JPH11118483A

JPH11118483A - 写真計測装置及び写真計測方法

Info

Publication number: JPH11118483A
Application number: JP9291752A
Authority: JP
Inventors: Hisao Osawa; 日佐雄大澤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-10-09
Filing date: 1997-10-09
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】被測定物に投影した多数のスポット光の識別
を容易に行え、短時間で高精度の計測を行うことのでき
る計測装置及び計測方法を提供する。【解決手段】測定点とする光スポット３３の径を極め
て小さなものとせず、該スポットを撮影した場合に、受
光素子（例えばＣＣＤ）１１の各セルサイズの数倍から
１０倍程度となるようにした。これにより、被測定物７
上に存在するわずかな凹凸などにより個々の光スポット
がそれぞれ異なる散乱を受け、光スポットがそれぞれ個
性化されたスポット形状として受光素子で撮影されるた
め、個々の光スポットを識別することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子カメラ及びス
ポット光投影器を備える写真計測装置等に関する。特に
は、被測定物に投影した多数の光スポットの識別を容易
に行えるように改良を加え、短時間で高精度の計測を行
うことのできる写真計測装置及び写真計測方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、工業計測分野、測量分野におい
て、写真計測が盛んに行われるようになってきている。
写真計測は、ビルや橋梁といった大型の構造物の形状計
測の場合のように、測定者が必要な測定点に接近するこ
とが困難な状況でも計測が可能である。さらに、通常の
測量機と異なり、時間的に変化する形状を短時間で構造
物全体にわたって計測できるなど、様々な長所がある。
測量分野においても、写真測量は、多数の測定点を同時
に計測できることから、平板測量に変わる簡便な方式と
して利用が広がりつつある。

【０００３】従来のアナログ式の写真計測では、写真乾
板等を利用した銀塩カメラでステレオ写真を撮影し、こ
れをたとえば図化機と呼ばれる装置で、図化作業者が平
面図や等高線図等にしていくという作業を行っていた。
しかし、最近では計算機を利用した解析図化機と呼ばれ
るものが登場し、ほぼ自動的に図化作業が行えるように
なった。

【０００４】また、写真計測においては、写真撮影時に
は電子カメラが利用されることが多くなってきた。とい
うのは、電子カメラで写真を撮影した場合、画像をスキ
ャナーなどを通すことなく直接計算機に取り込み、解析
図化装置にかけることができるからである。また、写真
乾板や写真フィルムと異なり画像が電子化（ディジタル
情報化）されていることから、長期の保存時にもデータ
の劣化がないという長所もあるためである。

【０００５】電子カメラは、撮像レンズで形成した対象
物の実像を、通常はＣＣＤを用いた光検出器アレイで検
出する。ここで得られたデータは、ＣＣＤ上の位置関係
を考慮した上で画像処理等が行われたり、撮像を行った
検出器の配列と同じ順序で表示装置上で表示したりす
る。写真計測においては、ＣＣＤ上の位置関係を考慮し
た上で計算機上で画像中の任意の２点間の距離を測定
し、これを対象物上での長さに変換するなどして、大き
さの測定を行う。

【０００６】実際の写真計測において通常以下のような
作業を行う。対象物の計測したい測定点に複数のターゲ
ットと呼ばれる反射器を貼りつけ、このターゲットから
の光の反射を写真で撮影する。あるいは測定対象に向け
てレーザー等で測定対象上の測定点を点状に照明しそれ
を撮影する。このようにして測定対象における測定点を
画像として記録する。

【０００７】次に、この画像上でのターゲット間の距離
や、測定を行っている位置すなわちカメラ位置からター
ゲットまでの距離を計算し、これをもとに測定対象の形
状を測定したり、測定対象までの距離を測ったりする。
従って、対象物の写真を撮影するときには十分解像度の
高い写真を撮影することが必要となるが、このために
は、ＣＣＤの細かさ（素子の密度）が最も重要になると
いえる。

【０００８】同時に複数の点を測定したい場合には、当
然、測定点数個のターゲットを被測定物に貼るか、レー
ザー等で測定点数だけ被測定物を照明しなければならな
い。この際、ビル、橋梁といった大型の構造物の形状計
測など測定者が被測定物に近寄れないような状況下で
は、多数のターゲットを被測定物に貼るというのは現実
的ではない。あるいは、製品検査など被測定物が多数あ
る場合にも、すべての被測定物にいちいちターゲットを
貼るというのも手間がかかりすぎる。したがって、レー
ザー等で測定対象上の測定点に点状にスポット光を投影
する方が便利である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、複数の測定
点に同時にスポット光を投影すると、複数の視差画像
（被測定物を異なる位置から撮影した像）における測定
点同士の対応が付けにくくなる。つまり、撮影した写真
中にほぼ等間隔で同一の点像が写っている場合、計算機
により画像間の対応づけを行うことができず、自動計測
ができないという問題が生じる。

【００１０】この様子を模式的に図３に示す。図３
（Ａ）は、平面に等間隔に多数のスポット光を投影して
撮影した写真である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の中央
の点近傍と、同図各部の自己相関係数を計算し、同係数
をコントラストとして画像表示したものである。この
時、図３（Ａ）ではすべてのスポットが同様に写ってい
ることから、図３（Ｂ）のすべての点において同様に相
関が高い状態となる。つまり、相関値からはまったく個
々のスポット光を識別できないというわけである。ここ
では相関値を計算して対応点を判断しようとしている
が、二乗偏差を用いるような他の方法を用いてもほぼ同
じような結果となる。このため、測定点数が多い場合に
は自動計測が困難となり、人が各測定点の対応づけを行
わなければならず手間がかかるという問題点があった。

【００１１】一方、上記問題を避けるために、（１）照
明点を等間隔とはせず、ランダムな間隔とする方法や、
（２）照明点を同時には照明せず、逐次的に照明する方
法も考えられる。しかし、（１）の方法では、測定点が
ランダムパターンとなり、測定が必要な点に照明を行う
ことができなくなることがある。また、（２）の方法で
は、測定点数だけの画像を撮影する必要がある。したが
って、両方法ともあまり有効な解決策とはいえない。

【００１２】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、被測定物に投影した多数のスポット光の識
別を容易に行えるように改良を加え、短時間で高精度の
計測を行うことのできる写真計測装置及び写真計測方法
を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の写真計測装置は、多数の受光素子が配列さ
れた撮像部と、この撮像部に被測定物の像を結像させる
結像光学系と、を有する電子カメラ、並びに、光源
と、この光源から出射する光を被測定物に散点状に投影
する投影光学系と、を有するスポット光投影器、を備
える写真計測装置であって；上記スポット光投影器の
投影する各スポットが、上記電子カメラで該スポットが
撮影される際に、同カメラの撮像部の複数の受光素子に
かかる程度以上の大きさであることを特徴とする。

【００１４】また、本発明の写真計測方法は、スポッ
ト光投影器からスポット光を被測定物に散点状に投影
し、多数の受光素子が配列された撮像部を有する電子カ
メラに被測定物上のスポットの像を結像させ、該受光素
子の信号を処理することにより該像の計測を行う写真計
測方法であって；上記スポット光投影器の投影する各
スポットが、上記電子カメラで該スポットが撮影される
際に、被測定物の面の特性に応じて個性化される程度の
大きさとしたことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】通常以下のような作業を行う。ま
ず、測定対象に向けてレーザー等で測定対象上の測定点
を点状に照明し、それを撮影する。このようにして測定
対象における測定点を画像として記録する。写真計測に
おいて高い精度で計測を行うためには、高い精度で測定
点を画像から抽出し複数画像間の対応点を高い精度で求
めることが必要である。このために、従来ではできるだ
け小さな点像を結ぶ光学系を用いて被測定物上に測定点
（スポット光）を投影し、その像を収差の小さなレンズ
で回折限界程度にＣＣＤ等受光素子上に結び、この画像
を元に計測を行っていた。このため、上述のように複数
の測定点がほぼ等間隔にある場合それぞれの対応点を識
別できなくなっていたわけである。そこで、本発明では
逆に測定点とする光スポット径を極めて小さなものとせ
ず、該スポットを撮影した場合に、受光素子（例えばＣ
ＣＤ）の各セルサイズの数倍から１０倍程度となるよう
にした。このようにすると、被測定物上に存在するわず
かな凹凸などにより個々の光スポットがそれぞれ異なる
散乱を受け、光スポットがそれぞれ個性化されたスポッ
ト形状として受光素子で撮影されるため、個々の光スポ
ットを識別することができる。

【００１６】本発明においては、上記各スポットの形状
を、異なる２種類以上の形状とすることもできる。すな
わち、個々の光スポットをそれぞれ異なる形状にコード
化して、さらに正確に個々の光スポットを区別できる。
この際、上記スポット光が対称形として、スポット光の
重心位置を変えないで、スポット光を異形としたことに
よる誤差発生を防止できる。

【００１７】以下、図面を参照しつつ説明する。図１
は、本発明の１実施例に係る写真計測装置の全体構成を
模式的に示す図である。この写真計測装置１は、１台の
スポット光投影器５と、２台の電子カメラ３、３′から
構成されている。

【００１８】スポット光投影器５は、順に配列された半
導体レーザー光源２１と、コリメートレンズ２３と、回
折格子２５を有する。コリメートレンズ２３は、光源２
１から出射する光をほぼ平行光となす。回折格子２５
は、入射した平行光を二次元（又は三次元）的に並ぶ多
数の光束３１に分ける。スポット光束３１は、被測定物
７の表面に当り、光スポット３３を被測定物７上に形成
する。

【００１９】電子カメラ３、３′は、それぞれ結像光学
系１３、１３′と二次元撮像手段であるＣＣＤ撮像デバ
イス１１、１１′を有する。さらに、ＣＣＤ撮像デバイ
ス１１、１１′で得た画像情報を蓄えておくメモリカー
ド１５、１５′を有する。２台の電子カメラ３、３′
は、通常、被測定物７を異なる角度から撮影する。撮影
後、メモリカード１５、１５′に収められた画像情報
は、コンピュータ等からなる画像処理装置で解析され、
被測定物７の形状データが得られる。

【００２０】次に、スポット光の大きさについて説明す
る。上述のようにスポット光を被測定物に照射するわけ
であるが、この時コリメートレンズをわずかにデフォー
カスして、被測定物上である大きさとなるようにしてお
く。この大きさは測定距離によっても異なるが、ＣＣＤ
上でこの光スポットの大きさがＣＣＤのセル間隔に対し
て５〜１０倍程度となるように決める。例えば、撮影距
離１０ｍ、撮像レンズの焦点距離１００mm、ＣＣＤセル
間隔８μm のとき、光スポット径は被測定物上で８mmと
なる。実際には被測定物上での大きさを測定することは
困難であるから、もっと近距離で校正しておくか、もし
くは実際に撮影を行いコリメートレンズのデフォーカス
量を決めておく。

【００２１】このように大きめのスポット光を当てる
と、被測定物上のわずかな凹凸により、各々のスポット
で光の散乱の様子が変化する。このため、ＣＣＤで撮影
された光スポットはいずれもＣＣＤ間隔を単位として直
径１０程度の円ではあるが、すべてが同じように撮影さ
れるわけではなく、各々異なったパターンとして記録さ
れることになる。つまり、平均的なスポットの明るさに
対してさまざまに異なるパターンがスポット像に乗っ
て、各々の光スポット間の区別ができるわけである。

【００２２】

【実施例】実施例１以下、より具体的な実施例を説明する。図２（Ａ）は、
デフォーカスしたレーザー光を回折格子で２１本に分け
て壁に投影したものを電子カメラで撮影した写真であ
る。光ビームは、それぞれ多少強度は異なるものの同一
の径を持ったものである。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の
左から１０番目のスポット付近を取り出してもとの画像
との間の相関を計算した結果を示すグラフである。横軸
は、左右方向の距離であり、縦軸は相関値である。各ス
ポットに対応して、かなり相関値の高い点で見られる
が、一番相関値が高いのはやはり左から１０番目の点で
ある。そこで、画像処理により、この画像中で最も相関
の高い点のみを取り出すと図２（Ｃ）に示した点のみと
なる。図２（Ｃ）では見やすくなるように最も相関の高
い点のみを黒点で示した。このようにして、同じレーザ
ービームを壁に投影しているのにもかかわらず、ある特
定の点を他の点と識別することができた。この実施例で
は一次元方向にレーザースポットを並べていたが、これ
を拡張して二次元に配列したレーザービームを用いても
同様の結果が得られる。

【００２３】実施例２実施例１では、被測定物の表面にあるわずかな凹凸を利
用して、各々のスポットを個性化したが、滑らかでほと
んど散乱のないような被測定物表面の場合には個性化が
不十分なことも考えられる。その場合は、次のように対
処する。すなわち、被測定物に投影する光スポットは比
較的大きなものであるから、これを利用して光スポット
の外形や光スポットの強度分布をコード化する。例えば
ＣＣＤセル間隔の１０倍に相当するスポット径であれ
ば、光スポット内での横方向の光強度分布に、00000000
00、 0000110000、0001001000、0001111000、0010000100、…
…のように変調を加えておく。この時、左右対称にして
おくことにより、重心位置が狂わないようにして測定精
度低下を防止することができる。このようにして、光ス
ポット間の区別を行い対応点決定を容易にすることがで
きる。なお、光に変調を加えるためには、投影するパタ
ーンを平行平板のガラス板等にあらかじめ濃淡で印刷し
たものを投影機などを使って投影すればよい。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、被測定物に投影した多数のスポット光の識別
を容易に行え、短時間で高精度の計測を行うことのでき
る写真計測装置及び写真計測方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例に係る写真計測装置の全体構
成を模式的に示す図である。

【図２】（Ａ）は、デフォーカスしたレーザー光を回折
格子で２１本に分けて壁に投影したものを電子カメラで
撮影した写真である。（Ｂ）は、（Ａ）の左から１０番
目のスポット付近を取り出してもとの画像との間の相関
を計算した結果を示すグラフである。（Ｃ）は、（Ｂ）
の画像中で最も相関の高い点のみを取り出して示す。

【図３】（Ａ）は、平面に等間隔に多数のスポット光を
投影して撮影した写真である。（Ｂ）は、（Ａ）の中央
の点近傍と、同図各部の自己相関係数を計算し、同係数
をコントラストとして画像表示したものである。

【符号の説明】

１写真計測装置３電子カメラ５スポット光投影器７被測定物１１ＣＣＤ撮像デバイス１３結像光学系１５メモリカード２１レーザー光
源２３コリメートレンズ２５回折格子３１スポット光束３３スポット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多数の受光素子が配列された撮像部と、
この撮像部に被測定物の像を結像させる結像光学系と、
を有する電子カメラ、並びに、光源と、この光源から
出射する光を被測定物に散点状に投影する投影光学系
と、を有するスポット光投影器、を備える写真計測装
置であって；上記スポット光投影器の投影する各スポッ
トが、上記電子カメラで該スポットを撮影する際に、同
カメラの撮像部の複数の受光素子にかかる程度以上の大
きさであることを特徴とする写真計測装置。
【請求項２】上記各スポットが、被測定物の面の特性
に応じて個性化される程度の大きさであることを特徴と
する請求項１記載の写真計測装置。
【請求項３】上記スポットが、５個以上の受光素子に
かかる程度以上の大きさであることを特徴とする請求項
１記載の写真計測装置。
【請求項４】上記各スポットの形状が、異なる２種類
以上の形状であることを特徴とする請求項１又は３記載
の写真計測装置。
【請求項５】上記スポット光が対称形であることを特
徴とする請求項４記載の写真計測装置。
【請求項６】スポット光投影器からスポット光を被測
定物に散点状に投影し、多数の受光素子が配列された撮
像部を有する電子カメラに被測定物上のスポットの像を
結像させ、該受光素子の信号を処理することにより該像
の計測を行う写真計測方法であって；上記スポット光投
影器の投影する各スポットが、上記電子カメラで該スポ
ットが撮影される際に、被測定物の面の特性に応じて個
性化される程度の大きさとしたことを特徴とする写真計
測方法。