デジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法、三次元座標値測定方法、カメラパラメータの算定方法、並びに、デジタルカメラを用いた三次元計測方法及び該三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置
【課題】デジタルカメラを用いた三次元計測方法を実現し提供する。
【解決手段】カメラパラメータが設定されたデジタルカメラＣを用いて第１の撮影地点と、第２の撮影地点とで撮影対象を共通に含む複数の写真を撮影し、５個以上の固定点における写真上の位置とその間に実測距離から１組の写真上の座標を共通の座標系に座標変換を行うためのパラメータを算出し、これによって双方の写真内にある対象点の、第１の撮影地点を原点とする三次元座標系における位置を計測し、三次元座標系を客観的な座標系に変換して対象点の客観的な座標系における位置を計測するデジタルカメラを用いた三次元計測方法であって、鉛直性が確保される鉛直尺２２と、この鉛直尺２２とは別の位置に任意に配置した計測指標点Ｐｘとを撮影対象に含め、写真に撮影される前記鉛直尺２２、計測指標点Ｐｘを基に客観的な座標系を定める過程を含む構成とする。
【解決手段】カメラパラメータが設定されたデジタルカメラＣを用いて第１の撮影地点と、第２の撮影地点とで撮影対象を共通に含む複数の写真を撮影し、５個以上の固定点における写真上の位置とその間に実測距離から１組の写真上の座標を共通の座標系に座標変換を行うためのパラメータを算出し、これによって双方の写真内にある対象点の、第１の撮影地点を原点とする三次元座標系における位置を計測し、三次元座標系を客観的な座標系に変換して対象点の客観的な座標系における位置を計測するデジタルカメラを用いた三次元計測方法であって、鉛直性が確保される鉛直尺２２と、この鉛直尺２２とは別の位置に任意に配置した計測指標点Ｐｘとを撮影対象に含め、写真に撮影される前記鉛直尺２２、計測指標点Ｐｘを基に客観的な座標系を定める過程を含む構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作の迅速性、簡便性と装置価格の低廉性を実現したうえで撮影対象についての所定の計測精度を確保し得るようなデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法、三次元座標値測定方法、カメラパラメータの算定方法、並びに、デジタルカメラを用いた三次元計測方法及び該三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、交通事故現場における警察の実況見分作業においては、当該現場のステレオカメラ等による写真撮影、位置関係の計測、距離測定等を速やかに行い、実況見分調書に必要な現場見取り図を作成し、かつ、写真を利用して特定個所の位置関係等々を所定の精度で計測して見取り図に表示することが要請される。
【０００３】
すなわち、このような交通事故現場においては、警察官等が行う実況見分の作業時間を短縮して、長時間にわたる通行止めを避け、また、実況見分に携わる担当者が走行車両に衝突されて死亡・受傷する等二次的な災害を回避する対策が必要となる。
【０００４】
従来におけるステレオカメラによる三次元計測技術としては、例えば公知の測量用のステレオカメラにより現場の必要箇所を撮影し、撮影した写真を利用して三次元計測を行なう方法は、すでに昭和４０年代半ばから行われているが、これには次の問題点がある。
【０００５】
すなわち、ステレオカメラが専用機であり価格も高価であること、２台のカメラが正確に１２００ｍｍの間隔で取り付けられ、撮影時にはこれを完全に水平に保つ必要があること、ステレオカメラの重量は１７．５ｋｇ程度もあり、専用の三脚に取り付け、専用の事故処理車に搭載するなどその操作性は簡略とはいい難く、更に図化のための装置が180cm（W）×150cm（D）×120cm（H）程度以上の大型で、その操作には熟練を要すること等である。
【０００６】
また、三次元計測技術としては、市販のデジタルカメラを用いる三次元測量方法も知られている。
【０００７】
例えば、三次元座標が既知である基準点を採用するデジタルカメラ三次元計測システムがある。
【０００８】
しかし、上記の方法では、三次元座標値が既知である基準点が必要であり、交通事故現場等、処理の迅速性・簡便性が求められる場合には適用できない。
【０００９】
また、ズーム機能や自動ピント合わせ機能を持つ通常市販のデジタルカメラでは、計算上計測は可能でも撮影ごとにカメラ定数が変化するため、計測目的にはなじまない。
【００１０】
特許文献１には、基準棒を用いて1台のデジタルカメラまたは左右２台のデジタルカメラでステレオ画像を撮影し、パソコンにより両方の画像に基づくステレオモデル座標系を構築し、次に、現場では基準棒を用いて測定対象物を撮影し、このステレオ画像をパソコンが画面に表示し、画面で指定された求点の座標をモデル座標系に定義した後に、左カメラのカメラ座標系に変換して、２点の求点の離隔距離を求めるように構成した写真測量システムが提案されている。
【００１１】
しかし、この特許文献１の場合は、デジタルカメラのカメラ定数による座標値修正を行っていないうえ、相互標定がそもそも不可能な写真対を用いているにもかかわらず、見かけ上の相互標定を行なっている点、計測上の問題を包含している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−９７９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする問題点は、操作の迅速性、簡便性と装置価格の低廉性を実現した上で撮影対象についての所定の計測精度を確保し得るようなデジタルカメラを用いた三次元計測方法が従来存在しない点である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るデジタルカメラを用いた三次元計測方法は、パンフォーカス機能を具備し、カメラパラメータが設定されたデジタルカメラを用いて交通事故現場のような撮影対象領域における第１の撮影地点と、その光軸にほぼ直角方向に任意に隔たった第２の撮影地点とで事故車両等の撮影対象を共通に含む複数の写真を撮影し、５個以上の固定点の各写真上の位置から１組の写真上の座標を共通の座標系に座標変換を行うためのパラメータを算出し、これによって双方の写真内にある対象点の、第１の撮影地点を原点とする三次元座標系における位置を計測し、前記三次元座標系を客観的な座標系に変換して前記撮影対象領域の客観的な座標系における事故車両等の位置を計測するデジタルカメラを用いた三次元計測方法であって、前記撮影対象の撮影時に、ポール状で測定原点及びこの測定原点から既知の長さ離れた基準長指示マークが付され、鉛直性が確保される鉛直尺と、この鉛直尺とは別の位置に任意に配置した計測指標点とを撮影対象領域に含める過程と、写真に撮影される原点とする測定原点、この測定原点に対して鉛直線上にある基準長指示マークにより一軸を特定し、この一軸を含みデジタルカメラから見て奥行きの光軸方向の他の一軸を含む平面上にある計測指標点を特定して客観的な座標系を定める過程と、を含むことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載の発明によれば、指標点の奥行き方向はランダムであり、正対方向からは正方格子状に見えるように配置する構成で、的確にカメラパラメータを算定し得る指標点配置を実現できるデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法を実現し提供することができる。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、指標点の奥行き方向はランダムであり、正対方向からは正方格子状に見えるように配置する指標点が、設計値どおりに配置することが困難である場合に、角度測定器一台を用いて、任意の２箇所から各指標点の極座標値の角度成分のみを測定して各指標点の三次元座標値を求めることにより、角度測定器一台のみによってデジタルカメラＣの外部定数（指標点座標によるカメラ位置と回転角）とデジタルカメラＣの内部定数（いわゆるカメラパラメータ）の双方を算定するためのデータを得ることができるデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための三次元座標値測定方法を実現し提供することができる。
【００１７】
請求項３記載の発明によれば、デジタルカメラのレンズの歪係数を撮影画面上の位置における値ではなく、レンズの後ろ側主点から撮影画面方向に関する関数として捉えることにより、前記デジタルカメラの画面距離、レンズの歪係数、光学上の画面中心位置を同時に効率よく算定することができるデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定方法を実現し提供することができる。
【００１８】
請求項４記載の発明によれば、指標点の奥行き方向はランダムであり、正対方向からは正方格子状に見えるように配置した指標点を、前記デジタルカメラを横向き（正）、逆さ向き（天地逆転）、及び横向き（時計回り及び反時計回り）に構えて複数枚のデジタル写真を撮影し、各デジタル写真の画面上にある指標点の像位置の写真座標値を読み取り、読み取った写真座標値データと、角度測定器一台を用いて、任意の２箇所から各指標点の極座標値の角度成分のみを用いて求めた各指標点の三次元座標値のデータを関連付けてデジタルカメラの６つのパラメータを算定することにより、これら６つのパラメータの最適化を実現できるデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定方法を実現し提供することができる。
【００１９】
請求項５記載の発明によれば、パンフォーカス機能を具備し、カメラパラメータが設定されたデジタルカメラを用いて第１の撮影地点と、その光軸からほぼ直角の方向に任意に隔たった第２の撮影地点とでカメラに近接した位置に配置した５個以上の固定点を撮影することにより写真上の座標を共通の座標系に座標変換を行うためのパラメータを算出し、これによって双方の写真内にある対象点の、第１の撮影地点を原点とする座標系における位置を計測し、また、その計測結果を、鉛直性が確保される鉛直尺と、この鉛直尺とは別の位置に任意に配置した計測指標点とを撮影対象に含め、写真に撮影される前記鉛直尺、計測指標点を基に客観的に定めた座標系に変換することによって、操作の迅速性、簡便性と装置価格の低廉性を実現したうえで撮影対象である交通事故現場等の位置を正確に計測・表現することができるデジタルカメラを用いた三次元計測方法を実現し提供することができる。
【００２０】
請求項６、７記載の発明によれば、下部に測定原点を付し、その上方に既知の長さ分離隔した位置に基準長指示マークを付した基準軸としての鉛直尺を嵌装支持するとともに、三脚に取り付けることで三脚の傾きの如何を問わず上記三次元計測方法における客観的な座標を定めるための鉛直軸を正確に鉛直に定め、撮影時間全体にわたって固定ができるデジタルカメラを用いた三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置を実現し提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は本発明の実施例１に係るデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置状態を示す説明図である。
【図２】図２は本実施例１に係る多数の指標点の位置を示す説明図である。
【図３】図３は本実施例１に係る多数の指標点を斜め側方から見た状態を示す説明図である。
【図４】図４は本実施例１においてデジタルカメラにより指標点を撮影した画像（横型）を示す図である。
【図５】図５は本実施例１においてデジタルカメラにより指標点を撮影した画像（縦型）を示す図である。
【図６】図６は本実施例１に係るカメラのカメラパラメータの算定方法を実施するためのコンピュータシステム構成を示すブロック図である。
【図７】図７は本実施例１においてセオドライトにより指標点の極座標を測定する状態を示す説明図である。
【図８】図８は本実施例１においてセオドライトを仮想カメラと見做した時の仮想写真像位置を示す説明図である。
【図９】図９は本実施例１に係るカメラパラメータの算定用データ設定方法における指標点の読み取り過程を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は図９の（Ａ）の処理過程を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は本発明の実施例１に係るカメラパラメータの算定方法におけるデジタルカメラのレンズ歪みを表す曲線を示す図である。
【図１２】図１２は本実施例１に係るレンズの後ろ側主点以降の光線の進路を示す説明図である。
【図１３】図１３は本実施例１に係るカメラパラメータの算定方法の算定過程を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は本実施例１に係るカメラパラメータの最適化までの変化を示す図である。
【図１５−Ａ】図１５−Ａは本実施例１に係る立体指標の場合のカメラパラメータの収束状況を示す説明図である。
【図１５−Ｂ】図１５−Ｂは、は本実施例１に係る立体指標の場合のカメラパラメータの収束状況を示す説明図であり７枚の写真を使った場合の指標点の歪み量とパラメータ値及び各写真の推計位置を示す説明図である。
【図１６】図１６は本発明の実施例２に係るデジタルカメラを用いた三次元計測方法を実現するための基準軸鉛直設定装置の概略斜視図である。
【図１７】図１７は本実施例２に係る基準軸鉛直設定装置における鉛直支持機構部の拡大斜視図である。
【図１８】図１８は本実施例２に係る基準軸鉛直設定装置における電磁石錘体、摺動円筒の分解斜視図である。
【図１９】図１９は本実施例２に係る基準軸鉛直設定装置における電磁石駆動用の電気回路（オフ状態）を示す回路図である。
【図２０】図２０は本実施例２に係る基準軸鉛直設定装置における電磁石駆動用の電気回路（オン状態）を示す回路図である。
【図２１】図２１は本発明の実施例２に係るデジタルカメラを用いた三次元計測方法における撮影対象の撮影状態を示す概略図である。
【図２２】図２２は本実施例２に係るデジタルカメラを用いた三次元計測方法における鉛直尺、計測指標点を含ませた撮影対象である道路の一部の撮影状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、操作の迅速性、簡便性と装置価格の低廉性を実現したうえで撮影対象についての所定の計測精度を確保し得るデジタルカメラを用いた三次元計測方法を実現し提供するという目的を、パンフォーカス機能を具備し、カメラパラメータが設定されたデジタルカメラを用いて第１の撮影地点と、その光軸にほぼ直角方向に任意に隔たった第２の撮影地点とで撮影対象を共通に含む複数の写真を撮影し、５個以上の固定点の各写真上の位置から１組の写真上の座標を共通の座標系に座標変換を行うためのパラメータを算出し、これによって、双方の写真内にある対象点の、第１の撮影地点を原点とする三次元座標系における位置を計測し、前記三次元座標系を客観的な座標系に変換して前記対象点の客観的な座標系における位置を計測するデジタルカメラを用いた三次元計測方法であって、前記撮影対象の撮影時に、ポール状で測定原点及びこの測定原点から既知の長さ離れた基準長指示マークが付され、鉛直性が確保される鉛直尺と、この鉛直尺とは別の位置に任意に配置した計測指標点とを撮影対象に含める過程と、写真に撮影される原点とする測定原点、この測定原点に対して鉛直線上にある基準長指示マークにより一軸を特定し、この一軸を含みデジタルカメラの光軸方向の他の一軸を含む平面上にある計測指標点を特定して客観的な座標系を定める過程と、を含む構成により実現した。
【実施例】
【００２３】
以下に、本発明の実施例に係るデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法、三次元座標値測定方法、カメラパラメータの算定方法、並びに、デジタルカメラを用いた三次元計測方法及び該三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置について詳細に説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１乃至図１５−Ｂ参照して本発明の実施例１に係るデジタルカメラＣを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法、三次元座標値測定方法、カメラパラメータの算定方法について説明する。
【００２５】
本実施例１において、後述する実施例２に係る三次元計測方法を実行する場合には、市販のデジタルカメラＣで、固定焦点、すなわち、パンフォーカス機能のあるものを用いる。
【００２６】
パンフォーカスモードのあるデジタルカメラＣを対象物の計測目的に用いるためには当該カメラＣのパンフォーカスモードにおける３種類のパラメータ、すなわち、画面距離、レンズの歪み、及び画面上の光軸位置が計測されている必要がある。
【００２７】
以下に、その前提としてのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法、三次元座標値測定方法につき図１乃至図１０を参照して説明する。
【００２８】
図６は、本発明に係る実施例１のカメラパラメータの算定用データ設定のための三次元座標値測定方法、カメラパラメータの算定方法を実現するためのコンピュータ装置１を示すものであり、このコンピュータ装置１は、デジタルカメラＣ及び後述するセオドライト（角度測定を行う測量器）２から写真画像データ、指標点Ｐの極座標の角度成分データを取り込み、これらを基にデジタルカメラＣのカメラパラメータにおける算定用データの設定及びカメラパラメータの算定を行うように構成している。
【００２９】
前記コンピュータ装置１は、全体の制御を行う制御部３と、詳細は後述するデジタルカメラＣが撮影した写真の写真データ（写真画像データ）、セオドライト２で計測した指標点Ｐの座標値データの読み込み処理、指標座標系、写真座標系間の座標変換処理、回転角変換処理、公知のアフィン変換処理、指標点適合処理を行うカメラパラメータの算定用データ設定プログラムと、詳細は後述するカメラパラメータの算定プログラムとを格納したプログラムメモリ４と、写真画像データを記憶する写真画像ファイル５と、前記座標値データを記憶する座標値ファイル６と、前記各プログラムに基づきカメラパラメータの算定用データの設定、カメラパラメータの算定に関する各種の演算を実行する演算部７と、公知の表示部８及び入力部９と、各種処理データを記憶する記憶部１０とを有している。
【００３０】
次に、カメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法、三次元座標値測定方法について具体的に説明する。
【００３１】
（指標点Ｐの撮影）
まず、図１、図２に示すように、３ｍ程度の正方形の平面に多数の指標点Ｐを奥行き方向はランダムで正対方向から撮影した場合に正方格子状に見えるように撮影されるように列設して指標点パターンＰＴを作成する。この場合、各指標点Ｐは平面上の図２に示す位置に図１に示す高さの直径１ｃｍ程度の棒状のものを立てて配置したパターンＰＴとするものである。パターンＰＴは斜め側方から見ると、図３に示すようになるが、これを正面から撮影して見ると図４（横型）及び図５（縦型）に示すようになる。
【００３２】
なお、各指標点Ｐを設計通りに配置することは実際上難しいが、概ね設計どおりに配置し、これを後述する方法で三次元的に計測する。
【００３３】
次に、指標点パターンＰＴの各指標点Ｐを、図１に示すように正面から使用するデジタルカメラＣを用いて撮影する。
【００３４】
本実施例１においては、デジタルカメラＣを用いて指標点パターンＰＴを、図１に示すように、正面から撮影して図４、図５に示すような画像を取得して、これらを図６に示すコンピュータ装置１の写真画像ファイル５に記憶する。なお、デジタルカメラＣの撮影態様としては、横向き（正）、逆さ向き（天地逆転）、及び縦向き（時計回り及び反時計回り）に構えて各々デジタル写真を撮影する態様があり、すべての態様で撮影する必要があるが、それぞれの写真は概ね正対させて撮影すればよい。精度を上げるためには、位置をずらせて様々な場所から撮影した写真も加えることが望ましく、全部で７枚の写真があれば良い結果が得られる。
【００３５】
（指標点の三次元座標計測）
次に、前記指標点パターンＰＴにおける各指標点Ｐの座標値の三次元測量を行う。この三次元測量の方法は、以下の通りである。
【００３６】
まず、セオドライト２を用意し、このセオドライト２を前記指標点パターンＰＴの前方の異なる二箇所に据え、それぞれの箇所から図７に示すように、各指標点Ｐの極座標値のうち角度成分（θ、κ）のみの測定を行う。このとき、セオドライト２を水平に設置・視準する等の特段の制約は存在しない。
【００３７】
次に、図８に示すように、セオドライト座標系のＸ軸に垂直な仮想平面を想定し、その仮想平面を原点からｆの距離に仮想的に設置する。
【００３８】
このことは、上述したセオドライト２を仮想的なカメラと見做すことであり、仮想平面はその画像位置に相当する。この仮想平面とＸ軸から成る座標系をカメラ座標系とする。
【００３９】
これにより、指標点Ｐの仮想写真像の位置が表現できる。すなわち、セオドライト座標系における各指標点Ｐの角度（θ、κ）から、下記数１でｐ点（指標点Ｐに対応する仮想点）の写真座標値ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）が定まる。
【００４０】
【数１】
【００４１】
（三次元座標計測のための座標系の設定）
次に、三次元座標計測のための座標系の設定について説明する。写真測量の理論における「モデル座標系」、すなわち、「左右カメラをステレオカメラと見做した場合のステレオモデル座標系」における指標点の三次元座標値が求められるが、それを計測対象の座標系に変換する。
【００４２】
これは直交座標系の変換であり、原点の移動と、移動後における三軸のまわりの回転変換を行う。そのための原点、Ｚ軸が通る点及びＹＺ平面を定義する。
【００４３】
図１に示す前記指標点パターンＰＴを使用する場合、指標点座標系の原点は、指標点Ｐの一つ（例えば中央の指標点Ｐ）とする。また、Ｚ軸が通る点も定義する（図１における原点とされる指標点Ｐに対して左右方向の指標点Ｐの一つ）。更に、ＹＺ平面は、原点を通り、平面上にあるとして定めたすべての指標点ＰのＸ座標値の二乗和が最小となるように定める。
【００４４】
このようにして、セオドライト２のみを用いて各指標点Ｐの三次元座標値の計測を行なうことができる。精度向上のためには３個所から測定を行い、３対のデータを平均することが望ましい。下記表1は、シミュレーションによるセオドライトの読みの精度に対する計測精度を計測値の標準偏差を用いて示すものであるが、これによりセオドライトの読み取り精度が４０秒の場合、計測結果の標準偏差は、０．２mm以下となる。計測結果は、図６に示すコンピュータ装置１の座標値ファイル６に記憶する。
三次元座標計測された指標点データは、デジタルカメラＣの外部定数（指標点座標によるカメラ位置と回転角）とデジタルカメラＣの内部定数（いわゆるカメラ定数）の双方を算定するためのデータとして用いられる。
【表１】
【００４５】
次に、写真座標の読み取りについて、図９、図１０を参照して説明する。写真座標の読み取りは、カメラパラメータの算定用データ設定プログラムの動作で半自動により行う。このときのアルゴリズムは、図９、図１０に示す通りである。
【００４６】
まず、写真画像ファイル５から各指標点Ｐを撮影した写真を読み込む。続いて、任意の３個の指標点についての写真座標値を読む。
【００４７】
次に、読み取った指標点の座標値の値と既定の写真座標の値から、カメラ座標の原点の指標点座標系による座標値ならびにカメラ座標系の指標点座標系からの各軸の回転角を求める。
【００４８】
以上のような処理を原点から始めて渦巻き状に、順に指標点を自動的に選択して繰り返す。渦巻き上に順次読み取る理由は、上記カメラ座標の原点位置及び回転角が順調に修正されるためである。
【００４９】
次に、選択された指標点の座標は既に読み込まれたものか否か判断し、読み込まれたものであれば次の点を選択する。また、読み込まれたものでなければ、詳細は後述する指標点座標の読み込みの処理を行なう（Ａ）。
【００５０】
次に、対象となる指標点をすべて読み取ったか否か判定し、すべて読み取っていなければ上述した処理を繰り返し、また、対象となる指標点をすべて読み取ると写真座標の読み取り処理は終わりとなる。
上述した指標点座標の読み込みの処理（Ａ）の詳細内容について、図１０を参照して以下に説明する。
【００５１】
まず、コンピュータ装置１の表示部８に表示される画像上に現れるべき指標点のテンプレートを上述した各指標点を撮影した写真、写真座標値を用いてアフィン変換により作成する。
【００５２】
次に、カメラパラメータの算定用データ設定プログラムに基づいて表示部８に表示される画像読み取り用の小画面に読み取り対象点の近辺の画像を拡大して表示する。
【００５３】
次に、その小画面内でテンプレートを移動させ、画像と最も適合度が高い所を相関係数最大化法により探索する。
【００５４】
次に、指標点のテンプレートの輪郭を画像に重ねて表示し、探索された結果の妥当性を表示部８上で視認する。
【００５５】
そして、当該指標点に良く適合していると認めれば、適合点の座標値を採用する。また、当該指標点に適合していない、又は他の指標点に適合していると認めれば、手動で適合操作を行い、適合点の座標値を採用する。
【００５６】
このような処理の後、既述したように対象となる指標点をすべて読み取ったか否か判定して、すべて読み取っていなければ上述した処理を繰り返し、また、対象となる指標点をすべて読み取ると写真座標の読み取り処理は終わりとなる。以上の処理による処理結果は、前記記憶部１０に記憶保持される。
【００５７】
本実施例１のカメラパラメータの算定用データのための三次元座標値測定方法によれば、パンフォーカス機能のあるデジタルカメラＣを用い、指標点座標系を構成する特定の指標点Ｐを原点とする指標点パターンＰＴにおける格子状に配列された各指標点Ｐを異なる複数方向から撮影し記憶するとともに、指標点パターンＰＴにおける各指標点Ｐの座標値をセオドライト２にて測定して、各座標値を記憶するという斬新、かつ、簡略な過程を採用し、これらを基に三次元座標値を簡略な演算により高い精度で求めることができる。
【００５８】
次に、図１１乃至図１５−Ｂ参照して本発明の実施例１に係るカメラパラメータの算定方法について詳述する。
【００５９】
本実施例１のデジタルカメラＣのカメラパラメータは、画面距離、レンズの歪み、及び画面上の光軸位置であるが、これらは以下のように定義される。
【００６０】
ａ．画面距離
通常、画面距離はｍｍにより表わされるが、ここでは、写真座標を表現するのと同じ単位を用いる。その単位は、デジタル画像の素子数の１００倍を１単位とするもので、セントピクセル（略称ＣＰ）とする。この単位は、個々のデジタルカメラＣによってピクセルの大きさが異なっている場合でも、当該カメラについては同じ単位となり、不都合はない。１ＣＰは約０．７ｍｍである。
【００６１】
ｂ.当該デジタルカメラＣのレンズの歪み
レンズ歪みは、図１１のような曲線で表される。これは、横軸に画面上の光軸位置からの隔たりを、縦軸に歪みがない場合と比べてどれだけの差があるかを表したもので、単位はいずれもＣＰである。
【００６２】
図１１に示す曲線は、下記数２で表わされている。なお、以下の式中、乗算は「＊」で、べき乗は「＾」で表わすものとする。
【００６３】
【数２】
【００６４】
この式は、次の仮定に基づくものである。すなわち、レンズの後ろ側主点Ｏ２以降の光の進路が、図１２のようになっているとし、歪みのあるレンズの場合に、光線の進路が歪みのない場合（点線で示す）から、内側にΔθだけ折れ曲がる（実線で示す）と見做して、この量が光軸と光の進路とのなす角（図１２中のθ）の関数として下記数３で表わされると仮定する。
【００６５】
【数３】
【００６６】
ここで、ｒ＝ｆ＊tであるから、Δｒは下記数４の式のように導出される。
【００６７】
【数４】
【００６８】
ｃ.光軸位置（座標値（y0, z0））
レンズの光軸を通る光線が画面と交わる点を光軸位置とする。この位置が画面の中心からどの程度ずれているかを表す座標値（y0, z0）が光軸位置のカメラパラメータで、この単位はＣＰである。
【００６９】
ｄ.カメラパラメータの算定方法
上記a、ｂ、ｃの３種類(６個)のパラメータを、既述した指標点Ｐの三次元座標計測の処理で求めた各指標点の三次元座標値と、既述したようにして読み取った写真座標値を用いて図１２に示すカメラパラメータの算定プログラムのアルゴリズムで算定する。
【００７０】
まず、各指標点の座標値を前記記憶部１０から読み込む。
【００７１】
次に、既述したようにして撮影した写真について、各指標点の写真座標値を前記記憶部１０から読み込む。
【００７２】
次に、画面距離を公称値とし、レンズ歪み係数と光軸位置（座標値（y0, z0））をゼロと仮定する（カメラパラメータの初期値）。
【００７３】
次に、下記（Ｅ）の初期値として、ΔＳを大きな値（例えば10^8）とする。
【００７４】
次に、仮定ないし計算されたカメラパラメータの場合のカメラ座標の原点位置及び指標点座標系からの回転角を計算する（Ｂ）。
【００７５】
次に、Ｂで仮定したカメラ位置で指標点を撮影した場合の各指標点の方向と、写真像をカメラパラメータで較正した場合の写真像（正規化写真像とする。）の方向ができる限り一致するようなカメラパラメータを算定する（Ｃ）。
【００７６】
次に、Ｂで仮定したカメラ位置で指標点を撮影した場合の各指標点の写真像の位置を計算する（Ｄ）。
【００７７】
次に、上記Ｄで計算した写真像位置と実際の写真像位置との隔たりΔＳの平均値を計算する（Ｅ）。
【００７８】
次に、前記隔たりΔＳが一つ前のループで計算した値よりも大きいか否か判定し、大きくない場合はＢの処理に戻って繰り返し計算を行い、ΔＳの値に変化がなくなると終わりとなる。
【００７９】
上述したＢ（カメラ座標の原点位置、回転角の計算）の計算方法について以下に具体的に説明する。
【００８０】
指標点座標系によるカメラ位置をＣＰ（ベクトル）とすると、各指標点位置のカメラ座標値ＸＣは、下記数５で表すことができる。
【００８１】
【数５】
【００８２】
正規化写真像のカメラ座標値は（ｆ，ｙn, ｚn ）である。ここで、ｆはカメラパラメータの一つである画面距離であり、ｙn, ｚnは下記数６の式で写真座標値を正規化したものである。
【００８３】
【数６】
【００８４】
ここで、ｙ、ｚは写真座標で、その座標系は画面中心を原点とし、単位はＣＰとしたものである。
ｙ０、ｚ０は、カメラパラメータである光軸位置の座標値（座標系は写真座標系、単位はＣＰ）、Ｃは既述した数２の値であり、カメラパラメータのｃ１、ｃ２、ｃ３を含む。Ｃに含まれるｔは、ｔ＝ｒ/ｆであるが、ｒは下記数７で表わすことができ、光軸位置のパラメータｙ０、ｚ０を含む。
【００８５】
【数７】
【００８６】
ＸＣの成分を（ＸＣ、ＹＣ、ＺＣ）とすると、各指標点の方向は、カメラ座標において下記数８で表される。
【００８７】
【数８】
【００８８】
すべての指標点においてこの条件を満たすことはできないので、これを近似的に満たすために次の数９の式を最小化する。
【００８９】
【数９】
【００９０】
数９の（ａ）式の最小化のためにＨを各パラメータで偏微分し、それをゼロとする下記数１０の６元の連立方程式を立てる。
【００９１】
【数１０】
【００９２】
数１０の６元連立方程式は、公知のニュートン法（方程式を数値計算によって解くための反復法による求根アルゴリズムの一つ）により解く。このための初期値は、写真座標の半自動読み取りにおいて算定されているのでそれを用いる。
【００９３】
次に、上述したＣ（カメラパラメータの算定）の計算方法について説明する。Ｂの計算における数９の式（ａ）の最小化は、Ｃの計算においても共通である。
【００９４】
数９の式（ａ）の最小化のためにＨを各パラメータで偏微分し、それをゼロとする下記数１１の６元の連立方程式を立てることは、Ｂと同様であるが、パラメータはカメラパラメータである。
【００９５】
【数１１】
【００９６】
ここで、Ｐ１＝ｆであるから、ｋ＝１の場合は他のパラメータの場合と異なり、下記数１２のようになる。
【００９７】
【数１２】
【００９８】
また、ｋ≠１の場合は下記数１３の通りである。
【００９９】
【数１３】
【０１００】
数１１の式（ｂ）の６元連立方程式は、Ｂの場合と同様ニュートン法により解く。
【０１０１】
次に、Ｄで計算した各指標点の写真像の位置の収束までの挙動について説明する。
【０１０２】
図１４は、図１３に示す処理ループ毎にそれぞれのパラメータが最適解に至るかを示す例である。この図で、約３０００回目に見られる各グラフの不連続性は、ここまでが正面写真による初期値を求めるループ、これ以降が７枚すべての写真による推計計算であることを示す。これにより、光軸位置の最適化が最も遅く、最後まで変化していることが知られる。
【０１０３】
図１３の処理ループにおけるカメラパラメータの収束状況については、レンズ歪み曲線の変化を処理ループ１００回ごとに表すと図１５−Ａのようになり、各指標の歪み量は図１５−Ｂのようになる。
また、図１５−Ａは、初期的な状態（点線）から最適解へ至る様子を示す。処理ループは数千回で収束し、最終的なΔＳの値は、約０．００７ＣＰ（０．７ピクセル）である。
【０１０４】
このように、本実施例１においては、指標点Ｐの理論上の写真座標がそれらの像位置とできるだけ一致するようにデジタルカメラＣの各撮影位置と姿勢を調整し（外部標定）、次いで同じく実際の写真座標値と理論上の写真座標値ができるだけ一致するように６つのカメラパラメータを調節し（内部標定）、外部標定、内部標定を繰り返して、実際の写真座標値と理論上の写真座標値との差が減少から増加に移るまで繰り返し計算を行うものである。これにより、６つのカメラパラメータの最適化を実現できる。７枚の写真を用いる場合、この収束計算には計算速度が２ＧＨｚの計算機で約５分を要するが、これは長いほうの例であり、平均的には３分弱であり、平面指標を用いた場合の４０〜５０分に比べて実用性は高まっている。
【０１０５】
以上から、デジタルカメラＣのカメラパラメータを、複数の指標点Ｐを撮影することにより求める方法については、以下のようにまとめることができる。
【０１０６】
すなわち、指標点Ｐを平面に配置する場合は正面、上方、下方から各１枚、ならびに左右方向からデジタルカメラＣを光軸周りに左右各９０度回転させて撮影した写真４枚、合計７枚の写真を用いる。
【０１０７】
また、指標点Ｐの位置の３次元計測は、角度測定器であるセオドライト２の１台のみで行うことができる。
更に、デジタルカメラＣのレンズの歪係数を撮影画面上の位置における値ではなく、レンズの後ろ側主点から撮影画面方向に関する関数として捉えることにより、前記デジタルカメラのＣ画面距離、レンズの歪係数、光学上の画面中心位置を同時に算定することが可能となる。
【実施例２】
【０１０８】
次に、本発明の実施例２に係るデジタルカメラＣを用いた三次元計測方法及び該三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置２１について図１６乃至図２３を参照して詳細に説明する。
【０１０９】
本実施例２に係るデジタルカメラＣを用いた三次元計測方法は、１台のデジタルカメラＣを用いて対象領域を異なる２か所から俯瞰的に撮影して対象領域の３次元位置計測を行なう方法である。
【０１１０】
この実施例２に係るデジタルカメラＣを用いた三次元計測方法の説明に先立ち、デジタルカメラＣによる計測の基準となる三次元座標系を設定するための基準軸である鉛直尺２２を正確に鉛直に設定する基準軸鉛直設定装置２１について、図１６乃至図２０を参照して説明する。
【０１１１】
本実施例２に係る基準軸鉛直設定装置２１は、図１６に示すように、直径数ｃｍ、長さ３ｍ程度の長尺のポールにより形成されるとともに、下部に測定原点２２ａを付し、その上方に既知の長さ分離隔した位置に基準長指示マーク２３を付した鉛直尺２２と、前記鉛直尺２２を嵌装支持するとともに、例えば三脚２５に取り付けることで前記鉛直尺２２を鉛直配置に支持する鉛直支持機構部２４と、鉛直支持機構部２４の下方から突出させた前記鉛直尺２２の下部を貫通させる状態で取り付けた電磁石錘体２６と、前記電磁石錘体２６の下側に配置した摺動円筒２７と、遠隔操作手段を構成する手動操作により操作信号（例えば超音波信号）を出力するリモートコントローラ３９とを有している。
【０１１２】
前記摺動円筒２７は、前記鉛直尺２２の下部を摺動可能に内装するとともに、その上端部に設けた上端鍔部２７ａが電磁石錘体２６の下面に接合、離脱可能に構成され、更に前記上端鍔部２７ａにＮ極、Ｓ極の磁極分布を図１９のようにした４個の永久磁石２８を埋設した構造としている。また、前記摺動円筒２７の下端部は、先端が先鋭となるように円錐状に形成している。
【０１１３】
前記鉛直支持機構部２４は、図１７に示すように、鉛直尺２２を通す中央筒３１を中心部に鉛直方向に内装する矩形状の内部枠体３２と、この内部枠体３２の周りを、空間を隔てつつ囲むように配置する矩形状の外部枠体３４と、を具備している。
【０１１４】
そして、中央筒３１の外周部からＸ方向に各々突出させた一対の軸３１ａを、内部枠体３２の対応する両側辺に設けた一対の軸受３３により軸支し、中央筒３１をＸ軸の周りで回動可能としている。
【０１１５】
また、内部枠体３２の対向する両側辺からＺ方向に各々突出させた一対の軸３２ａを、外部枠体３４の対応する両側辺に設けた一対の軸受３５により軸支し、内部枠体３２をＺ軸の周りで回動可能としている。
【０１１６】
このような構成により、前記鉛直支持機構部２４を三脚２５に取り付けた場合、三脚２５の各脚がどの高さで設置されていても前記中央筒３１、従って鉛直尺２２は、常に鉛直に保たれるようになる。このとき、前記電磁石錘体２６、摺動円筒２７は、その重さにより鉛直尺２２の錘として機能する。
【０１１７】
次に、前記電磁石錘体２６について、図１８乃至図２０を参照して詳述する。
【０１１８】
前記電磁石錘体２６は、図１８に示すように、円筒状に構成され、その内部に上から下に順に電磁石３８の駆動用の電源である所定の出力電圧を有する電池３６、電磁石３８の駆動用の電気回路３７及び最下部の電磁石３８を搭載している。
【０１１９】
前記電磁石３８は、軟鉄を用いた２個のＵ字形のコアに４個のコイルを巻装し、これらを直列接続しており、その通電時には摺動円筒２７の永久磁石２８のＮ極、Ｓ極それぞれに対応する位置がＮ極、Ｓ極になるように配置されており、非通電時には、電磁石３８のコアを構成する軟鉄の残留磁気と前記摺動円筒２７にある永久磁石２８の磁気との磁気作用で摺動円筒２７を電磁石錘体２６の下面に吸着保持するように構成している。
【０１２０】
すなわち、電磁石３８に通電があると、摺動円筒２７上端の永久磁石２８と前記電磁石３８との間に反発力が生じて、摺動円筒２７が図１６に示すように下方へ離脱する。
【０１２１】
前記摺動円筒２７の下端は円錐状になっているので、落下した場所に塑性的なもの（砂等）があれば、鉛直支持機構部２４の動作と相俟って鉛直尺２２は鉛直配置に正確に固定されることになる。
【０１２２】
一方、前記電磁石３８には大電流が流れるため、長時間の通電は電池３６の消耗を早める。それを防ぐために、電磁石３８への通電時間を、摺動円筒２７を離脱するだけの短時間に限ることが必要である。
【０１２３】
このような要請を実現するための電気回路３７について図１９、図２０を参照して以下に説明する。
【０１２４】
前記電気回路３７は、図１９に示すように、電池３６に、コンデンサー（電解コンデンサー）４３、第２リレー４２及び電磁石３８を並列接続している。
【０１２５】
また、前記第１リレー４１と前記リモートコントローラ３９からの操作信号の受信によりオンする動作スイッチ４４との直列回路も電池３６に並列接続している（図１９に示すＡ，Ｅ点）。
【０１２６】
前記第１リレー４１は、ａ接点構造の第１接点４１ａと、ｂ接点構造の第２接点４１ｂとの２連構造で、第１接点４１ａを前記コンデンサー４３の一端と第２リレー４２の一端との間に接続し、第２接点４１ｂを前記コンデンサー４３と電池３６の陽極との間に接続している。
【０１２７】
また、前記第２リレー４２は、ａ接点構造の単一の接点４２ａを具備し、この接点４２ａを前記電池３６の陽極と電磁石３８の一端との間に接続している。
【０１２８】
前記電気回路３７の動作について説明すると、図１９はリモートコントローラ３９が操作されず電磁石３８は非通電の状態を示すものである。すなわち、前記動作スイッチ４４及び前記第１リレー４１の第１接点４１ａはオフの状態、前記第２接点４１ｂはオンの状態となっている。
【０１２９】
また、前記第２リレー４２の接点４２ａはオフの状態で、電磁石３８へ通電されていない。一方、前記第２接点４１ｂがオンであるため、コンデンサー４３には電池３６からの通電によりその容量分の電荷が蓄電される。
【０１３０】
次に、図２０に示すように、手動操作により前記リモートコントローラ３９からの操作信号が動作スイッチ４４に入力されると、この動作スイッチ４４がオンとなり、第１リレー４１が励磁されて第１接点４１ａがオンとなり、第２リレー４２が励磁され、その接点４２ａがオンとなる。また、第１リレー４１の第２接点４１ｂはオフとなる。
【０１３１】
これにより、電池３６から第２リレー４２の接点４２ａを介して電磁石３８に通電されるが、他方、第１リレー４１の第２接点４１ｂがオフとなるため、電池３６からコンデンサー４３への通電は断たれる。
【０１３２】
この結果、電磁石３８は通電状態となるものの、その時間はコンデンサー４３に蓄電された電荷による電流が第２リレー４２へ流れるだけの短時間であり、それが流れ終わると第２リレー４２は非励磁状態に戻りその接点４２ａはオフとなるため、電磁石３８への通電は断たれる。
【０１３３】
このようにして、電磁石３８へ短時間だけ通電し、これにより、電磁石３８と永久磁石２８との間に反発力を作用させることにより、摺動円筒２７を下方に離脱させ、同時に前記鉛直支持機構部２４の動作を利用して鉛直尺２２を地面上に正確な鉛直配置で起立させることができる。
【０１３４】
前記動作スイッチ４４のオンの状態が続いても、第２リレー４２に電流が流れ切った後はその接点４２ａはオフとなっている。
【０１３５】
前記リモートコントローラ３９を操作して前記動作スイッチ４４をオフにすると、図１９に示す初期の状態に戻り、コンデンサー４３への蓄電がなされる。
【０１３６】
この後、仮に再び前記リモートコントローラ３９を操作して前記動作スイッチ４４をオンにし、電磁石３８を作動させても、摺動円筒２７はすでに下方に落下しており、機能上は何も起こらない。
【０１３７】
次に、本発明の実施例２に係るデジタルカメラＣを用いた三次元計測方法について図２１、図２２を参照して説明する。
【０１３８】
本実施例２におけるデジタルカメラＣを用いた三次元計測方法は、図２１に示すように、カメラパラメータが設定されたデジタルカメラＣを用いて交通事故現場等の第１の撮影地点と、その光軸に概ね直角方向の第２の撮影地点との２箇所で撮影対象６１を撮影する。
【０１３９】
本実施例２に係る三次元計測方法においては、従来のように三次元位置が既知である基準点等でなく、既述したような測定原点２２ａ及び基準長指示マーク２３が付され、前記基準軸鉛直設定装置２１により正確に鉛直性が確保される前記鉛直尺２２と、奥行き方向の軸方向を定めるための指標点Ｐｘを地面に置くなどして、それを計測対象に含めることで計測時の客観的な座標系を定め、実施例１で述べたようにカメラパラメータが設定された２つのデジタルカメラＣを用いて撮影対象６１を撮影することで、客観的な座標系を取得するものである。
【０１４０】
さらに具体的に説明すると、図２２に示すように、撮影対象としての道路７０の道路軸Ｌの方向に向けて、高所（地上高３〜４ｍ程度）からのデジタル写真を、前記基準軸鉛直設定装置２１の鉛直尺２２と奥行き軸を決める前記計測指標点Ｐｘを配置し、２個のデジタルカメラＣにより俯瞰的に撮影する。
【０１４１】
また、前記基準軸鉛直設定装置２１の道路軸Ｌに対して直交する方向の両側には、５点以上の固定点が既存物として存在しない場合に、複数を設定するための多数の固定点指標７２を分散配置した２個の三脚７１が配置される。
【０１４２】
このような態様でデジタルカメラＣを用いて前記道路７０の領域を撮影することで、ステレオのデジタル写真が前記コンピュータ装置１内に取り込まれる。
【０１４３】
このようにして、デジタル写真に撮影される原点とする測定原点２２ａ、この測定原点２２ａに対して鉛直線上にある基準長指示マーク２３により一軸を特定し、奥行き軸Ｌ１を定めるための計測指標点Ｐｘを特定して客観的な座標系を定め、前記道路７０の領域を撮影し、撮影現場での三次元計測を行うものである。
【０１４４】
なお、図２２に示す点線は、客観的座標系を設定した様子を示すものであり、奥行き軸Ｌ１が計測指標点Ｐｘの鉛直上を通っている様子を示すものである。奥行き軸Ｌ１は、前記鉛直尺２２が鉛直なら、水平となる。
【０１４５】
このような正確に鉛直性が確保される前記鉛直尺２２、ポール５１の頂部に配置した計測指標点Ｐｘを撮影対象６１内に含めることで、写真に撮影された原点とするべき点（測定原点２２ａ）、いずれか一軸（例えばＹ軸）上にあるべき点（基準長指示マーク２３）、及びこの一軸に垂直な平面（例えばＸＹ平面）の一軸を決めるための点（計測指標点Ｐｘ）の３点を特定して、客観的な座標系を求めることができる。
【０１４６】
このようにして本実施例２に係る三次元計測方法によれば、カメラパラメータが設定されたデジタルカメラＣを使用し、かつ、鉛直性が確保される前記鉛直尺２２、計測指標点Ｐｘを撮影対象６１に含めての撮影により得た写真によって客観的な座標系を取得することで、従来のように三次元位置が既知である基準点を採用することや高価なステレオカメラを使用することを不要としつつ撮影対象６１における各要素に関する位置関係の計測、距離測定を撮影した写真を基に的確に把握できる三次元計測方法を実現できる。
【０１４７】
また、本実施例２に係る三次元計測方法によれば、例えばこれを交通事故現場での衝突車両、自転車、怪我人等に関する実況見分の際の現場撮影に適用した場合、交通事故現場での実況見分作業時間が短縮され、実況見分に携わる警察官の殉職や受傷事故の減少を図ることができ、更に、交通渋滞による国民経済的な損失が多いに緩和される効果を発揮する。
【０１４８】
また、従来の三次元計測方法で用いられていたステレオカメラや自動追尾の測量機器は、きわめて高価な機器であり、国や地方公共団体の財政に負担が大きかったが、本実施例２によれば市販のデジタルカメラＣを活用することができ、撮影機器、付帯設備等に関する価格の大幅な低廉化を図ることができる。
【０１４９】
更に、本実施例２に係る三次元計測方法によれば、撮影対象６１についての必要な現場見取り図を簡便に作成し、かつ、特定個所の位置関係を所定の精度で写真から計測して見取り図に正確に表示することが容易となる。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本発明のデジタルカメラを用いた三次元計測方法は、交通事故現場での実況見分に採用することができる他、自動車関連、建築物関連、土木構築物関連、鉄道関係、送電鉄塔等の電力関連、船舶関連、航空機関連等、極めて広範囲にわたる三次元の撮影対象の計測に好適に適用可能である。
【符号の説明】
【０１５１】
１ コンピュータ装置
２ セオドライト
３ 制御部
４ プログラムメモリ
５ 写真画像ファイル
６ 座標値ファイル
７ 演算部
８ 表示部
９ 入力部
１０ 記憶部
２１ 基準軸鉛直設定装置
２２ 鉛直尺
２２ａ 測定原点
２３ 基準長指示マーク
２４ 鉛直支持機構部
２５ 三脚
２６ 電磁石錘体
２７ 摺動円筒
２７ａ 上端鍔部
２８ 永久磁石
３１ 中央筒
３１ａ 軸
３２ 内部枠体
３２ａ 軸
３３ 軸受
３４ 外部枠体
３５ 軸受
３６ 電池
３７ 電気回路
３８ 電磁石
３９ リモートコントローラ
４１ 第１リレー
４１ａ 第１接点
４１ｂ 第２接点
４２ 第２リレー
４２ａ 接点
４３ コンデンサー
４４ 動作スイッチ
６１ 撮影対象
７０ 道路
７１ 三脚
７２ 固定点指標
ＰＴ 指標点パターン
Ｃ デジタルカメラ
Ｐ 指標点
Ｐｘ 計測指標点
Ｌ 道路軸Ｌ
Ｌ１ 奥行き軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作の迅速性、簡便性と装置価格の低廉性を実現したうえで撮影対象についての所定の計測精度を確保し得るようなデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法、三次元座標値測定方法、カメラパラメータの算定方法、並びに、デジタルカメラを用いた三次元計測方法及び該三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、交通事故現場における警察の実況見分作業においては、当該現場のステレオカメラ等による写真撮影、位置関係の計測、距離測定等を速やかに行い、実況見分調書に必要な現場見取り図を作成し、かつ、写真を利用して特定個所の位置関係等々を所定の精度で計測して見取り図に表示することが要請される。
【０００３】
すなわち、このような交通事故現場においては、警察官等が行う実況見分の作業時間を短縮して、長時間にわたる通行止めを避け、また、実況見分に携わる担当者が走行車両に衝突されて死亡・受傷する等二次的な災害を回避する対策が必要となる。
【０００４】
従来におけるステレオカメラによる三次元計測技術としては、例えば公知の測量用のステレオカメラにより現場の必要箇所を撮影し、撮影した写真を利用して三次元計測を行なう方法は、すでに昭和４０年代半ばから行われているが、これには次の問題点がある。
【０００５】
すなわち、ステレオカメラが専用機であり価格も高価であること、２台のカメラが正確に１２００ｍｍの間隔で取り付けられ、撮影時にはこれを完全に水平に保つ必要があること、ステレオカメラの重量は１７．５ｋｇ程度もあり、専用の三脚に取り付け、専用の事故処理車に搭載するなどその操作性は簡略とはいい難く、更に図化のための装置が180cm（W）×150cm（D）×120cm（H）程度以上の大型で、その操作には熟練を要すること等である。
【０００６】
また、三次元計測技術としては、市販のデジタルカメラを用いる三次元測量方法も知られている。
【０００７】
例えば、三次元座標が既知である基準点を採用するデジタルカメラ三次元計測システムがある。
【０００８】
しかし、上記の方法では、三次元座標値が既知である基準点が必要であり、交通事故現場等、処理の迅速性・簡便性が求められる場合には適用できない。
【０００９】
また、ズーム機能や自動ピント合わせ機能を持つ通常市販のデジタルカメラでは、計算上計測は可能でも撮影ごとにカメラ定数が変化するため、計測目的にはなじまない。
【００１０】
特許文献１には、基準棒を用いて1台のデジタルカメラまたは左右２台のデジタルカメラでステレオ画像を撮影し、パソコンにより両方の画像に基づくステレオモデル座標系を構築し、次に、現場では基準棒を用いて測定対象物を撮影し、このステレオ画像をパソコンが画面に表示し、画面で指定された求点の座標をモデル座標系に定義した後に、左カメラのカメラ座標系に変換して、２点の求点の離隔距離を求めるように構成した写真測量システムが提案されている。
【００１１】
しかし、この特許文献１の場合は、デジタルカメラのカメラ定数による座標値修正を行っていないうえ、相互標定がそもそも不可能な写真対を用いているにもかかわらず、見かけ上の相互標定を行なっている点、計測上の問題を包含している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−９７９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする問題点は、操作の迅速性、簡便性と装置価格の低廉性を実現した上で撮影対象についての所定の計測精度を確保し得るようなデジタルカメラを用いた三次元計測方法が従来存在しない点である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るデジタルカメラを用いた三次元計測方法は、パンフォーカス機能を具備し、カメラパラメータが設定されたデジタルカメラを用いて交通事故現場のような撮影対象領域における第１の撮影地点と、その光軸にほぼ直角方向に任意に隔たった第２の撮影地点とで事故車両等の撮影対象を共通に含む複数の写真を撮影し、５個以上の固定点の各写真上の位置から１組の写真上の座標を共通の座標系に座標変換を行うためのパラメータを算出し、これによって双方の写真内にある対象点の、第１の撮影地点を原点とする三次元座標系における位置を計測し、前記三次元座標系を客観的な座標系に変換して前記撮影対象領域の客観的な座標系における事故車両等の位置を計測するデジタルカメラを用いた三次元計測方法であって、前記撮影対象の撮影時に、ポール状で測定原点及びこの測定原点から既知の長さ離れた基準長指示マークが付され、鉛直性が確保される鉛直尺と、この鉛直尺とは別の位置に任意に配置した計測指標点とを撮影対象領域に含める過程と、写真に撮影される原点とする測定原点、この測定原点に対して鉛直線上にある基準長指示マークにより一軸を特定し、この一軸を含みデジタルカメラから見て奥行きの光軸方向の他の一軸を含む平面上にある計測指標点を特定して客観的な座標系を定める過程と、を含むことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載の発明によれば、指標点の奥行き方向はランダムであり、正対方向からは正方格子状に見えるように配置する構成で、的確にカメラパラメータを算定し得る指標点配置を実現できるデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法を実現し提供することができる。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、指標点の奥行き方向はランダムであり、正対方向からは正方格子状に見えるように配置する指標点が、設計値どおりに配置することが困難である場合に、角度測定器一台を用いて、任意の２箇所から各指標点の極座標値の角度成分のみを測定して各指標点の三次元座標値を求めることにより、角度測定器一台のみによってデジタルカメラＣの外部定数（指標点座標によるカメラ位置と回転角）とデジタルカメラＣの内部定数（いわゆるカメラパラメータ）の双方を算定するためのデータを得ることができるデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための三次元座標値測定方法を実現し提供することができる。
【００１７】
請求項３記載の発明によれば、デジタルカメラのレンズの歪係数を撮影画面上の位置における値ではなく、レンズの後ろ側主点から撮影画面方向に関する関数として捉えることにより、前記デジタルカメラの画面距離、レンズの歪係数、光学上の画面中心位置を同時に効率よく算定することができるデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定方法を実現し提供することができる。
【００１８】
請求項４記載の発明によれば、指標点の奥行き方向はランダムであり、正対方向からは正方格子状に見えるように配置した指標点を、前記デジタルカメラを横向き（正）、逆さ向き（天地逆転）、及び横向き（時計回り及び反時計回り）に構えて複数枚のデジタル写真を撮影し、各デジタル写真の画面上にある指標点の像位置の写真座標値を読み取り、読み取った写真座標値データと、角度測定器一台を用いて、任意の２箇所から各指標点の極座標値の角度成分のみを用いて求めた各指標点の三次元座標値のデータを関連付けてデジタルカメラの６つのパラメータを算定することにより、これら６つのパラメータの最適化を実現できるデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定方法を実現し提供することができる。
【００１９】
請求項５記載の発明によれば、パンフォーカス機能を具備し、カメラパラメータが設定されたデジタルカメラを用いて第１の撮影地点と、その光軸からほぼ直角の方向に任意に隔たった第２の撮影地点とでカメラに近接した位置に配置した５個以上の固定点を撮影することにより写真上の座標を共通の座標系に座標変換を行うためのパラメータを算出し、これによって双方の写真内にある対象点の、第１の撮影地点を原点とする座標系における位置を計測し、また、その計測結果を、鉛直性が確保される鉛直尺と、この鉛直尺とは別の位置に任意に配置した計測指標点とを撮影対象に含め、写真に撮影される前記鉛直尺、計測指標点を基に客観的に定めた座標系に変換することによって、操作の迅速性、簡便性と装置価格の低廉性を実現したうえで撮影対象である交通事故現場等の位置を正確に計測・表現することができるデジタルカメラを用いた三次元計測方法を実現し提供することができる。
【００２０】
請求項６、７記載の発明によれば、下部に測定原点を付し、その上方に既知の長さ分離隔した位置に基準長指示マークを付した基準軸としての鉛直尺を嵌装支持するとともに、三脚に取り付けることで三脚の傾きの如何を問わず上記三次元計測方法における客観的な座標を定めるための鉛直軸を正確に鉛直に定め、撮影時間全体にわたって固定ができるデジタルカメラを用いた三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置を実現し提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は本発明の実施例１に係るデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置状態を示す説明図である。
【図２】図２は本実施例１に係る多数の指標点の位置を示す説明図である。
【図３】図３は本実施例１に係る多数の指標点を斜め側方から見た状態を示す説明図である。
【図４】図４は本実施例１においてデジタルカメラにより指標点を撮影した画像（横型）を示す図である。
【図５】図５は本実施例１においてデジタルカメラにより指標点を撮影した画像（縦型）を示す図である。
【図６】図６は本実施例１に係るカメラのカメラパラメータの算定方法を実施するためのコンピュータシステム構成を示すブロック図である。
【図７】図７は本実施例１においてセオドライトにより指標点の極座標を測定する状態を示す説明図である。
【図８】図８は本実施例１においてセオドライトを仮想カメラと見做した時の仮想写真像位置を示す説明図である。
【図９】図９は本実施例１に係るカメラパラメータの算定用データ設定方法における指標点の読み取り過程を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は図９の（Ａ）の処理過程を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は本発明の実施例１に係るカメラパラメータの算定方法におけるデジタルカメラのレンズ歪みを表す曲線を示す図である。
【図１２】図１２は本実施例１に係るレンズの後ろ側主点以降の光線の進路を示す説明図である。
【図１３】図１３は本実施例１に係るカメラパラメータの算定方法の算定過程を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は本実施例１に係るカメラパラメータの最適化までの変化を示す図である。
【図１５−Ａ】図１５−Ａは本実施例１に係る立体指標の場合のカメラパラメータの収束状況を示す説明図である。
【図１５−Ｂ】図１５−Ｂは、は本実施例１に係る立体指標の場合のカメラパラメータの収束状況を示す説明図であり７枚の写真を使った場合の指標点の歪み量とパラメータ値及び各写真の推計位置を示す説明図である。
【図１６】図１６は本発明の実施例２に係るデジタルカメラを用いた三次元計測方法を実現するための基準軸鉛直設定装置の概略斜視図である。
【図１７】図１７は本実施例２に係る基準軸鉛直設定装置における鉛直支持機構部の拡大斜視図である。
【図１８】図１８は本実施例２に係る基準軸鉛直設定装置における電磁石錘体、摺動円筒の分解斜視図である。
【図１９】図１９は本実施例２に係る基準軸鉛直設定装置における電磁石駆動用の電気回路（オフ状態）を示す回路図である。
【図２０】図２０は本実施例２に係る基準軸鉛直設定装置における電磁石駆動用の電気回路（オン状態）を示す回路図である。
【図２１】図２１は本発明の実施例２に係るデジタルカメラを用いた三次元計測方法における撮影対象の撮影状態を示す概略図である。
【図２２】図２２は本実施例２に係るデジタルカメラを用いた三次元計測方法における鉛直尺、計測指標点を含ませた撮影対象である道路の一部の撮影状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、操作の迅速性、簡便性と装置価格の低廉性を実現したうえで撮影対象についての所定の計測精度を確保し得るデジタルカメラを用いた三次元計測方法を実現し提供するという目的を、パンフォーカス機能を具備し、カメラパラメータが設定されたデジタルカメラを用いて第１の撮影地点と、その光軸にほぼ直角方向に任意に隔たった第２の撮影地点とで撮影対象を共通に含む複数の写真を撮影し、５個以上の固定点の各写真上の位置から１組の写真上の座標を共通の座標系に座標変換を行うためのパラメータを算出し、これによって、双方の写真内にある対象点の、第１の撮影地点を原点とする三次元座標系における位置を計測し、前記三次元座標系を客観的な座標系に変換して前記対象点の客観的な座標系における位置を計測するデジタルカメラを用いた三次元計測方法であって、前記撮影対象の撮影時に、ポール状で測定原点及びこの測定原点から既知の長さ離れた基準長指示マークが付され、鉛直性が確保される鉛直尺と、この鉛直尺とは別の位置に任意に配置した計測指標点とを撮影対象に含める過程と、写真に撮影される原点とする測定原点、この測定原点に対して鉛直線上にある基準長指示マークにより一軸を特定し、この一軸を含みデジタルカメラの光軸方向の他の一軸を含む平面上にある計測指標点を特定して客観的な座標系を定める過程と、を含む構成により実現した。
【実施例】
【００２３】
以下に、本発明の実施例に係るデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法、三次元座標値測定方法、カメラパラメータの算定方法、並びに、デジタルカメラを用いた三次元計測方法及び該三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置について詳細に説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１乃至図１５−Ｂ参照して本発明の実施例１に係るデジタルカメラＣを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法、三次元座標値測定方法、カメラパラメータの算定方法について説明する。
【００２５】
本実施例１において、後述する実施例２に係る三次元計測方法を実行する場合には、市販のデジタルカメラＣで、固定焦点、すなわち、パンフォーカス機能のあるものを用いる。
【００２６】
パンフォーカスモードのあるデジタルカメラＣを対象物の計測目的に用いるためには当該カメラＣのパンフォーカスモードにおける３種類のパラメータ、すなわち、画面距離、レンズの歪み、及び画面上の光軸位置が計測されている必要がある。
【００２７】
以下に、その前提としてのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法、三次元座標値測定方法につき図１乃至図１０を参照して説明する。
【００２８】
図６は、本発明に係る実施例１のカメラパラメータの算定用データ設定のための三次元座標値測定方法、カメラパラメータの算定方法を実現するためのコンピュータ装置１を示すものであり、このコンピュータ装置１は、デジタルカメラＣ及び後述するセオドライト（角度測定を行う測量器）２から写真画像データ、指標点Ｐの極座標の角度成分データを取り込み、これらを基にデジタルカメラＣのカメラパラメータにおける算定用データの設定及びカメラパラメータの算定を行うように構成している。
【００２９】
前記コンピュータ装置１は、全体の制御を行う制御部３と、詳細は後述するデジタルカメラＣが撮影した写真の写真データ（写真画像データ）、セオドライト２で計測した指標点Ｐの座標値データの読み込み処理、指標座標系、写真座標系間の座標変換処理、回転角変換処理、公知のアフィン変換処理、指標点適合処理を行うカメラパラメータの算定用データ設定プログラムと、詳細は後述するカメラパラメータの算定プログラムとを格納したプログラムメモリ４と、写真画像データを記憶する写真画像ファイル５と、前記座標値データを記憶する座標値ファイル６と、前記各プログラムに基づきカメラパラメータの算定用データの設定、カメラパラメータの算定に関する各種の演算を実行する演算部７と、公知の表示部８及び入力部９と、各種処理データを記憶する記憶部１０とを有している。
【００３０】
次に、カメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法、三次元座標値測定方法について具体的に説明する。
【００３１】
（指標点Ｐの撮影）
まず、図１、図２に示すように、３ｍ程度の正方形の平面に多数の指標点Ｐを奥行き方向はランダムで正対方向から撮影した場合に正方格子状に見えるように撮影されるように列設して指標点パターンＰＴを作成する。この場合、各指標点Ｐは平面上の図２に示す位置に図１に示す高さの直径１ｃｍ程度の棒状のものを立てて配置したパターンＰＴとするものである。パターンＰＴは斜め側方から見ると、図３に示すようになるが、これを正面から撮影して見ると図４（横型）及び図５（縦型）に示すようになる。
【００３２】
なお、各指標点Ｐを設計通りに配置することは実際上難しいが、概ね設計どおりに配置し、これを後述する方法で三次元的に計測する。
【００３３】
次に、指標点パターンＰＴの各指標点Ｐを、図１に示すように正面から使用するデジタルカメラＣを用いて撮影する。
【００３４】
本実施例１においては、デジタルカメラＣを用いて指標点パターンＰＴを、図１に示すように、正面から撮影して図４、図５に示すような画像を取得して、これらを図６に示すコンピュータ装置１の写真画像ファイル５に記憶する。なお、デジタルカメラＣの撮影態様としては、横向き（正）、逆さ向き（天地逆転）、及び縦向き（時計回り及び反時計回り）に構えて各々デジタル写真を撮影する態様があり、すべての態様で撮影する必要があるが、それぞれの写真は概ね正対させて撮影すればよい。精度を上げるためには、位置をずらせて様々な場所から撮影した写真も加えることが望ましく、全部で７枚の写真があれば良い結果が得られる。
【００３５】
（指標点の三次元座標計測）
次に、前記指標点パターンＰＴにおける各指標点Ｐの座標値の三次元測量を行う。この三次元測量の方法は、以下の通りである。
【００３６】
まず、セオドライト２を用意し、このセオドライト２を前記指標点パターンＰＴの前方の異なる二箇所に据え、それぞれの箇所から図７に示すように、各指標点Ｐの極座標値のうち角度成分（θ、κ）のみの測定を行う。このとき、セオドライト２を水平に設置・視準する等の特段の制約は存在しない。
【００３７】
次に、図８に示すように、セオドライト座標系のＸ軸に垂直な仮想平面を想定し、その仮想平面を原点からｆの距離に仮想的に設置する。
【００３８】
このことは、上述したセオドライト２を仮想的なカメラと見做すことであり、仮想平面はその画像位置に相当する。この仮想平面とＸ軸から成る座標系をカメラ座標系とする。
【００３９】
これにより、指標点Ｐの仮想写真像の位置が表現できる。すなわち、セオドライト座標系における各指標点Ｐの角度（θ、κ）から、下記数１でｐ点（指標点Ｐに対応する仮想点）の写真座標値ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）が定まる。
【００４０】
【数１】
【００４１】
（三次元座標計測のための座標系の設定）
次に、三次元座標計測のための座標系の設定について説明する。写真測量の理論における「モデル座標系」、すなわち、「左右カメラをステレオカメラと見做した場合のステレオモデル座標系」における指標点の三次元座標値が求められるが、それを計測対象の座標系に変換する。
【００４２】
これは直交座標系の変換であり、原点の移動と、移動後における三軸のまわりの回転変換を行う。そのための原点、Ｚ軸が通る点及びＹＺ平面を定義する。
【００４３】
図１に示す前記指標点パターンＰＴを使用する場合、指標点座標系の原点は、指標点Ｐの一つ（例えば中央の指標点Ｐ）とする。また、Ｚ軸が通る点も定義する（図１における原点とされる指標点Ｐに対して左右方向の指標点Ｐの一つ）。更に、ＹＺ平面は、原点を通り、平面上にあるとして定めたすべての指標点ＰのＸ座標値の二乗和が最小となるように定める。
【００４４】
このようにして、セオドライト２のみを用いて各指標点Ｐの三次元座標値の計測を行なうことができる。精度向上のためには３個所から測定を行い、３対のデータを平均することが望ましい。下記表1は、シミュレーションによるセオドライトの読みの精度に対する計測精度を計測値の標準偏差を用いて示すものであるが、これによりセオドライトの読み取り精度が４０秒の場合、計測結果の標準偏差は、０．２mm以下となる。計測結果は、図６に示すコンピュータ装置１の座標値ファイル６に記憶する。
三次元座標計測された指標点データは、デジタルカメラＣの外部定数（指標点座標によるカメラ位置と回転角）とデジタルカメラＣの内部定数（いわゆるカメラ定数）の双方を算定するためのデータとして用いられる。
【表１】
【００４５】
次に、写真座標の読み取りについて、図９、図１０を参照して説明する。写真座標の読み取りは、カメラパラメータの算定用データ設定プログラムの動作で半自動により行う。このときのアルゴリズムは、図９、図１０に示す通りである。
【００４６】
まず、写真画像ファイル５から各指標点Ｐを撮影した写真を読み込む。続いて、任意の３個の指標点についての写真座標値を読む。
【００４７】
次に、読み取った指標点の座標値の値と既定の写真座標の値から、カメラ座標の原点の指標点座標系による座標値ならびにカメラ座標系の指標点座標系からの各軸の回転角を求める。
【００４８】
以上のような処理を原点から始めて渦巻き状に、順に指標点を自動的に選択して繰り返す。渦巻き上に順次読み取る理由は、上記カメラ座標の原点位置及び回転角が順調に修正されるためである。
【００４９】
次に、選択された指標点の座標は既に読み込まれたものか否か判断し、読み込まれたものであれば次の点を選択する。また、読み込まれたものでなければ、詳細は後述する指標点座標の読み込みの処理を行なう（Ａ）。
【００５０】
次に、対象となる指標点をすべて読み取ったか否か判定し、すべて読み取っていなければ上述した処理を繰り返し、また、対象となる指標点をすべて読み取ると写真座標の読み取り処理は終わりとなる。
上述した指標点座標の読み込みの処理（Ａ）の詳細内容について、図１０を参照して以下に説明する。
【００５１】
まず、コンピュータ装置１の表示部８に表示される画像上に現れるべき指標点のテンプレートを上述した各指標点を撮影した写真、写真座標値を用いてアフィン変換により作成する。
【００５２】
次に、カメラパラメータの算定用データ設定プログラムに基づいて表示部８に表示される画像読み取り用の小画面に読み取り対象点の近辺の画像を拡大して表示する。
【００５３】
次に、その小画面内でテンプレートを移動させ、画像と最も適合度が高い所を相関係数最大化法により探索する。
【００５４】
次に、指標点のテンプレートの輪郭を画像に重ねて表示し、探索された結果の妥当性を表示部８上で視認する。
【００５５】
そして、当該指標点に良く適合していると認めれば、適合点の座標値を採用する。また、当該指標点に適合していない、又は他の指標点に適合していると認めれば、手動で適合操作を行い、適合点の座標値を採用する。
【００５６】
このような処理の後、既述したように対象となる指標点をすべて読み取ったか否か判定して、すべて読み取っていなければ上述した処理を繰り返し、また、対象となる指標点をすべて読み取ると写真座標の読み取り処理は終わりとなる。以上の処理による処理結果は、前記記憶部１０に記憶保持される。
【００５７】
本実施例１のカメラパラメータの算定用データのための三次元座標値測定方法によれば、パンフォーカス機能のあるデジタルカメラＣを用い、指標点座標系を構成する特定の指標点Ｐを原点とする指標点パターンＰＴにおける格子状に配列された各指標点Ｐを異なる複数方向から撮影し記憶するとともに、指標点パターンＰＴにおける各指標点Ｐの座標値をセオドライト２にて測定して、各座標値を記憶するという斬新、かつ、簡略な過程を採用し、これらを基に三次元座標値を簡略な演算により高い精度で求めることができる。
【００５８】
次に、図１１乃至図１５−Ｂ参照して本発明の実施例１に係るカメラパラメータの算定方法について詳述する。
【００５９】
本実施例１のデジタルカメラＣのカメラパラメータは、画面距離、レンズの歪み、及び画面上の光軸位置であるが、これらは以下のように定義される。
【００６０】
ａ．画面距離
通常、画面距離はｍｍにより表わされるが、ここでは、写真座標を表現するのと同じ単位を用いる。その単位は、デジタル画像の素子数の１００倍を１単位とするもので、セントピクセル（略称ＣＰ）とする。この単位は、個々のデジタルカメラＣによってピクセルの大きさが異なっている場合でも、当該カメラについては同じ単位となり、不都合はない。１ＣＰは約０．７ｍｍである。
【００６１】
ｂ.当該デジタルカメラＣのレンズの歪み
レンズ歪みは、図１１のような曲線で表される。これは、横軸に画面上の光軸位置からの隔たりを、縦軸に歪みがない場合と比べてどれだけの差があるかを表したもので、単位はいずれもＣＰである。
【００６２】
図１１に示す曲線は、下記数２で表わされている。なお、以下の式中、乗算は「＊」で、べき乗は「＾」で表わすものとする。
【００６３】
【数２】
【００６４】
この式は、次の仮定に基づくものである。すなわち、レンズの後ろ側主点Ｏ２以降の光の進路が、図１２のようになっているとし、歪みのあるレンズの場合に、光線の進路が歪みのない場合（点線で示す）から、内側にΔθだけ折れ曲がる（実線で示す）と見做して、この量が光軸と光の進路とのなす角（図１２中のθ）の関数として下記数３で表わされると仮定する。
【００６５】
【数３】
【００６６】
ここで、ｒ＝ｆ＊tであるから、Δｒは下記数４の式のように導出される。
【００６７】
【数４】
【００６８】
ｃ.光軸位置（座標値（y0, z0））
レンズの光軸を通る光線が画面と交わる点を光軸位置とする。この位置が画面の中心からどの程度ずれているかを表す座標値（y0, z0）が光軸位置のカメラパラメータで、この単位はＣＰである。
【００６９】
ｄ.カメラパラメータの算定方法
上記a、ｂ、ｃの３種類(６個)のパラメータを、既述した指標点Ｐの三次元座標計測の処理で求めた各指標点の三次元座標値と、既述したようにして読み取った写真座標値を用いて図１２に示すカメラパラメータの算定プログラムのアルゴリズムで算定する。
【００７０】
まず、各指標点の座標値を前記記憶部１０から読み込む。
【００７１】
次に、既述したようにして撮影した写真について、各指標点の写真座標値を前記記憶部１０から読み込む。
【００７２】
次に、画面距離を公称値とし、レンズ歪み係数と光軸位置（座標値（y0, z0））をゼロと仮定する（カメラパラメータの初期値）。
【００７３】
次に、下記（Ｅ）の初期値として、ΔＳを大きな値（例えば10^8）とする。
【００７４】
次に、仮定ないし計算されたカメラパラメータの場合のカメラ座標の原点位置及び指標点座標系からの回転角を計算する（Ｂ）。
【００７５】
次に、Ｂで仮定したカメラ位置で指標点を撮影した場合の各指標点の方向と、写真像をカメラパラメータで較正した場合の写真像（正規化写真像とする。）の方向ができる限り一致するようなカメラパラメータを算定する（Ｃ）。
【００７６】
次に、Ｂで仮定したカメラ位置で指標点を撮影した場合の各指標点の写真像の位置を計算する（Ｄ）。
【００７７】
次に、上記Ｄで計算した写真像位置と実際の写真像位置との隔たりΔＳの平均値を計算する（Ｅ）。
【００７８】
次に、前記隔たりΔＳが一つ前のループで計算した値よりも大きいか否か判定し、大きくない場合はＢの処理に戻って繰り返し計算を行い、ΔＳの値に変化がなくなると終わりとなる。
【００７９】
上述したＢ（カメラ座標の原点位置、回転角の計算）の計算方法について以下に具体的に説明する。
【００８０】
指標点座標系によるカメラ位置をＣＰ（ベクトル）とすると、各指標点位置のカメラ座標値ＸＣは、下記数５で表すことができる。
【００８１】
【数５】
【００８２】
正規化写真像のカメラ座標値は（ｆ，ｙn, ｚn ）である。ここで、ｆはカメラパラメータの一つである画面距離であり、ｙn, ｚnは下記数６の式で写真座標値を正規化したものである。
【００８３】
【数６】
【００８４】
ここで、ｙ、ｚは写真座標で、その座標系は画面中心を原点とし、単位はＣＰとしたものである。
ｙ０、ｚ０は、カメラパラメータである光軸位置の座標値（座標系は写真座標系、単位はＣＰ）、Ｃは既述した数２の値であり、カメラパラメータのｃ１、ｃ２、ｃ３を含む。Ｃに含まれるｔは、ｔ＝ｒ/ｆであるが、ｒは下記数７で表わすことができ、光軸位置のパラメータｙ０、ｚ０を含む。
【００８５】
【数７】
【００８６】
ＸＣの成分を（ＸＣ、ＹＣ、ＺＣ）とすると、各指標点の方向は、カメラ座標において下記数８で表される。
【００８７】
【数８】
【００８８】
すべての指標点においてこの条件を満たすことはできないので、これを近似的に満たすために次の数９の式を最小化する。
【００８９】
【数９】
【００９０】
数９の（ａ）式の最小化のためにＨを各パラメータで偏微分し、それをゼロとする下記数１０の６元の連立方程式を立てる。
【００９１】
【数１０】
【００９２】
数１０の６元連立方程式は、公知のニュートン法（方程式を数値計算によって解くための反復法による求根アルゴリズムの一つ）により解く。このための初期値は、写真座標の半自動読み取りにおいて算定されているのでそれを用いる。
【００９３】
次に、上述したＣ（カメラパラメータの算定）の計算方法について説明する。Ｂの計算における数９の式（ａ）の最小化は、Ｃの計算においても共通である。
【００９４】
数９の式（ａ）の最小化のためにＨを各パラメータで偏微分し、それをゼロとする下記数１１の６元の連立方程式を立てることは、Ｂと同様であるが、パラメータはカメラパラメータである。
【００９５】
【数１１】
【００９６】
ここで、Ｐ１＝ｆであるから、ｋ＝１の場合は他のパラメータの場合と異なり、下記数１２のようになる。
【００９７】
【数１２】
【００９８】
また、ｋ≠１の場合は下記数１３の通りである。
【００９９】
【数１３】
【０１００】
数１１の式（ｂ）の６元連立方程式は、Ｂの場合と同様ニュートン法により解く。
【０１０１】
次に、Ｄで計算した各指標点の写真像の位置の収束までの挙動について説明する。
【０１０２】
図１４は、図１３に示す処理ループ毎にそれぞれのパラメータが最適解に至るかを示す例である。この図で、約３０００回目に見られる各グラフの不連続性は、ここまでが正面写真による初期値を求めるループ、これ以降が７枚すべての写真による推計計算であることを示す。これにより、光軸位置の最適化が最も遅く、最後まで変化していることが知られる。
【０１０３】
図１３の処理ループにおけるカメラパラメータの収束状況については、レンズ歪み曲線の変化を処理ループ１００回ごとに表すと図１５−Ａのようになり、各指標の歪み量は図１５−Ｂのようになる。
また、図１５−Ａは、初期的な状態（点線）から最適解へ至る様子を示す。処理ループは数千回で収束し、最終的なΔＳの値は、約０．００７ＣＰ（０．７ピクセル）である。
【０１０４】
このように、本実施例１においては、指標点Ｐの理論上の写真座標がそれらの像位置とできるだけ一致するようにデジタルカメラＣの各撮影位置と姿勢を調整し（外部標定）、次いで同じく実際の写真座標値と理論上の写真座標値ができるだけ一致するように６つのカメラパラメータを調節し（内部標定）、外部標定、内部標定を繰り返して、実際の写真座標値と理論上の写真座標値との差が減少から増加に移るまで繰り返し計算を行うものである。これにより、６つのカメラパラメータの最適化を実現できる。７枚の写真を用いる場合、この収束計算には計算速度が２ＧＨｚの計算機で約５分を要するが、これは長いほうの例であり、平均的には３分弱であり、平面指標を用いた場合の４０〜５０分に比べて実用性は高まっている。
【０１０５】
以上から、デジタルカメラＣのカメラパラメータを、複数の指標点Ｐを撮影することにより求める方法については、以下のようにまとめることができる。
【０１０６】
すなわち、指標点Ｐを平面に配置する場合は正面、上方、下方から各１枚、ならびに左右方向からデジタルカメラＣを光軸周りに左右各９０度回転させて撮影した写真４枚、合計７枚の写真を用いる。
【０１０７】
また、指標点Ｐの位置の３次元計測は、角度測定器であるセオドライト２の１台のみで行うことができる。
更に、デジタルカメラＣのレンズの歪係数を撮影画面上の位置における値ではなく、レンズの後ろ側主点から撮影画面方向に関する関数として捉えることにより、前記デジタルカメラのＣ画面距離、レンズの歪係数、光学上の画面中心位置を同時に算定することが可能となる。
【実施例２】
【０１０８】
次に、本発明の実施例２に係るデジタルカメラＣを用いた三次元計測方法及び該三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置２１について図１６乃至図２３を参照して詳細に説明する。
【０１０９】
本実施例２に係るデジタルカメラＣを用いた三次元計測方法は、１台のデジタルカメラＣを用いて対象領域を異なる２か所から俯瞰的に撮影して対象領域の３次元位置計測を行なう方法である。
【０１１０】
この実施例２に係るデジタルカメラＣを用いた三次元計測方法の説明に先立ち、デジタルカメラＣによる計測の基準となる三次元座標系を設定するための基準軸である鉛直尺２２を正確に鉛直に設定する基準軸鉛直設定装置２１について、図１６乃至図２０を参照して説明する。
【０１１１】
本実施例２に係る基準軸鉛直設定装置２１は、図１６に示すように、直径数ｃｍ、長さ３ｍ程度の長尺のポールにより形成されるとともに、下部に測定原点２２ａを付し、その上方に既知の長さ分離隔した位置に基準長指示マーク２３を付した鉛直尺２２と、前記鉛直尺２２を嵌装支持するとともに、例えば三脚２５に取り付けることで前記鉛直尺２２を鉛直配置に支持する鉛直支持機構部２４と、鉛直支持機構部２４の下方から突出させた前記鉛直尺２２の下部を貫通させる状態で取り付けた電磁石錘体２６と、前記電磁石錘体２６の下側に配置した摺動円筒２７と、遠隔操作手段を構成する手動操作により操作信号（例えば超音波信号）を出力するリモートコントローラ３９とを有している。
【０１１２】
前記摺動円筒２７は、前記鉛直尺２２の下部を摺動可能に内装するとともに、その上端部に設けた上端鍔部２７ａが電磁石錘体２６の下面に接合、離脱可能に構成され、更に前記上端鍔部２７ａにＮ極、Ｓ極の磁極分布を図１９のようにした４個の永久磁石２８を埋設した構造としている。また、前記摺動円筒２７の下端部は、先端が先鋭となるように円錐状に形成している。
【０１１３】
前記鉛直支持機構部２４は、図１７に示すように、鉛直尺２２を通す中央筒３１を中心部に鉛直方向に内装する矩形状の内部枠体３２と、この内部枠体３２の周りを、空間を隔てつつ囲むように配置する矩形状の外部枠体３４と、を具備している。
【０１１４】
そして、中央筒３１の外周部からＸ方向に各々突出させた一対の軸３１ａを、内部枠体３２の対応する両側辺に設けた一対の軸受３３により軸支し、中央筒３１をＸ軸の周りで回動可能としている。
【０１１５】
また、内部枠体３２の対向する両側辺からＺ方向に各々突出させた一対の軸３２ａを、外部枠体３４の対応する両側辺に設けた一対の軸受３５により軸支し、内部枠体３２をＺ軸の周りで回動可能としている。
【０１１６】
このような構成により、前記鉛直支持機構部２４を三脚２５に取り付けた場合、三脚２５の各脚がどの高さで設置されていても前記中央筒３１、従って鉛直尺２２は、常に鉛直に保たれるようになる。このとき、前記電磁石錘体２６、摺動円筒２７は、その重さにより鉛直尺２２の錘として機能する。
【０１１７】
次に、前記電磁石錘体２６について、図１８乃至図２０を参照して詳述する。
【０１１８】
前記電磁石錘体２６は、図１８に示すように、円筒状に構成され、その内部に上から下に順に電磁石３８の駆動用の電源である所定の出力電圧を有する電池３６、電磁石３８の駆動用の電気回路３７及び最下部の電磁石３８を搭載している。
【０１１９】
前記電磁石３８は、軟鉄を用いた２個のＵ字形のコアに４個のコイルを巻装し、これらを直列接続しており、その通電時には摺動円筒２７の永久磁石２８のＮ極、Ｓ極それぞれに対応する位置がＮ極、Ｓ極になるように配置されており、非通電時には、電磁石３８のコアを構成する軟鉄の残留磁気と前記摺動円筒２７にある永久磁石２８の磁気との磁気作用で摺動円筒２７を電磁石錘体２６の下面に吸着保持するように構成している。
【０１２０】
すなわち、電磁石３８に通電があると、摺動円筒２７上端の永久磁石２８と前記電磁石３８との間に反発力が生じて、摺動円筒２７が図１６に示すように下方へ離脱する。
【０１２１】
前記摺動円筒２７の下端は円錐状になっているので、落下した場所に塑性的なもの（砂等）があれば、鉛直支持機構部２４の動作と相俟って鉛直尺２２は鉛直配置に正確に固定されることになる。
【０１２２】
一方、前記電磁石３８には大電流が流れるため、長時間の通電は電池３６の消耗を早める。それを防ぐために、電磁石３８への通電時間を、摺動円筒２７を離脱するだけの短時間に限ることが必要である。
【０１２３】
このような要請を実現するための電気回路３７について図１９、図２０を参照して以下に説明する。
【０１２４】
前記電気回路３７は、図１９に示すように、電池３６に、コンデンサー（電解コンデンサー）４３、第２リレー４２及び電磁石３８を並列接続している。
【０１２５】
また、前記第１リレー４１と前記リモートコントローラ３９からの操作信号の受信によりオンする動作スイッチ４４との直列回路も電池３６に並列接続している（図１９に示すＡ，Ｅ点）。
【０１２６】
前記第１リレー４１は、ａ接点構造の第１接点４１ａと、ｂ接点構造の第２接点４１ｂとの２連構造で、第１接点４１ａを前記コンデンサー４３の一端と第２リレー４２の一端との間に接続し、第２接点４１ｂを前記コンデンサー４３と電池３６の陽極との間に接続している。
【０１２７】
また、前記第２リレー４２は、ａ接点構造の単一の接点４２ａを具備し、この接点４２ａを前記電池３６の陽極と電磁石３８の一端との間に接続している。
【０１２８】
前記電気回路３７の動作について説明すると、図１９はリモートコントローラ３９が操作されず電磁石３８は非通電の状態を示すものである。すなわち、前記動作スイッチ４４及び前記第１リレー４１の第１接点４１ａはオフの状態、前記第２接点４１ｂはオンの状態となっている。
【０１２９】
また、前記第２リレー４２の接点４２ａはオフの状態で、電磁石３８へ通電されていない。一方、前記第２接点４１ｂがオンであるため、コンデンサー４３には電池３６からの通電によりその容量分の電荷が蓄電される。
【０１３０】
次に、図２０に示すように、手動操作により前記リモートコントローラ３９からの操作信号が動作スイッチ４４に入力されると、この動作スイッチ４４がオンとなり、第１リレー４１が励磁されて第１接点４１ａがオンとなり、第２リレー４２が励磁され、その接点４２ａがオンとなる。また、第１リレー４１の第２接点４１ｂはオフとなる。
【０１３１】
これにより、電池３６から第２リレー４２の接点４２ａを介して電磁石３８に通電されるが、他方、第１リレー４１の第２接点４１ｂがオフとなるため、電池３６からコンデンサー４３への通電は断たれる。
【０１３２】
この結果、電磁石３８は通電状態となるものの、その時間はコンデンサー４３に蓄電された電荷による電流が第２リレー４２へ流れるだけの短時間であり、それが流れ終わると第２リレー４２は非励磁状態に戻りその接点４２ａはオフとなるため、電磁石３８への通電は断たれる。
【０１３３】
このようにして、電磁石３８へ短時間だけ通電し、これにより、電磁石３８と永久磁石２８との間に反発力を作用させることにより、摺動円筒２７を下方に離脱させ、同時に前記鉛直支持機構部２４の動作を利用して鉛直尺２２を地面上に正確な鉛直配置で起立させることができる。
【０１３４】
前記動作スイッチ４４のオンの状態が続いても、第２リレー４２に電流が流れ切った後はその接点４２ａはオフとなっている。
【０１３５】
前記リモートコントローラ３９を操作して前記動作スイッチ４４をオフにすると、図１９に示す初期の状態に戻り、コンデンサー４３への蓄電がなされる。
【０１３６】
この後、仮に再び前記リモートコントローラ３９を操作して前記動作スイッチ４４をオンにし、電磁石３８を作動させても、摺動円筒２７はすでに下方に落下しており、機能上は何も起こらない。
【０１３７】
次に、本発明の実施例２に係るデジタルカメラＣを用いた三次元計測方法について図２１、図２２を参照して説明する。
【０１３８】
本実施例２におけるデジタルカメラＣを用いた三次元計測方法は、図２１に示すように、カメラパラメータが設定されたデジタルカメラＣを用いて交通事故現場等の第１の撮影地点と、その光軸に概ね直角方向の第２の撮影地点との２箇所で撮影対象６１を撮影する。
【０１３９】
本実施例２に係る三次元計測方法においては、従来のように三次元位置が既知である基準点等でなく、既述したような測定原点２２ａ及び基準長指示マーク２３が付され、前記基準軸鉛直設定装置２１により正確に鉛直性が確保される前記鉛直尺２２と、奥行き方向の軸方向を定めるための指標点Ｐｘを地面に置くなどして、それを計測対象に含めることで計測時の客観的な座標系を定め、実施例１で述べたようにカメラパラメータが設定された２つのデジタルカメラＣを用いて撮影対象６１を撮影することで、客観的な座標系を取得するものである。
【０１４０】
さらに具体的に説明すると、図２２に示すように、撮影対象としての道路７０の道路軸Ｌの方向に向けて、高所（地上高３〜４ｍ程度）からのデジタル写真を、前記基準軸鉛直設定装置２１の鉛直尺２２と奥行き軸を決める前記計測指標点Ｐｘを配置し、２個のデジタルカメラＣにより俯瞰的に撮影する。
【０１４１】
また、前記基準軸鉛直設定装置２１の道路軸Ｌに対して直交する方向の両側には、５点以上の固定点が既存物として存在しない場合に、複数を設定するための多数の固定点指標７２を分散配置した２個の三脚７１が配置される。
【０１４２】
このような態様でデジタルカメラＣを用いて前記道路７０の領域を撮影することで、ステレオのデジタル写真が前記コンピュータ装置１内に取り込まれる。
【０１４３】
このようにして、デジタル写真に撮影される原点とする測定原点２２ａ、この測定原点２２ａに対して鉛直線上にある基準長指示マーク２３により一軸を特定し、奥行き軸Ｌ１を定めるための計測指標点Ｐｘを特定して客観的な座標系を定め、前記道路７０の領域を撮影し、撮影現場での三次元計測を行うものである。
【０１４４】
なお、図２２に示す点線は、客観的座標系を設定した様子を示すものであり、奥行き軸Ｌ１が計測指標点Ｐｘの鉛直上を通っている様子を示すものである。奥行き軸Ｌ１は、前記鉛直尺２２が鉛直なら、水平となる。
【０１４５】
このような正確に鉛直性が確保される前記鉛直尺２２、ポール５１の頂部に配置した計測指標点Ｐｘを撮影対象６１内に含めることで、写真に撮影された原点とするべき点（測定原点２２ａ）、いずれか一軸（例えばＹ軸）上にあるべき点（基準長指示マーク２３）、及びこの一軸に垂直な平面（例えばＸＹ平面）の一軸を決めるための点（計測指標点Ｐｘ）の３点を特定して、客観的な座標系を求めることができる。
【０１４６】
このようにして本実施例２に係る三次元計測方法によれば、カメラパラメータが設定されたデジタルカメラＣを使用し、かつ、鉛直性が確保される前記鉛直尺２２、計測指標点Ｐｘを撮影対象６１に含めての撮影により得た写真によって客観的な座標系を取得することで、従来のように三次元位置が既知である基準点を採用することや高価なステレオカメラを使用することを不要としつつ撮影対象６１における各要素に関する位置関係の計測、距離測定を撮影した写真を基に的確に把握できる三次元計測方法を実現できる。
【０１４７】
また、本実施例２に係る三次元計測方法によれば、例えばこれを交通事故現場での衝突車両、自転車、怪我人等に関する実況見分の際の現場撮影に適用した場合、交通事故現場での実況見分作業時間が短縮され、実況見分に携わる警察官の殉職や受傷事故の減少を図ることができ、更に、交通渋滞による国民経済的な損失が多いに緩和される効果を発揮する。
【０１４８】
また、従来の三次元計測方法で用いられていたステレオカメラや自動追尾の測量機器は、きわめて高価な機器であり、国や地方公共団体の財政に負担が大きかったが、本実施例２によれば市販のデジタルカメラＣを活用することができ、撮影機器、付帯設備等に関する価格の大幅な低廉化を図ることができる。
【０１４９】
更に、本実施例２に係る三次元計測方法によれば、撮影対象６１についての必要な現場見取り図を簡便に作成し、かつ、特定個所の位置関係を所定の精度で写真から計測して見取り図に正確に表示することが容易となる。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本発明のデジタルカメラを用いた三次元計測方法は、交通事故現場での実況見分に採用することができる他、自動車関連、建築物関連、土木構築物関連、鉄道関係、送電鉄塔等の電力関連、船舶関連、航空機関連等、極めて広範囲にわたる三次元の撮影対象の計測に好適に適用可能である。
【符号の説明】
【０１５１】
１ コンピュータ装置
２ セオドライト
３ 制御部
４ プログラムメモリ
５ 写真画像ファイル
６ 座標値ファイル
７ 演算部
８ 表示部
９ 入力部
１０ 記憶部
２１ 基準軸鉛直設定装置
２２ 鉛直尺
２２ａ 測定原点
２３ 基準長指示マーク
２４ 鉛直支持機構部
２５ 三脚
２６ 電磁石錘体
２７ 摺動円筒
２７ａ 上端鍔部
２８ 永久磁石
３１ 中央筒
３１ａ 軸
３２ 内部枠体
３２ａ 軸
３３ 軸受
３４ 外部枠体
３５ 軸受
３６ 電池
３７ 電気回路
３８ 電磁石
３９ リモートコントローラ
４１ 第１リレー
４１ａ 第１接点
４１ｂ 第２接点
４２ 第２リレー
４２ａ 接点
４３ コンデンサー
４４ 動作スイッチ
６１ 撮影対象
７０ 道路
７１ 三脚
７２ 固定点指標
ＰＴ 指標点パターン
Ｃ デジタルカメラ
Ｐ 指標点
Ｐｘ 計測指標点
Ｌ 道路軸Ｌ
Ｌ１ 奥行き軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法であって、
指標点の奥行き方向はランダムであり、正対方向からは正方格子状に見えるように配置するようにしたことを特徴とするデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法。
【請求項２】
デジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための三次元座標値測定方法であって、
指標点の奥行き方向はランダムであり、正対方向からは正方格子状に見えるように配置する指標点が、設計値どおりに配置することが困難である場合に、角度測定器一台を用いて、任意の２箇所から各指標点の極座標値の角度成分のみを測定して各指標点の三次元座標値を求めるようにしたことを特徴とするデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための三次元座標値測定方法。
【請求項３】
デジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定方法であって、
デジタルカメラのレンズの歪係数を撮影画面上の位置における値ではなく、レンズの後ろ側主点から撮影画面方向に関する関数として捉えることにより、前記デジタルカメラの画面距離、レンズの歪係数、光学上の画面中心位置を同時に算定し得るようにしたことを特徴とするデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定方法。
【請求項４】
デジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定方法であって、
指標点の奥行き方向はランダムであり、正対方向からは正方格子状に見えるように配置した指標点を、前記デジタルカメラを横向き、天地逆転した逆さ向き、時計回り及び反時計回の横向きに構えて複数枚のデジタル写真を撮影し、各デジタル写真の画面上にある指標点の像位置の写真座標値を読み取り、読み取った写真座標値データと、角度測定器一台を用いて、任意の２箇所から各指標点の極座標値角度成分のみを測定して求めた各指標点の三次元座標値のデータを関連付けてデジタルカメラの６つのパラメータを算定するようにしたことを特徴とするデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定方法。
【請求項５】
パンフォーカス機能を具備し、カメラパラメータが設定されたデジタルカメラを用いて交通事故現場のような撮影対象領域における第１の撮影地点と、その右方向に任意に隔たった第２の撮影地点とで事故車両等の撮影対象を共通に含む複数の写真を撮影し、５個以上の固定点の各写真上の位置から１組の写真上の座標を共通の座標系に座標変換を行うためのパラメータを算出し、これによって双方の写真内にある対象点の、第１の撮影地点を原点とする三次元座標系における位置を計測し、前記三次元座標系を客観的な座標系に変換して前記撮影対象領域の客観的な座標系における事故車両等の位置を計測するデジタルカメラを用いた三次元計測方法であって、
前記撮影対象の撮影時に、ポール状で測定原点及びこの測定原点から既知の長さ離れた基準長指示マークが付され、鉛直性が確保される鉛直尺と、この鉛直尺とは別の位置に任意に配置した計測指標点とを撮影対象領域に含める過程と、
写真に撮影される原点とする測定原点、この測定原点に対して鉛直線上にある基準長指示マークにより一軸を特定し、この一軸に垂直な平面上の他の一軸を決めるため奥行き方向の平面上にある計測指標点を特定して客観的な座標系を定める過程と、
を含むことを特徴とするデジタルカメラを用いた三次元計測方法。
【請求項６】
長尺のポールにより形成されるとともに、下部に測定原点を付し、その上方に既知の長さ分離隔した位置に基準長指示マークを付した基準軸としての鉛直尺を、鉛直に設定するデジタルカメラを用いた三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置であって、
前記鉛直尺を貫通させる中央筒と、中央筒の外側に配置され中央筒の外周部からＸ方向に各々突出させた一対の軸を、対応する両側辺に設けた一対の軸受により回動可能に軸支する矩形状の内部枠体と、内部枠体の外側に配置され、内部枠体の対向する両側辺からＺ方向に各々突出させた一対の軸を対応する両側辺に設けた一対の軸受により回動可能に軸支する軸支する矩形状の外部枠体とを備え、三脚に取り付けることで三脚の傾きの如何を問わず前記鉛直尺を鉛直配置に支持する鉛直支持機構部と、
前記鉛直支持機構部の下方から突出させる前記鉛直尺の下部を貫通させる状態で取り付けるとともに、下面側に電磁石を内装した電磁石錘体と、
前記電磁石錘体の下面に、永久磁石を配置した上端面を接合、離脱可能に配置し、下端側の先鋭部分を地面に臨ませるとともに、上端面から内方下部にわたって前記鉛直尺の下部を摺動可能に内装した摺動円筒と、
を有し、
前記電磁石の非励磁状態で、この電磁石の残留磁気と前記永久磁石との吸着作用により前記摺動円筒の上端面を前記電磁石錘体の下面に接合状態に保持し、前記電磁石の励磁状態でこの電磁石と前記永久磁石との反発力により前記摺動円筒を地面に落下させて下端側の先鋭部分を地面に突き立て、前記鉛直尺を鉛直配置に設定支持するようにしたことを特徴とするデジタルカメラを用いた三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置。
【請求項７】
手動操作により操作信号を出力するリモートコントローラと、
前記電磁石錘体に内装され前記リモートコントローラからの操作信号により前記電磁石を短時間のみ励磁して前記永久磁石との間に反発力を作用させ前記摺動円筒を地面に落下させるリレー、コンデンサーを用いた電気回路と、
を更に備えることを特徴とする請求項６記載のデジタルカメラを用いた三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置。
【請求項１】
デジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法であって、
指標点の奥行き方向はランダムであり、正対方向からは正方格子状に見えるように配置するようにしたことを特徴とするデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための指標点配置方法。
【請求項２】
デジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための三次元座標値測定方法であって、
指標点の奥行き方向はランダムであり、正対方向からは正方格子状に見えるように配置する指標点が、設計値どおりに配置することが困難である場合に、角度測定器一台を用いて、任意の２箇所から各指標点の極座標値の角度成分のみを測定して各指標点の三次元座標値を求めるようにしたことを特徴とするデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定用データのための三次元座標値測定方法。
【請求項３】
デジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定方法であって、
デジタルカメラのレンズの歪係数を撮影画面上の位置における値ではなく、レンズの後ろ側主点から撮影画面方向に関する関数として捉えることにより、前記デジタルカメラの画面距離、レンズの歪係数、光学上の画面中心位置を同時に算定し得るようにしたことを特徴とするデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定方法。
【請求項４】
デジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定方法であって、
指標点の奥行き方向はランダムであり、正対方向からは正方格子状に見えるように配置した指標点を、前記デジタルカメラを横向き、天地逆転した逆さ向き、時計回り及び反時計回の横向きに構えて複数枚のデジタル写真を撮影し、各デジタル写真の画面上にある指標点の像位置の写真座標値を読み取り、読み取った写真座標値データと、角度測定器一台を用いて、任意の２箇所から各指標点の極座標値角度成分のみを測定して求めた各指標点の三次元座標値のデータを関連付けてデジタルカメラの６つのパラメータを算定するようにしたことを特徴とするデジタルカメラを用いた三次元計測方法に用いるカメラのカメラパラメータの算定方法。
【請求項５】
パンフォーカス機能を具備し、カメラパラメータが設定されたデジタルカメラを用いて交通事故現場のような撮影対象領域における第１の撮影地点と、その右方向に任意に隔たった第２の撮影地点とで事故車両等の撮影対象を共通に含む複数の写真を撮影し、５個以上の固定点の各写真上の位置から１組の写真上の座標を共通の座標系に座標変換を行うためのパラメータを算出し、これによって双方の写真内にある対象点の、第１の撮影地点を原点とする三次元座標系における位置を計測し、前記三次元座標系を客観的な座標系に変換して前記撮影対象領域の客観的な座標系における事故車両等の位置を計測するデジタルカメラを用いた三次元計測方法であって、
前記撮影対象の撮影時に、ポール状で測定原点及びこの測定原点から既知の長さ離れた基準長指示マークが付され、鉛直性が確保される鉛直尺と、この鉛直尺とは別の位置に任意に配置した計測指標点とを撮影対象領域に含める過程と、
写真に撮影される原点とする測定原点、この測定原点に対して鉛直線上にある基準長指示マークにより一軸を特定し、この一軸に垂直な平面上の他の一軸を決めるため奥行き方向の平面上にある計測指標点を特定して客観的な座標系を定める過程と、
を含むことを特徴とするデジタルカメラを用いた三次元計測方法。
【請求項６】
長尺のポールにより形成されるとともに、下部に測定原点を付し、その上方に既知の長さ分離隔した位置に基準長指示マークを付した基準軸としての鉛直尺を、鉛直に設定するデジタルカメラを用いた三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置であって、
前記鉛直尺を貫通させる中央筒と、中央筒の外側に配置され中央筒の外周部からＸ方向に各々突出させた一対の軸を、対応する両側辺に設けた一対の軸受により回動可能に軸支する矩形状の内部枠体と、内部枠体の外側に配置され、内部枠体の対向する両側辺からＺ方向に各々突出させた一対の軸を対応する両側辺に設けた一対の軸受により回動可能に軸支する軸支する矩形状の外部枠体とを備え、三脚に取り付けることで三脚の傾きの如何を問わず前記鉛直尺を鉛直配置に支持する鉛直支持機構部と、
前記鉛直支持機構部の下方から突出させる前記鉛直尺の下部を貫通させる状態で取り付けるとともに、下面側に電磁石を内装した電磁石錘体と、
前記電磁石錘体の下面に、永久磁石を配置した上端面を接合、離脱可能に配置し、下端側の先鋭部分を地面に臨ませるとともに、上端面から内方下部にわたって前記鉛直尺の下部を摺動可能に内装した摺動円筒と、
を有し、
前記電磁石の非励磁状態で、この電磁石の残留磁気と前記永久磁石との吸着作用により前記摺動円筒の上端面を前記電磁石錘体の下面に接合状態に保持し、前記電磁石の励磁状態でこの電磁石と前記永久磁石との反発力により前記摺動円筒を地面に落下させて下端側の先鋭部分を地面に突き立て、前記鉛直尺を鉛直配置に設定支持するようにしたことを特徴とするデジタルカメラを用いた三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置。
【請求項７】
手動操作により操作信号を出力するリモートコントローラと、
前記電磁石錘体に内装され前記リモートコントローラからの操作信号により前記電磁石を短時間のみ励磁して前記永久磁石との間に反発力を作用させ前記摺動円筒を地面に落下させるリレー、コンデンサーを用いた電気回路と、
を更に備えることを特徴とする請求項６記載のデジタルカメラを用いた三次元計測方法における基準軸鉛直設定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５−Ａ】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図１４】
【図１５−Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５−Ａ】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図１４】
【図１５−Ｂ】
【公開番号】特開２０１１−１３４１２１（Ｐ２０１１−１３４１２１Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９３２２９（Ｐ２００９−２９３２２９）
【出願日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【出願人】（０００１７３８５４）財団法人日本交通管理技術協会 (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【出願人】（０００１７３８５４）財団法人日本交通管理技術協会 (3)
【Ｆターム（参考）】
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