WO2005054779A1 - 非接触三次元計測方法および装置 - Google Patents

非接触三次元計測方法および装置 Download PDF

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Cunwei Lu
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School Juridical Person Of Fukuoka Kogyo Daigaku
Matsuno Design Tenpo Kentiku Co., Ltd.
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    • G06T7/60—Analysis of geometric attributes
    • G06T7/62—Analysis of geometric attributes of area, perimeter, diameter or volume

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring the length, area, or volume of a whole building or a specific part of various buildings such as buildings and towers by a simple operation using a photographing image using a simple device.
  • the present invention relates to a non-contact three-dimensional measurement method and apparatus that can be used.
  • a non-contact three-dimensional measurement method of an object there is a three-dimensional image measurement method based on stereo vision.
  • this method two or more photographs of an object to be measured are taken, and three-dimensional coordinates of a measurement point are calculated by a computer based on a principle such as triangulation.
  • triangulation using a telescope-equipped measuring device and red and white dangling sticks is still used.
  • Patent Document 1 discloses that a digital camera equipped with a device for obtaining posture direction information is freely rotated, a target point is photographed from any two points, and a three-dimensional position of the target point is measured. A method is disclosed. It is described that according to this method, the three-dimensional positions of a large number of target points can be accurately measured by a simple method.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-336930
  • the technology disclosed in the above-mentioned patent document has a problem that a complicated device configuration is required for a free rotation mechanism of a digital camera, and the cost is increased. [0005] Therefore, the problem to be solved by the present invention is that the length, area or volume of various buildings such as buildings and towers or specific parts can be easily manipulated using a simple device. It is an object of the present invention to provide a non-contact three-dimensional measuring method and device capable of measuring by operation. Means for solving the problem
  • the method of the present invention for solving the above-mentioned problems is based on a method in which an object is photographed with a plurality of vertical force digital cameras, the positions of a plurality of measurement points on the object in the photographed images, and the plurality of positions.
  • a non-contact three-dimensional measurement method characterized by calculating a length between the plurality of measurement points or an area or volume of a part surrounded by the plurality of measurement points based on a height difference between imaging points.
  • a digital camera is mounted on a tripod head, the head is moved up and down to photograph a plurality of position objects, and a plurality of photographed images and a plurality of photographing point heights are taken.
  • Information can be input to a computer, and a computer can perform an operation by clicking a plurality of measurement points on an object with one of the plurality of images on a display attached to the computer.
  • the present invention for solving the above-mentioned problems includes a digital camera for photographing an object and a camera vertical movement fixing for moving the camera up and down to fix a photographing point. Based on the device, height information of multiple imaging points, and multiple captured images, the length between multiple measurement points on the object, or the area or volume of a region surrounded by the multiple measurement points.
  • a non-contact three-dimensional measuring device comprising: a computer for obtaining the image data; and a display attached to the computer for displaying the image and for instructing the start of a predetermined calculation by clicking a measurement point. It is.
  • the camera vertical movement fixing device may be composed of a tripod and a head that can move vertically.
  • the present invention it is possible to measure the length, area, or volume of an entire or specific part of various buildings such as buildings and towers by a simple operation using a simple device. . Therefore, the equipment cost is low, and a digital camera and a tripod with a head that can move up and down are installed at the measurement site to take images, and image data is sent to a computer for measurement. Values can be obtained, and computer operation is easy. This is extremely effective for applications that do not require high precision.
  • the digital camera 1 also photographs the object 6 at a plurality of vertical positions.
  • the digital camera 1 can be attached to the camera platform 3 of the tripod 2 as in this example, and the camera platform 3 can be moved up and down to take a picture.
  • step 4 information on a plurality of shot images and a plurality of shooting points is input to the computer 4.
  • the reference surface force of the tripod 2 also indicates the height H, H to the camera 1 and the information of the shooting point.
  • the computer 4 calculates the length, area, and volume of a desired measurement point on the object 6.
  • each of the points A, B, C, and D is set as a measurement point, and the camera height H shown in Fig. 2 is used.
  • the length between AB, the area of the triangle ABC, and the volume of the quadrangular pyramid surrounded by each point of AB CD and the point on the back side can be obtained.
  • one of a plurality of images for example, the image in FIG. 2 is set as a reference image, and desired measurement points A and B on the object are set in the reference image.
  • the computer 4 By clicking, ⁇ ⁇ , the computer 4 can be operated.
  • the computer 4 automatically recognizes the measurement points A, B,... Other than the reference image.
  • the three-dimensional coordinates of each measurement point are calculated based on the principle of triangulation, and the length, area, and volume of a desired part are obtained from the obtained three-dimensional coordinates.
  • the three-dimensional coordinates, length, area, and volume of the measurement points obtained here are relative values (length ratio, etc.), and the distance between the camera 1 and the object 6 or a specific part of the object 6 By inputting the actual size of, the absolute value (such as m) can be obtained.
  • the absolute value such as m
  • photographing conditions such as zoom, focus, shutter speed, sensitivity characteristics, and white balance at a plurality of camera positions are not changed. It is desirable that the camera position moves up and down along the same vertical line, and the photographing angle is fixed.
  • the captured images can be output to the display 5 by connecting the memory to the computer 4 or transmitted to the computer 4 for output.
  • the computer 4 recognizes a small area around each measurement point as a determination area.
  • a small area of the same size corresponding to the determination area in the reference image is automatically selected.
  • the selected area is scanned, the color histogram of the selected area is compared with the color histogram of the determination area in the reference image, and the center point of the selected area having the highest similarity is determined by measuring points A and B in the image. , C, D.
  • the calculation result by the computer 4 is displayed on the display 5 and further output to a printer.
  • the device of the present invention is a device for performing the above-described method of the present invention.
  • one digital camera 1, a tripod 2, and a platform 3 that can move up and down are provided.
  • a computer 4 and a display 6 attached to the computer 4.
  • the digital camera 1 was mounted on the camera platform 3 of the tripod 2, the object 6 was photographed, and the points A, B, C, and D on the square pyramid roof were measured.
  • the height of the digital camera 1 is set to two levels, the camera platform 3 is moved vertically, and the height H, H of the camera 1 at the reference surface force of the tripod 2 is set.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a main configuration of the present invention.
  • FIG. 2 is an image example according to the present invention.
  • FIG. 3 is another image example according to the present invention.

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Abstract

【課題】　各種建築物等の全体あるいは特定部位について、長さ、面積または体積を、単純な装置を使用して簡単な操作で計測する。 【解決手段】　上下方向複数の位置からデジタルカメラで対象物を撮影し、各画像における対象物上の計測点の位置と複数の撮影点の高低差に基づいて、計測点の間の長さ、計測点で囲まれる部位の面積、体積を求める。三脚の雲台にデジタルカメラを取り付け、雲台を上下移動させて複数位置から撮影し、各画像と撮影点の高さ情報をコンピュータに入力し、ディスプレイ上で、一つの画像の対象物上の計測点をクリックして、コンピュータに演算を行わせる。 【効果】　装置コストが安価で操作も容易。特に高精度を要しない用途に極めて有効。

Description

明 細 書
非接触三次元計測方法および装置
技術分野
[0001] 本発明は、ビルや塔などの各種建築物等の全体あるいは特定部位について、撮影 画像により、長さ、面積または体積を、単純な装置を使用して簡単な操作で計測する ことのできる非接触三次元計測方法および装置に関するものである。
背景技術
[0002] 物体の非接触三次元計測法として、ステレオ視に基づく三次元画像計測方法があ る。該方法では、計測対象物体の写真を 2枚以上撮影して、コンピュータで三角測量 などの原理より、計測点の三次元座標を算出する。また、土木工事などの現場では、 望遠鏡付の計測装置と紅白のだんだら棒を使用する三角測量が依然として使われ ている。
[0003] 特許文献 1には、姿勢方向情報が得られる装置が取り付けられたデジタルカメラを 自由に回転させ、任意の 2点から目標点を撮影し、該目標点の三次元位置を計測す る方法が開示されている。該方法によれば、多数の目標点の三次元位置を簡単な方 法で精度よく計測できる、と記載されている。
特許文献 1：特開 2001— 336930号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 従来の三次元画像計測方法では、計測しょうとする点の三次元座標を算出するた めに、計測物体の写真を複数枚撮影するが、撮影するときのカメラの位置の制約や、 カメラの空間位置関係が計測結果に大きく影響するため、異なる計測シーンに対し て短時間に計測結果を出すことが困難である。また、従来の技術では複数の画像に おける計測点を同定するときの対応付けに問題があり、三次元座標の算出にかなり の時間を要し、自動計測が困難で、計測できない場合も生じた。
また上記特許文献の技術は、デジタルカメラの自由な回転機構に複雑な装置構成 を必要とし、コスト高になるという問題があった。 [0005] そこで本発明が解決しょうとする課題は、ビルや塔などの各種建築物等の全体ある いは特定部位について、長さ、面積または体積を、単純な装置を使用して簡単な操 作で計測することのできる非接触三次元計測方法および装置を提供することである。 課題を解決するための手段
[0006] 上記課題を解決するための本発明法は、上下方向複数の位置力 デジタルカメラ で対象物を撮影し、撮影した複数の画像における対象物上の複数の計測点の位置 と前記複数の撮影点の高低差に基づいて、該複数の計測点の間の長さ、または該 複数の計測点で囲まれる部位の面積または体積を求めることを特徴とする非接触三 次元計測方法である。
[0007] 本発明法において、三脚の雲台にデジタルカメラを取り付け、雲台を上下移動させ て複数の位置カゝら対象物を撮影し、撮影した複数の画像と複数の撮影点の高さ情報 をコンピュータに入力し、コンピュータに付属するディスプレイ上にて、前記複数の画 像中の一つの画像で対象物上の複数の計測点をクリックして、コンピュータに演算を 行わせることができる。
[0008] また上記課題を解決するための本発明装置は、対象物を撮影するための 1台のデ ジタルカメラと、該カメラを上下移動させて撮影点を固定するためのカメラ上下移動固 定装置と、複数の撮影点の高さ情報および撮影した複数の画像に基づいて、対象物 上の複数の計測点の間の長さ、または該複数の計測点で囲まれる部位の面積また は体積を求めるためのコンピュータと、該コンピュータに付属し前記画像を表示する とともに計測点をクリックして所定の演算開始を指示するためのディスプレイとで構成 されることを特徴とする非接触三次元計測装置である。
本発明装置において、カメラ上下移動固定装置が、三脚と上下移動可能な雲台か らなるちのとすることがでさる。
発明の効果
[0009] 本発明により、ビルや塔などの各種建築物等の全体あるいは特定部位にっ 、て、 長さ、面積または体積を、単純な装置を使用して簡単な操作で計測することができる 。したがって装置コストが安価で、計測現場にはデジタルカメラと、上下移動可能な 雲台を取り付けた三脚を設置して撮影し、画像データをコンピュータに送信して計測 値を得ることもでき、コンピュータの操作も容易である。特に高精度を要しない用途に 極めて有効である。
発明を実施するための最良の形態
[0010] 本発明法は、まず、図 1のようにデジタルカメラ 1で、対象物 6を上下方向複数の位 置力も撮影する。デジタルカメラ 1は、本例のように三脚 2の雲台 3に取り付け、雲台 3 を上下移動させて撮影することができる。
次 、で、撮影した複数の画像および複数の撮影点の情報をコンピュータ 4に入力 する。本例では、三脚 2の基準面力もカメラ 1までの高さ H , Hを、撮影点の情報と
1 n
してコンピュータ 4に入力する。
[0011] コンピュータ 4では、対象物 6上の所望の計測点について、長さ、面積、体積を求め る。図 1の例では、 A, B, C, D各点を計測点とし、図 2に示すカメラ高さ H における
1 画像上の計測点 A , B , C , D、および図 3に示すカメラ高さ H における画像上の
1 1 1 1 n
計測点 A , B , C , D に基づいて、例えば AB間の長さ、三角形 ABCの面積、 AB CD各点と裏側の点で囲まれる四角錐の体積を求めることができる。
[0012] このとき、コンピュータ 4に付属するディスプレイ 5上で、複数の画像中の一つの画 像、例えば図 2の画像を基準画像とし、基準画像で対象物上の所望の計測点 A , B
1 1
, · ·をクリックすることで、コンピュータ 4に演算を行わせることができる。基準画像以 外での計測点 A , B , · ·は、コンピュータ 4で自動的に認識するプログラムとなって いる。
基準画像で計測点をクリックするとき、計測部位を任意の倍率で拡大表示すること ちでさる。
[0013] コンピュータ 4では、複数の撮影点の高さ情報 (H , H )と、図 2および図 3のような
1 n
複数の画像における対象物上の所望の各計測点 (A , B , · · , A , B , · ·)の位置
1 1 n n
に基づいて、三角測量の原理により演算し、各計測点の三次元座標を求め、得られ た三次元座標から、所望の部位の長さや、面積、体積を求める。
ここで得られる計測点の三次元座標や、長さ、面積、体積は相対的な値 (長さ比な ど）であり、カメラ 1と対象物 6の間の距離または対象物 6の特定部位の実寸を入力す ることにより、絶対的な値 (mなど）とすることができる。 [0014] 本発明法にぉ ヽて、デジタルカメラ 1で対象物 6を撮影するとき、複数のカメラ位置 でのズーム、フォーカス、シャッタースピード、感度特性、ホワイトバランスなどの撮影 条件は変えない。また、カメラ位置は同一鉛直線に沿って上下移動するのが望ましく 、撮影角度は一定とする。
撮影した画像は、メモリをコンピュータ 4に接続してディスプレイ 5に出力してもよぐ コンピュータ 4に送信して出力することもできる。
[0015] 基準画像、例えば図 2の画像で、所望の計測点 A , B , C , Dをクリックすると、コ
1 1 1 1
ンピュータ 4では、各計測点を中心とする小領域を判定領域と認識する。基準画像以 外の画像、例えば図 3の画像では、基準画像における判定領域に対応する同サイズ の小領域を自動的に選択する。そしてこの選択領域を走査し、選択領域の色ヒストグ ラムと基準画像における判定領域の色ヒストグラムとを比較して、類似度の最も高 ヽ 選択領域の中心点を、その画像における計測点 A , B , C , D とする。
[0016] 各画像の計測点 A , B , C , Dおよび点 A , B , C , D と、各画像撮影時の力
1 1 1 1 n n n n
メラ高さ H， H ，から、三角測量の原理により、対象物 6の計測点 A, B, C, Dの三
1 n
次元座標を演算し、所望の長さ、面積、体積データを得る。
コンピュータ 4による演算結果はディスプレイ 5に表示し、さらにプリンタに出力する ことちでさる。
[0017] 本発明装置は、上記本発明法を行うための装置であって、図 1の例に示すように、 1台のデジタルカメラ 1と、三脚 2および上下移動可能な雲台 3のようなカメラ上下移 動固定装置と、コンピュータ 4と、コンピュータ 4に付属するディスプレイ 6からなる。コ ンピュータ 4では、上記本発明法で述べた演算を行って、対象物 6上の所望の計測 点 A, B, · ·についての長さ、面積、体積を求める。
実施例
[0018] 図 1のようにデジタルカメラ 1を三脚 2の雲台 3に取り付け、対象物 6の建物を撮影し 、四角錐の屋根の A, B, C, D各点の計測を行った。デジタルカメラ 1の高さは 2水準 とし、雲台 3を鉛直方向に移動して、三脚 2の基準面力 のカメラ 1の高さ H , Hで
1 2 撮影した。 H— H = 300mm、デジタルカメラ 1と対象物 6の間の距離は 20mであつ [0019] カメラ高さ Hでの画像（図 2)を基準画像とし、ディスプレイ 5上で計測点 A , B , C
1 1 1
, Dをクリックして、 A, B, C, D各点間の長さ、三角形の面積および四角錐の体積
1 1
を出力した。その結果、
長さ： AB= 1400mm、 AC = 1397mm, AD = 1401mm
BC= 802mm, CD= 398mm,
三角形の面積: ABC = 537, 247mm2
ACD = 275, 556mm2
ABCD各点と裏側の点で囲まれる四角錐を正四角錐としたときの体積：
143 X 106mm3
であった。
図面の簡単な説明
[0020] [図 1]本発明の主要構成を示す説明図である。
[図 2]本発明における画像例である。
[図 3]本発明における別の画像例である。
符号の説明
[0021] 1：デジタルカメラ 2：三脚
3 :雲台 4 :コンピュータ
5 :ディスプレイ 6 :対象物
A, B, C, D:計測点
H :高さ

Claims

請求の範囲
[1] 上下方向複数の位置カゝらデジタルカメラで対象物を撮影し、撮影した複数の画像 における対象物上の複数の計測点の位置と前記複数の撮影点の高低差に基づいて 、該複数の計測点の間の長さ、または該複数の計測点で囲まれる部位の面積または 体積を求めることを特徴とする非接触三次元計測方法。
[2] 三脚の雲台にデジタルカメラを取り付け、雲台を上下移動させて複数の位置力 対 象物を撮影し、撮影した複数の画像と複数の撮影点の高さ情報をコンピュータに入 力し、コンピュータに付属するディスプレイ上にて、前記複数の画像中の一つの画像 で対象物上の複数の計測点をクリックして、コンピュータに演算を行わせることを特徴 とする請求項 1に記載の非接触三次元計測方法。
[3] 対象物を撮影するための 1台のデジタルカメラと、該カメラを上下移動させて撮影点 を固定するためのカメラ上下移動固定装置と、複数の撮影点の高さ情報および撮影 した複数の画像に基づいて、対象物上の複数の計測点の間の長さ、または該複数の 計測点で囲まれる部位の面積または体積を求めるためのコンピュータと、該コンビュ ータに付属し前記画像を表示するとともに計測点をクリックして所定の演算開始を指 示するためのディスプレイとで構成されることを特徴とする非接触三次元計測装置。
[4] カメラ上下移動固定装置が、三脚と上下移動可能な雲台からなることを特徴とする 請求項 3に記載の非接触三次元計測装置。
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