JP5081014B2 - ターゲット及びこれを用いた三次元形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の三次元形状を測定するのに用いるターゲット及びこれを用いた三次元形状測定装置の改良に関するものである。

従来から、短時間の間に測定対象物の三次元形状データ（３Ｄデータ）を得るための三次元形状測定装置として、いわゆるレーザスキャナが知られている。

図１は、そのレーザスキャナによる測定対象物の計測の一例を示している。その図１において、１００は測定対象物（例えば、物理的構造物としての建物）である。レーザスキャナ１０１は、三次元形状データを取得するために、例えば、基準点Ｒ１に設置されて、スキャンエリアＥ１をスキャンし、スキャンエリアＥ１のエリア内の点群データを取得する。

ついで、レーザスキャナ１０１は、例えば、基準点Ｒ２に設置され、例えば、スキャンエリアＥ２をスキャンし、スキャンエリアＥ２のエリア内の点群データを取得する。測定対象物１００の三次元形状に応じて、スキャンエリアを適宜設定し、スキャンエリアの個数に応じて、レーザスキャナ１０１によるスキャンを繰り返し、各スキャンエリアについて点群データを取得する。各スキャンエリアは互いにオーバラップされ、基準点を得るために、測定対象物１００のスキャンエリアのオーバラップ部分には、三次元形状測定用のターゲット１０３が設置される。各スキャンエリア毎の点群データは、基準点を介して互いに合成され、測定対象物１００の三次元形状データが得られる。この三次元形状データは、最終的には、公共測量座標に変換される場合もある。

そのレーザスキャナ１０１に用いるターゲット１０３は、図２に示すように、基準点としての中心座標を求めるために、円形中心領域部１０３ａが最も反射率が高く、円形中心領域部１０３ａを包囲する円形周辺領域部１０３ｂが最も反射率が低く、矩形枠１０３ｃと円形周辺領域部１０３ｂとの間の反射領域部１０３ｄが中間の反射率とされている。

なお、矩形枠１０３ｃと円形周辺領域部１０３ｂとの間の反射領域部１０３ｄが最も反射率が高く、円形周辺領域部１０３ｂが最も反射率が低く、円形中心領域部１０３ａが中間の反射率であっても良いことも知られている。
ＵＳ６,８０４,３８０ Ｂ１

ところで、レーザスキャナーによって得られた三次元データに、デジタルカメラ等で得られた画像をテクスチャマッピング等の手段により合成することが考えられる。この場合、測定対象物１００に設置された複数のターゲット１０３の中心の三次元座標はレーザスキャナーを使って求め、更にそれに対応する画像データからターゲットの中心の画像座標を求める必要がある。

これまで、デジタルカメラの標定には、円形状のターゲットを使用し、モーメント法等によって円の画像中心を正確に求めることが可能であるが、レーザスキャナの場合には、ターゲットをスキャンした点群データから円の中心の三次元座標を正確に求める必要がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、三次元形状測定装置でレーザスキャンにより基準位置を検出する場合にも、撮影された画像データから基準位置を検出する場合にも好適なターゲット及びこれを用いた三次元形状測定装置を提供することにある。

請求項１に記載のターゲットは、測定対象物に設置されて点群データの基準値を得るためのターゲットであって、枠によって囲まれかつターゲット中心を有する小円と、前記枠によって包囲されかつ前記小円の中心と同心で前記小円を包囲する大円とを有し、前記枠と前記大円との間の反射領域部が反射率が最も低い低輝度反射領域部とされ、前記大円と前記小円との間の円形周辺領域部が反射率が最も高い高輝度反射領域部とされ、前記小円の内側の円形中心領域部が反射率が前記低輝度反射領域部の反射率より高く前記高輝度反射領域部の反射率よりも低い反射率を有する中輝度反射領域部とされていることを特徴とする。

請求項２に記載のターゲットは、前記小円のターゲット中心の位置に前記低輝度反射領域部の反射率と同程度の反射率を有するマークが形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載のターゲットは、前記枠の各辺に前記中心位置で仮想的に交差して合致しかつ前記中輝度反射領域部の反射率と同程度の反射率を有するマークが形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載のターゲットは、前記中輝度反射領域部が測距に用いられることを特徴とする。

請求項５に記載の三次元形状測定装置は、請求項１に記載のターゲットが配設された測定対象物に向けてパルスレーザ光を射出する発光部と、前記測定対象物を水平方向にスキャンさせるための駆動部と、前記測定対象物を垂直方向にスキャンさせるための駆動部と、前記水平方向及び垂直方向スキャンにより請求項１に記載のターゲットの中心座標と該ターゲットまでの距離を求めることにより請求項１に記載の中心位置の三次元座標を求めると共に、求められた三次元座標に基づき測定対象物をスキャンすることにより得られた点群データを合成処理する制御部と、前記測定対象物の撮像用の画像受光部とを備え、前記制御部は、前記測定対象物のスキャンエリアをスキャンして請求項１に記載のターゲットを探索して測定対象物の各点からの反射レーザ光と請求項１に記載のターゲットの各点からの反射レーザ光とを含む点群データを取得してターゲットを探索するターゲット探索処理ステップと、該ターゲット探索処理ステップにより得られた点群データに基づきターゲットスキャン範囲を指定してターゲットスキャン範囲をスキャンすることにより点群データを取得して該点群データに基づきターゲットの概略位置を捕捉する捕捉処理ステップと、該捕捉処理ステップにより得られたターゲットの概略位置に基づきターゲットを詳細スキャンして点群データを取得する詳細スキャン処理ステップと、該詳細スキャン処理ステップにより得られた点群データの反射レーザ光の強度に基づき請求項１に記載の高輝度領域部と請求項１に記載の低輝度領域部との間のエッジを抽出し、楕円近似手段により、請求項１に記載のターゲットの中心座標を求める中心座標決定処理ステップ部と、前記ターゲットまでの距離を測距する測距処理ステップとを有することを特徴とする。

請求項６に記載の三次元形状測定装置は、前記制御部は、前記詳細スキャン処理ステップの処理により得られた点群データの反射レーザ光の強度値に対して複数の閾値レベルを設定し、該閾値レベルを変更して楕円近似処理を実行し、閾値レベル毎の楕円近似処理により得られた複数の中心座標のうち偏差が小さい中心座標を用いて前記ターゲットの中心座標を決定することを特徴とする。

請求項７に記載の三次元形状測定装置は、前記制御部は、前記捕捉処理ステップにおいて点群データを取得する際に前記測定対象物からの反射レーザ光を所定割合で減衰させて、前記捕捉処理ステップを再実行することにより点群データを取得することを特徴とする。

請求項８に記載の三次元形状測定装置は、前記制御部は、前記捕捉処理ステップにおいて、前記ターゲットまでの距離を測距し、測距結果に基づいて前記パルスレーザー光のビームスポット径を変更して、前記捕捉処理ステップを再実行することにより点群データを再取得することを特徴とする。

請求項９に記載の三次元形状測定装置は、前記エッジの抽出を前記点群データを縦方向に走査して実行することを特徴とする。

請求項１０に記載の三次元形状測定装置は、前記制御部は、予め登録されているターゲットの大きさと詳細スキャンにより得られたターゲットの大きさとを比較してターゲットか否かのチェックを行うことを特徴とする。

請求項１１に記載の三次元形状測定装置は、使用するターゲットの大きさが測定対象物までの距離に応じて複数個準備されていることを特徴とする。

請求項１２に記載の三次元形状測定装置は、画像受光部を有し、制御部は、前記画像受光部により得られた画像と点群データにより得られた三次元座標とに基づき、画像の中心位置と点群データの中心位置との標定作業を実行することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、三次元形状測定装置でレーザスキャンにより基準位置を検出する場合にも、撮影された画像データから基準位置を検出する場合にも好適なターゲットを提供できる。また、円形中心領域部の中心座標の測定精度を損なうことなくコンパクトな構成とすることができる。更に、円形中心領域部を測距に用いることができる。

請求項２に記載の発明によれば、高輝度領域部の面積を大きく確保でき、かつ、低輝度領域部との輝度差を大きく設定したので、三次元形状測定装置を用いてのターゲットの探索の際に、これを迅速に行うことができる。また、測定対象物に高輝度部位が存在していても識別が可能である。

請求項３、請求項４に記載の発明によれば、ターゲットの視準を容易に行うことができる。

請求項５に記載の発明によれば、ターゲットの探索、ターゲットの中心位置座標の決定を迅速に行うことができる。また、楕円近似手段により、ターゲットの中心座標の決定を行うので、ターゲットを斜めから測定する場合でも、その中心位置を精度良く決定できる。

請求項６、請求項７に記載の発明によれば、ターゲットの中心位置座標の取得精度の向上を図ることができる。

請求項８に記載の発明によれば、ターゲットのエッジ領域の取得精度の向上を図ることができる。

請求項９に記載の発明によれば、点群データの取得精度の分解能を向上させることができる。また、点群データの走査時間の短縮を行うことができる。

請求項１０に記載の発明によれば、ターゲットであるか否かのチェックを行うことができる。

請求項１１に記載の発明によれば、測定対象物までの距離に応じて適正なターゲットを使用できる。

請求項１２に記載の発明によれば、画像受光部により得られた画像と点群データにより得られた三次元座標とに基づき、画像の中心位置と点群データの中心位置との標定を行うことにより、画像計測、ポイント計測の両方を行うことができる。

以下に、本発明に係わる三次元形状測定用ターゲット及びこれを用いた三次元形状測定装置について説明する。

（装置構成の概要）
まず、本発明に係わる三次元形状測定装置について説明する。

図３、図４は本発明に係わる三次元形状測定装置の断面図を示している。この図３、図４において、符号１は三次元形状測定装置である。三次元形状測定装置１は、主として、整準部２、この整準部２に設置された回転機構部３、この回転機構部３に支持されかつ測距部４、撮像部５、制御部６等からなる測定装置本体部７、この測定装置本体部７の上部に設けられた回転照射部８から構成されている。なお、図４は説明の便宜のため、図３に示す断面方向に対して回転照射部８のみ側方から見た状態を示している。
（整準部２の構成）
整準部２は台盤１１、下部ケーシング１３を有する。この台盤１１にピン１２が立設されている。このピン１２の上端部は曲面形状とされている。このピン１２の上端部は下部ケーシング１３の底面に形成された凹部に傾動自在に嵌合されている。下部ケーシング１３の他の２箇所には、調整ネジ１４が螺合貫通されている。この調整ネジ１４の下端部には脚部材１５が固着されている。この脚部材１５の下端は先鋭又は曲面に形成されて、台盤１１に当接されている。調整ネジ１４の上端部には整準従動ギア１６が嵌着されている。下部ケーシング１３はピン１２と２個の調整ネジ１４とにより３点で台盤１１に支持されている。この下部ケーシング１３はピン１２の先端を支点にして傾動される。なお、台盤１１と下部ケーシング１３との間には、台盤１１と下部ケーシング１３とが互いに離反しないようにするため、引っ張りスプリング１９が設けられている。

下部ケーシング１３の内部には、２個の整準モータ１７が設けられている。この整準モータ１７の出力軸には整準駆動ギア１８が嵌着されている。この整準駆動ギア１８は整準従動ギア１６に噛合されている。その２個の整準モータ１７は制御部６によって互いに独立して駆動される。この整準モータ１７の駆動により整準駆動ギア１８、整準従動ギア１６を介して調整ネジ１４が回転され、調整ネジ１４の下方への突出量が調整される。また、下部ケーシング１３の内部には傾斜センサ５６（図５参照）が設けられている。その傾斜センサ５６の検出信号により２個の整準モータ１７が駆動され、これにより整準が実行される。
（回転機構部３の構成）
下部ケーシング１３は回転機構部３のケーシングを兼ねている。下部ケーシング１３の内部には水平回動モータ２０が設けられている。この水平回動モータ２０の出力軸には水平回動駆動ギア２１が嵌着されている。下部ケーシング１３の上部には、軸受け部材２２を介して回転基盤２３が設けられている。この回転基盤２３の中央部には下方に向かって突出する回転軸部２４が設けられている。この回転軸部２４には水平回動ギア２５が設けられている。水平回動駆動ギア２１はその水平回動ギア２５に噛合されている。

また、回転軸２４には水平角検出器２６として例えばエンコーダが設けられている。この水平角検出器２６により、下部ケーシング１３に対する回転軸２４の相対的回転角が検出される。その検出結果としての相対回転角（水平角）は制御部６に入力され、制御部６はその検出結果に基づき水平回動モータ２０を制御する。
（測定装置本体部７の構成）
測定装置本体部７は本体部ケーシング２７を有する。本体部ケーシング２７は回転基盤２３に固着されている。本体部ケーシング２７の内部には鏡筒２８が設けられている。この鏡筒２８は本体部ケーシング２７の回転中心と同心の回転中心を有する。鏡筒２８の回転中心は光軸３２に合致されている。その鏡筒２８は本体部ケーシング２７に適宜手段で取り付けられている。例えば、鏡筒２８の上端部にはフランジ部２９が形成され、このフランジ部２９が本体部ケーシング２７の天井部にネジ止め固定される。鏡筒２８の内部には、光束分離手段としてのビームスプリッタ７４が設けられている。このビームスプリッタ７４は可視光を透過しかつ赤外光を反射する機能を有する。このビームスプリッタ７４により光軸３２は光軸３８と光軸３８’とに分離される。

鏡筒２８にはその外周部に測距部４が設けられている。測距部４は発光部としてのパルスレーザ光源３１を有する。パルスレーザ光源３１とビームスプリッタ７４との間には、穴あきミラー３３、レーザ光のビームウエスト径を変更するビームウエスト変更光学系３３’が配設されている。これらパルスレーザ光源３１、ビームウエスト変更光学系３３’、穴あきミラー３３は測距光源部を構成している。この測距光源部の光軸は光軸３８に合致されている。穴あきミラー３３はパルスレーザ光を穴部３３ａを通してビームスプリッタ７４に導き、後述するターゲットから反射して戻って来てビームスプリッタ７４により反射された反射レーザ光を測距受光部３９に向けて反射する役割を有する。ビームウエスト変更光学系３３’は、レーザ光のビームウエスト径を変更する役割を有し、例えば、凸レンズと開口絞り、又は、凸レンズと凹レンズ、或いは、焦点距離が互いに異なる凸レンズから構成される。

パルスレーザ光源３１は、例えば半導体レーザから構成されている。このパルスレーザ光源３１は制御部６の制御により所定のタイミングで赤外パルスレーザ光を発する。この赤外パルスレーザ光は、ビームウエスト変更光学系３３’、穴空きミラー３３の穴部３３ａを通過し、ビームスプリッタ７４に導かれる。赤外パルスレーザ光はそのビームスプリッタ７４により高低角用回動ミラー３５に向けて反射される。高低角用回動ミラー３５は、その赤外パルスレーザ光を測定対象物１００（図１参照）に向けて反射する役割を有する。この高低角用回動ミラー３５は鉛直方向に延びる光軸３２を水平方向に延びる投光光軸３６に変換する役割も果たす。ビームスプリッタ７４と高低角用回動ミラー３５との間でかつ鏡筒３８の内部には集光レンズ３４が配設されている。

測距受光部３９には後述するターゲットからの反射レーザ光が高低角回動用ミラー３５、集光レンズ３４、ビームスプリッタ７４、穴あきミラー３３を経て導かれる。なお、この測距受光部３９には、内部参照光路を通って参照光も導かれるようになっている。反射レーザ光が測距受光部３９に受光されるまでの時間とレーザ光が内部参照光路を通って測距受光部３９に受光されるまでの時間差とに基づき、三次元形状測定装置１から測定対象物１００までの距離が測定されるようになっている。

その三次元形状測定装置１から測定対象物１００までの距離の精度を高めるため、測距部４には穴あきミラー３３と測距受光部３９との間に、減衰器３９’が設けられている。この減衰器３９’には、公知の構成のものを用いることができ、例えば、ターレット盤３９”とこのターレット盤３９”の外周部に周回り方向に適宜間隔を開けて設けられた濃度が互いに異なるフィルターとから構成される。この減衰器３９’は反射光量の飽和に起因する測定誤差を低減するのに用いられる。

鏡筒２８内には撮像部５がビームスプリッタ７４を境にして集光レンズ３４と反対側に設けられている。この撮像部５は画像受光部４３を有する。この画像受光部４３は鏡筒２８の底部に設けられている。この画像受光部４３は多数の画素が平面状に集合して配列されたもの、例えば、ＣＣＤから構成されている。この画像受光部４３の各画素の位置は光軸３８’によって特定される。例えば、光軸３８’を原点として、Ｘ−Ｙ座標を想定し、このＸ−Ｙ座標の点として画素が定義される。
（回転照射部８の構成）
本体部ケーシング２７の上部には投光ケーシング４１が設けられている。この投光ケーシング４１の周壁の一部は投光窓４２となっている。回転照射部８は投光ケーシング４１の内部に収納されている。フランジ部２９には、図４に示すように、一対のミラーホルダー板４７が対向して設けられている。このミラーホルダー板４７には回動軸４８が掛け渡されている。高低角用回動ミラー３５は、その回動軸４８に固定されている。回動軸４８の一端部には高低角ギア５１が嵌着されている。回動軸４８の他端側には高低角検出器５２が設けられている。高低角検出器５２は高低角用回動ミラー３５の回動角を検出し、その検出結果を制御部６に向かって出力する。

ミラーホルダー部材４７の一方には高低角用駆動モータ５３が取り付けられている。その高低角用駆動モータ５３の出力軸には駆動ギア５４が嵌着されている。この駆動ギア５４は高低角ギア５１に噛合されている。高低角用駆動モータ５３は、高低角検出器５２の検出結果に基づく制御部６の制御により適宜駆動される。

投光ケーシング４１の上部には、照星照門４６が設けられている。この照星照門４６は、ターゲットを概略視準するのに用いられる。この照星照門４６を用いての視準方向は光軸３７の延びる方向及び回動軸４８の延びる方向に対して直交する方向とされている。
（制御部６のブロック回路構成）
制御部６には、図５に示すように、水平角検出器２６、高低角検出器５２、傾斜センサ５６からの検出信号が入力される。また、制御部６には操作部５７から操作指示信号が入力される。作業者は、操作部５７を操作して、三次元形状測定装置１が測定を開始するのに必要な条件その他の指令等を制御部６に入力することができる。なお、操作部５７は本体部ケーシング２７の内部に設けても良い。また、本体部ケーシング２７とは別途独立に設け、無線、有線等の信号伝達媒体により制御部６に遠隔操作指令を送る構成としても良い。この制御部６は水平角用駆動モータ２０、高低角用駆動モータ５３、整準モータ１７を駆動制御する共に作業状況、測定結果等を表示する表示部５８を駆動制御する。制御部６には、メモリカード、ＨＤＤ等の外部記憶装置５９が接続・切り離し可能に設けられている。

この制御部６はＣＰＵからなる演算部６１と、測距、高低角の検出、水平角の検出を行うために必要なシーケンスプログラム、演算プログラム、測定データの処理を実行する測定データ処理プログラム、画像処理を行う画像処理プログラム、データを表示部５８に表示させるための画像表示プログラム等の各種のプログラム、これらの各種のプログラムを統合管理するための統合管理プログラム等を格納すると共に測定データ、画像データ等の各種のデータを格納する記憶部６２と、水平角用駆動モータ２０を駆動制御するための水平駆動部６３と、高低角用駆動モータ５３を駆動制御するための高低駆動部６４と、整準モータ１７を駆動制御するための整準駆動部６５と、測距部４により得られた距離データを処理するための距離データ処理部６６と、撮像部５により得られた画像データを処理する画像データ処理部６７等からなっている。
（ターゲットの構成）
図６は三次元形状測定用のターゲットの要部を示す平面図である。この図６において、符号１１０は三次元形状測定用のターゲットを示している。このターゲット１１０は、外側に矩形状枠１１０ａを有する。この矩形状枠１１０ａの対角線の交点Ｑを中心として小円１１０ｂが設けられている。この小円１１０ｂは大円１１０ｃによって包囲されている。大円１１０ｃの中心は小円１１０ｂの中心に合致されている。その大円１１０ｃは矩形状枠110ａによって囲まれている。この大円１１０ｃと矩形状枠110ａとの間の反射領域部は反射率が最も低い低輝度反射領域部１１０ｄとされている。この低輝度反射領域部１１０ｄの色は例えば黒色である。小円１１０ｂと大円１１０ｃとの間の円形周辺領域部は反射率が最も高い高輝度反射領域部１１０ｅとされている。この高輝度反射領域部１１０ｅは例えば反射材により構成され、パルス赤外レーザ光が当たると輝く材料からなっている。小円１１０ｂによって囲まれた円形中心領域部は、反射率が低輝度反射領域部１１０ｄの反射率と高輝度反射領域部１１０ｅの反射率との間の反射率を有する中輝度反射領域部１１０ｆとされている。この中輝度反射領域部１１０ｆの色は例えば白色である。中輝度反射領域部１１０ｆの中心位置には、低輝度反射領域部１１０ｄの反射率と同程度の反射率を有する十字のマーク１１０ｇが形成されている。このマーク１１０ｇの色は例えば黒である。

矩形状枠１１０ａの各辺には、中心位置で仮想的に交差して合致し、かつ、中輝度反射領域部１１０ｆの反射率と同程度の反射率を有するマーク１１０ｈが形成されている。このマーク１１０ｈの色は例えば白である。これらのマーク１１０ｇはほぼ正面からターゲットを視準する際に用いられ、１１０ｈは斜め方向からターゲット１１０を視準する際に用いられる。

これらの領域部の反射率の程度は、例えば、低輝度反射領域部１１０ｄの反射率レベルを「１」とすると、中輝度反射領域部１１０ｆの反射率レベルは「１００」であり、高輝度反射領域部１１０ｅの反射率レベルは「１０００」である。

このターゲット１１０は測定対象物１００に固定されて使用される。測定対象物１００に反射率の高い箇所があったとしても、低輝度反射領域部１１０ｄと高輝度反射領域部１１０ｅとの差が大きいので、高輝度反射領域部１１０ｅを容易に抽出可能とされている。中輝度反射領域部１１０ｆは測距の際に用いられる。この中輝度反射領域部１１０ｆは、測距反射光の飽和を抑制する役割を果たす。
（ターゲット１１０のスキャン方法）
ターゲット１１０の概略位置を指定する手段として、「ａ：照星照門４６を用いて直接ターゲット１１０を視準する」、「ｂ：ターゲット１１０のスキャン範囲を設定し、ターゲット１１０の概略スキャンを行い、概略スキャンにより得られたスキャンデータを用いて、ターゲット１１０の概略位置を指定する」、「ｃ：ターゲット１１０のスキャン範囲を設定し、そのスキャン範囲内を撮像し、その撮像により得られた画像データに基づいて、ターゲット１１０の概略位置を指定する」がある。

この三次元形状測定装置１は、これらのいずれの手段によっても、ターゲット１１０の概略位置を取得できるが、ここでは、「ｂ」の手段を用いた場合について図７を参照しつつ説明する。
Ｓ．１（ターゲット探索スキャンエリアの設定）
ここでは、説明の便宜のため、図１を参照することとし、ここでは、図１に示す従来のターゲット１０３の代わりに、本発明に係わる測定ターゲット１１０が測定対象物１００に設置されているものとする。

操作部５７、例えば、マウス、によりスキャンエリアを指定する。例えば、図１のスキャンエリアＥ１を指定する。
Ｓ．２（スキャンピッチの設定）
操作部５７によりスキャンピッチを指定する。このスキャンピッチは、水平方向と垂直方向とのそれぞれについて指定する。スキャンピッチのピッチ間隔は、三次元形状測定装置１とターゲット１１０との距離に応じて適当に決定する。また、ピッチ間隔の設定には、赤外パルスレーザ光のビームウエスト径を考慮する。
Ｓ．３（ターゲット探索スキャン実行）
ステップＳ．１で指定した範囲内で、ターゲット探索スキャンを実行する。このターゲット探索スキャンは、縦方向（垂直方向）に走査した後、横方向（水平方向）に走査することを繰り返すことにより行われる。

縦方向の走査は高低角用回動ミラー３５を回動させることにより実行され、横方向の走査は本体部ケーシング２７を水平方向に回動させることにより実行される。赤外パルスレーザ光は、１秒間に何千発ないし何万発も射出される。その赤外パルスレーザ光は測定対象物１００の各点により反射されて三次元形状測定装置１に戻る。その測定対象物１００の各点からの反射レーザ光が測距受光部３９に受光される。測距受光部３９はその受光出力を制御部６に向けて出力する。高低角用回動ミラー３５の高低角は高低角検出器５２により求まり、本体部ケーシング２７の水平角は水平角検出器２６により求まるので、水平角、高低角を測距受光部３９の受光出力に一対一に関連づけることができる。制御部６はその測距受光部３９からの受光出力に基づき測定対象物１００の各点からの反射レーザ光の強度に対応する点群データを作成する。

この点群データは、図８に示すように、反射レーザ光の強度に応じて色付けされて表示部５８の画面に表示される。例えば、最も反射光の強度の高い点が赤色（図では説明の便宜上白色）、最も反射光の強度の低い点が青色（図９では説明の便宜上黒色）、最も反射光の強度の高い色と最も反射光の強度の低い点との間の反射光の強度を有する点が黄色（図８では説明の便宜上中間の灰色）で示されている。なお、その図８において、黒枠１１１はターゲット探索スキャンエリアを示している。
Ｓ．４（ターゲット１１０の概略中心位置指定）
次に、操作部５７、例えば、マウスにより、反射強度の最も高い箇所にカーソルを移動させて、図９に示すように、ターゲット１１０の概略位置を指定する。このターゲット１１０の指定は複数個行う。ここでは、１３個のターゲット１１０が指定され、ターゲット１１０の指定順に連続番号が付されている。
Ｓ．５（ターゲットスキャン開始）
次に、操作部５７を操作して、ターゲットスキャンを開始させる。
Ｓ．６（ターゲット粗スキャン実行：ターゲット捕捉処理）
ターゲット粗スキャンの実行は、例えば、ターゲット１１０の指定順に行なわれる。制御部６は、指定された概略位置に基づき、その近傍をスキャンするため、高低角用回動ミラー３５を微小角度ピッチで回動させる。水平方向の回動角度のピッチは、ここでは、ターゲット探索スキャン時のピッチと同じである。

図１０はこのＳ．６によるターゲットスキャンの実行により得られた点群データを示している。この図１０では、概略指定したターゲット１１０の中心位置に対してターゲット１１０の中心位置がずれている状態が示されている。
Ｓ．７（ターゲットスキャン範囲チェック：ターゲット捕捉処理）
次に、制御部６は、得られた全点群データの反射強度値に対して５０％の閾値を設定する。制御部６はＳ．６で得られた全点群データの中から反射強度値が５０％以上の点群データを抽出し、閾値が５０％以上の点群データの矩形領域を算出する。例えば、５０％以上の閾値の点群データを包含する矩形領域が図１１に示すように得られたとする。その図１１において、黒枠１１２はその矩形領域112ａの外形輪郭線を示している。

制御部６は、Ｓ．６に戻って、前回のターゲット粗スキャンよりも狭い領域に指定された黒枠１１２内でターゲット粗スキャンを再実行する。これにより、図１２に示すような点群データが得られたとする。次に、制御部６は、この二度目に得られた全点群データの反射強度値に対して５０％の閾値を設定する。そして、制御部６は、図１２に示す全点群データの反射強度の閾値が５０％以上の点群データを抽出し、閾値が５０％以上の点群データの矩形領域１１３ａを算出する。このようにして、５０％以上の閾値の点群データを包含する矩形領域１１３ａが図１３に示すように得られたとする。その図１３において、符号１１３はその矩形領域１１３ａの外形輪郭線を示している。これを繰り返すことにより、５０％以上の閾値の点群データを包含する矩形領域１１３ａが一定状態に収束して変化しなくなる。これにより、制御部６はターゲット１１０の絞り込みが完了したとして、Ｓ．８に移行する。なお、矩形領域１１３ａの変化がなくなったか否かの判定は適宜に設定可能である。
Ｓ．８（反射強度値のチェック：ターゲット捕捉処理）
次に、制御部６は点群データの反射強度の最大値が、三次元形状測定装置１で検出可能なレベル以上であるか否か、すなわち、飽和レベル以上であるか否か（ハレーションを起こしているか否か）を判断する。制御部６は、点群データの反射強度の最大値が飽和レベル以上の場合には、減衰器３９’を駆動し、測距受光部３９に受光される受光光量のレベルを減衰させる。そして、Ｓ．６に戻って、Ｓ．６、Ｓ．７を実行する。
Ｓ．９（平均距離チェック：ターゲット捕捉処理）
制御部６は、点群データの反射強度の最大値が、飽和レベル未満と判断した場合には、ターゲット１１０の黒領域とその周辺の領域（粗スキャンの領域のうち反射強度の低い箇所）とを用いて、三次元形状測定装置１からターゲット１１０までの平均距離を求める。制御部６はその求められた平均距離に基づきビームウエスト変更光学系３３’を駆動制御し、赤外パルスレーザ光のビーム径が適切な大きさとなるように設定する。ついで、制御部６は、Ｓ．６ないしＳ．９の処理を再度実行する。これにより、ターゲット１１０が三次元形状測定装置１に適正に捕捉される。
Ｓ．１０（詳細スキャン処理）
制御部６は、Ｓ．６ないしＳ．９の処理を実行後、詳細スキャンに移行する。この詳細スキャンは、縦方向（鉛直角方向）には最小ピッチで行われる。横方向（水平方向）のピッチは、例えば粗スキャンと同様のピッチで行う。水平方向の回動は本体部ケーシング２７を回動させるため、時間を要するからである。図１４はこのようにして得られた詳細スキャンの点群データである。
Ｓ．１１（中心座標決定処理）
制御部６は、その図１５に示すように得られた点群データから楕円近似処理を実行する。制御部６は、まず、図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、全点群データの反射強度のうち最大レベルを１０分割して、１０％から９０％の閾値を設定する。次に、図１６に示すように、縦方向に点群データをスキャンしてターゲット１１０の低反射輝度領域１１０ｄと高反射輝度領域１１０ｅとの境界領域としてのエッジ（輪郭線）を検出する。縦方向の点群データを用いるのは、この点群データの個数が横方向に対してはるかに多いからである。つまり、縦方向に点群データをスキャンすることにより分解能が高くできるからである。その図１６において、符号１１４は縦方向のスキャンにより得られたエッジの各点を示す。

次に、制御部６は、エッジの各点に基づき楕円近似を行う。楕円近似には、下記の一般式を用いる。

この一般式は下記の線形形式に書き直すことができる。符号φは楕円中心（ｘ０,ｙ０）を通る長径方向線に対して各点が為す角度である。

ここで、ｘは水平角（Ｈ）、ｙは鉛直角（Ｖ）である。制御部６は最小二乗法を用いてＡないしＥの各パラメータ係数を求める。

制御部６は、次に、下記の式により、楕円１１５の中心を求める。図１７は閾値レベルＴｈ＝１０％で楕円近似処理を行ったときに得られた楕円１１５とその中心位置とを示している。

このような楕円近似処理を、Ｔｈ＝閾値レベル２０％から閾値レベル９０％まで離散的に繰り返す。これにより、９個の中心位置１１５ａ〜１１５iが図１５（ａ）に示すように求められる。Ｔｈ＝閾値レベルの相違により、楕円の中心が変動するが、図１５（ａ）に示すように、中心位置の偏差が互いに小さい閾値レベルＴｈが存在する。この中心位置の偏差が小さい閾値レベルＴｈを用いて最終的にターゲット１１０の中心位置座標を決定する。ここでは、閾値レベルＴｈ＝３０％から７０％の閾値に対応する点群データを用いて、中心位置座標を決定する。
Ｓ．１２（ターゲット１１０の大きさチェック）
用いるターゲットの大きさは予め記憶部６２に登録されている。制御部６は楕円１１５の中心位置を求めた後、ターゲット１１０の直径を演算する。制御部６は登録されているターゲット１１０の大きさと演算により求めたターゲットとの大きさを比較し、登録されているターゲット１１０の直径と演算により求めたターゲットとの大きさが所定範囲にないときには、Ｓ．６にないしＳ．１２の処理を繰り返す。なお、ターゲットの直径の演算は、演算により求められた中心位置、楕円の長径、短径を所定の数学公式に代入することにより求められる。これにより捕捉されたターゲットの真偽をチェックできる。
Ｓ．１３（測距）
次に、制御部６は赤外パルス光の反射光量の強度が適正となるように減衰器３９’を駆動制御する。ついで、制御部６は、測距受光部３９の受光出力に基づき、複数回測距を実行し、複数個の測距データを取得する。ターゲット１１０の中輝度反射領域部１１０ｆは、高輝度反射領域部１１０ｅの輝度よりも低いため、反射光量が小さく、精度の良好な測距値を得ることができる。

ターゲット１１０の中心位置の水平角（Ｈ）、鉛直角（Ｖ）、距離Ｄは、制御部６により公共測量用の３次元座標に変換されて、記憶部６２に保存される。
Ｓ．１４（次のターゲットの中心位置の取得処理の実行継続の有無判断）
ターゲット番号００１について、Ｓ．１４の処理が終了すると、Ｓ．６に戻って、ターゲット番号００２について、Ｓ．６からＳ．１４の処理を実行する。これらＳ．６からＳ．１４までの処理を全てのターゲット１１０について実行し、全てのターゲット１１０についての中心位置の水平角（Ｈ）、鉛直角（Ｖ）、距離Ｄが求められ、制御部６はこれらを公共測量用の３次元座標に変換して記憶部６２に保存する。
Ｓ．１５（本スキャンの実行）
制御部６は、次に、測定対象物のスキャンエリアＥ１について、本スキャンを実行する。これにより、多数の点群データを取得する。これらの得られた点群データをターゲット１１０の中心位置を基準位置としてデータ変換する。
Ｓ．１６（合成処理）
これらのターゲット探索スキャン、本スキャンを残りの各スキャンエリアについて実行する。次に、これらのターゲット探索スキャン、本スキャンの実行が終了すると、ターゲット１１０の中心位置を基準位置として、測定対象物１００の各点群データ毎に合成処理を実行する。これらの一連の処理により、測定対象物１００の三次元形状に対応する座標値が得られる。これらのＳ．１５、Ｓ．１６の処理は、既に公知であるので、これ以上の説明は省略する。

この三次元形状測定装置１は、画像受光部４３により得られた画像と点群データにより得られた三次元座標とに基づき、画像の中心位置と点群データの中心位置との標定作業を行うことができる。

ターゲット１１０の大円１１０ｃと小円１１０ｂとの間は、反射率が最も高い高輝度領域部１１０ｅとされているので、スキャンによりターゲット１１０の概略位置を容易に求めることができる。

また、この三次元形状測定装置では、ターゲット１１０の概略位置を照星照門４６を用いて直接視準して指定するか、スキャンにより画面上の点群データを用いてターゲット１１０を指定するか、画像受光部４３により撮像したデジタル画像を画像処理した後、画面上に表示させ、画面上に表示された画像を用いてターゲットの概略位置を指定することもできるので、操作性が向上する。

レーザスキャナによる計測方法の一例を示す概略図である。 図１に示す測定対象物に設置のターゲットの一例を示す平面図である。 本発明に係わる三次元形状測定装置の概略構造を示す断面図である。 図３に示す回転照射部の構造を説明するための断面図である。 図３に示す制御部のブロック回路図である。 本発明に係わるターゲットの一例を示す要部平面図である。 本発明に係わる三次元形状測定装置による処理フロー図である。 ターゲット探索処理により得られた点群データを表示部の画面に表示した状態を示す図である。 ターゲットの概略位置を指定した状態を示す図である。 図９のターゲット番号００１の近傍の探索処理により得られた点群データの一例を示す説明図である。 図１０の点群データに基づきターゲットスキャン範囲を決定するための一例を示す説明図である。 図１１に示すターゲットスキャン範囲のターゲット探索処理により得られた点群データの一例を示す説明図である。 図１２の点群データに基づきターゲットスキャン範囲を決定するための一例を示す説明図である。 詳細スキャンにより得られた点群データの一例を示す説明図である。 図１４に示す点群データに基づき楕円フィット処理を実行するための説明図であって、（ａ）は（ｂ）に示す走査線Ｘ方向の点群データに基づく反射強度値を示し、（ｂ）は詳細スキャンにより得られた点群データを示す。 図１４に示す点群データの走査の一例を示す説明図である。 図１５の走査により得られた楕円の一例を示す説明図である。

符号の説明

１１０…ターゲット
１１０ａ…矩形状枠
１１０ｂ…小円
１１０ｃ…大円
１１０ｄ…低輝度反射領域部
１１０ｅ…高輝度反射領域部
１１０ｆ…中輝度反射領域部

Claims (12)

1. 測定対象物に設置されて点群データの基準値を得るためのターゲットであって、枠によって囲まれかつターゲット中心を有する小円と、前記枠によって包囲されかつ前記小円の中心と同心で前記小円を包囲する大円とを有し、前記枠と前記大円との間の反射領域部が反射率が最も低い低輝度反射領域部とされ、前記大円と前記小円との間の円形周辺領域部が反射率が最も高い高輝度反射領域部とされ、前記小円の内側の円形中心領域部が反射率が前記低輝度反射領域部の反射率より高く前記高輝度反射領域部の反射率よりも低い中間の反射率を有する中輝度反射領域部とされていることを特徴とするターゲット。
2. 前記小円のターゲット中心の位置に前記低輝度反射領域部の反射率と同程度の反射率を有するマークが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のターゲット。
3. 前記枠の各辺に前記中心位置で仮想的に交差して合致しかつ前記中輝度反射領域部の反射率と同程度の反射率を有するマークが形成されていることを特徴とする請求項２に記載のターゲット。
4. 前記中輝度反射領域部が測距に用いられることを特徴とする請求項３に記載のターゲット。
5. 請求項１に記載のターゲットが配設された測定対象物に向けてパルスレーザ光を射出する発光部と、前記測定対象物を水平方向にスキャンさせるための駆動部と、前記測定対象物を垂直方向にスキャンさせるための駆動部と、前記水平方向及び垂直方向スキャンにより請求項１に記載のターゲットの中心座標と該ターゲットまでの距離を求めることにより請求項１に記載の中心位置の三次元座標を求めると共に、求められた三次元座標に基づき測定対象物をスキャンすることにより得られた点群データを合成処理する制御部と、前記測定対象物の撮像用の画像受光部を備え、
   前記制御部は、前記測定対象物のスキャンエリアをスキャンして請求項１に記載のターゲットを探索して測定対象物の各点からの反射レーザ光と請求項１に記載のターゲットの各点からの反射レーザ光とを含む点群データを取得してターゲットを探索するターゲット探索処理ステップと、該ターゲット探索処理ステップにより得られた点群データに基づきターゲットスキャン範囲を指定してターゲットスキャン範囲をスキャンすることにより点群データを取得して該点群データに基づきターゲットの概略位置を捕捉する捕捉処理ステップと、該捕捉処理ステップにより得られたターゲットの概略位置に基づきターゲットを詳細スキャンして点群データを取得する詳細スキャン処理ステップと、該詳細スキャン処理ステップにより得られた点群データの反射レーザ光の強度に基づき請求項１に記載の高輝度領域部と請求項１に記載の低輝度領域部との間のエッジを抽出し、楕円近似手段により、請求項１に記載のターゲットの中心座標を求める中心座標決定処理ステップ部と、前記ターゲットまでの距離を測距する測距処理ステップとを有することを特徴とする三次元形状測定装置。
6. 前記制御部は、前記詳細スキャン処理ステップの処理により得られた点群データの反射レーザ光の強度値に対して複数の閾値レベルを設定し、該閾値レベルを変更して楕円近似処理を実行し、閾値レベル毎の楕円近似処理により得られた複数の中心座標のうち偏差が小さい中心座標を用いて前記ターゲットの中心座標を決定することを特徴とする請求項５に記載の三次元形状測定装置。
7. 前記制御部は、前記捕捉処理ステップにおいて点群データを取得する際に前記測定対象物からの反射レーザ光を所定割合で減衰させて、前記捕捉処理ステップを再実行することにより点群データを取得することを特徴とする請求項６に記載の三次元形状測定装置。
8. 前記制御部は、前記捕捉処理ステップにおいて、前記ターゲットまでの距離を測距し、測距結果に基づいて前記パルスレーザー光のビームスポット径を変更して、前記捕捉処理ステップを再実行することにより点群データを再取得することを特徴とする請求項７に記載の三次元形状測定装置。
9. 前記エッジの抽出を前記点群データを縦方向に走査して実行することを特徴とする請求項８に記載の三次元形状測定装置。
10. 前記制御部は、予め登録されているターゲットの大きさと詳細スキャンにより得られたターゲットの大きさとを比較してターゲットか否かのチェックを行うことを特徴とする請求項９に記載の三次元形状測定装置。
11. 使用するターゲットの大きさが測定対象物までの距離に応じて複数個準備されている請求項１０に記載の三次元形状測定装置。
12. 画像受光部を有し、制御部は、前記画像受光部により得られた画像と点群データにより得られた三次元座標とに基づき、画像の中心位置と点群データの中心位置との標定作業を実行することを特徴とする請求項１１に記載の三次元形状測定装置。