JP2686664B2

JP2686664B2 - 三次元測定方法と装置

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Publication number: JP2686664B2
Application number: JP1307283A
Authority: JP
Inventors: 修一西沢; 正神崎
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 1989-11-27
Filing date: 1989-11-27
Publication date: 1997-12-08
Anticipated expiration: 2012-12-08
Also published as: JPH03167412A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、地形や建築構造物などの物体の位置ない
し形状を三次元的に認識するための測定方法と、その装
置に関するものである。

（従来技術と問題点）従来、地形や物体の位置ないし形状を三次元的に把握
する手段としては、次のような方法が採用されている。

（１）写真測量技術を利用したもので、いわゆる解析
図化機による方法。

（２）２台のテレビカメラを用い、測定対象を撮影す
るとともに、この双方のテレビカメラを結ぶ線を基準と
し、被写体と両カメラとの形成する三角形から、いわゆ
る三角測量技術を応用して把握する方法、さらにはカメ
ラで撮影した両画像データから測定対象を立体視処理す
るとともに、得られたデータを電算機に入力して、その
測定対象の三次元的位置ないし形状を把握する方法など
がそれである。

ところで、前者の写真測量技術を利用した解析図化機
を用いての三次元的測定方法は、写真を図化機にかけて
解析する方法であるため、結果を得るまでに、多大の人
手と労力とを必要とし、コストが割高であるという大き
な欠点があった。

後者の２台のテレビカメラによる画像情報を用いての
測定方法は、前者による方法に比較し、電算機による画
像処理によるものであるため、きわめて効率的で精度の
高い結果を把握することが可能である。

しかし画像情報をディジタル化して入力し処理するも
のであるため、その画像処理に非常に時間が掛かるとい
う難点があった。とくに入力された画像データは、通常
きわめて膨大な情報量をもって構成されているのが一般
であるため、その膨大な情報量のある画像データを１画
素ごとに処理する従来の画像処理によると、処理時間が
非常に掛かるという難点があった。すなわちリアルタイ
ムに結果を知ることができかねるという画像処理におけ
る共通の欠点があった。

このように従来の三次元的測定方法には一長一短があ
り、今後大規模土木建設工事や、建設機械等の無人化運
転技術等の開発に対応する広域立体測量や、視覚センサ
としての三次元的認識手段の開発に対処す意味からも、
さらに改良された三次元的認識手段の開発が要請されて
いるところである。

この発明は、このような背景を踏まえ、迅速にしかも
精度の高い三次元的測定方法と、その装置を提供するこ
とを目的として開発したものである。特にその開発に当
っては、地形や物体の三次元位置ないし形状の把握手段
とし、人間の眼による認識方法の原理にならって、まず
対象物の輪郭部を大づかみに認識し、ついで輪郭部を細
かい画素分解によって全体像を認識するという段階的な
画像処理による認識方法をとったことにある。

また把握したデータのCADへの利用、さらには建設機
械等の無人化を狙いとする視覚センサとしての利用等を
可能とした測定方法と装置を提供することを目的として
開発したものである。

（課題を解決するための手段）前記目的を達成するため、この発明がとった手段の特
徴とするところは、測定対象となる地形ないし物体のほ
ぼ中心点を、テレビカメラ付セオドライトの２台を用い
て撮影し得られたそれぞれの画像情報をディジタル変換
して電算機に入力し、入力したメモリー上の前記画像デ
ータを、探査点，探査線および探査面からなる三角探査
点網の探索モデルによって探索し、測定対象の画像輪郭
部の特徴抽出を行い、それぞれ特徴抽出によって得られ
た二つの画像を対応し、対応した両画像に基づいて抽出
点の水平角，鉛直角を算出するとともに、幾何学的処理
を行い、もって前記両テレビカメラで撮影した画像とセ
オドライトにより計測した測距，測角のデータから測定
対象の三次元位置ないし形状を把握するようにしたこと
にある。

とくに前記三角探査点網からなる探索モデルによる特
徴抽出処理において、まず画素を５〜10画素ずつの一定
間隔で飛ばしながらランダムに走査するとともに、探査
点間で一定の輝度差がある場合、２点を結ぶ線を探査線
として抽出し、ついでその探査線上の１画素ずつを探索
して画像輪郭部の特徴抽出を行うようにしたことにあ
る。

さらに前記方法を実施するための三次元測定装置とし
て、セオドライトとテレビカメラの双方の光軸が平行す
るようにして組み合わせたテレビカメラ付セオドライト
の２台からなる画像入力手段と、この双方の画像入力手
段からの画像情報を、それぞれ細かい画素に分割し、光
電変換するとともにディジタル化する変換手段と、この
変換手段からのデータを入力したメモリー上の画像輪郭
部を抽出する探査点，探査線および探査面を形成する三
角探査点網の探索モデルからなる特徴抽出手段と、この
特徴抽出手段からのそれぞれの画像データを対応させ、
対応させた両画像に基づいて抽出点の水平角，鉛直角を
算出するとともに、さらに測定対象の三次元位置ないし
立体形状を算出する演算手段と、その結果を出力する画
像出力手段とを備えた電算機からなる三次元測定装置に
構成したことにある。

また、前記三次元測定装置におけるテレビカメラ付セ
オドライトを次のように構成したことにある。すなわち
１台のセオドライトの左右両側の上方位置に、セオドラ
イトの視準線を中心として左右に１台づつ２台のテレビ
カメラを対称的に装備させ、かつその装備させた左右テ
レビカメラは、それぞれ水平軸まわりと鉛直軸まわりと
に連動して回転操作できるように構成し、この左右テレ
ビカメラで測定対象の同一中心点を撮影することができ
る複眼式のテレビカメラ付セオドライトに構成したこと
を特徴とするものである。

（作用）本発明による三次元測定方法および装置は、以上説明
したようにテレビカメラ付のセオドライトの２台によっ
て、まず測定対象を撮影し、その撮影して得られた画像
情報をディジタル化するとともに電算機を入力し、入力
されたデータを三角探査点網からなる探索モデルを用い
て段階的に特徴抽出するようにしたので、測定対象の三
次元的位置ないし形状を迅速に、かつ効率的に把握する
ことが可能である。

特に、前記したようにその画像の特徴抽出処理に際
し、従来のように、画素を１つ１つ一定の順序で走査す
ることなく、三角探査点網からなる探索モデルを用い、
まず５〜10画素ずつの一定間隔をもって飛ばし走査する
とともに、すなわちランダムに走査するとともに、探査
点間の輝度差を算出し、この輝度差データに基づいて順
に探査線，探査面を抽出して、段階的に画像輪郭部の抽
出を行うようにしたので画像処理時間が短縮され、その
結果、測定結果のリアルタイム化が可能となった。

（実施例）さらに、この発明方法および装置を図面に示す実施例
に基づいて具体的に説明する。

第１図は本発明方法をシステムとして示す概念図であ
り、第２図は建築構造物である家屋の三次元測定に、本
発明方法を適用した場合のテレビカメラ付セオドライト
の配置要領と画像処理のプロセスをブロック線図で示す
ものである。

まず、テレビカメラ付セオドライトＡは、第１図で示
すように、テレビカメラ１をセオドライト２の上方に設
置するかたちで組み合わせ、テレビカメラ１の光軸とセ
オドライト２の視準線は平行関係にあるようにして設置
構成している。

なお、テレビカメラ１としては、ビジコンタイプ、CC
Dタイプいずれにてもよいが好ましくはCCDタイプであ
る。セオドライトは、測距，測角が可能で、しかも結果
をディジタル化して表示できる通称電子式セオドライト
と呼ばれるものによって構成している。

テレビカメラ１による画像情報は、A/D変換装置３を
介して電算機Ｃに入力するとともに、セオドライト２に
よる測定データ（画像中心の水平角，鉛直角）は、ディ
ジタル化機能をもったセオドライトであるため直接前記
電算機Ｃに入力されるように構成している。

次に第２図に示すブロッグ線図に基づいて画像処理の
プロセスを説明する。まず左右のテレビカメラ付セオド
ライトＡおよびＡによって撮影された画像情報は、A/D
変換装置３によってディジタル化され、電算機ＣのCPU
（制御装置，演算装置，主記憶装置）４に入力され、メ
モリー上に細かい画素に分解されて記憶されるようにな
っている。ついで画像の特徴抽出を行う三角探査点網か
らなる探索モデルを第３図に示す。図で示すように線と
線が交叉する点を探査線11とし、探査点11と探査点11を
結ぶ線を探査線12としている。そして探査線12で囲まれ
る三角形状の面をいわゆる探査面13とし、各探査点11…
および探査線12…，探査面13…は、あらかじめ中心より
渦巻状方向にコードナンバを付し、このコードナンバを
用いて探査点11…間の輝度計算を行うプログラムが電算
機Ｃに内蔵されている。

そこで、まず前記CPU4に入力されたメモリー上の画像
データを、前記三角探査点網の探査モデルを用いて処理
し、画像の輪郭部の抽出を行う。その際、まずメモリー
上の画素を５〜10ずつ一定間隔をもって飛ばして走査
し、輝度差計算を行い、探査点11…間で、一定の輝度差
がある場合、２点を結ぶ線、すなわち探査線12で抽出す
る。すなわち画像輪郭部を探査線12で大づかみに把握す
る。第４図はその探査線12で輪郭部を抽出した画像を例
示するものである。

ついで、さらに探査線12上を１画素ずつ探索して抽出
する。もちろん輪郭部分を三角形の面、すなわち探査面
13…として抽出処理することも可能である。第５図は、
前記第４図の画像を前記したように画素単位をもって抽
出して得た画像を示すものである。

以上、左右画像の輪郭部の抽出処理が終ると、次に、
この左右画像を対応させ、立体化のための画像処理を行
う。そして、この立体化された画像に基づいて三次元座
標を算出する。第６図は、その三次元座標を算出するた
めの原理を示すものである。なお図面上の表示としては
説明の簡略化の意味で、片側の画像のみを示している。

まず基準点上に設置されたテレビカメラ付セオドライ
トＡにおける水平角および鉛直角は、すでにセオドライ
ト２によって計測され、ディジタルデータとして前記CP
U4に入力されている。

そこで、対応した左右画像の各測定点までの水平角，
鉛直角を画像中心からの角度分に応じて補正して算出す
る。なお、水平角は国家座標を基準としているため、真
北を基準とする方向角に変換する。そこで、左右２台の
テレビカメラＡおよびＡの中心位置から測定点までの方
向角をt₁,t₂とし、鉛直角をa₁,a₂とし、さらに各テレビ
カメラＡおよびＡの中心座標位置を（X₁,Y₁,Z₁）および
（X₂,Y₂,Z₂）とすると、求める測定点の三次元位置（X,Y,Z）は次の式によっ
て算出（幾何学的処理）することができる。

Ｘ＝X₁−（Y₁−Ｙ）t_ant₁ ＝X₂−（Y₂−Ｙ）t_ant₂ すなわち上式によって測定点の三次元座標が算出さ
れ、その結果測定対象の三次元的位置ないし形状を把握
することができる。

なお、前記画像処理によって得られた結果は、電算機
Ｃの出力装置によって画像表示（CRT）ないし記録デー
タとした出力され、適宜CAD等に利用することができ
る。

次に第７図および第８図に示すものは、テレビカメラ
付セオドライトのもう１つの実施例を示すものである。
これは第１図で示した１台とテレビカメラと１台のセオ
ドライトとを組み合わせたテレビカメラ付セオドライト
と異なり、図面で示すように１台のセオドライト１に、
２台のテレビカメラ２および２を組み付け、測定対象の
同一中心点を撮影することができるように構成したもの
である。すなわち両眼式のテレビカメラ付セオドライト
に構成したものである。

そのため、左右のテレビカメラ２および２は、水平軸
まわりと、垂直軸まわりに、それぞれ連動して回転操作
できるように構成されている。すなわち、テレビカメラ
２および２のそれぞれの光軸（撮影対象物に対するカメ
ラの向き）を水平方向と鉛直方向とに連動して旋回操作
可能に構成している。

具体的には、第７図の正面図で示すように、セオドラ
イト１の上部に架台31を設置し、この架台31に水平状態
に回転バーガイド32を取り付けている。そして、この回
転バーガイド32に回転バー33を左右両端に張り出したか
たちで組み込み、その両端部にテレビカメラ２および２
を対称的に２台装備させている。そして、その双方テレ
ビカメラ２および２の光軸，すなわち向きを鉛直方向に
調節するための手段とし、前記回転バーガイド32と回転
バー33の中央部にステッピングモータM₁を組み込み、こ
のステッピングモータM₁を回転操作することにより、回
転バー33を介して、左右両端部のテレビカメラ２および
２の光軸が連動して俯仰され、すなわちテレビカメラ２
および２の鉛直方向の向きが連動して変換調節される構
成としている。

さらにテレビカメラ２および２の水平方向に向きを調
節する手段としては、同じく第７図で示すように、前記
回転バー33の両端部に装備したテレビカメラ２および２
のそれぞれ垂直軸に、前記同様ステッピングモータM₂,M
₂を組み込み、このステッピングモータM₂,M₂を回転操作
することにより、双方テレビカメラ２および２の光軸が
水平方向に旋回され、同一中心点方向に光軸を変換調節
できる構成としている。すなわち左右テレビカメラ２お
よび２を光軸を鉛直方向と水平方向に連動して変換操作
できるように構成し、いわゆる両眼式テレビカメラに構
成している。

以上のように、この両眼式テレビカメラ２および２を
装備したセオドライトは、測定対象の同一中心点を撮
影，測定でき比較的近距離の測定対象を三次元的に把握
することができる。もちろん、この両眼式テレビカメラ
付セオドライトによる情報も、前記電算機Ｃによる画像
処理によって処理されるものである。したがって、この
両眼式テビカメラ付セオドライトと、小型電算機とを接
続し、例えば建設機械などに装備させ、その出力をもっ
て駆動装置をコントロールするように構成すると、無人
操縦のための視覚センサーとして利用することが可能で
ある。

（発明の効果）この発明による三次元測定方法および装置は、以上説
明したように２台のテレビカメラとセオドライトからな
るいわゆるテレビカメラ付セオドライトを用いて、測定
対象を撮影するとともに、水平角，鉛直角を計測し、そ
の画像情報を電算機に入力させて画像処理し、測定対象
を三次元的に認識するものであるため、きわめて正確な
三次元的認識が可能である。

特にその画像処理を三角探査点網からなる探索モデル
を用いて段階的に抽出処理するものであるため、従来の
三次元測定方法ないし装置に比較し、下記のような効果
が発揮される。

（１）まず第１は、測定結果を迅速に把握することが
できる。すなわち、画像処理において、三角探査点網か
らなる探索モデルを用いて、まず５〜10画素の一定画素
おきに画像データを探索し、探査点を設定するととも
に、まず探査線レベルで画像輪郭部を大づかみに探索す
るようにしたため、探索時間が著しく短縮される。

さらにこのことと関連し、この処理時点においては、
測定対象の微細な形状部分は探索対象から徐外されてい
るので、左右画像の対応化が迅速に行われ、前記効果と
あいまって、測定結果を迅速に把握することができる。

（２）第２点は、測定対象の正確な三次元位置ないし
形状の把握が可能である。

すなわち、前記探査線レベルで抽出した画像輪郭部の
探査線上を、一画素ごとの探索により輪郭点として抽出
し、抽出した輪郭点を幾何学的処理により画像座標で抽
出するいわゆる２段階方式の抽出処理によるものである
ため、レンズ画角による画像分解能では抽出が困難な複
雑な形状や微小形状の対象も明確に把握することが可能
である。

（３）第３は、測定の自動化が容易であり、汎用性に
優れている。

まず測定結果をだすための画像処理（幾何学的処理）
が電算機による処理であるため、自動計測システムとし
て構成することが容易である。

さらに測定データの取り込みが、２台のテレビカメラ
による同時撮影に基づく画像情報で、すなわち瞬間的に
測定対象を画像情報として捉えたものであるため、自然
環境や測定対象の変化（動き）に支配されることがな
い。したがって、測定対象の範囲や用途が広く、汎用性
に優れている。

さらに画像処理において、三角探査点網からなる探索
モデルを用い段階的に画像抽出を行うものであるため、
測定範囲全体より、まず部分の形状特性を出力して測量
情報を得ることもできる。またその出力画面から順に全
体の測量情報を得ることもできる。

なお三角探査点網からなる探索モデルそれ自体を拡大
縮小自在にしておけば、前項に記載した効果は、さらに
向上される。

（４）第４は、測定方法を実施するための装置機構
が、従来のセオドライトにテレビカメラを組み付けるの
みでよく簡単に構成することができる。しかもその組み
付け機構は単純である。さらに画像処理を行う計算機と
しても小型電算機で充分にカバーできる。すなわち測定
装置として、単純であり低コストで汎用性の高い三次元
測定装置として利用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明方法と装置の実施例を示すものである。
第１図は本発明方法をシステムとして示す概念図であ
る。第２図は本発明方法の画像処理プロセスをブロック
線図で示すものである。第３図は本発明における画像処
理のプロセスで使用する三角探査点網からなる探索モデ
ルを平面的に示すものである。第４図は探査線で輪郭部
を抽出した画像を示し、第５図は第４図の画像をさらに
画素単位で抽出表示したものである。第６図は画像処理
プロセスにおける左右画像の対応と三次元座標の算出原
理を示す概念図、第７図は他の実施例であるテレビカメ
ラ付セオドライトの正面図、第８図は第７図の側面図で
ある。１……テレビカメラ、２……セオドライト３……A/D変換装置、４……CPU 11……探査点、12……探査線、 13……探査面、Ｃ……電算機、 31……架台、32……回転バーガイド、 33……回転バー、 M₁,M₂,……ステッピングモータ、

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象となる地形ないし物体のほぼ中心
点を、テレビカメラ付セオドライトの２台を用いてそれ
ぞれ撮影するとともに、得られたそれぞれの画像情報を
ディジタル化して電算機へ入力し、入力されたメモリー
上の前記画像データを探査点，探査線および探査面から
なる三角探査点網の探索モデルを用いて段階的に探索
し、測定対象の画像輪郭部の特徴抽出を行い、ついで特
徴抽出によって得られた二つの画像を対応させ、対応さ
せた両画像に基づいて抽出点の水平角，鉛直角を算出す
るとともに幾何学的処理も行い、もって前記両テレビカ
メラで撮影した画像データから測定対象の三次元位置な
いし形状を把握することを特徴とする三次元測定方法。
【請求項２】前記三角探査点網よりなる探索モデルによ
って特徴抽出処理を行うに当って、画素を５〜10ずつ一
定間隔で飛ばしながら走査するとともに、探査点間で一
定の輝度差がある場合、２点を結ぶ線を探査線として抽
出し、ついでその探査線上の１画素ずつを探索して段階
的に画像輪郭部の特徴抽出処理を行うことを特徴とする
請求項１記載の三次元測定方法。
【請求項３】セオドライトとテレビカメラの双方の光軸
が平行するようにして組み合わせたテレビカメラ付セオ
ドライトの２台からなる画像入力手段と、前記画像入力
手段からの画像情報を細かい画素に分解し、光電変換す
るとともに、ディジタル化する変換手段と、この変換手
段からのデータをメモリーに入力し、入力されたメモリ
ー上の前記画像データから画像輪郭部を抽出する探査
点，探査線および探査面を形成する三角探査点網の探索
モデルからなる特徴抽出手段と、この特徴抽出手段から
の両画像データを対応し、対応した両画像と前記入力手
段による測角データに基づいて、抽出点の水平角，鉛直
角を算出するとともに、測定対象の三次元位置ないし形
状を算出する演算手段と、その結果を出力する画像出力
手段とを備えた電算機からなる三次元測定装置。
【請求項４】前記三次元測定装置において、テレビカメ
ラ付セオドライトは、１台のセオドライトの左右両側の
上方位置に、セオドライトの視準線を中心として２台の
テレビカメラを対称的に装備させたものであり、しかも
その装備させた左右テレビカメラは水平軸まわりと垂直
軸まわりに、それぞれ連動して回転操作できるように構
成し、この左右テレビカメラで測定対象の同一中心点を
撮影することができるようにした両眼式のテレビカメラ
付セオドライトであることを特徴とする三次元測定装
置。