JP4486631B2 - 撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、対象領域の立体画像を撮影するとともに、前記対象領域の位置情報を取得することのできる技術に関するものである。

従来より、対象領域の立体画像を得るために２つのカメラを用いることが行われている。また、２つのカメラによる立体画像撮影手段が一体的に組み込まれたトータルステーションも提案されている。このようなモータ駆動機能を備えたトータルステーションは、大変に繊細な制御に基づく駆動機構を備えている。

モータ駆動機能を備えたトータルステーションの駆動機構は、大変に繊細な制御に基づく駆動機構であるので、２つのカメラを搭載すると、駆動機構に多大な負担がかかり、故障しやすいという問題があった。

また、強力な駆動機構を備え、且つ２つのカメラが組み込まれたトータルステーションは、高価になるので、現在すでに使用中のトータルステーションを所有しているにも関わらず、強力な駆動機構を備え、且つ２つのカメラが組み込まれたトータルステーションを、追加購入することは、経済的な負担が大きいという問題があった。

そこで、本発明は、電子制御により視準方向を変更可能なモータドライブ式の駆動手段を備えた測定手段の前記駆動手段にかかる負担を軽くし、且つ、経済的な負担も軽い立体画像撮影機能を提供することを目的としてなされたものである。

本発明にかかる請求項１の撮像システムにおいては、
測定手段は、当該測定手段の視準方向の角度を測定する角度測定機能と、前記測定手段を駆動して前記視準方向を変更可能な電子制御によるモータドライブ式の駆動手段とを備えるとともに、少なくとも２つの撮像手段が前記視準方向と所定の相対的な位置関係で配設された撮像システムにおいて、
前記撮像手段の少なくとも１つは、前記測定手段に対して着脱可能に取り付けられ、
前記撮像手段を前記測定手段に取り付けたときに、前記測定手段の前記駆動手段に対する前記撮像手段の静的荷重によるアンバランスを軽減する荷重補償手段を備えたことを特徴としている。
請求項２では、
前記少なくとも２つの撮像手段は、支持フレームによって、前記測定手段の光軸を挟んだ左右両側に固定されたケースに収納されたデジタルカメラで構成され、
前記支持フレームは、押さえリングによって、前記測定手段に固定され、
前記荷重補償手段は、
前記デジタルカメラ、前記ケース、前記支持フレーム、および前記押さえリングから構成される部材の重心が、前記測定手段の駆動機構の水平軸にできるだけ近づくように、前記ケースの後部に配されたバランス錘の位置と重さとを設定することによって構成されていることを特徴としている。
なお、前記測定手段としては、トータルステーションなどの測量機を用いるとよい。

本発明の請求項１では、
測定手段は、当該測定手段の視準方向の角度を測定する角度測定機能と、前記測定手段を駆動して前記視準方向を変更可能な電子制御によるモータドライブ式の駆動手段とを備えるとともに、少なくとも２つの撮像手段が前記視準方向と所定の相対的な位置関係で配設されているので、２つの撮像手段で撮像した画像データを、前記視準方向に関連付けして解析して立体画像撮影機能を実現できる。
また、前記撮像手段の少なくとも１つは、前記測定手段に対して着脱可能に取り付けられているので、撮像しないときには、撮像手段を取り外しておくことができ、撮像手段の損傷を防止することができる。また、従来の測定手段に必要に応じて装着することもできるので、立体画像撮影機能を実現するために、別途測定手段を購入する必要がなく、経済的な負担も軽くできる。
また、前記測定手段は、電子制御により前記測定手段の視準方向を変更するモータドライブ式の駆動手段を備えているので、前記撮像手段を取り付けた状態で、前記駆動手段を制御して測定手段の視準方向を変えると、撮像手段の向きも追従して動き、測定手段の角度測定機能と駆動手段とを撮像手段でも利用することができる。
また、前記撮像手段を前記測定手段に取り付けたときに、前記測定手段の前記駆動手段に対する前記撮像手段の静的荷重によるアンバランスを軽減する荷重補償手段を備えているので、前記撮像手段を前記測定手段に取り付けたときでも、前記駆動手段にかかる静的荷重の負担を軽くすることができる。
また、請求項２では、
前記少なくとも２つの撮像手段は、支持フレームによって、前記測定手段の光軸を挟んだ左右両側に固定されたケースに収納されたデジタルカメラで構成され、
前記支持フレームは、押さえリングによって、前記測定手段に固定され、
前記荷重補償手段は、
前記デジタルカメラ、前記ケース、前記支持フレーム、および前記押さえリングから構成される部材の重心が、前記測定手段の駆動機構の水平軸にできるだけ近づくように、前記ケースの後部に配されたバランス錘の位置と重さとを設定することによって構成されているので、
前記デジタルカメラ、前記ケース、前記支持フレーム、および前記押さえリングから構成される部材の静的荷重によるアンバランスを軽減することができる。

以下に、本発明にかかる撮像システムを、その実施の形態を示した図面に基づいて詳細に説明する。
１は測定手段としての測量機であり、例えば従来型のトータルステーションと同等の測量機のレンズ筒１１の外周に、後述する指示フレームを取り付けるための雄ねじ１２が形成されている。

前記測量機１は、測距部１０１と測角部１０２とを備えている。測距部１０１は視準された測点までの斜距離を例えば光波測距により検出し、測角部１０２はこのときの水平角、高度角等を検出する。測距部１０１及び測角部１０２はそれぞれ制御部１０３からの指令に基づき制御される。例えば、測距部１０１は制御部１０３の指令に基づいて測距を行い、測定値を制御部１０３に返す。一方、測角部１０２は常時角度を測定しており制御部１０３からの要求に応じてそのときの測定値を制御部１０３へ返す。このようにして検出された斜距離、水平角、高度角等の測定値は制御部１０３において処理される。制御部１０３は有線もしくは無線通信手段等の通信手段を介して例えばノート型パソコン（ＰＣ）や携帯端末（ＰＤＡ）等の外部コンピュータ（図示は省略した。）に接続され、測距部１０１、測角部１０２で検出された斜距離、水平角、高度角等が測量情報として転送される。

２１、２２はデジタルカメラであり、これらの２台のデジタルカメラ２１、２２には、ＣＣＤやＣＭＯＳ等を用いた撮像素子とレンズ群からなる光学システムが設けられており、被写体の映像を撮像して、画像信号を、有線もしくは無線通信手段等の通信手段を介して図示しない外部コンピュータなどの画像処理装置へ出力するように構成されている。
画像処理装置においては、入力された画像信号に対してＲＧＢゲイン補正、ホワイトバランス補正、ガンマ補正やスーパインポーズ等の所定の画像処理が施されるとともに、立体画像処理プログラムによって、２台のデジタルカメラ２１、２２で撮影した２つの画像に基づいて、当該測量機を基準とした被写体の３次元位置データを得て記録することができる。

３はこれらの２台のデジタルカメラ２１、２２を、前記測量機１の光軸と所定の相対的な位置関係、例えば平行、に支持するための支持フレームである。前記支持フレーム３の中央部分には、前記レンズ筒１１を挿入し得る孔３１が形成されている。また、前記レンズ筒１１の外面に形成されたキー溝に前記孔３１の内面に形成されたキー突起を合わせて位置決めする。
この孔３１に前記レンズ筒１１を挿入し、前記雄ねじ１２と螺合し得る雌ねじ３２が形成された押さえリング３３を前記雄ねじ１２に螺合して締めつけることによって、前記測量機１に前記支持フレーム３が固定され、この支持フレーム３に前記２つのデジタルカメラ２１、２２が固定されるのである。
このとき、２つのデジタルカメラ２１、２２は、前記測量機１の光軸を挟んだ左右両側に固定され、これらのデジタルカメラ２１、２２の光軸は、前記測量機の光軸に平行になるように支持される。

前記支持フレーム３は、特許請求の範囲に記載された支持手段を構成し、前記レンズ筒１１の外周に形成された雄ねじ１２と、前記支持フレーム３に形成された孔３１と、前記押さえリング３３とで、特許請求の範囲に記載された取り付け手段を構成している。

前記デジタルカメラ２１、２２は、それぞれ軽量なアルミニウム等によるケースに収納されている。
また、前記各ケースの後部には、バランス錘５１、５２が配されている。これらのバランス錘５１、５２は、前記デジタルカメラ２１、２２およびそれらのケース、支持フレーム３、押さえリング３３が、前記測量機１に取り付けられた場合に、前記測量機１の駆動機構に対する静的荷重によるアンバランスを軽減するための荷重補償手段として備えられている。
前記バランス錘５１、５２は、アンバランスを軽減するように、その位置と重さとが設定されている。図２に示した斜視図のように、前記デジタルカメラ２１、２２、それらのケース、支持フレーム３、および押さえリング３３から構成される部材の重心が、前記測量機１の駆動機構の水平軸にできるだけ近づくように、前記バランス錘５１、５２の位置と重さとが設定されている。

なお、デジタルカメラ２１、２２は、それぞれケースに収納されているので、作業現場において外部の衝撃を受けて損傷することが防止される。前記ケースの前面には透明板が配設されて、デジタルカメラによる撮像を妨げないように、また、埃などが内部に入らないように構成されている。
前記支持フレーム３は軽量化のために肉抜きされている。
前記支持フレーム３は光軸まわりの左右バランスのために、光軸まわりに左右対称に形成されている。
前記２つのデジタルカメラ２１、２２と画像処理装置とをケーブルで接続する場合には、接続するケーブルは、駆動機構への負担を重くしないように、十分に柔から素材で構成されている。

４は前記測量機１の可動部に配設されたレーザービーム照射機であり、前記測量機１の光軸と平行、もしくは所定の角度差で可視光のレーザービームを照射することができるように構成されている。

なお、図１、２においては、前記２台のデジタルカメラは、測量機１の光軸の水平方向の両側に左右対称に配置したが、左右対象でなくてもよく、測量機１の光軸の両側でなく上下でもよい。いずれに場合でも、画像処理装置における画像処理手順（ソフトウェア）を変えることで、立体画像データや各部の３次元データを得ることができる。

以上のように構成した測量機において、通常の測量に際しては、デジタルカメラを装着せずに測量機１だけで使用する。
ステレオ写真を撮像したい場合には、前記測量機１のレンズ筒１１を、前記支持フレーム３の孔３１に通して、支持フレーム３の孔３１から凸出したレンズ筒１１の雄ねじ１２に、押さえリング３３の雌ねじ３２をねじ込んで、支持フレーム３をレンズ筒１１に固定する。
支持フレーム３、押さえリング３３などに遊びがないように構成すれば、装着した状態で測量機１とデジタルカメラの光軸を一回合わせたあとは、装着するだけで光軸が一致することが期待できる。

このように２つのデジタルカメラ２１、２２で撮像した２つの画像データから得られた撮像対象領域の三次元立体画像データと、前記測量機１で測量した視準点までの距離、角度のデータと、前記測量機１の位置データとに基づいて、前記立体画像データの各部位の位置データを算出することができる。このとき、前記測量機１の位置データが、グローバル座標系で得られている場合は、前記三次元立体画像データの各部位の位置データもグローバル座標系で算出することができる。

次に、請求項５、６に記載した立体画像撮像方法の実施の形態を説明する。
１）同時に視準できる測量用基準点を２点以上設定する。
２）測量機１を設置してセットアップする。
３）前記測量機１に２台のデジタルカメラを取り付ける。
４）パソコンを起動させて、立体画像を解析する機能と前記測量機１および２台のデジタ ルカメラを制御する機能を含んだプログラムを立ち上げる。
５）前記測量機１および２台のデジタルカメラを前記パソコンと接続する。
６）前記２台のデジタルカメラからの画像が前記パソコンに取り込まれる状態になってい ることを確認する。
７）前記測量機１の位置を計算するために一方の基準点を視準して、位置を測定して記録 する。
８）他方の基準点を視準して、位置を測定して記録する。
９）立体画像を得たい領域に、前記測量機１と２台のデジタルカメラとを、相対的な位置 関係を変えずに向ける。撮影して２台のデジタルカメラからの画像情報をパソコンに 取り込み保存する。このとき、前記測量機１からは距離情報や角度情報などの測量情 報をパソコンに取り込み保存する。
１０）必要に応じて、さらに、前記測量機１と２台のデジタルカメラの向きを変えて撮影 して取り込み保存する。
１１）パソコンに保存された画像情報、距離情報、角度情報などに基づいて、前記プログ ラムの立体画像解析機能によって画像処理して、対象領域の立体画像を得る。
以上のように、本発明の立体画像撮像方法によれば、一回の撮影でも立体画像を得ることができ、必要に応じて広い領域の立体画像を簡単に得ることができる。
特に、前記測量機１が電子制御によるモータドライブ式の駆動手段を備えている場合には、パソコンから所定の駆動情報を出力して前記駆動手段を電子制御することによって、所定の範囲の立体画像を自動的に得ることも可能である。
また、前記２台のデジタルカメラで撮影した画像に基づいて画像処理することにより、光学的な距離測定機能の測定範囲を超えた遠距離の距離も測定することが可能である。

本実施例では、前記測量機１として、自動追尾機能を備えたモータ駆動型のトータルステーションを用いており、この自動追尾機能をパソコンで制御して、前記２つのデジタルカメラ２１、２２で撮像することと、撮像データと前記測量機１の座標とを関連付けることで、得られる立体画像の応用範囲が広がる。
前記支持フレーム３、雄ねじ１２、孔３１、押さえリング３３を用いて２つのデジタルカメラ２１、２２を測量機１に取り付ける構造に代えて、実施例２に示したような、他の取り付け構造を採用することができる。

また、２つのデジタルカメラ２１、２２を測量機の望遠鏡部分の上下位置に内蔵することも可能である。
また、３つ以上のデジタルカメラを、測量機に着脱可能に、もしくは固定して取り付けても。
少なくとも２つの測量機のうちの少なくとも１つを測量機に固定し、他は着脱可能に取り付けてもよい。
なお、いずれの取り付け構造であっても、２つのデジタルカメラ２１、２２の配設位置は前記測量機１の位置と所定の相対的な位置関係を保持した状態に配設し、その相対的な位置関係を保持した状態で駆動するように構成する。
例えば、水平位置は測量機１の光軸の高さと一致させるが、鉛直位置はずらして設置してもよい。また、所定の角度差を保った状態で駆動するように配設してもよい。いずれの場合も、２つのデジタルカメラ２１、２２の光軸と、測量機１の光軸との相対的な位置関係が分かっていれば、補正して利用することができるのである。

本実施例では、図３に示したように、２つのデジタルカメラを測量機に簡単に着脱できるような取り付け構造を採用している。
この実施例では、前記支持フレーム３の孔３１の近傍に係合・解除機構３８を設け、前記測量機１のレンズ筒１１には前記係合・解除機構に係合する被係合機構１８を設け、前記支持フレーム３をワンタッチで測量機に取り付けたり、取り外したりできるように構成した。
具体的には、例えば、前記係合・解除機構３８は、孔３１の内面に出没する係合出没部材３８１と、孔３１の内面に突出する係合固定部材３８２と、前記係合出没部材３８１を内側方向に弾性付勢する付勢手段（図示せず）と、前記付勢手段に抗して前記係合出没部材３８１を外側方向に移動させる解除ボタン３８３とを備えている。前記係合出没部材３８１と係合固定部材３８２は孔の上下の向かい合った位置に配設されている。

そして、前記被係合機構１８は、前記係合出没部材３８１の先端が嵌まり得る係合孔１８１と、前記係合固定部材３８２の先端が嵌まり得る係合孔（図示せず）を備えている。
そして、前記支持フレーム３を前記測量機のレンズ筒１１に係合させて取り付けるときには、前記係合固定部材３８２を前記係合孔に係合さえて、さらに、前記係合出没部材３８１の先が弾性付勢力によって前記係合孔１８１に嵌まり込んで係合したときに、前記支持フレーム３を前記測量機のレンズ筒１１に係合させて位置固定するように構成されている。
前記支持フレーム３と前記測量機のレンズ筒１１との係合状態を解除するときには、前記解除ボタン３８３を操作することによって、前記係合出没部材３８１の先を弾性付勢力に抗して退避させることによって、前記支持フレーム３と前記測量機のレンズ筒１１との係合を解除し、前記支持フレーム３を取り外すことができるように構成されている。

本発明にかかる撮像システムの実施の形態の斜視図である。 前記撮像システムの分解斜視図である。 第２実施例の撮像システムの要部の分解斜視図である。

符号の説明

１ 測量機
１１ レンズ筒１１
１２ 雄ねじ１２
２１、２２ デジタルカメラ
３ 支持フレーム
３１ 孔３１
３２ 雌ねじ３２

Claims (2)

1. 測定手段は、当該測定手段の視準方向の角度を測定する角度測定機能と、前記測定手段を駆動して前記視準方向を変更可能な電子制御によるモータドライブ式の駆動手段とを備えるとともに、少なくとも２つの撮像手段が前記視準方向と所定の相対的な位置関係で配設された撮像システムにおいて、
   前記撮像手段の少なくとも１つは、前記測定手段に対して着脱可能に取り付けられ、
   前記撮像手段を前記測定手段に取り付けたときに、前記測定手段の前記駆動手段に対する前記撮像手段の静的荷重によるアンバランスを軽減する荷重補償手段を備えたことを特徴とする撮像システム。
2. 前記少なくとも２つの撮像手段は、支持フレームによって、前記測定手段の光軸を挟んだ左右両側に固定されたケースに収納されたデジタルカメラで構成され、
   前記支持フレームは、押さえリングによって、前記測定手段に固定され、
   前記荷重補償手段は、
   前記デジタルカメラ、前記ケース、前記支持フレーム、および前記押さえリングから構成される部材の重心が、前記測定手段の駆動機構の水平軸にできるだけ近づくように、前記ケースの後部に配されたバランス錘の位置と重さとを設定することによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像システム。

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