JPH0480607A - 揺動物体変位の非接触測定方法及び装置 - Google Patents
揺動物体変位の非接触測定方法及び装置Info
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- JPH0480607A JPH0480607A JP19313190A JP19313190A JPH0480607A JP H0480607 A JPH0480607 A JP H0480607A JP 19313190 A JP19313190 A JP 19313190A JP 19313190 A JP19313190 A JP 19313190A JP H0480607 A JPH0480607 A JP H0480607A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
本発明は揺動物体変位の非接触測定方法に関し、例えば
船舶等の揺動物体か波・潮流・風等により揺動する時の
変位、スウェイ、サージ、ヒープ、ピッチ、ロール、ヨ
ウ等（以下、揺動間という。）を非接触的に測定する方
法及び装置に関する。
船舶等の揺動物体か波・潮流・風等により揺動する時の
変位、スウェイ、サージ、ヒープ、ピッチ、ロール、ヨ
ウ等（以下、揺動間という。）を非接触的に測定する方
法及び装置に関する。
工場組立の構造部材、例えばケーソン、基礎部材、沖合
油井躯体、橋梁躯体等を水上輸送して現地で据え付ける
工法の普及に伴い、水上に浮ぶ物体（以下、浮体という
。）の運動を測定する必要か増大している。又長大橋そ
の他の構造物において長いスパンの中間に支持され風圧
等による揺動に曝らされる部材等の物体Ｃ以下、上記浮
体及び揺動に曝らされる部材等の物体を総称して揺動物
体という。）の使用例も増えている。空間内の位置の三
次元計測方法としては、 （ａ）トランシットと距離計（例えば光波測距儀）によ
る三角測量法 （ｂ）六分儀による方法 （ｃ）航空写真測量による方法 等かある。また動的な三次元変位測定には、（ｄ）加速
度計の出力を積分する方法 その他がある。最近では、レーザ光線の反射を利用する
光学的な測定方法も提案されている。
油井躯体、橋梁躯体等を水上輸送して現地で据え付ける
工法の普及に伴い、水上に浮ぶ物体（以下、浮体という
。）の運動を測定する必要か増大している。又長大橋そ
の他の構造物において長いスパンの中間に支持され風圧
等による揺動に曝らされる部材等の物体Ｃ以下、上記浮
体及び揺動に曝らされる部材等の物体を総称して揺動物
体という。）の使用例も増えている。空間内の位置の三
次元計測方法としては、 （ａ）トランシットと距離計（例えば光波測距儀）によ
る三角測量法 （ｂ）六分儀による方法 （ｃ）航空写真測量による方法 等かある。また動的な三次元変位測定には、（ｄ）加速
度計の出力を積分する方法 その他がある。最近では、レーザ光線の反射を利用する
光学的な測定方法も提案されている。
しかし、上記従来の三次元計測方法のうち三角測量法、
六分儀法、航空写真測量法には揺動物体変位の連続的測
定、即ち動的測定に適しない欠点があった。また加速度
計法には加速度計を揺動物体に取付けねばならず、単に
取付けの手間を要するだけでなく揺動物体の運動に影響
を及はしかねない欠点があった。さらに揺動物体が剛体
とみなされる場合の上記揺動量は、揺動物体上の３点の
変位の同時測定により計測されるが、上記従来方法は何
れも揺動物体上の特定の３点の三次元同時連続測定には
適しない。 レーザ光の反射を用いる方法には、反射面が三次元的に
運動する場合に反射光を補足するのが困難である欠点が
ある。 従って本発明の目的は、揺動物体の三次元変位の連続的
若しくは動的測定に適する非接触測定方法及び装置を提
供するにある。
六分儀法、航空写真測量法には揺動物体変位の連続的測
定、即ち動的測定に適しない欠点があった。また加速度
計法には加速度計を揺動物体に取付けねばならず、単に
取付けの手間を要するだけでなく揺動物体の運動に影響
を及はしかねない欠点があった。さらに揺動物体が剛体
とみなされる場合の上記揺動量は、揺動物体上の３点の
変位の同時測定により計測されるが、上記従来方法は何
れも揺動物体上の特定の３点の三次元同時連続測定には
適しない。 レーザ光の反射を用いる方法には、反射面が三次元的に
運動する場合に反射光を補足するのが困難である欠点が
ある。 従って本発明の目的は、揺動物体の三次元変位の連続的
若しくは動的測定に適する非接触測定方法及び装置を提
供するにある。
第１図の実施例を参照するに、本発明による揺動物体変
位の非接触測定方法は、２台の固定カメラ９の位置・傾
き・焦点距離を、座標が既知の４目標（図示せず）に対
する前記２台のカメラ９の画面１０．、１０□（第３図
）上の前記４目標の画像座標（Ｘ１１．ＹＩｌ、Ｘ２１
．Ｙ２１％ １１．２．ｓ、４）によって定め、揺動物
体１に固定された標識３に対する上記２台のカメラ画面
１０．、１０２上の前記標識３の画像座標（ｘｌｙｌ、
Ｘ２．Ｙｚ）がら当該標識の位置ＣＸ、Ｙ。 Ｚ）を求め、前記画面１０．、１０２上の標識画像座標
（Ｘｌ、ｙｌ、ＸＩＹ２）の変動から揺動物体１の変位
を算出する。 図中符号５は揺動物体１か浮ぶ水を示し、符号７はカメ
ラ９が固定される陸を示す。 本発明による揺動物体変位の非接触測定装置は、揺動物
体１に固定された標識３、前記揺動物体１に向けられた
２台の固定カメラ９、前記２台のカメラ９による揺動物
体画面１０．．１０２上の標識３の画像座標（Ｘｌ、ｙ
＋、Ｘ２ｙ２）を検出する手段１２、及び前記２台の固
定カメラの位置・傾き・焦点距離を既知位置の４目標（
図示せず）に対する２台のカメラ９の画面１０１．１０
２上の前記４目標の画像座標（Ｘ目、ｙ目、Ｘ２＋、Ｙ
ｌ、ｌ：１．２．３．４）によって求め且つ前記標識３
に対する前記２台のカメラ画面１０．．１０２上の前記
揺動物体上の標識の画像座標（Ｘｌ、ｙ＋、Ｘｌ、 Ｙ
２）から当該標識３の位置変動及び揺動物体１の変位を
算出する手段１４を備えてなる構成を用いる。
位の非接触測定方法は、２台の固定カメラ９の位置・傾
き・焦点距離を、座標が既知の４目標（図示せず）に対
する前記２台のカメラ９の画面１０．、１０□（第３図
）上の前記４目標の画像座標（Ｘ１１．ＹＩｌ、Ｘ２１
．Ｙ２１％ １１．２．ｓ、４）によって定め、揺動物
体１に固定された標識３に対する上記２台のカメラ画面
１０．、１０２上の前記標識３の画像座標（ｘｌｙｌ、
Ｘ２．Ｙｚ）がら当該標識の位置ＣＸ、Ｙ。 Ｚ）を求め、前記画面１０．、１０２上の標識画像座標
（Ｘｌ、ｙｌ、ＸＩＹ２）の変動から揺動物体１の変位
を算出する。 図中符号５は揺動物体１か浮ぶ水を示し、符号７はカメ
ラ９が固定される陸を示す。 本発明による揺動物体変位の非接触測定装置は、揺動物
体１に固定された標識３、前記揺動物体１に向けられた
２台の固定カメラ９、前記２台のカメラ９による揺動物
体画面１０．．１０２上の標識３の画像座標（Ｘｌ、ｙ
＋、Ｘ２ｙ２）を検出する手段１２、及び前記２台の固
定カメラの位置・傾き・焦点距離を既知位置の４目標（
図示せず）に対する２台のカメラ９の画面１０１．１０
２上の前記４目標の画像座標（Ｘ目、ｙ目、Ｘ２＋、Ｙ
ｌ、ｌ：１．２．３．４）によって求め且つ前記標識３
に対する前記２台のカメラ画面１０．．１０２上の前記
揺動物体上の標識の画像座標（Ｘｌ、ｙ＋、Ｘｌ、 Ｙ
２）から当該標識３の位置変動及び揺動物体１の変位を
算出する手段１４を備えてなる構成を用いる。
ます本発明の動作原理を、Ａ カメラパラメータが既知
であると仮定した場合、Ｂ ４目標の画像座標によるカ
メラパラメータ決定、Ｃ剛体の三次元揺動量、及びＤ流
れ図に分けて順次説明する。 第３図を参照するに、空間座標軸Ｙ、Ｖ、７、の座標系
による空間座標（Ｘ Ｙ、Ｚ）をもつ、ψＰに対する
２台のカメラ９の画面１０．．１０２上の画像をＱｌ、
Ｑ２とすれば、原理的には画像Ｑ、、Ｑ２はそれぞれ点
Ｐと２台のうちの対応カメラ９の中心０ 、、０２を結
ふ直線上にある。カメラ画面」二の画像座標軸Ｘｉ、Ｙ
ｉ、Ｚ： （：＝＋、２）の座標系による画像座標を（
Ｘｚ、Ｙ＋、Ｚ：）とし、カメラの中心０１０２の空間
座標を（Ｘ：ｏ、 Ｙｌｏ、 Ｚ：ｏ）とすればカメラ
の画面座標と空間座標との間には一般に次の（１）式及
び（２）式か成立する。 ここに、Ｃ１，φＩ、に１は３方向の回転変換を表し、
Ｃ１、φＩ、に１の順番で回転させるものとする。第４
図は、この回転変換の説明図である。 ２台のカメラ９の焦点距離をそれぞれＣ１、Ｃ２で表せ
ば、カメラ画面上の座標は次の様に表せる。 （Ｘｌ、麿、Ｔ＋）＝ （ｆ＋Ｘ＋、ｆＩＹｌ、ｃ＋）
、ｌ＝１．２ここに、ｆ、は１ドツト当りの長さであり
、ｘｌｙはｆ、変換前のカメラ画面座標である。ｆ、と
ｃ、とは１１の対応関係にあり、どちらかを固定すれば
、他方は係数となる。 よって、画面１０１上の特定点の画像座標（ｆ、ｘｆ＋
Ｙ１．ｃ＋）が知られている場合、それに対応する空間
座標（Ｘｌ、Ｙｌ、Ｚｌ）への変換は次の（３）式で与
えられる。 （２）及び（３ン式からカメラパラメータは次の７個の
定数であることかわかる。 Ｘｌ。Ｙｌｏ、Ｚｌａ、ωＩφ１、Ｋ ＋、ｃ各カメラ
９に対し、カメラ中心（空間座標Ｘ１゜Ｙｌ。、Ｚｌ−
）と当該カメラ画像上の点Ｑ（空間座標ＸＹ、、Ｚ、）
とを通る直線の方程式は次の（４）式及び（５）式ので
与えられる。 （Ｘ 。）Ｋ ＝（Ｄ １ｆ ＋Ｄ ＋２ｆ ＋Ｄ ＋３ｃ −（ｙ 。）Ｋ ）Ｋ ］ ヲ 原理的には、第３図の一方のカメラ９の中心０１と当該
カメラによる空間点Ｐの画像Ｑ、とを結ふ直線は、他方
のカメラ９の中心０２と当該他方のカメラによる同一点
Ｐの画像Ｑ２とを結ぶ直線と正に前記空間点Ｐて交差す
るはずである。しかし、現実の２台のカメラ９て得られ
る両直線は必すしも交差するとは限らない。本発明者は
、前記両直線か交差する時に成立する次の（６）式の近
似解をデミングの方法で求め、点Ｐの空間座標ｘ、ｙ、
ｚとする手法を取った。 ７〜′ 前記（６）式による空間座標決定のためにはカメラパラ
メータを事前にもとめる必要かある。現実のカメラにつ
いて直接に測定することも可能であるが、建設工事に関
連して現地計測する場合には、計測が不可能又は困難で
あることが多い。また実験室的な計測の場合であっても
、カメラパラメタの直接計測は手間がかかり実用的でな
い。 この問題解決のため、本発明者は空間座標（Ｘ、＋、Ｙ
ｅ＋、Ｚｃ＋、ｌ：１．２．３．４）が既知である４目
標に対する画像座標（Ｘ１１、Ｙｌｌ、Ｉ＋、２、Ｉ：
１．２３４）からカメラパラメータを間接的に決定する
手法に着目した。 各既知目標からの光線か、第３図の０１点とＱに対応す
る点を通る条件より、次の（７）式及び（８）式で与え
られる２関係式か各目標毎に成立する。 ４目標に対し各カメラ毎に８式か得られる。 １ｆ Ｘ。 、＋Ｄ ＋２ｆ Ｃ 、＋Ｄ ３ｃ （７）式により４目標に関して与えられる８関係式は次
の（９）式の様に書直すことかできる。 ｆａ ＣＬ−１Ｙｌｏ、Ｚｌａ、ＱＪ ＋、＜６１．／
Ｃ＋、ＣＩ）”ＯＪ（９）式は未知数の数が７で、方程
式の数か８であることを示すので、その解にはデミレグ
法による近似解を用いることかできる。 好ましくは、デミレグ法における収束を速くするために
カメラ９から既知目標までの距離を測定し、次の（１０
）式の拘束条件を付加する。 ｆｅ（Ｘｔ。、・ ・ ・ ｃ、） −（Ｌ −Ｘ、＋）”＋（Ｙ＋、−Ｙｃ＋）２＋（Ｚ
ｌ。−Ｚｅ＋）２Ｄ・２
・・・（１０）ここに、Ｄｌは既知目
標から各カメラまでの距離で、例えば第５図の測距儀２
０により計測される。Ｄ、の精度かよければ、カメラパ
ラメータも向上されるので、好ましくは測距儀２０に光
波測距儀２１を含め測定精度を高める。 Ｃ［の三゛−′ カメラパラメータＸ１゜、Ｙ、。、Ｚ、。、ω１、φに
ｉ ｃｌを（１０）式により一旦決定すれば、揺動物体
上の一標識３の空間座標ｘ、ｙ、ｚを２台のカメラ９の
画像座標Ｘ＋、Ｙ＋、Ｘ２−Ｖ２から前記（６）式にり
算出することができる。揺動物体１か剛体であると仮定
すれば、揺動物体１の揺動量か揺動物体上の３点の変位
の測定により算定できることを第７図により説明する。 微小範囲内における揺動物体上の一点Ｐの変位ｘ、、ｙ
、、ｚ、は、揺動物体１の並進変位ΔＸ ΔＹΔ２と回
転変位θＸ、θｙ、θＺとの関数として次の（１１）式
で与えられる。 ここに、Ｌｘ、 Ｌｙ、 Ｌｚは、例えば重心である着
目点Ｂから運動観測点Ｐまでの３軸線方向の距離である
。 剛体１上の３観測点Ｐ 、、 Ｐ 、、 Ｐ Ｋの変位
をそれぞれ Ｐ−Ｉ ＣＸｐｓ、Ｙｐｌ、Ｚｐ＋） Ｐｇ ＣＬ２、ＹｐＲ，ＺＰｚ） Ｐａ ＣＸｐｓ、Ｙｐｓ、Ｚ□） とおけば、次の（１２）式が成立する。 たたし、ＬＸｔ、Ｌｙ＋、ＬＺ＋、＋＝＋、２．ｓは着
目点Ｂがら番目の運動観測点Ｐ、までの３軸線方向の距
離である。 （１２）式は、６個の未知数ΔＸ、ΔＹΔＺ３θＸθｙ
θＺに対し９つの方程式を与えるので、（７）式の場合
と同様に、デミレグ法等によって近似解を算出すること
ができる。 なお、運動観測点の数は３点に限定されるものではなく
、３点以上任意数の観測点を使用することか可能でり、
理論的には観測点数か増えるはと計測精度が向上する。 ｌ−直ち」 操作手順の一例を示す第１３図の流れ図を参照するに、
本発明の揺動物体変位の非接触測定方法が開始されると
、ステップ■でカメラ９が設置された後、ステップ■に
おいて空間座標既知の静止４目標を規準して４組の画像
座標（Ｘ＋４．ｙ＋１．ＸＨＹｘ＋１．：１．２１１．
４）を座標検出手段１２によって検出する。ステップ■
に進み、変位検出手段１４を用い前記４組の画像座標及
び（９）式と好ましくはく１０）式をも用いてカメラパ
ラメータＸ １．、、 Ｙ ＋６．２ ＋９．Ｃ１、φ
Ｉ、に、、Ｃ１を決定する。 次にステップ■でカメラ９により、揺動する標識３の画
像データを取得する。ステップ■において、各標識３に
対する画像座標（Ｘ＋、’／］、Ｘ２．ｙ２）を座標検
出手段１２によって検出し、さらにステップ■において
、変位検出手段１４により上記（１２）式と前記画像座
標とから揺動量の６成分ΔＸ、ΔＹ、△Ｚ θＸ、θｙ
、θ２を算出する。変位ΔＸ、ΔＹ。 △Ｚの数値処理により線状微動の速度・加速度等を算定
し、角変位θＸ、θｙ、θＺの数値処理により角速度・
角加速度等をも算出することもがきる。 以上により測定の１サイクルを終え、ステップ■におい
てカメラ９のカメラパラメータ変更の要否判断し、変更
が必要な場合にはステップ■へ帰り、変更不要の場合に
はステップ■へ進む。全ケース終了でない場合にはステ
ップ■へ帰り、全ケース終了である場合には測定を終了
する。 こうして本発明の目的である「揺動物体の三次元変位の
連続的若しくは動的測定に適する非接触測定方法及び装
置」の提供か達成される。
であると仮定した場合、Ｂ ４目標の画像座標によるカ
メラパラメータ決定、Ｃ剛体の三次元揺動量、及びＤ流
れ図に分けて順次説明する。 第３図を参照するに、空間座標軸Ｙ、Ｖ、７、の座標系
による空間座標（Ｘ Ｙ、Ｚ）をもつ、ψＰに対する
２台のカメラ９の画面１０．．１０２上の画像をＱｌ、
Ｑ２とすれば、原理的には画像Ｑ、、Ｑ２はそれぞれ点
Ｐと２台のうちの対応カメラ９の中心０ 、、０２を結
ふ直線上にある。カメラ画面」二の画像座標軸Ｘｉ、Ｙ
ｉ、Ｚ： （：＝＋、２）の座標系による画像座標を（
Ｘｚ、Ｙ＋、Ｚ：）とし、カメラの中心０１０２の空間
座標を（Ｘ：ｏ、 Ｙｌｏ、 Ｚ：ｏ）とすればカメラ
の画面座標と空間座標との間には一般に次の（１）式及
び（２）式か成立する。 ここに、Ｃ１，φＩ、に１は３方向の回転変換を表し、
Ｃ１、φＩ、に１の順番で回転させるものとする。第４
図は、この回転変換の説明図である。 ２台のカメラ９の焦点距離をそれぞれＣ１、Ｃ２で表せ
ば、カメラ画面上の座標は次の様に表せる。 （Ｘｌ、麿、Ｔ＋）＝ （ｆ＋Ｘ＋、ｆＩＹｌ、ｃ＋）
、ｌ＝１．２ここに、ｆ、は１ドツト当りの長さであり
、ｘｌｙはｆ、変換前のカメラ画面座標である。ｆ、と
ｃ、とは１１の対応関係にあり、どちらかを固定すれば
、他方は係数となる。 よって、画面１０１上の特定点の画像座標（ｆ、ｘｆ＋
Ｙ１．ｃ＋）が知られている場合、それに対応する空間
座標（Ｘｌ、Ｙｌ、Ｚｌ）への変換は次の（３）式で与
えられる。 （２）及び（３ン式からカメラパラメータは次の７個の
定数であることかわかる。 Ｘｌ。Ｙｌｏ、Ｚｌａ、ωＩφ１、Ｋ ＋、ｃ各カメラ
９に対し、カメラ中心（空間座標Ｘ１゜Ｙｌ。、Ｚｌ−
）と当該カメラ画像上の点Ｑ（空間座標ＸＹ、、Ｚ、）
とを通る直線の方程式は次の（４）式及び（５）式ので
与えられる。 （Ｘ 。）Ｋ ＝（Ｄ １ｆ ＋Ｄ ＋２ｆ ＋Ｄ ＋３ｃ −（ｙ 。）Ｋ ）Ｋ ］ ヲ 原理的には、第３図の一方のカメラ９の中心０１と当該
カメラによる空間点Ｐの画像Ｑ、とを結ふ直線は、他方
のカメラ９の中心０２と当該他方のカメラによる同一点
Ｐの画像Ｑ２とを結ぶ直線と正に前記空間点Ｐて交差す
るはずである。しかし、現実の２台のカメラ９て得られ
る両直線は必すしも交差するとは限らない。本発明者は
、前記両直線か交差する時に成立する次の（６）式の近
似解をデミングの方法で求め、点Ｐの空間座標ｘ、ｙ、
ｚとする手法を取った。 ７〜′ 前記（６）式による空間座標決定のためにはカメラパラ
メータを事前にもとめる必要かある。現実のカメラにつ
いて直接に測定することも可能であるが、建設工事に関
連して現地計測する場合には、計測が不可能又は困難で
あることが多い。また実験室的な計測の場合であっても
、カメラパラメタの直接計測は手間がかかり実用的でな
い。 この問題解決のため、本発明者は空間座標（Ｘ、＋、Ｙ
ｅ＋、Ｚｃ＋、ｌ：１．２．３．４）が既知である４目
標に対する画像座標（Ｘ１１、Ｙｌｌ、Ｉ＋、２、Ｉ：
１．２３４）からカメラパラメータを間接的に決定する
手法に着目した。 各既知目標からの光線か、第３図の０１点とＱに対応す
る点を通る条件より、次の（７）式及び（８）式で与え
られる２関係式か各目標毎に成立する。 ４目標に対し各カメラ毎に８式か得られる。 １ｆ Ｘ。 、＋Ｄ ＋２ｆ Ｃ 、＋Ｄ ３ｃ （７）式により４目標に関して与えられる８関係式は次
の（９）式の様に書直すことかできる。 ｆａ ＣＬ−１Ｙｌｏ、Ｚｌａ、ＱＪ ＋、＜６１．／
Ｃ＋、ＣＩ）”ＯＪ（９）式は未知数の数が７で、方程
式の数か８であることを示すので、その解にはデミレグ
法による近似解を用いることかできる。 好ましくは、デミレグ法における収束を速くするために
カメラ９から既知目標までの距離を測定し、次の（１０
）式の拘束条件を付加する。 ｆｅ（Ｘｔ。、・ ・ ・ ｃ、） −（Ｌ −Ｘ、＋）”＋（Ｙ＋、−Ｙｃ＋）２＋（Ｚ
ｌ。−Ｚｅ＋）２Ｄ・２
・・・（１０）ここに、Ｄｌは既知目
標から各カメラまでの距離で、例えば第５図の測距儀２
０により計測される。Ｄ、の精度かよければ、カメラパ
ラメータも向上されるので、好ましくは測距儀２０に光
波測距儀２１を含め測定精度を高める。 Ｃ［の三゛−′ カメラパラメータＸ１゜、Ｙ、。、Ｚ、。、ω１、φに
ｉ ｃｌを（１０）式により一旦決定すれば、揺動物体
上の一標識３の空間座標ｘ、ｙ、ｚを２台のカメラ９の
画像座標Ｘ＋、Ｙ＋、Ｘ２−Ｖ２から前記（６）式にり
算出することができる。揺動物体１か剛体であると仮定
すれば、揺動物体１の揺動量か揺動物体上の３点の変位
の測定により算定できることを第７図により説明する。 微小範囲内における揺動物体上の一点Ｐの変位ｘ、、ｙ
、、ｚ、は、揺動物体１の並進変位ΔＸ ΔＹΔ２と回
転変位θＸ、θｙ、θＺとの関数として次の（１１）式
で与えられる。 ここに、Ｌｘ、 Ｌｙ、 Ｌｚは、例えば重心である着
目点Ｂから運動観測点Ｐまでの３軸線方向の距離である
。 剛体１上の３観測点Ｐ 、、 Ｐ 、、 Ｐ Ｋの変位
をそれぞれ Ｐ−Ｉ ＣＸｐｓ、Ｙｐｌ、Ｚｐ＋） Ｐｇ ＣＬ２、ＹｐＲ，ＺＰｚ） Ｐａ ＣＸｐｓ、Ｙｐｓ、Ｚ□） とおけば、次の（１２）式が成立する。 たたし、ＬＸｔ、Ｌｙ＋、ＬＺ＋、＋＝＋、２．ｓは着
目点Ｂがら番目の運動観測点Ｐ、までの３軸線方向の距
離である。 （１２）式は、６個の未知数ΔＸ、ΔＹΔＺ３θＸθｙ
θＺに対し９つの方程式を与えるので、（７）式の場合
と同様に、デミレグ法等によって近似解を算出すること
ができる。 なお、運動観測点の数は３点に限定されるものではなく
、３点以上任意数の観測点を使用することか可能でり、
理論的には観測点数か増えるはと計測精度が向上する。 ｌ−直ち」 操作手順の一例を示す第１３図の流れ図を参照するに、
本発明の揺動物体変位の非接触測定方法が開始されると
、ステップ■でカメラ９が設置された後、ステップ■に
おいて空間座標既知の静止４目標を規準して４組の画像
座標（Ｘ＋４．ｙ＋１．ＸＨＹｘ＋１．：１．２１１．
４）を座標検出手段１２によって検出する。ステップ■
に進み、変位検出手段１４を用い前記４組の画像座標及
び（９）式と好ましくはく１０）式をも用いてカメラパ
ラメータＸ １．、、 Ｙ ＋６．２ ＋９．Ｃ１、φ
Ｉ、に、、Ｃ１を決定する。 次にステップ■でカメラ９により、揺動する標識３の画
像データを取得する。ステップ■において、各標識３に
対する画像座標（Ｘ＋、’／］、Ｘ２．ｙ２）を座標検
出手段１２によって検出し、さらにステップ■において
、変位検出手段１４により上記（１２）式と前記画像座
標とから揺動量の６成分ΔＸ、ΔＹ、△Ｚ θＸ、θｙ
、θ２を算出する。変位ΔＸ、ΔＹ。 △Ｚの数値処理により線状微動の速度・加速度等を算定
し、角変位θＸ、θｙ、θＺの数値処理により角速度・
角加速度等をも算出することもがきる。 以上により測定の１サイクルを終え、ステップ■におい
てカメラ９のカメラパラメータ変更の要否判断し、変更
が必要な場合にはステップ■へ帰り、変更不要の場合に
はステップ■へ進む。全ケース終了でない場合にはステ
ップ■へ帰り、全ケース終了である場合には測定を終了
する。 こうして本発明の目的である「揺動物体の三次元変位の
連続的若しくは動的測定に適する非接触測定方法及び装
置」の提供か達成される。
本発明に使用される標識３は、揺動物体１の撮影し易い
位置への取付けに適し、判別し易い外観を有する必要か
ある。第２Ａ図は、蛍光色の生地２につや消しの黒丸標
識３を描いた板状の構成を示し、第２Ｂ図は黒の生地２
に蛍光色の標識３を描いた構成を示す。蛍光色の使用は
、夜間計測の場合に適当な照明により充分な明度差を与
える利点を有する。 第５図は、カメラパラメータ算定のため目標からカメラ
までの距離り、を測定する際に用いられる測距儀２０の
一例を示す。光波測距儀２１により第６図に示される水
平距離ＡＩ、Ａ２を求め、水平角測定装置２２及び仰角
測定装置２３によって水平角Ｈ１、Ｈ２及び仰角Ｅ１、
Ｅ２を測定することにより、距離Ｄ１、Ｄ２を計測する
。符号２４．２５は、受光マーカ及び脚をそれぞれ示す
。 ［数値例］ 本州・四国連絡の明石海峡大橋用ケーソン（直径８０ｃ
ｍ）の周辺に作業船の模型を置き流れを作用させて、ケ
ーソンから発生するカルマン渦により船体かとの程度揺
動するかを縮尺１／１００て実験室において模擬的に計
測した。船体を長さ１１０ｃｍ、幅３０ｃｍ、高さ１０
ｃｍで模擬し、水深０．４ｃｍ、流速０４ｃｍの水槽を
用い、約３ｍ離れた位置にカメラ９ （ＣＣＤテレビカ
メラ）を置き、第１図の構成により計測しｔ二。 第８図にスウェイ及びヨウの測定結果を示す。 同図から明らかなように、本発明の揺動物体変位の測定
方法によれば揺動物体１の揺動量をも連続的にしかも非
接触的に計測できる。 なお、二の実験室の模擬計測結果は現地計測により充分
な精度のものであることを確認した。なお、現地実測の
場合には、カメラから標識までの距離か約２ｋｍであり
、本発明方法か遠隔測定に適することか実証された。 本発明による揺動物体変位の非接触測定装置をオフライ
ンで使用する場合には、第９図の様に２台のカメラ９の
間の同期をラジオ２８によって取り、好ましくはカメラ
９をビデオデツキ２７とし画像を保存する。保存された
画像を、例えば別置きのビデオデツキ２７によって再生
しなから、画像座標の検出及び所要の変位検出を行なう
ことかできる。 以上の説明において、カメラ９の機械的な中心軸と光学
的なレンズ光軸とか一致するものと仮定した。 しかし
、テレビ用のＣＣＤカメラ等の場合には、計測用でない
こともあって、カメラ光軸かカメラの機械的中心軸から
すれており、補正を要する場合かある。第１Ｏ図を参照
するに、カメラをズームアツプしｔこり、スームダウン
しｔニリする時（二は画面１０ （第４図）上の標識の
画像か、特定の一点を中心とする放射線上を移動する。 即ち、それらの放射線の中心がレンズ光軸と画面ｌＯと
の交点である。この交点の画像座標が（ｘ。 ｙ。）である時、変位検出に用いられる画像Ｑ、の画像
座標としては（ｘ：、ｙ：）そのままではなく、補正さ
れた座標（Ｘ＋−Ｘａ、ｙｌ−ｙａ）を使うへきである
。 本発明の非接触測定方法の測定精度を検討するため、カ
メラを第１１図に示される様に配置した時のＸ方向及び
Ｘ方向の２次元の分解能を調べた。 カメラ間隔Ｓ１標識とカメラ間のｙ方向距離Ｔ１焦点距
離ｆ、標識間隔りに対して、テレビ用ＣＣＤカメラの１
画素間隔Δｐかとの程度の誤差ΔＸ１△ｙに相当するか
を、幾何学的に計算した。その結果を第１２図に示す。 実験的に誤差は概ね、１−３％程度であることか確認さ
れた。
位置への取付けに適し、判別し易い外観を有する必要か
ある。第２Ａ図は、蛍光色の生地２につや消しの黒丸標
識３を描いた板状の構成を示し、第２Ｂ図は黒の生地２
に蛍光色の標識３を描いた構成を示す。蛍光色の使用は
、夜間計測の場合に適当な照明により充分な明度差を与
える利点を有する。 第５図は、カメラパラメータ算定のため目標からカメラ
までの距離り、を測定する際に用いられる測距儀２０の
一例を示す。光波測距儀２１により第６図に示される水
平距離ＡＩ、Ａ２を求め、水平角測定装置２２及び仰角
測定装置２３によって水平角Ｈ１、Ｈ２及び仰角Ｅ１、
Ｅ２を測定することにより、距離Ｄ１、Ｄ２を計測する
。符号２４．２５は、受光マーカ及び脚をそれぞれ示す
。 ［数値例］ 本州・四国連絡の明石海峡大橋用ケーソン（直径８０ｃ
ｍ）の周辺に作業船の模型を置き流れを作用させて、ケ
ーソンから発生するカルマン渦により船体かとの程度揺
動するかを縮尺１／１００て実験室において模擬的に計
測した。船体を長さ１１０ｃｍ、幅３０ｃｍ、高さ１０
ｃｍで模擬し、水深０．４ｃｍ、流速０４ｃｍの水槽を
用い、約３ｍ離れた位置にカメラ９ （ＣＣＤテレビカ
メラ）を置き、第１図の構成により計測しｔ二。 第８図にスウェイ及びヨウの測定結果を示す。 同図から明らかなように、本発明の揺動物体変位の測定
方法によれば揺動物体１の揺動量をも連続的にしかも非
接触的に計測できる。 なお、二の実験室の模擬計測結果は現地計測により充分
な精度のものであることを確認した。なお、現地実測の
場合には、カメラから標識までの距離か約２ｋｍであり
、本発明方法か遠隔測定に適することか実証された。 本発明による揺動物体変位の非接触測定装置をオフライ
ンで使用する場合には、第９図の様に２台のカメラ９の
間の同期をラジオ２８によって取り、好ましくはカメラ
９をビデオデツキ２７とし画像を保存する。保存された
画像を、例えば別置きのビデオデツキ２７によって再生
しなから、画像座標の検出及び所要の変位検出を行なう
ことかできる。 以上の説明において、カメラ９の機械的な中心軸と光学
的なレンズ光軸とか一致するものと仮定した。 しかし
、テレビ用のＣＣＤカメラ等の場合には、計測用でない
こともあって、カメラ光軸かカメラの機械的中心軸から
すれており、補正を要する場合かある。第１Ｏ図を参照
するに、カメラをズームアツプしｔこり、スームダウン
しｔニリする時（二は画面１０ （第４図）上の標識の
画像か、特定の一点を中心とする放射線上を移動する。 即ち、それらの放射線の中心がレンズ光軸と画面ｌＯと
の交点である。この交点の画像座標が（ｘ。 ｙ。）である時、変位検出に用いられる画像Ｑ、の画像
座標としては（ｘ：、ｙ：）そのままではなく、補正さ
れた座標（Ｘ＋−Ｘａ、ｙｌ−ｙａ）を使うへきである
。 本発明の非接触測定方法の測定精度を検討するため、カ
メラを第１１図に示される様に配置した時のＸ方向及び
Ｘ方向の２次元の分解能を調べた。 カメラ間隔Ｓ１標識とカメラ間のｙ方向距離Ｔ１焦点距
離ｆ、標識間隔りに対して、テレビ用ＣＣＤカメラの１
画素間隔Δｐかとの程度の誤差ΔＸ１△ｙに相当するか
を、幾何学的に計算した。その結果を第１２図に示す。 実験的に誤差は概ね、１−３％程度であることか確認さ
れた。
以上詳細に説明したように本発明の揺動物体変位の非接
触測定方法及び装置は、２台の固定カメラのカメラパラ
メータを既知位置の４目標を用いて間接的に定め、揺動
物体に固定された標識の位置をそのカメラパラメータを
用いて標識の画像座標から求め、標識の画像座標の変動
から揺動物体変位を算出するので、次の顕著な効果を奏
する。 （イ）非接触的に揺動物体の変位を計測することかでき
る。 （ロ）揺動物体の変位を連続的に計測し、監視すること
かできる。 （ハ）揺動物体の揺動量をも非接触的にしかも連続的に
算出することができる。 （ニ）２ｋｍも離れた地点から揺動物体の変位・揺動量
を遠隔測定することかできる。 （ホ）適当な揺動物体を用いれば、波高・波向き等の測
定に利用することかできる。
触測定方法及び装置は、２台の固定カメラのカメラパラ
メータを既知位置の４目標を用いて間接的に定め、揺動
物体に固定された標識の位置をそのカメラパラメータを
用いて標識の画像座標から求め、標識の画像座標の変動
から揺動物体変位を算出するので、次の顕著な効果を奏
する。 （イ）非接触的に揺動物体の変位を計測することかでき
る。 （ロ）揺動物体の変位を連続的に計測し、監視すること
かできる。 （ハ）揺動物体の揺動量をも非接触的にしかも連続的に
算出することができる。 （ニ）２ｋｍも離れた地点から揺動物体の変位・揺動量
を遠隔測定することかできる。 （ホ）適当な揺動物体を用いれば、波高・波向き等の測
定に利用することかできる。
第１図は本発明の一実施例の図式的説明図、第２Ａ図及
び第２Ｂ図は標識の説明図、第３図及び第４図は本発明
の詳細な説明図、第５図及び第６図は測距儀の説明図、
第７図は剛体の揺動量の説明図、第８図は本発明方法に
よる模擬測定の結果を示す線図、第９図はオフライン構
成の測定装置の説明図、第１０図はカメラ中心軸のすれ
に対する補正方法の説明図、第１１図及び第１２図は測
定精度の説明図、第１３図は流れ図である。 １ 揺動物体、 ２・・・生地、 ３・・標識、５ 水
、７・陸、 ９ カメラ、 １０・・画面、１２・・座
標検出手段、 １４・変位検出手段、２０・・測距儀、
２１・・光波測距儀、 ２２・・水平角計測装置、２
３・・仰角計測装置、 ２４・・受光マーカ、 ２５・
・三脚、２７・・・ビデオデツキ、 ２８・・ラジオ。 特許出願人 鹿島建設株式会社 特許出願代理人 弁理士 市東禮次部第２Ａ図 ５１戸、 第２Ｂ図 第 図 しχ−８ 林 第 １０図 第 １／１ 第 （メ１ 第 ３［〈
び第２Ｂ図は標識の説明図、第３図及び第４図は本発明
の詳細な説明図、第５図及び第６図は測距儀の説明図、
第７図は剛体の揺動量の説明図、第８図は本発明方法に
よる模擬測定の結果を示す線図、第９図はオフライン構
成の測定装置の説明図、第１０図はカメラ中心軸のすれ
に対する補正方法の説明図、第１１図及び第１２図は測
定精度の説明図、第１３図は流れ図である。 １ 揺動物体、 ２・・・生地、 ３・・標識、５ 水
、７・陸、 ９ カメラ、 １０・・画面、１２・・座
標検出手段、 １４・変位検出手段、２０・・測距儀、
２１・・光波測距儀、 ２２・・水平角計測装置、２
３・・仰角計測装置、 ２４・・受光マーカ、 ２５・
・三脚、２７・・・ビデオデツキ、 ２８・・ラジオ。 特許出願人 鹿島建設株式会社 特許出願代理人 弁理士 市東禮次部第２Ａ図 ５１戸、 第２Ｂ図 第 図 しχ−８ 林 第 １０図 第 １／１ 第 （メ１ 第 ３［〈
Claims (9)
- （１）２台の固定カメラの位置・傾き・焦点距離を既知
位置の４目標に対する前記２台のカメラ画面上の前記４
目標の画像の座標によって定め、揺動物体に固定された
標識に対する上記２台のカメラ画面上の前記標識の画像
の座標から当該標識の位置を求め、前記画面上の標識画
像の座標の変動から揺動物体変位を算出してなる揺動物
体変位の非接触測定方法。 - （２）請求項１記載の非接触測定方法において、前記揺
動物体に最低３個の標識を取付け、前記最低３標識に対
する上記２台のカメラ画面上の前記標識画像の座標から
当該最低３標識の位置を求め、前記画面上の前記最低３
標識画像座標の変動から前記最低３標識の変位を算出し
、前記最低３標識変位算出値から前記揺動物体の揺動量
を求めてなる揺動物体変位の非接触測定方法。 - （３）請求項１又は２記載の非接触測定方法において、
前記カメラをテレビカメラとしてなる揺動物体変位の非
接触測定方法。 - （４）請求項１、２又は３記載の非接触測定方法におい
て、前記カメラの機械的中心と光学的中心との偏差に対
し前記カメラ画面上の前記標識画像の座標を校正してな
る揺動物体変位の非接触測定方法。 - （５）請求項１、２、３又は４記載の非接触測定方法に
おいて、前記各カメラから前記４目標までの距離を測定
し、前記２台の固定カメラの位置・傾き・焦点距離を既
知位置の４目標に対する前記２台のカメラ画面上の前記
４目標画像の座標と前記距離とによって求めてなる揺動
物体変位の非接触測定方法。 - （６）揺動物体に固定された標識、前記揺動物体に向け
られた２台の固定カメラ、前記２台のカメラによる画面
上の前記標識画像の座標を検出する手段、及び前記２台
の固定カメラの位置・傾き・焦点距離を既知位置の４目
標に対する前記２台のカメラ画面上の前記４目標画像の
座標によって求め且つ前記標識に対する前記２台のカメ
ラ画面上の標識画像の座標から当該標識の位置を算出す
る手段を備えてなる揺動物体変位の非接触測定装置。 - （７）請求項６記載の非接触測定装置において、前記揺
動物体に取付けられた最低３個の標識、上記２台のカメ
ラによる前記揺動物体画面上の前記最低３標識の画像座
標を検出する手段、及び前記画像座標から前記最低３標
識の変位を算出し且つ前記最低３標識変位算出値から前
記揺動物体の揺動量を求める手段を備えてなる揺動物体
変位の非接触測定装置。 - （８）請求項６又は７記載の非接触測定装置において、
前記カメラをテレビカメラとしてなる揺動物体変位の非
接触測定装置。 - （９）請求項６、７又は８記載の非接触測定装置におい
て、前記各カメラから前記目標までの距離を測定する測
距儀を備え、前記２台の固定カメラの位置・傾き・焦点
距離を前記既知位置の４目標に対する前記２台のカメラ
画面上の画像座標と前記距離とにより求めてなる揺動物
体変位の非接触測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2193131A JP2774363B2 (ja) | 1990-07-23 | 1990-07-23 | 揺動物体変位の非接触測定方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2193131A JP2774363B2 (ja) | 1990-07-23 | 1990-07-23 | 揺動物体変位の非接触測定方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0480607A true JPH0480607A (ja) | 1992-03-13 |
| JP2774363B2 JP2774363B2 (ja) | 1998-07-09 |
Family
ID=16302789
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2193131A Expired - Fee Related JP2774363B2 (ja) | 1990-07-23 | 1990-07-23 | 揺動物体変位の非接触測定方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2774363B2 (ja) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58208606A (ja) * | 1982-05-29 | 1983-12-05 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | ３次元位置計測方式 |
| JPS59166804A (ja) * | 1983-03-14 | 1984-09-20 | Hitachi Ltd | 船の動揺検知装置 |
| JPS6254108A (ja) * | 1985-09-02 | 1987-03-09 | Nec Corp | 座標測定装置 |
| JPS6295403A (ja) * | 1985-10-22 | 1987-05-01 | Nec Corp | 座標系較正装置 |
-
1990
- 1990-07-23 JP JP2193131A patent/JP2774363B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58208606A (ja) * | 1982-05-29 | 1983-12-05 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | ３次元位置計測方式 |
| JPS59166804A (ja) * | 1983-03-14 | 1984-09-20 | Hitachi Ltd | 船の動揺検知装置 |
| JPS6254108A (ja) * | 1985-09-02 | 1987-03-09 | Nec Corp | 座標測定装置 |
| JPS6295403A (ja) * | 1985-10-22 | 1987-05-01 | Nec Corp | 座標系較正装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2774363B2 (ja) | 1998-07-09 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |