三次元計測装置
【課題】構造物の全体形状と亀裂の両方をリアルタイムに計測し、且つ同一画面上に合成して表示することが可能な三次元計測装置を提供する。
【解決手段】ＣＣＤカメラ７からの画像信号からレーザ輝線の座標をリアルタイムに演算するレーザ位置検出回路１１と、トンネル１にレーザスリット光又はスポット光を照射するレーザ投光器２０と、このレーザ投光器２０により対象物１の表面に照射された光を撮像する撮像装置３０と、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタ４０と、ＣＣＤカメラ７により撮像された画像データをＰＣ１２が処理し易いように変換するイメージプロセッサ１７と、磁気センサ４、磁気センサ８の信号から三次元位置情報及び姿勢情報を検出するまたレーザ位置検出回路１１と、データに基づいて、トンネル１の三次元画像を再生するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１２を備えて構成される。
【解決手段】ＣＣＤカメラ７からの画像信号からレーザ輝線の座標をリアルタイムに演算するレーザ位置検出回路１１と、トンネル１にレーザスリット光又はスポット光を照射するレーザ投光器２０と、このレーザ投光器２０により対象物１の表面に照射された光を撮像する撮像装置３０と、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタ４０と、ＣＣＤカメラ７により撮像された画像データをＰＣ１２が処理し易いように変換するイメージプロセッサ１７と、磁気センサ４、磁気センサ８の信号から三次元位置情報及び姿勢情報を検出するまたレーザ位置検出回路１１と、データに基づいて、トンネル１の三次元画像を再生するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１２を備えて構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元計測装置に関し、さらに詳しくは、大型構造物の形状と、その構造物に存在する亀裂の三次元計測をリアルタイムに行なう三次元計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からトンネルや大型下水管等の保守点検作業では、定期的にそれらの構造物を目視により観察して亀裂の有無や状態の現状把握を行なっていた。特に、トンネルなどの亀裂の状態を記録する場合、従来は構造物壁面に直接チョークでマス目を描き、目視により読み取った形状を方眼紙に記入する方法が採られていた。しかし、この方法では、作業員の個人差や測定誤差が大きく、形状も三次元であるために電子化が困難であるといった問題がある。
【０００３】
また、現在、商品化されている三次元画像計測装置では、比較的小さな構造物の計測を対象としている装置が多く、大型構造物の形状を計測するためには、多くの時間と労力を要した。即ち、大型構造物を計測する場合は、ＣＣＤカメラを移動させながら計測し、計測されたデータを繋ぐ作業が必要であった。
【０００４】
また、従来の三次元形状計測装置として特許文献１には、被測定物に対し、上方からこの被測定物を含む計測範囲内を縦横走査しながらレーザ光を照射し、このレーザ光及び上記被測定物上で反射されるレーザ光を外部に送出し、上記計測範囲内に複数の測定点を設定し、かつ、送出された上記被測定物に照射されるレーザ光と上記被測定物上で反射されるレーザ光との位相差を検出して上記複数の測定点各々に対する奥行き情報を求め、上記被測定物の平面形状を撮影するカメラと、このカメラによって撮影された画像情報から上記被測定物の二次元情報を求め、上記二次元情報と形状計算器から出力される上記奥行き情報とを組み合わせて上記被測定物の三次元形状情報を求める三次元形状計測装置について開示されている。
【特許文献１】特開平８−１７８６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、二次元情報と形状計算器から出力される奥行き情報とを組み合わせて被測定物の三次元形状情報を求めるため、二次元情報と奥行き情報を合成する処理が必要となり、多くの処理時間を要するばかりでなく、画像情報の画質が二次元情報に影響を与えるため、結果的に三次元形状の精度にも影響が及ぼされるといった問題がある。
【０００６】
本発明は、かかる課題に鑑み、撮像カメラとレーザ投光器に三次元位置と方向を検出できる三次元磁気センサを取り付け、撮像カメラとレーザ投光器をそれぞれ独立して動作させながら被測定対象物全体を計測すると共に、レーザ投光器をスポット光に切り替えて、被測定対象物に存在する亀裂を計測ことにより、形状と亀裂の両方をリアルタイムに計測し、且つ同一画面上に合成して表示することが可能な三次元計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、物体の三次元情報に基づいて前記物体の三次元形状を計測する三次元計測装置において、前記物体に光を照射する投光手段と、該投光手段により前記物体表面に照射された光を撮像する撮像手段と、前記投光手段に備えられ該投光手段の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する第１のセンサと、前記撮像手段に備えられ該撮像手段の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する第２のセンサと、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタと、前記物体に照射された光の平面方程式を算出する方程式算出手段と、前記投光手段のビーム形状を切り替えるビーム形状切替手段と、を備え、前記投光手段と撮像手段がそれぞれ独立に動作することにより前記第１のセンサ及び第２のセンサより得られる三次元位置情報及び姿勢情報に基づいて、前記方程式算出手段が前記物体に照射された光の平面方程式を算出する場合と、前記物体全体の平面方程式を算出する場合と、該物体に存在する亀裂の平面方程式を算出する場合とに応じて、前記ビーム形状切替手段により前記ビーム形状を切り替えるように構成したことを特徴とする。
【０００８】
本発明では、投光手段と撮像手段を独立に動作するようにして、それぞれに三次元位置情報及び姿勢情報を生成するセンサを備え、それぞれが独立に動作することにより得られた三次元位置情報及び姿勢情報を基に平面方程式を算出するものである。また、測定対象物に存在する亀裂を計測する場合は、ビーム形状を切り替えるようにして測定するものである。これにより、大型の測定対象物の形状を正確に測定できるばかりでなく、細かい亀裂を正確に測定することができる。
【０００９】
請求項２は、前記第１のセンサ及び第２のセンサは、前記トランスミッタにより形成された磁界ベクトルを受信することにより、前記第１のセンサ及び第２のセンサの三次元位置情報及びロール角、ピッチ角、及びヨー角の姿勢情報を取得することを特徴とする。
投光手段と撮像手段の位置情報と姿勢情報を得るには、各種の方法が考えられるが、光の光路を邪魔せず、且つ視界を妨げない方法が必要条件である。その点では磁界による方法が最適である。本発明では半球状の磁界を発生するトランスミッタを備え、その磁界の磁力線に対するベクトルを計算することにより三次元位置情報及び姿勢情報を取得するものである。従って、物体と投光手段及び撮像手段の距離はこの磁界のエリア内に限定される。
【００１０】
請求項３は、前記方程式算出手段は、前記第１及び第２のセンサから得られた位置を（ｘow，ｙow，ｚow）、姿勢を（φ，θ，ψ）とした場合、前記各センサのセンサ座標に原点を置いたセンサ座標上の点（ｘr，ｙr，ｚr）は、出力された前記各センサのデータを基に、
ここで
Ｃ：Ｃｏｓ、Ｓ：Ｓｉｎとすると、前記センサ座標上で光平面上の任意の３点の座標（ｘr，ｙr，ｚr）を前記式（１）及び（２）により前記トランスミッタを原点としたワールド座標に変換し、前記ワールド座標（ｘrw，ｙrw，ｚrw）に変換することにより、
前記式（３）及び式（４）として光の平面方程式を取得し、前記撮像手段の焦点から受像面までの距離をｆと置くと、前記受像面上の座標（ｕ，ｖ）は前記撮像手段の焦点を原点とした座標系において、
となり、Ｚ＝λとおき線形化すると、
と表わされ、該式（６）を前記センサ座標で表すために、回転・平行移動を考慮して、
式（７）として表し、（ここでｋ11〜ｋ33のパラメータには前記撮像手段の位置や姿勢などをはじめとする計測対象と、前記撮像手段の位置を表すデータが全て含まれているものとする）該式（７）が前記センサ座標（ｘ，ｙ，ｚ）と前記受像面上の座標（ｕ，ｖ）の関係式となり、前記式（７）を展開し、整理すると式（８）を得て、
前記式（８）の２平面の交線で表される直線は前記撮像手段の焦点から計測点に向かう直線として
式（９）のレシーバ座標を求め、前記式（１）と同様にワールド座標に変換して前記撮像手段の焦点から計測点に向かう直線である式（１０）を求め、
（ここで、（ｗｘ，ｗｙ，ｗｚ）はトランスミッタを原点としたレシーバのワールド座標である）
前記式（１０）とレーザ平面上の方程式である前記式（４）を連立させてワールド座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めることを特徴とする。
【００１１】
請求項４は、前記方程式算出手段は、前記平面方程式をリアルタイムに算出することにより前記投光手段の独立走査を可能としたことを特徴とする。
物体に照射された光の平面方程式は方程式算出手段により計算される。このとき計算の処理速度が遅い場合、一旦投光手段により照射された平面情報を記憶してその後バッチ処理により方程式の計算処理を行う。このように計算処理がリアルタイムに行われないと、投光手段を物体の任意の場所に操作することが不可能となり、撮像手段と独立にした意味がなくなってしまう。そこで本発明では、平面方程式をリアルタイムに計算できるようにするために、第１及び第２のセンサから得られた位置情報と姿勢情報を独立に取得することにより、演算速度高めることを可能とした。
【００１２】
請求項５は、前記ビーム形状切替手段は、前記物体全体の平面方程式を算出する場合は、該ビーム形状をスリット光に切り替え、前記物体に存在する亀裂の平面方程式を算出する場合は、前記ビーム形状をスポット光に切り替えることを特徴とする。
物体全面の平面方程式を算出する場合は、投光手段のビーム形状をスリット状にして走査することにより、大型構造物の表面の情報を正確に且つ迅速に得ることができる。一方、亀裂のような細い複雑な形状を測定するには、投光手段のビーム形状をスポット状にしてその亀裂に沿って走査することが好ましい。
【００１３】
請求項６は、前記投光手段の光源はレーザ光若しくはＬＥＤであることを特徴とする。
光は光源から照射されてから物体に到達するまでできるだけ拡散しないことが好ましい。その点でレーザ光は優れている。しかし、光源と物体との距離が至近の場合は、光の拡散は少ないのでＬＥＤの光でも可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、物体に光を照射する投光手段と、この投光手段により物体表面に照射された光を撮像する撮像手段と、投光手段に備えられこの投光手段の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する第１のセンサと、撮像手段に備えられこの撮像手段の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する第２のセンサと、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタと、物体に照射された光の平面方程式を算出する方程式算出手段と、投光手段のビーム形状を切り替えるビーム形状切替手段と、を備え、投光手段と撮像手段がそれぞれ独立に動作することにより第１のセンサ及び第２のセンサより得られる三次元位置情報及び姿勢情報に基づいて、方程式算出手段が物体に照射された光の平面方程式を算出する場合、物体全体の平面方程式を算出する場合と、物体に存在する亀裂の平面方程式を算出する場合とで、ビーム形状切替手段によりビーム形状を切り替えるようにしたので、測定対象物に存在する亀裂を精度良く計測することができ、且つ測定対象物内に亀裂の画像を自動的に合成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１６】
図１は本発明の実施形態に係る三次元計測装置を使用して対象物を計測している斜視図である。この三次元計測装置１００は、対象物１にレーザスリット光またはレーザスポット光を照射するレーザ投光器（投光手段）２０と、このレーザ投光器２０により対象物１の表面に照射された光を撮像する撮像装置（撮像手段）３０と、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタ４０と、図示しないパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を備えて構成される。そして、レーザ投光器２０はＴ字型の架台２と、スリット状のレーザ光またはレーザスポット光を出射するレーザ光源３と、レーザ投光器２０の位置情報と姿勢情報を生成する磁気センサ４と、レーザ投光器２０のビーム形状を切り替えるビーム形状切替器（ビーム形状切替手段）４４と、を備えて構成され、レーザ光源３への電源と磁気センサ４の情報はケーブル５によりＰＣに伝えられる。また、撮像装置３０はＴ字型の架台６と、対象物１に照射されたレーザ光を撮像するＣＣＤカメラ７と、撮像装置３０の位置情報と姿勢情報を生成する磁気センサ８とを備えて構成され、ＣＣＤカメラ７の信号と磁気センサ８の情報はケーブル９によりＰＣに伝えられる。尚、架台２、６は磁界の影響を磁気センサに与えないために、木製、プラスチック、ゴム等の材質により形成される。また、光源としてレーザ光を使用したが、ＬＥＤ或いは他の可視光を使用しても構わない。また、本実施形態ではレーザ投光器２０と撮像装置３０の位置情報と姿勢情報を生成する手段として、トランスミッタ４０からの磁界ベクトルを受信するために磁気センサを使用したが、他の手段により生成しても構わない。ここで、投光手段は主としてレーザ投光器２０により構成され、撮像手段は主として撮像装置３０により構成され、第１のセンサは主として磁気センサ４により構成され、第２のセンサは主として磁気センサ８により構成され、方程式算出手段は主としてＰＣにより構成される。
【００１７】
次に本実施形態の三次元計測装置１００の概略動作について説明する。尚、対象物としてトンネルを例にして説明する。まず、トランスミッタ４０をトンネル１の近傍に配置し、電源を投入してトランスミッタ４０の磁界をレーザ投光器２０及び撮像装置３０が検出できるようにトンネル１との位置関係を設定する。これは図示しないＰＣの画面を見ながら調整を行う。次に、ビーム形状切替器４４をスリット光側に切り替える。そしてレーザ投光器２０と撮像装置３０を手に持ち、ＰＣの画面を見ながらＣＣＤカメラ７がトンネル１の全体画像を捉えられるように配置する。そしてレーザ光源３の電源を投入して、スリット光がトンネル１の走査開始位置に来るようにしてＰＣに格納されたプログラムを開始する。そして、レーザ投光器２０をトンネル１の走査開始位置から順次移動し、トンネル１の全体の走査が完了するまで行う。これらの走査の過程でＣＣＤカメラ７から読み込まれたスリット光の平面方程式がリアルタイムに計算される。また、走査の過程でレーザ投光器２０及び撮像装置３０を移動しても、磁気センサ４、磁気センサ８から位置情報とロール角、ピッチ角、ヨー角の姿勢情報がＰＣに取り込まれリアルタイムに処理されてトンネル１の平面方程式に反映される。次にビーム形状切替器４４をスポット光側に切り替え、そのスポット光を亀裂４５に沿って走査する。
そしてトンネル１と亀裂４５の走査が完了するとＰＣに取り込まれたデータに基づいて、トンネル１と亀裂４５の三次元画像を再生する。この三次元画像はあらゆる角度からのデータにより構成されているので、対象物を回転して任意の角度から観察することも可能となる。
【００１８】
図２は図１の斜視図に基づいて本実施形態の三次元計測装置１００の全体構成を表す模式図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。ここで、ＣＣＤカメラ７の信号はケーブル９によりイメージプロセッサ１７に接続され、磁気センサ８の信号はケーブル９によりレーザ位置検出回路１１に接続され、磁気センサ４はケーブル５によりレーザ位置検出回路１１に接続され、トランスミッタ４０はケーブル４１によりレーザ位置検出回路１１に接続されている。またレーザ位置検出回路１１の出力及びイメージプロセッサ１７の出力信号はＰＣ１２に入力され、ＰＣ１２を制御するプログラムはＲＯＭ（Read Only Memory）１３に格納されている。またＰＣ１２からは処理された三次元画像を表示するモニタ１８が接続されている。尚、イメージプロセッサ１７はＣＣＤカメラ７により撮像された画像データをＰＣ１２が処理し易いように変換する機能があり、ＣＣＤカメラ７からの画像信号からレーザ輝線の座標をリアルタイムに演算するために回路をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により構成している。またレーザ位置検出回路１１は磁気センサ４、磁気センサ８の信号から三次元位置情報及び姿勢情報を検出回路である。
また説明の都合上ＣＣＤカメラ７の光軸１５とレーザ光源３の光軸１６のなす角度をαとすると、トンネル１の表面形状は滑らかであるので、角度αを大きくして一度に広い範囲の情報を取得して処理するものである。
【００１９】
図３は本発明の磁気センサ４、磁気センサ８が位置情報と姿勢情報を生成する原理を説明する図である。図３（ａ）は磁界ベクトルと各磁気センサの位置関係を表す図であり、トランスミッタ４０から放射された磁界ベクトル４２が半球状に形成され、その磁界ベクトル４２上に例えば磁気センサ４、磁気センサ８が存在し、対象物４６が磁界ベクトル４２の内側に含まれるものとする。図３（ｂ）は磁界ベクトルを説明する模式図である。例えば磁気センサ４ではトランスミッタ４０の位置における磁界の強さおよび方向をＡとし、磁界の強さおよび方向ＡのＸ軸方向磁界の強さ、Ｙ軸方向磁界の強さ、Ｚ軸方向磁界の強さをそれぞれＡｘ、Ａｙ、Ａｚとし、ｃｏｓα、ｃｏｓβ、ｃｏｓγを磁界の強さおよび方向Ａの方向余波とすれば、Ａｘ＝Ａｃｏｓα、Ａｙ＝Ａｃｏｓβ、Ａｚ＝Ａｃｏｓγであり、磁気センサ４のＸ軸方向の磁界検出コイルからはＡｘの出力が、Ｙ軸方向の磁界検出コイルからはＡｙの出力が、Ｚ軸方向の磁界検出コイルからはＡｚの出力が送出される。そして磁界の強さおよび方向Ａは、Ａ＝（Ａｘ2＋Ａｙ2＋Ａｚ2）1/2で与えられる。同じく磁気センサ８の磁界の強さおよび方向Ｂは、Ｂ＝（Ｂｘ2＋Ｂｙ2＋Ｂｚ2）1/2で与えられる。
【００２０】
次にレーザ平面方程式の算出方法について説明する。
図４は各座標系の位置関係を表す図である。カメラ座標（画像モニタ上の座標ｕ，ｖ）５０、ＣＣＤカメラ７に取り付けられた磁気センサ８のレシーバ座標５１、レーザ光源３に取り付けられた磁気センサ４のレシーバ座標５４、トランスミッタ４０の中心を基準とした実座標であるワールド座標５３をそれぞれ設定する。レーザ平面５２の位置や傾きを自由に設定することを可能にするために、レーザ光源３に取り付けられた磁気センサ４が検知した情報（投光器２０の位置と姿勢）を用いて、随時、レーザ平面５２の方程式を算出することを行う。また、図７のように受像面５５上にある計測点の位置Ｐとカメラの焦点Ｆを結ぶ直線ｌが磁気センサ８が検知した情報、（撮像装置３０の位置と姿勢）を基に決定される。また、直線ｌとレーザ平面５２の方程式の交点を求めることで、計測点のワールド座標５３（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する。
【００２１】
図５はレシーバ座標とレーザ平面の関係を表す図である。
即ち、レーザ投光器２０と撮像装置３０取り付けられた磁気センサ４、８を用いてレーザ平面方程式をリアルタイムに算出することでレーザスリット平面の独立走査が可能となる。三次元磁気センサからはセンサ自体の位置（ｘow，ｙow，ｚow）と姿勢（φ，θ，ψ）のデータが得られる。三次元磁気センサのレシーバ座標に原点を置いたレシーバ座標上の点（ｘr，ｙr，ｚr）は、出力された三次元磁気センサのデータを基に（１）式によって、トランスミッタ４０を原点としたワールド座標に変換される。
【００２２】
ここで
Ｃ：Ｃｏｓ、Ｓ：Ｓｉｎとする。
【００２３】
レシーバ座標上でレーザ平面５２上の任意の３点の座標（ｘrw，ｙrw，ｚrw）を式（１）に代入し、ワールド座標に変換することでレーザ平面５２の方程式を得ることができる。つまり、
が得られるレーザ平面５２の方程式である。
【００２４】
図６はカメラ座標とレシーバ座標の関係を示す図である。また、図７に二次元化したカメラ焦点と受像面及び計測点の関係を示す。カメラの焦点２０から受像面までの距離をｆと置くと、受像面上の座標（カメラ座標５０）はカメラの焦点２０を原点とした座標系において、
となる。
ｚ＝λとおき、線形化すると、
と表される。
【００２５】
ここで、式（６）を三次元磁気センサのレシーバを原点とした座標系（レシーバ座標５４）で表すために、回転・平行移動を考慮して、以下のような行列で表すことができる。
ここでｋ11〜ｋ33のパラメータにはＣＣＤカメラ７の位置や姿勢などをはじめとする計測対象と、ＣＣＤカメラ７の位置を表すデータが全て含まれている。従って、式（７）がレシーバ座標（ｘ，ｙ，ｚ）５４とカメラ位置（ｕ，ｖ）の関係式になる。
【００２６】
式（７）を展開し、整理すると次式のように表せる。
尚、１１個の未知数ｋ11〜ｋ33は、既知のワールド座標の基凖点（ｘ，ｙ，ｚ）と、それに対応するカメラ座標２１の点（ｕ，ｖ）の組み合わせを式（８）に代入し、連立方程式を解くことで求めることができる。
【００２７】
また式（８）の２平面の交線で表される直線はカメラの焦点から計測点に向かう直線で以下のような媒介変数で表せる。
【００２８】
式（９）はレシーバ座標５４であるので、式（１）と同様にワールド座標５３に変換する。
ここで、（ｗｘ，ｗｙ，ｗｚ）はトランスミッタ４０を原点とした磁気センサ８のワールド座標である。
カメラの焦点から計測点に向かう直線である式（１０）とレーザ平面上の方程式である式（４）を連立させ計測点２１のワールド座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めることができる。
【００２９】
図８はキャリブレーションの構成を示す図である。５０ｍｍおきに目盛りが書かれたキャリブレーションボード７０、７１をレシーバ７２のＸＹ平面と平行になるように設置し撮影する。そして、画面上での座標（ｕ，ｖ）をクリックし読み取る。また、対応するキャリブレーションボード上の座標（ｘ，ｙ，ｚ）も読み取る。同じｚ軸方向距離で４点の座標を読み取り、それをｚ軸方向に５０ｍｍ移動しながら複数回（６回以上）繰り返す。
式（８）に画面上での座標（ｕ，ｖ）と対応するキャリブレーションボード上の座標（ｘ，ｙ，ｚ）の組み合わせを代入し、以下の連立方程式を組み立てる。
【００３０】
ここで
【００３１】
【００３２】
【００３３】
そこで１１個の係数
は擬似逆行列
を用いて算出する。
この行列式を解き係数
が求まると、カメラ座標とレシーバ座標の関係式（７）が決定される。
【００３４】
図９は本発明の本実施形態の三次元計測装置の動作を説明するフローチャートである。尚、対象物としてトンネルを例にして説明する。まず、トランスミッタ４０をトンネル１の近傍に配置し（Ｓ１）、電源を投入してトランスミッタ４０の磁界をレーザ投光器２０及び撮像装置３０が検出できるようにトンネル１との位置関係を設定する（Ｓ２）。これはＰＣ１２の画面を見ながら調整を行う。次に、ビーム形状切替器４４をスリット光側に切り替える（Ｓ３）。そしてレーザ投光器２０と撮像装置３０を手に持ち、ＰＣ１２の画面を見ながらＣＣＤカメラ７がトンネル１の全体画像を捉えられるように配置する（Ｓ４）。そしてレーザ光源３の電源を投入して、スリット光がトンネル１の走査開始位置に来るようにしてＰＣ１２に格納されたプログラムを開始する（Ｓ５）。そして、レーザ投光器２０をトンネル１の走査開始位置から順次移動する（Ｓ６）。これらの走査の過程でＣＣＤカメラ７から読み込まれたスリット光の平面方程式がリアルタイムに計算される（Ｓ７）。そしてこの動作がトンネル１の全体の走査が完了するまで行う（Ｓ８）。また、走査の過程でレーザ投光器２０及び撮像装置３０を移動しても、磁気センサ４、磁気センサ８から位置情報とロール角、ピッチ角、ヨー角の姿勢情報がＰＣに取り込まれリアルタイムに処理されてトンネル１の平面方程式に反映される。
【００３５】
次にビーム形状切替器４４をスポット光側に切り替え（Ｓ９）、そしてレーザ投光器２０と撮像装置３０を手に持ち、ＰＣ１２の画面を見ながらＣＣＤカメラ７が亀裂４５の画像を捉えられるように配置する（Ｓ１０）。そしてスポット光を亀裂４５の走査開始位置に来るようにセットする（Ｓ１１）。そして、レーザ投光器２０を亀裂４５に沿って順次移動する（Ｓ１２）。これらの走査の過程でＣＣＤカメラ７から読み込まれたスポット光の平面方程式がリアルタイムに計算される（Ｓ１３）。そしてこの動作が亀裂４５の全体の走査が完了するまで行う（Ｓ１４）。走査が完了するとトンネル１と亀裂４５の三次元形状が計算されてモニタ１８上に三次元画像として再生される（Ｓ１５）。
【００３６】
以上の通り本発明によれば、物体に光を照射するレーザ投光器２０と、このレーザ投光器２０により物体表面に照射された光を撮像する撮像装置３０と、レーザ投光器２０に備えられこのレーザ投光器２０の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する磁気センサ４と、撮像装置３０に備えられこの撮像装置３０の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する磁気センサ８と、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタ４０と、物体に照射された光の平面方程式を算出する方程式算出手段と、レーザ投光器２０のビーム形状を切り替えるビーム形状切替手段４４と、を備え、レーザ投光器２０と撮像装置３０がそれぞれ独立に動作することにより磁気センサ４及び磁気センサ８より得られる三次元位置情報及び姿勢情報に基づいて、方程式算出手段が物体に照射された光の平面方程式を算出する場合、物体全体の平面方程式を算出する場合と、物体に存在する亀裂の平面方程式を算出する場合とで、ビーム形状切替手段４４によりビーム形状を切り替えるようにしたので、トンネル１に存在する亀裂４５を精度良く計測することができ、且つトンネル１内に亀裂４５の画像を自動的に合成することができる。
【００３７】
また、撮像装置３０の焦点から計測点に向かう直線である式（１０）とレーザ平面上の方程式である式（４）を連立させ、計測点のワールド座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めるので、座標変換の考え方を取り入れて平面方程式をリアルタイムに計算できるようにし、処理速度の高速化を図りレーザ投光器２０の独立走査を行うことができる。
また、磁気センサ４と８から得られた位置情報と姿勢情報を基に、光の平面方程式をリアルタイムに算出することが可能となり、レーザ投光器２０の独立走査を行うことができる。
【００３８】
また、レーザ投光器２０の光源はレーザ光若しくはＬＥＤを使用するので、光源と物体との距離及び装置のコストとのバランスにより何れかの光源を任意に選択することができる。
また、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタ４０を備えたので、各センサが磁界ベクトルを計算することにより、位置情報及び姿勢情報を正確に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係る三次元計測装置を使用して対象物を計測している斜視図である。
【図２】本発明の図１の斜視図に基づいて本実施形態の三次元計測装置の全体構成を表す模式図である。
【図３】本発明のレシーバが位置情報と姿勢情報を生成する原理を説明する図である。
【図４】各座標系の位置関係を表す図である。
【図５】レシーバ座標とレーザ平面の関係を表す図である。
【図６】カメラ座標とレシーバ座標の関係を示す図である。
【図７】二次元化したカメラ焦点と受像面及び計測点の関係を示す図である。
【図８】キャリブレーションの構成を示す図である。
【図９】本発明の本実施形態の三次元計測装置の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１ トンネル、２、６ 架台、３ レーザ光源、４、８ 磁気センサ、７ ＣＣＤカメラ、１１ レーザ位置検出回路、１２ ＰＣ、１３ ＲＯＭ、１７ イメージプロッセサ、１８ モニタ、２０ レーザ投光器、３０ 撮像装置、４０ トランスミッタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元計測装置に関し、さらに詳しくは、大型構造物の形状と、その構造物に存在する亀裂の三次元計測をリアルタイムに行なう三次元計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からトンネルや大型下水管等の保守点検作業では、定期的にそれらの構造物を目視により観察して亀裂の有無や状態の現状把握を行なっていた。特に、トンネルなどの亀裂の状態を記録する場合、従来は構造物壁面に直接チョークでマス目を描き、目視により読み取った形状を方眼紙に記入する方法が採られていた。しかし、この方法では、作業員の個人差や測定誤差が大きく、形状も三次元であるために電子化が困難であるといった問題がある。
【０００３】
また、現在、商品化されている三次元画像計測装置では、比較的小さな構造物の計測を対象としている装置が多く、大型構造物の形状を計測するためには、多くの時間と労力を要した。即ち、大型構造物を計測する場合は、ＣＣＤカメラを移動させながら計測し、計測されたデータを繋ぐ作業が必要であった。
【０００４】
また、従来の三次元形状計測装置として特許文献１には、被測定物に対し、上方からこの被測定物を含む計測範囲内を縦横走査しながらレーザ光を照射し、このレーザ光及び上記被測定物上で反射されるレーザ光を外部に送出し、上記計測範囲内に複数の測定点を設定し、かつ、送出された上記被測定物に照射されるレーザ光と上記被測定物上で反射されるレーザ光との位相差を検出して上記複数の測定点各々に対する奥行き情報を求め、上記被測定物の平面形状を撮影するカメラと、このカメラによって撮影された画像情報から上記被測定物の二次元情報を求め、上記二次元情報と形状計算器から出力される上記奥行き情報とを組み合わせて上記被測定物の三次元形状情報を求める三次元形状計測装置について開示されている。
【特許文献１】特開平８−１７８６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、二次元情報と形状計算器から出力される奥行き情報とを組み合わせて被測定物の三次元形状情報を求めるため、二次元情報と奥行き情報を合成する処理が必要となり、多くの処理時間を要するばかりでなく、画像情報の画質が二次元情報に影響を与えるため、結果的に三次元形状の精度にも影響が及ぼされるといった問題がある。
【０００６】
本発明は、かかる課題に鑑み、撮像カメラとレーザ投光器に三次元位置と方向を検出できる三次元磁気センサを取り付け、撮像カメラとレーザ投光器をそれぞれ独立して動作させながら被測定対象物全体を計測すると共に、レーザ投光器をスポット光に切り替えて、被測定対象物に存在する亀裂を計測ことにより、形状と亀裂の両方をリアルタイムに計測し、且つ同一画面上に合成して表示することが可能な三次元計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、物体の三次元情報に基づいて前記物体の三次元形状を計測する三次元計測装置において、前記物体に光を照射する投光手段と、該投光手段により前記物体表面に照射された光を撮像する撮像手段と、前記投光手段に備えられ該投光手段の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する第１のセンサと、前記撮像手段に備えられ該撮像手段の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する第２のセンサと、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタと、前記物体に照射された光の平面方程式を算出する方程式算出手段と、前記投光手段のビーム形状を切り替えるビーム形状切替手段と、を備え、前記投光手段と撮像手段がそれぞれ独立に動作することにより前記第１のセンサ及び第２のセンサより得られる三次元位置情報及び姿勢情報に基づいて、前記方程式算出手段が前記物体に照射された光の平面方程式を算出する場合と、前記物体全体の平面方程式を算出する場合と、該物体に存在する亀裂の平面方程式を算出する場合とに応じて、前記ビーム形状切替手段により前記ビーム形状を切り替えるように構成したことを特徴とする。
【０００８】
本発明では、投光手段と撮像手段を独立に動作するようにして、それぞれに三次元位置情報及び姿勢情報を生成するセンサを備え、それぞれが独立に動作することにより得られた三次元位置情報及び姿勢情報を基に平面方程式を算出するものである。また、測定対象物に存在する亀裂を計測する場合は、ビーム形状を切り替えるようにして測定するものである。これにより、大型の測定対象物の形状を正確に測定できるばかりでなく、細かい亀裂を正確に測定することができる。
【０００９】
請求項２は、前記第１のセンサ及び第２のセンサは、前記トランスミッタにより形成された磁界ベクトルを受信することにより、前記第１のセンサ及び第２のセンサの三次元位置情報及びロール角、ピッチ角、及びヨー角の姿勢情報を取得することを特徴とする。
投光手段と撮像手段の位置情報と姿勢情報を得るには、各種の方法が考えられるが、光の光路を邪魔せず、且つ視界を妨げない方法が必要条件である。その点では磁界による方法が最適である。本発明では半球状の磁界を発生するトランスミッタを備え、その磁界の磁力線に対するベクトルを計算することにより三次元位置情報及び姿勢情報を取得するものである。従って、物体と投光手段及び撮像手段の距離はこの磁界のエリア内に限定される。
【００１０】
請求項３は、前記方程式算出手段は、前記第１及び第２のセンサから得られた位置を（ｘow，ｙow，ｚow）、姿勢を（φ，θ，ψ）とした場合、前記各センサのセンサ座標に原点を置いたセンサ座標上の点（ｘr，ｙr，ｚr）は、出力された前記各センサのデータを基に、
ここで
Ｃ：Ｃｏｓ、Ｓ：Ｓｉｎとすると、前記センサ座標上で光平面上の任意の３点の座標（ｘr，ｙr，ｚr）を前記式（１）及び（２）により前記トランスミッタを原点としたワールド座標に変換し、前記ワールド座標（ｘrw，ｙrw，ｚrw）に変換することにより、
前記式（３）及び式（４）として光の平面方程式を取得し、前記撮像手段の焦点から受像面までの距離をｆと置くと、前記受像面上の座標（ｕ，ｖ）は前記撮像手段の焦点を原点とした座標系において、
となり、Ｚ＝λとおき線形化すると、
と表わされ、該式（６）を前記センサ座標で表すために、回転・平行移動を考慮して、
式（７）として表し、（ここでｋ11〜ｋ33のパラメータには前記撮像手段の位置や姿勢などをはじめとする計測対象と、前記撮像手段の位置を表すデータが全て含まれているものとする）該式（７）が前記センサ座標（ｘ，ｙ，ｚ）と前記受像面上の座標（ｕ，ｖ）の関係式となり、前記式（７）を展開し、整理すると式（８）を得て、
前記式（８）の２平面の交線で表される直線は前記撮像手段の焦点から計測点に向かう直線として
式（９）のレシーバ座標を求め、前記式（１）と同様にワールド座標に変換して前記撮像手段の焦点から計測点に向かう直線である式（１０）を求め、
（ここで、（ｗｘ，ｗｙ，ｗｚ）はトランスミッタを原点としたレシーバのワールド座標である）
前記式（１０）とレーザ平面上の方程式である前記式（４）を連立させてワールド座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めることを特徴とする。
【００１１】
請求項４は、前記方程式算出手段は、前記平面方程式をリアルタイムに算出することにより前記投光手段の独立走査を可能としたことを特徴とする。
物体に照射された光の平面方程式は方程式算出手段により計算される。このとき計算の処理速度が遅い場合、一旦投光手段により照射された平面情報を記憶してその後バッチ処理により方程式の計算処理を行う。このように計算処理がリアルタイムに行われないと、投光手段を物体の任意の場所に操作することが不可能となり、撮像手段と独立にした意味がなくなってしまう。そこで本発明では、平面方程式をリアルタイムに計算できるようにするために、第１及び第２のセンサから得られた位置情報と姿勢情報を独立に取得することにより、演算速度高めることを可能とした。
【００１２】
請求項５は、前記ビーム形状切替手段は、前記物体全体の平面方程式を算出する場合は、該ビーム形状をスリット光に切り替え、前記物体に存在する亀裂の平面方程式を算出する場合は、前記ビーム形状をスポット光に切り替えることを特徴とする。
物体全面の平面方程式を算出する場合は、投光手段のビーム形状をスリット状にして走査することにより、大型構造物の表面の情報を正確に且つ迅速に得ることができる。一方、亀裂のような細い複雑な形状を測定するには、投光手段のビーム形状をスポット状にしてその亀裂に沿って走査することが好ましい。
【００１３】
請求項６は、前記投光手段の光源はレーザ光若しくはＬＥＤであることを特徴とする。
光は光源から照射されてから物体に到達するまでできるだけ拡散しないことが好ましい。その点でレーザ光は優れている。しかし、光源と物体との距離が至近の場合は、光の拡散は少ないのでＬＥＤの光でも可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、物体に光を照射する投光手段と、この投光手段により物体表面に照射された光を撮像する撮像手段と、投光手段に備えられこの投光手段の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する第１のセンサと、撮像手段に備えられこの撮像手段の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する第２のセンサと、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタと、物体に照射された光の平面方程式を算出する方程式算出手段と、投光手段のビーム形状を切り替えるビーム形状切替手段と、を備え、投光手段と撮像手段がそれぞれ独立に動作することにより第１のセンサ及び第２のセンサより得られる三次元位置情報及び姿勢情報に基づいて、方程式算出手段が物体に照射された光の平面方程式を算出する場合、物体全体の平面方程式を算出する場合と、物体に存在する亀裂の平面方程式を算出する場合とで、ビーム形状切替手段によりビーム形状を切り替えるようにしたので、測定対象物に存在する亀裂を精度良く計測することができ、且つ測定対象物内に亀裂の画像を自動的に合成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１６】
図１は本発明の実施形態に係る三次元計測装置を使用して対象物を計測している斜視図である。この三次元計測装置１００は、対象物１にレーザスリット光またはレーザスポット光を照射するレーザ投光器（投光手段）２０と、このレーザ投光器２０により対象物１の表面に照射された光を撮像する撮像装置（撮像手段）３０と、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタ４０と、図示しないパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を備えて構成される。そして、レーザ投光器２０はＴ字型の架台２と、スリット状のレーザ光またはレーザスポット光を出射するレーザ光源３と、レーザ投光器２０の位置情報と姿勢情報を生成する磁気センサ４と、レーザ投光器２０のビーム形状を切り替えるビーム形状切替器（ビーム形状切替手段）４４と、を備えて構成され、レーザ光源３への電源と磁気センサ４の情報はケーブル５によりＰＣに伝えられる。また、撮像装置３０はＴ字型の架台６と、対象物１に照射されたレーザ光を撮像するＣＣＤカメラ７と、撮像装置３０の位置情報と姿勢情報を生成する磁気センサ８とを備えて構成され、ＣＣＤカメラ７の信号と磁気センサ８の情報はケーブル９によりＰＣに伝えられる。尚、架台２、６は磁界の影響を磁気センサに与えないために、木製、プラスチック、ゴム等の材質により形成される。また、光源としてレーザ光を使用したが、ＬＥＤ或いは他の可視光を使用しても構わない。また、本実施形態ではレーザ投光器２０と撮像装置３０の位置情報と姿勢情報を生成する手段として、トランスミッタ４０からの磁界ベクトルを受信するために磁気センサを使用したが、他の手段により生成しても構わない。ここで、投光手段は主としてレーザ投光器２０により構成され、撮像手段は主として撮像装置３０により構成され、第１のセンサは主として磁気センサ４により構成され、第２のセンサは主として磁気センサ８により構成され、方程式算出手段は主としてＰＣにより構成される。
【００１７】
次に本実施形態の三次元計測装置１００の概略動作について説明する。尚、対象物としてトンネルを例にして説明する。まず、トランスミッタ４０をトンネル１の近傍に配置し、電源を投入してトランスミッタ４０の磁界をレーザ投光器２０及び撮像装置３０が検出できるようにトンネル１との位置関係を設定する。これは図示しないＰＣの画面を見ながら調整を行う。次に、ビーム形状切替器４４をスリット光側に切り替える。そしてレーザ投光器２０と撮像装置３０を手に持ち、ＰＣの画面を見ながらＣＣＤカメラ７がトンネル１の全体画像を捉えられるように配置する。そしてレーザ光源３の電源を投入して、スリット光がトンネル１の走査開始位置に来るようにしてＰＣに格納されたプログラムを開始する。そして、レーザ投光器２０をトンネル１の走査開始位置から順次移動し、トンネル１の全体の走査が完了するまで行う。これらの走査の過程でＣＣＤカメラ７から読み込まれたスリット光の平面方程式がリアルタイムに計算される。また、走査の過程でレーザ投光器２０及び撮像装置３０を移動しても、磁気センサ４、磁気センサ８から位置情報とロール角、ピッチ角、ヨー角の姿勢情報がＰＣに取り込まれリアルタイムに処理されてトンネル１の平面方程式に反映される。次にビーム形状切替器４４をスポット光側に切り替え、そのスポット光を亀裂４５に沿って走査する。
そしてトンネル１と亀裂４５の走査が完了するとＰＣに取り込まれたデータに基づいて、トンネル１と亀裂４５の三次元画像を再生する。この三次元画像はあらゆる角度からのデータにより構成されているので、対象物を回転して任意の角度から観察することも可能となる。
【００１８】
図２は図１の斜視図に基づいて本実施形態の三次元計測装置１００の全体構成を表す模式図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。ここで、ＣＣＤカメラ７の信号はケーブル９によりイメージプロセッサ１７に接続され、磁気センサ８の信号はケーブル９によりレーザ位置検出回路１１に接続され、磁気センサ４はケーブル５によりレーザ位置検出回路１１に接続され、トランスミッタ４０はケーブル４１によりレーザ位置検出回路１１に接続されている。またレーザ位置検出回路１１の出力及びイメージプロセッサ１７の出力信号はＰＣ１２に入力され、ＰＣ１２を制御するプログラムはＲＯＭ（Read Only Memory）１３に格納されている。またＰＣ１２からは処理された三次元画像を表示するモニタ１８が接続されている。尚、イメージプロセッサ１７はＣＣＤカメラ７により撮像された画像データをＰＣ１２が処理し易いように変換する機能があり、ＣＣＤカメラ７からの画像信号からレーザ輝線の座標をリアルタイムに演算するために回路をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により構成している。またレーザ位置検出回路１１は磁気センサ４、磁気センサ８の信号から三次元位置情報及び姿勢情報を検出回路である。
また説明の都合上ＣＣＤカメラ７の光軸１５とレーザ光源３の光軸１６のなす角度をαとすると、トンネル１の表面形状は滑らかであるので、角度αを大きくして一度に広い範囲の情報を取得して処理するものである。
【００１９】
図３は本発明の磁気センサ４、磁気センサ８が位置情報と姿勢情報を生成する原理を説明する図である。図３（ａ）は磁界ベクトルと各磁気センサの位置関係を表す図であり、トランスミッタ４０から放射された磁界ベクトル４２が半球状に形成され、その磁界ベクトル４２上に例えば磁気センサ４、磁気センサ８が存在し、対象物４６が磁界ベクトル４２の内側に含まれるものとする。図３（ｂ）は磁界ベクトルを説明する模式図である。例えば磁気センサ４ではトランスミッタ４０の位置における磁界の強さおよび方向をＡとし、磁界の強さおよび方向ＡのＸ軸方向磁界の強さ、Ｙ軸方向磁界の強さ、Ｚ軸方向磁界の強さをそれぞれＡｘ、Ａｙ、Ａｚとし、ｃｏｓα、ｃｏｓβ、ｃｏｓγを磁界の強さおよび方向Ａの方向余波とすれば、Ａｘ＝Ａｃｏｓα、Ａｙ＝Ａｃｏｓβ、Ａｚ＝Ａｃｏｓγであり、磁気センサ４のＸ軸方向の磁界検出コイルからはＡｘの出力が、Ｙ軸方向の磁界検出コイルからはＡｙの出力が、Ｚ軸方向の磁界検出コイルからはＡｚの出力が送出される。そして磁界の強さおよび方向Ａは、Ａ＝（Ａｘ2＋Ａｙ2＋Ａｚ2）1/2で与えられる。同じく磁気センサ８の磁界の強さおよび方向Ｂは、Ｂ＝（Ｂｘ2＋Ｂｙ2＋Ｂｚ2）1/2で与えられる。
【００２０】
次にレーザ平面方程式の算出方法について説明する。
図４は各座標系の位置関係を表す図である。カメラ座標（画像モニタ上の座標ｕ，ｖ）５０、ＣＣＤカメラ７に取り付けられた磁気センサ８のレシーバ座標５１、レーザ光源３に取り付けられた磁気センサ４のレシーバ座標５４、トランスミッタ４０の中心を基準とした実座標であるワールド座標５３をそれぞれ設定する。レーザ平面５２の位置や傾きを自由に設定することを可能にするために、レーザ光源３に取り付けられた磁気センサ４が検知した情報（投光器２０の位置と姿勢）を用いて、随時、レーザ平面５２の方程式を算出することを行う。また、図７のように受像面５５上にある計測点の位置Ｐとカメラの焦点Ｆを結ぶ直線ｌが磁気センサ８が検知した情報、（撮像装置３０の位置と姿勢）を基に決定される。また、直線ｌとレーザ平面５２の方程式の交点を求めることで、計測点のワールド座標５３（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する。
【００２１】
図５はレシーバ座標とレーザ平面の関係を表す図である。
即ち、レーザ投光器２０と撮像装置３０取り付けられた磁気センサ４、８を用いてレーザ平面方程式をリアルタイムに算出することでレーザスリット平面の独立走査が可能となる。三次元磁気センサからはセンサ自体の位置（ｘow，ｙow，ｚow）と姿勢（φ，θ，ψ）のデータが得られる。三次元磁気センサのレシーバ座標に原点を置いたレシーバ座標上の点（ｘr，ｙr，ｚr）は、出力された三次元磁気センサのデータを基に（１）式によって、トランスミッタ４０を原点としたワールド座標に変換される。
【００２２】
ここで
Ｃ：Ｃｏｓ、Ｓ：Ｓｉｎとする。
【００２３】
レシーバ座標上でレーザ平面５２上の任意の３点の座標（ｘrw，ｙrw，ｚrw）を式（１）に代入し、ワールド座標に変換することでレーザ平面５２の方程式を得ることができる。つまり、
が得られるレーザ平面５２の方程式である。
【００２４】
図６はカメラ座標とレシーバ座標の関係を示す図である。また、図７に二次元化したカメラ焦点と受像面及び計測点の関係を示す。カメラの焦点２０から受像面までの距離をｆと置くと、受像面上の座標（カメラ座標５０）はカメラの焦点２０を原点とした座標系において、
となる。
ｚ＝λとおき、線形化すると、
と表される。
【００２５】
ここで、式（６）を三次元磁気センサのレシーバを原点とした座標系（レシーバ座標５４）で表すために、回転・平行移動を考慮して、以下のような行列で表すことができる。
ここでｋ11〜ｋ33のパラメータにはＣＣＤカメラ７の位置や姿勢などをはじめとする計測対象と、ＣＣＤカメラ７の位置を表すデータが全て含まれている。従って、式（７）がレシーバ座標（ｘ，ｙ，ｚ）５４とカメラ位置（ｕ，ｖ）の関係式になる。
【００２６】
式（７）を展開し、整理すると次式のように表せる。
尚、１１個の未知数ｋ11〜ｋ33は、既知のワールド座標の基凖点（ｘ，ｙ，ｚ）と、それに対応するカメラ座標２１の点（ｕ，ｖ）の組み合わせを式（８）に代入し、連立方程式を解くことで求めることができる。
【００２７】
また式（８）の２平面の交線で表される直線はカメラの焦点から計測点に向かう直線で以下のような媒介変数で表せる。
【００２８】
式（９）はレシーバ座標５４であるので、式（１）と同様にワールド座標５３に変換する。
ここで、（ｗｘ，ｗｙ，ｗｚ）はトランスミッタ４０を原点とした磁気センサ８のワールド座標である。
カメラの焦点から計測点に向かう直線である式（１０）とレーザ平面上の方程式である式（４）を連立させ計測点２１のワールド座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めることができる。
【００２９】
図８はキャリブレーションの構成を示す図である。５０ｍｍおきに目盛りが書かれたキャリブレーションボード７０、７１をレシーバ７２のＸＹ平面と平行になるように設置し撮影する。そして、画面上での座標（ｕ，ｖ）をクリックし読み取る。また、対応するキャリブレーションボード上の座標（ｘ，ｙ，ｚ）も読み取る。同じｚ軸方向距離で４点の座標を読み取り、それをｚ軸方向に５０ｍｍ移動しながら複数回（６回以上）繰り返す。
式（８）に画面上での座標（ｕ，ｖ）と対応するキャリブレーションボード上の座標（ｘ，ｙ，ｚ）の組み合わせを代入し、以下の連立方程式を組み立てる。
【００３０】
ここで
【００３１】
【００３２】
【００３３】
そこで１１個の係数
は擬似逆行列
を用いて算出する。
この行列式を解き係数
が求まると、カメラ座標とレシーバ座標の関係式（７）が決定される。
【００３４】
図９は本発明の本実施形態の三次元計測装置の動作を説明するフローチャートである。尚、対象物としてトンネルを例にして説明する。まず、トランスミッタ４０をトンネル１の近傍に配置し（Ｓ１）、電源を投入してトランスミッタ４０の磁界をレーザ投光器２０及び撮像装置３０が検出できるようにトンネル１との位置関係を設定する（Ｓ２）。これはＰＣ１２の画面を見ながら調整を行う。次に、ビーム形状切替器４４をスリット光側に切り替える（Ｓ３）。そしてレーザ投光器２０と撮像装置３０を手に持ち、ＰＣ１２の画面を見ながらＣＣＤカメラ７がトンネル１の全体画像を捉えられるように配置する（Ｓ４）。そしてレーザ光源３の電源を投入して、スリット光がトンネル１の走査開始位置に来るようにしてＰＣ１２に格納されたプログラムを開始する（Ｓ５）。そして、レーザ投光器２０をトンネル１の走査開始位置から順次移動する（Ｓ６）。これらの走査の過程でＣＣＤカメラ７から読み込まれたスリット光の平面方程式がリアルタイムに計算される（Ｓ７）。そしてこの動作がトンネル１の全体の走査が完了するまで行う（Ｓ８）。また、走査の過程でレーザ投光器２０及び撮像装置３０を移動しても、磁気センサ４、磁気センサ８から位置情報とロール角、ピッチ角、ヨー角の姿勢情報がＰＣに取り込まれリアルタイムに処理されてトンネル１の平面方程式に反映される。
【００３５】
次にビーム形状切替器４４をスポット光側に切り替え（Ｓ９）、そしてレーザ投光器２０と撮像装置３０を手に持ち、ＰＣ１２の画面を見ながらＣＣＤカメラ７が亀裂４５の画像を捉えられるように配置する（Ｓ１０）。そしてスポット光を亀裂４５の走査開始位置に来るようにセットする（Ｓ１１）。そして、レーザ投光器２０を亀裂４５に沿って順次移動する（Ｓ１２）。これらの走査の過程でＣＣＤカメラ７から読み込まれたスポット光の平面方程式がリアルタイムに計算される（Ｓ１３）。そしてこの動作が亀裂４５の全体の走査が完了するまで行う（Ｓ１４）。走査が完了するとトンネル１と亀裂４５の三次元形状が計算されてモニタ１８上に三次元画像として再生される（Ｓ１５）。
【００３６】
以上の通り本発明によれば、物体に光を照射するレーザ投光器２０と、このレーザ投光器２０により物体表面に照射された光を撮像する撮像装置３０と、レーザ投光器２０に備えられこのレーザ投光器２０の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する磁気センサ４と、撮像装置３０に備えられこの撮像装置３０の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する磁気センサ８と、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタ４０と、物体に照射された光の平面方程式を算出する方程式算出手段と、レーザ投光器２０のビーム形状を切り替えるビーム形状切替手段４４と、を備え、レーザ投光器２０と撮像装置３０がそれぞれ独立に動作することにより磁気センサ４及び磁気センサ８より得られる三次元位置情報及び姿勢情報に基づいて、方程式算出手段が物体に照射された光の平面方程式を算出する場合、物体全体の平面方程式を算出する場合と、物体に存在する亀裂の平面方程式を算出する場合とで、ビーム形状切替手段４４によりビーム形状を切り替えるようにしたので、トンネル１に存在する亀裂４５を精度良く計測することができ、且つトンネル１内に亀裂４５の画像を自動的に合成することができる。
【００３７】
また、撮像装置３０の焦点から計測点に向かう直線である式（１０）とレーザ平面上の方程式である式（４）を連立させ、計測点のワールド座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めるので、座標変換の考え方を取り入れて平面方程式をリアルタイムに計算できるようにし、処理速度の高速化を図りレーザ投光器２０の独立走査を行うことができる。
また、磁気センサ４と８から得られた位置情報と姿勢情報を基に、光の平面方程式をリアルタイムに算出することが可能となり、レーザ投光器２０の独立走査を行うことができる。
【００３８】
また、レーザ投光器２０の光源はレーザ光若しくはＬＥＤを使用するので、光源と物体との距離及び装置のコストとのバランスにより何れかの光源を任意に選択することができる。
また、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタ４０を備えたので、各センサが磁界ベクトルを計算することにより、位置情報及び姿勢情報を正確に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係る三次元計測装置を使用して対象物を計測している斜視図である。
【図２】本発明の図１の斜視図に基づいて本実施形態の三次元計測装置の全体構成を表す模式図である。
【図３】本発明のレシーバが位置情報と姿勢情報を生成する原理を説明する図である。
【図４】各座標系の位置関係を表す図である。
【図５】レシーバ座標とレーザ平面の関係を表す図である。
【図６】カメラ座標とレシーバ座標の関係を示す図である。
【図７】二次元化したカメラ焦点と受像面及び計測点の関係を示す図である。
【図８】キャリブレーションの構成を示す図である。
【図９】本発明の本実施形態の三次元計測装置の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１ トンネル、２、６ 架台、３ レーザ光源、４、８ 磁気センサ、７ ＣＣＤカメラ、１１ レーザ位置検出回路、１２ ＰＣ、１３ ＲＯＭ、１７ イメージプロッセサ、１８ モニタ、２０ レーザ投光器、３０ 撮像装置、４０ トランスミッタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の三次元情報に基づいて前記物体の三次元形状を計測する三次元計測装置において、
前記物体に光を照射する投光手段と、該投光手段により前記物体表面に照射された光を撮像する撮像手段と、前記投光手段に備えられ該投光手段の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する第１のセンサと、前記撮像手段に備えられ該撮像手段の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する第２のセンサと、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタと、前記物体に照射された光の平面方程式を算出する方程式算出手段と、前記投光手段のビーム形状を切り替えるビーム形状切替手段と、を備え、
前記投光手段と撮像手段がそれぞれ独立に動作することにより前記第１のセンサ及び第２のセンサより得られる三次元位置情報及び姿勢情報に基づいて、前記方程式算出手段が前記物体に照射された光の平面方程式を算出する場合と、前記物体全体の平面方程式を算出する場合と、該物体に存在する亀裂の平面方程式を算出する場合とに応じて、前記ビーム形状切替手段により前記ビーム形状を切り替えるように構成したことを特徴とする三次元計測装置。
【請求項２】
前記第１のセンサ及び第２のセンサは、前記トランスミッタにより形成された磁界ベクトルを受信することにより、前記第１のセンサ及び第２のセンサの三次元位置情報及びロール角、ピッチ角、及びヨー角の姿勢情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
【請求項３】
前記方程式算出手段は、前記第１及び第２のセンサから得られた位置のデータを（ｘow，ｙow，ｚow）、姿勢のデータを（φ，θ，ψ）とした場合、前記各センサのセンサ座標に原点を置いたセンサ座標上の点（ｘr，ｙr，ｚr）は、出力された前記各センサのデータを基に、
ここで
Ｃ：Ｃｏｓ、Ｓ：Ｓｉｎとすると、
前記センサ座標上で光平面上の任意の３点の座標（ｘr，ｙr，ｚr）を前記式（１）及び（２）により前記トランスミッタを原点としたワールド座標に変換し、前記ワールド座標（ｘrw，ｙrw，ｚrw）に変換することにより、
前記式（３）及び式（４）として光の平面方程式を取得し、前記撮像手段の焦点から受像面までの距離をｆと置くと、前記受像面上の座標（ｕ，ｖ）は前記撮像手段の焦点を原点とした座標系において、
となり、Ｚ=λとおき線形化すると、
と表わされ、該式（６）を前記センサ座標で表すために、回転・平行移動を考慮して、
式（７）として表し、（ここでｋ11〜ｋ33のパラメータには前記撮像手段の位置や姿勢などをはじめとする計測対象と、前記撮像手段の位置を表すデータが全て含まれているものとする）該式（７）が前記センサ座標（ｘ，ｙ，ｚ）と前記受像面上の座標（ｕ，ｖ）の関係式となり、前記式（７）を展開し、整理すると式（８）を得て、
前記式（８）の２平面の交線で表される直線は前記撮像手段の焦点から計測点に向かう直線として
式（９）のレシーバ座標を求め、前記式（１）と同様にワールド座標に変換して前記撮像手段の焦点から計測点に向かう直線である式（１０）を求め、
（ここで、（ｗｘ，ｗｙ，ｗｚ）はトランスミッタを原点としたレシーバのワールド座標である）
前記式（１０）とレーザ平面上の方程式である前記式（４）を連立させてワールド座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元計測装置。
【請求項４】
前記方程式算出手段は、前記平面方程式をリアルタイムに算出することにより前記投光手段の独立走査を可能としたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の三次元計測装置。
【請求項５】
前記ビーム形状切替手段は、前記物体全体の平面方程式を算出する場合は、該ビーム形状をスリット光に切り替え、前記物体に存在する亀裂の平面方程式を算出する場合は、前記ビーム形状をスポット光に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
【請求項６】
前記投光手段の光源はレーザ光若しくはＬＥＤであることを特徴とする請求項１又は５に記載の三次元計測装置。
【請求項１】
物体の三次元情報に基づいて前記物体の三次元形状を計測する三次元計測装置において、
前記物体に光を照射する投光手段と、該投光手段により前記物体表面に照射された光を撮像する撮像手段と、前記投光手段に備えられ該投光手段の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する第１のセンサと、前記撮像手段に備えられ該撮像手段の三次元位置情報及び姿勢情報を生成する第２のセンサと、所定のエリアに磁界ベクトルを形成するトランスミッタと、前記物体に照射された光の平面方程式を算出する方程式算出手段と、前記投光手段のビーム形状を切り替えるビーム形状切替手段と、を備え、
前記投光手段と撮像手段がそれぞれ独立に動作することにより前記第１のセンサ及び第２のセンサより得られる三次元位置情報及び姿勢情報に基づいて、前記方程式算出手段が前記物体に照射された光の平面方程式を算出する場合と、前記物体全体の平面方程式を算出する場合と、該物体に存在する亀裂の平面方程式を算出する場合とに応じて、前記ビーム形状切替手段により前記ビーム形状を切り替えるように構成したことを特徴とする三次元計測装置。
【請求項２】
前記第１のセンサ及び第２のセンサは、前記トランスミッタにより形成された磁界ベクトルを受信することにより、前記第１のセンサ及び第２のセンサの三次元位置情報及びロール角、ピッチ角、及びヨー角の姿勢情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
【請求項３】
前記方程式算出手段は、前記第１及び第２のセンサから得られた位置のデータを（ｘow，ｙow，ｚow）、姿勢のデータを（φ，θ，ψ）とした場合、前記各センサのセンサ座標に原点を置いたセンサ座標上の点（ｘr，ｙr，ｚr）は、出力された前記各センサのデータを基に、
ここで
Ｃ：Ｃｏｓ、Ｓ：Ｓｉｎとすると、
前記センサ座標上で光平面上の任意の３点の座標（ｘr，ｙr，ｚr）を前記式（１）及び（２）により前記トランスミッタを原点としたワールド座標に変換し、前記ワールド座標（ｘrw，ｙrw，ｚrw）に変換することにより、
前記式（３）及び式（４）として光の平面方程式を取得し、前記撮像手段の焦点から受像面までの距離をｆと置くと、前記受像面上の座標（ｕ，ｖ）は前記撮像手段の焦点を原点とした座標系において、
となり、Ｚ=λとおき線形化すると、
と表わされ、該式（６）を前記センサ座標で表すために、回転・平行移動を考慮して、
式（７）として表し、（ここでｋ11〜ｋ33のパラメータには前記撮像手段の位置や姿勢などをはじめとする計測対象と、前記撮像手段の位置を表すデータが全て含まれているものとする）該式（７）が前記センサ座標（ｘ，ｙ，ｚ）と前記受像面上の座標（ｕ，ｖ）の関係式となり、前記式（７）を展開し、整理すると式（８）を得て、
前記式（８）の２平面の交線で表される直線は前記撮像手段の焦点から計測点に向かう直線として
式（９）のレシーバ座標を求め、前記式（１）と同様にワールド座標に変換して前記撮像手段の焦点から計測点に向かう直線である式（１０）を求め、
（ここで、（ｗｘ，ｗｙ，ｗｚ）はトランスミッタを原点としたレシーバのワールド座標である）
前記式（１０）とレーザ平面上の方程式である前記式（４）を連立させてワールド座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元計測装置。
【請求項４】
前記方程式算出手段は、前記平面方程式をリアルタイムに算出することにより前記投光手段の独立走査を可能としたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の三次元計測装置。
【請求項５】
前記ビーム形状切替手段は、前記物体全体の平面方程式を算出する場合は、該ビーム形状をスリット光に切り替え、前記物体に存在する亀裂の平面方程式を算出する場合は、前記ビーム形状をスポット光に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
【請求項６】
前記投光手段の光源はレーザ光若しくはＬＥＤであることを特徴とする請求項１又は５に記載の三次元計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１４８８２（Ｐ２００８−１４８８２Ａ）
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８８７０５（Ｐ２００６−１８８７０５）
【出願日】平成１８年７月７日（２００６．７．７）
【出願人】（５０４２２４１５３）国立大学法人 宮崎大学 (239)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月７日（２００６．７．７）
【出願人】（５０４２２４１５３）国立大学法人 宮崎大学 (239)
【Ｆターム（参考）】
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