JP4444440B2 - Stereo image measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステレオ画像の測定装置に係り、特に、ステレオ画像から三次元画像と計測する測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、比較的大きな対象物を三次元画像と計測する場合、トータルステーション(TS)等の測量機により測定点を走査するか、GPSを移動させることにより、測定点を増やし、また、複数の測定点で囲まれた多数の小さな面の集合により三次元画像を表していた。また、別の手法として、ステレオ撮影した画像から、画像相関処理(ステレオマッチング)等を行なって、多数の面形状の集合として三次元画像を表すことにより、三次元計測を行なっていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前者の従来技術の場合、特にトータルステーション(TS)を使う場合は、自動視準機能付き測量機(ノンプリズムTS)を用いて測定点を自動的に走査させ、三次元データを取得する方法がある。ノンプリズムTSは、プリズム等の反射鏡が不要なトータルステーションである。しかしながら、この手法は、TSをモーターで駆動させながら計測するため、計測時間が莫大にかかる。例えば、1点計測に1秒かかるとして、200×200点を計測するだけで、約11時間必要とされる。また、測距光が返ってこないところは計測不能となること、測距ビームが遠方になればなるほど精度が劣化すること、等の課題があった。
【0004】
また、後者の従来技術のようにGPSを移動させる場合は、GPSを搭載するプラットホームを移動しながら測定点座標を計測することから、やはり多大な手間と時間がかかった。また、計測対象点にGPSを移動しなければならないので、危険な場所での計測はできなかった。
【0005】
また、GPSでは、ステレオ画像から撮影して計測する場合は、計測対象物に基準点(標定点)が設けられていることが必要であること、撮影したステレオ画像は、標定してみないと計測できているかどうかわからないこと、また、ステレオマッチング(画像相関処理)は、計算時間が長くなること、特徴の無い個所は計測できないこと、等の課題があった。特に、画像相関処理を確実に行なう為に、疎密探索(Coarse to Fine)による画像相関法と呼ばれるものが利用されている。この方法は、最初から解像度の高い画像で相関処理を行なわず、解像度の低い画像から次第に高い画像へと相関処理を段階的に行なっていくもので、こうすることで局所的な間違いを減らし、信頼性をあげる手法である(高木幹雄、下田陽久監修、画像解析ハンドブック p709参照)。しかしながら、この方法だと、解像度の異なる各画像に対しても、画像相関処理を行なわなければならず、演算に多大な時間がかかる。
【0006】
また、基線を固定したステレオカメラで計測する場合は、基準点がいらないというメリットがあるものの、画角(測定範囲)が限定されること、測定範囲を大きくしようとすると、画像接続のための接続点(基準点)が必要となってしまうこと、という課題があった。
【0007】
本発明は、以上の点に鑑み、ノンプリズムTSと画像相関処理を併用することで、立ち入ることの出来ないような箇所又は危険個所等のように従来測定が不可能であった領域についても、非接触で計測することを可能とせしめ、各方法で単独で測定する場合よりも全体の計測を一段と高速化、効率化、高信頼化させることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述のような課題を解決するために、例えば、以下のような特徴があり、これら処理により、従来よりも高速かつ信頼性の高い計測が可能となる。
1.計測したい領域のステレオ画像を撮影する
2.ノンプリズムTSで6点以上の基準(標定)点をステレオ画像双方に含まれる領域で計測する
3.ステレオ画像上でTSで計測した基準(標定)点を計測(標定)する
4.計測点から画像相関処理を行なう領域を決定する
5.領域について画像相関処理を行なう
6.5の相関係数あるいは相関処理の結果から得られた三次元座標値から作成した画像をディスプレイ上に表示する。
【0009】
更に、本発明では、以下のような特徴を有する。これら処理を追加することにより、より一層高速かつ信頼性の高い計測が可能となる。更に、計測の信頼性が不十分であると考えられる場合は、以下の処理7〜10を満足するまで繰り返すようにしてもよい。
7.相関係数の低いエリア、あるいは計測データより作成した画像が不満足である場合、その個所を追加計測する
8.計測点から画像相関処理を行なう領域を再決定する
9.領域について画像相関処理を行なう
10.相関結果から作成した画像をディスプレイ上に表示する。
【0010】
また、本発明では、ノンプリズムTSで計測できず、画像相関処理によってもうまくいかないエリアは、ノンプリズムTSの計測領域の情報から標高値を内挿して算出することができる。これら処理の利点は、以下のようなものである。
・ノンプリズムTSの三次元計測値をステレオマッチングの初期値とすることが出来るので、疎密探索(Coarse to Fine)画像相関処理を省略することが可能となり、計算時間が短縮される
・ステレオ画像とノンプリズムTSのコンビネーション測定により、TS単体の計測やステレオ画像による計測よりも全体の計測時間が格段に速くなる
・画像で計測が困難な個所(ex.特徴のないところ)等はノンプリズムTSで、また、逆にノンプリズムTSで光が返ってこないところを画像で計測することが可能となる。これらのように両者の計測困難個所を補間することができる。
・画像相関の悪いところは、ノンプリズムTSの計測によって補間し、さらにその計測値を初期値とすることで、計測エリアを更に密に、適切にすることができるので信頼性があがる。
・現地で計測可能となり、エラー個所を確認しながら計測ができるので、計測の信頼性が上がり、失敗がなくなる。
【0011】
本発明の解決手段によると、
位置データが明らかとなっている計測点を少なくとも3つ以上含むステレオ画像に対して、その計測点の内の少なくとも一部を区分点とし、定められた複数の区分点の内の少なくとも3つの区分点に基づき探索領域を設定する設定部と、
上記設定部により設定された探索領域に基づき、それぞれのステレオ画像上の対応する探索領域同士の画像に対して相関処理を施す演算部と、
上記演算部による相関結果から、任意の位置の点の座標を測定する測定部と
を備え、
上記演算部は、相関処理の結果に応じて、相関係数の低い領域を新たな計測点が必要となる計測領域とし、該計測領域の位置の情報を作成するようにしたステレオ画像の測定装置を提供する。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。
【0013】
A.ハードウェア
図1に、本発明の測定装置の全体ブロック図を示す。
本システムは、測量機1、測定装置2、カメラ3を備える。測定装置2は、基準点捜索部10、探索領域設定部20、演算部30、表示部40、測定部50、バス60を備える。これら基準点捜索部10、探索領域設定部20、演算部30、表示部40、測定部50は、例えばパーソナルコンピュータ上に搭載され、バス60により相互に接続される。
【0014】
測量機1は、現地にて基準点数点を計測するものである。あらかじめ基準点数点が含まれているステレオ画像を入手して計測する場合は必要ない。カメラ3は、画像の取得するもので、例えば、デジタルカメラやフィルムカメラ、等を利用することができる。カメラ3を備えなくても、あらかじめ、基準点数点が写し込まれている画像を入手、解析してもよい。
【0015】
基準点捜索部10は、あらかじめ測量機1により計測されている基準点と画像との対応付けを行なう。探索領域設定部20は、基準点捜索部10により対応付けされた基準点から、画像相関処理をする際の探索領域の設定、基準データブロックや捜索データブロックの各ブロックを設定する。演算部30は、標定計算や、探索領域設定部20で設定された探索領域について画像相関処理(ステレオマッチング)を行なう。表示部40は、立体視可能とするステレオモニタ、あるいは、パソコンのモニタ等である。立体モニタを使用すれば、より詳細な正確な三次元計測や、計測結果の確認が可能となる。表示部40は、撮影されたステレオ画像や、相関処理の結果から得られた相関係数値、相関処理の結果から取得された三次元座標により作成した点や等高線、鳥瞰図、オルソ画像等をグラフィック表示する。表示部40により、グラフィック表示を行い確認又は追加計測させる方法は、例えば、視覚的に計測結果を適切に判断したい場合や、相関係数の信頼性が高くない対象物等に利用することができる。なお、グラフィック表示は、リアルタイムで行なうことができる。
【0016】
測定部50は、相関処理の結果、相関結果が悪かった場合、追加計測を行なわせる。測定部50による追加計測には、相関係数を表示して相関の少ない部分の追加計測を行なう方法がある。また、この他に、各点の三次元座標をもとにした点、等高線、ワイヤーフレームモデル、面を貼ったサーフェスモデル、あるいは、画像を貼り付けた鳥瞰図やオルソ画像等を作成して、グラフィック表示し、表示された画像の不具合点につき追加計測を行なわせる方法がある。また、相関係数を画面上に表示して、画像の確認又は修正する方法は、相関係数の低いエリアを表示し、その画面に基づいてマニュアルあるいは半自動で計測修正する方法と、相関係数を利用して、所定の閾値以下のエリアについて自動計測をする方法等がある。
【0017】
本発明の利点は、ステレオモニタ等を使用せずとも、計測現場にてリアルタイムで簡単に表示、確認、修正が行なえることであり、全体としての計測時間が短縮され、かつ信頼性が高く確実な三次元計測が可能となることである。
【0018】
つぎに、相関結果よりマニュアル・半自動で計測を行なう場合と自動で計測を行なう場合について、詳細に説明する
【0019】
B.基本測定フロー
図2に、オンライン計測についてのフローチャートを示す。オンライン計測とは、例えば、計測現場で画像を測定し、三次元画像を表示するものである。
【0020】
ステップS10で、まず、最初に現地にて計測したい領域のステレオ画像を撮影する。図3に、ステレオ画像の説明図を示す。この図に示されるように、オーバーラップした2枚のステレオ画像(左画像L、右画像R)を撮影する。ステップS20で、次に、測量機1において、3点以上の基準(標定)点をステレオ撮影した左右画像双方に含まれる領域で計測する。基準点は3点以上で良いが、6点以上とすれば、標定処理(後述のステップS40参照)がより安定して行われ、後の解析が信頼性の高いものとなる。従って、ここでは、一例として、6点で説明する。すなわち、図3の左右画像がオーバーラップした領域中、6点を基準(標定)点C1〜C6として、測量機1により計測する。次にステレオ画像データと測量機により測定された基準点座標値を、オフィス等のステレオ画像測定装置のある場所へ転送する。転送には、画像を記憶するメモリ媒体を使ったり、電話回線等で送信したりすることができる。
【0021】
つぎに、ステップS40では、表示部40に表示した左右画像上で、測量機1により計測した基準(標定)点を計測(対応づけ)する。すなわち、この例では、測量機1で計測されている点C1〜C6を、今度は左画像L、右画像R上でそれぞれ標定する。
【0022】
ステップS80では、ステップS40で計測された計測点を相互に接続し、三角形を作成する。図4に、計測点による三角形の作成についての説明図を示す。この例では、計測点C1〜C6から点同士を接続し、三角形をつくった場合である。この場合、点同士を接続して、三角形で無く四角形としても良いが、三角形の方が一層領域内を細かく分類できるので(三角形だと4点で2つの平面を構成できるが、四角形だと1平面しか構成できない)、精度及び信頼性を向上させることが可能となる。このような、ランダムな点から3次元座標を内挿する方法として不整三角網(Triangulated Irraguler Network、TIN)がある。TINは、三角形を構成単位とするメッシュを生成するものである。TINについての詳細は、「伊理正夫、腰塚武志:計算幾何学と地理情報処理、pp127」、Franz Aurenhammer、杉原厚吉訳:Voronoi図、一つの基本的な幾何データ構造に関する概論、ACM Computing Surveys、 Vol.23、pp345−405」等を参照。
【0023】
ステップS91では、基準点捜索部10は、一方の画像、例えば左画像から、基準データブロック(テンプレート)に関するデータを検出する。例えば、このデータは、3つの区分点で形成される三角形と、その三角形を含む四角形等である。ステップS92では、テンプレートの区分点からの距離等によりテンプレートの位置や大きさを決定する。ステップS93で、画像上で計測された左画像のテンプレートから、画像相関処理を行なう為の探索領域を探索領域設定部20にて決定する。ステップS94では、他方の画像、例えば右画像に関して決定された探索領域について、左画像のテンプレートを用いてスキャンする。テンプレート及び探索領域の設定及びスキャンに関しては、後述する。
【0024】
そして、ステップS100で、分割された各領域に対して、演算部30にてテンプレートと探索領域との画像相関処理を行なう。すなわち、相関の大きなものを求めることで左画像に対応する右画像の対応点を求め(又は、右画像に対応する左画像の対応点を求め)、その三次元座標を算出する。なお、画像相関処理(ステレオマッチング)は、残差逐次検定法(SSDA法)や相互相関係数法などがある。
【0025】
ここでは、自動測定に向いている相互相関係数法を説明する。
(相互相関係数による方法)
図5に、入力画像とテンプレート画像についての説明図を示す。図に示すようにN1×N1画素のテンプレート画像を、それより大きいM1×M1画素の入力画像内の探索範囲(M1−N1+1)2上で動かし、下式の相関係数rが最大になるようなテンプレート画像の左上位置を求めて、テンプレート画像に対し探索されたとみなす。
【0026】
ここで、図6は、3×3画素における例を示す図である。この例の場合、左画像のテンプレート画像Tと同じ又は相関値の大きい比較画像Iを右画像から同一ライン(エピポーライン)上で探索する。すなわち、それぞれの画素に対応して上式を計算する。これを画素をひとつずつまたは所定数ずつシフトして、相関値の高いものを求める。
【0027】
【数1】
【0028】
本発明では、一例として、基準データブロックを左画像からテンプレート画像とし、右画像の探索領域内の捜索データブロックを単位として探索を行い、左画像の基準データブロック(テンプレート)に対して右画像の一致部分である捜索データブロックを探索する。一致部分は、相互相関係数が最大になる(1に近くなる)点とする。
【0029】
以上の相関処理により、左右画像の対応点が求まるので、ステレオ法の原理により、各測定点における三次元座標値を計算する。ここで、図7に、ステレオ法についての説明図を示す。
【0030】
(ステレオ法)
簡単のために、同じカメラを2台使用し、それぞれの光軸は平行でカメラレンズの主点からCCD面までの距離aが等しく、CCDは光軸に直角に置かれているものとする。
2つの光軸間距離(基線長)をLとする。
【0031】
物体上の点P1(x1、y1)、P2(x2、y2)の座標の間には、以下のような関係がある。
x1=ax/z
y1=y2=ay/z −−−(5)
x2−x1=aL/z
但し、全体の座標系(x、y、z)の原点をカメラ1のレンズ主点にとるものとする。カメラ1による撮影画像を左画像、カメラ2による画像を右画像としたとき、画像相関処理により、左画像x1の位置に対するx2の位置が求まる(類似度の一番高い点)。従って、▲3▼式よりzを求め、これを用いて▲1▼式、▲2▼式よりx、yが求められる。
【0032】
再び、計測についてのフローチャートに戻り説明する。ステップS110で、求められた左右画像の相関結果を表示部40に表示する。この場合、捜索データブロックを探索した結果、一番大きな相関係数(類似度が高い点)をそのデータブロックでの類似点として、それら相関結果を画像上に表示する。
【0033】
図8に、相関結果の表示についての説明図を示す。例えば、図8(a)のE1領域や図8(b)に示されるように、相関係数の低かったエリア又は点があれば、それらは強調して表示される。表示方法は、実際の相関係数値を色別等に表示してもよいし、しきい値を数段階設けて表示してもよい。ステップS120で、表示された結果が満足行くものであれば終了する。
【0034】
つぎに、追加測定フローについて説明する。ステップS130では、表示された結果が満足いかなければ、ステップS150に進む。ステップS150では、測定に要するエリア、例えば、相関係数の低いエリアについて測量機1により追加計測を行なう。ここで、マニュアル計測であれば、ステップS80へ移る。
【0035】
C.半自動計測
半自動計測は、自動視準型トータルステーションを使って行なう。図9に、半自動計測についてのフローチャートを示す。
【0036】
ステップS510では、例えば、図8に示されているように、相関係数の低いエリアが表示されているE1エリアをポインティングデバイス(ノートパソコンであれば、カーソルで、ペンコンピュータであればペン)で指し示す。ステップS520では、指示された点のx、y座標の位置情報をパソコンから測量機1へ転送し、その位置を計測するように測量機1をモーター駆動して、計測する。計測指示は、パソコンから測量機1へ自動送出される。あるいは、計測指示は、人間が測量機の位置を確認して計測指示を出してもよい。仮に、計測しようとした個所が計測不能な点であれば、エリア内で計測可能な別の個所を探し測定する。これら画像を利用した半自動計測作業は、マニュアル計測と比較すると、測量機を視準しながら計測する、という手順を省略できるので、相当の作業効率化が達成される。すなわち、測量機で視準できる像は、対象物の局所領域しか映っていないため 、追加計測したい個所に視準するのは大変困難かつ時間のかかる作業となる。しかしながら、画像上をクリックするだけの作業とすれば、誰にでもできる簡単な作業となる。
【0037】
次にステップS80へ移る。ステップS80で、追加計測した測定点を加え、三角形を作成する。図10に、測定点の追加についての説明図を示す。すなわち、図10で示された、追加点C7により、もう一度測定点の接続をし直す。この場合、図示のように追加点に対し更に詳細な三角形をつくってもよいし、前の接続点にかかわらずもう一度全部三角形を作り直してもよい。
【0038】
また、ステップ150で、追加計測を行なわなかったり、選択可能な点が無かった場合等は、三角形を組み替える。図11に、三角形の組み替えについての説明図を示す。例えば、図11(a)のように三角形を作成していた場合、図11(b)のように組み替えることができる。この他に、ステップS150で線状に計測した点を追加選択すれば、その分細かく三角形を作成することになり、より信頼性、密度ともに高いものとなる。
【0039】
以下上述と同様にステップS91以降の処理を実行し、ステップS100で、新しい領域について、画像相関処理を行なう。この場合、更に詳細な三角形を作成した場合は、新たに追加された三角形領域のみ画像相関処理を行なう。ステップS110で、相関結果を表示部に表示する。ステップS120で、結果が良好であれば、終了する。ステップS130で、表示された結果が満足できない場合は、再び追加測定に進む。ステップS150で、さらに追加測定を行いたい領域に対して、モニタを見ながら追加計測する。以下手順は、上記ステップS80以降と同様であり、満足出来るまで繰り返す。
【0040】
仮にいくら追加計測を行なっても改善されない場合又は追加計測をしない場合は、ステップS140へ進む。ステップS140で、例えば図10のE10の領域がどうしても良い結果が得られないときは、C1、C2、C7の計測点からなる平面E10の平面方程式から標高値を内挿する。例えば、E10領域内のC8を求めたいとき、C8の座標値を(x8、y8、z8)とすれば、C8の標高値z8は、
z8=−(ax8+by8+d)/c −−−(6)
により算出する。(係数a、b、c、dは、C1、C2、C7の3次元座標値より算出する)。
【0041】
D.自動測定
測量機に自動視準型トータルステーションを利用することによって、自動計測を行なうこともできる。
以下に自動測定について説明する。
【0042】
ステップS150では、追加測定を以下の手順で行なうことにより、計測の自動化が行える。S100の画像相関処理を行なった後、相関係数値にしきい値を設け、しきい値以下の相関係数が含まれるエリアについて追加計測を行なうようにする。しきい値に関しては、はじめから例えば0.5以下というように固定にしてもよいし、対象物によって決めても良い。計測エリアは、しきい値以下の相関係数が含まれる三角形領域とする。例えば、図8(a)ではE1の領域とする。測量機による追加計測点は、相関係数の低い三角形領域の三角形の重心位置としたり、あるいは、そのエリア内で相関係数の最も低い点としても良いし、低相関係数エリアの領域の中心(重心)としてもよい。以下に三角形の重心位置及び相関係数の低い領域の重心の求め方について説明する。
【0043】
まず、三角形の重心は、例えば、図8(a)の三角形E1(C1,C2,C5)内の相関係数が低かった場合、その三角形の重心C7(図10参照)を次の計測点として以下の要領で求める。C1、C2、C5の座標値をC1(X1、Y1、Z1)、C2(X2、Y2、Z2)、C5(X5、Y5、Z5)、とした場合、
X=(X1+X2+X5)/3 −−−(7)
Y=(Y1+Y2+Y5)/3 −−−(8)
を次の計測選択点C7のXY座標とする。
【0044】
あるいは、図8(b)で示される相関係数の低いエリアの分布からその重心を求めてもよい(例、モーメント法)。モーメント法では、次式により求められたxg、ygを追加計測選択点のX、Y座標とする。追加計測選択点は1点でなくとも、複数点あってもよい。
xg={Σx*{1−cor(x、y)}}/Σ{1−cor(x、y)}
−−−(9)
yg={Σy*{1−cor(x、y)}}/Σ{1−cor(x、y)}
−−−(10)
(xg、yg):重心位置の座標、cor(x、y):(x、y)座標上の相関値
【0045】
以上より、追加計測点を決定したら、その座標値に測量機を制御して測量機を駆動、計測させる。仮にこれらの点が計測不能、困難な点であったら、その近傍をサーチし計測させる。他のステップはコンピュータ処理となるため、ステップS80〜S150までの一連の作業が自動化される。
【0046】
E.グラフィック表示による修正
図12に、グラフィック表示についてのフローチャートを示す。
次に、相関処理の結果からグラフィック表示を行い確認、修正する方法について説明する。即ち、図2中ステップS110を以下の処理とすることで実現することができる。
【0047】
まず、ステップS102で、求められた各点の三次元座標を接続して三角形を作成する。ステップS106で、三次元座標をもとに、グラフィック表示画像を作成する。必要に応じ、三次元座標の各点やそれらを接続したもの、等高線、あるいは三角形上に面や画像を貼った鳥瞰図を作成する。三角形上に画像を貼った図は、正射投影画像でも良い。必要なければ(視覚的に判断できれば)、これら処理を施さずとも(例えば三角形を接続しただけのものでも)良い。三次元座標が視覚的にあらわせるものなら何でもよい。これらをステレオモニタあるいはパソコンのモニタ等に適切に判断可能なグラフィック表示画像を表示する。ステップS106では、作成された画像を表示部40に表示する。表示方法としては、三角形を重ね合せ表示する、あるいは相関係数を重ね合せ表示する等、状況により判断しやすいものを表示すればよい。
【0048】
また、ステップS102〜S106で作成・表示された鳥瞰画像等において、間違っていたり、不自然と思われる領域について追加計測を行なうことができる。図13に、グラフィック表示についての説明図を示す。例えば、図13(a)に示される三角形を接続したものを表示するだけでも、実際の状況と違っていれば、その表示から悪い個所が判断可能となる。例えば、得られた三次元座標値が、本来、図13(a)のF1であるはずなのに、間違えて図13(b)のF1’に移動してしまった場合、明らかに誤りが確認できる。更に図13(b)に面や画像を貼り付けて表示すれば、実際と違うことが一層明確に強調される。更に、相関係数値と重ね合せ表示すれば、仮に相関係数の低いエリアと悪い領域が一致していれば、より一層修正エリアが明確になる。この場合、図13(b)のF1周辺のエリアをマニュアルあるいは半自動で追加計測すればよい。
【0049】
こうして、マニュアル計測であれば、ステップS80へ移る。一方、自動視準型トータルステーションを使えば、半自動計測が可能となり、ステップS110へ移る。半自動計測では、上述したように、例えば、図13に示されているように、間違っている、あるいは不自然と思われるF1エリアをノートパソコンであれば、カーソルで、ペンコンピュータであればペンで指し示すことで、以降の処理を実行する。
【0050】
F.探索領域設定方法
次に、探索領域設定部20による、探索領域、基準データブロック、及び捜索データブロックの設定及びスキャンについて説明する。探索領域の設定方法としては次のように例示され、順に説明する。
1.探索領域の設定:包含四角形
2.探索領域の大きさから各データブロックを設定する
3.基準点からの距離に応じて、各データブロックの位置、移動ステップを設定する
4.基準点からの距離に応じて、各データブロックの大きさを設定する
5.基準点の相関値より各データブロックの大きさを設定する
【0051】
1.探索領域の設定:包含四角形
図14に、探索領域の設定についての説明図(1)を示す。
基本的に左右画像の探索領域は、ステップS30により相互標定が行われているので、縦視差がほぼ除去され、図中左右画像の各点CL1、CR1は、エピポーララインP1上に、CL2、CR2はP2上に、CL3、CR3はP3上にある。図に示されるように、測量機により計測した点から作成した三角形を左画像上でCL1、CL2、CL3、右画像上でCR1、CR2、CR3としたとき、探索領域を各三角形を包含する四角形領域とする。ここで例えば、領域内の左画像Tを基準データブロック(テンプレート)として、この画像に対応する位置を右画像から探索したい場合について説明する。この場合、捜索データブロックを含む右画像を捜索領域Sとして縦視差が除去されていればエピポーララインP3上で探索を行なう。もし、縦視差の除去が不完全であれば、対応するエピポーラライン周辺も探索することとなる。これら処理を、各基準点を含む包含四角形領域内の各ラインで行なう。図のように設定すると、隣接する三角形と重複領域ができるが、その分基準点以外の三角形領域を間違いなく確実に探索できる。
【0052】
ここで、図15に探索領域についての説明図を示す。図14の三角形の内側の領域を探索領域としても良いが、基準点以外の対応点はその三角形領域内にあるかどうか不確実である。従って、図15に示すように、三角形の領域を含む領域を探索領域と設定すれば効率的となる。
【0053】
図16に、探索領域の設定についての説明図(2)を示す。
図16に示されるように、各基準データブロック(テンプレート)T1、T2に対応する捜索データブロックの位置を探索する際、ラインP3上の捜索領域にオーバーラップした各テンプレートに対するサーチエリアS1、S2を設けてもよい。ここでは、一例として、基準データブロックT1、T2の中心から所定範囲のエリアをサーチエリアS1、S2としたものである。こうすれば、明らかに各基準点から近い方のエリアが効率的に探索でき、オーバーラップさせることで信頼性が高められる。サーチエリアは各テンプレートに対し複数設定してよい。更に、基準点の右画像の対応点CR1、CR2、CR3の近傍のサーチエリアは小さく、離れるにしたがって大きく設定してもよい(なお、適宜最低値又は最高値を設定してもよい)。また、探索領域内のデータブロックに対する捜索領域(サーチエリア)の大きさは、後述する各データブロックの位置、移動ステップ、大きさによって適宜決めればよい。こうすれば、三角形を含む範囲を効率良く探索することが可能となる。
【0054】
2.探索領域の大きさから各データブロックを設定する
図17に、探索領域の大きさの所定についての説明図を示す。
図17(a)に示すように、計測点によって探索領域である各三角形の大きさが異なるため、それぞれの三角形領域にあった大きさのデータブロックとするものである。例えば、前述したように探索領域として設定した包含四角形(図14参照)を基準に各データブロックを決定する。この外接四角形に対し、1/k の大きさをデータブロックとする。係数kは、あらかじめ固定としてもよいし、求めたい精度と領域の大きさにより適宜決定してもよい。他の例として、図17(b)に示されるように、三角形の内接円の半径rを求め、そのrあるいは、rの1/2、1/3等をデータブロックサイズとしてもよい。rは次式によって求められる。
r=√{(s−o)(s−p)(s−q)/s} −−−(11)
但し、s=1/2(o+p+q) −−−(12)
o、p、qは三角形の3辺のそれぞれの長さであり、これらは、3点の計測座標により計算する。
データブロックサイズの求めかたはこれにこだわらず、各三角形の大きさに応じたものであれば良い。
【0055】
3.基準点からの距離に応じて、各データブロックの位置、移動ステップを設定する
図18に、探索領域の設定についての説明図(3)を示す。
【0056】
3.1 基準データブロックに対する捜索データブロックの位置
図18(a)に示されているように、例えば、左画像上のT1をテンプレート(基準データブロック)として、それと同一画像を右画像上から探索したい場合、T1の位置を基準点CL1、CL3からの距離a、bに応じて右画像からエピポーララインP3上でCR1、CR3からa、bに配分した点S1をサーチエリアの中心として、ライン上を所定の範囲内で探索する。こうすることで、T1の対応点として推定されるS1領域近傍の探索を行なえるので、効率良く短時間で処理が行なえるようになる。
【0057】
3.2 探索領域内の位置及び移動ステップ
例えば、図18(b)に示されるように、3.1で設定されたサーチエリアの中心から、両側に離れるほど移動ステップを粗くしていくことにより、探索がさらに効率良く成される。すなわち推定される領域の中心近くは密に、離れるほど粗くしていくことにより、より効率的な探索がなされる。粗くしていく比率は、単純に係数を設定してもよいし、三角形の重心位置(3.2.1参照)あるいは基準点2点と近い方の比からの距離に比例して変えていってもよい(3.2.2参照)。
【0058】
3.2.1 三角形重心法
三角形の重心位置から各データブロックの位置及び移動ステップを決める方法について説明する。図19に、三角形の重心とデータブロックについての説明図を示す。
図19(a)に示されているように、三角形の重心位置Gは各基準点より等距離となるが、重心以外の点Tと基準点までの距離は、重心から基準点までの距離より短くなる距離がある。これより、重心位置をデータブロックの最大のサイズとして、各基準点に近づく程ステップを小さくしていく。C1(x1、y1)、C2(x2、y2)、C3(x3、y3)とし、T(x、y)としたとき、各点のTからの距離は、以下のようになる。
T−C1:L1=√{(x−x1)2+(y−y1)2} −−−(13)
T−C2:L2=√{(x−x2)2+(y−y2)2} −−−(14)
T−C3:L3=√{(x−x3)2+(y−y3)2} −−−(15)
また、各点の重心位置Gからの距離は、
G−C1=G−C2=G−C3=Lg
=√{(xg−x1)2+(yg−y1)2} −−−(16)
式(13)〜(15)で求められた、距離L1、L2、L3の中から最小となるものを求め、その距離と重心までの距離の比を求め、移動ステップを決定する。例えば、重心位置Gのステップサイズを最大としてSGT、最小のステップサイズをSMINとすれば、テンプレート位置から最小距離L(図19(a)ではL2)の点のステップサイズは、
ステップサイズ=L/Lg×(SGT−SMIN)+SMIN −−−(17)
とする。
【0059】
3.2.2 近い法の基準点2点の比からの距離法:
各基準点からのTまでの距離(近い方の2点)に応じて比例配分し、探索する距離に応じてステップサイズを可変とする。例えば、式(13)〜(15)の距離の小さい方2つの距離の比より決定する。図19(a)のように、L2<L3<L1 のときは、L2=L3 となる点を最大ステップ巾SMAXとして、
ステップ=L2/L3×SMAX −−−(18)
とすればよい。
【0060】
尚、探索領域内の位置及び移動ステップの決め方はこの方法にはこだわるものでない。
4.基準点からの距離に応じて、各データブロック、捜索領域の大きさを設定する
4.1 各基準点からデータブロックとする画像位置の距離を求め、その距離の比に応じてデータブロックサイズを可変にする。図19(b)に示されているように、三角形の重心位置Gは各基準点より等距離となるが、重心以外の点Tと基準点までの距離は、重心から基準点までの距離より短くなる距離が存在する。これより、重心位置のデータブロックを最大のサイズとして、各基準点に近づく程エリアを小さくしていく。C1(x1、y1)、C2(x2、y2)、C3(x3、y3)とし、T(x、y)としたとき、各点のTからの距離は、式(13)〜(15)より同様に求められる。また、各点の重心位置Gからの距離は、式(16)より求められる。そして、距離L1、L2、L3の中から最小となるものをみつけ、その距離と重心までの距離の比を求め、データブロックサイズを決定する。
例えば、重心位置GのデータブロックサイズをGT、データブロック位置から最小距離L(図19(b)ではL2)の点のデータブロックサイズをCT(図19(b)ではC2のデータブロック)とすると、
データブロックサイズ=L/Lg×(GT−CT)+CT −−−(19)
とする。
【0061】
また、データブロックの縦横の巾は、縦視差が標定処理によってすでにほぼ除去されていれば、縦方向は可変とせず一定、横方向だけでも良い。このようにすることで、基準点の近傍は、対応点がそばにあるという前提でデータブロックを小さく、遠く離れるにしたがってそばにあるかどうか不確実となるのでデータブロックを大きくして効率良く確実に対応点を得ることができる。
【0062】
尚、データブロックサイズの決め方はこの方法にはこだわるものでない。このようにすれば、効率的に速く探索が可能となる。
【0063】
5.基準点の相関値より各データブロックの大きさを設定する
図20に、データブロックの大きさについての説明図を示す。
各三角形の頂点(基準点)は、計測された点であるので、すでに対応づけが成されている。従って、この各点における各種テンプレート(基準データブロック)サイズに対する相関係数を求め(図20(a)に示すように)、一番高い相関値を示したテンプレートをテンプレート画像とする。この求められたテンプレートサイズの画像で各基準点に近いエリア内を探索するようにする。各基準点で求まったテンプレートサイズを、その探索する位置に応じて変える。
【0064】
例えば、一例として、各基準点で求められたサイズと各基準点からの距離(近い方の2点)に応じて比例配分し、探索する距離に応じてサイズを可変とする(図20(b)参照)。C1(x1、y1)、C2(x2、y2)、C3(x3、y3)とし、テンプレートT(x、y)としたとき、求めるテンプレートサイズは、式(13)〜(15) より求まる。従って求められた小さい方2つの距離の比より決定する。例えば、図20(b)のように、L2<L3<L1 のときは、CL2とCL3のテンプレートサイズをL2:L3の比より分割、Tのサイズとする。
【0065】
尚、データブロックの縦横の巾は、縦視差が標定処理によってすでにほぼ除去されていれば、縦方向は可変とせず一定、横方向だけでも良い。
【0066】
本発明のように、基準点から生成された三角形を基準に画像相関処理を行なうことで、疎密探索画像相関法のような異なる解像度の画像を多数用意する必要が無くなり、結果として高速かつ信頼性の高い画像相関処理を行なうことが出来るようになる。加えて、測量機による併用測定ができるので、計測が信頼性高く、確実なものとなり、従来では時間がかかり、計測が行なえなかった場所も、速く、容易に計測可能となる。
【0067】
【発明の効果】
本発明によると、以上のように、ノンプリズムTSと画像相関処理を併用することで、立ち入ることの出来ないような箇所又は危険個所等のように従来測定が不可能であった領域についても、非接触で計測することを可能とせしめ、各方法で単独で測定する場合よりも全体の計測を一段と高速化、効率化、高信頼化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の測定装置の全体ブロック図。
【図2】オンライン計測についてのフローチャート。
【図3】ステレオ画像の説明図。
【図4】計測点による三角形の作成についての説明図。
【図5】入力画像とテンプレート画像についての説明図。
【図6】3×3画素における例を示す図。
【図7】ステレオ法についての説明図。
【図8】相関結果の表示についての説明図。
【図9】半自動計測についてのフローチャート。
【図10】測定点の追加についての説明図。
【図11】三角形の組み替えについての説明図。
【図12】グラフィック表示についてのフローチャート。
【図13】グラフィック表示についての説明図。
【図14】探索領域の設定についての説明図(1)。
【図15】探索領域についての説明図。
【図16】探索領域の設定についての説明図(2)。
【図17】探索領域の大きさの所定についての説明図。
【図18】探索領域の設定についての説明図(3)。
【図19】三角形の重心とデータブロックについての説明図。
【図20】データブロックの大きさについての説明図。
【符号の説明】
1 測量機
2 測定装置
3 カメラ
10 基準点捜索部
20 探索領域設定部
30 演算部
40 表示部
50 測定部
60 バス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stereo image measurement device, and more particularly to a measurement device that measures a three-dimensional image from a stereo image.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when measuring a relatively large object as a three-dimensional image, the number of measurement points is increased by scanning the measurement points with a surveying instrument such as a total station (TS) or by moving the GPS. A three-dimensional image was represented by a set of many small faces surrounded by. As another method, three-dimensional measurement is performed by performing image correlation processing (stereo matching) or the like from a stereo image and representing the three-dimensional image as a set of many surface shapes.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of the former prior art, particularly when using a total station (TS), there is a method of acquiring three-dimensional data by automatically scanning a measurement point using a surveying instrument with an automatic collimation function (non-prism TS). . The non-prism TS is a total station that does not require a reflecting mirror such as a prism. However, since this method measures while driving the TS with a motor, the measurement time is enormous. For example, assuming that one point measurement takes 1 second, only about 200 × 200 points are measured, and about 11 hours are required. In addition, there are problems such as that measurement is impossible where the distance measuring light does not return, and accuracy decreases as the distance measuring beam becomes farther.
[0004]
Further, when the GPS is moved as in the latter prior art, since the measurement point coordinates are measured while moving the platform on which the GPS is mounted, it still takes much time and effort. Further, since the GPS has to be moved to the measurement target point, measurement in a dangerous place cannot be performed.
[0005]
In addition, in GPS, when taking a measurement from a stereo image, it is necessary to provide a reference point (orientation point) on the measurement object, and the taken stereo image must be located. It is not known whether measurement is possible, and stereo matching (image correlation processing) has problems such as an increase in calculation time and inability to measure portions without features. In particular, in order to reliably perform image correlation processing, a so-called image correlation method based on coarse to fine search is used. In this method, correlation processing is not performed on images with high resolution from the beginning, but correlation processing is performed step by step from images with low resolution to images with higher resolution, thereby reducing local errors, This is a technique for increasing the reliability (see Mikio Takagi, Yoshihisa Shimoda, Image Analysis Handbook p709). However, with this method, image correlation processing must be performed for each image having a different resolution, which takes a long time for calculation.
[0006]
In addition, when measuring with a stereo camera with a fixed base line, there is a merit that a reference point is not required, but the angle of view (measurement range) is limited, and if you want to increase the measurement range, connection for image connection There was a problem that a point (reference point) was required.
[0007]
In the present invention, in view of the above points, by using non-prism TS and image correlation processing together, even for regions that could not be measured conventionally, such as places that can not be entered or dangerous places, The purpose is to enable non-contact measurement, and to make the entire measurement much faster, more efficient, and more reliable than when measuring each method alone.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to solve the above-described problems, for example, there are the following features, and these processes enable measurement with higher speed and higher reliability than in the past.
1. Take a stereo image of the area you want to measure
2. Non-prism TS measures 6 or more reference (orientation) points in the area included in both stereo images.
3. Measure (orientate) the reference (orientation) points measured by TS on the stereo image.
4). Determine the area for image correlation processing from the measurement points
5). Perform image correlation processing on regions
An image created from the three-dimensional coordinate value obtained from the correlation coefficient of 6.5 or the result of the correlation process is displayed on the display.
[0009]
Furthermore, the present invention has the following features. By adding these processes, it is possible to perform measurement with higher speed and higher reliability. Furthermore, when it is considered that the reliability of measurement is insufficient, the following processes 7 to 10 may be repeated until satisfied.
7). If an area with a low correlation coefficient or an image created from measurement data is unsatisfactory, additional measurement is performed at that location.
8). Re-determine the area for image correlation processing from measurement points
9. Perform image correlation processing on regions
10. An image created from the correlation result is displayed on the display.
[0010]
In the present invention, an area that cannot be measured by the non-prism TS and cannot be obtained by the image correlation process can be calculated by interpolating the altitude value from the information of the measurement area of the non-prism TS. The advantages of these processes are as follows.
-Since the three-dimensional measurement value of the non-prism TS can be used as the initial value of stereo matching, it is possible to omit the coarse-to-fine image correlation processing and the calculation time is shortened.
・ By measuring the combination of stereo image and non-prism TS, the overall measurement time is much faster than the measurement of a single TS or stereo image.
-It is possible to measure with a non-prism TS a place where it is difficult to measure with an image (ex. A place without a feature) or with a non-prism TS. In this way, it is possible to interpolate the difficult measurement points of both.
-Where the image correlation is poor, interpolation is performed by measurement of the non-prism TS, and the measurement value is set as an initial value, so that the measurement area can be made denser and appropriate, and reliability is improved.
・ Because it becomes possible to measure at the site, it is possible to measure while checking the error location, so the reliability of the measurement is improved and the failure is eliminated.
[0011]
According to the solution of the present invention,
For a stereo image containing at least three measurement points for which position data is known, at least a part of the measurement points is defined as a segment point, and at least three segments among a plurality of defined segment points A setting unit for setting a search area based on points;
Based on the search region set by the setting unit, a calculation unit that performs correlation processing on images of corresponding search regions on each stereo image;
From the correlation result by the calculation unit, a measurement unit that measures the coordinates of a point at an arbitrary position;
With
According to the result of the correlation process, the calculation unit The region with a low correlation coefficient Measurement area where new measurement points are required And the position of the measurement area A stereo image measuring apparatus is provided for generating information on the above.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0013]
A. hardware
FIG. 1 shows an overall block diagram of the measuring apparatus of the present invention.
This system includes a surveying
[0014]
The surveying
[0015]
The reference
[0016]
When the correlation result is bad as a result of the correlation process, the measurement unit 50 performs additional measurement. As the additional measurement by the measurement unit 50, there is a method of displaying a correlation coefficient and performing additional measurement of a portion with little correlation. In addition to this, create points, contour lines, wireframe models, surface models with surfaces, bird's-eye views and ortho images with images attached, based on the 3D coordinates of each point, and create graphics. There is a method in which additional measurement is performed for each defect point of the displayed image. In addition, the correlation coefficient is displayed on the screen, and the method for confirming or correcting the image is to display an area with a low correlation coefficient, and to perform manual or semi-automatic measurement correction based on the screen, and the correlation coefficient. There is a method of automatically measuring an area below a predetermined threshold by using.
[0017]
The advantage of the present invention is that it can be easily displayed, confirmed, and corrected in real time without using a stereo monitor, etc., and the overall measurement time is shortened, and the reliability is high and reliable. 3D measurement is possible.
[0018]
Next, a detailed explanation will be given of the case where manual / semi-automatic measurement and automatic measurement are performed based on the correlation result.
[0019]
B. Basic measurement flow
FIG. 2 shows a flowchart for online measurement. Online measurement is, for example, measuring an image at a measurement site and displaying a three-dimensional image.
[0020]
In step S10, first, a stereo image of an area to be measured at the site is first taken. FIG. 3 is an explanatory diagram of a stereo image. As shown in this figure, two overlapping stereo images (left image L and right image R) are taken. Next, in step S20, the surveying
[0021]
Next, in step S40, a reference (orientation) point measured by the surveying
[0022]
In step S80, the measurement points measured in step S40 are connected to each other to create a triangle. FIG. 4 is an explanatory diagram for creating a triangle from measurement points. In this example, the points are connected from measurement points C1 to C6 to form a triangle. In this case, the points may be connected to form a quadrangle instead of a triangle. However, since the triangle can be further classified in the region (a triangle can form two planes with four points; It is possible to improve accuracy and reliability. There is an irregular triangular network (TIN) as a method of interpolating three-dimensional coordinates from such random points. TIN generates a mesh having a triangular unit. For details on TIN, see Masao Iri, Takeshi Koshizuka: Computational Geometry and Geographic Information Processing, pp 127, Franz Aurenhammer, Atsuyoshi Sugihara: Voronoi Diagram, Introduction to One Basic Geometric Data Structure, ACM Computing Surveys, Vol. 23, pp 345-405 ".
[0023]
In step S91, the reference
[0024]
In step S100, the calculation unit 30 performs image correlation processing between the template and the search area for each divided area. That is, the corresponding point of the right image corresponding to the left image is obtained by obtaining the one having a large correlation (or the corresponding point of the left image corresponding to the right image is obtained), and the three-dimensional coordinates thereof are calculated. Note that image correlation processing (stereo matching) includes a residual sequential test method (SSDA method) and a cross-correlation coefficient method.
[0025]
Here, a cross-correlation coefficient method suitable for automatic measurement will be described.
(Method using cross-correlation coefficient)
FIG. 5 is an explanatory diagram for the input image and the template image. N as shown 1 × N 1 A template image of a pixel 1 × M 1 Search range in pixel input image (M 1 -N 1 +1) 2 The upper left position of the template image is calculated so that the correlation coefficient r in the following equation is maximized, and it is considered that the template image has been searched.
[0026]
Here, FIG. 6 is a diagram illustrating an example of 3 × 3 pixels. In the case of this example, a comparison image I having the same value or a large correlation value as the template image T of the left image is searched from the right image on the same line (epipo line). That is, the above equation is calculated corresponding to each pixel. The pixels are shifted one by one or a predetermined number to obtain one having a high correlation value.
[0027]
[Expression 1]
[0028]
In the present invention, as an example, the reference data block is used as a template image from the left image, the search is performed in units of search data blocks in the search area of the right image, and the right image is compared with the reference data block (template) of the left image. Search the search data block which is the matching part. The coincident portion is a point where the cross-correlation coefficient is maximized (close to 1).
[0029]
Since the corresponding points of the left and right images are obtained by the above correlation processing, the three-dimensional coordinate value at each measurement point is calculated by the principle of the stereo method. Here, FIG. 7 shows an explanatory diagram of the stereo method.
[0030]
(Stereo method)
For simplicity, it is assumed that two identical cameras are used, each optical axis is parallel, the distance a from the principal point of the camera lens to the CCD surface is equal, and the CCD is placed at right angles to the optical axis.
Let L be the distance between the two optical axes (base line length).
[0031]
Point P on the object 1 (X 1 , Y 1 ), P 2 (X 2 , Y 2 ) Coordinates are as follows.
x 1 = Ax / z
y 1 = Y 2 = Ay / z --- (5)
x 2 -X 1 = AL / z
However, the origin of the entire coordinate system (x, y, z) is taken as the lens principal point of the
[0032]
Returning to the flowchart about the measurement, the description will be continued. In step S110, the obtained correlation result of the left and right images is displayed on the
[0033]
FIG. 8 is an explanatory diagram for displaying the correlation result. For example, if there is an area or a point having a low correlation coefficient as shown in the E1 region of FIG. 8A or FIG. 8B, they are displayed with emphasis. As the display method, the actual correlation coefficient value may be displayed for each color or the like, or a threshold value may be provided in several stages. If the displayed result is satisfactory in step S120, the process ends.
[0034]
Next, an additional measurement flow will be described. In step S130, if the displayed result is not satisfactory, the process proceeds to step S150. In step S150, the surveying
[0035]
C. Semi-automatic measurement
Semi-automatic measurement is performed using an automatic collimation type total station. FIG. 9 shows a flowchart for semi-automatic measurement.
[0036]
In step S510, for example, as shown in FIG. 8, the E1 area where an area with a low correlation coefficient is displayed is displayed with a pointing device (a cursor for a notebook computer or a pen for a pen computer). Point to. In step S520, the x and y coordinate position information of the instructed point is transferred from the personal computer to the surveying
[0037]
Next, the process proceeds to step S80. In step S80, additional measurement points are added to create a triangle. FIG. 10 is an explanatory diagram for adding measurement points. That is, the measurement point is connected again by the additional point C7 shown in FIG. In this case, more detailed triangles may be created for the additional points as shown, or all triangles may be recreated once again regardless of the previous connection points.
[0038]
If no additional measurement is performed or there is no selectable point in step 150, the triangle is rearranged. FIG. 11 is an explanatory diagram for rearranging triangles. For example, when a triangle is created as shown in FIG. 11A, it can be rearranged as shown in FIG. In addition to this, if the points measured linearly in step S150 are additionally selected, triangles are created accordingly, and both reliability and density are higher.
[0039]
Thereafter, the processing after step S91 is executed in the same manner as described above, and image correlation processing is performed for a new region in step S100. In this case, when a more detailed triangle is created, image correlation processing is performed only on the newly added triangle region. In step S110, the correlation result is displayed on the display unit. If the result is good in step S120, the process ends. If the displayed result is not satisfactory in step S130, the process proceeds to additional measurement again. In step S150, an additional measurement is performed for an area where additional measurement is desired while viewing the monitor. The following procedure is the same as that after step S80 and is repeated until satisfactory.
[0040]
If it is not improved even if additional measurement is performed, or if additional measurement is not performed, the process proceeds to step S140. In step S140, for example, if the region E10 in FIG. 10 does not give a good result, the altitude value is interpolated from the plane equation of the plane E10 composed of the measurement points C1, C2, and C7. For example, when C8 in the E10 region is to be obtained, the coordinate value of C8 is set to (x 8 , Y 8 , Z 8 ), The elevation value z of C8 8 Is
z 8 =-(Ax 8 + By 8 + D) / c --- (6)
Calculated by (The coefficients a, b, c, and d are calculated from the three-dimensional coordinate values of C1, C2, and C7).
[0041]
D. Automatic measurement
Automatic measurement can also be performed by using an automatic collimation type total station for the surveying instrument.
The automatic measurement will be described below.
[0042]
In step S150, the measurement can be automated by performing the additional measurement according to the following procedure. After performing the image correlation process of S100, a threshold value is set for the correlation coefficient value, and additional measurement is performed for an area including a correlation coefficient equal to or lower than the threshold value. The threshold value may be fixed, for example, 0.5 or less from the beginning, or may be determined depending on the object. The measurement area is a triangular area including a correlation coefficient equal to or less than a threshold value. For example, in FIG. 8A, the region is E1. The additional measurement point by the surveying instrument may be the center of gravity of the triangle in the triangular area with a low correlation coefficient, or may be the point with the lowest correlation coefficient in the area, or the center of the area in the low correlation coefficient area. (Centroid) may be used. The method for obtaining the center of gravity of the triangle and the center of gravity of the region having a low correlation coefficient will be described below.
[0043]
First, for example, when the correlation coefficient in the triangle E1 (C1, C2, C5) in FIG. 8A is low, the center of gravity of the triangle C7 (see FIG. 10) is used as the next measurement point. The following procedure is used. The coordinate values of C1, C2, and C5 are set to C1 (X 1 , Y 1 , Z 1 ), C2 (X 2 , Y 2 , Z 2 ), C5 (X 5 , Y 5 , Z 5 ), And
X = (X 1 + X 2 + X 5 ) / 3 --- (7)
Y = (Y 1 + Y 2 + Y 5 ) / 3 --- (8)
Is the XY coordinate of the next measurement selection point C7.
[0044]
Alternatively, the center of gravity may be obtained from the distribution of the area having a low correlation coefficient shown in FIG. 8B (eg, moment method). In the method of moments, x g , Y g Are the X and Y coordinates of the additional measurement selection point. There may be a plurality of additional measurement selection points instead of one.
x g = {Σx * {1-cor (x, y)}} / Σ {1-cor (x, y)}
--- (9)
y g = {Σy * {1-cor (x, y)}} / Σ {1-cor (x, y)}
--- (10)
(X g , Y g ): Coordinates of the center of gravity position, cor (x, y): correlation value on (x, y) coordinates
[0045]
As described above, when the additional measurement point is determined, the surveying instrument is controlled to the coordinate value to drive and measure the surveying instrument. If these points cannot be measured and are difficult, the vicinity is searched and measured. Since the other steps are computer processing, a series of operations from steps S80 to S150 are automated.
[0046]
E. Modification by graphic display
FIG. 12 shows a flowchart for graphic display.
Next, a method for confirming and correcting the graphic display from the correlation processing result will be described. That is, it is realizable by performing step S110 in FIG. 2 as the following processes.
[0047]
First, in step S102, a triangle is created by connecting the obtained three-dimensional coordinates of each point. In step S106, a graphic display image is created based on the three-dimensional coordinates. If necessary, create a bird's-eye view with 3D coordinate points and their connections, contour lines, or a surface or image on a triangle. The figure in which the image is pasted on the triangle may be an orthographic projection image. If it is not necessary (as long as it can be visually judged), it is not necessary to perform these processes (for example, only by connecting triangles). Anything can be used as long as the three-dimensional coordinates can be visualized. These are displayed on a stereo display or a monitor of a personal computer as a graphic display image that can be appropriately determined. In step S106, the created image is displayed on the
[0048]
Further, in the bird's-eye view image created and displayed in steps S102 to S106, additional measurement can be performed for an area that is wrong or seems unnatural. FIG. 13 is an explanatory diagram for graphic display. For example, even if only the connected triangles shown in FIG. 13A are displayed, if the actual situation is different, it is possible to determine a bad place from the display. For example, when the obtained three-dimensional coordinate value is supposed to be F1 in FIG. 13 (a), but mistakenly moves to F1 ′ in FIG. 13 (b), an error can be clearly confirmed. Further, if a surface or image is pasted and displayed in FIG. 13B, the fact that it is different from the actual one is more clearly emphasized. Furthermore, if the correlation coefficient value is superimposed and displayed, if the area with a low correlation coefficient matches the bad area, the correction area becomes clearer. In this case, the area around F1 in FIG. 13B may be additionally measured manually or semi-automatically.
[0049]
Thus, if it is manual measurement, it will move to step S80. On the other hand, if the automatic collimation type total station is used, semi-automatic measurement is possible, and the process proceeds to step S110. In the semi-automatic measurement, as described above, for example, as shown in FIG. 13, the F1 area that is wrong or seems unnatural is displayed with a cursor if it is a notebook computer, and with a pen if it is a pen computer. By pointing, the subsequent processing is executed.
[0050]
F. Search area setting method
Next, setting and scanning of the search area, the reference data block, and the search data block by the search
1. Search area setting: Inclusion rectangle
2. Set each data block from the size of the search area
3. Set the position and movement step of each data block according to the distance from the reference point
4). Set the size of each data block according to the distance from the reference point
5). Set the size of each data block from the correlation value of the reference point
[0051]
1. Search area setting: Inclusion rectangle
FIG. 14 is an explanatory diagram (1) for setting the search area.
Basically, since the relative orientation is performed in step S30 in the search area of the left and right images, the vertical parallax is substantially removed, and the points CL1 and CR1 of the left and right images in the figure are CL2, CR2 on the epipolar line P1. Is on P2, and CL3 and CR3 are on P3. As shown in the figure, when the triangles created from the points measured by the surveying instrument are CL1, CL2, CL3 on the left image and CR1, CR2, CR3 on the right image, the search area is a quadrangle that includes each triangle. This is an area. Here, for example, a case will be described in which the left image T in the region is used as a reference data block (template) and a position corresponding to this image is to be searched from the right image. In this case, if the vertical parallax is removed with the right image including the search data block as the search area S, the search is performed on the epipolar line P3. If the removal of vertical parallax is incomplete, the vicinity of the corresponding epipolar line is also searched. These processes are performed for each line in the included square area including each reference point. If the setting is made as shown in the figure, an overlapping area is formed with an adjacent triangle, but a triangular area other than the reference point can be definitely searched.
[0052]
Here, FIG. 15 shows an explanatory diagram of the search area. Although the area inside the triangle of FIG. 14 may be used as the search area, it is uncertain whether corresponding points other than the reference point are within the triangle area. Therefore, as shown in FIG. 15, it is efficient to set a region including a triangular region as a search region.
[0053]
FIG. 16 is an explanatory diagram (2) for setting a search area.
As shown in FIG. 16, when searching for the position of the search data block corresponding to each reference data block (template) T1, T2, search areas S1, S2 for each template overlapping the search area on the line P3 are displayed. It may be provided. Here, as an example, search areas S1 and S2 are areas within a predetermined range from the centers of the reference data blocks T1 and T2. In this way, obviously, the area closer to each reference point can be efficiently searched, and the reliability can be improved by overlapping. A plurality of search areas may be set for each template. Further, the search area in the vicinity of the corresponding points CR1, CR2, and CR3 of the right image of the reference point may be small and may be set larger as the distance increases (a minimum value or a maximum value may be set as appropriate). Further, the size of the search area (search area) for the data block in the search area may be appropriately determined according to the position, movement step, and size of each data block described later. This makes it possible to efficiently search for a range including a triangle.
[0054]
2. Set each data block from the size of the search area
FIG. 17 is an explanatory diagram for determining the size of the search area.
As shown in FIG. 17A, since the size of each triangle that is a search area differs depending on the measurement point, the data block has a size suitable for each triangle area. For example, each data block is determined based on the inclusion rectangle (see FIG. 14) set as the search area as described above. The size of 1 / k is a data block for the circumscribed rectangle. The coefficient k may be fixed in advance, or may be determined as appropriate depending on the accuracy desired and the size of the area. As another example, as shown in FIG. 17B, the radius r of the inscribed circle of the triangle may be obtained, and r or 1/2, 1/3, etc. of r may be used as the data block size. r is obtained by the following equation.
r = √ {(so) (s−p) (s−q) / s} −−− (11)
However, s = 1/2 (o + p + q) --- (12)
o, p, and q are the lengths of each of the three sides of the triangle, and these are calculated from the three measurement coordinates.
The method for obtaining the data block size is not limited to this, and any data block size may be used as long as it corresponds to the size of each triangle.
[0055]
3. Set the position and movement step of each data block according to the distance from the reference point
FIG. 18 is an explanatory diagram (3) for setting the search area.
[0056]
3.1 Location of search data block relative to reference data block
As shown in FIG. 18A, for example, when T1 on the left image is used as a template (reference data block) and the same image is to be searched from the right image, the position of T1 is set to the reference points CL1 and CL3. In accordance with the distances a and b from the right image, the search is performed within a predetermined range on the line with the point S1 allocated to CR1 and CR3 to a and b as the center of the search area on the epipolar line P3 from the right image. By doing so, a search in the vicinity of the S1 region estimated as the corresponding point of T1 can be performed, so that the processing can be performed efficiently and in a short time.
[0057]
3.2 Position in the search area and moving step
For example, as shown in FIG. 18 (b), the search is performed more efficiently by making the movement step rougher toward the both sides from the center of the search area set in 3.1. That is, the search is performed more efficiently by making the area near the center of the estimated area denser and rougher as the distance increases. The ratio of roughening may be set simply by a coefficient, or may be changed in proportion to the distance from the center of gravity of the triangle (see 3.2.1) or the ratio closer to the two reference points. (See 3.2.2).
[0058]
3.2.1 Triangular center of gravity method
A method for determining the position and movement step of each data block from the center of gravity of the triangle will be described. FIG. 19 is an explanatory diagram of the center of gravity of the triangle and the data block.
As shown in FIG. 19A, the center of gravity G of the triangle is equidistant from each reference point, but the distance from the point T other than the center of gravity to the reference point is more than the distance from the center of gravity to the reference point. There is a shorter distance. As a result, the position of the center of gravity is set as the maximum size of the data block, and the step is made smaller as it approaches each reference point. When C1 (x1, y1), C2 (x2, y2), C3 (x3, y3) and T (x, y) are set, the distance from T of each point is as follows.
T-C1: L1 = √ {(x−x1) 2 + (Y-y1) 2 } --- (13)
T-C2: L2 = √ {(x−x2) 2 + (Y−y2) 2 } --- (14)
T-C3: L3 = √ {(x−x3) 2 + (Y−y3) 2 } --- (15)
The distance from the center of gravity G of each point is
G-C1 = G-C2 = G-C3 = Lg
= √ {(xg−x1) 2 + (Yg-y1) 2 } --- (16)
The smallest one of the distances L1, L2, and L3 obtained by the equations (13) to (15) is obtained, the ratio of the distance to the center of gravity is obtained, and the movement step is determined. For example, if the step size at the center of gravity position G is the maximum, SGT and the minimum step size is SMIN, the step size of the point at the minimum distance L (L2 in FIG. 19A) from the template position is
Step size = L / Lg × (SGT−SMIN) + SMIN −−− (17)
And
[0059]
3.2.2 Distance method from the ratio of the two reference points of the close method:
Proportional distribution is performed according to the distance from each reference point to T (two closest points), and the step size is variable according to the distance to be searched. For example, it is determined from the ratio of the smaller two distances in the equations (13) to (15). As shown in FIG. 19A, when L2 <L3 <L1, the point where L2 = L3 is set as the maximum step width SMAX.
Step = L2 / L3 × SMAX (18)
And it is sufficient.
[0060]
It should be noted that the method for determining the position in the search area and the movement step is not particular to this method.
4). Set the size of each data block and search area according to the distance from the reference point
4.1 Obtain the distance of the image position to be a data block from each reference point, and make the data block size variable according to the distance ratio. As shown in FIG. 19B, the center of gravity G of the triangle is equidistant from each reference point, but the distance from the point T other than the center of gravity to the reference point is more than the distance from the center of gravity to the reference point. There is a shorter distance. As a result, the data block at the center of gravity is set to the maximum size, and the area is reduced as it approaches each reference point. When C1 (x1, y1), C2 (x2, y2), C3 (x3, y3) and T (x, y), the distance from T of each point is obtained from the equations (13) to (15). The same is required. Moreover, the distance from the gravity center position G of each point is calculated | required from Formula (16). Then, the smallest one of the distances L1, L2, and L3 is found, the ratio of the distance to the center of gravity is obtained, and the data block size is determined.
For example, if the data block size at the center of gravity G is GT, and the data block size at the point of the minimum distance L (L2 in FIG. 19B) from the data block position is CT (C2 data block in FIG. 19B). ,
Data block size = L / Lg × (GT−CT) + CT −−− (19)
And
[0061]
Further, the vertical and horizontal widths of the data block may be constant or only in the horizontal direction without changing the vertical direction if the vertical parallax has already been substantially removed by the orientation processing. In this way, the data block is small in the vicinity of the reference point on the assumption that the corresponding point is near, and it becomes uncertain whether it is near as you move farther away. A corresponding point can be obtained.
[0062]
Note that the method of determining the data block size is not particular to this method. This makes it possible to search efficiently and quickly.
[0063]
5). Set the size of each data block from the correlation value of the reference point
FIG. 20 is an explanatory diagram for the size of the data block.
Since the vertex (reference point) of each triangle is a measured point, it has already been associated. Accordingly, correlation coefficients for various template (reference data block) sizes at these points are obtained (as shown in FIG. 20A), and the template showing the highest correlation value is used as the template image. An area close to each reference point is searched for in the obtained template size image. The template size obtained at each reference point is changed according to the search position.
[0064]
For example, as an example, proportional distribution is performed according to the size obtained at each reference point and the distance from each reference point (two closest points), and the size is variable according to the distance to be searched (FIG. 20B). )reference). When C1 (x1, y1), C2 (x2, y2), and C3 (x3, y3) are used as a template T (x, y), the template size to be obtained is obtained from equations (13) to (15). Therefore, it is determined from the ratio of the two smaller distances obtained. For example, as shown in FIG. 20B, when L2 <L3 <L1, the template size of CL2 and CL3 is divided by the ratio of L2: L3, and the size of T is set.
[0065]
It should be noted that the vertical and horizontal widths of the data block may be constant or only in the horizontal direction without changing the vertical direction if vertical parallax has already been substantially eliminated by the orientation processing.
[0066]
By performing image correlation processing based on triangles generated from reference points as in the present invention, it is not necessary to prepare many images with different resolutions as in the sparse search image correlation method, resulting in high speed and reliability. High image correlation processing can be performed. In addition, since the combined measurement by the surveying instrument can be performed, the measurement is reliable and reliable, and it is possible to quickly and easily measure a place where the measurement has conventionally been time-consuming and could not be performed.
[0067]
【The invention's effect】
According to the present invention, as described above, by using the non-prism TS and image correlation processing together, even for areas that could not be measured conventionally, such as places that cannot be entered or dangerous places, It is possible to perform non-contact measurement, and the entire measurement can be further increased in speed, efficiency, and reliability as compared with the case where each method is used alone.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall block diagram of a measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for online measurement.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a stereo image.
FIG. 4 is a diagram for explaining the creation of a triangle based on measurement points.
FIG. 5 is an explanatory diagram of an input image and a template image.
FIG. 6 is a diagram showing an example of 3 × 3 pixels.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a stereo method.
FIG. 8 is an explanatory diagram for displaying a correlation result.
FIG. 9 is a flowchart for semi-automatic measurement.
FIG. 10 is an explanatory diagram regarding addition of measurement points.
FIG. 11 is an explanatory diagram for rearranging triangles.
FIG. 12 is a flowchart for graphic display.
FIG. 13 is an explanatory diagram of graphic display.
FIG. 14 is an explanatory diagram (1) for setting a search area.
FIG. 15 is an explanatory diagram of a search area.
FIG. 16 is an explanatory diagram (2) for setting a search area;
FIG. 17 is an explanatory diagram regarding a predetermined size of a search area.
FIG. 18 is an explanatory diagram (3) for setting a search area.
FIG. 19 is an explanatory diagram of a centroid of a triangle and a data block.
FIG. 20 is an explanatory diagram regarding the size of a data block.
[Explanation of symbols]
1 surveying instrument
2 Measuring equipment
3 Camera
10 Reference point search section
20 Search area setting section
30 Calculation unit
40 display section
50 Measuring unit
60 bus
Claims (11)
上記設定部により設定された探索領域に基づき、それぞれのステレオ画像上の対応する探索領域同士の画像に対して相関処理を施す演算部と、
上記演算部による相関結果から、任意の位置の点の座標を測定する測定部と
を備え、
上記演算部は、相関処理の結果に応じて、相関係数の低い領域を新たな計測点が必要となる計測領域とし、該計測領域の位置の情報を作成するようにしたステレオ画像の測定装置。For a stereo image containing at least three measurement points for which position data is known, at least a part of the measurement points is defined as a segment point, and at least three segments among a plurality of defined segment points A setting unit for setting a search area based on points;
Based on the search region set by the setting unit, a calculation unit that performs correlation processing on images of corresponding search regions on each stereo image;
A measurement unit that measures the coordinates of a point at an arbitrary position from the correlation result by the calculation unit,
The arithmetic unit uses a region having a low correlation coefficient as a measurement region that requires a new measurement point in accordance with a result of the correlation process, and creates a position information of the measurement region. .
さらに、ステレオ画像を表示する表示部を有し、
該表示部は、上記演算部が作成した計測領域の位置の情報に応じて、追加計測が必要な領域に所定の表示を行うことを特徴とするステレオ画像の測定装置。The stereo image measurement device according to claim 1,
Furthermore, it has a display unit for displaying a stereo image,
The display unit performs a predetermined display in a region where additional measurement is required according to information on the position of the measurement region created by the calculation unit.
上記表示部は、ステレオ画像上に追加計測が必要な領域をグラフィック表示するように構成され、
上記表示部で表示されたグラフィック表示に基づき、その領域内の新たな計測点の位置データを外部測量装置により計測した際に、その位置データを受け取るように構成されていることを特徴とするステレオ画像の測定装置。The stereo image measurement device according to claim 2,
The display unit is configured to graphically display an area that requires additional measurement on a stereo image,
A stereo system configured to receive position data when the position data of a new measurement point in the area is measured by an external surveying device based on the graphic display displayed on the display unit. Image measuring device.
上記測定部は、上記演算部が作成した計測領域の情報を自動視準機能付き測量機に出力し、該測量機にその領域データが示す領域での新たな計測点の位置を計測させ、その計測された位置データを受け取るように構成されていることを特徴とするステレオ画像の測定装置。The stereo image measuring device according to claim 1 or 2,
The measurement unit outputs the information of the measurement area created by the calculation unit to the surveying instrument with an automatic collimation function, causes the surveying instrument to measure the position of a new measurement point in the area indicated by the area data, and A stereo image measuring apparatus configured to receive measured position data.
上記設定部は、上記演算部が作成した計測領域の情報に応じて、詳細区分が必要な領域内の計測点を新たな区分点に選定した上で、新たな探索領域をステレオ画像上に設定し、
上記演算部は、この新たな探索領域同士の画像に対して相関処理を施すように構成されていることを特徴とするステレオ画像の測定装置。The stereo image measuring device according to claim 1,
The setting unit sets a new search region on the stereo image after selecting a measurement point in a region requiring detailed division as a new division point according to the measurement region information created by the calculation unit. And
A stereo image measuring apparatus, wherein the arithmetic unit is configured to perform a correlation process on images of the new search areas.
上記設定部は、得られた区分点又は計測点のうち隣接する3つの点が形成する三角形を包含する包含四角形を探索領域として各ステレオ画像に設定することを特徴とするステレオ画像測定装置。The stereo image measuring device according to claim 1,
The setting unit sets an inclusion quadrangle including a triangle formed by three adjacent points among the obtained segment points or measurement points as a search area in each stereo image measurement device.
上記設定部は、ステレオ画像の一方の探索領域内に基準データブロックを、ステレオ画像の他方の探索領域内に捜索データブロックを設け、区分点からの距離に応じて、各データブロックの位置または移動ステップを設定するように構成されていることを特徴とするステレオ画像測定装置。The stereo image measuring device according to claim 1,
The setting unit provides a reference data block in one search area of the stereo image and a search data block in the other search area of the stereo image, and the position or movement of each data block according to the distance from the dividing point. A stereo image measuring device configured to set a step.
上記設定部は、ステレオ画像の一方の探索領域内に基準データブロックを、ステレオ画像の他方の探索領域内に捜索データブロックを設け、区分点からの距離に応じて、各データブロックの大きさを設定するように構成されていることを特徴とするステレオ画像測定装置。The stereo image measuring device according to claim 1,
The setting unit provides a reference data block in one search area of the stereo image and a search data block in the other search area of the stereo image, and sets the size of each data block according to the distance from the dividing point. A stereo image measuring device configured to be set.
上記設定部は、ステレオ画像の一方の探索領域内に基準データブロックを、ステレオ画像の探索領域内に捜索データブロックを設け、区分点付近において複数の大きさのデータブロックを設定して、相関結果を得て、その相関結果に応じて各データブロックの大きさを決定するように構成されていることを特徴とするステレオ画像測定装置。The stereo image measuring device according to claim 1,
The setting unit provides a reference data block in one search area of the stereo image, a search data block in the search area of the stereo image, sets a plurality of data blocks in the vicinity of the dividing points, and obtains a correlation result. And a stereo image measuring apparatus configured to determine the size of each data block according to the correlation result.
上記設定部は、ステレオ画像の一方の探索領域内に基準データブロックを、ステレオ画像の他方の探索領域内に捜索データブロックを設け、探索領域の大きさに応じて、各データブロックの大きさを決定するように構成されていることを特徴とするステレオ画像測定装置。The stereo image measuring device according to claim 1,
The setting unit provides a reference data block in one search area of the stereo image and a search data block in the other search area of the stereo image, and determines the size of each data block according to the size of the search area. A stereo image measuring device configured to determine a stereo image measuring device.
上記設定部は、設定された探索領域に基づき、その領域より小さいデータブロックを設定し、
上記演算部は、一方のステレオ画像のデータブロックに相当するブロックをテンプレートとし、
他方のステレオ画像を該テンプレートと同じ縦位置で走査して、
計算された相関値により該テンプレートに対応するデータブロックを探索することを特徴とするステレオ画像測定装置。The stereo image measuring device according to any one of claims 1 to 10,
The setting unit sets a data block smaller than the area based on the set search area,
The calculation unit uses a block corresponding to a data block of one stereo image as a template,
Scan the other stereo image in the same vertical position as the template,
A stereo image measuring apparatus, wherein a data block corresponding to the template is searched based on the calculated correlation value.
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