CN1712892A - 三维测量装置及电子存储媒体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用测量装置和摄像装置来计算三维坐标数据用的三维测量装置等，尤其是其目的在于，提供一种利用测量装置决定对应点的位置并能立体显示的三维测量装置。本发明根据测量装置测量的至少3点基准点的位置和摄像装置拍摄的图像算出摄像装置的倾斜等，根据测量装置测量到的照准点位置算出摄像装置的倾斜等，将照准点作为对应点对摄像装置的图像进行还配，使测量装置测量出的照准点位置和还配后的图像上的照准点相关联，根据这一关联来计算测量对象物的三维坐标数据。

Description

三维测量装置及电子存储媒体

技术领域

本发明涉及利用测量装置及摄像装置计算三维坐标数据用的三维测量装置，特别是涉及在测量现场利用测量装置决定对应点的位置、并生成能立体显示的数据的三维测量装置。

背景技术

以往，在根据图像数据获得三维坐标时，例如使用数码摄像机等摄像装置和大小已知的基准结构物。将基准结构物放在作为测量目标的物体的旁边，用摄像机从两个方向或多个方向对该基准结构物进行拍摄。在该摄像机上设有测量图像前后左右倾斜用的倾斜计。基准结构物其大小为已知，例如可使用三角形的基准结构物。用摄像机拍摄的位置及放置基准结构物的位置为和测量物体的相对位置关系是预先已知的测量好的位置。

从该拍摄位置，按照同时能拍摄成为测量目标的物体和基准结构物的构图来进行拍摄。根据基准结构物、拍摄位置、和拍摄图像上的位置，利用绝对标定求其关系，计算出成为测量目标的物体的三维坐标。

但是，为了进行上述以往的绝对标定，必须预先设置大小已知的基准结构物。另外，也必须测量设置基准结构物的位置、和进行拍摄的摄像机的位置。在放置基准结构物之同时，要设置摄像机，再要进行测量，所以非常麻烦。更何况在测量建筑物等场合，由于其尺寸巨大，所以存在测量非常困难的问题。再有的问题是，如在摄像机上未设检测倾斜用的倾斜计，就不能测量拍摄姿势，这种特殊的摄像机价格极高。

发明内容

本发明的三维测量装置由立体拍摄用的数码摄像机、及具有决定立体图像的对应点(传递点)的坐标用的测距功能的测量设备(全站仪)构成，并计算在显示器等画面上进行三维显示用的数据。

附图说明

附图表示本发明的实施方式。

图1为说明本发明实施方式1用的图。

图2为说明本发明实施方式1用的图。

图3为说明本发明实施方式1用的图。

图4为说明本发明实施方式1用的图。

图5为说明本发明实施方式1的测量设备1000用的图。

图6为说明本发明实施方式1的测量设备1000的构成用的图。

图7为说明本发明实施方式1的测量设备1000的构成用的图。

图8为说明本发明实施方式1的作用用的图。

具体实施方式

利用图1及图2说明在传递点上不用目标标记的实施方式1。实施方式1将摄像装置100装在测量设备1000上。

作为测量设备1000具有能将视准方向作为图像摄入的摄像装置100。作为测量设备1000的测距功能使用具有捕捉来自自然物体的直接反射、而不需要反射棱镜的无棱镜功能的测量设备。

如图1及图2所示，测量设备1000照准测量对象物的任意部分，测量距离之同时，同样地测量水平角及垂直角。然后，摄像装置100取得测量地点的图像。由于照准点是光轴的中心，故和图像的中心一致。因为测量地点成为传递点，所以至少取得3点的位置测量值和图像。

测量后，使用数码摄像机3000，至少摄得来自两个方向的图像。

然后，将数码摄像机3000的图像数据取入测量设备1000，对数码摄像机3000的立体图像和用测量设备1000取得的3点的图像进行匹配。根据3点的位置坐标，进行校正立体图像的倍率、亮度、旋转的单张照片标定。由此决定传递点。

决定了多点传递点后，数据例如转到设在办公室的个人计算机中，求出拍摄左右图像的数码摄像机3000的相对关系，进行互相标定，求得构成测量对象物10000的点的相对位置关系。利用根据互相标定的数据来进行绝对标定，变换成地面坐标系。另外，利用由互相标定求出的位置关系，也能在画面上作为正视(ォルソ)图像在画面上显示。

还有，摄像装置100是将图像装置数据变换成数字数据用的装置，例如是CCD等固体摄像元件。该摄像装置100由CCD等构成的摄像元件110、和根据摄像元件110的输出信号形成图像信号用的图像电路120构成。

实施方式1

以下参照图1～图4说明实施方式1。

利用图1及图2说明在传递点上不用目标标记的实施方式1。本实施方式1将摄像装置100装在测量设备1000上。

测量设备1000具有能将照准方向作为图像摄入的摄像装置100。作为测量设备1000的测距功能使用具有无棱镜功能的测量设备，该设备捕捉来自自然物体的直接反射，而不需要反射棱镜。

测量设备1000照准测量对象物的任意部分，测距之同时还同样地测水平角及垂直角。而且，摄像装置100还摄得测量地点的图像。由于照准点是光轴的中心，故和图像的中心一致。因为测量地点成为传递点，故至少摄得3个位置的测量值和图像。

现参照图8详细说明本实施方式。首先在步骤1(以后简称为S1)，如图1所示，在已知点即地点A架设带图像摄像装置的测量设备1000。该图像摄像装置在本实施方式中采用测量设备1000内装的摄像装置100。

然后在S2，利用测量设备1000测量基准点。该基准点在本实施方式中如图1所示，为a1、a2、a3等3处。接着，用测量设备1000测量a1、a2、a3等3处，同时，利用摄像装置100拍摄包括基准点在内的图像。

再在S3，如图1及图2所示，将数码摄像机3000移至地点B及地点C，拍摄包括基准点在内的图像。即数码摄像机3000设置在地点B及地点C，和测量对象物10000一起对包括a1、a2、a3在内的图像进行立体拍摄。如图2所示，至少从左右两个方向用数码摄像机3000拍摄立体图像。还有，本实施方式中，是移动数码摄像机3000拍摄立体图像，但也可另行准备立体摄像机。

还有，数码摄像机3000最好预先知道由于镜头的特性而造成的图像失真。

然后在S4，将数码摄像机3000拍摄的图像数据取入测量设备1000，

然后在S5，进行单张照片的标定。

所谓单张照片标定，是指利用拍在一张照片中的基准点上成立的共线条件来求拍摄照片的数码摄像机3000的位置(X_θ、Y_θ、Z_θ)及数码摄像机3000的倾斜(ω、φ、κ；侧滚角、俯仰角、偏转角)，求照片坐标(x、y)和地面坐标(X、Y、Z)的关系。

将数码摄像机3000的位置(X_θ、Y_θ、Z_θ)及数码摄像机3000的倾斜(ω、φ、κ；侧滚角、俯仰角、偏转角)称为外部标定要素。通过这样，根据基准点就能算出数码摄像机3000的倾斜和倍率等。

接着在S6，利用测量设备1000对测量对象物10000进行瞄准，使其产生传递点。即，在已知点的地点A设置带图像摄像装置的测量设备1000照准所要的地点。如图3及图4所示，本实施方式中，如将测量对象物10000的角部等作为传递点那样，对照准点b1、b2、b3进行瞄准。

在S7，将照准点作为传递点，使其在各个数码摄像机3000的图像上产生。即在S7，形成进行互相标定用的传递点。为根据3点的位置坐标在立体图像上形成用的步骤。为了进行立体图像测量，如果是平面，则要6点及6点以上，若是建筑物等则择情需要多个点。

然后在S81，使用在S7得到的照准点(传递点)进行互相标定。在S81，根据传递点能算出数码摄像机3000的立体图像的倾斜和倍率等关系。

然后在S82，生成与立体图像的传递点对应用的偏移修正图像。S82的偏移修正图像的生成可利用斜投影变换(日文—斜影变换)来进行。所谓斜投影变换(日文—斜影变换)是指数码摄像机3000的受光元件上某点的照片坐标投影在其它平面上那样的变换。这里，从一幅图像抽出特征点，沿另一幅图像的同一水平线上搜索，检索对应点。

因此，需要变换成使数码摄像机3000沿水平方向平行移动后投影而成的图像。即需要将使用的图像变换成如数码摄像机3000水平移动后拍摄的那样的图像。利用这样的变换，即使是自然地移动数码摄像机3000后的图像，也能搜索对应点。再在S83，利用手动或自动产生传递点。

然后在S84，进行立体还配。所谓立体还配是指自动搜索所摄两张图像的对应点的方法。

然后在S85，利用在S84搜索到的对应点，能求出拍摄左右图像的数码摄像机3000的相对关系。通过这样，能定义以左摄像机的光轴为中心的三维坐标系。

由此，能定义以一方的数码摄像机3000的光轴为中心的三维坐标系。

然后在S86，在用互相标定所得的模型坐标系中给出用测量设备1000测得的传递点的坐标位置，进行变换成地面坐标系的绝对标定。

这里所说的绝对标定是将互相标定所得的模型坐标系变换成地面坐标系的工作，通过给出地面上测量的三维坐标值，从而能变换成图像上的点。

然后在S87，变换成地面坐标系的三维数据。例如根据该数据能显示沿地面展开的正视(ォルソ)图像。

现说明正视(ォルソ)图像。用摄像机拍摄的照片是中心投影的照片，而与此不同的是，将进行正斜投影后的中心投影照片称为正视(ォルソ)照片。由于中心投影照片的通过镜头拍摄，所以不是如地图那样整张照片采用均匀的缩小比例尺。相反，正视(ォルソ)照片因为经正斜投影处理，所以缩小比例尺均匀，能和地图一样地使用。

数码摄像机3000的图像由从微小像素为单位的数据构成，通过互相标定、绝对标定，对其逐一给出坐标。在显示器等两维显示中，根据三维坐标相应附上阴影。在坐标变换中，重新计算以像素为单位的坐标，并作为旋转等动作进行显示。

如上所述，本实施方式1为有关利用测量设备1000和数码摄像机3000来计算三维坐标数据、并能立体显示的三维测量装置。

如图4和图5所示，测量设备1000为全站仪，为内装检测角度(垂直角及水平角)的电子经纬仪、及光学测距仪的设备。

还有，本实施方式中，测量设备1000和数码摄像机3000可分开构成。

以下，利用图6说明本实施方式的测量设备1000的电气构成。

测量设备1000包括测距部1100、角度测量部1400、存储部4200、显示部4300、控制运算部4000、及操作·输入部5000。本实施方式中，存储部4200用于存储数据、程序等。利用显示部4300和操作输入部5000，使用者能操作测量设备1000。

测距部1100使用光学测距仪。测距部1100用于根据反射光的相位差、时间差等测量至测距目标间的距离。测距部1100包括发光部1110、受光部1120，其结构做成，从发光部1110发出的测距光射向测量对象物方向，测量对象物来的反射光射入受光部1120，从而能测量至测量对象物的距离。

即，从测量设备1000至测量对象物的距离可以根据发光部1110脉冲发光之后至受光部1120受光的时间差而算出。还有，该运算在控制运算部4000中进行。

角度测量部1400用于计算水平角、垂直角，由垂直角测量部1410和水平角测量部1420构成。

垂直角测量部1410例如使用垂直角编码器，能作为水平或天顶检测高低旋转量。水平角测量部1420例如其水平角编码器能作为偏离基准方向的水平旋转量进行检测。上述编码器例如由安装在旋转部上的转子和固定部所形成的定子构成。

由垂直角测量部1410和水平角测量部1420组成的角度测量部1400其结构做成，能根据检测出的水平旋转量及高低旋转量，算出水平角及垂直角。

测量设备1000上装有由摄像元件110和图像电路120组成的摄像装置100。该摄像装置100的结构可以是装在测量设备1000内，也可以是分开连接。

还有，图7所示的摄像装置100也可是可切换为广角用摄像元件111和望远用摄像元件112能切换的结构。广角用摄像元件111是能拍摄大范围的传感器，望远用摄像元件112是能拍摄远方(ファインダ—)图像的传感器。

控制运算部4000是有CPU等、并执行各种运算的部分。

还有，能将记忆着测量设备1000的运算部1300运算步骤的程序存在FD、CD、DVD、RAM、ROM、存储卡等电子存储媒体中。

测量设备1000如图4所示，由望远镜部4、支持望远镜部4能上下旋转的托架部3、及支承托架部3能水平旋转的底盘部2构成。底盘部2可通过校平台1装在三脚架等构件上。

在测量设备1000上，形成操作·输入部5000的一部分的操作面板，并且安装显示部4300的一部分的显示器。再有，望远镜部4上物镜露出在外。

还有，在图像上有已知点的场合，基准点需要6点，但也可以进行如图7所示的处理。即也可以在S91进行基准点测量，在S92取得包含基准点的图像后，进至S81。

实施方式2

实施方式2为将目标标记用于成为传递点的至少3点基准点的三维测量装置。

使用能测量至放在基准点上的反射棱镜的距离的全站仪作为测量设备1000。另外，也能用反射板上画有标记的目标标记代替反射棱镜。

以下，说明测量设备1000的测量数据和数码摄像机3000的图像间关系的一例。

(式1)

$x=-f\frac{a_{11}(X-\mathrm{Xc})+a_{12}(Y-\mathrm{Yc})+a_{13}(Z-\mathrm{Zc})}{a_{31}(X-\mathrm{Xc})+a_{32}(Y-\mathrm{Yc})+a_{33}(Z-\mathrm{Zc})}$

$y=-f\frac{a_{21}(X-\mathrm{Xc})+a_{22}(Y-\mathrm{Yc})+a_{23}(Z-\mathrm{Zc})}{a_{31}(X-\mathrm{Xc})+a_{32}(Y-\mathrm{Yc})+a_{33}(Z-\mathrm{Zc})}$

式中，f为数码摄像机3000的焦距，a为数码摄像机3000的倾斜(三轴的旋转角)即(ω、φ、κ；侧滚角、俯仰角、偏转角)，(X、Y、Z)为测量设备1000测量的三维数据，(Xc、Yc、Zc)为数码摄像机3000相对测量设备1000的位置坐标。

目标标记的底板用循环反射板构成。板上画着表示照准点的十字线和同样便于照准的以十字线为中心的圆。为了在变换成图像时读取容易，在圆的上方画有条形码。在圆的下方画有测量者识别目标标记用的数字。

粘接剂粘贴在该目标标记的背面，可粘在任意的对象物上。另外，也可与粘接剂以外的其它粘贴装置组合，例如也能采用在板上粘贴磁铁的结构。

还有，目标标记是与照准目标对应的标记，以十字线为中心的圆相当于便于照准的标记。

实施方式2的其它构成、作用等除了基准点的测量使用棱镜外，其余由于和实施方式1相同，故其说明省略。

还有，也能将图像坐标变换成照片坐标。利用对该照片坐标的投影变换，来计算地面坐标。利用对该地面坐标进行投影变换的逆变换，来求搜索图像的照片坐标。也可以将该搜索图像的照片坐标变换成图像坐标，并利用适当的还配法来搜索对应点。

另外，也能将随机的三维坐标的点数据变换成DEM(DIGITAL ELEVATIONMODEL，数字化高度模型)。该方法是将随机的三维坐标的点数据变换成不对称三角形网(TIN)的数据，并将该TIN数据变换成正方格子网的DEM(DIGITALELEVATION MODEL)。

如上述那样构成的本发明由于具有：根据距离和角度测量照准目标的位置用的测量装置、和从多个不同的方向摄得包括所述照准目标在内的测量对象物的图像用的摄像装置，并具有运算处理装置，该装置用于：根据利用所述测量装置测量的至少3点的基准点位置和利用所述摄像装置拍摄的图像，算出所述摄像装置的倾斜等，根据由所述测量装置测量的照准点的位置，算出所述摄像装置的倾斜等，将所述照准点作为对应点进行所述摄像装置的图像还配，使所述测量装置测得的照准点的位置和进行所述还配的图像上的照准点相关联，根据这一关联来计算所述测量对象物的三维坐标数据，所以具有能简便且准确地获得三维坐标数据的效果。

Claims (7)

1.一种三维测量装置，其特征在于，包括

根据距离和角度测量照准目标的位置用的测量装置、和从多个不同的方向摄得包括所述照准目标在内的测量对象物的图像用的摄像装置，

还具有运算处理装置，该装置用于：根据利用所述测量装置测量的至少3点的基准点位置和利用所述摄像装置拍摄的图像，算出所述摄像装置的倾斜等，根据由所述测量装置测量的照准点的位置，算出所述摄像装置的倾斜等，将所述照准点作为对应点进行所述摄像装置的图像还配，使所述测量装置测得的照准点的位置和进行所述还配的图像上的照准点相关联，根据这一关联来计算所述测量对象物的三维坐标数据。

2.如权利要求1所述的三维测量装置，其特征在于，

置于已知点的测量装置至少测量3个照准点的位置，运算处理装置对该摄像装置的倾斜、倍率等进行校正，根据该照准点的位置和所述摄像装置的图像，求该摄像装置的位置，计算所述摄像装置取得的测量对象物的三维坐标数据。

3.如权利要求1所述的三维测量装置，其特征在于，

置于已知点的测量装置至少测量3个照准点的位置，运算处理装置对该摄像装置的倾斜、倍率等进行校正，根据该照准点的位置和所述摄像装置的图像求基准点坐标，通过将该基准点坐标变换为地面坐标系的坐标，从而计算测量对象物的三维坐标数据。

4.如权利要求1所述的三维测量装置，其特征在于，

用手动或自动方式产生基准点即传递点。

5.一种三维测量方法，其特征在于，由以下步骤组成：

根据测量装置的距离数据和角度数据来测量照准目标的位置的第1步骤；利用多台摄像装置从不同方向摄得包括所述照准目标在内的图像的第2步骤；根据利用所述测量装置测量的至少3点基准点的位置和利用摄像装置拍摄的图像算出所述摄像装置的倾斜等的第3步骤；根据所述第1步骤测量的照准点位置算出所述测量装置的倾斜等的第4步骤；将所述照准点作为对应点对所述摄像装置的图像进行还配的第5步骤；使所述测量装置测量的照准点位置和进行所述还配的图像上的照准点相关联的第6步骤；以及根据所述第6步骤所得的这一关联来计算所述测量对象物的三维坐标数据的第7步骤。

6.一种三维测量装置，其特征在于，包括

根据距离和角度测量照准目标的位置并同时还取得包括照准目标在内的图像用的测量装置、和从多个不同的方向取得包括所述照准目标在内的测量对象物的图像用的摄像装置，

还具有运算处理装置，该装置用于：根据利用所述测量装置测量的至少3点的基准点位置和利用所述摄像装置拍摄的图像，算出所述摄像装置的倾斜等，根据由所述测量装置测量的照准点的位置，算出所述摄像装置的倾斜等，将所述照准点作为对应点进行所述摄像装置的图像还配，使所述测量装置测得的照准点的位置和进行所述还配的图像上的照准点相关联，根据这一关联来计算所述测量对象物的三维坐标数据。

7.一种电子存储媒体，其特征在于，

所述电子存储媒体为FD、CD、DVD、RAM、ROM、存储卡等，它们存储着一系列包括以下步骤的程序，即，读取测量装置测得的照准目标的距离数据和角度数据；读取多台摄像装置从不同方向拍摄的包括所述照准目标在内的图像数据；根据测量到的至少3点基准点的位置和利用所述摄像装置拍摄的图像算出所述摄像装置的倾斜等；根据由所述测量装置测量到的照准点的位置算出所述摄像装置的倾斜；将所述照准点作为对应点对所述摄像装置的图像进行还配；使所述测量装置测量的照准点位置和进行所述还配的图像上的照准点相关联；以及根据这一关联来计算所述测量对象物的三维坐标数据。

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