(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．３次元空間に立体的に配置された少なくとも４つの基準ターゲットを計測対象物に設ける行程と、
ｂ．計測対象物から離間して所定位置に配置された非接触 式位置検出装置を用いて、前記各基準ターゲットの各々の位置及び計測対象物の計測点の位置をそれぞれ計測する行程と、
ｃ．計測対象物を回転させて、複数の回転状態について前記行程ｂを実施する行程と、
ｄ．各回転状態における基準ターゲットの位置に基づいて、該各回転状態における各座標系を１つの統合座標系に統合する行程と、
ｅ．該統合座標系に対して各計測点の位置を補正する行程と、
を有することを特徴とする３次元計測方法。
【請求項２】
請求項１記載の３次元計測方法において、各回転状態における基準ターゲットの位置に最小２乗法を適用することにより、各回転状態における３次元座標系を統合した３次元座標系を統合座標系として生成することを特徴とする３次元計測方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の３次元計測方法において、計測対象物をターンテーブルに載せて回転させることを特徴とする３次元計測方法。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれかに記載の３次元計測方法において、基準ターゲットは、常に非接触式位置検出装置の方向を向くように回動自在に設けることを特徴とする３次元計測方法。
【請求項５】
計測対象物が載置される回転自在な回転手段と、
計測対象物あるいは回転手段に３次元空間に立体的に配置された少なくとも４つの基準ターゲットと、
前記回転手段から離間して配置され、前記基準ターゲット及び計測対象物の複数の計測点の位置を非接触で計測する非接触式位置検出装置と、
回転手段の複数の回転状態における基準ターゲットの位置に基づいて各回転状態における座標系を統合し、該統合によって得られた統合座標系に対して各計測点の位置を補正する演算装置と、
を具備することを特徴とする３次元計測装置。
【請求項６】
請求項５記載の３次元計測装置において、各回転状態における基準ターゲットの位置に最小２乗法を適用することにより各回転状態における３次元座標系を統合した３次元座標系を統合座標系として生成することを特徴とする３次元計測装置。
【請求項７】
請求項５または６記載の３次元計測装置において、回転手段がターンテーブルであることを特徴とする３次元計測装置。
【請求項８】
請求項５ないし７いずれかに記載の３次元計測装置において、基準ターゲットは、常に非接触式位置検出装置の方向を向くように回動自在に設けられることを特徴とする３次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体（計測対象物）の３次元形状を計測する３次元計測方法及び装置に係わり、特に非接触で物体の３次元形状を計測する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の３次元形状を光あるいは超音波等を用いて、非接触状態で計測する３次元計測技術が実用化されている。例えば、光を用いた３次元計測技術では、近赤外線を放射／受光する測距手段を物体から一定距離隔てて配置し、測距手段の鉛直軸を中心に回転させながら測距手段から物体の所用各部位までの距離及び角度を計測し、それらより所用各部位の３次元座標を算出する。橋梁ブロック等の大型構造物の場合、測距手段の配置位置によっては死角が発生するため、測距手段を移動させて反対方向からの物体の所用部位までの距離及び角度を計測し、それらより所用各部位の３次元座標を算出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記３次元計測技術による計測精度は、▲１▼ 測距手段自体の測距誤差、▲２▼ 測距手段の移動前後における座標系の誤差、に支配される。特に後者による誤差の計測精度に与える影響は大きく、当該技術分野においては、これの克服が要望されていた。
また、上記３次元計測技術では、物体の周囲で測距手段を移動させるために比較的大きな計測空間を必要とする。特に大型の構造物を３次元計測しようとする場合には、この傾向が強く、大型構造物の３次元計測を実行する上での制約条件にもなっている。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、以下の点を目的とするものである。
▲１▼ 測距手段を計測対象物に対して移動させる必要のない３次元計測方法を提供する。
▲２▼ 計測精度を向上させることが可能な３次元計測方法を提供する。
▲３▼ 比較的狭いスペースでの計測が可能な３次元計測方法を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、３次元計測方法に係わる手段として、ａ．３次元空間に立体的に配置された少なくとも４つの基準ターゲットを計測対象物に設ける行程と、ｂ．計測対象物から離間して所定位置に配置された非接触式位置検出装置を用いて、前記各基準ターゲットの各々の位置及び計測対象物の計測点の位置をそれぞれ計測する行程と、ｃ．計測対象物を回転させて、１つあるいは複数の回転状態について前記行程ｂを実施する行程と、ｄ．各回転状態における基準ターゲットの位置に基づいて、該各回転状態における各座標系を１つの統合座標系に統合する行程と、ｅ．該統合座標系に対して各計測点の位置を補正する行程とを有する手段が採用される。
また、上記手段において、各回転状態における基準ターゲットの位置に最小２乗法を適用することにより、各座標系を統合するという手段が採用される。
また、計測対象物をターンテーブルに載せて回転させるという手段が採用される。
さらに、常に非接触式位置検出装置の方向を向くように基準ターゲットを回動自在に設けるという手段が採用される。
一方、３次元計測装置に係わる手段として、計測対象物が載置される回転自在な回転手段と、計測対象物あるいは回転手段に３次元空間に立体的に配置された少なくとも４つの基準ターゲットと、前記回転手段から離間して配置され、前記基準ターゲット及び計測対象物の複数の計測点の位置を非接触で計測する非接触式位置検出装置と、回転手段の複数の回転状態における基準ターゲットの位置に基づいて各回転状態における座標系を統合し、該統合によって得られた統合座標系に対して各計測点の位置を補正する演算装置とを具備する手段が採用される。
また、上記手段においても、各回転状態における基準ターゲットの位置に最小２乗法を適用して各座標系を統合するという手段が採用される。
また、回転手段をターンテーブルとするという手段が採用される。
さらに、基準ターゲットは常に非接触式位置検出装置の方向を向くように回動自在に設けられるという手段が採用される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係わる３次元計測方法及び装置の一実施形態について説明する。
まず、図１は、本実施形態の３次元計測装置の構成を示す斜視図である。この図において、符号Ｍは矩形状の計測対象物であり、水平面内で回転するターンテーブル１（回転手段）上に載置されている。ターンテーブル１は、回転駆動装置２によって任意の角度に回転駆動されるようになっているとともに、同一平面上にない４つの基準ターゲットＡ〜Ｄが計測対象物の外側に備えられている。
【０００７】
この４つの基準ターゲットＡ〜Ｄは、３次元空間に立体的に配置されており、例えばＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸からなる３次元座空間において、何れかの軸の座標値が相互に異なるような相互位置関係で配置されている。また、この基準ターゲットＡ〜Ｄは、ターンテーブル１の回転に対して、常に非接触式位置検出装置３の方向を向くように回動自在にターンテーブル１に固定されている。
【０００８】
符号３は、上記ターンテーブル１の周囲に離間して配置・固定された非接触式位置検出装置であり、上記基準ターゲットＡ〜Ｄ及び計測対象物Ｍについて設定された複数の計測点の位置を検出するものである。例えば、当該計測対象物Ｍは矩形状であるので、計測点としては８つの各頂点ａ〜ｈが予め選定される。この非接触式位置検出装置３は、例えば近赤外線光等を上記基準ターゲットＡ〜Ｄに放射し、その反射光に基づいて基準ターゲットＡ〜Ｄの位置を非接触で検出するものである。ここで、この非接触式位置検出装置３は、上記基準ターゲットＡ〜Ｄに光が直接当たる、つまり基準ターゲットＡ〜Ｄに対して見通しの利く位置に固定される。
【０００９】
符号４は演算装置４であり、非接触式位置検出装置３によって検出された基準ターゲットＡ〜Ｄの位置情報及び計測対象物Ｍについて複数設定された計測点の位置情報に基づいて、計測対象物Ｍの３次元形状を示す形状データ及び該形状データをさらに加工して３次元画像データを生成する。表示装置５は、該３次元画像データに基づいて計測対象物Ｍの３次元画像を表示するものである。例えば、上記演算装置４と表示装置５とは、エンジニアリングワークステーション（ＥＳＷ）やパーソナルコンピュータ等の汎用コンピュータによって実現することが考えられる。
【００１０】
続いて、上記３次元計測装置を用いた計測方法について、図２に示すフローチャートに沿って説明する。なお、本実施形態では、計測対象物Ｍが矩形状であり、上記各頂点ａ〜ｈの位置を検出することによってその３次元形状を計測する。
【００１１】
例えば、クレーン等によって計測対象物Ｍがターンテーブル１上に載置され、非接触式位置検出装置３から各基準ターゲットＡ〜Ｄを見通すことができるように、ターンテーブル１の回転角度が回転駆動装置２によって調節されると、計測が開始される。上記図１は、この状態つまり第１の状態を示している。
【００１２】
この状態において、まず基準ターゲットＡ〜Ｄの各位置が非接触式位置検出装置３によって計測される（ステップＳ1）。この基準ターゲットＡ〜Ｄの各位置を示す各位置データは、演算装置４に入力されて内部メモリに記憶される。次に、計測対象物Ｍについて非接触式位置検出装置３から見通すことができる頂点の位置、すなわち各頂点ａ〜ｄの位置が第１の状態における計測点の位置として計測され（ステップＳ2）、該計測による各位置データは演算装置４に入力されて記憶される。
【００１３】
次に、回転駆動装置２が作動されてターンテーブル１が所定角度、例えば１８０度回転される（ステップＳ3）。この状態が第２の状態であり、再度基準ターゲットＡ〜Ｄの各位置が非接触式位置検出装置３によって計測される（ステップＳ4）。この第２の状態では、上記第１の状態において非接触式位置検出装置３から見通すことのできなかった頂点、すなわち各頂点ｅ〜ｈの位置が計測されて演算装置４に記憶される（ステップＳ5）。
【００１４】
そして、全ての計測点について位置の計測が終了したか否かが判断される（ステップＳ6）。いま、上記ステップＳ2，Ｓ5において計測対象物Ｍの全ての頂点ａ〜ｈの位置の計測が終了しているので、ステップＳ6における判断は「Ｙｅｓ」となり、上記第１の状態における基準ターゲットＡ〜Ｄの各位置と第２の状態における基準ターゲットＡ〜Ｄの各位置とに基づいて、第１の状態における座標系と第２の状態における座標系とが統合される（ステップＳ7）。
【００１５】
ここで、上述したようにＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸からなる３次元空間において何れかの軸の座標値が相互に異なるように配置されているので、演算装置４は、各基準ターゲットＡ〜Ｄの位置に基づいて第１，第２の各状態における３次元座標系をそれぞれ生成し、該各３次元座標系に対する座標として各頂点ａ〜ｄ及び頂点ｅ〜ｈの各位置を認識することになる。
【００１６】
しかし、第１，第２の各状態はターンテーブル１の回転前後の状態であり、第１の状態における３次元座標系と第２の状態における３次元座標系とは異なった座標系となっている。したがって、第１の状態における頂点ａ〜ｄの位置と第２の状態における頂点ｅ〜ｈの位置とは異なった座標系に対する位置であり、頂点ａ〜ｄの位置 と頂点ｅ〜ｈの位置とをそのまま計測対象物Ｍの形状を示す位置とすることはできない。
【００１７】
このような事情から、本実施形態では、上記第１，第２の状態における各座標系の統合に最小２乗法を用いる。すなわち、第１，第２の状態における各基準ターゲットＡ〜Ｄの位置について最小２乗法を適用することにより、基準ターゲットＡ〜Ｄの統合位置がそれぞれ算出される。そして、この基準ターゲットＡ〜Ｄに係わる統合位置に基づいて１つの３次元座標系（統合座標系）を生成して、上記頂点ａ〜ｄの位置 と頂点ｅ〜ｈの位置とを統合座標系に対する位置（補正位置）に補正する。
【００１８】
このようにして生成された統合座標系に対する各頂点ａ〜ｈの補正位置に基づいて、計測対象物Ｍの３次元形状を示す形状データ（各辺の長さや方向を示すデータ）が演算装置４によって生成される（ステップＳ8）。そして、さらに計測対象物Ｍの３次元形状を３次元画像表示するための３次元画像データが演算装置４によって生成されて（ステップＳ9）、表示装置５に出力される。
【００１９】
なお、上記実施形態では第１，第２の２つの状態において計測対象物Ｍの各頂点の位置を計測することにより、その３次元形状を計測する方法について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。計測対象物Ｍの形状によっては、第１の状態と該第１の状態に対してターンテーブル１を１８０度回転させた状態である第２の状態による計測のみでは、全ての頂点の位置を計測できない場合がある。このような場合には、ターンテーブル１をさらに細かい角度だけ回転させた状態において、非接触式位置検出装置３から見通すことのできる頂点の位置を計測することになる。この場合、各状態において計測された基準ターゲットＡ〜Ｄの各位置が、上述したように最小２乗法等を用いて統合される。
【００２０】
また、上記実施形態では４つの基準ターゲットＡ〜Ｄを立体的に設けたが、少なくとも４つの基準ターゲットがターンテーブルに配置されていれば、上述した方法によって各回転状態の座標系を１つの統合座標系に統合することができる。さらに、基準ターゲットをターンテーブルに設けるのではなく、別途、計測対象物に固定することが考えられる。この場合、計測対象物の形状等に応じて最適な位置に基準ターゲットを配置することができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わる３次元計測方法及び装置によれば、以下のような効果を奏する。
（１）各回転状態において非接触式位置検出装置によって計測された基準ターゲットの位置に基づいて、該各回転状態における各座標系を１つの統合座標系に統合して、該統合座標系に対して各計測点の位置を補正するので、非接触式位置検出装置を計測対象物に対して移動させることなく計測対象物の３次元形状を計測することができる。
（２）非接触式位置検出装置を移動させる必要がないので、従来のように非接触式位置検出装置の移動に基づく誤差が解消されるため、計測精度を向上させることが可能である。
（３）非接触式位置検出装置を移動させる必要がないので、比較的狭いスペースでの３次元計測が可能である。したがって、比較的大型の計測対象物の３次元計測に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係わる３次元計測方法及び装置の一実施形態において、３次元計装置の構成を示す斜視図である。
【図２】  本発明に係わる３次元計測方法及び装置の一実施形態において、３次元計測方法の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
Ａ〜Ｄ……基準ターゲット
Ｍ……計測対象物
ａ〜ｈ……頂点
１……ターンテーブル（回転手段）
２……回転駆動装置
３……非接触式位置検出装置
４……演算装置
５……表示装置
【図１】
0003928213.tif 000002
【図２】
0003928213.tif 000003