JP6302618B2 - 建設部材の設置精度の測定システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、柱等の建設部材の設置精度を測定するシステム及び方法に関する。

柱の設置精度を測定するシステムとして、三次元測量器（トータルステーション）を用いて、柱に設けた同じ高さで柱芯に対する位置関係が既知の２点のターゲットの座標を測定して、その座標から柱芯の座標、柱の設計上の設置状態を基準とするねじれ角を求めるシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４６０４６８１号公報

三次元測量器は高価であり、また、三次元測量器によるターゲットの座標の測定は、専門の技術者でなければ実施することが難しい作業である。さらに、三次元測量器によるターゲットの座標の測定では、同時に２点以上のターゲットの座標を測定することができないことから測定に要する時間や手間が長大になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、柱等の建設部材の設置精度を安価なシステムにより容易かつ迅速に測定できるようにすることを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る建設部材の設置精度の測定システムは、既知の所定位置に配された基準マーカー、及び、所定位置に設置される建設部材の所定地点に、前記建設部材に対する向きが既知の状態で、予め設けられた所定形状のマーカーと、前記基準マーカー及び前記マーカーを撮影するステレオカメラと、前記ステレオカメラで撮影された画像から前記基準マーカー及び前記マーカーを抽出するマーカー抽出部と、前記マーカー抽出部で抽出された基準マーカーから前記ステレオカメラの設置位置及び設置角度を算出し、前記マーカー抽出部で抽出された前記マーカーの位置を求め、その前記マーカーの位置に基づいて前記建設部材の設計上の設置位置に対する誤差を求め、前記マーカー抽出部で抽出された前記マーカーの形状と前記所定形状との差を求め、その形状の差に基づいて前記建設部材の設計上の設置状態を基準とする倒れ角及びねじれ角の少なくとも一方を求める設置精度演算部とを備える。

前記建設部材の設置精度の測定システムにおいて、前記マーカーは、所定の縦径と所定の横径とに設定された図形であってもよく、前記設置精度演算部は、前記マーカー抽出部で抽出された前記マーカーの縦径と前記所定の縦径との比に基づいて前記建設部材の前記倒れ角を求め、前記マーカー抽出部で抽出された前記マーカーの横径と前記所定の横径との比に基づいて前記建設部材の前記ねじれ角を求めてもよい。

また、前記建設部材の設置精度の測定システムにおいて、前記マーカーの上下左右に同一寸法の点が記されてもよく、前記設置精度演算部は、上下の前記点の大小関係に基づいて前記建設部材の倒れの方向を判断し、左右の前記点の大小関係に基づいて前記建設部材のねじれの方向を判断してもよい。

また、前記建設部材の設置精度の測定システムにおいて、前記設置精度演算部は、前記マーカー抽出部で抽出された前記マーカーの中心点周りの回転角を求め、その回転角に基づいて前記建設部材の前記倒れ角を求めてもよい。

また、本発明に係る建設部材の設置精度の測定方法は、既知の所定位置に基準マーカーを予め配し、所定位置に設置する建設部材の所定地点に、前記建設部材に対する向きが既知の状態で、所定形状のマーカーを予め設ける工程と、前記既知の所定位置に配された前記基準マーカー及び前記所定位置に設置された前記建設部材の前記マーカーをステレオカメラで撮影する工程と、前記ステレオカメラで撮影した画像から前記基準マーカー及び前記マーカーを抽出する工程と、前記マーカー抽出部で抽出された基準マーカーから前記ステレオカメラの設置位置及び設置角度を算出し、抽出した前記マーカーの位置を求め、その前記マーカーの位置に基づいて前記建設部材の設計上の設置位置に対する誤差を求め、抽出した前記マーカーの形状と前記所定形状との差を求め、その形状の差に基づいて前記建設部材の設計上の設置状態に対する倒れ角及びねじれ角の少なくも一方を求める工程とを備える。

本発明によれば、柱等の建設部材の設置精度を安価なシステムにより容易かつ迅速に測定することができる。

一実施形態に係る柱の設置精度の測定システムを示す図である。 マーカーと基準マーカーとを示す図である。 ステレオカメラによるステレオ画像認識の原理を説明するための図である。である。 ＰＣのハードウェア構成を示す図である。 柱の設置精度を測定する手順を示すフローチャートである。 （Ａ）、（Ｂ）は、基準マーカーの撮影画像を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、マーカーの撮影画像を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る柱１の設置精度の測定システム１０を示す図である。この図に示すように、測定システム１０は、柱１の頭部に取り付けられたマーカーボード２と、現場の所定位置に配された基準マーカーボード２Ａ、２Ｂと、マーカーボード２及び基準マーカーボード２Ａ、２Ｂを撮影するステレオカメラ１２と、ステレオカメラ１２によって撮影された画像に基づいて柱１の設置精度を求める処理を実行するＰＣ２０とを備えている。

図２に示すように、マーカーボード２及び基準マーカーボード２Ａ、２Ｂは、黒色のマーカーＭ又は基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂと複数の黒点Ｒとが記された白色の板である。マーカーボード２のマーカーＭは長径Ｒ_ｍ１、短径Ｒ_ｍ２の横長の楕円であり、基準マーカーボード２Ａ、２Ｂの基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂは、長径Ｒ_１、短径Ｒ_２の横長の楕円である。また、複数の黒点Ｒは、同一径の丸であり、マーカーＭ，基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの長軸方向の両側及び短軸方向の両側に、夫々長軸の延長線上、短軸の延長線上に配されている。

ここで、マーカーＭの中心点と柱１の所定地点（本実施形態では、柱芯の上端）との相対的な位置関係、及び、マーカーボード２の被撮像面と柱１の所定箇所（本実施形態では、ステレオカメラ１２側を向いた側面）との向きの関係は、予め決められている。即ち、マーカーＭと柱１の所定地点との位置関係、及び、マーカーＭと柱１の所定箇所と向きの関係は既知である。

図３は、ステレオカメラ１２によるステレオ画像認識の原理を説明するための図である。この図に示すように、ステレオカメラ１２によるステレオ画像認識は、平行等位に設置された２台のカメラ１２Ｌ、１２Ｒで対象点Ｐを同時に撮影し、各カメラ１２Ｌ、１２Ｒで得られた画像上での対象点Ｐの位置（ｘｌ，ｙｌ）、（ｘｒ，ｙｒ）の違い（視差ｄ）から、その対象点Ｐの３次元の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を認識する技術である。なお、平行等位とは、左右のカメラ１２Ｌ、１２Ｒの光軸を平行にして撮像面を一致させ、更に撮像面の横軸（Ｘ軸）も一致させた配置である。

図３に示すように、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を左のカメラ１２Ｌの焦点を原点とした実際の空間の座標系、（ｘｌ，ｙｌ）、（ｘｒ，ｙｒ）をそれぞれ左のカメラ１２Ｌ、右のカメラ１２Ｒの撮像面上で夫々の光軸との交点を原点とした座標系とし、Ｘ軸，ｘｌ軸，ｘｒ軸を全て左のカメラ１２Ｌの焦点から右のカメラ１２Ｒの焦点に向う方向に一致させた場合、実際の空間の対象点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、下記（１）式で表される。

図４は、ＰＣ２０のハードウェア構成を示す図である。この図に示すように、ＰＣ２０は、画像取込部２１、画像処理部２２、演算処理部２３、入力部２４、表示部２５、及びこれらを接続するバス２６とを備えている。画像取込部２１は、ビデオキャプチャボード等であり、ステレオカメラ１２で撮影されたステレオ画像のデータおよび３次元点群データを取り込む。画像処理部２２は、画像取込部２１で取り込まれたステレオ画像のデータからマーカーＭ、基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂ及び黒点Ｒを画像処理により抽出する。

また、演算処理部２３は、ＣＰＵや演算処理用のプログラムを格納したメモリ等を備え、画像処理部２２で抽出された基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂのステレオカメラ１２の座標系での３次元点群データからステレオカメラ１２の設置位置や設置角度を算出する。また、演算処理部２３は、画像処理部２２で抽出されたマーカーＭの現場ローカル座標系での３次元点群データから、柱１の設置位置や設置角度（倒れ角、ねじれ角）を算出する。また、演算処理部２３は、画像処理部２２で抽出された黒点Ｒから柱１の倒れやねじれの方向を判定する。また、入力部２４は、キーボードやタッチパネル等であり、オペレータがデータや指示を入力するのに用いられる。さらに、表示部２５は、演算処理部２３による演算結果等を表示するモニタである。

図５は、柱１の設置精度を測定する手順を示すフローチャートである。まず、図１に示すように、ステレオカメラ１２と基準マーカーボード２Ａ、２Ｂとを、柱１を設置する現場に設置する（ステップ１）。ここで、測定システム１０では、柱１を設置する現場の所定地点を原点とする現場ローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）が設定されており、基準マーカーボード２Ａ、２Ｂは、現場ローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）内の既知の所定位置（基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの座標が（ｘ_ｍ１，ｙ_ｍ１，ｚ_ｍ１），（ｘ_ｍ２，ｙ_ｍ２，ｚ_ｍ２）となる位置）に、被撮像面がｙ軸、ｚ軸に対して平行になるように設置する。

次に、画像取込部２１が、ステレオカメラ１２からステレオ画像のデータおよび３次元点群データを取り込む（ステップ２）。そして、上述のステレオカメラ１２の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を、現場ローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に変換する処理を実行する（ステップ３〜５）。本処理は、入力部２４で処理実行の指示が入力されると実行される。

まず、画像処理部２２が、画像取込部２１が取り込んだステレオ画像のデータから基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂ及び黒点Ｒを抽出し、演算処理部２３が、ステレオカメラ１２の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）内での基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの３次元点群データから基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの座標値（楕円の中心点の座標値）を算出する（ステップ３）。次に、演算処理部２３が、ステレオカメラ１２の設置ピッチ角θ_Ｘ，設置ヨー角θ_Ｙ，設置ロール角θ_Ｚを算出する（ステップ４）。本ステップでは、図６（Ａ）に示すように、まず、演算処理部２３において、基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの長軸の水平線に対する傾きθ_Ｚが設置ロール角θ_Ｚとして算出され、図６（Ｂ）に示すように、画像が−θ_Ｚだけ回転されることにより、ステレオカメラ１２のＺ軸周りの傾きが補正される。次に、基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの設置ピッチ角θ_Ｘ，設置ヨー角θ_Ｙが下記（２）式により算出される。

ここで、演算処理部２３は、左右の黒点Ｒの大小関係に基づいてステレオカメラ１２のＹ軸周りの回転方向を判定し、上下の黒点Ｒの大小関係に基づいてステレオカメラ１２のＸ軸周りの回転方向を判定する。例えば、右側の黒点Ｒが左側の黒点Ｒよりも大径である場合には、基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの右側が左側よりもステレオカメラ１２から見て手前側となるため、演算処理部２３は、ステレオカメラ１２がＸＺ平面の＋方向（Ｙ軸を中心とする反時計周り方向）に回転していると判定する。また、上側の黒点Ｒが下側の黒点Ｒよりも大径である場合には、基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの上側が下側よりもステレオカメラ１２から見て手前側となるため、演算処理部２３は、ステレオカメラ１２がＹＺ平面の＋方向（Ｘ軸を中心とする反時計周り方向）に回転していると判定する。

次に、演算処理部２３が、ステップ３、４における算出結果に基づいて、ステレオカメラ１２の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から現場ローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に座標変換を行う（ステップ５）。本ステップでは、演算処理部２３が、ステレオカメラ１２の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）内での基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの座標値を、ステレオカメラ１２の設置ピッチ角θ_Ｘ，設置ヨー角θ_Ｙ，設置ロール角θ_Ｚに基づいて補正し、その補正した座標値と、現場ローカル座標系（ｘ，ｙ,ｚ）内での基準マーカーＭ_Ａ、Ｍ_Ｂの既知の座標（ｘ_ｍ１，ｙ_ｍ１，ｚ_ｍ１），（ｘ_ｍ２，ｙ_ｍ２，ｚ_ｍ２）とから、現場ローカル座標系（ｘ，ｙ,ｚ）内でのステレオカメラ１２の座標系（Ｘ,Ｙ,Ｚ）の原点（０,０,０）の座標値（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ，ｚ_ｃ）を算出する。そして、演算処理部２３は、下記（３）式によりステレオカメラ１２の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から現場ローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に座標変換を行う。

次に、柱１の設計情報を入力部２４で入力する（ステップ６）。ここで、柱１の設計情報としては、柱芯の座標、柱の高さ等である。そして、図１に示すように、柱１の頭部に取り付けたマーカーＭをステレオカメラ１２で撮影して柱１の設置精度を求める処理を実行する（ステップ７〜１０）。本処理は、入力部２４で柱１の設計情報が入力されると実行される。

まず、画像処理部２２が、画像取込部２１が取り込んだステレオ画像のデータからマーカーＭ及び黒点Ｒを抽出し、演算処理部２３が、現場ローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）内でのマーカーＭの３次元点群データからマーカーＭの座標値（楕円の中心点の座標値）を算出する（ステップ７）。次に、演算処理部２３が、設計情報が入力された柱１と抽出されたマーカーＭとを対応付けする処理を実行する（ステップ８）。当該処理は、抽出されたマーカーＭを設計情報が入力された柱１のうちの何れかに割り当てる指示が入力部２４で入力されると当該指示にしたがって実行される。

次に、演算処理部２３が、柱１の上部の芯の座標値（ｘ,ｙ,ｚ）と、柱１の芯の鉛直線を基準とするｘ軸周り及びｙ軸周りの倒れ角θ_ｘ、θ_ｙ及び柱１の芯の周り（ｚ軸周り）のねじれ角θ_ｚを算出する（ステップ９）。本ステップでは、演算処理部２３において、柱１に割り当てられたマーカーＭの座標値が柱１の上部の芯の座標値（ｘ，ｙ，ｚ）とされる。また、図７（Ａ）に示すように、まず、演算処理部２３において、マーカーＭの楕円の長軸の水平線に対する傾き角θ_ｍｘから下記（４）式により柱１のｘ軸周りの倒れ角θ_ｘが算出され、図７（Ｂ）に示すように、画像が−θ_ｘだけ回転された後、柱１のｙ軸周りの倒れ角θ_ｙ及び柱芯周りのねじれ角θ_ｚが下記（５）式により算出される。

ここで、演算処理部２３は、左右の黒点Ｒの大小関係に基づいて柱１の芯の周りのねじれの方向を判定し、上下の黒点Ｒの大小関係に基づいて柱１のｙ軸周りの倒れの方向を判定する。例えば、右側の黒点Ｒが左側の黒点Ｒよりも大径である場合には、マーカーＭの右側が左側よりもステレオカメラ１２から見て手前側となるため、演算処理部２３は、柱１がｘｙ平面の−方向（柱芯を中心とする時計回り方向）にねじれていると判定する。また、上側の黒点Ｒが下側の黒点Ｒよりも大径である場合には、マーカーＭの上側が下側よりもステレオカメラ１２から見て手前側となるため、演算処理部２３は、ステレオカメラ１２がｘｚ平面の−方向（ｙ軸を中心とする時計周り方向）に倒れていると判定する。

次に、演算処理部２３は、柱１の上部の芯の座標値（ｘ,ｙ,ｚ）と設計値との誤差値を算出し（ステップ１０）、その算出値と、柱１の倒れ角θ_ｘ、θ_ｙ及びねじれ角θ_ｚの算出値とが管理値内であるか否かを判定する（ステップ１１）。柱１の上部の芯の位置の誤差値、倒れ角θ_ｘ、θ_ｙ及びねじれ角θ_ｚが管理値外である場合には、柱１の設置位置や鉛直度や芯周りの回転位置の調整が実施され（ステップ１２）、その後、上述のステップ７〜１１が繰り返し実施される。

以上説明したように、本実施形態に係る柱１の設置精度の測定システム１０では、柱１の所定地点に所定の向きで設けられた所定形状（本実施形態では横長の楕円）のマーカーＭがステレオカメラ１２で撮影され、ＰＣ２０の画像処理部２２が、撮影画像からマーカーＭを抽出する。そして、当該測定システム１０では、演算処理部２３が、抽出されたマーカーＭの位置を求め、そのマーカーＭの位置に基づいて柱１の設計上の設置位置に対する誤差を求めると共に、抽出されたマーカーＭの形状とマーカーＭの実際の形状との差を求め、その差から柱１の設計上の設置状態を基準とする倒れ角θ_ｘ、θ_ｙ及びねじれ角θ_ｚを求める。

ここで、ステレオカメラ１２はトータルステーションに比して安価であり、専門の技術者でなくとも容易に使用できる。特に、本実施形態に係る測定システム１０では、ステレオカメラ１２の設置位置及び設置角度に応じて座標変換や座標値の補正が実施されるため、ステレオカメラ１２の設置精度は要求されず、ステレオカメラ１２の設置も容易である。また、ステレオカメラ１２によれば、同時に２点以上のマーカーＭの位置や形状を測定することができるため、複数の柱１や他の建設部材の設置精度を同時に測定することができ、測定に要する時間や手間を省くことができる。即ち、本実施形態に係る測定システム１０によれば、柱１等の建設部材の設置精度を安価なシステムにより容易かつ迅速に測定することができる。

また、本実施形態に係る測定システム１０では、ステレオカメラ１２で撮影するマーカーＭが所定の横径Ｒ_ｍ１ 、所定の縦径Ｒ_ｍ２の図形（本実施形態では横長の楕円）であり、演算処理部２３が、撮影画像から抽出されたマーカーＭの縦径Ｒ_ｍ２´と実際の縦径Ｒ_ｍ２との比に基づいて柱１のｙ軸周りの倒れ角θ_ｙを求め、撮影画像から抽出されたマーカーＭの横径Ｒ_ｍ１´と実際の縦径Ｒ_ｍ１との比に基づいて柱１のねじれ角θ_ｚを求める。また、演算処理部２３が、マーカーＭのｘ軸周りの傾き角θ_ｍｚに基づいて柱１のｘ軸周りの倒れ角θ_ｘを求める。さらに、マーカーＭの上下左右には同一寸法の黒点Ｒが設けられており、演算処理部２３が、上下の黒点Ｒの大小関係により柱１のｙ軸周りの倒れ方向を判断し、左右の黒点Ｒの大小関係により柱１の芯の周りのねじれ方向を判断する。以上により、柱１の倒れ角θ_ｘ、θ_ｙ及びねじれ角θ_ｚならびに倒れ方向及びねじれ方向を精度よく測定することができる。

なお、上述の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、上述の実施形態では、建設部材としての柱１の設置精度を測定したが、設置精度を測定する建設部材としては梁や壁材等の他の建設構造材やガラス等の非構造材等も挙げられる。また、上述の実施形態では、倒れ角とねじれ角との双方を測定したが、何れか一方のみを測定するだけにしてもよい。また、上述の実施形態では、複数の柱１の設置精度を同時に測定する例を挙げて本発明を説明したが、柱１の設置精度を一本ずつ測定してもよい。

さらに、上述の実施形態では、マーカーＭを柱１の上部にのみ設けて柱１の芯の上部の誤差値のみを求めたが、マーカーＭを柱の上部及び下部に設けて柱１の芯の上下の誤差値を求めるようにしてもよい。

１ 柱（建設部材）、２ マーカーボード、２Ａ、２Ｂ 基準マーカーボード、１０ 測定システム、１２ ステレオカメラ、１２Ｌ、１２Ｒ カメラ、２０ ＰＣ、２１ 画像取込部、２２ 画像処理部（マーカー抽出部）、２３ 演算処理部（設置精度演算部）、２４ 入力部、２５ 表示部、２６ バス、Ｍ マーカー、Ｍ_Ａ、Ｍ_Ｂ 基準マーカー、Ｒ 黒点（点）

Claims (5)

1. 既知の所定位置に配された基準マーカー、及び、所定位置に設置される建設部材の所定地点に、前記建設部材に対する向きが既知の状態で、予め設けられた所定形状のマーカーと、
   前記基準マーカー及び前記マーカーを撮影するステレオカメラと、
   前記ステレオカメラで撮影された画像から前記基準マーカー及び前記マーカーを抽出するマーカー抽出部と、
   前記マーカー抽出部で抽出された基準マーカーから前記ステレオカメラの設置位置及び設置角度を算出し、前記マーカー抽出部で抽出された前記マーカーの位置を求め、その前記マーカーの位置に基づいて前記建設部材の設計上の設置位置に対する誤差を求め、前記マーカー抽出部で抽出された前記マーカーの形状と前記所定形状との差を求め、その形状の差に基づいて前記建設部材の設計上の設置状態を基準とする倒れ角及びねじれ角の少なくとも一方を求める設置精度演算部と
   を備える建設部材の設置精度の測定システム。
2. 前記マーカーは、所定の縦径と所定の横径とに設定された図形であり、
   前記設置精度演算部は、前記マーカー抽出部で抽出された前記マーカーの縦径と前記所定の縦径との比に基づいて前記建設部材の前記倒れ角を求め、前記マーカー抽出部で抽出された前記マーカーの横径と前記所定の横径との比に基づいて前記建設部材の前記ねじれ角を求める請求項１に記載の建設部材の設置精度の測定システム。
3. 前記マーカーの上下左右に同一寸法の点が記されており、
   前記設置精度演算部は、上下の前記点の大小関係に基づいて前記建設部材の倒れの方向を判断し、左右の前記点の大小関係に基づいて前記建設部材のねじれの方向を判断する請求項２に記載の建設部材の設置精度の測定システム。
4. 前記設置精度演算部は、前記マーカー抽出部で抽出された前記マーカーの中心点周りの回転角を求め、その回転角に基づいて前記建設部材の前記倒れ角を求める請求項２又は請求項３に記載の建設部材の設置精度の測定システム。
5. 既知の所定位置に基準マーカーを予め配し、所定位置に設置する建設部材の所定地点に、前記建設部材に対する向きが既知の状態で、所定形状のマーカーを予め設ける工程と、
   前記既知の所定位置に配された前記基準マーカー及び前記所定位置に設置された前記建設部材の前記マーカーをステレオカメラで撮影する工程と、
   前記ステレオカメラで撮影した画像から前記基準マーカー及び前記マーカーを抽出する工程と、
   前記マーカー抽出部で抽出された基準マーカーから前記ステレオカメラの設置位置及び設置角度を算出し、抽出した前記マーカーの位置を求め、その前記マーカーの位置に基づいて前記建設部材の設計上の設置位置に対する誤差を求め、抽出した前記マーカーの形状と前記所定形状との差を求め、その形状の差に基づいて前記建設部材の設計上の設置状態に対する倒れ角及びねじれ角の少なくも一方を求める工程と
   を備える建設部材の設置精度の測定方法。

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