(57)【要約】本発明は、測量装置と撮像装置とにより３次元座標データを演算するための３次元測量装置等であり、測量装置が、距離と角度とから視準目標の位置を測定し、撮像装置が、異なる複数の方向から視準目標を含む測定対象物の画像を取得する様になっており、演算処理手段が、視準目標を対応点として撮像装置の画像のマッチングを行い、測量装置が測定した視準目標の位置と、マッチングを行った画像にある視準目標とを関連付け、その関連付けに基づき測定対象物の３次元座標データを演算することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
距離と角度とから視準目標の位置を測定するための測量装置と、異なる複数の方向から前記視準目標を含む測定対象物の画像を取得するための撮像装置とを備え、前記視準目標を対応点として前記撮像装置の画像のマッチングを行い、前記測量装置が測定した視準目標の位置と、前記マッチングを行った画像にある視準目標とを関連付け、その関連付けに基づき前記測定対象物の３次元座標データを演算するための演算処理手段とを備えた３次元測量装置。
【請求項２】
既知点に置かれた測量装置が、少なくとも６つの視準目標の位置を測定し、演算処理手段が、該撮像装置の傾き又は回転を補正し、該視準目標の位置と前記撮像装置の画像とから該撮像装置の位置を求め、前記撮像装置の取得した測定対象物の３次元座標データを演算する請求項１記載の３次元測量装置。
【請求項３】
視準目標は再帰反射性を有する素材からなり、その表面には視準を容易にするマークが形成されている請求項１記載の３次元測量装置。
【請求項４】
マークは、撮像装置の画像データから認識可能な標識部と、作業者が識別可能な記号とから構成されている請求項３記載の３次元測量装置。
【請求項５】
マークは、視準を容易にする十字マークと、視覚的に識別可能な文字と、電気的読み取り可能なコードとから構成されている請求項３記載の３次元測量装置。
【請求項６】
視覚的に識別可能な文字は数字であり、電気的読み取り可能なコードはバーコードである請求項５記載の３次元測量装置。
【請求項７】
測量装置による距離データと角度データとから視準目標の位置を測定する第１工程と、複数の撮像装置により前記視準目標を含む画像を異なる方向から取得する第２工程と、前記視準目標を対応点として前記撮像装置の画像のマッチングを行う第３工程と、前記第１工程で測定した視準目標の位置と前記マッチングを行った画像にある視準目標とを関連付ける第４工程と、前記第４工程で得られた関連付けに基づき前記測定対象物の３次元座標データを演算する５工程とからなる３次元測量方法。
【請求項８】
距離と角度から視準目標の位置を測定すると共に視準目標を含む画像を取得するための測量装置と、異なる複数の方向から前記視準目標を含む測定対象物の画像を取得するための撮像装置と、前記測量装置の取得した画像と前記撮像装置の取得した画像のマッチングを行い、前記視準目標を対応点として前記撮像装置の画像のマッチングを行い、前記測量装置が測定した視準目標の位置と、前記撮像装置のマッチングを行った画像にある視準目標とを関連付け、その関連付けに基づき前記測定対象物の３次元座標データを演算するための演算処理手段とからなる３次元測量装置。
【請求項９】
測量装置が測定した視準目標の距離データと角度データとを読み取り、複数の撮像装置が、異なる方向から撮像した前記視準目標を含む画像データを読み取り、前記視準目標を対応点として前記撮像装置の画像のマッチングを行い、測量装置が測定した視準目標の位置と前記マッチングを行った画像にある視準目標とを関連付け、この関連付けに基づき前記測定対象物の３次元座標データを演算する手順を示すプログラムが記憶されているＦＤ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、メモリカード等の電子的記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、測量装置と撮像装置とにより３次元座標データを演算するための３次元測量装置等に係わり、特に、測量装置により対応点の位置を決定し、ステレオ表示が可能な３次元測量装置に関するものである。
【背景技術】  従来、画像データから３次元座標を得る場合には、例えばデジタルカメラ等の撮像手段と、大きさが既知の基準構造物が使用される。測定目標となる物体の近傍に基準構造物が載置され、この基準構造物を、カメラで２方向或いは複数の方向から撮影する。このカメラには、画像の前後左右の傾きを測定するための傾斜計が設けられている。基準構造物は大きさが既知であり、例えば三角形の構造物が使用される。カメラで撮影する位置及び基準構造物が載置される位置は、予め測量した位置とされる。
この撮影位置から、測定目標となる物体と基準構造物とが同時に撮影される構図で撮影する。基準構造物と撮影位置と撮影画像上の位置とから、絶対標定によりその関係を求め、測定目標となる物体の３次元座標が算出している。
しかしながら、上記従来の絶対標定を行うには、予め大きさが既知の基準構造物等を設置しなければならない。また、基準構造物を設置する位置、撮影するカメラの位置も測量しなければならない。基準構造物を置くと共に、カメラを設置し、更に測量も実施することは非常に面倒であり、ましてや建物等の場合には、サイズも巨大であり非常に困難を伴うという問題点があった。更に、傾きを検出するための傾斜計をカメラに設けなければ撮影姿勢を計測することができず、この様な特殊なカメラは極めて高価となるという問題点があった。
【発明の開示】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、距離と角度とから視準目標の位置を測定するための測量装置と、異なる複数の方向から前記視準目標を含む測定対象物の画像を取得するための撮像装置とを備え、前記視準目標を対応点として前記撮像装置の画像のマッチングを行い、前記測量装置が測定した視準目標の位置と、前記マッチングを行った画像にある視準目標とを関連付け、その関連付けに基づき前記測定対象物の３次元座標データを演算するための演算処理手段とを備えている。
また本発明は、既知点に置かれた測量装置が、少なくとも６つの視準目標の位置を測定し、演算処理手段が、該撮像装置の傾き又は回転を補正し、該視準目標の位置と前記撮像装置の画像とから該撮像装置の位置を求め、前記撮像装置の取得した測定対象物の３次元座標データを演算する構成にすることもできる。
更に本発明の視準目標は、再帰反射性を有する素材からなり、その表面には視準を容易にするマークが形成されている構成にすることもできる。
そして本発明のマークは、撮像装置の画像データから認識可能な標識部と、作業者が識別可能な記号とから構成されている請求項３記載の３次元測量装置。
また本発明のマークは、視準を容易にする十字マークと、視覚的に識別可能な文字と、電気的読み取り可能なコードとから構成することもできる。
そして、視覚的に識別可能な文字は数字であり、電気的読み取り可能なコードはバーコードである構成にすることもできる。
更に本発明の３次元測量方法は、測量装置による距離データと角度データとから視準目標の位置を測定する第１工程と、複数の撮像装置により前記視準目標を含む画像を異なる方向から取得する第２工程と、前記視準目標を対応点として前記撮像装置の画像のマッチングを行う第３工程と、前記第１工程で測定した視準目標の位置と前記マッチングを行った画像にある視準目標とを関連付ける第４工程と、前記第４工程で得られた関連付けに基づき前記測定対象物の３次元座標データを演算する５工程とから構成されている。
また本発明の３次元測量装置は、距離と角度から視準目標の位置を測定すると共に視準目標を含む画像を取得するための測量装置と、異なる複数の方向から前記視準目標を含む測定対象物の画像を取得するための撮像装置と、前記測量装置の取得した画像と前記撮像装置の取得した画像のマッチングを行い、前記視準目標を対応点として前記撮像装置の画像のマッチングを行い、前記測量装置が測定した視準目標の位置と、前記撮像装置のマッチングを行った画像にある視準目標とを関連付け、その関連付けに基づき前記測定対象物の３次元座標データを演算するための演算処理手段とから構成されている。
そして本発明の電子的記憶媒体は、測量装置が測定した視準目標の距離データと角度データとを読み取り、複数の撮像装置が、異なる方向から撮像した前記視準目標を含む画像データを読み取り、前記視準目標を対応点として前記撮像装置の画像のマッチングを行い、測量装置が測定した視準目標の位置と前記マッチングを行った画像にある視準目標とを関連付け、この関連付けに基づき前記測定対象物の３次元座標データを演算する手順を示すプログラムが記憶されて構成されている。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の第１実施例を説明する図である。図２は、本発明の第１実施例を説明する図である。図３は、第１実施例のターゲットマーク２０００を説明する図である。図４は、第１実施例の測量機１０００を説明する図である。図５は、第１実施例の測量機１０００の構成を説明する図である。図６は、本発明の第２実施例を説明する図である。図７は、第２実施例を説明する図である。図８は、第２実施例の測量機１０００の構成を説明する図である。図９は、本実施例の作用を説明する図である
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】  本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
「第１の実施例」
第１の実施例は、パスポイントにターゲットマーク２０００を用いる３次元測定装置である。
測量機１０００としては、測地地点に置いた反射プリズムまでの距離を測定することのできるトータルステーションを使用する。また、ステレオ画像のパスポイントすると共に、反射プリズムの代わりに使用することから、反射シートにマークを描いたターゲットマーク２０００を使用する。
第１実施例を図１に基づいて説明する。
測定対象物１００００のパスポイントとする少なくとも６位置にターゲットマーク２０００ａ、２０００ｂ、２０００ｃ、２０００ｄ、２０００ｅ、２０００ｆを載置するか、接着剤等で貼付する。
任意の左右の位置からステレオ撮影する場合、カメラを中心として前後左右、光軸の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に回転している。これらのカメラの傾きは、（ω、φ、κ；ロール、ピッチ、ヨー角）と表現される。
これらを変数として解く場合には、数学的に既知である６つのパスポイントを必要とする。
次に、測定対象物１００００から離れた既知点であって、ターゲットマーク２０００を測定する位置に測量機１０００を据え付ける。この場合の既知点は、ＧＰＳ装置や測量基準点等から求めた、高さを含めた座標位置を持つ点である。
既知点上に三脚を置き、三脚上に測量機１０００を据え付け、機械高さを測定する。この機械高さは、測量を行う実質的高さである。
測量機１０００で第２の既知点を視準し、水平角を測るため基準点とする。そして、ターゲットマーク２０００ａ〜ターゲットマーク２０００ｆまでを視準し、ターゲットマーク２０００ａ〜ターゲットマーク２０００ｆまでの水平角、高度角、距離を測量する。
測量機１０００を設置した既知点と、第２の既知点の距離、既知点とターゲットマーク２０００ａ〜ターゲットマーク２０００ｆまでの距離、基準点からの水平角と高度角により、ターゲットマーク２０００ａ〜ターゲットマーク２０００ｆの座標位置が確定する。
次に図２に示す様に、少なくとも左右の２方向から、デジタルカメラ３０００で測定対象物１００００と共にターゲットマーク２０００ａ〜ターゲットマーク２０００ｆを撮影する。
ターゲットマーク２０００ａ〜ターゲットマーク２０００ｆをパスポイントとして、左右の画像を撮影したデジタルカメラ３０００の相対関係を求める相互評定を行う。
ここで相互評定とは、左右の画像の対応点（パスポイント）を指示することにより、左右の画像を撮影したデジタルカメラ３０００の相対関係を求めることができる。これにより、左カメラの光軸を中心とした３次元の座標系が定義できる。
これにより、一方のデジタルカメラ３０００の光軸を中心とした３次元の座標系が定義できる。
相互評定で得られたモデル座標系に、測量機１０００で測量して得たパスポイントの座標位置を与え、地上の座標系に変換する絶対評定を行う。
ここで絶対評定とは、相互評定で得られたモデル座標系を地上の座標系に変換する作業であり、画像上のポイントに、地上で計測された３次元座標値を与えることにより変換することができる。
またデジタルカメラ３０００で撮影した写真は、中心と周辺との倍率が異なる中心投影写真であるので、絶対評定後、平行に投影するオルソ画像に変換する。
ここでオルソ画像を説明する。カメラで撮影した写真が中心投影写真であるのに対し、中心投影写真を正斜投影したものをオルソフォトと呼んでいる。中心投影写真はレンズを通して撮影されているため、地図のように写真全体の縮尺が均一ではない。これに対してオルソフォトは正斜投影化されているため縮尺が均一であり、地図と同様の取扱いができる。
デジタルカメラ３０００の画像は小さなピクセル単位のデータから構成され、相互評定、絶対評定により、その一個一個に座標が与えられる。ディスプレイ等の２次元表示では３次元座標に応じて陰影が付けられる。座標変換ではピクセル単位の座標が新たに計算され回転等の動作として表示される。
以上の様に本第１実施例は、測量機１０００とデジタルカメラ３０００とにより３次元座標データを演算し、ステレオ表示が可能な３次元測量装置に関するものである。
なお、測量機１０００の計測データとデジタルカメラ３０００の画像との関係の１例を説明する。
2005017644.tif 000002
ここで、ｆは、デジタルカメラ３０００の焦点距離であり、ａは、デジタルカメラ３０００の傾き（３軸の回転角）である（ω、φ、κ；ロール、ピッチ、ヨー角）であり、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、測量機１０００が計測した３次元データであり、（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）は、測量機１０００に対するデジタルカメラ３０００の位置座標である。
図３はターゲットマーク２０００の拡大図である。ベースは再帰反射シートで構成されている。シート上には視準点を表す十字線２１００と、同じく視準を容易にする十字線を中心とした円が描かれている。円の上方には画像に変換した時に読み取りが容易となる様にバーコード２２００が描かれている。円の下方には、測定者がターゲットマーク２０００を識別するための数字２３００が描かれている。
このターゲットマーク２０００の裏には接着剤が貼付され、任意の対象物に貼り付け可能となっている。また接着剤以外の他の取り付け手段と組み合わせてもよく、例えばシート上の磁石に貼り付ける構成にすることもできる。
なおターゲットマーク２０００は、視準目標に対応するものであり、十字線２１００を中心とした円は、視準を容易にするマークに該当するものである。
またバーコード２２００は、撮像装置の画像データから認識可能な標識部に相当するものであり、数字２３００は、作業者が識別可能な記号に該当するものである。更にバーコード２２００は、電気的読み取り可能なコードに相当するものである。
図４と図５に示す様に測量機１０００は、トータルステーションであり、角度（鉛直角及び水平角）を検出する電子セオドライトと、光波距離計を内蔵するものである。
なお本実施例では、測量機１０００とデジタルカメラ３０００は、別体に構成されている。
次に図５に基づいて、本実施例の測量機１０００の電気的構成を説明する。
測量機１０００は、測距部１１００と、角度測定部１４００と、記憶部４２００、表示部４３００と、駆動部４４００と、制御演算部４０００と、操作・入力部５０００とから構成されている。ここで、記憶部４２００はデータ、プログラム等を記憶するためのものである。表示部４３００と操作・入力部５０００とにより、使用者が、測量機１０００を操作等することができる。
測距部１１００は、光波距離計が使用されている。測距部１１００は、反射光の位相差、時間差等から測距目標までの距離を測定するためのものである。測距部は、１１００発光部１１１０と受光部１１２０とを備えており、発光部１１１０から発光した測距光が、測定対象物の方向へ射出する。測定対象物からの反射光が受光部１１２０に入射する様に構成されており、測定対象物までの距離を測定することができる。
即ち、測量機１０００から測定対象物までの距離は、発光部１１１０がパルス発光してから、受光部１１２０で受光されるまでの時間差により算出される。なお、この演算は制御演算部４０００で実行される。
角度測定部１４００は、水平角、高低角を算出するためのものであり、鉛直角測角部１４１０と水平角測角部１４２０とから構成されている。
鉛直角測角部１４１０は、例えば高低角エンコーダを使用して、水平又は天頂として高低回転量を検出することができる。水平角測角部１４２０は、例えば、水平角エンコーダが、基準方向からの水平回転量として検出することができる。これらのエンコーダは例えば、回動部に取り付けられたロータと、固定部の形成されたステータとから構成されている。
鉛直角測角部１４１０と水平角測角部１４２０とからなる角度測定部１４００が、検出された水平回転量及び高低回転量に基づいて、水平角及び高低角を算出する様に構成されている。
駆動部４４００は、水平駆動部４４１０と高低駆動部４４２０とから構成されており、測量機１０００をモータにより、水平方向及び高低方向に回転させることができる。
制御演算部４０００は、ＣＰＵ等を含み、各種演算等を実行するものである。
なお、測量機１０００の演算部１３００が演算する手順を記憶したプログラムを、ＦＤ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、メモリカード等の電子的記憶媒体に格納することができる。
測量機１０００は図４に示す様に、望遠鏡部４と、望遠鏡部４を上下回転できるように支持する托架部３と、托架部３を水平回転できるように支える基盤部２とから構成されている。基盤部２は、整準台１を介して三脚等に取付可能となっている。
測量機１０００には、操作・入力部５０００に一部である操作パネルが形成され、表示部４３００の一部となるディスプレイが取り付けられている。更に、望遠鏡部４には、対物レンズが露出している。
「第２の実施例」
図６及び図７に基づいて、パスポイントにターゲットマーク２０００を用いない第２の実施例を説明する。本第２実施例は、第１実施例と異なり、測量機１０００に撮像装置１００を装備している。
測量機１０００として視準方向を画像として取り込みが可能な撮像装置１００を備えている。測量機１０００の距離測定機能としては、自然物からの直接の反射を捕らえ反射プリズムを必要としないノンプリズム機能を備える測量機を使用する。
図６及び図７に示す様に測量機１０００は、測定対象物の任意の部分を視準し、距離を測定すると共に、同様に水平角・高低角を測定する。そして撮像装置１００が、測量地点の画像を取得する。視準点は光軸の中心であることから、画像の中心と一致している。測量地点はパスポイントとなるため少なくとも６位置の測量値と画像を取得する。
測量後、第１実施例と同様にデジタルカメラ３０００を使用して、少なくとも２方向からの画像を取得する。
次に、デジタルカメラ３０００の画像と、測量機１０００で取得した画像のマッチングを行う。倍率、輝度、回転を補正してマッチングを行い、視準位置をカメラ画像のパスポイントとする。
パスポイントの決定後、左右の画像を撮影したデジタルカメラ３０００の相対関係を求める相互評定を行う。第１の実施例と同様に、測量機１０００の測量で得たパスポイントの座標位置を加え絶対評定を行い、オルソ画像に変換する。
なお撮像装置１００は、画像装置データをデジタルデータに変換するためのものであり、例えば、ＣＣＤ等の固体撮像素子である。この撮像装置１００は、ＣＣＤ等から構成された撮像素子１１０と、撮像素子１１０の出力信号から画像信号を形成するための画像回路１２０とから構成されている。
次に図８に基づいて、本実施例の測量機１０００の電気的構成を説明する。
測量機１０００は、撮像装置１００と、測距部１１００と、角度測定部１４００と、記憶部４２００、表示部４３００と、駆動部４４００と、制御演算部４０００と、操作・入力部５０００とから構成されている。ここで、記憶部４２００はデータ、プログラム等を記憶するためのものである。表示部４３００と操作・入力部５０００とにより、使用者が、測量機１０００を操作等することができる。
なお撮像装置１００以外は、第１の実施例と同様であるから説明を省略する。
次に図９に基づいて、本実施例の作用を説明する。
まずＳ９１で、測定対象物１００００のパスポイントとする少なくとも６位置にターゲットマーク２０００ａ、２０００ｂ、２０００ｃ、２０００ｄ、２０００ｅ、２０００ｆを載置し、これらの測量を行う。
次にＳ９２では、少なくとも左右の２方向から、デジタルカメラ３０００で測定対象物１００００と共にターゲットマーク２０００ａ〜ターゲットマーク２０００ｆを撮影する。
そしてＳ８１では、Ｓ９１で得られた視準点（パスポイント）を使用して相互評定を行う。Ｓ８１ではパスポイントから、デジタルカメラ３０００のステレオ画像の傾きと倍率等の関係を算出することができる。
次にＳ８２では、ステレオ画像のパスポイントを対応付けるための偏位修正画像の作成を行う。Ｓ８２の偏位修正画像の作成は、斜影変換により行われる。斜影変換とは、デジタルカメラ３０００の受光素子上のある点の写真座標が、他の平面に投影される様な変換をいう。ここでは、一方の画像から特徴点を抽出し、もう一方の画像の同一水平線上を探索し、対応点を検索する。
従って、デジタルカメラ３０００を水平方向に平行移動して投影した画像に変換する必要がある。即ち使用する画像を、デジタルカメラ３０００を水平移動して撮影したかの様な画像に変換する必要がある。この様な変換により、デジタルカメラ３０００を自然に移動した画像でも対応点の探索を行うことができる。更にＳ８３では、手動又は自動により、パスポイントを発生させる。
そしてＳ８４では、ステレオマッチングを行う。このステレオマッチングとは、撮影された２枚の画像の対応点を自動で探索する手法である。
次にＳ８５では、Ｓ８４で探索された対応点を利用して、左右の画像を撮影したデジタルカメラ３０００の相対関係を求めることができる。これにより、左カメラの光軸を中心とした３次元の座標系が定義できる。
これにより、一方のデジタルカメラ３０００の光軸を中心とした３次元の座標系が定義できる。
次にＳ８６では、相互評定で得られたモデル座標系に、測量機１０００で測量して得たパスポイントの座標位置を与え、地上の座標系に変換する絶対評定を行う。
ここで絶対評定とは、相互評定で得られたモデル座標系を地上の座標系に変換する作業であり、画像上のポイントに、地上で計測された３次元座標値を与えることにより変換することができる。
次にＳ８７では、地上座標系の３次元データに変換する。例えば、このデータに基づいて地上に展開するオルソ画像を表示できる。
ここでオルソ画像を説明する。カメラで撮影した写真が中心投影写真であるのに対し、中心投影写真を正斜投影したものをオルソフォトと呼んでいる。中心投影写真はレンズを通して撮影されているため、地図のように写真全体の縮尺が均一ではない。これに対してオルソフォトは正斜投影化されているため縮尺が均一であり、地図と同様の取扱いができる。
デジタルカメラ３０００の画像は小さなピクセル単位のデータから構成され、相互評定、絶対評定により、その一個一個に座標が与えられる。ディスプレイ等の２次元表示では３次元座標に応じて陰影が付けられる。座標変換ではピクセル単位の座標が新たに計算され回転等の動作として表示される。
以上の様に本実施例は、測量機１０００とデジタルカメラ３０００とにより３次元座標データを演算し、ステレオ表示が可能な３次元測量装置に関するものである。
以上の様に構成された本発明は、距離と角度とから視準目標の位置を測定するための測量装置と、異なる複数の方向から前記視準目標を含む測定対象物の画像を取得するための撮像装置とを備え、前記視準目標を対応点として前記撮像装置の画像のマッチングを行い、前記測量装置が測定した視準目標の位置と、前記マッチングを行った画像にある視準目標とを関連付け、その関連付けに基づき前記測定対象物の３次元座標データを演算するための演算処理手段とを備えているので、３次元座標データを簡便正確に得ることができる効果がある。
【産業上の利用可能性】  本発明は、測量装置と撮像装置とにより３次元座標データを演算するための３次元測量装置等に係わり、特に、測量装置により対応点の位置を決定し、ステレオ表示を可能とすることができる。
【図１】
2005017644.tif 000003
【図２】
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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３】
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【図９】
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