CN1701214B - 三维测量装置及电子存储媒体 - Google Patents

Abstract

本发明是利用测量装置及拍摄装置来计算三维坐标数据用的三维测量装置等，测量装置根据及角度来测定瞄准目标的位置，拍摄装置从不同的多个方向取得包含瞄准目标的测量对象物体图像，运算处理手段将瞄准目标作为对应点，进行拍摄装置的图像匹配，并将测量装置测定的瞄准目标的位置与进行了匹配的图像中的瞄准目标相关联，根据该相关联的关系来计算测定对象物体的三维坐标数据。

Description

三维测量装置及电子存储媒体

技术领域

本发明涉及利用测量装置及拍摄装置对三维坐标数据进行运算用的三维测量装置等，特别涉及利用测量装置决定对应点的位置、并能够立体显示的三维测量装置。 

背景技术

以往，在根据图像数据得到三维坐标时，例如使用数码照相机等拍摄手段及大小已知的基准结构物。将基准结构物放置在成为测定目标的物体附近，用照相机对该基准结构物从两个方向或多个方向进行拍摄。在该照相机上设置测定图像的前后左右倾斜用的倾斜计。基准结构物使用大小已知的例如三角形的结构物。用照相机拍摄的位置及放置基准结构物的位置采用预先测量好的位置。 

从该拍摄位置从同时能拍摄成为测定目标的物体及基准结构物的构图进行拍摄。根据基准结构物及拍摄位置及拍摄图像上的位置，利用绝对标定来求出其关系，计算出成为测定目标的物体的三维坐标。 

但是，为了进行上述以隹的绝对标定，必须设置预先已知大小的基准结构物等。另外，还必须测量设置基准结构物的位置及拍摄的照相机的位置。存在的问题是，要设置基准结构物，同时要设置照相机，还进一步要进行测量，这是非常麻烦的，更何况在建筑物等情况下，尺寸还非常大，导致非常困难。再有的问题是，若在照相机上不设置检测倾斜用的倾斜计，就不能测量拍摄姿势，这样特殊的照相机的价格是极其贵的。 

发明内容

本发明正是鉴于上述问题而研究出的，它具有根据距离及角度来测定瞄准目标的位置用的测量装置、以及从不同的多个方向取得包含前述瞄准目标的测定对象物体图像用的拍摄装置，还具有运算处理手段，前述运算处理手段将前述瞄准目标作为对应点，进行前述拍摄装置的图像匹配，并将前述测量装置测定的瞄准目标的位置与进行了前述匹配的图像中的瞄准目标相关联，根据该相关联的关系来计算前述测定对象物体的三维坐标数据。

另外，本发明也可以采用这样的结构，即放置在已知点的测量装置至少测定六个瞄准目标的位置，运算处理手段修正该拍摄装置的倾斜或旋转，根据该瞄准目标的位置及前述拍摄装置的图像来求出该拍摄装置的位置，计算前述拍摄装置取得的测定对象物体的三维坐标数据。 

再有，本发明的瞄准目标也可以采用这样的结构，即由具有循环反射性的材料制成，在其表面形成容易瞄准的标记。 

另外，本发明所述的三维测量装置中，本发明的标记由能够根据拍摄装置的图像数据进行识别的标识部分及操作者能够识别的记号构成。 

另外，本发明的标记也可以由容易瞄准的十字标记及视觉上能够识别的文字及通过电气方式能够读取的代码构成。 

而且，也可以采用视觉上能够识别的文字是数字、通过电气方式能够读取的代码是条形码的结构。 

再有，本发明的三维测量方法包括根据测量装置得到的距离数据及角度数据来测定瞄准目标的位置的第1步骤、利用多台拍摄装置从不同的方向取得包含前述瞄准目标的图像的第2步骤、将前述瞄准目标作为对应点来进行前述拍摄装置的图像匹配的第3步骤、将前述第1步骤中测定的瞄准目标的位置与进行了前述匹配的图像中的瞄准目标相关联的第4步骤，以及根据前述第4步骤中得到的相关联的关系来计算前述测定对象物体的三维坐标数据的第5步骤。 

另外，本发明的三维测量装置由根据距离及角度来测定瞄准目标的位置同时取得包含瞄准目标的图像用的测量装置、从不同的多个方向取得包含前述瞄准目标的测定对象物体图像用的拍摄装置、以及运算处理手段构成，前述运算处理手段将前述测量装置取得的图像与前述拍摄装置取得的图像进行匹配，将前述瞄准目标作为对应点，进行前述拍摄装置的图像匹配，并将前述测量装置测定的瞄准目标的位置与前述拍摄装置的进行了匹配的图像中的瞄准目标相关联，根据该相关联的关系来计算前述测定对象物体的三维坐标数据。 

另外，本发明的电子存储媒体由存储了表示下述步骤的程序而构成，前述步骤包括读取测量装置测定的瞄准目标的距离数据及角度数据，读取多台拍摄装置从不同的方向拍摄的包含前述瞄准目标的图像数据，将前述瞄准目标作为对应点，进行前述拍摄装置的图像匹配，并将测定装置测定的瞄准目标的位置与进行了前述匹配的图像中的瞄准目标相关联，根据该相关联的关系来计算前述测定对象物体的三维坐标数据。 

附图说明

图1为本发明第1实施例的说明图。 

图2为本发明第1实施例的说明图。 

图3为第1实施例的目标标记2000的说明图。 

图4为第1实施例的测量仪1000的说明图。 

图5为第1实施例的测量仪1000的构成说明图。 

图6为本发明第2实施例的说明图。 

图7为第2实施例的说明图。 

图8为第2实施例的测量仪1000的构成说明图。 

图9为本实施例的作用的说明图。 

具体实施方式

[实施例] 

下面根据附图说明本发明的实施例。 

[第1实施例] 

第1实施例是在加密点(pass point)使用目标标记2000的三维测量装置。 

作为测量仪1000是使用能够测量到达放置在大地测量地点的反射棱镜之间的距离的全站仪。另外，为了对立体图像形成加密点，同时代替反射棱镜，使用在反射片上绘制标记的目标标记2000。 

下面根据图1说明第1实施例。 

在作为测定对象物体10000的加密点的至少六个位置处放置目标标记2000a、2000b、2000c、2000d、2000e、2000f，用粘贴剂等进行粘贴。 

在从任意的左右位置进行立体拍摄时，以照相机为中心，向前后左右绕光轴的三轴(X轴、Y轴、Z轴)旋转。这些照相机的倾斜表现为(ω、φ、κ：横摇角、纵摇角、偏转角)。 

在将它们作为变量来求解时，在数学上需要已知六个加密点。 

然后，将测量仪1000安装在离开测定对象物体的已知点、即测定目标标记2000的位置。这种情况的已知点是具有利用GPS装置或测量基准点等求得 的、包含高度的坐标位置的点。 

在已知点上放置三脚架，在三脚架上安装测量仪1000，测定机械高度。该机械高度是进行测量的实际高度。 

用测量仪1000瞄准第2已知点，作为测量水平角用的基准点。然后，瞄准目标标记2000a～目标标记2000f，测量目标标记2000a～目标标记2000f的水平角、竖直角及距离。 

根据设置测量仪1000的已知点与第2已知点的距离，已知点与目标标记2000a～目标标记2000f的距离、从基准点起的水平角及竖直角，确定目标标记2000a～目标标记2000f的坐标位置。 

然后，如图2所示，至少从左右两个方向用数码照相机3000拍摄测定对象物体10000，并一起拍摄目标标记2000a～目标标记2000f。 

将目标标记2000a～目标标记2000f作为加密点，求出拍摄左右图像的数码照相机3000的相互关系，进行互相标定。 

这里的所谓互相标定，是通过指示左右图像的对应点(加密点)，能够求出拍摄左右图像的数码照相机3000的相对关系。通过这样，能够定义以在照相机的光轴为中心的三维坐标系。 

通过这样，能够定义以某一数码照相机2000的光轴为中心的三维坐标系。 

对于通过相互标定的模型坐标系提供用测量仪1000进行测量所得到的加密点的坐标位置，进行变换为地上坐标系的绝对标定。 

这里的所谓绝对标定，是将用相互标定所得到的模型坐标系变换为地上坐标系的操作，通过提供在地上测量的三维坐标值，能够变换为图像上的点。 

另外，用数码照相机3000拍摄的照片由于是中心与周边的倍率不同的中心投影照片，因此经绝对标定后，变换为平行投影的正视图像。 

这里来说明正视图像，用照相机拍摄的照片是中心投影照片，而与此不同的是，将中心投影照片进行正斜投影的照片称为正视照片。中心投影照片由于是通过镜头拍摄的，因此整个照片不像地图那样的缩小比例尺是均匀的。与此相反，正视照片由于进行了正斜投影，因此缩小比例尺是均匀的，能够与地图同样处理。 

数码照相机3000的图像是由小的像素单位的数据构成，通过相互标定及绝对标定，对其一个一个像素给予坐标，对于用显示器等二维显示，则根据三维坐标加上阴影。在坐标变换中，重新计算像素单位的坐标，作为旋转等动作 进行显示。 

如上所述，本第1实施例涉及利用测量仪1000及数码照相机3000来计算三维坐标数据、并能进行立体显示的三维测定装置。 

正面说明测量仪1000的测量数据与数码照相机3000的图像的关系的一个例子。 

[公式1] 

$x=f\frac{a_{11}(X-\mathrm{Xc})+a_{12}(Y-\mathrm{Yc})+a_{13}(Z-\mathrm{Zc})}{a_{31}(X-\mathrm{Xc})+a_{32}(Y-\mathrm{Yc})+a_{33}(Z-\mathrm{Zc})}$

$y=-f\frac{a_{21}(X-\mathrm{Xc})+a_{22}(Y-\mathrm{Yc})+a_{23}(Z-\mathrm{Zc})}{a_{31}(X-\mathrm{Xc})+a_{32}(Y-\mathrm{Yc})+a_{33}(Z-\mathrm{Zc})}$

式中，f是数码照相机3000的焦距，a是数码照相机3000的倾斜(三轴的旋转角)(ω、φ、κ：横摇角、纵摇角、偏转角)，(X、Y、Z)是数码照相机3000相对于测量仪1000的位置坐标。 

图3是目标标记2000的放大图。底板用循环反射片构成。在反射片上画有表示瞄准点的十字线2100、及同样容易瞄准的以十字线为中心的圆。在圆的上方画有条形码2200，使得在变换为图像时容易读取。在圆的下方画有测定有识别目标标记2000用的数字2300。 

在该目标标记2000的背面粘贴有粘结剂，能够粘贴在任意的对象物体上。另外，也可以与粘结剂以外的其它安装手段组合，例如也可以采用在反射片上粘贴磁性体的结构。 

另外，目标标记2000是与瞄准目标对应的，以十字线2100为中心的圆相当于容易瞄准的标记。 

另外，条形码2200相当于能够根据拍摄装置的图像数据进行识别的标识部分，数字2300相当于操作看能够识别的记号。再有，条形码2200相当于通过电气方式能够读取的代码。 

如图4及图5所示，测量仪1000是全站仪，内装检测角度(竖直角有水平角)的电子经纬仪及光波测距仪。 

另外，在本实施例中，测量仪1000与数码照相机3000是分开构成的。 

下面根据图5，说明本实施例的测量仪1000的电气构成。 

测量仪1000由测距单元1100、角度测定单元1400、存储单元4200、显示 单元4300、驱动单元4400、控制运算单元4000、以及操作和输入单元5000构成。这里，存储单元4200用来存储数据及程序等。使用者利用显示单元4300及操作和输入单元5000能够对测量仪1000进行操作等。 

测距单元1100使用光波测距仪，测距单元1100用来根据反射光的位相差及时间差等测定到达测距目标的距离。测距单元1100具有发光单元1110及受光单元1120，从发光单元1110发出的测距光向测定对象物体的方向射出。来自测定对象物体的反射光入射至受光单元1120，采用这样的结构，能够测定到达测定对象物体的距离。 

即，从测量仪1000到测定对象物体的距离能够根据发光单元1110发出脉冲光之后到受光单元1120受光为止的时间差计算出来。另外，该计算在控制运算单元4000内进行。 

角度测量单元1400用来计算水平角及竖直角，由竖直角测角单元1410及水平角测角单元1420构成。 

竖直角测角单元1410例如使用竖直角编码器，检测相对于水平或天顶的竖直旋转量。水平角测角单元1420例如使用水平角编码器，能够检测相对于基准方向的水平旋转量。这些编码器例如由安装在旋转部分的转子及形成固定部分的定子构成。 

由竖直角测角单元1410及水平角测角单元1420构成的角度测定单元1400根据检测的水平旋转量及竖直旋转量，计算出水平角及竖直角。 

驱动单元4400由水平驱动单元4410及竖直驱动单元4420构成，利用电动机能够使测量仪1000在水平方向及竖直方向旋转。 

控制运算单元4000包含CPU等，进行各种运行等。 

另外，可以将记忆测量仪1000的运算单元1300运行步骤的程度存入FD、CD、DVD、RAM、ROM、存储器卡等电子存储媒体中。 

测量仪1000如图4所示，由望远镜单元4、支持望远镜单元4使其能够上下旋转的托架部分3、以及支承托架部分3使其能够水平旋转的底盘部分2构成。底盘部分2可通过校平台1安装在三脚架等上。 

在测量仪1000上，形成操作和输入单元5000的一部分即操作面板，安装成为显示单元4300的一部分的显示器。再有，在望远镜单元4中，物镜露出在外。 

[第2实施例] 

下面根据图6及图7说明在加密点不使用目标标记2000的第2实施例。本第2实施例与第1实施例不同，在测量仪1000上装有拍摄装置100。 

作为测量仪1000具有能够将瞄准方向作为图像取入的拍摄装置100。作为测量仪1000的距离测定功能，使用具有捕捉来自自然物体直接的反射而不需要反射棱镜的无棱镜功能的测量仪。 

如图6及图7所示，测量仪1000瞄准测定对象物体的任意部分，测定距离，同时同样测定水平角及竖直角。然后，拍摄装置100取得测量地点的图像。由于瞄准点是光轴中心，因此与图像中心一致。测量地点由于成为加密点，因此取得至少六个位置的测量值及图像。 

测量后，与第1实施例相同，使用数码照相机3000，至少从两个方向取得图像。 

然后，将数码照相机3000的图像与用测量仪1000取得的图像进行匹配。修正倍率、辉度及旋转，进行匹配，将瞄准位置作为照相机图像的加密点。 

在加密点决定后，求出拍摄左右图像的数码照相机3000的相对关系，进行相互标定。与第1实施例相同，加上用测量仪1000的测量得到的加密点的坐标位置，进行绝对标定，变换为正视图像。 

另外，拍摄装置100用来将图像装置数据变换为数字数据，例如是CCD等固体摄像元件。该拍摄装置100由CCD等构成的摄像元件110、以及由摄像元件110的输出信号形成图像信号用的图像电路120构成。 

下面根据图8说明本实施例的测量仪1000的电气构成。 

测量仪1000由拍摄装置100、测距单元1100、角度测定ufjq1400、存储单元4200、显示单元4300、驱动单元4400、控制运算单元4000、以及操作和输入单元5000构成。这里，存储单元4200用来存储数据及程序等。使用者利用显示单元4300及操作和输入单元5000能够对测量仪1000进行操作等。 

另外，除拍摄装置100以外，由于与第1实施例相同，因此省略说明。 

下面根据图9说明本实施例的作用。 

首先，在S91中，在作为测定对象物体10000的加密点的至少六个位置处放置目标标记2000a、2000b、2000c、2000d、2000e、2000f，对这些标记进行测量。 

接着，在S92中，至少从左右两个方向用数码照相机3000拍摄测定对象 物体10000，并一起拍摄目标标记2000a～目标标记2000f。 

然后，在S81中，使用在S91中得到的瞄准点(加密点)进行相互标定。在S81中，根据加密点能够计算出数码照相机3000的立体图像的倾斜与倍率等的关系。 

接着，在S82中，生成为了使立体图像的加密点对应用的偏移修正图像。S82的偏移修正图像的生成是利用斜影变换进行的。所谓斜影变换是指将数码照相机3000的受光元件上的某一点的照片坐标向其它平面投影的变换。这里是从一个图像抽取特征点，在另一图像的同一水平线上搜索，检索对应点。 

因而，必须变换为使数码照相机3000沿水平方向平行移动而投影的图像。即，必须将使用的图像变换为使数码照相机3000水平移动之后拍摄的那样的图像。利用这样的变换，即使是自然移动数码照相机3000之后的图像，也能够进行对应点的搜索。再有，在S83中，利用手动或自动来产生加密点。 

然后，在S84中，进行立体匹配。所谓该立体匹配，是对拍摄的两幅图像自动搜索对应点的方法。 

接着，在S85中，利用S84中搜索的对应点，能够求出拍摄左右图像的数码照相机3000的相对关系。通过这样，能够定义以在照相机的光轴为中心的三维坐标系。 

通过这样，能够定义以一个数码照相机3000的光轴为中心的三维坐标系。 

接着，在S86中，对利用相互标定所得到的模型坐标系提供能够用测量仪测量的加密点坐标位置，进行变换为地上坐标系的绝对标定。 

这里的所谓绝对标定，是将用相互标定所得到的模型坐标系变换为地上坐标系的操作，通过提供在地上测量的三维坐标值，能够变换为图像上的点。 

接着，在S87中，变换为地上坐标系的三维数据。例如，能够根据该数据显示在地上展开的正视图像。 

这里来说明正视图像。用照相机拍摄的照片是中心投影照片，而与此不同的是将中心投影照片进行正斜投影的照片称为正视照片。中心投影照片由于是通过镜头拍摄的，因此整个照片不像地图那样的缩小比例尺是均匀的。与此相反，正视照片由于进行了正斜投影，因此缩小比例尺是均匀的，能够与地图同样处理。 

数码照相机3000的图像是由小的像素单位的数据构成，通过相互标定及绝对标定，对其一个一个像素给予坐标。对于用显示器等二维显示，则根据三 维坐标加上阴影。在坐标变换中，重新计算像素单位的坐标，作为旋转等动作进行显示。 

如上所述，本实施例涉及利用测量仪1000及数据照相机3000来计算三维坐标数据、并能进行立体显示的三维测量装置。 

如以上那样构成的本发明，由于具有根据距离及角度来测定瞄准目标的位置用的测量装置、以及从不同的多个方向取得包含前述瞄准目标的测定对象物体图像用的拍摄装置，还具有运算处理手段，前述运算处理手段将前述瞄准目标作为对应点，进行前述拍摄装置的图像匹配，并将前述测量装置测定的瞄准目标的位置与进行了前述匹配的图像中的瞄准目标的位置与进行了前述匹配的图像中的瞄准目标相关联，根据该相关联的关系来计算前述测定对象物体的三维坐标数据，因此具有能够简便正确得到三维坐标数据的效果。 

工业上的实用性 

本发明涉及利用测量装置及拍摄装置对三维坐标数据进行运算用的三维测量装置等，特别是能够利用测量装置决定对应点的位置，可进行立体显示。 

Claims (1)

1.一种三维测量装置，其特征在于，具有：

根据距离及角度来测定瞄准目标的位置用的测量装置；

从不同的多个方向取得包含所述瞄准目标的测定对象物体图像用的拍摄装置；以及

运算处理单元，所述运算处理单元将所述瞄准目标作为对应点，进行所述拍摄装置的图像匹配，并将所述测量装置测定的瞄准目标的位置与进行了所述匹配的图像中的瞄准目标相关联，根据该相关联的关系来计算所述测定对象物体的三维坐标数据，

放置在已知点的测量装置至少测定六个瞄准目标的位置，所述运算处理单元修正该拍摄装置的倾斜或旋转，根据该瞄准目标的位置及所述拍摄装置的图像来求出该拍摄装置的位置，计算所述拍摄装置取得的测定对象物体的三维坐标数据，

所述运算处理单元通过对利用相互标定所得到的模型坐标系提供用所述测量装置所测得的所述瞄准目标的位置，从而进行将所述模型坐标系变换为地上坐标系的绝对标定。

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