３次元距離計測装置及びその方法
【課題】曲面のエッジ部分等における形状計測精度の向上を図り正確なギャップ計測を行う３次元距離計測装置及びその方法を提供する提供する。
【解決手段】画像を撮影する複数の撮像装置と、計測対象物が所定範囲で重なるように撮像装置を回転させて光軸を調整する回転駆動装置とを備えた３次元撮影手段と、複数の画像に写された所要計測点の画素の位置対応付け情報を演算する対応付け演算処理手段と、位置対応付け情報と回転駆動装置の回転情報とを用いて計測対象物の３次元形状を演算する３次元形状演算処理手段と、３次元形状から計測対象物の３次元形状が得られない領域の３次元形状を推定する３次元形状推定演算処理手段と、推定結果より計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する３次元計測座標演算処理手段と、これらの３次元座標を用いて２点間の距離を演算する距離演算処理手段とを備えた。
【解決手段】画像を撮影する複数の撮像装置と、計測対象物が所定範囲で重なるように撮像装置を回転させて光軸を調整する回転駆動装置とを備えた３次元撮影手段と、複数の画像に写された所要計測点の画素の位置対応付け情報を演算する対応付け演算処理手段と、位置対応付け情報と回転駆動装置の回転情報とを用いて計測対象物の３次元形状を演算する３次元形状演算処理手段と、３次元形状から計測対象物の３次元形状が得られない領域の３次元形状を推定する３次元形状推定演算処理手段と、推定結果より計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する３次元計測座標演算処理手段と、これらの３次元座標を用いて２点間の距離を演算する距離演算処理手段とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ギャップ等の３次元距離計測技術に係り、特に、計測領域内の特徴量が少ない場合であっても好適に距離計測を行うことができる３次元距離計測装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラントの高経年化が進む中、今後炉内構造物や機器の保守・補修の機会が増加すると考えられる。炉内補修工事等では、対象物の形状寸法や、対象箇所までのアクセスルート(ギャップ）の形状寸法等の寸法情報が必要である。これらの寸法情報は設計図面情報に依存するだけでなく、アズビルト情報が重要である。
【０００３】
ギャップ計測の従来技術として、２枚以上の画像を用いたステレオ視法による３次元計測方法がある。これは、１度に面的な形状計測が可能であり、構造物間のギャップ計測として必要な最短距離計測を効率的に実施できる方法である（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２１８２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ステレオ視法を用いた計測方法において、計測対象物の正面付近は計測機器との位置関係が正対に近いため、比較的容易に形状計測が可能である。しかし、曲面のエッジ部分等においては、カメラに対する計測面の角度が大きくなり、計測該当領域内の特徴点（特徴量）が少なくなる。このため、計測精度の低下や、計測したい箇所が撮影範囲に入らないといった課題がある。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、曲面のエッジ部分等における形状計測精度の向上を図り、高精度に計測対象物における２点間の距離を計測することができる３次元距離計測装置及びその方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明に係る３次元距離計測装置及びその方法は、計測対象物の設計図面情報等が十分に得られない場合においても正確な距離計測を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る３次元距離計測装置は、上述した課題を解決するために、画像を撮影する複数の撮像装置と、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整する回転駆動装置とを備えた３次元撮影手段と、複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する対応付け演算処理手段と、前記位置対応付け情報と前記回転駆動装置から得られる回転情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する３次元形状演算処理手段と、前記３次元形状演算処理手段より得られた前記３次元形状から前記計測対象物の前記３次元形状が得られない領域の３次元形状を推定する３次元形状推定演算処理手段と、前記３次元形状推定演算処理手段より得られた推定結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する３次元計測座標演算処理手段と、前記３次元計測座標演算処理手段より得られた前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する距離演算処理手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る３次元距離計測装置は、異なる位置で画像を撮影する複数の撮像装置と、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整する回転駆動装置とを備えた３次元撮影手段と、複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する対応付け演算処理手段と、前記位置対応付け情報と前記回転駆動装置から得られる回転情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する３次元形状演算処理手段と、前記３次元撮影手段により異なる位置で撮影された複数の画像に基づき前記３次元演算処理手段により演算された異なる座標系を有する複数の前記３次元形状における前記計測対象物の形状が重なり合う部分を対応点として検出する統合座標検出処理手段と、前記統合座標検出処理手段により得られた前記対応点を用い、前記異なる座標系を任意の座標系に座標統合する座標系統合演算処理手段と、前記座標統合された結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する３次元計測座標演算処理手段と、前記３次元計測座標演算処理手段より得られた前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する距離演算処理手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明に係る３次元距離計測方法は、上述した課題を解決するために、画像を撮影する複数の撮像装置を準備し、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整し、前記撮影装置により撮影を行う工程と、複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する工程と、前記位置対応付け情報と前記撮像装置の回転に関する情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する工程と、前記３次元形状座標から前記計測対象物の前記３次元形状が得られない領域の３次元形状を推定する工程と、前記３次元形状の推定結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する工程と、前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する工程とを備えることを特徴とする。
【００１１】
さらにまた、本発明に係る３次元距離計測方法は、画像を撮影する複数の撮像装置を準備し、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整し、前記撮影装置により撮影を行う工程と、前記撮影を行う工程を異なる位置で行う工程と、複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する工程と、前記位置対応付け情報と前記撮像装置の回転に関する情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する工程と、異なる位置で撮影された複数の画像に基づき演算された異なる座標系を有する複数の前記３次元形状における前記計測対象物の形状が重なり合う部分を対応点として検出する工程と、前記対応点を用い、前記異なる座標系を任意の座標系に座標統合する工程と、前記座標統合された結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する工程と、前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る３次元距離計測装置及びその方法においては、曲面のエッジ部分等における形状計測精度の向上を図り、高精度に計測対象物における２点間の距離を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る３次元距離計測装置及び３次元距離計測方法の第１実施形態を示すブロック図。
【図２】３次元撮影部で撮影された画像から３次元座標を求める説明図。
【図３】本発明に係る３次元距離計測装置及び３次元距離計測方法の第２実施形態を示すブロック図。
【図４】本発明に係る３次元距離計測装置及び３次元距離計測方法の第３実施形態を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１実施形態］
本発明に係る３次元距離計測装置及びその方法の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る３次元距離計測装置及び３次元距離計測方法の第１実施形態を示すブロック図である。図１に示す３次元距離計測装置は、ステレオ視法による３次元距離計測装置の構成を示したものである。ここでは、３次元距離計測装置及びその方法を円柱形状や球形状、直方体形状を有する原子力発電プラントの炉内構造物（例えば配管など）の表面上に形成された欠陥の長さの測定や、炉内構造物間のギャップの計測に適用した場合について説明する。以下、３次元距離計測装置の計測対象を「ギャップ等」という。
【００１６】
３次元距離計測装置は、３次元撮影部１、画像入力装置２、対応付け演算処理部３、３次元形状演算処理部４、３次元表示処理部５、３次元形状推定演算処理部６、３次元計測座標演算処理部７、ギャップ演算処理部８を備える。画像入力装置２、対応付け演算処理部３、３次元形状演算処理部４、３次元表示処理部５、３次元形状推定演算処理部６、３次元計測座標演算処理部７及びギャップ演算処理部８は、後述する各機能を実現するために記憶された種々のプログラムを実行するパーソナルコンピュータ等で実現される。
【００１７】
３次元撮影部１は、撮像装置１０及び回転駆動装置１１を備える。撮像装置１０は、第１の撮像装置１０ａ及び第２の撮像装置１０ｂを備える。第１の撮像装置１０ａ及び第２の撮像装置１０ｂより撮影された２枚の画像は、画像入力装置２を介して対応付け演算処理部３に入力される。
【００１８】
回転駆動装置１１は、撮像装置１０に接続される。回転駆動装置１１は、各撮像装置１０ａ、ｂを三軸回りに回転させる。回転駆動装置１１の回転角度情報は、対応付け演算処理部３及び３次元形状演算処理部４に出力される。
【００１９】
対応付け演算処理部３は、撮像装置１０により撮影された２枚の画像に写像された計測対象空間内の計測点を同一点として画素位置の対応付けを行う。
【００２０】
３次元形状演算処理部４は、対応付け演算処理部３から得られた２枚の画像の画素位置の対応付け結果と、回転駆動装置１１から出力された回転角度情報を用いて３次元座標を算出し、炉内構造物表面の３次元形状を演算する。
【００２１】
３次元形状推定演算処理部６は、３次元形状演算処理部４より得られる３次元形状から、炉内構造物の３次元形状を円弧や直線形状などとして推定する。
【００２２】
３次元計測座標演算処理部７は、３次元形状推定演算処理部６より得られる３次元形状推定結果より、図示しない入力装置を用いてオペレータより指定された円弧上や直線上にあるギャップ等の計測点となる計測座標を演算する。
【００２３】
ギャップ演算処理部８は、３次元計測座標演算処理部７より得られる計測座標を用いてギャップ等を演算する。
【００２４】
３次元形状表示処理部５は、撮像装置１０から得られた撮影画像、３次元形状演算処理部４で得られた３次元座標や３次元形状、３次元形状の断面、ギャップ演算処理部８で得られたギャップ等を表示する。
【００２５】
次に、第１実施形態における３次元距離計測装置の動作と効果について説明する。
【００２６】
３次元撮影部１は、ギャップ等を撮影可能な位置に適宜設置される。各撮像装置１０ａ、ｂのうち一方の撮像装置を回転駆動装置１１により回転制御させ、撮像装置１０から炉内構造物までの計測距離に応じて最適と思われる箇所においてギャップ等を計測する炉内構造物が所定範囲で重なるように各撮像装置１０ａ、ｂの光軸方向を調整して一致させる。３次元撮影部１は、各撮像装置１０ａ、ｂにより同時に炉内構造物の表面を撮影する。
【００２７】
対応付け演算処理部３は、回転駆動装置１１から出力された回転角度情報を用いて、撮像装置１０により撮像された２枚の画像に写像された計測対象空間内の計測点を同一点として、所要の画像処理を行い画素位置の対応付けを行う。同一点の抽出は、所要の画像処理技術を用いて行われる。
【００２８】
３次元形状演算処理部４は、対応付け演算処理部３から得られた２枚の画像の画素位置の対応付け結果と、回転駆動装置１１から出力された回転角度情報を用いて３次元座標を算出し、炉内構造物表面の３次元形状を演算する。
【００２９】
ここで、３次元撮影部１で撮影された画像から３次元座標の求め方を図２を用いて説明する。
【００３０】
計測対象空間の座標系において各撮像装置１０ａ、ｂの投影中心座標２０ａ，２０ｂ（Ｘ０（ａ，ｂ），Ｙ０（ａ，ｂ），Ｚ０（ａ，ｂ））でそれぞれ撮影される。計測対象空間上の計測点２２（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、それぞれの撮像面２１ａ，２１ｂ上において、対応する画素座標２３ａ，２３ｂ（ｘ（ａ，ｂ）、ｙ（ａ，ｂ））として写像される。
【００３１】
式（１）で示される通り、投影中心座標２０ａ，２０ｂと画素座標２３ａ，２３ｂと計測点２２とが一直線上にあることから導出される条件式を用いて、計測点の３次元座標が求まる。これにより、炉内構造物のギャップ等の３次元計測を可能とする。
【００３２】
式（１）において、ｆは焦点距離、ａ１１〜ａ３３は撮像装置１０の各軸周りの回転量を用いた回転変換である。
【数１】
【００３３】
３次元形状推定演算処理部６は、３次元形状演算処理部４から得られた３次元形状に基づいて、３次元形状が十分に得られない炉内構造物の３次元形状を円弧形状や直線形状として推定する。３次元形状演算処理部４において演算された検出対象の一部の３次元形状が円柱形状や球形状などの曲線を描く形状である場合には円弧推定を、直方体形状などの直線的な面を有する形状である場合には直線推定が適用される。
【００３４】
具体的には、３次元形状推定演算処理部６は、演算された３次元形状において３次元撮影部１の撮像装置１０に対して正対に近い位置で計測された箇所を選択する。すなわち、３次元形状が十分に計測されないエッジ等の境界部分とは異なる部分であり、エッジ等の境界部分と比較して３次元形状が十分に計測されている箇所である。選択は、３次元形状推定演算処理部６が自動で行ったり、またはオペレータにより図示しない入力装置を介して行われる。
【００３５】
３次元形状推定演算処理部６は、この正対に近い状態で計測された計測対象物上の箇所において、オペレータにより指定された任意の断面区間（例えば計測対象空間におけるＺ軸方向の一定区間におけるＸ−Ｙ断面）に基づいて３次元形状を抽出し、円柱形状等である場合にはこの区間より得られた複数の３次元座標から円弧を求める。
【００３６】
ここで、高さ方向（例えば、計測対象物に対して上下方向（計測対象空間におけるＺ軸方向））を一定であると仮定すると、球体ではなく円として仮定することが可能である。このため、円の一般式（（ｘ−ａ）２＋（ｙ−ｂ）２＝ｒ２（（ａ，ｂ）は円の中心、ｒは半径））で計測対象物の表面形状を定義することができる。３次元形状推定演算処理部６は、円の一般式に基づいて、３次元形状演算処理部４より得られた複数の３次元座標から最小二乗法等により連立方程式を解き、中心と半径を求める。
【００３７】
同様に、３次元形状推定演算処理部６は、抽出された計測対象物の３次元形状が直方体形状等である場合には、この区間より得られた複数の３次元座標から直線を求める。３次元形状推定演算処理部６は、直線の一般式（ａｘ＋ｂｙ＋ｃ＝０（ａ，ｂ，ｃは定数））で計測対象物の表面形状を定義することができる。３次元形状推定演算処理部６は、直線の一般式に基づいて、得られた複数の３次元座標から最小二乗法等により連立方程式を解き、各定数を求める。直線推定を適用する場合、直線を延長することは無限に計測点が存在することとなる。このため、オペレータは推定する直線の距離を任意に設定し、処理範囲を設定する。
【００３８】
なお、計測対象物が撮像装置の座標系に対して傾いている場合には、適宜円の一般式と楕円の一般式（ｘ２／ａ２＋ｙ２／ｂ２＝１）もしくは直線の一般式を用い、円弧及び直線による形状推定を行う。
【００３９】
３次元計測座標演算処理部７は、３次元形状推定演算処理部６から得られる炉内構造物の３次元形状の推定結果である円及び直線の一般式に基づいて、円弧上や直線上にあるギャップ計測点の３次元座標を演算する。ギャップ計測点は、例えば３次元表示処理部５により表示された３次元形状においてオペレータにより指定される。例えば、ギャップの計測を所望する２つの炉内構造物を指定したり、１つの炉内構造物の表面上の２点を指定したりする。３次元計測座標演算処理部７は、次処理のギャップ演算に用いるギャップ計測点の３次元座標の候補を、ギャップ空間で挟まれた２つの炉内構造物に対してそれぞれ演算する。また、欠陥の長さを測定する場合には、オペレータにより指定されたギャップ計測点の３次元座標を演算する。
【００４０】
ギャップ演算処理部８は、３次元計測座標演算処理部７において演算されたギャップ計測点の３次元座標を用いてギャップ等を演算する。
【００４１】
ギャップ演算処理部８は、２つの炉内構造物のギャップを計測する場合、３次元計測座標演算処理部７において演算された各表面上の複数のギャップ計測点の３次元座標の候補から、炉内構造物間の距離が最小距離となる断面（例えばＸ−Ｙ断面）におけるギャップ計測点の３次元座標の組合せを求めて距離を演算する。
【００４２】
ここで、ギャップ演算処理部８は、双方の計測対象物が円弧で推定されている場合には円弧の中心を結ぶ線が最小距離とする断面となるため、複数の計測座標の候補の中からギャップ計測に用いられるギャップ計測点の３次元座標を限定することができる。一方が円弧で推定され、他方が直線で推定された場合には、双方の中心を結ぶ線の断面と直線上に設定された距離において最小となる距離を演算する。また、双方が直線で推定された場合には、各直線上に設定した距離において最小となる距離を演算する。
【００４３】
ギャップ演算処理部８は、これらの演算処理を予め設定された高さ方向（例えばＺ軸方向）の計測範囲において行い、最短距離を自動的に算出する。
【００４４】
また、ギャップ演算処理部８は、炉内構造物の表面上における欠陥の長さ等を計測する場合には、指定された２点が存在する表面上の３次元座標に基づいて計測を行う。
【００４５】
第１実施形態における３次元距離計測装置及びその方法によれば、曲面エッジ部分等の撮像装置１０と炉内構造物との角度が大きい箇所や、さらには撮像装置１０の撮影範囲には写らない箇所でギャップ等を計測するための計測点が３次元形状から得られない場合であっても、３次元形状が計測された断面区間の複数の３次元座標と円及び直線等の一般式から炉内構造物の３次元形状を推定することにより円弧及び直線の延長上に存在するギャップ計測点の３次元座標を得ることができ、ギャップ等を計測することが可能となる。
【００４６】
また、３次元形状計測した結果を用いて３次元形状を推定することにより指定されたギャップ計測点の３次元座標候補を演算し、さらにギャップ計測に必要な最小距離を計測することが可能となる。これにより、曲面のエッジ部分等における計測精度の向上を図ることができ、また設計図面情報等が十分に得られない場合においても正確なギャップ計測を行うことができる。
【００４７】
さらに、炉内構造物間のギャップを精度よく計測することができるため、炉内補修時に炉内構造物間を通過する補修機器の利用の可否を判断することができる。
【００４８】
さらにまた、曲面である炉内構造物の表面上の欠陥長さなどを計測する場合においては、３次元形状を円弧として推定することにより表面上の３次元座標が得られることから、二つの３次元座標間の単なる直線距離ではなく、正確な欠陥長さを計測することができる。
【００４９】
［第２実施形態］
本発明に係る３次元距離計測装置及びその方法の第２実施形態を図面に基づいて説明する。
【００５０】
図３は、本発明に係る３次元距離計測装置及び３次元距離計測方法の第２実施形態を示すブロック図である。
【００５１】
第２実施形態における３次元距離計測装置及びその方法が第１実施形態における３次元距離計測装置及びその方法と異なる点は、３次元形状推定演算処理部６及び３次元計測座標演算処理部７に代えて、統合座標検出処理部３１及び座標系統合演算処理部３２が設けられた点である。第１実施形態と対応する構成及び部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００５２】
３次元距離計測装置及びその方法は、複数計測箇所において計測を実施し、複数計測位置の３次元形状を座標統合し、ギャップ計測を実施するものである。なお、複数計測箇所における３次元形状は、それぞれ異なる座標系を持った計測結果である。この３次元距離計測装置及びその方法は、例えば、ギャップ等の計測領域が撮像装置１０の１回の撮影で得られる画像に収まらず、ギャップ計測を行うために必要な３次元形状が得られない場合に有効である。
【００５３】
統合座標検出処理部３１は、撮像装置１０により複数箇所で撮影された画像やこの画像から得られる３次元形状の異なる座標系を統合するために必要な同一対応点を検出する。座標系統合演算処理部３２は、統合座標検出処理部３１で検出された同一対応点を用い、異なる座標系を統合する。
【００５４】
次に、第２実施形態における３次元距離計測装置及びその方法の動作と効果について説明する。
【００５５】
第１実施形態と同様に、３次元撮影部１はギャップ等を撮影可能な位置に配置される。ここで、上述したように１箇所において計測対象となるギャップの全領域の撮影ができない場合、３次元撮影部１はギャップ等を形成する計測対象の全領域が撮影されるよう、異なる位置に移動して再度撮影を行う。撮影は、所要の画像が得られるように２箇所以上で行われる。
【００５６】
対応付け演算処理部３及び３次元形状演算処理部４で所要の画像処理を行うことにより演算処理された３次元形状は、統合座標検出処理部３１に出力される。
【００５７】
統合座標検出処理部３１は、座標系を統合するために必要な同一対応点を検出する。同一対応点は、次の第１の機能及び第２の機能のいずれかを用いて行われる。
【００５８】
第１の機能は、オペレータにより指示された複数の３次元形状情報を統合するために必要な３つ以上の点から対応点を決定する機能である。具体的には、第１の機能は、３次元表示処理部５により表示された３次元形状上もしくは複数毎の撮影画像上において、オペレータから受け付けた指示に基づいて、複数計測位置の３次元形状の重なる部分においてほぼ同一となる対応点を決定するものである。
【００５９】
第２の機能は、各計測位置における撮影で得られた画像に基づく３次元形状より、形状が重なり合う部分を形状マッチングにより検出し、重なり合う部分に含まれる計測座標に対し、計測座標誤差が最小となる上位３点以上を座標系統合のための対応点として自動的に検出する機能である。
【００６０】
形状マッチングは、２以上の３次元形状の一致あるいは近似する部分を検出する処理であり、単純に形状マッチングを実施する場合には多数の回転変換と平行移動を行う必要がある。また、十分な３次元形状計測結果が得られない場合には、形状マッチングを行うことができない。
【００６１】
そこで、統合座標検出処理部３１は、第２の機能については対応付け演算処理部３とほぼ同様の処理を行い、２箇所以上の計測箇所で撮影された画像（少なくとも２箇所で撮影された少なくとも３枚の画像）を用いてほぼ同一の点の画素位置の対応付けを行うこともできる。統合座標検出処理部３１は、対応付けられた点のうち５点以上の点を用い、式（２）で示されるアフィン変換により回転変換と平行移動を実施する。
【００６２】
式（２）において、Ｘ，Ｙ，Ｚは１つ目の計測箇所で撮影された画像における対応付けられた点の座標、Ｘ´，Ｙ´，Ｚ´は２つ目の計測箇所で撮影された画像における対応付けられた点の座標、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉは回転要素、ｔｘ，ｔｙ，ｔｚは平行移動要素である。
【数２】
【００６３】
以上の処理により得られた変換後の対応点を元に、オペレータにより設定された回転補正量と平行移動補正量の範囲において、計測座標誤差が最小となる上位５点以上を同一対応点として自動的に検出する。
【００６４】
座標系統合演算処理部３２は、第１の機能又は第２の機能に基づいて統合座標検出処理部３１により検出された計測点を上述した式（２）のアフィン変換式を元に座標を変換し、各座標系を統合する。これにより、ギャップ等の計測点の３次元座標を得ることができる。ここで、基準となる座標系と変換する座標系は任意に設定される。
【００６５】
ギャップ演算処理部８は、座標系統合演算処理部３２において演算された計測座標を用いて、ギャップ等を演算する。ギャップ演算処理部８は、第１実施形態と同様に、オペレータにより指定された計測箇所において炉内構造物間の距離が最小となる箇所をギャップとして計測したり、欠陥長さを計測したりする。
【００６６】
第２実施形態における３次元距離計測装置及びその方法によれば、複数計測箇所の３次元形状計測した結果を用いて座標統合を行う対応点の検出と座標統合を行い、ギャップ計測を行うことが可能となる。これにより、第１実施形態で奏する効果に加え、撮像装置１０の画角によらずに比較的広範囲に亘る炉内構造物の３次元形状をも取得でき、炉内構造物間のギャップ等を計測することができる。
【００６７】
また、３次元距離計測装置は、第１実施形態の３次元形状推定演算処理部６及び３次元計測座標演算処理部７に加えて、第２実施形態の統合座標検出処理部３１及び座標系統合演算処理部３２を備えてもよい。配管表面の欠陥等の計測対象が局所的である場合には、第１実施形態に基づいて回転駆動装置１１により一方の光軸方向を調整して一致させることにより視差を生じさせて精度よく３次元形状計測を行うことができる。また、配管と配管とのギャップ等の計測範囲が広範囲に亘る場合には、第２実施形態に基づいて複数箇所で計測された３次元形状計測結果等を用いて座標統合を行うことにより、計測対象との画角や計測距離を考慮することなく３次元形状計測を行うことができる。この結果、一つの装置で種々の計測距離を持った計測対象の距離計測を行うことができる。
【００６８】
［第３実施形態］
本発明に係る３次元距離計測装置及びその方法の第３実施形態を図面に基づいて説明する。
【００６９】
図４は、本発明に係る３次元距離計測装置及び３次元距離計測方法の第３実施形態を示すブロック図である。
【００７０】
第３実施形態における３次元距離計測装置及びその方法が第１実施形態における３次元距離計測装置及びその方法と異なる点は、３次元形状推定演算処理部６に代えて、設計図面情報記録部４１及び図面形状推定演算処理部４２が設けられた点である。第３実施形態における３次元距離計測装置及びその方法は、ＣＡＤ図面等の情報を元に形状を推定し、ギャップ計測を実施するものである。なお、第１実施形態と対応する構成及び部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００７１】
設計図面情報記録部４１は、炉内構造物のＣＡＤ図面データや設計図面上における炉内構造物の直径や長さ等の設計図面情報を記憶する。設計図面情報は、設計図面情報記録部４１より適宜入出力される。また、設計図面情報記録部４１は、炉内構造物の３次元形状計測結果の記録も可能とする。
【００７２】
図面形状推定演算処理部４２は、設計図面情報記録部４１に記録された設計図面情報を用いて計測対象物に該当する炉内構造物を決定する。図面形状推定演算処理部４２は、炉内構造物の設計図面情報から、３次元形状が十分に得られない計測対象物の３次元形状情報を円弧又は直線形状として推定し、ギャップ計測点の３次元座標を演算する。図面形状推定演算処理部４２は、第１実施形態における３次元形状推定演算処理部６に対応する。
【００７３】
次に、第３実施形態における３次元距離計測装置及びその方法の動作と効果について説明する。
【００７４】
第１実施形態と同様に、３次元撮影部１はギャップ等を撮影可能な位置に配置される。対応付け演算処理部３及び３次元形状演算処理部４で所要の画像処理を行うことにより演算処理された３次元形状は、設計図面情報記録部４１及び図面形状推定演算処理部４２に出力される。
【００７５】
図面形状推定演算処理部４２は、設計図面情報記録部４１に記録されたＣＡＤ図面データ等から得られる炉内構造物の直径や長さ等の設計図面情報と３次元形状演算処理部４から得られた結果との比較を行う。図面形状推定演算処理部４２は、３次元形状演算処理部４から得られた３次元形状において不足する形状情報を設計図面情報を用いて補間し、ギャップ計測点の３次元座標候補点を求める。
【００７６】
具体的には、図面形状推定演算処理部４２は、３次元形状演算処理部４の演算結果より、３次元撮影部１の撮像装置１０と正対する位置にある計測対象物表面の３次元形状を設計図面情報記録部４１に入力された図面情報と照合し、３次元形状が十分に得られない炉内構造物の形状を円弧形状や直線形状として推定する。なお、円弧及び直線推定は、第１実施形態における３次元形状推定演算処理部６と同一の処理を実施する。
【００７７】
設計図面情報記録部４１において正確な図面情報が記録されている場合には、図面形状推定演算処理部４２は、３次元形状演算処理部４から得られた計測データとの比較により、所要の画像処理を行う。具体的には、設計図面情報記録部４１は、設計図面上における炉内構造物の中心座標を用いて３次元形状の座標系に対する位置合わせ処理を実施する。図面形状推定演算処理部４２は、円柱形状の炉内構造物の直径や立方体形状の炉内構造物の長さの情報を元に３次元形状を補間する。
【００７８】
３次元計測座標演算処理部７は、図面形状推定演算処理部４２において推定された炉内構造物の３次元座標情報に基づいて、次処理のギャップ計測点の３次元座標の候補を演算する。ギャップ演算処理部８は、３次元計測座標演算処理部７において演算されたギャップ計測点の３次元座標を用いてギャップ等を演算する。なお、３次元計測座標演算処理部７及びギャップ演算処理部８は、第１実施形態における各処理部と同様の処理を行うため、第３実施形態においては重複した説明を省略する。
【００７９】
第３実施形態における３次元距離計測装置及びその方法によれば、第１実施形態で奏する効果に加え、ＣＡＤ図面データや設計図面上における炉内構造物の直径や長さ等の設計図面情報を用いることにより、３次元形状演算処理部４で演算された３次元形状において不足する形状情報を補間することができ、より精度よくギャップ計測を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００８０】
１ ３次元撮影部
２ 画像入力装置
３ 対応付け演算処理部
４ ３次元形状演算処理部
５ ３次元表示処理部
６ ３次元形状推定演算処理部
７ ３次元計測座標演算処理部
８ ギャップ演算処理部
１０、１０ａ、１０ｂ 撮像装置
１１ 回転駆動装置
３１ 統合座標検出処理部
３２ 座標系統合演算処理部
４１ 設計図面情報記録部
４２ 図面形状推定演算処理部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ギャップ等の３次元距離計測技術に係り、特に、計測領域内の特徴量が少ない場合であっても好適に距離計測を行うことができる３次元距離計測装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラントの高経年化が進む中、今後炉内構造物や機器の保守・補修の機会が増加すると考えられる。炉内補修工事等では、対象物の形状寸法や、対象箇所までのアクセスルート(ギャップ）の形状寸法等の寸法情報が必要である。これらの寸法情報は設計図面情報に依存するだけでなく、アズビルト情報が重要である。
【０００３】
ギャップ計測の従来技術として、２枚以上の画像を用いたステレオ視法による３次元計測方法がある。これは、１度に面的な形状計測が可能であり、構造物間のギャップ計測として必要な最短距離計測を効率的に実施できる方法である（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２１８２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ステレオ視法を用いた計測方法において、計測対象物の正面付近は計測機器との位置関係が正対に近いため、比較的容易に形状計測が可能である。しかし、曲面のエッジ部分等においては、カメラに対する計測面の角度が大きくなり、計測該当領域内の特徴点（特徴量）が少なくなる。このため、計測精度の低下や、計測したい箇所が撮影範囲に入らないといった課題がある。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、曲面のエッジ部分等における形状計測精度の向上を図り、高精度に計測対象物における２点間の距離を計測することができる３次元距離計測装置及びその方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明に係る３次元距離計測装置及びその方法は、計測対象物の設計図面情報等が十分に得られない場合においても正確な距離計測を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る３次元距離計測装置は、上述した課題を解決するために、画像を撮影する複数の撮像装置と、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整する回転駆動装置とを備えた３次元撮影手段と、複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する対応付け演算処理手段と、前記位置対応付け情報と前記回転駆動装置から得られる回転情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する３次元形状演算処理手段と、前記３次元形状演算処理手段より得られた前記３次元形状から前記計測対象物の前記３次元形状が得られない領域の３次元形状を推定する３次元形状推定演算処理手段と、前記３次元形状推定演算処理手段より得られた推定結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する３次元計測座標演算処理手段と、前記３次元計測座標演算処理手段より得られた前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する距離演算処理手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る３次元距離計測装置は、異なる位置で画像を撮影する複数の撮像装置と、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整する回転駆動装置とを備えた３次元撮影手段と、複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する対応付け演算処理手段と、前記位置対応付け情報と前記回転駆動装置から得られる回転情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する３次元形状演算処理手段と、前記３次元撮影手段により異なる位置で撮影された複数の画像に基づき前記３次元演算処理手段により演算された異なる座標系を有する複数の前記３次元形状における前記計測対象物の形状が重なり合う部分を対応点として検出する統合座標検出処理手段と、前記統合座標検出処理手段により得られた前記対応点を用い、前記異なる座標系を任意の座標系に座標統合する座標系統合演算処理手段と、前記座標統合された結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する３次元計測座標演算処理手段と、前記３次元計測座標演算処理手段より得られた前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する距離演算処理手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明に係る３次元距離計測方法は、上述した課題を解決するために、画像を撮影する複数の撮像装置を準備し、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整し、前記撮影装置により撮影を行う工程と、複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する工程と、前記位置対応付け情報と前記撮像装置の回転に関する情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する工程と、前記３次元形状座標から前記計測対象物の前記３次元形状が得られない領域の３次元形状を推定する工程と、前記３次元形状の推定結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する工程と、前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する工程とを備えることを特徴とする。
【００１１】
さらにまた、本発明に係る３次元距離計測方法は、画像を撮影する複数の撮像装置を準備し、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整し、前記撮影装置により撮影を行う工程と、前記撮影を行う工程を異なる位置で行う工程と、複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する工程と、前記位置対応付け情報と前記撮像装置の回転に関する情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する工程と、異なる位置で撮影された複数の画像に基づき演算された異なる座標系を有する複数の前記３次元形状における前記計測対象物の形状が重なり合う部分を対応点として検出する工程と、前記対応点を用い、前記異なる座標系を任意の座標系に座標統合する工程と、前記座標統合された結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する工程と、前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る３次元距離計測装置及びその方法においては、曲面のエッジ部分等における形状計測精度の向上を図り、高精度に計測対象物における２点間の距離を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る３次元距離計測装置及び３次元距離計測方法の第１実施形態を示すブロック図。
【図２】３次元撮影部で撮影された画像から３次元座標を求める説明図。
【図３】本発明に係る３次元距離計測装置及び３次元距離計測方法の第２実施形態を示すブロック図。
【図４】本発明に係る３次元距離計測装置及び３次元距離計測方法の第３実施形態を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１実施形態］
本発明に係る３次元距離計測装置及びその方法の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る３次元距離計測装置及び３次元距離計測方法の第１実施形態を示すブロック図である。図１に示す３次元距離計測装置は、ステレオ視法による３次元距離計測装置の構成を示したものである。ここでは、３次元距離計測装置及びその方法を円柱形状や球形状、直方体形状を有する原子力発電プラントの炉内構造物（例えば配管など）の表面上に形成された欠陥の長さの測定や、炉内構造物間のギャップの計測に適用した場合について説明する。以下、３次元距離計測装置の計測対象を「ギャップ等」という。
【００１６】
３次元距離計測装置は、３次元撮影部１、画像入力装置２、対応付け演算処理部３、３次元形状演算処理部４、３次元表示処理部５、３次元形状推定演算処理部６、３次元計測座標演算処理部７、ギャップ演算処理部８を備える。画像入力装置２、対応付け演算処理部３、３次元形状演算処理部４、３次元表示処理部５、３次元形状推定演算処理部６、３次元計測座標演算処理部７及びギャップ演算処理部８は、後述する各機能を実現するために記憶された種々のプログラムを実行するパーソナルコンピュータ等で実現される。
【００１７】
３次元撮影部１は、撮像装置１０及び回転駆動装置１１を備える。撮像装置１０は、第１の撮像装置１０ａ及び第２の撮像装置１０ｂを備える。第１の撮像装置１０ａ及び第２の撮像装置１０ｂより撮影された２枚の画像は、画像入力装置２を介して対応付け演算処理部３に入力される。
【００１８】
回転駆動装置１１は、撮像装置１０に接続される。回転駆動装置１１は、各撮像装置１０ａ、ｂを三軸回りに回転させる。回転駆動装置１１の回転角度情報は、対応付け演算処理部３及び３次元形状演算処理部４に出力される。
【００１９】
対応付け演算処理部３は、撮像装置１０により撮影された２枚の画像に写像された計測対象空間内の計測点を同一点として画素位置の対応付けを行う。
【００２０】
３次元形状演算処理部４は、対応付け演算処理部３から得られた２枚の画像の画素位置の対応付け結果と、回転駆動装置１１から出力された回転角度情報を用いて３次元座標を算出し、炉内構造物表面の３次元形状を演算する。
【００２１】
３次元形状推定演算処理部６は、３次元形状演算処理部４より得られる３次元形状から、炉内構造物の３次元形状を円弧や直線形状などとして推定する。
【００２２】
３次元計測座標演算処理部７は、３次元形状推定演算処理部６より得られる３次元形状推定結果より、図示しない入力装置を用いてオペレータより指定された円弧上や直線上にあるギャップ等の計測点となる計測座標を演算する。
【００２３】
ギャップ演算処理部８は、３次元計測座標演算処理部７より得られる計測座標を用いてギャップ等を演算する。
【００２４】
３次元形状表示処理部５は、撮像装置１０から得られた撮影画像、３次元形状演算処理部４で得られた３次元座標や３次元形状、３次元形状の断面、ギャップ演算処理部８で得られたギャップ等を表示する。
【００２５】
次に、第１実施形態における３次元距離計測装置の動作と効果について説明する。
【００２６】
３次元撮影部１は、ギャップ等を撮影可能な位置に適宜設置される。各撮像装置１０ａ、ｂのうち一方の撮像装置を回転駆動装置１１により回転制御させ、撮像装置１０から炉内構造物までの計測距離に応じて最適と思われる箇所においてギャップ等を計測する炉内構造物が所定範囲で重なるように各撮像装置１０ａ、ｂの光軸方向を調整して一致させる。３次元撮影部１は、各撮像装置１０ａ、ｂにより同時に炉内構造物の表面を撮影する。
【００２７】
対応付け演算処理部３は、回転駆動装置１１から出力された回転角度情報を用いて、撮像装置１０により撮像された２枚の画像に写像された計測対象空間内の計測点を同一点として、所要の画像処理を行い画素位置の対応付けを行う。同一点の抽出は、所要の画像処理技術を用いて行われる。
【００２８】
３次元形状演算処理部４は、対応付け演算処理部３から得られた２枚の画像の画素位置の対応付け結果と、回転駆動装置１１から出力された回転角度情報を用いて３次元座標を算出し、炉内構造物表面の３次元形状を演算する。
【００２９】
ここで、３次元撮影部１で撮影された画像から３次元座標の求め方を図２を用いて説明する。
【００３０】
計測対象空間の座標系において各撮像装置１０ａ、ｂの投影中心座標２０ａ，２０ｂ（Ｘ０（ａ，ｂ），Ｙ０（ａ，ｂ），Ｚ０（ａ，ｂ））でそれぞれ撮影される。計測対象空間上の計測点２２（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、それぞれの撮像面２１ａ，２１ｂ上において、対応する画素座標２３ａ，２３ｂ（ｘ（ａ，ｂ）、ｙ（ａ，ｂ））として写像される。
【００３１】
式（１）で示される通り、投影中心座標２０ａ，２０ｂと画素座標２３ａ，２３ｂと計測点２２とが一直線上にあることから導出される条件式を用いて、計測点の３次元座標が求まる。これにより、炉内構造物のギャップ等の３次元計測を可能とする。
【００３２】
式（１）において、ｆは焦点距離、ａ１１〜ａ３３は撮像装置１０の各軸周りの回転量を用いた回転変換である。
【数１】
【００３３】
３次元形状推定演算処理部６は、３次元形状演算処理部４から得られた３次元形状に基づいて、３次元形状が十分に得られない炉内構造物の３次元形状を円弧形状や直線形状として推定する。３次元形状演算処理部４において演算された検出対象の一部の３次元形状が円柱形状や球形状などの曲線を描く形状である場合には円弧推定を、直方体形状などの直線的な面を有する形状である場合には直線推定が適用される。
【００３４】
具体的には、３次元形状推定演算処理部６は、演算された３次元形状において３次元撮影部１の撮像装置１０に対して正対に近い位置で計測された箇所を選択する。すなわち、３次元形状が十分に計測されないエッジ等の境界部分とは異なる部分であり、エッジ等の境界部分と比較して３次元形状が十分に計測されている箇所である。選択は、３次元形状推定演算処理部６が自動で行ったり、またはオペレータにより図示しない入力装置を介して行われる。
【００３５】
３次元形状推定演算処理部６は、この正対に近い状態で計測された計測対象物上の箇所において、オペレータにより指定された任意の断面区間（例えば計測対象空間におけるＺ軸方向の一定区間におけるＸ−Ｙ断面）に基づいて３次元形状を抽出し、円柱形状等である場合にはこの区間より得られた複数の３次元座標から円弧を求める。
【００３６】
ここで、高さ方向（例えば、計測対象物に対して上下方向（計測対象空間におけるＺ軸方向））を一定であると仮定すると、球体ではなく円として仮定することが可能である。このため、円の一般式（（ｘ−ａ）２＋（ｙ−ｂ）２＝ｒ２（（ａ，ｂ）は円の中心、ｒは半径））で計測対象物の表面形状を定義することができる。３次元形状推定演算処理部６は、円の一般式に基づいて、３次元形状演算処理部４より得られた複数の３次元座標から最小二乗法等により連立方程式を解き、中心と半径を求める。
【００３７】
同様に、３次元形状推定演算処理部６は、抽出された計測対象物の３次元形状が直方体形状等である場合には、この区間より得られた複数の３次元座標から直線を求める。３次元形状推定演算処理部６は、直線の一般式（ａｘ＋ｂｙ＋ｃ＝０（ａ，ｂ，ｃは定数））で計測対象物の表面形状を定義することができる。３次元形状推定演算処理部６は、直線の一般式に基づいて、得られた複数の３次元座標から最小二乗法等により連立方程式を解き、各定数を求める。直線推定を適用する場合、直線を延長することは無限に計測点が存在することとなる。このため、オペレータは推定する直線の距離を任意に設定し、処理範囲を設定する。
【００３８】
なお、計測対象物が撮像装置の座標系に対して傾いている場合には、適宜円の一般式と楕円の一般式（ｘ２／ａ２＋ｙ２／ｂ２＝１）もしくは直線の一般式を用い、円弧及び直線による形状推定を行う。
【００３９】
３次元計測座標演算処理部７は、３次元形状推定演算処理部６から得られる炉内構造物の３次元形状の推定結果である円及び直線の一般式に基づいて、円弧上や直線上にあるギャップ計測点の３次元座標を演算する。ギャップ計測点は、例えば３次元表示処理部５により表示された３次元形状においてオペレータにより指定される。例えば、ギャップの計測を所望する２つの炉内構造物を指定したり、１つの炉内構造物の表面上の２点を指定したりする。３次元計測座標演算処理部７は、次処理のギャップ演算に用いるギャップ計測点の３次元座標の候補を、ギャップ空間で挟まれた２つの炉内構造物に対してそれぞれ演算する。また、欠陥の長さを測定する場合には、オペレータにより指定されたギャップ計測点の３次元座標を演算する。
【００４０】
ギャップ演算処理部８は、３次元計測座標演算処理部７において演算されたギャップ計測点の３次元座標を用いてギャップ等を演算する。
【００４１】
ギャップ演算処理部８は、２つの炉内構造物のギャップを計測する場合、３次元計測座標演算処理部７において演算された各表面上の複数のギャップ計測点の３次元座標の候補から、炉内構造物間の距離が最小距離となる断面（例えばＸ−Ｙ断面）におけるギャップ計測点の３次元座標の組合せを求めて距離を演算する。
【００４２】
ここで、ギャップ演算処理部８は、双方の計測対象物が円弧で推定されている場合には円弧の中心を結ぶ線が最小距離とする断面となるため、複数の計測座標の候補の中からギャップ計測に用いられるギャップ計測点の３次元座標を限定することができる。一方が円弧で推定され、他方が直線で推定された場合には、双方の中心を結ぶ線の断面と直線上に設定された距離において最小となる距離を演算する。また、双方が直線で推定された場合には、各直線上に設定した距離において最小となる距離を演算する。
【００４３】
ギャップ演算処理部８は、これらの演算処理を予め設定された高さ方向（例えばＺ軸方向）の計測範囲において行い、最短距離を自動的に算出する。
【００４４】
また、ギャップ演算処理部８は、炉内構造物の表面上における欠陥の長さ等を計測する場合には、指定された２点が存在する表面上の３次元座標に基づいて計測を行う。
【００４５】
第１実施形態における３次元距離計測装置及びその方法によれば、曲面エッジ部分等の撮像装置１０と炉内構造物との角度が大きい箇所や、さらには撮像装置１０の撮影範囲には写らない箇所でギャップ等を計測するための計測点が３次元形状から得られない場合であっても、３次元形状が計測された断面区間の複数の３次元座標と円及び直線等の一般式から炉内構造物の３次元形状を推定することにより円弧及び直線の延長上に存在するギャップ計測点の３次元座標を得ることができ、ギャップ等を計測することが可能となる。
【００４６】
また、３次元形状計測した結果を用いて３次元形状を推定することにより指定されたギャップ計測点の３次元座標候補を演算し、さらにギャップ計測に必要な最小距離を計測することが可能となる。これにより、曲面のエッジ部分等における計測精度の向上を図ることができ、また設計図面情報等が十分に得られない場合においても正確なギャップ計測を行うことができる。
【００４７】
さらに、炉内構造物間のギャップを精度よく計測することができるため、炉内補修時に炉内構造物間を通過する補修機器の利用の可否を判断することができる。
【００４８】
さらにまた、曲面である炉内構造物の表面上の欠陥長さなどを計測する場合においては、３次元形状を円弧として推定することにより表面上の３次元座標が得られることから、二つの３次元座標間の単なる直線距離ではなく、正確な欠陥長さを計測することができる。
【００４９】
［第２実施形態］
本発明に係る３次元距離計測装置及びその方法の第２実施形態を図面に基づいて説明する。
【００５０】
図３は、本発明に係る３次元距離計測装置及び３次元距離計測方法の第２実施形態を示すブロック図である。
【００５１】
第２実施形態における３次元距離計測装置及びその方法が第１実施形態における３次元距離計測装置及びその方法と異なる点は、３次元形状推定演算処理部６及び３次元計測座標演算処理部７に代えて、統合座標検出処理部３１及び座標系統合演算処理部３２が設けられた点である。第１実施形態と対応する構成及び部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００５２】
３次元距離計測装置及びその方法は、複数計測箇所において計測を実施し、複数計測位置の３次元形状を座標統合し、ギャップ計測を実施するものである。なお、複数計測箇所における３次元形状は、それぞれ異なる座標系を持った計測結果である。この３次元距離計測装置及びその方法は、例えば、ギャップ等の計測領域が撮像装置１０の１回の撮影で得られる画像に収まらず、ギャップ計測を行うために必要な３次元形状が得られない場合に有効である。
【００５３】
統合座標検出処理部３１は、撮像装置１０により複数箇所で撮影された画像やこの画像から得られる３次元形状の異なる座標系を統合するために必要な同一対応点を検出する。座標系統合演算処理部３２は、統合座標検出処理部３１で検出された同一対応点を用い、異なる座標系を統合する。
【００５４】
次に、第２実施形態における３次元距離計測装置及びその方法の動作と効果について説明する。
【００５５】
第１実施形態と同様に、３次元撮影部１はギャップ等を撮影可能な位置に配置される。ここで、上述したように１箇所において計測対象となるギャップの全領域の撮影ができない場合、３次元撮影部１はギャップ等を形成する計測対象の全領域が撮影されるよう、異なる位置に移動して再度撮影を行う。撮影は、所要の画像が得られるように２箇所以上で行われる。
【００５６】
対応付け演算処理部３及び３次元形状演算処理部４で所要の画像処理を行うことにより演算処理された３次元形状は、統合座標検出処理部３１に出力される。
【００５７】
統合座標検出処理部３１は、座標系を統合するために必要な同一対応点を検出する。同一対応点は、次の第１の機能及び第２の機能のいずれかを用いて行われる。
【００５８】
第１の機能は、オペレータにより指示された複数の３次元形状情報を統合するために必要な３つ以上の点から対応点を決定する機能である。具体的には、第１の機能は、３次元表示処理部５により表示された３次元形状上もしくは複数毎の撮影画像上において、オペレータから受け付けた指示に基づいて、複数計測位置の３次元形状の重なる部分においてほぼ同一となる対応点を決定するものである。
【００５９】
第２の機能は、各計測位置における撮影で得られた画像に基づく３次元形状より、形状が重なり合う部分を形状マッチングにより検出し、重なり合う部分に含まれる計測座標に対し、計測座標誤差が最小となる上位３点以上を座標系統合のための対応点として自動的に検出する機能である。
【００６０】
形状マッチングは、２以上の３次元形状の一致あるいは近似する部分を検出する処理であり、単純に形状マッチングを実施する場合には多数の回転変換と平行移動を行う必要がある。また、十分な３次元形状計測結果が得られない場合には、形状マッチングを行うことができない。
【００６１】
そこで、統合座標検出処理部３１は、第２の機能については対応付け演算処理部３とほぼ同様の処理を行い、２箇所以上の計測箇所で撮影された画像（少なくとも２箇所で撮影された少なくとも３枚の画像）を用いてほぼ同一の点の画素位置の対応付けを行うこともできる。統合座標検出処理部３１は、対応付けられた点のうち５点以上の点を用い、式（２）で示されるアフィン変換により回転変換と平行移動を実施する。
【００６２】
式（２）において、Ｘ，Ｙ，Ｚは１つ目の計測箇所で撮影された画像における対応付けられた点の座標、Ｘ´，Ｙ´，Ｚ´は２つ目の計測箇所で撮影された画像における対応付けられた点の座標、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉは回転要素、ｔｘ，ｔｙ，ｔｚは平行移動要素である。
【数２】
【００６３】
以上の処理により得られた変換後の対応点を元に、オペレータにより設定された回転補正量と平行移動補正量の範囲において、計測座標誤差が最小となる上位５点以上を同一対応点として自動的に検出する。
【００６４】
座標系統合演算処理部３２は、第１の機能又は第２の機能に基づいて統合座標検出処理部３１により検出された計測点を上述した式（２）のアフィン変換式を元に座標を変換し、各座標系を統合する。これにより、ギャップ等の計測点の３次元座標を得ることができる。ここで、基準となる座標系と変換する座標系は任意に設定される。
【００６５】
ギャップ演算処理部８は、座標系統合演算処理部３２において演算された計測座標を用いて、ギャップ等を演算する。ギャップ演算処理部８は、第１実施形態と同様に、オペレータにより指定された計測箇所において炉内構造物間の距離が最小となる箇所をギャップとして計測したり、欠陥長さを計測したりする。
【００６６】
第２実施形態における３次元距離計測装置及びその方法によれば、複数計測箇所の３次元形状計測した結果を用いて座標統合を行う対応点の検出と座標統合を行い、ギャップ計測を行うことが可能となる。これにより、第１実施形態で奏する効果に加え、撮像装置１０の画角によらずに比較的広範囲に亘る炉内構造物の３次元形状をも取得でき、炉内構造物間のギャップ等を計測することができる。
【００６７】
また、３次元距離計測装置は、第１実施形態の３次元形状推定演算処理部６及び３次元計測座標演算処理部７に加えて、第２実施形態の統合座標検出処理部３１及び座標系統合演算処理部３２を備えてもよい。配管表面の欠陥等の計測対象が局所的である場合には、第１実施形態に基づいて回転駆動装置１１により一方の光軸方向を調整して一致させることにより視差を生じさせて精度よく３次元形状計測を行うことができる。また、配管と配管とのギャップ等の計測範囲が広範囲に亘る場合には、第２実施形態に基づいて複数箇所で計測された３次元形状計測結果等を用いて座標統合を行うことにより、計測対象との画角や計測距離を考慮することなく３次元形状計測を行うことができる。この結果、一つの装置で種々の計測距離を持った計測対象の距離計測を行うことができる。
【００６８】
［第３実施形態］
本発明に係る３次元距離計測装置及びその方法の第３実施形態を図面に基づいて説明する。
【００６９】
図４は、本発明に係る３次元距離計測装置及び３次元距離計測方法の第３実施形態を示すブロック図である。
【００７０】
第３実施形態における３次元距離計測装置及びその方法が第１実施形態における３次元距離計測装置及びその方法と異なる点は、３次元形状推定演算処理部６に代えて、設計図面情報記録部４１及び図面形状推定演算処理部４２が設けられた点である。第３実施形態における３次元距離計測装置及びその方法は、ＣＡＤ図面等の情報を元に形状を推定し、ギャップ計測を実施するものである。なお、第１実施形態と対応する構成及び部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００７１】
設計図面情報記録部４１は、炉内構造物のＣＡＤ図面データや設計図面上における炉内構造物の直径や長さ等の設計図面情報を記憶する。設計図面情報は、設計図面情報記録部４１より適宜入出力される。また、設計図面情報記録部４１は、炉内構造物の３次元形状計測結果の記録も可能とする。
【００７２】
図面形状推定演算処理部４２は、設計図面情報記録部４１に記録された設計図面情報を用いて計測対象物に該当する炉内構造物を決定する。図面形状推定演算処理部４２は、炉内構造物の設計図面情報から、３次元形状が十分に得られない計測対象物の３次元形状情報を円弧又は直線形状として推定し、ギャップ計測点の３次元座標を演算する。図面形状推定演算処理部４２は、第１実施形態における３次元形状推定演算処理部６に対応する。
【００７３】
次に、第３実施形態における３次元距離計測装置及びその方法の動作と効果について説明する。
【００７４】
第１実施形態と同様に、３次元撮影部１はギャップ等を撮影可能な位置に配置される。対応付け演算処理部３及び３次元形状演算処理部４で所要の画像処理を行うことにより演算処理された３次元形状は、設計図面情報記録部４１及び図面形状推定演算処理部４２に出力される。
【００７５】
図面形状推定演算処理部４２は、設計図面情報記録部４１に記録されたＣＡＤ図面データ等から得られる炉内構造物の直径や長さ等の設計図面情報と３次元形状演算処理部４から得られた結果との比較を行う。図面形状推定演算処理部４２は、３次元形状演算処理部４から得られた３次元形状において不足する形状情報を設計図面情報を用いて補間し、ギャップ計測点の３次元座標候補点を求める。
【００７６】
具体的には、図面形状推定演算処理部４２は、３次元形状演算処理部４の演算結果より、３次元撮影部１の撮像装置１０と正対する位置にある計測対象物表面の３次元形状を設計図面情報記録部４１に入力された図面情報と照合し、３次元形状が十分に得られない炉内構造物の形状を円弧形状や直線形状として推定する。なお、円弧及び直線推定は、第１実施形態における３次元形状推定演算処理部６と同一の処理を実施する。
【００７７】
設計図面情報記録部４１において正確な図面情報が記録されている場合には、図面形状推定演算処理部４２は、３次元形状演算処理部４から得られた計測データとの比較により、所要の画像処理を行う。具体的には、設計図面情報記録部４１は、設計図面上における炉内構造物の中心座標を用いて３次元形状の座標系に対する位置合わせ処理を実施する。図面形状推定演算処理部４２は、円柱形状の炉内構造物の直径や立方体形状の炉内構造物の長さの情報を元に３次元形状を補間する。
【００７８】
３次元計測座標演算処理部７は、図面形状推定演算処理部４２において推定された炉内構造物の３次元座標情報に基づいて、次処理のギャップ計測点の３次元座標の候補を演算する。ギャップ演算処理部８は、３次元計測座標演算処理部７において演算されたギャップ計測点の３次元座標を用いてギャップ等を演算する。なお、３次元計測座標演算処理部７及びギャップ演算処理部８は、第１実施形態における各処理部と同様の処理を行うため、第３実施形態においては重複した説明を省略する。
【００７９】
第３実施形態における３次元距離計測装置及びその方法によれば、第１実施形態で奏する効果に加え、ＣＡＤ図面データや設計図面上における炉内構造物の直径や長さ等の設計図面情報を用いることにより、３次元形状演算処理部４で演算された３次元形状において不足する形状情報を補間することができ、より精度よくギャップ計測を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００８０】
１ ３次元撮影部
２ 画像入力装置
３ 対応付け演算処理部
４ ３次元形状演算処理部
５ ３次元表示処理部
６ ３次元形状推定演算処理部
７ ３次元計測座標演算処理部
８ ギャップ演算処理部
１０、１０ａ、１０ｂ 撮像装置
１１ 回転駆動装置
３１ 統合座標検出処理部
３２ 座標系統合演算処理部
４１ 設計図面情報記録部
４２ 図面形状推定演算処理部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を撮影する複数の撮像装置と、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整する回転駆動装置とを備えた３次元撮影手段と、
複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する対応付け演算処理手段と、
前記位置対応付け情報と前記回転駆動装置から得られる回転情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する３次元形状演算処理手段と、
前記３次元形状演算処理手段より得られた前記３次元形状から前記計測対象物の前記３次元形状が得られない領域の３次元形状を推定する３次元形状推定演算処理手段と、
前記３次元形状推定演算処理手段より得られた推定結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する３次元計測座標演算処理手段と、
前記３次元計測座標演算処理手段より得られた前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する距離演算処理手段とを備えたことを特徴とする３次元距離計測装置。
【請求項２】
前記計測対象物の設計図面情報を記録する設計図面情報記録手段をさらに備え、
前記３次元形状推定演算処理手段は、前記設計図面情報と前記３次元形状とを比較することにより前記計測対象物の３次元形状を推定する請求項１記載の３次元距離計測装置。
【請求項３】
前記３次元撮影手段により異なる位置で撮影された複数の画像に基づき前記３次元演算処理手段により演算された異なる座標系を有する複数の前記３次元形状における前記計測対象物の形状が重なり合う部分を対応点として検出する統合座標検出処理手段と、
前記統合座標検出処理手段により得られた前記対応点を用い、前記異なる座標系を任意の座標系に座標統合する座標系統合演算処理手段とをさらに備え、
前記３次元計測座標演算処理手段は、前記座標統合された結果に基づいて前記２点の距離計測点の３次元座標を演算する請求項１記載の３次元距離計測装置。
【請求項４】
異なる位置で画像を撮影する複数の撮像装置と、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整する回転駆動装置とを備えた３次元撮影手段と、
複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する対応付け演算処理手段と、
前記位置対応付け情報と前記回転駆動装置から得られる回転情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する３次元形状演算処理手段と、
前記３次元撮影手段により異なる位置で撮影された複数の画像に基づき前記３次元演算処理手段により演算された異なる座標系を有する複数の前記３次元形状における前記計測対象物の形状が重なり合う部分を対応点として検出する統合座標検出処理手段と、
前記統合座標検出処理手段により得られた前記対応点を用い、前記異なる座標系を任意の座標系に座標統合する座標系統合演算処理手段と、
前記座標統合された結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する３次元計測座標演算処理手段と、
前記３次元計測座標演算処理手段より得られた前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する距離演算処理手段とを備えたことを特徴とする３次元距離計測装置。
【請求項５】
画像を撮影する複数の撮像装置を準備し、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整し、前記撮影装置により撮影を行う工程と、
複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する工程と、
前記位置対応付け情報と前記撮像装置の回転に関する情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する工程と、
前記３次元形状座標から前記計測対象物の前記３次元形状が得られない領域の３次元形状を推定する工程と、
前記３次元形状の推定結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する工程と、
前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する工程とを備えることを特徴とする３次元距離計測方法。
【請求項６】
前記計測対象物の設計図面情報を記録する工程をさらに備え、
前記３次元形状を推定する工程は、前記設計図面情報と前記３次元形状とを比較することにより前記計測対象物の３次元形状を推定する請求項５記載の３次元距離計測方法。
【請求項７】
画像を撮影する複数の撮像装置を準備し、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整し、前記撮影装置により撮影を行う工程と、
前記撮影を行う工程を異なる位置で行う工程と、
複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する工程と、
前記位置対応付け情報と前記撮像装置の回転に関する情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する工程と、
異なる位置で撮影された複数の画像に基づき演算された異なる座標系を有する複数の前記３次元形状における前記計測対象物の形状が重なり合う部分を対応点として検出する工程と、
前記対応点を用い、前記異なる座標系を任意の座標系に座標統合する工程と、
前記座標統合された結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する工程と、
前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する工程とを備えることを特徴とする３次元距離計測方法。
【請求項１】
画像を撮影する複数の撮像装置と、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整する回転駆動装置とを備えた３次元撮影手段と、
複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する対応付け演算処理手段と、
前記位置対応付け情報と前記回転駆動装置から得られる回転情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する３次元形状演算処理手段と、
前記３次元形状演算処理手段より得られた前記３次元形状から前記計測対象物の前記３次元形状が得られない領域の３次元形状を推定する３次元形状推定演算処理手段と、
前記３次元形状推定演算処理手段より得られた推定結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する３次元計測座標演算処理手段と、
前記３次元計測座標演算処理手段より得られた前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する距離演算処理手段とを備えたことを特徴とする３次元距離計測装置。
【請求項２】
前記計測対象物の設計図面情報を記録する設計図面情報記録手段をさらに備え、
前記３次元形状推定演算処理手段は、前記設計図面情報と前記３次元形状とを比較することにより前記計測対象物の３次元形状を推定する請求項１記載の３次元距離計測装置。
【請求項３】
前記３次元撮影手段により異なる位置で撮影された複数の画像に基づき前記３次元演算処理手段により演算された異なる座標系を有する複数の前記３次元形状における前記計測対象物の形状が重なり合う部分を対応点として検出する統合座標検出処理手段と、
前記統合座標検出処理手段により得られた前記対応点を用い、前記異なる座標系を任意の座標系に座標統合する座標系統合演算処理手段とをさらに備え、
前記３次元計測座標演算処理手段は、前記座標統合された結果に基づいて前記２点の距離計測点の３次元座標を演算する請求項１記載の３次元距離計測装置。
【請求項４】
異なる位置で画像を撮影する複数の撮像装置と、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整する回転駆動装置とを備えた３次元撮影手段と、
複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する対応付け演算処理手段と、
前記位置対応付け情報と前記回転駆動装置から得られる回転情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する３次元形状演算処理手段と、
前記３次元撮影手段により異なる位置で撮影された複数の画像に基づき前記３次元演算処理手段により演算された異なる座標系を有する複数の前記３次元形状における前記計測対象物の形状が重なり合う部分を対応点として検出する統合座標検出処理手段と、
前記統合座標検出処理手段により得られた前記対応点を用い、前記異なる座標系を任意の座標系に座標統合する座標系統合演算処理手段と、
前記座標統合された結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する３次元計測座標演算処理手段と、
前記３次元計測座標演算処理手段より得られた前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する距離演算処理手段とを備えたことを特徴とする３次元距離計測装置。
【請求項５】
画像を撮影する複数の撮像装置を準備し、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整し、前記撮影装置により撮影を行う工程と、
複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する工程と、
前記位置対応付け情報と前記撮像装置の回転に関する情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する工程と、
前記３次元形状座標から前記計測対象物の前記３次元形状が得られない領域の３次元形状を推定する工程と、
前記３次元形状の推定結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する工程と、
前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する工程とを備えることを特徴とする３次元距離計測方法。
【請求項６】
前記計測対象物の設計図面情報を記録する工程をさらに備え、
前記３次元形状を推定する工程は、前記設計図面情報と前記３次元形状とを比較することにより前記計測対象物の３次元形状を推定する請求項５記載の３次元距離計測方法。
【請求項７】
画像を撮影する複数の撮像装置を準備し、計測対象空間内における計測対象物が所定範囲で重なるように前記撮像装置を回転させて光軸を調整し、前記撮影装置により撮影を行う工程と、
前記撮影を行う工程を異なる位置で行う工程と、
複数の前記画像に写された前記計測対象空間内の所要計測点の画素の位置を対応付けした位置対応付け情報を演算する工程と、
前記位置対応付け情報と前記撮像装置の回転に関する情報とを用いて、前記計測対象物の３次元座標に基づく３次元形状を演算する工程と、
異なる位置で撮影された複数の画像に基づき演算された異なる座標系を有する複数の前記３次元形状における前記計測対象物の形状が重なり合う部分を対応点として検出する工程と、
前記対応点を用い、前記異なる座標系を任意の座標系に座標統合する工程と、
前記座標統合された結果より前記計測対象物上において指定された２点の距離計測点の３次元座標を演算する工程と、
前記３次元座標を用いて前記２点間の距離を演算する工程とを備えることを特徴とする３次元距離計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２０３１０８（Ｐ２０１１−２０３１０８Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７０５７２（Ｐ２０１０−７０５７２）
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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