JP2001133225A - デジタルカメラを用いる寸法,形状の計測方法 - Google Patents

デジタルカメラを用いる寸法,形状の計測方法

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JP2001133225A JP31123299A JP31123299A JP2001133225A JP 2001133225 A JP2001133225 A JP 2001133225A JP 31123299 A JP31123299 A JP 31123299A JP 31123299 A JP31123299 A JP 31123299A JP 2001133225 A JP2001133225 A JP 2001133225A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度の形状,寸法計測を可能にすること。 【解決手段】 被計測対象物Wを計測する際には、CC
Dカメラなどのデジタルカメラで撮像し、得られた撮像
画面から計測点1〜6を抽出する。計測点1〜6が抽出
されると、撮像画面の画素(ピクセル)pijの大きさか
ら、各計測点1〜6の座標値(x1〜x6,y1〜y6)を演
算する。再生撮像画面には、レンズ系に収差が含まれて
いるので、各計測点1〜6の座標値(x1〜x6,y1
6)に歪曲収差補正を施す。この歪曲補正は、予め設定
される多次元の多項補正式で近似することにより実施さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、デジタルカメラ
を用いる寸法,形状の計測方法に関し、特に、この種の
計測方法における計測精度を向上させる方法に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】CCDなどのデジタルカメラを用いる画
像計測は、工業製品の検査,加工管理などに用いられて
いて、主として、それほど高度の計測精度を要求されな
い分野に利用されている。
【0003】ところで、この種の画像計測は、非接触で
の計測が可能なので、例えば、橋梁などの構造物の経時
的な変位計測など、手の届かない部位や、危険な部位で
の高精度な計測に用することが期待されている。
【0004】しかしながら、従来のデジタルカメラを用
いる画像計測を高度の計測精度が要求される分野に適用
するには、以下に説明する技術的な課題があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】すなわち、従来の画像
計測では、撮像によって得られた撮像画像データから計
測点を抽出し、計測点間の画素数を計数し、得られた計
数値に画素の大きさを乗算することにより、計測点間の
長さなどを求めている。
【0006】ところが、CCDなどのデジタルカメラ
は、画素数の増大化などにより高精度化が図られている
ものの、レンズ系を有していて、撮像された画面は、レ
ンズ系の収差の影響を受けて樽型ないしは糸巻型に屈曲
しており、これをそのまま計数すると、収差に基づく誤
差が含まれていて、高精度の計測値が得られないという
問題があった。
【0007】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的とするところは、高
精度の計測が可能なデジタルカメラを用いる寸法,形状
の計測方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、被計測対象物をデジタルカメラで撮像
し、撮像によって得られた撮像画面データと、前記デジ
タルカメラの画素の大きさとに基づいて、前記被計測対
象物の寸法,形状を計測する方法において、前記撮像デ
ータから計測点を抽出し、抽出した前記計測点の計測値
に歪曲収差補正を施し、得られた前記計測点の補正値に
基づいて、前記計測対象物の形状,寸法を計測するよう
にした。このように構成したデジタルカメラを用いる寸
法,形状の計測方法によれば、抽出した計測点の計測値
に歪曲収差補正を施し、得られた計測点の補正値に基づ
いて、計測対象物の形状,寸法を計測するので、高精度
の計測が可能になる。前記計測点は、前記被計測対象物
の角部などの偏極点であって、各計測点間の長さを計測
することにより、前記計測対象物の形状を計測すること
ができる。この構成によると、歪曲収差補正をした高精
度の形状計測が可能になる。前記計測対象物に間隔値が
既知で、撮像可能な計測基準点を設定し、前記デジタル
カメラで前記計測基準点を撮像し、撮像画面上の前記計
測基準点間の間隔計測値を求め、前記間隔値と前記間隔
計測値との関係に基づいて、撮像の収縮率を演算し、得
られた収縮率に基づいて、前記計測点間の長さを実物相
当長に変換することができる。この構成によれば、撮像
画像データから撮像の収縮率が求められるので、簡単
に、計測点間の長さを実物相当長に変換することができ
る。前記計測点は、前記計測対象物に設置した撮像可能
な複数から構成され、不動位置に基準点を設定し、この
基準点から各計測点との間の距離を時間を異ならせて計
測して、前記計測対象物の経時的な変形量を計測するこ
とができる。この構成よれば、複数の計測点を橋梁など
の構造物に設置すると、この種の構造物の経時的な伸
長,収縮などの変形計測が高精度に行える。前記歪曲収
差補正は、間隔値が既知の複数のターゲットマークが表
示されたキャリブレーション板を前記デジタルカメラに
より撮像し、撮像された画面上の前記ターゲットマーク
間の計測値と前記既知間隔値とに基づいて、予め、多次
元多項補正近似式のパラメータを決定し、この多次元多
項補正近似式から前記補正座標値を求めることができ
る。このような構成を採用すると、撮像された画面上の
前記ターゲットマーク間の計測値と既知間隔値とに基づ
いて、予め、多次元多項補正近似式のパラメータを決定
し、この多次元多項補正近似式から、歪曲収差補正を施
した補正座標値を求めるので、デジタルカメラの撮像条
件に依存しない、絶対的な歪曲収差補正が行える。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図1か
ら図10は、本発明にかかるデジタルカメラを用いる寸
法,形状の計測方法の一実施例を示している。
【0010】同図に示した計測方法は、被計測対象物W
の形状を計測する際に本発明を適用した場合を示してい
る。図1〜図4は、計測方法を実施する際の手順を時系
列順に示した手順説明図であって、この実施例では、被
計測対象物Wは、図1に示すように、正方形の左上部を
一部切欠した形状になっている。
【0011】被計測対象物Wの四周には、間隔値x0,y
0が既知の4個の基準点A〜Dが、デジタルカメラで撮
像可能な状態で設置されている。この被計測対象物Wを
計測する際には、CCDカメラなどのデジタルカメラで
撮像する。
【0012】図2は、デジタルカメラで被計測対象物W
を撮像し、撮像によって得られた撮像画面データを再生
した撮像画面が示されている。被計測対象物Wの形状を
計測する際には、まず、得られた撮像画面から計測点1
〜6を抽出する。
【0013】本実施例の場合には、計測点1〜6は、被
計測対象物Wの角部であって、外形線の偏極点になって
いるので、この部分を、直線除去やメデイアンフィルタ
などの各種のフィルタ処理を行うことにより、公知の画
像処理を施すことで自動的に抽出する。
【0014】計測点1〜6が抽出されると、撮像画面の
画素(ピクセル)pij(i=1〜m、j=1〜nであって、例
えば、ピクセル数が600万画素のCCDカメラでは、
i=1〜3060、j=1〜2036となる)の大きさか
ら、各計測点1〜6の座標値(x 1〜x6,y1〜y6)およ
び各計測点1〜6の間隔(a〜f)を演算することにな
る。
【0015】この演算に際しては、1画素(ピクセル)p
ijの大きさは、例えば、ピクセル数が600万画素のC
CDカメラでは、一辺が0.009mmの大きさの正方
形になっているので、撮像画面の中心を原点とする二次
元座標系X',Y'を想定して、各計測点1〜6の座標値(x
1〜x6,y1〜y6)を求め、その後この座標値を用いて各
計測点1〜6の間隔(a〜f)を演算する。
【0016】ところが、図2に示した再生撮像画面で
は、一般に、デジタルカメラにレンズ系が用いられてい
て、そのレンズ系に収差が含まれているので、撮像画面
に樽型ないしは糸巻型の歪曲が発生し、変形した状態に
なっている。
【0017】従って、歪曲が発生している状態で、各計
測点1〜6の座標値(x1〜x6,y1〜y6)および各計測
点1〜6の間隔(a〜f)を演算すると、これらの値に歪
曲誤差が含まれ、高精度の形状計測が行えない。
【0018】そこで、本実施例では、各計測点1〜6の
座標値(x1〜x6,y1〜y6)に歪曲収差補正を施すよう
にした。この歪曲補正は、予め設定される歪曲収差率に
基づく補正曲線か、あるいは、多次元の多項補正式で近
似することにより実施される。
【0019】図5および図6には、デジタルカメラの歪
曲収差補正を求める場合の一例が示されている。これら
の図に示した方法では、図5に示すようなキャリブレー
ション板Cを用いる。
【0020】キャリブレーション板Cには、同図に示し
た寸法の位置に、正確に描かれた合計5個のターゲット
マークTA〜TEが設けられている。各ターゲットマー
クTA〜TEは、白色板紙に所定直径の真円を黒色に描
いたものである。
【0021】複数のキャリブレーション板Cは、所定の
間隔を隔てて、鉛直壁上にm列,n行になるように縦横
に配置し、これを所定の撮影距離Lの地点からデジタル
カメラ14で撮像する。
【0022】壁上に配置した各キャリブレーション板C
の2次元位置は、図7に示すように、m列,n行に配置
された中央のキャリブレーション板Ci,jのターゲット
マークTAi,jを原点とするX,Y系の二次元座標値とし
て、誤差が±1mm程度のレーザートランシットにて計測
されている。
【0023】レーザートランシットは、水準器により計
測して、地面と平行になるように三脚16上に設置して
ある。デジタルカメラ14は、中央のキャリブレーショ
ン板Ci,jのターゲットマークTAi,jの方向に光軸が向
くようにして、同じ配列のキャリブレーション板Cを撮
像する。
【0024】図8にデジタルカメラ14によりターゲッ
トCを撮像した際の撮像画面の要部が示されている。カ
メラ14による撮像画面では、ピクセルpijの中心を原
点とするX',Y'系の二次元座標により各ターゲットマ
ークTA'i,jなどの座標値が求められる。この場合、タ
ーゲットマークTA〜TEの撮像画面上での大きさは、
例えば、600万画素のCCDカメラを用い、撮影距離
が約15mで撮影すると、レンズの画角から、1画素の
間隔は、撮像画面上で約4mmの換算になるので、例え
ば、ターゲットマークTA〜TEの大きさが50mmの
円形であると、約10〜13画素の大きさを占める。
【0025】そこで、ターゲットマークTA〜TEの中
心位置は、撮像画面上での円形の重心上に設定する。こ
の場合、ターゲットマークTA〜TEは、黒色で描かれ
ているので、閾値処理を行うことにより、図形を明確に
してから重心位置を決定する。
【0026】この場合、デジタルカメラ14を中央のキ
ャリブレーション板Ci,jのターゲットマークTAi,j
方向に光軸が向くように配置したとしても、光軸の中心
とピクセルpijの中心との間に、図8に示すようなズレ
Tが生じる。
【0027】このズレTは、ピクセルpijの中心を原点
として、キャリブレーション板Ci, jのターゲットマー
クTAi,jの座標を求めれば決まり、ズレTが決定する
と、ターゲットマークTA'i,jなどの座標値をこれで補
正し、座標系のズレに基づく誤差をなくす。
【0028】このような座標系の誤差補正が終了する
と、図7に示す実測に基づく像高h1〜h5と、これに
対応する撮像画面上の像高h1’〜h5'をそれぞれ求
め、これらの値に基づいて、歪曲収差率が以下の式で求
められる。
【0029】 歪曲収差率(%)=100×(h'−h )/h このような歪曲収差率をX',Y'軸に沿って順次求めて
いくと、図9に示すような、歪曲収差率の補正曲線が得
られる。図9には、キャリブレーション板Cを、撮影距
離15m,10m,5mの地点でそれぞれ600万画素のC
CDカメラで撮像して得られた3種類の補正曲線が示さ
れている。
【0030】なお、図9において、横軸は、歪み後の像
高であって、撮影距離5mにおける像高11mmの以上
の部分を除けば、理論値と比較して大きなずれがないこ
とが判った。
【0031】このような補正曲線をあらかじめ求めてお
くと、デジタルカメラ14により計測対象物Wを撮像し
た際の計測値をこの補正曲線に当てはめて補正すること
ができ、このような補正値を用いると、画像計測の精度
を向上させることができる。ところが、以上のようにし
て求められる歪曲収差率の補正曲線は、デジタルカメラ
14の撮像距離によって異なるし、また、デジタルカメ
ラ14の画角の方向が異なった位置に向けられると変化
し、実際の歪曲収差補正に採用すると、再現性に問題が
ある。
【0032】そこで、これらの条件に左右されることな
く、撮像距離による依存性のない歪曲収差の補正方法と
して、多次元多項式により補正曲線を近似することがで
きる。
【0033】本実施例では、歪み後の像高h’を歪み前
の像高hに直す関数として、以下の5次元の多項補正式
を設定した。 h=ah’5+bh’5+ch’4+dh’3+eh’ この補正式の各パラメータを求めるためには、図8に示
す、撮像画面上に5点以上の測点を設定し、各測点に置
ける像高h1'〜h5’と、これに対応する図7に示す実
測像高h1〜h5とをそれぞれ求め、これらの値を代入
した式を5以上得て、最小二乗法を用いて、最も近似し
た値が得られるパラメータを決定する。
【0034】図10は、実際にキャリブレーション板C
を、撮影距離15mで、600万画素のCCDカメラで
撮像し、上記方法によりパラメータを決定して、歪曲収
差補正をした場合と、補正をしない場合との、実測値と
の間の誤差を示している。
【0035】図10に示した結果からも明らかなよう
に、歪曲収差補正をしないと、中心からの距離が約6m
程度で、約100mmほどの誤差が生じているが、収差
補正を行うと、±10mm以内に誤差が収まることが判
る。
【0036】以上のような、歪曲収差の補正方法によれ
ば、撮像された画面上のターゲットマーク間の計測値と
既知間隔値とに基づいて、予め、多次元多項補正近似式
のパラメータを決定し、この多次元多項補正近似式か
ら、歪曲収差補正を施した補正座標値を求めるので、デ
ジタルカメラ14の撮像条件に依存しない、絶対的な歪
曲収差補正が行える。
【0037】以上のようにして予め設定される歪曲収差
率の補正曲線、または、5次元の多項補正式により、各
計測点1〜6の座標値(x1〜x6,y1〜y6)を補正する
と、各計測点1〜6の補正座標値(x1'〜x6',y1'〜y
6')が求められ、この補正座標値(x1'〜x6',y1'〜
6')に基づいて、各計測点1〜6の間隔(a〜f)を演
算し、これを画面上に表示させた状態が図3に示されて
いる。
【0038】図3に示した被計測対象物Wの形状は、補
正前の座標値(x1〜x6,y1〜y6)で示した形状に対し
て、歪曲収差が補正されているので、実際の形状に近く
なり、高精度の形状計測が行われる。
【0039】図4は、被計測対象物Wとともにその外周
に設置されている4個の基準点A〜Dを同じに撮影表示
した状態を示している。この場合、各基準点A〜Dの間
隔値x0',y0'は、各計測点1〜6の座標値と同様な歪
曲収差補正が行われた値である。
【0040】このような間隔値x0',y0'が求められる
と、実際の基準点A〜D間の隔値x0,y0が既知なの
で、これらの値からデジタルカメラで撮像された画面の
収縮率を求めることができる。
【0041】そして、収縮率が求められると、各計測点
1〜6の間隔(a〜f)にこれを乗算することにより、実
物相当長が求められるので、例えば、被計測対象物Wの
形状検査などに適用すると、高精度の検査が可能にな
る。
【0042】なお、上記実施例では、形状計測の特徴点
として、被計測対象物Wの角部に計測点1〜6を設定し
た場合を例示したが、特徴抽出は、角部に限ることはな
く、例えば、被計測対象物Wの任意の線分の、任意の位
置に撮像堪能なターゲットを貼付して、これを計測点と
してもよい。
【0043】図11は、本発明にかかる寸法,形状の計
測方法の他の実施例を示しており、同図に示した実施例
は、本発明を変形量の計測に適用する場合を示してい
る。本実施例の場合には、被計測対象物に、不動位置に
基準点sを設定し、かつ、計測点1〜3を設定する。基
準点sおよび計測点1〜3は、デジタルカメラで撮像可
能なものであって、これらが同時に同じ画面に現れるよ
うにして撮影する。
【0044】そして、まず、時刻t0にデジタルカメラ
により計測対象物を撮影して、得られた撮像画面データ
から、基準点sと各計測点1〜3を抽出し、基準点sから
各計測点1〜3までの距離a〜cを計測する。
【0045】この距離a〜cを計測する際には、上記実
施例と同様に基準点sおよび各計測点1〜3の画面上の座
標値を演算するが、演算によって得られた座標値は、上
記実施例と同様に、予め設定されている多次元多項補正
式により、歪曲収差補正が施され、補正された座標値に
より距離a〜cが求められる。
【0046】次に、時刻t0から時間が経過して、時刻
1になると、デジタルカメラにより計測対象物を撮影
して、得られた撮像画面データから、基準点sと各計測
点1〜3を抽出し、基準点sから各計測点1〜3までの距離
a'〜c'を計測する。
【0047】この距離a'〜c'を計測する際にも、基準
点sおよび各計測点1〜3の画面上の座標値を演算する
が、演算によって得られた座標値は、時刻t0のときと
同様に、予め設定されている多次元多項補正式により、
歪曲収差補正が施され、補正座標値を用いて距離a'〜
c'が求められる。
【0048】このようにして、時刻t0およびt1におけ
る距離a〜cおよび同a'〜c'が求められると、対応す
る距離値を減算することにより、計測対象物の時刻t0
から時刻t1までの間の変位量を求めることができる。
【0049】なお、この変位量の計測では、時刻t0
同t1におけるデジタルカメラの設置位置を全く同じ位
置にするか、あるいは、設置条件が異なる場合には、上
記実施例と同様に、計測対象物に基準点A〜Dを設置し
ておき、時刻t0と同t1に撮像した画面同士で基準点A
〜Dの間隔値が同じ値になるように補正するようにして
もよい。
【0050】以上のような経時的な変位量の計測は、例
えば、図12に示すように、橋梁の橋桁の側面に、デジ
タルカメラで撮像可能な複数の計測点1〜nを設定し、
不動位置に基準点sを設定して、時間の経過に応じて複
数の撮像画像データを得ることにより、橋桁上に重量物
が載った際の撓みや、橋桁の長手方向の経時的な変位を
計測することができる。
【0051】なお、このような変位計測においては、撮
影画面上に複数の不動点(基準点s)が撮像されているこ
とが望ましく、このような条件で撮像すると、不動点の
座標値が基準座標値になり、不動点間の長さを基準長さ
とすることができる。
【0052】また、図13に示すように、岩盤の傾斜面
にデジタルカメラで撮像可能な複数の計測点1〜nを設
定し、不動位置に基準点sを設定し、時間の経過に応じ
て複数の撮像画像データを得ることにより、岩盤傾斜面
の経時的な変位を計測することができる。
【0053】さらに、図14に示すように、トンネルの
掘削断面に沿ってデジタルカメラで撮像可能な複数の計
測点1〜nを設定し、不動位置に基準点sを設定し、時
間の経過に応じて複数の撮像画像データを得ることによ
り、トンネル内空面の経時的な変位を計測することがで
きる。
【0054】さて、以上のようにして行う寸法,形状の
計測方法によれば、歪曲収差補正をした補正座標値を用
いて、経時的な変位量を求めるので、高精度の変位計測
が可能になる。
【0055】また、本実施例のように、デジタルカメラ
で撮像可能な複数の計測点を橋梁などの構造物に設置す
ると、この種の構造物の経時的な伸長,収縮などの変形
計測が高精度に行えるとともに、手が届かず、危険な場
所での変位計測を可能にする。
【0056】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
かかるデジタルカメラを用いる寸法,形状の計測方法に
よれば、高精度の計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる計測方法が適用される計測対象
物の一例を示す説明図である。
【図2】図1の計測対象物をデジタルカメラで撮像し
て、再生した画像の説明図である。
【図3】図2の画像を歪曲収差補正した後の説明図であ
る。
【図4】図1の計測対象物の周囲に基準点を設定し、こ
の基準点とともに計測対象物を撮像し、得られた画像に
歪曲収差補正を施した後の説明図である。
【図5】本発明の計測方法で行う歪曲収差補正の計測に
用いるキャリブレーション板の平面図である。
【図6】図5に示したキャリブレーション板をデジタル
カメラで撮影する際の説明図である。
【図7】図5に示したキャリブレーション板の配置状態
の要部説明図である。
【図8】図5に示したキャリブレーション板をデジタル
カメラで撮影際の撮像画面の要部説明図である。
【図9】図6に示した撮影において、撮影距離を異なら
せた場合の歪曲収差率の変化を示すグラフである。
【図10】本発明の計測方法で採用する歪曲収差補正を
行った場合と、行わない場合の誤差を示すグラフであ
る。
【図11】本発明にかかる計測方法の他の実施例の説明
図である。
【図12】図9に示した実施例のより具体的な実施状況
の説明図である。
【図13】図9に示した実施例のより具体的な実施状況
の説明図である。
【図14】図9に示した実施例のより具体的な実施状況
の説明図である。
【符号の説明】
TA〜TE ターゲットマーク C(Ci,j) キャリブレーション板 14 デジタルカメラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G06F 15/70 350M (72)発明者 大内 一 東京都清瀬市下清戸4−640 株式会社大 林組技術研究所内 (72)発明者 橋本 周司 千葉県市川市八幡1−13−19 Fターム(参考) 2F065 AA03 AA09 AA22 AA51 AA65 CC40 EE08 FF01 FF04 FF61 JJ03 JJ26 PP21 QQ17 QQ25 QQ33 RR06 5C022 AA01 AA13 AB51 AC76 5L096 BA08 CA02 EA07 FA12 FA64 FA70

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被計測対象物をデジタルカメラで撮像
    し、撮像によって得られた撮像画面データと、前記デジ
    タルカメラの画素の大きさとに基づいて、前記被計測対
    象物の寸法,形状を計測する方法において、 前記撮像データから計測点を抽出し、 抽出した前記計測点の座標値に歪曲収差補正を施し、 得られた前記計測点の補正値に基づいて、前記計測対象
    物の形状,寸法を計測することを特徴とするデジタルカ
    メラを用いる寸法,形状の計測方法。
  2. 【請求項2】 前記計測点は、前記被計測対象物の角部
    などの偏極点であって、各計測点間の長さを計測するこ
    とにより、前記計測対象物の形状を計測することを特徴
    とする請求項1記載のデジタルカメラを用いる寸法,形状
    の計測方法。
  3. 【請求項3】 前記計測対象物に間隔値が既知で、撮像
    可能な計測基準点を設定し、前記デジタルカメラで前記
    計測基準点を撮像し、撮像画面上の前記計測基準点間の
    間隔計測値を求め、 前記間隔値と前記間隔計測値との関係に基づいて、撮像
    の収縮率を演算し、得られた収縮率に基づいて、前記計
    測点間の長さを実物相当長に変換することを特徴とする
    請求項2記載のデジタルカメラを用いる寸法,形状の計測
    方法。
  4. 【請求項4】 前記計測点は、前記計測対象物に設置し
    た撮像可能な複数から構成され、不動位置に基準点を設
    定し、この基準点から各計測点との間の距離を時間を異
    ならせて計測して、前記計測対象物の経時的な変形量を
    計測することを特徴とする請求項1記載のデジタルカメ
    ラを用いる寸法,形状の計測方法。
  5. 【請求項5】 前記歪曲収差補正は、間隔値が既知の複
    数のターゲットマークが表示されたキャリブレーション
    板を前記デジタルカメラにより撮像し、 撮像された画面上の前記ターゲットマーク間の計測値と
    前記既知間隔値とに基づいて、予め、多次元多項補正近
    似式のパラメータを決定し、この多次元多項補正近似式
    から前記補正座標値を求めることを特徴とする請求項1
    〜4のいずれか1項に記載のデジタルカメラを用いる寸
    法,形状の計測方法。
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