JP6391432B2 - 三次元計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、建築物や土木構造物などの被計測物に対して、ステレオ画像を用いて三次元写真計測を行う三次元計測装置に関し、特に、被計測物までの距離などに応じて最適な三次元写真計測を行うことが可能な三次元計測装置に関する。

従来、固定焦点距離式レンズがそれぞれ使用された２台のカメラが内蔵されたステレオカメラでは、カメラ間隔に対応する基線長も不変であり、製造時にキャリブレーションをしておくだけでよかった。

これに対して、汎用カメラ２台を配置して構成したステレオカメラでは、各カメラで撮影したステレオ画像を用いて被計測物の三次元写真計測を行うには、事前にキャリブレーションが必要である（例えば、特許文献１を参照）。この特許文献１に記載のステレオカメラ２Ｒ、２Ｌを構成するカメラでは、ステレオバー２Ｂに１台又は２台のカメラを取付け、キャリブレーション用チャート１を５方向から撮影することでキャリブレーションを実行する。

一方、撮影時に被計測物までの距離に応じてカメラ間隔・方向を変更することがあり、これに好適なカメラ間隔調節機構も提案されている（例えば、特許文献２の図１を参照）。この特許文献２に記載された撮影装置１０では、第１及び第２カメラ１１，１２は、間隔制御部１７によって制御される間隔調節機構１８に取り付けられている。間隔制御部１７は、操作部１５の操作に応じて、第１及び第２カメラ１１，１２の間隔を増減するように間隔調節機構１８を駆動する。これにより、基線長が変更される。

特開２００３−２４２４８５号公報 特許第４８１３６２８号公報

このようにカメラ間隔・方向が自在な機構の場合、カメラ位置を変更する度にキャリブレーションが必要となるが、現場でのキャリブレーション作業は煩雑である。

また、カメラ間隔・方向が自在な機構の場合、何らかの拍子で（例えば、カメラ設置時の衝撃や障害物との接触、誤操作等により）、意図せずカメラ間隔・方向が変わってしまう可能性があり、その結果、計測精度が低下してしまう。

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、カメラ間隔・方向を可変としつつ、その都度のキャリブレーションが不要でありながら、被計測物の三次元写真計測を高い精度で行うことが可能な三次元計測装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の三次元計測装置は、被計測物を互いに異なる位置から撮像してそれぞれの画像データを出力する複数の撮像部と、前記撮像部の間隔および各撮像方向が予め定められた所定の組み合わせのいずれかとなるように配置する撮像部配置機構と、前記撮像部配置機構によって配置される複数の前記撮像部に想定される間隔と、各撮像方向に想定される角度差との組み合わせに応じた各校正情報を記憶する記憶部と、この記憶部に記憶された各校正情報のうちから、前記撮像部配置機構によって配置された複数の前記撮像部の間隔と各撮像方向との組み合わせに応じて選択された校正情報と、複数の前記撮像部からの各画像データに基づいて前記被計測物の三次元情報を算出する演算部とを備え、前記撮像部配置機構は、前記撮像部の撮像方向を予め定められた所定角度に固定する方向規制板と、前記方向規制板を固定するための複数の取付用部位を有する基台とを備え、前記記憶部は、前記基台に取り付けられる複数の前記撮像部に想定される間隔と、前記方向規制板が規制する所定角度間に想定される角度差との組み合わせに応じた各校正情報を記憶し、前記演算部は、前記記憶部に記憶された各校正情報のうちから、前記基台に取り付けられた複数の前記撮像部の間隔と前記撮像部の前記基台への取り付けを介した前記方向規制板が規制する所定角度間の角度差との組み合わせに応じて選択された校正情報と、複数の前記撮像部からの各画像データに基づいて前記被計測物の三次元情報を算出することを特徴とする。

ここで、撮像部としては２台を用いるのが一般的であるが、必要に応じて３台以上の撮像部を用いてもよい。このような構成の三次元計測装置によれば、各撮像部の間隔および／または撮像方向を予め準備された所定通りの組み合わせから選択することで変更でき、その都度のキャリブレーションを必要としないで被計測物の三次元写真計測を高い精度で行うことが可能となる。

また、本発明の三次元計測装置において、前記撮像部配置機構は、複数の方向規制板を備えるとしてもよい。

ここで、前記方向規制板を前記基台に取り付けられるための具体的構成としては、例えば、前記基台に複数のタップ穴が形成されており、前記撮像部に固定された前記方向規制板に形成された複数のボルト穴に通したボルトによって、前記撮像部が前記基台に固定されているような例が挙げられるが、これに限らない。

また、本発明の三次元計測装置において、前記方向規制板と前記撮像部はネジ止めされており、前記ボルト穴と前記ネジ止めによって前記所定角度が決定されるとしてもよい。

このような構成の三次元計測装置によれば、撮像部の撮像方向の微調整を方向規制板によって行うので、撮像部の本体に撮像方向の微調整を可能とする機構などを設ける必要がなく、既存の撮像部をほぼそのまま利用することができる。

本発明の三次元計測装置によれば、各撮像部の間隔および／または撮像方向を予め準備された所定通りの組み合わせから選択することで変更でき、その都度のキャリブレーションを必要としないで被計測物の三次元写真計測を高い精度で行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係る三次元計測装置１の装置本体１０の概略斜視図である。 装置本体１０のベース１３に前カバー１４および後カバー１５のみを取り付けた状態の概略平面図である。 装置本体１０のベース１３への取り付け用のブラケット１２をカメラ１１のカメラ本体１１ａの裏面にネジ止めした状態を説明する概略底面図である。 図２の状態からさらに２台のカメラ１１をブラケット１２を介してベース１３に取り付けた状態の概略平面図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は、ベース１３上に固定するときのカメラ１１の撮像方向を微調整するためのブラケット１２Ａ〜１２Ｃの概略底面図である。図５（ｄ）〜図５（ｆ）は、図５（ａ）〜図５（ｃ）のブラケット１２Ａ〜１２Ｃをそれぞれカメラ１１のカメラ本体１１ａの裏面にネジ止めした状態での撮像方向を説明する概略底面図である。 図６（ａ）〜（ｄ）は、２台のカメラ１１を装置本体１０のベース１３に固定する際に選択可能な間隔（基線長）として４通りの場合を例示する概略説明図である。 図７（ａ）〜（ｅ）は、２台のカメラ１１を装置本体１０のベース１３に固定する際に用いるブラケットの種類によって選択可能な撮像方向の角度差として５通りの場合を例示する概略説明図である。 図６（ａ）〜（ｄ）に例示された各カメラ１１の間隔と、図７（ａ）〜（ｅ）に例示された各カメラ１１の撮像方向の角度差との組み合わせに応じたキャリブレーションデータを示す概略図である。 三次元計測装置１の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

＜実施形態の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る三次元計測装置１の装置本体１０の概略斜視図である。図２は、装置本体１０のベース１３に前カバー１４および後カバー１５のみを取り付けた状態の概略平面図である。図３は、装置本体１０のベース１３への取り付け用のブラケット１２をカメラ１１のカメラ本体１１ａの裏面にネジ止めした状態を説明する概略底面図である。図４は、図２の状態からさらに２台のカメラ１１をブラケット１２を介してベース１３に取り付けた状態の概略平面図である。

これらの図に示すように、三次元計測装置１の横長箱状の装置本体１０は、横長矩形薄板状のベース１３と、このベース１３の前端に取り付けられる横長矩形状の前カバー１４と、ベース１３の後端に取り付けられる横長矩形状の後カバー１５と、前カバー１４および後カバー１５の両方に被さってベース１３を覆う上カバー１６とを備えている。

３つのカバー１４〜１６はそれぞれ独立しており、上カバー１６は単体で取り外し可能な構造となっている。上カバー１６のみを取り外すことで、装置本体１０の上面側から内部へアクセスが可能で、ブラケットの交換やカメラ調整時の作業が容易な構造である。また、ベース１３の厚みは、カメラの取付精度を確保するため、３〜２０ｍｍ、好ましくは８ｍｍ程度あればよい。ベース１３の厚みを利用して前カバー１４および後カバー１５をベース１３端面に直接ネジ止めすることができ、簡易かつ安価な構造を実現している。なお装置本体１０の寸法は、例えばＷ２６０×Ｄ１４３×Ｈ５９ｍｍとするが、このような寸法に限るわけではない。また、ベース１３の素材はアルミ製が好適であるが、これに限らない。

装置本体１０のベース１３には、図２に示すように、その中央部に横幅ほぼ全体にわたって、ブラケット１２を介してカメラ１１を取り付け可能な５箇所の取付用部位１３ａ〜１３ｅが５０ｍｍピッチで設けられている。カメラ１１を取り付けるための具体的な構成として、図４に示すように、取付用部位１３ａとして左右に計２つのタップ穴１３ａＬ、１３ａＲが形成されている。他の取付用部位１３ｂ〜１３ｅについても同様に、左右に計２つのタップ穴がそれぞれ形成されている。ただし、カメラ１１を取り付けるための構成はこれに限らず、ネジ、ダボなどを用いてもよいが、位置精度およびその再現性が極力高い機構が好ましい。

カメラ１１は、図４に示すように、短い正四角柱状のカメラ本体１１ａと、このカメラ本体１１ａ前面に連結された円柱状のレンズ１１ｂと、カメラ本体１１ａ後面に配置されている出力端子１１ｃとを備えている。図３に示すように、ほぼ正方形のブラケット１２がカメラ本体１１ａ底面に３本のネジで固定されるが、このブラケット１２には左端および右端付近のやや前方寄りにボルト穴１２Ｒ、１２Ｌがそれぞれ形成されている。これらのボルト穴１２Ｒ、１２Ｌにそれぞれボルト１７を通してベース１３の取付用部位１３ａ〜１３ｅのいずれかの各タップ穴にねじ込むことで、図４に示すように、カメラ１１の撮像方向が真正面となるようにベース１３上に固定される。

装置本体１０の前カバー１４には、図１に示すように、その周辺部に一定幅を残して形成された横長矩形状の開口に透明窓１４ａがはめ込まれている。装置本体１０のベース１３上に固定されたカメラ１１は、この透明窓１４ａを通して装置本体１０外部にある被計測物を撮像する。

図５（ａ）〜図５（ｃ）は、ベース１３上に固定するときのカメラ１１の撮像方向を微調整するためのブラケット１２Ａ〜１２Ｃの概略底面図である。図５（ｄ）〜図５（ｆ）は、図５（ａ）〜図５（ｃ）のブラケット１２Ａ〜１２Ｃをそれぞれカメラ１１のカメラ本体１１ａの裏面にネジ止めした状態での撮像方向を説明する概略底面図である。なお、図５（ａ）および図５（ｄ）と図５（ｃ）および図５（ｆ）とでは、説明をわかりやすくするため、実際の角度よりも誇張した図示を行っている。

これらの図に示すブラケット１２Ａ〜１２Ｃは、上述したブラケット１２の変形例である。上述したブラケット１２と同様にカメラ１１の撮像方向が±０度（真正面）となるブラケット１２Ｂでは、図５（ｂ）および図５（ｅ）に示すように、２つのボルト穴１２Ｌ、１２Ｒが左端および右端付近のほぼ中央にそれぞれ形成されている。

一方、ブラケット１２Ａでは、図５（ａ）および図５（ｄ）に示すように、カメラ１１の撮像方向が−２度となるように、左端付近のボルト穴１２Ｌをやや後方寄りに、右端付近のボルト穴１２Ｒをやや前方寄りに設けている。逆に、ブラケット１２Ｃでは、図５（ｃ）および図５（ｆ）に示すように、カメラ１１の撮像方向が＋２度となるように、左端付近のボルト穴１２Ｌをやや前方寄りに、右端付近のボルト穴１２Ｒをやや後方寄りに設けている。

これらのブラケット１２Ａ〜１２Ｃでは、カメラ１１の撮像方向を−２度、±０度、＋２度の３つから選択できるが、選択肢はこれらに限らない。さらに多くの撮像方向を選択・調整できるように予め準備するブラケットの種類を増やしてもよい。また、撮像方向をより細かく選択・調整できるように、ブラケットの種類毎の撮像方向の角度差を小さくしてもよい（例えば、０．５度刻み）。

図６（ａ）〜（ｄ）は、２台のカメラ１１を装置本体１０のベース１３に固定する際に選択可能な間隔（基線長）として４通りの場合を例示する概略説明図である。なお、これらの図では、ベース１３の図示を簡略化している。

図６（ａ）に示すように、ベース１３の取付用部位１３ｄおよび取付用部位１３ｅにそれぞれカメラ１１を取り付けた場合は、２台のカメラ１１の間隔はＤ１（５０ｍｍ）となる。

図６（ｂ）に示すように、ベース１３の取付用部位１３ｃおよび取付用部位１３ｅにそれぞれカメラ１１を取り付けた場合は、２台のカメラ１１の間隔はＤ２（１００ｍｍ）となる。

図６（ｃ）に示すように、ベース１３の取付用部位１３ｂおよび取付用部位１３ｅにそれぞれカメラ１１を取り付けた場合は、２台のカメラ１１の間隔はＤ３（１５０ｍｍ）となる。

図６（ｄ）に示すように、ベース１３の取付用部位１３ａおよび取付用部位１３ｅにそれぞれカメラ１１を取り付けた場合は、２台のカメラ１１の間隔はＤ４（２００ｍｍ）となる。

図７（ａ）〜（ｅ）は、２台のカメラ１１を装置本体１０のベース１３に固定する際に用いるブラケットの種類によって選択可能な撮像方向の角度差として５通りの場合を例示する概略説明図である。なお、これらの図に示すように、右側のカメラ１１はその撮像方向が真正面となるブラケットを用いることとする。また、図７（ｂ）〜図７（ｅ）では、説明をわかりやすくするため、実際の角度よりも誇張した図示を行っている。

図７（ａ）に示すように、左側のカメラ１１にもその撮像方向が真正面となるブラケットを用いた場合は、２台のカメラ１１の撮像方向の差はＲ１（０度）である。

これに対して、図７（ｂ）に示すように、左側のカメラ１１にその撮像方向が真正面より０．５度だけ右側へ向くブラケットを用いた場合には、２台のカメラ１１の撮像方向の差はＲ２（０．５度）となる。

図７（ｃ）に示すように、左側のカメラ１１にその撮像方向が真正面より１．０度だけ右側へ向くブラケットを用いた場合には、２台のカメラ１１の撮像方向の差はＲ３（１．０度）となる。

図７（ｄ）に示すように、左側のカメラ１１にその撮像方向が真正面より１．５度だけ右側へ向くブラケットを用いた場合には、２台のカメラ１１の撮像方向の差はＲ４（１．５度）となる。

図７（ｅ）に示すように、左側のカメラ１１にその撮像方向が真正面より２．０度だけ右側へ向くブラケットを用いた場合には、２台のカメラ１１の撮像方向の差はＲ５（２．０度）となる。

図８は、図６（ａ）〜（ｄ）に例示された各カメラ１１の間隔と、図７（ａ）〜（ｅ）に例示された各カメラ１１の撮像方向の角度差との組み合わせに応じたキャリブレーションデータを示す概略図である。

この図に示すように、各カメラ１１の間隔（距離）としてはＤ１〜Ｄ４の４通りが想定され、各カメラ１１の撮像方向の角度差としてはＲ１〜Ｒ５の５通りが想定される。したがって、これらの組み合わせとして４×５＝２０通りが存在するので、被計測物の三次元写真計測を行うためには、各組み合わせに対応するキャリブレーションデータＣＡＬ１〜ＣＡＬ２０が必要である。

図９は、三次元計測装置１の概略構成を示すブロック図である。

この図に示すように、三次元計測装置１は、装置本体１０の内部に取り付けられる複数台（ここでは２台）のカメラ１１と、入力装置２１および表示装置２２を備えるパソコン２０とから構成されている。

このパソコン２０は、外部入出力接続用のインターフェイス２３と、全体の制御や三次元写真計測処理を含む各種演算を行う制御演算部２５と、各カメラ１１によって撮像された画像データやキャリブレーションデータなどを記憶する記憶部２６と、これらを相互接続するデータバス２４とを備えている。

インターフェイス２３を介して、キーボードやマウスなどの入力装置２１と、ディスプレイなどの表示装置２２とがパソコン２０に接続されている。また、各カメラ１１の出力端子１１ｃに一端が接続されたケーブルの他端がインターフェイス２３に接続され、これにより各カメラ１１によって撮像された画像データがパソコン２０に取り込まれる。

＜三次元計測装置１による三次元写真計測の事前準備＞
製造時の調整または使用開始前の準備作業として、装置本体１０のベース１３に取り付ける際のブラケットの種類の選択によって各カメラ１１の間隔および撮像方向の角度差を順番に変更する。例えば、最初の各カメラ１１の間隔はＤ１とし、撮像方向の角度差はＲ１とすればよい。

そして、例えば特許文献１と同様に、キャリブレーション用チャートの撮像を行い、各カメラ１１から取得された画像データに対する所定の画像処理などによって得られたキャリブレーションデータをその都度、各カメラ１１の間隔および撮像方向の角度差の情報とともに記憶部２６に記憶する。

次に、各カメラ１１の間隔および撮像方向の角度差を変更するため、ブラケットを異なる種類のもの（撮像方向の角度が異なるもの）に取り替える。または、一方のカメラ１１の取付用部位を変更して、各カメラ１１の間隔を変更する。

このようにして、各カメラ１１の間隔および撮像方向の角度差のすべての組み合わせに対するキャリブレーションが完了すると、図８に示したような２０通りのキャリブレーションデータが記憶部２６に記憶されている。

＜三次元計測装置１による被計測物の三次元写真計測＞
被計測物の三次元写真計測を実際に行うときには、まず、被計測物までの距離などに応じて最適な各カメラ１１の間隔および撮像方向の角度差を決定する。そして、その角度差を実現するブラケットを選択するとともにその間隔となるように、各カメラ１１を装置本体１０のベース１３にそれぞれ取り付ける。

次に、各カメラ１１によって被計測物を撮像し、各カメラ１１から取得された画像データを記憶部２６に記憶させる。

このとき、各カメラ１１の間隔と、取り付けに用いた各ブラケットに応じた撮像方向の角度差とを、入力装置２１から直接入力するか、または表示装置２２に表示させた複数の選択肢からいずれかを入力装置２１によって選択する。

こうして入力または選択された各カメラ１１の間隔と撮像方向の角度差との組み合わせに対応する特定のキャリブレーションデータを記憶部２６から読み出し、そのキャリブレーションデータと各カメラ１１から取得された画像データに基づいて、例えば特許文献１と同様の演算を行い、被計測物の三次元データを算出する。

以上で説明した実施形態の構成によれば、被計測物までの距離などに応じて最適な各カメラ１１の間隔および撮像方向の角度差を決定し、適切なブラケットを選択して各カメラ１１を装置本体１０のベース１３にそれぞれ取り付ければ、その取り付け状態に対応したキャリブレーションデータは既に記憶部２６に記憶されているので、改めてキャリブレーションを行う必要がない。また、各カメラ１１は装置本体１０のベース１３にブラケットを介してボルト１７でしっかりと固定されるため、カメラの取り付け位置および撮像方向の精度および再現性が高く、高精度の三次元写真計測を行うことができる。

＜その他の実施形態＞
各カメラ１１の間隔と、取り付けに用いた各ブラケットに応じた撮像方向の角度差との入力については、例えば、取り付け位置にカメラ検出用スイッチやブラケット種類識別スイッチを設けたりするとともに、これらのスイッチからの信号をインターフェイス２３を介して制御演算部２５に入力して、自動的に検出・識別させるようにしてもよい。

また、各カメラ１１とパソコン２０との接続は、ケーブルを用いた有線接続に限らず、無線接続を用いてもよい。

なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１ 三次元計測装置
１０ 装置本体
１１ カメラ（撮像部）
１１ａ カメラ本体
１１ｂ レンズ
１１ｃ 出力端子
１２ ブラケット（方向規制板）
１２Ｌ、１２Ｒ ボルト穴
１３ ベース（基台）
１３ａ〜１３ｅ 取付用部位
１３ａＬ、１３ａＲ タップ穴
１４ 前カバー
１４ａ 透明窓
１５ 後カバー
１６ 上カバー
１７ ボルト
２０ パソコン
２１ 入力装置
２２ 表示装置
２３ インターフェイス
２４ データバス
２５ 制御演算部
２６ 記憶部

Claims (4)

1. 被計測物を互いに異なる位置から撮像してそれぞれの画像データを出力する複数の撮像部と、
   前記撮像部の間隔および各撮像方向が予め定められた所定の組み合わせのいずれかとなるように配置する撮像部配置機構と、
   前記撮像部配置機構によって配置される複数の前記撮像部に想定される間隔と、各撮像方向に想定される角度差との組み合わせに応じた各校正情報を記憶する記憶部と、
   この記憶部に記憶された各校正情報のうちから、前記撮像部配置機構によって配置された複数の前記撮像部の間隔と各撮像方向との組み合わせに応じて選択された校正情報と、複数の前記撮像部からの各画像データに基づいて前記被計測物の三次元情報を算出する演算部とを備え、
   前記撮像部配置機構は、
   前記撮像部の撮像方向を予め定められた所定角度に固定する方向規制板と、
   前記方向規制板を固定するための複数の取付用部位を有する基台とを備え、
   前記記憶部は、前記基台に取り付けられる複数の前記撮像部に想定される間隔と、前記方向規制板が規制する所定角度間に想定される角度差との組み合わせに応じた各校正情報を記憶し、
   前記演算部は、前記記憶部に記憶された各校正情報のうちから、前記基台に取り付けられた複数の前記撮像部の間隔と前記撮像部の前記基台への取り付けを介した前記方向規制板が規制する所定角度間の角度差との組み合わせに応じて選択された校正情報と、複数の前記撮像部からの各画像データに基づいて前記被計測物の三次元情報を算出することを特徴とする三次元計測装置。
2. 請求項１に記載の三次元計測装置であって、
   前記撮像部配置機構は、複数の方向規制板を備えることを特徴とする三次元計測装置。
3. 請求項１または２に記載の三次元計測装置において、
   前記基台に複数のタップ穴が形成されており、
   前記方向規制板に形成された複数のボルト穴に通したボルトによって、前記方向規制板が前記基台に固定されていることを特徴とする三次元計測装置。
4. 請求項３に記載の三次元計測装置において、
   前記方向規制板と前記撮像部はネジ止めされており、
   前記ボルト穴と前記ネジ止めによって前記所定角度が決定されることを特徴とする三次元計測装置。

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