JP4649192B2 - ステレオ画像作成方法及び３次元データ作成装置 - Google Patents

Description

本発明は対象物を少なくとも２方向から撮像し、複数の撮像画像からステレオ画像を作成する方法、及びステレオ画像と測定データとを関連付けステレオ画像に基づき３次元データを作成する装置に関するものである。

ステレオ画像は対象物を立体的に捕える画像であり、同一対象物を撮影方向を変えて撮影して得られた画像である。それぞれの画像上の点を関連付けることで、画像を構成する点の３次元データを求めることができる。

ステレオ画像から３次元データを得る為には、２つの画像の対応付け（ステレオマッチング）が必要であり、又ステレオマッチングを可能とする条件（外部標定要素）が必要である。外部標定要素としては、２つの撮影箇所（カメラ位置）の３次元データ、撮影方向、傾き、倍率等が必要である。

２つの画像のステレオマッチングを行うには、左右のカメラ間の基線ベクトルに対する左右のカメラの相対的な回転、即ち相互標定要素が必要であり、該相互標定要素は前記外部標定要素を基に算出される。

従来、ステレオ画像を作成する場合は、既知の２つの地点からカメラにより対象物を撮像し、相互標定要素の算出に必要な外部標定要素を求める為、対象物に基準点を設置し、基準点を別途トータルステーション等で計測し、基準点の３次元位置情報に基づきカメラの位置、傾きが求められていた。

この為、ステレオ画像を求める写真測量と、写真測量後、画像内に基準点（パスポイント）を設定し、該基準点を画像を撮像した既知の２地点からそれぞれトータルステーション等の測量機による測定が必要であり、而もパスポイントは６以上を必要とする等、煩雑な測定作業となっていた。

本発明は斯かる実情に鑑み、相互標定作業を簡略化し、ステレオ画像の作成も関連付けを容易にし、又ステレオ画像に基づく３次元測定作業の簡略化を図るものである。

本発明は、視準方向の画像を取得する撮像手段と、視準点の測距、測角が可能な測距測角手段を具備する測量装置を用い、該測量装置を既知点に設置して少なくとも３の視準点について測距、測角を行い、次に前記測量装置を未知点に設置して前記３の視準点について測角を行い、前記３の視準点の測量データから前記未知点の座標を演算し、前記３の視準点の少なくとも１つについては既知点、未知点それぞれから画像を取得し、前記既知点の座標データ、測距データ、測角データ、前記未知点の演算した座標データ、及び測角データに基づき前記既知点と未知点の画像からステレオ画像を作成するステレオ画像作成方法に係り、又少なくとも３の視準点は、既知点と未知点から視準可能であり、既知点と未知点から取得した画像は画像上のずれを基に既知点と未知点からの視準点が一致されるステレオ画像作成方法に係り、又既知点と未知点から全ての視準点の画像を取得し、それぞれ対応する画像の視準点を一致させるステレオ画像作成方法に係るものである。

又本発明は、視準方向の画像を取得する撮像手段と、視準点の測距が可能な測距手段と、視準点の測角が可能な測角手段と、測距データ、測角データ及び撮像画像を記録する記憶部と、制御演算部とを具備し、前記撮像手段は少なくとも３の視準点の少なくとも１つの視準点に対して既知点、未知点からの画像を撮像し、前記制御演算部は既知点の座標データ、既知点からの少なくとも３の視準点の測距データ、測角データ、未知点からの前記３の視準点の測角データを基に未知点の座標データを演算し、既知点の座標データ、測距データ、測角データ、未知点の演算された座標データ、測角データに基づき前記画像からステレオ画像を作成する様構成した３次元データ作成装置に係り、更に又既知点の座標データ、既知点からの少なくとも３の視準点の測距データ、測角データ、未知点の座標データ、測角データを基に２つの前記ステレオ画像の関連付けを行い、関連付けた画像から３次元データを演算する様にした３次元データ作成装置に係るものである。

本発明によれば、視準方向の画像を取得する撮像手段と、視準点の測距、測角が可能な測距測角手段を具備する測量装置を用い、該測量装置を既知点に設置して少なくとも３の視準点について測距、測角を行い、次に前記測量装置を未知点に設置して前記３の視準点について測角を行い、前記３の視準点の測量データから前記未知点の座標を演算し、前記３の視準点の少なくとも１つについては既知点、未知点それぞれから画像を取得し、前記既知点の座標データ、測距データ、測角データ、前記未知点の演算した座標データ、及び測角データに基づき前記既知点と未知点の画像からステレオ画像を作成するので、写真測量とパスポイントの測量が省略でき、ステレオ画像の作成が大幅に簡略化できる。

又本発明によれば、視準方向の画像を取得する撮像手段と、視準点の測距が可能な測距手段と、視準点の測角が可能な測角手段と、測距データ、測角データ及び撮像画像を記録する記憶部と、制御演算部とを具備し、前記撮像手段は少なくとも３の視準点の少なくとも１つの視準点に対して既知点、未知点からの画像を撮像し、前記制御演算部は既知点の座標データ、既知点からの少なくとも３の視準点の測距データ、測角データ、未知点からの前記３の視準点の測角データを基に未知点の座標データを演算し、既知点の座標データ、測距データ、測角データ、未知点の演算された座標データ、測角データに基づき前記画像からステレオ画像を作成する様構成したので、写真測量に必要な装置とトータルステーション等の測量装置が必要なく、単一の装置による測定作業でよく、又測定作業自体も大幅に簡略化できるという優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

先ず、図１に於いて本発明に係る測量装置について概略を説明する。図１は該測量装置の本体部１を示している。

該本体部１は主に、三脚（図示せず）に取付けられる整準部２、該整準部２に設けられた基盤部３、該基盤部３に鉛直軸心を中心に回転可能に設けられた托架部４、該托架部４に水平軸心を中心に回転可能に設けられた望遠鏡部５から構成されている。

前記托架部４は表示部６、操作部７を具備し、前記望遠鏡部５は、測定対象物８（図２参照）を視準する視準望遠鏡９と、該視準望遠鏡９に対して平行な光軸を有し、視準方向の画像を撮像する撮像部１１を有している。該撮像部１１は、例えば内蔵されたデジタルカメラ等であり、該デジタルカメラの撮像素子としてはＣＣＤ等の画像センサが用いられる。

図２により、前記本体部１の基本構成について説明する。

前記托架部４には前記望遠鏡部５の鉛直角を検出し、視準方向の鉛直角を測角する鉛直角測角部１２が設けられ、又前記托架部４の前記基盤部３に対する回転角を検出し、視準方向の水平角を検出する水平角測角部１３が設けられる。又、前記望遠鏡部５には測距光学系を含む測距部１４が設けられている。該測距部１４は、発光部１５から発した測距光が測定対象物８で反射され、受光部１６で受光した際の位相差、或は時間差を求めて測定対象物８迄の測距を行う。前記托架部４には更に制御演算部１７、画像処理部１８、記憶部１９等から構成される制御装置が内蔵されている。

該記憶部１９には測量に必要な計算プログラム例えば後方交会による座標計算プログラムが格納され、或は後述する画像処理或は画像情報の取得に必要な画像処理プログラムが格納されている。前記制御演算部１７には前記画像処理部１８からの画像信号、前記測距部１４、前記鉛直角測角部１２、前記水平角測角部１３からの測定結果が入力され、視準方向の画像の取得、距離測量、鉛直角、水平角の測量が行われると共に画像信号、測量結果は前記記憶部１９に記録されると共に前記表示部６に表示される様になっている。

上記測量装置を用いたステレオ画像作成方法及び３次元データ作成方法について、図３〜図６を参照して説明する。

既知点、即ち地上座標系の３次元データが既知の点（Ａ地点）に測量装置２１を設置し（ＳＴＥＰ：０１）、ステレオ画像を作成する測定対象物を視準し、視準可能な視準点Ｐ1 の測距、測角を実施する。測角は、水平角は基準方向Ｄ0 、例えば方位角を基準とした測角を行い、鉛直角は例えば水平角を基準とした測角を行う。測距、測角の実施と共に視準点Ｐ1 を含む視準方向の所要範囲の画像を前記撮像部１１により撮像する。

次に、前記測量装置２１により、任意に選択した既知点Ｐ2 、既知点Ｐ3 に対して測距、測角を実施する（ＳＴＥＰ：０２）。尚、既知点Ｐ2 、既知点Ｐ3 は測定対象内であっても、それ以外の位置であってもよい。図３は測定対象外にある場合を示している。

未知点（求点）Ｂに前記測量装置２１を移動し（ＳＴＥＰ：０３）、前記視準点Ｐ1 、及び既知点となった前記点Ｐ2 、前記点Ｐ3 を視準し、３点Ｐ1 、Ｐ2 、Ｐ3 に対する測角を実施し、任意の点、例えば前記点Ｐ1 について前記撮像部１１により画像を取得する。Ａ地点で撮像したＰ1 に関する像Ｐ1Aと、Ｂ地点で撮像したＰ1 に関する像Ｐ1Bとを一対の画像（以下左右の画像）として前記記憶部１９に記録する（ＳＴＥＰ：０４）。

尚、図５に見られる様に、Ａ地点からＰ1 を視準した場合の画像Ｐ1Aと、Ｂ地点からＰ1 を視準した場合の画像Ｐ1Bとを比較すると、両画像の光軸（画像中心：Ａ地点からの画像中心ａ（Ｘａ，Ｙａ）とＢ地点からの画像中心ｂ（Ｘ０，Ｙ０））が一致しているとは限らない。画像中心ｂ（Ｘ０，Ｙ０）と画像中心ａ（Ｘａ，Ｙａ）とのずれは画面上より算出でき、演算により画像中心ａ（Ｘａ，Ｙａ）と画像中心ｂ（Ｘ０，Ｙ０）とを一致させることができる。

前記制御演算部１７が既知点となった前記視準点Ｐ1 、前記点Ｐ2 、前記点Ｐ3 、及び前記視準点Ｐ1 、前記点Ｐ2 、前記点Ｐ3 に対するＢ地点からの測角データを読込み、これらデータからＢ地点の座標計算（後方交会）を行い、Ｂ地点の３次元座標データが得られる。Ｂ地点の座標データは前記画像Ｐ1Bに関連付けられて前記記憶部１９に記録される（ＳＴＥＰ：０５）。

前記記憶部１９から左右の画像の外部標定要素である測量装置（撮像部）の位置、傾きを読込み、該外部標定要素を基に左右の撮像部の相対関係を求める相互標定要素を計算する（ＳＴＥＰ：０６，ＳＴＥＰ：０７）。

相互標定要素より左右画像を再配列して左右それぞれのステレオ画像を作成する（ＳＴＥＰ：０８）。

更に対応点を抽出して、ステレオ画像のマッチング（左右ステレオ画像の対応付け）を行う（ＳＴＥＰ：０９）。

マッチング後のステレオ画像は画像上の３次元データを含んでおり、例えば画面上の画素を指定することで、画素に対応した３次元データを得ることができる（ＳＴＥＰ：１０）。

更に、既知座標データ、例えば前記視準点Ｐ1 の持つ画像上の３次元データと測量して得られた地上での３次元データ（地上座標データ）との関係から画像上の各点についての３次元データを地上座標系のデータに変換する（ＳＴＥＰ：１１）。

次に、大型な建築物等について測量装置の位置を連続的に移動して行うステレオ画像の作成、ステレオ画像に基づく３次元データ作成について、図７により説明する。例えば点Ｐ1 、点Ｐ2 、点Ｐ3 、点Ｐ4 は測定対象物を方向を変えて連続的に撮影した画像の測定点であり、少なくとも３点から測量装置の位置を求めることができる。

点Ｐ1 、点Ｐ2 、点Ｐ3 それぞれに関してＡ地点（既知点）、Ｂ地点（未知点）から画像を取得する。

上記した様に、点Ｐ1 、点Ｐ2 、点Ｐ3 についてＡ地点から測距、測角を行い、Ｂ地点から測角を行い、得られた測量データからＢ地点の３次元座標データが得られる。従って、Ｂ地点が既知点となる。

次に、Ｂ地点から点Ｐ1 、点Ｐ3 、点Ｐ4 について測距、測角を行い、Ｃ地点から点Ｐ1 、点Ｐ3 、点Ｐ4 について測角を行うことで、Ｃ地点の座標計算（後方交会）を行う為のデータが得られ、Ｃ地点の３次元座標データが得られる。

而して、Ｂ地点、Ｃ地点のから撮像した画像についての外部標定要素が得られ、更に２画像の外部標定要素から相互標定要素が演算され、ステレオ画像、ステレオ画像の関連付け、更に３次元データの作成が可能となる。

以上述べた如く、撮像部付の測量装置にて最初の測量点Ａ点を既知点に設定すれば、少なくとも３点からその後は未知の点を順次既知点とすることができ、広範囲のステレオ画像の作成、３次元データの作成が可能となる。

本発明の実施の形態に係る測量装置の外観図である。 同前測量装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態に於ける測量作業を示す説明図である。 本発明の実施の形態に於ける測量作業を示す説明図である。 本発明の実施の形態に於ける２画像の視準点のずれを補正する場合の説明図である。 本発明の実施の形態に於ける作用を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に於ける他の測量作業を示す説明図である。

符号の説明

１ 本体部
５ 望遠鏡部
６ 表示部
７ 操作部
９ 視準望遠鏡
１１ 撮像部
１２ 鉛直角測角部
１３ 水平角測角部
１４ 測距部
１７ 制御演算部
１９ 記憶部

Claims (5)

1. 視準方向の画像を取得する撮像手段と、視準点の測距、測角が可能な測距測角手段を具備する測量装置を用い、該測量装置を既知点に設置して少なくとも３の視準点について測距、測角を行い、次に前記測量装置を未知点に設置して前記３の視準点について測角を行い、前記３の視準点の測量データから前記未知点の座標を演算し、前記３の視準点の少なくとも１つについては既知点、未知点それぞれから画像を取得し、両画像間のずれを画像上から求め、求めたずれに基づき両画像の中心を合致させ、前記既知点の座標データ、測距データ、測角データに基づき既知点での前記撮像手段の外部標定要素を求め、前記未知点の演算した座標データ、及び測角データに基づき未知点での前記撮像手段の外部標定要素を求め、両外部標定要素に基づき相互標定要素を求め、該相互標定要素に基づき前記既知点と未知点の画像を再配列して、既知点、未知点それぞれのステレオ画像を作成することを特徴とするステレオ画像作成方法。
2. 既知点と未知点から全ての視準点の画像を取得し、それぞれ対応する画像の視準点を一致させる請求項１のステレオ画像作成方法。
3. 前記既知点、未知点のステレオ画像から対応点を抽出し、該対応点に基づきステレオ画像のマッチングを行い、３次元データ付画像を作成する請求項１のステレオ画像作成方法。
4. 視準方向の画像を取得する撮像手段と、視準点の測距が可能な測距手段と、視準点の測角が可能な測角手段と、測距データ、測角データ及び撮像画像を記録する記憶部と、制御演算部とを具備し、前記撮像手段は少なくとも３の視準点の少なくとも１つの視準点に対して既知点、未知点からの画像を撮像し、前記制御演算部は前記両画像間のずれを画像上から求め、求めたずれに基づき両画像の中心を合致させ、既知点の座標データ、既知点からの少なくとも３の視準点の測距データ、測角データ、未知点からの前記３の視準点の測角データを基に未知点の座標データを演算し、既知点の座標データ、測距データ、測角データに基づき既知点での前記撮像手段の外部標定要素を求め、未知点の演算された座標データ、測角データに基づき未知点での前記撮像手段の外部標定要素を求め、両外部標定要素に基づき相互標定要素を求め、該相互標定要素に基づき前記画像を再配列して、既知点、未知点それぞれのステレオ画像を作成する様構成されたことを特徴とする３次元データ作成装置。
5. 前記制御演算部は２つの前記ステレオ画像から対応点を抽出し、該対応点に基づき２つの前記ステレオ画像の関連付けを行い、関連付けた画像から３次元データを演算する様にした請求項４の３次元データ作成装置。

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