JP2001524211A - レーザーを用いた３次元物体計測システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、３次元物体や複雑な表面をレーザーを用いて計測するシステムに関する。本発明によれば、３次元物体とは、好ましくは、建物の内部または複雑な表面を有する地質学的なくぼみである。本発明は、合理化に対してかなり貢献し、この種の計測動作において精度を向上させる。知られているパルス動作時間方法において、距離は、送信器から計測点に到達して戻ってくるレーザーパルスによって計測される。計測ファンは、レーザーパルスの出射時に発生する。本発明によれば、計測ファン（１１）は、３次元領域をカバーするために、一定の速度で段階的に３６０°回転させなければならない。壁においては、２００，０００の計測点まで取得できる。計測データの妥当な評価が行われ、これにより３Ｄワイヤーモデルを構築することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 レーザーを用いた３次元物体計測システム 技術分野 本発明は、３次元物体および複雑な表面をレーザーを用いて計測するシステム に関する。本発明によれば、３次元物体とは、好ましくは、中央の階段吹き抜け や廊下を有する建物の内部空間であり、すなわち地下室から屋根裏までの内部空 間全てである。さらに複雑な表面を有する地質学的なくぼみもさらなる例として 挙げられ、その計測はレーザーを用いたこの新しい計測システムにより可能であ る。 背景技術 建築、建設業、鑑定人、および修復技術者といった職種においては、また計測 会社、地質学者、および考古学者にとっても、既成の内部空間（いわゆる「寸法 取り」）または自然のくぼみのマニュアルによる計測は、頻繁に生じ、またかな りの時間と人的な労力を必要とする極めて煩雑な作業プロセスである。これに加 えて、「人間」という要因による誤りや計測の不正確さが発生し、これらは繰返 し計測することによってしか修正は不可能である。これら一連のことから、マニ ュアルによって不十分な数の計測点しか検出されない通常用いられる計測方法で は、変形状態を忠実に表現するという意味からすれば、より一層不正確になるこ とが避けられないのは確実 である。 ここ数年来では、建物の計測が写真計測法により行われていることが知られて いる。この方法については、以下のことが確認されている。 ・デジタル化された写真として入手できる計測の評価は、現時点では部分的にし か自動化されておらず、根本的には、物体の境界（目視可能な端部およびくぼみ ）の認識および検出はマニュアルで行われている。 ・開口角度が限定されていること、および／または開口角度が大きい（「魚眼」 ）場合には境界が強く歪曲することにより、ほとんど正面だけまたは建築上の細 部のみが測定される。 ・マニュアルによる労力が大きく、またそれに伴うコストは非常に高額である。 さらに、現時点で使用可能な計測方法では、１作業日につき最大で３０００の計 測点の検出ができるだけである。 レーザー技術と関連づけた１つの計測方法はパルス動作時間法である。この方 法では、極めて短い光誘導パルスがレーザー源から出射され、大きい角速度で回 転する鏡を通して偏向させられる。この光誘導パルスは、最長５０メートル離れ て配置された計測物体によって反射され、受信器によりレーザースキャナに記録 される。出射（送信）から受信までの間の時間が計測され、それにより、スキャ ンされた計測物体までの距離が、スキャンされた各面上の全ての光線および全て の点に対して検出される。送信器から計測点に到達し、受信器に戻ってくる個別 の光誘導パルスを用いたこの計測方法は「パルス動作時間法」と称される。 これと関連して、「レーザーを用いた距離計測」というタイトル のＤＥ ４３ ４０ ７５６ Ａ１を参照されたい。レーザーレーダーは、制御 された光誘導パルスを計測範囲に出射するパルスレーザーと、この計測範囲内に 配置されている物体によって反射された光誘導パルスを受信する光受信装置と、 光の速度を考慮し、物体の距離に特有である距離信号を検出するために光誘導パ ルスの送信から受信までの時間を用いる評価回路とを備えている。計測範囲とパ ルスレーザーとの間には光偏向装置が配置され、この装置は、角度を増加して変 化させながら光誘導パルスを計測範囲にガイドし、また同時に、瞬間的な角度位 置を示す角度位置信号を評価回路に出力する。この評価回路は、計測範囲内にあ る物体の場所を検出するために距離信号および角度位置信号を用いている。 半円にわたる平面内において得られる距離値の量を以下「計測ファン」と呼ぶ 。 引用した例は、デジタルカメラやレーザー技術のような高度な装備と技術を適 用することによって、合理的にまた十分な精度で、例えば寸法取りの際に必要と され、変形に合致している３次元空間を計測することが不可能であることを示し ている。比較的大きな３次元物体の場合に、その３次元物体の全ての寸法をさら なる処理に提供できるように、集積化されたデータシステムにおいてオフィスで 正確な計測値を編集することは不可能である。既に述べたように、デジタル化さ れた写真（部分的にのみ自動化が可能）を評価することもこのような物体を計測 する際の根本的な簡易化とはならない。 ＤＥ ４２ １０ ２４５ Ｃ２には、地形をスキャンするために飛行物体用 地形計測撮影システムが記載されている。これは、計測されたデータを評価する ための絶対座標を必要とする地形計測方 法である。これは、ＧＰＳシステムおよび航空機に装備されているＩＮＳ（Ｉｎ ｅｒｔｉａｌｅｓ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｓｙｓｔｅｍ、慣性航行システム） で利用されている。従来技術については、上述のＤＥ ４２ １０ ２４５ Ｃ ２においては、後の信号準備段階において一致した画素を探索することにより、 ６つの自由度全てにおいて評価のために必要な飛行方位データを計算するため、 また立体画像ストリップまたは上空を飛行した地形の３次元モデルをデジタル形 式で作成するため、この画素信号を用いることが可能であることが記載されてい る。ＤＥ ４２ １０ ２４５ Ｃ２に従ったこの発明による従来技術の改良に おいても、また同様に絶対座標は必要である。立体画像ストリップの計算のため の一致した画素の探索が後の信号処理段階においてリニアアレイカメラや距離セ ンサによって行われる。しかし、一致した画素の相関関係を求めるには、非常に 大きな計算労力が要求され、また、どのようにしてこの状況を救済するかについ ての提案が成されている。 この方法において、地形計測撮影システムは平行なストリップにおける計測を 行う。これは、３次元（３Ｄ）内部空間の視覚化および計測のためには決して適 したものではない。 発明の開示 本発明は、単一の自動化された光学計測およびコンピュータ支援評価がなされ 、またそれにより全ての計測データ（複雑な物体においても）を利用できる好ま しくは内部空間のための計測システムを提案することに基づいている。さらにこ れと関連して、本発明は、デジタル計測値から３Ｄ空間の完全な視覚化を可能と することに基 づいている。 本発明によれば、これらは以下に記述するように解決され、ここで本発明の根 本的な解決法は請求の範囲第１項において説明されている。本発明のさらなる優 位な実施形態は、請求の範囲第２項から第６項において記載されている。 上記に加えて、本発明によるシステムについては次のようなことが説明される 。計測ファンは、垂直に配置され、水平に移動する。この動作の形態により、計 測点までの距離を含む、球形周囲の限定された平面上に格子状の構造に配置され た多数の点が生じる。 ３次元空間をカバーするためには、計測ファンを３６０°回転しなくてはなら ない。実際の応用において要求される精度にとって必要である多数の計測点を得 るためには、この計測ファンの回転中において０．２５°の計測距離を使用すべ きである。 各計測ファンによる計測データは、実時間で制御コンピュータに伝送される。 得られた多数の計測データや、評価ソフトウェアで実行される統計上の平均化に より、全方位計測において許容可能な時間で実用上重要な精度が達成される。回 転装置に速度の変化を与えるシステムで、完全な内部空間の総計測時間は約４分 である。このことにより、この計測プロセスを現地での要求に適合させることが できる。記述したプロセスによれば、各計測値はデジタル化することができ、ま た隣接点とは数学的な相関関係にある。内部空間の外側（シェル）表面によって 形成されてなる一群の点の評価は、これらの点を群（クラスタ）に割り当てるこ とによって行われる。これらの相関関係は、２次元に戻すことにより表面構造で 数学的に記録される。これにより、空間内のある平面の分析的な表現が形成され る。位置および勾配に応じて、異なるタイプの平面の定義付けが可能である。全 ての平面は組合わされ、それらの平面の断面は、変形に合致しているＣＡＤ図面 として寸法を備えた３次元ワイヤモデルを構成する直線となる。 レーザースキャナを用いた全方位計測と並行して、計測すべき空間がさらには デジタルカメラを用いてカバーできる。このデジタル画像は、「計測データの評 価」の作業ステップにおいて、また物体データの可能な再処理中においても、追 加的な情報を提供することが可能である。さらには、計測した物体の写真的な表 現を物体データの表現中に補完的に生成することができる。 図面の簡単な説明 第１図は計測システムのブロック図である。 第２図は計測ファンの移動を示す水準測定装置を示す図である。 第３図は計測点の配置を示す図である。 発明を実施するための最良の形態 以下、本発明を説明するための実施の形態を記述する。 パルス動作時間方法に従って動作するレーザースキャナ１は、与えられた物体 の距離を±１ｍｍの精度で直径２００ｍの範囲を計測することができる。計測プ ロセス中のレーザースキャナ１の適切な制御に応じて、ある空間の全ての表面が 個別に計測される。第２図において、どの光誘導パルスがファン状表現（計測フ ァン１１）のためには必要か、またどのような計測ファン１１が３６０°回転す るのかがわかる。 三脚５は、水準測定装置４、レーザースキャナ１のための記録（撮影）装置３ 、およびビデオカメラ２（デジタルカメラ）を保持する。これらの構成要素間の 構成要素接続１０は、機械的な接続によって行われる。 第１図によれば、エネルギーの流れ８は電源７から開始することがわかる。情 報の流れ９は、制御コンピュータ６と自動水準測定装置４との間、制御コンピュ ータ６と記録装置３（電気駆動）との間、および制御コンピュータとレーザース キャナ１、さらにはビデオカメラ２との間で生じる。位置符号１２は、不正確で ある場合における自動遮断および「０」＝スタートにリセットすることを示して いる。 記録装置が０．２５°のステップで連続的に３６０°回転することが強調すべ き点である。この回転中において、計測ファンの方向は、回転の水平方向に対し て直交してはおらず、第３図に図示されている通りである。連続して実行された 多数の計測が同一の点に到達するのではないということにより、レーザースキャ ナ内部で実行された計測データの平均化を利用することができない。しかし、多 数の計測データが得られることにより、評価ソフトウェアによる統計的な平均化 が可能である。従って、この評価により、結果の妥当な精度が達成される。 計測データの評価は、これらの取得時間とは完全に独立して評価コンピュータ において実行される。評価プログラムは（必要に応じてエディタでのダイアログ において）、物体の各個別要素の認識を実行する。それを実行する場合、計測点 はある空間の限定された表面に割り当てられる。このプロセスにおいて、計測デ ータのばらつ きも考慮され、また豊富な数量の材料（１つの壁につき約１００，０００から２ ００，０００の値）の平均値を得ることにより精度が向上する。 複雑な構造の場合や、隣接する計測の開始点などのような重要な計測点の場合 には、エディタは、モニタすることができ、また、もし必要であるならば、計測 された値およびすでに認識された要素に同期して画面に表示されるデジタルカメ ラで得られた写真と比較することによって解釈を修正することができる。 個別の各空間のデータは互いに組合わされ、物体全体のモデルに統合される（ これにより、例えば、隣接する空間の限定された面がこれらの空間の間の壁とな る）。１つの空間内にいくつかの開始点がある場合には、同様な手順が適用され る。作成されたモデルは、さらに別途使用するために加工処理される。全ての壁 は、基本的な幾何学形状から構成される個別の各セグメントに分解される。それ を行う間、統合された要素が認識される。加えて、エディタは、ダイアログ機能 を通してこのプロセスを操作することができる。この作業ステップの結果は、計 測された物体を３次元（３Ｄ）図として表現でき、また例えばオートキャド（Ａ ｕｔｏＣａｄ）プログラムで直接利用することができる「ＤＸＦ」フォーマット でのデータファイルである。 使用した参照符号は次のような意味である。 １ レーザースキャナ ２ ビデオカメラ ３ 記録（撮影）装置 ４ 水準測定装置 ５ 三脚 ６ 制御コンピュータ ７ 電源 ８ エネルギーの流れ ９ 情報の流れ １０ 構成要素接続（機械的接続） １１ 計測ファン １２ 自動遮断

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＵ，ＣＡ ，ＣＮ，ＣＺ，ＪＰ，ＫＲ，ＰＬ，ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．計測ファンにおいてレーザー誘導パルスを送信しおよび受信することによっ て、パルス動作時間法を考慮した３次元物体、好ましくは内部空間のためのレー ザーを用いた計測システムであって、 レーザースキャナ（１）は、前記レーザー誘導パルスを送信しおよび受信し、 前記レーザー誘導パルスにより形成される半円状の計測ファン（１１）が一回３ ６０°回転し、得られた計測データはデシタル化され、各計測値は隣接する点と は数学的に相関関係にあり、内部空間の外側表面によって形成されてなる一群の 点の評価は、これらの点を群に割り当てることによって行われ、前記相関関係は 、２次元に戻すことにより表面構造で数学的に記録され、ある空間内の平面の分 析的な表現を通して、位置および勾配により異なるタイプの平面が定義付けされ 、それらの平面はその断面が３次元ワイヤモデルを構成する直線となるように組 合わされることを特徴とする計測システム。 ２．前記計測値は、評価コンピュータによりデジタル化されることを特徴とする 請求の範囲第１項に記載の計測システム。 ３．計測される内部空間は、レーザースキャナ（１）によって、および並行して ビデオカメラ（２）によってカバーされることを特徴とする請求の範囲第１項に 記載の計測システム。 ４．前記計測ファン（１１）は、一定の速度で段階的に３６０°回転することを 特徴とする請求の範囲第１項に記載の計測システム。 ５．前記計測ファン（１１）は、０．２５°以下の計測間隔で段階的に３６０° 回転することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の 計測システム。 ６．この計測システム全体は、内部空間をカバーするための異なった位置に配置 されることを特徴とする請求の範囲第４項または第５項に記載の計測システム。