JP4760358B2

JP4760358B2 - 路面形状測定方法および測定システム

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Publication number: JP4760358B2
Application number: JP2005365177A
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Inventors: 直之桂
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-12-19
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Description

本発明は、所定の測定可能範囲にある物体の３次元形状を測定可能な測定ユニットを用い、この測定可能範囲よりも大きい路面の任意領域の３次元形状を測定する、路面形状測定方法および測定システムに関する。

路面上をタイヤが転動する際の、タイヤの振動特性（いわゆるＮＶＨ；ノイズ、バイブレーション、ハーシュネス等）、制動特性、また、タイヤの摩耗特性などは、タイヤ自体の特性もさることながら、路面特性も強く影響するものである。すなわち、特性の異なる複数の路面それぞれで同一のタイヤを転動させた際、このタイヤの上記特性は各路面毎に異なる。特定の路面で転動させることを目的としたタイヤを開発・設計する場合は、タイヤの上記特性それぞれが、この特定の路面で転動させた際に、所望の条件を満たすようにする必要がある。このように、タイヤ固有の特性を把握するためには、また、転動させる路面に応じた特性のタイヤを開発、設計するには、転動させる路面の特性（路面粗さなど）も正確に把握しておくことが必要である。
このような路面の特性を把握するための、路面の表面形状の測定装置が、例えば下記特許文献１に開示されている。下記特許文献１記載の路面粗さの測定方法は、サンドバッチ法によって測定された路面粗さ（ＴＤ値）が同一な複数の路面について、これら複数の路面のミクロ粗さおよびマクロ粗さがそれぞれ異なっていれば、タイヤの騒音テストや制動テストの結果が異なるといった問題点を解決することを目的としている。下記特許文献１記載の路面粗さの測定方法では、レーザ変位計を路面から一定距離を隔てて水平移動させ、サンプリング間隔λ０のオリジナルデータ列と、オリジナルデータ列を、サンプリング間隔λ０の整数ｎ倍のずれピッチλだけずらせた、ずれデータｆ（ｘ＋λ）からなるずれデータ列とを作成している。そして、このオリジナルデータ列とずれデータ列とを用いて、路面のマクロ粗さとミクロ粗さとを検出している。

特開２００２−３０３５１４号公報

特許文献１記載の路面粗さの測定方法では、レーザ変位計を路面から一定距離だけ隔てて水平移動させる必要があった。図１２は、特許文献１の図２に対応する図であり、特許文献１記載の路面粗さ測定方法で用いられている路面粗さ測定装置１０１の概略側面図である。特許文献１の路面粗さ測定装置１０１は、路面１０２上に載置される本体フレーム１０３に、レーザ変位計１０４と、このレーザ変位計１０４を路面１０２から一定距離Ｌを隔てて水平移動させる移動手段１０５とが設けられている。移動手段１０５は、本体フレーム１０３の支持片１０３Ａ、１０３Ａ間に水平に架け渡された一対のガイド軸１０６に沿って、レーザ変位計１０４を水平移動させている。

特許文献１における、一定距離Ｌ、水平移動、などの言葉の定義については明確ではないが、特許文献１記載の路面粗さの測定装置は、ガイド軸１０６に応じて規定されるレーザ変位計の位置から路面１０２までの、ガイド軸１０６の延在方向に略垂直な方向の距離を計測するものであることが理解される。特許文献１記載の路面粗さ計測装置を用いて、ガイド軸１０６の長さ（図１２における左右方向の長さ）以上の範囲に渡って路面粗さを連続的に測定しようとした場合、路面粗さ測定装置１０１自体を、ガイド軸１０６の長さ方向に平行移動し、移動前後における測定データを合成することが考えられる。しかし、例えば、図１３に示すように、ある程度の凹凸をもつ路面の表面を、路面粗さ測定装置１０１を用いて測定する際、ガイド軸１０６の長さ方向に沿って移動させて測定し、移動前後における測定データを合成しようとしても、基準となるガイド軸１０６の延在方向が一致していないため、測定データを正確に合成することができない。仮に、路面粗さ測定装置１０１自体の移動量（３次元位置、方向）を、正確に把握することができれば、移動前後における測定データを正確に合成することも可能ではあろう。しかし、多様なうねりをもつ路面に載置された路面粗さ測定装置１０１の、３次元位置や方向を正確に把握することは困難であり、仮に合成できるとしても、データの合成には多大な時間と労力を要する。

そこで、本発明は、所定の測定可能範囲にある物体の３次元形状を測定可能な測定ユニットを用い、この測定可能範囲よりも大きい路面の任意領域の３次元形状を測定する、路面形状測定方法および測定システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、路面の任意領域の３次元形状を、測定可能範囲が定められた測定ユニットを用いて測定する路面の３次元形状測定方法であって、前記路面の任意領域は、前記測定ユニットの測定可能範囲よりも大きく、前記路面に、前記路面の任意領域を囲むような板状部材が載置されている状態で、前記測定ユニットの位置または姿勢の少なくともいずれか一方を繰り返し変更することで、前記測定可能範囲に対応する前記路面の測定対象範囲を繰り返し変更し、変更の度に、変更後の前記測定対象範囲の３次元形状の形状データを、１組の形状データとして繰り返し取得するデータ取得ステップと、前記板状部材には、前記測定ユニットによって３次元形状データが取得された際、この板状部材の３次元形状データを部分毎に特徴づけるマークが設けられており、前記データ取得ステップにおいて取得された複数組の３次元形状データを、各組の形状データそれぞれに含まれる前記板状部材の前記マーク部分の形状データに基づいて統合する統合ステップとを有することを特徴とする路面形状測定方法を提供する。

また、前記データ取得ステップでは、複数組の前記３次元形状データに、前記路面の前記任意領域の同じ部分の形状データ、および前記板状部材の前記マーク部分の形状データが含まれるよう、前記測定ユニットの位置または姿勢の少なくとも一方を繰り返し変更し、前記データ統合ステップでは、複数組の前記３次元形状データのうち、前記板状部材の前記マーク部分の形状データが同じ位置にくるよう、少なくとも一組の３次元形状データを写像変換することにより、前記路面の前記任意領域全体の３次元形状データを作成することが好ましい。

また、前記３次元形状測定ユニットは、前記測定可能範囲にレーザ光を照射して、前記測定可能範囲にある測定対象物の表面からの前記レーザ光の反射光に基づき、前記測定対象物の３次元形状を測定するレーザ型３次元形状測定ユニットであり、前記データ取得ステップでは、前記測定可能範囲に対応する前記路面の測定対象範囲に入射する前記レーザ光以外の光、および、前記レーザ型３次元形状測定ユニットの受光面に入射する前記レーザ光以外の光を遮光した状態で、前記３次元形状の形状データを取得することが好ましい。

また、前記マークは、前記板状部材の表面に反射特性の塗料を特定の形状に塗布したもの、前記板状部材の表面に前記特定の形状を表す凸状部を設けたもの、前記板状部材の表面にランダムな凹凸を設けたもののいずれかであることが好ましい。

本発明は、また、路面の任意領域の３次元形状を測定する装置であって、測定可能範囲が定められた３次元形状測定ユニットと、前記任意領域を囲むように前記路面上に配置される板状部材と、前記路面に、前記路面の任意領域を囲むように前記板状部材が載置されている状態で、前記３次元形状測定ユニットの位置または姿勢の少なくともいずれか一方を調整することで、前記測定可能範囲に対応する前記路面の測定対象範囲を設定する調整手段と、前記路面上に、前記任意領域を囲むように前記板状部材が配置された状態で、前記調整手段に前記３次元形状測定ユニットの位置または姿勢の少なくともいずれか一方を繰り返し変更させて、前記路面の測定対象範囲を繰り返し変更させ、変更の度に、前記３次元形状測定ユニットに前記測定対象範囲の３次元形状の形状データを、１組の形状データとして取得させる測定動作制御手段と、前記板状部材には、前記測定ユニットによって３次元形状データが取得された際、この板状部材の３次元形状データを部分毎に特徴づけるマークが設けられており、取得された複数組の３次元形状データを、各組の形状データそれぞれに含まれる前記板状部材の前記マーク部分の形状データに基づいて統合する統合手段とを有することを特徴とする路面形状測定装置を、併せて提供する。

また、前記測定動作制御手段は、複数組の前記３次元形状データに、前記路面の前記任意領域の同じ部分の形状データ、および前記板状部材の前記マーク部分の形状データが含まれるよう、前記３次元形状測定ユニットの位置または姿勢の少なくとも一方を繰り返し変更させて、前記統合手段は、複数組の前記３次元形状データのうち、前記板状部材の前記マーク部分の形状データが同じ位置にくるよう、少なくとも一組の３次元形状データを写像変換することにより、前記路面の前記任意領域全体の３次元形状データを作成することが好ましい。

また、前記３次元形状測定ユニットは、前記測定可能範囲にレーザ光を照射して、前記測定可能範囲にある測定対象物の表面からの前記レーザ光の反射光に基づき、前記測定対象物の３次元形状を測定するレーザ型３次元形状測定ユニットであり、前記測定可能範囲に入射する前記レーザ光以外の光、および前記レーザ型３次元形状測定装置の受光面に入射する前記レーザ光以外の光、を遮光する遮光手段を有することが好ましい。

前記マークは、前記板状部材の表面に反射特性の塗料を特定の形状に塗布したもの、前記板状部材の表面に前記特定の形状を表す凸状部を設けたもの、前記板状部材の表面にランダムな凹凸を設けたもののいずれかであることが好ましい。

本発明によれば、比較的広い範囲に渡って、路面の表面形状を、簡単かつ短時間で測定することができる。

本発明の路面形状測定方法および路面形状測定装置について、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、以下に詳細に説明する。図１は、本発明の路面形状測定装置の一例である路面形状測定装置１０（以降、単に装置１０という）について説明する概略斜視図である。図１は、装置１０を用いて、路面１２の特定領域１１全体を表す３次元形状データを取得する場合について示している。図２は、図１に示すＳ−Ｓ’線に沿って、路面１２、および路面１２に載置された板状部材２０を切断した際の、路面１２および板状部材２０の断面図である。装置１０は、路面１２を含む所定の測定対象範囲の３次元形状を、測定対象範囲Ａ，Ｂ、Ｃ、Ｄと順次測定し、測定によって得られた各測定対象範囲の３次元形状データそれぞれを座標変換することで、各測定対象範囲Ａ，Ｂ、Ｃ、Ｄの３次元形状データを合成して、路面１２の特定領域１１全体を含む３次元形状データを導出する。

装置１０は、表面形状を測定する対象である特定領域１１全体を囲むように路面１２に載置される枠状の板状部材２０と、所定の測定可能範囲１８にある物体の３次元形状を測定することができる３次元形状測定手段３０（以降、３次元スキャナ３０とする）と、３次元スキャナ３０の位置および方向の少なくともいずれか一方を調整することで、３次元スキャナの測定可能範囲１８の位置を調整して、３次元スキャナによって３次元形状を測定する測定対象範囲の位置および形状を調整することができる測定対象範囲調整手段４２（調整手段４２）と、３次元スキャナ３０および調整手段４２の動作を制御し、かつ、３次元スキャナ３０が取得した各測定対象範囲Ａ〜Ｄそれぞれの３次元形状データを受け取り、各測定対象範囲Ａ〜Ｄの３次元形状データを統合して、路面１２の特定領域１１全体を含む、１つの３次元形状データを生成するコンピュータ５０と、を有する。

３次元スキャナ３０は、３次元スキャナ３０の設置位置や方向（姿勢）に応じて定まる、限られた測定可能範囲に位置する物体の３次元形状を測定するものである。装置１０は、後述する調整手段４２によって、３次元スキャナ３０の位置および方向（姿勢）を調整することができる構成となっている。３次元スキャナ３０は、調整手段４２によって位置および方向（姿勢）が調整されることで、測定対象範囲が調整される。これにより、路面１２のうち、測定可能範囲に対応する測定対象範囲Ａ〜Ｄそれぞれの３次元形状を測定する。

調整手段４２は、３次元スキャナ３０の位置および姿勢を調整する。本実施形態では、調整手段４２は、図１に示す矢印Ｘ方向（図１における左右方向）に３次元スキャナ３０を移動させることができ、また、図１に示す矢印θ方向に３次元スキャナ３０の角度（姿勢）を変化させることができる構成となっている。調整手段４２としては、例えば、ステッピングモータとボールネジを用いて構成される公知の移動手段を用いればよく、手段の詳細については特に限定されない。なお、図１に示す実施形態では、図１に示す矢印Ｘ方向（図１における左右方向）に、３次元スキャナ３０を移動することができる構成となっているが、本実施形態の調整手段４２では、３次元スキャナ３０の３次元位置および姿勢の調整範囲は特に限定されない。例えば、公知のクレーンカメラなどを用いて、３次元スキャナ３０の３次元位置および姿勢を任意に調整してもよい。また、測定を行なうオペレータ自身が、３次元スキャナ３０の位置や角度（姿勢）を動かすことで、３次元スキャナ３０による測定可能領域１８の位置を調整して、測定対象範囲を設定してもよい。

調整手段４２は、後述するコンピュータ５０の調整動作制御信号出力部６０（以降、調整動作制御部６０とする）（図６参照）と接続されており、この調整動作制御部６０から出力される制御信号に応じて、３次元スキャナ３０の位置および姿勢を制御する。本実施形態の装置１０は、調整動作制御部６０から出力された制御信号に応じて３次元スキャナ３０の位置および姿勢を制御して、３次元スキャナ３０の測定可能範囲１８に対応する、測定対象範囲Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄそれぞれの３次元形状を順次測定する。

図１および図２に示すように、測定対象範囲Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、各部分の端部同士が重なっており、隣り合った測定対象範囲と一部が重複している。すなわち、各測定対象範囲Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれに含まれる、板状部材２０の表面の一部および路面１２の一部は、隣り合った測定対象範囲と一部が重複している。各測定対象範囲Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの３次元形状データは、このような重複領域の３次元形状データをそれぞれ含んでいる。なお、図１においては図示していないが、装置１０は、各部分路面Ａ〜Ｄの表面および３次元スキャナ３０の後述する光学系３６に、３次元スキャナから出射される後述のレーザ光以外の光が入射することを防ぐための、遮光手段１６（図４参照）を有している。

図３は、３次元スキャナ３０の構成を説明する図である。３次元スキャナ３０は、ＣＰＵ３１、ドライバー回路３２、レーザダイオード３３、ガルバノミラー３４、光学系３５，３６、ＣＣＤ素子３７、ＡＤ変換器３８、ＦＩＦＯ３９，信号処理プロセッサ４０、及びフレームメモリ４１を有する。

３次元スキャナ３０では、コンピュータ５０の計測動作制御信号出力部７０（以降、計測動作制御部７０とする）（図６参照）から出力される測定開始指示に応じて、ＣＰＵ３１が測定開始のトリガー信号を生成し、図示されないクロックジェネレータを起動してクロック信号を生成する。このクロック信号はＣＣＤ素子３７、ＡＤ変換器３８、ＦＩＦＯ３９、信号処理プロセッサ４０に供給される。一方、トリガー信号の生成により、ドライバー回路３２はレーザ光照射の信号を生成し、レーザダイオード３３に供給する。レーザダイオード３３は、これによりレーザ光を照射し、レーザ光をスリット光とし、このレーザ光の照射の信号に合わせて駆動を開始したガルバノミラー３４を振らして、光学系３５を介して照射されるスリット状のレーザ光を路面１２および板状部材２０上でスキャンさせる。

一方、光学系３６を介して集束したレーザ光の反射光をＣＣＤ素子３７にて受光し、生成された画像信号をＡＤ変換器３８によりデジタル信号とし、ＦＩＦＯ３９を介して画像信号を順番に信号処理プロセッサ４０に供給する。信号処理プロセッサ４０は、光切断方法を用いた周知のアルゴリズムを実行する回路が組み込まれており、供給された画像信号から、路面１２および板状部材２０の３次元形状データを生成する部分である。この３次元形状データは、フレームメモリ４１に逐次書き込まれ、必要に応じて呼び出される。画像信号から３次元形状データを生成する処理方法は、周知の光切断法を用いたアルゴリズムである。光切断法は、スリット光を測定対象物に照射し、測定対象物の曲がった帯状の反射光をＣＣＤ素子等のカメラで撮影し、画像における結像位置から３次元形状データを求める方法である。このときの演算は三角測量の原理に基づいて行われる。
生成された路面１２及び板状部材２０の３次元形状データは、コンピュータ５０のデータ取得部８２（図３参照）に供給される。

３次元スキャナ３０は、以上の作用を行うように構成された装置である。このような３次元スキャナ３０としては、例えば光切断方法を用いた非接触３次元デジタイザＶＩＶＩＤ９ｉ（（株）コニカミノルタ社製）が例示される。

なお、スキャナ３０によって各測定対象範囲の３次元形状を測定する場合、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、各測定対象範囲毎に、複数の異なる角度それぞれからスキャン（測定）することが好ましい。図４（ａ）および（ｂ）では、測定対象範囲Ｂについて３次元形状を測定する場合の例を示している。測定対象範囲１２の表面には、大小様々な凹凸が存在しており、３次元スキャナ３０の配置位置によっては、３次元スキャナ３０から照射されるレーザ光が届かない（影になる）部分が生じ、正確な３次元形状データが得られない場合（データが欠落する場合）もある。３次元スキャナ３０によって異なる角度から複数回スキャン（測定）することで、ある角度ではレーザ光が届かなかった部分でも、他の角度からレーザ光を照射することができ、各測定対象範囲の３次元形状データそれぞれを、欠落なく取得することができる。

図５は、路面１２に載置された板状部材２０を拡大して示す上面図である。板状部材２０は、測定対象範囲の３次元形状データを測定する際、路面１２とともに３次元形状が測定される。この板状部材２０の３次元形状データは、各測定対象範囲の３次元形状データを座標変換する際の基準となる。図５に示すように、板状部材２０の表面には、マーク２２が設けられている。マーク２２は、３次元スキャナ３０によって取得された板状部材２０の３次元形状データを、部分毎に特徴づける（部分毎に識別可能とする）ために設けられたものである。ここで、３次元スキャナ３０によって取得された板状部材２０の３次元形状データを部分毎に特徴づけるとは、３次元スキャナ３０によって取得した測定対象範囲Ａ〜Ｄそれぞれに含まれる、板状部分２０に対応する３次元データそれぞれを、各測定対象範囲毎に相違させることをいう。

本実施形態では、図５に示すように、板状部材２０の表面に、１，２，３，４，・・・と、数字を表すマーク２２が一定間隔でそれぞれ設けられている。このマーク２２は、１，２，３，４，・・・と、それぞれ数字の形状に塗料が塗られているものである。このマーク２２の塗料は、３次元スキャナ３０から出射されるレーザ光に対する反射特性が、板状部材２０表面の、マーク２２以外の部分表面２４と異なっている。そのため、３次元スキャナ３０によって板状部材２０の３次元形状データを取得した場合、各マーク２２に対応する部分が、それぞれのマークが表す数字の形状に応じた凸状または凹状となった次元形状データが取得される。なお、本発明において、マーク２２の形状は、数字を表す形状であることに限定されない。また、本発明では、板状部材２０の３次元形状データを部分毎に特徴づけるために、部分表面２４とは異なる反射特性の塗料を、数字など特定の形状に塗ることに限定されない。例えば、板状部材の表面に数字などの特定形状を表す凸状部を実際に設け、各凸状部の形状によって板状部材２０の表面形状を部分毎に特徴づけてもよい。また、板状部材２０の表面にランダムな凹凸を設け、板状部分２０に対応する３次元データそれぞれを、各測定対象範囲毎に異ならせてもよい。

図１および図２に示す本実施形態では、路面１２における特定領域１１は、略四角形状となっている。本発明において、路面１２の特定領域１１の形状は特に限定されない。特定領域１１の形状が略四角形状でない場合であっても、板状部材２０の形状を調整して、特定領域１１の周囲を板状部材２０によって囲めばよい。

図６は、コンピュータ５０の機能について説明する、コンピュータ５０の概略ブロック図である。コンピュータ５０は、調整手段４２の動作を制御するための調整手段動作制御部６０と、３次元スキャナ３０の計測動作を制御するための計測動作制御部７０と、データ処理部８０とを有する。調整手段動作制御部６０、計測動作制御部７０、およびデータ処理部８０は、コンピュータ５０の制御部５２によって動作が制御される。調整手段動作制御部６０、および計測動作制御部７０の機能については、上述したとおりである。

データ処理部８０は、３次元スキャナ３０によって取得された、各測定対象範囲Ａ〜Ｄそれぞれの３次元形状データを受け取り、各測定対象範囲の３次元形状データそれぞれに含まれる板状部材２０の３次元形状データに基づいて、各測定対象範囲の３次元形状データそれぞれについて座標変換をおこなう。そして、各測定対象範囲Ａ〜Ｄの３次元形状データが統合された、特定対象領域１１全体の３次元形状データを導出する。データ処理部８０は、データ取得部８２、板状部材３次元データ抽出部８４、板状部基準座標変換部８６、路面形状基準座標変換部８８、および、形状データ合成・統合部９０（統合部９０）を有する。

データ取得部８２は、３次元スキャナ３０が取得した測定対象範囲Ａ〜Ｄそれぞれの３次元形状データを、３次元スキャナ３０から受け取る。データ取得部８２が受け取った、測定対象範囲Ａ〜Ｄそれぞれの３次元形状データは、コンピュータ５０の図示しない記憶手段に記憶される。板状部材３次元データ抽出部８４は、コンピュータ５０の図示しない記憶手段に記憶された、測定対象範囲Ａ〜Ｄそれぞれの３次元形状データについて、板状部材２０の３次元形状データをそれぞれ抽出する。板状部材２０の３次元形状データは、上述のように、数字を表した形状のマーク２２に対応した凸状部または凹状部を有しており、コンピュータ５０の図示しない記憶手段には、板状部材２０のこのような形状が予め記憶されている。板状部材３次元データ抽出部８４は、コンピュータ５０の記憶手段が予め記憶している、このような板状部材２０の形状データに基づいて、測定対象範囲Ａ〜Ｄそれぞれの３次元形状データの中から、板状部材２０に対応する３次元形状データをそれぞれ抽出することができる。

板状部基準座標変換部８６は、各測定対象範囲の３次元形状データのうちの、板状部材２０に対応する３次元形状データ（板状部３次元形状データ）に基づいて、各測定対象範囲の３次元形状データを座標変換する。具体的には、隣り合った２つの測定対象範囲それぞれの、上記重複領域における板状部３次元形状データが一致するように、隣り合った２つの測定対象範囲のうち一方の測定対象範囲の３次元形状データ全体を座標変換する。

本実施形態では、隣り合っている測定対象範囲Ａと測定対象範囲Ｂとについて、測定対象範囲Ａと測定対象範囲Ｂとの重複領域における、測定対象範囲Ａの板状部３次元形状データと、測定対象範囲Ｂの板状部３次元形状データとが一致するように、測定対象範囲Ｂの３次元形状データ全体を座標変換する。そして、測定対象範囲Ｂの３次元形状データ全体が座標変換された後、座標変換後の測定対象範囲Ｂの板状部３次元形状データと、測定対象範囲Ｃの板状部３次元形状データとが一致するように、測定対象範囲Ｃの３次元形状データ全体を座標変換する。そして、測定対象範囲Ｃの３次元形状データ全体が座標変換された後、座標変換後の測定対象範囲Ｃの板状部３次元形状データと、測定対象範囲Ｄの板状部３次元形状データとが一致するように、測定対象範囲Ｄの３次元形状データ全体を座標変換する。結果として、測定対象範囲Ａの板状部３次元形状データを基準とし、測定対象範囲Ｂ〜測定対象範囲Ｄそれぞれの板状部３次元形状データが一致するように、測定対象範囲Ｂ〜測定対象範囲Ｄそれぞれの３次元形状データが座標変換される。

具体的には、図７に示すように、測定対象範囲Ａの板状部３次元形状データＤ_ａと、測定対象範囲Ｂの板状部３次元形状データＤ_ｂについて、測定対象範囲Ａと測定対象範囲Ｂとの重複領域における３次元形状データが略一致するように、測定対象範囲Ｂの３次元形状データを座標変換する。測定対象範囲Ａと測定対象範囲Ｂとの重複領域には、数字６と７とをそれぞれ表す、マーク２２に対応する３次元形状データが存在している。このマーク２２に対応する３次元形状データが無い場合、板状部３次元形状データＤ_ａと板状部３次元形状データＤ_ｂとは、ともに、単に略平面を表す３次元形状データになる。板状部材２０にマーク２２が設けられていることで、すなわち、板状部３次元形状データＤ_ａおよび板状部３次元形状データＤ_ｂに、マーク２２に対応する３次元形状データがそれぞれ存在していることで、板状部３次元形状データＤ_ａと板状部３次元形状データＤ_ｂとを、簡単に一致させることができる。この点について、測定空間Ｃ、測定空間Ｄについて座標変換する場合についても、同様である。

路面形状基準座標変換部８８は、板状部基準座標変換部８６によって座標変換された後の、路面Ｂ〜路面Ｄそれぞれの３次元形状データを、必要に応じてさらに座標変換する。路面形状基準座標変換部８８による座標変換が実施された後では、各測定空間の上記重複領域に対応する部分では、隣接する２つの測定空間の３次元形状データは基本的に一致している。路面形状基準座標変換部８８では、上記重複領域に対応する部分について、隣接する２つの測定空間の３次元形状データにずれが生じている場合など、隣接する２つの測定空間の３次元形状データが一致するように座標変換を行なう。このような微調整を行なうことで、各測定空間の３次元形状測定における誤差や、座標変換処理における誤差を修正することができ、測定空間１２の特定領域について、より高精度の３次元形状データを得ることができる。

形状データ合成・統合部９０は、路面形状基準座標変換部８８において微調整された後の、各測定空間の座標変換後の３次元形状データを受け取り、これらの３次元形状データを統合して、路面１２の特定領域全体の３次元形状データを作成する。なお、処理部８０は、図４に示すように、各測定空間毎に、複数回にわたって３次元形状データを取得した場合、取得した複数の３次元形状データそれぞれについて、上記の各処理を実施して、すなわち、複数の３次元形状データそれぞれを座標変換して、路面１２の特定領域全体の３次元形状データを作成すればよい。

ディスプレイ５４は、各測定対象範囲の３次元形状データを用いて再現される３次元形状や、統合化された３次元形状データに基づいて再現される路面の３次元形状や、統合化された３次元形状データに基づく、路面１２の各種の断面プロファイル形状を画面表示し、また、写像変換や統合化の処理のための入力画面を表示する部分である。マウス・キーボード６２は、ディスプレイ５４に表示された入力画面や各種３次元形状の表示に対して所望の入力指示を与える入力操作系である。

図８は、本発明の路面形状評価方法のフローチャート図の一例であり、図１に示す装置１０を用いて、路面１２の特定領域１１全体の表面プロファイルを測定する場合の例を示している。まず、路面１２の特定対象領域について、基準板である板状部材２０が路面１２に載置される（ステップＳ１００）。

次に、装置１０の３次元スキャナ３０によって最初に測定する領域、すなわち測定対象範囲を設定する（ステップＳ１０２）。本実施形態では、図１に示す測定対象範囲Ａを設定する。この設定は、例えば、コンピュータ５０に接続されたキーボードやマウスを用いて、オペレータが入力することで行なえばよい。また、例えば、コンピュータ５０に、特定領域の大きさや位置の情報が入力されることで、コンピュータ５０によって自動的に設定されてもよい。

次に、ステップＳ１０２において設定された測定対象範囲について、３次元形状データを取得する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０２では、コンピュータ５０によって、３次元スキャナ３０の位置および姿勢が制御されるとともに、３次元スキャナ３０の計測動作が制御されて、測定対象範囲Ａの３次元形状が測定される。

次に、測定対象である特定領域全体の３次元形状データが取得されたか否かが判定される（ステップＳ１０６）。測定対象である特定領域全体について３次元形状データが取得された場合、取得した各測定対象範囲の３次元形状データが統合される。第１回目の判定では、この判定結果はＮｏとなる。ステップＳ１０６において、判定結果がＮｏである場合、ステップＳ１０２の測定対象範囲の設定が再度実施され、次の測定対象範囲Ｂが設定される。そして、測定対象範囲ＢについてステップＳ１０４の３次元形状データの取得が実施された後、ステップＳ１０６の判定が実施される。以降、特定対象領域全体について、３次元形状データが取得されるまで（図１に示す本実施形態では、測定対象範囲Ｄの３次元形状データが取得されるまで）、ステップＳ１０２〜ステップＳ１０４の処理が繰り返される。

特定対象領域全体について、３次元形状データが取得され、ステップＳ１０６における判定がＹｅｓとなると、取得された各測定対象範囲の３次元形状データの統合が行なわれる（ステップＳ１０８）。

ステップＳ１０８の３次元形状データの統合は、データ処理部８０が、複数の３次元形状データそれぞれに含まれる板状部材２０の３次元形状データに基づき、複数の３次元形状データそれぞれの座標変換をおこなうことで行なわれる。

具体的には、板状部材３次元データ抽出部８４が、コンピュータ５０の図示しない記憶手段に記憶された、測定対象範囲Ａ〜Ｄそれぞれの３次元形状データの中から、板状部材２０の３次元形状データを抽出する。そして、板状部基準座標変換部８６が、各測定対象範囲の３次元形状データのうちの、板状部材２０に対応する３次元形状データに基づいて、各測定対象範囲の３次元形状データを座標変換する。図９は、装置１０を用いて取得された３次元形状データの一例であり、各測定対象範囲の３次元形状データＤ_ａ’、Ｄ_ｂ’、Ｄ_ｃ’を、それぞれの測定対象範囲に含まれる板状部材の３次元形状データに基づいて座標変換した状態を示している。図８では、板状部材２０に囲まれた特定領域を、３つの測定対象範囲に分割して、３次元形状データをそれぞれ取得している。図９を見てもわかるように、数字を表すマークが設けられた板状部材に比べ、路面に対応する部分は大小の凹凸がランダムに存在している。各測定対象範囲における路面の３次元形状データに基づいて、各測定対象範囲毎の重複領域の３次元形状データを、隣り合った各測定対象範囲同士で一致させることは非常に困難であり、仮に可能であったとしても、多大な時間と労力を要する。本発明では、判別が容易なマークが設けられた板状部材の３次元形状を基準として、各測定対象範囲における板状部材の３次元形状データが一致するように、各測定対象範囲の３次元形状データ全体を座標変換するので、各測定対象範囲の３次元形状データを、短時間で、簡単かつ高精度に座標変換することができる。

そして、路面形状基準座標変換部８８が、板状部基準座標変換部によって座標変換された後の、各３次元形状データＤ_ａ〜Ｄ_ｄそれぞれについて、隣接する２つの測定対象範囲の３次元形状データが一致するように、微調整のための座標変換を行なう。そして、形状データ合成・統合部９０が、路面形状基準座標変換部８８において微調整された、各測定対象範囲の３次元形状データを統合し、１つの合成データとする。本発明の路面形状測定方法は、このようにして、路面１２の特定領域全体の３次元形状データを生成する。

図１０は、図９に示す各測定対象範囲の３次元形状データＤ_ａ’、Ｄ_ｂ’、Ｄ_ｃ’が、微調整されて統合化された、測定対象範囲である路面範囲全体の３次元形状データである。本発明の路面形状測定装置および路面形状測定方法で得られた、このような統合化された３次元形状データに基づいて再現される路面の３次元形状や、統合化された３次元形状データに基づく、路面１２の各種の断面プロファイル形状を、モニタ６０に画面表示することで、任意の人物に、路面１２全体の３次元形状を直感的に把握させることができる。

また、コンピュータ５０によって、例えば、このような比較的広い範囲で統合された３次元形状データについて、３次元形状データの座標上に参照平面を作成し、所定の間隔で設定した各測定点との距離を計算して路面粗さ分布を出力することもできる。また、任意の断面を抜き出し路面性状を出力することもできる。図１１は、本発明の路面形状測定装置および路面形状測定方法によって取得された路面の３次元形状データを用い、路面性状を解析した例を示している。図１１(ａ)は、図１に示す３次元形状測定装置によって得られた、路面の３次元形状データに基づいて再現される路面の３次元形状を表す図である。図１１（ｂ）〜（ｌ）は、図１１（ａ）に示される路面の３次元形状を、図１１(ａ）における左右方向に水平な直線に沿って分割した際の断面形状をそれぞれ示しており、図１１(ａ)における上下方向に、５ｍｍ間隔で設定した直線に沿った断面図である。本発明の路面形状測定装置および路面形状測定方法では、３次元形状データが短時間で簡単に取得することができ、図１１に示すような路面性状についての詳細なデータを、簡単かつ高精度に取得することができる。また、図１１（ｂ）〜（ｌ）に示すような３次元形状データについて、空間周波数分析を行い路面粗さスペクトラムを出力することもできる。本発明の路面形状測定装置および路面形状測定方法によれば、３次元形状測定装置固有の測定範囲に限定されず、任意の路面について、比較的広い範囲で統合された、精度の高い３次元形状データを取得することができる。このような比較的広い範囲で統合された、精度の高い３次元形状データを用いて、上記のような各解析を実施することで、路面形状についての多様な情報を、精度良く把握することができる。

なお、本実施形態では、路面１２の特定領域を、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つの測定対象範囲に分けて測定している。逆にいえば、３次元スキャナ３０の測定可能範囲に対応する測定対象範囲の大きさに対し、路面１２の特定領域の大きさを、この測定対象範囲の大きさの略４倍〜５倍に設定している。本発明において、３次元形状を測定する路面における特定領域の大きさや形状は限定されない。

なお、本発明の路面形状測定方法および路面形状測定装置は、上記各実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

本発明の路面形状測定装置の一例の概略斜視図である。図１に示す路面形状測定装置を構成する板状部材，および路面の概略断面図であり、図１に示すＳ−Ｓ’線に沿って切断した状態を示している。図１に示す路面形状測定装置を構成する３次元スキャナの概略構成図である。（ａ）および（ｂ）は、図１に示す路面形状測定装置によって各測定空間の３次元形状を測定する状態について説明する概略側面図である。路面に載置される板状部材を拡大して示す概略上面図である。図１に示す路面形状測定装置を構成するコンピュータの概略ブロック図である。図６に示すコンピュータの処理部において行われる座標変換処理について説明する図であり、板状部３次元データを３次元モデルとして表した図である。本発明の路面形状測定方法の一例のフローチャート図である。図１に示す路面形状測定装置を用いて取得された３次元形状データの一例であり、各測定空間毎の３次元形状データを分割して示している。図９に示す各測定空間毎の３次元形状データを、統合した状態を示している。本発明の路面形状測定装置および路面形状測定方法によって取得された路面の３次元形状データを用い、路面性状を解析した例を示しており、図１１(ａ)は、図１に示す３次元形状測定装置によって得られた、路面の３次元形状データに基づいて再現される路面の３次元形状を表す図である。また、図１１（ｂ）〜（ｌ）は、図１１（ａ）に示される路面の３次元形状を、図１１(ａ）における左右方向に水平な直線に沿って分割した際の断面形状をそれぞれ示している。従来の路面粗さ測定装置について説明する概略側面図である。図１２に示す従来の路面粗さ測定装置を用いて、比較的広い範囲の路面粗さを測定する場合について説明する概略側面図である。

符号の説明

１０路面形状測定装置
１１特定領域
１２路面
１６遮光手段
１８測定可能範囲
２０板状部材
２２マーク
２４部分表面
３０３次元形状測定手段
３１ＣＰＵ
３２ドライバー回路
３３レーザダイオード
３４ガルバノミラー
３５，３６光学系
３７ＣＣＤ素子
３８ＡＤ変換器
３９ＦＩＦＯ
４０信号処理プロセッサ
４１フレームメモリ
４２測定空間調整手段
５０コンピュータ
５２制御部
５４ディスプレイ
６０調整動作制御信号出力部
６２マウス・キーボード
７０計測動作制御部
８０データ処理部
８２データ取得部
８４板状部材３次元データ抽出部
８６板状部基準座標変換部
８８路面形状基準座標変換部
９０形状データ合成・統合部
１０１路面粗さ測定装置
１０２路面
１０３本体フレーム
１０３Ａ支持片
１０４レーザ変位計
１０５移動手段
１０６ガイド軸

Claims

路面の任意領域の３次元形状を、測定可能範囲が定められた測定ユニットを用いて測定する路面の３次元形状測定方法であって、
前記路面の任意領域は、前記測定ユニットの測定可能範囲よりも大きく、
前記路面に、前記路面の任意領域を囲むような板状部材が載置されている状態で、前記測定ユニットの位置または姿勢の少なくともいずれか一方を繰り返し変更することで、前記測定可能範囲に対応する前記路面の測定対象範囲を繰り返し変更し、変更の度に、変更後の前記測定対象範囲の３次元形状の形状データを、１組の形状データとして繰り返し取得するデータ取得ステップと、
前記板状部材には、前記測定ユニットによって３次元形状データが取得された際、この板状部材の３次元形状データを部分毎に特徴づけるマークが設けられており、前記データ取得ステップにおいて取得された複数組の３次元形状データを、各組の形状データそれぞれに含まれる前記板状部材の前記マーク部分の形状データに基づいて統合する統合ステップとを有することを特徴とする路面形状測定方法。
前記データ取得ステップでは、複数組の前記３次元形状データに、前記路面の前記任意領域の同じ部分の形状データ、および前記板状部材の前記マーク部分の形状データが含まれるよう、前記測定ユニットの位置または姿勢の少なくとも一方を繰り返し変更し、
前記データ統合ステップでは、複数組の前記３次元形状データのうち、前記板状部材の前記マーク部分の形状データが同じ位置にくるよう、少なくとも一組の３次元形状データを写像変換するにより、前記路面の前記任意領域全体の３次元形状データを作成することを特徴とする請求項１記載の路面形状測定方法。
前記測定ユニットは、前記測定可能範囲にレーザ光を照射して、前記測定可能範囲にある測定対象物の表面からの前記レーザ光の反射光に基づき、前記測定対象物の３次元形状を測定するレーザ型３次元形状測定ユニットであり、
前記データ取得ステップでは、前記測定可能範囲に対応する前記路面の測定対象範囲に入射する前記レーザ光以外の光、および、前記レーザ型３次元形状測定ユニットの受光面に入射する前記レーザ光以外の光を遮光した状態で、前記３次元形状の形状データを取得することを特徴とする請求項１又は２に記載の路面形状測定方法。
前記マークは、前記板状部材の表面に反射特性の塗料を特定の形状に塗布したもの、前記板状部材の表面に前記特定の形状を表す凸状部を設けたもの、前記板状部材の表面にランダムな凹凸を設けたもののいずれかである請求項１〜３のいずれかに記載の路面形状測定方法。
路面の任意領域の３次元形状を測定する装置であって、
測定可能範囲が定められた３次元形状測定ユニットと、
前記任意領域を囲むように前記路面上に配置される板状部材と、
前記路面に、前記路面の任意領域を囲むように前記板状部材が載置されている状態で、前記３次元形状測定ユニットの位置または姿勢の少なくともいずれか一方を調整することで、前記測定可能範囲に対応する前記路面の測定対象範囲を設定する調整手段と、
前記路面上に、前記任意領域を囲むように前記板状部材が配置された状態で、前記調整手段に前記３次元形状測定ユニットの位置または姿勢の少なくともいずれか一方を繰り返し変更させて、前記路面の測定対象範囲を繰り返し変更させ、変更の度に、前記３次元形状測定ユニットに前記測定対象範囲の３次元形状の形状データを、１組の形状データとして取得させる測定動作制御手段と、
前記板状部材には、前記測定ユニットによって３次元形状データが取得された際、この板状部材の３次元形状データを部分毎に特徴づけるマークが設けられており、取得された複数組の３次元形状データを、各組の形状データそれぞれに含まれる前記板状部材の前記マーク部分の形状データに基づいて統合する統合手段とを有することを特徴とする路面形状測定装置。
前記測定動作制御手段は、複数組の前記３次元形状データに、前記路面の前記任意領域の同じ部分の形状データ、および前記板状部材の前記マーク部分の形状データが含まれるよう、前記３次元形状測定ユニットの位置または姿勢の少なくとも一方を繰り返し変更させて、
前記統合手段は、複数組の前記３次元形状データのうち、前記板状部材の前記マーク部分の形状データが同じ位置にくるよう、少なくとも一組の３次元形状データを写像変換することにより、前記路面の前記任意領域全体の３次元形状データを作成することを特徴とする請求項５記載の路面形状測定装置。
前記３次元形状測定ユニットは、前記測定可能範囲にレーザ光を照射して、前記測定可能範囲にある測定対象物の表面からの前記レーザ光の反射光に基づき、前記測定対象物の３次元形状を測定するレーザ型３次元形状測定ユニットであり、
前記測定可能範囲に入射する前記レーザ光以外の光、および前記レーザ型３次元形状測定装置の受光面に入射する前記レーザ光以外の光、を遮光する遮光手段を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の路面形状測定装置。
前記マークは、前記板状部材の表面に反射特性の塗料を特定の形状に塗布したもの、前記板状部材の表面に前記特定の形状を表す凸状部を設けたもの、前記板状部材の表面にランダムな凹凸を設けたもののいずれかである請求項５〜７のいずれかに記載の路面形状測定装置。