JP5332351B2

JP5332351B2 - 三次元計測用基準器及び三次元計測方法

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Publication number: JP5332351B2
Application number: JP2008174800A
Authority: JP
Inventors: 治孝井本; 清文藤村; 忠幸田邉
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: JP2010014546A

Description

本発明は、計測対象物の立体形状を計測する三次元計測に用いられ、計測対象物に設けられた被計測点の位置基準となる基準点が複数設けられた三次元計測用基準器及び三次元計測方法に関するものである。

周知のように、橋梁等の大型建造物を建造する工法として、ブロック工法が知られている。このブロック工法は、工場で組み立てられたブロック構造体を大型建造物の建造現場に持ち込んで全体を組み上げるものである。このようなブロック工法においては、組み立ての際に、ブロック構造体の両端に位置する接合部の立体的形状を評価するために、写真計測等の三次元計測技術が用いられる。

従来の技術における写真計測は、図４に示すように、基準点１０ｂが設けられた板状部材１０を準備すると共に、各基準点１０ｂ間の距離を予め求めておき、この板状部材１０を用いてブロック構造体Ｂの接合部Ｂ１，Ｂ２の三次元位置を求めていた。具体的には、ブロック構造体Ｂの両端の接合部Ｂ１，Ｂ２に被計測点ｂ１，ｂ２を設けると共に、これら接合部Ｂ１，Ｂ２の間に一定間隔で接続用の被計測点ｂ３を設け、板状部材１０を接合部Ｂ１の近傍に配置する。このような状態で、基準点１０ｂと被計測点ｂ１とが同一の写真に収まるように異なる場所から撮像し、未撮像の被計測点ｂ３が既撮像の被計測点ｂ１又は既撮像の被計測点ｂ３の一部と同一の写真に収まるように順次撮像を繰り返して、最後に既撮像の被計測点ｂ３と未撮像の被計測点ｂ２とを撮像する。

そして、基準点１０ｂと被計測点ｂ１とが収められた複数の写真を画像解析し、基準点１０ｂ間の既知の距離から各写真の撮像距離、撮像方向及び撮像角度を算出すると共に、基準点１０ｂの三次元位置（座標値）を算出し、この基準点１０ｂの三次元位置から被計測点ｂ１の三次元位置を算出する。さらに、被計測点ｂ１と被計測点ｂ３とが収められた複数の写真を画像解析して、撮像距離、撮像方向及び撮像角度を算出し、被計測点ｂ３の三次元位置を算出する。同様にして、算出された被計測点ｂ３の三次元位置から順次未算出の被計測点ｂ３の三次元位置を算出していき、最後に被計測点ｂ２の三次元位置を算出して、接合部Ｂ１，Ｂ２の三次元位置が求められるようになっている（例えば、下記非特許文献１から３）。
秋本圭一、他３名、"ＣＣＤカメラを用いた大型構造物の３次元精密計測"、〔online〕、有限会社画像計測研究所、［平成２０年５月１２日検索］、インターネット<URL：http://www.gazokeisoku.co.jp/industrial_inspection/SICECHIBA98.pdf> 有限会社画像計測研究所、"デジタル写真計測法概要"、［online］、［平成２０年５月１２日検索］、有限会社画像計測研究所、インターネット<http://www.gazokeisoku.co.jp/koza/aboutVM2005.pdf> 青山和矢、"デジタルカメラによる三次元計測手法の開発と応用"、［online］、［平成２０年５月１２日検索］、インターネット<http://www.chikatsu-lab.g.dendai.ac.jp/s_forum/pdf/2003/25_aoyama.pdf>

しかしながら、従来の技術では、ブロック構造体Ｂの接合部Ｂ１，Ｂ２の間に多数の接続用の被計測点ｂ３を配置して、この被計測点ｂ３の一部を重複させるように撮像を繰り返し行わなければならず、また、この撮像に係る写真の数に応じて画像解析を行って被計測点ｂ１，ｂ２の三次元位置を求めなければならないので、多大な時間と労力を要するという問題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、離間した被計測部の三次元位置を簡易かつ短時間に求めることのできる三次元計測用基準器及び三次元計測方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
三次元計測用基準器に係る第一の解決手段として、離間した二以上の被計測部を有する被計測体に対して、前記被計測部の近傍に相対的な位置関係が既知である複数の基準点を配置して、該複数の基準点と前記被計測部の被計測点とを光学的に捕捉し、前記基準点の位置関係に基づいて前記被計測点の三次元位置が求められる三次元計測に用いられ、前記基準点が三以上集合して設けられた二以上の基準部と、前記二以上の基準部の相対的位置を固定かつ連結する連結部と、を備えてなる、という手段を採用する。

三次元計測用基準器に係る第二の解決手段として、上記三次元計測用基準器に係る第一の解決手段において、前記二以上の基準部と前記連結部とが分解可能である。
三次元計測用基準器に係る第三の解決手段として、上記三次元計測用基準器に係る第一又は第二の解決手段において、前記連結部は、棒状部材からなる、という手段を採用する。

三次元計測用基準器に係る第四の解決手段として、上記三次元計測用基準器に係る第一から第三のうちいずれかの解決手段において、前記基準部は、板状部材からなり、該板状部材の平坦面に前記基準点が三以上集合して設けられた、という手段を採用する。
三次元計測用基準器に係る第五の解決手段として、上記三次元計測用基準器に係る第四の解決手段において、前記基準部が一対対向して設けられ、前記一対の基準部のうち、一方の基準部の基準点が他方の基準部の基準点に背向するように設けられる、という手段を採用する。

三次元計測方法に係る第一の解決手段として、離間した二以上の被計測部における被計測点の三次元位置をそれぞれ計測するに際して、予め基準点が三以上集合して設けられた二以上の基準部が連結されてなる基準器を準備すると共に、この基準器の各基準点の位置を第一の計測値として計測しておき、前記各被計測部の近傍に前記基準器の二以上の基準部をそれぞれ配置し、前記各被計測部の近傍に配置された基準部と該被計測部とをそれぞれ第二の計測値として計測し、前記第一の計測結果と前記第二の計測結果とに基づいて前記被計測点の三次元位置を求める、という手段を採用する。

本発明によれば、相対的な位置関係が既知である基準点が設けられた二以上の基準部と、これらを固定かつ連結する連結部とを備えるので、一の被計測部と一の基準部と、他の一の被計測部と他の一の基準部とを光学的に捕捉し、捕捉された各基準部に設けられた基準点の既知の位置関係に基づいて、一の被計測部における被計測点と他の一の被計測部における被計測点の三次元位置を求めることができる。従って、被計測部以外を撮像したり、これに応じて画像解析を行ったりする必要がなく、離間した被計測部の三次元位置を簡易かつ短時間に求めることができる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る三次元計測用基準器１をブロック構造体Ａに載置した状態を示す概略図であり、図２は、三次元計測用基準器１を示す斜視図であり、図３は、図１におけるＰ矢視図（Ｑ矢視図である）。なお、この実施の形態では、図１に示す橋梁に係るブロック構造体Ａの接合部Ａ１，Ａ２の三次元形状を三次元計測用基準器１と共に、カメラＣ及び解析装置Ｅを用いて求めるものである。

図１に示すように、三次元計測用基準器１は、二つの基準部２，３と、これら基準部２，３の相対的位置を固定かつ連結する連結部５とからなっており、各基準部２，３は、それぞれ三つの基準点２ｂ，３ｂを備えている。

図２に示すように、基準部２，３は、板状のものであって、平坦面２ａ，３ａに三つの基準点２ｂ，３ｂが設けられたものであり、平坦面２ａ，３ａにそれぞれ対向する背面２ｅ，３ｅの略中央に凹部を有する取付部２ｃ，３ｃが設けられている。

基準点２ｂ，３ｂは、透明なガラスの細粒（ガラスビーズ）からなり、表面の外周部が黒く着色されると共に裏面に粘着材が塗布された円形のシート２ｄ，３ｄの中央部に密着状態で接着固定されている。すなわち、基準点２ｂ，３ｂは、カメラＣのストロボ光が照射されると、該ストロボ光をガラスの細粒が反射し、撮像画像に基準点２ｂ，３ｂが明るく映し出されるようになっている。

これら基準点２ｂ，３ｂは、基準点２ｂ同士及び基準点３ｂ同士を結んだ仮想線により形成される図形が三角形となるように位置している（図３参照）。

このような基準部２，３は、互いに対向するように、換言すれば、基準部２の基準点２ｂと基準部３の基準点３ｂとが互いに背向するように、取付部２ｃ，３ｃに連結部５が取り付けられることによって固定・連結されている。

連結部５は、棒状の部材であって、取付部２ｃ，３ｃを取り付けるための被取付部５ａ，５ｂが両端に設けられた部材である。この被取付部５ａ，５ｂは、取付部２ｃ，３ｃと共に位置決め機構を構成し、取付部２ｃ，３ｃを取り付けるとこれらが一定の位置に位置決めされるように構成されている。そして、この位置決めされた状態で螺子止めされることにより、基準部２，３の相対的位置が固定されている。

つまり、三次元計測用基準器１は、基準部２，３と連結部５とで分解可能に構成されており、分解された状態から組み立てられると、基準部２，３の相対的位置が常に一定の位置に固定されるようになっている。また、上述した基準点２ｂ，３ｂは、この組み立てられた状態で各基準点２ｂ同士及び各基準点３ｂ同士の位置関係、並びに各基準点２ｂと各基準点３ｂ相互の位置関係が予め把握されており、既知のものとなっている。なお、これら基準点２ｂ，３ｂの位置関係については、接触式の三次元計測器（coordinate measuring machine）を用いて計測したものである。

図１及び図３に示すように、ブロック構造体Ａは、橋梁の一部を構成するものであり、両端部に他のブロック構造体と接合される接合部Ａ１，Ａ２が形成されている。この接合部Ａ１，Ａ２には、基準点２ｂ，３ｂと同様の構成からなる被計測点ａ１，ａ２が設けられている。

図１に示すように、カメラＣは、撮像データ出力部を備えるデジタルスチルカメラであり、ブロック構造体Ａを撮像した後に解析装置Ｅに、このブロック構造体Ａの撮像データを出力するものである。なお、カメラＣは、撮像の際に露出アンダーで撮像されるように設定されている。

解析装置Ｅは、パーソナルコンピュータに画像解析プログラムを搭載したものであり、カメラＣから入力された複数の撮像データを画像解析プログラムによって解析し、基準点２ｂ，３ｂ及び被計測点ａ１，ａ２の三次元位置として三次元座標値を算出するものである。

続いて、上述した三次元計測用基準器１を用いて、ブロック構造体Ａの接合部Ａ１，Ａ２の三次元位置を計測する方法を説明する。
まず、図１に示すように、接合部Ａ１，Ａ２の近傍に基準部２，３がそれぞれ位置するように、ブロック構造体Ａの上面に三次元計測用基準器１を載置する。

次に、接合部Ａ１の被計測点ａ１と基準部２の基準点２ｂとが同一の撮像範囲に収まるように、複数の場所から５枚ずつ撮像する。同様にして、接合部Ａ２の被計測点ａ２と基準部３の基準点３ｂとを撮像する。

次に、解析装置Ｅを用いて、カメラＣから入力された撮像データを解析し、基準部２，３における基準点２ｂ，３ｂの各位置関係に基づいて、各撮像データに係る撮像位置から基準点２ｂ，３ｂまでの撮像距離、撮像方向及び撮像角度を算出する。

次に、各撮像データに係る撮像位置と基準点２ｂまでの撮像距離、撮像方向及び撮像角度に基づいて、基準点２ｂの三次元座標値を算出する。そして、この基準点２ｂの三次元座標値に基づいて、接合部Ａ１の被計測点ａ１の三次元座標値を求める。同様に、各撮像データに係る撮像位置と基準点３ｂまでの撮像距離、撮像方向及び撮像角度に基づいて、基準点３ｂ及び被計測点ａ２の三次元座標値を求める。

次に、基準点２ｂと基準点３ｂとの既知の位置関係により、被計測点ａ１と被計測点ａ２とを接続する。具体的には、基準点２ｂと基準点３ｂとの相対的位置関係に基づいて、基準点３ｂに基づく被計測点ａ２の三次元座標値が、基準点２ｂに基づく三次元座標値となるように補正する。
すなわち、被計測点ａ１の三次元座標値が被計測点ａ２の三次元座標値と等価的なものとなり、接合部Ａ１と接合部Ａ２との三次元位置が求まる。

このように、本実施形態によれば、相対的な位置関係が既知である基準点２ｂ，３ｂが設けられた二つの基準部２，３と、これらを固定かつ連結する連結部５とを備えるので、計測対象となる接合部Ａ１と基準部２と、接合部Ａ２と基準部３とをカメラＣで撮像し、この撮像データにおける基準点２ｂ,３ｂの既知の位置関係に基づいて、接合部Ａ１と接合部Ａ２との三次元位置を求めることができる。従って、接合部Ａ１，Ａ２以外を撮像したり、これに応じて画像解析を行ったりする必要がなく、離間した接合部Ａ１，Ａ２の三次元位置を簡易かつ短時間に求めることができる。

また、二つの基準部２，３及び連結部５は、分解可能であるので、運搬上の労力を低減することができる。
また、基準部２，３は、板状部材からなり、該板状部材の平坦面に基準点２ｂ，３ｂが三以上集合して設けられているので、基準部２，３のそれぞれにおいて、基準点２ｂ，３ｂの位置関係が変動せず、基準点２ｂ，３ｂの位置関係を調整する手間を省くことができる。

また、基準部２，３が対向して設けられて、基準部２の基準点２ｂと基準部３の基準点３ｂとが互いに背向するように設けられているので、ブロック構造体Ａの両端面に形成される接合部Ａ１，Ａ２を好適に計測することができる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施形態では、基準部２，３に基準点２ｂ，３ｂを三つずつ設けたが、これは三次元座標値を算出するために最低限必要な数を設けた過ぎず、基準点２ｂ，３ｂを四つ以上設けてもよい

また、上述した実施の形態では、基準点２ｂ，３ｂ及び被計測点ａ１，ａ２は、透明なガラスの細粒を用いたが、これを白や赤に塗装又は印刷したものを用いてもよく、また、シート２ｄ，３ｄを必ずしも設ける必要はない。

また、上述した実施形態では、橋梁に係るブロック構造体Ａについて説明したが、船舶を始めとする各種ブロック構造体について適用することができ、ブロック構造体以外についても本発明を適用することが可能である。例えば、ボイラー等に用いられる多数の貫通孔を有する管板に本発明を適用し、貫通孔に連結部５を挿入した後に基準部２，３を取り付けて、貫通孔が開口する両端面の三次元形状を計測してもよい。

また、上述した実施形態では、連結部５に棒状部材を用いたが、基準部２，３の相対的な位置を固定できるものであれば、どのような形状のものを用いてもよい。

また、上述した実施形態では、ブロック構造体Ａの両端面における接合部Ａ１，Ａ２の三次元形状について本発明を適用したが、構造体の両端面以外であっても離間した被計測部の三次元位置を計測する場合に本発明を適用することができる。例えば、一面が開放された立方形状の構造体において、外壁部の一面と内床部とについて、折曲した連結部材を用いて外壁部の一面と内床部とのそれぞれの近傍に基準部を位置させることにより、これらの三次元位置を求めることができる。

また、上述した実施形態では、基準部２，３を板状部材で構成したが、例えば、棒状の部材を放射状に固定し、この棒状の部材に基準点２ｂ、３ｂを設けてもよい。

また、上述した実施形態では、基準点２ｂ，３ｂ及び被計測点ａ１，ａ２の光学的な捕捉にカメラＣを用いたが、レーザーを照射して基準点２ｂ，３ｂ及び被計測点ａ１，ａ２からの反射光を捕捉する構成にしてもよい。

また、上述した実施形態では、接合部Ａ１，Ａ２について、五枚ずつ撮像したが、これは精度を向上させるためであり、最低二枚撮像すれば三次元位置を求めることができる。

また、上述した実施形態では、離間した二つの接合部Ａ１，Ａ２を計測対象に合わせて二つの基準部２，３を設ける構成としたが、離間した計測対象が三つ以上ある場合であっても基準部が計測対象の数以上に設けられている場合は、各計測対象について三次元位置を求めることができる。

本発明の実施の形態に係る三次元計測用基準器１をブロック構造体Ａに載置した状態を示す概略図である。本発明の実施の形態に係る三次元計測用基準器１を示す斜視図である。図１におけるＰ矢視図（Ｑ矢視図）である。従来の三次元計測技術を示す概略説明図である。

符号の説明

１…三次元計測用基準器
２，３…基準部
２ａ，３ａ…平坦面
２ｂ，３ｂ…基準点
５…連結部
Ａ１，Ａ２…接合部（被計測部）
ａ１，ａ２…被計測点

Claims

離間した二以上の被計測部を有する被計測体に対して、前記被計測部の近傍に相対的な位置関係が既知である複数の基準点を配置して、該複数の基準点と前記被計測部の被計測点とを光学的に捕捉し、前記基準点の位置関係に基づいて前記被計測点の三次元位置が求められる三次元計測に用いられ、
前記基準点が三以上集合して設けられた二以上の基準部と、前記二以上の基準部の相対的位置を固定かつ連結する連結部と、
を備えてなることを特徴とする三次元計測用基準器。
前記二以上の基準部と前記連結部とが分解可能であることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測用基準器。
前記連結部は、棒状部材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元計測用基準器。
前記基準部は、板状部材からなり、該板状部材の平坦面に前記基準点が三以上集合して設けられることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の三次元計測用基準器。
前記基準部が一対対向して設けられ、
前記一対の基準部のうち、一方の前記基準部の基準点が他方の前記基準部の基準点に背向するように設けられることを特徴とする請求項４に記載の三次元計測用基準器。
離間した二以上の被計測部における被計測点の三次元位置をそれぞれ計測するに際して、予め基準点が三以上集合して設けられた二以上の基準部が連結してなる基準器を準備すると共に、この基準器の各基準点の位置を第一の計測値として計測しておき、前記各被計測部の近傍に前記基準器の二以上の基準部をそれぞれ配置し、前記各被計測部の近傍に配置された基準部と該被計測部とをそれぞれ第二の計測値として計測し、前記第一の計測値と前記第二の計測値とに基づいて前記被計測点の三次元位置を求めることを特徴とする三次元計測方法。