JP3514469B2 - レーザーを用いた３次元物体計測システム - Google Patents

レーザーを用いた３次元物体計測システム

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、３次元物体および複雑な表面をレーザーを
用いて計測するシステムに関する。本発明によれば、３
次元物体とは、好ましくは、中央の階段吹き抜けや廊下
を有する建物の内部空間であり、すなわち地下室から屋
根裏までの内部空間全てである。さらに複雑な表面を有
する地質学的なくぼみもさらなる例として挙げられ、そ
の計測はレーザーを用いたこの新しい計測システムによ
り可能である。
背景技術 建築、建設業、鑑定人、および修復技術者といった職
種においては、また計測会社、地質学者、および考古学
者にとっても、既成の内部空間（いわゆる「寸法取
り」）または自然のくぼみのマニュアルによる計測は、
頻繁に生じ、またかなりの時間と人的な労力を必要とす
る極めて煩雑な作業プロセスである。これに加えて、
「人間」という要因による誤りや計測の不正確さが発生
し、これらは繰返し計測することによってしか修正は不
可能である。これら一連のことから、マニュアルによっ
て不十分な数の計測点しか検出されない通常用いられる
計測方法では、変形状態を忠実に表現するという意味か
らすれば、より一層不正確になることが避けられないの
は確実である。
ここ数年来では、建物の計測が写真計測法により行わ
れていることが知られている。この方法については、以
下のことが確認されている。
・デジタル化された写真として入手できる計測の評価
は、現時点では部分的にしか自動化されておらず、根本
的には、物体の境界（目視可能な端部およびくぼみ）の
認識および検出はマニュアルで行われている。
・開口角度が限定されていること、および／または開口
角度が大きい（「魚眼」）場合には境界が強く歪曲する
ことにより、ほとんど正面だけまたは建築上の細部のみ
が測定される。
・マニュアルによる労力が大きく、またそれに伴うコス
トは非常に高額である。さらに、現時点で使用可能な計
測方法では、１作業日につき最大で3000の計測点の検出
ができるだけである。
レーザー技術と関連づけた１つの計測方法はパルス動
作時間法である。この方法では、極めて短い光誘導パル
スがレーザー源から出射され、大きい角速度で回転する
鏡を通して偏向させられる。この光誘導パルスは、最長
50メートル離れて配置された計測物体によって反射さ
れ、受信器によりレーザースキャナに記録される。出射
（送信）から受信までの間の時間が計測され、それによ
り、スキャンされた計測物体までの距離が、スキャンさ
れた各面上の全ての光線および全ての点に対して検出さ
れる。送信器から計測点に到達し、受信器に戻ってくる
個別の光誘導パルスを用いたこの計測方法は「パルス動
作時間法」と称される。
これと関連して、「レーザーを用いた距離計測」とい
うタイトルのDE 43 40 756 A1を参照されたい。レ
ーザーレーダーは、制御された光誘導パルスを計測範囲
に出射するパルスレーザーと、この計測範囲内に配置さ
れている物体によって反射された光誘導パルスを受信す
る光受信装置と、光の速度を考慮し、物体の距離に特有
である距離信号を検出するために光誘導パルスの送信か
ら受信までの時間を用いる評価回路とを備えている。計
測範囲とパルスレーザーとの間には光偏向装置が配置さ
れ、この装置は、角度を増加して変化させながら光誘導
パルスを計測範囲にガイドし、また同時に、瞬間的な角
度位置を示す角度位置信号を評価回路に出力する。この
評価回路は、計測範囲内にある物体の場所を検出するた
めに距離信号および角度位置信号を用いている。
半円にわたる平面内において得られる多数の距離値を
以下「計測ファン」と呼ぶ。
引用した例は、デジタルカメラやレーザー技術のよう
な高度な装備と技術を適用することによって、合理的に
また十分な精度で、例えば寸法取りの際に必要とされ、
変形に合致している３次元空間を計測することが不可能
であることを示している。比較的大きな３次元物体の場
合に、その３次元物体の全ての寸法をさらなる処理に提
供できるようにし、集積化されたデータシステムにおい
てオフィスで正確な計測値を編集することは不可能であ
る。既に述べたように、デジタル化された写真（部分的
にのみ自動化が可能）を評価することもこのような物体
を計測する際の根本的な簡易化とはならない。
DE 42 10 245 C2には、地形をスキャンするため
に飛行物体用地形計測撮影システムが記載されている。
これは、計測されたデータを評価するための絶対座標を
必要とする地形計測方法である。これは、GPSシステム
および航空機に装備されているINS（Inertiales Navig
ationssystem、慣性航行システム）で利用されている。
従来技術については、上述のDE 42 10 245 C2にお
いては、後の信号準備段階において一致した画素を探索
することにより、６つの自由度全てにおいて評価のため
に必要な飛行方位データを計算するため、また立体画像
ストリップまたは上空を飛行した地形の３次元モデルを
デジタル形式で作成するため、この画素信号を用いるこ
とが可能であることが記載されている。DE 42 10 24
5 C2に従ったこの発明による従来技術の改良において
も、また同様に絶対座標は必要である。立体画像ストリ
ップの計算のための一致した画素の探索が後の信号処理
段階においてリニアアレイカメラや距離センサによって
行われる。しかし、一致した画素の相関関係を求めるに
は、非常に大きな計算労力が要求され、また、どのよう
にしてこの状況を救済するかについての提案が成されて
いる。
この方法において、地形計測撮影システムは平行なス
トリップにおける計測を行う。これは、３次元（3D）内
部空間の視覚化および計測のためには決して適したもの
ではない。
発明の開示 本発明は、単一の自動化された光学計測およびコンピ
ュータ支援評価がなされ、またそれにより全ての計測デ
ータ（複雑な物体においても）を利用できる好ましくは
内部空間のための計測システムを提案することに基づい
ている。さらにこれと関連して、本発明は、デジタル計
測値から3D空間の完全な視覚化を可能とすることに基づ
いている。
本発明によれば、これらは以下に記述するように解決
され、ここで本発明の根本的な解決法は請求の範囲第１
項において説明されている。本発明のさらなる優位な実
施形態は、請求の範囲第２項から第６項において記載さ
れている。
上記に加えて、本発明によるシステムについては次の
ようなことが説明される。計測ファンは、垂直に配置さ
れ、水平に移動する。この動作の形態により、計測点ま
での距離を含む、球形周囲の限定された平面上に格子状
の構造に配置された多数の点が生じる。
３次元空間をカバーするためには、計測ファンを360
゜回転しなくてはならない。実際の応用において要求さ
れる精度にとって必要である多数の計測点を得るために
は、この計測ファンの回転中において0.25゜の計測距離
を使用すべきである。
各計測ファンによる計測データは、実時間で制御コン
ピュータに伝送される。得られた多数の計測データや、
評価ソフトウェアで実行される統計上の平均化により、
全方位計測において許容可能な時間で実用上重要な精度
が達成される。回転装置に速度の変化を与えるシステム
で、完全な内部空間の総計測時間は約４分である。この
ことにより、この計測プロセスを現地での要求に適合さ
せることができる。記述したプロセスによれば、各計測
値はデジタル化することができ、また隣接点とは数学的
な相関関係にある。内部空間の外側（シェル）表面によ
って形成されてなる一群の点の評価は、これらの点を群
（クラスタ）に割り当てることによって行われる。これ
らの相関関係は、２次元回帰分析により表面構造で数学
的に記録される。これにより、空間内のある平面の分析
的な表現が形成される。位置および勾配に応じて、異な
るタイプの平面の定義付けが可能である。全ての平面は
組合わされ、それらの平面の断面は、変形に合致してい
るCAD図面として寸法を備えた３次元ワイヤモデルを構
成する直線となる。
レーザースキャナを用いた全方位計測と並行して、計
測すべき空間がさらにはデジタルカメラを用いてカバー
できる。このデジタル画像は、「計測データの評価」の
作業ステップにおいて、また物体データの可能な再処理
中においても、追加的な情報を提供することが可能であ
る。さらには、計測した物体の写真的な表現を物体デー
タの表現中に補完的に生成することができる。
図面の簡単な説明 第１図は計測システムのブロック図である。
第２図は計測ファンの移動を示す水準測定装置を示す
図である。
第３図は計測点の配置を示す図である。
発明を実施するための最良の形態 以下、本発明を説明するための実施の形態を記述す
る。
パルス動作時間方法に従って動作するレーザースキャ
ナ１は、与えられた物体の距離を±1mmの精度で直径200
mの範囲を計測することができる。計測プロセス中のレ
ーザースキャナ１の適切な制御に応じて、ある空間の全
ての表面が個別に計測される。第２図において、どの光
誘導パルスがファン状表現（計測ファン11）のためには
必要か、またどのような計測ファン11が360゜回転する
のかがわかる。
三脚５は、水準測定装置４、レーザースキャナ１のた
めの記録装置３、およびビデオカメラ２（デジタルカメ
ラ）を保持する。これらの構成要素間の構成要素接続10
は、機械的な接続によって行われる。
第１図によれば、エネルギーの流れ８は電源７から開
始することがわかる。情報の流れ９は、制御コンピュー
タ６と自動水準測定装置４との間、制御コンピュータ６
と記録装置３（電気駆動）との間、および制御コンピュ
ータとレーザースキャナ１、さらにはビデオカメラ２と
の間で生じる。位置符号12は、不正確である場合におけ
る自動遮断および「０」＝スタートにリセットすること
を示している。
記録装置が0.25゜のステップで連続的に360゜回転す
ることが強調すべき点である。この回転中において、計
測ファンの方向は、回転の水平方向に対して直交しては
おらず、第３図に図示されている通りである。連続して
実行された多数の計測が同一の点に到達するのではない
ということにより、レーザースキャナ内部で実行された
計測データの平均化を利用することができない。しか
し、多数の計測データが得られることにより、評価ソフ
トウェアによる統計的な平均化が可能である。従って、
この評価により、結果の妥当な精度が達成される。
計測データの評価は、これらの取得時間とは完全に独
立して評価コンピュータにおいて実行される。評価プロ
グラムは（必要に応じてエディタでのダイアログにおい
て）、物体の各個別要素の認識を実行する。それを実行
する場合、計測点はある空間の限定された表面に割り当
てられる。このプロセスにおいて、計測データのばらつ
きも考慮され、また豊富な数量の材料（１つの壁につき
約100,000から200,000の値）の平均値を得ることにより
精度が向上する。
複雑な構造の場合や、隣接する計測の開始点などのよ
うな重要な計測点の場合には、エディタは、モニタする
ことができ、また、もし必要であるならば、計測された
値およびすでに認識された要素に同期して画面に表示さ
れるデジタルカメラで得られた写真と比較することによ
って解釈を修正することができる。
個別の各空間のデータは互いに組合わされ、物体全体
のモデルに統合される（これにより、例えば、隣接する
空間の限定された面がこれらの空間の間の壁となる）。
１つの空間内にいくつかの開始点がある場合には、同様
な手順が適用される。作成されたモデルは、さらに別途
使用するために加工処理される。全ての壁は、基本的な
幾何学形状から構成される個別の各セグメントに分解さ
れる。それを行う間、統合された要素が認識される。加
えて、エディタは、ダイアログ機能を通してこのプロセ
スを操作することができる。この作業ステップの結果
は、計測された物体を３次元（3D）図として表現でき、
また例えばオートキャド（AutoCad）プログラムで直接
利用することができる「DXF」フォーマットでのデータ
ファイルである。
使用した参照符号は次のような意味である。
１ レーザースキャナ ２ ビデオカメラ ３ 記録（撮影）装置 ４ 水準測定装置 ５ 三脚 ６ 制御コンピュータ ７ 電源 ８ エネルギーの流れ ９ 情報の流れ 10 構成要素接続（機械的接続） 11 計測ファン 12 自動遮断
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−287913（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−324911（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−280511（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−174425（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−23591（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−270161（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−190775（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−191142（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−160905（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−101032（ＪＰ，Ａ) 西独国特許出願公開19543299（ＤＥ, Ａ１) 西独国特許出願公開4119180（ＤＥ, Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/24 G01B 21/20 G01S 17/42 G01C 15/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ある空間内の３次元物体の計測データをレ
    ーザー技術を用いて取得し、前記３次元物体の３次元ワ
    イヤモデルを構成する計測システムにおいて、 前記計測データを含むレーザー誘導パルスを送信及び受
    信して得られる多数の距離値からなる半円状の計測ファ
    ン（11）を形成するためのレーザースキャナ（１）と、 前記レーザースキャナ（１）に接続され、当該レーザー
    スキャナ（１）を360゜回転させる水準測定装置（４）
    と、 前記水準測定装置（４）によって360゜回転されながら
    得られる前記計測データを前記レーザースキャナ（１）
    から受信して記録する記録装置（３）と、 前記記録装置（３）に記録された前記計測データをデジ
    タル化し、各計測データについてその隣接する点との数
    学的相関関係を設定し、前記３次元物体の各個別要素の
    計測点をそれぞれ群として評価し、２次元回帰分析を行
    って前記相関関係を前記３次元物体の表面構造として記
    録し、前記空間内の平面の位置及び勾配を分析すること
    により前記平面のタイプを決定し、前記平面を組み合わ
    せて形成される直線を用いて前記３次元ワイヤモデルを
    構成する計測データ評価手段と、 を備えていることを特徴とするレーザーを用いた３次元
    物体計測システム。
  2. 【請求項２】前記計測データ評価手段はコンピュータ
    （６）であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載
    のレーザーを用いた３次元物体計測システム。
  3. 【請求項３】前記３次元物体の計測を前記レーザースキ
    ャナ（１）と並行して行うビデオカメラ（２）を更に含
    むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザー
    を用いた３次元物体計測システム。
  4. 【請求項４】前記水準測定装置（４）は、前記計測ファ
    ン（11）を一定の速度で段階的に360゜回転させること
    を特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザーを用い
    た３次元物体計測システム。
  5. 【請求項５】前記水準測定装置（４）は、前記計測ファ
    ン（11）を0.25゜以下の計測間隔で段階的に360゜回転
    させることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレー
    ザーを用いた３次元物体計測システム。
  6. 【請求項６】前記レーザースキャナ（１）及び前記水準
    測定装置（４）は、三脚（５）によって保持されている
    ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザーを
    用いた３次元物体計測システム。
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