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形状測定装置及びその方法

国内特許コード P110003836
整理番号 A171P30
掲載日 2011年7月1日
出願番号 特願2006-510154
登録番号 特許第4565348号
出願日 平成16年9月15日(2004.9.15)
登録日 平成22年8月13日(2010.8.13)
国際出願番号 JP2004013419
国際公開番号 WO2005080914
国際出願日 平成16年9月15日(2004.9.15)
国際公開日 平成17年9月1日(2005.9.1)
優先権データ
  • 特願2004-050029 (2004.2.25) JP
発明者
  • 池内 克史
  • 長谷川 一英
  • 増田 智仁
出願人
  • 国立大学法人 東京大学
  • 独立行政法人科学技術振興機構
発明の名称 形状測定装置及びその方法
発明の概要

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。

従来技術、競合技術の概要


近年、高精度なレーザレンジセンサから取得された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。



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やオ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、地上からの計測だけでは不十分である。



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く、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化してくると、様々な視点からの計測が必要となり、その都度足場を組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。




【非特許文献1】K. Nishino and K. Ikeuchi: Robust simultaneous registration of multiple range images. Proceedings of the 5th Asian Conference on Computer Vision, Vol.2, pp.455-461, (2002)

【非特許文献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)

【非特許文献3】Mark D. Wheeler: Automatic Modeling and Localization for Object Recognition. PhD thesis, School of Computer Science, Carnegie Mellon University, (1996)

【非特許文献4】E. Polak: Computational Methods in Optimization. New York: Academic Press, (1971)

【非特許文献5】David A.H.Jacobs: The States of the Art in Numerical Analysis. London; Academic Press, (1977)

【非特許文献6】J.Stoer and R.Bulirsch: Introduction to Numerical Analysis. New York; Springer-Verlag, (1980)

産業上の利用分野


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、対象物を地上から計測するとともに、フライングレンジセンサによって上空からの計測を行い、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。

特許請求の範囲 【請求項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2つは前記第1群の測定点の内の少なくとも2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システム。
【請求項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ことを特徴とする請求項1に記載のシステム。
【請求項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ユニ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。
【請求項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ピュータを具備することを特徴とする請求項3に記載のシステム。
【請求項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の観測点からの計測結果を補正する請求項1ないし4のいずれかに記載のシステム。
【請求項6】 式(1)におけるZij(p)の勾配が式(2)の関係を有することを前提に、共役勾配法により式(1)のE(p)を最小化する移動速度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。
【数式1】
E(p)はローレンツ関数を用いたM推定法で重み付けたρ(zij(p))の平均で定義している誤差関数
ij(p)=||R(q)g(k)+m-yij|| 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
ij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ニオンqで構成されるパラメータ群
R(q)は、回転を表すクォータニオンqの関数
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

は、位置合わせを行う画像中のi番目の点
d(v)は、形状パラメータの項g(k)について置換される、速度ベクトルvをパラメータとした歪みの補正項
は、スキャンからの経過時間
【請求項7】 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2つは前記第1群の測定点の内の少なくとも2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から第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。
【請求項8】 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ユニットによって実行する請求項7に記載の方法。
【請求項9】 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7又は8に記載の方法。
【請求項10】 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に記載の方法。
【請求項11】 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の観測点からの計測結果を補正する過程を含む請求項7ないし10のいずれかに記載の方法。
【請求項12】 式(1)におけるZij(p)の勾配が式(2)の関係を有することを前提に、共役勾配法により式(1)のE(p)を最小化する移動速度ベクトルを求めることを特徴とする請求項11に記載の方法。
【数式2】
E(p)はローレンツ関数を用いたM推定法で重み付けたρ(zij(p))の平均で定義している誤差関数
ij(p)=||R(q)g(k)+m-yij||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
ij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ニオンqで構成されるパラメータ群
R(q)は、回転を表すクォータニオンqの関数
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

は、位置合わせを行う画像中のi番目の点
d(v)は、形状パラメータの項g(k)について置換される、速度ベクトルvをパラメータとした歪みの補正項
は、スキャンからの経過時間
産業区分
  • 測定
  • その他通信
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
参考情報 (研究プロジェクト等) CREST 高度メディア社会の生活情報技術 領域
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