(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の像を結像させる結像レンズと、該結像レンズの結像面に配置した撮像手段と、該撮像手段からの画像信号に基づき前記被測定物の形状を解析する画像解析部とを有する形状測定装置において、
前記結像レンズと前記撮像手段との画面距離を焦点調整を目的として調整する調整手段と、
該調整手段により調整された前記画面距離を検出する画面距離検出部と、
前記画面距離に対応して変化する前記結像レンズのレンズ歪み特性情報をあらかじめ記憶するレンズ歪み特性記憶部と、
前記画面距離検出部からの信号に応じたレンズ歪み特性情報に基づいて前記画像解析部に入力される画像信号を補正するレンズ歪み特性補正部とを有することを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
被測定物の像を結像させる結像レンズと、該結像レンズの結像面に配置した撮像手段とを有し、前記被測定物の形状解析用の画像信号を出力する形状測定装置用の画像入力装置において、
前記結像レンズと前記撮像手段との画面距離を焦点調整を目的として調整する調整手段と、
該調整手段により調整された前記画面距離を検出する画面距離検出部と、
前記画面距離に対応して変化する前記結像レンズのレンズ歪み特性情報をあらかじめ記憶するレンズ歪み特性記憶部と、
前記画面距離検出部からの信号に応じたレンズ歪み特性情報に基づいて画像信号を補正して出力するレンズ歪み特性補正部とを有することを特徴とする形状測定装置用の画像入力装置。
【請求項３】
被測定物の像を結像させる結像レンズと、該結像レンズの結像面に配置した撮像手段とを有し、前記被測定物の形状解析用の画像信号を出力する形状測定装置用の画像入力装置において、
前記結像レンズと前記撮像手段との画面距離を焦点調整を目的として調整する調整手段と、
該調整手段により調整された前記画面距離を検出する画面距離検出部と、
前記画面距離に対応して変化する前記結像レンズのレンズ歪み特性情報をあらかじめ記憶するレンズ特性記憶部と、
前記画面距離検出部からの信号に応じたレンズ歪み特性情報を出力する出力手段とを有することを特徴とする形状測定装置用の画像入力装置。
【請求項４】
被測定物の像を結像させる結像レンズと、該結像レンズの結像面に配置した撮像手段とを有する撮影カメラと、前記撮像手段からの画像信号に基づき前記被測定物の形状を解析する画像解析部とを備えた形状測定装置において、
前記結像レンズと前記撮像手段との画面距離を焦点調整を目的として調整する調整手段と、
該調整手段により調整された前記画面距離を検出する画面距離検出部と、
前記画面距離に対応して変化する前記結像レンズのレンズ歪み特性情報をあらかじめ記憶するレンズ特性記憶部と、
該レンズ特性記憶部に記憶されたレンズ歪み特性情報の信号を前記画面距離検出部からの信号に応じて読み込み、前記レンズ歪み特性情報に基づき前記画像解析部により画像解析をすることを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】
前記レンズ歪み特性記憶部が、前記画像解析部に組み込まれている請求項４に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記レンズ歪み特性記憶部が、前記撮影カメラに組み込まれている請求項５に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、撮影された画像から高精度に形状測定を行う形状測定装置及びそれに使用する画像入力装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
写真測量では、図１に示すように、撮影レンズ系Ｌの光軸Ｏと撮影画面Ｓとの交点（以下、主点Ｐという）の位置と、撮影画面Ｓと撮影レンズ系Ｌの主平面Ｋとの間の距離（以下、画面距離ｇという）が明確である必要がある。
【０００３】
従来から、写真測量に用いられているカメラでは、主点Ｐの位置や画面距離Ｇの変化を避けるため、撮影画面Ｓに対して撮影レンズ系Ｌを固定した固定焦点の光学系が採用され、市販のカメラのような焦点調節を行わない構成とし、写真測量用のカメラ製造時に主点Ｐの位置、画面距離ｇを測定して、これらの測定値を画像解析時に使用していた。これは、通常、遠距離から被測定物を撮影するので、撮影時にピント合わせをする必要がほとんど無いからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、写真測量に使用されるカメラは、固定焦点であるので、撮影距離が限定され、地上写真測量や、撮影された画像に基づき高精度な形状測定を行う場合には、撮影地点から被測定物までの撮影距離がまちまちであり、撮影対象が遠距離にある場合と近距離にある場合とではレンズの焦点距離を異ならせる必要があり、被測定物が遠距離にある場合には遠距離用のカメラを準備し、被測定物が近距離にある場合には近距離用のカメラを準備して、写真測量を行っている。つまり、従来の写真測量では、被測定物までの距離が近距離から遠距離に渡って幅広い場合には、被測定物までの撮影距離にマッチした焦点距離（画面距離ｇ）を有する複数台のカメラを準備することが必要となる。
【０００５】
しかしながら、被測定物までの距離が近距離から遠距離に渡って幅広い場合に撮影距離にマッチした焦点距離を有する複数台のカメラを準備できるとは限らず、準備できるカメラが１台のみのときには、被測定物までの距離に応じて焦点距離を変更しなければならないこととなる。このときには、焦点距離を変更するたびに、その都度、レンズ特性等のカメラの内部定位を得るためにカメラキャリブレーションを行わなければならず、このカメラキャリブレーションに多大な時間と労力、コストがかかる。これに対して、市販のカメラの場合、焦点調節は可能であるが、主点Ｐの位置及びレンズ歪みが撮影レンズ系１の光軸方向への移動に伴って大きく変動し、画面距離Ｇが不明確となるので、写真測量の用途には不向きである。
【０００６】
すなわち、１台のカメラで遠方・近方に存在する被測定物の形状解析を行う場合、焦点距離を変化させると、画面距離ｇ、主点Ｐの位置の変化に加えてレンズ歪みまでが変化し、とても実用に耐え得るものではなかった。
【０００７】
そこで、焦点距離が変更されても主点Ｐの位置が変動せず、かつ、画面距離ｇを正確に計測できる構成の形状測定装置が提案されている（特開平４−２８１４４６号公報）。しかしながら、この特開平４−２８１４４６号公報に開示のものは、焦点距離が変化してもレンズ歪みが変化しない無歪みレンズを使用しなけらばならず、そのようなレンズを実際上製作するのはほとんど不可能であり、レンズ歪みが許容できる程度に小さいレンズを設計、製作することとすると、その価格が非常に高くなる。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、主点位置、画面距離、レンズ歪み（以下、内部定位という）をいちいち考慮することなく、近方から遠方までの広範囲に渡る被測定物の形状解析に関して、解析精度を損なわずに焦点調節が可能な形状測定装置及びそれに使用する画像入力装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の形状測定装置は、上記課題を解決するため、被測定物の像を結像させる結像レンズと、該結像レンズの結像面に配置した撮像手段と、該撮像手段からの画像信号に基づき前記被測定物の形状を解析する画像解析部とを有するものにおいて、前記結像レンズと前記撮像手段との画面距離を焦点調整を目的として調整する調整手段と、該調整手段により調整された前記画面距離を検出する画面距離検出部と、前記画面距離に対応して変化する前記結像レンズのレンズ歪み特性情報をあらかじめ記憶するレンズ歪み特性記憶部と、前記画面距離検出部からの信号に応じたレンズ歪み特性情報に基づいて前記画像解析部に入力される画像信号を補正するレンズ歪み特性補正部とを有することを特徴としている。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の形状測定装置用の画像入力装置は、上記課題を解決するため、被測定物の像を結像させる結像レンズと、該結像レンズの結像面に配置した撮像手段とを有し、前記被測定物の形状解析用の画像信号を出力するものにおいて、前記結像レンズと前記撮像手段との画面距離を焦点調整を目的として調整する調整手段と、該調整手段により調整された前記画面距離を検出する画面距離検出部と、前記画面距離に対応して変化する前記結像レンズのレンズ歪み特性情報をあらかじめ記憶するレンズ歪み特性記憶部と、前記画面距離検出部からの信号に応じたレンズ歪み特性情報に基づいて画像信号を補正して出力するレンズ歪み特性補正部とを有することを特徴としている。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の形状測定装置用の画像入力装置は、上記課題を解決するため、被測定物の像を結像させる結像レンズと、該結像レンズの結像面に配置した撮像手段とを有し、前記被測定物の形状解析用の画像信号を出力するものにおいて、前記結像レンズと前記撮像手段との画面距離を焦点調整を目的として調整する調整手段と、該調整手段により調整された前記画面距離を検出する画面距離検出部と、前記画面距離に対応して変化する前記結像レンズのレンズ歪み特性情報をあらかじめ記憶するレンズ特性記憶部と、前記画面距離検出部からの信号に応じたレンズ歪み特性情報を出力する出力手段とを有することを特徴としている。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の形状測定装置は、上記課題を解決するため、被測定物の像を結像させる結像レンズと、該結像レンズの結像面に配置した撮像手段とを有する撮影カメラと、前記撮像手段からの画像信号に基づき前記被測定物の形状を解析する画像解析部とを備えたものにおいて、前記結像レンズと前記撮像手段との画面距離を焦点調整を目的として調整する調整手段と、該調整手段により調整された前記画面距離を検出する画面距離検出部と、前記画面距離に対応して変化する前記結像レンズのレンズ歪み特性情報をあらかじめ記憶するレンズ歪み特性記憶部と、該レンズ特性記憶部に記憶されたレンズ歪み特性情報の信号を前記画面距離検出部からの信号に応じて読み込み、前記レンズ歪み特性情報に基づき前記画像解析部により画像解析することを特徴としている。
【００１３】
本発明によれば、画面距離に対応して変化する結像レンズのレンズ歪み特性情報をあらかじめ記憶するレンズ歪み特性記憶部を設ける構成としたので、工場出荷時にカメラのキャリブレーションを行って主点位置、画面距離、レンズ歪み等の内部定位を検査して記憶させ、画像撮影時にその撮影時の内部定位を使用することにすれば、カメラヘッド部は少なくとも画面距離Ｇだけわかれば良く、焦点距離の変化によるカメラキャリブレーションを一切気にすることなく、撮影者は１台のカメラで自由に被測定物を撮影し、その形状を解析することが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
【００１５】
【原理】
画像全体から精度よく計測を行う場合、例えば、（ａ）、（ｂ）式のように主点Ｐの位置を考慮した上でレンズ歪み量を補正すれば、撮影画面上における対象物の正確な位置座標を求め得る。
【００１６】
なお、式（ａ）、（ｂ）は放射方向のレンズ歪みのみを考慮して求めた。
【００１７】
△ｘ＝−ｘ0＋ｘ1（ｋ1ｒ2＋ｋ2ｒ4）                        （ａ）
△ｙ＝−ｙ0＋ｙ1（ｋ1ｒ2＋ｋ2ｒ4）                        （ｂ）
ｘ1＝ｘ−ｘ0      ｙ1＝ｙ−ｙ0      ｒ2＝（ｘ2＋ｙ2）／ｇ2
△ｘ、  △ｙ  ：  補正量
ｘ0、ｙ0      ：  主点Ｐの位置
ｋ1、ｋ2      ：  放射方向歪み
ｇ            ：  画面距離
従って、カメラ出荷時に画面距離ｇに応じた主点Ｐの位置、放射方向のレンズ歪み等を検査し、後述するレンズ歪み特性記憶部に記憶させておけば良い。このとき、レンズ歪みが上記の例と異なるときは、そのレンズ歪みのモデル式を使用し、そのパラメータをカメラ検査により求めればよい。また、パラメータではなくて歪み補正位置、すなわち、全体のレンズ歪み量そのものを記録してもよい。
【００１８】
【実施例１】
図２は本発明に係わる形状測定装置のブロック図を示し、この形状測定装置は画像入力装置としてのカメラ１と画像解析部２とから大略なっている。カメラ１は撮影レンズ系Ｌを有する。撮影レンズ系Ｌは被測定物の像を結像させるための結像レンズ３と撮像手段としてのＣＣＤ４とから大略構成されている。ＣＣＤ４は結像レンズ３の結像面に配置されている。ＣＣＤ４は画像を光電変換して画像信号を出力する。その画像信号はアンプリファイア５により増幅されて、Ａ／Ｄ変換器６に入力され、このＡ／Ｄ変換器６によりアナログ信号からデジタル信号に変換される。そのデジタル信号は画像記録部としての画像用メモリ７に入力されて、この画像用メモリ７に一時的に記憶される。その画像用メモリ７はメモリ制御回路８により制御され、そのメモリ制御回路８は電気系全体の統括制御を行う処理制御部９により制御される。処理制御部９には後述する情報を入力するための入力部１０が接続され、その処理制御部９は画面距離調整検出部１１との間で情報の授受を行う役割の他、Ａ／Ｄ変換器６、ＣＣＤ制御部１２を制御する役割、レンズ歪み特性記憶部１３に入力情報を出力する役割を有する。
【００１９】
レンズ歪み特性記憶部１３にはレンズ歪み特性情報が記憶されている。そのレンズ歪み特性情報は、工場出荷時に、検査者が各焦点距離毎に結像レンズ３の歪み特性を検査して、入力部１０を操作することによりレンズ歪み特性記憶部１３に入力するものである。画像用メモリ７には表示部１４が接続され、その表示部１４に被測定物の撮影画像が表示される。
【００２０】
画面距離調整検出部１１はピント合わせ（焦点距離調整）のために移動された結像レンズ３と撮影画面Ｓとの画面距離検出を行う役割を有し、この画面距離調整検出部１１は、例えば、図３に示すように、結像レンズ３の移動に連動して移動する移動接点１５と、各抵抗器１６〜１８の一端にそれぞれ接続された固定接点１９〜２１と、デコーダ２２とからなり、マニュアル（段階固定式）により結像レンズ３を移動させて、その移動量をデコーダ２２により読み取るものである。その結像レンズ３の移動量は処理制御部９に入力され、処理制御部９はその移動量に基づいて画面距離ｇを検出し、この検出された画面距離ｇに応じてレンズ歪み特性記憶部１３に記憶されたレンズ歪み特性情報をレンズ歪み補正部２３に出力させる。すなわち、画面距離ｇに応じたレンズ歪み特性情報を記憶するメモリが選択されて、そのレンズ歪み特性情報がレンズ歪み補正部２３に入力される。
【００２１】
その図３では、段階的にマニュアルにより結像レンズ３を移動させて画面距離ｇを検出することとしたが、図４に示すように、例えば、画面距離調整検出部１１を、モータ駆動用制御回路２４と、モータドライバ２５と、ステッピングモータ２６とから構成し、自動合焦又は電動により結像レンズ３を移動させて、その移動の際のパルス数をカウントして画面距離ｇを検出する構成としても良い。なお、この場合、結像レンズ３の移動原点としての基準位置をあらかじめ出荷時に高精度で求めておくことにする。このようにして、高精度に画面距離ｇを検出する。
【００２２】
レンズ歪み特性補正部２３は例えばルックアップテーブル（ＬＵＴ）を用いて構成されている。レンズ歪み特性記憶部１３には、画面距離ｇに応じたレンズ歪み量に対応するアドレスが記憶されている。そのＬＵＴには、画面距離ｇに応じて選択されたレンズ歪み特性記憶部１３のメモリからレンズ歪み補正量（補正後の画像メモリのアドレス）がロードされる。レンズ歪み特性補正部２３は、画像用メモリからアドレスに従って順番に出力された情報をアドレス変換することにより歪み補正し、その画像情報を画像用メモリ７、あるいは画像解析部２に送信する。
【００２３】
表示部１４は画像用メモリ７に一時的に記憶されている補正前の画像を表示するが、補正前の画像と補正後の画像とを保存できる画像用メモリを用いれば、補正前の画像と補正後の画像との両方を表示させることも可能である。また、ＬＵＴを通さずにそのまま原画像を画像記録部に記録したり、あるいは、補正前、補正後両方の画像を記録することもできる。
【００２４】
画像解析部２にはレンズ歪みが補正された画像が出力され、そのレンズ歪み補正部２３により補正された画像は画像解析部２により解析され、これにより高精度な計測が可能になる。
【００２５】
以上の実施例では、カメラ１からレンズ歪みが補正された画像を直接画像解析部２に出力させる構成としたが、カメラ１のレンズ歪み補正部２３の出力段に補正画像を一時的に保存する画像記録部を設け、この画像記録部の出力をカメラ１の外部の画像解析部２に入力させる構成とすることもできる。
【００２６】
レンズ歪み特性補正部２３をＬＵＴにより構成する代わりに、演算部により構成することもできる。この場合には、レンズ歪み特性記憶部１３の補正メモリに、各画面距離Ｇにおけるレンズ歪みパラメータをあらかじめ記憶させ、画面距離Ｇに応じて選択されたレンズ歪みパラメータ（式（ａ）、式（ｂ）のパラメータｘ0、ｙ0、ｋ1、ｋ2等）をレンズ歪み特性補正部２３としての演算部に送信する。演算部は、それらのパラメータに基づき、順次画像情報が出力されてくるアドレスの情報により式（ａ）、式（ｂ）の計算を実行し、補正アドレスを計算し、その計算されたアドレスの画像用メモリ７又は画像解析部２に画像情報を送信する。この処理を一画面について行うことにより、結像レンズ３の歪みが補正された画像が得られる。この演算部はハードウェアで構成しても良いし、デジタルシグナルプロッセッサＤＳＰにより式（ａ）、式（ｂ）をプログラムし、演算させてもよい。
【００２７】
【他の実施例】
図５は本発明の形状測定装置の第２の実施例を示し、カメラ１に画像・レンズ歪み記録部２７を設け、カメラ１と別体の画像解析部２にレンズ歪み補正部に相当する演算機能を設け、レンズ歪み量補正前の画像を直接画像解析部２に入力させて、画像解析部２の側でレンズ歪量を補正して形状解析を行う構成としたものであり、その他の構成要素は図２に示す構成要素と同一であるので、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２８】
図５に示す第２の実施例では、カメラ１に画像・レンズ歪み記録部２７を設け、画像解析部２に設ける構成としたが、画像・レンズ歪み記録部２７を設けずに、ＳＣＳＩインターフェースを介して直接画像解析部２に入力させて、画像解析部２の側でレンズ歪量を補正して形状解析を行う構成とすることもできる。また、図５に示す実施例では、カメラ１の側にレンズ歪み特性記憶部１３を設ける構成としたが、レンズ歪み特性記憶部１３を画像解析部２に設け、画面距離調整検出部１１により検出された画面距離ｇに対応したレンズ歪み量を、画像解析部２の側で選択する構成とすることもできる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成したので、被測定物によらず計測したい対象に対して、あらゆる撮影位置からレンズの焦点調節位置を考慮することなく、自由に計測することが可能である。すなわち、計測用にカメラキャリブレーションを行ったカメラを複数台用意する必要や、あるいは計測によっていちいちカメラキャリブレーションをし直す必要がなくなり、計測対象物の制限やカメラキャリブレーションの手間がかからなくなり、省力化も可能となり、すぐれた高精度な形状測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  撮影レンズ系と撮影画面との間の画面距離を説明するための模式図である。
【図２】  本発明に係わる形状測定装置の第１の実施例を示すブロック図である。
【図３】  図２に示す画面距離調整検出部の構成の一例を示す概念図である。
【図４】  図２に示す画面距離調整検出部の構成の他の例を示す概念図である。
【図５】  本発明に係わる形状測定装置の第２の実施例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…カメラ
３…結像レンズ
４…ＣＣＤ（撮像手段）
１１…画面距離調整検出部
１３…レンズ歪み特性記憶部
２３…レンズ歪み特性補正部
ｇ…画面距離
【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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