JPS60218016A - 掘削面形状の計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、掘削面に多数のスポット光を投射し、これを
゛投影機から離れた位置で撮像して掘削面の凹凸を＠像
面上での変位量として測定することにより、可動部を有
することなく非接触で掘削断面の三次元形状の計測を行
う掘削面形状の計測方法及びその方法を実施するための
装置に関する。

従来、地下大空洞或いはトンネル断面など掘削面の仕上
り精度を計測する方法として、スケールや伸縮棒など断
面に直接触れて計測する方法と、測距測角儀法や測量用
カメラを用いる複写真法などの非接触で計測する方法が
実用化されている。

このうち測距測角儀法は、スリット光の投射によって断
面を表示して断面における光線上を任意の間隔で角度と
距離を測定ＦＩＪＩ！シ座標を得る方法である。このた
め計測には人手を要し、大断面を短時間で計測できない
。また複写真法は、写真処理及び図化機による処理が必
要であり、即時に計測＠果を出力できない。

本発明は、これらの欠点を解消し、無人で即時にｉｌ測
でき、自動掘削機等のロボットの目としての役割を果す
ことができる掘削面形状の計測方法及びその方法を実施
するための装置を提供することを目的としてなされたも
のである。

このため本発明によれば、投影機から多数のスポット光
を掘削面などの凹凸を有する面に照射し、これを投影機
から離れた位置で１１ｉｌＩｌ！することにより得られ
る光点の撮像面上の平面位置と、コンピュータで記憶し
た既知の距離に設定された仮想平面上に投影機により投
射された時に出来る光点を撮像することにより得られる
光点の＊＊面上の平面位置との弯位量をコンピュータで
演算し、対象面と仮想平面とのズレを算出することによ
り対象面の三次元形状を測定する。

以下に本発明の実施例につき添付図面に基づき詳述する
。

第１図は構成機器及び測定方法の全体概略図であり、図
中１は光点を投射する投影機、２は搬像のためのビデオ
カメラ、３は画一データをＩＩＩ処理するコンピュータ
、４は演算処理結果を出力するコンピュータ周辺機器で
あり、プリンター、ディスプレイ、プロッタ等からなっ
ている。また５は対象とする掘削面、６は掘削面上の光
点を表す。

第２図（ａ）は測定原理の平面図、（ｂ）は側面図を表
し、図中７は仮想面を、８はカメラの撮像面を表す。

三次元座標の基準点（０，Ｏ，Ｏ）をビデオカメラのレ
ンズ主点位置とし、レンズ主点と投影機を結ぶＸ軸、ま
たレンズ主点からのレンズ光軸を２軸、またＸ軸、Ｚ軸
に直交する高さ方向でレンズ主点を通る軸をＹ軸、また
Ｚ軸上でカメラより一定距離に離れＸ−Ｙ平面と平行な
面を仮想平面とする。

第３図（ａ）、（ｂ）°は仮想平面上の光点位置をめる
ための補助図であり、（ａ　）はＸ−Ｚ平面図、（ｂ）
、はＹ−Ｚ平面図である。

図中 ０・・・カメラの位置 Ｔ・・・投影機の位置 Ｓ・・・カメラのｍｅ面とＺ軸の交点 Ｋ・・・仮想平面とＺ軸の交点 Ｉ」・・・・仮想平面上の光点位置 Ｈ′・・・カメラの＊＊面上の光点位置し・・・０点と
Ｔ点間の距離 Ｍ・・・０点とＳ点間の距離 Ｎ・・・０点とに点間の距離 であり、Ｈ点よりＸ、Ｙ軸に下した垂線の交点をそれぞ
れＩ、Ｊとすると、第３図（ａ　）よりΔ　Ｈ■　０　
Δ　ＯＳ　Ｈ− 、’、ｌ−Ｉ　Ｉ　：　Ｉ　０＝Ｏ８：　ＳＨ−８ｌ−
１′−（ＩＯＸＯ８）／１−（１また第３図（ｂ）より ΔＨＪＯＣ／）Δ０８Ｈ− ８Ｈ−−（ＪＯＸＯ８）／ＨＪ 仮想平面上の光点位置、撮像面上の光点位置をそれぞれ
（ＫＸ　、　Ｋｙ　、　Ｋｚ　）、（Ｓｘ　ｓ　Ｓｖ　
。

Ｓｚ）とすると、 ５ｘ−−（ＫＸ　・Ｍ）／Ｎ Ｚ　−−Ｍ Ｓｙ　−−（Ｋｚ　ｘＭ）／Ｎ となる。

仮想平面上の光点位置は既知であることがら、仮想平面
上の光点に対応する撮像面上の平面位置は計算によって
めれられる。

以下に掘削面の三次元形状を得るための計梓を示す。

（１）　Ｘ、Ｚ座標をめる。

第２図（ａ）の平面図において計算を必要とする掘削面
位置は、仮想平面に比べ遠方となる場合と近方となる場
合の２通りであり、それぞれを第４図、第５図に示す。

ν）ずれの場合も計算を必要とするのは次の６ケースで
ある。

ケース■・・・掘削面上の光点が投影機の左側にある場
合 ケース■・・・掘削面上の光点が投影機の正面にある場
合 ケース■・・・担削面−Ｅの光点が投影機とカメラの間
にある場合。

ケース■・・・掘削面上の光点がカメラの正面にある場
合 ケースＶ・・・仮想平面上の光点がカメラの正面にある
場合 ケース■・・・掘削面上の光点が投影機の右側にある場
合 第４図において、 Ａ１〜＠：Ｉ！削面上の光点 ト１１〜６　：仮想平面上の光点 Ａ′１〜ｅ　：ｌｌ像面上の光点 この６））−スにおける計算のための補助図を第６図な
いし第１１図に示す。図中掘削面上の光点Ａとカメラ位
置（基準原点）を結ぶ線分と仮想平面との交点を８１ま
たＡｌＨ，８点より仮想平面Ｘ軸上に下した垂線の交点
をそれぞれＣＳＤ、Ｅ。

Ｆとすると、 ΔＢＯＦ■ΔＯＡ　′Ｓ ΔＨＯＥすΔ０Ｈ−８ ｉ−Ｉ　Ｅ　−Ｂ　Ｆ 、’、ＥＦ−＜Ｈ′　Ｓ−Ａ　′　５）ＸＨＥ１０ＳＨ
Ｂ また ΔＡ１−１３Ｉ１０ΔＡＴＯ ＡＨ：ＡＴ−１１Ｂ：ＴＯ（１） ΔＡＣＨｃ／）ΔＡＤＴ　’ 、’、ＨＢ　：　Ｔｏ−ＣＨ：　ＤＴ Ｄ　Ｔ　−ＣＩ−１＋　Ｅ　Ｏ−Ｔ’　０故に ＣＨ−（ＨＢＸ（ＥＯ−Ｔｏ）　）／　（Ｔｏ−１−１
ｎ）＝ＤＥ ／（Ｔｏ−ＥＦ） 掘削面上の光点位置、黴像面上の光点位置をそれぞれ（
Ｘ、Ｙ、　Ｚ’）、（Ｘ　、Ｖ　、　Ｚ　）とし、既知
の値を代入して象限による正負を考處すると、Ｘ＝Ｌ−
Ｎ・ｘ　／　（Ｌ−Ｍ−Ｎ　（Ｓｘ　−ｘ　）　）Ｚ＝
Ｌ−Ｍ−Ｎ／（Ｌ−Ｍ−Ｎ　（Ｓｘ　−ｘ　））以上の
計算によりケース■〜■についても同様にめられる。そ
の結果を第２１図に示す。

第５図において、 Ａ１〜６　：ｍ割面上の光点 Ｈ１〜６　：仮想平面上の光点 Ａ＝１〜＊　：Ｉｉ像面上の光点 この６ケースにおける計算のための補助図を第１２図な
いし第１７図に示す。掘削面上の光点ＡよりＸ軸上に下
した交点をＥｌまたＡ点と１点及０点を結ぶ線分を延長
し仮想平面との交点をＨ，Ｉ、またＨ、ＩよりＸ軸上に
垂線を下しＡ点を通るＸ軸と平行な線分との交点をＢ、
ＣまたＸ軸との交点をＥ、Ｆ＝とすると、 Δｌ０ＦＣ’Δ０Ａ−８ １Ｆ：０Ｆ−Ｏ８：Ａ′８ ΔＨＯＥすΔＯＨ′５ ＨＥ−Ｉ　Ｆ ０Ｓ−ＣＢ また ΔＩＡＣωΔｌ０Ｆ １Ｃ：１Ｆ−ＡＣ’：ＯＦ　（３） Δ　Ｉ］　△　ＢｏつΔ　トＩＴＥ （ＡＢ十ＢＣ）：０Ｆ＝ＡＢ ：　（ＯＥ−ＯＴ） ＝ＤＥ 更に（３）より 掘削面上の光点位置、撮像面上の光点位置をそれぞれ（
Ｘ、Ｙ、Ｚ）、（ｘｑｙｌ、＋）とし、既知の値を代入
して象限による正負を考慮すると、Ｘ−−Ｌ−Ｎ−ｘ　
／　（Ｌ−Ｍ＋Ｎ　（ｘ　−８ｘ　）　）Ｚ−Ｌ−Ｍ−
Ｎ／（Ｌ−Ｍ＋Ｎ（ｘ−８Ｘ））以上の計算によりケー
ス■〜五についても同様にめられる。その結果を第２２
図に示す。

以上の結果より掘削面上の光点位置のｘ１７座標は Ｘ　−−Ｌ　−Ｎ−ｘ　／　（Ｌ−Ｍ−Ｎ　（Ｓｘ　−
ｘ　）　）Ｚ−Ｌ−Ｍ’Ｎ／（Ｌ−Ｍ−Ｎ（Ｓｘ−ｘ）
）（２）　Ｙ座標をめる。

第３図（ｂ）に示すように投影機とカメラはＸ軸上にあ
るので、掘削面が仮想平面と比べ遠方あるいは近方どち
らにあっても仮想平面上の光点に対する撮像面のｙｊＩ
標と掘削面の光点に対する撮像面のｙ座標とはズレない
。

計算のための補助図を第１８図に示す Ａ点よりＹ軸上に下した垂線の交点を８とすれば、 ΔＡ−８０（／ｌΔＯＢＡ 八　８　：　８０−ＯＢ　：　ＢＡ 、°、ＯＢ　＝　（Ａ　＝　５ｘＢＡ）　／Ｓ。

ＢＡには（１）項での計１算結果を代入し、掘削面」−
の光点位置、撮像面上の光点位置をそれぞれ（Ｘ、ＹＳ
Ｚ）、（ｘ　、ｙ　Ｓｚ　）とし、象限による正負を考
慮すると Ｙ＝　［−１・（Ｌ−Ｍ−Ｎ） ／　（Ｌ−Ｍ−Ｎ　（Ｓｘ　−ｘ　）　）　］］／Ｍ＝
−Ｌ−Ｎ−Ｖ／　（Ｌ−Ｍ−Ｎ　（Ｓｘ　−ｘ　）　）
従って、ビデオカメラより一定距ｌ１１１＃ｉれた位置
に仮想平面を設ける′ことにより掘削面の凹凸を計算に
よってめることができる。第１９図は構成機器のブロッ
ク図であり、投影機よりなるスポット光線照射部１、ビ
デオカメラよりなる画像入力部２、コンピュータよりな
る演算部３、コンピュータ周辺機器である画像処理デー
タ出力部４とよりなっている。コンピュータ３は中央制
御装置３１、主記憶装置３２、磁器ディスク３３、フロ
ッピーディスク３４、画像メモリ３５などよりなってお
り、またコンピュータ周辺機器４はプリンター４１、プ
ロッター４２、画像ディスプレイ４３などよりなってい
る。

第２０図は操作手順を示すフローチャートで、このフロ
ーチャートと第１９図の構成機器のブロック図を参照し
操作手順につき説明する。

スタートに際し、事前準備として投影機及びビデオカメ
ラの位置決め（ステップＳ１）、仮想平面設定（ステッ
プ８２　）を行う。事前準備を完了すれば投影機よりス
ポット光を照射しくステップＳ３）、ビデオカメラによ
り掘削面のスポット光を取り込む（ステップ８４　）。

コンピュータにより２値化等の画像処理を行い（ステッ
プＳｓ　）、記憶装置へデータを取り込み（ステップＳ
＠）、当該データに基づき仮想平面の基本座標と掘削面
のスポット光とのズレを算出（ステップ８７）、以て演
棹処理による掘削面の凹凸の把握（ステップＳｇ＞がな
される。コンピュータより２１ｉ１１化したデータやス
ポット光の座標および算出された掘削面の凹凸情報は、
コンピュータ周辺機器に入力され、プリンター打ち出し
くステップＳ３）、ディスプレイ表示（ステップ５ｗ３
）、プロッター作図（ステップ５１１）等による出力が
なされ、測定作業は終了する。この際、コンピュータに
よる演算は勿論前述の計算式に駐づきなされる。

以上説明したように本発明は、投影機から多数のスポッ
ト光を掘削面など凹凸を有する面に照射し、これを投影
機から離れた位置でｔｉ像することにより得られる光点
のＩｌ像面上の平面位置と、コンピュータにより記憶さ
れた既知の距離に設定された仮想平面上に投影機より投
射された時にできる光点を撮像することにより得られる
光点のｌ１ｌｌ像面の平面位置との変位量をコンピュー
タで演算し、対象面と仮想平面とのズレを算出すること
により対象面の三次元形状を測定するものであるので、
無人でかつ即時に計測でき、自動掘削機などのロボット
の目としての役割を果すことができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は掘削面形状の翳１測装置及び測定方法の全体概
略図、第２図（ａ　）、（ｂ）は測定原理の平面図及び
側面図、第３図（ａ）、（ｂ）は仮想平面上の光点位置
をめるための補助図で（ａ、）はｘ−ｚ平ｒｍ図、（ｂ
　）Ｇ；ｔＹ−Ｚ平面図、第４図は第２図（ａ　）の平
面図において計算を必要とする掘削面位置が仮想平面に
比べ遠方となる場合の測定原理の平面図、第５図は第２
図（ａ）の平面図において計算を必要とする掘削面位置
が仮想平面に比べ近方となる場合の測定原理の平面図、
第６図ないし第１１図は第４図において６ケースにおけ
る計算のための補助図、第１２図ないし第１７図は第５
図において６ケースにおける計算のための補助図、第１
８図（ａ　）、（ｂ）は共に座標計算のための補助図、
第１９図は装置のブロック図、第２０図は操作手順を示
すフローチャート図、第２１図は掘削面が仮想平面より
遠方の場合の計算結果の一覧表、第２２図は掘削面が仮
想平面より近方の場合の計算結果の一覧表である。 １・・・投影機　２・・・ビデオカメラ３・番・コンピ
ュータ　４・・・コンピュータ周辺機器　５・・・対象
とする掘削面　６・・・掘削面上の光点 第４図 第１０図　第１１図 第１２図　第１３図 第１４図　第１５図 第１６図　第１７図 第１９図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　掘削面など凹凸を有する面の前面に投影機をｉ
   ［し、投影機から多数のスポットを面に投射して断面上
   に光点を作り、投影機から離れて設置するビデオカメラ
   等で断面上の光点を撮像することにより１ワられる光点
   の撮像面での位置と既知の距離に設定する仮想平面上に
   投影機から投射された時に出来る基準となる光点の撮像
   面での位置とのズレ■をコンピュータ等を用い演算し、
   凹凸面と仮想平面との相対的変位量を算出して凹凸を有
   する面の三次元形状を測定することを特徴とする掘削面
   形状の４測方法。
2. （２）　掘削面など凹凸を有する面の前面に設置され多
   数のスポットを面に投射して断面上に光点を作る投影機
   と、投影機から離れて設置され断面上の光点を撮像する
   ビデオカメラとビデオカメラで断面上の光点を撮像する
   ことにより得られる光点のｍ像面での位置と既知の距離
   に設定する仮想平面上に投影機から投射された時にでき
   る基準となる光点のｌｌｌｌｌ１面での位置とのズレ聞
   を演算し、凹凸面と仮想平面との相対的変位量を算出す
   るコンピュータとからなることを特徴とする掘削面形状
   の計測装置。