(57)【要約】【課題】２つのカメラによる被測定点の対応付けを容易とすると共に被測定物のテクスチャ情報も取得可能な３次元座標測定装置を提供する。【解決手段】３次元座標測定装置は、被測定点を撮影するためのズーム機能を有し画像情報を出力するカメラ１−ｌ，１−ｒとカメラを１自由度以上回転運動させるアクチュエータ２と、カメラの回転角を測定する回転角センサとを有する。さらに、光を照射し被測定点に光スポットを形成する光源６と、光スポットを検索するための広角レンズを有する第３カメラ１−ｃとを有する。まず、第３カメラからの画像情報に基づき光スポットを検索し、検索された光スポットにカメラ１−ｌ，１−ｒの注視線を合わせるようにアクチュエータ及びズーム機能を制御する。そして、回転角センサで測定された回転角を用いて三角測量の原理により被測定点の３次元座標を算出する。【選択図】図１
2007120993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元空間に配置された被測定点の座標を測定する装置であって、該装置は、
被測定点を撮影するためのズーム機能を有し画像情報を出力する第１及び第２撮像手段と、
前記各撮像手段を１自由度以上回転運動させるアクチュエータと、
前記各撮像手段の回転角を測定する回転角センサと、
光を照射し被測定点に光スポットを形成する光源と、
広角レンズを有し画像情報を出力する第３撮像手段と、
前記第１乃至第３撮像手段のいずれかからの画像情報に基づき光スポットを検索し、検索された光スポットに前記第１及び第２撮像手段の注視線を合わせるように前記アクチュエータ及びズーム機能を制御する制御手段と、
前記回転角センサで測定された回転角を用いて三角測量の原理により被測定点の３次元座標を算出する演算手段と、
を具備することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測定装置において、前記光源は、前記２つの撮像手段の視線の成す角の二分線に沿って光を照射できる位置に設けられることを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の測定装置において、前記第３撮像手段は、第１撮像手段と第２撮像手段とを結ぶ線の略中心近傍に設けられることを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の測定装置であって、さらに、少なくとも前記第１及び第２撮像手段と光源と第３撮像手段とを載置する、１自由度以上回転又は並進運動可能な基盤を有することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の測定装置であって、さらに、前記基盤の回転角を測定する基盤回転角センサを有することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の測定装置であって、さらに、前記基盤の回転加速度を測定する基盤回転加速度センサを有することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項７】
請求項４乃至請求項６の何れかに記載の測定装置であって、さらに、前記基盤の並進加速度を測定する基盤並進加速度センサを有することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７の何れかに記載の測定装置において、前記基盤回転角センサ、基盤回転加速度センサ又は基盤並進加速度センサのいずれかからの情報と、回転角センサからの情報とを用いて、基盤の回転又は並進運動により生ずる画像情報のずれを補償する補償手段を有することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項９】
請求項４乃至請求項８の何れかに記載の測定装置であって、さらに、前記基盤の水平度を測定する基盤水平度センサを有することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れかに記載の測定装置であって、さらに、前記第１及び第２撮像手段の間の距離を調整する調整手段を有することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０の何れかに記載の測定装置であって、さらに、前記測定装置の位置を所定の座標系に特定するために、第１、第２又は第３撮像手段により識別可能な所定の位置に設けられる位置認識標識を有することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１の何れかに記載の測定装置であって、さらに、被測定点に当接させる棒状体と第１及び第２撮像手段により識別可能な、棒状体に設けられる標識手段とを有する狭所位置測定棒を有することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項１２の何れかに記載の測定装置において、前記第１撮像手段は近傍配置される少なくとも２つのカメラからなり、前記第２撮像手段は第１撮像手段に対して遠隔配置されることを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３の何れかに記載の測定装置において、前記制御手段は、前記第１撮像手段を用いて被測定点の座標を近似計算させ、その近似計算の誤差範囲内で第２撮像手段からの画像情報を用いて被測定点を検出させるように制御することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の測定装置において、前記制御手段は、近似計算の誤差範囲が第２撮像手段の視野から外れているときには、第２撮像手段の視野内に誤差範囲が入るようにアクチュエータを制御することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項１６】
請求項１４又は請求項１５に記載の測定装置において、前記制御手段は、近似計算の誤差範囲が第２撮像手段の視野よりも大きいときには、第２撮像手段の視野が誤差範囲内を探索するようにアクチュエータを制御することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項１７】
請求項１４乃至請求項１６の何れかに記載の測定装置において、前記制御手段は、第１撮像手段の光軸を振動させ、そのときに出力される複数枚の画像情報から三角測量の原理により座標を近似計算させるように制御することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項１８】
請求項１４乃至請求項１６の何れかに記載の測定装置において、前記制御手段は、被測定点に第１撮像手段のピントを合わせたときの焦点距離を用いて近似計算させるように制御することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項１９】
請求項１４乃至請求項１８の何れかに記載の測定装置において、前記制御手段は、第１及び第２撮像手段のズーム機能の広角側で撮像手段の注視点を被測定点に合わせた後に、ズーム機能の狭角側で撮像手段の注視点を被測定点に再度合わせるように制御することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項２０】
請求項１乃至請求項１９の何れかに記載の測定装置であって、さらに、被測定物が設置されるマニピュレータを具備することを特徴とする３次元座標測定装置。
【請求項２１】
請求項１乃至請求項１９の何れかに記載の測定装置であって、さらに、該測定装置が設置されるマニピュレータを具備することを特徴とする３次元座標測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は３次元座標測定装置に関し、特に、複数のカメラを用いる座標測定装置において光スポットを被測定点に形成してこれを検出して三角測量の原理により座標を測定する３次元座標測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、２つのカメラを用いて被測定点の位置座標を測定する装置が種々開発されている。これらは、通常、既知の２ヶ所の位置に配置された２つのカメラによって被測定点を撮影し、各カメラの視線を被測定点に合わせ、カメラの回転角度から三角測量の原理を用いて被測定点の座標を算出するものである。
【０００３】
ここで、２つのカメラが独立に動作する場合、三角測量の原理を用いて座標を算出するためには、２つのカメラで対応する共通の被測定点を確実に撮影する必要がある。２つのカメラ間がある程度近い場合には、共通の被測定点を検出して撮影することもある程度容易であるが、三角測量の原理上、カメラ間の距離は広いほうが算出された座標の誤差は少ない。したがって、測定精度のことを考えるとカメラ間は離すほうが望ましい。
【０００４】
また、被測定点の座標の測定精度を増すために、カメラにズーム機能を設けたものもある（特許文献１）。これは、被測定点にカメラを向けて、さらにズーム機能でズームインして画像を拡大するものである。
【０００５】
さらに、被測定物が特徴点を抽出できないような壁面等の場合には、光源から赤外光やレーザスリット光、十字マーカ等を照射し、それを目標にカメラの視線を合わせる例もある（特許文献２）。
【０００６】
また、測定点から被測定点までの距離を計ることができる装置としては、上記以外にもレーザ距離計や超音波距離計等もある。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−７９６７１号公報
【特許文献２】特開平５−１８７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の独立して動作する２つのカメラを用いた座標測定装置においては、測定精度を上げるために２つのカメラ間の距離を離した場合、一方のカメラで撮影した被測定点を他方のカメラで撮影するのは難しいという問題がある。一方のカメラで撮影している被測定点の位置が分からないため、他方のカメラで対応点を探すのには、すべての領域において例えば微分法による対応点の検索等が行なわれており、非常に時間がかかるものであった。これは特に遠方の被測定点を測定する場合に顕著な問題となる。一方のカメラで撮影している被測定点と他方のカメラで撮影している被測定点が異なる点であると、正しい座標を算出できなくなってしまう。対応する被測定点を求めるのには非常に多くの計算が必要になり処理時間がかかるため、被測定点が移動体の一部である場合にはリアルタイムに座標を算出するようなことは特に難しかった。
【０００９】
また、ズーム機能を用いて被測定点を高解像度で撮影して測定精度を向上する例では、ズーム機能を狭角側にした場合にカメラの画角が狭くなる。遠方の被測定点に対してズームインした場合等にはかなり画角が狭くなってしまうが、このような狭い画角のカメラを用いて共通の対応する被測定点を撮影することは、さらに困難であった。
【００１０】
さらに、赤外光やレーザスリット光、十字マーカ等を照射してそれを目標に視線を合わせる例では、照射光マーカをカメラが追尾するためには、常にカメラの画角内にマーカ等が存在していなければならず、画角からマーカが外れたときにはマーカを検索するのに時間がかかるという問題もあった。また、オペレータにより被測定点を補正しようと思っても、現在の被測定点が全体のどの部分に当たるのか等が把握し難かったため、オペレータが手動により操作することは難しかった。
【００１１】
また、レーザ距離計や超音波距離計で被測定点の座標を測定することは可能であるが、被測定物の色や模様等のテクスチャ情報は取得できないため、３次元画像情報としてデータを得ることはできなかった。さらに、遠方の被測定点に対してはレーザ距離計や超音波距離計ではそのレーザや音波が反射して戻ってくるように高出力とする必要があったので、装置が高価となる場合があった。
【００１２】
本発明は、斯かる実情に鑑み、２つのカメラによる被測定点の対応付けを容易とすると共に被測定物のテクスチャ情報も取得可能な３次元座標測定装置を提供しようとするものである。また、オペレータによる介入も容易となる３次元座標測定装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による３次元座標測定装置は、被測定点を撮影するためのズーム機能を有し画像情報を出力する第１及び第２撮像手段と、各撮像手段を１自由度以上回転運動させるアクチュエータと、各撮像手段の回転角を測定する回転角センサと、光を照射し被測定点に光スポットを形成する光源と、広角レンズを有し画像情報を出力する第３撮像手段と、第１乃至第３撮像手段のいずれかからの画像情報に基づき光スポットを検索し、検索された光スポットに第１及び第２撮像手段の注視線を合わせるようにアクチュエータ及びズーム機能を制御する制御手段と、回転角センサで測定された回転角を用いて三角測量の原理により被測定点の３次元座標を算出する演算手段と、を具備するものである。
【００１４】
ここで、光源は、２つの撮像手段の視線の成す角の二分線に沿って光を照射できる位置に設けられれば良い。
【００１５】
また、第３撮像手段は、第１撮像手段と第２撮像手段とを結ぶ線の略中心近傍に設けられれば良い。
【００１６】
さらに、少なくとも第１及び第２撮像手段と光源と第３撮像手段とを載置する、１自由度以上回転又は並進運動可能な基盤を有するようにしても良い。
【００１７】
また、基盤の回転角を測定する基盤回転角センサや、基盤の回転加速度を測定する基盤回転加速度センサ、基盤の並進加速度を測定する基盤並進加速度センサを有するようにしても良い。
【００１８】
ここで、基盤回転角センサ、基盤回転加速度センサ又は基盤並進加速度センサのいずれかからの情報と、回転角センサからの情報とを用いて、基盤の回転又は並進運動により生ずる画像情報のずれを補償する補償手段を有するようにしても良い。
【００１９】
さらに、基盤の水平度を測定する基盤水平度センサを有するようにしても良い。
【００２０】
さらにまた、第１及び第２撮像手段の間の距離を調整する調整手段を有するようにしても良い。
【００２１】
またさらに、測定装置の位置を所定の座標系に特定するために、第１、第２又は第３撮像手段により識別可能な所定の位置に設けられる位置認識標識を有するようにしても良い。
【００２２】
さらに、被測定点に当接させる棒状体と第１及び第２撮像手段により識別可能な、棒状体に設けられる標識手段とを有する狭所位置測定棒を有するようにしても良い。
【００２３】
また、第１撮像手段は近傍配置される少なくとも２つのカメラからなり、第２撮像手段は第１撮像手段に対して遠隔配置されるようにしても良い。
【００２４】
また、制御手段は、第１撮像手段を用いて被測定点の座標を近似計算させ、その近似計算の誤差範囲内で第２撮像手段からの画像情報を用いて被測定点を検出させるように制御するようにしても良い。
【００２５】
ここで、制御手段は、近似計算の誤差範囲が第２撮像手段の視野から外れているときには、第２撮像手段の視野内に誤差範囲が入るようにアクチュエータを制御するようにしても良い。
【００２６】
また、制御手段は、近似計算の誤差範囲が第２撮像手段の視野よりも大きいときには、第２撮像手段の視野が誤差範囲内を探索するようにアクチュエータを制御するようにしても良い。
【００２７】
さらに、制御手段は、第１撮像手段の光軸を振動させ、そのときに出力される複数枚の画像情報から三角測量の原理により座標を近似計算させるように制御するようにしても良い。
【００２８】
またさらに、制御手段は、被測定点に第１撮像手段のピントを合わせたときの焦点距離を用いて近似計算させるように制御するようにしても良い。
【００２９】
さらに、制御手段は、第１及び第２撮像手段のズーム機能の広角側で撮像手段の注視点を被測定点に合わせた後に、ズーム機能の狭角側で撮像手段の注視点を被測定点に再度合わせるように制御するようにしても良い。
【００３０】
またさらに、被測定物が設置されるマニピュレータを具備するようにしても良い。
【００３１】
また、測定装置が設置されるマニピュレータを具備するようにしても良い。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の３次元座標測定装置には、広いエリアを検索するための広角カメラを有しているため、高速に被測定点に照射された光スポットに注視線を合わせることが可能となるという利点がある。また、広角カメラで広い領域を撮影できるため、オペレータにとっても使い勝手が良いという効果も得られる。さらに、テクスチャ情報も取得可能なため、３次元ＣＡＤ等に入力するためのデータを容易に作成可能であるという効果も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の３次元座標測定装置の概略図である。３次元座標測定装置は、撮像手段である左右２つのカメラ１−ｌ，１−ｒと、各カメラ１を１自由度以上回転運動させるアクチュエータ２とからなる。カメラ１は、主に撮像素子とレンズとからなるものであり、測定対象である被測定点１０を撮影して画像情報を出力するものである。これはカラーやモノクロ何れかに限定されるものではなく、また撮像素子の画素数等も特定のものに限定されるものではない。また、ズームインしてより高解像度で撮影できるように、ズーム機能を有していることが好ましい。なお、説明の便宜上、本明細書では２つのカメラを左右に配置した例について主に説明するが、本発明はこれに限定されず、上下に配置したものやその他の方向に配置したもの等、複眼で座標を測定するものであれば如何なる構成であっても構わない。
【００３４】
本発明の３次元座標測定装置のカメラは、ズーム機能を有しているので、始めにズーム機能を広角側に設定しておき、対応する被測定点を検出し、カメラの注視点を被測定点に合わせた後、ズームインしてズーム機能の狭角側でカメラの注視点を再度被測定点に合わせることで、被測定点を高精細に撮影することが可能となる。これにより、カメラの撮像素子の画素数が少ない場合等により解像度が高くない場合であっても、高詳細な画像が得られるため精度高く被測定点の座標を検出することが可能となる。
【００３５】
そして、アクチュエータ２はモータ等からなるものであり、カメラを上下左右等に回転運動させるために用いられる。回転運動は簡略的には１自由度あれば良いが、自由度を高めるためには２自由度以上あっても構わない。また、アクチュエータで回転運動させたときのカメラの回転角を測定する回転角センサも有する。これはアクチュエータからの回転角を用いて測定するものであっても良いし、カメラに回転方向センサを内蔵しても良い。
【００３６】
また、本発明の３次元座標測定装置には、光を照射し被測定点１０に光スポットを形成するための光源６が含まれている。光スポットを照射する光源６は、レーザ光源や赤外光源等、光を照射できるあらゆる光源を利用可能である。長距離測定を行う場合には、遠くまで光スポットを形成可能なレーザ光源が好ましい。但し、カメラで測定可能な程度に光スポットを形成できれば良いため、レーザ距離計等のように高出力である必要はない。光源６は、カメラ１−ｌ，１−ｒが撮影可能な領域に光スポットを形成できるような位置に設置されれば良い。なお、計算の容易性等から、２つのカメラ１−ｌ，１−ｒの視線の成す角の二分線に沿って光を照射できる位置に設けられることが好ましい。これは、カメラ１−ｌ，１−ｒとを結ぶ線の略中心近傍付近のカメラ１−ｌ，１−ｒを載せるアーム等に設置され、カメラ１が向いている向きと同じ側に対応して動くように構成されれば良い。本発明に用いられる光源は、スポット光であるため、非常に遠くの被測定点まで光スポットを形成可能である。なお、もちろん十字レーザ光等であっても、マーカとなるようなものであれば構わない。
【００３７】
そして、本発明の３次元測定装置には、第３のカメラ１−ｃが設けられている。第３カメラも撮像素子とレンズからなるものであり、画像情報を出力するものである。しかしながら、上述のカメラ１−ｌ，１−ｒと違うのは、第３カメラのレンズは広角レンズである点である。広角レンズは、画角が広いレンズ一般を意味するが、これには魚眼レンズ等の特殊なレンズも含まれる。第３カメラ１−ｃは、広い画角を利用して主に光スポットを検索するために用いられるが、これはオペレータの操作を容易にするという効果も得られるものである。半自動又は手動で被測定点１０の座標を測定する場合に、光スポットが全体のうちのどこに照射されているのかが分かり難い場合が多い。このため、被測定点１０を変更する場合等に、オペレータが手動で被測定点を動かそうと思っても、２つのカメラだけでは狭い範囲でしか撮影画像が確認できないため難しかった。しかしながら、本発明の３次元測定装置では、広角カメラを設けたことにより、全体的な状況が容易につかめるため、オペレータは容易に手動で被測定点の変更が可能となる。このような観点から、第３カメラ１−ｃは、カメラ１−ｌ，１−ｒを載せるアーム等に設置され、カメラ１が向いている向きと同じ側に対応して動くように構成されれば良く、カメラ１−ｌ，１−ｒとを結ぶ線の略中心近傍付近に設けられると都合が良い。また、第３カメラは独立して向きを可変させて撮影できるように構成しても良い。
【００３８】
上述のような構成の３次元測定装置を用いた被測定点の座標の算出は、以下のように行われる。まず、第３カメラ１−ｃにより全体的な状況を捉え、これを用いて光源６により被測定点１０に作成された光スポットを検索する。このとき、第３カメラだけではなく、左右カメラも用いて光スポットを検索するようにしても良い。そして、光スポットが検索されると、検索された光スポットにカメラ１−ｌ，１−ｒの注視線を合わせるようにアクチュエータ２及びズーム機能を制御する。これらの制御は、測定装置に接続されるコンピュータ（図示無し）からの命令や、測定装置内に設けられた記憶装置等に予め記憶されたプログラムに従って例えばＤＳＰ等により実行される。
【００３９】
そして、注視線が合わせられた状態のカメラ１−ｌ，１−ｒの回転角を回転角センサでそれぞれ測定し、三角測量の原理で被測定点の３次元座標を算出する。この計算は、コンピュータや装置内のＤＳＰ等の演算手段を用いて行われれば良い。
【００４０】
また、一方のカメラで撮影した被測定点と他方のカメラで撮影した被測定点が対応していなければならないが、これには本出願による特願２００５−２８５２９６の技術を用いることも可能である。すなわち、カメラ１−ｌだけを用いてまず被測定点の座標を近似計算し、その近似計算の誤差の範囲内でカメラ１−ｒからの画像情報を用いて被測定点を検出するように制御する。このとき、カメラ１−ｌで近似計算された誤差範囲が、カメラ１−ｒの視野内にあればそのままその視野内で且つ誤差範囲内における対応点を検索すれば良いが、カメラ１−ｒの視野外に誤差範囲がある場合には、視野内に誤差範囲が入るようにアクチュエータ２を制御した後に、対応する被測定点を検索すれば良い。さらに、カメラ１−ｌで近似計算された誤差範囲がカメラ１−ｒの視野よりも広い場合には、カメラ１−ｒの視野が誤差範囲内を検索するようにアクチュエータ２を制御すれば良い。
【００４１】
カメラ１−ｌだけを用いて被測定点１０の座標を計算する方法は種々あるが、例えば以下の方法を用いれば良い。すなわち、カメラ１−ｌを振動させ、そのときに出力される複数枚の画像情報から三角測量の原理により座標を近似計算する方法である。これは、本出願人と同一の出願人による特願２００５−０７４８６９の発明を利用することも可能である。また、カメラ１−ｌのピントを被測定点１０に合わせたときの焦点距離を用いて被測定点１０までの距離を計算する方法も利用可能である。
【００４２】
このような構成の本発明の３次元座標測定装置を用いると、例えば部屋の大きさ等を採寸するときに特に有利となる。部屋の室内側を採寸してその壁や窓、床や天井等の大きさや長さを計る場合、従来だと手作業により採寸しており誤差が多く、またＣＡＤへの利用等で問題があった。本発明によれば全自動又は半自動、さらには手動でも、室内すべてを短時間で且つ正確に測定可能となる。
【００４３】
模様も凹凸も何もない壁の場合、従来のカメラ方式による測定装置では特徴点となるようなピントを合わせる場所が見当たらず、測定不能となる場合があった。しかしながら、本発明によれば、光スポットをマーカとしてこれにカメラの注視線を合わせていけば良く、測定不能となることはない。また、カメラにより被測定点の部分だけでなく、その周りの画像情報も取得できるため、被測定物の自動認識や色、模様等の取り込みも容易である。生成した３次元データのテクスチャ情報として、撮影された画像情報を利用することができるので、実物の状況に近い３次元画像等を容易に作成可能となる。
【００４４】
また、測定精度を高めるために、カメラ１−ｌとカメラ１−ｒの間の距離を広げたり縮めたりすることが可能な調整手段を設けることも可能である。すなわち、対応する被測定点を検索する段階では左右のカメラは近い位置に配置しておき、一旦対応する被測定点が検索されると、両カメラ間の距離を広げて、被測定点の座標測定精度を高めるように制御する。これにより、高速且つ高精度な座標の測定が可能となる。ここで、図２を用いて測定精度とカメラ間の距離との関係を説明する。図２は、座標の測定精度とカメラ間の距離との関係を説明するための図であり、説明の便宜上、左右のカメラの回転角が等しい場合を例に挙げて説明する。両カメラ間の距離をＬとし、被測定点１０から両カメラを結ぶ線までの距離をｈ、被測定点１０から各カメラまでの距離をｗ、各カメラの光軸（視線、又は注視線）と両カメラを結ぶ線とが成す角をαとすると、これらには以下の関係がある。
【数１】
2007120993.tif 000003
2007120993.tif 000004
【数２】
2007120993.tif 000005
数２から、カメラの回転角を測定する回転角センサの精度がΔαの場合、被測定点１０の奥行きの距離の精度Δｈは以下の式で表される。
【数３】
2007120993.tif 000006
上記の式から分かるように、三角測量の原理で測定する被測定点の座標（距離）の誤差Δｈは、両カメラ間の距離Ｌに反比例する。したがって、カメラ間の距離が広ければ広いほど、正確に座標を算出することが可能となる。
【００４５】
なお、本発明では、２つのカメラ１−ｌ，１−ｒはズーム機能を有するカメラであるため、上記の距離調整手段を併用することでさらに高精度な測定が可能となる。
【００４６】
さらに、本発明の３次元座標測定装置は、移動しながら被測定物を測定可能とするために、少なくともカメラ１−ｌ，１−ｒ，１−ｃと光源６とを載置する、１自由度以上回転又は並進運動可能な基盤を有するように構成しても良い。図３は、移動しながら被測定点を測定可能とした３次元座標測定装置の概略図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図１に示すものと同様である。本実施例は、カメラ１等を載置する基盤５を設けたものである。基盤５は、１自由度以上回転又は並進運動するように構成される。図３の例では、基盤５にタイヤ等が設けられており、所定の方向に並進運動するように構成されたものを例示している。なお、基盤の回転角度を測定するためのセンサや回転するときの回転加速度を測定するためのセンサ、並進するときの並進加速度を測定するためのセンサ等、種々のセンサを設けることも可能である。これらのセンサを単体で又は複合的に用い、測定装置の位置や移動方向を記録しながら、被測定点の座標を測定する。
【００４７】
そして、基盤５の回転角、回転加速度、又は並進加速度等の情報と、回転角センサからのカメラの回転角の情報とを用いて、アクチュエータでカメラの視野を制御する。これは、基盤の回転又は並進運動により生ずる画像情報のずれを補償するために行われるものである。並進運動等により生じた被測定点の視線に対する偏移は、被測定点までの距離に反比例するため、これを補償するために、被測定点までの距離情報が必要である。例えば、被測定点が無限遠に近い場合は、測定装置を並進運動させても視線を調整する必要はないが、被測定点が近距離にある場合には、並進運動に対する視野（視線）の偏移が大きくなるため、その補償が必要となる。被測定点が近ければ近いほど並進運動の影響が大きくなり、画像のずれやぶれが大きくなる。したがって、測定装置が並進運動する場合には、並進加速度センサ等の情報と、カメラの回転角情報を用いて算出した被測定点の距離情報とを用いて、被測定点の距離情報を視線制御システムに取り入れて、視野を制御するように構成する。
【００４８】
なお、基盤に水平度を測定するための水平センサを設けても良い。これは、左右のカメラの位置を水平方向に保つ場合等に用いられる。これにより測定現場への設置等が容易となる。
【００４９】
部屋の室内の採寸の場合等には、本発明の３次元座標測定装置を室内に置き、装置を３６０度回転させることで水平輪切りや垂直輪切りのデータを取得することが可能である。このとき、柱の裏側等、測定装置から死角になる部分が存在すると、輪切りデータに欠落部分が生じてしまう。そのため、適宜測定装置を移動させて、死角になる部分等による欠落データが存在しないように測定することが必要な場合もある。ここで、３次元座標測定装置を移動させながら被測定点（被測定物）を測定していく場合、測定データの座標系の原点をどこに置くかが問題となる場合がある。座標系の原点を装置以外に固定する場合、カメラ１により識別可能な所定の位置に設けられる位置識別標識を用いることが可能である。この位置識別標識は、例えば図４に示すような外部に固定される標識である。これは、三脚１６等の上に設けられる、４つの所定の大きさの識別球１７から構成されるものである。座標原点と座標軸とするｘ，ｙ，ｚ軸上の原点から一定の距離離した位置に、４つの識別球１７をそれぞれ配置する。なお、原理的には３つの識別球があれば足りるが、測定精度や測定容易性等の観点から、４つ用いることが好ましい。また、識別球としては、例えば白色の球が挙げられるが、本発明はこれに限定されず、光源からの光スポットが容易に識別可能な標識であれば、他の色であっても勿論構わない。さらに、識別球は電球等の識別標識であっても良い。
【００５０】
また、座標測定装置の視線が届かない場所、例えば狭所や物体の裏面側等にある被測定点を測定する場合には、以下に説明する狭所位置測定棒を用いることが可能である。狭所位置測定棒の一例を図５に示す。図示の通り、狭所位置測定棒は、棒状体１８とそれに設けられる識別球１９とからなるものである。図示例では識別球１９を２個用いた。識別球１９は予め所定の間隔や位置で棒状体１８に配置されており、棒状体１８の先端位置を被測定点に当接させ、これをカメラ１で撮影する。狭所位置測定棒や識別球１９は予め間隔等が分かっているため、これを用いて当接した被測定点の座標を算出することが可能となる。なお、識別球１９は図４の識別球１７と同様のもので構わない。また、棒状体１８の後端には持ち手２０を設けても良い。持ち手２０には、所定のボタン２１が設けられ、このボタンを操作することによって、座標測定装置と通信することで座標計測命令等の操作が可能となる。また、座標測定装置との通信が可能となるように、所定のインタフェース２２が設けられる。なお、識別球１９は、必ずしも棒状体１８上に配置される必要はなく、持ち手２０上等、所定の位置に設けられれば良い。
【００５１】
上記の位置識別標識を用いて室内の採寸をする場合について、図６を用いて説明する。本発明の３次元座標測定装置１００を室内の適当なところに配置する。そして、３次元座標測定装置１００を制御するためのノートブック型パーソナルコンピュータ１０１等が３次元座標測定装置１００にネットワークケーブル等を介して接続される。図示例のような室内の場合、柱等があるために死角となる場所が存在するため、すべての壁面を測定するためには３次元座標測定装置１００を適当に移動させる必要がある。このため、座標系の原点を固定するための位置識別標識１０２を、３次元座標測定装置、より具体的には３次元座標測定装置の広角カメラから死角にならない位置に設置する。これは例えば室内中央部や天井等であれば良い。このような状況の下、本発明の３次元座標測定装置では、図７に示すような輪切りデータを取得していく。図７（ａ）は水平輪切りデータを取得する場合、図７（ｂ）は垂直輪切りデータを取得する場合、図７（ｃ）は別の垂直輪切りデータを取得する場合を示している。輪切り機能で得られるデータは、３次元座標測定装置１００の設置位置を基準として１本のラインでの輪切りデータである。これを例えば水平輪切り機能の場合は地面から天井まで繰り返し測定していき、壁面全体を採寸する。
【００５２】
ここで、柱等により死角になる部分がある場合には、輪切りデータに欠損が生ずる。そこで、図８に示すように、まず３次元座標測定装置１００を測定位置Ａに配置し、そこから位置識別標識を原点にした輪切りデータを測定する。次に測定位置Ｂに３次元座標測定装置１００を配置し、そこから再度位置識別標識を原点にした輪切りデータを測定する。このようにして得られた２つの測定データを合成することで、最終的にすべての壁面についての採寸が完了する。なお、図示例では２箇所からの測定例を説明したが、本発明はこれに限定されず、さらに多くの箇所から測定してその結果を合成するようにしても勿論構わない。
【００５３】
次に、特定の立体物の形状を測定する場合について説明する。この場合は、３次元座標測定装置をマニピュレータの手先に設置すれば良い。図９に、マニピュレータを用いた測定装置に本発明の３次元座標測定方法を適用した例を説明するための図を示す。図示のように、２乃至６自由度を有するマニピュレータ３０の腕の先端に、本発明の３次元座標測定装置１００を設置し、被測定物３１のすべての部位を測定するようにマニピュレータを動作させ、被測定物のすべての被測定点の座標を測定し、この座標情報をから被測定物３１の立体形状の情報を得ることが可能となる。なお、図１０に示すように、上記とは反対に被測定物３１をマニピュレータ３０の手先に設置し、座標測定装置を固定して被測定物のすべての被測定点の座標を測定可能なようにマニピュレータを動作させるようにしても勿論構わない。すなわち、２乃至６自由度を有するマニピュレータの手先に被測定物３１を設置し、被測定物を回転・移動させながら、所定の位置に固定した座標測定装置を用いて被測定物を測定するようにしても良い。
【００５４】
図１１に、特に被測定点が遠方にある場合に有効な本発明の３次元座標測定装置の他の例を説明するための概略を示す。図示例のものは、被測定点の座標を近似計算するためのカメラが２台のカメラ１−ｌ，１−ｒからなる第１撮影装置５１であり、それと離れた位置に第２撮影装置５２が設けられる。これまで説明してきた本発明の３次元座標測定装置と同様に、まず第１撮影装置５１で被測定点１０の座標を計算する。図２を用いて説明したように、この計算結果の誤差は、被測定点からカメラまでの距離の２乗に比例して大きくなるため、被測定点が遠方にある場合には誤差範囲が大きくなる。本実施例では、第２撮影装置５２を用いて、被測定点を検索して検出するように構成する。そして各撮影装置の注視線を被測定点に合わせ、第１撮影装置５１の回転角と第２撮影装置５２の回転角とを用いて三角測量の原理により被測定点の座標をより正確に算出する。また、ズーム機能により、さらにより正確に座標を算出することが可能である。また、さらに別の撮影装置５３を設けることで、同じ原理でより高精度な座標計測も可能となる。
【００５５】
上述したとおり、カメラ間の距離が離れれば離れるほど測定精度が高くなるため、第２撮影装置５２を第１撮影装置に対して遠隔配置することで、高精度に座標を算出することが可能となる。
【００５６】
なお、上記の実施例において、第２撮影装置５２による被測定点の検出法に、本出願人による特願２００５−２８５２９６の技術を用いることも可能である。すなわち、第１撮影装置５１で計算した誤差範囲内で、第２撮影装置５２で被測定点を検索するように制御することで、第２撮影装置５２による被測定点の検索を高速化することが可能となる。
【００５７】
また、別の撮影装置５３ではなく、他の手段、例えばＧＰＳやレーダ、電波、超音波等の位置（座標）測定装置を本発明の座標測定装置に組み合わせることも可能である。図１２にレーダを組み合わせた座標測定装置の概要を示す。まずレーダ５４により被測定点の座標を計算し、その誤差範囲内でカメラ１−ｌ，１−ｒを動作させるようにすれば良い。広角カメラである第３カメラ１−ｃとレーダの結果を用いて光スポットを検出し、これにより両カメラで対応する被測定点が検出できれば、これまでの説明と同様に、各カメラの注視線に被測定点を合わせるようにアクチュエータで制御し、必要によりズームインして高解像度で被測定点を撮影し、再度注視線に合わせるようにした後に三角測量の原理を用いて被測定点の座標を算出する。なお、この実施例においても上記と同様に本出願人による特願２００５−２８５２９６の技術を用いることが可能である。
【００５８】
なお、本発明の３次元座標測定装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば本発明は３次元座標測定装置として説明したが、座標測定に限定されず、被測定点の距離や立体形状、運動軌跡等、種々の測定にも応用可能である。
【００５９】
また、本発明の３次元座標測定装置は、２つのカメラと１つの光源、広角カメラを用いた例について説明したが、本発明はこれに限定されず、これらを逆に用いたもの、すなわち２つの光源と１つのズームカメラや広角カメラとの組み合わせを用いて、２つの光スポットが１つに重なるときの光源の角度から３次元座標を測定するようにしても良い。
【００６０】
本発明の３次元座標測定装置によれば、カメラの回転角を用いて被測定点の座標を測定するため、カメラの解像度の問題を回転角センサの分解能に転化することが可能となる。回転角センサの分解能は、エンコーダとギアの組み合わせ等によりカメラの解像度よりも遥かに高く、かつ安価に実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明の３次元座標測定装置の概略図である。
【図２】図２は、３次元座標の測定精度とカメラ間の距離との関係を説明するための図である。
【図３】図３は、本発明の３次元座標測定装置の他の例を説明するための概略図である。
【図４】図４は、座標を固定するために外部に固定される位置識別標識の概略図である。
【図５】図５は、狭所を測定するときに用いられる狭所位置測定棒の概略図である。
【図６】図６は、位置識別標識を用いて室内の採寸をする場合の例を説明するための図である。
【図７】図７は、本発明の輪切り機能を説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の３次元座標測定装置の測定位置を移動させた場合の輪切りデータの合成について説明するための図である。
【図９】図９は、本発明の３次元座標測定装置とマニピュレータを組み合わせた例を説明するための図である。
【図１０】図１０は、本発明の３次元座標測定装置とマニピュレータを組み合わせた他の例を説明するための図である。
【図１１】図１１は、本発明の３次元座標測定装置の他の例を説明するための概略図である。
【図１２】図１２は、本発明の３次元座標測定装置にレーダを組み合わせた座標測定装置の概要図である。
【符号の説明】
【００６２】
１    カメラ
２    アクチュエータ
５    基盤
６    光源
１０    被測定点
１６    三脚
１７    識別球
１８    棒状体
１９    識別球
２０    持ち手
２１    ボタン
２２    インタフェース
３０    マニピュレータ
３１    被測定物
５１    第１撮影装置
５２    第２撮影装置
５３    第３撮影装置
５４    レーダ
【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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