JP2019132700A

JP2019132700A - マーカーおよび測定方法

Info

Publication number: JP2019132700A
Application number: JP2018015112A
Authority: JP
Inventors: 孝久下村; Takahisa Shimomura
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2019-08-08

Abstract

【課題】レーザー光源からのビーム光を投射して、周囲環境から反射して戻る戻り光を受光して、測定対象物への距離、水平角度、垂直角度を測定し、周囲環境の三次元座標を求める三次元レーザー光走査装置での計測で用いられる、平面の端点を決定するためのマーカーを安価で簡便なものにする。【解決手段】３つの平面が互いに隣り合う平面と作る３つの稜線の交点が一つの頂点となる形状であって、この頂点を基準点として、３つの平面が三次元レーザー光走査装置に対向するように配置する。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元レーザー光走査装置での三次元計測に用いられるマーカーおよびマーカーを使った測定方法に関する。

測定対象物にレーザー光を照射し、その反射光を受光して距離を測定するレーザー測距技術は、様々な分野で活用されている。特に、ファクトリーオートメーション（ＦＡ）の分野では従来から広く利用されており、さらに、最近では自動車の衝突安全回避用のレーザーレーダーが実用化され、さらなる需要の拡大が期待されている。

また、建設市場においても、ＩＣＴ施工（情報化施工）の普及が促進され、工事現場の施工前、施工後の三次元データの計測が必要になり、建設用途向け三次元レーザー光走査装置の需要が伸びている。三次元レーザー光走査装置はまた、土木建築・建設分野に限らずその活用は多岐にわたり、工場やプラント、文化財調査保存、製品検査、リバースエンジニアリング、犯罪・事故現場捜査解析、森林調査、農業、バーチャルリアリティ等、様々な分野で利用されている。

三次元レーザー光走査装置は、レーザー光のビーム光を垂直、水平方向に周囲環境に投射し、周囲環境の測定対象物から反射して戻る戻り光を受光して、反射物までの距離および走査する垂直角、水平角に基づいて測定対象物の三次元座標情報を求める。このビーム光による投射は、スポット光として、周囲環境に投射され、測定は、測定対象物に当たる多数のスポット光の点群のデータから、測定対象物の形状を複数の三次元座標情報として得る。

このような三次元レーザー光走査装置を用いて平面を測定する場合に、平面の端点や平面の辺の測定が不明確になる問題がある。
三次元レーザー光走査は、レーザースポット、すなわち点を周囲環境に対して複数投射して、得られたレーザースポットの点群のデータから測定対象物の三次元座標を求める。平面の全体については得られた点群データから平面の方程式を求めることができるため測定精度はよいが、測定対象の平面の端部が明確である場合、端点や平面の辺では、点群の空白部分になるなど、座標を精度よく抽出することは難しい。

そこで、端点の座標を精度よく測定するために端点に置かれるマーカーが用いられている。このマーカーとしては、球状の物体のものや平板に市松模様を付けたものが用いられることがある。球状のマーカーの場合、球の直径などマーカーの寸法が予め判っているので球の中心から特定の距離を加算した三次元座標が、検出したい端点であることがわかる利点がある。しかしながら、球の中心座標を精度よく求めるためには、レーザー光が当たるスポットが一定以上必要である上に、光走査装置に対する球の表面の角度が球の見かけ上の円の中心と円周とで大きく異なり、球の反射率が端部付近で極端に下がるため、球の中心座標が明確にはならない問題がある。
また、市松模様のマーカーの場合、上述するとおり点群データの三次元座標は離散的でそれぞれに間隔があり、市松模様の境界線はこの間隔に起因する解像度以上の精度で検出できないという問題がある。

このようなマーカーの問題を解決するために、平面の端点に置かれたマーカーの端部の座標をより正確に検出できるマーカーとして、特許文献１に記載されたマーカーが提案された。

特開２０１５−１８４０７８号公報

この特許文献１に記載のマーカー（ターゲット）は、８面体と直方体とを組み合わせた形状であって、このマーカーを測定したい測定対象物の端点に置いて測定を行い、三次元レーザー光走査装置は、マーカーから反射された点群のデータから８面体の平面のデータを抽出し、８面体と組み合わされた直方体の頂点の位置を抽出して、直方体の頂点が置かれた測定対象物の位置（座標）を求めるものである。

この、特許文献１に記載のマーカーの形状は、８面体と直方体とが組み合わされた形状であって、金型や切削加工で作成される。金型（または鋳型）を用いる場合には、金型を作成するのに費用がかかり、切削加工で作成するにも費用がかかる。このように、特許文献１に記載のマーカーでは、簡単にはマーカーが作成できず、マーカーのコストが高くなる。また、測量の現場で簡単に組み立てられるものではない。
さらに、測定可能距離を長くしたり測定精度を上げるためにはマーカーの寸法を大きくする必要があるが、この構造のマーカーは寸法の拡大に応じて三乗的に重量が増大するため、やはり測量の現場では実用的ではない。

本発明は、このような問題を解決するもので、簡単に作成でき、安価でしかも軽くて可搬しやすいマーカーおよび測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の側面のマーカーは、ビーム光を周囲環境に出射して戻る反射光を受光し測定対象物までの距離、水平角度、垂直角度に基づいて周囲の測定対象物の三次元座標を求める三次元レーザー光走査装置での測定に用いられるマーカーであって、３つの平面が互いに隣り合う平面と作る３つの稜線の交点が一つの頂点となる形状であって、この頂点を基準点として、３つの平面が三次元レーザー光走査装置に対向して配置されることを特徴する。

なお、平面は、隣り合う平面とは互いに直交することができ、また、頂点の頭部が切り欠けられた形状であることができる。

また、本発明の他の側面は、ビーム光を周囲環境に出射して戻る反射光を受光し測定対象物までの距離、水平角度、垂直角度に基づいて周囲の測定対象物の三次元座標を求める三次元レーザー光走査装置を用いる測定方法であって、３つの平面が互いに隣り合う平面と作る３つの稜線の交点が一つの頂点となる形状のマーカーの頂点を基準点として３つの平面を三次元レーザー光走査装置に対向して測定対象物の測定したい端点に置き、ビーム光で走査して、得られた点群データから３つの平面の三次元座標を演算し、得られた３平面の三次元座標から頂点の座標を演算することを特徴とする。

簡単に作成でき、安価な三次元レーザー光走査用のマーカーを提供できる。また、可搬であって、軽量なマーカーを実現できる。

本発明の一実施形態であるマーカーを使って計測をする状態を表す図である。本発明の一実施形態であるマーカーの示す図である。マーカーの変形例を示す図であり、図３（ａ）は斜視、（ｂ）は断面を示す図である。マーカーの変形例を示す図である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係るマーカー１０を用いて平面１を三次元レーザー光走査装置２で測定する状態を示すものである。また、図２は、本発明の一実施の形態に係るマーカー１０を表す。
本実施の形態では、マーカー１０を測定したい平面１の端点におき、三次元レーザー光走査装置２によって、マーカーの基準点を求めて、平面１の端点の座標を測定する様子を示している。

このマーカー１０は、３つの平面１０Ａと１０Ｂと１０Ｃとが直交する立体形状である。平面１０Ａ、平面１０Ｂ、平面１０Ｃは、それぞれ四辺形であり、平面１０Ａと平面１０Ｂとは、稜線１１ａ、平面１０Ｂと平面１０Ｃとは、稜線１１ｂ、平面１０Ａと平面１０Ｃとは、稜線１１ｃを構成する。そして、稜線１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、一点で交じって頂点Ｐを構成しており、この頂点Ｐをマーカー１０の基準点とする。このマーカー１０の形状は、直方体の６面のうち隣接する３面を取り出したものになり、直方体の一つの頂点Ｐが基準点となる。

測定では、マーカー１０の頂点Ｐを三次元レーザー光走査装置２が測定したい平面１の端点におき、平面１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが三次元レーザー光走査装置２に向くように置く。言い換えれば、直方体の内側の面の平面１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃに三次元レーザー光走査装置２のビーム光のスポットが当たる方向に置いて、平面１の端点の座標を測定するマーカーとする。

このマーカー１０は、３つの四辺形からなる平板を直交するように組み立てることによって形成することができる。また、内側になる平面１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃには、反射係数が既知である部材を塗布し、三次元レーザー光走査装置で、３つの平面１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを反射率に基づいて抽出できるようにしておく。平板の材料は、板材、樹脂材、あるいは建築用ボード材、金属材などの光を透過させない部材であって、表面が光沢の無い白色のような特性を持つ拡散性材料が適している。一方、表面が鏡面などのような特定方向に高反射率が偏在する正反射性材料については平板の材料として不適である。

本実施の形態のマーカーでの、頂点Ｐの座標の算出方法を説明する。このマーカー１０の頂点Ｐの座標の算出は、３つの平面を公知の平面抽出法によって抽出し、抽出した３平面の交点を演算することでマーカー１０の頂点Ｐの座標を求めるものである。

平面１の測定を開始すると、マーカー１０を含む範囲を三次元レーザー光走査装置２で走査して、点群データが取得される。例えば三次元レーザー光走査装置２で１回、周囲を走査すると、ｎ個（一般に数万個）の点の三次元座標情報を取得できる。
この点群データから領域成長法を用いて、複数の平面領域を抽出する。そして、抽出された複数の各平面領域の点群データに基づいて、最小二乗法を用いてその平面領域の回帰平面を計算する。抽出した平面領域の回帰平面の相互の交差状況、各平面領域の大きさ、平面の反射光強度から、マーカー１０の３つの平面を選択する。すなわち、３つの平面の方程式を求める。マーカー１０の平面の反射率は、事前に三次元レーザー光走査装置にプリセットされているので、回帰平面と距離により、マーカー１０の平面の反射光の強度は事前に想定できる。反射光強度が異なるものは、マーカーの平面ではないと判断でき、マーカー１０の平面から除外する。
選択された３つの平面の交点、すなわち、マーカー１０の頂点Ｐを計算し、その交点をマーカー１０の基準点とする。

なお、マーカー１０が厚さｔの平板から作成された場合、頂点Ｐは、計測したい平面の端点より座標がｔだけ図１では垂直方向にずれるが、このずれｔは既知であるので、平面１の端点の座標は、その分を補正した値とすればよい。

（変形例）
図３は、本発明実施の形態のマーカーの変形例を示すものである。
この変形例は、３つの平面が交差する頂点Ｐの部分を切り欠いた形状となっている。このような形状のマーカー１０であっても、頂点Ｐの座標は、３つの平面から計算で求められる。
上述の通り、頂点Ｐは稜線１１ａ、１１ｂ、１１ｃの交点となっている。しかしながら、実際に測定したい対象点は頂点Ｐではなく、頂点Ｐからみて厚さｔの直下になる。上述の（頂点Ｐの部分に切り欠けの無い）マーカー１０を設置する際、頂点Ｐが測定対象点の真上になるよう留意する必要がある。具体的には、厚さｔを意識して、測定対象点近傍を周囲から俯瞰して微調整する作業となる。
この変形例のように頂点Ｐの部分を切り欠くことでマーカー１０の内側から測定対象点を直接目視することが可能となる。マーカー１０を内側から頂点Ｐを俯瞰することにより、稜線１１ａ、１１ｂ、１１ｃに基づいて頂点Ｐ（に相当する箇所）を測定対象点の直上に位置させることが容易となる。例えば、真上から切り欠け部を通して測定対象点を目視した場合、測定対象点が稜線１１ｂと１１ｃの交点と一致するように調整すれば良い。これは前述の「厚さｔを意識して測定対象点近傍を周囲から俯瞰して微調整する作業」と比較して格段に作業性が向上する。
また、マーカー１０が置かれる平面の端点に突出物があるなどして、マーカー１０の頂点の位置がずれるような場合にも、本変形例のような頂点Ｐの部分が切り欠けた形状であることで容易に対応することが可能となる。

図４は、マーカーの別の変形例を示すものである。
上述のように、マーカーの基準点は、３つの平面が形成する頂点であればよいので、３つの平面として三角形の平面１０Ａ′、１０Ｂ′、１０Ｃ′が一つの頂点Ｐを構成する形状のマーカーも可能である。
この場合でも、上述の領域成長法、最小二乗法を用いて３つの平面を抽出し、３つの平面の交点を計算して頂点Ｐの座標を求めることができる。

３つの平面の頂点Ｐを求めることができればよいので、三角形の平面の形状は、正三角形に限られない。また、上述の四角形の平板からなるマーカー１０も、一つの平面は三角形の平面としてよいことは、図４の例からしてもちろんである。

上述の実施の形態の説明では、マーカー１０の内側の面１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを三次元レーザー光走査装置２に向けて使用する例で説明したが、マーカー１０の基準点は、３つの平面から反射して戻る戻り光を三次元レーザー光走査装置で検出できればよいので、頂点Ｐが三次元レーザー光走査装置２に向き、外側の３つの平面にビーム光が当たる形でもマーカーを使用できる。この場合、頂点Ｐの座標から端点の座標を求める際には、既知の厚さｔと平面１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ（１０Ａ′、１０Ｂ′、１０Ｃ′）の寸法に基づいて補正することができる。

なお、これまでに、三次元レーザー光走査装置で本発明のマーカー１０を用いて平面１の測定を測定する実施の形態を説明してきたが、測定の対象は必ずしも平面１のような平面である必要は無く、三次元レーザー光走査装置の測定可能な範囲内において本発明のマーカー１０が設置可能な任意の箇所についての三次元座標が計測可能である。

（本発明のマーカーの利点）
上述のマーカーは、３つの平板から作成することができるので、形状が四角形、三角形であるため、作成が容易で、また軽量に作成することができる。また、軽量であるので、可搬でき、戸外での測量で用いるときに便利である。
さらに、３つの平面の二つの稜線の部分を折り曲げ可能とし、一つの稜線の部分を切り離し可能とすれば、マーカーを３枚の平板を重ねた形状にでき、測量の現場で組み立てて使用することができる。これにより、戸外での測量、特に土木目的の測量に用いるときには、便利である。

１平面
２三次元レーザー光走査装置
１０マーカー
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ平面
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ稜線
Ｐ頂点

Claims

ビーム光を周囲環境に出射して戻る反射光を受光し測定対象物までの距離、水平角度、垂直角度に基づいて周囲の測定対象物の三次元座標を求める三次元レーザー光走査装置での測定に用いられるマーカーであって、
３つの平面が互いに隣り合う平面と作る３つの稜線の交点が一つの頂点となる形状であって、この頂点を基準点として、前記３つの平面が前記三次元レーザー光走査装置に対向して配置される
ことを特徴するマーカー。
請求項１に記載のマーカーであって、
前記平面は、隣り合う平面とは互いに直交する
ことを特徴とするマーカー。
請求項１または２に記載のマーカーであって、
前記頂点の頭部が切り欠けられた形状である
ことを特徴とするマーカー。
ビーム光を周囲環境に出射して戻る反射光を受光し測定対象物までの距離、水平角度、垂直角度に基づいて周囲の測定対象物の三次元座標を求める三次元レーザー光走査装置を用いる測定方法であって、
３つの平面が互いに隣り合う平面と作る３つの稜線の交点が一つの頂点となる形状のマーカーの頂点を基準点として前記３つの平面を前記三次元レーザー光走査装置に対向して前記測定対象物の測定したい端点に置き、
ビーム光で走査して、得られた点群データから前記３つの平面の三次元座標を演算し、得られた３平面の三次元座標から前記頂点の座標を演算する
ことを特徴とする測定方法。