JP2016223862A - ３ｄモデル作成用計測装置およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】カメラとスキャナに双方が映り込むことなく広範囲にデータを取得でき、かつ小型化を図った３Ｄモデル作成用計測装置およびそのシステムを提供する。
【解決手段】３Ｄモデル作成用計測装置（1）は、装置の慣性データを計測する慣性計測装置（30）と、上方および側方の空間の画像を取得する全方位カメラ（10）と、周方向に３６０度走査するスキャナ（20）と、を備え、前記慣性計測装置の上方に前記全方位カメラが配置され、前記全方位カメラの斜め上方に前記スキャナが配置された。これにより、全方位カメラとスキャナが双方の死角に位置するため、カメラとスキャナに双方が映り込むことなく広範囲にデータを取得でき、かつ小型化が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、測量、計測、またはモバイルマッピングシステムの分野において、地理空間の三次元モデルを作成するための計測装置およびシステムに関する。

３Ｄモデル作成用計測装置は、カメラ、スキャナ、および自身の傾きや加速度等の慣性データを計測する慣性計測装置を備える。３Ｄモデル作成システムは、この計測装置を移動させながら、地理空間の画像データおよび点群データを取得し、点群データをカメラ画像に合成することで、地理空間の三次元モデルを作成する。

このため、３Ｄモデル作成用計測装置は、広範囲を撮像するために、カメラやスキャナを複数搭載するのが一般的であり、また、カメラとスキャナに他方が映り込まないレイアウトが求められる。例えば非特許文献１の３Ｄモデル作成用計測装置では、下方に一次元レーザスキャナが周方向に複数台配置され、その上に慣性計測装置が配置され、その上に複数のカメラを一体にした全方位カメラが配置されている。

"IP-S2 Standard+"、［online］、株式会社トプコン、［２０１５年５月８日検索］、インターネット［ＵＲＬ；http://www.topcon.co.jp/positioning/products/pdf/IP-S2_Standard-plus_J.pdf］

しかし、上述の理由から、３Ｄモデル作成用計測装置は、装置として大型化する傾向があった。また、３Ｄモデル作成用計測装置は移動しながら使用されるため、大型であると移動体への取り付け作業も困難であった。

本発明は、前記問題を解決しようとするものであり、カメラとスキャナに双方が映り込むことなく広範囲にデータを取得でき、かつ小型化を図った３Ｄモデル作成用計測装置およびシステムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のある態様に係る３Ｄモデル作成用計測装置は、装置の慣性データを計測する慣性計測装置と、上方および側方の空間の画像を取得する全方位カメラと、周方向に３６０度走査するスキャナと、を備え、前記慣性計測装置の上方に前記全方位カメラが配置され、前記全方位カメラの斜め上方に前記スキャナが配置される。

上記態様において、前記スキャナは、前記全方位カメラの上方カメラの視野角および側方カメラの視野角の外に配置されるのが好ましい。

上記態様において、前記スキャナは前記全方位カメラの頭部に固定されるのが好ましい。

上記態様において、前記スキャナは、その回転軸が鉛直方向から約４５度の傾斜で配置されるのが好ましい。

本発明のある態様に係る３Ｄモデル作成システムは、装置の慣性データを計測する慣性計測装置と、前記慣性計測装置の上面に固定され、上方および側方の空間の画像を取得する全方位カメラと、前記全方位カメラの頭部後方に斜め上方に向けて固定された、周方向に３６０度走査する、一のスキャナと、を備える計測装置と、前記計測装置をルーフ後方に固定した車両と、を有する。

上記態様において、前記計測装置は、側面に傾斜部を有する台座を有し、前記傾斜部を係合する爪状のアームを有する架台を使用して前記車両に固定されるのが好ましい。

本発明によれば、カメラとスキャナに双方が映り込むことなく広範囲にデータを取得でき、かつ小型化を図った３Ｄモデル作成用計測装置およびそのシステム提供することができる。

実施の形態に係る計測装置の斜視図である。 図１の計測装置の視野範囲を示す図である。 実施の形態に係る３Ｄモデル作成システムの概略構成図である。 図３のシステムのブロック図である。 図３のシステムの固定具を含む斜視図である。 図５の固定具を延長した状態の斜視図である。 図５の固定具を縮めた状態の斜視図である。 図５の固定具の要部の斜視図である。 図５の固定具の要部の分解斜視図である。 図５の固定具の要部の右側面図である。 計測装置の変形例を示す上面図である。

次に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

（計測装置の実施形態）
図１において、符号１は、本形態に係る３Ｄモデル作成用計測装置（以下、単に計測装置とする）である。計測装置１は、全方位カメラ１０と、スキャナ２０と、慣性計測装置３０とを有する。なお、図中において、矢印Ｆが前方向、矢印Ｂが後方向、矢印Ｌが左方向、矢印Ｒが右方向、矢印Ｕが上方向、矢印Ｄが下方向を示している。なお、図１において、符号３２は計測装置１を持ち運ぶ際の取手である。符号５２は、後述する、計測装置１を移動体に取り付けるための台座である。

全方位カメラ１０は、該カメラ１０の側方全周（３６０度）の画像を取得するための側方カメラ１１と、上方の画像を取得するための上方カメラ１２を有する。本形態では、側方カメラ１１が正五角形状に５つ、上方カメラ１２が１つ備えられ、これらが一体のユニットとなっている。側方カメラ１１および上方カメラ１２は、デジタルカメラ等であり、撮像素子としてＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等のイメージセンサを備えており、取得した画像データはデジタル信号として出力され、撮像素子中の画素の座標を特定でき、動画像および静止画像として取得可能である。各側方カメラ１１は上下方向視野角θ１１を有し、上方カメラ１２は前後方向視野角θ１２を有している。なお、側方カメラ１１および上方カメラ１２の数は、カメラの視野角により変更されてよい。

スキャナ２０は、複数本のレーザビームを回転走査する回転式レーザスキャナ(例えばベロダイン社（Ｖｅｌｏｄｙｎｅ）のＨＤＬ―３２ｅレーザスキャナ)であり、上下方向視野角θ２０で周方向３６０度の点群データを取得する。

慣性計測装置３０は、いわゆるＩＭＵユニットであり、キューブ３１内に３軸ジャイロと３方向の加速度計を有し、３次元の角速度と加速度を取得する。

全方位カメラ１０は、慣性計測装置３０のキューブ３１の上面にねじ留め固定されている。スキャナ２０は、その回転軸２１が鉛直方向から後方に４５度傾斜（図２も参照）するように、全方位カメラ１０の頭部１３の後方にねじ留め固定されている。なお、全方位カメラ１０およびスキャナ２０の固定方法は、ネジ留め以外の他の方法であってもよい。

次に、上記のレイアウトが好適である理由を説明する。図２に示すように、全方位カメラ１０の側方カメラ１１は上下方向視野角θ１１、上方カメラ１２は、前後方向視野角θ１２で画像データを取得可能である。視野角θ１１および視野角θ１２は、９０°〜１１０°程である。スキャナ２０は上下方向視野角θ２０で点群データを取得可能である。垂直視野角θ２０は、４０°〜５０°程である。

このように、第１に、スキャナ２０を全方位カメラ１０の斜め上方に配置したことで、スキャナ２０の位置は側方カメラ１１および上方カメラ１２の死角となり、側方カメラ１１の画像にも上方カメラ１２の画像にもスキャナ２０の像が映りこむのを回避できる。同時に、全方位カメラ１０の位置もスキャナ２０の死角となるので、スキャナ２０の取得データにカメラ１０の像が映りこむのを回避できる。また、慣性計測装置３０は、全方位カメラ１０の真下に配置したので、全方位カメラ１０およびスキャナ２０に慣性計測装置３０の像が映りこむのも回避できる。

第２に、スキャナ２０は、上述のように全方位カメラ１０の斜め上方のエリアであれば全方位カメラ１０から所定距離離した位置に配置してもよいが、スキャナ２０を全方位カメラ１０に近づけて配置するほど、全方位カメラ１０にスキャナ２０の像が映りこむのを回避できる。このため、スキャナ２０は全方位カメラ１０の頭部１３に直接固定し、スキャナ２０の走査部と全方位カメラ１０の距離を縮めて配置するのがより好ましい。

第３に、スキャナ２０は、上述のように全方位カメラ１０の斜め上方に向けて固定すればよいが、その回転軸２１を鉛直方向から４５°±１５°の傾斜とすると、画像合成後の結果物に、全方位カメラ１０およびスキャナ２０の像の映り込みが生じない（目視上生じない）ことが確認されたため、最も好ましい。

このように、計測装置１は、上記のレイアウトを採ることで、全方位カメラ１０とスキャナ２０の双方で互いの映り込みによるデータの損失が免れ、効率の良いデータ収集をすることができる。かつ、従来（非特許文献の計測装置など）と比して、小型に構成することができる。

（３Ｄモデル作成システムの実施形態）
本形態は、第１の実施形態で説明した計測装置１を、車両４０に搭載した場合の３Ｄモデル作成システム１００（以下、単にシステム１００とする）の例である。第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を引用する。図３および図４に示すように、システム１００は、計測装置１と、同期制御装置１０１と、演算装置１０２と、車両４０を有する。

本形態での計測装置１は、全方位カメラ１０の頭部１３の前方の斜め上方に、車両４０の位置情報を取得するためのＧＮＳＳアンテナ４１が固定されている。車両４０には、ホイールエンコーダ４２が設けられている。

全方位カメラ１０、スキャナ２０、慣性計測装置３０、およびＧＮＳＳアンテナ４１を有する計測装置１は、ケーブル等を介して同期制御装置１０１に接続されている。同期制御装置１０１は、全方位カメラ１０による画像データ取得時刻、スキャナ２０による点群データ取得時刻、および慣性計測装置による慣性データ取得時刻を同期させる。同期制御装置１０１は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）などの演算装置１０２に有線／無線により接続されている。演算装置１０２は、同期制御装置１０１により時刻に基づき関連付けされたカメラ画像に点群データを合成して、３Ｄモデルを演算する。この演算は、例えば、全方位カメラ１０で取得した画像について特徴点を抽出する画像処理、動画像データ中の特徴点を用いてトラッキングを行う処理、写真測量を行うための処理、画像中から既知の長さを抽出して寸法補正する処理、などを行う。ＧＮＳＳアンテナ４１およびホイールエンコーダ４２での検出データは、ケーブル等を介して同期制御装置１０１に送られ、時刻を同期される、演算装置１０２は、ＧＰＳ上の移動距離とホイールの回転速度から得られる移動距離との差異を常に比較して、正確な移動距離が計測し、３Ｄモデル演算に使用する。

同期制御装置１０１と演算装置１０２は、車内の作業者の手元に置かれる。計測装置１は、車両４０のルーフの後方に固定される。システム１００のように、移動体として車両４０を使用する場合は、計測装置１は、ルーフなど車両４０の上方かつその後方に固定し、計測装置１の後方にスキャナ２０が配置されるように固定することで、全方位カメラ１０およびスキャナ２０に車両４０の像が映り込むのを回避でき、かつ広範囲にデータを取得できる。

次に、計測装置１を車両４０に固定するための好適な構成を、図５〜図１０を参照して説明する。図５に示すように、計測装置１は、マウント５１と、台座５２と、架台５３により車両４０に固定される。

図６〜図７に示すように、マウント５１は、取付ベース部５１１、スライド部５１２、クランプ部５１３を有する。図６はスライドを延長させた状態、図７はスライドを縮めた状態である。取付ベース部５１１は、二本のベースバーと二本のスライドベースを有している。ベースバーは、ルーフ上の梯子等を挟持してネジ留めできるようになっている。スライドベースは、このベースバーに担持されており、略中央位置にクランプ部５１３を有している。スライド部５１２は、後方のレール端部に架台５３が取り付けられており、クランプ部５１３のレバーによる締め／緩めにより、前後にスライド可能である。スライド部５１２には、前後二箇所の所要位置に位置決めリブ５１４が形成されており、取付ベース部５１１に設けられた位置決めピン５１５と係合して、前後方向の位置決めが成されるようになっている。

図８〜図１０に示すように、計測装置１は、マウント５１に対し、台座５２および架台５３を利用して固定される。台座５２は、予め計測装置１の下面に固定されている（図１も参照、図８〜図１０では計測装置１の記載は省略している）。台座５２の左右側面は、上面から下面にかけて側方に延出する傾斜部５２１が形成されており、架台５３のアーム５３２と係合するようになっている。台座５２の前側面には、後述する突出ピン５３４に対応する位置に、後方側に窪む凹部５２２が形成されている。

架台５３は、台５３０と、取手５３１と、アーム５３２と、アームクランプ５３３と、突出ピン５３４と、位置決めピン５３５を有する。

取手５３１は、台５３０から斜め下後方に延び、固定具５０のスライド操作に使用される。アーム５３２は、台５３０の左右側面から上方に突出しており、その内側面は、爪状、すなわち基端部から先端部にかけて内側に延出する傾斜が形成されており、台座５２の傾斜部５２１と係合するようになっている。アームクランプ５３３は、本形態では右のアーム５３２に設けられているが、左または両側に設けられていてもよい。突出ピン５３４は、その上端が台５３０の上面から突出し、台５３０の下方にはバネ部５３４０が設けられている。突出ピン５３４は、台５３０の前後左右の４箇所に設けられており、台座５２を前後左右に位置決めする。位置決めピン５３５は、台５３０の上面に、前方側の突出ピン５３４より前方の位置に設けられており、台座５２の裏面に形成された位置決め部（図示略）と係合する。

固定作業においては、まず、スライド部５１２上の架台５３に、計量装置１を固定する。その際、架台５３の位置決めピン５３５および突出ピン５３４をガイドにして計測装置１を架台５３に載せると、計測装置１の自重によりバネ部５３４０が縮み突出ピン５３４が上方に延長するので、台座５２が架台５３に前後左右方向に確実に位置決めされる。アームクランプ５３３を手で締め込むことで、台座５２が架台５３に固定される。次に、スライド部５１２を取付ベース部５１１に嵌め、クランプ部５１３で固定する。このように、計測装置１は、全工程において手動で車両４０に取り付けることができる。計測を行うときは、図６のようにスライドを延長した状態で計量装置１を固定し、計測を行わない時は、図７のようにスライドを縮めた状態で計量装置１を固定して使用するのが好適である。

また、計測装置１を車両４０から下ろす際は、スライド部５１２を取付ベース部５１１から外した後、アームクランプ５３３を緩めると、バネ部５３４０の付勢力で台座５２が押し上げられ、計測装置１は架台５３から容易に外れるので、計測装置１は、車両４０からの取り外しも容易である。また、このようにして、システム１００に関わるものは全て車両４０から取り外すことができるので、システム１００に関わるものは持ち運ぶことが可能であり、また、車両４０はシステム１００のための専用車とする必要はなく、システム１００は汎用の車に後付けすることができる。

（変形例）
次に、上記の実施形態の好適な変形例について示す。

計測装置１で、スキャナ２０を、図１１に示すように、全方位カメラ１０の頭部１３の後方側に、斜め上方に向けて、左右一対に二つ設けるのも好ましい。これにより、上記した実施形態と同様に全方位カメラ１０とスキャナ２０の双方で互いの映り込みを回避した状態で、より広範囲のデータ収集が可能となる。

また、計測装置１を移動させる移動体は、車両４０に限らず、台車、飛行物、船舶、自転車、または無人搬送機などであってもよい。

また、スキャナ２０は、全方位カメラ１０の頭部１３の後方に固定されているが、頭部１３の周方向のどの位置に取りつけられていても、上記と同様の効果を備える。すなわち、移動体の種類や、その移動方向に応じて、スキャナ２０の固定位置は変更されてよい。例えば、計測装置１の移動体への取り付け位置が移動体の前方側であれば、スキャナ２０を全方位カメラ１０の頭部１３の前方側にレイアウトすれば、移動体の像が全方位カメラ１０とスキャナ２０に映りこむことなく、システムを構築することができる。

また、計測装置１は、全方位カメラ１０にスキャナ２０を固定する構成であり、慣性計測装置３０にて常に自身の位置情報を取得できる構成であるため、組立にバラツキが生じても、装置組立後にキャリブレーション（校正）を行い、位置情報を元にソフトウェア上で組立誤差分を補正することができる。また、計測装置１は、移動体に固定して使用されるため振動耐久性が求められるが、慣性計測装置３０にて自身の正確な位置情報を把握できるため、強度的にわざと撓む構造を採用して振動に備えてもよい。

以上、好ましい実施の形態について述べたが、これら以外にも、各形態および各変形を当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

１ 計測装置
１０ 全方位カメラ
１１ 側方カメラ
１２ 上方カメラ
１３ カメラ頭部
θ１１ θ１２ カメラ視野角
２０ スキャナ
２１ スキャナ回転軸
θ２０ スキャナ視野角
３０ 慣性計測装置
４０ 車両
４１ ＧＮＳＳアンテナ
４２ ホイールエンコーダ
５２ 台座
５２１ 傾斜部
５３ 架台
５３２ アーム

Claims (6)

1. 装置の慣性データを計測する慣性計測装置と、
   上方および側方の空間の画像を取得する全方位カメラと、
   周方向に３６０度走査するスキャナと、を備え、
   前記慣性計測装置の上方に前記全方位カメラが配置され、前記全方位カメラの斜め上方に前記スキャナが配置されたことを特徴とする３Ｄモデル作成用計測装置。
   
2. 前記スキャナは、前記全方位カメラの上方カメラの視野角および側方カメラの視野角の外に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の３Ｄモデル作成用計測装置。
   
3. 前記スキャナは前記全方位カメラの頭部に固定されたことを特徴とする請求項２に記載の３Ｄモデル作成用計測装置。
   
4. 前記スキャナは、その回転軸が鉛直方向から約４５度の傾斜で配置されたことを特徴とする請求項３に記載の３Ｄモデル作成用計測装置。
   
5. 装置の慣性データを計測する慣性計測装置と、前記慣性計測装置の上面に固定され、上方および側方の空間の画像を取得する全方位カメラと、前記全方位カメラの頭部後方に斜め上方に向けて固定された、周方向に３６０度走査する、一のスキャナと、を備える計測装置と、
   前記計測装置をルーフ後方に固定した車両と、
   を有することを特徴とする３Ｄモデル作成システム。
   
6. 前記計測装置は、側面に傾斜部を有する台座を有し、前記傾斜部を係合する爪状のアームを有する架台を使用して前記車両に固定されることを特徴とする請求項５に記載の３Ｄモデル作成システム。