(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
海中構造物の３次元測定のための測定システムであって、
海中動作のために収納されたレーザプロジェクタ及び第１のカメラであって、
前記レーザプロジェクタは、レーザ三角測量のために前記海中構造物の表面上にレーザ投射をするように構成され、
前記第１のカメラは、前記表面の画像を提供するように構成され、前記レーザプロジェクタに対して斜めの角度で配設された、
レーザプロジェクタ及び第１のカメラと、
プロセッサであって、
写真測量処理を海中で取り込まれた前記画像に適用し、
レーザ三角測量に対する較正を、海中で取り込まれた前記画像の前記写真測量処理の結果に基づいて計算することであって、前記較正は、
前記レーザプロジェクタにより投射されたレーザ面の前記第１のカメラに対する向きと、
前記第１のカメラの光学機械パラメータであって、該パラメータは、主距離と、基準中心と、放射状歪みと、偏心歪みと、前記第１のカメラの画像センサの画素の直交性に関する歪みとを含む、光学機械パラメータと
の決定を含む、計算することを行い、
前記較正に基づいて、前記レーザ投射により照らされる前記表面の点の座標を、レーザ三角測量によって計算する
ように構成されるプロセッサと
を備える測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記第１のカメラが、前記第１のカメラの光軸がおおよそ３０度の角度で前記レーザ投射と交差するように、前記レーザプロジェクタに対して取り付けられる、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、前記第１のカメラが、ビデオを取り込むように構成され、前記プロセッサが、前記画像として前記ビデオからピクチャを抽出するように構成される、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、前記プロセッサが、前記写真測量処理の一部として、
前記画像の全域で前記表面の点を識別し、
３次元での前記点の座標を計算し、
前記座標に対して前記第１のカメラの場所および向きを決定する
ように構成される、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記表面の画像を取り込むように構成される第２のカメラであって、前記第２のカメラの光軸が前記レーザプロジェクタの発する光に対しておおよそ平行であるように配設される、第２のカメラをさらに備えるシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムであって、前記プロセッサが、前記写真測量処理の一部として、前記第２のカメラの場所に対する前記第１のカメラの場所を決定するように構成される、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、前記レーザ投射が前記表面上に線を形成する、システム。
【請求項８】
海中構造物の３次元測定のための方法であって、
海中に第１のカメラ及びレーザ源を含む装置を配設するステップと、
前記海中構造物の表面の画像を、第１のカメラによって、前記第１のカメラを前記表面に沿って移動させつつ取り込むステップと、
前記表面を、前記第１のカメラと連関して前記表面に沿って移動する前記レーザ源により生み出されるレーザ投射によって照らすステップと、
写真測量処理を海中で取り込まれた前記画像に適用するステップと、
レーザ三角測量に対する較正を、海中で取り込まれた前記画像の前記写真測量処理の結果に基づいて計算するステップであって、前記較正は、
前記レーザ源により投射されたレーザ面の前記第１のカメラに対する向きと、
前記第１のカメラの光学機械パラメータであって、該パラメータは、主距離と、基準中心と、放射状歪みと、偏心歪みと、前記第１のカメラの画像センサの画素の直交性に関する歪みとを含む、光学機械パラメータと
を決定することを含む、ステップと、
前記レーザ三角測量によって、前記レーザ投射により照らされる前記表面の点の座標を、前記較正に基づいて計算するステップと
を含む、方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記第１のカメラが、前記第１のカメラの光軸がおおよそ３０度の角度で前記レーザ投射と交差するように、前記レーザ源に対して取り付けられる、方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法であって、前記第１のカメラによりビデオを取り込み、前記ビデオから前記画像を抽出するステップをさらに含む方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の方法であって、写真測量処理を適用する前記ステップが、
前記画像の全域で前記表面の点を識別するステップと、
３次元での前記点の座標を計算するステップと、
前記座標に対して前記第１のカメラの場所および向きを決定するステップと
を含む、方法。
【請求項１２】
請求項８に記載の方法であって、
前記表面の画像を、第２のカメラによって、前記第１のカメラを前記表面に沿って移動させつつ取り込むステップ
をさらに含み、記第２のカメラが、前記第２のカメラの光軸が前記レーザ源の発する光に対しておおよそ平行であるように配設される、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、写真測量処理を適用する前記ステップが、前記第２のカメラの場所に対する前記第１のカメラの場所を決定するステップを含む、方法。
【請求項１４】
請求項８に記載の方法であって、前記表面をレーザ投射によって照らすステップが、前記表面上にレーザ線を投射するステップを含む、方法。
【請求項１５】
実行されたときプロセッサに、
海中の第１のカメラによって取り込まれた画像ストリームから海中の表面の画像を抽出することと、
写真測量処理を海中で取り込まれた前記画像に適用することと、
レーザ三角測量に対する較正を海中で取り込まれた前記画像の前記写真測量処理の結果に基づいて計算することであって、前記較正は、
レーザプロジェクタにより投射されたレーザ面の前記第１のカメラに対する向きと、
前記第１のカメラの光学機械パラメータであって、該パラメータは、主距離と、基準中心と、放射状歪みと、偏心歪みと、前記第１のカメラの画像センサの画素の直交性に関する歪みとを含む、光学機械パラメータと
の決定を含む、計算することと、
レーザ三角測量によって、前記較正に基づいて、前記画像内に取り込まれるレーザ投射により照らされる前記海中の表面の点の座標を計算することと
をさせる命令によって符号化される非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１６】
請求項１５に記載のコンピュータ可読媒体であって、実行されたときプロセッサに、前記写真測量処理の一部として、
前記画像の全域で前記表面の点を識別することと、
３次元での前記点の座標を計算することと、
前記座標に対して前記第１のカメラの場所および向きを決定することと
をさせる命令によって符号化される、コンピュータ可読媒体。
【請求項１７】
請求項１５に記載のコンピュータ可読媒体であって、実行されたときプロセッサに、
第２のカメラから受ける画像ストリームから前記表面の画像を抽出することと、
前記第２のカメラの場所に対する前記第１のカメラの場所を決定することと
をさせる命令によって符号化される、コンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
請求項１５に記載のコンピュータ可読媒体であって、実行されたときプロセッサに、前記レーザ投射を生成するようにレーザ源を駆動することをさせる命令によって符号化され、前記レーザ投射が前記表面上に線を形成する、コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｓｕｂｓｅａ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ（海中構造物を測定するための装置および方法）」という名称の、２０１２年１２月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／７３７，４９９号に対する優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
[0002]様々な光学的方法が、物体の測定および／またはモデリングに適用され得る。写真測量は、物体の写真から測定値を抽出する技法である。例えば写真測量は、写真から地図を生み出すために（例えば、航空写真測量）、および／または、産業施設のモデルを生み出すために（近距離写真測量）使用され得る。写真測量では、シーンの画像が、異なる角度から取り込まれ、物体の２次元測定値が、バンドル調整数値演算ルーチンによって３次元座標に変換される。写真測量は、画像を相関させるために標的の使用を必要とし、点および自然の特徴部（すなわち、角、縁、円柱）などの視覚的標識の測定に制限される。近距離写真測量は、良好な交差幾何形状および高い冗長性を生み出す異なる角度からの複数の画像が提供されるとき、良好な結果を提供し得る。立体写真測量は、表面上の点の測定を可能とするが、立体センサは、擬似平行である２つの見通し線のみを有するので、精度に関して限界を有する。
【０００３】
[0003]レーザ三角測量は、小さな表面の高密度測定のために使用され得る光学的技法である。レーザ三角測量では、例えば線、ドット、またはパターンを投射するレーザ源が、事前に決定された較正された幾何形状によって、光学センサ（例えば、カメラ）とともに取り付けられる。レーザ投射が、光学センサにより三角測量される。複数の測定を提供するために、回転鏡がレーザの前方に取り付けられ得るものであり、そのことによって光学センサが、高密度の点を伴う大きな表面を「スキャン」することが可能となる。
【発明の概要】
【０００４】
[0004]表面および物体の、３次元測定およびモデリングのための、システムおよび方法が本明細書で開示される。１つの実施形態では測定システムは、レーザプロジェクタと、第１のカメラと、プロセッサとを含む。レーザプロジェクタは、レーザ三角測量のために表面上にレーザ投射を放射するように構成される。第１のカメラは、表面の画像を提供するように構成され、レーザプロジェクタに対して斜めの角度で配設される。プロセッサは、写真測量処理を画像に適用し、レーザ三角測量に対する較正を写真測量処理の結果に基づいて計算し、較正に基づいて、レーザ投射により照射される表面の点の座標を、レーザ三角測量によって計算するように構成される。
【０００５】
[0005]別の実施形態では、レーザ三角測量のための方法は、表面の画像を、第１のカメラによって、第１のカメラが表面に沿って移動する際に取り込むステップを含む。表面は、第１のカメラと連関して表面に沿って移動するレーザ源により生み出されるレーザ投射により照射される。写真測量処理が画像に適用される。レーザ三角測量に対する較正が、写真測量処理の結果に基づいて計算される。レーザ三角測量によって、レーザ投射により照射される表面の点の座標が、較正に基づいて計算される。
【０００６】
[0006]さらなる実施形態では、非一時的なコンピュータ可読媒体が、実行されたときプロセッサに、第１のカメラから受信される画像ストリームから表面の画像を抽出させる命令によって符号化される。命令はさらに、プロセッサに、写真測量処理を画像に適用させ、レーザ三角測量に対する較正を写真測量処理の結果に基づいて計算させる。命令はさらにまた、プロセッサに、レーザ三角測量によって、較正に基づいて、画像内に取り込まれるレーザ投射により照射される表面の点の座標を計算させる。
【０００７】
[0007]例示的な実施形態の詳細な説明のために、言及が次に、付随する図面に対して行われる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本明細書で開示される原理による、表面測定を提供する装置の概略表現図である。
【図２】本明細書で開示される原理による、写真測量システム軸の図解の表現図である。
【図３】本明細書で開示される原理による、レーザ面位置取りの図解の表現図である。
【図４】本明細書で開示される原理による、レーザ軸定義の図解の表現図である。
【図５】本明細書で開示される原理による、第２のカメラに対する第１のカメラの位置取りの図解の表現図である。
【図６Ａ】本明細書で開示される原理による、水中の使用のために適合される測定装置の図である。
【図６Ｂ】本明細書で開示される原理による、水中の使用のために適合される測定装置の図である。
【図７Ａ】本明細書で開示される原理による、測定装置での使用のために適合されるカメラおよびレーザの図である。
【図７Ｂ】本明細書で開示される原理による、測定装置での使用のために適合されるカメラおよびレーザの図である。
【図７Ｃ】本明細書で開示される原理による、測定装置での使用のために適合されるカメラおよびレーザの図である。
【図７Ｄ】本明細書で開示される原理による、測定装置での使用のために適合されるカメラおよびレーザの図である。
【図８Ａ】本明細書で開示される原理による、測定装置での使用のために適合されるカメラおよび発光ダイオード（ＬＥＤ）の図である。
【図８Ｂ】本明細書で開示される原理による、測定装置での使用のために適合されるカメラおよび発光ダイオード（ＬＥＤ）の図である。
【図９Ａ】本明細書で開示される原理による、測定装置での使用のために前方ポート内に配設されるカメラおよびレーザの図である。
【図９Ｂ】本明細書で開示される原理による、測定装置での使用のために前方ポート内に配設されるカメラおよびレーザの図である。
【図１０】本明細書で開示される原理による、測定装置での使用のために前方ポート内に配設されるカメラおよびＬＥＤの図である。
【図１１Ａ】本明細書で開示される原理による、測定装置での使用のためにカメラおよびレーザ（またはＬＥＤ）を取り付けるのに適したブラケットの図である。
【図１１Ｂ】本明細書で開示される原理による、測定装置での使用のためにカメラおよびレーザ（またはＬＥＤ）を取り付けるのに適したブラケットの図である。
【図１２】本明細書で開示される原理による、レーザ三角測量のための方法に対するフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
表記法および用語
[0020]以下の考察において、および特許請求の範囲において、術語「含む」および「備える」は、オープンエンドの様式で使用されるものであり、したがって、「…を含む、ただしそれらに限定されない」を意味すると解釈されるべきである。術語「接続する」、「係合する」、「結合する」、「付着する」、または、要素間の相互作用を説明する任意の他の術語のいかなる形式のいかなる使用も、相互作用を、要素間の直接の相互作用に限定するようには定められておらず、説明される要素間の間接の相互作用をさらに含み得る。術語「ソフトウェア」は、ソフトウェアを記憶するために使用される媒体に関係なく、プロセッサ上で動作することが可能な任意の実行可能なコードを含む。したがって、メモリ（例えば、不揮発性メモリ）に記憶され、時には「埋め込み型ファームウェア」と呼称されるコードは、ソフトウェアの定義の範囲内に含まれる。記載「に基づく」は、「に少なくとも部分的に基づく」を意味することが意図される。したがってＸがＹに基づく場合、Ｘは、Ｙおよび任意の数の追加的な因子に基づき得るものである。
【００１０】
[0021]以下の図面および説明では、類似する部分は典型的には、明細書および図面の全体を通して同じ参照番号を付けられる。図面の図は、必ずしも原寸に比例していない。本発明のある種の特徴が、縮尺において、またはいくらか概略的な形式で、誇張されて示される場合があり、従来の要素の一部の詳細は、明確性および簡潔性のために示されない場合がある。本開示は、異なる形式の実施形態の影響を受けやすいものである。特定の実施形態が、詳細に説明され図面に示されるが、そのことは本開示が、本開示の原理の例示とみなされるべきであり、本明細書で図解および説明されるものに本開示を限定することは意図されないという暗黙の了解によるものである。下記で考察される実施形態の異なる教示および構成要素が、所望される結果を生み出すために、別個に、または任意の適した組み合わせで用いられ得ることは十分に理解されよう。
【００１１】
[0022]写真測量およびレーザ三角測量などの光学的技法が、物体を測定するために適用され得るが、そのような技法は、特に海中などの過酷な環境で、それらの使用を問題があるものにする難点を提示する。例えば写真測量は、画像を相関させるためにシーンへの標的の追加を必要とし、点および自然の特徴部（すなわち、角、縁、円柱）などの視覚的標識の測定に制限される。さらに写真測量は、測定の前に、水中の較正のための手順が、写真測量測定が行われることになる条件に可能な限り近い条件の下で実施されることを必要とする場合がある。従来のレーザ三角測量もまた、海中および他の過酷な環境で使用される場合があるが、高度のセンサ安定性、および、レーザ三角測量が実施されることになる条件に可能な限り近い条件の下での測定の前のセンサの較正を必要とする。これらの制限によって、従来の写真測量およびレーザ三角測量の技法の使用が、海中および他の過酷な環境で履行することについて困難になる。
【００１２】
[0023]本開示の実施形態は、海中および他の危険な環境で、物体の３次元測定およびモデリングを提供するための、方法および装置を含む。本明細書で開示される測定装置は、例えば人間のオペレータ、無人航空機（ＵＡＶ：ｕｎｍａｎｎｅｄ  ａｅｒｉａｌ  ｖｅｈｉｃｌｅ）、水中遠隔作業機（ＲＯＶ：ｒｅｍｏｔｅｌｙ  ｏｐｅｒａｔｅｄ  ｖｅｈｉｃｌｅ）等により、運搬され得る、および／または動作させられ得る。実施形態は、事前較正なしで、様々な環境（例えば、海中および他の危険な環境）で、（点、線、縁、円柱等のような）実在物、および、表面上の高密度の点の両方の測定を可能にする。実施形態は、写真測量およびレーザ三角測量を組み合わせて新規の自己較正技法を提供することにより、事前較正なしでの動作を可能にする。
【００１３】
[0024]図１は、本明細書で開示される原理による、表面測定を提供する装置１００の概略表現図を示す。測定装置１００は、カメラ１０２とレーザプロジェクタ１０６とを含む。光源１０４が、カメラ１０２と連関した動作のために装置１００に含まれ得る。加えて一部の実施形態は、レーザプロジェクタ１０６に近接する第２のカメラ１０８を含む。カメラ１０８の光軸は、レーザプロジェクタ１０６により生成されるレーザ投射に対して（例えば、平行の２°の範囲内で）実質的に平行であり得る。各々のカメラ１０２、１０８は、高精細度ビデオ（例えば、１，２８０×７２０画素、１，９２０×１，０８０画素、またはより高い）を取り込み可能であり得る。カメラ１０２および１０８の各々は、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサ、または他の適した画像センサなどの画像センサを含む。レーザプロジェクタ１０６は、レーザダイオードまたは他のレーザ源、および、空間内の面を定義するレーザ画像を生み出す回転鏡または他の装置を含み得る。
【００１４】
[0025]カメラ１０２は、レーザプロジェクタ１０６からの事前に決定された距離および角度で配設される。カメラ１０２とレーザプロジェクタ１０６との間の距離（ｄ）は、カメラ１０２の画像センサと、測定されることになる物体との間の距離（Ｄ）によって決まる。例えばｄは、Ｄの３分の１から２分の１であり得る。同様にカメラ１０２は、レーザプロジェクタ１０６に対して、事前に決定された角度で配設される。例えばカメラ１０２は、おおよそ３０°の角度で、レーザプロジェクタ１０６により投射されるレーザ面を観視するように配設され得る（すなわち、レーザ面とカメラ１０２の光軸との間の角度は、良好な交差幾何形状を生成するようにおおよそ３０°（例えば、３０°±３°）である）。したがって、レーザプロジェクタ１０６が取り付け構造体１１０と実質的に直角をなして配設されるならば、カメラ１０２は、取り付け構造体１１０に対しておおよそ６０°の角度で配設され得る。装置１００は、水中、原子力、熱真空、または他の過酷な環境での使用のために、キャニスタまたは他のハウジング内に配設され得る。
【００１５】
[0026]装置１００は、カメラ１０２、１０８、およびレーザプロジェクタ１０６に結合される処理システム１１２もまた含む。処理システム１１２は、レーザプロジェクタ１０６によるレーザ投射の生成を制御し、カメラ１０２、１０８による画像の取り込みを制御することが可能である。処理システム１１２は、プロセッサ１１４および記憶装置１１６を含む。記憶装置１１６は、カメラ１０２、１０８により取り込まれる画像を記憶する、および／または、取り込まれる画像を処理するための命令を記憶する、半導体メモリまたは他の記憶デバイス（例えば、光学、磁気等）であり得る。例えば、写真測量処理、レーザ三角測量較正を写真測量処理の結果に基づいて計算すること、および、本明細書で開示されるような較正されたレーザ三角測量を実施することのための命令が、プロセッサ１１４による実行のために記憶装置１１６に記憶され得る。
【００１６】
[0027]プロセッサ１１４は、汎用マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、または他の適した命令実行デバイスであり得る。処理システム１１２は、カメラ１０２およびレーザプロジェクタ１０６に近接して（例えば、共通のハウジング内に）配設され得るものであり、または、カメラ１０２およびレーザプロジェクタ１０６から遠く離れて配設され得る。例えば処理システム１１２は、ケーブル接続または他の通信媒体を介して（例えば、無線周波数通信を介して）カメラ１０２、１０８と遠く離れて結合され得る。一部の実施形態では、カメラ１０２、１０８、または、カメラ１０２、１０８に関連付けられるメモリは、処理システム１１２による後での処理のために、取り込まれる画像を記憶することが可能である。処理システム１１２により実施される処理は、レーザ三角測量を可能にするための光学センサの現場較正を含む。一部の実施形態では処理システム１１２は、デスクトップコンピュータ、ノートブックコンピュータ、ラックマウントコンピュータ、サーバコンピュータ、埋め込み型コンピュータ等のようなコンピュータであり得る。
【００１７】
[0028]現場較正によってレーザ三角測量を実施するために、（処理システム１１２によって）装置１００は、最初に写真測量技法（すなわち、カメラ１０２、１０８により取り込まれるビデオからの画像の３Ｄ処理）を適用し、その写真測量技法は、点の（および他の実在物に対する）３Ｄ座標、ならびに、３Ｄ点のセットに対する空間内のカメラ１０２の３Ｄ場所および向きを提供する。写真測量計算の一部として処理システム１１２は、カメラ１０２の光学機械パラメータ、ならびに、カメラ１０２に対するレーザプロジェクタ１０６の精密な場所および向きを計算する較正ルーチンを実行する。カメラの光学機械パラメータは、ｃ（主距離）、ｘｐ、ｙｐ（基準中心）、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３（放射状歪み）、Ｐ１、Ｐ２（偏心歪み）、および、ＡＰ１、ＡＰ２（画素の直交性）などの他のパラメータを含む。カメラ１０２に対するレーザプロジェクタ１０６の場所および向きを決定し終えると、処理システム１１２は、あらゆる画像に関して、任意の必要とされる分解能で測定されることになる表面上に投射されるレーザ線上の点を三角測量することが可能である。「レーザ三角測量される点」は、「写真測量点」と同じシステム軸にあることになる。選定されたレートでビデオから画像を選択することにより、装置１００は、任意の表面上の高密度の３Ｄ点を取得することが可能である。
【００１８】
[0029]現場較正によるレーザ三角測量は、以下のようにさらに説明され得る。装置１００が、測定シーンから適した距離に運ばれる。レーザプロジェクタ１０６は、測定されることになる物体／表面上にレーザ線を投射する。カメラ１０２は、物体上に投射されるレーザ線を含む高精細度ビデオを記録する。装置１００は、ビデオを記録する間に、物体の周囲を、または、（パイプなどの線形の物体の事例では）物体に沿って移動する。装置１００は、手動で移動させられ得る、または、任意のタイプの運送機もしくはロボット（ＵＡＶ、ＲＯＶ等）により移動させられ得る。処理システム１１２は、カメラ１０２により提供される画像から画像を抽出する。例えばカメラ１０２が高精細度ビデオストリームを提供するならば、処理システム７は、ビデオストリームから個々の画像またはピクチャを抽出することが可能である。一部の実施形態では画像は、手動で抽出され得る、または、異なるシステムにより抽出され、処理システム１１２に提供され得る。
【００１９】
[0030]処理システム１１２は、画像処理アルゴリズムによってすべての画像上で共通の「写真測量点」を識別する。これらの点が識別されると、処理システムは、写真測量計算を実施し、以下の出力を生み出す。
【００２０】
・写真測量点の３Ｄ座標
・カメラ場所の３Ｄ座標および向き
・センサの較正（すなわち、カメラの光学機械パラメータ、ならびに、カメラに対するレーザ面の位置および向き）
・「レーザ三角測量点」の３Ｄ座標
[0031]処理システム１１２は、以下のように写真測量処理を適用することが可能である。図２は、本明細書で開示される原理による、写真測量システム軸の図解の表現図を示す。カメラ１０２および１０８の各々は、カメラの画像センサに関してその中心に置かれ向きが定められる、それらのカメラ自体のシステム軸を有する。画像取り込みの間、カメラ１０２、１０８の位置および向きは、世界システム軸（Ｗｏｒｌｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ａｘｉｓ）で与えられる。「世界システム軸」は、（Ｏ  Ｘ  Ｙ  Ｚ）と言及され、「カメラシステム軸」は、（ｏ  ｘ  ｙ  ｚ）と言及される。
【００２１】
[0032]処理システム１１２により適用される写真測量共線条件式は、カメラ画像センサ上で測定される点（透視中心）、および、物体上でイメージングされる点が同じ線上にあるという事実を説明するものである。カメラ画像センサ上で測定される点は、光学歪みおよび製造欠陥に対して補償される。写真測量共線条件式は、次式のように表現され得る。
【００２２】
【数１】
0006317760.tif 000002
【００２３】
ただし、
（ｘ，ｙ）Ｔは、カメラシステム軸での点ｍの座標であり、
（ｄｘ，ｄｙ）Ｔは、光学歪みの補正であり、
Ｒは、世界システム軸に対するカメラシステム軸の回転行列であり、
（ＸＭ，ＹＭ，ＺＭ）Ｔは、世界システム軸での点Ｍの座標であり、
（ＸＣ，ＹＣ，ＺＣ）Ｔは、（画像取り込みの間の）カメラの透視中心の座標であり、
ｋは、
【００２４】
【数２】
0006317760.tif 000003
【００２５】
と
【００２６】
【数３】
0006317760.tif 000004
【００２７】
との間のスケール因子である。
[0033]システム１００には、補正されることになる３つのタイプの歪み、すなわち、放射状歪み、偏心歪み、および、画像センサの製造欠陥が存在する。処理システム１１２は、主点（ＣＣＤ上の透視中心の投射）の偏心に対してあらかじめ補償された座標に補償を適用する。（ｘｐ，ｙｐ）Ｔが、カメラシステム軸での透視中心（または基準中心）の座標であるとすると、補償公式は、
【００２８】
【数４】
0006317760.tif 000005
【００２９】
および
ｒ２＝ｘ２＋ｙ２  （３）
【００３０】
【数５】
0006317760.tif 000006
【００３１】
を含み、ただし、
（ｒｄｘ，ｒｄｙ）Ｔは、放射状歪みベクトルであり、
（ｄｄｘ，ｄｄｙ）Ｔは、偏心歪みベクトルであり、
（ｐｄｘ，Ｏ）Ｔは、画素歪みベクトルであり、
【００３２】
【数６】
0006317760.tif 000007
【００３３】
【数７】
0006317760.tif 000008
【００３４】
｛ｐｄｘ＝ＡＰ１ｘ＋ＡＰ２ｙ  （７）
である。
[0034]処理システム１１２は、以下のようにレーザ三角測量に対する較正を計算することが可能である。空間に投射されるレーザは、面を形成する。処理システム１１２は、レーザ面を、カメラシステム軸でのその位置を計算することにより較正する。図３は、本明細書で開示される原理による、カメラ１０２に対するレーザ面位置取りの図解の表現図を示す。レーザ面は、カメラシステム軸の原点に対する（数学的な最小の）距離ｄｌ、および、カメラシステム軸での法線
【００３５】
【数８】
0006317760.tif 000009
【００３６】
により定義される。
[0035]図４は、本明細書で開示される原理による、レーザ軸定義の図解の表現図を示す。レーザに対するシステム軸を定義する際に、レーザ軸の原点は、カメラシステム軸の原点のレーザ面上の投射であり、レーザ面のＯＺ軸はＯＺ軸と交差し、ＯＸ軸はレーザ面と直角をなす。この定義に従って、（ＯＺ軸とレーザ面ＯＺ軸との間の）コンバージェンス、ベース（カメラ原点とレーザ原点との間の距離）などの度量衡特性が生成され得る。（ｏｌ，ｘｌ，ｚｌ）が以下のように定義される：
ｏ、および、レーザ面上のｏの投射を通る（ｏｌ，ｘｌ）軸、ならびに、
カメラ光軸と一致する（ｏｌ，ｚｌ）軸。
【００３７】
[0036]点の座標は、カメラシステム軸またはレーザシステム軸のいずれかによって計算され得る。カメラシステム軸でのレーザ点は、以下のように計算され得る。
【００３８】
【数９】
0006317760.tif 000010
【００３９】
ただし、
【００４０】
【数１０】
0006317760.tif 000011
【００４１】
は、カメラシステム軸でのものであり、
【００４２】
【数１１】
0006317760.tif 000012
【００４３】
は、レーザシステム軸でのものであり、
【００４４】
【数１２】
0006317760.tif 000013
【００４５】
となる。
さらに、Ｌはレーザ面に属し、したがって次式となる。
ｘＬ＝Ｏ  （１０）
式（９）および（１０）は、３つの独立式を生成し、そのことによって、レーザシステム軸でのレーザ点（ｘＬ，ｙＬ，ｚＬ）の座標の計算が可能となる。
【００４６】
[0037]システム１００の一部の実施形態は、２つのカメラ１０２、１０８を含むので、処理システム１１２は、カメラ１０８に対するカメラ１０２の位置を計算することが可能である。図５は、本明細書で開示される原理による、第２のカメラ（カメラ１０８）に対する第１のカメラ（カメラ１０２）の位置取りの図解の表現図を示す。
【００４７】
【数１３】
0006317760.tif 000014
【００４８】
ただし、
Ｔｉ：カメラ２システム軸でのカメラ１位置、および、
Ｒｉ：カメラ２システム軸へのカメラ１システム軸の回転行列
である。
【００４９】
[0038]レーザカメラ１０２に対する共線条件式は、レーザカメラ１０２の場所を使用することなく定義され得る。代わりに、レーザカメラ１０２に対する共線条件式は、パイロットカメラ１０８に対するレーザカメラ１０２の位置および向きに基づいて定義され得るものであり、そのことによって、バンドル調整のためのパラメータの数が実質的に低減する。
【００５０】
[0039]レーザカメラ１０２に対する共線条件式は、以下のようなものである。
【００５１】
【数１４】
0006317760.tif 000015
【００５２】
ただし、
（Ｔｉ，Ｒｉ）は、パイロットカメラに対するレーザカメラの相対的な場所であり、
（（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）Ｔ，Ｒ２）は、世界システム軸へのパイロットカメラの場所であり、
Ｃ１およびＣ２は、レーザカメラおよびパイロットカメラの主距離である。
【００５３】
[0040]図６Ａ〜６Ｂは、本明細書で開示される原理による、水中の使用のために適合される測定システム１００の少なくとも小部分の図を示す。レーザプロジェクタ１０６は、第１のキャニスタまたはハウジング６０２内に配設され、カメラ１０２は、第２のハウジング６０４内に配設される。
【００５４】
[0041]図７Ａ〜７Ｄは、本明細書で開示される原理による、測定システム１００での使用のために適合されるカメラ１０８およびレーザプロジェクタ１０６の図を示す。
[0042]図８Ａ〜８Ｂは、本明細書で開示される原理による、システム１００での使用のために適合されるカメラおよび発光ダイオード（ＬＥＤ）１０４の図を示す。
【００５５】
[0043]図９Ａ〜９Ｂは、本明細書で開示される原理による、測定システム１００での使用のためにハウジング６０２の前方ポート内に配設されるカメラ１０８およびレーザプロジェクタ１０６の図を示す。
【００５６】
[0044]図１０は、本明細書で開示される原理による、測定システム１０での使用のためにハウジング６０４の前方ポート内に配設されるカメラ１０２およびＬＥＤ（光１０４）の図を示す。
【００５７】
[0045]図１１Ａ〜１１Ｂは、本明細書で開示される原理による、測定システム１００での使用のためにカメラ１０８およびレーザプロジェクタ１０６を取り付けるのに適したブラケット７０２の図を示す。
【００５８】
[0046]図１２は、本明細書で開示される原理による、レーザ三角測量のための方法に対するフロー図を示す。好都合なように順次的に図示されるが、示される処置の少なくとも一部は、異なる順序で実施され得る、および／または、並列に実施され得る。加えて一部の実施形態は、示される処置の一部のみを実施する場合がある。一部の実施形態では、方法の動作の少なくとも一部は、コンピュータ可読記憶デバイス１１６に記憶されるソフトウェアプログラミングとしてプロセッサ１１４に提供される命令の形で符号化され得る。
【００５９】
[0047]ブロック１２０２では、レーザ源１０６およびカメラ１０２を含む、測定システム１００またはその小部分は、測定されることになる表面に沿って移動させられる。移動は、手動、または輸送機の運搬によるものであり得る。例えば測定システム１００、またはその関連性のある小部分が、圧力容器または他のハウジング内に収納され、遠隔作業機により測定されることになる表面に沿って運搬される場合がある。
【００６０】
[0048]ブロック１２０４ではレーザ源１０６は、測定されることになる表面を照射するレーザ投射を放射する。レーザ投射は、空間内に面を、および表面上に線を形成し得る。カメラ１０２は、レーザ投射により照射される表面の画像を取り込む。例えばカメラ１０２は、表面およびレーザ投射の高精細度ビデオを取り込むことが可能である。一部の実施形態では、表面の追加的な照射が、カメラ１０２に関連付けられる光源１０４により提供され得る。レーザ投射の生成、および画像の取り込みは、処理システム１１２により制御され得る。
【００６１】
[0049]ブロック１２０６では処理システム１１２は、画像処理技法を適用して、取り込まれる画像の全域で点および／または特徴部を識別する。画像の全域で共通の点を識別し終えると、処理システム１１２は、写真測量処理を画像に適用する。写真測量処理は、点の３Ｄ座標、ならびに、カメラ１０２の３Ｄ座標および向きを決定する。処理システム１１２は、カメラ１０２の光学パラメータを計算することもまた可能である。
【００６２】
[0050]ブロック１２０８では処理システム１１２は、レーザ三角測量に対する較正を写真測量処理の結果に基づいて計算する。処理システム１１２は、カメラ１０２に対するレーザ投射の場所を決定する。
【００６３】
[0051]ブロック１２１０では処理システム１１２は、レーザ三角測量によって、較正を適用して、レーザ投射により照射される表面上の点の３Ｄ座標を計算する。
[0052]一部の実施形態では、任意の環境での物体および表面の、３Ｄ測定およびモデリングのための方法は、
支持体上で組立てられる少なくとも１つのカメラおよび１つのレーザ線プロジェクタの組立体を用意するステップと、
測定シーンの周囲で移動し、物体上に投射されるレーザ線とともに測定シーンのビデオを撮影するステップと、
手動で、または自動的に、
ビデオから画像を抽出するステップと、
画像間の相関点を決定するステップと、
相関点の３Ｄ（ｘｙｚ）座標を決定するステップと、
カメラの光学パラメータを決定するステップと、
カメラの場所を決定するステップと、
カメラに対するレーザ面の相対的な位置および向きを決定するステップと、
レーザ三角測量点の３ｄ座標（ｘｙｚ）を決定するステップと
を含む。
【００６４】
[0053]一部の実施形態では、任意の環境での物体および表面の、３Ｄ測定およびモデリングのための方法は、
カメラにより静止画像またはビデオ画像（高精細度またはそうでないもの）を提供するステップであって、
複数のカメラが取り付けられ使用され得るものであり、そのことによって、立体視および追加的な測定が可能となる、提供するステップと、
レーザ線などのパターン投射を提供するステップと
を含む。
【００６５】
[0054]一部の実施形態では、任意の環境での物体および表面の、３Ｄ測定およびモデリングのためのシステムは、
カメラと、
レーザと、
各々の測定で、カメラの光学機械パラメータ、ならびに、カメラに対するレーザの相対的な場所および向きのモデリングを統合する自己較正モジュールと、
媒体（空気、光学ガラス、水）に起因する光学偏差を考慮する自己較正モジュールと、
任意のズーム位置に拡張される自己較正モジュールと
を含む。
【００６６】
[0055]上記の考察は、本開示の様々な原理および実施形態の図解のものであるように定められるものである。ある種の実施形態が示され説明されたが、それらの修正は、本開示の趣旨および教示から逸脱することなく当業者により行われ得る。本明細書で説明される実施形態は、単に例示的であり、限定的ではない。したがって保護の範囲は、上記で述べられた説明により限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲により限定されるのみであり、その範囲は、特許請求の範囲の主題のすべての等価物を含む。
【図１】
0006317760.tif 000016
【図２】
0006317760.tif 000017
【図３】
0006317760.tif 000018
【図４】
0006317760.tif 000019
【図５】
0006317760.tif 000020
【図６Ａ】
0006317760.tif 000021
【図６Ｂ】
0006317760.tif 000022
【図７Ａ】
0006317760.tif 000023
【図７Ｂ】
0006317760.tif 000024
【図７Ｃ】
0006317760.tif 000025
【図７Ｄ】
0006317760.tif 000026
【図８Ａ】
0006317760.tif 000027
【図８Ｂ】
0006317760.tif 000028
【図９Ａ】
0006317760.tif 000029
【図９Ｂ】
0006317760.tif 000030
【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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