JP2013122429A - 製作誤差評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】写真計測用ターゲット上の光反射部の配置を解析することにより、該写真計測用ターゲットが設置されている位置におけるオフセットを自動認識して計測対象物の３次元計測座標値を算出し、該計測対象物の３次元設計座標値との比較を行う製作誤差評価方法を提供する。
【解決手段】複数の計測点を計測対象物に設定し、計測点ごとに設置した写真計測用ターゲットを写真計測して計測対象物の形状を３次元計測座標値として求め、計測対象物の３次元計測座標値を計測対象物の３次元設計座標値と比較することにより計測対象物の製作誤差の評価を行う方法において、写真計測用ターゲットの表面に複数の光反射部が配置され、計測点と該計測点に設置されている写真計測用ターゲットの光反射部との間のオフセットが、光反射部の配置パターンごとに設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、写真計測により得られた対象物の３次元計測座標値と該対象物の３次元設計座標値とを比較することにより該対象物の製作誤差を評価する方法に関する。

橋梁などの大型構造物を製作した場合、該大型構造物が設計寸法通りに製作されているかどうか検証するため、製作された大型構造物について写真計測が実施されることがある（例えば特許文献１の［従来の技術］参照）。写真計測は写真測量（photogrammetry）とも呼ばれ、主として航空機から地上を撮影した空中写真を用いて、広範囲にわたる正確な地図を作成する技術として発展してきた。近年ではデジタルカメラの高性能化により、現地で撮影後、直ちに３次元計測を行うことが可能となっている。写真計測では、デジタルカメラを用いて計測対象物を複数の方向から撮影し、撮影された画像（写真）をコンピュータを用いて画像処理することにより、該計測対象物の３次元座標値が得られる。

この写真計測では、各計測点を画像上に鮮明に写し出すため、ストロボ光を反射する写真計測用ターゲット（レトロターゲット）を各計測点に設置する。そして、画像処理の前に、各計測点に設置された写真計測用ターゲットの識別作業、即ち計測点の識別作業が行われる。従来、写真計測用ターゲットの識別作業は、コンピュータの表示装置に表示された対象物の画像上で、各写真計測用ターゲットに一連番号（計測点番号）を手入力で指定することにより行われていた。そのため、写真計測用ターゲットの個数が増えた場合、作業が繁雑になると共に、誤指定した場合、後続処理である画像処理で誤った計測結果が得られるという問題があった。
また、構造物全体の形状計測において、連続撮影された複数の画像を繋ぎ合わせる際、各画像に共通して撮影された同一の写真計測用ターゲットを照合して各画像を繋ぎ合わせる処理が行われるが、同一の写真計測用ターゲットの計測点番号が画像間で一致していない場合、後続の演算処理を正常に行うことができないという問題がある。

そこで、特許文献２では、所定の位置関係で配置されることにより自らが計測点の識別用であることを示す複数の種別用光反射部と、該種別用光反射部に対する相対位置に応じてコード番号を示す１あるいは複数のコード用光反射部とを具備するコード付き写真計測用ターゲットの発明が開示されている。そして、特許文献２によれば、従来のように人手に頼ることなく、計測対象物の写真に写し出されたコード付き写真計測用ターゲットを画像処理することにより各計測点を識別することが可能であり、写真計測の作業性及び信頼性が向上すると記されている。

特開２００２−３９７５３号公報 特開２００１−１９４１４６号公報

しかしながら、計測対象物の各計測点と該計測点に設置された写真計測用ターゲット面の光反射部との間にはオフセット（基準となる点からの相対的な距離）が存在するため、写真計測用ターゲット上の光反射部の配置を解析して光反射部の３次元座標値を得るだけでは計測対象物の本来の形状を求めることができないという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、写真計測用ターゲット上の光反射部の配置を解析することにより、該写真計測用ターゲットが設置されている位置におけるオフセットを自動認識して計測対象物の３次元計測座標値を算出し、該計測対象物の３次元設計座標値との比較を行う製作誤差評価方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、計測対象物に複数の計測点を設定して前記計測点ごとに写真計測用ターゲットを設置し、前記計測対象物を写真計測して該計測対象物の形状を３次元計測座標値として求め、前記計測対象物の３次元計測座標値を該計測対象物の３次元設計座標値と比較することにより前記計測対象物の製作誤差の評価を行う方法において、
前記写真計測用ターゲットの表面に複数の光反射部が配置され、前記計測点と該計測点に設置されている前記写真計測用ターゲットの前記光反射部との間のオフセットが、前記光反射部の配置パターンごとに設定されていることを特徴としている。

ここで、「オフセット」とは、計測点と該計測点に設置されている写真計測用ターゲットの光反射部（複数の光反射部のなかで、例えば基準となる光反射部）との間の３次元座標における距離のことをいう。
本発明では、計測点と該計測点に設置されている写真計測用ターゲットの光反射部との間のオフセットが、光反射部の配置パターンと対応付けられているので、写真計測用ターゲットの光反射部の配置パターンを識別することで、該写真計測用ターゲットが設置されている位置におけるオフセットを自動認識して計測対象物の３次元計測座標値を正確かつ容易に算出することができる。

また、本発明に係る製作誤差評価方法では、前記計測点を該計測点の特徴に基づいて複数のグループに分類し、分類した前記各グループに種別コードを付し、前記光反射部の配置パターンと前記種別コードとを対応させることを好適とする。

計測対象物の基準点の位置を示す計測点や、計測対象物の外形線の位置を示す計測点、あるいはボルト孔の位置を示す計測点等、写真計測では、特徴を有する計測点が設定される。当該構成では、全計測点を各計測点の特徴に基づいて複数のグループに分類する。そして、計測点の特徴と光反射部の配置パターンとを種別コードを介して対応付け、写真計測用ターゲットの光反射部の配置パターンを識別することで、該写真計測用ターゲットが設置されている計測点の特徴を瞬時に認識することができる。
なお、写真計測用ターゲットが設置されている位置におけるオフセットは、計測点の特徴、即ち種別コードごとに設定しておくと、オフセット処理が容易となる。

本発明に係る製作誤差評価方法では、計測点と該計測点に設置されている写真計測用ターゲットの光反射部との間のオフセットを、光反射部の配置パターンと対応付けているので、写真計測用ターゲットの光反射部の配置パターンを識別することで、該写真計測用ターゲットが設置されている位置におけるオフセットを自動認識して計測対象物の３次元計測座標値を算出し、該計測対象物の３次元設計座標値との比較を行うことができる。

本発明の一実施の形態に係る製作誤差評価方法の手順を示したフローチャートである。 デジタルカメラによる計測対象物の撮影作業を説明するための模式図である。 （Ａ）、（Ｂ）はボルト孔にセットされる写真計測用ターゲット、（Ｃ）は平板上にセットされる写真計測用ターゲットである。 コード補助点の最大数が３個の場合における、光反射部の全配置パターンを示す模式図である。 写真計測の原理を説明するための模式図である。 相互標定を説明するための模式図である。 パターン位置解析の説明に使用するターゲットプレートの模式図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態に付き説明し、本発明の理解に供する。

図１に、本発明の一実施の形態に係る製作誤差評価方法の手順を示したフローチャートを示す。以下、フローチャートに従ってＳＴ１０〜ＳＴ１４の各処理について説明する。

［光反射部の計測］
ＳＴ１０の光反射部の計測では、計測対象物１０に複数の計測点を設定して計測点ごとに写真計測用ターゲット１１を設置し、計測対象物１０を写真計測して、写真計測用ターゲット１１上に配置された複数の光反射部の３次元座標値を算出する（図２参照）。具体的には、計測対象物１０の形状を特定できる箇所（コーナー部、外形線、ボルト孔等）を計測点に選定し、各計測点に写真計測用ターゲット１１を設置する。そして、デジタルカメラ１５を用いて計測対象物１０を複数の方向から撮影し、撮影された画像データをコンピュータ（図示省略）に転送して画像処理を行う。
なお、写真計測用ターゲット１１には、写真計測において基準となる点を表す３つの写真計測用ターゲット１２と、それ以外の写真計測用ターゲット１３とがある。

代表的な写真計測用ターゲット１１を図３に示す。
図３（Ａ）は、ボルト孔にセットされる写真計測用ターゲット１１であり、底面にボルト１８の頭部が接合された矩形状のベースプレート１７と、ベースプレート１７に対して直角となるようにベースプレート１７の上面に接合されたターゲットプレート１６とから構成されている。ターゲットプレート１６は方形とされ、複数の光反射部２０が一方の面に配置されている。この写真計測用ターゲット１１では、ボルト１８の中心軸とベースプレート１７の底面との交点が計測点となる。
図３（Ｂ）もボルト孔にセットされる写真計測用ターゲット１１であり、複数の光反射部２０が表面に配置された方形状のターゲットプレート１６と、ターゲットプレート１６の裏面に頭部が接合されたボルト１８とから構成されている。この写真計測用ターゲット１１では、ボルト１８の中心軸とターゲットプレート１６の裏面との交点が計測点となる。
図３（Ｃ）は、平板上にセットされる写真計測用ターゲット１１であり、複数の光反射部２０が表面に配置された方形状のターゲットプレート１６と、ターゲットプレート１６に対して直角となるようにターゲットプレート１６の一端面に接合された矩形状のベースプレート１７とから構成されている。この写真計測用ターゲット１１では、ベースプレート１７の前端面の下辺中央部が計測点となる。

ターゲットプレート１６の表面に配置される各光反射部２０は円形とされ、写真計測用ターゲット１１のオフセットを算出する際の基準となる光反射部、もしくは計測点が属する種別コードを認識するための光反射部のいずれかのグループに属している（図４参照）。
オフセットを算出する際の基準となる光反射部２０は、ターゲットプレート１６を正面視して上下方向に延びる中心軸の下端部に位置するオフセット基準点２１及び上端部に位置するオフセット中心点２２と、オフセット中心点２２から左方向に間隔をあけて配置されたオフセット補助点２３とから構成されている。
一方、計測点が属する種別コードを認識するための光反射部２０はコード補助点２４と呼ばれ、オフセット中心点２２及びオフセット補助点２３とオフセット基準点２１の間の領域に配置される。

図４は、コード補助点２４の最大数が３個である場合における、光反射部２０の全配置パターン（８パターン）を示したものである。同図からわかるように、オフセット基準点２１、オフセット中心点２２、オフセット補助点２３は必須要素とされ、これらの相対配置がターゲットプレート１６上において変化することはないが、コード補助点２４は必須要素ではなく、０〜３個のコード補助点２４がターゲットプレート１６に配置される。

次に、光反射部２０の３次元座標値を算出する際に用いられる写真計測の原理について説明する。
図５に示すように、デジタルカメラ１５の光軸を平行、且つＯ_１、Ｏ_２の位置を投影中心（レンズ中心）として、二つの画像３１、３２（写真）が撮影されたとする。そのとき、点Ｐは、二つの画像３１、３２上のそれぞれＰ_１、Ｐ_２として写る。
二つの画像３１、３２上にそれぞれ画像座標系（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２）を採ると共に、Ｏ_１を原点とし、Ｏ_１からＯ_２に延びる軸をＸ軸、Ｏ_１を通る光軸をＺ軸とするモデル座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を考える。また、Ｏ_１Ｏ_２の距離をＢ、Ｏ_１、Ｏ_２から画像３１、３２に立てた垂線の長さ（主点距離）をｆとする。

このとき、Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐの座標は、それぞれＰ_１（ｘ_１，ｙ_１，ｆ），Ｐ_２（Ｂ＋ｘ_２，ｙ_２，ｆ），Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表されるから、光線ＰＰ_１，ＰＰ_２は（１）、（２）式のように書き表すことができる。

この二つの光線は点Ｐにおいて交わっていたのであるから、（１）、（２）式を解いて、次のように点Ｐの３次元座標を求めることができる。

上述したように、写真計測により点Ｐの３次元座標値を求めるためには、対象とする点Ｐに関する２枚の画像上の像の画像座標を測定すると共に、デジタルカメラのレンズ中心間の距離Ｂを測っておけば、（３）式により、その座標値を決定することができる。
しかしながら、写真計測においてデジタルカメラの位置及び傾きが事前に判明している場合は殆ど無いと言ってよい。そこで、デジタルカメラの位置及び傾きを算出した後、点Ｐの３次元座標値を求める方法について説明する。

Ａ．相互標定
撮影時のデジタルカメラの位置及び傾きを求める作業を相互標定という。なお、デジタルカメラの位置及び傾きは外部標定要素と呼ばれている。
相互標定においては、図６に示すように、画像３１の投影中心Ｏ_１を原点とし、Ｏ_１からＯ_２に延びる軸をＸ’軸、Ｏ_１から画像３１の主点を通る軸をＺ’軸とするモデル座標系Ｘ’Ｙ’Ｚ’を考える。また、その際、Ｏ_１Ｏ_２の距離は単位長さ１であると決めておく。なお、図中のω_ｉ，φ_ｉ，κ_ｉ（ｉ＝１，２）は、Ｘ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸回りの画像３１、３２の回転角を表している。

このとき、光線Ｐ_１Ｐ、Ｐ_２Ｐはそれぞれ（４）、（５）式で表される。撮影時には、この二光線が点Ｐにおいて交わっていたのであるから、この二光線が交点を有する条件として（６）式が成立しなければならない。

ところで、Ｐ_１、Ｐ_２のモデル座標（Ｘ_１’，Ｙ_１’，Ｚ_１’），（Ｘ_２’，Ｙ_２’，Ｚ_２’）と、これらの点の画像座標ｐ_１（ｘ_１，ｙ_１，ｆ）及びｐ_２（ｘ_２，ｙ_２，ｆ）との間には（７）、（８）式の関係がある。但し、ω_１はモデル座標系Ｘ’Ｙ’Ｚ’の定義よりゼロである。

（７）、（８）式を（６）式に代入すると、（９）式が得られる。この（９）式において、画像３１及び画像３２に写る５つの点の画像座標ｐ_１ｊ（ｘ_１ｊ，ｙ_１ｊ，ｆ），ｐ_２ｊ（ｘ_２ｊ，ｙ_２ｊ，ｆ）を用いることにより、連立方程式（１０）式の解として相互標定の解φ_１，κ_１，ω_２，φ_２，κ_２を求めることができる。実際上の操作としては、５点以上の点について画像座標を測定し、最小二乗法によりφ_１，κ_１，ω_２，φ_２，κ_２を決定する。

相互標定のパラメータφ_１，κ_１，ω_２，φ_２，κ_２が求められると、（７）、（８）式に該パラメータ値と画像座標ｐ_１（ｘ_１，ｙ_１，ｆ）及びｐ_２（ｘ_２，ｙ_２，ｆ）を代入して、モデル座標系におけるＰ_１（Ｘ_１’，Ｙ_１’，Ｚ_１’），Ｐ_２（Ｘ_２’，Ｙ_２’，Ｚ_２’）を得ることができる。
従って、２つの点Ｐ_１及びＰ_２より出た光が交わる点として得られる点Ｐの３次元座標は（４）及び（５）式を解いて（１１）〜（１３）式のように求められる。

Ｂ．絶対標定
絶対標定は、地上座標系と相互標定で得られたモデル座標系との関係を求める作業である。そのためには、相互標定で求められた点Ｐ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）が、既知であるその点の地上座標Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と対応するように、このモデル座標系に縮尺と回転及び平行移動を与え、地上座標系に変換すればよい。座標変換のパラメータは、縮尺Ｓと、Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’軸回りの回転角Ω，Φ，Κ及び投影中心Ｏ_１の地上座標系での値（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）であって、（１４）式の関係が成立する。

絶対標定の７つのパラメータは地上座標系の既知の点が３点、例えば（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が既知の点が２点と、Ｚ座標値が既知の点が１点あれば、（１４）式を解くことにより決定することができる。本実施の形態では、基準となる点を表す３つの写真計測用ターゲット１２を既知の点として用いる。

以上のように、写真撮影時の状態を示すパラメータ（外部標定要素）が求まれば、地上座標Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、（７）、（８）、（１１）〜（１４）により計算することができる。なお、本実施の形態に係る製作誤差評価方法では、写真計測用ターゲット１１上に配置された光反射部２０が写真計測における点Ｐに対応する。

［パターン位置解析］
ＳＴ１１のパターン位置解析では、コンピュータに転送された光反射部２０の３次元座標値に基づいて、各写真計測用ターゲット１１の表面に配置されている光反射部２０の配置パターンを識別する。そして、光反射部２０の配置パターンと関連付けられている種別コードを特定する。

オフセット基準点２１とオフセット中心点２２の間の距離Ｈ、オフセット基準点２１とオフセット補助点２３の間の距離Ｆ、及びオフセット中心点２２とオフセット補助点２３の間の距離Ｅは、予めコンピュータに登録されている（図７参照）。
また、光反射部２０の配置パターン（図４参照）に対応する種別コードとオフセットが、予めコンピュータに登録されている。

種別コードは、計測点をその特徴に応じて複数のグループに仕分けするための識別コードであり、光反射部２０の配置パターンが８種類の場合、例えば、基準点を示す種別コードとして３種類、ボルト孔を示す種別コードとして２種類、外形線を示す種別コードとして１種類、溶接線を示す種別コードとして１種類、スケールバー（尺度基準）を示す種別コードとして１種類、設定すればよい。
また、本実施の形態では、種別コードごとにオフセットが設定されている。例えば、オフセット基準点２１を原点とし、オフセット基準点２１からオフセット中心点２２に向かう軸をｘ軸とする右手座標系を定義することにより、計測点Ｑまでのオフセット値（ｘ_Ｄ，ｙ_Ｄ，ｚ_Ｄ）を種別コードごとに設定することができる（図７参照）。

パターン位置解析では、３次元座標値が取得された全ての光反射部２０に対して、以下の判定基準を満たす光反射部２０の探索がコンピュータにより実行される。
１）対象となる光反射部ａについて、光反射部ａからＨの距離にある光反射部ｂ、及び光反射部ａからＦの距離にある光反射部ｃがそれぞれ１個以上存在するかどうか。
２）光反射部ｂと光反射部ｃとの距離がＥであるかどうか。
上記全ての条件を満たす光反射部ａ、ｂ、ｃが抽出されると、光反射部ａがオフセット基準点２１、光反射部ｂがオフセット中心点２２、光反射部ｃがオフセット補助点２３として確定する。

オフセット基準点２１、オフセット中心点２２、オフセット補助点２３の確定後、これら３点により構成される平面上に、これら３点以外の光反射部が、オフセット基準点２１、オフセット中心点２２、オフセット補助点２３から所定の位置に存在するかどうかという判定基準を用いて、コード補助点２４を抽出し、抽出されたコード補助点２４の配置によって光反射部２０の配置パターンが識別される（図４参照）。そして、予めコンピュータに登録されている光反射部２０の配置パターンに対応する種別コードのなかから、識別された配置パターンに対応する種別コードが特定される。

［自動オフセット処理］
ＳＴ１２の自動オフセット処理では、予めコンピュータに登録されている種別コードに対応するオフセットのなかから、特定された種別コードに対応するオフセット（ｘ_Ｄ，ｙ_Ｄ，ｚ_Ｄ）が選択される。

［３次元計測座標値の算出］
ＳＴ１３の３次元計測座標値の算出では、オフセット基準点２１の３次元座標値にオフセット（ｘ_Ｄ，ｙ_Ｄ，ｚ_Ｄ）を加えて計測点の３次元座標値を算出することにより、計測対象物１０全体の３次元計測座標値を求める。

［３次元設計座標値との比較］
ＳＴ１４の３次元設計座標値との比較では、写真計測に基づいて求められた計測対象物１０の３次元計測座標値と、設計図から構築した計測対象物１０の３次元設計座標値とを重ね合わせることにより、計測対象物１０の製作誤差の評価を行う。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、光反射部の全配置パターン数を８ケースとしたが、オフセットを認識する際の基準点となる光反射部の間隔を変えたり、コード補助点の数を増やすことにより、配置パターンを増やすことができる。また、これに対応して種別コードの数を増やすことができる。

１０：計測対象物、１１、１２、１３：写真計測用ターゲット、１５：デジタルカメラ、１６：ターゲットプレート、１７：ベースプレート、１８：ボルト、２０：光反射部、２１：オフセット基準点（光反射部）、２２：オフセット中心点（光反射部）、２３：オフセット補助点（光反射部）、２４：コード補助点（光反射部）、３１、３２：画像、Ｑ：計測点

Claims (2)

1. 計測対象物に複数の計測点を設定して前記計測点ごとに写真計測用ターゲットを設置し、前記計測対象物を写真計測して該計測対象物の形状を３次元計測座標値として求め、前記計測対象物の３次元計測座標値を該計測対象物の３次元設計座標値と比較することにより前記計測対象物の製作誤差の評価を行う方法において、
   前記写真計測用ターゲットの表面に複数の光反射部が配置され、前記計測点と該計測点に設置されている前記写真計測用ターゲットの前記光反射部との間のオフセットが、前記光反射部の配置パターンごとに設定されていることを特徴とする製作誤差評価方法。
2. 請求項１記載の製作誤差評価方法において、前記計測点を該計測点の特徴に基づいて複数のグループに分類し、分類した前記各グループに種別コードを付し、前記光反射部の配置パターンと前記種別コードとを対応させることを特徴とする製作誤差評価方法。

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