JP6594686B2 - 三次元形状計測装置、三次元形状計測方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、構造物等の表面形状などの三次元形状情報等を非接触で計測する三次元形状計測装置、三次元形状計測方法、及びプログラムに関するものである。

従来、車両等の移動体に搭載され、トンネル等の計測対象の三次元形状情報を計測する装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。このような装置では、三次元形状情報の精度を高めるため、移動体の位置姿勢の計測精度が重要となる。

特許文献１には、車両に搭載した二次元レーザスキャナでトンネル内を走査し、車両位置の計測情報に基づいて、走査情報を三次元化して三次元形状情報を取得する三次元形状情報取得装置に関する技術が開示されている。この特許文献１では、トータルステーション（ＴＳ）又はＧＰＳ（Global Positioning System）により取得した車両の位置情報、姿勢情報はジャイロセンサ等の角速度センサにより取得した車両の姿勢情報を組み合わせることで、車両の位置姿勢を特定している。

また、特許文献２には、車両に二次元レーザスキャナを搭載し、ＧＰＳに基づいて車両の位置姿勢を特定するが、車両がトンネル内を走行中である場合等、ＧＰＳを使用できない場合は、角速度センサ及び車輪の回転センサの計測値に基づいたオドメトリ演算によって車両の位置姿勢を特定する断面計測装置に関する技術が開示されている。

一方、画像計測処理装置にカメラを接続し、カメラで撮像した被計測対象物の画像情報と予め記憶した被計測対象物の特徴点の実座標に基づいて、被計測対象物を基準としてカメラ位置及び角度を算出し、このカメラ位置及び角度に基づいて、被計測対象上の特徴点の３次元位置座標を算出する画像計測処理装置に関する技術が開示されている（特許文献３参照）。

特開２０１２−２５１７７４号公報 特許第５４７３３８３号公報 特許第５１５８３８６号公報

しかしながら、集合住宅やオフィスビルの基礎工事現場など高低差が多い場所では、車両を走行させて計測することが困難である。このような状況では、背負子等に装置を搭載し作業者が移動体となって背負子を担いで移動することで計測する方法が効果的である。しかし、特許文献２に記載の断面計測装置では、背負子に搭載した状態ではオドメトリが使用できなくなるため、角速度センサのみで位置を特定することとなり、累積誤差が大きくなって計測精度が低下する。

また、特許文献３に記載の画像計測処理装置では、サンプリングレートが遅い、スケールを定めるために対象物寸法の一部等を別途計測しておく必要がある、動く物体が映ると精度が低下する要因となるなど、計測精度や計測スピードが満足できるものではない。

これに対して、特許文献１に記載の三次元形状情報取得装置では、ＧＰＳが使えない場所でもＴＳと角速度センサとの組み合わせによって位置を特定することができ、トンネル内等でも移動体の位置の計測時の誤差の発生を抑制して、三次元形状情報を精度よく取得することができる。ただし、角速度センサには経時誤差があるため、このようなセンサを用いた場合でも、誤差の発生の抑制の維持効果が高く、高い精度で三次元形状の計測の精度を長時間でも行うことが可能な技術の開発が望まれている。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、構造物等の計測対象の三次元形状を、より速く、より高精度に計測することが可能な三次元形状計測装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の三次元形状計測装置は、計測対象の三次元形状情報を計測する三次元形状計測装置であって、移動体と、移動体に取り付けられ、計測対象の複数の所定の計測点までの距離情報を取得する距離情報取得部と、距離情報取得部の位置情報を取得する位置情報取得部と、距離情報取得部の第１の姿勢情報を取得する慣性情報取得部と、所定の撮像領域を撮像し複数の撮像画像を取得する少なくとも１つの画像情報取得部と、位置情報、第１の姿勢情報、及び複数の撮像画像を解析して取得した距離情報取得部の第２の姿勢情報に基づいて、距離情報取得部の絶対位置情報及び絶対姿勢情報を計算し、絶対位置情報及び絶対姿勢情報に基づいて、距離情報取得部で取得した複数の距離情報を座標変換して計測対象の三次元形状情報を取得する計算部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の三次元形状計測装置において、計算部は、第１の姿勢情報の経時誤差が所定量となるごとに、画像情報取得部から撮像画像を取得し、該撮像画像を解析して第２の姿勢情報を算出し、該第２の姿勢情報に基づいて第１の姿勢情報を補正することで、絶対姿勢情報を算出する構成とすることができる。

また、本発明の三次元形状計測装置において、計算部は、三次元形状情報と、予め設定された設計情報とを照合して差異を算出する構成とすることができる。

また、本発明の三次元形状計測装置は、計算部で算出された三次元形状情報、及び三次元形状情報と予め設定された設計情報との照合結果の少なくとも一方を表示する表示部を備えた構成とすることができる。

また、本発明の三次元形状計測装置において、計算部は、距離情報取得部の第２の位置情報を慣性情報取得部から取得し、該第２の位置情報を用いて絶対位置情報を補間する構成とすることができる。

また、本発明の三次元形状計測装置において、計算部は、距離情報取得部の第２の位置情報を慣性情報取得部から取得し、撮像画像を解析することで第３の位置情報を取得し、該第２の位置情報と該第３の位置情報を位置情報と組み合わせることで、絶対位置情報を計算する構成とすることができる。

さらに、本発明の三次元形状計測装置において、計算部は、移動体が静止している状態において慣性情報取得部によって取得された第１の姿勢情報及び第２の位置情報の経時変化を予め取得し、第１の姿勢情報の経時変化が所定量以上であるときに、第１の姿勢情報の経時変化に基づいて、慣性情報取得部の経時誤差量を計算し、該経時誤差量、第１の姿勢情報及び第２の姿勢情報に基づいて、絶対姿勢情報を計算する構成とすることができる。

また、本発明の三次元形状計測方法は、距離情報取得部で取得した計測対象の複数の所定の計測点までの距離情報に基づいて、計測対象の三次元形状情報を取得する三次元形状計測方法であって、距離情報取得部の位置情報を取得する工程と、距離情報取得部の第１の姿勢情報を取得する工程と、距離情報取得部から距離情報を取得する工程と、所定の撮像領域を撮像した複数の撮像画像を取得する工程と、位置情報に基づいて距離情報取得部の絶対位置情報を取得する工程と、複数の撮像画像を解析して距離情報取得部の第２の姿勢情報を取得する工程と、第１の姿勢情報及び第２の姿勢情報に基づいて距離情報取得部の絶対姿勢情報を取得する工程と、絶対位置情報及び絶対姿勢情報に基づいて距離情報取得部で取得した複数の距離情報を座標変換して計測対象の前記三次元形状情報を取得する工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明のプログラムは、コンピュータに、上記三次元形状計測方法を実行させるためのプログラムである。

このように構成された本発明の三次元形状計測装置は、位置情報取得部により距離情報取得部の位置情報を取得し、慣性情報取得部により距離情報取得部の第１の姿勢情報を取得し、画像情報取得部は所定の撮像領域を撮像し撮像画像を取得する。計算部は撮像画像に基づいて距離情報取得部の第２の姿勢情報を取得する。また、計算部は位置情報、第１の姿勢情報、及び第２の姿勢情報に基づいて距離情報取得部の絶対位置情報及び絶対姿勢情報を算出し、算出された絶対位置情報及び絶対姿勢情報に基づいて、距離情報取得部で取得した複数の距離情報を座標変換して計測対象の三次元形状情報を取得する。

このように、位置情報取得部により取得される位置情報と、慣性情報取得部により取得される第１の姿勢情報に加え、複数の撮像画像を解析して取得した第２の姿勢情報を用いることで、位置情報や姿勢情報の経時変化を補間することができる。これにより、距離情報取得部の絶対位置と絶対姿勢とを高精度に取得することができ、計測対象の三次元形状を、より迅速に、より高精度に計測することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る三次元形状計測装置の全体構成を示した説明図である。 図１に示す三次元形状計測装置の機能ブロック図である。 図１に示す三次元形状計測装置によって計測対象の三次元形状情報の計測の様子を説明するための説明図である。 図１に示す三次元形状計測装置の各座標系及びトータルステーションに対する移動体（距離計測部）の位置情報と姿勢情報との取得の様子を説明するための説明図である。 位置情報の補間、姿勢情報の補正の手順を説明するための説明図であって、（ａ）は位置追跡部からの位置情報、慣性計測部からの第１の姿勢情報の入力タイミングと補間イメージとを示すグラフであり、（ｂ）は位置追跡部での初期の位置情報、慣性計測部からの第１の姿勢情報、画像取得部で得られた複数の撮像画像のＳｆＭ（Structure from Motion）解析によって得られた第２の姿勢情報の入力タイミングと補正イメージとを示すグラフである。 姿勢情報の補正による精度を説明するための説明図であって、移動体が静止している状態において、慣性計測部で得られた第１の姿勢情報の計測値ａと、該計測値を線形補正した後の計測値ｂと、ＳｆＭ解析によって得られた第２の姿勢情報で計測値ｂを補正した後の計測値ｃとをグラフで示したものである。 図１に示す三次元形状計測装置による三次元形状計測動作の一例を示すフローチャートである。 液晶ディスプレイへの差異の表示例を示す概略図である。 図８に示す三次元鳥瞰図の拡大図である。 トンネルの横断図の表示例である。 第２の実施形態に係る三次元形状計測装置を作業者が背負った状態を示す概略図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、三次元形状情報取得装置の一例である本実施形態の三次元形状計測装置１００の全体構成（外観）を概略的に示した側面図である。図２は、本実施形態の三次元形状計測装置１００の機能を説明するための機能ブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係る三次元形状計測装置１００は、移動可能な移動体１と、移動体１に搭載された三次元形状計測ユニット５と、移動体１から離れた位置に設置された位置追跡部１０と、とを備えて構成される。

三次元形状計測ユニット５は、距離計測部（距離情報取得部）２０と、位置取得部３０と、慣性計測部（慣性情報取得部）４０と、画像取得部（画像情報取得部）５０と、計算部６０とを備えて構成される。

移動体１は、三次元形状計測ユニット５を搭載した状態で構造物等の計測対象に沿って移動する移動手段として機能する。本実施形態の移動体１は、図１に示すように、三次元形状計測ユニット５が載置される台車本体２ａと、ハンドル２ｂと車輪２ｃとを備えた台車２により構成している。以下、本実施形態に係る三次元形状計測装置１００を、台車型の三次元形状計測装置１００ということがある。

なお、三次元形状計測の精度向上のために、距離計測部２０と、位置取得部３０と、慣性計測部４０と、画像取得部５０との相対位置を高精度に保つ必要がある。そのため、これらは台車本体２ａに固定された同一のプレート２ｄ上に固定している。

本実施形態では、作業者等がハンドル２ｂを保持して移動体１を引っ張ることで、三次元形状計測ユニット５とともに移動体１を図１、図３等に示す矢印方向に移動させる構成としている。しかし、本願がこの構成に限定されることはなく、作業者が移動体１を押して移動させる構成とすることもできる。

位置追跡部１０は、距離計測部２０に近接して移動体１上に設置された位置取得部３０を計測用ターゲットとして、その位置情報を取得（計測）する。したがって、位置追跡部１０と位置取得部３０とで、距離計測部２０の位置情報を取得する位置情報取得部として機能する。また、位置追跡部１０は、移動体１とともに移動する位置取得部３０の位置情報を、所定時間ごとに取得することで、距離計測部２０の追跡手段（追尾手段）としても機能する。

位置追跡部１０は、計測用ターゲットである位置取得部３０から所定距離離れた位置に設置され、光波、レーザ光などを用いて計測用ターゲットまでの距離や角度などを計測する計測装置（光波測距儀）である。

本実施形態では、位置追跡部１０は、作業者が単独作業可能なように、計測用ターゲットを自動的に探すような自動追尾機能付きのトータルステーション（ＴＳ：Total Station、以下、「ＴＳ」という）１１によって構成している。また、位置追跡部１０は、ＴＳ１１で計測した位置情報等の各種情報を三次元形状計測ユニット５側に送信する情報通信装置としての無線通信モデム１２を備えている。

本実施形態のように、位置追跡部１０にＴＳ１１を用いることで、トンネル内などでも精度よく位置情報や姿勢情報を取得することができる。なお、本実施形態では、位置追跡部１０のＴＳ１１及び無線通信モデム１２を、１セットのみ設けて簡素化、低コスト化を図っている。しかし、本願がこの構成に限定されることはなく、２セット以上設けた構成とすることもでき、この場合複数のＴＳ１１からの計測情報に基づいて、より精度よく位置情報、姿勢情報を取得することが可能となる。

位置取得部３０は、ＴＳ１１の計測用ターゲットとしての全周プリズム３１と、全周プリズム３１が移動可能に設けられたガイドレール３２（図３参照）とを備えて構成される。

全周プリズム３１は、距離計測部２０にできる限り近接して移動体１上に搭載され、入射したレーザ光等を入射した方向へ反射させることができる光学要素である。全周プリズム３１は、移動体１上に設置されたガイドレール３２上を、基準位置（BASIC POINT）Ｐ１から参照位置（REFERENCE POINT）Ｐ２に移動可能となっている（図４参照）。

なお、全周プリズム３１は、ガイドレール３２上を作業者等が手作業により移動させる構成とすることができる。または、電動モータその他の駆動手段を利用して自動的に移動させるような構成とすることもできる。

また、位置追跡部１０は、所定時間ごとに、基準位置Ｐ１における全周プリズム３１の位置情報をＴＳ１１により計測することで、移動体１とともに移動する距離計測部２０を追跡して、その位置情報を定期的に取得する。取得した位置情報は、無線通信モデム１２と無線通信モデム６３とを介して計算部６０に送信される。

本実施形態では、ＴＳ１１の自動追尾機能を利用して、基準位置Ｐ１での全周プリズム３１の位置情報の計測が終了した後、自動的に、参照位置Ｐ２にある全周プリズム３１を探すことができるようにしている。そのため、作業者が全周プリズム３１を手動によりガイドレール３２上において参照位置Ｐ２まで移動させる場合であっても、ＴＳ１１が自動的に参照位置Ｐ２の全周プリズム３１を探して距離を計測するように動作する。これにより、作業者は単独であっても、本実施形態に係る三次元形状計測装置１００によって計測対象の三次元形状情報を取得することが可能となっている。

距離計測部２０は、構造物等の計測対象の複数の計測点までの距離情報を計測（取得）するものであり、本実施形態では、距離計測部２０として、２次元（２Ｄ）レーザスキャナを用いている。

２Ｄレーザスキャナは、例えば、１８０°方向、より好ましくは１９０°以上の方向に回転して放射状にレーザビームを出射し、計測対象とセンサとの間をレーザパルスが往復する時間を計測することで距離を計測し、同時にレーザビームを発射した方向を計測する。これにより、所定の計測対象点の２次元座標情報を取得するように構成されている。

慣性計測部４０は、距離計測部２０の相対的な姿勢情報（第１の姿勢情報）や相対的な位置情報（第２の位置情報）に関する情報を取得する。第１の姿勢情報としては、例えば、ピッチ角φｐ、ロール角φｒ、ヨー角φｙが挙げられる。該姿勢情報は、例えば角速度の計測値を時間積分することにより算出される。

慣性計測部４０は、特に限定されることはなく従来公知のものを用いることができる。本実施形態では、３軸ジャイロセンサ等の角速度センサ、３方向加速度センサを備える慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を用いている。

画像取得部５０は、所定の撮像領域を所定間隔で撮像して複数の撮像画像を取得する撮像手段である。撮像画像としては、連続した静止画像であってもよいし、動画等であってもよい。本実施形態では、画像取得部５０としてデジタルカメラを用いている。

画像取得部５０は、移動体１に１台以上設置する。姿勢算出精度向上のためには２台以上設置することが好ましい。本実施形態では、図４に示すように、２台の画像取得部５０を、互いの視野が重複しないように移動体１上に設置している。これにより、撮像画像中に動く物体が映りこむことによる精度低下を防ぐことができる。画像取得部５０で撮像された撮像画像は、計算部６０に出力される。

計算部６０は、距離計測部２０、慣性計測部４０、及び画像取得部５０と、接続コード等で接続され、各部で取得された各種情報が計算部６０に入力される。計算部６０は、入力された各種情報に基づいて、計測対象の三次元形状情報を算出して出力する。なお、各部と計算部６０とは、無線ＬＡＮ等で無線により接続された構成とすることもできる。

計算部６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ等の不揮発性の半導体メモリ、ＳＤカード、又は外付けハードディスク等の記録媒体からなる記憶部（メモリ）とを備えた計算装置からなる。本実施形態では、計算部６０として、いわゆるデスクトップ型のパーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」という）６１を用いている。

計算部６０は、ＲＯＭに予め記憶されている三次元形状計測プログラムに従って、例えばＲＡＭをワークメモリとして用いて、三次元形状計測装置１００全体の作動制御を行うことができる。

計算部６０（ＰＣ６１）には、バッテリ等からなる電源６２と、無線通信モデム６３と、ノート型ＰＣ６４とが接続されている。

電源６２は、計算部６０（ＰＣ６１）に電力を供給する。また、電源６２は、無線通信モデム６３、ノート型ＰＣ６４、距離計測部２０、慣性計測部４０、画像取得部５０等と接続し、これらに電力を供給する構成とすることもできる。

無線通信モデム６３は、位置追跡部１０の無線通信モデム１２から送信される計測情報を受信し、計算部６０（ＰＣ６１）に出力する。

なお、無線通信モデム６３等を介して、ＰＣ６１から計測現場から離れた管理センタ或いは作業現場事務所等のＰＣ等へ各種情報を送信するように構成することもできる。また、無線通信モデム６３や無線通信モデム１２などを介して、管理センタ或いは作業現場事務所等のＰＣから、位置追跡部１０、距離計測部２０、慣性計測部４０等の各種制御を遠隔操作等により行うことができるように構成することもできる。

ノート型ＰＣ６４は、計算部６０と有線又は無線により接続され、計算部６０で算出された三次元形状情報等を表示する表示部としての液晶ディスプレイ６５、計算部６０に対して計測開始指示やパラメータ等、各種指示を入力する入力部としてのキーボード６６やマウス等を備えている。本実施形態では、液晶ディスプレイ６５を表示部としているが、音声を発するスピーカや光を発する可視光レーザ光源等を表示部とすることもできる。

次に、計算部６０の機能について図２を参照しながら説明する。計算部６０は、位置計算部７１と、姿勢計算部７２と、形状計算部７３と、照合計算部７４と、設計情報記憶部７５と、計算結果出力部７６とを備えている。位置計算部７１、姿勢計算部７２、形状計算部７３、照合計算部７４、設計情報記憶部７５、及び計算結果出力部７６は、上述したＣＰＵや記憶部によって実現される。

位置計算部７１は、位置追跡部１０で計測した位置情報を基準として、慣性計測部４０で取得した相対的な位置変化（以下、「第２の位置情報」という）によって補間することで、距離計測部２０の絶対的な位置情報（絶対位置情報）をより高頻度に算出することができる。

姿勢計算部７２は、位置追跡部１０で取得（追跡）した複数の地点での距離計測部２０の位置情報と、慣性計測部４０で取得した第１の姿勢情報と、画像取得部５０で撮像された複数の撮像画像を解析して得られた第２の姿勢情報とに基づいて、相対的な姿勢変化を算出し、予め計測した絶対姿勢情報の初期値と合算して距離計測部２０の絶対的な姿勢情報（絶対姿勢情報）を算出する。

形状計算部７３は、位置計算部７１で算出された絶対位置情報及び姿勢計算部７２で算出された絶対姿勢情報に基づいて、距離計測部２０で取得した複数の計測点の距離情報を、共通する１つの座標系に座標変換し、計測対象の三次元形状情報を算出する。

設計情報記憶部７５には、三次元形状の計測対象の設計情報が予め記憶されている。照合計算部７４は、形状計算部７３で算出された三次元形状情報（実測値）と、設計情報記憶部７５から取得した設計情報とを照合し、差異を算出する。

計算結果出力部７６は、照合計算部７４で算出された三次元形状情報（実測値）と、設計情報との差異を表す画像や値、実測値に基づく三次元画像等を編集し、ノート型ＰＣ６４の液晶ディスプレイ６５に表示する。また、音声情報を編集して、スピーカから音声を発生させたり、光源を制御して光を発生させたりすることもできる。

上述のような構成の本実施形態に係る三次元形状計測装置１００では、図３に示すように、作業者が移動体１を移動させながら、距離計測部２０により構造物等の計測対象の表面形状情報（二次元座標情報）を計測する。距離計測部２０によって移動体１の位置に応じて取得される表面形状情報と、位置追跡部１０、慣性計測部４０、及び画像取得部５０により取得される移動体１（距離計測部２０）の絶対位置情報及び絶対姿勢情報と、を関連付けることで、計測対象の三次元形状情報を取得するようになっている。

図４を用いて、座標変換における三次元形状情報の取得原理について説明する。距離計測部２０で計測した二次元座標情報は、まずレーザスキャナ座標系（センサ座標系：Σｓ）にて記録される。本実施例では距離計測部２０が移動体１に固定されているため、センサ座標系Σｓをそのまま移動体座標系（Σｏ）として用いることができる。更に、計測対象である構造物の座標系である構造物座標系に対する位置情報及び姿勢情報に基づいて、最終的に構造物座標系（ΣＩ）に変換されるようになっている。

以下、本実施形態の三次元形状計測装置１００を用いた三次元形状計測の動作（三次元形状計測方法）を、図７のフローチャートに従って説明する。

ステップＳ１では、位置追跡部１０及び慣性計測部４０により、それぞれ距離計測部２０の初期の位置情報及び姿勢情報を取得する。そのために、図４に示すように、三次元形状計測装置１００の静止状態で、位置追跡部１０のＴＳ１１によって基準位置Ｐ１に配置した全周プリズム３１の位置情報^Ｉｐ₁＝（^Ｉｘ₁，^Ｉｙ₁，^Ｉｚ₁）を取得する。次に、ガイドレール３２上の基準位置Ｐ１とは異なる参照位置Ｐ２へ全周プリズム３１を移動させ、その位置情報^Ｉｐ₂＝（^Ｉｘ₂，^Ｉｙ₂，^Ｉｚ₂）を取得する。計測された位置情報は、無線通信モデム１２，６３を介して位置追跡部１０から計算部６０に入力される。

また、慣性計測部４０の角速度センサ及び加速度センサによって、第２の位置情報及び第１の姿勢情報としての角速度及び加速度が随時計測され、計算部６０に入力される。

ステップＳ２では、位置計算部７１及び姿勢計算部７２が、位置追跡部１０からの位置情報、及び慣性計測部４０からの第１の姿勢情報に基づいて、距離計測部２０の初期の位置情報及び姿勢情報を計算する。

以下、ステップＳ２の処理を、図４を用いて具体的に説明する。位置計算部７１が、基準位置Ｐ１の位置情報^Ｉｐ₁と、基準位置Ｐ１に対する距離計測部２０の位置関係、つまり、距離計測部２０の計測中心Ｏから基準位置Ｐ１までの距離⁰ｐ₁＝（⁰ｘ₁，⁰ｙ₁，⁰ｚ₁）に基づいて、距離計測部２０の初期の位置情報（絶対位置情報）^Iｐ₀（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）を算出する。

一方、姿勢計算部７２は慣性計測部４０から入力された角速度センサ及び加速度センサの計測値から、現在のロール角（ロール絶対角度）φｒ、ピッチ角（ピッチ絶対角度）φｐを取得する。さらに姿勢計算部７２は、基準位置Ｐ１での位置情報^Ｉｐ₁＝（^Ｉｘ₁，^Ｉｙ₁，^Ｉｚ₁）、参照位置Ｐ２での位置情報^Ｉｐ₂＝（^Ｉｘ₂，^Ｉｙ₂，^Ｉｚ₂）、及びロール角（ロール絶対角度）φｒ、ピッチ角（ピッチ絶対角度）φｐに基づいて、下記計算式（１）を用いて、ヨー角（ヨー絶対角度）φｙを算出する。

上記計算式（１）において、^ＩΔｘ、^ＩΔｙは下記計算式（２）、⁰Δｘ’、⁰Δｙ’は下記計算式（３）を用いて算出する。

ただし、上記計算式（３）中、⁰Δｘ、⁰Δｙ、⁰Δｚは、距離計測部２０の計測中心Ｏから基準位置Ｐ１，参照位置Ｐ２までの距離を、それぞれ⁰ｐ₁＝（⁰ｘ₁，⁰ｙ₁，⁰ｚ₁）、⁰ｐ₂＝（⁰ｘ₂，⁰ｙ₂，⁰ｚ₂）としたとき、下記計算式（４）を用いて算出する。

以上により、距離計測部２０の計測中心Ｏの初期の第１の姿勢情報（絶対姿勢情報）θ_o＝（φｒ_o，φｐ_o，φｙ_o）を取得することができる。

次に、ステップＳ３では、移動体１を移動させながら、距離計測部２０にて、計測中心Ｏから計測対象の所定の計測点までの距離を計測して距離情報を取得する。また、位置追跡部１０のＴＳ１１にて位置情報を取得し、慣性計測部４０にて姿勢情報を取得し、画像取得部５０にて撮像画像を取得する。これらの情報は、所定間隔で計算部６０に入力される。

ステップＳ４では、位置計算部７１が、位置情報及び姿勢情報に基づいて距離計測部２０の絶対位置を算出する。以下、ステップＳ４の処理の詳細を説明する。なお、図５（ａ）に、位置情報及び第１の姿勢情報（相対的な位置変化情報）の入力タイミングと、位置情報の補正タイミングとをグラフ化したものを示す。図５（ａ）中、「ＴＳ」は位置追跡部１０のＴＳ１１からの位置情報の入力タイミングを、「ＩＭＵ」は慣性計測部４０からの姿勢情報の入力タイミングを、「位置」は位置情報の補正イメージを示す。

まず、位置計算部７１は、慣性計測部（ＩＭＵ）４０から入力される姿勢情報（本実施形態では、加速度センサからの加速度情報）を積分することにより、相対位置変化ΔＰＩを算出する。慣性計測部４０からの姿勢情報は、図５（ａ）に示すように、高速に（例えば数十ミリ秒オーダー）入力されるため、相対位置変化ΔＰＩも高速に更新される。しかしながら、相対位置変化ΔＰＩは経時誤差を含んでいる。

位置計算部７１は、この経時誤差を線形補正するため、相対位置変化ΔＰＩから経時誤差係数Ｅｄｐ×経過時間ｔを差し引く。この経時誤差係数Ｅｄｐは、予備実験またはセンサの仕様に基づいて予め算出しておく。このようにして得られた線形補正後の相対姿勢変化ΔＰＩを、Ｐに代入する（後述の計算式（５）に相対位置変化ΔＰＩを代入して絶対位置情報Ｐを算出する）。

次に、位置追跡部１０のＴＳ１１から入力される位置取得部３０の絶対位置情報ＰＲを取得する。図５（ａ）に示すように、ＴＳ１１からの絶対位置情報ＰＲは比較的低速（例えば数秒オーダー）で更新される。絶対位置情報ＰＲが更新されたら即座に、線形補正後の相対姿勢変化ΔＰＩの現在値をΔＰＩｃとして他のメモリに記憶し、かつ経過時間ｔ＝０とする。

位置計算部７１は、下記計算式（５）を用いて、計測中心Ｏの絶対位置情報Ｐを算出する。下記式（５）中、ＰＲは絶対位置情報を、ΔＰＩは現在の相対姿勢変化を、ΔＰＩｃは前回の絶対位置情報ＰＲ取得時の相対姿勢変化を、Ｅｄｐは経時誤差係数を、ｔは絶対位置情報ＰＲ取得時からの経過時間を示す。

Ｐ ＝ ＰＲ＋ΔＰＩ−ΔＰＩｃ−Ｅｄｐ×ｔ （５）

次に、ステップＳ５では、姿勢計算部７２が、位置情報、第１の姿勢情報、及び第２の姿勢情報に基づいて、距離計測部２０（計測中心Ｏ）の相対的な姿勢変化を算出する。以下、ステップＳ５の処理の詳細を説明する。なお、図５（ｂ）に、初期の位置情報、第１の姿勢情報、及び第２の姿勢情報の入力タイミングと、姿勢情報の補正イメージとをグラフ化したものを示す。図５（ｂ）中、「ＴＳ」は位置追跡部１０のＴＳ１１からの位置情報（初期姿勢θ₀のヨー角φｙ取得用）の入力タイミングを、「ＩＭＵ」は慣性計測部（ＩＭＵ）４０からの第１の姿勢情報の入力タイミングを、「ＳｆＭ」は画像取得部５０での撮像画像に基づく第２の姿勢情報の入力タイミングを、「姿勢」は姿勢情報の補正イメージを示す。

姿勢計算部７２は、慣性計測部（ＩＭＵ）４０から入力される第１の姿勢情報（本実施形態では、角速度センサであるジャイロセンサからの角速度）を積分することにより、第１の相対姿勢変化ΔθＩを取得する。ΔθＩは高速に（例えば数十ミリ秒オーダーで）更新される。しかしながら、第１の相対姿勢変化ΔθＩは経時誤差を含んでいる。この経時誤差が所定量変化するたびに、以下のように画像取得部５０での撮像画像の取得と、撮像画像に基づく第２の姿勢情報を用いた第１の姿勢情報の補正とを行っている。

姿勢計算部７２では、この第１の相対姿勢変化ΔθＩの経時誤差を線形補正するため、ΔθＩから経時誤差係数Ｅｄ×経過時間ｔを差し引く。この経時誤差係数Ｅｄも、予備実験またはセンサの仕様に基づいて予め算出しておく。このようにして得られた線形補正後の第１の相対姿勢変化ΔθＩを、相対姿勢Δθに代入する（後述の計算式（６）に第１の相対姿勢ΔθＩを代入して相対姿勢Δθを算出する）。

次に、姿勢計算部７２は、画像取得部５０によって得られた複数の撮像画像（連続画像や動画像）に基づいて、既存の画像処理技術を用いて回転やスケールに不変な特徴点を抽出する。この画像処理技術としては、例えばＳＩＦＴ（Scale-invariant feature transform）、ＳＵＲＦ（Speed-Upped Robust Feature）、ＡＫＡＺＥ（Accelerated KAZE）等が挙げられる。

抽出した特徴点を、既存の画像処理技術で解析することにより、第２の姿勢情報としての第２の相対姿勢変化ΔθＶを取得する。この画像処理技術としては、例えば、ＳｆＭ（Structure from Motion）、ＶｉｓｕａｌＳＬＡＭ、オプティカルフロー等が挙げられる。本実施形態では、実時間ＳｆＭを用いている。

実時間ＳｆＭを用いた第２の姿勢変化の算出手順を以下に説明する。まず、２台の画像取得部５０によって、それぞれ同時に撮像画像を取得する。画像取得部５０ごとに、一定時間内に取得した複数の撮像画像に対して、上記特徴点の抽出を行った後、ＳｆＭを実行し、ヨー角φｙを算出する。

次に、２台の画像取得部５０のＳｆＭの結果の差分を算出する。この差分が、一定値以上の場合は、予め指定した一方の画像取得部５０のヨー角φｙを第２の姿勢変化ΔθＶとして採用する。一方、差分が一定値未満の場合は、２つの画像取得部５０のヨー角φｙの平均値を第２の姿勢変化ΔθＶとして採用する。

なお、画像取得部５０が３台以上の場合は、ＳｆＭ結果の平均μ及び標準偏差σを算出する。これらに基づいて、棄却検定を実行する。棄却検定としては、例えば、μ±ασ（αは、予め設定した１〜９程度の値）の範囲外となる値を除外する。棄却されなかったヨー角φｙの平均値を算出し、第２の姿勢変化ΔθＶとして採用する。

また、画像取得部５０が１台の場合は、この１台の画像取得部５０でのＳｆＭ結果のヨー角φｙを第２の姿勢変化ΔθＶとして採用する。

ここで、第２の相対姿勢変化ΔθＶは比較的低速（例えば数十秒オーダー）で更新される（図５（ｂ）参照）。更新速度を速めるために、時間的に近傍の撮像画像に限定して解析を行った場合、第２の相対姿勢変化ΔθＶは累積誤差を含むことがある。この累積誤差を低減するために、位置追跡部１０のＴＳ１１から取得した相対位置変化を、第２の相対姿勢変化ΔθＶ算出における制約条件として利用して解析することもできる。

第２の相対姿勢変化ΔθＶが更新されたら即座に、第１の相対姿勢変化ΔθＩの現在値をΔθＩｃとして他のメモリに記憶し、かつ経過時間ｔ＝０とする。

姿勢計算部７２は、下記計算式（６）を用いて、相対姿勢Δθを算出する。下記式（６）中、ΔθＶは第２の姿勢変化を、ΔθＩは第１の姿勢変化を、ΔθＩｃは前回の第２の姿勢変化取得時の第１の相対姿勢変化を、Ｅｄは経時誤差係数を、ｔは第２の姿勢変化取得時からの経過時間を示す。

Δθ ＝ ΔθＶ＋ΔθＩ−ΔθＩｃ−Ｅｄ×ｔ （６）

次にステップＳ６において、下記計算式（７）を用いて、計算式（６）で算出した相対姿勢変化Δθを、ステップＳ１で算出した初期の姿勢情報（絶対姿勢情報）θ_oに加算することで、絶対姿勢情報θ＝（φｒ，φｐ，φｙ）を時系列で取得することができる。

θ ＝ Δθ＋θ_o （７）

以上のように、慣性計測部４０で取得した第１の相対姿勢変化を線形補正し、さらに、画像取得部５０で取得した撮像画像の解析による第２の相対姿勢変化で補正することで、経時変化を抑制して、絶対姿勢情報θをより高精度に取得することができる。

図６に、移動体が静止している状態において、慣性計測部４０の角速度センサとして光ファイバジャイロを用いて取得した姿勢情報の計測値（実測値）ａと、該計測値を線形補正した後の計測値ｂと、ＳｆＭ解析によって得られた第２の姿勢情報で計測値ｂを補正した後の計測値ｃとの一例をグラフで示す。

図６の例では、線形補正では、初期値と２時間経過時の生データとを直線で結んだときの傾きを０とするように補正した。また、ＳｆＭ解析による補正では、線形補正後の相対姿勢変化を、３分ごとに画像取得部５０からの撮像画像をＳｆＭ解析して取得した第２の相対姿勢変化に置換することで補正した。このシミュレーション例では、ＳｆＭ解析で補正したヨー角φｙの精度が±０．２５度となり、線形補正のみの場合と比較して高い精度を実現することができる。

次に、ステップＳ７では、形状計算部７３により、計測対象の三次元形状情報を算出する。まず、形状計算部７３は、位置追跡部１０を基準とする絶対位置情報Ｐの座標系を、予め決められた設計情報と同じ構造物座標系ΣＩに変換する。座標系の変換は、前述したような既存の座標変換技術により行うことができる。

次に、形状計算部７３は、ＰＣ６１等によって各計測値に付与されたタイムスタンプに基づいて、絶対位置情報Ｐ、絶対姿勢情報θ、及び距離情報（距離情報Ｄ）を関連付ける。例えば、時刻をｔとしたとき、ある時刻ｔに最も近い時刻の絶対位置情報Ｐ、絶対姿勢情報θ、及び距離情報Ｄを時刻ｔに関連付けることによって互いを関連付ける。

関連付けの他の例として、時刻ｔに最も近い時刻の絶対位置情報Ｐ、絶対姿勢情報θ、及び距離情報Ｄを、それぞれ２時刻ずつ抽出し、その２つの値に基づいてｔ時点での値を線形補間または線形補外によって算出する。これにより、絶対位置情報Ｐ、絶対姿勢情報θ、及び距離情報Ｄを関連付ける。

以上のように関連付けを行ったら距離計測部２０で計測した計測対象の各計測点の位置を算出する。時刻ｔごとに、絶対位置情報Ｐを絶対姿勢情報θの方向に距離情報Ｄだけずらした位置を、計測点の構造物座標系ΣＩにおける位置座標とする。以上により、計測対象の三次元形状情報を取得することができる。

ステップＳ８では、照合計算部７４が、ステップＳ７で算出された三次元形状情報と設計情報とを照合して、その差異を算出する。例えば、三次元形状情報に基づいて、図３に示すように、作業者が、予め指定した立方体Ｃに内包される計測点の位置座標を、計測対象の断面形状として抽出する。この抽出した断面形状の数値を設計情報記憶部７５の設計情報の数値と照合し、その差異を算出する。

なお、計測対象が、トンネルなどの長尺な構造物の場合は、線形（構造物の長手方向を示す曲線）を予め入力することで、線形に沿って等間隔に立方体Ｃを生成することもできる。

次にステップＳ９において、計算結果出力部７６が、ステップＳ８で算出した差異に基づいて表示画像を編集し、液晶ディスプレイ６５に表示する。

以上、本実施形態に係る三次元形状計測装置１００及び三次元形状計測方法によれば、位置追跡部１０での位置情報を、慣性計測部４０での第２の位置情報に基づいて補間して絶対位置情報を算出している。また、画像取得部５０からの複数の撮像画像をＳｆＭ等で解析することにより算出された第２の姿勢情報を、慣性計測部４０で得られた第１の姿勢情報に基づいて補正することで絶対姿勢情報を算出している。これらにより、距離計測部２０の絶対位置情報及び絶対姿勢情報を高速かつ高精度に取得することができ、距離計測部２０による三次元形状の計測を、より速く、より高精度に計測することが可能となる。

また、計算部６０の姿勢計算部７２では、第１の姿勢情報の経時誤差が所定量となるごとに、画像取得部５０から撮像画像を取得し、該撮像画像を解析して第２の姿勢情報を算出し、該第２の姿勢情報に基づいて第１の姿勢情報を補正し、絶対姿勢情報を算出している。また位置追跡部１０からの通信が遮られる等の要因によって一定時間以上にわたって位置情報が取得できないときは、画像取得部５０からの撮像画像に基づいて第３の位置情報を取得することもできる。これにより、絶対姿勢情報及び絶対位置情報の経時誤差の増大を抑制して、より高精度に三次元形状を計測することが可能となる。

また、計算部６０の照合計算部７４において、三次元形状情報と、設計情報とを照合して差異を算出している。これにより、例えば、現場打設コンクリートや配筋や掘削部の出来形の品質を定量的に評価することができ、品質向上を図ることができる。

また、計算部６０の計算結果出力部７６により、三次元形状情報や、三次元形状情報と予め設定された設計情報との照合結果（差異）を液晶ディスプレイ６５等の表示部に表示している。これにより、実測値と設計情報との差異を容易に把握することができる。

また、本実施形態では、位置情報を補間するための経時誤差係数Ｅｄｐや姿勢情報を補正するための経時誤差係数Ｅｄを、予備実験等に基づいて予め算出している。例えば、位置追跡部１０によって取得された位置情報の経時変化及び慣性計測部４０によって取得された第１の姿勢情報の経時変化を予め取得し、位置情報の経時変化が所定量以下であり、かつ第１の姿勢情報の経時変化が所定量以上であるときに、第１の姿勢情報の経時変化に基づいて、慣性計測部４０の経時誤差量を計算し、経時誤差係数Ｅｄとする。このように経時誤差量、第１の姿勢情報及び第２の姿勢情報に基づいて、絶対姿勢情報を計算することで、慣性計測部４０の経時誤差を補間して、絶対姿勢情報を高精度に取得することができる。また、位置情報、経時誤差量、及び第１の姿勢情報に基づいて、絶対位置情報を計算することで、位置追跡部１０の経時誤差を補間して、絶対位置情報を高精度に取得することができる。

また、本実施形態の三次元形状計測方法を実行させるためのプログラムを、コンピュータにインストールすることで、位置追跡部１０、距離計測部２０、慣性計測部４０及び画像取得部５０から入力される各種情報に基づいて、三次元形状の計測を、より速く、より高精度に計測することが可能となる。また、本プログラムをインストールしたコンピュータに、既存の距離計測部、慣性計測部、位置追跡部等を有線又は無線で接続することで、本発明の三次元計測装置、三次元計測方法を実現することができる。

また、本実施形態に係る三次元形状計測装置１００は、三次元形状計測ユニット５が移動体１によって移動可能であるため、レーザ光が計測対象に対して直角に近い状態で当たらないといった照射角度の問題や、計測対象までの距離の相違に起因する計測情報疎密の発生の問題を解消することができる。また、三次元形状計測ユニット５と構造物との間に障害物があっても、これを避けて計測することができるため、計測に死角が生じ難く、広い範囲に亘って抜けの無い精度の高い三次元形状計測（取得）を行うことができる。したがって、三次元形状計測装置１００の計測精度を向上させることができる。

また、移動体１として台車を用いていることから、比較的広大な範囲であっても短時間で精度の高い三次元形状計測を行うことができる。そのため、作業時間の軽減や工期の短縮にも貢献することができる。

なお、本実施形態では、移動体１として台車２を利用して説明したが、本願がこれに限定されるものではない。例えば、移動体１として、電動カートや軽自動車等の車両、重機、レール上を移動するトロッコ、貨車等に、三次元形状計測ユニット５を搭載して用いることもできる。

次に、本実施形態に係る台車型の三次元形状計測装置１００の利用例（実施例）について具体的に説明する。

本実施形態に係る台車型の三次元形状計測装置１００は、トンネル覆工ボリューム予想に好適に利用することができる。それには、例えば、ＮＡＴＭ工法（New Austrian Tunneling Method）等における一次覆工（コンクリート吹付け工事）後の３次元表面形状を本実施形態に係る三次元形状計測装置１００で計測する。照合計算部７４において、計測した三次元形状を二次覆工（仕上げ形状）の設計情報と比較し、差異を求める。

ここで、トンネルの計測情報と設計情報との差異を三次元鳥瞰図や二次元展開図で表示するための手順を具体的に説明する。この場合、照合計算部７４では、計測点（距離計測部２０で計測された点の位置座標）１点１点ごとに、以下の手順で算出する。なお事前準備として予め、設計情報記憶部７５の設計情報を非構造格子（ポリゴンメッシュ）で表現しておく。

（１）準備：予め格子の各面（ポリゴン）全てに対して木構造（例えばｋｄ−ｔｒｅｅ等）を構築しておく。
（２）最近傍点候補選定１：重心が計測点に最も近いポリゴンから順に複数（例えば１０個程度）、木構造を利用して高速に探索する。
（３）最近傍点候補選定２：（２）で探索された各ポリゴンに計測点から垂線をおろし、ポリゴンと垂線の交点の三次元座標を求める。
（４）最近傍点候補選定３：（３）の各交点から計測点までの距離を計算し、それが最も短くなるポリゴンを選定する。
（５）最近傍点の決定：（４）で選定されたポリゴンの各頂点と計測点との距離を求め、それが最小となる頂点を選定する。
（６）選定された頂点と計測点との距離を、計測情報と設計情報の差異とする。
（７）差異の統計値（最大、最小、平均など）を算出し、記憶部に記憶する。

この算出結果に基づいて、計算結果出力部７６が表示画像を編集し、図８に示すように、液晶ディスプレイ６５に表示する。図８は、トンネルの距離計測結果の三次元鳥瞰図６５ａ、横断図６５ｂ、及び二次元展開図６５ｃを表示した例を示す。三次元鳥瞰図６５ａ及び二次元展開図６５ｃでは、計測結果と設計情報との差異を色分け表示することで、差異をより分かり易くすることができる。また、二次元展開図６５ｃでは、１回の計測断面情報を縦１列の直線状に表示し、それを横方向に連ねることで生成している。

また、三次元鳥瞰図６５ａは、回転、移動、拡大縮小等を可能とすることで、差異をより把握し易くすることができる。図９は、三次元鳥瞰図６５ａの拡大図を示す。この図９に示すように、差異を拡大して表示することで、実際には目に見えない程度の差異であっても、差異が協調して表示され、差異が大きい箇所等を見た目で分かり易くすることができる。

また、図１０に、トンネルの横断図６５ｂの表示例を示す。図１０の横断図６５ｂには、設計情報（設計図）と、計測情報とが表示されている。計測情報は、一次覆工完了時と二次覆工完了時の２回計測しており、これらの計測情報に基づいて横断図を編集して表示することで、以下のような用途に用いることができる。

第１の用途として、一次覆工完了時において、図１０の横断図６５ｂに示すように、一次覆工形状（計測情報）と二次覆工形状（設計情報）とを表示し、その差異を示す寸法を放射状に表示する。この差異に基づいて、さらに、二次覆工の生コンクリート打設数量を算出し、液晶ディスプレイ６５やプリンタに出力する。この数量を活用することで、二次覆工工事の材料や工程の管理を合理化することができる。

第２の用途として、二次覆工完了時において、二次覆工形状（計測情報）と、設計形状（設計情報）との差異を計算する。この差異の大きさを数値または色分けで横断図に表示することで二次覆工の出来形品質を確認することができる。

第３の用途として、一次覆工前の掘削時において、掘削中に掘削出来形（計測情報）と掘削設計形状（設計情報）とを比較してリアルタイムに差異を計測する。これにより、例えば差異の統計値（最大、最小、平均など）が設定値を超えたタイミングで、可視光レーザを照射させたり発光させたり音を発生させたりして注意喚起することで、掘削作業者に掘削あるいは埋戻しが必要な箇所を知らせることができ、掘削作業の品質向上に貢献することができる。

さらに、本実施形態の台車型の三次元形状計測装置１００は、トンネル建築限界チェックにも好適に利用することができる。より具体的には、計測したトンネルの三次元形状と、設計図上の建築限界とを照合計算部７４で比較する。そして、計算結果出力部７６にて差異を色分けする等して液晶ディスプレイ６５等に表示したり、建築限界を超えている箇所では表示部としてのスピーカや可視光レーザ光源から、音や光を発生させたりすることで、建築限界のチェックを効率化する。なお建築限界の設計情報は３次元ＣＡＤでなく断面図でしか入手できないことが多いため、照合計算部７４では、本装置の位置や姿勢に合わせて設計情報を変更して照合に使用することも可能である。

（第２の実施形態）
次に、移動体として背負子を用いて第２の実施形態に係る三次元形状計測装置について説明する。図１１は、第２の実施形態に係る三次元形状計測装置を作業者が背負った状態を示す概略図である。

図１１に示すように、第２の実施形態に係る三次元形状計測装置１００Ａは、背負子３からなる移動体１上に、２つの距離計測部２０Ａ１，２０Ａ２と、全周プリズム３１等を有する位置取得部３０と、慣性計測部４０と、二台の画像取得部５０と、計算部６０であるＰＣ６１と、電源６２と、無線通信モデム６３と、表示部としてのノート型ＰＣ６４と、等を備えた三次元形状計測ユニット５Ａを搭載して構成されるとともに、移動体１から離れた位置に設置した位置追跡部１０を備えている。

第２の実施形態に係る三次元形状計測装置１００Ａは、背負子３からなる移動体１によって作業者の背中に背負って使用すること、２つの距離計測部２０Ａ１，２０Ａ２を用いること以外は、第１の実施形態の係る三次元形状計測装置１００と同様の構成及び作用を有している。そのため、以下では第１の実施形態とは異なる構成及び作用等を説明する。

移動体１としての背負子３は、片持ち梁状のフレーム本体３ａに、作業者の肩に掛ける肩ベルト３ｂが取り付けられている。フレーム本体３ａは、たわみが０．０１ｍｍ以下になる強度で設計することが望ましい。また、作業者が操作や画像の確認をしながら計測作業を行えるように、フレーム本体３ａの側面から前方に突出形成されたアーム３ｃに、ノート型ＰＣ６４を載置することもできる。

本実施形態では、ノート型ＰＣ６４への計測結果表示までの時間を縮める目的で、移動体１である背負子３に計算部６０（ＰＣ６１）を搭載している。しかし、本願がこれに限定されることはなく、三次元形状計測ユニット５Ａの軽量化を図る場合には、他の人が背負う背負子に計算部６０を設置する構成とすることもできる。また、通信環境が整っている現場では、事務所や管理センタに計算部６０を設置することもできる。また、ノート型ＰＣ６４を計算部６０として用いることもできる。また、ノート型ＰＣ６４もアーム３ｃも背負子３に設置せずに、他の人の背負子や事務所、管理センタに設置することもできる。

本実施形態では、天井と地面の両方を計測する目的で、２つの距離計測部２０Ａ１，２０Ａ２を用い、一方の距離計測部２０Ａ１を天井方向に向けて設置し、他方の距離計測部２０Ａ２を地面方向に向けて設置している。なお、距離計測部２０Ａ１，２０Ａ２の設置形態や設置数が本実施形態に限定されることはなく、計測対象や計測環境等によって適宜の設置形態や設置数とすることができる。

画像取得部５０は、撮像視野に人などの移動体が映りこむことによる精度低下を避けるため、できるだけ高い位置に取り付けることが望ましい。ただし天井の低いところでも使用できるように、作業者の肩上から１ｍ以下となる位置に取り付けることが望ましい。

位置取得部３０についても、人や障害物に遮られることを極力避けるため、できるだけ高い位置に取り付けることが望ましい。ただし高すぎても天井の低いところで使用できない場合や剛性の低下、質量の増加等が懸念されるため、作業者の肩上から１ｍ以下にすることが望ましい。

本実施形態の位置取得部３０の全周プリズム３１も、図１と同様に基準位置Ｐ１から参照位置Ｐ２に移動可能となっているが、この基準位置Ｐ１から参照位置Ｐ２までの距離（ベクトルＰ１−Ｐ２の絶対値）は、長いほど初期姿勢情報の精度が向上する。幅の狭い階段等などでの安全性を考慮して、当該距離を０．３〜０．６ｍとすることが望ましい。

また、本実施形態においても、三次元形状計測の精度向上のために、距離計測部２０Ａ１，２０Ａ２、位置取得部３０、慣性計測部４０、及び画像取得部５０は、同一のプレート３ｄ上に配置し、各々の相対位置を高精度に保っている。

以上、第２の実施形態に係る三次元形状計測装置１００Ａでも、画像取得部５０からの撮像画像に基づいて取得した第２の姿勢情報に基づいて第１の姿勢情報を補正することで、より速く、より高精度に三次元形状を計測することができる。また位置追跡部１０からの通信が遮られる等の要因によって一定時間以上にわたって位置情報が取得できないときは、画像取得部５０からの撮像画像に基づいて第３の位置情報を取得して位置情報を補正することで、高精度に三次元形状を計測することもできる。

また、作業者が背中に背負って移動しながら計測対象の三次元形状を計測することができるため、集合住宅やオフィスビルの基礎工事現場など高低差が多い場所であっても、移動しながらの計測を容易に行うことができる。

次に、本実施形態に係る背負子型の三次元形状計測装置１００Ａの利用例（実施例）について具体的に説明する。

本実施形態に係る背負子型の三次元形状計測装置１００Ａは、例えば、山留め壁やトンネル切羽の変位変状モニタリングに好適に利用することができる。この場合、三次元形状計測装置１００Ａによって定期的に山留め壁やトンネル切羽の三次元形状を計測して過去の計測値と比較し、山留め壁の傾き、滑動、変形など、経時的な変化を把握する。その変化を色分けする等してディスプレイ等に表示したり、変化量が設定値を超えている箇所では音や光を発生させたりすることで、変状を即座に把握し事故を防ぐことができる。

また、本実施形態に係る背負子型の三次元形状計測装置１００Ａは、配筋の本数とピッチ確認にも好適に利用することができる。この場合、配筋の三次元設計図面（設計情報）及び基準点（親墨）位置を予め設計情報記憶部７５に記憶しておく。計測によって形状計算部７３で算出された配筋の三次元形状に円柱を当てはめることで、その本数とピッチを計算する。得られた本数とピッチを設計図面とを比較し、差異を色分けする等してディスプレイ等に表示したり、音や光を発生させたりすることで、配筋のケアレスミスを防ぐことができる。

以上、図面を参照して、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、上記各実施形態では、ＴＳ１１の計測用ターゲットとして全周プリズム３１を用いているが、本願がこれに限定されることはなく、計測用ターゲットとして、例えば、球状プリズム、面状プリズム、ＡＲマーカ等を用いることもできる。

また、上記各実施形態では、ＴＳ１１で取得した位置情報に基づいて、位置計算部７１が初期の位置情報や初期の姿勢情報のヨー角度を算出しているが、本願がこれに限定されることはない。ＴＳ１１内の計算部で、計測値に基づいて初期の位置情報や初期の姿勢情報のヨー角度を算出し、算出結果を計算部６０に出力するように構成することもできる。

また、本願の位置情報取得部が、ＴＳ１１（位置追跡部１０）及び全周プリズム３１等の計測ターゲット（位置取得部３０）を用いた構成に限定されることはなく、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）等のＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を用いることができる。具体的には、位置取得部３０として移動体１にＧＮＳＳ受信機（例えば、ＧＰＳ受信機）を搭載し、図１に二点鎖線で示す位置取得部３０としての衛星１３からＧＮＳＳ送信機（例えば、ＧＰＳ送信機）を介して送信される信号を受信することで位置情報及び姿勢情報を取得する。これにより、特に屋外での位置情報の取得を精度よく行うことができる。なお、ＧＮＳＳを用いる場合は、位置取得部３０を２以上設置した構成とすることもできる。

また、位置情報取得部として、いわゆる屋内ＧＰＳと呼ばれるＩＭＥＳ（Indoor MEssaging System）を用いることもでき、トンネル内や屋内であっても位置情報の取得を精度よく行うことができる。

また、位置情報取得部として、モーションキャプチャやデジタルビデオカメラ（位置追跡部１０）とマーカ（位置取得部３０）との組み合わせを用いることもできる。

また、上記各実施形態では、距離計測部２０，２０Ａ１，２０Ａ２として２Ｄレーザスキャナを用いているが、三次元形状計測装置１００の所定の位置から計測対象の所定の複数の計測点までの距離情報を取得できれば、２Ｄレーザスキャナに限定されることはない。例えば、点群情報を取得する１次元（１Ｄ）レーザスキャナ、三次元の座標情報を取得する３次元（３Ｄ）レーザスキャナ等を用いることもできる。

上記各実施形態では、画像取得部５０をデジタルカメラで構成しているが、撮像機能を有するものであれば、デジタルカメラに限定されることはない。例えば、デジタルビデオカメラ、撮像機能を備えたスマートフォン、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Data Assistant）、タブレット端末等を用いることもできる。

また、上記各実施形態では、計算部６０によって画像取得部５０で取得した撮像画像に基づいて第２の姿勢情報を算出しているが、本願がこれに限定されることはない。画像取得部５０のＩＣチップ等を、計算部として使用し、該計算部で第２の姿勢情報を計算し、計算部６０に出力する構成とすることもできる。

また、上記各実施形態において、画像取得部５０を２台以上用いる場合にはそれぞれの視野が重複しないように配置しているが、視野が重複するように配置することによって、ＳｆＭ解析におけるカメラ間距離（基線長）を一部固定して姿勢算出精度を高めることもできる。

また、上記各実施形態では、三次元形状計測の精度向上のために、計測機器（距離計測部２０、位置取得部３０、慣性計測部４０、画像取得部５０）を同一のプレート２ｄ，３ｄ上に固定しているが、例えばプレート２ｄ，３ｄ上に直動機構や回転機構を介してこれらの計測機器を固定し、かつこれらの機構による相対的な位置姿勢変化をロータリーエンコーダ等で計測することで、これらの計測機器の相対位置姿勢を容易に変更可能かつ高精度に把握可能な構成とすることもできる。

また、上記各本実施形態では、計算部６０をデスクトップ型のＰＣ６１で構成しているが、本願がこれに限定されることはなく、ノート型ＰＣ、タブレット型ＰＣ等で構成することもできる。また、本実施形態では、ノート型ＰＣ６４の液晶ディスプレイ６５、スピーカ等を表示部とし、キーボード、マウス等を入力部としている。しかし、本願がこれに限定されることはなく、ＰＣ６１に、単体の液晶モニタ、スピーカ等を接続して表示部とし、キーボード、マウス等を接続して入力部とした構成とすることもできる。入力部をマイクやタッチパッドやタッチパネルモニタとすることもできる。ノート型ＰＣ６４をタブレット端末やウェアラブル装置（眼鏡型や時計型等）で置き換えることもできる。

また、上記各実施形態では、情報通信装置として、無線通信モデム６３，１２を用いているが、本願がこれに限定されるものではなく、有線モデムを用いることもできる。

１，１Ａ 移動体 ２ 台車（移動体） ３ 背負子（移動体）
１０ 位置追跡部（位置情報取得部）
２０，２０Ａ１，２０Ａ２ 距離計測部（距離情報取得部）
３０ 位置取得部（位置情報取得部）
４０ 慣性計測部（慣性情報取得部）
５０ 画像取得部（画像情報取得部）
６０ 計算部 ６１ パーソナルコンピュータ（計算部）
６５ 液晶ディスプレイ（表示部） １００，１００Ａ 三次元形状計測装置

Claims (8)

1. 計測対象の三次元形状情報を計測する三次元形状計測装置であって、
   移動体と、
   前記移動体に取り付けられ、前記計測対象の複数の所定の計測点までの距離情報を取得する距離情報取得部と、
   前記距離情報取得部の位置情報を取得する位置情報取得部と、
   前記距離情報取得部の第１の姿勢情報を取得する慣性情報取得部と、
   所定の撮像領域を撮像し複数の撮像画像を取得する少なくとも１つの画像情報取得部と、
   前記位置情報、前記第１の姿勢情報、及び前記複数の撮像画像を解析して取得した前記距離情報取得部の第２の姿勢情報に基づいて、前記距離情報取得部の絶対位置情報及び絶対姿勢情報を計算し、前記絶対位置情報及び前記絶対姿勢情報に基づいて、前記距離情報取得部で取得した複数の距離情報を座標変換して前記計測対象の前記三次元形状情報を取得する計算部と、を備え、
   前記計算部は、前記距離情報取得部の第２の位置情報を前記慣性情報取得部から取得し、前記移動体が静止している状態において前記慣性情報取得部によって取得された前記第１の姿勢情報及び前記第２の位置情報の経時変化を取得し、前記第１の姿勢情報の前記経時変化が所定量以上であるときに、前記第１の姿勢情報の前記経時変化に基づいて、前記慣性情報取得部の経時誤差量を計算し、該経時誤差量、前記第１の姿勢情報及び前記第２の姿勢情報に基づいて、前記絶対姿勢情報を計算することを特徴とする三次元形状計測装置。
2. 前記計算部は、前記第１の姿勢情報の経時誤差が所定量となるごとに、前記画像情報取得部から前記撮像画像を取得し、該撮像画像を解析して前記第２の姿勢情報を算出し、該第２の姿勢情報に基づいて前記第１の姿勢情報を補正することで、前記絶対姿勢情報を算出することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
3. 前記計算部は、前記三次元形状情報と、予め設定された設計情報とを照合して差異を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
4. 前記計算部で算出された前記三次元形状情報、及び前記三次元形状情報と予め設定された前記設計情報との照合結果の少なくとも一方を表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の三次元形状計測装置。
5. 前記計算部は、前記距離情報取得部の第２の位置情報を前記慣性情報取得部から取得し、該第２の位置情報を用いて前記絶対位置情報を補間することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
6. 前記計算部は、前記距離情報取得部の第２の位置情報を前記慣性情報取得部から取得し、前記撮像画像を解析することで第３の位置情報を取得し、該第２の位置情報と該第３の位置情報を前記位置情報と組み合わせることで、前記絶対位置情報を計算することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
7. 距離情報取得部で取得した計測対象の複数の所定の計測点までの距離情報と、慣性情報取得部で取得した前記距離情報取得部の姿勢情報とに基づいて、前記計測対象の三次元形状情報を取得する三次元形状計測方法であって、
   前記距離情報取得部の位置情報を取得する工程と、
   前記距離情報取得部の第１の姿勢情報を取得する工程と、
   前記距離情報取得部から前記距離情報を取得する工程と、
   所定の撮像領域を撮像した複数の撮像画像を取得する工程と、
   前記位置情報に基づいて前記距離情報取得部の絶対位置情報を取得する工程と、
   前記複数の撮像画像を解析して前記距離情報取得部の第２の姿勢情報を取得する工程と、
   前記距離情報取得部の第２の位置情報を前記慣性情報取得部から取得する工程と、
   前記第１の姿勢情報及び前記第２の位置情報の経時変化を取得する工程と、
   前記経時変化に基づいて前記慣性情報取得部の経時誤差量を計算する工程と、
   前記経時誤差量、前記第１の姿勢情報及び前記第２の姿勢情報に基づいて前記距離情報取得部の絶対姿勢情報を取得する工程と、
   前記絶対位置情報及び前記絶対姿勢情報に基づいて前記距離情報取得部で取得した複数の距離情報を座標変換して前記計測対象の前記三次元形状情報を取得する工程と、
   を有することを特徴とする三次元形状計測方法。
8. コンピュータに、請求項７に記載の三次元形状計測方法を実行させるためのプログラム。