JP2512132B2 - 建築又は土木現場用三次元位置測定装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本発明は建築又は土木現場で使用される三次元位置測
定装置に関し、特に任意に移動する物体、あるいは該物
体が巨大である場合に多点を繰返し測定して、これら物
体の移動情況を測定することのできる上記装置に関す
る。

《従来の技術》 従来、物体の位置を測定する技術として、例えば土木
分野におけるトンネル等の暗所では、ターゲットにLED
（発光ダイオード）を用い画像処理技術を応用して、遠
隔操作で測定する手法がある。

また、海洋関連工事において、ターゲットに反射鏡を
用い、レーザ光源から照射したレーザ光の反射光をTVカ
メラで捕え、Ｘ−Ｙトラッカでターゲットの向きを調整
しつつ、上記のレーザ光に平行な光軸を有する光波距離
計で、ターゲット迄の距離を測定する技術が公知となっ
ている（特開昭57−172266号公報）。

更に、物体の三次元位置測定装置として、固定倍率の
望遠鏡に光軸を望遠鏡の光軸と一致させて内蔵した光波
距離計、望遠鏡の高度角駆動装置と装置本体の水平角駆
動装置からの信号による水平角高度角測定装置、及び上
記の光波距離計と水平角高度角測定装置とによる検出値
で物体の三次元位置を演算するコンピュータ等からなる
ものが知られている（例えば、株式会社ニコン製商品名
DTM−10・10C・20・20B）。

《発明が解決しようとする課題》 しかし、前述のターゲットにしたLEDを用いる技術で
は、太陽光の下では輝度レベルの点から実用化が困難で
ある。

また、海洋関連工事で用いられている前述の光波距離
計によるものでは、ターゲット迄の距離しか測定するこ
とができず、三次元位置の測定はできないとともに、レ
ーザー光源では光束の径が小さく、ターゲットをとらえ
るまでに時間を要する。

更に、望遠鏡内に光波距離計を内蔵させるものでは、
次のような問題がある。

（１）固定高倍率の望遠鏡を使用しているため、視野が
狭く、視準するのに時間がかかる。

（２）光波距離計が望遠鏡に内蔵されているため、倍率
や視野を変えるズームレンズは、距離測定用の光の光束
及び光軸を乱し、使用できない、 （３）ターゲットを探査し、捕える機能を有していな
い。

本発明は以上の諸点に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、建築又は土木現場において、ターゲ
ットの捕捉が人手を要さずに容易にでき、特に任意に移
動する物体や、この物体が巨大（例えばドームの開閉式
天井等）であって多数の任意に変位する測点を繰返し測
定する場合において、人手を要することなくしかも容易
に測定することのできる建築又は土木現場用三次元位置
測定装置及び測定方法を提供するにある。

《課題を解決するための手段》 上記目的を達成するために、本発明に係る建築又は土
木現場用三次元位置測定装置では、中心部分に向けた光
線の反射光の輝度が高いターゲットである球体または楕
円体の再帰性反射体と、少なくとも該反射体の対向する
中心部分を照射する照射装置と、該照射装置近傍部に各
光軸が該照射光軸と平行となるように設けられた光波距
離計及びテレビカメラと、該テレビカメラの水平角高度
角の検出及び該検出信号の出力機能とテレビカメラの姿
勢制御機能を備えた該テレビカメラ支承用の雲台と、該
テレビカメラに接続された画像処理装置と、前記照射装
置、光波距離計，雲台並びに画像処理装置に接続された
マイクロコンピュータを設けた。

また、中心部分に向けた光線の反射光の輝度が高いタ
ーゲットである球体または楕円体の再帰性反射体が、表
面に光反射層を形成した球体又は楕円体で、該光反射層
上に球状レンズ，粉末状ガラスビーズ，プリズムのうち
少なくとも一種が密に配するようにしても良い。

更に、本発明に係る建築又は土木現場における三次元
位置測定方法では、中心部分に向けた光線の反射光の輝
度が高い球体または楕円体のターゲットを測定対象の適
宜位置に装着し、自然光下でテレビカメラによりとられ
た画像と、光照射下でテレビカメラによりとられた画像
を、輝度レベルで比較して両面像の差値により前記ター
ゲットの有無を確認し、光波距離計によるターゲットま
での距離の信号と、テレビカメラ支承用の雲台からのテ
レビカメラの水平角高度角の信号とにより、ターゲット
の三次元位置をマイクロコンピュータで演算するように
した。

《作 用》 本発明においては、任意地点に原点Ｏが定義され、座
標軸方向が特定され、これらにより空間に球座標系，直
交座標系等各種の三次元座標系が想定される。この三次
元座標系にテレビカメラの座標が特定され、またテレビ
カメラの照準軸の基準方向が定義される。

そして、このテレビカメラ近傍部のレーザ光以外の光
照射装置から照射され、中心部分に向けた光線の反射光
の輝度が高いターゲットである球体または楕円体の再帰
性反射体で反射された光がテレビカメラで受光される。

一方、テレビカメラはこの受光を画像処理装置に送
り、画像処理して、ターゲットの有無、ターゲットの画
像の形状等がチェックされる。

このチェック結果に基づいて雲台が駆動され、テレビ
カメラの照準軸がターゲットに一致される。

このときの照準軸の前記基準方向からの水平角変化と
高度角変化が検出されるとともに、光波距離計を用いタ
ーゲットまでの距離を測定する。この検出値と上記光波
距離計による検出値とから、上記ターゲットの三次元座
標等がコンピュータにより演算される。

また、本発明に係る方法では、自然光の下での画像と
光照射下での画像を輝度レベルで比較する。再帰性反射
するターゲット部の画像が他の部分の画像に比して大き
な差値を示すことから、ターゲット部のみを容易に検出
することができる。

《実施例》 第１図は本発明に係る三次元位置測定装置（以下、本
発明装置）の一構成を模式的に示している。

同図に示すように、テレビカメラ（ここではCCDカメ
ラ）１の天部に、光照射装置２並びに、光波距離計３が
それぞれの光軸（テレビカメラ１も含む）が平行になる
ようにして上下に配設されている。そして、光照射装置
２としてはレーザー光以外の比較的光束径の大きな光が
発せられるものを用い、具体的な光源としてはキセノン
ランプ，ハロゲンランプ，赤外・紫外線等が用いられ
る。また、テレビカメラ１の前部には電動ズームレンズ
４が配設されており、テレビカメラ１の視野を広狭変化
可能としている。さらに、テレビカメラ１は、その下方
に配設された高度角駆動モータ５及び水平角駆動モータ
６を備えた雲台７により支承されている。

一方上記した各種装置は、それぞれ画像処理装置11,
照射制御装置12,光波距離計制御装置13,ズームレンズ制
御装置14並びに雲台制御装置15を介してマイクロコンピ
ュータ20に接続されている。そして、そのマイクロコン
ピュータ20は、コンピュータ用モニタ21に接続されてお
り、命令情報等をCRT表示できるようになっている。ま
た、上記画像処理装置11は画像用モニタ22に接続されて
おり、テレビカメラ１で捕らえた画像を輝度レベルで表
示するようになっている。

上記の構成例において、テレビカメラ１が支承されて
いる雲台７を構成している水平角駆動モータ６と高度角
駆動モータ５を雲台制御装置15で適宜作動することによ
り、テレビカメラ１は三次元的に任意の方向へ旋回され
る。

また、上記雲台７はポテンションメータやエンコーダ
等の水平角・高度角を検出して、かつこの検出信号を雲
台制御装置15を介してマイクロコンピュータ20に出力で
きる機能を備えている。

一方、光波距離計３によって検出された信号は光波距
離計制御装置13を介してマイクロコンピュータ20に出力
される。

また、画像処理装置11は、図示はしないがテレビカメ
ラ１からの光を受け、その処理を行い画像データとする
画像処理手段と、この画像データをマイクロコンピュー
タ20に出力する手段と、ターゲット30のテレビカメラ１
の照準軸ｌ（光軸）からのズレを検出する手段と、その
検出結果に基き、ターゲット30を照準軸ｌに近付けるべ
く雲台制御装置15へ所定の命令信号を送る手段とを備え
ている。

更に、マイクロコンピュータ20は、雲台制御装置15か
らの信号と、光波距離計制御装置13からの信号に基づき
ターゲット30の座標を演算するとともにターゲット30ま
での距離を測定し、そのデータを記憶保持する機能を有
している。

また、マイクロコンピュータ20には、上記の画像処理
装置11からの画像データ信号を基にしターゲット30の画
像のみを取出す演算を行う（具体的な演算法は後述す
る）手段と、この演算結果を基にして電動ズームレンズ
制御装置14に出力する手段をも有している。

次に本発明に有効に用いられるターゲット30の一例に
ついて第２図〜第６図を元にして説明する。

まず、第２図の例ではターゲット30はその屈折率が空
気中の屈折率の約２倍の屈折率、即ち屈折率比が約2/1
になる透明物質をできる限り真円球に形成し、その表面
は滑らかに仕上げた球状レンズ32を多数形成する。

一方、これとは別に、比較的大径な球体または楕円体
（ここでは球体）33の表面にアルミニウムを真空蒸着し
て反射層34を形成する。そして、この反射層34の表面に
透明な樹脂接着剤35を介して上記多数の球状レンズ32を
貼着することにより、ターゲット30が形成される。

尚、上記球状レンズ32として、具体的にはその屈折率
が1.90〜2.22の間ぐらいのものを使用するが、これはタ
ーゲット30の入射光Ｒを反射層34で再帰性反射させるた
めの屈折率を得るものである。

そして、その入射光Ｒは、球状レンズ32と反射層34と
により再帰性反射するが、ターゲット30の正面、かつ球
体33の重心から離れた位置に当たる入射光Raは殆どが反
射せず、そのまま透過する。従って、テレビカメラでCR
Tに映すターゲット30の映像は中心部分の輝度が高く、
周縁部分は映像の薄れた円になる。

なお、上記球状レンズ32に代えて第３図のような半円
弧状の凸部を有する球状レンズ32aでもよい。

第４図の例では、ターゲット30′は反射層34a上に接
着剤35にて球状レンズ32を配し、かつ球体33と同心円状
で、隣接する球体レンズ32間に着色反射層37を配してい
る。そしてさらにその上に透明なコーティング層38を設
けた多層構造になっている。尚、上記着色層37は赤，青
などであり、色光反射を得る。

このターゲット30′に入射光Ｒを照射すると、中心部
分は白光反射で、他方正面視したときの外周縁部分はタ
ーゲット30の外周近くにある球状レンズ32を通る入射光
Rbが着色反射層37で反射し、この反射光Rb′は色光反射
になる。従って、テレビカメラの撮像は円の外周部分が
着色された像になる。

第５図の例は、楕円体又は球体（ここでは球体）33の
上の反射膜34の表面にガラスビーズを配し、更にその表
面を透明プラスチック製の反射シート層39でコーティン
グしたものである。このターゲット30″は、再帰性反射
光を密に得るので、テレビ画像としては反射光を表す画
素が多いものになる。その結果、２値化などによる画像
処理では細かい分析が可能になり、他の反射光との識別
が容易になる。

第６図は球体33の表面にプリズム40を連続的に密に配
したターゲット30である。そして同図（Ｂ）に示すよ
うに、プリズム40に入射された入射光Ｒは、そのプリズ
ム内面にて幾何学的に反射を繰り返し、入射光Ｒと平行
（逆方向）へ反射する。

次に第７図のフローチャートに沿って第１図に示す本
発明装置による測定例と本発明に係る方法の一実施例を
説明する。

まず、マイクロコンピュータ20に建築物、トンネル、
ダム等の構造計算データやCADデータ等の測定位置に関
するデータを入力する（ステップ100）。次いで、ター
ゲット30、光波距離計３、光照射装置２、その他各種の
計測器をセットし、初期化する（ステップ101,102）。

そして、雲台７を制御し、テレビカメラ１を測定位置
方向へ向け（ステップ103）、自然光のみにより（すな
わち光照射装置２を作動させずに）テレビカメラ１によ
り画像を取込み、画像処理装置11で処理し、この処理デ
ータ（以下、データα）をビデオRAMに記憶させる（ス
テップ104）。

次いで、光照射装置２を作動させ、レーザ光以外の光
をターゲット30に向けて照射する（ステップ105）。こ
こでレーザ光以外の光を照射するのは、光束が拡散し
（光束の径が大きい）、ターゲット30を容易にとられる
ことができるからである。そして、上記光を受けたター
ゲット30はその受光した光を再帰性反射してテレビカメ
ラ１へ適確に戻すことができる。

この反射光はテレビカメラ１から画像処理装置11に取
込まれて処理され、処理データ（以下、データβ）とし
てビデオRAMに記憶される（ステップ106）。

このデータβと上記のステップ104のデータαを輝度
レベルで比較（α−β）する（ステップ107）。すると
光照射装置２からの光を再帰性反射するターゲット30部
分が他の部分に比べ大きな差値を示すため、視準方向の
背景が複雑であっても、ターゲット30を容易かつ確実に
とらえることができる。

また、本例ではこのステップ107の処理の際に上記操
作と同時にターゲット30の形状等のチェック、すなわち
ターゲット30の画像の形状縦横比、面積等のチェックを
行う。

次いで上記の輝度レベルの比較等により、テレビカメ
ラ１がターゲット30をとらえているか否かを判断する
（ステップ108）。

このとき、データα−データβ＝０であれば、テレビ
カメラ１はターゲット30をとらえていないので、再びス
テップ103に戻り、雲台７の姿勢制御を行う。

なお、ステップ103に戻る前に、雲台７自体を移動さ
せたり（ステップ108a）、あるいは電動ズームレンズ４
を制御し、ズーム、アイリス、フォーカスの制御を行っ
てもよい（ステップ108b）。そして、このズームの制御
は画像処理する上で画面の面積とターゲット30の画像の
面積を一定に保つために行い、アイリスやフォーカスの
制御は画像処理や演算処理する上で常に適切な輝度範囲
で映像を取込むために行う。

一方上記のステップ108でテレビカメラ１がターゲッ
ト30をとらえている場合は、次にテレビカメラ１の照準
軸ｌに対してターゲット30がどちらの方向にズレている
かを検出して（ステップ109）、ズレがある場合には雲
台７を制御してズレをなくす方向にテレビカメラ１を所
定量だけ旋回させる（ステップ110）。

そして、電動ズームレンズ４を制御してモニタ画面に
対するターゲット30の画像の面積や輝度範囲を調整する
（ステップ111）。

次いでターゲット30か光軸に一致しているか否かを判
断する（ステップ112）。このとき、その判断は単にタ
ーゲット20がモニタ中央（照射軸ｌ）に位置しているか
否かを判断するだけでなくターゲット30が所定の形状等
であるか否かを判断する。

これによりテレビカメラでとらえ、光軸に一致させた
物体がまちがいなく所望のターゲット30であることを確
認することができ、特にターゲット近傍に他の反射体等
が存在する場合等に有効である。

これらが否である場合はステップ109に戻り、光軸の
ズレを再び計算する。

そしてターゲット30が光軸に一致したら光波距離計３
でターゲット30までの距離を検出する（ステップ11
3）。

この検出データはマイクロコンピュータ20に取込まれ
る。この検出データと上記のステップ110のときの雲台
７の制御値と前記ステップ102の雲台７の初期化の際の
姿勢値との差による水平角高度角の検出データとにより
マイクロコンピュータ20でターゲット30の三次元位置を
演算する（ステップ114）。

もし、ターゲット30が移動している場合であって、こ
の移動情況をターゲット30の三次元位置を連続測定して
検知する場合、あるいは多数のターゲット30を順次測定
する場合等はステップ115から再びステップ102に戻り、
計測器等を初期化し、以上のフローを繰返す。

また、測定を終了場合は電源のスイッチ等を切り終了
する（ステップ116）。

なお、ターゲット周囲の背景が単純な場合には、上記
したようにターゲット30が光軸に一致したか否かの判断
（ステップ112）の際に、形状等が一致するか否かの判
断までは行わなくてもよい。

また、近距離での移動ターゲット30を測定する場合
は、広い視準視野を確保するために、光照射装置２の焦
点と電動ズームレンズ４と同期させて広い範囲を照射す
る。

更に、以上の操作を適時実行するプログラムをマイク
ロコンピュータ20に入れておけば、人手を要さずにター
ゲット30の三次元位置を自動的に測定することができ
る。

更にまた、ターゲット30の形状も上記した球状、楕円
体に限ることなく種々の形状（立体、平面等問わず）と
することができる。

さらに、画像処理装置11にターゲット30とテレビカメ
ラ１の照準軸ｌとの偏差を測定する位置偏差測定回路
と、その位置偏差測定回路の測定信号に基づき水平角・
高度角駆動モータ5,6に照準軸ｌがターゲット30に一致
するように制御信号を出力する追従信号発生回路等を付
加してもよい。その場合には、ターゲット30の光軸に対
するズレを検出する際（ステップ109）、ズレ方向のみ
ならずズレている距離等も検出でき、雲台の制御（ステ
ップ110）におけるテレビカメラ１の旋回量をより正確
に行え、光軸に一致させる作業が簡略化できる。

《発明の効果》 以上詳述したように本発明に係る装置及び方法によれ
ば、次のような効果を奏することができる。

（１）中心部分に向けた光線の反射光の輝度が高いター
ゲットとなし、少なくとも該ターゲットの対向する中心
部分を照射するようにしたことにより、ターゲットから
の輝度の高い反射光の方向には常にターゲットの中心部
分があるので、ターゲットの中心部分の位置を正確に測
ることができる。

また、自然光下での画像と光照射下での画像を輝度レ
ベルで比較するため、ターゲットの有無の確認が極めて
容易である。

従って、背景が複雑で、しかも任意に移動しているタ
ーゲントが複数である場合等にも正確かつ容易にターゲ
ットをとらえることができる。

（２）光波距離計をテレビカメラに内蔵していないた
め、ズームレンズの使用が自由にできる。

従って、視野が自由に調整でき、遠距離や近距離のタ
ーゲットを容易にとらえることができる。

（３）巨大ドーム等の建築現場、トンネル、ダム等の土
木現場において、開閉自在なドーム屋根の移動状況、土
砂崩れの状況等を人手を介さずに検知することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の一構成例を示す図、第２図
〜第６図は本発明に係る装置のターゲットの構成を示す
図、第７図は本発明に係る装置の測定例と本発明に係る
方法の一実施例を示すフローチャートである。 １……テレビカメラ、２……光照射装置 ３……光波距離計、４……電動ズームレンズ ５……高度角駆動モータ、６……水平角駆動モータ ７……雲台、11……画像処理装置 20……コンピュータ、20,21……モニタ 30……ターゲット

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−79311（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−293115（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−187873（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−120217（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−133571（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】建築又は土木現場で使用される三次元位置
   測定装置において、中心部分に向けた光線の反射光の輝
   度が高いターゲットである球体または楕円体の再帰性反
   射体と、少なくとも該反射体の対向する中心部分を照射
   する照射装置と、該照射装置近傍部に各光軸が該照射光
   軸と平行となるように設けられた光波距離計及びテレビ
   カメラと、該テレビカメラの水平角高度角の検出及び該
   検出信号の出力機能とテレビカメラの姿勢制御機能を備
   えた該テレビカメラ支承用の雲台と、該テレビカメラに
   接続された画像処理装置と、前記照射装置、光波距離
   計、雲台並びに画像処理装置に接続されたマイクロコン
   ピュータとを有してなることを特徴とする建築又は土木
   現場用三次元位置測定装置。
2. 【請求項２】中心部分に向けた光線の反射光の輝度が高
   いターゲットである球体または楕円体の再帰性反射体
   が、表面に光反射層を形成した球体又は楕円体で、該光
   反射層上に球状レンズ、粉末状ガラスビーズ、プリズム
   のうち少なくとも一種が蜜に配されたものであることを
   特徴とする請求項１記載の建築又は土木現場用三次元位
   置測定装置。
3. 【請求項３】中心部分に向けた光線の反射光の輝度が高
   い球体または楕円体のターゲットを測定対象の適宜位置
   に装着し、自然光下でテレビカメラによりとられた画像
   と、光照射下でテレビカメラによりとられた画像を、輝
   度レベルで比較して両面像の差値により前記ターゲット
   の有無を確認し、光波距離計によるターゲットまでの距
   離の信号と、テレビカメラ支承用の雲台からのテレビカ
   メラの水平角高度角の信号とにより、ターゲットの三次
   元位置をマイクロコンピュータで演算することを特徴と
   する建築又は土木現場における三次元位置測定方法。