JP2000213916A

JP2000213916A - 変位計測方法

Info

Publication number: JP2000213916A
Application number: JP11015653A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Yoshida; 吉田哲二; Hitoshi Sato; 等佐藤; Hiroshi Ueno; 上野浩史; Koichi Harima; 播磨浩一; Yutaro Fukase; 深瀬勇太郎; Toshiyuki Okuyama; 奥山利幸; Shinichi Kimura; 木村真一
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Communications Research Laboratory; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; National Institute of Information and Communications Technology; Shimizu Corp
Priority date: 1999-01-25
Filing date: 1999-01-25
Publication date: 2000-08-04

Abstract

(57)【要約】【課題】作業が簡単でありかつ作業時間が短く、しかも
周辺の照度条件にほとんど左右されない高精度で安価な
変位計測方法を提供する。【解決手段】本発明の変位計測方法に用いられる計測用
マーク３は、多階調のなめらかな階調変化を有する同心
円状のマークパターンで形成されている。そして、この
計測用マーク３を計測対象物２に設置するとともに、カ
メラ装置４のレンズの焦点をこの計測用マーク３に合わ
せる。この状態でカメラ装置４により計測用マーク３を
撮影し、撮影したカメラ像を計算機５に送り、計算機５
によって離散画像相関関数を求め、更に計測分解能に基
づく細かさでその関数を補間し、その関数が最大値をと
る座標を求めることにより、計測対象物２の位置を計算
すると共に、計測対象物２がカメラ光軸方向に垂直な面
内で動いたときの計測用マーク３の光軸に垂直な面内で
の変位を計算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、計測対象物の位置
または変位を光学的に計測する変位計測方法の技術分野
に属し、計測対象物に設置した計測用マークをカメラ装
置で撮影し、撮影した撮像画像を画像処理することによ
り、計測対象物の位置または変位を計測する変位計測方
法の技術分野に属するものである。

【０００２】

【従来の技術分野】従来、対象物の位置を視準する方向
に垂直な平面内での変位を検出する場合、計測対象物に
マークを設置し、このマークを人がトランシットなどの
測量器を用いて視準して求める方法、あるいは、このマ
ークをカメラ装置で撮影し、撮影した画像を、画像重心
法を用いた画像処理を行うことによりその変位を求める
方法が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、トランシッ
トによる測量は、作業時間が多くかかるばかりでなく、
作業が繁雑であり、更に、計測精度が人為的な誤差を含
んだものとなっていた。また、画像重心法を用いた画像
処理による方法は、照度の変化によって計測値が変動す
るので、計測精度が周辺環境の照度条件及びカメラ装置
で発生する電気的ノイズに大きく左右される問題点を有
しており、計測精度の向上が困難であった。そこで、計
測精度を向上するために、カメラ装置の性能を向上させ
ることが考えられるが、そのためにはカメラ装置が高価
になってしまう。

【０００４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、作業が簡単でありかつ作業
時間が短く、しかも周辺の照度条件にほとんど左右され
ない高精度で安価な精度変位計測方法を提供することで
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、請求項１の発明は、所定のマークパターンからな
る計測用マークを計測対象物に設置し、前記計測対象物
の変位前の前記計測用マークをカメラ装置で撮影して基
準マーク画像として取得すると共に、前記計測対象物の
変位後の前記計測用マークを前記カメラ装置で撮影して
変位マーク画像として取得し、これらの基準マーク画像
と変位マーク画像の各撮像画像について離散画像相関関
数を求め、更に、求めた離散画像相関関数を計測分解能
に基づく細かさで補間し、前記離散画像相関関数が最大
値を取る座標を求めることにより、前記計測対象物がカ
メラ光軸方向に垂直な面内で動く場合の計測用マークの
光軸に垂直な平面内での変位を画像解像度以下で計測す
ることを特徴としている。

【０００６】また、請求項２の発明は、前記カメラ装置
で撮影した基準マーク画像および変位マーク画像の撮像
画像を、それぞれ多階調のなめらかな階調変化を有する
パターンの画像としていることを特徴としている。更
に、請求項３の発明は、前記計測用マークのマークパタ
ーンとして多階調のなめらかな階調変化を有するパター
ンを用いて、前記撮像画像を得ることを特徴としてい
る。

【０００７】更に、請求項４の発明は、前記計測用マー
クのマークパターンとして、２階調の階調変化を有する
パターンを用い、前記カメラ装置がそのレンズの焦点を
前記計測用マークからずらせた状態でこの計測用マーク
を撮影し、前記撮像画像を得ることを特徴としている。
更に、請求項５の発明は、前記マークパターンは同心円
状のパターンであることを特徴としている。

【０００８】

【作用】このように構成された本発明の変位計測方法に
おいては、カメラで撮影したマーク像の撮像画像につい
て、計算機によって離散画像相関関数が求められる。そ
して、この離散画像相関関数が計測分解能に基づく細か
さで補間されるとともに、補間された関数が最大値をと
る座標が求められる。求めた座標に基づいて、画像解像
度以下の分解能で精度良くマーク像の変位が計測される
とともに、周辺の照度条件の変化の影響を受け難い変位
の計測が高精度に行われるようになる。

【０００９】特に、計算機に送られる撮像画像を多階調
のなめらかな階調変化を有するパターンの画像が用いら
れることで、計算機によって正確な離散画像相関関数が
求められるようになるとともに、この離散画像相関関数
が正確に補間されるようになるので、計測精度が向上す
る。

【００１０】また、多階調のなめらかな階調変化のパタ
ーンの撮像画像を用いることで、画像全体の色変化の分
布パターンの移動が計測されるようになるので、照度が
変化し、画像全体の明るさが変化しても、画像全体の色
変化の分布パターンは変化しないため、照度条件の変化
の影響をより一層受け難い計測が実現されるようにな
る。

【００１１】しかも、カメラ装置は市販のものでよいの
で、本発明の変位計測方法は安価に変位計測が行われる
ようになり、また、撮影した撮像画像は人為的な誤差を
ほとんど含まなくなるので、測定精度が更に向上する。
更に、市販のカメラ装置で、計測対象物に設置した計測
用マークを単純に撮影すればよいので、作業が簡単にな
りかつ作業時間が短くなる。

【００１２】更に、計測用マークのマークパターンが２
階調の階調変化を有するパターンとされることで、計測
用マークが容易に製作されるとともに安価になる。更
に、計測用マークのマークパターンとして同心円状のマ
ークパターンを用いていることで、計測用マークのカメ
ラ光軸まわりの回転の取付誤差による計測性能の劣化が
防止される。しかも、計測精度が画像面上の上下左右の
変位方向によらず一定になる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明に係る変位計測方
法の実施の形態の一例に用いられる変位計測装置を模式
的に示す図、また図２はこの例の変位計測方法に用いら
れる計測用マークの一例を示す図、更に図３は図２にお
けるIII−III線に沿う多階調のマークパターンの断面図
である。

【００１４】図１に示すように、この例の変位計測方法
に用いられる変位計測装置１は、計測対象物２に設置し
た計測用マーク３と、この計測用マーク３を視準できる
カメラ光軸上の適切な場所に設置したカメラ装置４と、
撮像画像を取り込み、この撮像画像について画像処理計
算を行う計算機５とから構成されている。

【００１５】そして、この例の変位計測方法では、この
変位計測装置１を用い、計測対象物２に設置した変位前
の計測用マーク３をカメラ装置４で撮影して基準マーク
画像を得ると共に、計測対象物２の変位後の計測用マー
ク３をカメラ装置４で撮影して変位マーク画像を得る。
これらの両マーク画像を計算機５に送り、計算機５によ
って画像相関計算を行い、両マーク画像について離散画
像相関関数を求める。そして、求めた離散画像相関関数
が最大値をとる座標からこれら２つのマーク画像間の相
対位置を求める。更に、得られた相関関数の最大値周辺
を求める計測分解能に応じた細かさでその関数を補間す
る。この画像の補間方法としては、例えばｃｕｂｉｃ補
間を用いることができる。この補間計算は、例えば、カ
メラ装置４の撮像画像の画素の中から中心部の所定領域
の画素を切り出し、この画素の１／１００の分解能とな
るように行われる。そして、その関数が最大値をとる座
標をカメラ装置４の有する画素の最小ピッチより細かい
サブピクセルオーダーの単位で求めることにより、計測
対象物２の位置を計算すると共に、計測対象物２がカメ
ラ光軸方向に垂直な面内で動いたときの計測用マーク３
の光軸に垂直な面内での変位を計算する。

【００１６】ところで、本発明の変位計測方法では、計
算機５で行われる計算アルゴリズムは、大きく２つのフ
ェーズ、すなわち離散画像相関関数の計算と離散画像相
関関数の補間とに分けられる。離散画像相関関数の計算
のフェーズでは、画像に含まれる空間周波数（色の変化
の激しさ）が高いと正確な離散画像相関関数を求めるこ
とは簡単にはできない。仮に、離散画像相関関数の計算
のフェーズで正確な離散画像相関関数を求めることがで
きたとしても、離散画像相関関数の補間のフェーズで
は、画像に含まれる空間周波数が高いと離散画像相関関
数の最大値付近が高次の関数となって（最大値周辺の変
化率が大きい、あるいはピークがたっている）、正確に
補間できないため、計測精度に悪影響を与える。

【００１７】そこで、この例の変位計測方法では、次の
ようにして撮像画像のパターンを多階調のなめらかな階
調変化のパターンにすることにより、撮像画像に含まれ
る空間周波数を低くしている。

【００１８】すなわち、図２に示すようにこの例の変位
計測方法に用いられている計測用マーク３は同心円状の
マークパターンであり、このマークパターンは図３に示
すように多階調のなめらかな階調変化を有している。そ
の場合、この例のマークパターンは、階調が低い値から
始まって周期的に変化し、階調の大きいピーク値が次第
に大きくなりその最大値となった後、次第に小さくなる
パターンとなって、低い値で終わるようにされている。
もちろん、このパターンに限定されるものではなく、例
えば、周期的に変化する階調の大きいピーク値が一定で
あるパターンでもよいなど、要するに、階調が多階調で
なめらかなに変化するパターンであればどのようなもの
でもよい。そして、この例の変位計測方法では、このよ
うな多階調のなめらかな階調変化を有する計測用マーク
３を、カメラ装置４のレンズの焦点をこの計測用マーク
３に合わせた状態で撮影し、撮影した撮像画像に基づい
て基準マークおよび変位マーク画像を得るようにしてい
る。

【００１９】この例の変位計測方法によれば、多階調の
なめらかな階調変化を有する計測用マーク３を用いてい
るので、カメラ装置４で撮影された撮像画像のパターン
も、図２に示すと同様の多階調のなめらかな階調変化の
パターンとなる。これにより、計算機によって精度良く
離散画像相関関数を求めることができるとともに、この
離散画像相関関数を補間できるようになるので、計測精
度を向上できる。

【００２０】また、多階調のなめらかな階調変化のパタ
ーンの撮像画像を用いることで、画像解像度以下の分解
能でマーク像の変位の計測を行うことができる。しか
も、画像全体の色変化の分布パターンの移動を計測する
ようになるので、照度が変化し、画像全体の明るさが変
化しても、画像全体の色変化の分布パターンは変化しな
いため、照度条件の変化の影響を受け難い計測が実現で
きる。

【００２１】また、カメラ装置４は従来のカメラ装置で
よいので、変位計測方法を安価に形成することができ
る。また、カメラ装置４の操作は人によってほとんど変
わらないので、撮影した撮像画像は人為的な誤差をほと
んど含まなくなり、測定精度を更に向上できる。

【００２２】更に、従来のカメラ装置４で単純に計測用
マーク３を撮影すればよいので、作業が簡単になりかつ
作業時間が短くなる。更に、計測用マーク３として同心
円状のマークパターンを用いているので、計測用マーク
３のカメラ光軸まわりの回転の取付誤差による計測性能
が劣化するのを防止できる。しかも、計測精度を画像面
上の上下左右の変位方向によらず一定にできる。

【００２３】図４は、本発明の実施の形態の他の例に用
いられる計測用マークの一例を示し、２階調のマークパ
ターンからなる計測用マークを示す図、図５は図４にお
けるV−V線に沿う断面図である。なお、前述の例の変位
計測方法と同じ構成要素には同じ符号を付すことによ
り、その詳細な説明は省略する。

【００２４】この例の変位計測方法に用いられる変位計
測装置１では、図４に示すように計測用マーク３が同心
円状のマークパターンであり、このマークパターンは図
５に示すように黒と白の２階調の階調変化を有してい
る。この例のマークパターンは、階調が低い値から始ま
って低い値で終わっているが、これに限定されることな
く、階調の始まりは高い値でも良いし低い値でも良い
し、また、階調の終わりも高い値でも良いし低い値でも
良い。そして、この例の変位計測方法では、このような
２階調の階調変化を有する計測用マーク３を、カメラ装
置４のレンズの焦点をこの計測用マーク３から故意にず
らした状態で撮影し、撮影した撮像画像に基づいて基準
マークおよび変位マーク画像を得るようにしている。こ
の例の変位計測方法の他の構成は、前述の例と同じであ
る。

【００２５】この例の変位計測方法によれば、２階調の
階調変化を有する計測用マーク３を用いているので、計
測用マーク３を容易にかつ安価に製作することができ
る。この例の変位計測方法の他の作用効果は、前述の例
と同じである。

【００２６】なお、前述の各例では、いずれもマークパ
ターンとして同心円状のものを用いているが、本発明は
これに限定されるものではなく、多階調のなめらかな階
調変化を有するもの、あるいは２階調の階調変化を有す
るものでありさえすれば、例えばバーコードのようなマ
ークパターン等の他のどのような同心状のマークパター
ンを用いることもできる。また、マークパターンは、色
は白、黒、あるいはカラーのどれも用いることができ
る。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の変位計測方法によれば、計算機によって離散画像相関
関数を求めるとともに、この離散画像相関関数を補間
し、その最大値をとる座標を求めるようにしているの
で、画像解像度以下の分解能で精度良くマーク像の変位
を計測できるとともに、周辺の照度条件の変化の影響を
受け難い変位の計測を行うことができるようになり、計
測精度を向上できる。

【００２８】特に、請求項２および３の発明によれば、
計算機に送る撮像画像を多階調のなめらかな階調変化を
有するパターンの画像にしているので、離散画像相関関
数を精度良く求めることができるとともに、この離散画
像相関関数を正確に補間できるようになる。しかも、画
像全体の色変化の分布パターンの移動を計測するように
なるので、照度が変化し、画像全体の明るさが変化して
も、画像全体の色変化の分布パターンは変化しないた
め、照度条件の変化の影響を更に受け難い計測を実現す
ることができるようになる。これにより、計測制度をよ
り一層向上させることができる。

【００２９】しかも、カメラ装置を市販のもので済むよ
うにしているので、変位計測方法を安価にでき、また、
撮影した撮像画像に人為的な誤差をほとんど含まないよ
うにしているので、測定精度を更に向上できる。更に、
市販のカメラ装置で単純に計測用マークを撮影すればよ
いので、作業を簡単にできかつ作業時間を短くできる。

【００３０】更に、計測用マークのマークパターンを２
階調の階調変化を有するパターンとすることで、計測用
マークを容易に製作できるとともに安価になる。更に、
計測用マークのマークパターンとして同心円状のマーク
パターンを用いることで、計測用マークのカメラ光軸ま
わりの回転の取付誤差による計測性能の劣化を防止でき
る。しかも、計測精度を画像面上の上下左右の変位方向
によらず一定にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る変位計測方法の実施の形態の一
例を模式的に示す図ある。

【図２】この例の変位計測方法に用いられる計測用マ
ークを示す図である。

【図３】図２におけるIII−III線に沿う多階調のマー
クパターンの断面図である。

【図４】本発明の実施の形態の他の例に用いられる計
測用マークを示す、図２と同様の図である。

【図５】図４におけるV−V線に沿う２階調のマークパ
ターンの断面図である。

【符号の説明】

１…変位計測方法、２…計測対象物、３…計測用マー
ク、４…カメラ装置、５…計算機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤等東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者上野浩史東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者播磨浩一東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者深瀬勇太郎東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者奥山利幸東京都小金井市貫井北町４−２−１郵政省通信総合研究所内 (72)発明者木村真一東京都小金井市貫井北町４−２−１郵政省通信総合研究所内Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA54 BB13 BB24 DD03 DD06 FF04 JJ03 JJ16 JJ26 QQ29 QQ41 SS02 SS13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のマークパターンからなる計測用マ
ークを計測対象物に設置し、前記計測対象物の変位前の
前記計測用マークをカメラ装置で撮影して基準マーク画
像として取得すると共に、前記計測対象物の変位後の前
記計測用マークを前記カメラ装置で撮影して変位マーク
画像として取得し、これらの基準マーク画像と変位マー
ク画像の各撮像画像について離散画像相関関数を求め、
更に、求めた離散画像相関関数を計測分解能に基づく細
かさで補間し、前記離散画像相関関数が最大値を取る座
標を求めることにより、前記計測対象物がカメラ光軸方
向に垂直な面内で動く場合の計測用マークの光軸に垂直
な平面内での変位を画像解像度以下で計測することを特
徴とする変位計測方法。
【請求項２】前記カメラ装置で撮影した基準マーク画
像および変位マーク画像の撮像画像を、それぞれ多階調
のなめらかな階調変化を有するパターンの画像としてい
ることを特徴とする請求項１記載の変位計測方法。
【請求項３】前記計測用マークのマークパターンとし
て多階調のなめらかな階調変化を有するパターンを用い
て、前記撮像画像を得ることを特徴とする請求項２記載
の変位計測方法。
【請求項４】前記計測用マークのマークパターンとし
て、２階調の階調変化を有するパターンを用い、前記カ
メラ装置がそのレンズの焦点を前記計測用マークからず
らせた状態でこの計測用マークを撮影し、前記撮像画像
を得ることを特徴とする請求項２記載の変位計測方法。
【請求項５】前記マークパターンは同心円状のパター
ンであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか
１記載の変位計測方法。