JP2004085550A - Surveying system and method for selecting optimal image - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測量機とカメラとを用いた測量システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来測量においては、測量しようとする点(測点)を含む周囲の風景を測量現場の概観画像として撮影し、撮影された画像を測定データと共に保存することがある。概観画像の撮影は、測量機の回転中心と光学的に等価な位置にカメラの投影中心を配置して行なうことが好ましいが、市販されている通常のカメラをこのように配置することは難しい。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、測量機と光学的に略等価な位置にカメラを配置して撮影された画像を簡便に得ることを目的としている。特に本発明は、測量機の位置に近い位置から画像を撮影できるとともに、測量機に対する測点の方向のみ測定可能な測量機においても、その測量情報から撮影された画像のうち最も測量機に近い位置で撮影された画像を簡単に選別することを目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の測量システムは、複数の位置から測点を含む複数の画像を撮影する画像撮影手段と、測量手段により測定された測点の測量情報と、測点の各画像上の位置情報とに基づいて、複数の画像のうち測量手段が設置された位置に最も近い位置から撮影された画像を選別する最適画像選別手段とを備えたことを特徴としている。
【0005】
測量システムは測量を行なうための測量手段を備え、測量情報は、例えば水平角、高度角等のように測点が存在する方向を表わす角度等の情報に関する。また測量手段は、交叉する第1及び第2の回動軸の周りに回動可能であり、測量手段が設置された位置は、第1及び第2の回動軸の交点として定義される。このとき第1及び第2の回動軸は、それぞれ水平軸及び鉛直軸であることが好ましい。また、画像が撮影される位置は、画像撮影手段の光学系の投影中心として定義される。
【0006】
測量システムは、測量手段により測定された測点の位置を画像上で指定するための入力手段を備え、このとき複数の画像のうちの、第1の画像に対しては、この入力手段により測点の位置が指定される。これに対し、残りの画像に対する測点の位置は、第1の画像とのマッチング処理を各々の画像に施すことにより決定されることが好ましい。これにより、画像上において測点を指定するための作業の多くの部分を自動化することができ、その作業は大幅に簡略化される。
【0007】
最適画像選別手段は、測量手段が設置された位置において各々の画像が撮影されたとしたときの測点に対する測量情報に基づく共線条件と、測点に対する画像上の位置情報に基づく共線条件とのズレに基づいて、測量手段が設置された位置に近い位置で撮影された画像を選別する。これにより、測量情報が測点の方向に関する情報しか持たない場合でも最適な画像を選別することができる。
【0008】
また、最適画像選別手段は例えば、測量手段が設置された位置で所定の方向に向けて各々の画像が撮影されたものとし、測点の測量情報に対する共線条件から測点に対応する画像上の位置を算出する画像位置算出手段と、各画像について,算出された測点の画像上の位置と測点の実際の画像上の位置との距離が最も小さくなる画像撮影方向を算出する撮影方向算出手段とを備える。このとき画像の選別は、画像撮影方向に基づいて算出された測点の画像上の位置と、各画像における測点の実際の位置との間の距離に基づいて行われる。これにより、最適な画像を簡便に選別することができる。
【0009】
また、本発明の画像選別システムは、測点を含む複数の画像において、測点に対応する画像上の位置をそれぞれ指定する位置指定手段と、所定の原点に対する測点の方向を表わす測量情報と位置指定手段により指定された測点の画像上の位置とから、各画像のうち撮影時の光学系の投影中心が所定の原点に最も近い画像を選別する画像選別手段とを備えたことを特徴としている。
【0010】
例えば画像選別手段は、各画像が所定の原点に投影中心を配置して撮影されたものと仮定したときに、測量情報を用いた共線条件から算出される測点の画像上の位置と、位置指定手段により指定された測点の画像上の位置とのズレに基づいて、そのズレを最小にする画像撮影方向を各画像について算出し,その最小のズレを各画像間で比較し,そのズレが最小の画像を選択することにより、撮影時の投影中心が所定の原点に最も近い画像を選別する。
【0011】
更に本発明のカメラ装着装置は、測量機用の三脚に対し、位置及び向きを固定可能な基台部と、基台部に鉛直軸周りに回動自在に保持される鉛直回動部と、鉛直回動部に水平軸周りに回動自在に保持される俯仰部と、カメラが装着され、第1及び第2の方向にカメラを移動可能な雲台部と、雲台部を俯仰部と連絡し、支持する雲台支持部とを備え、雲台支持部は、雲台部を第1及び第2の方向に対して一次独立となる第3の方向に摺動自在に支持し、鉛直軸と水平軸は交叉し、カメラ装着時、カメラは鉛直軸と水平軸が交叉する点を本体内に含むように取り付けられることを特徴としている。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態である測量機とカメラを用いた測量システムの概略を示すブロック図である。
【0013】
測量機10は、例えば電子セオドライト等の測角儀であり、測点に視準するための視準望遠鏡17を備える。視準望遠鏡17は、視準望遠鏡を俯仰させる水平軸Lhと、視準望遠鏡を水平面内で回転させる鉛直軸Lpとを有し、これらの軸の周りに回動可能である。水平軸Lhと鉛直軸Lpとは点OS(以下視準原点OSと呼ぶ)において直交し、視準望遠鏡17の光軸(視準線)LNOは視準原点OSを通る。
【0014】
測角部12はシステムコンロール回路13に接続されており、水平軸Lh周りの高度角θhと、鉛直軸Lp周りの水平角θpとを検出する。すなわち、測角部12は常時角度を測定しておりシステムコントロール回路13からの要求に応じて測定値をシステムコントロール回路13へ送出する。検出された高度角θh、水平角θp等の測定値はシステムコントロール回路13において処理される。システムコントロール回路13には、この他にも、スイッチ群14、表示器15(例えばLCD)、インターフェース回路16等が接続されている。インターフェース回路16には、インターフェースケーブルを介して例えばノート型パーソナルコンピュータ等のコンピュータ40やデータコレクタ(図示せず)等の周辺機器が接続可能である。
【0015】
コンピュータ40は、CPU41を中心にハードディスク、DVD、MO、ICカード等の記録媒体42、マウス43やキーボード44等の入力装置や、LCD、CRT等の画像表示装置(モニタ)45、及びインターフェース回路46から概ねなる。インターフェース46は上述したように、インターフェースケーブルを介して測量機10のインターフェース回路16に接続可能である。また、インターフェース回路46は、例えばデジタルスチルカメラ20に接続可能である。すなわち、デジタルスチルカメラ20で撮影された画像は、デジタル画像データとしてコンピュータ40に伝送することができ、例えば記録媒体42に記録可能である。
【0016】
次に図1〜図4を参照して第1の実施形態の測量システムにおける全体の作業手順について説明する。
【0017】
まず図2は、本実施形態の測量システムにおける全体の作業手順を示すフローチャートである。ステップS101において、オペレータはデジタルスチルカメラ(DSC)20をセオドライト設置台に装置する。ステップS102では、カメラ位置を前後・左右、あるいは上下に少しずつずらして測量現場の概観画像を複数枚(例えばJ枚)撮影する。図3に、測量物を前後・左右に異なる9個の位置から順次撮影した場合(J=9)のそれぞれのカメラ位置▲1▼〜▲9▼を模式的に表わす。なお、デジタルスチルカメラ20のセオドライト設置台への装置方法及びカメラ位置の調整方法に関しては後に詳述する。
【0018】
ステップS103では、デジタルスチルカメラ20がセオドライト設置台から取り外され、電子セオドライト10が装着される。ステップS104において、測量物上の複数の異なる点(例えば3点P1、P2、P3)に対する高度角θhiと水平角θpiがそれぞれ測定される。(またθh、θpは、すでに測定されている値、国土地理院の測量情報、市販されている地理デ−タ等の所与の地理デ−タを使用してもよい。但し、本実施形態で用いる座標系と所与の地理デ−タと座標系が違う場合には座標変換により所与の地理デ−タを本実施形態で用いる座標系の値に変換する必要がある。また逆も可能である)なお、添字として用いられたパラメータiは、電子セオドライト10で測定された各測点を識別するためのものであり、本実施形態の場合i=1、2、3である。図4に、この測量の様子を模式的に示す。ステップS105では、カメラ位置▲1▼〜▲9▼で撮影された画像のうち、カメラの投影中心が、電子セオドライト10の視準原点OSに最も近い位置にあると考えられる画像を選別する最適画像選別処理が実行され、本実施形態の測量作業は終了する。なお、最適画像選別処理については、以下図5のフローチャートを参照して説明する。
【0019】
図5は、ステップS105における最適画像選別処理のフローチャートである。最適画像選別処理は、デジタルスチルカメラ20を用いて位置▲1▼〜▲9▼において撮影された9枚の画像(画像1〜画像9)の画像データと、電子セオドライト10で測定された3つの測点P1〜P3の高度角θhi、水平角θpi等の測量データをコンピュータ40に転送した後、コンピュータ40上において実行される。なお、画像データのコンピュータ40への転送は、図1のようにデジタルスチルカメラ20とコンピュータ40をインターフェースケーブルで接続して行なってもよいし、コンパクトフラッシュ(登録商標)等の取り外し可能なメモリを介して行なってもよい。
【0020】
ステップS201では、例えば画像1をモニタ45に表示し、マウス43等を用いて測点P1〜P3に対応する画像上の位置を指定し、各測点に対応する画像座標(X11,Y11)、(X12,Y12)、(X13,Y13)が取得される。なお、以下において画像座標(Xji,Yji)は、第1の添字jが画像1から画像9を識別するためのパラメータjの値、第2の添字が測点P1から測点P3を識別するためのパラメータiの値を表す。
【0021】
ステップS202では、測点Pi(i=1,2,3)を代表する仮想的な3次元座標(xi,yi,zi)が各測点Piの高度角θhi、水平角θpiから算出される。座標(xi,yi,zi)は、視準原点OSを原点とする任意の3次元座標系で表わされたものであり、視準原点OSと測点Piを結ぶ直線(共線)上の任意の共線ベクトルに対応する。なお、3次元座標系として例えば、高度角θhi、水平角θpiが共に0の方向をy軸、x軸を水平面内に、鉛直上向をz軸とした左手座標系が用いられる。このとき共線ベクトルの大きさをrとすると、3次元座標(xi,yi,zi)の各成分は、
xi=r・cosθhi・cosθpi
yi=r・cosθhi・sinθpi
zi=r・sinθhi
と表わされる。以下この座標系を機械座標系と呼ぶ。
【0022】
次にステップS203で、パラメータjが2に設定され、以下ステップS204〜ステップS212の処理がj=Jとなるまで各画像jに対して繰り返し実行される。ステップS204では、画像j上において測点Piに対応する画像座標(Xji,Yji)が求められる。本実施形態では、画像1と画像jに対してマッチング処理を行い、画像1の画像座標(X1i,Y1i)に対応する画像j上の画像座標(Xji,Yji)がそれぞれ求められるが、作業者がマウス43を用いて画像毎に指定してもよい。
【0023】
ステップS205では、画像jが撮影されたときのデジタルスチルカメラ10の近似的な傾き(αGj,βGj,γGj)が仮に(0,0,0)に初期設定される。ここで、角度αGj、βGj、γGjは、それぞれx軸、y軸、z軸周りの回転角であり、回転角の定義には任意の規約が用いられる。また、ステップS205では、画像jに対するメリット関数Φjの値が0に初期設定される。以下、上記各設定値を初期値としてステップS206〜ステップS209の処理が反復される。なお、メリット関数Φjについては、ステップS207の説明において述べる。
【0024】
ステップS206では、画像jを撮影したときのカメラ位置が視準原点OS(0,0,0)にあるものとするとともに、そのときのカメラの傾きを(αGj,βGj,γGj)として、測点Piの実測に基づく3次元座標(xi,yi,zi)に対応する画像j上の画像座標(XGji,YGji)が共線条件を用いて近似的な画像座標として算出される。なお、画像座標の算出方法については後に詳述する。
【0025】
ステップS207では、メリット関数Φjが計算される。メリット関数Φjは例えば(1)式で定義される。
【数1】
すなわち、メリット関数Φjは、各測点Piの画像j上の実際の画像座標(Xji,Yji)と、画像jが視準原点OS(0,0,0)において傾き(αGj,βGj,γGj)で撮影されたと仮定したときに共線条件から算出される近似的な画像座標(XGji,YGji)との間のズレの大きさ表わす。
【0026】
ステップS208では、ステップS206〜ステップS209の繰り返し処理において、メリット関数Φjが前回の値に対して変化しているか否かが判定される。例えば前回の処理におけるメリット関数の値がΦj 0であり、今回の処理での値がΦj 1であるとするとき、|Φj 1−Φj 0|の値が所定値以上であるか否かが判定される。
【0027】
|Φj 1−Φj 0|Φ≧所定値であると判定された場合には、ステップS209において近似的に与えられた傾き(αGj,βGj,γGj)に対する補正量(δα,δβ,δγ)が例えば最小二乗法により求められる。すなわち共線条件を近似値である(αGj,βGj,γGj)の周りにテイラー展開し高次の項を省いて線形化し、補正量(δα,δβ,δγ)を未知量とする正規方程式を作成することにより適正な補正量(δα,δβ,δγ)が求められる。また、ステップS209では、算出された補正量(δα,δβ,δγ)に基づいて近似値である傾き(αGj,βGj,γGj)の値が、それぞれ(αGj+δα,βGj+δβ,γGj+δγ)に更新される。その後処理はステップS206に戻り、ステップS208において|Φj 1−Φj 0|Φ<所定値と判定されるまで、ステップS206〜ステップS209の処理が繰り返される。ステップS208において|Φj 1−Φj 0|Φ<所定値と判定されると、処理はステップS210に進む。
【0028】
ステップS210では、ステップS206〜ステップS209の繰り返し処理において、最後に求められたメリット関数Φjの値、及び最後の(αGj,βGj,γGj)の値がCPU41の記憶領域に格納される。ステップS211では、j=J(=9)であるか否かが判定される。すなわち、画像1〜画像9全てに対してメリット関数Φjの値が算出されたか否かが判定される。j=Jでない、すなわちj<J、と判定されるとステップS212においてパラメータjの値が1インクリメントされ、処理はステップS204に戻る。
【0029】
一方、ステップS211においてj=Jと判定されると、ステップS213において画像j(j=2,3,・・・,9)のうち、メリット関数Φjが最小となる画像が選別され、そのときの画像番号jと傾き(αGj,βGj,γGj)が例えば記録媒体42等に記録される。すなわち、メリット関数Φjが最小となる画像は、画像1〜画像9のうちで、電子セオドライト10の視準原点OSに最も近い位置から撮影された画像である。以上により本実施形態の最適画像選別処理は終了する。なお、上記説明では、カメラ位置を水平面上の9点(位置▲1▼〜▲9▼)としたが、カメラ位置は、これらの位置に限定されるものではないことは言うまでもない。例えば平面上の縦3点、横3点(合計9点)に、上下3点を加え、合計27点に対応する位置で撮影を行ってもよい。
【0030】
次にステップS206における近似的な画像座標(XGji,YGji)の算出方法について説明する。
【0031】
機械座標系の3次元座標(x,y,z)は、カメラ座標系の原点が(x0,y0,z0)にあり、カメラ座標系がx軸、y軸、z軸周りに(α、β、γ)回転されているとき、次の(2)式によりカメラ座標系の3次元座標(cx,cy,cz)に変換される。
【数2】
ここで行列{Tjk}は回転行列であり、各成分Tjkは例えば次式で表される。
T11=cosβ・cosγ
T12=cosα・sinγ+sinα・sinβ・cosγ
T13=sinα・sinγ−cosα・sinβ・cosγ
T21=−cosβ・sinγ
T22=cosα・cosγ−sinα・sinβ・sinγ
T23=sinα・cosγ+cosα・sinβ・sinγ
T31=sinβ
T32=−sinα・cosβ
T33=cosα・cosβ
【0032】
また、カメラ座標系の原点をカメラの投影中心に一致させ、cx軸、cy軸をデジタルスチルカメラ20の撮像素子の水平、垂直ラインに平行にし、cz軸を撮像面に垂直で、投影中心から像面の方向に向けて定義すると、カメラ座標系での3次元座標(cx、cy、cz)は、共線条件である次の(3)式により、撮像面上の2次元のスクリーン座標(s、t)に投影される。
【数3】
なお、スクリーン座標系は主点を原点とした撮像面上の2次元座標系であり、s軸は撮像素子21の水平ライン方向に、t軸は垂直ライン方向に対応する。また、ここでfは画面距離である。
【0033】
(3)式ので得られるスクリーン座標(s,t)は、デジタルスチルカメラ20の光学系のディスト−ション等による共線条件からのズレを考慮していない。補正されたスクリーン座標(sc、tc)は、次の(4)式により求められる。
【数4】
ここで、D2、D4、D6はそれぞれディストーション2次成分、4次成分、6次成分であり、N1、N2はディストーション非対称成分、XC、YCは主点の画像中心からのs軸方向、t軸方向への偏心量である。
【0034】
画像座標(X,Y)は、次の(5)式に補正されたスクリーン座標(sc,tc)を代入することにより求められる。
【数5】
ここで、Px、PyはそれぞれCCDの水平、垂直方向の画素ピッチであり、W、Hはそれぞれ画像の水平、垂直方向のピクセル数である。
【0035】
以上の(2)式〜(5)式の変換により機械座標系の3次元座標は画像座標へ変換することができる。したがって、ステップS206において、(2)式にカメラ位置(0,0,0)、傾き(αGj,βGj,γGj)、3次元座標(xi,yi,zi)を代入することにより、画像jにおける測点Piに対応する近似的な画像座標(XGji,YGji)が算出される。
【0036】
次に、本実施形態におけるカメラのセオドライト設置台への装置方法及び、カメラ位置の調整方法について図6〜図9を参照して説明する。
【0037】
図6は、電子セオドライト10が三脚50に取り付けられた状態が示されている。電子セオドライト10は、視準望遠鏡17を俯仰自在に支持するセオドライト本体100と、水平目盛盤を備える水平目盛部101と、整準台102と、三脚50に取り付けられる底板103とから概ねなる。本実施形態の電子セオドライト10の本体及び水平目盛部101は、一体的に構成され、整準台102に着脱自在である。すなわち、本実施形態では、整準台102がセオドライト設置台としての機能を果たす。
【0038】
図7は、本実施形態のカメラ装着装置の斜視図であり、図8は正面図、図9は図8のA−A断面図である。
【0039】
デジタルスチルカメラ20は、カメラ装着装置200を介して三脚50に取り付けられたセオドライト設置台(整準台)102に装着される。セオドライト設置台102には、水平目盛り部101の代わりに円筒形の基台部201が取り付けられる。基台部201の底面には例えば3個の突起202が設けられており、突起202は、セオドライト設置台102の対応する窪みに嵌入され、基台部201をセオドライト設置台102に固定する。
【0040】
基台部201の上面には、細長い扁平の板をコの字型に成形した水平回動部203が配置される。コの字型の水平回動部203は口の開いた方を上方に向け、基台部201の略中央にその中心が配置される。水平回動部203の基台部201の中央部に対応する位置には、回転軸部材204が貫入される軸穴203hが形成されている。また、これに対応して基台部201の中央には、底面から上面に達する軸穴201hが形成されている。軸穴203h及び軸穴201hには回転軸部材204が貫入されてナット204n等で固定される。これにより、水平回動部203は基台部201に対して鉛直軸Lp’周りに回動自在に保持される。
【0041】
水平回動部203の内側には、水平回動部203と略同じ幅を持つが、水平回動部203よりも一回り小さいコの字型の俯仰部205が所定の間隔を隔てて配置される。水平回動部203及び俯仰部205の両者は、互いに左右の上端部において係合される。すなわち、水平回動部203と俯仰部205の両上端部にはそれぞれ回転軸部材206a、206bを挿通するための軸穴がそれぞれ設けられている。回転軸部材206aは、水平回動部203と俯仰部205の正面図(図8)において右側の上端に設けられたそれぞれの軸穴にスペ−サ−206Cを介して回転自在に挿通される。一方、回転軸部材206bは、左側の上端に設けられたそれぞれの軸穴にスペ−サ−206Cを介して回転自在に挿通される。回転軸部材206a、206bは同軸Lh’上に配置され、軸Lh’は基台部201の中心を通る鉛直軸Lp’と直交する。すなわち俯仰部205は水平回動部203により、水平軸Lh’周りに回動自在に保持され、これによりカメラの俯仰動作が実現される。また、回転軸部材206aの端部には、俯仰操作の固定を行うための摘み部207が取り付けられている。なお、水平軸Lh’と鉛直軸Lp’との交点は電子セオドライト10が取り付けられたときの視準原点OSの位置に略対応する。
【0042】
俯仰部205の横方向に延在する底板中央には、円柱部材208が底板に垂直に設けられる。すなわち、円柱部材208は、俯仰部205の両側板に平行に底板中央に取り付けられている。また、円柱部材208の上端側は、円管部材209に嵌入され、円管部材209は、円柱部材208に対して摺動自在である。円管部材209の位置は、円管部材209の下端よりに設けられた上下固定摘み部209dにより固定される。すなわち、円管部材209の下端よりには、円管の内側と外側を連通する穿孔が穿設されており、この穿孔には上下固定摘み部209dの雄ネジと螺合する雌ネジが穿刻されている。円管部材209の上下方向の運動は、上下固定摘み部209dを回転し、雄ネジを円管部材209の内の円柱部材208の側面に押し付けることにより規制される。なお、円筒部材208の側面には目盛208mが描かれており、作業者は目盛208mを参照して円管部材209の俯仰部205からの距離を知ることができる。
【0043】
円管部材209の上部には、雲台部210が設けられている。雲台部210は、下から固定部211、左右移動部212、前後移動部213の3層構造をなす。固定部211は円管部材209に固着されており、固定部211は、水平面が正方形の扁平な直方体形状を略呈する。固定部211の上面には水平軸Lh’方向に沿った蟻ほぞ形状のキー溝が形成されている。左右移動部212も固定部211と略同型の直方体形状を呈し、その底面には、上記固定部211の上面に形成されたキー溝と噛合う蟻ほぞ形状のキーが形成されている。すなわち、左右移動部212は、固定部211に対して水平軸Lh’方向に摺動自在である。また、固定部211の正面側の側面中央には、固定部211の上面に形成されたキー溝に達する穿孔が設けられており、この穿孔には、左右調整摘み部211dが取り付けられている。すなわち、左右調整摘み部211dを回転させることにより左右移動部212を固定部211に対して左右方向(水平軸Lh’に沿って)に移動することができる。なお、固定部211、左右移動部212には、固定部211に対する左右移動部212の移動量を示す目盛211mが描かれている。
【0044】
一方、左右移動部212の上面には水平軸Lh’と直交する方向に沿って、蟻ほぞ形状のキー溝が形成されており、左右移動部212と略同型の直方体形状を呈した前後移動部213の底面には、左右移動部212の上面に設けられたキー溝と噛合う蟻ほぞ形状のキーが形成されている。すなわち、前後移動部213は、左右移動部212に対して水平軸Lh’と直交する方向(前後方向)に沿って摺動自在である。また、左右移動部212の右側面中央には、左右移動部212の上面に形成されたキー溝に達する穿孔が設けられており、この穿孔には、前後調整摘み部212dが取り付けられている。すなわち、前後調整摘み部212dを回転させることにより、前後移動部213を左右移動部212に対して前後方向に移動することができる。なお、左右移動部212、前後移動部213には、左右移動部212に対する前後移動部213の移動量を示す目盛212mが描かれている。
【0045】
前後移動部213の上面には、略正方形の凹部213cが形成されており、前後移動部213の正面側の側面中央には、凹部213cに達するネジ孔が形成されている。このネジ孔には、ボルト状のカメラ固定摘み部213dが装着される。凹部213cには、カメラ取付部214が嵌入される。カメラ取付部214は、略凹部213cと同型の直方体形状をしており、その底面中央には、底面から上面に貫通する穿孔が形成されており、取付ボルト214dが嵌挿されている。取付ボルト214dは、カメラ取付部214の上面から突出し、カメラ底面に設けられた、三脚取付孔に螺着され、カメラをカメラ取付部214に固定する。カメラ取付部214の正面側の側面には、カメラ取付部214を凹部213c内に装着したときに、カメラ固定摘み部213dに対応する位置に例えば水平方向の溝が切られている。すなわち、カメラ固定摘み部213dを回転し、凹部213c内に送り出すことにより、カメラ取付部214を雲台210の前後移動部213に固定することができる。
【0046】
雲台210に装置されたカメラ20は、固定摘み部209dを操作することにより上下の位置を、2つの調整摘み部211d、212dを操作することにより前後左右の位置を調整することができる。カメラを雲台210に配置すると、その投影中心は、略水平軸Lh’と鉛直軸Lp’との交点(視準原点OS)付近に配置される。通常作業者は、カメラの投影中心の位置を知ることはできないので、これを視準原点OSに正確に一致させることはできない。カメラ20の位置は、固定摘み部209d、左右調整摘み部211d、前後調整摘み部212dを操作して視準原点OSの周囲の異なる位置(例えば位置▲1▼〜▲9▼)に配置することができるので、これらの各位置で撮影された画像に上記最適画像選別処理を適用することによりカメラの投影中心が測量機10の視準原点OSに最も近い位置で撮影された画像を選別することができる。
【0047】
以上のように本実施形態によれば、セオドライト等のように測点の方向のみを計測できる測量機であっても、測量機と光学的に略等価な位置に配置されたカメラで撮影された画像を簡単に選別することができる。また、本実施形態のカメラ装着装置を用いれば、測量機と光学的に略等価な位置と推定される複数の位置から画像を簡単に撮影することができる。さらに、等価な位置選択後には、その位置に固定することにより本条件を再現できる、よって本検出を再度行う必要がなくなり作業性を上げる事ができる。
【0048】
なお、本実施形態では、電子セオドライトを測量機として用いたため、測量機に対する測点の方向を表わす角度情報(水平角、高度角)のみに基づいて最適画像選別処理を実行した。測点までの距離と角度情報が得られるトータルステーション等では、測点の3次元的な位置が特定できるので、各画像が撮影されたときのカメラの外部標定要素を各々算出することができる。この場合には、画像毎に算出されたカメラの位置(外部標定要素)のうち最も測量機の位置に近い位置で撮影された画像を選択すればよい。
【0049】
本実施形態では、各測点の水平角、高度角から仮想的な(視準原点に対する方向を表わす)3次元座標を算出し、この3次元座標に対する共線条件から求められる画像座標を、各画像における実際の測点の画像座標と比べることにより最適な画像を選別しているが、実際の測点の画像座標から対応する仮想的な3次元座標を算出し、これを水平角、高度角から求められる3次元座標と比較してもよい。また更に、測点の画像座標から対応する水平角、高度角を算出し、これを実測された各測点の水平角、高度角と比較してもよい。
【0050】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、測量機と光学的に略等価な位置にカメラを配置して撮影された画像を簡便に得ることができる。更に本発明によれば、測量機の位置に近い位置から画像を撮影できるとともに、測量機に対する測点の方向のみ測定可能な測量機においても、その測量情報から撮影された画像のうち最も測量機に近い位置で撮影された画像を簡単に選別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における第1の実施形態である測量システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【図2】本実施形態の測量システムにおける全体の作業手順を示すフローチャートである。
【図3】測量物を前後・左右に異なる9個の位置から順次撮影した場合(J=9)のカメラ位置▲1▼〜▲9▼を模式的に表わす。
【図4】図3で示される測量物の画像の撮影に続いて、測量物上の測点P1〜P3に対する測量を行うときの模式図である。
【図5】図2のステップS105における最適画像選別処理のフローチャートである。
【図6】電子セオドライトが三脚に取り付けられた状態を示す。
【図7】本実施形態のカメラ装着装置の斜視図である。
【図8】図8は図7に示したカメラ装着装置の正面図である。
【図9】図8のカメラ装着装置のA−A断面図である。
【符号の説明】
10 測量機
12 測角部
20 デジタルスチルカメラ
40 コンピュータ
41 CPU
Lh 水平軸
Lp 鉛直軸[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a surveying system using a surveying instrument and a camera.
[0002]
[Prior art]
In a conventional survey, there is a case where a surrounding scenery including a point to be surveyed (a surveying point) is photographed as an overview image of a surveying site, and the photographed image is stored together with measurement data. Although it is preferable to take the overview image by arranging the projection center of the camera at a position optically equivalent to the rotation center of the surveying instrument, it is difficult to arrange a commercially available normal camera in this way.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to easily obtain an image photographed by disposing a camera at a position optically substantially equivalent to a surveying instrument. In particular, the present invention can take an image from a position close to the position of the surveying instrument, and also in a surveying instrument that can measure only the direction of the surveying point with respect to the surveying instrument, the closest to the surveying instrument among the images taken from the surveying information The purpose is to easily select images taken at positions.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The surveying system according to the present invention includes image photographing means for photographing a plurality of images including survey points from a plurality of positions, survey information of the survey points measured by the survey means, and positional information of the survey points on each image. And an optimum image selection unit that selects an image taken from a position closest to the position where the surveying unit is installed among the plurality of images based on the plurality of images.
[0005]
The surveying system includes surveying means for performing surveying, and the surveying information relates to information such as an angle indicating a direction in which the surveying point exists, such as a horizontal angle and an altitude angle. The surveying means is rotatable around the first and second rotation axes that intersect, and the position where the surveying means is installed is defined as the intersection of the first and second rotation axes. At this time, the first and second rotation axes are preferably a horizontal axis and a vertical axis, respectively. The position where an image is captured is defined as the projection center of the optical system of the image capturing means.
[0006]
The surveying system includes input means for designating, on an image, a position of a measurement point measured by the surveying means. At this time, a first image of a plurality of images is measured by the input means. The position of the point is specified. On the other hand, it is preferable that the position of the measurement point with respect to the remaining images is determined by performing a matching process with the first image on each image. This makes it possible to automate a large part of the operation for designating the measurement point on the image, and the operation is greatly simplified.
[0007]
The optimal image selection means is a collinear condition based on survey information for the survey point when each image is taken at the position where the survey means is installed, and a collinear condition based on positional information on the image for the survey point. Based on the deviation, an image photographed at a position close to the position where the surveying means is installed is selected. This makes it possible to select an optimal image even when the survey information has only information on the direction of the survey point.
[0008]
In addition, the optimal image selection means is, for example, assuming that each image is photographed in a predetermined direction at the position where the surveying means is installed, and based on the collinear condition for the surveying information of the surveying point, an image corresponding to the surveying point is obtained. Image position calculating means for calculating the position of the image, and a shooting direction for calculating an image shooting direction in which the distance between the calculated position of the measuring point on the image and the actual position of the measuring point on the image is minimized for each image Calculation means. At this time, the selection of the image is performed based on the distance between the position on the image of the measurement point calculated based on the image capturing direction and the actual position of the measurement point in each image. This makes it possible to easily select the optimum image.
[0009]
Further, in the image selection system of the present invention, in a plurality of images including a survey point, position designation means for respectively designating a position on the image corresponding to the survey point, surveying information indicating a direction of the survey point with respect to a predetermined origin, and Image selection means for selecting an image in which the projection center of the optical system at the time of shooting is closest to a predetermined origin from among the images, from the position on the image of the measurement point designated by the position designation means. And
[0010]
For example, the image selection means, when assuming that each image was taken with the projection center placed at a predetermined origin, the position on the image of the measurement point calculated from the collinear condition using the survey information, Based on the deviation of the measuring point specified by the position specifying means from the position on the image, the image capturing direction that minimizes the deviation is calculated for each image, and the minimum deviation is compared between the images. By selecting the image with the smallest deviation, the image whose projection center at the time of shooting is closest to the predetermined origin is selected.
[0011]
Furthermore, the camera mounting device of the present invention, for a tripod for a surveying instrument, a base portion capable of fixing the position and orientation, a vertical rotating portion rotatably held on the base portion around a vertical axis, An elevating part that is rotatably held around a horizontal axis by a vertical rotating part, a camera head mounted with a camera and capable of moving the camera in first and second directions, A head support that communicates with and supports the head, the head support slidably supporting the head in a third direction that is linearly independent of the first and second directions, The axis and the horizontal axis intersect, and when the camera is mounted, the camera is mounted so that a point where the vertical axis and the horizontal axis intersect is included in the main body.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a surveying system using a surveying instrument and a camera according to a first embodiment of the present invention.
[0013]
The
[0014]
The angle measuring unit 12 is connected to the system control circuit 13 and detects an altitude angle θh around the horizontal axis Lh and a horizontal angle θp around the vertical axis Lp. That is, the angle measuring unit 12 constantly measures the angle, and sends a measured value to the system control circuit 13 in response to a request from the system control circuit 13. The measured values such as the detected altitude angle θh and horizontal angle θp are processed in the system control circuit 13. In addition, a
[0015]
The
[0016]
Next, an overall operation procedure in the surveying system according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
[0017]
First, FIG. 2 is a flowchart showing an overall operation procedure in the surveying system of the present embodiment. In step S101, the operator mounts the digital still camera (DSC) 20 on the theodolite installation table. In step S102, a plurality of (for example, J) overview images of the survey site are taken while the camera position is slightly shifted up and down, left and right, or up and down. FIG. 3 schematically shows the camera positions (1) to (9) when the survey object is sequentially photographed from nine different positions in the front, rear, left, and right directions (J = 9). The method of installing the digital
[0018]
In step S103, the digital
[0019]
FIG. 5 is a flowchart of the optimal image selection process in step S105. The optimal image selection processing is performed by using image data of nine images (
[0020]
In step S201, for example,
[0021]
In step S202, the measurement point PiVirtual three-dimensional coordinates (x representing (i = 1, 2, 3)i, Yi, Zi) Indicates each measurement point PiAltitude angle θhi, Horizontal angle θpiIs calculated from Coordinates (xi, Yi, Zi) Is the collimation origin OSExpressed in an arbitrary three-dimensional coordinate system having the origin as the collimation origin OSAnd station PiCorresponds to an arbitrary collinear vector on a straight line (collinear) connecting. As a three-dimensional coordinate system, for example, the altitude angle θhi, Horizontal angle θpiA left-handed coordinate system is used in which the direction of 0 is the y-axis, the x-axis is in the horizontal plane, and the vertically upward direction is the z-axis. At this time, assuming that the size of the collinear vector is r, the three-dimensional coordinates (xi, Yi, Zi)
xi= R · cos θhi・ Cosθpi
yi= R · cos θhi・ Sin θpi
zi= R · sin θhi
Is represented by Hereinafter, this coordinate system is called a machine coordinate system.
[0022]
Next, in step S203, the parameter j is set to 2, and the processes in steps S204 to S212 are repeatedly executed for each image j until j = J. In step S204, the measurement point P on the image jiImage coordinates (Xji, Yji) Is required. In the present embodiment, matching processing is performed on the
[0023]
In step S205, the approximate inclination (α) of the digital
[0024]
In step S206, the camera position at the time of capturing the image j is the collimation origin OS(0, 0, 0) and the camera tilt at that time is (αGj, ΒGj, ΓGj), The measurement point PiThree-dimensional coordinates (xi, Yi, Zi) Corresponding to the image coordinates (XGji, YGji) Is calculated as approximate image coordinates using the collinear condition. The method of calculating the image coordinates will be described later in detail.
[0025]
In step S207, the merit function ΦjIs calculated. Merit function ΦjIs defined, for example, by equation (1).
(Equation 1)
That is, the merit function ΦjIs the measurement point PiActual image coordinates (Xji, Yji) And the image j is the collimation origin OSAt (0,0,0), the slope (αGj, ΒGj, ΓGj), Approximate image coordinates (XGji, YGji) Represents the magnitude of the deviation between
[0026]
In step S208, in the repetitive processing of steps S206 to S209, the merit function ΦjIs determined whether or not has changed from the previous value. For example, the value of the merit function in the previous process is Φj 0And the value in this process is Φj 1| Φj 1−Φj 0It is determined whether or not the value of | is equal to or greater than a predetermined value.
[0027]
│Φj 1−Φj 0If it is determined that | Φ ≧ predetermined value, the gradient (α) approximately given in step S209Gj, ΒGj, ΓGj) Are obtained by, for example, the least squares method. That is, the collinear condition is an approximate value (αGj, ΒGj, ΓGj), Linearize it by omitting higher-order terms, and create a normal equation with the correction amounts (δα, δβ, δγ) as unknowns, so that appropriate correction amounts (δα, δβ, δγ) Desired. In step S209, the gradient (α) which is an approximate value is calculated based on the calculated correction amounts (δα, δβ, δγ).Gj, ΒGj, ΓGj) Is (αGj+ Δα, βGj+ Δβ, γGj+ Δγ). Thereafter, the process returns to step S206, and | Φ in step S208.j 1−Φj 0Steps S206 to S209 are repeated until it is determined that | Φ <predetermined value. In step S208, | Φj 1−Φj 0If it is determined that | Φ <the predetermined value, the process proceeds to step S210.
[0028]
In step S210, in the repetitive processing of steps S206 to S209, the last calculated merit function ΦjAnd the last (αGj, ΒGj, ΓGjIs stored in the storage area of the
[0029]
On the other hand, if j = J is determined in step S211, the merit function Φ of the image j (j = 2, 3,..., 9) in step S213jIs minimized, and the image number j and the inclination (αGj, ΒGj, ΓGj) Is recorded on the
[0030]
Next, the approximate image coordinates (XGji, YGji) Will be described.
[0031]
In the three-dimensional coordinates (x, y, z) of the machine coordinate system, the origin of the camera coordinate system is (x0, Y0, Z0), And the camera coordinate system is rotated (α, β, γ) around the x-axis, y-axis, and z-axis, the three-dimensional coordinates (cx, cy, cy, cz).
(Equation 2)
Where the matrix {Tjk} Is a rotation matrix, and each component TjkIs represented, for example, by the following equation.
T11= cosβ ・ cosγ
T12= Cosα · sinγ + sinα · sinβ · cosγ
TThirteen= Sinα · sinγ−cosα · sinβ · cosγ
T21= -Cosβ · sinγ
T22= cosα ・ cosγ-sinα ・ sinβ ・ sinγ
T23= sinα ・ cosγ + cosα ・ sinβ ・ sinγ
T31= Sinβ
T32= −sinα · cosβ
T33= cosα ・ cosβ
[0032]
Also, the origin of the camera coordinate system is made coincident with the projection center of the camera, the cx axis and the cy axis are made parallel to the horizontal and vertical lines of the image sensor of the digital
(Equation 3)
The screen coordinate system is a two-dimensional coordinate system on the imaging surface with the principal point as the origin, and the s axis corresponds to the horizontal line direction of the image sensor 21 and the t axis corresponds to the vertical line direction. Here, f is the screen distance.
[0033]
The screen coordinates (s, t) obtained from the equation (3) do not take into account deviation from the collinear condition due to the distortion of the optical system of the digital
(Equation 4)
Where D2, D4, D6Are the second-, fourth-, and sixth-order distortion components, respectively, and N1, N2Is the distortion asymmetric component, XC, YCIs the amount of eccentricity of the principal point in the s-axis direction and the t-axis direction from the image center.
[0034]
The image coordinates (X, Y) are obtained by substituting the corrected screen coordinates (sc, tc) into the following equation (5).
(Equation 5)
Here, Px and Py are the horizontal and vertical pixel pitches of the CCD, respectively, and W and H are the number of horizontal and vertical pixels of the image, respectively.
[0035]
The three-dimensional coordinates in the machine coordinate system can be converted into image coordinates by the above conversions of Expressions (2) to (5). Therefore, in step S206, the camera position (0, 0, 0) and the inclination (αGj, ΒGj, ΓGj), Three-dimensional coordinates (xi, Yi, Zi) Is substituted into the measurement point P in the image j.iApproximate image coordinates (XGji, YGji) Is calculated.
[0036]
Next, a method for installing the camera on the theodolite mounting table and a method for adjusting the camera position according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0037]
FIG. 6 shows a state in which the
[0038]
7 is a perspective view of the camera mounting device of the present embodiment, FIG. 8 is a front view, and FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
[0039]
The digital
[0040]
On the upper surface of the
[0041]
Inside the
[0042]
At the center of the bottom plate extending in the lateral direction of the elevating
[0043]
A
[0044]
On the other hand, a dovetail-shaped key groove is formed on the upper surface of the left /
[0045]
A substantially square
[0046]
The
[0047]
As described above, according to the present embodiment, even with a surveying instrument such as a theodolite that can measure only the direction of a surveying point, an image was taken with a camera disposed at a position optically substantially equivalent to the surveying instrument. Images can be easily sorted. Further, by using the camera mounting device of the present embodiment, it is possible to easily capture images from a plurality of positions that are presumed to be optically substantially equivalent to the surveying instrument. Further, after selecting an equivalent position, the present condition can be reproduced by fixing the position, so that it is not necessary to perform the main detection again, and the workability can be improved.
[0048]
In the present embodiment, since the electronic theodolite is used as the surveying instrument, the optimum image selecting process is executed based only on the angle information (horizontal angle, altitude angle) indicating the direction of the measuring point with respect to the surveying instrument. In a total station or the like from which information on the distance to the measurement point and the angle can be obtained, the three-dimensional position of the measurement point can be specified, so that the external orientation elements of the camera when each image is captured can be calculated. In this case, an image captured at a position closest to the position of the surveying instrument may be selected from the camera positions (external orientation elements) calculated for each image.
[0049]
In the present embodiment, virtual three-dimensional coordinates (representing the direction with respect to the collimation origin) are calculated from the horizontal angle and the elevation angle of each measurement point, and the image coordinates obtained from the collinear condition for the three-dimensional coordinates are calculated as The most suitable image is selected by comparing the image coordinates of the actual measurement points in the image, but the corresponding virtual three-dimensional coordinates are calculated from the image coordinates of the actual measurement points, and are calculated by using the horizontal angle and the elevation angle. May be compared with the three-dimensional coordinates obtained from. Furthermore, the corresponding horizontal angle and altitude angle may be calculated from the image coordinates of the measurement point, and may be compared with the actually measured horizontal angle and altitude angle of each measurement point.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to easily obtain an image photographed by disposing a camera at a position optically substantially equivalent to a surveying instrument. Further, according to the present invention, an image can be taken from a position close to the position of the surveying instrument, and even in a surveying instrument capable of measuring only the direction of the surveying point with respect to the surveying instrument, the most It is possible to easily select an image shot at a position close to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a survey system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing an overall work procedure in the surveying system of the present embodiment.
FIG. 3 schematically shows camera positions (1) to (9) when a survey object is sequentially photographed from nine different positions in front, rear, left and right (J = 9).
FIG. 4 is a diagram showing a survey point P on the survey object following photographing of the survey object image shown in FIG. 3;1~ P3It is a schematic diagram when performing survey with respect to.
FIG. 5 is a flowchart of an optimal image selection process in step S105 of FIG. 2;
FIG. 6 shows a state where the electronic theodolite is attached to a tripod.
FIG. 7 is a perspective view of the camera mounting device of the embodiment.
FIG. 8 is a front view of the camera mounting device shown in FIG. 7;
9 is a cross-sectional view of the camera mounting device taken along line AA of FIG. 8;
[Explanation of symbols]
10 surveying instrument
12 angle measuring unit
20 digital still camera
40 computer
41 CPU
Lh horizontal axis
Lp vertical shaft
Claims (15)
前記測点の測量情報と、前記測点の前記各画像上の位置情報とに基づいて、前記複数の画像のうち前記測量手段が設置された位置に最も近い位置から撮影された画像を選別する最適画像選別手段と
を備えることを特徴とする測量システム。Image photographing means for photographing a plurality of images including a measuring point from a plurality of positions;
Based on the survey information of the survey point and the position information of the survey point on each of the images, an image photographed from a position closest to the position where the surveying means is installed is selected from the plurality of images. A surveying system comprising: an optimal image selection unit.
所定の原点に対する前記測点の方向を表わす測量情報と、前記位置指定手段により指定された前記測点の画像上の位置とから、前記各画像のうち撮影時の光学系の投影中心が前記所定の原点に最も近い画像を選別する画像選別手段と
を備えることを特徴とする画像選別システム。In a plurality of images including a measurement point, position specification means for specifying a position on the image corresponding to the measurement point,
From the surveying information indicating the direction of the measurement point with respect to a predetermined origin and the position on the image of the measurement point specified by the position specifying means, the projection center of the optical system at the time of shooting in the respective images is determined by the predetermined value. An image selection unit for selecting an image closest to the origin of the image.
前記基台部に鉛直軸周りに回動自在に保持される鉛直回動部と、
前記鉛直回動部に水平軸周りに回動自在に保持される俯仰部と、
カメラが装着され、第1及び第2の方向に前記カメラを移動可能な雲台部と、
前記雲台部を前記俯仰部と連絡し、支持する雲台支持部とを備え、
前記雲台支持部は、前記雲台部を前記第1及び第2の方向に対して一次独立となる第3の方向に摺動自在に支持し、前記鉛直軸と前記水平軸は交叉し、カメラ装着時、前記カメラは前記鉛直軸と前記水平軸が交叉する点を本体内に含むように取り付けられる
ことを特徴とするカメラ装着装置。For a tripod for a surveying instrument, a base that can fix the position and orientation,
A vertical rotating portion that is rotatably held on the base portion around a vertical axis,
An elevating part that is held by the vertical rotating part so as to be rotatable around a horizontal axis,
A head mounted with a camera and capable of moving the camera in first and second directions;
A head support unit that communicates with the head unit and supports the head unit,
The head support section slidably supports the head section in a third direction that is linearly independent of the first and second directions, the vertical axis and the horizontal axis intersect, The camera mounting apparatus according to claim 1, wherein the camera is mounted such that a point at which the vertical axis and the horizontal axis intersect is included in the main body when the camera is mounted.
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