指示棒４の軸方向ＰＰと一致している場合は、（ａ）に示すように、パターン４１のパターン中心Ｋｃにプリズム３が位置して見える。一方、視線方向ｅが指示棒４の軸方向ＰＰと一致していない場合は、（ｂ）に示すように、プリズム３はパターン中心Ｋｃに位置せず視線の移動方向と反対方向に移動して見える。
【００３６】
傾斜ケース５は、視線方向ｅとの傾斜角に応じて、パターン中心Ｋｃに対してのプリズム３（プリズム中心Ｐｃ）の位置が変化する。よって、パターン４１を撮影して画像解析することにより、視線方向に対する傾斜ケース５の位置方向がわかる。次いで、パターン４１がプリズム中心Ｐｃからどのくらい離間しているか（第２の固定長Ｌ２）が分かれば、指示棒４の傾斜方向を解析することができる。詳細には、次の手法から測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。
【００３７】
（計測手法）
まず、計測の概要から説明する。図６は三次元位置計測システム１の計測フロー図であり、（ａ）は基本形のフロー、（ｂ）は自動追尾を行う場合のフローである。
【００３８】
基本は、（ａ）に示すように、まずステップＳ１１で、走査部２４でプリズム３を探索走査する。次に、ステップＳ１２で、プリズム撮像部２１を用いてプリズム３のみが撮影された画像から、プリズム３が自動視準できたか判断する。視準できていない場合は、ステップＳ１１に戻る。視準できた場合は、ステップＳ１３に移行し、プリズム３を測距測角し、プリズム３の三次元位置を計測する。次に、ステップＳ１４に移行し、画像撮像部２２で傾斜ケース５を撮影する。なお、ステップＳ１３とＳ１４は同時に行われてもよい。次に、ステップＳ１５に移行し、測定点Ｘの三次元位置を計算する。次に、ステップＳ１６に移行し、表示部２３に測定点Ｘを表示して終了する。
【００３９】
自動追尾を行う場合は、（ｂ）に示すように、まずステップＳ２１で、プリズム３を探索走査し、ステップＳ２２で、プリズム撮像部２１を用いてプリズム３のみが撮影された画像から、プリズム３がロック（視準）できたか判断し、以降ステップＳ２３〜Ｓ２６はステップＳ１３〜Ｓ１６と同じである。ステップＳ２７で、自動追尾の停止が指示された場合は、ステップＳ２８に進み追尾を停止する。停止の指示がない場合は、ステップＳ２２に戻り、追尾を続ける。
【００４０】
（三次元位置の計算手法）
次に、本実施の形態における、図６のステップＳ１５またはＳ２５における、測定点Ｘの三次元位置を計算する手法について説明する。図７は三次元位置を算出するフロー図である。図８および図９は、図７のフローの説明を補足するための図であって、図８はビジュアル画像の例、図９は計算手法のイメージ図である。
【００４１】
まず、ステップＳ１１１で、画像撮像部２２で撮影したビジュアル画像から、解析パターン４１のパターン中心Ｋｃを画像解析する（図８参照）。
【００４２】
次に、ステップＳ１１２で、ＥＤＭ２０で得たプリズム３の測距値および水平角検出器１１および鉛直角検出器１２で得たプリズム３の測角値を記憶部１８から読み出す。
【００４３】
次に、ステップＳ１１３で、画像上でのプリズム中心Ｐｃの位置とパターン中心Ｋｃの水平方向ずれ量Ｘｃおよび鉛直方向ずれ量Ｙｃを求める（図８参照）。なお、プリズム３は、プリズム撮像部２１では撮影されるが画像撮像部２２では映らない場合が多い。ただし、プリズム中心Ｐｃの三次元位置は明確に分かるので、予めプリズム３が視準されたときプリズム中心Ｐｃは画像撮像部２２のビジュアル画像上でどの点に位置するかを記憶部１８に登録しておけばよい。そして、ずれ量ＸｃおよびＹｃから、傾斜ケース５（パターン中心Ｋｃ）の位置方向（方向ベクトルＢ）を求める（図９参照）。なお、方向ベクトルとは、大きさを持たない向き情報のみを有するベクトルである。
【００４４】
次に、ステップＳ１１４で、プリズム中心Ｐｃを中心に第２の固定長Ｌ２を半径とする球Ｓを演算し、球Ｓと方向ベクトルＢの交点を求める。この交点の位置情報がパターン中心Ｋｃの三次元位置である。そして、パターン中心Ｋｃ（三次元位置）とプリズム中心Ｐｃ（三次元位置）を通る直線（方向ベクトルＡ）を求める。（図９参照）。方向ベクトルＡが、指示棒４の傾斜方向である。
【００４５】
次に、ステップＳ１１５で、プリズム中心Ｐｃの位置（三次元位置）から、方向ベクトルＡの方向に、第１の固定長Ｌ１だけ移動させて、測定点Ｘの三次元位置を求める。
【００４６】
（効果）
以上、本実施の形態の三次元位置計測システム１では、傾斜ケース５によって解析パターン４１を軸方向ＰＰにおいてプリズム３（プリズム中心Ｐｃ）から既知量（第２の固定長Ｌ２）だけ前後にずらして配置したため、パターン中心Ｋｃとプリズム中心Ｐｃを結ぶ線（方向ベクトルＡ）が指示棒４の軸方向ＰＰと一致する。このため、プリズム中心ＰｃまでのプリズムベクトルＰ（図９参照）から方向ベクトルＡの方向に第１の固定長Ｌ１だけ移動させることで、測定点Ｘを計測できるのである。
【００４７】
なお、図６のステップＳ１１〜Ｓ１３またはＳ２１〜２３は、画像撮像部２２で得た画像を使用して視準を行っても、本発明は実施することができる。この場合、走査部２４による特定波長ではなく、連続スペクトルの照明光を使用して撮像された画像から視準されてもよい。
【００４８】
但し、画像撮像部２２とは別にプリズム撮像部２１を設け、Ｓ１１〜Ｓ１３またはＳ２１〜２３は、走査部２４とプリズム撮像部２１とで得たプリズム３のみが撮像された画像を使用して視準を行うことで、プリズム３の自動視準をより確実に行うことができ、プリズム３の位置をより正確に解析することができるので、上記のステップＳ１１５でのプリズム中心Ｐｃの三次元位置がより高精度で得られるため好ましい。
【００４９】
本実施の形態により、作業者は、測定点Ｘに指示棒４の先端を当てるだけで、指示棒４が傾斜していても、プリズム３を整準させるなどの調整を行わなくとも、測定点Ｘの三次元位置を計測することができるため、作業効率が向上する。また、図５の（ｂ）に示すように、自動追尾機能と組み合わせれば、プリズム追尾時はプリズム３の測距測角値とパターン中心Ｋｃをリアルタイムに算出し、測定点Ｘの位置を更新することから、作業者は測定したい点に次々と指示棒４を当てるだけで連続した計測が可能となり、いっそう作業効率が向上する。
【００５０】
また、指示棒４の傾斜を測定するために新たなセンサを設ける必要がなく安価である。また、高精度に求まるプリズム位置を基準に解析パターン４１の解析値から測定点Ｘを算出するため、センサ値を利用するよりも高精度である。
【００５１】
また、本形態の三次元位置計測システム１は、従来の指示棒に対し、プリズム３を設ける位置を変更し傾斜ケース５を追加するだけで良い。傾斜ケース５は、解析パターン４１とこれを指示するケース４２から簡易に形成できるため、非常に安価である。
【００５２】
また、本実施の形態の三次元位置計測システム１は、容易に傾斜角の感度設計が行える。第２の固定長Ｌ２の距離を長くすれば、視線方向ｅからの傾斜角に対しての画像上でのプリズム３の移動量が大きく見える。すなわち、傾斜ケース５の長さ（第２の固定長Ｌ２）を変更するだけで、容易に傾斜角の感度設計が行える。このため、遠距離測距用、中距離測距用、近距離測距用の傾斜ケース５を用意して、用途に応じ付け替え可能に構成するのも好ましい。
【００５３】
また、視線方向ｅからの傾斜角が過度となると、画像解析に誤差が生じるおそれが高まるが、本実施の形態の三次元位置計測システム１は、傾斜角が過度となるとケース４２によりプリズム３が視準できなくなるため、図６のステップＳ１２又はＳ２２以降が動作しなくなり、計測が中止されるため、誤測定を防止できる。
【００５４】
（変形例）
以下図１０〜図１３は、本実施の形態の変形例である。
【００５５】
図１０は解析パターン４１の変形例である。（ａ）に示す解析パターンは、楕円の解析パターン４１のうちの一部が欠落したパターンである。この場合でも、平行線の中点からパターン中心Ｋｃを求められる。（ｂ）に示す解析パターンは、矩形としたパターンである。この場合でも、対角線の交点からパターン中心Ｋｃを求められる。（ｃ）に示す解析パターン４１は、平行な二直線としたパターンである。この場合でも、対角線の交点や垂直二等分線の中点等からパターン中心Ｋｃを求められる。
【００５６】
図１１は傾斜ケース５の位置についての変形例である。この例では、傾斜ケース５はプリズム３の後方に形成されている。すなわちこの例では、解析パターン４１は、指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面に、指示棒４の軸方向ＰＰの方向にプリズム中心Ｐｃから後方に既知の距離（第２の固定長Ｌ２）だけずれる位置に固定されている。この構成としても、図７に示す方法にて同様に測定点Ｘを計測できる。
【００５７】
図１２は図３の傾斜ケース５の背面に照明装置８を設けた変形例である。照明装置８はどのような形態であってもよいが、例えば図示のように筐体内にＬＥＤチップおよび電子基板を収容し、外部スイッチで必要に応じてＯＮ／ＯＦＦ可能に構成する。傾斜ケース５の背面に照明装置８を設けることにより、暗い場所での計測であっても解析パターン４１が撮影できるようになるため、夜間等の計測時に有効である。
【００５８】
図１３は傾斜ケース５の位置についてのその他の変形例である。この例では、傾斜ケース５は、指示棒４の軸方向ＰＰ上ではなく、プリズム３の周囲に形成されている。解析パターン４１は、指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面にあり、指示棒４の軸方向ＰＰの前後に第２の固定長Ｌ２ずれる位置であれば、指示棒４の軸方向ＰＰ上になくてもよい。この構成とする場合は、ケース４２の内部に、解析パターン４１の中心となる位置に、画像撮像部２２で撮像可能なマークＱを形成する必要がある。マークＱは、例えば白黒パターン等コントラストの大きい素材で形成するのが好ましい。
【００５９】
この形態では、ケース４２は、マークＱが撮像されやすいよう、透光性を有する素材で形成してもよい。より好ましくは、透明な素材や穴空きにより採光する形態よりも、撮像に他の影が投影しにくい半透明の素材で全周に形成するのが好ましく、例えばアクリル樹脂等が好適である。
【００６０】
図１３に示す形態では、解析パターン４１が指示棒４の軸方向ＰＰ上に無いため、次の方法にて測定点Ｘを計測できる。図１４は三次元位置を算出するフロー図である。図１５〜図１７は、図１４のフローの説明を補足するための図であって、図１５および図１６ビジュアル画像の例、図１７は計算手法のイメージ図である。
【００６１】
まず、ステップＳ２１１で、画像撮像部２２で撮影したビジュアル画像から、解析パターン４１のパターン中心Ｋｃを画像解析する（図１５参照）。
【００６２】
次に、ステップＳ２１２で、ＥＤＭ２０で得たプリズム３の三次元位置（プリズム中心Ｐｃの測距値および測角値）を記憶部１８から読み出す。
【００６３】
次に、ステップＳ２１３で、画像上でのプリズム中心Ｐｃの位置とパターン中心Ｋｃの水平方向ずれ量Ｘｃおよび鉛直方向ずれ量Ｙｃを求め（図１５参照）、ずれ量ＸｃおよびＹｃから、傾斜ケース５の位置方向（方向ベクトルＢ）を求める（図１７参照）。
【００６４】
次に、ステップＳ２１４で、画像撮像部２２で撮影したビジュアル画像から、マークＱのマーク中心Ｋｍを画像解析する（図１６参照）。
【００６５】
次に、ステップＳ２１５で、画像上でのマーク中心Ｋｍとパターン中心Ｋｃの水平方向ずれ量Ｘｄおよび鉛直方向ずれ量Ｙｄを求め、パターン中心Ｋｃからマーク中心Ｋｍまでのマーク半径ｒを求める（図１６参照）。
【００６６】
次に、ステップＳ２１６で、解析パターン４１の長辺半径Ｒを画像解析する（図１６参照）。
【００６７】
次に、ステップＳ２１７で、関数ｆ（ｒ/Ｒ）＝θより、測量機２の視線方向から見た傾斜ケース５の水平方向傾斜角θｘおよび鉛直方向傾斜角θｙを求める（図１７参照）。傾斜ケース５は、視線方向との傾斜角に応じて、解析パターン４１に対してのマークＱの位置が変化するため、視線方向との傾斜角の変化が、パターン中心Ｋｃからマーク中心Ｋｍまでのマーク半径ｒに対する関数で関係付けできる。この関数の一例は、日本特許公開公報２０１４−１０２２４６号にある。
【００６８】
次に、ステップＳ２１８で、方向ベクトルＢ、傾斜角θｘおよび傾斜角θｙより、測量機２の視線方向から見た傾斜ケース５の法線方向（方向ベクトルＡ）を求める（図１７参照）。方向ベクトルＡが、指示棒４の傾斜方向である。
【００６９】
次に、ステップＳ２１９で、プリズム中心Ｐｃの位置（三次元位置）から、方向ベクトルＡの方向に、第１の固定長Ｌだけ移動させて、測定点Ｘの三次元位置を求める。
【００７０】
この変形例では、傾斜ケース５の解析パターン４１を指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面に設けているため、傾斜ケース５の解析で得られる方向ベクトルＡが指示棒４の軸方向ＰＰと一致する。このため、プリズム中心ＰｃまでのプリズムベクトルＰ（図１７参照）から方向ベクトルＡの方向に第１の固定長Ｌ１だけ移動させることで、測定点Ｘを計測できるのである。
【００７１】
この変形例でも、上記実施例と同様に、指示棒４が傾斜していても測定点Ｘに指示棒４の先端を設置するだけで測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。また、指示棒４の傾斜を測定するために新たなセンサを設ける必要がなく安価である。また、従来の指示棒に対し、プリズム３を設ける位置を変更し傾斜ケース５を追加するだけで良いので、簡易に形成でき、非常に安価である。また、ケース４２の長さ（第２の固定長Ｌ２）により容易に傾斜角の感度設計が行える。また、この形態では、傾斜ケース５のサイズに左右されず、異なる大きさのプリズム３に交換可能である。
【００７２】
（第２の実施形態）
（システム全体）
第２の実施形態は、プリズム３を必須構成としない点が上記の実施形態と異なる。
（指示棒）
図１８は第２の実施形態に係る指示棒４の構成を示す右方斜視図である。指示棒４は、棒状の支持体３１と、傾斜ケース５とを備える。支持体３１は、上記実施形態と同様、先端は測定点Ｘに設置される。
【００７３】
支持体３１の他方の端部には、プリズム３の位置に、プリズム３に代えて、画像撮像部２２で撮像可能なマークＴが形成されている。すなわち、マークＴは測定点Ｘから第１の固定長Ｌ１で固定されている。マークＴは、任意の支持部材、例えば支持体３１に垂直に固定されたボード３２などに形成してよい。本形態でも、マークＴは、例えば白黒パターン等コントラストの大きい素材で形成するのが好ましい。
【００７４】
傾斜ケース５は、マークＴを中に収容するように形成されている。解析パターン４１は、指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面にあり指示棒４の軸方向ＰＰの方向にマークＴから前方向に第２の固定長Ｌ２ずれる位置に、ケース４２によって固定されている。ケース４２は、上記のボード３２などで支持固定されてよい。すなわち、第２の実施形態では、マークＴをターゲットとして視準し、マークＴをノンプリズム測距することにより、測定点Ｘの三次元位置を計測する。
（測量機）
図１９は第２の実施形態に係る測量機２´の内部構成を示すブロック図である。本形態は、上記実施形態で使用した測量機２を用いても、次の構成の測量機２´を用いても、画像撮像部２２が高精度であれば実施できる。図１９の測量機２´では、プリズム３を視準（追尾）するために設けられていたＥＤＭ２０、プリズム撮像部２１、および走査部２４は必須の構成で無く、ノンプリズム測距部２０´があればよい。ノンプリズム測距部２０´は、ビームの細かいレーザ光等の測距光を出射し、プリズム以外のターゲットまでの測距を行う測距部である。本形態では、ターゲットはマークＴであり、マークＴへの視準（追尾）は、画像撮像部２２による撮像でのパターンマッチング等の公知の画像処理により行われる。
（計測手法）
第２の実施形態に係る計測の概要を説明する。図２０は第２の実施形態に係る三次元位置計測システムの計測フロー図であり、（ａ）は基本形のフロー、（ｂ）は自動追尾を行う場合のフローである。基本は、（ａ）に示すように、まずステップＳ３１で、画像撮像部２２で傾斜ケース５を撮影する。次に、ステップＳ３２で、画像撮像部２２を用いて撮影された画像から、マークＴを画像解析し、ターゲットを自動視準できたか判断する。視準できていない場合は、ステップＳ３１に戻る。視準できた場合は、ステップＳ３３に移行し、マークＴを測距測角し、マークＴの三次元位置を計測する。次に、ステップＳ３４に移行し、測定点Ｘの三次元位置を計算する。次に、ステップＳ３５に移行し、表示部２３に測定点Ｘを表示して終了する。自動追尾を行う場合は、（ｂ）に示すように、まずステップＳ４１で、画像撮像部２２で傾斜ケース５を撮影する。次に、ステップＳ４２で、ターゲットとなるマークＴをロック（自動視準）できたか判断し、できた場合は、ステップＳ４３に移行してマークＴを測距測角する。その他のステップＳ４４〜４７は、図６のステップＳ２５〜Ｓ２８と同じである。
（三次元位置の計算手法）
図２０のステップＳ３４またはＳ４４における、測定点Ｘの三次元位置を計算する手法は、上記実施の形態の「三次元位置の計算手法」において、プリズム３をマークＴと読み替え、プリズム中心ＰｃをマークＴのマーク中心Ｔｃに置き換えれば、（図７のフロー）と同様に行うことができる。
（効果）
以上、第２の実施形態では、上記の実施形態におけるプリズム３を視準（追尾）してプリズム測距を行う工程を、傾斜ケース５のマークＴを視準（追尾）してノンプリズム測距する工程に置き換えたことで、プリズム３が無くとも、上記の実施形態と同様、測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。
（変形例）
第２の実施形態においても、図１０に倣って、解析パターン４１を変形して良い。本形態では、マークＴの視準が好適に行われるために、例えば傾斜ケース５のマークＱとは異なる色とする、ＱＲコード（登録商標）のようなバーコードを付けるなどが好適である。また、図１１に倣って、解析パターン４１は、指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面に、マークＴから後方に第２の固定長Ｌ２ずれる位置に固定されてもよい。また、図１２に倣って、傾斜ケース５の背面に照明装置８を設けてもよい。また、図１３に倣って、傾斜ケース５の位置をマークＴの周囲の位置にオフセットさせてもよい。この場合も、マークＴは、視準されやすいように、傾斜ケース５のマークＱとは異なる色とする、ＱＲコード（登録商標）のようなバーコードを付ける、などが好適である。
【００７５】
（第３の実施形態）
（システム全体）
第３の実施形態は、棒（支持体３１）を必須構成としない点が上記の実施形態と異なる。図２１は第３の実施形態に係る構成を示す右方斜視図である。測量機２は図２のものでよく、プリズム３はプリズム撮像部２１で撮像されるのが好適である。第３の実施形態は、支持体３１が無く、プリズム３と、傾斜ケース５を備える。
【００７６】
（効果）
すなわち、支持体３１が無くとも、測定点Ｘから第１の固定長Ｌ１だけオフセットした位置にプリズム３（プリズム中心Ｐｃ）を配置し、傾斜ケース５の解析パターン４１を、測定点Ｘとプリズム中心Ｐｃを結ぶ線に対して垂直な面に設け、第１の固定長Ｌ１と同方向前後にプリズム中心Ｐｃから第２の固定長Ｌ２だけオフセットした位置に配置すれば、図７のフローと同様の手法で、測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。この形態は、例えば図２１に示すように、ある筐体６０内に何らかのセンサ６１を内蔵した装置に対し、筐体６０によりプリズム３をセンサ６１の付近に置くことができない場合に有効である。第１の固定長Ｌ１は、当該装置の機械図面などを利用して求めればよい。なお、第３の実施形態において、第２の実施形態に倣い、プリズム３に代えてマークＴをノンプリズム測距する構成に変更しても、測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。
【００７７】
また、上記実施形態および変形例に係る他の変形として、近距離計測時に、画像撮像部２２の視野内にプリズム３および解析パターン４１が映らないおそれがあるため、測量機２に、より広角な第２の画像撮像部２５を設けておくのもよい。また、指示棒４の支持体３１の先端にマーキングペンを設けることで、作業時には測定した軌跡を現場に残すことができる。また、描画した軌跡（測定点Ｘ）はデータとしてリアルタイムで記録されているため、演算制御部１７にて描かれた速度等の情報も取得することができる。また、指示棒４の長さは、第１の固定長Ｌ１および／または第２の固定長Ｌ２が正確に分かりかつ位置決めされる形態で自由に伸縮可能に構成されてよい。
【００７８】
以上、本発明の三次元位置計測システムについて、実施の形態および変形例を述べたが、これらは本発明の一例であり、各形態および各変形例を当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７９】
１  三次元位置計測システム
２  測量機
３  プリズム
４  指示棒
５  傾斜ケース
１１  水平角検出器（測角部）
１２  鉛直角検出器（測角部）
１７  演算制御部
２０  ＥＤＭ（測距部）
２１  プリズム撮像部
２２  画像撮像部
４１  解析パターン
４４  パターン幅
Ｋｃ  パターン中心
Ｐｃ  プリズム中心
Ｌ１  第１の固定長
Ｌ２  第２の固定長
【図１】
0006433343.tif 000002
【図２】
0006433343.tif 000003
【図３】
0006433343.tif 000004
【図４】
0006433343.tif 000005
【図５】
0006433343.tif 000006
【図６】
0006433343.tif 000007
【図７】
0006433343.tif 000008
【図８】
0006433343.tif 000009
【図９】
0006433343.tif 000010
【図１０】
0006433343.tif 000011
【図１１】
0006433343.tif 000012
【図１２】
0006433343.tif 000013
【図１３】
0006433343.tif 000014
【図１４】
0006433343.tif 000015
【図１５】
0006433343.tif 000016
【図１６】
0006433343.tif 000017
【図１７】
0006433343.tif 000018
【図１８】
0006433343.tif 000019
【図１９】
0006433343.tif 000020
【図２０】
0006433343.tif 000021
【図２１】
0006433343.tif 000022