JP2014035341A

JP2014035341A - 建設部材の設置精度の測定システム及び方法

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Publication number: JP2014035341A
Application number: JP2012178610A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Ikeda; 雄一池田; Hajime Sakagami; 肇坂上
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-24
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: JP5987549B2

Abstract

【課題】柱等の建設部材の設置精度を安価なシステムにより容易かつ迅速に測定できるようにする。
【解決手段】所定位置に設置される柱１の複数の所定地点に予め設けられた複数のマーカーＭと、複数のマーカーＭを撮影するステレオカメラ１２と、ステレオカメラ１２で撮影された画像から複数のマーカーＭを抽出するマーカー抽出部と、該マーカー抽出部で抽出された複数のマーカーＭの位置を求め、その複数のマーカーＭの位置に基づいて、柱１の設計上の設置位置に対する誤差、柱１の設計上の設置状態を基準とする倒れ角、及び、柱１の設計上の設置状態を基準とするねじれ角を求める設置精度演算部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、柱等の建設部材の設置精度を測定するシステム及び方法に関する。

柱の設置精度を測定するシステムとして、三次元測量器（トータルステーション）を用いて、柱に設けた同じ高さで柱芯に対する位置関係が既知の２点のターゲットの座標を測定して、その座標から柱芯の座標、柱の設計上の設置状態を基準とするねじれ角を求めるシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４６０４６８１号公報

三次元測量器は高価であり、また、三次元測量器によるターゲットの座標の測定は、専門の技術者でなければ実施することが難しい作業である。さらに、三次元測量器によるターゲットの座標の測定では、同時に２点以上のターゲットの座標を測定することができないことから測定に要する時間や手間が長大になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、柱等の建設部材の設置精度を安価なシステムにより容易かつ迅速に測定できるようにすることを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る建設部材の設置精度の測定システムは、所定位置に設置される建設部材の複数の所定地点に予め設けられた複数のマーカーと、前記複数のマーカーを撮影するステレオカメラと、前記ステレオカメラで撮影された画像から前記複数のマーカーを抽出するマーカー抽出部と、前記マーカー抽出部で抽出された前記複数のマーカーの位置を求め、その前記複数のマーカーの位置に基づいて、前記建設部材の設計上の設置位置に対する誤差である位置誤差、前記建設部材の設計上の設置状態を基準とする倒れ角、及び、前記建設部材の設計上の設置状態を基準とするねじれ角の少なくとも一つを求める設置精度演算部とを備える。

前記建設部材の設置精度の測定システムにおいて、前記複数のマーカーのうちの少なくとも２点のマーカーは、前記建設部材の基準軸に対する位置関係が既知であって横方向に離間して配されてもよく、前記設置精度演算部は、前記マーカー抽出部で抽出された前記２点のマーカーの位置と当該２点のマーカーの設計上の位置と前記基準軸の設計上の位置とに基づいて、前記位置誤差と前記ねじれ角とを求めてもよい。

前記建設部材の設置精度の測定システムにおいて、前記設置精度演算部は、前記マーカー抽出部で抽出された前記複数のマーカーの位置に基づいて、前記建設部材の基準軸の両端の設計上の位置に対する誤差を求め、その両端の誤差に基づいて、前記倒れ角を求めてもよい。

前記建設部材の設置精度の測定システムにおいて、前記設置精度演算部は、前記マーカー抽出部で抽出された前記複数のマーカーの位置に基づいて、前記建設部材の基準軸の一端の設計上の位置に対する誤差を求め、その一端の誤差と既知である他端の誤差とに基づいて、前記倒れ角を求めてもよい。

また、本発明に係る建設部材の設置精度の測定方法は、所定位置に設置する建設部材の複数の所定地点に複数のマーカーを予め設ける工程と、前記所定位置に設置された前記建設部材の前記複数のマーカーをステレオカメラで撮影する工程と、前記ステレオカメラで撮影した画像から前記複数のマーカーを画像処理により抽出する工程と、抽出した前記複数のマーカーの位置を求め、その前記複数のマーカーの位置に基づいて、前記建設部材の設計上の設置位置に対する誤差、前記建設部材の設計上の設置状態を基準とする倒れ角、及び、前記建設部材の設計上の設置状態を基準とするねじれ角の少なくとも一つを求める工程とを備える。

本発明によれば、柱等の建設部材の設置精度を安価なシステムにより容易かつ迅速に測定することができる。

一実施形態に係る柱の設置精度の測定システムを示す図である。ステレオカメラによるステレオ画像認識の原理を説明するための図である。である。ＰＣのハードウェア構成を示す図である。柱の設置精度を測定する手順を示すフローチャートである。他の実施形態に係る柱の設置精度の測定システムを示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る柱１の設置精度の測定システム１０を示す図である。この図に示すように、測定システム１０は、柱１に取り付けられた複数のマーカーボード２と、現場の所定位置に配された基準マーカーボード２Ａ、２Ｂと、マーカーボード２及び基準マーカーボード２Ａ、２Ｂを撮影するステレオカメラ１２と、ステレオカメラ１２によって撮影された画像に基づいて柱１の設置精度を求める処理を実行するＰＣ２０とを備えている。マーカーボード２及び基準マーカーボード２Ａ、２Ｂは、黒色の円であるマーカーＭ、基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂが記された白色の板である。

図２は、ステレオカメラ１２によるステレオ画像認識の原理を説明するための図である。この図に示すように、ステレオカメラ１２によるステレオ画像認識は、平行等位に設置された２台のカメラ１２Ｌ、１２Ｒで対称点Ｐを同時に撮影し、各カメラ１２Ｌ、１２Ｒで得られた画像上での対称点Ｐの位置（ｘ_ｌ，ｙ_ｌ）、（ｘ_ｒ，ｙ_ｒ）の違い（視差ｄ）から、その対称点Ｐの３次元の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を認識する技術である。なお、平行等位とは、左右のカメラ１２Ｌ、１２Ｒの光軸を平行にして撮像面を一致させ、更に撮像面の横軸（Ｘ軸）も一致させた配置である。

図２に示すように、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を左のカメラ１２Ｌの焦点を原点とした実際の空間の座標系、（ｘ_ｌ，ｙ_ｌ）、（ｘ_ｒ，ｙ_ｒ）をそれぞれ左のカメラ１２Ｌ、右のカメラ１２Ｒの撮像面上で夫々の光軸との交点を原点とした座標系とし、Ｘ軸，ｘ_ｌ軸，ｘ_ｒ軸を全て左のカメラ１２Ｌの焦点から右のカメラ１２Ｒの焦点に向う方向に一致させた場合、実際の空間の対称点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、下記（１）式で表される。

図３は、ＰＣ２０のハードウェア構成を示す図である。この図に示すように、ＰＣ２０は、画像取込部２１、画像処理部２２、演算処理部２３、入力部２４、表示部２５、及びこれらを接続するバス２６とを備えている。画像取込部２１は、ビデオキャプチャボード等であり、ステレオカメラ１２で撮影されたステレオ画像のデータおよび３次元点群データを取り込む。画像処理部２２は、画像取込部２１で取り込まれたステレオ画像のデータからマーカーＭ、基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂを画像処理により抽出する。

また、演算処理部２３は、ＣＰＵや演算処理用のプログラムを格納したメモリ等を備え、画像処理部２２で抽出された基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂのステレオカメラ１２の座標系での３次元点群データからステレオカメラ１２の設置位置を算出する。また、演算処理部２３は、画像処理部２２で抽出されたマーカーＭの現場ローカル座標系での３次元点群データから、柱１の設置位置や設置角度（倒れ、ねじれ）を算出する。また、入力部２４は、キーボードやタッチパネル等であり、オペレータがデータや指示を入力するのに用いられる。さらに、表示部２５は、演算処理部２３による演算結果等を表示するモニタである。

図４は、柱１の設置精度を測定する手順を示すフローチャートである。まず、図１に示すように、ステレオカメラ１２と基準マーカーボード２Ａ、２Ｂとを、柱１を設置する現場に設置する（ステップ１）。ここで、測定システム１０では、柱１を設置する現場の所定地点を原点とする現場ローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）が設定されており、基準マーカーボード２Ａ、２Ｂは、現場ローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）内の既知の所定位置（基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの座標が（ｘ_ｍ１，ｙ_ｍ１，ｚ_ｍ１），（ｘ_ｍ２，ｙ_ｍ２，ｚ_ｍ２）となる位置）に、被撮像面がｙ軸、ｚ軸に対して平行になるように設置する。

次に、画像取込部２１が、ステレオカメラ１２からステレオ画像のデータおよび３次元点群データを取り込む（ステップ２）。そして、上述のステレオカメラ１２の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を、現場ローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に変換する処理を実行する（ステップ３〜４）。本処理は、入力部２４で処理実行の指示が入力されると実行される。

まず、画像処理部２２が、画像取込部２１が取り込んだステレオ画像のデータから基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂを抽出し、演算処理部２３が、ステレオカメラ１２の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）内での基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの３次元点群データから基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの座標値（楕円の中心点の座標値）を算出する（ステップ３）。次に、演算処理部２３が、ステップ３における算出結果に基づいて、下記（２）式より、ステレオカメラ１２の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から現場ローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に座標変換を行う（ステップ４）。

次に、柱１の設計情報を入力部２４で入力する（ステップ５）。ここで、柱１の設計情報としては、柱芯の座標、柱の高さ等である。そして、図１に示すように、柱１に取り付けた複数のマーカーＭをステレオカメラ１２で撮影して柱１の設置精度を求める処理を実行する（ステップ６〜１１）。本処理は、入力部２４で柱１の設計情報が入力されると実行される。

まず、画像処理部２２が、画像取込部２１が取り込んだステレオ画像のデータから複数のマーカーＭを抽出し、演算処理部２３が、現場ローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）内での複数のマーカーＭの３次元点群データから複数のマーカーＭの座標値（楕円の中心点の座標値）を算出する（ステップ６）。次に、演算処理部２３が、設計情報が入力された柱１と抽出されたマーカーＭとを対応付けする処理を実行する（ステップ７）。当該処理は、抽出されたマーカーＭを設計情報が入力された柱１のうちの何れかに割り当てる指示が入力部２４で入力されると当該指示にしたがって実行される。

ここで、柱１の芯の下端の位置の設計値との誤差値（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）が既知である場合には、図１に示すように、２点のマーカーＭを柱１の上部に設け、上記誤差値（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）が未知の場合には、図５に示すように、各２点のマーカーＭを柱１の上部と下部とに設ける。ここで、マーカーＭは、柱１の芯及び上下両端に対して位置関係が既知の所定地点に配置する。

そして、柱１の芯の下端の誤差値（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）が既知であり、２点のマーカーＭを柱１の上部に設けている場合には、柱１の芯の下端の誤差値（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）を入力部２４で入力する（ステップ８、９）。演算処理部２３は、柱１の芯の下端の誤差値（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）が入力部２４で入力されると、柱１の上部の芯の座標値と設計値との誤差値（σ_uｘ,σ_uｙ,σ_uｚ）と、柱１のｘ方向（ｙ軸周り）の倒れ角θ_ｘ、ｙ方向（ｘ軸周り）の倒れ角θ_ｙ及び柱芯の周りのねじれ角θ_ｚを算出する（ステップ１０）。本ステップでは、柱１のｘ方向の倒れ角θ_ｘ、ｙ方向の倒れ角θ_ｙは、下記（３）式により算出される。

一方、柱１の芯の下端の誤差値（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）が未知であり、２点のマーカーＭを柱１の上部及び下部に設けている場合には、演算処理部２３は、柱１の上部及び下部の芯の座標値と設計値との誤差値（σ_uｘ,σ_uｙ,σ_uｚ）、（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）と、柱１のｘ方向の倒れ角θ_ｘ、ｙ方向の倒れ角θ_ｙ及びねじれ角θ_ｚを算出する（ステップ１１）。本ステップでは、柱１のｘ方向の倒れ角θ_ｘ、ｙ方向の倒れ角θ_ｙは、上記（３）式により算出される。

また、ステップ１０、１１において、柱１の芯の上下両端の誤差値（σ_uｘ,σ_uｙ,σ_uｚ）、（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）と、ねじれ角θ_ｚは、下記（４）〜（７）式により算出される。なお、柱１の上側を例に挙げて説明するが、柱１の下側についても同様に算出される。
まず、２点のマーカーＭの実際のｘｙ座標での位置（ｘ_１´，ｙ_１´）、（ｘ_２´，ｙ_２´）と、２点のマーカーＭの設定上のｘｙ座標での位置（ｘ_１，ｙ_１）、（ｘ_２，ｙ_２）から下記（４）式が成立する。

また、２点のマーカーＭの設計上のｘｙ座標での位置（ｘ_１，ｙ_１）、（ｘ_２，ｙ_２）が極座標に変換されると、下記（５）式で表される。

そして、上記（４）、（５）式からねじれ角θ_ｚと柱１の上部の芯の誤差値（σ_uｘ,σ_uｙ,σ_uｚ）とが夫々下記（６）、（７）式で表される。

次に、演算処理部２３は、柱１の芯の上下両端の誤差値（σ_uｘ,σ_uｙ,σ_uｚ）、（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）と、柱１のｘ方向及びｙ方向の倒れ角θ_ｘ、θ_ｙ及び芯の周りのねじれ角θ_ｚの算出値とが管理値内であるか否かを判定する（ステップ１２）。柱１の芯の上下両端の位置の誤差値（σ_uｘ,σ_uｙ,σ_uｚ）、（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）、ｘ方向及びｙ方向の倒れ角θ_ｘ、θ_ｙ及び芯の周りのねじれ角θ_ｚが管理値外である場合には、柱１の位置や鉛直度や柱芯周りの回転位置の調整が実施され（ステップ１３）、その後、上述のステップ６〜１２が繰り返し実施される。

以上説明したように、本実施形態に係る柱１の設置精度の測定システム１０では、柱１の複数の所定地点に設けた複数のマーカーＭがステレオカメラ１２で撮影され、ＰＣ２０の画像処理部２２が、撮影画像からマーカーＭを抽出する。そして、当該測定システム１０では、演算処理部２３が、抽出された複数のマーカーＭの位置を求め、その複数のマーカーＭの位置に基づいて、柱１の設計上の設置位置に対する誤差（σ_uｘ,σ_uｙ,σ_uｚ）、（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）、柱１の設計上の設置状態を基準とするｘ方向及びｙ方向の倒れ角θ_ｘ、θ_ｙ及び芯の周りのねじれ角θ_ｚを求める。

ここで、ステレオカメラ１２はトータルステーションに比して安価であり、専門の技術者でなくとも容易に使用できる。特に、本実施形態に係る測定システム１０では、ステレオカメラ１２の設置位置及び設置角度に応じて座標変換が実施されるため、ステレオカメラ１２の設置精度は要求されず、ステレオカメラ１２の設置も容易である。また、ステレオカメラ１２によれば、同時に２点以上のマーカーＭの位置を測定することができるため、測定に要する時間や手間を省くことができる。即ち、本実施形態に係る測定システム１０によれば、柱１等の建設部材の設置精度を安価なシステムにより容易かつ迅速に測定することができる。

また、本実施形態に係る測定システム１０では、柱１の芯に対する位置関係が既知であって横方向に離間して配された２点のマーカーＭをステレオカメラ１２で撮影し、ＰＣ２０の演算処理部２３が、抽出された２点のマーカーＭのｘｙ座標での位置（ｘ_１，ｙ_１）、（ｘ_２，ｙ_２）と当該２点のマーカーＭの設計上のｘｙ座標での位置（ｘ_１´，ｙ_１´）、（ｘ_２´，ｙ_２´）と、柱１の芯の設計上のｘｙ座標での位置とに基づいて、柱１の芯の上端又は両端の設計上の位置に対する誤差（σ_uｘ,σ_uｙ,σ_uｚ）、（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）と、柱１の設計上の設置状態を基準とする芯の周りのねじれ角θ_ｚを求める。さらに、演算処理部２３が、抽出された複数のマーカーＭの位置に基づいて、柱１の芯の下端の位置の誤差（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）が既知である場合には上端のみ、柱１の芯の両端の誤差が未知である場合には上下両端の位置の誤差を求め、柱１の芯の上下両端の誤差（σ_uｘ,σ_uｙ,σ_uｚ）、（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）に基づいて柱１の設計上の設置状態を基準とするｘ方向及びｙ方向の倒れ角θ_ｘ、θ_ｙを求める。以上により、柱１の設置位置の誤差（σ_uｘ,σ_uｙ,σ_uｚ）、（σ_ｌｘ,σ_ｌｙ,σ_ｌｚ）、ｘ方向及びｙ方向の倒れ角θ_ｘ、θ_ｙ及び芯の周りのねじれ角θ_ｚを精度よく測定することができる。

なお、上述の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、上述の実施形態では、建設部材としての柱１の設置精度を測定したが、設置精度を測定する建設部材としては杭や梁や壁材等の他の建設構造材やガラス等の非構造材等も挙げられる。また、上述の実施形態では、設置位置の誤差、倒れ角、ねじれ角の全てを測定したが、何れか一つのみを測定するだけにしてもよい。また、上述の実施形態では、複数の柱１の設置精度を同時に測定する例を挙げて本発明を説明したが、柱１の設置精度を一本ずつ測定してもよい。

１柱（建設部材）、２マーカーボード、２Ａ、２Ｂ基準マーカーボード、１０測定システム、１２ステレオカメラ、１２Ｌ、１２Ｒカメラ、２０ＰＣ、２１画像取込部、２２画像処理部（マーカー抽出部）、２３演算処理部（設置精度演算部）、２４入力部、２５表示部、２６バス、Ｍマーカー、Ｍ_Ａ、Ｍ_Ｂ基準マーカー

Claims

所定位置に設置される建設部材の複数の所定地点に予め設けられた複数のマーカーと、
前記複数のマーカーを撮影するステレオカメラと、
前記ステレオカメラで撮影された画像から前記複数のマーカーを抽出するマーカー抽出部と、
前記マーカー抽出部で抽出された前記複数のマーカーの位置を求め、その前記複数のマーカーの位置に基づいて、前記建設部材の設計上の設置位置に対する誤差である位置誤差、前記建設部材の設計上の設置状態を基準とする倒れ角、及び、前記建設部材の設計上の設置状態を基準とするねじれ角の少なくとも一つを求める設置精度演算部と
を備える建設部材の設置精度の測定システム。
前記複数のマーカーのうちの少なくとも２点のマーカーは、前記建設部材の基準軸に対する位置関係が既知であって横方向に離間して配され、
前記設置精度演算部は、前記マーカー抽出部で抽出された前記２点のマーカーの位置と当該２点のマーカーの設計上の位置と前記基準軸の設計上の位置とに基づいて、前記位置誤差と前記ねじれ角とを求める請求項１に記載の建設部材の設置精度の測定システム。
前記設置精度演算部は、前記マーカー抽出部で抽出された前記複数のマーカーの位置に基づいて、前記建設部材の基準軸の両端の設計上の位置に対する誤差を求め、その両端の誤差に基づいて、前記倒れ角を求める請求項１又は請求項２に記載の建設部材の設置精度の測定システム。
前記設置精度演算部は、前記マーカー抽出部で抽出された前記複数のマーカーの位置に基づいて、前記建設部材の基準軸の一端の設計上の位置に対する誤差を求め、その一端の誤差と既知である他端の誤差とに基づいて、前記倒れ角を求める請求項１又は請求項２に記載の建設部材の設置精度の測定システム。
所定位置に設置する建設部材の複数の所定地点に複数のマーカーを予め設ける工程と、
前記所定位置に設置された前記建設部材の前記複数のマーカーをステレオカメラで撮影する工程と、
前記ステレオカメラで撮影した画像から前記複数のマーカーを画像処理により抽出する工程と、
抽出した前記複数のマーカーの位置を求め、その前記複数のマーカーの位置に基づいて、前記建設部材の設計上の設置位置に対する誤差、前記建設部材の設計上の設置状態を基準とする倒れ角、及び、前記建設部材の設計上の設置状態を基準とするねじれ角の少なくとも一つを求める工程と
を備える建設部材の設置精度の測定方法。