JPH0617795B2

JPH0617795B2 - 三次元位置計測装置

Info

Publication number: JPH0617795B2
Application number: JP63152366A
Authority: JP
Inventors: 耕史浜田; 幸次渡辺
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 1988-06-22
Filing date: 1988-06-22
Publication date: 1994-03-09
Anticipated expiration: 2009-03-09
Also published as: JPH01320431A

Description

【発明の詳細な説明】 ≪産業上の利用分野≫ 本発明は、テレビカメラを使用して測定対象の位置及び
変位を測定する三次元位置計測装置に関するものであ
る。

≪従来の技術≫ 従来、測定対象である物体の位置を測定する装置とし
て、１台のテレビカメラを用いた位置検出器、２台のト
ランシットを用いた三次元設定装置等が知られている。

１台のテレビカメラを用いた位置検出器の原理を第５図
により説明する。

測定対象８が視界に入る向きにテレビカメラ３１を固定
配置し、テレビカメラ３１の照準軸ｌ上の点Ｏを基準点
に設定し、点Ｏを通り、照準軸ｌに垂直な平面上に、点
Ｏを原点とするＸＹ直交座標系を想定する。同時に、テ
レビカメラ３１の映像が写しだされる実際の空間中の点
Ｏに対応するテレビモニタ３２上の点ｏを原点とするｘ
ｙ座標をテレビモニタ３２の画面上に定義する。

一方、走査演算手段３３は、一定の時間間隔でタイミン
グパルスを発生しており、テレビモニタ３２の画面上に
撮像された測定対象８の位置をライトペン，カーソル等
により指定すると、走査演算手段３３はテレビモニタ３
２の画面の走査線に沿って測定対象８と原点Ｏ間のパル
ス数をカウントし、このパルス数に基きテレビモニタ３
２の画面上の測定対象８の座標位置（ｘ，ｙ）を算出す
る。

そして、この算出値に、パラメータ設定手段３５を用い
て点Ｏとテレビカメラ３１との距離及びテレビカメラ３
１の倍率から予め設定されているパラメータを乗じ、測
定対象８の仮想ＸＹ平面内における位置が演算され、こ
の演算結果はテレビモニタ３２に表示される。

次に、２台のトランシットを用いた三次元設定装置の原
理を第６図により説明する。

先ず、第１，第２のトランシット４０ａ，４０ｂを任意
距離Ｄだけ離れた位置に固定設定し、空間に第１のトラ
ンシット４０ａを原点Ｏとし、かつＸ−Ｚ平面に第２の
トランシット４０ｂが存在するように三次元座標を想定
する。

次いで、各トランシット４０ａ，４０ｂにより測定対象
８の各水平角θａ，θｂ及び各高度角φａ，φｂを人の
目視により計測する。そして、予め求めておいた第２の
トランシット４０ｂに対する第１のトランシット４０ａ
の高度角φｏと、両トランシット４０ａ，４０ｂ間の距
離Ｄと、上記θａ，θｂ，φａ，φｂから三角法原理に
基づき、測定対象８の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をコンピュー
タ４１により演算して特定し、出力装置４２により演算
結果を出力する。

≪発明が解決しようとする課題≫ しかし、上記各従来の装置は次のような問題がある。

（１）１台のテレビカメラを用いた位置検出器の場合：測定対象８は必ずしもＸＹ平面上を移動するとは限ら
ないにもかかわらず、その座標はＸＹ平面上の投影とし
て検出されるので、正確な検出は不可能である。

テレビカメラによる撮像は周差を伴なってしまう。

すなわち、第７図に示すように、テレビモニタ３２画面
の周囲付近に現われる測定対象８の画像が歪む。従つ
て、その周差を補正するための特別の回路等が必要とる
ほか、テレビカメラ３１と測定対象８間の距離Ｄ等より
補正値が逐次変動するため、正確な検出は極めて困難で
ある。

さらに三次元測定の場合は、上記の周差に対する補
正が更に複雑となる。

（２）２台のトランシットを用いた三次元設定装置の場
合：テレビモニタを使用しないため周差の問題は生じない反
面、２台のトランシット４０ａ，４０ｂに配置された作
業員が目視により各水平角θａ，θｂ，各高度角φａ，
φｂを調節し、各トランシット４０ａ，４０ｂの照準軸
を測定対象８に一致させて細かい目盛りを読みとる作業
を行ない、検出データを別途コンピュータに入力しけれ
ばならないため、リアルタイムの位置特定は困難であ
る。

従つて、移動又は変形する測定対象８の位置を正確に特
定することは困難である。

本発明は、以上の諸点に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、周差による測定誤差を解消し、測定
対象の三次元座標による位置又は変位をリアルタイムで
測定すると共に、作業員１名あるい無人の計測をも可能
とする三次元位置計測装置を提供するにある。

≪課題を解決するための手段≫ 上記目的を解決するために、本発明に係る三次元位置計
測位置では、複数のテレビカメラと、前記各テレビカメ
ラの映像を撮像し、各テレビカメラの照準軸を表示する
テレビモニタと、前記各テレビカメラに設けられ、各テ
レビカメラを水平方向及び垂直方向に回動させることに
より前記各照準軸を任意方向に向けることが可能なテレ
ビカメラ姿勢制御装置と、予め設定された各テレビカメ
ラの基準方向に対する前記水平方向及び垂直方向の回転
角に相当する各信号を検出する回転角検出手段と、三次
元空間に仮想座標系を設定する手段と、前記各信号から
前記仮想座標系における前記三次元空間に存在する測定
対象の座標を演算する手段とを設けた。

≪作用≫ 本発明において、複数のテレビカメラが一定の距離を隔
てて設置される。そして、任意地点に原点Ｏが定義さ
れ、座標軸方向が特定され、これらにより空間に三次元
座標系が想定される。この三次元座標系に、上記の各テ
レビカメラの座標が特定できる。

次に、上記各テレビカメラの各照準軸の任意の基準方向
が定義され、各照準軸が、手動又は自動操作によるテレ
ビカメラ姿勢制御装置の駆動により、テレビモニタの画
面が参照されつつ、測定対象に一致される。

このときの、各照準軸の各基準方向からの水平角度変化
と垂直角度変化が回転角度検出手段により測定され、こ
の測定値と各テレビカメラの位置に関するデータ例えば
テレビカメラ間の距離等とから、測定対象の三次元座標
がコンピュータにより演算される。

≪実施例≫ 第１図は、本発明に係る三次元位置計測装置（以下、本
発明装置）の一実施例における各部の配置態様を示して
いる。

同図において、第１，第２のテレビカメラ１ａ，１ｂが
任意距離Ｄを隔てて三次元空間に配置されている。そし
て、第１，第２のテレビカメラ１ａ，１ｂには姿勢制御
装置２ａ，２ｂ及び回転角検出手段３ａ，３ｂがそれぞ
れ装着されている。

また、これら第１，第２のテレビカメラ１ａ，１ｂは、
画像処理・処理画像演算装置５を介して第１，第２のテ
レビカメラ１ａ，１ｂでとらえられた画像をそれぞれ撮
像するテレビモニタ４ａ，４ｂに接続されている。

さらに、この画像処理・処理画像演算装置５はコンピュ
ータ７に接続されており、コンピュータ７は出力モニタ
６を装備している。

また、上記の姿勢制御装置２ａ，２ｂ及び回転角検出手
段３ａ，３ｂもそれぞれコンピュータ７に接続されてい
る。

上記の配置態様における本発明装置の機能を第２図のブ
ロツク図により説明する。

便宜上第１のテレビカメラ１ａについてのみ説明するが
第２のテレビカメラ１ｂも同一構成からなっている。

同図に示すように、第１のテレビカメラ１ａが接続され
た姿勢制御装置２ａは、水平方向駆動手段２１ａと垂直
方向駆動手段２２ａとから構成されており、両駆動手段
２１ａ，２２ａを適宜作動することにより第１のテレビ
カメラ１ａを任意の方向へ旋回できるようになつてい
る。

また、上記水平，垂直方向駆動手段２１ａ，２２ａは、
それぞれポテンショメータやエンコーダ等の回転角を検
出できる装置（ここではエンコーダ１４ａ，１５ａ）に
接続されている。このエンコーダ１４ａ，１５ａが上記
した第１図の回転角検出手段３ａに相当する。そして、
これら両エンコーダ１４ａ，１５ａは、水平，垂直方向
駆動手段２１ａ，２２ａから出力される水平，垂直方向
回転角信号を、それぞれコード化する役割をなしてい
る。

また、上述した画像処理・処理画像演算装置５は、テレ
ビカメラ１ａからの画像データを受け、その処理を行い
処理信号をテレビモニタ４ａにそれぞれ出力する画像処
理手段１３ａと、そのテレビモニタ４ａからのデータに
基づき測定対象８とテレビカメラ１ａの照準軸ｌａとの
偏差を測定する位置偏差測定回路１６ａと、その位置偏
差測定回路１６ａの測定信号に基づき水平・垂直方向駆
動手段２１ａ，２２ｂに照準軸ｌａが測定対象８に一致
するよう制御信号を出力する追従信号発生回路１７ａと
から構成されている。

更に、エンコーダ１４ａ，１５ａからの信号に基づき測
定対象８の座標を演算する座標演算用マイクロコンピュ
ータ１２、及び三次元座標系の種類、その三次元座標の
原点Ｏの位置、テレビカメラ１ａ，１ｂの位置等に関す
るデータをマイクロコンピュータ１２に出力する座標設
定手段１８にて、第１図のコンピュータ７が構成されて
いる。

なお、第２図においては、第１図の各部に対応する上記
各要素に加え、座標演算用マイクロコンピュータ１２に
接続されたプリンタ１９、及び座標演算用マイクロコン
ピュータ１２と座標設定手段１８に接続された入力装置
としてのキーボード２０が示されている。

以下に、上記実施例の作用を説明する。

先ず、空間に任意の三次元座標系を想定する。本実施例
においては、三次元座標系としてＸＹＺ直交座標系を採
用し、該座標系の原点位置を第１のテレビカメラ１ａ上
にとることとする。また、Ｚ軸を鉛直方向に定め、ＸＺ
平面内に第２のテレビカメラ１ｂが含まれるようにＸ軸
及びＹ軸方向を定めると共に、第１，第２のテレビカメ
ラ１ａ，１ｂの各照準軸ｌａ，ｌｂの基準方向Ｌａ，Ｌ
ｂをＸ軸方向に定める。

更に、このＸＹＺ座標系をキーボード２０及び座標設定
手段１８により出力モニタ６の画面上に定義しておく。
また、第１，第２のテレビカメラ１ａ，１ｂ間の距離Ｄ
及び第１，第２のテレビカメラ１ａ，１ｂを結ぶ線分の
Ｘ軸に対する角Φ（第３図参照）をキーボード２０によ
り入力し、出力モニタ６上にテレビカメラ１ａ，１ｂの
位置を表示する。すると第１のテレビカメラ１ａは前述
の通り原点Ｏの位置に表示され、テレビカメラ１ｂはＸ
＝Ｄ_ｃｏｓΦ，Ｙ＝０、Ｚ＝Ｄ_ｓｉｎΦとして表示され
る。

次いで、第１、第２のテレビカメラ１ａ，１ｂの視界を
拡角とし、概ね測定対象８の方向に向ける。このとき、
必要に応じて第１，第２のテレビカメラ１ａ，１ｂをズ
ームアップしてテレビモニタ４ａ，４ｂの画面上に測定
対象８が鮮明に撮像されるようにしておく。

次に、第４図のフローチャートに沿って作用を更に詳細
に説明する。

先ず、第４図において、位置偏差測定回路１６ａ，１６
ｂは、テレビモニタ４ａ，４ｂの画面上の測定対象８
と、テレビモニタ４ａ，４ｂの中心（照準線ｌａ，ｌｂ
に相当）との間の距離を、測定対象８の形状又は輝度あ
るいは赤外線強度等に基づき画像処理しながら測定す
る。そして、照準軸ｌａ（ｌｂ）が測定対象８と一致す
るか否かを判断し（ステップＳ１００）、照準軸ｌａ
（ｌｂ）が測定対象８と一致しないときは、位置偏差測
定回路１６ａ（１６ｂ）は照準軸ｌａ（ｌｂ）と測定対
象８との位置偏差を測定し、この位置偏差に応じた追従
信号を水平方向駆動手段２１ａ（２１ｂ）並びに垂直方
向駆動手段２２ａ（２２ｂ）に出力するステップＳ１０
１）。

この追従信号に基づき水平方向駆動手段２１ａ（２１
ｂ）、垂直方向駆動手段２２ａ（２２ｂ）が作動してテ
レビカメラ１ａ（１ｂ）の姿勢を制御し、これにより照
準軸ｌａ（ｌｂ）を測定対象８に合致させる（ステップ
Ｓ１０２）。

次いで、エンコーダ１４ａ，１５ａ（１４ｂ，１５ｂ）
を介して基準方向に対するテレビカメラ１ａ（１ｂ）の
ズレ（水平，垂直方向回転角θａ，φａ（θｂ，φ
ｂ））を検出する。そして、検出した各回転角θａ，φ
ａ（θｂ，φｂ）に対応するコード化信号を座標演算用
マイクロコンピュータ１２に出力する（ステップＳ１０
３）。

また、座標演算用マイクロコンピュータ１２は、上記の
各回転角θａ，θｂ，φａ，φｂ及び前記の第１、第２
のテレビカメラ１ａ，１ｂ間の距離Ｄ、並びに第１，第
２のテレビカメラ１ａ，１ｂを結ぶ線分のＸ軸に対する
角のΦの値に基づき、測定対象８の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
を求める演算を行う。そして、必要に応じて測定対象８
の移動前の位置データを図示しない記憶素子から読み出
し、変位量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺの演算を行う（ステップＳ
１０４）。その後、演算結果をプリンタ１９によりプリ
ントアウトするか、出力モニタ６の画面上に表示する
（ステップＳ１０５）。

一方、照準軸ｌａ（ｌｂ）が測定対象８と一致するとき
はステップＳ１０１〜Ｓ１０３までは飛ばし、上記のス
テップＳ１０４に移る。

以上述べた測定対象８の三次元測定は、繰り返し行わ
れ、その測定結果はリアルタイムで出力モニタ６の画面
上に表示される。

そして、上記ステップＳ１０４のＸ，Ｙ，Ｚの演算は、
例えば第３図から明らかなように、となる。なお第３図では、測定対象８の位置の座標Ｘ，
Ｙ，Ｚを演算するのにθａ，θｂ，φａを用いたが、こ
れらのデータθａ，θｂ，φａに限らず、データθａ，
θｂ，φａ，φｂのうちいずれか３つのデータを用いて
演算することもできる。

なお、テレビカメラ姿勢制御装置２ａ，２ｂは通常、機
械的手段で作動するので、歯車のギア比、遊び等の関係
から照準軸ｌａ（ｌｂ）を測定対象８に完全に一致させ
ることが困難である場合が生じる。

この場合には、第２図の点線の矢線で示すように、位置
偏差測定回路１６ａ（１６ｂ）からの信号を測定対象の
座標を演算する手段１２に送るようにし、この座標演算
手段１２では、上記信号により算定される偏位を加算し
て測定対象の座標を出力するようにする。

このように照準軸ｌａ（ｌｂ）が測定対象８に十分に近
づいた段階で走査演算により位置偏差測定がズームアッ
プにより行なえるので、もはや周差の影響も少く、か
つ、モニタ画面を最大限利用したズームアップをするこ
とができるので、より正確な測定ができる。

以上の実施例においては、第１のテレビカメラ１ａが設
置された箇所を座標系の頂点とし、ＸＺ平面内に第２の
テレビカメラ１ｂが含まれるようにＸＹ軸を設定した
が、原点位置、ＸＹ軸方向は全く任意にとることがで
き、Ｚ軸の方向も全く任意である。

また、三次元座標系としてＸＹＺ直交座標系で説明した
が、これを円筒座標系あるいは球面座標系としてもよい
し、また二次元座標系についても応用できる。

更に、上記実施例においては、テレビモニタ４ａ，４ｂ
の測定対象と各照準軸ｌａ，ｌｂとを一致させるための
水平・垂直方向駆動手段２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２
ｂの制御を位置偏査差測定回路１６ａ，１６ｂ及び追従
信号発生回路１７ａ，１７ｂを用いる自動操作により行
っているが、オペレータがテレビモニタ４ａ，４ｂを目
視、参照してリモートコントローラ等を用いた手動操作
により行うこともできる。

また、各テレビカメラ１ａ，１ｂの画像を撮像するため
に、２台のテレビモニタ４ａ，４ｂを使用したが、１台
のテレビモニタを使用し、マルチウインド方向により各
画像をこの１台のテレビモニタに撮像することもでき
る。

≪発明の効果≫ 本発明装置によれば、次のような効果を奏することがで
きる。

テレビカメラ姿勢制御装置の駆動により、テレビカメ
ラの各照準軸を測定対象に一致させることとしたので、
テレビカメラによる測定に不可避のテレビモニタ上の周
差による誤差を解消することができる。

このため、測定対象の正確な位置を計測することができ
る。

複数のテレビカメラを用いているので、測定対象の三
次元的な移動又は変形を即座に把握することができ、リ
アルタイムでの計測を実現できる。

テレビモニタとテレビカメラ姿勢制御装置との間に位
置偏差測定回路および追従信号発生回路を接続すれば、
テレビモニタ上の測定対象と照準軸との偏差に基づいて
テレビカメラ姿勢制御装置が駆動されるので、複数の作
業員を必要とせず、１名の作業員あるいは無人での位置
計測を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例における各部の配置態様
を示す図、第２図は第１図の実施例を詳細に説明するた
めの機能ブロック、第３図は第１図の実施例における測
定対象の座標演算の原理を示す図、第４図は第１図の実
施例の作用を説明するためのフローチャート、第５図は
テレビカメラ１台を用いた従来技術の原理を説明する
図、第６図は２台のトランシットを用いた従来技術の原
理を説明する図、第７図はテレビモニタによる周差を説
明するための図である。１ａ，１ｂ……第１，第２のテレビカメラ２ａ，２ｂ……テレビカメラ姿勢制御装置３ａ，３ｂ……回転角検出手段４ａ，４ｂ……テレビモニタ５……画像処理・処理画像演算装置６……出力モニタ７……コンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のテレビカメラと、前記各テレビカメ
ラの映像を撮像し、各テレビカメラの照準軸を表示する
テレビモニタと、前記各テレビカメラに設けられ、各テ
レビカメラを水平方向及び垂直方向に回動させることに
より前記各照準軸を任意方向に向けることが可能なテレ
ビカメラ姿勢制御装置と、予め設定された各テレビカメ
ラの基準方向に対する前記水平方向及び垂直方向の回転
角に相当する各信号を検出する回転角検出手段と、三次
元空間に仮想座標系を設定する手段と、前記各信号から
前記仮想座標系における前記三次元空間に存在する測定
対象の座標を演算する手段とからなることを特徴とする
三次元位置計測装置。
【請求項２】テレビモニタとテレビカメラ姿勢制御装置
との間に位置偏差測定回路および追従信号発生回路から
なる請求項１記載の三次元位置計測装置。
【請求項３】測定対象の座標を演算する手段が、位置偏
差測定回路からの信号により算定される偏位を加算して
出力するものである請求項２記載の三次元位置計測装
置。