CN108474653B - 三维计测装置及其计测辅助处理方法 - Google Patents

三维计测装置及其计测辅助处理方法 Download PDF

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Abstract

在三维计测装置中，计测装置主体计算距离传感器的位置和方向。并且，计测装置主体决定下次应使距离传感器移动到的位置和方向的候选即移动候选。另外，计测装置主体取得在移动候选中能够由距离传感器观测的特征即移动候选内特征，使用移动候选内特征评价移动候选的映射的稳定性。进而，计测装置主体根据评价结果对使用者提示距离传感器的移动方向和移动速度中的至少任意一方。

Description

三维计测装置及其计测辅助处理方法
技术领域
本发明涉及三维计测装置及其计测辅助处理方法，计测例如生产现场和电梯井道等三维空间的尺寸并生成三维图。
背景技术
在例如生产现场和电梯井道等中需要计测作为三维空间的作业环境的尺寸，以便进行设备的安装或者维护。但是，通过人手很难计测三维空间，忘记计测一部分部位或一部分计测值错误的情况时有发生。在这种情况下，将发生设计的修正或者部件的再加工等，导致作业的延迟。
另外，在对象物件是顾客的物件的情况下，为了进行尺寸的再计测，必须再次委托顾客现场停止(停止生产或者停止电梯的运转等)。
针对此情况，通过简单地计测(扫描)三维空间的形状并保存其三维形状，从而要求任何时候都能计测全部部位的尺寸，并且能够进行模拟的安装验证。
作为三维空间的形状取得方法之一，有使用3D(three-dimensional：三维)传感器手动扫描的方法。在这种情况下，从多个计测数据分别提取特征。然后，对计测数据进行定位使得在计测数据之间共同观测到的特征重叠，从而生成(更新)三维图。将这样的数据的定位处理称作映射。
在现有的图像处理装置中，在控制部设有三维图生成部。三维图生成部使摄像机移动，根据在2个地点拍摄到的2张二维图像生成局部的三维图。并且，控制部使摄像机从导轨上的各地点进行拍摄，根据得到的图像生成并存储整体的三维图。另外，控制部根据存储着的整体的三维图导出可看到任意摄像对象地点的地点。然后，在导出的地点附近使摄像机10进行拍摄直到能够生成包含摄像对象地点的三维图为止，生成该部分的三维图，取得摄像对象地点的三维图(例如，参照专利文献1)。
另外，在现有的自身位置估计方法中，检测由搭载于移动体的摄像装置拍摄到的图像中的特征点，并且根据与移动体的移动相伴的图像上的特征点的变化，检测移动体周围的物体的位置，由此估计自身位置。此时，当移动体未在此地旋转的情况下，设摄像装置的摄像方向为初始方向。并且，当移动体在此地旋转的情况下，设摄像装置的摄像方向为能够拍摄位于在移动体旋转之前取得的图像中的特征点的至少一部分的朝向。由此，能够减小丢失特征点的可能性，从而持续地实施自身位置估计(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-155056号公报
专利文献2：日本专利第5310285号公报
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1所示的现有的图像处理装置中，在摄像机移动之后进行映射的稳定性评价，必须通过试行错误来决定最佳的视点。
另外，在专利文献2所示的现有的自身位置估计方法中，由于没有评价映射的稳定性，因而精度有可能根据传感器路径而下降。
本发明正是为了解决如上所述的问题而完成的，其目的在于，得到能够更顺利地且高精度地生成三维图的三维计测装置及其计测辅助处理方法。
用于解决问题的手段
本发明的三维计测装置具有：距离传感器，其能够取得到计测对象的距离的计测数据作为三维空间中的点的集合；以及计测装置主体，其从由距离传感器取得的多个计测数据提取特征，并使提取出的特征重合来生成三维图，计测装置主体计算距离传感器的位置和方向，决定下次应使距离传感器移动到的位置和方向的候选即移动候选，取得在移动候选中能够由距离传感器观测的特征即移动候选内特征，使用移动候选内特征评价移动候选的映射的稳定性，根据评价结果对使用者提示距离传感器的移动方向和移动速度中的至少任意一方。
并且，本发明的三维计测装置的计测辅助处理方法是通过三维计测装置的计测装置主体辅助三维计测的处理方法，该三维计测装置具有：距离传感器，其能够取得到计测对象的距离的计测数据作为三维空间中的点的集合；以及计测装置主体，其从由所述距离传感器取得的多个计测数据提取特征，并使提取出的所述特征重合来生成三维图，所述计测辅助处理方法包含以下步骤：计算距离传感器的位置和方向；决定下次应使距离传感器移动到的位置和方向的候选即移动候选；取得在移动候选中能够由距离传感器观测的特征即移动候选内特征；使用移动候选内特征评价移动候选的映射的稳定性；以及根据评价结果对使用者提示距离传感器的移动方向和移动速度中的至少任意一方。
发明效果
本发明的三维计测装置及其计测辅助处理方法根据映射的稳定性的评价结果，对使用者提示距离传感器的移动方向和移动速度中的至少任意一方，因而能够更顺利地且高精度地生成三维图。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的三维计测装置的框图。
图2是示出使用者利用实施方式1的三维计测装置扫描计测对象并生成三维图的状态的俯视图。
图3是从使用者的后方观察图2的作业状态的图。
图4是示出图1的特征提取部提取形状特征的提取方法的例子的说明图。
图5是并列示出由图1的特征提取部得到的第1特征点群和第2特征点群的说明图。
图6是示出将图5的第1特征点群和第2特征点群的共同部分重叠后的状态的说明图。
图7是示出将第3特征点群和第4特征点群的共同部分与图6的第1特征点群和第2特征点群重叠后的状态的说明图。
图8是示出预测误差较小时的映射结果的一例的说明图。
图9是示出预测误差较大时的映射结果的一例的说明图。
图10是示出图1的输出部输出到显示装置的显示内容的一例的说明图。
图11是示出与图10的三维图显示区域对应的映射作业的状态的说明图。
图12是示出由图1的输出部显示于显示装置的电梯井道的水平截面的一例的说明图。
图13是示出由图1的输出部显示于显示装置的电梯井道的垂直截面的一例的说明图。
图14是示出图1的计测装置主体的动作的流程图。
图15是示出本发明的实施方式2的三维计测装置的框图。
图16是示出图15的特征提取部提取视觉特征的提取方法的例子的说明图。
图17是示出本发明的实施方式3的三维计测装置的主视图。
图18是示出图17的三维计测装置的后视图。
图19是示出本发明的实施方式4的三维计测装置的框图。
图20是示出图19的计测装置主体的动作的流程图。
图21是示出本发明的实施方式5的三维计测装置的框图。
图22是示出图21的计测装置主体的动作的流程图。
图23是示出本发明的实施方式6的三维计测装置的框图。
图24是示出图23的计测装置主体的动作的流程图。
图25是示出使用实施方式1～6的三维计测装置生成电梯井道的底坑内的三维图的状态的俯视图。
图26是示出将实施方式1～6的三维计测装置搭载于移动机器人的状态的立体图。
具体实施方式
下面，参照附图说明用于实施本发明的方式。
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1的三维计测装置的框图。图中，三维计测装置具有计测装置主体1和与计测装置主体1连接的距离传感器2。
距离传感器2是能够取得到计测对象的距离的计测数据即距离数据作为三维空间中的点的集合(三维点群)的传感器。作为距离的计测方式，例如能够利用ToF(Time ofFlight：飞行时间)方式、或者利用基于使用投影仪和摄像机的系统的图案投光的主动立体方式等各种方式。
并且，距离传感器2既可以由使用者用手保持着手动地移动，也可以设置到台车等而通过使台车移动来进行计测。关于距离的测定，既可以在使用者输入指令的时刻进行，也可以每隔预先设定的时间间隔而自动地进行。
计测装置主体1能够由具有运算处理部(CPU)、存储部(ROM、RAM和硬盘等)以及信号输入输出部的计算机构成。计测装置主体1的功能通过计算机来实现。即，在计算机的存储部存储有用于实现计测装置主体1的功能的程序。并且，作为构成计测装置主体1的计算机，例如能够使用平板PC(板状个人计算机)。
在此，图2是示出使用者利用实施方式1的三维计测装置扫描计测对象并生成三维图的状态的俯视图，图3是从使用者的后方观察图2的作业的状态的图。如图2、图3所示，在使用平板PC作为计测装置主体1并将距离传感器2固定于计测装置主体1的情况下，使用者能够用手保持着三维计测装置进行移动或旋转。即，能够应对平移和旋转的6个自由度。
作为功能块，计测装置主体1具有特征提取部11、映射部12、存储部13、移动候选决定部14、登记特征取得部15、映射评价部16以及输出部17。
特征提取部11根据由距离传感器2得到的多个计测数据，提取计测对象的特征。提取的特征包含有形状特征和所谓的图元(primitive)。形状特征包含有例如棱线等直线、顶点等点、直线的方向以及面的法线等。另外，图元包含有例如圆、四方形以及球等。
作为特征提取方法，顶点的提取能够使用例如曲率计算法。另外，棱线的提取能够使用例如霍夫变换法。另外，图元的提取能够使用例如利用3D模型的模型匹配法。
图4是示出图1的特征提取部11提取形状特征的提取方法的例子的说明图。例如，在利用距离传感器2计测长方体时，能够得到图4所示的三维点群21作为计测数据。通过对该三维点群21进行图元拟合来提取多个平面21a。并且，通过同样的图元拟合还能够提取球等。
另外，通过对三维点群21检测周围的梯度变化急剧的点，并检测连接这些点而成的直线，能够提取多个棱线21b。另外，根据关注点周围的曲率较高或者棱线的交点等的信息，能够提取多个顶点21c。
映射部12使用提取出的特征，对在不同的计测数据之间共同观测到的特征进行重合来进行计测数据的定位，由此进行三维图的生成和更新。
并且，映射部12根据定位结果计算取得数据时的距离传感器2的位置和方向(下面称作传感器位置方向)。另外，映射部12对存储部13进行三维图信息、传感器位置信息以及传感器方向信息的追加和更新。存储部13存储从映射部12得到的信息。
作为具体的映射方法的一例，映射部12首先选择至少2个计测数据即3D数据。接着，从选择出的3D数据提取特征。此时，根据提取什么样的特征来使用，在重合计算时能够得到不同的约束条件。
然后，映射部12在3D数据之间将特征对应起来。即，寻找共同的特征。然后，进行坐标变换以使3D数据之间的特征重叠。例如，以移动前的3D数据为基准对移动后的3D数据进行坐标变换，以使移动后的3D数据中的特征与移动前的3D数据中的特征重叠。
在这种情况下，能够得到距离传感器2的移动后相对于移动前的相对位置姿势关系。在安装时，计算坐标变换用的变换矩阵即由距离传感器2的相对位置姿势信息构成的矩阵。变换矩阵的计算使用点(2D、3D均可)、线(2D、3D)以及面(3D)等特征中的至少一种特征。
图5是并列示出由图1的特征提取部11得到的第1特征点群t1和第2特征点群t2的说明图，图6是示出将图5的第1特征点群t1和第2特征点群t2的共同部分重叠后的状态的说明图，图7是示出将第3特征点群和第4特征点群的共同部分与图6的第1特征点群t1和第2特征点群t2重叠后的状态的说明图。
映射部12对第1计测数据中包含的第1特征点群t1和第2计测数据中包含的第2特征点群t2进行比较，检测两者的共同部分。然后，变换第2计测数据的坐标使得共同部分(图6的虚线内)重叠。
然后，映射部12将第3计测数据中包含的第3特征点群t3与特征点群t1、t2进行比较并检测共同部分，变换第3计测数据的坐标使得共同部分重叠。接着，将第4计测数据中包含的第4特征点群t4与特征点群t1、t2、t3进行比较并检测共同部分，变换第4计测数据的坐标使得共同部分重叠。反复进行这样的处理，生成三维图。
移动候选决定部14决定下次应使距离传感器2移动到的位置和方向的候选即移动候选。移动候选可以仅是1个，也可以是2个以上。并且，位置的移动候选还可以是当前位置。
另外，还可以设例如上下左右平移10cm且每次旋转10度地移动后的4个方向等相对于当前的传感器位置方向相对地移动固定的位置和方向后的地点为移动候选。另外，作为移动候选，还可以手动输入移动的位置和方向。并且，还可以根据到当前位置的距离传感器2的移动轨迹，预测距离传感器2下次移动的位置和方向，将预测出的位置和方向作为移动候选。
登记特征取得部15取得三维图内登记的特征中的、被估计为在移动候选中距离传感器2能够观测的特征即移动候选内特征。
映射评价部16使用由登记特征取得部15取得的移动候选内特征，评价移动候选的映射的稳定性。作为稳定性评价的方法之一，有判定能否观测到定位所需要的最小限度数量的特征的方法，即判定能否进行定位用的计算自身的方法。在这种情况下，例如如果特征数是预先设定的个数以下，则判定为不能计算。
作为其它的稳定性评价的方法，有根据特征的类型和位置计算映射中的预测误差的方法。特征的配置是指移动候选中的传感器视野内的能够观测的特征的分布。
如果没有计测误差，如图6所示，通过映射而计算出的传感器位置方向与实际的传感器位置方向相同。并且，即使在具有计测误差的情况下，如图8所示，如果不同的特征点群t1、t2的共同部分分散在较宽的范围内，则估计为通过映射而计算出的传感器位置方向与实际的传感器位置方向大致相同，预测误差较小。
另一方面，在具有计测误差的情况下，即如图9所示不同的特征点群t1、t2的共同部分偏向较窄的范围内的情况下，通过映射而计算出的传感器位置方向与实际的传感器位置方向之间的预测误差较大。
作为预测误差的计算方法，有使用在能够观测的特征的位置微小变化时产生的计测数据的定位误差的方法。在这种情况下，特征的分布越在传感器视野内偏向，定位误差越容易增大。并且，特征的数量越少，特征的位置变化时的定位误差相对越容易增大。因此，传感器视野内的特征数越多，评价越好。
此时，有如下的方法：能够将特征的位置的微小变化量定义成在实际从传感器数据提取特征时可能产生的特征的错位量，如果是ToF方式的距离传感器2，则决定为测距的分辨率(进深方向的计测误差、水平(垂直)方向的测距间隔等)，如果是使用摄像机的距离传感器2，则决定为1个像素。
在完全没有计测误差的理想状态下，与预测误差的大小无关，期望在映射时产生的计测数据的重合误差为零。但是，由于在实际的计测中一定产生误差，因而假设预测误差越大，实际映射时的计测数据的重合误差也越大。
相反，在预测误差较小的情况下具有如下的倾向：即使在计测数据产生误差时，映射时的重合误差也减小。
作为具体的映射评价方法的一例，映射评价部16首先选择一个想要进行映射评价的传感器位置姿势。此时，例如为相对于当前的传感器位置姿势偏离一定量的位置姿势。接着，映射评价部16根据已生成的图取得以选择出的传感器位置姿势能够观测的特征。
然后，映射评价部16判定是否能够使用取得的特征进行映射。例如，如果是3D点，则至少需要不同的3个点，如果是面，则至少需要不同的3个面。在并用多个特征的情况下，必要最低限度的特征数根据特征的组合而变化，如2个3D点和1个面等。这样，可否映射的判断基准根据使用的特征而不同。
如果能够映射，则使用全部特征执行映射。并且，使在映射中使用的特征的位置(如果是平面的法线，则指方向)偏离来执行映射。此时，例如在图像上偏离1个像素，或者在空间中偏离1mm。
另外，使用取得的特征中的能够映射的最小限度或该最小限度以上的数量的特征执行映射。根据这些映射方法中的任意方法或者通过组合而得到的多个映射结果，取得使用传感器位置姿势的相对变化量的统计量，根据统计量计算评价值。
例如，在设作为评价值的统计量为传感器位置姿势的相对变化量的分散值的情况下，值越小则评价越好。
并且，也可以设评价值为特征的再投影误差。再投影误差是使用计算出的传感器的位置姿势，将图内的特征投影到以各传感器位置姿势取得的2D图像上，作为原始的2D图像上的特征的2D位置与投影出的特征的2D位置之差进行计算。这是本技术领域的基础评价方法之一。
另外，更简易地，还可以使用传感器视野内的特征的分布的偏向和密度中的至少任意一方作为评价值。在这种情况下，偏向越大，评价越差，密度越高，评价越好。
另外，还可以将预测出的距离传感器2的移动方向用于评价。在这种情况下，例如在传感器的移动方向存在较多特征的情况下，视为评价良好。
输出部17根据由映射评价部16得到的评价结果，对使用者提示与移动候选对应的距离传感器2的移动方向和移动速度中的至少任意一方。作为提示方法，有使用显示器等显示装置进行图示的方法、基于声音的方法。
在此，移动方向是作为从距离传感器2的当前地朝向评价了映射稳定性的移动候选的方向而得到的。移动速度是距离传感器2的取得数据不产生起因于移动速度的摆动的速度，或者是通过将从距离传感器2的当前地到评价了映射稳定性的移动候选的距离除以距离传感器2的取得数据的时间间隔等而得到的。移动速度既可以作为绝对值来取得，也可以作为相对于前次取得数据时的距离传感器2的移动速度的相对值来取得。
作为使用显示装置提示的内容，有A)当前从距离传感器2取得的计测数据和提取出的特征等的处理结果、B)生成的三维图的俯瞰图和传感器位置方向等登记在存储部13中的信息这两种。通过将A和B同时提示给使用者，容易掌握扫描状况。此时，在将三维图中的传感器位置方向与B重叠时，更容易掌握状况。
图10是示出图1的输出部17输出到显示装置的显示内容的一例的说明图，示出显示在作为显示装置的平板PC的显示部1a的例子。在该例子中，显示部1a被分割成左右两部分，左侧为计测状况显示区域1b，右侧为三维图显示区域1c。
在计测状况显示区域1b显示距离传感器2当前的计测状况、输出部17输出的距离传感器2的移动方向和移动速度的提示内容。在三维图显示区域1c显示生成中的三维图。
在计测状况显示区域1b的周围四边设有框部1d。框部1d区分显示已映射区域的方向和未计测区域的方向。在图10的例子中，用不同的颜色或者浓淡来区分已映射区域的方向和未计测区域的方向。例如，在图10中，较浓的部分表示已映射区域的方向。另外，在后述的实施方式6中说明未计测区域的检测。
另外，在计测状况显示区域1b的中央即由框部1d包围的部分，显示有提取出的特征以及所提示的距离传感器2的移动方向和移动速度。在该例子中，特征用三角形示出，距离传感器2的移动方向用箭头的朝向示出，距离传感器2的移动速度用箭头的长度示出。
在三维图显示区域1c中，与映射作业联动地显示已生成的三维图。图11是示出与图10的三维图显示区域1c对应的映射作业的状态的说明图。用箭头示出距离传感器2的路径，用虚线的四方形示出距离传感器2的视野。
在上述的B中，根据计测对象来变更俯瞰的视点也是有效的。作为一例，在电梯井道那样的封闭空间内成为计测对象的情况下，可以具有如图12所示从正上方俯瞰三维图的视点(也可以是水平截面)和如图13所示能观察到距离传感器2的光轴方向的垂直截面这两个视点的俯瞰图。由此，容易将二维的附图和三维形状双方对应起来。另外，在图12和图13中，三角形的标记表示传感器位置方向。
此时，在对水平剖面图的投影方式进行平行投影时，成为更接近二维附图的显示，容易实现直观的理解。并且，在对垂直剖面图的投影方式进行透视投影时，成为接近三维观察方式的显示，容易实现直观的理解。
作为另一例，在根据部件检查等目的，物体的外观成为计测对象的情况下，在显示包围成相对于计测对象没有死角那样的多个视点的俯瞰图时，能够容易地发现不能得到计测数据的部分。
通过将推荐的距离传感器2的移动方向或者不能移动的方向叠加显示于上述的A或B，能够直观地理解应使距离传感器2移动的方向。在用箭头重叠显示移动方向的情况下，通过增加箭头的长度变更或者闪烁显示等视觉效果，使用者能够直观地了解当前的距离传感器2的移动速度是过快还是过慢。
在利用声音对使用者进行信息提示的情况下，具有不看显示装置即可实现扫描引导这样的优点。并且，通过并用显示装置的提示和声音的提示，能够实现更复杂的引导。
下面，图14是示出图1的计测装置主体1的动作的流程图。在开始处理时，计测装置主体1从距离传感器2取得计测数据(步骤S1)，并从计测数据提取特征(步骤S2)。然后，计测装置主体1通过将多个计测数据的特征重合来生成三维图(步骤S3)。然后，判定映射是否成功(步骤S4)，如果成功，则更新三维图(步骤S5)。
在映射不成功的情况下，让使用者确认是否结束映射(步骤S12)。并且，在继续映射的情况下，通知使用者移动距离传感器2(步骤S13)，并返回到步骤S1。
在映射成功并更新了三维图的情况下，计算并更新距离传感器2的当前位置和方向(步骤S6)。接着，决定距离传感器2的移动候选(步骤S7)，取得移动候选内特征(步骤S8)。
然后，计测装置主体1使用移动候选内特征来评价移动候选的映射的稳定性(步骤S9)。进行该映射评价直到评价全部移动候选的映射的稳定性为止(步骤S9、S10)。
在全部移动候选的映射评价结束时，计测装置主体1将距离传感器2的移动方向和移动速度中的至少任意一方作为评价结果提示给使用者(步骤S11)。并且，让使用者确认是否结束映射(步骤S12)，在继续映射的情况下，通知使用者移动距离传感器2(步骤S13)，并返回到步骤S1。并且，在使用者输入映射的结束时，结束处理。
在这样的三维计测装置及其计测辅助处理方法中，根据映射的稳定性的评价结果，将距离传感器2的移动方向和移动速度中的至少任意一方提示给使用者，因而能够更顺利地且高精度地生成三维图。
即，仅仅目视确认各计测数据和提取出的特征，很难预测映射的成功与否及精度，但是，通过计测装置主体1评价移动候选中的映射的稳定性，事前知道映射失败的传感器的移动方向，因而能够防止映射的失败，能够减少由于扫描作业的返工引起的麻烦。并且，由于知道能够更高精度地进行映射的移动方向，因而有望提高映射的精度。另外，不需要以试行错误的方式反复重新扫描直到精度变好为止。
实施方式2
下面，图15是示出本发明的实施方式2的三维计测装置的框图。在实施方式2中，除距离传感器2外，还并用能够拍摄彩色或者单色的二维图像的可视摄像机4，不仅使用从距离数据提取的形状特征，还同时使用从图像数据提取的视觉特征进行映射。
特征提取部11从由距离传感器2得到的距离数据提取特征，并且从由可视摄像机4得到的图像数据提取视觉特征例如特征点和直线等。作为从图像数据提取特征的特征提取方法，例如如果是特征点，则能够作为与物体的角相当的拐角点而应用霍夫变换。并且，如果是直线，则能够在从图像中检测到物体轮廓后，对轮廓应用霍夫变换。
图16是示出图15的特征提取部11提取视觉特征的提取方法的例子的说明图，示出由可视摄像机4拍摄到的图像。在图16中，×标记表示提取出的特征点。
特征提取部11提取关注点周围的色调变化较大的点作为特征点。此时，虽然能够进行直线的提取，但是，对于例如像直线上的点那样与附近的点没有区别的点，即使色调变化较大，也不作为特征点来提取。另外，提取柱的角以及粘贴在墙壁上的招贴画22的角作为特征点。
另外，还能够从招贴画22的图案等提取特征点。
映射部12、存储部13、登记特征取得部15以及映射评价部16除利用由距离数据得到的特征外，还利用由图像数据得到的特征。其它的结构及动作与实施方式1相同。
根据这样的三维计测装置及其计测辅助处理方法，能够利用更多的特征，能够进一步提高映射的稳定性。
另外，可视摄像机4可以与距离传感器2一体化，也可以与其分体构成。
实施方式3
下面，图17是示出本发明的实施方式3的三维计测装置的主视图，图18是示出图17的三维计测装置的后视图。在实施方式3中，将搭载有距离传感器2和可视摄像机4的框体5固定于计测装置主体1。使用距离计测用摄像机作为距离传感器2。
另外，在框体5还搭载有照明装置6和投影仪7。框体5和计测装置主体1通过线缆8相互连接。从计测装置主体1通过线缆8对搭载于框体5的设备供电。并且，距离传感器2和可视摄像机4通过线缆8向计测装置主体1发送数据。另外，搭载于框体5的设备通过线缆8接收来自计测装置主体1的指令信号。
投影仪7对计测对象进行图案投光。距离传感器2拍摄投射出的图案，以主动立体方式检测距离数据。照明装置6对计测对象照射光。其它的结构及动作与实施方式2相同。
这样，作为距离传感器2的计测方法，也可以使用利用图案投光的主动立体方式，该图案投光基于使用投影仪和摄像机的系统。
另外，通过照明装置6对计测对象照射光，即使在电梯井道的底坑等较暗的场所进行计测的情况下，也容易从由可视摄像机4得到的图像数据提取视觉特征。
另外，由于将距离传感器2和可视摄像机4与照明装置6一体化，因而它们的位置关系始终是固定的，能够减小由于视点的差异引起的观察方式的差异。并且，还能够减小由于遮挡物存在于计测对象与照明装置6之间而形成影子的可能性。
另外，在实施方式3中，将照明装置6与距离传感器2和可视摄像机4一体化，但是，也可以利用例如安装在井道底坑等计测环境中的照明装置。
实施方式4
下面，图19是示出本发明的实施方式4的三维计测装置的框图。实施方式4的计测装置主体1还具有稳定位置搜索部18，该稳定位置搜索部18从生成中的三维图内搜索映射稳定的摄影地点。并且，映射评价部16将已登记的传感器位置方向的评价结果登记到存储部。另外，输出部17将由稳定位置搜索部18得到的摄影地点提示给使用者。
稳定位置搜索部18搜索存储部13中登记的每个传感器位置方向的映射评价结果中的评价结果良好的位置。作为输出位置的优先顺序的基准，根据考虑到映射评价值的高低和与当前位置的远近的评价函数的值来决定。
使用的评价函数可以始终相同，也可以根据状况由使用者选择优先项目来变更。稳定位置搜索部18开始搜索稳定位置是在映射失败时，或者是在当前地的映射评价值为一定以下时。除这些时候以外，还可以是在使用者指定的时候。其它的结构及动作与实施方式1、2或者3相同。
图20是示出图19的计测装置主体1的动作的流程图。实施方式4的计测装置主体1根据映射是否成功的判定结果(步骤S4)、映射评价结果(步骤S11)以及有无使用者的指定，判定是否搜索稳定位置(步骤S14)。并且，在判定为需要搜索的情况下，搜索映射稳定的位置(步骤S15)，将搜索到的位置提示给使用者(步骤S16)。
在这样的三维计测装置及其计测辅助处理方法中，在实施方式1～3的效果基础上，还能够得到如下的效果：在由于传感器视野内的特征数减少等使得映射不稳定时，通过返回到映射稳定的摄影地点，能够容易地从映射不稳定的状态起进行恢复。
实施方式5
下面，图21是示出本发明的实施方式5的三维计测装置的框图。实施方式5的计测装置主体1还具有传感器路径计算部19，该传感器路径计算部19计算生成中的三维图内的任意位置之间的能够不中断映射地移动的传感器路径。
由传感器路径计算部19计算出的传感器路径包含始点、终点和传感器路径上的多个经由点。经由点的初始值为在连接传感器路径的始点和终点的线段上以固定间隔采样得到的位置。根据始点的传感器方向和终点的传感器方向通过线性插补来计算各经由点的传感器方向。
并且，经由点可以由使用者手动设定。在这种情况下，还可以在使用者设定的经由点之间进一步采样来增加经由点。通过手动设定经由点，能够计算更复杂的传感器路径。并且，通过在使用者设定的经由点之间进行采样，能够节省使用者设定多个经由点的麻烦。
移动候选决定部14决定上述的始点、终点和经由点作为移动候选。映射评价部16对上述的移动候选执行映射评价。此时，在判定为始点和终点中的任意点不能映射的情况下，结束传感器路径的计算处理。并且，当在经由点中包含不能映射的位置方向的情况下，决定该经由点附近的传感器位置方向作为移动候选，再次执行映射评价。此时，在变更经由点达一定次数以上的情况下，结束传感器路径的计算处理。
输出部17将传感器路径的计算结果提示给使用者。此时，根据是否能够映射来变更路径上的传感器位置方向的显示。作为例子，用不同的颜色进行显示，如设能够映射的传感器位置为绿色、设不能映射的传感器位置为红色等。通过将路径上的不能映射的位置提示给使用者，能够高效地选择手动再次设定传感器路径时的经由点。其它的结构及动作与实施方式4相同。
图22是示出图21的计测装置主体1的动作的流程图。实施方式5的计测装置主体1在更新距离传感器2的当前位置和方向时(步骤S6)，判定是否计算传感器路径(步骤S17)。并且，在判定为需要计算传感器路径的情况下，计算传感器路径(步骤S18)。
并且，在评价了全部移动候选的映射的稳定性后(步骤S9、S10)，判定是否评价传感器路径(步骤S19)。并且，在判定为需要评价传感器路径的情况下，判定传感器路径上是否全部能够映射(步骤S20)。
当在传感器路径上具有不能映射的部位时，返回到步骤S18。当判定为在传感器路径上全部能够映射后，在判定为不需要搜索稳定位置(步骤S14)后以及搜索稳定位置(步骤S15)并提示给利用者(步骤S16)后，判定是否将传感器路径提示给利用者(步骤S21)。
在判定为需要提示传感器路径的情况下，将传感器路径提示给使用者(步骤S22)，进入步骤S12。如果不需要提示传感器路径，则直接进入步骤S12。
在这样的三维计测装置及其计测辅助处理方法中，在实施方式4的效果基础上，还能够得到如下的效果：通过传感器路径计算部19，使用者能够顺着预先提示的路径移动到目的地，因而能够缩短扫描所需要的作业时间。
即，在移动到不能计测的部分并扫描时，在为了使映射不中断而一边以试行错误的方式发现路径一边移动时，扫描所需要的作业时间有可能延长，在实施方式5中，由于提示最佳的传感器路径，因而能够缩短作业时间。
实施方式6
下面，图23是示出本发明的实施方式6的三维计测装置的框图。实施方式6的计测装置主体1还具有检测生成中的三维图中的未计测区域的未计测区域检测部20。
未计测区域检测部20使用三维图、传感器位置方向、传感器视野角和可测距距离，计算距离传感器2和可视摄像机4已观测的三维区域，检测尚未观测的区域作为未计测区域。
输出部17将搜索到的未计测区域提示给使用者。作为在显示部1a显示未计测区域的方法的一例，有在图10的框部1d进行显示的方法。其它的结构及动作与实施方式5相同。
图24是示出图23的计测装置主体1的动作的流程图。实施方式6的计测装置主体1在判定是否提示传感器路径(步骤S21)后，判定是否检测未计测区域(步骤S23)。并且，在判定为需要检测未计测区域的情况下，检测未计测区域(步骤S24)并提示给使用者(步骤S25)。
在这样的三维计测装置及其计测辅助处理方法中，在实施方式5的效果基础上，还能够得到如下的效果：由于能够容易地确认在扫描对象的何处具有不能计测的部分，因而能够防止在扫描后发觉计测遗漏而重新计测这样的返工。
在此，图25是示出使用实施方式1～6的三维计测装置生成电梯井道的底坑内的三维图的状态的俯视图。在底坑内设置有引导轿厢(未图示)升降的一对导轨31a、31b和缓冲器32等。
在如底坑内那样的环境下，纹理和形状特征缺乏，映射所需要的特征较少。因此，根据距离传感器2的路径，有可能陷入不能映射的状态。
与此相对，根据实施方式1～6的三维计测装置，通过对使用者提示信息以在能够映射的传感器路径上进行扫描，能够防止由于映射的失败引起的重新扫描这样的返工。并且，通过检测未计测区域，能够知道尚不能扫描的部分，因而还能够防止由于计测遗漏引起的返工。
另外，在计测如底坑内那样狭窄的空间(例如假设约2m见方)的情况下，具有从距离传感器2到计测对象的距离变短的倾向。在距离较短时，在传感器视野内观测的特征数量相对减少，因而映射的稳定性有可能降低。在映射评价中特征的数量越多，评价值越好，因而在扫描狭窄的空间使得成为评价值良好的传感器姿势的情况下，在保持夹着空间中心来计测相反侧的井道壁的姿势的状态下，引导成以描画圆的的方式进行计测。
下面，图26是示出将实施方式1～6的三维计测装置搭载于移动机器人33的状态的立体图，示出自主行走式的车辆型的移动机器人33。这样，通过将三维计测装置搭载于移动机器人33，能够生成移动机器人33的周边环境的三维图。
在通过移动机器人33生成三维图时，需要始终能够识别机器人自身位于三维图内的何处(自身位置)，在映射失败时，将导致自身位置不明，系统不能正常工作。与此相对，在实施方式1～6的三维计测装置中，在开始下次移动之前预先进行映射评价，因而移动机器人33能够选择映射不失败的路径。
并且，通过检测未计测区域，能够移动到不能计测的场所来更新三维图。由此，能够自主高效地构建无缺失的三维图。
另外，在实施方式1～6中，还可以将计测装置主体1的功能分割给2个以上的计算机或者电子电路来执行。
并且，计测对象没有特别限定，本发明还能够应用于电梯井道以外的三维计测。

Claims (21)

1.一种三维计测装置，其中，该三维计测装置具有：
距离传感器，其能够取得到计测对象的距离的计测数据作为三维空间中的点的集合；以及
计测装置主体，其从由所述距离传感器取得的多个计测数据提取特征，并使提取出的所述特征重合来生成三维图，
所述计测装置主体计算所述距离传感器的位置和方向，决定下次应使所述距离传感器移动到的位置和方向的候选即移动候选，取得在所述移动候选中能够由所述距离传感器观测的所述特征即移动候选内特征，使用所述移动候选内特征评价所述移动候选的映射的稳定性，根据评价结果对使用者提示所述距离传感器的移动方向和移动速度中的至少任意一方。
2.根据权利要求1所述的三维计测装置，其中，
所述计测装置主体具有显示部，在所述显示部一并显示所述距离传感器当前的计测状况和与所述距离传感器的移动相关的提示内容。
3.根据权利要求2所述的三维计测装置，其中，
所述计测装置主体设所述距离传感器的移动方向为箭头的朝向而显示于所述显示部，设所述距离传感器的移动速度为所述箭头的长度而显示于所述显示部。
4.根据权利要求2所述的三维计测装置，其中，
所述计测装置主体在所述显示部并列显示所述距离传感器当前的计测状况和生成中的三维图。
5.根据权利要求3所述的三维计测装置，其中，
所述计测装置主体在所述显示部并列显示所述距离传感器当前的计测状况和生成中的三维图。
6.根据权利要求2所述的三维计测装置，其中，
所述计测装置主体在显示所述距离传感器当前的计测状况的区域周围的框部，区分显示已映射区域的方向和未计测区域的方向。
7.根据权利要求3所述的三维计测装置，其中，
所述计测装置主体在显示所述距离传感器当前的计测状况的区域周围的框部，区分显示已映射区域的方向和未计测区域的方向。
8.根据权利要求4所述的三维计测装置，其中，
所述计测装置主体在显示所述距离传感器当前的计测状况的区域周围的框部，区分显示已映射区域的方向和未计测区域的方向。
9.根据权利要求5所述的三维计测装置，其中，
所述计测装置主体在显示所述距离传感器当前的计测状况的区域周围的框部，区分显示已映射区域的方向和未计测区域的方向。
10.根据权利要求1～9中的任意一项所述的三维计测装置，其中，
所述计测装置主体利用考虑到映射评价值的高低和与当前位置的远近的评价函数，从生成中的三维图内搜索映射稳定的摄影地点并提示给使用者。
11.根据权利要求1～9中的任意一项所述的三维计测装置，其中，
所述计测装置主体计算生成中的三维图内的任意位置之间的、能够不中断映射地移动的所述距离传感器的路径并提示给使用者。
12.根据权利要求1～9中的任意一项所述的三维计测装置，其中，
所述计测装置主体检测生成中的三维图中的未计测区域并提示给使用者。
13.根据权利要求1～9中的任意一项所述的三维计测装置，其中，
所述三维计测装置还具有能够拍摄所述计测对象的二维图像的可视摄像机，
所述计测装置主体从由所述可视摄像机得到的多个图像数据提取视觉特征并用于映射。
14.根据权利要求1～9中的任意一项所述的三维计测装置，其中，
所述三维计测装置还具有对计测对象照射光的照明装置。
15.根据权利要求1～9中的任意一项所述的三维计测装置，其中，
所述三维计测装置还具有对计测对象进行图案投光的投影仪，
所述距离传感器拍摄投射出的图案，以主动立体方式检测距离数据。
16.一种三维计测装置的计测辅助处理方法，通过三维计测装置的计测装置主体辅助三维计测，所述三维计测装置具有：距离传感器，其能够取得到计测对象的距离的计测数据作为三维空间中的点的集合；以及所述计测装置主体，其从由所述距离传感器取得的多个计测数据提取特征，并使提取出的所述特征重合来生成三维图，所述三维计测装置的计测辅助处理方法包含以下步骤：
计算所述距离传感器的位置和方向；
决定下次应使所述距离传感器移动到的位置和方向的候选即移动候选；
取得在所述移动候选中能够由所述距离传感器观测的所述特征即移动候选内特征；
使用所述移动候选内特征评价所述移动候选的映射的稳定性；以及
根据评价结果对使用者提示所述距离传感器的移动方向和移动速度中的至少任意一方。
17.根据权利要求16所述的三维计测装置的计测辅助处理方法，其中，
所述三维计测装置的计测辅助处理方法还包含如下步骤：在显示部一并显示所述距离传感器当前的计测状况和与所述距离传感器的移动相关的提示内容。
18.根据权利要求17所述的三维计测装置的计测辅助处理方法，其中，
在显示所述距离传感器当前的计测状况时，区分显示已映射区域的方向和未计测区域的方向。
19.根据权利要求16～18中的任意一项所述的三维计测装置的计测辅助处理方法，其中，
所述三维计测装置的计测辅助处理方法还包含如下步骤：利用考虑到映射评价值的高低和与当前位置的远近的评价函数，从生成中的三维图内搜索映射稳定的摄影地点并提示给使用者。
20.根据权利要求16～18中的任意一项所述的三维计测装置的计测辅助处理方法，其中，
所述三维计测装置的计测辅助处理方法还包含如下步骤：计算生成中的三维图内的任意位置之间的、能够不中断映射地移动的所述距离传感器的路径并提示给使用者。
21.根据权利要求16～18中的任意一项所述的三维计测装置的计测辅助处理方法，其中，
所述三维计测装置的计测辅助处理方法还包含如下步骤：检测生成中的三维图中的未计测区域并提示给使用者。
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