專利名稱：位置測量裝置、位置測量方法和位置測量程序的制作方法
技術領域：
本發明涉及生成預定測量區域的帶圖像位置數據的位置測量裝 置、位置測量方法和位置測量程序。
背景技術：
迄今為止，已知有所謂激光掃描儀的3維測量裝置，該3維測量 裝置向測量對象物照射并掃描測量脈沖束，基于來自測量對象物的反 射光進行測距，根據該測距值和照射光的角度值進行測量對象物的3 維測量，得到點群數據。在這種3維測量裝置中，雖然得到根據測距 值和照射光角度算出的3維點群數據，但是，已知有一種同時也能取 得測量對象物的圖像數據、將該圖像數據和點群數據進行合成并得到 帶圖像的3維數據的類型的測量裝置。另一方面，在這種測量裝置中，測量對象物為3維形狀，不可避 免地產生從一處進行測量所不能測量的區域。因此，通過從方向不同 的多處對測量對象物測量點群數據，按同 一 坐標對該測得的多個點群 數據進行合成處理，由此，進行沒有欠缺部分的測量。因此，作為現 有技術中的點群數據的合成方法，在測量對象物處設置合成用的目標，以高精度測量該目標，并以目標測量結果為基準進行坐標變換， 或者指定3個以上在2個點群數據中共同的點進行坐標變換，在大致 對位后，采取使2個點群數據間的距離最小的方法進行。然而，在現有技術中，必須在測量對象物處設置目標，并伴之以 配置目標時的繁雜的操作，并且很難向高處的測量對象物設置目標。 此外，在沒有設置目標的情況下，由于僅使用點群數據的形狀進行合 成，所以，測量對象物必須有凹凸形狀等特征，并且凹凸形狀等特征 對合成精度將產生惡劣影響。發明內容本發明的目的在于解決上述現有技術的缺點。 . 為了達到上述目的，本發明的位置測量裝置具備距離測量部，
向測量區域照射并掃描測量用脈沖束，基于該測量用脈沖束的反射光 進行測距，求得測量區域中的位置數據組；數字攝像部，對上述測量區域進行攝像，取得圖像數據；存儲部，使上述位置數據組與上述圖 像數據相對應，存儲從至少2個方向取得的至少2組的上述位置數據 組和上述圖像數據；以及運算部，通過基于所存儲的2個圖像數據的 兩圖像的匹配，進行上述至少2個位置數據組的合成，此外，本發明 的位置測量裝置還具備瞄準器，上述運算部用瞄準器設定上述測量區 域，當測量區域的寬度超過1次攝像范圍的情況下，對分割方式進行 運算，對分割圖像進行多次攝像，將分割圖像進行合成，得到測量區域的圖像，此外，本發明的位置測量裝置的上述運算部根據上述位置 數據組進行多邊形網格化，使多邊形網格與上述圖像數據相對應，此 外，本發明的位置測量裝置的上述運算部大致設定在上述2個圖像數 據中共同的至少3點以上，在以該3點以上為基準對一個圖像進行坐 標變換后，進行上述2個圖像的匹配，利用由該圖像匹配得到的坐標 再進行坐標變換，此外，本發明的位置測量裝置的上述運算部將在上 述2個圖像數據中共同的點大致設定為3點以上，在一個圖像中設定 包含共同點的所需區域的模板，在另一圖像中設定比包含共同點的上述模板大的區域的搜索區域，對于上述模板的圖像和上述搜索區域的 圖像用最小2乘法進行圖像匹配，此外，本發明的位置測量裝置的上 述運算部在對2個以上的位置數據組進行合成的情況下，設定至少3 點以上的在位置數據組中共同的點，基于該點采用全部位置數據組進 行坐標變換，調整整體位置數據組的合成。此外，本發明的位置測量方法具有如下步驟第l步驟，向測量 區域照射并掃描測量用脈沖束，基于該測量用脈沖束的反射光進行測 距，求得測量區域中的位置數據組；第2步驟，對上述測量區域進行 攝像，取得圖像數據；第3步驟，使上述位置數據組與上述圖像數據 相對應，存儲從至少2個方向取得的至少2組的上述位置數據組和上 述圖像數據；第4步驟，通過基于所存儲的2個圖像數據的兩圖像的 匹配，進行2個位置數據組的合成，此外，在本發明的位置測量方法 中，在上述位置數據組與上述圖像數據的對應中，根據上述位置數據 組進行多邊形網格化，使多邊形網格與上述圖像數據相對應，此外， 本發明的位置測量方法具有以下步驟大致設定在上述2個圖像數據
共同的至少3點以上，在以該3點以上為基準對一個圖像進行坐標變 換后，進行上述2個圖像的匹配，利用由該圖像匹配得到的坐標再進 行坐標變換，此外，在本發明的位置測量方法中，在上述匹配中，將 在上述2個圖像數據中共同的點大致設定為3點以上，在一個圖像中 設定包含共同點的所需區域的模板，在另 一 圖像中設定比包含共同點 的上述模板大的區域的搜索區域，對于上述模板的圖像和上述搜索區 域的圖像用最小2乘法進行圖像匹配，此外，在本發明的位置測量方 法中，在上述坐標變換中，在對2個以上的位置數據組進行合成的情 況下，設定至少3點以上的在位置數據組中共同的點，基于該點采用 全部位置數據組進行坐標變換，調整整體位置數據組的合成。此外，本發明的位置測量程序執行如下步驟向測量區域照射并 掃描測量用脈沖束；基于該測量用脈沖束的反射光進行測距；求得測 量區域中的位置數據組；對上述測量區域進行攝像，取得圖像數據； 使上述位置數據組與上述圖像數據相對應，存儲從至少2個方向取得 的至少2組的上述位置數據組和上述圖像數據；通過基于所存儲的2 個圖像數據的兩圖像的匹配，對2個位置數據組進行合成，此外，在 本發明的位置測量程序中，在上述位置數據組與上述圖像數據的對應 中，根據上述位置數據組進行多邊形網格化，使多邊形網格與上述圖 像數據相對應，此外，本發明的位置測量程序是，大致設定在上述2 個圖像數據中共同的至少3點以上，在以該3點以上為基準對一個圖 像進行坐標變換后，進行上述2個圖像的匹配，利用由該圖像匹配得 到的坐標再進行坐標變換，此外，在本發明的位置測量程序中，在上 述匹配中，將在上述2個圖像數據中共同的點大致設定為3點以上， 在一個圖像中設定包含共同點的所需區域的模板，在另一圖像中設定 比包含共同點的上述模板大的區域的搜索區域，對于上述模板的圖像 和上述搜索區域的圖像用最小2乘法進行圖像匹配，此外，在本發明 的位置測量程序中，在上述坐標變換中，在對2個以上的位置數據組 進行合成的情況下，設定在至少3點以上的在位置數據組中共同的 點，基于該點采用全部位置數據組進行坐標變換，調整整體位置數據 組的合成。位置數據組；數字攝像部，對上述測量區域進行攝像，取得圖像數據； 存儲部，使上述位置數據組與上述圖像數據相對應，存儲從至少2個 方向取得的至少2組的上述位置數據組和上述圖像數據；運算部，通 過基于所存儲的2個圖像數據的兩圖像的匹配，進行上述至少2個位 置數據組的合成，所以，不設置目標，容易進行針對測量區域的2個 位置數據組的對應。此外，按照本發明，具有如下步驟第l步驟，向測量區域照射 并掃描測量用脈沖束，基于該測量用脈沖束的反射光進行測距，求得 測量區域中的位置數據組；第2步驟，對上述測量區域進行攝像，取 得圖像數據；第3步驟，使上述位置數據組與上述圖像數據相對應， 存儲從至少2個方向取得的至少2組的上述位置數據組和上述圖像數 據；第4步驟，通過基于所存儲的2個圖像數據的兩圖像的匹配，進 行2個位置數據組的合成，所以，不設置目標，容易進行對測量區域 的2個位置數據組的對應。此外，按照本發明，執行如下步驟向測量區域照射并掃描測量 用脈沖束；基于該測量用脈沖束的反射光進行測距；求得測量區域中 的位置數據組；對上述測量區域進行攝像，取得圖像數據；使上述位 置數據組與上述圖像數據相對應，存儲從至少2個方向取得的至少2 組的上述位置數據組和上述圖像數據；通過基于所存儲的2個圖像數 據的兩圖像的匹配，對2個位置數據組進行合成，所以，不設置目標， 容易進行對測量區域的2個位置數據組的對應。此外，按照本發明，在上述位置數據組與上述圖像數據的對應 中，根據上述位置數據組進行多邊形網格化，使多邊形網格與上述圖 像數據相對應，所以，全部位置數據組與圖像數據的對應被省略，使 數據處理量減少，實現了所存儲的數據的存儲容量的節約和處理速度 的提高。此外，按照本發明，大致設定對上述2個圖像數據共同的至少3 點以上，在以該3點以上為基準對一個圖像進行坐標變換后，進行上 述2個圖像的匹配，利用由該圖像匹配得到的坐標再進行坐標變換， 所以，可簡便地進行位置數據組的合成。此外，按照本發明，在上述匹配中，將在上述2個圖像數據中共 同的點大致設定為3點以上，在一個圖像中設定包含共同點的所需區
域的模板，在另 一 圖像中設定比包含共同點的上述模板大的區域的搜 索區域，對于上述模板的圖像和上述搜索區域的圖像用最小2乘法進 行圖像匹配，所以，提高了匹配精度。此外，按照本發明，在上述坐標變換中，在對2個以上的位置數據組進行合成的情況下，設定至少3點以上的在位置數據組中共同的點，基于該點采用全部位置數據組進行坐標變換，調整整體位置數據組的合成，所以，能簡便地并且以高精度執行2個以上的位置數據組 的合成。
圖l是本發明第1實施例的位置測量裝置的剖面圖。 圖2是將本發明第1實施例的裝置的一部分進行了旋轉的位置測 量裝置的剖面圖。圖3是本發明第1實施例的位置測量裝置的結構框圖。圖4是表示第1實施例中的數據取得的說明圖。圖5是表示第1實施例中的數據取得的說明圖。圖6是表示第1實施例中的數據取得的說明圖。圖7是表示第1實施例中的帶圖像的3維數據之生成流程的流程圖。圖8(A)、圖8(B)、圖8(C)、圖8(D)是表示第1實施例 中的點群數據的TIN化的形態的說明圖。圖9是表示第1實施例中的帶圖像的3維數據的生成流程的流程圖。圖10是表示第1實施例中的顯示部上所顯示的窗口的狀態的圖。圖11 (A)、圖11 (B)是表示顯示部上所顯示的一例圖像的圖。 圖12 (A)、圖12 (B)是表示顯示部上所顯示的一例圖像的圖。 圖13 (A)、圖13 (B)是表示顯示部上所顯示的一例圖像的圖。 圖14 ( A)、圖14 (B)是最小2乘匹配的說明圖。 圖15 (A)、圖15 (B)是表示顯示部上所顯示的一例圖像的圖。 圖16 (A)、圖16 (B)是表示顯示部上所顯示的一例圖像的圖。 圖17是本發明第2實施例的位置測量裝置的剖面圖。 圖18是將本發明第2實施例的裝置的一部分進行了旋轉的位置 測量裝置的剖面圖。
具體實施方式
以下，參照附圖，說明用于實施本發明的優選方式。 作為本發明中所使用的位置測量裝置，例如，使用激光掃描儀。激光掃描儀是在短時間內能夠進行對寬范圍的多個點的3維位置 測量的類型的位置測量裝置，例如，激光掃描儀是如下的位置測量裝 置在測量范圍內掃描脈沖激光光線，由此，進行多個點的3維測量。 首先，說明實施本發明的位置測量裝置。 圖1、圖2表示作為第1實施例的位置測量裝置。 位置測量裝置1主要由校平部2、設置在該校平部2上的旋轉機 構部3、被該旋轉機構部3支撐的包含測距部4、攝像部5、控制部6 等的測量裝置主體部7、以及在該測量裝置主體部7的上部設置的旋 轉照射部8構成。此外，為了方便起見，圖2示出了相對于圖1僅從 上述旋轉照射部8側看到的裝置的狀態。 對上述校平部2進行說明。在底座11上豎立銷釘(pin) 12，將該銷釘12的上端形成為曲 面，可自由掀動地嵌合在形成于下部箱體13底面上的凹部。此外， 在上述底面的其它2個部位，調節螺釘14被旋入并貫通，在該調節 螺釘14各自的下端部固定腳構件15，該腳構件15的下端被形成為尖 端或曲面，與上述底座ll抵接。在上述調節螺釘14的上端嵌合校平 從動齒輪16。上述下部箱體13利用上述銷釘12和2個上述調節螺釘 14以3點支撐在上述底座11上，上述下部箱體13能夠以上述銷釘12 的前端為中心沿任意方向掀動。此外，在上述底座11與上述下部箱 體13之間設置了彈簧19,以使上述底座11與上述下部箱體13不致 脫離。在上述下部箱體13的內部，設置2個校平電動機17,校平驅動 齒輪18被嵌合在該校平電動機17的輸出軸上，該校平驅動齒輪18 與上述校平從動齒輪16嚙合。上述校平電動機17由上述控制部6獨 立地驅動，利用上述校平電動機17的驅動，通過上述校平驅動齒輪 18、上述校平從動齒輪16使上述調節螺釘14旋轉，對向該調節螺釘 14下方的突出量進行調整。此外，在上述下部箱體13的內部設置傾 斜傳感器56 (參照圖3),基于該傾斜傳感器56的檢測信號，驅動2 個上述校平電動機17，由此，進行上述校平部2的校平。 對上述旋轉機構部3進行說明。上述下部箱體13兼作上述旋轉機構部3的箱體，在下部箱體13 的內部設置水平旋轉電動機20,水平旋轉驅動齒輪21被嵌合在該水 平旋轉電動機20的輸出軸上。上述下部箱體13的上端部為圓筒形狀，旋轉基盤23經軸承22 設置在該上端部，在該旋轉基盤23的中心設置向下方突出的旋轉軸 24，在該旋轉軸24上設置水平旋轉齒輪25,上述水平旋轉驅動齒輪 21與該水平旋轉齒輪25嚙合。此外，在上述旋轉軸24上設置水平角檢測器26，例如，設置編 碼器，用該水平角檢測器26檢測上述旋轉軸24相對于上述下部箱體 13的相對旋轉角，將檢測結果(水平角)輸入到上述控制部6中，基 于該檢測結果，由上述控制部6控制上述水平旋轉電動機20的驅動。對上述測量裝置主體部7進4iS兌明。主體部箱體27被固定在上述旋轉基盤23上，在該主體部箱體27 的內部設置鏡筒28。該鏡筒28具有與上述主體部箱體27的旋轉中心 同心的中心線，用所要求的方法將上述鏡筒28安裝在該主體部箱體 27上。例如，在上述鏡筒28的上端形成凸緣29，該凸緣29被固定 在上述主體部箱體27的頂板部上。上述鏡筒28具有與該鏡筒28的軸心一致的發光光軸32，在上述 發光光軸32上設置作為光學分離單元的束分離器74。該束分離器74 使可見光透過而對紅外光進行反射，利用上述束分離器74，使反射光 軸38與上述發光光軸32分離。在該反射光軸38上設置上述測距部4。在上述反射光軸38上設置發光元件31,在上述反射光軸38上配 置有孔反射鏡(aperture mirror ) 33。該有孔反射鏡33 ^f吏上述反射 光軸38分支，在該分支光軸上設置了測距光接收部39。從上述發光元件31發出脈沖束。該發光元件31是例如半導體激 光器等，該發光元件31發出作為測距光37的紅外光的脈沖激光光 線，上述控制部6控制上述發光元件31,使得在所要求的狀態下發出
脈沖激光光線。該脈沖激光光線通過上述有孔反射鏡33,被上述束分離器74反射向高低旋轉反射鏡35，脈沖激光光線經該高低旋轉反射 鏡35被照射到測量對象物上。該高低旋轉反射鏡35是偏轉光學構 件，配置在上述發光光軸32上，在該發光光軸32上配置聚光透鏡34。 上述高低旋轉反射鏡35將垂直方向的上述發光光軸32偏轉到水平方 向的投射光光軸36。來自測量對象物的反射測距光經上述高低旋轉反射鏡35、上述有 孔反射鏡33入射到上述測距光接收部39上。此外，上述測距光37 的被分割后的一部分作為內部參照光(未圖示)入射到上述測距光接 收部39上，并基于反射測距光和內部基準光來測量至測量對象物的 距離。上述發光元件31、上述有孔反射鏡33、上述聚光透鏡34、上述 高低旋轉反射鏡35和上述反射光軸38等構成上述測距部4。上述發光光軸32通過上述束分離器74，在貫通后的透過光軸32a 上設置圖像光接收部43,該圖像光接收部43位于上述鏡筒28的底 部。上述圖像光接收部43是多個像素被集合在平面上的部件，例如 是CCD,各像素以上述透過光軸32a為中心被指定位置。此外，對于 像素位置的指定來說，例如，假定以光軸為原點的X-Y坐標，像素的 位置由X坐標、Y坐標確定。進而，入射到上述圖像光接收部43的光線的角度由該圖像光接 收部43的像素的位置進行指定，表示為視角。上述高低旋轉反射鏡35、上述聚光透鏡34和上述圖像光接收部 43等構成上述攝像部5。來自測量對象物的攝像光沿著與上述投射光光軸36 —致的攝像 光軸44入射到上述高低旋轉反射鏡35上，被上述高低旋轉反射鏡35 反射后，攝像光透過上述聚光透鏡34、上述束分離器74,被上述圖 像光接收部43接收，取得圖像。對上述旋轉照射部8進行說明。在上述主體部箱體27的上側設置上部箱體41,該上部箱體41側 壁的一部分為光投射窗42。上述旋轉照射部8被收容在上逸上部箱體 41的內部。在上述凸緣29的上端設置反射鏡支架47，上述高低旋轉反射鏡 35經旋轉軸48可自由旋轉地設置在該反射鏡支架47上，該高低旋轉 齒輪51被嵌合在該高低旋轉反射鏡35的一個軸端，高低角檢測器52 設置在上述高低旋轉反射鏡35的另一軸端。該高低角檢測器52檢測 上述高低旋轉反射鏡35的旋轉角(旋轉位置)，將檢測結果發送給 上述控制部6。在上述反射鏡支架47上安裝高低旋轉電動機53，高低旋轉驅動 齒輪54嵌合在該高低旋轉電動機53的輸出軸上，該高低旋轉驅動齒 輪54與上述高低旋轉齒輪51嚙合。由上述控制部6基于上述高低角 檢測器52的檢測結果控制上述高低旋轉電動機53的驅動。此外，該 控制部6獨立地驅動上述水平旋轉電動機20和上述高低旋轉電動機 53,或者可同步地進行驅動控制。此外，在上述上部箱體41的上表面設置瞄準器46，該瞄準器46 的準直方向與上述發光光軸正交，并且，還與上述旋轉軸48正交。在圖3中，說明上述位置測量裝置1的控制系統的結構。將來自上述水平角檢測器26、上述高低角檢測器52、上述傾斜 傳感器56的檢測信號輸入到上述控制部6,并且，測量人員可從操作 部57將開始測量上述位置測量裝置1所需的條件、測量開始的指令 等輸入到上述控制部6。此外，上述操作部57可設置在上述主體部箱 體27等的箱體內，或者也可另行獨立地設置，可由無線、紅外線等 信號傳遞介質進行遙控操作。上述控制部6驅動上述水平旋轉電動機20、上述高低旋轉電動機 53、上述校平電動機17，并且，上述控制部6還對顯示操作狀況、測 量結果等的顯示部58進行驅動。此外，在上述控制部6上設置存儲 卡、HDD等外部存儲裝置59，或者可裝卸地進行設置。對上述控制部6的概略情況進行說明。該控制部6具有以CPU為代表的運算部61和存儲程序并存儲測 量數據、圖像數據等數據的存儲部62。程序是用于進行測距、高低角 的檢測、水平角的檢測所需的順序程序、運算程序、執行測量數據的 處理的測量數據處理程序、進行圖像處理的圖像處理程序、在上述顯 示部58上顯示數據用的圖像顯示程序等程序、或者綜合管理這些程 序的程序等。此外，上述控制部6具有用于驅動控制上述水平旋轉電 動機20的水平驅動部63、用于驅動控制上述高低旋轉電動機53的高
低驅動部64、用于驅動控制上述校平電動機17的校平驅動部65、以 及用于處理由上述測距部4得到的距離數據的距離數據處理部66、用 于處理由上述攝像部5得到的圖像數據的圖像數據處理部67等。此外，上述距離數據處理部66、上述圖像數據處理部67的功能 也可由上述運算部61執行，此時，能夠省略上述距離數據處理部66 和上述圖像數據處理部67。此外，單獨具有上述距離數據處理部66、 上述圖像數據處理部67,由此，可并行地執行距離數據處理、圖像數 據處理，并能夠進行高速處理。此外，也可另外設置上述距離數據處理部66和上述圖像數據處 理部67。例如，另外配備PC (Personal Computer:個人計算機)， 也可使該PC執行上述距離數據處理部66和上述圖像數據處理部67 的功能。此時，距離數據、圖像數據也可被存儲于上述外部存儲裝置 59中，在數據被存儲后，從上述控制部6拆卸該外部存儲裝置59并 連接在PC上，由PC執行距離數據處理、圖像數據處理。此外，采用 無線LAN等所需的通信方法，也可將用上述位置測量裝置1所取得的 數據發送給PC。此時，無需使上述外部存儲裝置59可裝卸，或者也 可省略該外部存儲裝置59。接著，參照圖4~圖6，對上述位置測量裝置1所進行的測量工 作和圖像數據、測距數據的取得進行說明。在已知點設置上述位置測量裝置1,由上述操作部57指定校平， 并執行校平。經上述校平驅動部65驅動上述校平電動機17，由上述傾斜傳感 器56檢測上述位置測量裝置1的傾斜，將該傾斜傳感器56的檢測結 果反饋給上述控制部6。利用上述校平電動機17使上述調節螺釘14 旋轉，以便使上述傾斜傳感器56對水平進行檢測。若校平完成，則在上述顯示部58上進行校平完成的顯示，或者 用警告聲等告知校平完成。若校平結束，則用上述瞄準器46進行準直，使上述位置測量裝 置l朝向測量方向，并且，進行測量區域72的設定。進行該測量區域72的攝像，但是，在該測量區域72的寬度超過 1次的攝像范圍的情況下，對區域進行分割并進行攝像(在圖示中為 分割成8份)。在將區域分割并進行攝像的情況下，以如下方式進行
攝像為了容易連接被分割攝像后的圖像數據，在鄰接的攝像圖像 間，所需的部分進行重疊。通過上述測量區域72的設定、以及設定1次的攝像范圍、重疊 量，由此，由上述運算部61對在將區域分割攝像的情況下的必要條 件進行運算。例如，對于進行攝像的區域的分割數、每次攝像使上述 測量裝置主體部7旋轉的旋轉角、該測量裝置主體部7的攝像方向、 上述高低旋轉反射鏡35的旋轉角和該高低旋轉反射鏡35的高低角等 進行運算。由上述操作部57指令攝像的執行。以上述高低旋轉反射鏡35的反射面與上述圖像光接收部43對置 的方式設定上述高低旋轉反射鏡35的姿勢，并且，驅動上述水平旋 轉電動機20、上述高低旋轉電動機53，上述測量裝置主體部7在水 平方向旋轉，上述高低旋轉反射鏡35在高低方向旋轉。將由上述水平角檢測器26檢測出的水平角、以及由上述高低角 檢測器52檢測出的高低角反饋到上述控制部6，以上述投射光光軸36 與分割后的攝像區域(以下，記作分割區域7 3a ~ 7 3h )方向的水平角、 高低角 一致的方式進行控制。按照上述各分割區域73a 73h，在所運算的水平角、高低角與上 述水平角檢測器26、上述高低角檢測器52所檢測出的水平角、高低 角一致的的狀態下，由上述圖像光接收部43進行上述各分割區域 73a ~ 73h的攝像。來自上述圖像光接收部43的光接收信號將與上述各分割區域 73a 73h對應的圖像作為數字圖像數據，存儲在上述存儲部62中。此外，數字圖像數據是上述圖像光接收部43的各個像素的信號 的集合，此外，各個像素的信號具有指定上述圖像光接收部43內的 位置(坐標位置)的信號。此外，相對于上述攝像光軸44指定該圖 像光接收部43內的位置，進而，各圖像的該攝像光軸44的水平角、 高低角是由上述水平角檢測器26、上述高低角檢測器52所檢測出的 值，這些值是已知值。從而，在全部圖像的上述測量區域72內的位 置為已知，并且，各圖像的全部像素的上述測量區域72內的位置為 已知。存儲于上述存儲部62中的圖像數據按各像素包含水平角數據、 高低角數據(地址數據)。
若上述測量區域72的攝像完成，則連接各分割區域的圖像數據，由此，得到包含上述測量區域72的連接圖像，在該連接圖像上重新 設定上述測量區域72，由上述操作部57指令上述測量區域72的測距 的執行。以上述高低旋轉反射鏡35的反射面與上述發光元件31對置的方 式設定上述高低旋轉反射鏡35的姿勢，并且，驅動上述水平旋轉電 動機20、上述高低旋轉電動機53，使上述測量裝置主體部7在水平 方向旋轉，上述高低旋轉反射鏡35在高低方向旋轉。從上述發光元件31以脈沖式發出測距光，測距光通過上述有孔 反射鏡33的孔，被上述高低旋轉反射鏡35偏轉，投射到上述投射光 光軸36上。在測距光以脈沖式發光的狀態下，同步地驅動上述水平 旋轉電動機20和上述高低旋轉電動機53,使上述測量裝置主體部7 在水平方向旋轉，上述高低旋轉反射鏡35在高低方向旋轉，由此， 利用上述以脈沖式發出的測距光37 (以下，記作測距光37)來掃描 (激光掃描)上述測量區域72。此外，被測量對象物71反射的反射測距光由上述高低旋轉反射 鏡35偏轉到上述發光光軸32上，測距光被上述有孔反射鏡33反射， 由上述測距光接收部39接收。在上述測距部4中，基于反射測距光， 按各脈沖進行距離測量。取得按各脈沖進行測距后的距離數據。此外，也同時取得脈沖式 發光時的上述水平角檢測器26的檢測水平角、上述高低角檢測器52 的檢測高低角，使各距離數據與高低角數據、水平角數據相對應地存 儲于上述存儲部62中。此外，與各像素相關的水平角和與距離數據 相關的水平角相等地對應，與各像素相關的高低角和與距離數據相關 的高低角的關系為(像素高低角-90。)=(距離數據高低角)。在此處，雖然依賴于上述測量區域72的寬度，但是，所取得的 距離數據的數目仍達到數百萬~數千萬。使所取得的距離數據與高低 角數據、水平角數據對應，由此，得到關于各測量點的3維點數據， 進而得到包含于上述測量區域72內的多個點數據，即，得到3維數 據組(點群數據)。 -此外，上述測距部4和上述攝像部5 —體地設置在上述測量裝置 主體部7上，利用同一光軸進行攝像并進行測距，并且，利用上述旋
轉機構部3使上述測距部4和上述攝像部5 —體地水平旋轉，所以，在點群數據與圖像數據之間不致因旋轉而產生位置偏移。由于上述圖 像數據的各像素的水平角數據、高低角數據和與上述點群數據的各點 的距離數據對應的高低角數據、水平角數據——對應，所以，上述距 離數據和上述圖像數據可基于高低角數據、水平角數據而直接對應。上述測距光37所作的上述測量區域72整個區域的掃描完成，由 此，圖像數據、3維數據組(點群數據)的取得完成。進而，用圖7 ~圖16說明帶圖像的3維數據的生成處理。 步驟01 在對上述位置測量裝置1的已知點，例如A點的設置 完成后，進行掃描模式的設定。掃描模式是用于實施激光掃描的條 件，在該條件中包含掃描間距、測距光37的束直徑、掃描點等。步驟02 進行掃描區域(測量區域72 )的設定。該測量區域72 的設定是在顯示于上述顯示部58的畫面上利用水平角H、垂直角V進 行設定。例如，通過設定矩形的4個角的(水平角Hl、垂直角VI)、 (水平角H2、垂直角V2)、(水平角H3、垂直角V3)、(水平角H4、 垂直角V4),來設定矩形的測量區域72。此外，也可通過觀察上述瞄準器46來設定測量區域72。 步驟03 進行上述測量區域72的圖像拍攝。在該測量區域72 的寬度超過1次的攝像范圍的情況下，分割區域并進行攝像。在對進 行區域分割并進行攝像的情況下，如上述那樣，以在鄰接的攝像圖像 間所需的部分相重疊的方式進行攝像。對于所攝像后的圖像(以下， 記作分割圖像)來說，使重疊的部分重合而連結在一起，圖像在上述 顯示部58上顯示為全景圖像。在全景圖像上詳細地設定上述測量區 域72。步驟04 對所設定的上述測量區域72的范圍進行激光掃描并 進行測量。測量的實施是在上述所設定的范圍內，脈沖測距光在上述 測量區域72內進行掃描，由此，按各脈沖執行測距，以取得各脈沖 的距離數據。此外，利用上述水平角檢測器26、上述高低角檢測器52 分別對每一脈沖的高低角、水平角進行檢測，從上述水平角檢測器 26、上述高低角檢測器52取入檢測結果，使檢測結果與各距《離數據 相對應，被存儲于上述存儲部62內。即，對照射了各脈沖的點(測 量點)實施3維測量，測量結果作為點群數據被存儲于上述存儲部62內。步驟05 抽取在圖像上被詳細設定的上述測量區域72內的點 群數據。步驟06 上述圖像數據的各像素的視角對上述攝像光軸44而 言是已知的，此外，由于該攝像光軸44的高低角與攝像方向的高低 角一致，所以，各像素的高低角可通過運算求得。從而，上述圖像數 據與上述3維數據組的對應可基于測量點的高低角、圖像的高低角來 進行。此外，上述攝像部5的攝像光軸與上述測距部4的測距光軸相 同，此外，由于該測距部4和上述攝像部5 —體地水平旋轉，所以， 不產生上述圖像數據與上述3維數據組的位置關系的偏移。從而，在 上述圖像數據與上述3維數據組的對應中，無需光軸對準、圖像的旋 轉等圖像處理。此外，無需另外設定測量對象物的基準點等，此外， 無需從圖像中抽取對應的基準點。進而，由于無需從圖像中抽取基準 點，所以，也沒有抽取時所產生的誤差。步驟07 如上述那樣，點群數據的數據數目達到數百萬點至數 千萬點。因此，將點群數據TIN化(不定形三角網化多邊形網格化)， 進行數據的壓縮、數據的省略，以減輕上述運算部61的負擔。此外，不定形三角網由以3個3維數據為頂點的3角形構成，但 是，粗略地選擇還是仔細地選擇作為頂點而選擇的3維數據，不定形 三角的大小是不同的。圖8 (A)示出了粗略地選擇3維數據的情形， 圖8 ( D )示出了仔細地選擇3維數據的情形，圖8(B) 圖8(C) 示出了其中間情形。通過進行TIN化，形成具有3維數據的不定形三角面，省略該不 定形三角面內所包含的點數據(數據被壓縮)。然而，通過準備幾個將數據TIN化時的圖形，可選擇增大數據的 壓縮率以實施高速處理的方式和減小數據的壓縮率以實施細密處理的方式等，可選擇與狀況對應的處理方式。步驟08 進行TIN化后的點群數據與圖像數據的對應，進行點 群數據與圖像數據的合成(結構映射)。在此處，已取得關于將數據 TIN化時的不定形三角頂點的數據的高低角、水平角，此外，圖像數 據中的各像素的高低角、水平角依據視角也已知，進而，由于依據共 同的上述投射光光軸36進行攝像和測距，所以，對于上述不定形三
角頂點來說，可基于高低角、水平角直接指定圖像數據中的像素，容 易實施點群數據與圖像數據的結構映射。步驟09 生成使點群數據與圖像數據對應并合成后的帶圖像的 3維數據。所生成的帶圖像的3維數據被存儲于上述存儲部62中。此外，也可變更上述測量區域72，同樣地生成帶圖像的3維數據， 將對多個測量區域72所生成的多個帶圖像的3維數據存儲于上述存 儲部62中。接著，說明利用上述位置測量裝置1生成帶立體圖像的3維數據 的情形。在帶立體圖像的3維數據的生成中，將上述位置測量裝置1 設置于其它的已知點，例如B點上，與上述步驟Ol-步驟09中所 述同樣地，對上述測量區域72生成來自B點方向的帶圖像的3維數 據。此外，也可從3個以上的方向進行測量，生成帶圖像的3維數據， 并存儲于上述存儲部62中。以下，參照圖9 圖16,說明來自A點方向的帶圖像的3維數據 (基準數據)與來自B點方向的帶圖像的3維數據(合成用的輔助數 據)的合成。對上述操作部57進行操作，啟動帶立體圖像的3維數據生成用 的圖像處理程序。啟動該圖像處理程序，由此，由窗口 68a、窗口 68b、 窗口 68c構成上述顯示部58的畫面，在上述窗口 68a中，例如顯示 上述基準數據，在上述窗口 68b中，例如顯示上述輔助數據，在上述 窗口68c中，例如顯示合成圖像。上述窗口 68a、上述窗口 68b、上述窗口 68c可獨立地擴大或縮 小尺寸，此外，在上述窗口68中，以帶圖像的方式顯示點群數據。步驟11 指定基準數據，由此，將基準數據在上述窗口 68a顯 示出來。以基準數據的坐標系為基準，進行基準數據與輔助數據的合 成。步驟12 指定輔助數據，由此，將輔助數據在上述窗口 68b顯 示出來。步驟13 在上述窗口 68a和上述窗口 68b的各自的圖j象上，沖既 略地指定至少3點共同顯示的部位。由操作人員從圖像上選擇特征部 位例如角、交點等，用鼠標或觸摸筆等來指定所指定的點。步驟14、步驟15 若確認指定3點以上，則以上述基準數據 的坐標系為基準，為使上述基準數據與上述輔助數據的坐標匹配，僅 對上述輔助數據按下述正交變換式(1)進行坐標變換。(X， Y， Z) =R- (x， y， z) + (XO, YO, Z0 ) ... (1)其中(X， Y， Z):基準數據的點群的坐標， (x， y， z):輔助數據的點群的坐標， 變換參數為R:旋轉矩陣(co, cp, k),平移量(X0， YO, Z0)。 此外，在指定點為4點以上的情況下，用最小2乘法求解，計算 與基準數據的點群、輔助數據的點群的X、 Y、 Z的殘差。圖12 (B)表示進行了坐標變換并校正了旋轉、平移量時的圖像。 如上所述，已對在來自A方向與B方向這2個方向的2個帶圖像 的3維數據間進行坐標變換的例子作了說明，但是，在遍及測量區域 的整個周長、逐次以恒定角度偏移并得到多個帶圖像的3維數據(A1、A2、 A3........ Ai)的情況下，如果在相鄰方向的2個3維數據，即在"A1與A2" 、"A2與A3" 、 ......、"Ai —1與Ai，， 、"Ai與Al"之間以共同的點為約束點(基準點)依次進行圖像變換，根據其結果 調整整體中的變換系數，利用該調整后的變換系數進行最終的坐標變 換，則可進行更高精度的坐標變換。步驟16 使基準數據的圖像與輔助數據的圖像匹配。采用在步 驟13中所指定的點和在步驟15中進行坐標變換后的圖像，進行 基準數據的圖像與輔助數據的圖像的匹配，求出在步驟13中所指定 的點的位置的準確位置。采用基準數據的圖像與輔助數據的圖像的灰 度等級信息進行圖像匹配。在進行基準數據與輔助數據的匹配的情況下，以在步驟13中所 指定的點的大致位置為中心，在基準數據上設定預定形狀例如正方形 的模板69a，此外，在輔助數據上以在步驟13中所指定的點的大致 位置為中心，設定搜索區域69b。該搜索區域69b大于上述模板69a， 例如，搜索區域69b為模板69a的2倍左右的大小。在上述搜索區域 69b內，使被設定為與所述搜索區域69a同樣大小的模板69a'移動， 搜索上述模板6 9a的濃度值與上述模板6 9a'的濃度值最近似的上述模 板69a'的位置。上述基準數據的圖像與上述輔助數據的圖像在步驟15的坐標變 換中其灰度、斜率大體一致，得到精度高的搜索結果。在此處，進而采用對于對象物的凹凸形狀或投影畸變有效的匹配 方》去艮卩最小2乘匹酉己LSM (Least Squares Matching)，以高4青度 進4亍圖^象間的匹配。如圖14、圖15所示，最小2乘匹配是如下方法將模板69a的 形狀仿射變形為模板69a，的形狀并進行匹配，用子像素單位測量對應 點。將進行圖形比較時的模板69a設為fl (i、 j),將變形后的模板 69a，設為f2 (x、 y),用下式的仿射變換來近似該模板69a，的變形。x=ali+a2j+a3 y=a4i+a5j+a6 ... (2)此外，逐個進行比較的像素中的濃度差用以下的形式給出。d ( i, j ) = fl ( i, j ) -f2 ( x, y )=fl ( i, j )-f2(ali+a2j+a3， a4i+a5j+a6)接著，確定使濃度差的平方和最小的條件，即，滿足Sd(i， j) 2 —min的al ~ a6的值。在此處，al、 a2、 a4、 a5表示沖莫板69a，的變 形，a3、 a6為應求得的檢測位置的坐標，可進行子像素精度的位置檢 測。通常，在匹配的過程中掌控這些變形參數。在此處，由于在映射 于點群數據上的圖像上掌控這些參數，所以，可容易推測模板69a， 的變形。從而，根據該變形求得上述參數并進行匹配，由此，可進行 高精度的并且迅速的匹配。此外，如圖16所示，不僅用上述設定的 概略點，還可用圖像的特征來形成網格，并可使這些圖像匹配。此外，如上所述，對在仿射變形的過程中進行匹配的例子進行了 說明，但如本實施例所示，當預先在步驟14中進行概略的坐標變換 的情況下，為推測仿射變形的范圍而以限制于預定范圍的仿if變形進 行匹配的方法、或者用不進行仿射變形、使模板的形狀仍為矩形來進
行匹配的方法，都可確保足夠的精度。步驟17 采用通過步驟16的圖像匹配而得到的坐標，采用與 步驟15同樣的公式，進行最終的坐標變換。步驟18 在上述窗口 68c中顯示步驟17的坐標變換的結果， 確認合成結果。然后，得到與點群數據相對應的立體圖像。這樣，通過使基準數據的圖像與輔助數據的圖像匹配，進行輔助 數據對基準數據的坐標變換，由此，可進行基準點群數據與輔助點群 數據的合成。在將點群數據彼此之間進行合成的情況下，難以在點群 數據之中設定共同點，但通過經圖像彼此之間的匹配而進行合成，很 容易進行點群數據彼此之間的合成。如上所述，已對在來自A方向和B方向這2個方向的2個圖像中 進行匹配的例子作了說明，但在遍及測量區域的整個周長、以恒定角度偏移并得到多個帶圖像的3維數據(Al、 A2、 A3........ Ai)的情況下，如通過相鄰方向的2個圖像數據的匹配而分別進行坐標變換， 并根據其結果調整整體中的坐標變換，則能夠以更高的精度進行點群 數據的合成，這與上述情況相同。此外，其時也可另外包含用全體測 量點等進行了測量的基準點來進行調整。接著，說明可進行上述測量的其它位置測量裝置1。圖17、圖18示出了本發明的第2實施例的位置測量裝置1。此 外，圖17和圖18具有與圖1和圖2同樣的關系。此外，在圖l7、圖 18中，對與圖l、圖2中所示的部分相同的部分標以相同的符號而省 略其說明。在第2實施例中，對第1實施例中所用的旋轉機構部3進行了簡 化。此外，對于將發光光軸32與攝像光軸44在光學上進行分離的結 構，與上述第l實施例相同。此外，在第2實施例中，也使用紅外光 作為測距光。在容納圖像光接收部43、束分離器74、聚光透鏡34等 的鏡筒28的上端部，設置形成該鏡筒28的一部分的上端軸部75,在 該上端軸部75上經軸承76可自由旋轉地設置旋轉臺77。在該旋轉臺 77上安裝反射鏡支架47,進而在該反射鏡支架47上可自由旋轉地設 置高低旋轉反射鏡35,設置使該高低旋轉反射鏡35旋轉的高低旋轉 驅動齒輪54，設置檢測上述高低旋轉反射鏡35的高低角的高低角檢 測器52。
在上述旋轉臺77上設置水平旋轉齒輪25,在主體部箱體27的上 表面設置使該水平旋轉齒輪25旋轉的水平旋轉電動機20。此外，在 上述旋轉臺77與上述主體部箱體27之間設置檢測上述旋轉臺77的 旋轉角的水平角檢測器26。在第2實施例中，僅上述高低旋轉反射鏡35在高低方向旋轉， 并且，在水平方向旋轉，測距部4、攝像部5固定地被收容在測量裝 置主體部7內。在第2實施例中，攝像光軸、測距光軸與投射光光軸36 —致， 為同一光軸，通過上述高低旋轉反射鏡35在高低方向的旋轉、在水 平方向的旋轉，可在所需范圍內進行測量，得到所需方向的攝像圖像。此外，在第2實施例中，上述旋轉臺77進行旋轉，由此，圖像、 反射測距光的光接收狀態也相對上述圖像光接收部43旋轉，但是， 由于圖像、反射測距光的光接收狀態對上述圖像光接收部43的旋轉 被上述水平角檢測器26檢測，所以，可按照該水平角檢測器26的檢 測角對圖像數據、距離數據進行修正。在第2實施例中，可實現裝置的小型化。
權利要求
1.一種位置測量裝置，其特征在于，具備距離測量部，向測量區域照射并掃描測量用脈沖束，基于該測量用脈沖束的反射光進行測距，以求得測量區域中的位置數據組；數字攝像部，對上述測量區域進行攝像，以取得圖像數據；存儲部，使上述位置數據組與上述圖像數據相對應，存儲從至少2個方向取得的至少2組的上述位置數據組和上述圖像數據；運算部，基于所存儲的2個圖像數據進行兩圖像的匹配，從而進行上述至少2個位置數據組的合成。
2. 如權利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于， 還具備瞄準器，上述運算部用瞄準器設定上述測量區域，當測量區域的寬度超過1次攝像范圍的情況下，對分割方式進行運算，對分 割圖像進行多次攝像，將分割圖像進行合成，得到測量區域的圖像。
3. 如權利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于， 上述運算部根據上述位置數據組進行多邊形網格化，使多邊形網格與上述圖像數據相對應。
4. 如權利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于， 上述運算部對在上述2個圖像數據中共同的至少3點以上進行大致設定，在以該3點以上為基準對一個圖像進行坐標變換后，進行上 述2個圖像的匹配，利用由該圖像匹配得到的坐標進一步進行坐標變 換。
5. 如權利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于， 上述運算部將在上述2個圖像數據中共同的點大致設定為3點以上，在一個圖像中設定包含共同點的所需區域的模板，在另一圖像中 設定比包含共同點的上述模板大的區域的搜索區域，對于上述模板的 圖像和上述搜索區域的圖像，用最小2乘法進行圖像匹配。
6. 如權利要求4所述的位置測量裝置，其特征在于， 上述運算部在對2個以上的位置數據組進行合成的情況下，設定至少3點以上的在位置數據組中共同的點，基于該點采用全部位置數 據組進行坐標變換，調整整體位置數據組的合成。
7. —種位置測量方法，其特征在于，具有如下步驟第1步驟，向測量區域照射并掃描測量用脈沖束，基于該測量用脈沖束的反射光進行測距，求得測量區域中的位置數據組； 第2步驟，對上述測量區域進行攝像，以取得圖像數據； 第3步驟，使上述位置數據組與上述圖像數據相對應，存儲從至少2個方向取得的至少2組的上述位置數據組和上述圖像數據；以及 第4步驟，基于所存儲的2個圖像數據進行兩圖像的匹配，從而進行2個位置數據組的合成。
8. 如權利要求7所述的位置測量方法，其特征在于，在上述位置數據組與上述圖像數據的對應中，根據上述位置數據 組進行多邊形網格化，使多邊形網格與上述圖像數據相對應。
9. 如權利要求7所述的位置測量方法，其特征在于，具有以下 步驟對在上述2個圖像數據中共同的至少3點以上進行大致設定，在 以3點以上為基準對一個圖像進行坐標變換后，進行上述2個圖像的 匹配，利用由該圖像匹配得到的坐標再進行坐標變換。
10. 如權利要求7所述的位置測量方法，其特征在于， 在上述匹配中，將在上述2個圖像數據中共同的點大致設定為3點以上，在一個圖像中設定包含共同點的所需區域的模板，在另一圖 像中設定比包含共同點的上述模板大的區域的搜索區域，對于上述模 板的圖像和上述搜索區域的圖像用最小2乘法進行圖像匹配。
11. 如權利要求9所述的位置測量方法，其特征在于， 在上述坐標變換中，在對2個以上的位置數據組進行合成的情況下，設定至少3點以上的在位置數據組中共同的點，基于該點采用全 部位置數據組進行坐標變換，調整整體位置數據組的合成。
12. —種位置測量程序，其特征在于，執行如下步驟 向測量區域照射并掃描測量用脈沖束；基于該測量用脈沖束的反射光進行測距；求得測量區域中的位置數據組；對上述測量區域進行攝像，以取得圖像數據；使上述位置數據組與上述圖像數據相對應，存儲從至少2個方向 取得的至少2組的上述位置數據組和上述圖像數據；基于所存儲的2個圖像數據進行兩圖像的匹配，從而對2個位置 數據組進行合成。
13. 如權利要求12所述的位置測量程序，其特征在于，在上述位置數據組與上述圖像數據的對應中，根據上述位置數據 組進行多邊形網格化，使多邊形網格與上述圖像數據相對應。
14. 如權利要求12所述的位置測量程序，其特征在于， 對在上述2個圖像數據中共同的至少3點以上進行大致設定，在以該3點以上為基準對一個圖像進行坐標變換后，進行上述2個圖像 的匹配，利用由該圖像匹配得到的坐標再進行坐標變換。
15. 如權利要求12所述的位置測量程序，其特征在于， 在上述匹配中，將在上述2個圖像數據中共同的點大致設定為3點以上，在一個圖像中設定包含共同點的所需區域的模板，在另一圖 像中設定比包含共同點的上述模板大的區域的搜索區域，對于上述模 板的圖像和上述搜索區域的圖像用最小2乘法進行圖像匹配。
16. 如權利要求14所述的位置測量程序，其特征在于， 在上述坐標變換中，在對2個以上的位置數據組進行合成的情況下，設定至少3點以上的在位置數據組中共同的點，基于該點采用全 部位置數據組進行坐標變換，調整整體位置數據組的合成。
全文摘要
本發明涉及一種位置測量裝置，具備距離測量部，向測量區域照射并掃描測量用脈沖束，基于該測量用脈沖束的反射光進行測距，求得測量區域中的位置數據組；數字攝像部，對上述測量區域進行攝像，以取得圖像數據；存儲部，使上述位置數據組與上述圖像數據相對應，存儲從至少2個方向取得的至少2組的上述位置數據組和上述圖像數據；以及運算部，基于所存儲的2個圖像數據進行兩圖像的匹配，從而進行上述至少2個位置數據組的合成。
文檔編號G01B11/00GK101149252SQ200710154328
公開日2008年3月26日 申請日期2007年9月21日 優先權日2006年9月22日
發明者伊藤忠之, 大谷仁志 申請人:株式會社拓普康
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