JP2016509199A - 3次元表面測定のための装置および方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[0001]本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている、「Apparatus and Method for Measuring Subsea Structures(海中構造物を測定するための装置および方法)」という名称の、2012年12月14日に出願された米国仮特許出願第61/737,499号に対する優先権を主張するものである。
[0020]以下の考察において、および特許請求の範囲において、術語「含む」および「備える」は、オープンエンドの様式で使用されるものであり、したがって、「…を含む、ただしそれらに限定されない」を意味すると解釈されるべきである。術語「接続する」、「係合する」、「結合する」、「付着する」、または、要素間の相互作用を説明する任意の他の術語のいかなる形式のいかなる使用も、相互作用を、要素間の直接の相互作用に限定するようには定められておらず、説明される要素間の間接の相互作用をさらに含み得る。術語「ソフトウェア」は、ソフトウェアを記憶するために使用される媒体に関係なく、プロセッサ上で動作することが可能な任意の実行可能なコードを含む。したがって、メモリ(例えば、不揮発性メモリ)に記憶され、時には「埋め込み型ファームウェア」と呼称されるコードは、ソフトウェアの定義の範囲内に含まれる。記載「に基づく」は、「に少なくとも部分的に基づく」を意味することが意図される。したがってXがYに基づく場合、Xは、Yおよび任意の数の追加的な因子に基づき得るものである。
・カメラ場所の3D座標および向き
・センサの較正(すなわち、カメラの光学機械パラメータ、ならびに、カメラに対するレーザ面の位置および向き)
・「レーザ三角測量点」の3D座標
[0031]処理システム112は、以下のように写真測量処理を適用することが可能である。図2は、本明細書で開示される原理による、写真測量システム軸の図解の表現図を示す。カメラ102および108の各々は、カメラの画像センサに関してその中心に置かれ向きが定められる、それらのカメラ自体のシステム軸を有する。画像取り込みの間、カメラ102、108の位置および向きは、世界システム軸(World System Axis)で与えられる。「世界システム軸」は、(O X Y Z)と言及され、「カメラシステム軸」は、(o x y z)と言及される。
(x,y)Tは、カメラシステム軸での点mの座標であり、
(dx,dy)Tは、光学歪みの補正であり、
Rは、世界システム軸に対するカメラシステム軸の回転行列であり、
(XM,YM,ZM)Tは、世界システム軸での点Mの座標であり、
(XC,YC,ZC)Tは、(画像取り込みの間の)カメラの透視中心の座標であり、
kは、
[0033]システム100には、補正されることになる3つのタイプの歪み、すなわち、放射状歪み、偏心歪み、および、画像センサの製造欠陥が存在する。処理システム112は、主点(CCD上の透視中心の投射)の偏心に対してあらかじめ補償された座標に補償を適用する。(xp,yp)Tが、カメラシステム軸での透視中心(または基準中心)の座標であるとすると、補償公式は、
r2=x2+y2 (3)
(rdx,rdy)Tは、放射状歪みベクトルであり、
(ddx,ddy)Tは、偏心歪みベクトルであり、
(pdx,O)Tは、画素歪みベクトルであり、
である。
[0034]処理システム112は、以下のようにレーザ三角測量に対する較正を計算することが可能である。空間に投射されるレーザは、面を形成する。処理システム112は、レーザ面を、カメラシステム軸でのその位置を計算することにより較正する。図3は、本明細書で開示される原理による、カメラ102に対するレーザ面位置取りの図解の表現図を示す。レーザ面は、カメラシステム軸の原点に対する(数学的な最小の)距離dl、および、カメラシステム軸での法線
[0035]図4は、本明細書で開示される原理による、レーザ軸定義の図解の表現図を示す。レーザに対するシステム軸を定義する際に、レーザ軸の原点は、カメラシステム軸の原点のレーザ面上の投射であり、レーザ面のOZ軸はOZ軸と交差し、OX軸はレーザ面と直角をなす。この定義に従って、(OZ軸とレーザ面OZ軸との間の)コンバージェンス、ベース(カメラ原点とレーザ原点との間の距離)などの度量衡特性が生成され得る。(ol,xl,zl)が以下のように定義される:
o、および、レーザ面上のoの投射を通る(ol,xl)軸、ならびに、
カメラ光軸と一致する(ol,zl)軸。
さらに、Lはレーザ面に属し、したがって次式となる。
xL=O (10)
式(9)および(10)は、3つの独立式を生成し、そのことによって、レーザシステム軸でのレーザ点(xL,yL,zL)の座標の計算が可能となる。
Ti:カメラ2システム軸でのカメラ1位置、および、
Ri:カメラ2システム軸へのカメラ1システム軸の回転行列
である。
(Ti,Ri)は、パイロットカメラに対するレーザカメラの相対的な場所であり、
((X2,Y2,Z2)T,R2)は、世界システム軸へのパイロットカメラの場所であり、
C1およびC2は、レーザカメラおよびパイロットカメラの主距離である。
[0042]図8A〜8Bは、本明細書で開示される原理による、システム100での使用のために適合されるカメラおよび発光ダイオード(LED)104の図を示す。
[0052]一部の実施形態では、任意の環境での物体および表面の、3D測定およびモデリングのための方法は、
支持体上で組立てられる少なくとも1つのカメラおよび1つのレーザ線プロジェクタの組立体を用意するステップと、
測定シーンの周囲で移動し、物体上に投射されるレーザ線とともに測定シーンのビデオを撮影するステップと、
手動で、または自動的に、
ビデオから画像を抽出するステップと、
画像間の相関点を決定するステップと、
相関点の3D(xyz)座標を決定するステップと、
カメラの光学パラメータを決定するステップと、
カメラの場所を決定するステップと、
カメラに対するレーザ面の相対的な位置および向きを決定するステップと、
レーザ三角測量点の3d座標(xyz)を決定するステップと
を含む。
カメラにより静止画像またはビデオ画像(高精細度またはそうでないもの)を提供するステップであって、
複数のカメラが取り付けられ使用され得るものであり、そのことによって、立体視および追加的な測定が可能となる、提供するステップと、
レーザ線などのパターン投射を提供するステップと
を含む。
カメラと、
レーザと、
各々の測定で、カメラの光学機械パラメータ、ならびに、カメラに対するレーザの相対的な場所および向きのモデリングを統合する自己較正モジュールと、
媒体(空気、光学ガラス、水)に起因する光学偏差を考慮する自己較正モジュールと、
任意のズーム位置に拡張される自己較正モジュールと
を含む。
Claims (21)
- レーザ三角測量のために表面上にレーザ投射をするように構成されるレーザプロジェクタと、
前記表面の画像を提供するように構成され、前記レーザプロジェクタに対して斜めの角度で配設される第1のカメラと、
プロセッサであって、
写真測量処理を前記画像に適用し、
レーザ三角測量に対する較正を前記写真測量処理の結果に基づいて計算し、
前記較正に基づいて、前記レーザ投射により照らされる前記表面の点の座標を、レーザ三角測量によって計算する
ように構成されるプロセッサと
を備える測定システム。 - 請求項1に記載のシステムであって、前記第1のカメラが、前記第1のカメラの光軸がおおよそ30度の角度で前記レーザ投射と交差するように、前記レーザプロジェクタに対して取り付けられる、システム。
- 請求項1に記載のシステムであって、前記第1のカメラが、ビデオを取り込むように構成され、前記プロセッサが、前記画像として前記ビデオからピクチャを抽出するように構成される、システム。
- 請求項1に記載のシステムであって、前記プロセッサが、前記写真測量処理の一部として、
前記画像の全域で前記表面の点を識別し、
3次元での前記点の座標を計算し、
前記座標に対して前記第1のカメラの場所および向きを決定する
ように構成される、システム。 - 請求項4に記載のシステムであって、前記プロセッサが、レーザ三角測量に対する前記較正を計算することの一部として、
前記第1のカメラの光学パラメータ、ならびに、
前記第1のカメラに対する前記レーザ投射の場所および向き
の少なくとも1つを決定するように構成される、システム。 - 請求項1に記載のシステムであって、前記表面の画像を取り込むように構成される第2のカメラであって、前記第2のカメラの光軸が前記レーザプロジェクタの発する光に対しておおよそ平行であるように配設される、第2のカメラをさらに備えるシステム。
- 請求項6に記載のシステムであって、前記プロセッサが、前記写真測量処理の一部として、前記第2のカメラの場所に対する前記第1のカメラの場所を決定するように構成される、システム。
- 請求項1に記載のシステムであって、前記レーザ投射が前記表面上に線を形成する、システム。
- 表面の画像を、第1のカメラによって、前記第1のカメラを前記表面に沿って移動させつつ取り込むステップと、
前記表面を、前記第1のカメラと連関して前記表面に沿って移動するレーザ源により生み出されるレーザ投射によって照らすステップと、
写真測量処理を前記画像に適用するステップと、
レーザ三角測量に対する較正を前記写真測量処理の結果に基づいて計算するステップと、
前記レーザ三角測量によって、前記レーザ投射により照らされる前記表面の点の座標を、前記較正に基づいて計算するステップと
を含む、レーザ三角測量のための方法。 - 請求項9に記載の方法であって、前記第1のカメラが、前記第1のカメラの光軸がおおよそ30度の角度で前記レーザ投射と交差するように、前記レーザ源に対して取り付けられる、方法。
- 請求項9に記載の方法であって、前記第1のカメラによりビデオを取り込み、前記ビデオから前記画像を抽出するステップをさらに含む方法。
- 請求項9に記載の方法であって、写真測量処理を適用する前記ステップが、
前記画像の全域で前記表面の点を識別するステップと、
3次元での前記点の座標を計算するステップと、
前記座標に対して前記第1のカメラの場所および向きを決定するステップと
を含む、方法。 - 請求項12に記載の方法であって、較正を計算するステップが、
前記第1のカメラの光学パラメータを決定するステップ、ならびに、
前記カメラに対する前記レーザ投射の場所および向きを決定するステップ
の少なくとも1つを含む、方法。 - 請求項9に記載の方法であって、
前記表面の画像を、第2のカメラによって、前記第1のカメラを前記表面に沿って移動させつつ取り込むステップ
をさらに含み、記第2のカメラが、前記第2のカメラの光軸が前記レーザ源の発する光に対しておおよそ平行であるように配設される、方法。 - 請求項14に記載の方法であって、写真測量処理を適用する前記ステップが、前記第2のカメラの場所に対する前記第1のカメラの場所を決定するステップを含む、方法。
- 請求項9に記載の方法であって、前記表面をレーザ投射によって照らすステップが、前記表面上にレーザ線を投射するステップを含む、方法。
- 実行されたときプロセッサに、
第1のカメラから受ける画像ストリームから表面の画像を抽出することと、
写真測量処理を前記画像に適用することと、
レーザ三角測量に対する較正を前記写真測量処理の結果に基づいて計算することと、
レーザ三角測量によって、前記較正に基づいて、前記画像内に取り込まれるレーザ投射により照らされる前記表面の点の座標を計算することと
をさせる命令によって符号化される非一時的なコンピュータ可読媒体。 - 請求項17に記載のコンピュータ可読媒体であって、実行されたときプロセッサに、前記写真測量処理の一部として、
前記画像の全域で前記表面の点を識別することと、
3次元での前記点の座標を計算することと、
前記座標に対して前記第1のカメラの場所および向きを決定することと
をさせる命令によって符号化される、コンピュータ可読媒体。 - 請求項17に記載のコンピュータ可読媒体であって、実行されたときプロセッサに、レーザ三角測量に対する前記較正を計算することの一部として、
前記第1のカメラの光学パラメータ、
前記第1のカメラと前記表面との間の媒体により引き起こされる光学偏差、ならびに、
前記第1のカメラに対する前記レーザ投射の場所および向き
の少なくとも1つを決定することをさせる命令によって符号化される、コンピュータ可読媒体。 - 請求項17に記載のコンピュータ可読媒体であって、実行されたときプロセッサに、
第2のカメラから受ける画像ストリームから前記表面の画像を抽出することと、
前記第2のカメラの場所に対する前記第1のカメラの場所を決定することと
をさせる命令によって符号化される、コンピュータ可読媒体。 - 請求項17に記載のコンピュータ可読媒体であって、実行されたときプロセッサに、前記レーザ投射を生成するようにレーザ源を駆動することをさせる命令によって符号化され、前記レーザ投射が前記表面上に線を形成する、コンピュータ可読媒体。
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