JP4873922B2

JP4873922B2 - 標尺領域検出方法およびその装置

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Publication number: JP4873922B2
Application number: JP2005301657A
Authority: JP
Inventors: 速見木川
Original assignee: 株式会社ソキア・トプコン
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2025-10-17
Also published as: JP2007108118A

Description

本発明は、標尺領域検出方法およびその装置に係り、特に、デジタルレベルなどの測量機において、望遠鏡の視準に伴う物体像を光電変換素子に結像し、結像された物体像のうち標尺上のパターンによるパターン像の位置を標尺領域として検出するに好適な標尺領域検出方法およびその装置に関する。

デジタルレベルは、標尺上に印刷されたバー形状をしたパターン、例えば、バ−コードパターンを読み取り、読み取ったバーコードパターンを基に高さを測定する器械（測定機）として用いられている。バーコードは連続する一定本数のバーの並び方が標尺上で全て異なるように形成されている。このため、バーの並び方を読み取れば、標尺上の位置を一意に特定できる。また、各々のバーには標尺の目盛り情報を割り付けてあるため、視準位置のバーコードから標尺の高さを測定することができる。標尺上のバーコードパターンを読み取るに際しては、望遠鏡の視準に伴う物体像を電気信号に変換する光電変換素子として、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）リニアセンサ（イメージセンサ）が用いられている。この場合、標尺上のバーコードパターンを正確に読み取るために、ＣＣＤリニアセンサとしては、例えば、数千個の画素領域を構成するものが用いられている。そしてＣＣＤリニアセンサによって得られた電気信号を基に高さを測定するに際しては、ＣＣＤリニアセンサの出力による電気信号を画素ごとにデジタルデータに変換し、このデジタルデータから得られたバーコードパターンと推定される部分の像に対して、バーの像幅を算出し、その像幅を基に符号アルファベットに変換する。このようにして得られる受信系列と標尺上のバーコードパターンに対応して登録されている符号系列との比較を行い、一致するＣＣＤリニアセンサ上の領域がバーコード像であると判定する。バーコード像の並びを基にそのバーコードパターンの標尺上の位置を算出する。続いてそのバーコード像のＣＣＤリニアセンサ上における結像位置を算出し、これらの算出値を基に高さを求めることが行われている。

このように、従来のデジタルレベルでは、受信系列と符号系列とのマッチング処理を行った後、マッチングの取れたバーコードパターンを抽出するようにしているため、ＣＣＤリニアセンサ上に結像される物体像のうちどの部分がバーコードパターン像であるかはマッチング処理を行うまで認識することができなかった。

また、標尺とデジタルレベルの間の距離に依存して、ＣＣＤリニアセンサに結像されるバーコード像の大きさが変化する。これに伴い像幅から符号アルファベットに変換するときの判別幅を変化させる必要がある。この処理を実現するためには、標尺とデジタルレベルの距離を推定する必要があり、計算量が多く処理時間が長くなっていた（特許文献１参照）。

特開２００１−１５３６５４号公報（第３頁〜第４頁、図５）

特許文献１では、望遠鏡で標尺を視準したときに、望遠鏡の視野の中心に標尺の像が形成されることを前提に、オートフォーカスに必要な像の使用範囲を決定しているため、望遠鏡の視野の中心に標尺の像が形成されないときにはこれらの方法を採用することはできない。例えば、望遠鏡で標尺を視準しても、標尺の上端あるいは下端のみしか視準できなかったり、標尺が一部物陰に隠れていたり目盛が一部反射光により見えない場合、望遠鏡の視野の中心にバーコードパターン像が形成されないことがある。すなわち、バーコードパターンが印刷された標尺を望遠鏡で視準したときに、望遠鏡の視準に伴う物体像のうちバーコードパターンによるバーコードパターン像が望遠鏡の視野の中心に形成されないことがある。

本発明は、前記従来の課題に鑑みて為されたもので、その目的は、光電変換素子上に結像される物体像のうち標尺上のパターンによるパターン像の位置を標尺領域として迅速に検出することにある。

前記目的を達成するために、請求項１に係る標尺領域検出方法においては、複数のバー形状をしたパターンが等間隔で配列された標尺を視準対象とする望遠鏡の視準に伴う物体像を複数の画素で構成された光電変換素子に取り込んで電気信号に変換し、前記光電変換素子の出力による電気信号を画素ごとにデジタルデータに変換し、前記デジタルデータに対して時間周波数解析を実行し、前記光電変換素子の画素位置における周波数成分の強度を求め、画素配列方向の周波数成分の包絡線を求め、該包絡線のレベルの高さが予め設定されている閾値よりも高い画素が、前記画素配列方向の幅の閾値よりも長く連続する画素範囲を、前記光電変換素子上に結像される物体像のうち標尺領域として前記光電変換素子の画素に対応づけて特定するようにした。

（作用）望遠鏡の視準に伴う物体像が光電変換素子上に結像されると、光電変換素子により物体像がその明暗に応じて（光の強度に応じて）画素ごとに電気信号に変換され、各画素の電気信号はデジタルデータに変換され、このデジタルデータに対して時間周波数解析が実行され、この解析結果を基に光電変換素子上に結像される物体像のうち標尺上のパターンによるパターン像の位置が標尺領域として光電変換素子の画素に対応づけて特定される。このため、光電変換素子の出力による電気信号を基にマッチング処理を行なうことなく、デジタルデータに対する時間周波数解析を行なうだけで、光電変換素子上に結像される物体像のうち標尺上のパターンによるパターン像の位置を標尺領域として光電変換素子の画素に対応づけて特定することができ、標尺領域を迅速に検出することが可能になる。

請求項２に係る標尺領域検出装置においては、複数のバー形状をしたパターンが等間隔で配列された標尺を視準対象とする望遠鏡の視準に伴う物体像を複数の画素上に結像して電気信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子の出力による電気信号を画素ごとにデジタルデータに変換するアナログ・デジタル変換手段と、前記アナログ・デジタル変換手段により得られたデジタルデータに対して時間周波数解析を実行し前記光電変換素子の画素位置における周波数成分の強度を求める時間周波数解析手段と、前記時間周波数解析手段で得た画素配列方向の周波数成分の包絡線を求め、該包絡線のレベルの高さが予め設定されている閾値よりも高い画素が、前記画素配列方向の幅の閾値よりも長く連続する画素範囲を、前記光電変換素子上に結像される物体像のうち標尺領域として前記光電変換素子の画素に対応づけて特定するパターン像特定手段とを備えて構成した。

請求項３では、請求項２に記載の標尺領域検出装置において、前記時間周波数解析手段は、前記光電変換素子の出力による電気信号から得られたデジタルデータに対して解像度を複数段階で変化させたときの前記光電変換素子の画素位置における周波数成分の強度を求め、前記パターン像特定手段は、前記各解像度における標尺領域の候補領域を求めるとともに、該候補領域の平均エネルギーを求め、該平均エネルギーが前記各解像度の中で最大となる解像度の候補領域を、標尺領域として前記光電変換素子の画素に対応づけて特定してなる構成とした。

（作用）光電変換素子の出力による電気信号から得られたデジタルデータに対して解像度を複数段階に変化させて、その信号成分を各解像度における解析結果として光電変換素子の画素に対応づけて抽出すると、解像度に応じて信号成分の大きさが変化し、各解像度における信号成分のうち最大の信号成分を基にパターン像の位置を光電変換素子の画素に対応づけて特定することができる。望遠鏡で標尺を視準したときに、標尺と望遠鏡との距離が遠くなる程、標尺上のパターン（バーコードパターン）は光電変換素子上に縮小されて結像されることになる。このとき、光電変換素子の画素サイズを基準にすると、光電変換素子上に結像されるパターン（バーコードパターン）像の周波数は、標尺と望遠鏡との距離が遠いほど高くなる。逆に、望遠鏡と標尺との距離が近くなる程パターン（バーコードパターン）像が光電変換素子上に拡大されて結像されるので、光電変換素子上に結像されるパターン（バーコードパターン）像の周波数は低くなる。このため、光電変換素子の出力による電気信号から得られた各画素のデジタルデータに対して時間周波数解析を行なうと、標尺が遠距離にあるときには、周波数成分の高い領域の信号成分が大きくなる。逆に、近距離に標尺があるときには、周波数成分の低い領域の信号が大きくなる。このため、各解像度における信号成分のうち最大の信号成分を基にパターン像の位置を画素に対応づけて特定することで、標尺領域を正確に検出することができる。さらに、望遠鏡と標尺間の概略の距離を測定することができる。

請求項４に記載の測量機においては、複数のバー形状をしたパターンが等間隔で配列された標尺を視準対象とする望遠鏡の視準に伴う物体像を複数の画素上に結像して電気信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子の出力による電気信号を画素ごとにデジタルデータに変換するアナログ・デジタル変換手段と、前記アナログ・デジタル変換手段により得られたデジタルデータに対して時間周波数解析を実行し前記光電変換素子の画素位置における周波数成分の強度を求める時間周波数解析手段と、前記時間周波数解析手段で得た画素配列方向の周波数成分の包絡線を求め、該包絡線のレベルの高さが予め設定されている閾値よりも高い画素が、前記画素配列方向の幅の閾値よりも長く連続する画素範囲を、前記光電変換素子上に結像される物体像のうち標尺領域として前記光電変換素子に対応づけて特定するパターン像特定手段と、前記パターン像特定手段によって特定されたパターン像を基に前記標尺に関する測定処理を実行する測定手段とを備えた構成とした。

（作用）望遠鏡の視準に伴う物体像が光電変換素子上に結像されると、光電変換素子により物体像がその明暗に応じて（光の強度に応じて）画素ごとに電気信号に変換され、各画素の電気信号はデジタルデータに変換され、このデジタルデータに対して時間周波数解析が実行され、この解析結果を基に光電変換素子上に結像される物体像のうち標尺上のパターンによるパターン像の位置が標尺領域として光電変換素子の画素に対応づけて特定され、特定されたパターン像を基に標尺に関する測定処理が実行される。このため、デジタルデータに対する時間周波数解析を行なうだけで、光電変換素子に結像される物体像のうち標尺上のパターンによるパターン像の位置を標尺領域として光電変換素子の画素に対応づけて特定することができ、標尺領域を迅速に検出することが可能になるとともに、測定処理に要する時間を短縮することが可能になる。標尺に関する測定処理としては、例えば、特定されたパターン像から得られた標尺上のパターンを基にパターンのピッチを求めて、望遠鏡と標尺との距離を測定したり、特定されたパターン像の像幅から得られた受信系列と標尺に印刷されている符号系列との比較を行い、マッチングが取れたパターンのデータを基に視準高さを測定することができる。

以上の説明から明らかなように、請求項１に係る標尺領域検出方法によれば、標尺領域を迅速に検出することができる。

請求項２に係る標尺領域検出装置によれば、標尺領域を迅速に検出することができる。

請求項３によれば、標尺領域を正確に検出することができると共に概略距離を測定することができる。

請求項４に係る測量機によれば、標尺領域を迅速に検出することができるとともに、測定処理に要する時間を短縮することができる。

次に、本発明の実施の形態を、実施例に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例であるデジタルレベルの光学系と標尺との関係を説明するための概略構成図、図２はデジタルレベルの電気系のブロック構成図である。

これらの図において、デジタルレベルは、標尺１０を視準対象として、標尺１０を視準したときに、その視準高さを測定する測定機であり、望遠鏡１２と、その望遠鏡１２の視準に伴う物体像を電気信号に変換して処理するための処理ユニット１４を備えて構成されている。標尺１０には、白地の表面に黒色のマーク（バー）１６がバーコードとして、複数個標尺１０の上下方向（長手方向）に沿ってバー中心が等間隔になるように印刷されている。各マーク１６の上下方向の幅（バーの幅）は、全て同じ寸法ではなく、複数種類の寸法のマーク１６が所定の順序で標尺１０上に配置されている。すなわち、標尺１０上には、各マーク１６による複数のバー形状をしたパターン（バーコードパターン）が形成されている。

望遠鏡１２は、視準光学系として、対物レンズ１８、合焦レンズ２０、ビームスプリッタ２２、焦点板（図示せず）、接眼レンズ（図示せず）を備えており、対物レンズ１８と接眼レンズとを結ぶ光軸上に合焦レンズ２０、ビームスプリッタ２２、焦点板が一列になって配列されている。望遠鏡１２で標尺１０などの視準対象を視準すると、この視準によって受光された光は、対物レンズ１８、合焦レンズ２０、ビームスプリッタ２２を介して焦点板上に物体像として結像する。このとき、測定者は、接眼レンズを介して物体像を視準することができる。合焦レンズ２０は、焦点板上に結像する物体像の合焦状態、例えば、合焦・非合焦を標尺１０との距離に応じて調整するために設けられている。この合焦レンズ２０は、ラックアンドピニオン機構（図示せず）を介して、例えば、ステッピングモータ（図示せず）に接続されており、ステッピングモータの駆動により、視準光学系の光軸に沿って所定の範囲に亘って移動（往復動）できるようになっている。また焦点板と共役の位置にＣＣＤリニアセンサ（イメージセンサ）２４が配置されている。

ＣＣＤリニアセンサ２４は、標尺領域検出装置を構成する処理ユニット１４の一要素として、望遠鏡１２の近傍に配置されている。このＣＣＤリニアセンサ２４は、ビームスプリッタ２２で分岐された光をその受光面で受光し、受光面上に形成された物体像（焦点板上に結像する物体像に相当する物体像）を、その明暗に応じて（光の強度に応じて）画素ごとに電気信号（映像信号）に変換する光電変換素子（光電変換手段）として構成されている。また、ＣＣＤリニアセンサ２４は、望遠鏡１２で遠距離の標尺１０を視準して、パターン像が縮小して結像したときにも標尺１０のバーコード像を十分検出できる様に、例えば、数千画素の画素領域を形成するように構成されている。ＣＣＤリニアセンサ２４の出力による各画素の電気信号は増幅回路（アンプ）２６で増幅された後、Ａ／Ｄ（アナログ・デジタル）コンバータ２８に入力されるようになっている。Ａ／Ｄコンバータ２８は、クロック信号に同期して、増幅回路２６からのアナログ信号をサンプルホールドするとともに、ホールドされたアナログ信号をデジタルデータ（デジタル信号）に変換し、変換されたデジタルデータをＣＣＤ画素データとしてＣＰＵ（中央処理装置）３０に出力するアナログ・デジタル変換手段として構成されている。

ＣＰＵ３０は、例えば、マイクロコンピュータを用いて構成されており、メモリ３２とデータの授受を行なうとともに、Ａ／Ｄコンバータ２８からのデジタルデータを基に各種の演算を行う演算手段の機能を備えている。また、この演算結果を表示部３４の画面上に表示する表示演算部としての機能を備えている。演算手段の機能にはＡ／Ｄコンバータ２８からのデジタルデータに対して時間周波数解析を実行する時間周波数解析手段としての機能も含まれている。また、ＣＰＵ３０は、時間周波数解析手段の解析結果からＣＣＤリニアセンサ２４上に結像される物体像のうち標尺１０上のパターンによるパターン像の位置を標尺領域として画素（画素領域）に対応づけて特定するパターン像特定手段としての機能を備えて構成されている。さらに、ＣＰＵ３０は、特定されたパターン像を基に標尺に関する測定処理として、例えば、標尺１０を視準したときの視準位置における高さを測定したり、あるいは標尺１０と望遠鏡１２との距離を測定したりする測定手段としての機能を備えて構成されている。

次に、測定の具体的な動作を図３のフローチャートにしたがって説明する。まず、望遠鏡１２で標尺１０を視準すると（ステップＳ１）、この視準に伴う物体像が焦点板上に結像されるとともに、ＣＣＤリニアセンサ２４の受光面上に物体像が形成され、ＣＣＤリニアセンサ２４からは物体像の明暗に応じた（光の強度に応じた）電気信号が画素ごとに出力される。

例えば、標尺１０と望遠鏡１２との距離が７７〔ｍ〕のときの物体像を電気信号に変換すると、図４に示すような信号が出力される。この場合、ＣＣＤリニアセンサ２４は、数千個の画素領域を形成する各素子をＣＣＤ画素番号に対応づけて配置し、画素番号の小さい方に標尺１０の下側の像が結像され、画素番号の大きい方に標尺１０の上側の像が結像されるように配置されている。図４において、ＣＣＤリニアセンサ２４の出力による電気信号のうち信号レベルの大きい信号成分３６がバーコード像の結像に伴う電気信号として示され、信号成分３６よりも画素番号の小さい側には地面からの反射光による信号成分が示されている。また、信号成分３６よりも画素番号の大きい側には標尺１０よりも上部側の背景の像がＣＣＤリニアセンサ２４上に結像されたときの信号成分が示されている。

バーコード像領域３６を拡大すると、図５に示すように、バーコード像は信号レベルに凹凸のある電気信号として出力される。この電気信号の１つの凹部はバー１本の像を電気信号に変換したものに対応している。図５には、１４本分のバー像を電気信号に変換したときの波形が示されている。

ＣＣＤリニアセンサ２４から出力される電気信号は増幅回路２６で増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ２８でデジタルデータに変換される。このデジタルデータは、ＣＣＤ画素データとしてＣＰＵ３０を介してメモリ３２に取込まれる（ステップＳ２）。

ＣＰＵ３０は、Ａ／Ｄコンバータ２８から数千画素分のＣＣＤ画素データをメモリ３２から取込むと、このＣＣＤ画素データに対して時間周波数解析を行う。時間周波数解析として、例えば、離散ウェーブレット解析を実行する。ＣＰＵ３０がＣＣＤ画素データに対してウェーブレット解析を実行すると（ステップＳ３）、図６に示すような解析結果が得られる。

図６は、解像度を複数段階、例えば、解像度をレベル１〜レベル４まで変化させたときの図４に対するウェーブレット解析結果を示している。図６（ａ）は、最も解像度が高いレベル１における解析結果を示しており、図６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれレベル１における解像度を順次１／２ずつ下げたときの解析結果を示している。図６（ａ）〜（ｄ）の各解析結果は、解像度が下がる程（レベルの番号が大きくなるほど）低い周波数（スケール）成分を示している。信号成分３８ａ〜３８ｄは、バーコード像に対応した信号成分である。信号成分３８ａ、３８ｃ、３８ｄの振幅は信号成分３８ｂの振幅と比べて小さくなっていることが分かる。このため、信号成分３８ａ〜３８ｄのうち振幅が最大の信号成分３８ｂを基に標尺１０上のバーコード像の位置を特定することが可能になる。

ただし、本実施例においては、標尺１０上のバーコード像の位置をより正確に特定するために、以下の処理を実行することとしている。ＣＣＤ画素データに対して時間周波数解析を適用すると、標尺１０上のバーコードパターンなどを検出するに際して、解像度に応じてパラメータを変化できる利点がある。

例えば、連続するバーｎ（ｎは正の整数）本以上で復号可能であって、標尺１０上のバーの位置を特定できるものと仮定する。この仮定の下では、連続するバーの配列の長さがｎ本以上という条件を、ＣＣＤ画素データからバーコード像を認識する処理にパラメータとして利用することができる。

バーｎ本分のバーコード像がＣＣＤリニアセンサ２４上に結像される長さは、標尺１０と望遠鏡１２との距離に応じて変化する。標尺１０が近くにあれば、バーｎ本分のバーコード像は、ＣＣＤリニアセンサ２４上に長い画素領域を占めることになる。一方、標尺１０が遠くにあるときには、バーｎ本分のバーコード像は、ＣＣＤリニアセンサ２４上に短い画素領域を占めることになる。この関係を時間周波数解析の解析結果によって得られたデータに適用する。標尺１０が遠くにあるときには、バーｎ本分の像の長さがＣＣＤリニアセンサ上で短くなるため、信号成分が大きい領域がＣＣＤリニアセンサ上で狭い領域であっても、バーコード像である可能性がある。従って、その狭い領域について、バーコード像としての候補から外さずに、詳細に判定処理を施すことができる。一方、信号成分の大きい領域がＣＣＤリニアセンサ上でバーｎ本分の像の数より狭い領域にしかない場合には、その狭い領域はバーコード像でないと判定でき、バーコード像としての候補から素早く除外できる。従って演算時間を短縮できる。

標尺１０が近くにあるときにはバーｎ本分の像の長さがＣＣＤリニアセンサ上で長くなる。このため、信号成分の大きい領域がＣＣＤリニアセンサ上で狭い領域にしかなかった場合はその領域はバーコード像でないと判定でき、バーコード像としての候補から素早く除外できる。従って演算時間を短縮できる。

次に、ＣＣＤ画素データからＣＣＤリニアセンサ２４上のバーコード像の位置を特定するための処理について具体的に説明する（ステップＳ４）。まず、ウェーブレット解析によって得られたデータに対して包絡線を求めるための処理を行なう。例えば、図６（ｂ）に示す信号成分３８ｂに対して包絡線を求める。このとき、包絡線のレベルが予め設定されている閾値よりも高い画素については信号有りとみなし、それ以外の画素については信号無しとみなす処理を行なう。続いて、復号可能なバーの本数ｎの長さに相当する窓を設定し、この窓をＣＣＤ画素上で走査する。このとき窓に含まれる信号有りの長さが閾値以上のときには、窓に含まれる信号有りの領域全体をバーコード像候補領域とする。また、窓をＣＣＤ画素上で走査する処理によって、バーコード像候補領域として判定される領域が連続するときには、バーコード像候補領域は順次その長さが画素上で長くなる。この処理をＣＣＤ画素全体に亘って行うと、ＣＣＤ画素領域は、バーコード像候補領域とそれ以外の領域とに分かれる。測定環境によってはバーコード像候補領域が複数存在するときもある。例えば、標尺１０の一部が遮蔽されたり、背景などの外乱に伴う画素データが誤ってバーコード像候補領域と判定されたりする場合に、バーコード像候補領域が複数となることがある。バーコード像候補領域が複数存在するときには、望遠鏡１２の焦点板に印刷されている十字線の中心に対応する位置をＣＣＤ画素上に予め設定しておき、その位置を含むバーコード像候補領域を真のバーコード像候補領域に採用したり、あるいは、複数のバーコード像候補領域のうち最も長い領域を真のバーコード像候補領域に採用したりすることができる。また、複数の候補領域に優先順位をつけて、その順序で、後に続く処理を試みることもできる。
信号成分３８ｂについてバーコード像候補領域を特定するための処理を終了した後は、他の信号成分３８ａ、３８ｃ、３８ｄに対しても同様な処理を行なうことで、各解像度のデータに対して、バーコード像候補領域を求めることもできる。各解像度に対して得られたバーコード像候補領域についてその平均エネルギーを求め、その最大値を示す解像度データのバーコード像候補領域を真のバーコード像候補領域に採用することもできる。また、各解像度間のバーコード像候補領域の重なりを考慮して、真のバーコード像候補領域を採用することもできる。採用された真のバーコード像候補領域は、標尺１０上のバーコードによるバーコード像がＣＣＤリニアセンサ２４上に結像されたときの標尺領域として、画素領域、具体的には画素番号に対応づけて特定されることになる。

ＣＣＤリニアセンサ２４上のバーコード像の位置が特定されたあとは、バーコード像を精密に検出するために、バー像の幅と位置を求めるための処理を行なう（ステップＳ５）。このとき、バー像の一本ずつの重心を求め、各重心を各バーの位置として求めることも可能であるが、重心を求めることなく、バーの位置を求めることができる。

例えば、まず、バー像３本分のＣＣＤ画像データを示す図７を用い、中央のバー像について、幅と位置を求める方法を説明する。図７の横軸はＣＣＤ画素番号を示し、縦軸はその画素の信号レベルを表わしている。また、プロットはバー像がＣＣＤリニアセンサ上に結像されたときの各画素が示す信号レベルを示している。信号レベルの大きさは各画素の受光量の大きさに比例している。図７に示すように、各バー像に対して各ＣＣＤ画素データの信号レベルの極小値と極大値を求める。次に、極小値と極大値との間（振幅レベル）をｍ等分し、ｍ等分された振幅レベルのうち、例えば、２つの信号レベルをスライスレベルＳ１、Ｓ２に設定する。ここでは、振幅レベルを４分割して、極小値に振幅レベルの３／４と１／４をそれぞれ加算した信号レベルをスライスレベルＳ１とＳ２とした。次に、スライスレベルＳ１、Ｓ２とそのスライスレベルを上下から信号レベルで挟む隣り合う２個の画素データを用いて交点を求める。

具体的な処理としては、スライスレベルを挟む２個の画素のプロットを直線で結び、この直線とスライスレベルの交点を計算する。この交点のＣＣＤ画素位置を２本のスライスレベルＳ１、Ｓ２に対して、その立下りと立上りについて求め、これらを図７に示すように、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４とする。交点ａ１、ａ２、ａ３、ａ４はＣＣＤ画素領域の位置（画素番号）を示しおり、バー像の幅は、（ａ３＋ａ４−ａ１−ａ２）／２として求めることができる。また、バー像の位置は、（ａ１＋ａ２＋ａ３＋ａ４）／４として求めることができる。

バーコード像のバーの幅と位置を求めたあとは、各ＣＣＤ画素上に結像されたバーコード像を符号アルファベット（例えば、２値コードのバーコードであれば、ビット情報の“０”と“１”となる。）に変換してコードマッチングを行なう（ステップＳ６）。

標尺１０上のバーコードを２値コードに変換するに際しては、例えば、バー形状をしたパターンの太いバー（設定値よりも幅の太いバー）をビット情報の“１”に割り当て、幅の細いバー（幅が設定値以下のバー）をビット情報の“０”に割り当てる。バー像の幅を求めたあと、幅判定の閾値と比較し、バー像の幅が閾値を超えたときには、ビット情報として“１”を割り当て、バー像の幅が閾値以下のときにはビット情報として“０”を割り当てる。この処理を、検出された全てのバー像に対して実行すると、ビット列によるデータ系列が生成される。また、標尺１０上に印刷されたバーコードパターンのビット列の並びは予め決まっているため、このビット列の情報をパターンデータとして予めメモリに登録し、登録されたパターンデータに対して、バーコード像から得られたビット列を１ビットずつずらしながら両者を照合することで、一致するビット数をカウントする。そして、一致したカウント数が最も多くなった位置をコードのマッチングがとれた位置と判定する。標尺１０上に印刷されているバーコードパターンの各バー（マーク１６）には、それぞれ目盛が割り付けられているので、コードマッチングにより、コードのマッチングのとれた位置が特定されると、各バーの像と標尺１０上の目盛が１対１で対応することになる。

例えば、図８に示すように、ｉ番目のバー像のＣＣＤ画素上の中心位置をａ_ｉとし、そのバー像の目盛をｈ_ｉとすると、両者が１対１で対応することになる。この場合、検出された全てのバー像に対して、各バー像の中心位置と目盛とを１対１で対応させることができる。

コードマッチングが行なわれたあとは、バーコード像から精密に高さを求める処理として、内挿処理を実行する（ステップＳ７）。バーコード像は標尺１０の距離に応じてＣＣＤ画素上に拡大あるいは縮小して結像されるため、バー像の中心間隔は狭くなったり、広くなったりする。しかし、バー像の中心位置と目盛との関係は、縦軸に画素位置、横軸に目盛を取ると、直線関係、つまり、次の（１）式で示すように、一次関数になる。

式において、αとβはそれぞ傾きと切片を表す定数であり、ａ_ｉはバー像のＣＣＤ画素上の中心位置、ｈ_ｉはバー像に割り付けられた目盛を示す。

ここで、検出されたバー像の本数をＮとして、（１）式の一次関数に当てはめると、（２）式が求められる。

（２）式について、αとβを解くと、次の（３）式が得られる。

（３）式による演算結果が得られたあとは、望遠鏡１２の焦点板の十字線の中心に対応して、ＣＣＤ画素上に予め設定された読み取り位置をＲ、例えば、画素番号で１０００．５などと定める。実際には機械毎に定める（図８参照）。求める視準高さをＨとして、（４）式に従った演算を行うと、高さＨを求めることができる（ステップＳ８）。

本実施例においては、望遠鏡１２で標尺１０を視準したときに、標尺１０上のバーコードパターンによるバーコード像を画素ごとに電気信号に変換するとともに、各画素の電気信号をデジタルＣＣＤ画素データに変換し、デジタルＣＣＤ画素データに対してウェーブレット解析を行い、この解析結果からＣＣＤ画素上のバーコード像の位置を特定するようにしたため、ＣＣＤ画素上のバ−コード像を標尺領域として迅速に特定することができる。この結果、高さを求める測定処理を短縮することが可能になる。また、合焦位置検出機構を用いることなく、標尺１０と望遠鏡１２の間の距離を推定できるので、合焦位置検出機構を用いるものよりもコスト低減を図ることができる。

また、本実施例においては、時間周波数解析として、離散ウェーブレット解析を用いるものについて述べたが、離散ウェーブレット解析の代わりに、短時間フーリエ解析を用いることもできる。

さらに、本実施例においては、ＣＣＤ画素データに対してウェーブレット解析を行い、この解析結果からＣＣＤ画素上のバーコード像の位置を特定するものについて述べたが、ウェーブレット解析の解析結果のうち信号レベルの高いものが得られる解像度の信号レベルを基に合焦レンズ２２の合焦位置を求めることも可能である。

本発明の一実施例を示すデジタルレベルの光学系と標尺との関係を説明するための概略構成図である。デジタルレベルの電気系のブロック構成図である。デジタルレベルの測定処理を説明するためのフローチャートである。望遠鏡と標尺の距離が７７ｍのときのＣＣＤリニアセンサの出力信号を示す波形図である。ＣＣＤリニアセンサの出力信号の一部を拡大したときの波形図である。ＣＣＤ画素データに対して解像度をレベル１〜レベル４まで変化させてウェーブレット解析を行った解析結果を示す波形図である。バー像の幅と位置を検出する方法を説明するための波形図である。バー像の中心位置と標尺上の目盛との関係を説明するための波形図である。

符号の説明

１０標尺
１２望遠鏡
１４処理ユニット
１６マーク（バー）
１８対物レンズ
２０合焦レンズ
２２ビームスプリッタ
２４ＣＣＤリニアセンサ
２８Ａ／Ｄコンバータ
３０ＣＰＵ
３２メモリ
３４表示部

Claims

複数のバー形状をしたパターンが等間隔で配列された標尺を視準対象とする望遠鏡の視準に伴う物体像を複数の画素で構成された光電変換素子に取り込んで電気信号に変換し、前記光電変換素子の出力による電気信号を画素ごとにデジタルデータに変換し、前記デジタルデータに対して時間周波数解析を実行し、前記光電変換素子の画素位置における周波数成分の強度を求め、画素配列方向の周波数成分の包絡線を求め、該包絡線のレベルの高さが予め設定されている閾値よりも高い画素が、前記画素配列方向の幅の閾値よりも長く連続する画素範囲を、前記光電変換素子上に結像される物体像のうち標尺領域として前記光電変換素子の画素に対応づけて特定する標尺領域検出方法。
複数のバー形状をしたパターンが等間隔で配列された標尺を視準対象とする望遠鏡の視準に伴う物体像を複数の画素上に結像して電気信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子の出力による電気信号を画素ごとにデジタルデータに変換するアナログ・デジタル変換手段と、前記アナログ・デジタル変換手段により得られたデジタルデータに対して時間周波数解析を実行し前記光電変換素子の画素位置における周波数成分の強度を求める時間周波数解析手段と、前記時間周波数解析手段で得た画素配列方向の周波数成分の包絡線を求め、該包絡線のレベルの高さが予め設定されている閾値よりも高い画素が、前記画素配列方向の幅の閾値よりも長く連続する画素範囲を、前記光電変換素子上に結像される物体像のうち標尺領域として前記光電変換素子の画素に対応づけて特定するパターン像特定手段とを備えてなる標尺領域検出装置。
請求項２に記載の標尺領域検出装置において、前記時間周波数解析手段は、前記光電変換素子の出力による電気信号から得られたデジタルデータに対して解像度を複数段階で変化させたときの前記光電変換素子の画素位置における周波数成分の強度を求め、前記パターン像特定手段は、前記各解像度における標尺領域の候補領域を求めるとともに、該候補領域の平均エネルギーを求め、該平均エネルギーが前記各解像度の中で最大となる解像度の候補領域を、標尺領域として前記光電変換素子の画素に対応づけて特定してなることを特徴とする標尺領域検出装置。
複数のバー形状をしたパターンが等間隔で配列された標尺を視準対象とする望遠鏡の視準に伴う物体像を複数の画素上に結像して電気信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子の出力による電気信号を画素ごとにデジタルデータに変換するアナログ・デジタル変換手段と、前記アナログ・デジタル変換手段により得られたデジタルデータに対して時間周波数解析を実行し前記光電変換素子の画素位置における周波数成分の強度を求める時間周波数解析手段と、前記時間周波数解析手段で得た画素配列方向の周波数成分の包絡線を求め、該包絡線のレベルの高さが予め設定されている閾値よりも高い画素が、前記画素配列方向の幅の閾値よりも長く連続する画素範囲を、前記光電変換素子上に結像される物体像のうち標尺領域として前記光電変換素子に対応づけて特定するパターン像特定手段と、前記パターン像特定手段によって特定されたパターン像を基に前記標尺に関する測定処理を実行する測定手段とを備えてなる測量機。