JP4426254B2 - 三次元モデル作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、カメラで撮影した写真データから三次元モデルを作成する三次元モデル作成方法に関する。

従来から、例えば、工場内において設備の増設工事や改造工事等を行う際には、レイアウトを表した図面を用いてシミュレーション等の事前検討が行われている。このようなときに、平面的な図面に代えて工場施設や機械等の各種の三次元モデルをコンピューターグラフィック技術によって作成することが行われている。この場合、対象物を写真撮影し、その写真データを、コンピューターを用いたテクスチャーマッピングの技術により空間内で再現している。

しかしながら、このような三次元モデルのデータを作成する際には、各標定点間の距離やカメラの撮影角度等を実測した多量の計測データをコンピューターに入力することが行われており、これに多大な労力を要していた。そこで、このような労力を軽減するために種々の三次元モデル作成技術が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、建物の高さ計測を効率よく行う方法に関するものである。
特許第３０１５３５３号公報

しかしながら、この従来の方法では、各建物についての計測がかなり必要であり、計測に要する労力の軽減は、まだ不十分であるという問題がある。また、従来の方法においては、写真に撮影されている風景等の中の所定の部分を標定点として選択し、その標定点を繋ぎ合わせることによって三次元モデルを作成しているため、計測誤差が大きくなり作成される三次元モデルの寸法精度が良くないという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、その目的は、現地での実測やコンピューター入力等の労力を大幅に軽減でき、かつ精度のよい三次元モデルを容易に作成することのできる三次元モデル作成方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明にかかる三次元モデル作成方法の構成上の特徴は、測量場所の所定部分に対空標識を設置する対空標識設置工程と、対空標識の中心位置の座標を計測器で計測する標定点計測工程と、測量場所の各部分を、各撮影範囲に所定数の対空標識を含ませ、かつ隣接する各撮影範囲を５０〜８０％オーバーラップさせてカメラで撮影する写真撮影工程と、写真撮影工程において撮影された写真の画像データを解析し所定の加工を施す画像解析工程と、画像解析工程によって画像解析された画像データを標定点の座標に基づいて空間内で構築する空中三角測量工程と、空間内で構築された画像データから三次元モデルを作成する三次元モデル作成工程とを備え、標定点計測工程の処理の実行が計測器の設置位置を変更しながら行われ、標定点計測工程に、計測器によって異なる位置から計測される各標定点の座標系を同一にするための基準位置となる回転ターゲットを計測器の位置を換えても見通せる範囲に設置する回転ターゲット設置工程と、回転ターゲットの座標を計測する回転ターゲット計測工程とが含まれることにある。

このように構成された本発明にかかる三次元モデル作成方法では、測量場所の所定部分に対空標識を設置してその中心位置を標定点としている。そして、測量場所の各部分を撮影範囲に対空標識を含ませた状態で写真撮影し、その写真の画像データを標定点の座標を基準として空間内で構築して三次元モデルを作成するため、三次元モデルの作成が容易かつ効率的に行える。また、作業者が計測する部分は、標定点（Ｘ、Ｙ、Ｚの座標）だけで済むため、計測に要する労力が大幅に軽減される。

この場合、標定点を計測するための計測器としては、精密トータルステーションを用いることができる。これによると、計測作業が極めて短時間で効率よく行えるとともに、計測誤差が微小になり、精度のよい三次元モデルの作成が可能になる。また、対空標識の中心に位置する標定点に基づいて三次元モデルの作成が行われるため計測誤差がさらに少なくなり寸法精度のよい測量が可能になる。

また、画像解析工程における所定の加工としては、露出の修正（ディジタルカメラを用いた場合）、所定の画像フォーマットへの変換などがある。これによって、画像データを、撮影に使用されるカメラや最終計測値に要求される精度に対応したものに加工することができる。また、画像解析工程、空中三角測量工程および三次元モデル作成工程における各操作は、コンピューターを用いてディスプレイを見ながら効率よく行うことができる。このため、測量場所での作業は、所定部分に対空標識を設置する作業と、対空標識の中心位置を計測する作業と、写真撮影だけで済み、作業が極めて容易になる。

本発明にかかる三次元モデル作成方法は、計測器の設置位置を変更しながら標定点計測工程の処理を実行する場合に、計測器によって異なる位置から計測される各標定点の座標系を同一にするための基準位置となる回転ターゲットを計測器の位置を換えても見通せる範囲に設置する回転ターゲット設置工程と、回転ターゲットの座標を計測する回転ターゲット計測工程とを含んでいる。

例えば、測量場所が複雑な形状で、一定の位置に設置した計測器では、すべての標定点を見通すことができない場合には、計測された測量場所の各標定点の座標系を同一にするために、計測器の位置を換えても見通せる範囲の中に含まれる回転ターゲットが必要になる。この回転ターゲットは、例えば、工場内に予め設置されているアンカーボルトのような突起物や、新たに設置したもので構成することができる。これによって、計測器の位置を換えても各部分の座標系を同一にすることができる。

本発明にかかる三次元モデル作成方法のさらに他の構成上の特徴は、対空標識を、中心部から外周側に向けて白色と黒色の円形が交互に表されたシートで構成したことにある。これによると、対空標識の中心位置の識別が明確にできる。また、対空標識の中心位置に光を反射する反射シートを貼り付け、この反射シートを標定点とすることもできる。これによると、標定点をさらに明確に識別できるようになる。

また、本発明にかかる三次元モデル作成方法のさらに他の構成上の特徴は、回転ターゲットを、突起物で構成したことにある。

以下、本発明にかかる三次元モデル作成方法を図面を用いて説明する。図１は、本発明にかかる三次元モデル作成方法のフローチャートを示しており、例えば、工場施設内のレイアウトの三次元モデルは、このフローチャートに示した手順にしたがって作成される。まず、ステップ１００において、事前調査や業務計画の立案等が行われる。ここでは、三次元モデルの作成に関する一連の工程をすべて仕様化して、後に実施する作業の効率を向上させるための作業を実施する。また、複数の作業者に対して実際の三次元モデル作成空間の特長、状況等の説明を現地において行う。これは、各作業者が行う作業に較差が生じないようにし各部分が同一精度を有する三次元モデルの作成ができるようにするための事前調査として行う。さらに、事前調査後には、詳細な工程を立案し、その見積もりを作成する。

つぎに、ステップ１０２〜１１８における各処理を実施する。ステップ１０２〜１１０の各工程は、後述する標定点の座標データを作成するための工程であり、ステップ１１２〜１１８の各工程は現場での写真撮影と撮影した写真の画像データを加工するための工程である。これらの各工程は平行して実行することができ、ステップ１０２〜１０８，１１２，１１４の各処理は工場施設内の現場で行われる。

ステップ１０２では、図２に示した対空標識１０を設置する場所の選定と設置作業が行われる。対空標識１０は、縦の長さが１１０ｍｍで横の長さが８０ｍｍのやや縦長の黒地のシールで構成され、下端から上方に向かって３０ｍｍまでの下部が四角白色部１１になっている。そして、正方形になった上部側部分の中央に円形白色部１２が設けられ、円形白色部１２と所定間隔を保ってその外周側にリング状白色部１３が設けられている。このように、対空標識１０の表面には白黒の円形模様が施されているため、計測や写真撮影の際に、その中心位置を明確に識別できる。この円形白色部１２の中央位置を標定点Ｏとする。また、四角白色部１１には通し番号が記入されている。

対空標識１０の設置場所は、適度に分散するように所定間隔を保って選定され、特に現場における各部分の特徴となる角部や端部等は対空標識１０の設置場所として選定することが好ましい。この対空標識１０の設置は、カメラ（図３および図４参照）１４で対象場所を撮影する際に、１枚の写真中に少なくとも３点以上の標定点Ｏが含まれるようにして行う。対空標識１０の設置場所の選定と、設置場所への対空標識１０の設置が終了すると、対空標識１０の標定点Ｏに、縦横の長さが５ｍｍ程度の大きさの反射シール（図示せず）を貼り付ける。これによって、標定点Ｏの識別がさらに明確に行えるようになる。

ステップ１０４では、回転ターゲット（図３および図４参照）Ｔの設置場所の選定と、その設置場所への回転ターゲットＴの設置作業が行われる。この回転ターゲットＴは、計測器（図示せず）の設置位置を変更しながら標定点Ｏの計測を行った場合でも、計測する標定点Ｏが含まれる空間をすべて同一の座標系にするために必要な座標系基準点となるものである。

すなわち、分散させて設置した複数個の対空標識１０をすべて１箇所に設置した計測器で計測することは不可能であるため、例えば、工場施設内に予め設置されたアンカーボルトのようなものを回転ターゲットＴとして選定したり新たに目標となるものを回転ターゲットＴとして設置したりする。この回転ターゲットＴは、所定の場所に設置された計測器から３個以上が見えるように設置する。計測されたこの回転ターゲットＴの座標を繋ぎ合わせることにより各標定点の座標系を一致させることができる。

ステップ１０６では、回転ターゲットＴの座標の精密計測を行い、ステップ１０８では、標定点Ｏの座標の精密計測を行う。この回転ターゲットＴの計測と標定点Ｏの計測とは、精密トータルステーションからなる計測器を用いて行うことができ、その順序は前後して行うこともできる。この計測器は、ディスプレーやキーボードを備え、所定のプログラムを実行することのできる装置であり、計測距離と計測角度によって、回転ターゲットＴおよび標定点Ｏの座標を決定する。したがって、作業者は、計測器の望遠鏡を介して順次計測点にレンズの焦点を合わせ、その焦点の座標を記憶させていくだけの操作で、すべての回転ターゲットＴと標定点Ｏとの計測を行う。この際、現場の状況に応じて、適宜、回転ターゲットＴを視通できる位置を確認しながら計測器の設置位置を変更する。

そして、ステップ１１０において、標定点Ｏの解析が行われる。ここでは、計測器のメモリーに記憶された標定点ＯのＸＹＺ座標をコンピューターにダウンロードし、のちにステップ１２０において実施する空中三角測量に必要なコントロールポイントファイルを作成する。このコントロールポイントファイルとは、空中三角測量を実施する際に使用する基準点の座標（ＸＹＺ）を記述するアスキーファイルである。この作業は室内における机上で行うことができる。

また、ステップ１１２においては、撮影計画の作成を行う。この撮影計画は、カメラ１４による撮影を効率よく実施するために作成するもので、カメラ１４の機種、カメラ１４の設置位置、撮影枚数、オーバーラップの程度（％）、照明の要否等を検討して作成する。そして、ステップ１１４において、現場での写真撮影を行う。この場合、使用するカメラ１４としては、どのようなカメラを使用してもよいが、高解像度を有するディジタルカメラを使用することが好ましい。

また、カメラ１４で撮影する被写体の撮影範囲は、５０％以上オーバーラップさせることが必要で、６０〜８０％オーバーラップさせることが好ましい。撮影された写真にオーバーラップしない部分があれば、その部分については、のちに行う処理の際に同一座標系の空間として処理できない場合が生じる。図３には、撮影範囲１５の面積に対して、二点鎖線ａ，ｂ間に示した撮影範囲１５ａと、一点鎖線ｃ，ｄ間に示した撮影範囲１５ｂとの重複部分１５ｃの面積を６０％とした例を示している。これによると、順次カメラ１４の方向を変えて撮影を続けてもすべての写真に重複部分が生じ、のちの処理により良好な三次元モデルの作成が可能になる。

また、図４には、撮影範囲１５の面積に対して、５０％のオーバーラップを設けて順次撮影する例を示している。ここでは、二点鎖線ｅ，ｆ間に示した撮影範囲１５ｄ、破線ｇ，ｈ間に示した撮影範囲１５ｅ、二点鎖線ｆ，ｉ間に示した撮影範囲１５ｆを順次５０％づつ移動させて、重複部分１５ｇ，１５ｈを形成している。これによると、重複部分１５ｇ，１５ｈは境界線で接触しており、この間に重複部分は生じない。したがって、オーバーラップが５０％以下になると重複部分１５ｇ，１５ｈ間に接触部分がなくなって隙間が生じてしまい、良好な三次元モデルの作成ができなくなる。また、オーバーラップする部分の割合が大きすぎると、撮影枚数が増加して撮影時間が長くなり、作業効率が悪くなる。したがって、オーバーラップの割合は、重複する部分が充分でかつ多すぎない６０〜８０％に設定することが好ましい。

そして、撮影計画に基づいて撮影現場の写真撮影を必要枚数分行う。この場合、カメラ１４としてディジタルカメラを用いているとともに、ノートパソコンを携帯している場合には、撮影画像のデータをノートパソコンに取り込んで、撮影が充分に行われているか、オーバーラップは充分か、また撮影画像が鮮明であるか等の確認を現場で行うことができる。

ステップ１１６においては、検査および画像解析を行う。ここでは、カメラ１４で撮影したディジタル写真の露出を修正したり、画像データのイメージ解析を行うための使用ソフトに対応する画像フォーマットに変換したりする操作が行われる。また、カメラ１４として、フィルムを用いるカメラを使用した場合には、現像したネガをスキャナーで読み取って、コンピューターのメモリーにコピーする操作も行う。そして、ステップ１１８において、空中三角測量計画の準備を行う。

ステップ１２０においては、空中三角測量に関する処理を実施する。この空中三角測量は、空中三角測量用のソフトウェア（例えば、ＶＥＸＣＥＬ社製のＢｌｏｃｋＭ）を用いて実施することができる。この空中三角測量は、前記ソフトウェアに、ステップ１１６の処理によって適当な画像処理が施された画像データをダウンロードするとともに、その画像データに、ステップ１１０の処理によって得られたコントロールポイントファイルの座標データを順次点刻することによって実施される。

また、その際、オーバーラップしている状態で隣接する各写真間に連続した関係を定義するために、写し込まれている被写体の共通位置を指定して選点されたタイポイント（準標定点）についても点刻する。このタイポイントは、ディスプレー上のアイコンをクリックする操作によって選点され、隣接する二つの画像について６点以上点刻する。これによって、三次元モデルの作成対象の空間が構築される。また、ここで任意に方位づけられた各画像を、標定点Ｏに基づいて実際の座標に変換する絶対標定の処理も実施される。この点刻や絶対標定に関する処理は、コンピューターによって自動的に実施される。

空中三角測量に関する処理が終了すると、ステップ１２２において、精密ディジタル写真計測が実施される。この精密ディジタル写真計測は、モデリング（図化）を行うための処理であり、近距離精密写真計測プログラム（例えば、ＶＥＸＣＥＬ社製のＣｏｌｌｅｃｔＭ）を用いて実施することができる。この精密ディジタル写真計測は、ディスプレー上に表示した隣接する画像上の同一点をそれぞれクリックすることによって実施される。これによって、モデリングの処理がコンピューターによって自動的に実施され、三次元モデルが作成される。

そして、ステップ１２４において、作成された三次元モデルの各部分のチェック等の検査を行い、ステップ１２６において、完成したデータをのちの使用に適した所定のフォーマットに変換する。また、ステップ１２８においては、作成した三次元モデルの編集を行う。これによって、三次元モデル作成のためのすべての処理が終了する。そして、作業者は必要に応じて、ステップ１３０において業務報告書の作成を行う。このようにして、作成された三次元モデルは、工場内の設備の設置や改造工事の際に、シミュレーションによる各種の事前検討や見積もりの作成のために使用する等、種々の目的で使用することができる。

このように、この三次元モデル作成方法では、標定点Ｏや回転ターゲットＴの計測を、非接触型の精密トータルステーションからなる計測器を用いて行うため、極めて短時間でかつ正確に行うことができる。また、写真撮影は、所定の割合で撮影範囲をオーバーラップさせながら順次撮影していくだけであるため、現場での作業時間や労力を大幅に低減することができる。

また、対空標識１０を、黒地のシートに円形白色部１２とリング状白色部１３とを形成して構成しているため、コントラストがはっきりして対空標識１０の中心位置（標定点Ｏ）の識別が明確にできる。また、対空標識１０の中心位置に光を反射する反射シートを貼り付けているため、標定点Ｏをさらに明確に識別できるようになる。さらに、対空標識１０の四角白色部１２には通し番号が記入されているため、使用枚数の確認やその他の管理がし易くなる。また、空中三角測量やモデリングのための精密ディジタル写真計測は、その処理に適したソフトウェアをそれぞれ用いて、自動的に実施できるため、作業者が行う作業は極めて容易かつ簡単である。これによって、時間やコストの削減が可能になる。

なお、対空標識１０の色や形は、他のものに変更することができ、色については、紺色と白色、黒色と黄色等、コントラストの大きな色の組み合わせであればどのようなものでもよい。また、形についても、円形の円形白色部１２とリング状白色部１３に限らず、これらを四角形や三角形で構成することもできる。

また、図５は、本発明の他の実施形態にかかる三次元モデル作成方法のフローチャートを示している。この三次元モデル作成方法は、接触型の三次元計測器（図示せず）を用いて、略２ｍ四方以下の被計測物の三次元モデルを作成するためのものであり、前述した図１のフローチャートのステップ１０２〜１１０に代えて、ステップ２０２〜２０６の処理が行われる。それ以外のステップでは、図１のフローチャートの対応するステップと同一の処理が行われる。

ステップ２０２では、被計測物の基準点の計測が行われる。この場合まず、基準点の選定が行われる。被計測物が球形であれば、球形の表面に一定間隔を保って３点の基準点を選定する。また、被計測物が複雑な形状であれば、その形状に応じて、基準点の数を増やして行き、特に、形状が変化する境目の点等を選定して基準点とする。そして、プローブを備えた接触型の三次元計測器で、各基準点の座標の精密計測を行う。この基準点の座標計測は、例えば、フォロアーム（フォロ社製）を用いた計測システムを用いて行うことができる。また、被計測物の大きさが大きい場合には、三次元計測器を適宜移動させながら計測を行う。

ステップ２０４では、モデリング作成の処理が行われる。前述した計測システムは、測定用ソフトウェアを備えており、計測した座標データから形状データを作成する。そして、ステップ２０６において、空間の合成が行われる。この処理によって、三次元計測器の設置場所を移動させながら計測した各データが同一空間でのデータに合成される。そして、前述したステップ１１２〜１３０の処理を順次行って三次元モデルが作成される。このように、この三次元モデル作成方法によれば、比較的小さな被計測物を精度良く計測することができ、これによって、寸法精度のよい三次元モデルの作成が可能になる。それ以外の作用効果については、前述した実施形態と同様である。

また、本発明にかかる三次元モデルの作成方法は、前述した実施形態に限るものでなく、適宜変更実施が可能である。例えば、空中三角測量や精密ディジタル写真計測の処理のためのソフトウェアとしては、同様の機能を有する他のソフトウェアを使用することができる。また、計測器としても、精密トータルステーションに代えて同様の機能を有する他の計測器を用いてもよい。さらに、計測の対象物についても、工場施設に限らず、船舶、自動車、各種のプラント等、小さなものから大きなものまで対応が可能である。

本発明の一実施形態に係る三次元モデル作成方法の手順を示したフローチャートである。 対空標識を示した正面図である。 ６０％のオーバーラップで撮影する状態を示した説明図である。 ５０％のオーバーラップで撮影する状態を示した説明図である。 本発明の他の実施形態に係る三次元モデル作成方法の手順を示したフローチャートである。

符号の説明

１０…対空標識、１２…円形白色部、１３…リング状白色部、１４…カメラ、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ…撮影範囲、１５ｃ，１５ｇ，１５ｈ…重複部分、Ｏ…標定点、Ｔ…回転ターゲット。

Claims (4)

1. 測量場所の所定部分に対空標識を設置する対空標識設置工程と、
   前記対空標識の中心位置の座標を計測器で計測する標定点計測工程と、
   前記測量場所の各部分を、各撮影範囲に所定数の前記対空標識を含ませ、かつ隣接する各撮影範囲を５０〜８０％オーバーラップさせてカメラで撮影する写真撮影工程と、
   前記写真撮影工程において撮影された写真の画像データを解析し所定の加工を施す画像解析工程と、
   前記画像解析工程によって画像解析された画像データを前記標定点の座標に基づいて空間内で構築する空中三角測量工程と、
   前記空間内で構築された画像データから三次元モデルを作成する三次元モデル作成工程とを備え、
   前記標定点計測工程の処理の実行が前記計測器の設置位置を変更しながら行われ、前記標定点計測工程に、
   前記計測器によって異なる位置から計測される各標定点の座標系を同一にするための基準位置となる回転ターゲットを前記計測器の位置を換えても見通せる範囲に設置する回転ターゲット設置工程と、
   前記回転ターゲットの座標を計測する回転ターゲット計測工程とが含まれることを特徴とする三次元モデル作成方法。
2. 前記対空標識を、中心部から外周側に向けて白色と黒色の円形が交互に表されたシートで構成した請求項１に記載の三次元モデル作成方法。
3. 前記標定点を、光を反射する反射シートで構成した請求項１または２に記載の三次元モデル作成方法。
4. 前記回転ターゲットを、突起物で構成した請求項１ないし３のうちのいずれか一つに記載の三次元モデル作成方法。

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