(57)【要約】【課題】トータルステーションとカメラとを一体とした計測装置を用いた３次元計測を効率的に行う。【解決手段】計測装置１は、複数のデジタルカメラを備えたステレオカメラ１１と、ステレオカメラ１１と所定の位置関係を持って備えられたトータルステーション（以下、ＴＳという）１３とを備える。計測装置１で撮影されたステレオ画像を処理するコントローラ３は、計測装置１から、ステレオカメラ１１で撮影したステレオ画像の画像データと、ステレオ画像を撮影した時にＴＳ１３が計測したＴＳデータを取得し、取得した画像データ及びＴＳデータに基づいて、ステレオ画像に写っている計測対象物の、撮影現場における現場座標系での３次元データを生成する２Ｄ−３Ｄ変換処理部３３４と、生成された３次元データに基づいて、計測対象物の３次元画像を出力する表示制御部３３７と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のデジタルカメラを備えたステレオカメラと、前記ステレオカメラと所定の位置関係を持って備えられたトータルステーション（以下、ＴＳという）とを備えた計測装置と、
前記計測装置で撮影されたステレオ画像を処理する画像処理装置とを備え、
前記画像処理装置は、
前記計測装置から、前記ステレオカメラで撮影したステレオ画像の画像データと、前記ステレオ画像を撮影した時に前記ＴＳが計測したＴＳデータを取得する手段と、
前記取得した画像データ及びＴＳデータに基づいて、前記ステレオ画像に写っている計測対象物の、撮影現場における現場座標系での３次元データを生成する手段と、
前記生成された３次元データに基づいて、前記計測対象物の３次元画像を出力する手段と、を備える計測システム。
【請求項２】
複数のデジタルカメラを備えたステレオカメラと、前記ステレオカメラと所定の位置関係を持って備えられたトータルステーション（以下、ＴＳという）とを備えた計測装置から、前記ステレオカメラで撮影したステレオ画像の画像データと、前記ステレオ画像を撮影した時に前記ＴＳが計測したＴＳデータを取得する手段と、
前記取得した画像データ及びＴＳデータに基づいて、前記ステレオ画像に写っている計測対象物の、撮影現場における現場座標系での３次元データを生成する手段と、
前記生成された３次元データに基づいて、前記計測対象物の３次元画像を出力する手段と、を備える画像処理装置。
【請求項３】
前記計測装置は、前記ＴＳ及び前記ステレオカメラの姿勢を制御する姿勢制御手段をさらに備えていて、
前記画像処理装置は、
撮影範囲の指定を受け付ける手段と、
前記指定された撮影範囲に基づいて、前記姿勢制御手段に対して、前記ＴＳ及び前記ステレオカメラの姿勢を制御するための信号を出力する手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項２記載の画像処理装置。
【請求項４】
複数のデジタルカメラを備えたステレオカメラと、前記ステレオカメラと所定の位置関係を持って備えられたトータルステーション（以下、ＴＳという）とを備えた計測装置から、前記ステレオカメラで撮影したステレオ画像の画像データと、前記ステレオ画像を撮影した時に前記ＴＳが計測したＴＳデータを取得するステップと、
前記取得した画像データ及びＴＳデータに基づいて、前記ステレオ画像に写っている計測対象物の、撮影現場における現場座標系での３次元データを生成するステップと、
前記生成された３次元データに基づいて、前記計測対象物の３次元画像を出力するステップと、を有する画像処理方法。
【請求項５】
コンピュータに実行されると、
複数のデジタルカメラを備えたステレオカメラと、前記ステレオカメラと所定の位置関係を持って備えられたトータルステーション（以下、ＴＳという）とを備えた計測装置から、前記ステレオカメラで撮影したステレオ画像の画像データと、前記ステレオ画像を撮影した時に前記ＴＳが計測したＴＳデータを取得するステップと、
前記取得した画像データ及びＴＳデータに基づいて、前記ステレオ画像に写っている計測対象物の、撮影現場における現場座標系での３次元データを生成するステップと、
前記生成された３次元データに基づいて、前記計測対象物の３次元画像を出力するステップと、を行う画像処理のためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元計測技術に関し、特にトータルステーションとカメラを一体とした計測装置を用いた３次元計測技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ステレオカメラで撮影した画像を使った３次元計測装置であるステレオ装置がある。このステレオ装置は基準カメラ及び参照カメラの位置が固定されているので、撮影された画像の位置及び方向が予め決まっている。従って、この画像をステレオ処理することで、各計測点のステレオ装置に対する相対座標（写真座標）を簡単に求めることができる。さらに、ステレオ装置では、カメラ間の位置関係にはわずかなずれも許さないので、カメラ間の距離をあまり大きくすることができない。従って、比較的近距離の測量に向くという特徴を持つ。
【０００３】
しかしながら、ステレオ装置には、計測現場における現場座標系での位置を知る機能がないので、各計測点を現場座標で出力することはできない。
【０００４】
一方、遠距離の測量にも使用でき、現場座標系での出力も可能なステレオ装置として、例えばトータルステーションとカメラを一体としたものが特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００５−９１２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のステレオ装置の場合、複数の設置場所にステレオ装置を設置して、それぞれの設置場所で計測点を撮影しなければならない。従って、各設置場所にステレオ装置を設置する際には、それぞれの設置場所で、いわゆるトータルステーションの水平出しを行い、後方交会法による位置出しを行う必要がある。
【０００６】
ところが、この水平出し及び位置出しに要する手間は、測量のために費やす時間の大半を占めるものである。従って、測量を効率的に行うに、この手間を軽減することが求められている。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、トータルステーションとカメラとを一体とした計測装置を用いた３次元計測を効率的に行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施態様に従う計測システムは、複数のデジタルカメラを備えたステレオカメラと、前記ステレオカメラと所定の位置関係を持って備えられたトータルステーション（以下、ＴＳという）とを備えた計測装置と、前記計測装置で撮影されたステレオ画像を処理する画像処理装置とを備える。前記画像処理装置は、前記計測装置から、前記ステレオカメラで撮影したステレオ画像の画像データと、前記ステレオ画像を撮影した時に前記ＴＳが計測したＴＳデータを取得する手段と、前記取得した画像データ及びＴＳデータに基づいて、前記ステレオ画像に写っている計測対象物の、撮影現場における現場座標系での３次元データを生成する手段と、前記生成された３次元データに基づいて、前記計測対象物の３次元画像を出力する手段と、を備える。
【０００９】
本発明の一実施態様に従う画像処理装置は、複数のデジタルカメラを備えたステレオカメラと、前記ステレオカメラと所定の位置関係を持って備えられたトータルステーション（以下、ＴＳという）とを備えた計測装置から、前記ステレオカメラで撮影したステレオ画像の画像データと、前記ステレオ画像を撮影した時に前記ＴＳが計測したＴＳデータを取得する手段と、前記取得した画像データ及びＴＳデータに基づいて、前記ステレオ画像に写っている計測対象物の、撮影現場における現場座標系での３次元データを生成する手段と、前記生成された３次元データに基づいて、前記計測対象物の３次元画像を出力する手段と、を備える。
【００１０】
好適な実施形態では、前記計測装置は、前記ＴＳ及び前記ステレオカメラの姿勢を制御する姿勢制御手段をさらに備えていて、前記画像処理装置は、撮影範囲の指定を受け付ける手段と、前記指定された撮影範囲に基づいて、前記姿勢制御手段に対して、前記ＴＳ及び前記ステレオカメラの姿勢を制御するための信号を出力する手段とをさらに備えていてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態に係る３次元形状の計測システムについて、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る３次元形状の計測システムの全体構成を示す図である。
【００１３】
本システムは、計測装置１と、入力装置７及び表示装置５に接続されたコントローラ３とを備える。
【００１４】
計測装置１は、例えば、モータ駆動式のステレオカメラ一体型のトータルステーションを用いることができる。すなわち、計測装置１は、ステレオカメラ１１と、トータルステーション（以下、「ＴＳ」という）１３と、ステレオカメラ１１及びＴＳ１３の向きを変えるためのモータ１５と、支持フレーム１７とを備えている。
【００１５】
ステレオカメラ１１は、複数台のデジタルスチルカメラ（以下、単にカメラという）を備え、それらが、同一の方向を向いて、所定の距離を持って配置されている。この複数のカメラのうちの一つを基準カメラ１１１、他のカメラを参照カメラ１１２と呼ぶ。そして、基準カメラで撮影された画像を基準画像、参照カメラ撮影された画像を参照画像と呼ぶ。
【００１６】
ＴＳ１３は、測量対象点までの距離、及び水平角＝０且つ鉛直角＝０となる所定の基本方向に対する水平角及び鉛直角で表される方向を計測する計測装置である。ＴＳ１３は、計測した距離、及び方向を示すデータ（以下、「ＴＳデータ」という）を出力する。
【００１７】
ステレオカメラ１１は、ＴＳ１３に対して一定の位置関係をもって固定されている。従って、カメラ１１及びＴＳ１３は、一体となって支持フレーム１７に対して方向を変更するようになっている。
【００１８】
ここで、少なくとも基準カメラ１１１のＴＳ１３からの位置、及び基準カメラ１１１の向きとＴＳ１３の向きのずれ（以下、「ＴＳに対する基準カメラの補正量」という）は、予め計測して求めておく。この結果、ステレオカメラ１１の向きを変更した場合、ＴＳ１３が出力するＴＳデータ及びＴＳに対する基準カメラの補正量に基づいて、基準カメラ１１１の計測位置および基本方向に対する撮影方向を求めることができる。
【００１９】
なお、基準カメラ１１１と参照カメラ１１２との間の相対的な位置及び方向は固定されており、それぞれの位置及び方向の関係は、既知である。従って、基準カメラ１１１の計測位置および基本方向に対する撮影方向が分かれば、参照カメラ１１２の計測位置および基本方向に対する撮影方向も分かる。
【００２０】
ステレオカメラ１１及びＴＳ１３の方向の変更は、モータ１５を駆動することにより行われる。モータ１５は、後述するようにコントローラ３によって駆動される。なお、計測装置１にモータ１５が搭載されていない場合は、作業者が手動でステレオカメラ１１及びＴＳ１３の方向を変更させてもよい。
【００２１】
ここで、図２に計測装置１の変形例を示す。
【００２２】
同図（ａ）では、ステレオカメラ１１は、ＴＳの回転体１３Ａに結合部材１９Ａにより結合されている。この場合、ステレオカメラ１１の重量が重くなると、結合強度が十分でなくなるおそれがある。そこで、同図（ｂ）に示すように、ＴＳの回転体支持部１３Ｂに結合部材１９Ｂにより結合するようにしてもよい。
【００２３】
なお、結合部材１９Ａ，１９Ｂは、ステレオカメラ１１を、ＴＳ１３に対して所定の傾斜を持って結合させるようになっていてもよい。例えば、下向きに傾斜した結合部材１９Ａ，１９Ｂを用いれば、計測装置１近傍の地面の３次元形状を撮影することができる。
【００２４】
再び図１を参照すると、コントローラ３は、計測装置１のステレオカメラ１１が撮影した画像のデータと、ＴＳ１３による計測結果であるＴＳデータを計測装置１から取得して、これらに基づいて所定の画像処理を行って、計測対象物の３次元形状を計測する。
【００２５】
本システムで計測対象物の３次元形状の計測を行うには、まず、計測対象物が見える任意の位置に計測装置１を設置する。計測装置１が設置された位置から見える２以上の基準点Ａ，Ｂを予め定めておく。
【００２６】
図３は、コントローラ３の詳細な機能構成を示す図である。
【００２７】
コントローラ３は、例えば汎用的なコンピュータシステムにより構成され、以下に説明するコントローラ３内の個々の構成要素または機能は、例えば、コンピュータプログラムを実行することにより実現される。
【００２８】
まず、コントローラ３は、ステレオカメラ１１及びＴＳ１３の方向を制御する姿勢制御部３１１と、撮影範囲を設定する範囲設定部３１２とを備える。
【００２９】
姿勢制御部３１１は、モータ１５を駆動して、モータ１５と一体となっているステレオカメラ１１及びＴＳ１３の方向を制御する。例えば、姿勢制御部３１１は、入力装置７からモータの回転方向に関する指示入力を受けると、それに基づいてモータ１５を制御したり、範囲設定部３１２からの指示に従ってカメラ１１が所定の方向へ向くようにモータ１５を制御したりする。
【００３０】
範囲設定部３１２は、計測範囲の指定を受け付ける。そして、指定された計測範囲を複数に分割して、各分割撮影範囲を設定する。計測範囲の指定は、例えば、計測の開始領域及び終点領域の指定を受け付けて、その間の領域を計測範囲とする範囲指定、及び計測装置１の設置位置を中心とした３６０度範囲指定などがある。
【００３１】
ここで、図４は、範囲設定部３１２が表示装置５に表示させる計測範囲指定画面１００の一例である。計測範囲指定画面１００には、同図に示すように、３６０度計測１１０と範囲指定計測１２０の撮影モード選択ボタンがある。
【００３２】
３６０度計測とは、計測装置の位置を中心として周囲３６０度を、ステレオカメラ１１で複数に分割撮影し、計測位置の周囲の３次元形状を計測する。
【００３３】
範囲指定計測とは、計測を行う始点及び終点が指定されると、その始点及び終点間を計測範囲としてステレオカメラ１１で分割撮影を行って、計測範囲の３次元形状を計測する。
【００３４】
図５は、範囲指定計測１２０が選択されると、範囲設定部３１２が表示装置５に表示させる計測範囲指定画面２００の一例を示す。
【００３５】
計測範囲指定画面２００には、基準カメラ１１１の画像表示領域２１０と、方向指示ボタン２２０と、始点設定ボタン２４０と、終点設定ボタン２５０とを備える。
【００３６】
表示領域２１０には、その時点で基準カメラ１１１に写っている画像がリアルタイムで表示される。
【００３７】
方向指示ボタン２２０は、上下左右への指示ボタンを有し、入力装置７でこれらの指示ボタンが操作されると、姿勢制御部３１１が操作された方向へモータ１５を回転させる。このモータ１５の回転に伴ってステレオカメラ１１の向きも変わるので、表示領域２１０に表示される基準カメラ１１１に写っている画像も移動する。ユーザは、表示領域２１０を見ながら、所望の撮影の開始領域及び終点領域を探し、始点設定ボタン２４０及び終点設定ボタン２５０でそれぞれを撮影の開始領域と終点領域とを定める。
【００３８】
再び図３を参照すると、コントローラ３は、さらに、画像処理のために以下の構成を備えている。すなわち、コントローラ３は、計測装置１の設置位置を求めるキャリブレーションを行うキャリブレーション処理部３３１と、キャリブレーションにより求めた計測装置１の計測位置を記憶する計測位置記憶部３３２と、ステレオカメラ１１で撮影された基準画像及び参照画像のデータを記憶する画像データ記憶部３３３と、ステレオカメラ１１が撮影した画像データのステレオ処理を行う２Ｄ−３Ｄ処理部３３４と、ステレオ処理により算出された３次元データを記憶する３次元データ記憶部３３５と、表示装置５に撮影画像及び３次元画像等を表示するための表示制御部３３７とを備える。
【００３９】
キャリブレーション処理部３３１は、ＴＳ１３が基準点Ａ，Ｂを計測したときのＴＳデータを取得し、基準点A、Bに対する計測装置１が設置されている計測位置を求める（いわゆる位置出し）。つまり、キャリブレーション処理部３３１は、基準点A、Bを基準としたこの計測現場における、この計測位置の３次元の現場座標を求め、計測位置データとして計測位置記憶部３３２に格納する。
【００４０】
２Ｄ−３Ｄ処理部３３４は、ステレオカメラ１１が同時に撮影した計測対象物の２枚の画像データに基づいてステレオ処理を行う。そして、このステレオ処理により得られた計測対象物の距離画像、計測位置記憶部３３２に記憶されている計測位置データ、及びＴＳに対する基準カメラの補正量に基づいて、計測範囲の現場座標系における３次元データを得て、３次元データ記憶部３３５に格納する。計測範囲を分割撮影している場合は、それぞれ対応する画像データについてステレオ処理を行って、分割撮影された領域ごとに３次元データを得て、これらを結合して撮影範囲全体の３次元データを得る。
【００４１】
表示制御部３３７は、３次元データ記憶部３３５に格納されている３次元データに基づく３次元画像を表示装置５に表示させる。また、表示制御部３３７は、範囲設定部３１２の指示に従い、上述の計測範囲指定画面１００及び計測範囲指定画面２００も表示装置５に表示させる。
【００４２】
つぎに、上記のような構成を備えた計測システムで計測を行う場合、まず、所望の計測位置に計測装置１を設置してＴＳ１３の設定を行う。すなわち、いわゆるＴＳ１３の水平出しを行うとともに、基準点Ａ，Ｂの視準を行って、キャリブレーション処理部３３１が後方交会法による計測装置１の位置出しを行う。そして、この位置出しを行った後、以下に示すような手順で処理を行う。
【００４３】
図６は、３６０度計測の処理手順を示すフローチャートである。
【００４４】
まず、図４に示す計測範囲指定画面１００で３６０度計測ボタン１１０が選択されると、姿勢制御部３１１がモータ１５を制御して、ステレオカメラ１１及びＴＳ１３を所定の基準方向へ向ける（Ｓ１１）。そして、ステレオカメラ１１が撮影を行うと、基準画像及び参照画像の画像データが画像データ記憶部３３３に格納される（Ｓ１２，１３）。
【００４５】
ここで、３６０度撮影が終了しているか否かを判定する（Ｓ１４）。そして、３６０度撮影が終了していれば（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、２Ｄ−３Ｄ処理部３３４が３次元処理を行って処理を終了する（Ｓ１６）。
【００４６】
一方、３６０度撮影が終了していないときは（Ｓ１４：Ｎｏ）、姿勢制御部３１１は、カメラの画角及び計測対象物までの距離により定まる所定の回転角だけモータ１５を回転させて、ステップＳ１２以降を繰り返す（Ｓ１５）。
【００４７】
これにより、３６０度のパノラマ計測を簡単に行うことができる。例えば、ゴルフ場のグリーン、遺跡などを計測対象物とすれば、本実施形態によりそれらの３次元形状を極めて容易に把握することができる。
【００４８】
図７は、範囲指定計測の処理手順を示すフローチャートである。同図に従って、範囲指定計測について説明する。
【００４９】
まず、図４に示す計測範囲指定画面１００で範囲指定計測ボタン１２０が選択されると、表示装置５に図５に示す計測範囲指定画面２００が表示され、計測範囲の入力を受け付ける（Ｓ２１）。
【００５０】
計測範囲指定画面２００において開始領域及び終点領域が設定されると、範囲設定部３１２は、撮影範囲を定めるとともに、撮影範囲を分割して撮影順序を定める（Ｓ２２）。
【００５１】
例えば、範囲設定部３１２は、始点設定ボタン２４０及び終点設定ボタン２５０が押されたときのＴＳデータを取得する。そして、図８に示すように、始点設定ボタン２４０が押されたときのＴＳデータの水平角及び垂直角により定まる開始領域３１０と、終点設定ボタン２５０が押されたときのＴＳデータの水平角及び垂直角により定まる終点領域３２０とが対角位置に来るような方形の撮影領域３００を定める。さらに、範囲設定部３１２は、開始領域３１０の水平角及び垂直角と、終点領域３２０の水平角及び垂直角とに基づいて、各分割撮影領域３３０を撮影するときのＴＳ１３の水平角及び垂直角、並びに撮影順序（図中カッコの数字）を定める。
【００５２】
ここで、範囲設定部３１２から各分割撮影領域３３０の方向（水平角及び垂直角）を示す情報を順次姿勢制御部３１１へ通知し、姿勢制御部３１１は、これに従ってモータ１５を制御して、ステレオカメラ１１及びＴＳ１３を各分割撮影領域３３０の撮影方向へ向ける（Ｓ２３）。そして、ステレオカメラ１１が撮影を行うと、基準画像及び参照画像の画像データが画像データ記憶部３３３に格納される（Ｓ２４，２５）。
【００５３】
全分割撮影領域の撮影が終了するまでステップＳ２３以降を繰り返し、全分割撮影領域の撮影が終了すると（Ｓ２６：Ｙｅｓ）、２Ｄ−３Ｄ処理部３３４が３次元処理を行って処理を終了する（Ｓ２７）。
【００５４】
本実施形態によれば、ＴＳとステレオカメラとが一体となった計測装置により、比較的近距離の計測対象の３次元形状を簡単に計測することができる。特に、計測装置を一度設置すれば、その位置からステレオカメラで撮影可能な範囲については、計測装置を移動させることなく、容易に３次元形状の計測ができる。従って、計測装置を移動させたときに必要な位置出しの作業を１回で済ませることができるようになる。
【００５５】
上述した本発明の実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。
【００５６】
例えば、コントローラ、入力装置及び表示装置は、計測装置と一体で構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態に係る３次元形状の計測システムの全体構成を示す。
【図２】計測装置１の変形例を示す。
【図３】コントローラ３の詳細な機能構成を示す。
【図４】計測範囲指定画面１００の一例を示す。
【図５】計測範囲指定画面２００の一例を示す。
【図６】３６０度計測の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】範囲指定計測の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】撮影領域３００及び分割撮影領域３３０を示す。
【符号の説明】
【００５８】
１…計測装置、３…コントローラ、１１…ステレオカメラ、１３…トータルステーション、１５…モータ、１７…支持フレーム、１００…計測範囲指定画面、２００…計測範囲指定画面。
【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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