[go: up one dir, main page]

WO2005080914A1 - 形状測定装置及びその方法 - Google Patents

形状測定装置及びその方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2005080914A1
WO2005080914A1 PCT/JP2004/013419 JP2004013419W WO2005080914A1 WO 2005080914 A1 WO2005080914 A1 WO 2005080914A1 JP 2004013419 W JP2004013419 W JP 2004013419W WO 2005080914 A1 WO2005080914 A1 WO 2005080914A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measurement
group
point
measuring
distance
Prior art date
Application number
PCT/JP2004/013419
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2005080914A9 (ja
Inventor
Katsushi Ikeuchi
Kazuhide Hasegawa
Tomohito Masuda
Original Assignee
The University Of Tokyo
Japan Science And Technology Agency
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by The University Of Tokyo, Japan Science And Technology Agency filed Critical The University Of Tokyo
Priority to US10/598,010 priority Critical patent/US7949179B2/en
Priority to JP2006510154A priority patent/JP4565348B2/ja
Priority to CA2555773A priority patent/CA2555773C/en
Publication of WO2005080914A1 publication Critical patent/WO2005080914A1/ja
Publication of WO2005080914A9 publication Critical patent/WO2005080914A9/ja

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Definitions

  • the present invention relates to a system and a method for measuring the shape of an object, specifically, for example, measuring the ground force of the object and measuring the object from above using a flying range sensor. It relates to a system that specifies the three-dimensional shape of an object by matching the measurement results of the two.
  • a laser range sensor In a normal measurement of a three-dimensional shape, a laser range sensor is installed on the ground, and scanning is performed from a plurality of directions so that a target object can be completely measured.
  • the measurement range of the laser range sensor is limited to the surface area that can be observed by the sensor, and exceeds the range that can be measured by the sensor.
  • the unmeasured area 15 indicated by the diagonal lines in FIG. 1 corresponds to such a place, and the measurement of the ground force alone is not sufficient.
  • a scaffold is set higher than a part that is shielded and cannot be observed, and a laser range sensor is installed on the scaffold for measurement.
  • This makes it possible to measure the unmeasured area 15 in FIG. 1, but it is premised that the method can construct a scaffold safely without any problem in the state of the ground on which the scaffold is assembled.
  • the shape of the observation target becomes complicated, it is necessary to measure various viewpoints, and it is enormous labor and cost to replace the scaffold and install a range sensor each time.
  • Tokusen Document 1 K. Nishino and K. Ikeuchi: Rooust simultaneous registration of multiple range images.Proceedings of the 5th Asian Conference on Computer Vision, Vol.2, pp.455-461, (2002) Special Reference No. 2: T. Masuda: 3d shape restoration and comparison through simultaneous registration.Master's thesis, graduate School of Information Science and
  • Non-Characteristic Reference 3 Mark D. Wheeler: Automatic Modeling and Localization for Object Recognition. PhD thesis, school of Computer Science, Carnegie Mellon University, (1996)
  • Non-special reference PM 4 E. Polak: Computational Methods in Optimization.New York:
  • Non-Special Words Reference 5 David A.H. Jacobs: The States of the Art in Numerical Analysis.
  • Ground force Measurement of high-altitude forces is indispensable for measuring the shape of a large-scale building where all parts cannot be observed. As mentioned above, it takes a lot of time and effort to perform measurement work on a scaffold. In addition, when a scaffold cannot be assembled, it is necessary to perform a work such as a person climbing an unmeasured area to separately measure, but this method requires manpower and time. Further, depending on the object, climbing itself is inappropriate. Also, manual measurement cannot be performed with the same accuracy as a range laser sensor.
  • the present invention does not require a scaffold, enables measurement from a high place while freely changing the viewpoint position, and enables simple and high-speed shape measurement of a large-scale building. It proposes a system and method that can be performed.
  • the system and method according to the present invention in addition to measurement from a fixed point provided on the ground, measurement of an object is performed from an observation point provided in the sky, and from these measurement results, the entire object is measured. Calculate the coordinates.
  • the observation points in the sky need not be fixed points.
  • a laser range sensor attached to a balloon may be used.
  • the position of the sensor fluctuates due to the effect of wind and the image is distorted! Therefore, in the present invention, when the distance image including the distortion obtained by the aerial measurement device is aligned with the distortion-free distance image obtained from the fixed point on the ground, the distortion of the shape represented by the parameter is corrected. At the same time, a method of correcting this is used.
  • the coordinates and moving speed of the observation points in the sky do not need to be known in advance because the measurement result force can be calculated.
  • a system for specifying a three-dimensional shape of an object based on the present invention comprises a first group of measurement points on the object from a fixed first observation point.
  • Second measuring means for measuring a second distance and a direction from a movable second observation point to a second group of measurement points on the object
  • At least one of the measurement points of the second group is the same measurement point as at least one of the measurement points of the first group, and the measurement point of the second group is the measurement point of the first group. Include at least one measurement point that is not included,
  • the image processing apparatus includes a calculating means for calculating three-dimensional coordinates of the measurement points of the first and second groups, and a display means for displaying a target image based on the three-dimensional coordinates.
  • the fixed first observation point and the movable second observation point Since the same measurement point is measured from the measurement point, first, the moving speed of the movable second observation point can be calculated based on the measurement result. Next, by using the calculated moving speed to correct the measurement result at the second observation point, it becomes possible to grasp the entire image of the object.
  • the second measuring means includes a laser radar unit for measuring a distance of each point, a four-sided polygon mirror for performing horizontal scanning, and a vertical scanning. And a flat swing mirror for performing the above.
  • One of the requirements for the flying laser range sensor in the second measuring means of the present invention is that measurement can be performed at high speed so that the influence of balloon movement is reduced.
  • the measurement time of a normal range laser sensor is as fast as about 2 minutes, and taking into account the movement of the balloon, it is not practical to hang it on a balloon. Therefore, high-speed measurement is possible by utilizing the high-speed scanning of the polygon mirror and slightly lowering the measurement density in the perpendicular direction.
  • the reduced measurement density can be compensated for by performing the same viewpoint force multiple times.
  • the second measuring means includes a radar unit control section, a control section for two mirrors, and an interface section for transmitting a measurement result to a measurement computer. And a controller unit that performs the operation.
  • the second measuring means includes: a scanner for acquiring a three-dimensional image for controlling the scanner unit; a control unit for controlling the four-sided polygon mirror and the plane swing mirror; By providing a controller unit having a built-in interface with a computer for processing the laser, the laser range sensor can be oriented to a measurement range specified by a control command.
  • the second measuring means has a recording medium, can store the measurement result in the recording medium, and can control the scanner unit and the control unit. It has a controllable computer.
  • the scanner unit and the controller unit are controlled to collect measurement data, and the collected data is stored in a built-in or external storage medium. Record and store data obtained via It can be done.
  • the moving velocity vector of the second observation point is determined by the first and second measurement means for the same measurement point.
  • the speed beta is determined by the conjugate gradient method
  • the measurement result of the second observation point force is corrected using the velocity vector. For example, [number 3]
  • M The number of measurement data is minimized by the conjugate gradient method.
  • E (p) is the error function defined by the average of p (z (p)) weighted by the M estimation method using the Lorentz function
  • Z (p) ⁇ R (q) g (v) -my 2 ′ is the distance between the corresponding points of the measurement results of the first and second measurement means.
  • m is the translation vector
  • y is the corresponding point in the jth measurement image
  • p is a parameter group consisting of translation vector m and quarter-on q
  • R (q) is a function of quarter-on q
  • g (v) is the parameter whose shape is distorted by constant velocity motion.
  • the measurement points of the second group that are not included in the measurement points of the first group are set to R (q) g (v ) + m as m 'and m' To correct.
  • a software program running on a computer acquires a three-dimensional image (second image) of a cultural heritage whose shape has been specified from the collected data acquired by the second measuring means, and acquires the three-dimensional image by the first measuring means.
  • first image the alignment with the three-dimensional image (first image) is automatically performed, even if the measurement result is distorted due to environmental influences such as wind caused by the balloon suspending the second measurement means, Can be corrected and optimized.
  • the laser range sensor when image data acquired from the first measurement means serving as a reference image is acquired, for example, from a viewpoint on the ground, the laser range sensor is used when restoring a cultural heritage such as a large-scale building. It is conceivable that an unmeasured unmeasured area occurs. Further, the second measuring means for performing measurement from above measures the overall shape of the cultural heritage including the unmeasured area and acquires image data. Based on the two image data from the first and second measuring means, positioning is performed by repeated calculation so as to minimize the distance between corresponding points in an overlapping area. In the present invention, the distance between the corresponding points is
  • Another preferred embodiment of the present invention is a method for specifying a three-dimensional shape of an object, comprising a first distance from a fixed first observation point to a first group of measurement points on the object. The process of measuring the azimuth and
  • At least one of the measurement points of the second group has the same measurement point as at least one of the measurement points of the first group, and the measurement point of the second group is the measurement point of the first group. Include at least one measurement point that is not included in
  • a first measurement unit such as a laser range sensor uses a distance from the surface of the target object to create a first image serving as a reference image.
  • the second measuring means measures the distance from the air to the surface of the object in order to create a second image from the air.
  • the step of measuring the second distance and the azimuth includes: a laser radar unit for measuring a distance of each point; and a four-sided polygon mirror for performing horizontal scanning. And a plane swing mirror for performing vertical scanning.
  • the scanner unit provided in the second measurement means acquires distance image data by laser on the surface of a cultural heritage with a large aerodynamic force.
  • the scanner realizes a method of performing a high-speed scan by the horizontal polygon mirror in the above configuration and a high-speed scan by lowering the measurement density in the vertical direction.
  • the decrease in the measurement density can be compensated for by performing the same viewpoint position force multiple times.
  • the step of measuring the second distance and the azimuth includes a step of transmitting a measurement result to a measurement computer via an interface.
  • the second measuring means for example, data obtained by measuring a large-scale cultural heritage is acquired in a wide and area range by controlling the range finder and the two mirrors.
  • a method of transmitting the data to a computer having a recording medium can be adopted.
  • the step of measuring the second distance and the azimuth includes a step of storing the measurement result in a recording medium, and a step of controlling the scanner unit and the control unit by a computer. .
  • the second measuring means for example, data measured and controlled by a scanner unit and a controller unit is recorded on a recording medium provided in a computer.
  • a method of storing and instructing the measurement and control by a computer can be adopted.
  • the moving velocity vector of the second observation point is determined by the first and second measurement means for the same measurement point.
  • the speed beta is determined by the conjugate gradient method
  • the method includes a step of correcting the measurement result of the second observation point force using the velocity vector.
  • a translation vector that minimizes the following equation by a conjugate gradient method is obtained.
  • E (p) is the error function defined by the average of p (z (p)) weighted by the M estimation method using the Lorentz function
  • Z (p) ⁇ R (q) g (v) -my 2 ′ is the distance between the corresponding points of the measurement results of the first and second measurement means.
  • m is the translation vector
  • y is the corresponding point in the jth measurement image
  • p is a parameter group consisting of translation vector m and quarter-on q
  • R (q) is a function of quarter-on q
  • g (v) is the parameter whose shape is distorted by constant velocity motion.
  • the correction method according to the present invention may be configured such that the measurement points of the second group that are not included in the measurement points of the first group Is corrected by using m, where R (q) g (v) + m is set to m ', which minimizes z (p).
  • the first image is created based on the data obtained by measuring the viewpoint power on the ground.
  • an unmeasured area may be generated depending on the shape.
  • the unmeasured area is not displayed in the first image, but the second image is fixed to a balloon or the like, for example, and the aerodynamic force is also measured, so that the overall shape of the cultural heritage including the unmeasured area can be measured.
  • the measurement position of the measurement means is not fixed due to the influence of the natural phenomena such as the wind on the balloon, the measured data of the second image is distorted. Therefore, since an error due to distortion occurs in the alignment between the first image and the second image, an estimation method for correcting the error and matching the corresponding points is required.
  • the distance between the corresponding points is calculated as described above in order to simultaneously estimate the distortion parameter simultaneously with the conventional alignment processing.
  • the unmeasured area can be specified as ym in the first image based on the actually measured data of the second image by using the minimized m '.
  • a distance measurement system for measuring a distance and an azimuth to a measurement point on the object movably fixed includes:
  • a scanner unit consisting of a laser radar unit for measuring one point, a four-sided polygon mirror for horizontal scanning, and a plane swing mirror for vertical scanning;
  • a controller unit including a radar control unit, a controller for two mirrors, and an interface for transmitting measurement results to a measurement computer;
  • a computer having a recording medium, capable of storing a measurement result in the recording medium, and capable of controlling the scanner unit and the control unit;
  • a scanner unit having the above-described configuration capable of high-speed measurement of a desired one screen in one second, a controller unit for movably controlling the scanner unit within a measurement area range, and a storage unit for storing measurement data; And a computer for controlling the scanner unit and the control unit.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing how a shape of a target object is measured according to the present invention.
  • FIG. 2 shows a flowchart of image registration according to the present invention.
  • Figure 3 shows the first image acquired based on the ground force measurement results from the experiment
  • FIG. 4 shows a diagram in which a first image has been acquired based on measurement results from the ground (high places).
  • FIG. 5 is a diagram showing a first image obtained by adjusting the results of a flying laser range sensor.
  • FIG. 6 is an internal configuration diagram of a scanner unit according to the present invention.
  • FIG. 7 shows values of each error function when a simulation experiment was performed by changing the moving speed of the sensor stepwise from 0 to lmZsec.
  • FIG. 8 shows the result of performing a conventional positioning method when assuming that the flying laser range sensor fluctuates.
  • FIG. 9 shows a result of estimating and correcting distortion correction parameters by the method of the present invention.
  • FIG. 1 is an overall schematic diagram of a three-dimensional measurement system using a flying laser range sensor for restoring a large-scale object shape according to the present invention.
  • the measurement device 10 installed on the ground has a function of acquiring data for generating a range image, and the data of the measurement object 13 is three-dimensionally collected by collecting data from a plurality of measurement points. This is the first measurement system for generating the reference image restored to the original.
  • the measurement device 12 suspended from the balloon 11 includes a distance measurement unit, a distance measurement area control unit that specifies a distance measurement direction, and a medium that can store the distance measurement data. It has a computer and a function to acquire data for generating a distance image, and generates an image in which the shape of the measurement target object 13 is three-dimensionally restored based on measurement data from the sky. This is the second measurement system for performing measurement.
  • an unmeasured region 15 that is not measured due to the shape of the measurement target object is generated.
  • the unmeasured area 15 is recognized as an undisplayed area when restored as a three-dimensional image by computer processing, but the three-dimensional image is used as a reference image (first image) as it is.
  • the measurement device 12 since the measurement is performed from the sky, the measurement device 12
  • Overall distance measurement data of the measurement target object 13 including 15 can be acquired. Next, these data can be displayed as a three-dimensional image (second image) by computer processing.
  • FIG. 2 shows a flowchart of a method for aligning the first image and the second image according to the present invention.
  • the flying range sensor in the second measurement system has a triangulation measurement principle (active stereo). Some range sensors perform measurement in about 0.3 seconds. Due to the nature of the survey,
  • Baseline length needs to be extended for long-distance measurement, which is not suitable for large-scale measurement.
  • the light receiving element it is not suitable for measurement in a bright environment.
  • the laser radar method is practical for large-scale outdoor measurement.
  • the measurement time of a normal laser range sensor is as fast as about 2 minutes even if it is fast, and it is not realistic to hang it on a balloon when considering the movement of the balloon. Therefore
  • high-speed measurement with a measurement time of 1 second is realized by utilizing the high-speed scanning of the polygon mirror and slightly lowering the measurement density in the vertical direction.
  • conditions for mounting on a balloon include that the balloon is small and lightweight according to the buoyancy of the balloon, and that measurement is performed at high speed so as to reduce the influence of the movement of the balloon.
  • a scanner unit having the internal configuration shown in FIG. 6 is mounted.
  • the principle of operation is omitted because it is a known measuring instrument.
  • an error function E (p) is set as follows in normal position and orientation adjustment, and E (p) is minimized using the steepest gradient method.
  • X is the ith point in the image to be aligned and y corresponds to X in the jth measurement image
  • the notometer group p consists of a translation vector and a quarter-on (quaternion) q representing rotation.
  • the error function is the Lorentz function for the square z (p) of the distance between the corresponding points (nearest neighbors).
  • z (p) ⁇ R (q) g (k) -my 2 '
  • k is the shape parameter group
  • g (k) is the i-th point of the ideal data to be aligned.
  • a parameter transformation g (k) is added to the distance image to be aligned.
  • the conjugate gradient method (see Non-Patent Documents 4, 5, and 6) using the Fletcher-Reeves method and the Polak-Ribiere method is used to perform minimization efficiently.
  • the amount of movement in the gradient direction is , Determined by an enclosing method using golden division.
  • the shape parameter term g (k) in Eq. (4) is replaced by the distortion correction term d (V) using the velocity vector v as a parameter.
  • the distortion correction term d is obtained by adding the relative displacement tv of the measurement start force to the point coordinates in the image measured by the second measurement system. expressed.
  • FIG. 3 is a part of a reconstructed diagram (display viewed from the observation position) in which a measurement result from the ground is converted into a three-dimensional image. Approximately 230 images are measured from the ground by the above measuring device. Although there are many unmeasured areas that cannot be observed from the ground!
  • Fig. 4 when looking at different viewpoint positions (especially at high altitudes), it can be confirmed that many unmeasured regions remain.
  • the aerodynamics were also measured using a flying range sensor, and as shown above, Fig. 5 shows the results of position estimation performed simultaneously with estimation of distortion correction parameters. From Fig. 5, it can be confirmed that the unmeasured area force, which cannot be obtained only from ground-based measurement, is accurately filled by the flying laser range sensor and the parameter estimation method for distortion correction. Since the viewing angle of the flying laser range sensor of the present invention is narrow, the area obtained by one measurement is small. However, since it is hung by a balloon, the viewpoint position can be easily changed, and one measurement can be completed in one second, so that a wide range of unmeasured area can be filled. Simulation of the distortion correction parameter estimation method of the present invention
  • Two types of shape data actually measured by the first measurement system are prepared, one of which is artificially distorted to obtain distortion data by aerial measurement (data by the second measurement system), and the other by the first measurement system.
  • An experiment was performed as data (reference image data).
  • Fig. 8 assumes that the flying laser range sensor fluctuates at a speed of 0.5m / sec (left front view) and 1. OmZsec (right front view), respectively, and performs a conventional alignment method. It is the result. From the two figures, it can be confirmed that there is a clear difference in the surface shape when the distortion due to the fluctuation of the measurement position of the sensor is not considered.
  • the present invention uses three-dimensional measurement data acquired using two types of laser range sensors, ie, fixed measurement data and dynamic measurement data from the air, to achieve higher accuracy than in the past. Can restore the shape of the object to be measured.
  • the air-floating means in the second measurement system is a balloon, but it is obvious to those skilled in the art that the present invention can be applied even when suspended using a crane truck.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本発明は、対象の３次元形状を特定するためのシステムであって、固定された第１の観測点から対象上の第１群の測定点までの第１の距離と方位を計測する第１の計測手段と、移動可能な第２の観測点から前記対象上の第２群の測定点までの第２の距離と方位を計測する第２の計測手段とを有し、当該第２群の測定点のうちの少なくとも１つは前記第１群の測定点の内の少なくとも１つと同一であり、当該第２群の測定点は前記第１群の測定点に含まれない測定点を少なくとも１つ含み、さらに、前記同一の測定点に関する第１と第２の計測手段による計測結果から第２の観測点の移動速度ベクトルを算出し、当該移動速度ベクトルに基づいて前記第２の計測結果を補正し、第１群と第２群の測定点の３次元座標を算出する演算手段と、前記３次元座標に基づいて対象の画像を表示する表示手段を具備する。

Description

明 細 書
形状測定装置及びその方法
技術分野
[0001] 本発明は、対象物の形状計測のためのシステム及び方法に関し、具体的には、例 えば、対象物を地上力も計測するとともに、フライングレンジセンサによって上空から の計測を行 、、これらの計測結果をマッチングさせることによって対象物の 3次元形 状を特定するシステム等に関するものである。
背景技術
[0002] 近年、高精度なレーザレンジセンサ力も取得された 3次元の計測データ (距離画像 )を用いて、計測対象物を画像としてコンピュータグラフィック技術を利用して再構築 する研究が進んでいる。
[0003] 通常の 3次元形状の計測は、レーザレンジセンサを地上に設置し、対象物体を余 すことなく測定できるよう複数の方向からスキャンを行う。しかし、計測する対象物とそ れを取り巻く環境、例えば、大規模な建造物などの場合、レーザレンジセンサの計測 範囲は、センサから観察できる表面領域に限られるため、センサで計測できる範囲を 越える箇所ゃォクルージョンになる箇所が存在し、例えば、図 1の斜線で示された未 計測領域 15等がそれに相当し、地上力 の計測だけでは不十分である。
[0004] この問題を克服するために、一般的な従来技術では、遮蔽されて観察できない部 分より高く足場を組み、足場の上にレーザレンジセンサを設置して計測を行っている 。これにより図 1の前記未計測領域 15の計測を行うことが可能となるが、当該手法は 、足場を組む地面の状態に問題がなぐ安全に足場を構築できることが前提となって いる。さらに、観察対象の形状が複雑ィ匕してくると、様々な視点力もの計測が必要と なり、その都度足場を み直してレンジセンサを設置することは多大な労力と費用を 要する。
[0005] 特千文献 1 : K. Nishino and K. Ikeuchi: Rooust simultaneous registration of multiple range images. Proceedings of the 5th Asian Conference on Computer Vision, Vol.2, pp.455- 461, (2002) 特言午文献 2 : T.Masuda: 3d shape restoration and comparison through simultaneous registration. Master' s thesis, Graduate School of Information Science and
Technology, University of Tokyo, (2003)
非特言午文献 3 : Mark D. Wheeler: Automatic Modeling and Localization for Object Recognition. PhD thesis, school of Computer Science, Carnegie Mellon University, (1996)
非特言午文献 4 : E. Polak: Computational Methods in Optimization. New York:
Academic Press, (1971)
非特言午文献 5 : David A.H.Jacobs: The States of the Art in Numerical Analysis.
London; Academic Press, (1977)
特言午文献 6 : J.Stoer and R.Bulirsch: Introduction to Numerical Analysis. New York; Springer- Ver lag, (1980)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 地上力 全ての部分を観察することができな 、大規模建造物の形状を計測するに は、高所力もの計測が不可欠である。足場を組んで計測作業を行うには多くの時間と 労力が必要になることは前述のとおりである。さらに、足場を組むことができない場合 は、未計測領域に人が登って別途計測するなどの作業が必要になるが、この方法は 人手と時間を要する。さらに、対象物によっては人が登ること自体が不適当である。ま た、人手による計測ではレンジレーザセンサと同等の精度で計測を行うことはできな い。
このような問題を解決するために、本発明は、足場が不要で、自在に視点位置を変 えながら高所からの計測が可能で、簡易に且つ高速に大規模建造物等の形状計測 を行うことができるシステム及び方法を提案するものである。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明によるシステム及び方法によれば、地上に設けた固定点からの計測と併せ て、上空に設けた観測点から対象物の計測を行い、これらの計測結果から対象物全 体の座標を算出する。本発明では特に、上空の観測点は固定点である必要は無ぐ 例えば気球に取り付けられたレーザレンジセンサであっても良い。センサを気球に取 り付けた場合、風の影響によってセンサの位置が変動し画像が歪むと!、つた問題点 が生じる。よって、本発明では、空中計測装置によって取得される歪みを含む距離画 像と、地上の定点から得られる歪みのない距離画像とを位置合わせする際に、パラメ ータ表現された形状の歪みを同時に考慮し、これを補正する手法を用いる。上空の 観測点の座標と移動速度は、計測結果力 算出することができるので、予め知られて いる必要は無い。
[0008] 本発明の好ましい実施形態によれば、本発明に基づぐ対象の 3次元形状を特定 するためのシステムは、固定された第 1の観測点から対象上の第 1群の測定点までの 第 1の距離と方位を計測する第 1の計測手段と、
移動可能な第 2の観測点から前記対象上の第 2群の測定点までの第 2の距離と方 位を計測する第 2の計測手段とを有し、
当該第 2群の測定点のうちの少なくとも 1つは前記第 1群の測定点の内の少なくとも 1つと同一の測定点であり、当該第 2群の測定点は前記第 1群の測定点に含まれな い測定点を少なくとも 1つ含み、
さらに、前記同一の測定点に関する第 1と第 2の計測手段による計測結果力 第 2 の観測点の移動速度ベクトルを算出し、当該移動速度ベクトルに基づいて前記第 2 の計測結果を補正し、第 1群と第 2群の測定点の 3次元座標を算出する演算手段と、 前記 3次元座標に基づ ヽて対象の画像を表示する表示手段を具備する。
[0009] 例えば、大規模な建造物等の文化遺産の形状を、レーザレンジセンサを利用して 3 次元画像で復元する際、地上の視点から文化遺産の形状表面までの距離を計測す ると、測定スキャンの死角となる領域が発生する場合がある。そのような場合、別の視 点から前記死角領域を含む文化遺産の形状を計測する必要があり、特に文化遺産 の上空の様々な角度力も計測できることが望ましい。この条件を満たすためには、例 えば、レーザレンジセンサを気球に固定して文化遺産をあらゆる角度力 広範囲に 計測すれば、文化遺産周囲の大地の状況に無関係に測定が可能で、レーザレンジ センサを設置する労力を軽減することができる。
[0010] 本発明に基づくシステムによれば、固定された第 1の観測点と移動可能な第 2の観 測点からの同一の計測点を計測するので、まず、この測定結果に基づいて移動可能 な第 2の観測点の移動速度を算出することができる。次に、この算出された移動速度 を用いて第 2の観測点の計測結果を補正することで対象の全体像を把握することが 可會 になる。
[0011] 本発明の好ましい実施形態によれば、前記第 2の計測手段は、各点の測距を行う ためのレーザレーダユニットと、水平スキャンを行うための 4面ポリゴンミラーと、垂直ス キャンを行うための平面スイングミラーとから構成されるスキャナユニットを具備する。
[0012] 本発明の第 2計測手段における、フライングレーザレンジセンサに求められる要求 の 1つとして、気球の動きによる影響が少なくなるように、計測が高速に行えることが 挙げられる。通常のレンジレーザセンサの計測時間は速いもので 2分程度であり、気 球の動きを考慮した場合、気球に吊るすことによる測定は現実的ではない。そこで、 ポリゴンミラーの高速スキャンを利用し、直角方向の測定密度を若干低くすることで、 高速な計測が可能となる。低くした測定密度は、同視点力も複数回計測を行うことに より補うことが可能となる。
[0013] 本発明の好ましい実施形態によれば、前記第 2の計測手段は、レーダユニット制御 部と、 2つのミラーの制御部と、計測結果を計測用コンピュータに伝送するインターフ エース部とを内蔵するコントローラユニットを具備する。
[0014] 第 2計測手段は、前記スキャナユニットを制御するために、 3次元画像を取得するた めのスキャナと、前記 4面ポリゴンミラーと前記平面スイングミラーとを制御する制御部 と、計測データを処理するコンピュータとのインターフェース部とを内蔵するコントロー ラユニットを具備することにより、制御指令により指定された測定範囲を対象としてレ 一ザレンジセンサの方向付けを行うことができる。
[0015] 本発明の好ましい実施形態によれば、前記第 2の計測手段は、記録媒体を具備し 該記録媒体に計測結果を保存することが可能で、且つ、前記スキャナユニット及びコ ントロールユニットを制御可能なコンピュータを具備する。
[0016] 本発明のシステムに、コンピュータを具備すれば、前記スキャナユニット、前記コント ローラユニットを制御して計測データを収集し、該収集データを内蔵又は外付けされ た記憶媒体内に前記インターフェース部を介して取得されたデータを記録及び記憶 させることがでさる。
[0017] 本発明の好ましい実施形態によれば、前記第 2の観測点の移動速度ベクトルは時 間に依存しないと仮定した上で、前記同一の測定点に関する第 1と第 2の計測手段 による計測結果を用いて、共役勾配法により 3次元座標誤差が最小となる速度べタト ノレを求め、
当該速度ベクトルを用いて第 2の観測点力もの計測結果を補正する。例えば、 [数 3]
^) = N(^)∑∑^(P ) ただし p = (m,q)
2
P(Z,J (?)) = iog(i +~V(p)2)
N :計測データの点数
M :計測データの数 を共役勾配法により最小化を行う。
ここで、
E (p)はローレンツ関数を用いた M推定法で重み付けた p (z (p) )の平均で 定義している誤差関数
Z (p) =■ R (q) g (v)-m-y 2'は、第 1及び第 2計測手段の計測結果の対応 点間の距離
mは、並進移動ベクトル
yは j番目の計測画像中の対応する点
pは、並進移動ベクトル mと回転を表すクォータ-オン qで構成されるパラメ一 タ群
R (q)は、回転を表すクォータ-オン qの関数
g (v)は、等速度運動によって形状が歪むパラメータ
[0018] 本発明の好ましい実施形態によれば、前記第 1群の測定点に含まれていない前記 第 2群の測定点を、上記 z (p)を最小にする R(q) g (v) +mを m'と置いて当該 m'を 用いて補正する。
[0019] 例えば、コンピュータ上で動作するソフトウェアが、前記第 2計測手段により取得さ れた収集データから形状を特定した文化遺産の 3次元画像 (第 2画像)と、前記第 1 計測手段により取得された 3次元画像 (第 1画像)との位置合わせを自動的に行った ときに、第 2計測手段を吊るした気球が風等の環境的な影響により計測結果に歪み が生じても、これを補正して最適化する処理を行うことができる。
[0020] 本発明では、基準画像となる第 1計測手段から取得した画像データが、例えば、地 上の視点力 取得されると、大規模建造物等の文化遺産を復元するときにレーザレ ンジセンサが未到達な未計測領域が生じてくることが考えられる。また、上空から計 測を行う第 2計測手段は、前記未計測領域を含む文化遺産の全体的な形状を計測 して画像データを取得する。第 1及び第 2計測手段からの 2つの画像データにぉ 、て 、共に重複する領域での対応点間の距離が最小となるように繰り返し演算により位置 合わせを行う。本発明では、前記対応点間の距離を、
z (p) = ■ R (q) g (v)-m-y 2·と定義し、共役勾配法により最小化する。第 1計測手 段により計測されな力つた未計測領域の特定は、前記対応点間の最小距離に基づ いて第 2計測手段により計測された前記未計測領域を歪みのパラメータを同時に推 定することにより行われる。このようにして、第 1画像と第 2画像の位置合わせが行わ れる。
[0021] 本発明の好ましい他の実施形態は、対象の 3次元形状を特定する方法であって、 固定された第 1の観測点から対象上の第 1群の測定点までの第 1の距離と方位を計 測する過程と、
移動可能な第 2の観測点から前記対象上の第 2群の測定点までの第 2の距離と方 位を計測する過程とを有し、
当該第 2群の測定点のうちの少なくとも 1つは前記第 1群の測定点の内の少なくとも 1つと同一の測定点を有し、当該第 2群の測定点は前記第 1群の測定点に含まれな い測定点を少なくとも 1つ含み、
さらに、前記同一の測定点に関する第 1と第 2の計測手段による計測結果力 第 2 の観測点の移動速度ベクトルを算出する過程と、 当該移動速度ベクトルに基づいて前記第 2の計測結果を補正して、第 1群と第 2群 の測定点の 3次元座標を算出する過程を有する方法である。
[0022] 例えば、本発明では、大規模な物体の形状を特定するための方法として、レーザレ ンジセンサ等の第 1計測手段が基準画像となる第 1画像を作成するために対象物体 表面との距離を測定し、第 2計測手段が空中から第 2画像を作成するために対象物 体表面との距離を測定する。該 2つの画像を位置合わせすることにより 2つの画像を 特定することができる。空中からの距離計測により、上述したような計測装置を設置す るための足場を組む場合に生じる課題を克服している。
[0023] 本発明の好ましい実施形態によれば、前記第 2の距離と方位を計測する過程は、 各点の測距を行うためのレーザレーダユニットと、水平スキャンを行うための 4面ポリゴ ンミラーと、垂直スキャンを行うための平面スイングミラーとから構成されるスキャナュ ニットによって実行する。
[0024] 第 2計測手段に具備されるスキャナユニットは、上空力も大規模な文化遺産の表面 にレーザにより距離画像データを取得する。該スキャナは、上記構成における水平 方向のポリゴンミラーの高速スキャンと、垂直方向の測定密度の低下によって高速ス キャンを行う方法を実現している。該測定密度の低下は同じ視点位置力 複数回計 測を行うことにより補うことができる。
[0025] 本発明の好ましい実施形態によれば、前記第 2の距離と方位を計測する過程は、ィ ンターフェースを介して計測結果を計測用コンピュータに伝送する過程を含む。
[0026] 第 2計測手段に具備される方法として、例えば、大規模な文化遺産を計測したデー タをレンジファインダ及び前記 2つのミラーを制御して広 、領域範囲で取得して、該 取得したデータを格納するように、例えば、記録媒体を具備するコンピュータに伝送 する方法を採用することができる。
[0027] 本発明の好ましい実施形態によれば、前記第 2の距離と方位を計測する過程は、 記録媒体に計測結果を保存する過程と、スキャナユニット及びコントロールユニットを コンピュータによって制御する過程を含む。
[0028] 前記第 2計測手段に具備される方法として、例えば、スキャナユニット、コントローラ ユニットによって計測及び制御されたデータをコンピュータに具備された記録媒体に 格納し、前記計測及び制御をコンピュータにより指令する方法を採用することができ る。
[0029] 本発明の好ましい実施形態によれば、前記第 2の観測点の移動速度ベクトルは時 間に依存しないと仮定した上で、前記同一の測定点に関する第 1と第 2の計測手段 による計測結果を用いて、共役勾配法により 3次元座標誤差が最小となる速度べタト ノレを求め、
当該速度ベクトルを用いて第 2の観測点力 の計測結果を補正する過程を含む。
[0030] 本発明の好ましい実施形態によれば、前記補正する方法は、以下の式を共役勾配 法により最小化する並進移動ベクトルを求める。
画
^) = N(^)∑∑^(P ) ただし p = (m,q)
(P) = ||R(q)g(v)i
Figure imgf000010_0001
N :計測データの点数
M :計測データの数
E (p)はローレンツ関数を用いた M推定法で重み付けた p (z (p) )の平均で 定義している誤差関数
Z (p) =■ R (q) g (v)-m-y 2'は、第 1及び第 2計測手段の計測結果の対応 点間の距離
mは、並進移動ベクトル
yは j番目の計測画像中の対応する点
pは、並進移動ベクトル mと回転を表すクォータ-オン qで構成されるパラメ一 タ群
R (q)は、回転を表すクォータ-オン qの関数
g (v)は、等速度運動によって形状が歪むパラメータ
[0031] 本発明の補正方法は、前記第 1群の測定点に含まれていない前記第 2群の測定点 を、上記 z (p)を最小にする R(q) g (v) +mを m'と置いて当該 mを用いて補正する
[0032] 本発明による対象物体形状を特定する方法における、第 1画像と第 2画像との位置 合わせを考慮すると、例えば、第 1画像が地上の視点力 計測されたデータに基づ いて作成された場合、測定対象が大規模であれば、その形状によっては未計測領域 が発生する可能性がある。未計測領域は第 1画像内では表示されないが、第 2画像 は、例えば、気球等に固定されて上空力も計測されているため、前記未計測領域を 含む文化遺産の全体的な形状を計測できる。しかし、気球が風等の自然現象に影響 されて計測手段の計測位置が固定されないため、第 2画像の実測データは歪みが発 生する。よって、第 1画像と第 2画像との位置合わせには、歪みによる誤差が生じるの で、これを補正して対応点を一致させる推定法が必要となる。
[0033] 本発明による該推定法は、従来の位置合わせ処理と同時に歪みパラメータを同時 に推定するために、上述したように、前記対応点間の距離を、
z (p) =■ R (q) g (v)-m-y 2·と定義し、共役勾配法により前記第 1画像と第 2画像 の実測された領域の誤差を最小化する手法を採用する。未計測領域は、最小化され る m'を用いて、第 2画像の実測データに基づいて y— m，によって前記第 1画像にお ける未計測領域を特定することができる。
[0034] 本発明の好ましい実施形態によれば、本発明による移動可能に固定された観測点 前記対象上の測定点までの距離と方位を計測する距離計測システムは、
一点の測距を行うためのレーザレーダユニットと、水平スキャンを行うための 4面ポ リゴンミラーと、垂直スキャンを行うための平面スイングミラーとから構成されるスキャナ ユニットと、
レーダ制御ユニット部と、 2つのミラーの制御部と、計測結果を計測用コンピュータ に伝送するインターフェース部とを内蔵するコントローラユニットと、
記録媒体を具備し該記録媒体に計測結果を保存することが可能で、且つ、前記 スキャナユニット及びコントロールユニットを制御可能なコンピュータと、
を具備する。
[0035] 例えば、気球で固定されて空中で大規模な文化遺跡の形状をスキャンするために は、気球の浮力を考慮に入れて小型軽量なユニットを形成する必要があることと、風 等の自然現象に影響されないようにするため、高速で計測可能であることとが求めら れる。本発明では、所望の一画面を 1秒で高速計測可能な上記のような構成を有す るスキャナユニットと、スキャナユニットを計測領域範囲に可動制御するコントローラュ ニットと、計測データの格納用、及びスキャナユニット及びコントロールユニットの制御 用のコンピュータとを具備する。
図面の簡単な説明
[0036] [図 1]図 1は、本発明による対象物体形状の測定の様子を示す概念図である。
[図 2]図 2は、本発明による画像位置合わせのフローチャートを示す。
[図 3]図 3は、実験による地上力 の計測結果に基づき第 1画像を取得した図を示す
[図 4]図 4は、地上 (高所)からの計測結果に基づき第 1画像を取得した図を示す。
[図 5]図 5は、フライングレーザレンジセンサの結果をカ卩えた第 1画像を示した図であ る。
[図 6]図 6は、本発明によるスキャナユニットの内部構成図である。
[図 7]図 7は、センサの移動速度を 0— lmZsecまで段階的に変化させてシミュレーシ ヨン実験を行った際の各誤差関数の値である。
[図 8]図 8は、フライングレーザレンジセンサが変動していると仮定した際の従来の位 置合わせ手法を行った結果である。
[図 9]図 9は、本発明の手法により歪み補正パラメータの推定を行い補正した結果で ある。
発明を実施するための最良の形態
[0037] 図 1は、本発明による大規模な物体形状を復元するためのフライングレーザレンジ センサを用いた 3次元計測システムの全体概略図である。地上に設置された計測装 置 10は、距離画像を生成するためのデータを取得する機能を有しており、複数の計 測地点からデータ収集することにより計測対象物体 13の形状を 3次元的に復元した 基準画像を生成するための第 1測定系である。気球 11に吊るされた計測装置 12は、 測距部と、測距方向を指定する測距領域制御部と、測距データを保存可能な媒体を 具備したコンピュータとを具備し、距離画像を生成するためのデータを取得する機能 を有しており、上空からの計測データに基づいて計測対象物体 13の形状を 3次元的 に復元した画像を生成するための第 2測定系である。
[0038] 図 1を見て分力るように、第 1測定系においては、計測対象物体形状に起因して測 定されない未計測領域 15が発生している。該未計測領域 15は、コンピュータ処理に より 3次元画像として復元するときに未表示領域として認識されるが、そのまま該 3次 元画像を基準画像 (第 1画像)とする。
[0039] 第 2測定系においては、上空から測定するため、計測装置 12は、前記未計測領域
15を含む計測対象物体 13の全体的な測距データを取得することができる。次 、で、 コンピュータ処理によりこれらのデータを 3次元画像 (第 2画像）として表示することが できる。
[0040] 通常、対象物体 13表面との測距データ力もコンピュータ処理により 3次元画像を復 元するには、基準画像 (本発明では第 1画像)と計測画像 (本発明では第 2画像)との 位置合わせが行われる。しかし、本発明の場合、第 2測定系において、気球が風等 の環境的な影響を受けて、取得される画像に歪みが生じることが考えられるため、空 中における気球の運動をパラメータで示し、気球力も計測された計測データと地上か ら計測された歪みのないデータとの重なり部分で位置合わせする際に、歪みも同時 に補正する手法を採用する。以上の内容を説明するために、本発明による第 1画像 と第 2画像の位置合わせを行う手法のフローチャートを図 2に図示する。
[0041] 第 2測定系におけるフライングレンジセンサは、三角測量を計測原理とした (ァクテ イブステレオ）レンジセンサの中には、 0. 3秒程度で計測を行うシステムも存在してい るが、三角測量の性質上、
1.長距離の計測には基線長を延ばす必要があり、大規模計測には不向きである。
2.長距離で使用するにはレーザ出力をあげる必要があり危険である。
3.受光素子の制限として、明るい環境での計測には適さない。
といった問題があり、野外での大規模な計測にはレーザレーダ方式が実用的とされ ている。しかし、通常のレーザレンジセンサの計測時間は速いものでも 2分程度であり 、気球の動きを考慮した場合、気球に吊るして使用することは現実的でない。そこで 、本発明では、ポリゴンミラーの高速スキャンを利用し、垂直方向の測定密度を若干 低くすることで、計測時間 1秒の高速計測を実現した。
[0042] 本発明における第 2測定系では、気球に搭載する条件として、気球の浮力に応じて 小型軽量であることと、気球の動きの影響が少なくなるように計測が高速で行われる こととを考慮して、図 6に示された内部構成を有するスキャナユニットを搭載する。詳 細は、以下の実計測データの推定法における実験系諸元を参照されたい。また、動 作原理については既知の測定器であるため省略する。
[0043] 位置合わせ手法にっ ヽて
非特許文献 1では、通常の位置、姿勢合わせにおいて誤差関数 E (p)を以下のよう に設定し、最急勾配法を用いて E (p)を最小化して 、る。
[数 5]
£(p) =丽— 1)∑∑ (P)) (り ただし p = (m,q)
(p) = ||R(q)x' + m - y 2 (¾(p)) = iog(i + - v(p)2)
N :計測データの点数
M :計測データの数
Xは位置合わせを行う画像中の i番目の点で yは j番目の計測画像中の Xに対応する
1 1] 1 点を示す。ノ メータ群 pは並進移動ベクトルと回転を表すクォータ-オン（四元数) q で構成される。誤差関数は対応点 (最近傍点）間距離の 2乗 z (p)にローレンツ関数
1]
を用いた M推定法で重み付けた p (z (p) )の平均で定義している。この誤差関数に
1]
つ！、てパラメータ群 pにつ 、ての勾配を求めると以下のようになる。
[数 6] dE 1 ^dp(z9) dz^
dp N(A - 1) dzv dp
Figure imgf000015_0001
ただし 丄 ' ここで d z / d pを単位クォータ-オンで評価することにする（非特許文献 2、 3参照) と、 《ラメ、ータ勾配はさらに以下のようになる。
[数 7]
& p) aR(q)x,+m-yj.
= 2(R(q)x,+m - y
dp
2(xi+m-y,..)
(3)
-4xi (m-yii) 詳細は非特許文献 1、 2、 3を参照されたい。
本発明では、上記 z (p)を、形状パラメータを考慮して以下のように再定義した。 z (p)= ■ R(q)g(k)-m-y 2'
ここで、 kは形状パラメータ群、 g (k)は位置合わせを行う理想データの i番目の点であ る。位置合わせする距離画像に並進と回転の移動に加えてパラメータによる変形 g (k )を加えて 、る。この時のパラメータ勾配は以下のようになる。
[数 8]
3Rw)g(k),+m - yff
= 2(R(q)g(k)i+ni-y(,>
dp dp
(4)
Figure imgf000015_0002
一番下の行が新たに追加された形状パラメータの勾配を表している。
実際には最小化を効率的に行うために Fletcher-Reeves法、 Polak-Ribiere法による 共役勾配法 (非特許文献 4、 5、 6を参照）を用いている。勾配方向に対する移動量は 、黄金分割による囲い込み手法によって決定される。
[0044] 歪み補正を考慮した位置合わせ手法
本発明の第 2測定系における気球による画像の歪みには、以下の要素が影響する
1.平行移動の初速度
2.平行移動の加速度
3.回転移動の角速度
4.回転移動の角加速度
[0045] 第 2測定系における計測装置が 1回スキャンするのに要する時間が 1秒であることを 考慮すると、計測時間内における加速度、角加速度は無視することができる。また、 微小な回転移動は等速度の平行移動として近似することができるため、本明細書で は計測時間内の気球の等速度運動のみを考慮することとする。
[0046] この場合、各軸についての速度である 3つのパラメータを最適化することになる。よ つて、（4)式における形状パラメータの項 g (k)は速度ベクトル vをパラメータとした歪 みの補正項 d (V)で置換される。
[0047] 以上の仮定下にお!/、てパラメータ勾配 3 z Z 3 pは次のようになる。
[数 9]
Figure imgf000016_0001
ただし d(v),. = x( + i.v
[0048] ここで、 はスキャン開始からの経過時間であり、歪み補正項 dは第 2測定系で計測 された画像中の点座標に測定開始力ゝらの相対変位 tvをカ卩えることで表される。
[0049] t測データによる ,験
上述したような実験系を採用して実際にカンボジア ·バイヨン寺院においてフライン グレーザレンジセンサ (上記第 2測定系）による計測を行った。バイヨン寺院はアンコ ールトムの中央に位置する、一辺が 100mの巨大な寺院遺跡である。以下に本実験 諸兀を，
[0050] [表 1]
実験系の諸元
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0002
[0051] 図 3は、地上からの計測結果を 3次元画像化した復元図（観察位置からみた表示） の一部である。地上からは上記計測装置により約 230枚計測している。地上から観測 できな 、未計測領域が多く存在して!/、るが、観測位置から視認可能な範囲の主な領 域が計測されているのが確認できる。
[0052] 図 4では、異なる視点位置 (特に高所)力 見た場合は、未計測領域が多く残って いるのが確認できる。一方、上空力もフライングレンジセンサを用いて計測を行い、上 記のように、歪み補正パラメータの推定と同時に位置合わせを行った結果を図 5に示 す。図 5より、地上からの計測だけでは取得できない未計測領域力 フライングレーザ レンジセンサと歪み補正のパラメータ推定手法により、正確に埋められているのが確 認できる。本発明のフライングレーザレンジセンサの視野角が狭いため、一回の計測 で得られる領域は少ない。しかし、気球で吊るしているため、容易に視点位置を変え ることが可能であり、 1回の計測が 1秒で完了するため広い範囲の未計測領域を埋め ることが可能となる。 [0053] 本発明の歪み補正パラメータ推定手法のシミュレーション
空中計測による上記シミュレーション実験を以下に説明する。
前記第 1測定系により実際に計測された形状データを 2種類用意し、一方を人工的 に歪ませて空中計測による歪みデータ (第 2測定系によるデータ）とし、他方を第 1測 定系によるデータ (基準画像データ）として実験を行った。
[0054] 図 8は、フライングレーザレンジセンサがそれぞれ、速度 0. 5m/sec (正面左図）と 1. OmZsec (正面右図）で変動していると仮定し、従来の位置合わせ手法を行った 結果である。該 2つの図からセンサの計測位置の変動による歪みを考慮しない場合 は、明らかに表面形状に差が生じているのが確認できる。
[0055] 一方、本発明の手法により歪み補正パラメータの推定を行い補正した結果、図 9に 示すように歪んだ形状が補正されているのが確認できる。なお、センサの移動速度 1 . OmZsecは、センサを気球に吊るし静止させた状態での速度としては十分に大き い値である。また、移動速度 OmZsec (この場合の形状は無変化)から 1. Om/sec まで段階的に増加させて、シミュレーション実験を行った際の誤差関数の値を図 7に 示す。この結果から、ほぼ全ての速度において速度 OmZsecと同等の値まで収束し ているのが確認できる。なお、速度 OmZsecで形状を変化させていない場合でも、そ れぞれ元となっている形状データが異なるため、誤差関数は 0に収束することはない
[0056] 以上のように、本発明は、固定測定データと空中からの動的測定データとの 2系統 のレーザレンジセンサを利用して取得される 3次元計測データを用いて従来よりも高 精度で計測対象物体形状を復元することができる。また、本明細書では、第 2測定系 における空中浮遊手段を気球として 、るが、クレーン車を用いて吊したりしても本発 明を適用できることは当業者には自明である。

Claims

請求の範囲
[1] 対象の 3次元形状を特定するためのシステムであって、
固定された第 1の観測点から対象上の第 1群の測定点までの第 1の距離と方位を計 測する第 1の計測手段と、
移動可能な第 2の観測点から前記対象上の第 2群の測定点までの第 2の距離と方 位を計測する第 2の計測手段とを有し、
当該第 2群の測定点のうちの少なくとも 1つは前記第 1群の測定点の内の少なくとも 1つと同一の測定点であり、当該第 2群の測定点は前記第 1群の測定点に含まれな い測定点を少なくとも 1つ含み、
さらに、前記同一の測定点に関する第 1と第 2の計測手段による計測結果力 第 2 の観測点の移動速度ベクトルを算出し、当該移動速度ベクトルに基づいて前記第 2 の計測結果を補正し、第 1群と第 2群の測定点の 3次元座標を算出する演算手段と、 前記 3次元座標に基づ 、て対象の画像を表示する表示手段を具備するシステム。
[2] 前記第 2の計測手段は、各点の測距を行うためのレーザレーダユニットと、水平スキ ヤンを行うための 4面ポリゴンミラーと、垂直スキャンを行うための平面スイングミラーと 力 構成されるスキャナユニットを具備することを特徴とする請求項 1に記載のシステ ム。
[3] 前記第 2の計測手段は、レーダユニット制御部と、 2つのミラーの制御部と、計測結 果を計測用コンピュータに伝送するインターフェース部とを内蔵するコントローラュ- ットを具備することを特徴とする請求項 1又は 2に記載のシステム。
[4] 前記第 2の計測手段は、記録媒体を具備し該記録媒体に計測結果を保存すること が可能で、且つ、前記スキャナユニット及びコントロールユニットを制御可能なコンビ ユータを具備することを特徴とする請求項 1ないし 3のいずれかに記載のシステム。
[5] 前記第 2の観測点の移動速度ベクトルは時間に依存しないと仮定した上で、前記 同一の測定点に関する第 1と第 2の計測手段による計測結果を用いて、共役勾配法 により 3次元座標誤差が最小となる速度ベクトルを求め、
当該速度ベクトルを用いて第 2の観測点力 の計測結果を補正する請求項 1ないし 4の!、ずれかに記載のシステム。
[6] 以下の式を共役勾配法により最小化する並進移動ベクトルを求めることを特徴とす る請求項 5に記載のシステム。
[数 1]
£ :^ 零 》 ただし p = (m,q)
P(z,j P)) = log(l + -z(/i(p)2)
N :計測データの点数
M :計測データの数
E (p)はローレンツ関数を用いた M推定法で重み付けた p (z (p) )の平均で 定義している誤差関数
Z (p) =■ R (q) g (v)-m-y 2'は、第 1及び第 2計測手段の計測結果の対応 点間の距離
mは、並進移動ベクトル
yは j番目の計測画像中の対応する点
pは、並進移動ベクトル mと回転を表すクォータ-オン qで構成されるパラメ一 タ群
R (q)は、回転を表すクォータ-オン qの関数
g (v)は、等速度運動によって形状が歪むパラメータ
[7] 前記第 1群の測定点に含まれていない前記第 2群の測定点を、上記 z (p)を最小 にする R (q) g (v) i+m^m'と置 、て当該 m'を用いて補正することを特徴とする請求 項 6に記載のシステム。
[8] 前記速度ベクトルは、回転成分と水平移動成分を含む請求項 5ないし 7のいずれか に記載のシステム。
[9] 対象の 3次元形状を特定する方法であって、
固定された第 1の観測点から対象上の第 1群の測定点までの第 1の距離と方位を計 測する過程と、 移動可能な第 2の観測点から前記対象上の第 2群の測定点までの第 2の距離と方 位を計測する過程とを有し、
当該第 2群の測定点のうちの少なくとも 1つは前記第 1群の測定点の内の少なくとも 1つと同一の測定点であり、当該第 2群の測定点は前記第 1群の測定点に含まれな い測定点を少なくとも 1つ含み、
さらに、前記同一測定点に関する第 1と第 2の計測手段による計測結果力 第 2の 観測点の移動速度べ外ルを算出する過程と、
当該移動速度ベクトルに基づいて前記第 2の計測結果を補正して、第 1群と第 2群 の測定点の 3次元座標を算出する過程を有する方法。
[10] 前記第 2の距離と方位を計測する過程は、各点の測距を行うためのレーザレーダュ ニットと、水平スキャンを行うための 4面ポリゴンミラーと、垂直スキャンを行うための平 面スイングミラーとから構成されるスキャナユニットによって実行する請求項 9に記載 の方法。
[11] 前記第 2の距離と方位を計測する過程は、インターフェースを介して計測結果を、 記録媒体を具備する計測用コンピュータに伝送する過程を含む請求項 9又は 10に 記載の方法。
[12] 前記第 2の距離と方位を計測する過程は、記録媒体に計測結果を保存する過程と
、スキャナユニット及びコントロールユニットをコンピュータによって制御する過程とを 含む請求項 9な 、し 11の 、ずれかに記載の方法。
[13] 前記第 2の観測点の移動速度ベクトルは時間に依存しないと仮定した上で、前記 同一の測定点に関する第 1と第 2の計測手段による計測結果を用いて、共役勾配法 により 3次元座標誤差が最小となる速度ベクトルを求め、
当該速度ベクトルを用いて第 2の観測点力 の計測結果を補正する過程を含む請 求項 9な!、し 12の!、ずれかに記載の方法。
[14] 以下の式を共役勾配法により最小化する並進移動ベクトルを求めることを特徴とす る請求項 13に記載の方法。
[数 2]
Figure imgf000022_0001
ただし
^O lRWgWi+m- y 2
Figure imgf000022_0002
N:計測データの点数
M:計測データの数
E (p)はローレンツ関数を用いた M推定法で重み付けた p (z (p) )の平均で 定義している誤差関数
Z (p) = ■ R(q)g(v)-m-y 2'は、第 1及び第 2計測手段の計測結果の対応 点間の距離
mは、並進移動ベクトル
yは j番目の計測画像中の対応する点
pは、並進移動ベクトル mと回転を表すクォータ-オン qで構成されるパラメ一 タ群
R(q)は、回転を表すクォータ-オン qの関数
g(v)は、等速度運動によって形状が歪むパラメータ
[15] 前記第 1群の測定点に含まれていない前記第 2群の測定点を、上記 z (p)を最小 にする R (q) g (v) i+m^m'と置 、て当該 m'を用いて補正することを特徴とする請求 項 14に記載の方法。
[16] 前記速度ベクトルは、回転成分と水平移動成分を含む請求項 13ないし 15のいず れかに記載の方法。
PCT/JP2004/013419 2004-02-25 2004-09-15 形状測定装置及びその方法 WO2005080914A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/598,010 US7949179B2 (en) 2004-02-25 2004-09-15 Shape measurement device and method thereof
JP2006510154A JP4565348B2 (ja) 2004-02-25 2004-09-15 形状測定装置及びその方法
CA2555773A CA2555773C (en) 2004-02-25 2004-09-15 Shape measurement device and method thereof

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004-050029 2004-02-25
JP2004050029 2004-02-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2005080914A1 true WO2005080914A1 (ja) 2005-09-01
WO2005080914A9 WO2005080914A9 (ja) 2008-03-13

Family

ID=34879571

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2004/013419 WO2005080914A1 (ja) 2004-02-25 2004-09-15 形状測定装置及びその方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7949179B2 (ja)
JP (1) JP4565348B2 (ja)
CA (1) CA2555773C (ja)
WO (1) WO2005080914A1 (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007322392A (ja) * 2006-06-05 2007-12-13 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 姿勢平滑化方法およびそのプログラム
KR101390466B1 (ko) 2012-11-20 2014-05-07 한국과학기술원 이동로봇 및 레이저 스캐너가 고속으로 움직일 때 측정된 스캔 거리 데이터들의 동적 오차 보정 방법 및 이를 이용한 스캔 거리 데이터 측정 장치
JP2019012032A (ja) * 2017-06-30 2019-01-24 株式会社パスコ 計測手段決定支援装置及び計測手段決定支援プログラム
WO2020148926A1 (ja) * 2019-01-16 2020-07-23 三菱電機株式会社 三次元再構成装置、三次元再構成システム、三次元再構成方法、及び三次元再構成プログラム
JP7598994B2 (ja) 2019-10-03 2024-12-12 デンカ株式会社 三次元画像の生成方法、三次元画像生成装置、ガイダンス装置、およびプログラム

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009107365A1 (ja) * 2008-02-26 2009-09-03 パナソニック株式会社 複眼測距装置の検査方法及び検査装置並びにそれに用いるチャート
JP5740084B2 (ja) * 2008-12-09 2015-06-24 株式会社東芝 タービン発電機におけるステータコイルの接続組立の３次元形状測定方法及び３次元形状測定装置用冶具
US8675939B2 (en) 2010-07-13 2014-03-18 Stryker Leibinger Gmbh & Co. Kg Registration of anatomical data sets
US9002719B2 (en) 2012-10-08 2015-04-07 State Farm Mutual Automobile Insurance Company Device and method for building claim assessment
US8872818B2 (en) 2013-03-15 2014-10-28 State Farm Mutual Automobile Insurance Company Methods and systems for capturing the condition of a physical structure
US8818572B1 (en) 2013-03-15 2014-08-26 State Farm Mutual Automobile Insurance Company System and method for controlling a remote aerial device for up-close inspection
US10176527B1 (en) 2016-04-27 2019-01-08 State Farm Mutual Automobile Insurance Company Providing shade for optical detection of structural features
US10591598B2 (en) * 2018-01-08 2020-03-17 SOS Lab co., Ltd Lidar device
WO2019135494A1 (ko) 2018-01-08 2019-07-11 주식회사 에스오에스랩 라이다 장치
KR102050677B1 (ko) 2018-05-14 2019-12-03 주식회사 에스오에스랩 라이다 장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09184720A (ja) * 1995-12-29 1997-07-15 Nec Corp 測地測量方法及び測地測量装置
JP2000075032A (ja) * 1998-09-02 2000-03-14 Komatsu Ltd 走行路上の障害物の検出方法及びその存否推定方法
JP2002090456A (ja) * 2000-09-21 2002-03-27 Kokusai Kogyo Co Ltd 地形計測装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4915498A (en) * 1988-04-19 1990-04-10 Malek Joseph H Range imaging sensor
DE3942932A1 (de) * 1989-12-23 1991-06-27 Licentia Gmbh Verfahren zum verteilen von paketen o. ae.
DE4324255C2 (de) * 1993-07-20 1998-02-05 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zum Sortieren von mit Adreßinformationen versehenen Sendungen
JP3548213B2 (ja) * 1993-12-22 2004-07-28 キヤノン株式会社 多点測距装置およびカメラ
SG45100A1 (en) * 1994-03-07 1998-01-16 Ibm Improvements in image processing
JPH09184702A (ja) * 1995-12-28 1997-07-15 Murata Mach Ltd 差動トランス用アンプの温度補償方法
JP2863753B1 (ja) 1998-02-19 1999-03-03 株式会社エイ・ティ・アール知能映像通信研究所 テクスチャ取得方法およびテクスチャ取得システム
EP2306228A1 (en) * 1998-05-25 2011-04-06 Panasonic Corporation Range finder device and camera
JP2951320B1 (ja) 1998-06-19 1999-09-20 株式会社サンクリエイト フレキシブルハンガー
US6879946B2 (en) * 1999-11-30 2005-04-12 Pattern Discovery Software Systems Ltd. Intelligent modeling, transformation and manipulation system
US6639594B2 (en) * 2001-06-03 2003-10-28 Microsoft Corporation View-dependent image synthesis
US7343039B2 (en) * 2003-06-13 2008-03-11 Microsoft Corporation System and process for generating representations of objects using a directional histogram model and matrix descriptor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09184720A (ja) * 1995-12-29 1997-07-15 Nec Corp 測地測量方法及び測地測量装置
JP2000075032A (ja) * 1998-09-02 2000-03-14 Komatsu Ltd 走行路上の障害物の検出方法及びその存否推定方法
JP2002090456A (ja) * 2000-09-21 2002-03-27 Kokusai Kogyo Co Ltd 地形計測装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HIROTA Y. ET AL: "Kikyujo kara Shutoku shita Sanjigen Keijo no Yugami Hosei.", THE ROBOTICS SOCIETY OF JAPAN., 20 September 2003 (2003-09-20), XP002996983 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007322392A (ja) * 2006-06-05 2007-12-13 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 姿勢平滑化方法およびそのプログラム
KR101390466B1 (ko) 2012-11-20 2014-05-07 한국과학기술원 이동로봇 및 레이저 스캐너가 고속으로 움직일 때 측정된 스캔 거리 데이터들의 동적 오차 보정 방법 및 이를 이용한 스캔 거리 데이터 측정 장치
JP2019012032A (ja) * 2017-06-30 2019-01-24 株式会社パスコ 計測手段決定支援装置及び計測手段決定支援プログラム
WO2020148926A1 (ja) * 2019-01-16 2020-07-23 三菱電機株式会社 三次元再構成装置、三次元再構成システム、三次元再構成方法、及び三次元再構成プログラム
JP2020112497A (ja) * 2019-01-16 2020-07-27 三菱電機株式会社 三次元再構成装置、三次元再構成システム、三次元再構成方法、及び三次元再構成プログラム
CN113260831A (zh) * 2019-01-16 2021-08-13 三菱电机株式会社 三维重建装置、三维重建系统、三维重建方法和三维重建程序
JP7241546B2 (ja) 2019-01-16 2023-03-17 三菱電機株式会社 三次元再構成装置、三次元再構成システム、三次元再構成方法、及び三次元再構成プログラム
JP7598994B2 (ja) 2019-10-03 2024-12-12 デンカ株式会社 三次元画像の生成方法、三次元画像生成装置、ガイダンス装置、およびプログラム

Also Published As

Publication number Publication date
US7949179B2 (en) 2011-05-24
CA2555773A1 (en) 2005-09-01
US20070266574A1 (en) 2007-11-22
WO2005080914A9 (ja) 2008-03-13
CA2555773C (en) 2012-03-27
JP4565348B2 (ja) 2010-10-20
JPWO2005080914A1 (ja) 2008-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102001728B1 (ko) 스테레오 카메라 드론을 활용한 무기준점 3차원 위치좌표 취득 방법 및 시스템
RU2743112C2 (ru) Устройство и способ для анализа вибраций с использованием высокоскоростных видеоданных и применение такого устройства для бесконтактного анализа вибраций
CN113570721B (zh) 三维空间模型的重建方法、装置和存储介质
WO2022170878A1 (zh) 一种无人机测量输电线路影像距离的系统及方法
WO2005080914A1 (ja) 形状測定装置及びその方法
US9409656B2 (en) Aerial photographing system
CA2526105C (en) Image display method and image display apparatus
CN113137955B (zh) 一种基于场景建模和虚拟摄影的无人机航测虚拟仿真方法
CN112629431A (zh) 土木结构变形监测方法及相关设备
CN106990791A (zh) 一种输电线路杆塔的三维建模系统及方法
CN108170297B (zh) 实时六自由度vr/ar/mr设备定位方法
CN115128965B (zh) 面向数字孪生场景现实轨迹仿真及视角捕捉内容推荐方法
CN110849331A (zh) 基于三维点云数据库模型的单目视觉测量与地面试验方法
JPH11230745A (ja) 高度計測装置
CN102654917B (zh) 运动体运动姿态感知方法及系统
Satoh et al. A head tracking method using bird's-eye view camera and gyroscope
CN114663486A (zh) 一种基于双目视觉的建筑物测高方法及系统
CN117518196B (zh) 一种激光雷达的运动补偿方法、装置、系统、设备及介质
CN113124821B (zh) 一种基于曲面镜和平面镜的结构测量方法
CN109813231A (zh) 高铁桥梁竖向动扰度测量方法
RU2723239C1 (ru) Система получения реалистичной модели местности для виртуального мира и способ ее работы
CN113888702A (zh) 基于多tof激光雷达和rgb摄像头的室内高精度实时建模和空间定位的装置和方法
CN119437216B (zh) 基于复合流形优化的视觉惯导融合位姿估计方法及装置
Magree A photogrammetry-based hybrid system for dynamic tracking and measurement
Hirota et al. Flying Laser Range Finder and its data registration algorithm

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2555773

Country of ref document: CA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006510154

Country of ref document: JP

122 Ep: pct application non-entry in european phase
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 10598010

Country of ref document: US

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 10598010

Country of ref document: US