JP2001124544A

JP2001124544A - 測距装置

Info

Publication number: JP2001124544A
Application number: JP30276699A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Yamamoto; 山本　　清; Nobuhiro Tani; 信博谷
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 1999-10-25
Publication date: 2001-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】画素毎に被写体までの距離を検出するカメラ
型の測距装置において、通常の測量において目的とされ
る各種測量値を簡便に求める。【解決手段】被写体に測距光を照射し、その反射光を
ＣＣＤで受光することにより各画素に対応する被写体ま
での距離を受光量から検出する。撮影された画像をカメ
ラ背面に設けられたＬＣＤ３７に表示する。ＬＣＤ３７
にタッチパネルを配設し、ポインティングペン６０で測
定点に対応する画素を選択する。選択された画素に対応
する距離から、その測定点のカメラを基準にした座標値
を求める。目的とする測量値が例えば２つの測定点の間
の斜距離であれば、２つの測定点をポインティングペン
６０で選択し、求められた各座標値から２点間の斜距離
を算出する。算出された測量値をＬＣＤ３７上に表示す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光伝播時間測定法
を用いて被写体の３次元形状等を検出する測距装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来トータルステーション等の測量機器
において、目的とする２つの測定点の間の斜距離や、水
平角、または３つの測定点に対応する水平面積等を求め
るには、各測定点までの距離や角度を各点毎に計測する
必要がある。

【０００３】一方、被写体までの距離を画素毎に検出す
る測距装置として、「MeasurementScience and Technol
ogy」（S. Christie 他、vol.6, p1301-1308, 1995
年）に記載されたものや、国際公開97/01111号公報に開
示されたものなどが知られている。これらの測距装置で
は、パルス変調されたレーザ光が被写体に照射され、そ
の反射光が２次元ＣＣＤによって受光され、電気信号に
変換される。このとき２次元ＣＣＤと組み合わされたメ
カニカルまたは液晶表示等からなる電気工学的シャッタ
のシャッタ動作を制御することにより、被写体までの距
離に相関する電気信号をＣＣＤの各画素毎に検出するこ
とができる。この電気信号からＣＣＤの各画素毎に対応
する被写体までの距離が一括して検出される。なお、こ
のときの距離の検出は、１回のシャッタ動作により行な
われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、計測点間の
斜距離や水平角、または３つの計測点に対応する水平面
積など、通常の測量において目的とされる測量値を簡便
に検出する測距装置を得ることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の測距装置は、撮
影された画像の各画素に対応する被写体までの距離を検
出する測距装置であって、画像中の任意の画素を選択可
能な入力手段と、選択された画素に対応する被写体の測
距装置に対する相対的な位置を算出する相対位置算出手
段とを備えることを特徴としている。

【０００６】例えば入力手段は、撮影された画像を表示
するための画像表示部に沿って設けられ、ペン先などの
尖頭で触された部分の位置を検出するタッチセンサであ
る。あるいは入力手段は、画像表示部に表示されたカー
ソルの移動を制御する方向指示ボタンを有する。

【０００７】測距装置は好ましくは、画像中の任意の２
点間の斜距離を算出可能である。

【０００８】好ましくは選択された画素に対応する被写
体の相対的な位置は、測距装置の一点を原点とした座標
値として算出される。

【０００９】測距装置は好ましくは、測距装置の姿勢を
検出する姿勢検出手段を備える。例えば、姿勢検出手段
における姿勢の検出は、測距装置の水平面または鉛直線
からの傾斜角度を検出する傾斜角度センサによって行わ
れる。このとき、測距装置は、画像中の任意の１点の高
度角と、画像中の任意の１点の鉛直角と、画像中の任意
の２点間の水平距離と、画像中の任意の２点間の高度差
と、画像中の任意の２点間の水平角と、画像中の任意の
３点で構成される三角形の水平面積とのうちの少なくと
も一つの値を算出可能である。

【００１０】測距装置は好ましくは、測距装置の向いて
いるの方位を検出する方位検出手段を備える。このとき
測距装置は、画像中の任意の点の方位を算出可能であ
る。

【００１１】測距装置は好ましくは、測距装置の鉛直方
向の基準点からの高さを、入力手段により入力可能であ
る。このとき測距装置は、画像中の任意の点の基準点か
らの高さを算出可能である。

【００１２】測距装置は好ましくは、測距装置の一点を
原点とする画像中の任意の１点に対応する被写体の座標
値と、画像中の任意の１点の高度角と、画像中の任意の
１点の鉛直角と、画像中の任意の２点間の水平距離と、
画像中の任意の２点間の高度差と、画像中の任意の２点
間の水平角と、画像中の任意の３点で構成される三角形
の水平面積とのうちの少なくとも一つの値を算出可能で
あり、算出された斜距離、高度角、鉛直角、水平距離、
高度差、水平角、水平面積の値および座標値のうち少な
くとも１つを画像表示部に表示可能である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態
であるカメラ型の測距装置の斜視図である。

【００１４】カメラ本体１０の前面において、撮影レン
ズ１１の左上にはファインダ窓１２ａ（対物側）が設け
られ、右上にはストロボ１３が設けられている。カメラ
本体１０の上面において、撮影レンズ１１の真上には、
測距光であるレーザ光を照射する発光装置１４が配設さ
れている。発光装置１４の左側にはレリーズスイッチ１
５、液晶表示パネル１６が設けられ、右側にはモード切
替ダイヤル１７、計測／再生モード切替スイッチ１８が
設けられている。カメラ本体１０の側面には、ＩＣメモ
リカード等の記録媒体を挿入するためのカード挿入口１
９が形成され、またビデオ出力端子２０、インターフェ
ースコネクタ２１設けられている。カメラ本体１０の背
面（図１０参照）には画像表示ＬＣＤパネル３７（画像
表示部）が設けられており、ＬＣＤパネル３７の表面に
は、透明なタッチパネル２３（タッチセンサ）がシート
状に重ねて配設されている。またＬＣＤパネル３７の上
方にはファインダー窓１２ｂ（接眼側）が設けられてい
る。

【００１５】図２は図１に示すカメラの回路構成を示す
ブロック図である。撮影レンズ１１の中には絞り２５が
設けられている。絞り２５の開度はアイリス駆動回路２
６によって調整される。撮影レンズ１１の焦点調節動作
およびズーミング動作はレンズ駆動回路２７によって制
御される。

【００１６】撮影レンズ１１の光軸上には撮像素子（Ｃ
ＣＤ）２８が配設されている。ＣＣＤ２８には、撮影レ
ンズ１１によって被写体像が形成され、被写体像に対応
した電荷が発生する。ＣＣＤ２８における電荷の蓄積動
作、電荷の読出動作等の動作はＣＣＤ駆動回路３０によ
って制御される。ＣＣＤ２８から読み出された電荷信号
すなわち画像信号はアンプ３１において増幅され、Ａ／
Ｄ変換器３２においてアナログ信号からデジタル信号に
変換される。デジタルの画像信号は撮像信号処理回路３
３においてガンマ補正等の処理を施され、画像メモリ３
４に一時的に格納される。アイリス駆動回路２６、レン
ズ駆動回路２７、ＣＣＤ駆動回路３０、撮像信号処理回
路３３はシステムコントロール回路３５によって制御さ
れる。

【００１７】画像信号は画像メモリ３４から読み出さ
れ、ＬＣＤ駆動回路３６に供給される。ＬＣＤ駆動回路
３６は画像信号に応じて動作し、これにより画像表示Ｌ
ＣＤパネル３７には、画像信号に対応した画像が表示さ
れる。このときＬＣＤ駆動回路３６では、文字情報等に
関する信号を生成するキャラクタジェネレータ回路２２
からの信号が必要に応じて画像信号に重畳される。すな
わち画像表示ＬＣＤパネル３７には画像メモリ３４から
読み出された画像と文字情報等を重ねて表示可能であ
る。キャラクタジェネレータ回路２２は、システムコン
トロール回路３５からの信号指令にしたがって制御され
る。

【００１８】システムコントロール回路３５には、タッ
チパネル２３が接続されており、ＬＣＤパネル３７の画
面の特定の位置をポインティングペンで触れると、触れ
られた点のタッチパネル２３上の位置が検出され、対応
するＬＣＤパネル３７の画素を検出することができる。

【００１９】カメラをカメラ本体１０の外部に設けられ
たモニタ装置３９とケーブルで接続すれば、画像メモリ
３４から読み出された画像信号はＴＶ信号エンコーダ３
８、ビデオ出力端子２０を介してモニタ装置３９に伝送
可能である。またシステムコントロール回路３５はイン
ターフェース回路４０に接続されており、インターフェ
ース回路４０はインターフェースコネクタ２１に接続さ
れている。したがってカメラをカメラ本体１０の外部に
設けられたコンピュータ４１とインターフェースケーブ
ル４１を介して接続すれば、画像メモリ３４から読み出
された画像信号をコンピュータに伝送可能である。ま
た、システムコントロール回路３５は、記録媒体制御回
路４２を介して画像記録装置４３に接続されている。し
たがって画像メモリ３４から読み出された画像信号は、
画像記録装置４３に装着されたＩＣメモリカード等の記
録媒体Ｍに記録可能である。

【００２０】発光装置１４は発光素子１４ａと照明レン
ズ１４ｂにより構成され、発光素子１４ａの発光動作は
発光素子制御回路４４によって制御される。発光素子１
４ａはレーザダイオード（ＬＤ）であり、照射されるレ
ーザ光は被写体の距離を検出するための測距光として用
いられる。このレーザ光は照明レンズ１４ｂを介して被
写体の全体に照射される。被写体で反射したレーザ光が
撮影レンズ１１に入射し、ＣＣＤ２８で検出されること
により被写体までの距離情報が検出される。

【００２１】カメラ本体１０内には方位センサ４６、傾
斜角度センサ４８が備えられており、カメラのレンズが
向けられている方位およびカメラの傾斜角は、方位セン
サ４６、傾斜角度センサ４８からの信号に基いて、方位
検出回路４７、傾斜角度検出回路４９により検出され
る。方位検出回路４７、傾斜角度検出回路４９はシステ
ムコントロール回路３５にそれぞれ接続されており、検
出された方位および傾斜角度は、システムコントロール
回路３５へ出力される。

【００２２】システムコントロール回路３５には、レリ
ーズスイッチ１５、モード切替ダイヤル１７、計測／再
生モード切替スイッチ１８から成るスイッチ群４５と、
液晶表示パネル（表示素子）１６とが接続されている。

【００２３】次に図３および図４を参照して、本実施形
態における距離測定の原理について説明する。なお図４
において横軸は時間ｔである。

【００２４】距離測定装置Ｂから出力された測距光は被
写体Ｓにおいて反射し、図示しないＣＣＤによって受光
される。測距光は所定のパルス幅Ｈを有するパルス状の
光であり、したがって被写体Ｓからの反射光も、同じパ
ルス幅Ｈを有するパルス状の光である。また反射光のパ
ルスの立ち上がりは、測距光のパルスの立ち上がりより
も時間δ・ｔ（δは遅延係数）だけ遅れる。測距光と反
射光は距離測定装置Ｂと被写体Ｓの間の２倍の距離ｒを
進んだことになるから、その距離ｒはｒ＝δ・ｔ・Ｃ／２・・・（１）により得られる。ただしＣは光速である。

【００２５】例えば測距光のパルスの立ち上がりから反
射光を検知可能な状態に定め、反射光のパルスが立ち下
がる前に検知不可能な状態に切換えるようにすると、す
なわち反射光検知期間Ｔを設けると、この反射光検知期
間Ｔにおける受光量Ａは距離ｒの関数である。すなわち
受光量Ａは、距離ｒが大きくなるほど（時間δ・ｔが大
きくなるほど）小さくなる。

【００２６】本実施形態では上述した原理を利用して、
ＣＣＤ２８に設けられ、２次元的に配列された複数のフ
ォトダイオードにおいてそれぞれ受光量Ａを検出するこ
とにより、カメラ本体１０から被写体Ｓの表面の各点ま
での距離をそれぞれ検出し、被写体Ｓの表面形状に関す
る３次元画像のデータを一括して入力している。

【００２７】図５は、ＣＣＤ２８に設けられるフォトダ
イオード５１と垂直転送部５２の配置を示す図である。
図６は、ＣＣＤ２８を基板５３に垂直な平面で切断して
示す断面図である。このＣＣＤ２８は従来公知のインタ
ーライン型ＣＣＤであり、不要電荷の掃出しにＶＯＤ
（縦型オーバーフロードレイン）方式を用いたものであ
る。

【００２８】フォトダイオード５１と垂直転送部５２は
ｎ型基板５３の面に沿って形成されている。フォトダイ
オード５１は２次元的に格子状に配列され、垂直転送部
５２は所定の方向（図５において上下方向）に１列に並
ぶフォトダイオード５１に隣接して設けられている。垂
直転送部５２は、１つのフォトダイオード５１に対して
４つの垂直転送電極５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄを
有している。したがって垂直転送部５２では、４つのポ
テンシャルの井戸が形成可能であり、従来公知のよう
に、これらの井戸の深さを制御することによって、信号
電荷をＣＣＤ２８から出力することができる。なお、垂
直転送電極の数は目的に応じて自由に変更できる。

【００２９】基板５３の表面に形成されたｐ型井戸の中
にフォトダイオード５１が形成され、ｐ型井戸とｎ型基
板５３の間に印加される逆バイアス電圧によってｐ型井
戸が完全空乏化される。この状態において、入射光（被
写体からの反射光）の光量に応じた電荷がフォトダイオ
ード５１において蓄積される。基板電圧Ｖsub を所定値
以上に大きくすると、フォトダイオード５１に蓄積した
電荷は、基板５３側に掃出される。これに対し、転送ゲ
ート部５４に電荷転送信号（電圧信号）が印加されたと
き、フォトダイオード５１に蓄積した電荷は垂直転送部
５２に転送される。すなわち電荷掃出信号によって電荷
を基板５３側に掃出した後、フォトダイオード５１に蓄
積した信号電荷が、電荷転送信号によって垂直転送部５
２側に転送される。このような動作を繰り返すことによ
り、垂直転送部５２において信号電荷が積分され、いわ
ゆる電子シャッタ動作が実現される。

【００３０】図７は距離情報検出動作におけるタイミン
グチャートであり、図１、図２、図５〜図７を参照して
本実施形態における距離情報検出動作について説明す
る。なお本実施形態の距離情報検出動作では、図４を参
照して行なった距離測定の原理の説明とは異なり、外光
の影響による雑音を低減するために測距光のパルスの立
ち下がりから反射光を検知可能な状態に定め、反射光の
パルスが立ち下がった後に検知不可能な状態に切換える
ようにタイミングチャートを構成しているが原理的には
何ら異なるものではない。

【００３１】垂直同期信号（図示せず）の出力に同期し
て電荷掃出し信号（パルス信号）Ｓ１が出力され、これ
によりフォトダイオード５１に蓄積していた不要電荷が
基板５３の方向に掃出され、フォトダイオード５１にお
ける蓄積電荷量はゼロになる（符号Ｓ２）。電荷掃出し
信号Ｓ１の出力の開始の後、一定のパルス幅を有するパ
ルス状の測距光Ｓ３が出力される。測距光Ｓ３が出力さ
れる期間（パルス幅）は調整可能であり、図示例では、
電荷掃出し信号Ｓ１の出力と同時に測距光Ｓ３がオフす
るように調整されている。

【００３２】測距光Ｓ３は被写体において反射し、ＣＣ
Ｄ２８に入射する。すなわちＣＣＤ２８によって被写体
からの反射光Ｓ４が受光されるが、電荷掃出し信号Ｓ１
が出力されている間は、フォトダイオード５１において
電荷は蓄積されない（符号Ｓ２）。電荷掃出し信号Ｓ１
の出力が停止されると、フォトダイオード５１では、反
射光Ｓ４の受光によって電荷蓄積が開始され、反射光Ｓ
４と外光とに起因する信号電荷Ｓ５が発生する。反射光
Ｓ４が消滅すると（符号Ｓ６）フォトダイオード５１で
は、反射光に基く電荷蓄積は終了するが（符号Ｓ７）、
外光のみに起因する電荷蓄積が継続する（符号Ｓ８）。

【００３３】その後、電荷転送信号Ｓ９が出力される
と、フォトダイオード５１に蓄積された電荷が垂直転送
部５２に転送される。この電荷転送は、電荷転送信号の
出力の終了（符号Ｓ１０）によって完了する。すなわ
ち、外光が存在するためにフォトダイオード５１では電
荷蓄積が継続するが、電荷転送信号の出力が終了するま
でフォトダイオード５１に蓄積されていた信号電荷Ｓ１
１が垂直転送部５２へ転送される。電荷転送信号の出力
終了後に蓄積している電荷Ｓ１４は、そのままフォトダ
イオード５１に残留する。

【００３４】このように電荷掃出し信号Ｓ１の出力の終
了から電荷転送信号Ｓ９の出力が終了するまでの期間Ｔ
_U1の間、フォトダイオード５１には、被写体までの距離
に対応した信号電荷が蓄積される。そして、反射光Ｓ４
の受光終了（符号Ｓ６）までフォトダイオード５１に蓄
積している電荷が、被写体の距離情報と対応した信号電
荷Ｓ１２（斜線部）として垂直転送部５２へ転送され、
その他の信号電荷Ｓ１３は外光のみに起因するものであ
る。

【００３５】電荷転送信号Ｓ９の出力から一定時間が経
過した後、再び電荷掃出し信号Ｓ１が出力され、垂直転
送部５２への信号電荷の転送後にフォトダイオード５１
に蓄積された不要電荷が基板５３の方向へ掃出される。
すなわち、フォトダイオード５１において新たに信号電
荷の蓄積が開始する。そして、上述したのと同様に、電
荷蓄積期間Ｔ_U1が経過したとき、信号電荷は垂直転送部
５２へ転送される。

【００３６】このような信号電荷Ｓ１１の垂直転送部５
２への転送動作は、次の垂直同期信号が出力されるま
で、繰り返し実行される。これにより垂直転送部５２に
おいて、信号電荷Ｓ１１が積分され、１フィールドの期
間（２つの垂直同期信号によって挟まれる期間）に積分
された信号電荷Ｓ１１は、その期間被写体が静止してい
ると見做せれば、被写体までの距離情報に対応してい
る。なお信号電荷Ｓ１３は信号電荷Ｓ１２に比べ微小で
あるため信号電荷Ｓ１１は信号電荷Ｓ１２と等しいと見
なすことができる。

【００３７】以上説明した信号電荷Ｓ１１の検出動作は
１つのフォトダイオード５１に関するものであり、全て
のフォトダイオード５１においてこのような検出動作が
行なわれる。１フィールドの期間における検出動作の結
果、各フォトダイオード５１に隣接した垂直転送部５２
の各部位には、そのフォトダイオード５１によって検出
された距離情報が保持される。この距離情報は垂直転送
部５２における垂直転送動作および図示しない水平転送
部における水平転送動作によってＣＣＤ２８から出力さ
れる。

【００３８】次に距離情報検出動作のフローチャートで
ある図８を参照して距離情報検出動作について説明す
る。なお距離情報検出動作は、計測モードと再生モード
を切り替える計測／再生モード切替スイッチ１８を計測
モードに設定することにより行われる。

【００３９】ステップ１０１においてレリーズスイッチ
１５が全押しされていることが確認されるとステップ１
０２が実行され、垂直同期信号が出力されるとともに測
距光制御が開始される。すなわち発光装置１４が駆動さ
れ、パルス状の測距光Ｓ３が断続的に出力される。次い
でステップ１０３が実行され、ＣＣＤ２８による検知制
御が開始される。すなわち図７を参照して説明した距離
情報検出動作が開始され、電荷掃出信号Ｓ１と電荷転送
信号Ｓ９が交互に出力されて、距離情報の信号電荷Ｓ１
１が垂直転送部５２において積分される。

【００４０】ステップ１０４では、距離情報検出動作の
開始から１フィールド期間が終了したか否か、すなわち
新たに垂直同期信号が出力されたか否かが判定される。
１フィールド期間が終了するとステップ１０５へ進み、
垂直転送部５２において積分された距離情報の信号電荷
がＣＣＤ２８から出力される。この信号電荷はステップ
１０６において画像メモリ３４に一時的に記憶される。

【００４１】ステップ１０７では測距光制御がオフ状態
に切換えられ、発光装置１４の発光動作が停止する。ス
テップ１０８では、距離データの演算処理が行なわれ、
ステップ１０９において距離データが画像メモリ３４に
一時的に記憶される。

【００４２】ステップ１１０では、ＣＣＤ２８による通
常の撮影動作（ＣＣＤビデオ制御）がオン状態に定めら
れ、距離情報検出動作において撮像された被写体と同一
の被写体の画像が撮像され画像データとして検出され
る。検出された画像データは、ステップ１１１において
画像メモリ３４に一時的に記憶される。

【００４３】ステップ１１２では、方位センサ４６によ
り撮像レンズの向いている方位が検出され、ステップ１
１３では、カメラの傾斜角度が傾斜角度センサ４８によ
り検出される。ステップ１１４では、メモリ３４に一時
的に記憶された距離データや画像データおよびステップ
１１１、１１２で検出された方位データ、傾斜角度デー
タが記録倍媒体Ｍに記録されこのルーチンは終了する。

【００４４】次にステップ１０８において実行される演
算処理の内容を図７を参照して説明する。

【００４５】反射率Ｒの被写体が照明され、この被写体
が輝度Ｉの２次光源と見做されてＣＣＤに結像された場
合を想定する。このとき、電荷蓄積時間ｔの間にフォト
ダイオードに発生した電荷が積分されて得られる出力Ｓ
ｎは、Ｓｎ＝ｋ・Ｒ・Ｉ・ｔ・・・（２）で表される。ここでｋは比例定数で、撮影レンズのＦナ
ンバーや倍率等によって変化する。

【００４６】図７に示されるように電荷蓄積時間を
Ｔ_U1、測距光Ｓ３のパルス幅をＴ_S、距離情報の信号電
荷Ｓ１２のパルス幅をＴ_Dとし、１フィールド期間中の
その電荷蓄積時間がＮ回繰り返されるとすると、得られ
る出力ＳＭ₁₀は、ＳＭ₁₀＝Σｋ・Ｒ・Ｉ・Ｔ_D ＝ｋ・Ｎ・Ｒ・Ｉ・Ｔ_D ・・・（３）となる。なお、パルス幅Ｔ_DはＴ_D＝δ・ｔ＝２ｒ／Ｃ・・・（４）と表せる。このとき被写体までの距離ｒはｒ＝Ｃ・ＳＭ₁₀／（２・ｋ・Ｎ・Ｒ・Ｉ）・・・（５）で表せる。したがって比例定数ｋ、反射率Ｒ、輝度Ｉを
予め求めておけば距離ｒが求められる。

【００４７】図９は、ステップ１１０において撮影され
た画像をＬＣＤパネル３７に表示し、測定点の間の斜距
離や水平角、水平面積等の算出を行なう再生モードにお
いて実行されるプログラムのフローチャートである。測
量の目的は様々であり、算出される測量値も様々である
ため、ここでは３つの測量値である斜距離、水平角、水
平面積を例にとり説明する。ここで斜距離は、２つ測定
点の間の距離であり、水平角は、カメラの撮影光学系の
焦点から２つの測定点へ伸ばした２つの半直線を水平面
へ投影したときに２つの半直線がなす角のことであり、
水平面積は、３つの測定点を頂点として構成される三角
形を水平面へ投影したときの面積である。なお、再生モ
ードは、計測／再生モード切替スイッチ１８を再生モー
ドに設定することにより起動される。

【００４８】ステップ２０１において、計測／再生モー
ド切替スイッチ１８が再生モードに設定されていること
が確認されると、処理はステップ２０２へ進み、メニュ
ー画面が表示される。メニュー画面には、斜距離、水平
角、水平面積の選択項目が例えば図１０のように表示さ
れ、ステップ２０３では、何れかのメニューが選択され
るまで待機状態となる。なお図１０はカメラの背面図で
あり、ＬＣＤパネル３７の背面での配置を示している。

【００４９】オペレータがポインティングペン６０を用
いて、何れかのメニューを選択すると、図８のステップ
１１４において記録媒体Ｍに記録されたデータから画像
データが読み出される。読み出された画像データは、ス
テップ２０４においてＬＣＤパネル３７に再生表示され
る。ステップ２０５では、選択された項目が斜距離であ
るか否かが判定される。選択された項目が斜距離である
と判定されるとステップ２０９において、斜距離を算出
するための処理が行なわれ、この処理は終了する。

【００５０】ステップ２０５で選択された項目が斜距離
ではないと判定されると、ステップ２０６において選択
された項目が水平角であるか否かが判定される。水平角
であると判定されるとステップ２０８において、水平角
を算出するための処理が行なわれ、この処理は終了す
る。一方ステップ２０６において選択された項目が水平
角ではないと判定されると、ステップ２０７において水
平面積を算出する処理が行なわれ、この処理は終了す
る。

【００５１】次に図１１を参照してステップ２０９にお
いて実行される斜距離算出処理について説明する。

【００５２】ステップ３０１では、第１の測定点が入力
されるまで待機状態となる。オペレータがポインティン
グペン６０を用いてＬＣＤ３７の画面上の任意の一点を
指定すると、その画素が第１の測定点として選択され、
ステップ３０２へ処理が移る。ステップ３０２では、第
２の測定点の入力が第１の測定点の入力と同様に行わ
れ、ポインティングペンにより指定された点に対応する
画素が第２の測定点として選択される。ステップ３０３
では、画素毎に検出された被写体までの距離データに基
づいて、選択された第１及び第２の測定点に対するカメ
ラを基準とした座標系（カメラ座標系）の座標値が算出
される。その後ステップ３０４において、各測定点の座
標値から測定点間の斜距離が求められる。なお、第１及
び第２の測定点が選択されると、図１２のよう選択画素
を中心にした点状のマークと、２つの選択された画素を
結ぶ線分が図１２のようにＬＣＤパネル３７に表示さ
れ、斜距離が算出されると、その値（例えば２５．０
ｍ）が第２の測定点に対応する画素の傍に表示される。
なお、これらＬＣＤパネル３７に表示される斜距離の算
出値などに関する信号は、システムコントロール回路３
５からの信号指令に基づいてキャラクタジェネレータ回
路２２で生成され、被写体に関する画像信号に重畳され
ＬＣＤパネル３７に表示される（図２参照）。

【００５３】次にステップ３０３におけるカメラ基準と
した座標値の算出方法について図１３〜図１６を参照し
て説明する。

【００５４】図１３は、カメラの撮影光学系における焦
点Ｐ_fを座標原点に取ったカメラ座標系ｘｙｚとＣＣＤ
２８上の任意の点Ｐ（画素）と、それに対応する被写体
表面上の点Ｑとの関係を模式的に示した図である。ｙ軸
は光軸Ｌｐに一致しており、ｚ軸はＣＣＤ２８の垂直軸
に並行に取られ、その向きは上向きである。またｘ軸は
ＣＣＤ２８の水平軸に並行にとられている。点Ｐ_cはＣ
ＣＤ２８の受光面と光軸Ｌｐの交点であり、受光面の中
心に一致する。点ＱはＣＣＤ２８上の点Ｐの画素に対応
する被写体上の点であり、その座標は（ｘ_Q，ｙ_Q，ｚ
_Q）である。平面Πは点Ｑを含むＣＣＤ２８に平行な平
面である。点Ｑ_Cは光軸Ｌｐ（ｙ軸）と平面Πの交点で
あり、その座標は（０，ｙ_Q，０）である。

【００５５】図１４は、ＣＣＤ２８の受光面を正面から
見た図である。ＣＣＤ２８の水平、垂直方向の長さはそ
れぞれ２×Ｈ₀、２×Ｖ₀である。点ＰはＣＣＤ２８の
中心Ｐ_Cから左へＨ_P、上へＶ_Pの距離にある。点Ｐ_H
は、点ＰからＣＣＤ２８の水平軸Ｌ_Hへ下ろした垂線の
足である。また点Ｐ_Vは、点ＰからＣＣＤ２８の垂直軸
Ｌ_Vへ下ろした垂線の足である。

【００５６】図１５は、焦点Ｐ_fとＣＣＤ２８との関係
を焦点Ｐ_fとＣＣＤ２８の水平軸Ｌ _Hを含む平面上で表
したものであり、角Θ₀は水平画角、ｆは焦点距離であ
る。線分Ｐ_fＰ_Hが光軸Ｌｐとなす角をΘ_Pとすると、
角Θ_Pは、 Θ_P＝ｔａｎ^-1（Ｈ_p／ｆ）・・・（６）によって求められる。

【００５７】図１６は、焦点Ｐ_fとＣＣＤ２８との関係
を焦点Ｐ_fとＣＣＤ２８の垂直軸Ｌ _Vを含む平面上で表
したものであり、角θ₀は垂直画角である。線分Ｐ_fＰ
_Vが光軸Ｌｐとなす角をθ_Pとすると、角θ_Pは、 θ_P＝ｔａｎ^-1（Ｖ_p／ｆ）・・・（７）によって求められる。

【００５８】焦点Ｐ_fと点Ｐを結ぶ線分Ｐ_fＰの長さ
は、線分Ｐ_fＰ_Hと線分Ｐ_CＰ_Vの長さから、Ｐ_fＰ＝（Ｐ_fＰ_H ²＋Ｐ_CＰ_V ²）^1/2 ・・・（８）によって求められる。ここで、（８）式のＰ_fＰ_H、Ｐ
_CＰ_Vは、Ｐ_CＰ_V＝Ｖ_P、Ｐ_fＰ_H＝ｆ／ｃｏｓΘ_P なので、Ｐ_fＰ＝（（ｆ／ｃｏｓΘ_P）²＋Ｖ_P ²）^1/2 ・・・（９）と表すことができる。

【００５９】線分Ｐ_fＱの長さと、線分Ｐ_fＰの長さの
比Ｐ_fＰ／Ｐ_fＱをμとすると、点Ｑの座標成分ｘ_Q、
ｙ_Q、ｚ_Qは、ｘ_Q＝Ｈ_P／μ ・・・（１０）ｙ_Q＝Ｖ_P／μ ・・・（１１）ｚ_Q＝ｆ／μ ・・・（１２）で算出される。焦点距離ｆおよびＣＣＤ２８の任意の画
素に対応する点Ｐまでの距離Ｈ_P、Ｖ_Pは既知である。
また、線分Ｐ_fＱの長さは、焦点Ｐ_fから点Ｐに対応す
る被写体の点Ｑまでの距離であり、焦点距離ｆは既知な
ので、ステップ１０８の演算処理の結果を用いて算出可
能である。点Ｐは、ＣＣＤ２８の１つの画素を代表した
ものであり、上述の計算はＣＣＤ２８の全ての画素に対
して可能である。したがって、任意の画素（点Ｐ）に対
応する被写体（点Ｑ）のカメラを基準とした座標
（ｘ_Q，ｙ_Q，ｚ_Q）が算出可能である。なお、ステッ
プ３０４において算出される斜距離は、求められた各点
の座標値から直ちに求めることができる。

【００６０】また、第１の測定点として座標系の原点を
指定可能なモードを設けておけば、カメラから画像中の
任意の点（画素）までの距離を算出することもできる。
図１７は、このときの画面表示例を示したもので、ポイ
ンティングペン６０により選択された画素に対応する測
定点までの距離（５．０ｍ）が表示されている。

【００６１】次に、図１８を参照して、図９のステップ
２０８において実行される水平角算出処理について説明
する。

【００６２】ステップ４０１〜ステップ４０３は、斜距
離算出処理のステップ３０１〜ステップ３０３にそれぞ
れ対応し、各ステップにおいて行われる処理はステップ
３０１〜ステップ３０３において行われる処理と同一で
ある。ステップ４０４では、カメラ座標系によって求め
られた各測定点の座標値を基準座標系へ座標変換する。
ここで基準座標系とは、例えば東向きをＸ軸、北向きを
Ｙ軸、鉛直上向きをＺ軸に一致させた座標系で、その原
点の位置はカメラ座標系の原点に一致する。ステップ４
０５では、変換された座標値に基づいて選択された２点
間における水平角が算出され、このサブルーチンは終了
する。このときＬＣＤパネル３７には、例えば選択され
た２つの測定点と求められた水平角が表示される。

【００６３】次に図１９を参照してステップ４０４にお
いて実行される座標変換処理について説明する。

【００６４】図１９に示された座標系ｘｙｚは、図１３
で示されたカメラ座標系であり、座標系ＸＹＺは基準座
標系である。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の基準座標系での方向余
弦をそれぞれ（ｅ₁₁，ｅ₁₂，ｅ₁₃）、（ｅ₂₁，ｅ₂₂，ｅ
₂₃）、（ｅ₃₁，ｅ₃₂，ｅ₃₃）とすると、基準座標系ＸＹ
Ｚからカメラ座標系ｘｙｚへの座標変換は、これらの方
向余弦を成分とする変換行列Ｔ_Rによって表される。

【数１】変換行列Ｔ_Rは、｜Ｔ_R｜＝１の直交変換行列なので、
その逆行列Ｔ_R ^-1はＴ_Rの転置行列によって表される。
すなわちカメラ座標系から基準座標系の座標変換は、
（１４）式によって行われる。

【数２】これらの方向余弦は、ステップ１１４、ステップ１１５
で検出される方位や傾斜角度から求められる。

【００６５】方位センサ４６により検出された方位デー
タから光軸Ｌｐの北向きからの水平角αが求められる。
また傾斜角度センサ４８により、光軸Ｌｐ（ｙ軸）の高
度角βと、ｘ軸の高度角γが検出可能である。このとき
ｙ軸（光軸Ｌｐ）の方向余弦（ｅ₂₁，ｅ₂₂，ｅ₂₃）およ
びｘ軸の方向余弦の第３成分ｅ₁₃は、ｅ₂₁＝ｓｉｎβ・ｓｉｎα ・・・（１５）ｅ₂₂＝ｓｉｎβ・ｃｏｓα ・・・（１６）ｅ₂₃＝ｓｉｎβ ・・・（１７）ｅ₁₃＝ｓｉｎγ ・・・（１８）によって表される。

【００６６】ｘｙ平面は、原点を含みｙ軸に垂直な平面
なので、ｅ₂₁ｘ＋ｅ₂₂ｙ＋ｅ₂₃ｚ＝０・・・（１９）によって表される。ｘ軸の方向余弦（ｅ₁₁，ｅ₁₂，
ｅ₁₃）は、（１９）式を満たさなければならないので、ｅ₂₁ｅ₁₁＋ｅ₂₂ｅ₁₂＋ｅ₂₃ｅ₁₃＝０・・・（２０）である。また、方向余弦（ｅ₁₁，ｅ₁₂，ｅ₁₃）には、ｅ₁₁ ²＋ｅ₁₂ ²＋ｅ₁₃ ²＝１・・・（２１）の関係がある。

【００６７】（１４）式〜（１７）式と（１９）式、
（２０）式からξ軸の方向余弦の第１、第２成分である
ｅ₁₁，ｅ₁₂が求められる。すなわち、ｅ₁₁、ｅ₁₂は、

【数３】によって算出される。なお（２２）式の正負の符号の選
択は、基準座標系が右手系になるように選択される。

【００６８】ｚの方向余弦（ｅ₃₁，ｅ₃₂，ｅ₃₃）は、上
で求められた方向余弦で表されるｘ軸の単位ベクトル
（ｅ₁₁，ｅ₁₂，ｅ₁₃）と、ｙ軸の単位ベクトル（ｅ₂₁，
ｅ₂₂，ｅ₂₃）の外積によって求められ、ｅ₃₁＝ｅ₁₂ｅ₂₃−ｅ₁₃ｅ₂₂ ・・・（２４）ｅ₃₂＝ｅ₁₃ｅ₂₁−ｅ₁₁ｅ₂₃ ・・・（２５）ｅ₃₃＝ｅ₁₁ｅ₂₂−ｅ₁₂ｅ₂₁ ・・・（２６）と表される。

【００６９】以上により、ｘ、ｙ、ｚ軸の方向余弦が全
て求められ、（１３）式の変換行列Ｔ_Rおよび（１４）
式の逆変換行列Ｔ_R ^-1が得られる。すなわち、カメラ座
標系で表された任意の画素（点Ｐ）に対応する被写体の
座標（ｘ_Q，ｙ_Q，ｚ_Q）は変換行列Ｔ_Rにより基準座
標系に変換できる。

【００７０】次にステップ４０５において算出される水
平角の算出方法について説明する。ステップ４０１、ス
テップ４０２で選択された第１及び第２の測定点の基準
座標系での座標値をそれぞれ（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）、
（Ｘ₂，Ｙ₂，Ｚ₂）とすると、ＸＹ平面は水平面なの
で、第１及び第２の測定点を水平面へ正射影した点の座
標値はそれぞれ（Ｘ₁，Ｙ₁，０）、（Ｘ₂，Ｙ₂，
０）となり、第１及び第２の測定点の間の水平角ψは、

【数４】によって求められる。このとき例えば第１の測定点とし
て（０，１，０）を選択できるモードを設けておけば、
第２の測定点の方位を求めることができる。

【００７１】次に、図９のステップ２０７において実行
される水平面積算出処理について、図２０を参照して説
明する。

【００７２】ステップ５０１〜ステップ５０３では、３
つの測定点が選択される。その選択方法は、斜距離や水
平角を算出する際の２つの測定点を選択する方法（ステ
ップ３０１、３０２等）と同様である。ステップ５０４
では、選択された３つの測定点のカメラ座標系での座標
値が算出される。ステップ５０５では、水平角算出処理
のステップ４０４の座標変換と同様の座標変換が選択さ
れた３つの測定点に施される。ステップ５０６では、選
択された３つの測定点でなる三角形の水平面積が算出さ
れる。このとき斜距離算出処理のときと同様に、画面上
には選択された３つの点を表すマークとそれらを結ぶ線
分とともに算出された水平面積の値が表示される。

【００７３】３つの測定点の基準座標系での座標値をそ
れぞれ（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）、（Ｘ ₂，Ｙ₂，Ｚ₂）、
（Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃）とすると、それぞれの点を水平面
へ正射影した点の座標は（Ｘ₁，Ｙ₁，０）、（Ｘ₂，
Ｙ₂，０）、（Ｘ₃，Ｙ₃，０）となる。座標（Ｘ₁，
Ｙ₁，０）、（Ｘ₂，Ｙ₂，０）、（Ｘ₃，Ｙ₃，０）
を位置ベクトルとしてｖ₁、ｖ₂、ｖ₃で表すと、水平
面積Ｓ_Hは、Ｓ_H＝｜ｖ₁×ｖ₂＋ｖ₂×ｖ₃＋ｖ₃×
ｖ₁｜・・・（２８）によって求められる。た
だし、ここで×はベクトルの外積を表し、｜｜はベクト
ルの長さを表す。

【００７４】以上のように本実施形態によれば、撮影さ
れた画像の任意の画素に対応する被写体の位置が、カメ
ラを基準として求まるので、画像中の任意の２点間の斜
距離など、カメラの姿勢や位置に影響されない各種の測
量値を簡便に求めることができる。またカメラの姿勢や
方位を検出するセンサを備えることにより、水平角、方
位角、水平面積等のカメラの姿勢に影響される測量値も
得ることができる。

【００７５】次に図２１を参照して、本発明の第２の実
施形態について説明する。第２の実施形態が第１の実施
形態と異なるのは、測定点に対応する画素を選択する際
の入力手段のみであり、他の部分については第１の実施
形態と同一である。

【００７６】図２１は、第２の実施形態のカメラ型の測
距装置の背面図である。第１の実施形態では、入力装置
としてタッチパネルを用いたが、第２の実施形態では画
面上に表示された矢印型のカーソル６３と、この動きを
操作するための方向指示ボタン６１と、決定ボタン６２
によって行われる。方向指示ボタン６１の上下左右方向
を向いた矢印部を押すことにより、カーソル６３は画面
上を対応する方向へ移動する。また、カーソル６３の先
端部を目的の画素や項目に合わせた後、決定ボタン６２
を押すとその画素や項目が選択される。

【００７７】以上により、第２の実施形態においても第
１の実施形態と同様の効果を得られる。

【００７８】本実施形態では、入力装置としてタッチパ
ネルや、方向指示ボタンを用いたが、方向指示ボタンに
替えてトラックボールを用いてもよい。

【００７９】また、２つの測定点の間の斜距離や、第１
の測定点をカメラ座標系の原点として第２の測定点まで
の斜距離（カメラからの距離）を求める斜距離算出処理
において、前者の場合には入力デバイスによる画面上の
２つの点の位置指定を各々点でのシングルクリックによ
り行ない、後者の場合には第２の測定点に対応する画面
上の１点をダブルクリックすることによって行なっても
よい。水平角の場合も同様に、例えば方位角を求める際
にはダブルクリックにより任意の一点を指定し、２点を
指定しての水平角を求めるときには各点においてシング
ルクリックを行なうことにより２つの点を指定するよう
にしてもよい。

【００８０】本実施形態では、カメラの高さを考慮して
いないが、例えばカメラを三脚等に固定し、計測された
カメラの水平基準面からの高さや標高をタッチパネル等
の入力装置を用いてカメラに入力して、測定点の標高等
を算出できるようにしてもよい。

【００８１】なお本実施形態では、選択された２点間の
斜距離、カメラと選択された点との斜距離（距離）、選
択された２点間の水平角、選択された１点の方位角、選
択された３点の水平面積など５種類の測量値を算出する
方法について示したが、本発明の測距装置において算出
される測量値はこれに限定されるわけではなく、上述の
座標値から求められる如何なる測量値であってもよい。
例えば、測量値が２つの測定点の間の斜距離を水平面へ
投影した水平距離、２つの測定点の間の高低差、緯線に
沿った距離である緯距、経線に沿った距離である経距、
カメラの焦点から測定点へ伸ばした半直線が水平面とな
す角である高度角、カメラの焦点から測定点へ伸ばした
半直線が鉛直軸となす角である鉛直角、３点以上の多角
形の水平面積等であってもよい。

【００８２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、計測点間
の斜距離や水平角、または３つの計測点に対応する水平
面積等、通常の測量において目的とされる測量値を簡便
に検出する測距装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態であるカメラ型の測距
装置の斜視図である。

【図２】図１に示すカメラの回路構成を示すブロック図
である。

【図３】測距光による距離測定の原理を説明するための
図である。

【図４】測距光、反射光、ゲートパルス、およびＣＣＤ
が受光する光量分布を示す図である。

【図５】ＣＣＤに設けられるフォトダイオードと垂直転
送部の配置を示す図である。

【図６】ＣＣＤを基板に垂直な平面で切断して示す断面
図である。

【図７】被写体までの距離に関するデータを検出する距
離情報検出動作のタイミングチャートである。

【図８】距離情報検出動作のフローチャートである。

【図９】再生モードのときに実行されるプログラムのフ
ローチャートである。

【図１０】カメラの背面に設けられたＬＣＤパネルの配
置及びそこに表示されるメニューを例示した図である。

【図１１】斜距離算出処理のサブルーチンのフローチャ
ートである。

【図１２】選択された２つの測定点の間の斜距離を求め
るときの画面表示を例示したものである。

【図１３】座標系ｘｙｚ、ＣＣＤ２８、ＣＣＤ２８の画
素とそれに対応する被写体上の点との関係を表した図で
ある。

【図１４】ＣＣＤ２８の正面図である。

【図１５】カメラの撮影光学系における焦点とＣＣＤ２
８との関係を示す水平断面図である。

【図１６】カメラの撮影光学系における焦点とＣＣＤ２
８との関係を示す垂直断面図である。

【図１７】カメラと選択された測定点までの斜距離を求
めるときの画面表示を例示したものである。

【図１８】水平角算出処理のサブルーチンのフローチャ
ートである。

【図１９】座標系ｘｙｚと座標系ＸＹＺとの関係を示す
図である。

【図２０】水平面積算出処理のサブルーチンのフローチ
ャートである。

【図２１】本発明の第２の実施形態であるカメラ型の測
距装置の背面図である。

【符号の説明】

１０カメラ本体（測距装置）２３タッチパネル

フロントページの続きＦターム(参考） 2F112 AA02 AD01 BA02 CA02 CA08 CA12 DA25 DA28 FA03 FA07 FA21 FA29 5C022 AA01 AB24 AB62 AC01 AC31 AC42 5C061 AA20 AB03 AB06 AB12 AB14 AB17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】撮影された画像の各画素に対応する被写
体までの距離を検出する測距装置であって、前記画像中の任意の画素を選択可能な入力手段と、選択された前記画素に対応する被写体の前記測距装置に
対する相対的な位置を算出する相対位置算出手段とを備
えることを特徴とする測距装置。
【請求項２】前記入力手段が、撮影された前記画像を
表示するための画像表示部に沿って設けられ、ペン先な
どの尖頭で触された部分の位置を検出するタッチパネル
であることを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】前記入力手段が、前記画像表示部に表示
されたカーソルの移動を制御する方向指示ボタンを有す
ることを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項４】前記画像中の任意の２点間の斜距離を算
出可能であることを特徴とする請求項１に記載の測距装
置。
【請求項５】選択された画素に対応する前記被写体の
相対的な位置が、前記測距装置の一点を原点とした座標
値として算出されることを特徴とした請求項１に記載の
測距装置。
【請求項６】前記測距装置の姿勢を検出する姿勢検出
手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の測距装
置。
【請求項７】前記姿勢検出手段における姿勢の検出
が、前記測距装置の水平面または鉛直線からの傾斜角度
を検出する傾斜角度センサによって行われることを特徴
とする請求項６に記載の測距装置。
【請求項８】前記画像中の任意の１点の高度角と、前
記画像中の任意の１点の鉛直角と、前記画像中の任意の
２点間の水平距離と、前記画像中の任意の２点間の高度
差と、前記画像中の任意の２点間の水平角と、前記画像
中の任意の３点で構成される三角形の水平面積とのうち
の少なくとも一つの値を算出可能であることを特徴とす
る請求項６に記載の測距装置。
【請求項９】前記測距装置の向いている方位を検出す
る方位検出手段を備えることを特徴とする請求項１に記
載の測距装置。
【請求項１０】前記画像中の任意の点の方位を算出可
能であることを特徴とする請求項９に記載の測距装置。
【請求項１１】前記測距装置の鉛直方向の基準点から
の高さを、前記入力手段により入力可能であることを特
徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項１２】前記画像中の任意の点の前記基準点か
らの高さを算出可能であることを特徴とする請求項１１
に記載の測距装置。
【請求項１３】前記測距装置の一点を原点とする前記
画像中の任意の１点に対応する前記被写体の座標値と、
前記画像中の任意の１点の高度角と、前記画像中の任意
の１点の鉛直角と、前記画像中の任意の２点間の水平距
離と、前記画像中の任意の２点間の高度差と、前記画像
中の任意の２点間の水平角と、前記画像中の任意の３点
で構成される三角形の水平面積とのうちの少なくとも一
つの値を算出可能であり、算出された前記斜距離、前記
高度角、前記鉛直角、前記水平距離、前記高度差、前記
水平角、前記水平面積の値および前記座標値のうち少な
くとも１つを前記画像表示部に表示可能であることを特
徴とする請求項４に記載の測距装置。