CN101520514A - 目标及使用其的三维形状测定装置 - Google Patents

Abstract

提供当从斜向计测时，也不损害圆形中心区域部的中心坐标的测定精度，可成为紧凑的结构，且容易瞄准的三维计测用目标及使用该目标的三维形状测定装置。本发明的目标(110)具有矩形框(110a)、由矩形框包围且在与对角线的交点(Q)相同的位置具有中心的小圆(110b)、由矩形框包围且与小圆的中心同心地包围小圆的大圆(110c)。矩形框和大圆之间的反射区域部是反射率最低的低亮度反射区域部(110d)。大圆和小圆之间的圆形周边区域部是反射率最高的高亮度反射区域部(110e)。小圆的内侧的圆形中心区域部是具有反射率为低亮度反射区域部的反射率与高亮度反射区域部的反射率之间的中间反射率的中亮度反射区域部(110f)。

Description

目标及使用其的三维形状测定装置

技术领域

本发明涉及对测定对象物的三维形状进行测定所使用的目标(target)和使用其的三维形状测定装置。

背景技术

作为用于在短时间内取得测定对象物的三维形状数据(3D数据)的三维形状测定装置，公知有所谓的激光扫描仪。

图1表示了通过激光扫描仪对测定对象物进行计测的一个例子。在图1中，100是测定对象物(例如作为物理构造物的建筑物)。激光扫描仪101为了取得三维形状数据，例如被设置在基准点R1，对扫描区E1进行扫描，取得扫描区E1内的点群数据。

接着，激光扫描仪101例如被设置在基准点R2，例如对扫描区E2进行扫描，取得扫描区E2内的点群数据。这样，按照测定对象物100的三维形状，适当设定扫描区，根据扫描区的数量，重复基于激光扫描仪101的扫描，从而对各扫描区取得点群数据。这里，测定对象物100的各扫描区彼此交叠(overlap)，在扫描区的交叠部分设置有三维形状测定用的目标103。根据基准点，彼此合成各扫描区的点群数据，可取得测定对象物100的三维形状数据。有时也将该三维形状数据最终变换为公共测量坐标。

激光扫描仪101中使用的目标103如图2所示，为了求出作为基准点的中心坐标，圆形中心区域部103a反射率最高，包围圆形中心区域部103a的圆形周边区域部103b反射率最低，矩形框103c和圆形周边区域部103b之间的反射区域部103d为中间的反射率。

另外，公知还可以使矩形框103c和圆形周边区域部103b之间的反射区域部103d反射率最高，圆形周边区域部103b反射率最低，圆形中心区域103a为中间的反射率。

[专利文献1]US6,804,380，B1

可是，考虑对由激光扫描仪取得的三维数据，通过结构绘制(texturemapping)等方法，合成由数码相机等取得的图像的情况。该情况下，需要使用激光扫描仪求出设置于测定对象物100的多个目标103的中心的三维坐标，进而根据与其对应的图像数据求出目标的中心的图像坐标。

即，在数码相机的情况下，使用圆形状的目标，通过矩量(moment)法等正确求出目标的中心的图像坐标。而在激光扫描仪的情况下，需要根据对目标进行扫描而取得的点群数据正确求出目标的中心的三维坐标。

发明内容

本发明的目的在于，提供在通过三维形状测定装置利用激光扫描仪检测基准位置时，适合于根据所拍摄的图像数据检测基准位置的目标和使用其的三维形状测定装置。

本发明的一个实施方式的目标被设置于测定对象物，用于得到点群数据的基准值，其特征在于，具有：被框包围且具有目标中心的小圆、和被所述框包围且与所述小圆的中心同心地包围所述小圆的大圆，所述框和所述大圆之间的反射区域部是反射率最低的低亮度反射区域部，所述大圆和所述小圆之间的圆形周边区域部是反射率最高的高亮度反射区域部，所述小圆内侧的圆形中心区域部是具有反射率比所述低亮度反射区域部的反射率高、比所述高亮度反射区域部的反射率低的中间反射率的中亮度反射区域部。

优选在所述小圆的目标中心的位置形成有具有与所述低亮度反射区域部的反射率同程度的反射率的标记。

优选在所述框的各边的中央形成有具有与所述中亮度反射区域部的反射率同程度的反射率的标记。

优选所述中亮度反射区域部在测距中使用。

本发明的一个实施方式的三维形状测定装置具有：向配置有所述目标的测定对象物射出脉冲激光的发光部；用于在水平方向扫描所述测定对象物的驱动部；用于在垂直方向扫描所述测定对象物的驱动部；通过所述水平方向及垂直方向的扫描计算出所述目标的中心坐标和到该目标的距离，并计算出技术方案1所述的目标的中心位置的三维坐标，并且根据计算出的该目标的中心位置的三维坐标，对通过扫描所述测定对象物而取得的点群数据进行合成处理的控制部；和所述测定对象物的拍摄用的图像受光部；所述控制部执行：利用所述脉冲激光扫描所述测定对象物的探索区域，根据包含从所述测定对象物的各点得到的反射激光、和从所述目标的各点得到的反射激光的点群数据，探索所述目标的目标探索处理步骤；根据由该目标探索处理步骤得到的点群数据，指定目标探索范围，根据通过扫描该目标探索范围而得到的点群数据，捕捉目标的概略位置的捕捉处理步骤；根据由该捕捉处理步骤得到的目标的概略位置，详细探索目标，取得点群数据的详细探索处理步骤；根据由该详细探索处理步骤得到的点群数据的反射激光的强度，提取出所述目标的高亮度区域部与低亮度区域部之间的边缘，利用椭圆近似处理求出该目标的中心坐标的中心坐标决定处理步骤；和测量到所述目标的距离的测距处理步骤。

优选所述控制部对通过所述详细探索处理步骤的处理而得到的点群数据的反射激光的强度值，设定多个阈值水平，使用对各阈值水平执行椭圆近似处理而得到的多个椭圆的中心坐标中偏差小的中心坐标，决定所述目标的中心坐标。

优选所述控制部在所述捕捉处理步骤中取得点群数据时，以规定的比率使来自所述测定对象物的反射激光衰减，再执行所述捕捉处理步骤，由此取得点群数据。

优选所述控制部在所述捕捉处理步骤中测量到所述目标的距离，根据测距结果，变更所述脉冲激光的聚束光(beam spot)直径，再执行所述捕捉处理步骤，由此取得点群数据。

优选所述控制部纵向扫描所述点群数据，执行所述边缘的提取。

优选所述控制部比较预先登录的目标的尺寸和由详细探索而得到的目标的尺寸，进行是否是目标的检查。

优选按照到测定对象物的距离，准备多个所使用的目标的尺寸。

优选具有图像受光部，控制部根据由所述图像受光部得到的图像和由点群数据得到的三维坐标，执行图像的中心位置和点群数据的中心位置的标定作业。

根据本发明的目标，可提供适合于通过三维形状测定装置利用激光扫描检测基准位置的情形、和根据拍摄到的图像数据检测基准位置的情形的目标。而且，能够不损害圆形中心区域部的中心坐标的测定精度地使目标成为紧凑的结构。并且，能在测距中使用圆形中心区域部。

而且，由于可将高亮度区域部的面积确保得大，且将与低亮度区域部的亮度差设定得大，所以能迅速进行使用三维形状测定装置的目标的探索。此外，即使在测定对象物上存在高亮度部位，也能识别。

并且，能够容易地进行目标的瞄准。

根据本发明的三维形状测定装置，能迅速进行目标的探索、目标的中心位置坐标的决定。此外，由于通过椭圆近似处理进行目标的中心坐标的决定，所以从斜向测定目标时，也能精度良好地决定其中心位置。

而且，能提高目标的中心坐标位置的取得精度。

并且，能提高目标的边缘区域的取得精度。

另外，能提高点群数据的取得精度的分辨率。此外，能缩短点群数据的扫描时间。

而且，能进行是否是目标的检查。

并且，能按照到测定对象物的距离，使用适当的目标。

根据由图像受光部得到的图像和由点群数据得到的三维坐标，进行图像的中心位置和点群数据的中心位置的标定，由此能进行图像计测、点计测的双方。

附图说明

图1是通过激光扫描仪对测定对象物进行计测的方法的一个例子的概略图。

图2是图1所示的设置于测定对象物的目标的一个例子的平面图。

图3是本发明的三维形状测定装置的概略构造的剖面图。

图4是用于对图3所示的旋转照射部的构造进行说明的剖面图。

图5是图3所示的控制部的框图。

图6是本发明的目标的一个例子的主要部分平面图。

图7是本发明的三维形状测定装置的处理的流程图。

图8是表示在显示部的画面显示了由目标探索处理取得的点群数据的状态的图。

图9是表示指定了目标的概略位置的状态的图。

图10是表示由图9的Target1附近的探索处理取得的点群数据的一个例子的图。

图11是表示根据图10的点群数据决定了的目标扫描范围的一个例子的图。

图12是表示由图11所示的目标扫描范围中的目标探索处理取得的点群数据的一个例子的图。

图13是表示根据图12的点群数据决定了的目标扫描范围的一个例子的图。

图14是表示通过详细探索而取得的点群数据的一个例子的图。

图15A是图15B所示的扫描线X方向的点群数据的反射强度值的分布图。

图15B是表示通过详细探索而取得的点群数据的图。

图16是表示图14所示的点群数据的扫描的一个例子的图。

图17是表示进行椭圆近似处理而取得的椭圆和其中心位置的一个例子的图。

具体实施方式

下面，说明本发明的维度形状测定用目标和使用其的三维形状测定装置。

实施例

[装置结构的概要]

首先，说明本发明的三维形状测定装置。

图3、图4表示了本发明的三维形状测定装置的剖面图。在图3、图4中，符号1是三维形状测定装置。三维形状测定装置1主要由校平部2、设置于校平部2的旋转机构部3、由旋转机构部3支撑并且由测距部4、摄像部5、控制部6等构成的测定装置主体部7、设置在测定装置主体部7的上部的旋转照射部8构成。另外，为了便于说明，图4表示在图3所示的剖面方向，从左侧方只观察旋转照射部8的状态。

[校平部2的结构]

校平部2具有底盘11、和下部箱体13。在底盘11上直立设置有销12。销12的上端部为曲面形状。销12的上端部倾动自由地嵌合于在下部箱体13的底面形成的凹部。在下部箱体13的其他2处贯通旋装有调整螺钉14。在调整螺钉14的下端部固定有腿构件15。腿构件15的下端形成为前端尖锐或曲面，与底盘11抵接。在调整螺钉14的上端部嵌装有校平从动齿轮16。下部箱体13由销12和2个调整螺钉14以3点支撑在底盘11上。下部箱体13能够以销12的顶端为支点而倾动。另外，在底盘11与下部箱体13之间，为了使底盘11和下部箱体13不彼此远离，设置有拉伸弹簧19。

在下部箱体13的内部设置有2个校平马达17。在校平马达17的输出轴上嵌装有校平驱动齿轮18。校平驱动齿轮18与校平从动齿轮16啮合。两个校平马达17由控制部6相互独立驱动。通过校平马达17的驱动，借助校平驱动齿轮18、校平从动齿轮16使调整螺钉14旋转，对调整螺钉14向下方的突出量进行调整。此外，在下部箱体13的内部设置有倾斜传感器56(参照图5)。根据倾斜传感器56的检测信号驱动2个校平马达17，由此来执行校平。

[旋转机构部3的结构]

下部箱体13兼任旋转机构部3的箱体。在下部箱体13的内部设置有水平转动马达20。在水平转动马达20的输出轴嵌装有水平转动驱动齿轮21。在下部箱体13的上部，借助轴承构件22设置有旋转底盘23。在旋转底盘23的中央部设置有向下方突出的旋转轴部24。在旋转轴部24上设置有水平转动齿轮25。水平转动驱动齿轮21与水平转动齿轮25啮合。

而且，在旋转轴部24上作为水平角检测器26，例如设置有编码器。利用该水平角检测器26检测旋转轴部24相对下部箱体13的相对旋转角。检测出的相对旋转角(水平角)被输入给控制部6，控制部6根据该检测结果控制水平转动马达20。

[测定装置主体部7的结构]

测定装置主体部7具有主体部箱体27。主体部箱体27被固定在旋转底盘23上。在主体部箱体27的内部设置有镜筒28。镜筒28具有与主体部箱体27的旋转中心同心的旋转中心。镜筒28的旋转中心与镜筒28的光轴32一致。镜筒28通过各种安装方法被安装于主体部箱体27。例如，在镜筒28的上端部形成凸缘部29，将该凸缘部29螺栓固定在主体部箱体27的顶部。在镜筒28的内部设置有作为光束分离部的光束分离器74。光束分离器74具有透过可见光并且反射红外光的功能。通过该光束分离器74，光轴32被分离为光轴38和光轴38’。

在镜筒28的外周部设置有测距部4。测距部4具有作为发光部的脉冲激光光源31。在脉冲激光光源31和光束分离器74之间配置有开孔镜33、变更激光的射束腰部直径的射束腰部变更光学系统33’。这些脉冲激光光源31、射束腰部变更光学系统33’、开孔镜33构成了测距光源部。测距光源部的光轴与光轴38一致。开孔镜33具有将脉冲激光通过孔部33a引导到光束分离器74，使从后述的目标反射回来、被光束分离器74反射的反射激光朝向测距受光部39反射的作用。射束腰部变更光学系统33’具有变更激光的射束腰部直径的作用，例如由凸透镜和孔径光阑、或者凸透镜和凹透镜、或焦距彼此不同的凸透镜构成。

脉冲激光光源31例如由半导体激光器构成。脉冲激光光源31根据控制部6的控制，在规定的定时发出红外脉冲激光。红外脉冲激光通过射束腰部变更光学系统33’、开孔镜33的孔部33a，被引导到光束分离器74。红外脉冲激光由光束分离器74向高低角用转动镜35反射。高低角用转动镜35具有将从脉冲激光光源31发出的红外脉冲激光向测定对象物100(参照图1)反射的作用。高低角用转动镜35还起到将在垂直方向延伸的光轴32变换为沿水平方向延伸的投光光轴36的作用。在光束分离器74和高低角用转动镜35之间的镜筒28的内部配置有聚光透镜34。

来自后述的目标的反射激光经过高低角用转动镜35、聚光透镜34、光束分离器74、开孔镜33被引导到测距受光部39。另外，参照光也通过内部参照光路被引导到测距受光部39。根据直到反射激光被测距受光部39受光的时间、与直到参照光通过内部参照光路被测距受光部39受光的时间差，可测定从三维形状测定装置1到测定对象物100的距离。

为了提高从三维形状测定装置1到测定对象物100的距离的精度，测距部4中在开孔镜33与测距受光部39之间设置有衰减器39’。衰减器39’能使用公知的结构，例如由转盘39”和在该转盘39”的外周部沿圆周方向隔开适当间隔设置的浓度彼此不同的滤光器构成。该衰减器39’用于降低因反射光量的饱和而引起的测定误差。

镜筒28内，以光束分离器74为边界在与聚光透镜34相反一侧设置有摄像部5。摄像部5具有图像受光部43。图像受光部43被设置在镜筒28的底部。图像受光部43由将多个像素集合排列为平面状的器件、例如CCD构成。图像受光部43的各像素的位置由光轴38’确定。例如，将光轴38’作为原点、假定X-Y坐标，作为该X-Y坐标的点，定义了像素的位置。

[旋转照射部8的结构]

在主体部箱体27的上部设置有投光箱体41。该投光箱体41的周壁的一部分成为投光窗42。旋转照射部8被收纳在投光箱体41的内部。如图4所示，在凸缘部29上对置设置有一对镜保持板47。在镜保持板47上架设有转动轴48。高低角用转动镜35被固定在转动轴48上。在转动轴48的一端部嵌装有高低角齿轮51。在转动轴48的另一端侧设置有高低角检测器52。高低角检测器52检测高低角用转动镜35的转动角，并将检测结果向控制部6输出。

在镜保持板47的一方安装有高低角用驱动马达53。在高低角用驱动马达53的输出轴嵌装有驱动齿轮54。驱动齿轮54与高低角齿轮51啮合。通过基于高低角检测器52的检测结果的控制部6的控制，可恰当驱动高低角用驱动马达53。

在投光箱体41的上部设置有瞄准器/瞄准门46。该瞄准器/瞄准门46用于概略瞄准目标。使用该瞄准器/瞄准门46的瞄准方向是与光轴37延伸的方向及转动轴48延伸的方向正交的方向。

[控制部6的模块电路结构]

如图5所示，控制部6被输入来自水平角检测器26、高低角检测器52、倾斜传感器56的检测信号。而且，控制部6被输入来自操作部57的操作指示信号。作业者通过对操作部57进行操作，可对控制部6输入三维形状测定装置1开始测定所必要的条件和其他指令等。另外，操作部57也可以设置在主体部箱体27的内部。此外，操作部57也可以与主体部箱体27独立设置，成为通过无线、有线等信号传递介质，对控制部6发送远程操作指令的结构。控制部6驱动控制水平角用驱动马达20、高低角用驱动马达53、校平马达17，并且驱动控制对作业状况、测定结果等进行显示的显示部58。控制部6上可连接/分离地设置有存储卡、HDD等外部存储装置59。

控制部6具有：由CPU构成的运算部61；存储为了进行测距、高低角的检测、水平角的检测所必要的序列程序、运算程序、执行测定数据的处理的测定数据处理程序、进行图像处理的图像处理程序、用于使显示部58显示数据的图像显示程序等各种程序、用于集中管理这些各种程序的集中管理程序等，并且存储测定数据、图像数据等各种数据的存储部62；用于驱动控制水平角用转动马达20的水平驱动部63；用于驱动控制高低角用驱动马达53的高低驱动部64；用于驱动控制校平马达17的校平驱动部65；用于处理由测距部4取得的距离数据的距离数据处理部66；和处理由摄像部5取得的图像数据的图像数据处理部67等。

[目标的结构]

图6是表示三维形状测定用的目标的主要部分的平面图。在图6中，符号110表示三维形状测定用的目标。目标110在外侧具有矩形框110a。以矩形框110a的对角线的交点Q为中心，设置有小圆110b。小圆110b被大圆110c包围。大圆110c的中心与小圆110b一致。大圆110c被矩形框110a包围。大圆110c和矩形框110a之间的反射区域部被设为反射率最低的低亮度反射区域部110d。低亮度反射区域部110d的颜色例如是黑色。

小圆110b和大圆110c之间的圆形周边区域部被设为反射率最高的高亮度反射区域部110e。高亮度反射区域部110e例如由反射材料构成，由当被照射脉冲红外激光时发亮的材料构成。

由小圆110b包围的圆形中心区域部，被设为具有反射率为低亮度反射区域部110d的反射率与高亮度反射区域部110e的反射率之间的反射率的中亮度反射区域部110f。该中亮度反射区域部110f的颜色例如是白色。在中亮度反射区域部110f的中心位置形成有具有与低亮度反射区域部110d的反射率同程度的反射率的十字标记110g。该标记110g的颜色例如是黑色。

在矩形框110a的各边的中央形成有具有与中亮度反射区域部110f的反射率同程度的反射率的标记110h。标记110h的颜色例如是白色。标记110g在近似从正面瞄准目标时使用，标记110h在从倾斜方向瞄准目标110时使用。

对于这些区域部的反射率的程度而言，例如若设低亮度反射区域部110d的反射率水平为“1”，则中亮度反射区域部110f的反射率水平为“100”，高亮度反射区域部110e的反射率水平为“1000”。

该目标110被固定在测定对象物100而使用。即使测定对象物100上存在反射率高的地方，由于低亮度反射区域部110d和高亮度反射区域部110e的差大，所以能容易提取出高亮度反射区域部110e。中亮度反射区域部110f在测距时使用。该中亮度反射区域部110f起到对测距反射光的饱和进行抑制的作用。

[目标110的探索方法]

作为取得目标110的概略位置的方法，有：a)使用瞄准器/瞄准门46，直接瞄准目标110的方法；b)设定目标110的探索范围，利用红外脉冲激光进行目标110的概略探索，使用通过概略探索而取得的探索数据，指定目标110的概略位置的方法；c)设定目标110的探索范围，在该探索范围内进行拍摄，根据由该拍摄而取得的图像数据，指定目标110的概略位置的方法。

三维形状测定装置1根据这些中任意方法，都能取得目标110的概略位置，但是这里参照图7所示的流程图，对使用了b的方法的情形进行说明。

步骤S.1(目标探索区域的设定)

这里，为了便于说明，参照图1，并代替图1所示的以往的目标103，而在测定对象物100上设置本发明的目标110。

操作部57例如利用鼠标指定探索区域。例如，指定图1的探索区域E1。

步骤S.2(扫描间距的设定)

利用操作部57指定用于探索的扫描间距。针对水平方向和垂直方向，分别指定该扫描间距。根据三维形状测定装置1与目标110的距离，来决定扫描间距的间距间隔。此外，在扫描间距的设定中考虑红外脉冲激光的射束腰部直径。

步骤S.3(执行目标探索)

在由步骤S.1中指定的探索区域内进行红外脉冲激光的扫描，执行目标的探索。通过重复在纵向(垂直方向)扫描之后，在横向(水平方向)实施扫描，来进行该目标的探索。

通过使高低角用转动镜35转动，来执行纵向的扫描，通过使主体部箱体27在水平方向转动，来执行横向的扫描。红外脉冲激光在1秒中射出几千到几万发。射出的红外脉冲激光被测定对象物100的各点反射而返回到三维形状测定装置1。从测定对象物100的各点反射的红外脉冲激光(以下称作反射光)由测距受光部39接收。测距受光部39向控制部6输出该受光输出。由于利用高低角检测器52求出高低角用转动镜35的高低角，利用水平角检测器26求出主体部箱体27的水平角，所以能使水平角、高低角与测距受光部39的受光输出一一对应地建立关联。控制部6根据来自测距受光部39的受光输出，生成与反射光的强度对应的点群数据。

该点群数据如图8所示，按照反射光的强度被赋予颜色，显示在显示部58的画面上。例如，反射光的强度最强的点用红色(在图中，为了便于说明为白色)，反射光的强度最弱的点用蓝色(在图中，为了便于说明为黑色)，具有反射光的强度最强的颜色与反射光的强度最弱的点之间的反射光强度的点用黄色(在图中，为了便于说明为白色与黑色中间的灰色)表示。另外，在图8中，黑框111表示目标的探索区。

步骤S.4(指定目标110的概略中心位置)

接着，操作部57例如通过鼠标，使光标移动到反射强度最强的地方，如图9所示，指定目标110的概略中心位置。进行多个该目标110的概略中心位置的指定。这里，指定13个目标110的概略中心位置，按指定顺序赋予连续编号(Target1、Target2、…、Target13)。

步骤S.5(开始目标的探索)

接着，对操作部57进行操作，开始目标的探索。

步骤S.6(执行目标的粗探索：目标捕捉处理)

目标的粗探索的执行例如按照目标110的指定顺序进行。由于控制部6在被指定的目标110的概略位置的附近探索目标110，所以，以微小角度间距使高低角用转动镜35转动。水平方向的转动角度的间距在这里与目标探索执行时的间距相同。

图10表示了通过步骤S.6的目标探索的执行而取得的点群数据。在该图10中，表示了相对于所指定的目标110的概略中心位置，目标110的中心位置偏移的状态。

步骤S.7(目标探索范围检查：目标捕捉处理)

接着，控制部6设定所取得的所有点群数据的反射强度值的50％的阈值。控制部6从步骤S.6中得到的全部点群数据中提取出反射强度值为阈值(50％)以上的点群数据，计算出由反射强度值为阈值(50％)以上的点群数据构成的矩形区域。例如如图11所示那样，取得包含反射强度值为阈值(50％)以上的点群数据的矩形区域112a。在图11中，黑框112表示该矩形区域112a的外形轮廓线。

控制部6返回到步骤S.6，在比上次的目标粗探索窄的区域中指定的黑框112内，再次执行目标粗探索。由此，得到图12所示的点群数据。接着，控制部6设定该第二次得到的全部点群数据的反射强度值的50％的阈值。然后，控制部6提取出图12所示的全部点群数据的反射强度值为阈值(50％)以上的点群数据，计算出由反射强度值为阈值(50％)以上的点群数据构成的矩形区域113a。这样，如图13所示那样得到包含反射强度值为阈值(50％)以上的阈值的点群数据的矩形区域113a。在图13中，符号113表示该矩形区域113a的外形轮廓线。通过重复该处理，包含反射强度值为阈值(50％)以上的点群数据的矩形区域113a收敛为一定状态，不发生变化。由此，作为目标110的范围缩小的结束，控制部6转移到步骤S.8。另外，能恰当设定是否没有矩形区域113a的变化的判定。

步骤S.8(反射强度值的检查：目标捕捉处理)

接着，控制部6判断点群数据的反射强度值的最大值是否为三维形状测定装置1能检测的水平以上，即是否为饱和水平以上(是否发生晕影)。在点群数据的反射强度值的最大值为饱和水平以上时，控制部6驱动衰减器39’，使由测距受光部39接收的受光光量的水平衰减。然后，控制部6回到步骤S.6，执行步骤S.6、步骤S.7。

步骤S.9(平均距离检查：目标捕捉处理)

在判断为点群数据的反射强度的最大值低于饱和水平时，控制部6使用目标110的黑区域和其周边的区域(粗扫描的区域中反射强度低的地方)，计算出从三维形状测定装置1到目标110的平均距离。控制部6根据计算出的平均距离，驱动控制射束腰部变更光学系统33’，将红外脉冲激光的束径设定为适当的尺寸。接着，控制部6再度执行步骤S.6到步骤S.9的处理。由此，可通过三维形状测定装置1适当捕捉目标110。

步骤S.10(目标详细探索处理)

控制部6在执行步骤S.6到步骤S.9的处理之后，转移到目标详细探索。在纵向(铅垂角方向)以基于最小的扫描间距的扫描进行目标详细探索。横向(水平方向)的扫描间距例如以与粗探索同样的扫描间距进行。由于水平方向的转动使主体部箱体27转动，所以需要花费时间。图14是这样取得的目标详细探索的点群数据。

步骤S.11(中心坐标决定处理)

控制部6使用如图15B所示那样取得的点群数据，执行椭圆近似处理。控制部6首先如图15A所示，将全部点群数据的反射强度中最小～最大水平进行10分割，设定10％～90％的阈值。接着，如图16所示，在纵向扫描点群数据，检测作为目标110的低亮度反射区域部110d与高亮度反射区域部110e的边界区域的边缘(轮廓线)。使用纵向的点群数据是因为该点群数据的个数比横向多很多。即，通过在纵向扫描点群数据，能提高边缘的检测的分辨率。在图16中，符号114表示由纵向的扫描得到的边缘的各点。

接着，控制部6根据边缘的各点，进行椭圆近似处理。椭圆近似处理中使用以下的一般式。

[数学式1]

$\frac{{((x-x_0)\cos \mathrm{\φ}+(y-y_0)\sin \mathrm{\φ})}^2}{a^2}+$

$\frac{{((x-x_0)\sin \mathrm{\φ}-(y-y_0)\cos \mathrm{\φ})}^2}{b^2}-1=0$

这里，符号φ是相对于通过椭圆中心(x0，y0)的长径方向线，各点所成的角度。该一般式可改写为以下的线性形式。

[数学式2]

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+1＝0

这里，x是水平角(H)，y是铅垂角(V)。控制部6使用最小二乘法，计算出A～E各参数系数。

控制部6接着用以下的公式求出椭圆115的中心。图17表示以阈值水平Th＝10％进行椭圆近似处理而取得的椭圆115、和其中心位置。

[数学式3]

$x_0=\frac{\mathrm{BE}-2\mathrm{CD}}{4\mathrm{AC}-B^2}$

$y_0=\frac{\mathrm{BD}-2\mathrm{AE}}{4\mathrm{AC}-B^2}$

从Th＝阈值水平20％～阈值水平90％，离散地重复这样的椭圆近似处理。由此，如图15A所示，计算出9个中心位置115a～115i。根据Th＝阈值水平的不同，椭圆的中心位置会变动，但如图15A所示，存在中心位置的偏差小的阈值水平Th的范围。使用该中心位置的偏差小的阈值水平Th，最终决定目标110的中心位置坐标。这里，使用中心位置的偏差小的阈值水平Th＝30％～70％的阈值的中心位置，决定中心位置坐标。

步骤S.12(目标110的尺寸检查)

预先在存储部62中登录所使用的目标的尺寸(直径)。控制部6在决定了椭圆115的中心位置之后，计算出目标110的尺寸(直径)。控制部6比较所登录的目标110的尺寸和计算出的目标的尺寸，在所登录的目标110的尺寸和计算出的目标的尺寸不在规定范围中时，重复步骤S.6～步骤S.12的处理。另外，把计算出的中心位置、椭圆的长径、短径代入到规定的数学公式，求出目标的直径的尺寸(直径)。由此，能检查捕捉到的目标的真伪。

步骤S.13(测距处理)

接着，控制部6驱动控制衰减器39’，以使红外脉冲光的反射光量的强度变得恰当。然后，控制部6根据测距受光部39的受光输出，执行多次测距，取得多个测距数据。由于目标110的中亮度反射区域部110f比高亮度反射区域部110e的亮度低，所以反射光量小，能得到精度良好的测距值。

目标110的中心位置的水平角(H)、铅垂角(V)、距离D由控制部6变换为公共测量用的三维坐标，保存到存储部62中。

步骤S.14(判断有无下一个目标的中心位置取得处理的执行继续)

如果针对目标编号001结束了步骤S.14的处理，则控制部6回到步骤S.6，针对目标编号002，执行从步骤S.6到步骤S.14的处理。控制部6针对全部的目标110，执行这些从步骤S.6到步骤S.14的处理，计算出全部目标110的中心位置的水平角(H)、铅垂角(V)、距离D，并将其变换为公共测量用的三维坐标，存储到存储部62。

步骤S.15(正式扫描的执行)

接着，控制部6针对测定对象物的探索区域E1执行正式扫描。由此，取得多个点群数据。以目标110的中心位置为基准位置，对这些取得的点群数据进行数据变换。

步骤S.16(合成处理)

控制部6针对剩下的各扫描区域，执行这些目标探索处理、正式扫描。接着，如果这些目标探索扫描、正式扫描的执行结束，则控制部6以目标110的中心位置为基准位置，对测定对象物100的各点群数据执行合成处理。通过这一系列的处理，可得到与测定对象物100的三维形状对应的坐标值。由于这些步骤S.15、S.16的处理已公知，所以省略详细的说明。

该三维形状测定装置1可根据由图像受光部43取得的图像和由点群数据得到的三维坐标，进行图像的中心位置和点群数据的中心位置的标定作业。

这里，由于目标110的大圆110c和小圆110b之间是反射率最高的高亮度反射区域部110e，所以通过探索，能容易求出目标110的概略位置。

而且，当利用三维形状测定装置指定目标的概略位置时，由于可使用：利用瞄准器/瞄准门46直接瞄准，指定目标110的概略位置的方法；使用基于探索扫描的画面上的点群数据，指定目标110的方法；将由图像受光部43拍摄的数字图像在进行图像处理之后，显示到画面上，使用在画面上显示的图像，指定目标的概略位置的方法中任意一个，所以，操作性提高。

以上，根据附图，详细描述了本发明的实施例，但实施例只不过是本发明的例示，本发明并不只由实施例的结构限定。因此，不脱离本发明宗旨的范围的设计变更等，当然也包含在本发明中。

Claims (12)

1.一种目标，设置于测定对象物，用于得到点群数据的基准值，其特征在于，

具有：被框包围且具有目标中心的小圆、和被所述框包围且与所述小圆的中心同心地包围所述小圆的大圆，所述框和所述大圆之间的反射区域部是反射率最低的低亮度反射区域部，所述大圆和所述小圆之间的圆形周边区域部是反射率最高的高亮度反射区域部，所述小圆内侧的圆形中心区域部是具有反射率比所述低亮度反射区域部的反射率高、比所述高亮度反射区域部的反射率低的中间反射率的中亮度反射区域部。

2.根据权利要求1所述的目标，其特征在于，

在所述小圆的目标中心的位置形成有具有与所述低亮度反射区域部的反射率同程度的反射率的标记。

3.根据权利要求2所述的目标，其特征在于，

在所述框的各边的中央形成有具有与所述中亮度反射区域部的反射率同程度的反射率的标记。

4.根据权利要求3所述的目标，其特征在于，

所述中亮度反射区域部在测距中使用。

5.一种三维形状测定装置，其特征在于，具有：向配置有权利要求1所述的目标的测定对象物射出脉冲激光的发光部；用于在水平方向扫描所述测定对象物的驱动部；用于在垂直方向扫描所述测定对象物的驱动部；通过所述水平方向及垂直方向的扫描计算出权利要求1所述的目标的中心坐标和到该目标的距离，并计算出权利要求1所述的目标的中心位置的三维坐标，并且根据计算出的该目标的中心位置的三维坐标，对通过扫描所述测定对象物而得到的点群数据进行合成处理的控制部；和所述测定对象物的拍摄用的图像受光部；

所述控制部执行：利用所述脉冲激光扫描所述测定对象物的探索区域，根据包含从所述测定对象物的各点得到的反射激光、从权利要求1所述的目标的各点得到的反射激光的点群数据，探索权利要求1所述的目标的目标探索处理步骤；根据由该目标探索处理步骤得到的点群数据，指定目标探索范围，根据通过扫描该目标探索范围而得到的点群数据，捕捉目标的概略位置的捕捉处理步骤；根据由该捕捉处理步骤得到的目标的概略位置，详细探索目标，取得点群数据的详细探索处理步骤；根据由该详细探索处理步骤得到的点群数据的反射激光的强度，提取出权利要求1所述的目标的高亮度区域部与低亮度区域部之间的边缘，利用椭圆近似处理求出该目标的中心坐标的中心坐标决定处理步骤；和测量到所述目标的距离的测距处理步骤。

6.根据权利要求5所述的三维形状测定装置，其特征在于，

所述控制部对通过所述详细探索处理步骤的处理而得到的点群数据的反射激光的强度值，设定多个阈值水平，使用对各阈值水平执行椭圆近似处理而得到的多个椭圆的中心坐标中偏差小的中心坐标，决定所述目标的中心坐标。

7.根据权利要求6所述的三维形状测定装置，其特征在于，

所述控制部在所述捕捉处理步骤中取得点群数据时，以规定的比率使来自所述测定对象物的反射激光衰减，再执行所述捕捉处理步骤，由此取得点群数据。

8.根据权利要求7所述的三维形状测定装置，其特征在于，

所述控制部在所述捕捉处理步骤中测量到所述目标的距离，根据测距结果，变更所述脉冲激光的聚束光直径，再执行所述捕捉处理步骤，由此取得点群数据。

9.根据权利要求8所述的三维形状测定装置，其特征在于，

所述控制部纵向扫描所述点群数据，执行所述边缘的提取。

10.根据权利要求9所述的三维形状测定装置，其特征在于，

所述控制部比较预先登录的目标的尺寸和由详细探索得到的目标的尺寸，进行是否是目标的检查。

11.根据权利要求10所述的三维形状测定装置，其特征在于，

按照到测定对象物的距离，准备多个所使用的目标的尺寸。

12.根据权利要求11所述的三维形状测定装置，其特征在于，

具有图像受光部，控制部根据由所述图像受光部得到的图像和由点群数据得到的三维坐标，执行图像的中心位置和点群数据的中心位置的标定作业。

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