(57)【要約】【課題】  低コスト化できて、簡便で精度を向上できる表面形状計測装置、表面形状計測方法を実現する。【解決手段】  対象の計測表面１に対し、予め設定された投影パターン情報に基づく投影パターン３ａを投影すると共に上記投影パターン情報を出力する液晶プロジェクタ３を設ける。投影パターン３ａが投影された計測表面１を撮影して計測表面１に応じて変形した撮影パターン６ａを含む画像を画像信号として出力するデジタルカメラ６を設ける。撮影パターン６ａと投影パターン情報とから計測表面１の形状を算出により計測するパソコン７を設ける。【選択図】  図１
2005315728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象の計測表面を撮影して上記計測表面の画像を画像信号として出力するカメラ部と、
上記画像信号から、上記計測表面の形状を算出により計測する計測部と、
予め設定された投影パターン情報に基づく投影パターンを上記計測表面に対し投影すると共に上記投影パターン情報を上記計測部に出力する投影部とを有することを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２】
前記投影パターンは、計測表面の色と相違し、識別できる測定色の光点を標点として含む請求項１記載の表面形状計測装置。
【請求項３】
前記投影部は、液晶プロジェクタである請求項１または２記載の表面形状計測装置。
【請求項４】
前記投影部は、レーザ投光器である請求項１または２記載の表面形状計測装置。
【請求項５】
前記カメラ部は、デジタルカメラである請求項１ないし４の何れか１項に記載の表面形状計測装置。
【請求項６】
前記投影パターンは、繰り返し構造を備えている請求項１ないし５の何れか１項に記載の表面形状計測装置。
【請求項７】
前記投影パターンは、メッシュ形状である請求項１ないし６の何れか１項に記載の表面形状計測装置。
【請求項８】
さらに、前記計測表面に対する投影部からの投影光の投影角度を設定するための投影角度設定部を有する請求項１ないし７の何れか１項に記載の表面形状計測装置。
【請求項９】
さらに、前記カメラ部の光軸の受光角度を設定するための受光角度設定部を有する請求項１ないし８の何れか１項に記載の表面形状計測装置。
【請求項１０】
さらに、前記投影部とカメラ部との間隔を設定するための間隔設定部を有する請求項１ないし９の何れか１項に記載の表面形状計測装置。
【請求項１１】
前記予め設定された投影パターン情報を記憶しておくための記憶部を有する請求項１ないし１０の何れか１項に記載の表面形状計測装置。
【請求項１２】
前記計測部は、情報パターン情報と、投影パターンが投影された計測表面の画像からの画像信号とに基づき、上記計測表面の形状を算出するようになっている請求項１ないし１１の何れか１項に記載の表面形状計測装置。
【請求項１３】
予め設定されたデジタル情報である投影パターンに基づく投影パターンを計測表面に対して投影し、
投影パターンに基づく投影パターンが投影された計測表面を撮影して上記計測表面の画像をデジタル画像信号として出力し、
上記デジタル画像信号と、上記投影パターンのデジタル情報とから、上記計測表面の形状を算出により計測することを特徴とする表面形状計測方法。
【請求項１４】
前記投影パターンに、計測表面の色と相違し、識別できる測定色の光点を標点として用いる請求項１３記載の表面形状計測方法。
【請求項１５】
前記投影パターンに、間隔が設定された格子形状を用いる請求項１３または１４記載の表面形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋等の構造物の表面形状を非接触にて計測できる表面形状計測装置、およびその表面形状計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、我が国において、供用期間が４０〜６０年以上になる鋼橋等の既設の鋼を主とする構造物が多くなり、構造物の適切な維持管理が必要になってきた。維持管理に適した計測技術として、上記構造物の表面形状を非接触にて測定し、上記構造物の腐食などによる耐久性の程度を計測するために、上記構造物の表面に対する画像計測の活用も種々検討されている。
【０００３】
例えば、非特許文献１による報告では、構造物の表面を互いに異なる角度で撮影した２枚の画像を用いて、上記表面の立体画像を得、その立体画像により腐食面を画像計測によって再現し評価する方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献１には、表面処理された鋼材の劣化・腐食検出判定方法およびその劣化・腐食検出判定システム装置が開示されている。上記システム装置は、構造物を構成する部材外部表面を撮像するビデオカメラやフォトＣＤなどのカメラを構造物の構成部材に対し遠方に設置し、このカメラで構造物全体または部分的に撮影し、得られた映像を画像処理機能を備えたコンピュータに入力し、この画像処理による二値化処理とHough 変換で検査対象物を抽出すると共に、明度、彩度、色相、面積、面積比等を利用して、この検査対象物の腐食状態を検出し、検査対象物外部表面の腐食度または劣化レベルを判定するものである。
【０００５】
さらに、構造物の表面状態を正確に計測する計測装置として、レーザを構造物の表面に照射し、その表面からの反射光によって上記表面状態を計測する装置が知られている。
【非特許文献１】土木学会第５７回年次学術講演会（２００２年９月）
【特許文献１】特開平１１−１３２９６２号公報（公開日：１９９９年５月２１日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記の非特許文献１に記載の従来方法では、立体画像を得る過程で、異なる角度で撮影した２枚の画像における同一点の認識に行き詰っているのが実態であり、正確な立体画像が得られず、腐食面の再現性に劣るという課題を生じている。
【０００７】
また、前記の特許文献１に記載の従来構成においては、カメラにより得られた映像は、日光などの外部からの照明によるものであるから、その照明の照射角度により上記照明によって形成される影が変化するので得られた映像が変化して、構造物の表面状態を正確に得られないという課題を生じている。
【０００８】
さらに、前記のレーザを用いる従来装置は、少なくとも数千万円以上と高価なものであり、種々な構造物に対する使用はコスト的に困難であるという課題を生じる。
【０００９】
本発明は、上記の各課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的、簡便な構成にて、正確に表面形状を計測できる表面形状計測装置、および表面形状計測方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る表面形状計測装置は、上記課題を解決するために、対象の計測表面を撮影して上記計測表面の画像を画像信号として出力するカメラ部と、上記画像信号から、上記計測表面の形状を算出により計測する計測部と、予め設定された投影パターン情報に基づく投影パターンを上記計測表面に対し投影すると共に上記投影パターン情報を上記計測部に出力する投影部とを有することを特徴としている。
【００１１】
上記構成によれば、対象の計測表面に対し、投影部により予め設定された投影パターンに基づく投影パターンを投影して、上記投影パターンが投影された計測表面をカメラ部により撮影すれば、上記投影パターンが計測表面の表面形状（つまり凹凸形状）に沿って変形した撮影パターンを含む画像信号を得ることができる。
【００１２】
これにより、上記構成では、計測部において、投影部から入力された投影パターン情報と、上記投影パターンに対応する撮影パターンとの比較による相違点によって、計測表面を再現するための計測された表面形状を、実際の表面形状に近づけることがより確実化できる。
【００１３】
上記表面形状計測装置では、前記投影パターンは、計測表面の色と相違し、識別できる測定色の光点を標点として含むものが好ましい。上記構成によれば、投影パターンが計測表面の色と相違し、識別できる測定色の光点を標点として含むことで、上記投影パターンをカメラ部にて撮影し易くなり、計測表面を再現するための計測された表面形状を、実際の計測表面に近づけることがより確実化できる。
【００１４】
上記表面形状計測装置においては、前記投影部は、液晶プロジェクタであっても、レーザ投光器であってもよい。上記構成によれば、液晶プロジェクタ、またはレーザ投光器により、投影パターン情報に基づく投影パターンを容易に形成でき、かつ上記形成を簡素化、つまり低コスト化できる。
【００１５】
上記表面形状計測装置では、前記カメラ部はデジタルカメラであることが望ましい。上記構成によれば、得られた画像信号がデジタル信号であるから、上記画像信号に含まれる撮影パターンと投影パターン情報との比較を容易化できると共に、デジタルカメラが数万円で調達できるから低コスト化が可能となる。
【００１６】
上記表面形状計測装置においては、前記投影パターンは、繰り返し構造を備えていることが好ましい。上記表面形状計測装置では、前記投影パターンは、メッシュ形状であってもよい。
【００１７】
上記構成によれば、投影パターンが、繰り返し構造を備えていたり、メッシュ形状であったりすることで、上記計測部において、上記投影パターン情報とカメラ部からの画像信号に含まれる撮影パターンとの比較を容易化できる。
【００１８】
上記表面形状計測装置においては、さらに、前記計測表面に対する投影部からの投影光の投影角度を設定するための投影角度設定部を有してもよい。上記表面形状計測装置では、さらに、前記カメラ部の光軸の受光角度を設定するための受光角度設定部を有してもよい。上記表面形状計測装置においては、さらに、前記投影部とカメラ部との間隔を設定するための間隔設定部を有してもよい。
【００１９】
上記構成によれば、投影角度、受光角度および間隔を設定することで、画像信号に含まれる撮影パターンと投影パターン情報との比較を確実化できて、計測表面の表面状態の再現性を向上でき、また、投影角度、受光角度および間隔の少なくとも一つの設定を変更して撮影することで、計測表面の表面状態に関する撮影パターンを増やすことにより、計測表面の表面状態の再現性を改善できる。
【００２０】
上記表面形状計測装置では、前記予め設定された投影パターン情報を記憶しておくための記憶部を有してもよい。上記表面形状計測装置においては、前記計測部は、投影パターン情報と、投影パターン情報に基づく投影パターンが投影された計測表面の画像からの画像信号とに基づき、上記計測表面の形状を算出するようになっていてもよい。
【００２１】
本発明に係る表面形状計測方法は、前記課題を解決するために、予め設定されたデジタル情報である投影パターン情報に基づく投影パターンを計測表面に対して投影し、投影パターンが投影された計測表面を撮影して上記計測表面の画像をデジタル画像信号として出力し、上記デジタル画像信号と、上記投影パターン情報とから、上記計測表面の形状を算出により計測することを特徴としている。
【００２２】
上記方法によれば、対象の計測表面に対し、投影部により予め設定された投影パターンを投影し、上記投影パターンが投影された計測表面を撮影すれば、上記投影パターンが計測表面の表面形状（つまり凹凸形状）に沿って変形した撮影パターンを含む画像信号を得ることができる。
【００２３】
これにより、上記方法では、投影パターンのデジタル情報と、上記投影パターンに対応する撮影パターンとの比較による相違点によって、計測表面を再現するための計測された表面形状を、実際の表面形状に近づけることがより確実化できる。
【００２４】
上記表面形状計測方法では、前記投影パターンに、計測表面の色と相違し、識別できる測定色の光点を標点として用いることが好ましい。上記表面形状計測方法においては、前記投影パターンに、間隔が設定された格子形状を用いてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る表面形状計測装置は、以上のように、対象の計測表面を撮影して上記計測表面の画像を画像信号として出力するカメラ部と、上記画像信号から、上記計測表面の形状を算出により計測する計測部と、予め設定された投影パターン情報に基づく投影パターンを上記計測表面に対し投影すると共に上記投影パターン情報を上記計測部に出力する投影部とを有する構成である。
【００２６】
それゆえ、上記構成は、対象の計測表面に対し、予め設定された投影パターンを投影部により投影することで、上記投影パターンが投影された計測表面をカメラ部により撮影すれば、上記投影パターンが計測表面の表面形状（つまり凹凸形状）に沿って変形した撮影パターンを含む画像信号を得ることができる。
【００２７】
これにより、上記構成では、計測部において、投影部から入力された投影パターン情報と、上記投影パターンに対応する撮影パターンとの比較による相違点に基づき、計測表面を再現するための計測された表面形状を、実際の表面形状に近づけることがより確実化できる。
【００２８】
この結果、上記構成は、計測表面の計測による再現を非接触でも可能となるので、橋梁やビルといった構造物の腐食面といった触れることが困難なものの表面状態を、より確実に把握できて、上記構造物の補修や廃棄といった判断をより的確化できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明に係る表面形状計測装置の一実施形態について図１ないし図１２に基づいて説明すると以下の通りである。すなわち、上記表面形状計測装置では、図１に示すように、計測対象の計測表面１に対し、予め設定された投影パターン情報に基づく投影パターン３ａを投影するための液晶プロジェクタ（投影部）３が、その光学的な基点（光源の位置）を仮想基準線２上に配置して設けられている。
【００３０】
液晶プロジェクタ３は、図示しないが、光源と、その光源からの光に対し、上記投影パターン情報に基づく投影パターン３ａを形成するための液晶パネルとを有している。上記投影パターン情報は、アナログ情報でもデジタル情報でもよいが、投影パターンに関する位置情報と共に色情報を含むデジタル情報が後述の画面処理の利便性から好ましい。
【００３１】
上記投影パターン３ａは、投影パターン情報に基づいて、計測表面１の表面の色と相違し、計測表面１の表面の色に対して識別できる測定色（望ましくは対照色（補色））の光点を標点として含むものであればよく、例えば繰り返し構造を有するメッシュ状（四角の格子状、グリッド状）のパターンに設定されている。よって、投影パターン３ａの色は、計測表面１が腐食表面のように黒または濃い灰色の場合は、白色が好ましい。上記パターンとしては、四角の格子状以外に、三角形や五角形でもよく、また、間隔が予め設定された点の集合体でもよい。
【００３２】
また、液晶プロジェクタ３は、上記投影パターンの形状や間隔といった細部の位置情報をデジタル情報により記憶しておくためのメモリ（記憶部）と、上記投影パターンのデジタル情報から、上記投影パターン３ａを液晶パネルの各画素にて形成するためのドライバとを、図示していないが、備えている。
【００３３】
さらに、上記投影パターン情報は、上記計測表面１上でのパターン画像と光学的に区別できる、例えば輝度、色度、および彩度の少なくとも一つが相違するドット状の光点である特異標点を上記投影パターン３ａ内の予め設定された位置に含むようになっていてもよい。また、上記特異標点は、輝度、色度、および彩度の内、色度を相違させること（投影パターン３ａが例えば青色の場合、赤色や黄色）が望ましく、さらに計測表面１の表面とも識別できる色度（例えば赤色や黄色）に設定されることが好ましい。
【００３４】
その上、上記特異標点は、予め設定された配列（例えば、直線上にて互いに等間隔の三連星状の配列）にて複数（図１では、Ａ〜Ｃ）であってもよい。上記複数の特異標点Ａ〜Ｃでも、繰り返し構造を有することが望ましい。このような特異標点を設けることで、投影パターン情報に基づく投影パターン３ａと、後述の撮影パターン６ａとの間での相関、対応関係を、より確実に正確に決定できて、実際の計測表面１の表面形状に近い測定結果の再現性を向上できる。
【００３５】
上記表面形状計測装置においては、計測表面１に対する液晶プロジェクタ３からの投影光４の中心軸である光軸４ａの上述した仮想基準線２に対する鋭角である投影角度αを測定または設定するための投影角度設定部（図示せず）が設けられていることが好ましい。
【００３６】
また、上記表面形状計測装置では、上記投影パターン３ａが投影された状態の計測表面１の表面からの画像光５を受光して撮影し、得られた撮影パターン６ａをデジタル画像信号として出力するデジタルカメラ（カメラ部）６が、その光学的な基点（レンズの位置）を仮想基準線２上に配置して設けられている。デジタルカメラ６としては、画素（ピクセル）数が、１００万〜１０００万の、例えば３００万のカラーＣＣＤカメラが挙げられ、さらに２〜１０倍程度の光学ズームを備えたものであってもよい。
【００３７】
上記デジタル画像信号には、前記投影パターン３ａが計測表面１の表面形状に応じて変形した撮影パターン６ａのデジタル情報が含まれている。さらに、上記デジタル画像信号においては、前記各標点Ａ〜Ｃの互いの位置関係が計測表面１の表面形状に応じて変形した各標点Ａ’〜Ｃ’のデジタル情報も含まれている。
【００３８】
上記デジタルカメラ６への画像光５における光軸５ａの仮想基準線２に対する鋭角である受光角度βを測定、または設定するための受光角度設定部（図示せず）が設けられていてもよい。さらに、上記液晶プロジェクタ３の仮想基準線２上の基点とデジタルカメラ６の仮想基準線２上の基点との間隔ｌを測定または設定するための間隔設定部（図示せず）が設けられていてもよい。
【００３９】
このような仮想基準線２は、液晶プロジェクタ３とデジタルカメラ６との相互間の位置関係を決めるためのものであり、よって、計測表面１の平均化された仮想平面に対して、仮想基準線２は、垂直に設定されると測定が困難になるため好ましくなく、平行であることが望ましいが、特に平行でなくとも計測は可能である。つまり、平行でない場合でも、得られたデジタル画像信号に含まれる撮影パターン６ａのデータから補正により平行とすることができる。
【００４０】
また、計測表面１に対する、液晶プロジェクタ３とデジタルカメラ６の配置としては、液晶プロジェクタ３から映写されて、計測表面１上に投影パターン３ａが結像され、その結像された投影パターン３ａをデジタルカメラ６にて撮影できればよいが、液晶プロジェクタ３からの光４の光軸４ａと、デジタルカメラ６への画像光５の光軸５ａとが交差するように配置されていることが望ましく、その交差点が計測表面１の表面より遠くにあることが好ましい。
【００４１】
また、前記の投影角度αと受光角度βとが互いに略等しくなるように液晶プロジェクタ３とデジタルカメラ６と互いに配置されていることが望ましい。投影角度αと受光角度βとの各角度が計測表面１の平均化された仮想計測平面の法線方向に一致することは、計測表面１上に結像された投影パターン３ａが計測表面１の形状（凹凸）に応じて殆ど変形しなくなるので好ましくない。よって、投影角度αと受光角度βとの各角度は、各光軸４ａ、５ａが、上記法線の向きと一致しない、上記法線に対し傾いた状態に設定されることが望ましい。投影角度αの角度範囲としては、精度上４５度程度が望ましいが、９０度未満であればよく、受光角度βの角度範囲としては、精度上４５度程度が望ましいが、９０度未満であればよい。
【００４２】
さらに、計測表面１に対する、液晶プロジェクタ３およびデジタルカメラ６の各仰角はそれぞれゼロが望ましい。各仰角がゼロとは、各光軸４ａ、５ａを含む仮想光軸平面が前述の仮想計測平面の法線方向と平行となることである。
【００４３】
上記投影パターン３ａおよび撮影パターン６ａの各デジタル情報が入力され、上記各デジタル情報に基づき、上記計測表面１の表面形状を計測するためのパソコン（計測部）７が液晶パネル等の表示部７ａを有して設けられている。本実施の形態では、上記パソコン７での上記表面形状の計測において、必要に応じ、投影角度α、受光角度β、および間隔ｌをデジタルデータとして、ユーザの入力または前述の測定による入力によって加えてもよい。また、上記パソコン７は、投影角度α、受光角度β、および間隔ｌを設定するために、投影角度設定部、受光角度設定部、間隔設定部を制御する制御部としての機能を予め格納されたプログラム、またはユーザの入力に沿って制御するものであってもよい。
【００４４】
上記実施の形態では、液晶プロジェクタ３を用いた例を挙げたが、投影パターン３ａを計測表面１上に形成できるものであればよく、レーザ光を所望する方向に反射するポリゴンミラーにより投影パターン３ａを計測表面１上に形成できる、レーザ投光器であってもよい。上記ポリゴンミラーは、周面が鏡面仕上げされた多角柱形状のものであり、その中心軸を回転軸として回転し、かつ、回転軸を変位して、上記回転している周面に対し、レーザ光を所定のタイミングにて照射し所望の方向に反射させて、所望する位置に照射して所定のパターンを形成できるものである。
【００４５】
本発明に係る表面形状計測装置の一実施例としては、例えば図２に示すように、液晶プロジェクタ３とデジタルカメラ６との間隔ｌを５０ｃｍ、液晶プロジェクタ３の焦点距離を２．６２ｃｍ、デジタルカメラ６の焦点距離を１１．７ｃｍ、計測表面１に対する液晶プロジェクタ３の投影角度αを７５度、計測表面１よりのデジタルカメラ６の受光角度βを７５度に設定したものが挙げられる。また、デジタルカメラ６の画素（ピクセル）数は３００万のものを用いた。
【００４６】
次に、本実施の形態に記載の表面形状計測装置を用いた表面形状計測方法について、図３に示すフローチャートに基づき説明する。図３に示すように、まず、液晶プロジェクタ３とデジタルカメラ６との間隔ｌ、投影角度αおよび受光角度βを、例えば前記一実施例のように設定して液晶プロジェクタ３およびデジタルカメラ６を固定する（ステップ１、以下、ステップをＳと記す）。
【００４７】
続いて、鋼の腐食面である計測表面１に対し液晶プロジェクタ３で、前記の赤色の特異標点を含む、青色の投影パターン３ａを投影する（Ｓ２）。その後、投影された投影パターン３ａをデジタルカメラ６で撮影する（Ｓ３）。このとき、デジタルカメラ６では、投影パターン３ａは、図４に示すように、計測表面１の表面形状に応じて変形しており撮影パターン６ａとなっている。また、上記の赤色の特異標点は、直線上に連なる赤色ドット６ｂとなっている。
【００４８】
その次に、デジタルカメラ６で撮影した撮影パターン６ａを含む画像のデジタル画像信号を、パソコン７にて、上記撮影パターン６ａ上での標点（例えば、格子の格子点）や特異標点の画素（ピクセル）の位置を、例えば投影パターン３ａの格子点といった各標点や各特異標点における、予め設定されている間隔や色度を利用して決定する（Ｓ４）。
【００４９】
続いて、パソコン７は、パソコン７に予め格納されている表面座標解析プログラムに対し、以下の(1) 投影角度α、受光角度β、(2) 各焦点距離ｆＬ、ｆＲ、(3) 間隔ｌ、(4) 標点の投影パターン３ａ上における座標値、(5) 撮影パターン６ａ上での標点の画素（ピクセル）位置の各データを入力する（Ｓ５）。
【００５０】
その後、パソコン７は、上記各データ、液晶プロジェクタ３の投影パターン３ａの各座標、およびデジタルカメラ６でのＣＣＤの撮影パターン６ａの各座標に基づき、各標点の三次元座標を算出し、図５に示すように、計測表面１の表面形状を再現した再現表面８が得られる（Ｓ６）。再現表面８上では、比較のために、撮影パターン６ａに対応した再現撮影パターン８ａも示した。
【００５１】
上記腐食面の計測表面１に対する、上記再現された表面形状と、同一の計測表面１に対する、精度が高いが高価なレーザ計測器による表面形状とを比較したところ、図６に示すように、上記両者間には高い相関が観察された。つまり、本発明に係る表面形状計測装置および表面形状計測方法は、光学的な手法により非接触での計測であり、かつ、計測表面１の計測表面の再現性が優れていることがわかった。
【００５２】
よって、本発明の表面形状計測装置および表面形状計測方法は、液晶プロジェクタ３とデジタルカメラ６という廉価で、かつ携帯が容易なものを用いることが可能なことにより、低コスト化および計測利便性の向上が可能になると共に、計測の優れた再現性も確保できるものであることがわかる。
【００５３】
上記計測表面１が腐食面の場合、上記のような表面形状を再現することで、上記腐食面での腐食の程度を計測でき、その腐食の程度によって上記計測表面１を備えた実構造物の残存耐荷力の評価が可能となる。
【００５４】
なお、上記では、計測表面１としては、鋼を主とする構造物の表面を挙げたが、本発明は、上記構造物の表面形状の計測のみに限定的に適用されるものではなく、凹凸を備えた対象物であれば適用可能であり、例えば、歯車など精密部品、車両の表面計測、顔や指紋の表面計測が挙げられる。
【００５５】
さらに、本発明では、測定表面の位置情報もデジタルにて測定できることから、橋やビルディングやダムといった、常に負荷が印加されている建造物に対し、経時的な定点観測をすることにより、上記建造物の変形の程度も計測できる。よって、本発明は、上記建造物の経時的な変形の検出にも好適に利用できる。
【００５６】
次に、投影パターン３ａ上と撮影パターン６ａ上とにおける、互いに対応する同一点の決定方法の一例について説明する。同一点の決定には、各画素（ピクセル）に含まれるＲＧＢ値（テキスト化されたもの）を利用する。投影パターン３ａのピクセルのＲＧＢ値をＬＲ(K,L)、撮影パターン６ａのピクセルのＲＧＢ値をＲＲ(I,J)とする。図７に示した位置関係にある点を対応点とすると、下記の式（１）のように、対応点同士のＲＧＢ値の差の二乗和が最小となるときに、点(I,J)と点(K,L)とが同一点であるとした。この作業をマッチングと呼称する。上記マッチングでは、周囲何ピクセルまで二乗和を取るかは、プログラムの中で自由に設定できるようになっている。
【００５７】
【数１】
2005315728.tif 000003
【００５８】
続いて、計測表面１での凹凸の算出方法の一例について図２、図８ないし図１２を用いて説明する。図８において、点Ａは、液晶プロジェクタ３の光源位置、点Ｂはデジタルカメラ６のレンズ位置、点Ｃは液晶プロジェクタ３の光軸４ａとデジタルカメラ６の光軸５ａとの交点、点Ｄは計測表面１上の点、点Ｅは、投影パターン３ａの原点、点Ｆは撮影パターン６ａの原点、点Ｇは、投影パターン３ａ上における点Ｄに対応する位置、点Ｈは撮影パターン６ａ上における点Ｄに対応する位置を表している。
【００５９】
このような撮影条件については図２に示したものを用い、間隔ｌ、α、β、ｆＬ、ｆＲは既知であるとする。また、液晶プロジェクタ３、デジタルカメラ６の各仰角はゼロとした。
【００６０】
投影パターン３ａを示す図９において、点ＧのＸ、Ｙ座標をＸＬ、ＹＬとすると、γ、δは次式で表される。
【００６１】
γ＝tan-1（ＸＬ／ｆＬ）                              …（２）
δ＝tan-1（ＹＬ／（ｆＬ2＋ＸＬ2）1/2）              …（３）
撮影パターン６ａを示す図１０において、点ＨのＸ、Ｙ座標をＸＲ、ＹＲとすると、ε、φは次式で表される。
【００６２】
ε＝tan-1（ＸＲ／ｆＲ）                              …（４）
φ＝tan-1（ＹＲ／（ｆＲ2＋ＸＲ2）1/2）              …（５）
図１１において、θ１、θ２は、α、β、γ、εを用いて
θ１＝α−γ                                          …（６）
θ２＝β＋ε                                          …（７）
と表すことができる。したがって、θ３は、
θ３＝π−（θ１＋θ２）                              …（８）
で表される。
【００６３】
また、正弦定理より、
【００６４】
【数２】
2005315728.tif 000004
【００６５】
が成り立つので、ｂ、ｃは、
【００６６】
【数３】
2005315728.tif 000005
【００６７】
で表される。
【００６８】
したがって、ｘ、ｚは、θ１、ｂを用いて、
ｘ＝ｂcosθ１                                        …（１２）
ｚ＝ｂsinθ１                                        …（１３）
で表される。
【００６９】
図１２において、ｙは、ｂ、δを用いて、
ｙ＝ｂtanδ                                          …（１４）
と表すことができる。
【００７０】
式（２）ないし式（１４）を用いて、ｘ、ｙ、ｚを書き換えると、
【００７１】
【数４】
2005315728.tif 000006
【００７２】
と表される。式（１５）ないし式（１７）中の記号の内、ｌ、α、β、ｆＬ、ｆＲは既知であるので、各点Ｇ、Ｈの各座標（ＸＬ、ＹＬ）、（ＸＲ、ＹＲ）が分かれば、点Ａを原点としたときの点Ｄの座標、すなわち計測表面１上の任意の点での座標が求まることになる。したがって、投影パターン３ａ、撮影パターン６ａ上における同一点を決定できれば、撮影された計測表面１の凹凸を算出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の表面形状計測装置および表面形状計測方法は、対象構造物の計測表面への投影パターンの投影により、計測表面の表面形状に関する優れた再現性を確保できると共に、液晶プロジェクタやデジタルカメラという廉価なものを用いることができて、低コストにできる。
【００７４】
これらによって、本発明の表面形状計測装置および表面形状計測方法は、鋼橋、各種の鉄管、鋼製水門、鉄塔、貯蔵タンク、ビルディングなどの対象構造物の表面形状を安価に、再現性よく、かつ非接触にて計測できるから、上記対象構造物の経年劣化や腐食度の診断と、その診断結果に基づく補修・補強対策、更新などの判断に有用な表面形状に関する定量的データを安価に、確実に提供可能にするものであるので、土木や建築の用途に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の表面形状計測装置における実施の一形態を示す概略構成図である。
【図２】上記表面形状計測装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図３】本発明に係る表面形状計測方法の実施の一形態を示すフローチャートである。
【図４】上記表面形状計測方法での一ステップを示す、投影パターンが投影された計測表面の平面図である。
【図５】上記表面形状計測方法での他のステップを示す、計測表面１の表面形状を再現した再現表面と、再現表面上に比較のための撮影パターンに対応した再現撮影パターンとを示した斜視図である。
【図６】上記再現された表面形状と、同一の計測表面に対するレーザ計測器による表面形状とを比較したグラフである。
【図７】上記表面形状計測方法における、投影パターン上と撮影パターン上とにおける、互いに対応する同一点の決定方法の一例を示す、投影パターンおよび撮影パターンの正面図である。
【図８】上記表面形状計測方法における、計測表面の凹凸を計測する方法を示す概略構成図である。
【図９】上記図８の要部概略構成図である。
【図１０】上記図８の他の要部概略構成図である。
【図１１】上記表面形状計測方法における、計算式のための概略構成図である。
【図１２】上記表面形状計測方法における、他の計算式のための概略構成図である。
【符号の説明】
【００７６】
１    計測表面
３    液晶プロジェクタ（投影部）
３ａ  投影パターン
６    デジタルカメラ（カメラ部）
６ａ  撮影パターン
７    パソコン（計測部）
【図１】
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【図２】
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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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