JPS6271813A - 測定方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、橋梁の桁右よび建物の鉄骨等の大型の構造体
の形状および尺度を短時間に高精度で測定するための方
法に関するものである。

（従来の技術） 従来、大型の構造体の形状および尺度を三次元的に把握
するには接触型測定器が用いられて来た。

しかし被測定物が２０ｍ〜３０ｍの長さを有するものに
なると、非常に大型の測定装置が必要であるため、多大
な設備投資を余儀なくされるという問題がある。

また写真測定は間接的な計測法で、写真からの情報に多
くの処理をしなければ形状および尺度の把握が出来ず、
しかも多くの時間がかかる。またスケールなどによる測
定は三次元的な形状および尺度の把握には不適当であり
、精度も悪いという問題がある。

以上の理由から、現在までは長さ２０ｍ〜３０ｍ規模の
大型構造体を高精度（０，５ｍｍ以内の寸法誤差）で箭
率良く測定できる有効な手段はなかった。

このため本出願人は先に、高精度角度検出装置に接続し
た垂直軸を高精度軸受により回転自在に支承し、この垂
直軸と一体の水平軸を介して固体撮像素子内蔵カメラ、
ＩＴＶなどの高精度撮像装置を上下方向に傾動自在に設
けて測角儀を形成し、この測角儀と電子制御ユニットを
組み合わせて、前記高精度撮像装置による画像上の各タ
ーゲット座標を三角測量方式により演算して、短時間に
被」１ｊ定物を高精度で測定できるようにしたことを特
徴とする測定方法（特願昭５９−５３２２６号）を出願
した。

第８図は上述した測定方法を示すもので、図中ａは被測
定物、ｂはその測定点（ターゲット）、Ｃはカイトフレ
ーム、ｄはガイドフレームＣに摺動自在に載冒したサド
ノベｅはこのサドルｄ上に設けたカメラ式測角儀Ｍのロ
ータリーエンコーダ、ｆは台、ｇは水平軸、ｈはＣＣＤ
カメラ、ｌは測角儀用電子制御ユニット、」はＣＣＤカ
メラ用電子制御ユニット、ｋは測角儀移動用τ子制御ユ
ニット、！はパー゛ノナルコンピュータである。

（発明が解決しようとする問題点） ｈｉの測定機で２０ｍ近い部材を高精度で測定するには
、三角測量法の原理によると長くてしがも正確なガイド
フレームＣが必要となる。しかしながらこのように長い
ガイドフレームＣはコスト的に極め足高価なものになる
ため、実用的には不得策であるという問題点がある。

また第８図のカメラ式測角儀Ｍは、ロータリーエンコー
ダ等の高精度角度検出装置を必要とすると共に、空気軸
受等の高精度軸受を必要とするためコストが増大すると
いう問題点がある。

（問題点を解決するための手段） 上述の問題点を解決するため本発明の測定方法は、固体
撮像素子内蔵カメラ、ＩＴＶなどの高精度撮像装置を直
交する二軸によって支承したカメラ式測角儀を形成し、
この複数台の測角儀と定規を予め測定されている位置に
設置し、これらの定規を測角儀のカメラに撮して各測角
儀の向きを把握すると共に、同時に撮した被測定物の測
点の画像データを二個所の測角儀より得て、各測角儀と
接続した電子制御ユニットにより処理して、各測点の座
標を三角測量方式により演算することにより、被測定物
の各測点の三次元座標値を得るようにする。

（１乍　用） 本発明は上述の通りであるから、従来必要とした長くて
正確なガイドフレームを全く必要としないため、コスト
を著しく軽減することができる。

また本発明で使用するカメラ式測角儀は、角度を直接測
定しないため、ロータリーエンコータ等の高精度角度検
出装置や、空気軸受等の高精度軸受を必要としない。

したがって本発明で使用するカメラ式測角儀は製造が容
易になると共に、コストも低減することができる。

またこのカメラ式測角儀を多数配置して測定すれば、測
定時間を著しく短縮することができる。

（実施例） 以下、第１図〜第７図について本発明の実施例を説−す
る。

第２図は本発明で使用するカメラ式測角儀Ｔの一例を示
すもので、１は上座、２は台座１に対して回転自在に設
けた垂直軸、３は垂直軸２と一体に形成した三叉状のブ
ラケット、４はこのブラケット３と水平軸５を介して回
動自在に連結した架台、６はこの架台４にセットしたＣ
ＣＤカメラである。このカメラ６はＣＣＤカメラ（固体
撮像素子内蔵カメラ）の他、ＩＴＶなどの高精度撮像装
置でもよい。

このカメラ式測角儀Ｔは、カメラ６が任意の方向にセッ
トされ得るように水平方向には矢印θのように回転し、
鉛直方向に対しては矢印Φのように回転可能な機能を有
している。またこれら垂直および水平の回転中心０がカ
メラ６の画像中心に一致し、且つ、基準点（測定場で設
けるカメラの据付点と一致する点）Ｐと回転中心０との
位置関係がわかった構造としである。そしてこのカメラ
式測角（ｔｉＴには、上述したロータリーエンコーダや
、空気軸受は全く必要でない。

第１図は本発明の測定方法を実際に適用する場合の一例
を示すもので、図中７は被測定物である。

この被測定物７を隈なく測定できるように、その周囲に
多数の前記カメラ式測角儀Ｔ（図中○印で示す）を据え
つける。また、これらの測角（ａＴの間には多数の定規
用ターゲット８を前面的に接地する。９はその定規面で
ある。この場合、測角儀Ｔの据付照と定規用ターゲット
８は予め三次元的に測定しておく。すなわち０−ＸＹＺ
の座標値として得ておく。このようにすれば例えば０点
の測角儀Ｔのカメラて（ま、第１図（ａ）、（ｂ）に示
すように、被測定物７の測点と定規用ターゲット８とを
同時に画像データとし、て採り込むことができる。この
ことＬｌ、Ａ点のカメラについても同じことが言える。

尚、０．Ａのカメラでは、場所の異なる定規用ターゲッ
ト８を少な（とも２個所以上読み取っておく必要がある
。

なお１０は電子制御ユニットであるカメラコントロール
ユニット、１１はパーソナルコンピュータ、１．２はホ
ストコンピュータ、１３はケーブルである。

以上のようにして得られる各カメラの画像データを電子
制御ユニットにより、処理すると共に、コンピュータに
よって演算することにより、被測定物７の各測点の三次
元座標値を最終的に０−ＸＹＺの座標値としで得ること
ができる。

また、得られた被測定物の三次元座標値は、パーソナル
コンピュータ１１からホストコンピュータ１２へ用途に
合わせて転送される。

以下、第３図〜第７図について本発明の測定方法を説明
する。本発明は第３図に示すように、カメラ式測角儀Ｔ
のカメラを据え付けた時の回転中心の位置ＣＬ、ＣＲと
定規として配置された点Ｐｊ（ｊ＝１．２，３．４）を
予め測定しておき、この条件下で任意の測点１の座標値
（Ｘｉ、Ｙｉ）を２個所にセットされたカメラの画像デ
ータで決定する方法である。

即ち、第３図の状態で、左右のカメラにより測定可能な
範囲の定規点Ｐｊと測点ｌとを同時に画像データとして
取り込んでおく。この場合、例えば左のカメラでは定規
点Ｐ２．　ｈ＋　ｐ、のデータが画面のＸ軸上にＭ２．
　Ｍ３．　Ｍ４として得られたとすると、カメラ自身の
傾きＴＬは最小二乗法により決定することができる。右
のカメラに対しても全く同様にしてＴＲが求められる。

このように２台のカメラの位置と方向が得られることか
ら、測点１の座ｍ　値（Ｘ　ｔ　、　Ｙ　ｉ）　Ｉｔ、
左右のカメラの画像点ＩＡ　Ｌ　ｌ　、　！Ｊ　Ｒｔの
局部座標直（画像データ）を用いて、三角測量方式によ
り算出することができる。

上述したように、本測定方法はキャリブレーション（カ
メラの傾きの決定）と測定を同時に行うものであり、各
カメラでは多数の定規点を読み、かつ測点ｌを得るため
の組合せ数（第３図では左右のカメラが組）を増す等し
て測定精度の向上を図ることが肝要である。

上記の二次元問題を三次元的に拡張した場合は、第４図
のように、カメラの局部座標系の各軸の回転角α、β、
γを未知数として、これらをキャリブレーションにより
決定し、成る測点１の三次元座標値を求める問題となる
。

尚、キャリブレーションを行う際の測定条件としで、左
右のカメラでは、少なくとも２点以上の定規点Ｐｊによ
り上記の未知数を決定する必要がある。

つぎに未知数の決定について説明する。

今、第５図に示すようにカメラがセットされたとすると
、既知量は ＰＪ：定規点（ＸＰ（」）、　ＹＰ（ｊ）、　ＺＰ（，
１））Ｃ：カメラの局部座標系の原点位置（ＸＣ，ＹＣ
，ＺＣ）ＭＪ：画像点の局部座標値（ｘｍｍ（ｊ）、　
Ｏ，ｚｍｍ（］））（］ｊ４−−−ｎｊ　ｎｊ＞＝２） である。これらの値を基にして、ここではカメラの測定
状態を把握するために必要な以下の未知数を決定する方
法についてのべる。

まず、レンズの中心点Ｆの計測天座標値は、カメラの局
部座標値を変換すると次のようになる。

ここで ＬＬ　　＝　　ＣＯ３ｒ＊ｃＯ８β−５ＩＮ　ｒ本ＳＩ
Ｎα京ＳＩＮβＬ２　　＝−３ＩＮ　ｒ本ＣＯ８α Ｌ３　　＝　　ＣＯ３７本ＳＩＮβ＋ＳＩＮ　ｒ＊ＳＩ
Ｎα本ＣＯＳβＭｌ　　＝　　５ＩＮｒ＊ＣＯ３β＋Ｃ
Ｏ３ｒ本ＳＩＮα本ＳＩＮβ！４２　＝　ＣＯ３γ＊Ｃ
Ｏ３α ！、１３　＝　Ｓｉ＞ｉ　Ｔ＊ＳＩＮβ−ＣＯ３ｒ＊Ｓ
ＩＮα＊［’：Ｏ３β’ｌｉ　＝−ＣＯ３α＊ＳＩＮβ Ｎ２　＝　ＳＩＮα Ｎ３　　＝　　ＣＯ３α本ＣＯ３β （Ｘｃ、　Ｙｃ、　Ｚｃ　）　’　：　局部座ｊＭ系（
Ｄ原、ｉ、Ｃ）計測天座標値 （ｏ、ｆ、　ｏ）　ｒ：　　レンズ中心Ｆの局部座標値
定規点ＰＪを読み取った画像面上の投影点Ｍｊ（ｘｍｍ
　（ｊ）　、　Ｏ，ｚｍｍ　（ｊ）　）　　も式（１）
と同様に、以下のように変換することができる。

（ｊ４−−−−ｎｊ、　ｎｊ＞＝２） 光軸は第５図に示すように、定規点Ｐｊ　（ＸＰ（ｊ）
。

ＹＰｒｊ）、　ＺＰ（ｊ＞）　ト１／　７ズ中心点Ｆ（
ＸＦ、　ＹＦ、　ＺＦ）　上を直進するという条件によ
り、次の直線方程式が得られる。

（ｊ４−−−ｎｊ、　ｎｊ＞＝２） また、画像面は点Ｃ（ＸＣ，ＹＣ，ＺＣ）　　（！：点
Ｆ　（ＸＦ、　ＹＦ、　ＺＦ）　ｌ：より、ＡＸ　＋　
ＢＹ　＋　ＣＺ　＋　Ｄ　＝　０　　　　　　　　　（
４）ただし Ａ＝　（ＸＦ−ＸＣ）　／Ｒ Ｂ＝　（ＹＦ−ＹＣ）／Ｒ Ｃ＝　（ＺＦ−ＺＣ）　／Ｒ と表わすことができる。したがって、光軸と画像面との
交点ＰＦｊ（ＸＰＦ（ｊ）、　ＹＰＦ（ｊ）、　ＺＰＦ
（ｊ））　１２式（３）と（４）を連立させることによ
り以下のようになる。

ＸＰＦ（ｊ）　＝　ＸＰ（ｊ）　＋　ｔ（ＸＦ−ＸＰ（
ｊ））ＹＰＰ（３）　＝　ＹＰ（ｊ）　＋　ｔ（ＹＦ−
ＹＰ（ｊ））　　　　　　（５）ＺＰＦ（ｊ）　＝　Ｚ
ＰＧ）　＋　ｔ（ＺＰ−ＺＰ（ｊ））ここに （ｊ＝ｌ−−−ｒ弓、　　ｒ、ｊ＞＝２）以上のことか
ら、α、β、γの未知数は、第５図のＰ７　とｊＡＪと
の距離δＪの二乗和が最小となる状態で決定される。す
なわち、式（２）、　（５）からここで δ＊’＝（ＸＭ　　（Ｊ）−ＸＰＰ（」））２＋（ＹＭ
（Ｊ）−ＹＰＦ（ｊ））２〒＜ｌ！Ａ　（Ｊ）−ＺＰＦ
　（Ｊ））　２の目的関数を最小化する問題に帰着する
ことができる。

次に計測室標値について説明する。

前述したように、２台のカメラについてそれぞれ未知数
が決定されたとして、今度は第６図に牙す測点ｌの座標
（直（Ｘｉ、　Ｙｉ、　Ｚｉ）を決定する場合について
述べるっ 第６図の左のカメラに着目すると、点ＭＬｉ　の計測天
座標値は式（２）と同様に次のようになる。

ただし くＬｋ、　ＭＫ、　Ｎｋ　）　”　（ｋ＝１．２．３戸
前に得られた未知数による方向余弦（式（２）参照）（
ｘＭＬｉ、　０．　ｚＭＬｉ　）　”　　　　：画像デ
ータＸｃＬ、　ＹｃＬ、　ＺｃＬ）　”　　　　：カメ
ラの局部座標系原点の計測天座標値また、Ｌ／７ズ中心
点ＰＬ（ＸＦＬ、ＹＦＬ、ＺＦＬ）　ｌＪ式（１）テ得
られるので、この点と式（７）の画像点ＭＬｉを通る直
線（光線）の方程式は、 になる。式（８）の直線とｘＺ面との交点ＳＬｉ　　（
第６図を参照）の計測天座標値は２式（８）にＹ＝０を
代入°　　することにより以下のように表わすことがで
きる。

Ｘ５Ｌｉ　＝　−ＹＦＬ本（ＸＭＬｉ−ＸＦい八ＹＭＬ
ｉ−ＹＦＬ）＋ＸＦＬ　　（９）ＺＳＬｉ　＝　−ＹＦ
Ｌ本（ＺＭＬ　１−ＺＦＬ）　／　（ＹＭい−ＹＦＬ）
　＋ＺＦＬ上述の式（７）、　（８）、　（９）は、右
側のカメラに対しても同じことが成り立つ。第７図は以
上のようにして求められた諸点を立体表示したものであ
る。

第７図に示す直線ＡＣは？ＪＬｉ、ＦＬのＸＹ画面上投
影点を通ることから、その方程式は次のように１よる。

Ｙ　　＝　　ａＬｉ＊　　ＸｔｂＬｉ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　Ｏ［］ここに ａＬｉ＝　（ＹＦＬ−Ｙ！、〕Ｌｉ）／　（ＸＦＬ−Ｘ
ＭＬｉ）ｂＬ＋＝　　ＹＦＬ−ａＬｉ＊　　ＸＦＬまた
、直線ＢＣ（Ｙ＝ａＲｉ零Ｘ＋ｂＲｉ）も同様に点ＭＲ
ｉ、ＰＲから得ることができる。第７図の点Ｃは、実は
測点１のＸ、Ｙ座標値に等しいことから、点ヱの座標値
は直線ＡＣ，ＢＣの交点として弐０１）のように求める
ことができる。

Ｘｉ　＝　（ｂＬｉ−ｂＲｉ）／（ａＲｉ−ａＬｉ）　
　　　　　　ＱＤＹｉ　　＝　　ａＬｉ＊　　Ｘｉ＋ｂ
Ｌｉ更に、第７父の点ＭＬｉ　とＰＬから ｔａｎφＬｉ　＝ΔＺＬｉ７’ｒＬｉ　　　　　　　　
　Ｑ２まただし ΔＺＬｉ　＝　ＺＦＬ−ＺｆＪい ｒＬｉ　　＝　　　（ＸＦＬ−ＸｔＪＬｉ）２＋（ＹＦ
Ｌ−ＹｉＪＬｉ）２の関係力゛あろので、Ｚｌの座標値
は式（９）、　Ｑｌ）、　Ｑ２）を用いて次のように求
めることができる。

Ｚｉ　＝　　（Ｘｔ−ＸＳＬｉ）’Ｙｉ”＊　ｔａｎφ
Ｌｉ＋ＺＳＬｉ　　（１（発明の効果） 本発明は上述の通りであるから、従来必要とした長くて
正確なガイドフレームを全く必要としないため、この点
においてコストを著しく軽減することができるという効
果が得られる。

また本発明で使用するカメラ式測角儀は、角度を直接測
定しないため、ロータリーエンコーダ等の高精度角度検
出装置や、空気軸受等の高精度軸受を必要としない。し
たがって本発明で使用するカメラ式測角儀は製造が容易
になると共に、コストも低減することができるとういう
効果が得られろ。

またこのカメラ式測角儀を多数配置して測定すれば、大
型被測定物の測定を高精度でしかも短時間で測定できる
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例を示す平面図、第１図
（ｂ）はその側断面図、 第１図（Ｃ）は同図（ａ）の定規面を示す正面図、第２
図（ａ）はカメラ式測角儀の正面図、第２図（ｂ）はそ
の側面図、 第３図〜第７図は本発明測定方法の説明図、第８図は従
来の測定方法の説明図である。 Ｔ・・・カメラ式測角儀　　７・・・被測定物訃・・定
規用ターゲット　９・・・定規面■０・・・カメラコン
トロールユニット１１・・・パーソナルコピュータ １２・・・ホストコンピュータ ｉ３・・・ケーブル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、固体撮像素子内蔵カメラ、ＩＴＶなどの高精度撮像
   装置を直交する二軸によって支承したカメラ式測角儀を
   形成し、この複数台の測角儀と定規を予め測定されてい
   る位置に設置し、これらの定規を測角儀のカメラに撮し
   て各測角儀の向きを把握すると共に、同時に撮した被測
   定物の測点の画像データを二個所の測角儀より得て、各
   測角儀と接続した電子制御ユニットにより処理して、各
   測点の座標を三角測量方式により演算することにより、
   被測定物の各測点の三次元座標値を得るようにしたこと
   を特徴とする測定方法。