测量装置和自动跟踪方法

专利名称：测量装置和自动跟踪方法
技术领域：
本发明涉及测量装置。特别地，本发明涉及具有跟踪功能的测量装置并且还涉及 通过使用所述测量装置的自动跟踪方法。
背景技术：
在过去，具有跟踪功能的测量装置已经为人所知，所述测量装置可以测量距离、水 平角度和垂直角度。这种类型的测量装置被如此设计通过被提供在所述测量装置上的瞄 准望远镜，诸如隅角棱镜的对象反射体(目标)被瞄准，从所述瞄准望远镜投射跟踪光，并 且接收和检测来自所述目标的反射光。当所述目标移动时，来自所述目标的反射光的检测 位置和瞄准中心之间的偏差被标识，并且基于该偏差来调整瞄准方向，从而自动地跟踪所 述目标。通常，在具有跟踪功能的这种类型的测量装置中，在测量装置侧不指派操作员。所 述目标被测量操作员支撑，或者所述目标被安装在诸如推土机的施工机器上。对应于所述 测量操作的进程，所述目标被移动，并且所述测量装置跟踪所述移动的目标。然而，在所述目标的移动速度超过所述测量装置的跟随速度并且所述目标可能偏 离于所述瞄准望远镜的视场的情况下，或者在来自诸如窗玻璃的反射对象的反射光可能进 入所述测量装置的情况下，或者在目标经过彼此并且来自两个或多个目标的反射光可能进 入所述测量装置的情况下，或者在诸如汽车的对象可能经过所述目标前面并且可能拦截所 述反射光的情况下，所述测量装置可能错过所述目标或者可能错误地辨认所述目标并且可 能不能够跟踪所述目标，从而自动跟踪可能被中断。这是因为通常所使用的所述瞄准望远镜具有大约1°那么小的视场角(视场的角 度)并且用于自动跟踪的检测所述反射的检测范围很小。当跟踪操作被中断时，所述测量装置启动操作以搜索所述目标。在所述搜索操作 中，所述瞄准望远镜在垂直方向上和从左到右方向上的预先确定的范围内被旋转，用于在 投射跟踪光的同时进行扫描，从而所述目标被检测。所述瞄准望远镜的视场角(视场的角度)为大约1°那么小。为了重新检测所述 目标，具有扫描的更精细间距并且增加扫描操作的数量是必要的。因此，当所述跟踪操作被 中断时，在所述目标可以再次被检测并且所述跟踪可以被启动之前需要相对长的时间。另 外，在由障碍物引起的光路中断可能频繁发生的工作条件下，如下问题可能出现即所述测 量的工作效率被极大地降低。同样地，在所述目标大范围地偏离所述望远镜的所述视场的情况下，所述目标可 能不被再次检测，并且所述测量操作本身可能被停止。在JP-A-7-198383、JP-A-2000-346645 和 JP-A-2004-170354 的每个中都公开了所 述具有跟踪功能的测量装置。

发明内容
本发明的目的是提供具有跟踪功能的测量装置，通过该测量装置有可能在对象反 射体在视野中被错过时快速地重新检测所述对象反射体，减少所述自动跟踪的恢复之前的 时间并且提高所述测量操作的效率。为了达到上述目标，本发明提供了一种测量装置，所述测量装置包括用于投射激 光光束并用于接收来自由支撑部件所支撑的目标的反射光的第一摄像单元、用于获取包括 所述目标的图像并且具有比所述第一摄像单元的视场角更宽的视场角的第二摄像单元、用 于分别在水平方向上和在垂直方向上移动所述第一摄像单元和所述第二摄像单元的瞄准 方向的驱动单元、用于处理由所述第一摄像单元和由所述第二摄像单元得到的图像的图像 处理单元、以及用于控制所述驱动单元以便所述第一摄像单元和所述第二摄像单元基于由 所述第一摄像单元得到的图像的所述图像处理以及基于由所述第二摄像单元得到的图像 的所述图像处理而被指向所述目标的控制运算单元，其中对所述第一摄像单元的图像的图 像处理是光点检测处理以从所述目标获得光点，其中对所述第二摄像单元的图像的图像处 理是与根据所述支撑部件的图像建立的模板图像的图像匹配，以及其中所述控制运算单元 控制所述驱动单元以便基于所述光点检测处理的结果或者所述图像匹配的结果来执行所 述目标的跟踪。同样地，本发明提供如上所述的测量装置，所述测量装置包括用于从光源接收光的 第一摄像单元，该光源是安装在支撑部件上的目标，用于获取包括所述目标的图像并且具有 比所述第一摄像单元的视场角宽的视场角的第二摄像单元、用于分别在水平方向上和在垂直 方向上移动所述第一摄像单元和所述第二摄像单元的瞄准方向的驱动单元、用于执行由所述 第一摄像单元和由所述第二摄像单元拍摄的图像的图像处理的图像处理单元、以及用于控制 所述驱动单元以便所述第一摄像单元和所述第二摄像单元基于由所述第一摄像单元得到的 图像的图像处理以及基于由所述第二摄像单元得到的图像的图像处理而被指向所述目标的 控制运算单元，其中对所述第一摄像单元的图像的图像处理是光点检测处理以从所述目标获 得光点，其中对所述第二摄像单元的图像的图像处理是与根据所述支撑部件的图像建立的模 板图像的图像匹配，以及其中所述控制运算单元控制所述驱动单元以便基于所述光点检测处 理的结果或者所述图像匹配的结果中的任何一个来执行所述目标的跟踪。另外，本发明提供了如上所述的测量装置，其中在所述光点检测处理和图像匹配 的结果中所述光点检测处理的结果被获得的情况下，所述控制运算单元基于所述光点检测 处理的结果来控制跟踪。同样地，本发明提供了如上所述的测量装置，其中在所述光点检测 处理和所述图像匹配的结果中所述光点检测处理的结果没有被获得而所述图像匹配的结 果被获得的情况下，所述控制运算单元基于所述图像匹配的结果来控制跟踪。另外，本发明 提供了如上所述的测量装置，其中所述模板图像是所述被建立的对象图像的一部分，以便 至少两个或多个特征点被包括，其中从由所述第二摄像单元获取的图像中提取所述支撑部 件的对象图像并且进一步从所述对象图像中提取所述特征点。同样地，本发明提供了如上 所述的测量装置，其中响应于所述测量的距离的变化而更新所述模板图像。另外，本发明 提供了如上所述的测量装置，其中在从光点检测处理中和从所述图像匹配中两个结果都没 有被得到的情况下，所述控制运算单元控制使得驱动单元被停止，通过所述第二摄像单元 获取静止图像，并且在所述静止图像和所述模板图像之间对静止图像的整个范围执行图像
5匹配，以及所述控制运算单元基于所述图像匹配的结果从所述静止图像获得所述目标的位 置。同样地，本发明提供了如上所述的测量装置，其中在通过所述图像匹配检测到多个候选 点的情况下，所述控制运算单元判断是否可以从所述候选点中获得来自所述目标的光点， 并且判断获得光点的位置是否为所述目标的位置。另外，本发明提供了如上所述的测量装 置，其中所述第二摄像单元可以拍摄低放大率的图像和高放大率的图像，并且可以根据所 述测量的距离来选择低放大率图像拍摄和高放大率图像拍摄。同样地，本发明提供了如上 所述的测量装置，其中所述控制运算单元基于所述图像匹配来执行跟踪、基于所述图像匹 配来检测所述目标的光点、以及基于所述光点检测恢复到所述跟踪操作。另外，本发明提供了自动跟踪方法，所述方法包括用于投射激光光束和用于检测 来自目标的光点的光点检测步骤、用于得到目标的图像和支撑所述目标的支撑部件的图 像的步骤、以及用于基于所述被拍摄的图像通过图像匹配检测所述支撑部件的图像匹配步 骤，其中所述光点检测步骤、用于得到目标的图像和支撑所述目标的支撑部件的图像的步 骤以及图像匹配步骤被并行地执行，并且当基于所述光点检测步骤的检测结果执行跟踪 时，在通过光点检测步骤中的检测没有获得足够结果的情况下，基于所述图像匹配步骤执 行跟踪操作。同样地，本发明提供了如上所述的自动跟踪方法，其中当基于所述图像匹配步 骤执行跟踪时，根据所述图像匹配来检测所述目标，并且恢复基于光点检测的跟踪操作。另 外，本发明提供了如上所述的自动跟踪方法，其中所述光点检测步骤投射激光光束并且检 测来自所述目标的反射光。同样地，本发明提供了如上所述的自动跟踪方法，其中在所述光 点检测步骤中，所述目标是光源，并且从所述光源发射的光被检测。本发明提供了测量装置，所述测量装置包括用于投射激光光束和用于从由支撑部 件所支撑的目标接收反射光的第一摄像单元、用于获取包括所述目标的图像并且具有比所 述第一摄像单元的视场角宽的视场角的第二摄像单元、用于分别在水平方向上和在垂直方 向上移动所述第一摄像单元和所述第二摄像单元的瞄准方向的驱动单元、用于处理由所述 第一摄像单元和由所述第二摄像单元得到的图像的图像处理单元、以及用于控制所述驱动 单元以便所述第一摄像单元和所述第二摄像单元基于由所述第一摄像单元得到的图像的 图像处理以及基于由所述第二摄像单元得到的图像的图像处理而被指向所述目标的控制 运算单元，其中对所述第一摄像单元的图像的图像处理是光点检测处理以从所述目标获得 光点，其中对所述第二摄像单元的图像的图像处理是与根据所述支撑部件的图像建立的模 板图像的图像匹配，以及其中所述控制运算单元控制所述驱动单元以便基于所述光点检测 处理的结果或者所述图像匹配的结果来执行所述目标的跟踪。作为结果，甚至在不可能根 据来自所述目标的光点执行所述跟踪操作时，所述跟踪不被中断，并且有可能避免麻烦的 过程(诸如跟踪的重新设置)。同样地，本发明提供了如上所述的测量装置，所述测量装置包括用于接收来自光 源的光的第一摄像单元，该光源是安装在支撑部件上的目标，用于获取包括所述目标的图 像并且具有比所述第一摄像单元的视场角宽的视场角的第二摄像单元、用于分别在水平方 向上和在垂直方向上移动所述第一摄像单元和所述第二摄像单元的瞄准方向的驱动单元、 用于执行由所述第一摄像单元和由所述第二摄像单元拍摄的图像的图像处理的图像处理 单元、以及用于控制所述驱动单元以便所述第一摄像单元和所述第二摄像单元基于由所述 第一摄像单元得到的图像的图像处理以及基于由所述第二摄像单元得到的图像的图像处
6理而被指向所述目标的控制运算单元，其中对所述第一摄像单元的图像的图像处理是光点 检测处理以从所述目标获得光点，其中对所述第二摄像单元的图像的图像处理是与根据所 述支撑部件的图像建立的模板图像的图像匹配，以及其中所述控制运算单元控制所述驱动 单元以便基于所述光点检测处理的结果或者所述图像匹配的结果中的任何一个来执行所 述目标的跟踪。作为结果，甚至在不可能根据来自所述目标的光点执行所述跟踪操作时，所 述跟踪不被中断，并且有可能避免麻烦的过程(诸如跟踪的重新设置)。另外，本发明提供了如上所述的测量装置，其中在所述光点检测处理和所述图像 匹配的结果中所述光点检测处理的结果被获得的情况下，所述控制运算单元基于所述光点 检测处理的结果来控制跟踪。同样地，本发明提供了如上所述的测量装置，其中在所述光点 检测处理和所述图像匹配的结果中所述光点检测处理的结果没有被获得而所述图像匹配 的结果被获得的情况下，所述控制运算单元基于所述图像匹配的结果来控制跟踪。作为结 果，甚至在不可能根据来自所述目标的光点执行所述跟踪操作时，所述跟踪不被中断，并且 有可能避免麻烦的过程(诸如跟踪的重新设置)。另外，本发明提供了如上所述的测量装置，其中所述模板图像是被建立的所述对 象图像的一部分，以便至少两个或多个特征点被包括，其中从由所述第二摄像单元获取的 图像中提取所述支撑部件的对象图像并且进一步从所述对象图像中提取特征点。作为结 果，有可能缩小用于匹配的范围，并且减小用于数据处理的负担以及实时地执行操作。同样 地，因为至少两个或多个特征点被包括，所以匹配处理的精确度可以被提高。同样地，本发明提供了如上所述的测量装置，其中响应于所述测量的距离的变化 而更新所述模板图像。作为结果，有可能根据所述测量条件的变化用高的精确度来执行所 述图像匹配。另外，本发明提供了如上所述的测量装置，其中在从所述光点检测处理中和从所 述图像匹配中两个结果都没有被得到的情况下，所述控制运算单元控制使得所述驱动单元 被停止，通过所述第二摄像单元获取静止图像，并且在静止图像和模板图像之间对静止图 像的整个范围执行图像匹配，以及所述控制运算单元基于图像匹配的结果从所述静止图像 获得所述目标的位置。作为结果，甚至在不可能执行所述跟踪操作时，可以在大范围中搜索 所述目标，并且有可能恢复到所述快速跟踪操作。同样地，本发明提供了如上所述的测量装置，其中在通过所述图像匹配检测到多 个候选点的情况下，所述控制运算单元判断是否可以从所述候选点中获得来自所述目标的 光点，并且判断获得所述光点的位置是否为所述目标的位置。作为结果，有可能提高所述目 标检测的效率。另外，本发明提供了如上所述的测量装置，其中所述第二摄像单元可以拍摄低放 大率的图像和高放大率的图像，并且可以根据所述测量的距离来选择低放大率图像拍摄和 高放大率图像拍摄。作为结果，足够的对象图像可以被获取而不管其在较短的距离中还是 在较长的距离中，并且图像跟踪可以在适当的条件下被执行。同样地，本发明提供了如上所述的测量，其中所述控制运算单元基于所述图像匹 配执行跟踪、基于所述图像匹配检测所述目标的光点、以及基于所述光点的检测恢复到所 述跟踪操作。作为结果，搜索所述目标的范围可能很小，并且有可能快速地恢复到所述跟踪 操作。
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另外，本发明提供了如上所述的自动跟踪方法，所述方法包括用于投射激光光束 和用于检测来自目标的光点的光点检测步骤、用于得到目标的图像和支撑所述目标的支撑 部件的图像的步骤、以及用于基于所述被拍摄的图像通过图像匹配检测所述支撑部件的图 像匹配步骤，其中所述光点检测步骤、用于得到目标的图像和支撑所述目标的支撑部件的 图像的步骤以及图像匹配步骤被并行地执行，并且当基于所述光点检测步骤的检测结果执 行跟踪时，在通过所述光点检测处理中的检测没有获得足够结果的情况下，基于所述图像 匹配步骤执行跟踪操作。作为结果，甚至在不可能根据来自所述目标的光点执行所述跟踪 操作时，所述跟踪不被中断，并且有可能避免麻烦的过程(诸如跟踪的重新设置)。同样地，本发明提供了如上所述的自动跟踪方法，其中当基于所述图像匹配步骤 执行跟踪时，根据所述图像匹配检测所述目标，并且基于光点检测恢复所述跟踪操作。作为 结果，有可能以高效率执行操作而不用基于所述目标中断所述测量操作。


图1是测量装置的例子的透视图，本发明在其中被实现。图2是根据本发明的实施例的测量装置的示意性框图。图3示出了用于解释本发明的实施例中的跟踪操作的图解说明。图4是示出本发明的实施例中的操作的流程图。图5是本发明的实施例中的激光跟踪的流程图。图6是本发明的实施例中的图像跟踪的流程图。
具体实施例方式参考附图，将在下文中对本发明的实施例给予说明。图1和图2各表示测量装置1，在其中本发明被实现。举例来说，所使用的测量装 置1为全站仪(total station)。脉冲激光光束被投射向测量点。通过接收和检测来自测 量点的脉冲反射光，为每个脉冲确定到测量点的距离。距离测量的结果被平均，并且以高精 确度测量距离。如图1所示，测量装置1主要包含安装在三脚架(未示出)上的水准测量单元2、 在水准测量单元2上提供的基座单元3、围绕基座单元3上的垂直轴可旋转地被提供的托架 单元4、以及围绕托架单元4上的水平轴可旋转地被提供的望远镜单元5。托架单元4具有显示单元6以及操作输入单元7。望远镜单元5包含用于瞄准要 被测量的对象的第一望远镜8以及第一摄像单元11 (将在后面被说明)和第三摄像单元 13(将在后面被说明)，其每个都被用于经第一望远镜8的光学系统在瞄准方向上获取图 像。望远镜单元5还被配备有第二望远镜9，该第二望远镜9具有比第一望远镜8低的 放大率和比第一望远镜8大的视场并且被配备有第二摄像单元12 (将在后面被说明)，该第 二摄像单元12可以经第二望远镜9的光学系统在瞄准方向上或者大体上在瞄准方向上获 取具有大角度的图像并且可以拍摄大角度图像。第一望远镜8具有例如1°的视场角，并且第二望远镜9具有例如15°到30°的 视场角。第一望远镜8具有与第二望远镜9的光轴不同的光轴。这两个光轴之间的距离已
8经知道，并且第二望远镜9和第一望远镜8之间瞄准方向的偏差可以通过校准来调整。第三摄像单元13被用于通过第一望远镜8来获取要被测量的对象(目标)的图 像并且可以拍摄被要求为围绕第一望远镜8的光轴(瞄准光轴)的范围的图像。第一摄像 单元11在光路径上被提供，通过划分第一望远镜8的光路径来获得该光路径，并且图像可 以在与第一望远镜8的视场角相等的范围中被拍摄，举例来说例如具有1°视场角的范围。 基于通过第一摄像单元11所获取的图像，跟踪操作被执行。第二摄像单元12和第三摄像单元12中的每一个拍摄包括目标以及对象或者支撑 目标的人的大范围图像。照相机(例如数码照相机)被用作第一摄像单元11、第二摄像单元12和第三摄像 单元13中的每一个，其将被拍摄的图像作为数字图像信号输出。作为像素集合的CCD、CM0S 等等被用作第一摄像单元11、第二摄像单元12和第三摄像单元13的每一个中的光检测元 件，使得被接收和检测的像素的位置可以被标识并且可以从被检测的像素的位置获得视场 角。优选的是由第二摄像单元12和第三摄像单元13中的每一个得到的图像是彩色图像。现在参考图2，将对测量装置1的基本布置给予说明。望远镜单元5具有内置的距离测量单元14，其与第一望远镜8共享一样的光学系 统。距离测量单元14投射用于距离测量的光，并且通过接收和检测来自要被测量的对象的 反射光来执行电光学(electro-optical)距离测量。距离测量单元14可以被转换为两个测量模式在要被测量的对象是棱镜的情况 下为棱镜测量模式，以及在要被测量的对象不是棱镜的情况下为非棱镜测量模式。用于在水平方向上旋转托架单元4的水平驱动单元15在托架单元14上被提供。 同样地，水平角度测量单元16被提供，其检测托架单元4相对于基座单元3的水平旋转角 度，并且检测瞄准方向上的水平角度。在托架单元4上，垂直驱动单元17被提供，其围绕水 平轴转动望远镜单元5，以及垂直角度测量单元18被提供，其检测望远镜单元5的垂直角度 并且测量瞄准方向上的垂直角度。控制装置21被并入托架单元4中。控制装置21控制水平驱动单元15和垂直驱 动单元17的驱动，旋转托架单元4和望远镜单元5并且在所要求的方向上转动望远镜单元 5。同样地，控制装置21在预先确定的范围上扫描。另外，控制装置21控制第一望远镜8 和第二望远镜9的转换并且还控制第一摄像单元11、第二摄像单元12和第三摄像单元13 的转换。接着，控制装置21以所要求的放大率获取图像，并且还控制距离测量单元14，距离 测量单元14测量到预先确定的测量点的距离。控制装置21包含控制运算单元22、存储单元23、图像处理单元24、被拍摄图像选 择单元25、图像存储单元26、模板设置单元27、匹配处理单元28、显示单元6、操作输入单元
7等等。各种类型的程序存储在存储单元23中。这些程序包括用于测量所需要的计算程 序、用于执行第一图像处理的图像处理程序(将在后面被说明)、用于从被处理的图像中选 择测量点(来自镜面的反射光在其处被检测的点)、用于实现到被选择的测量点(目标)的 距离测量和用于跟踪测量点的程序序列，以及用于在测量被启动时搜索目标并且还用于在 目标被错过时搜索目标的搜索程序。另外，图像处理程序执行第二图像处理(将在后面被说明)、从被处理的图像中提取要被测量的对象(对象)、选择被提取的图像的特征部分、以及将特征部分建立为模板。 同样地，随后的程序被存储用于基于模板搜索要被测量的对象的搜索程序、以及用于当要 被测量的对象被辨认为对象时在非棱镜测量模式中执行距离测量的程序。通过距离测量单元14、通过水平角度测量单元16以及通过垂直角度测量单元18 的测量结果被输入到控制运算单元22，并且由控制运算单元22测量距离、垂直角度以及水 平角度。测量结果经控制运算单元22被存储在存储单元23中并且被显示在显示单元6上。通过被拍摄图像选择单元25来选择第一摄像单元11、第二摄像单元12和第三摄 像单元13并且由第一摄像单元11、第二摄像单元12和第三摄像单元13拍摄以及由被拍 摄选择单元25选择的图像被分别存储在图像存储单元26中并且被适当地显示在显示单元 上。图像处理单元24检测从存储在图像存储单元26中的图像接收的反射光(光点)， 例如在第一摄像单元11处被获取的图像(即为跟踪目的而被获取的图像)，并且根据光点 的重心(光检测元件上的像素位置)确定目标的位置，即在第一望远镜8的瞄准方向上的 水平角度和垂直角度。图像处理单元24从由第二摄像单元12和第三摄像单元13获取的图像中提取支 撑目标的对象，作为要被测量的对象，并且还通过诸如边缘处理的图像处理在对象上提取 特征点。模板设置单元27在对象的范围内建立模板使得模板包括至少两个或多个特征
点o匹配处理单元28执行由模板设置单元27建立的模板与由第二摄像单元12或者 第三摄像单元13拍摄的移动图像的图像匹配，并且执行对图像的跟踪。接着参考图3，将在下文中对本发明中的目标搜索和跟踪给予说明。目标31是诸 如隅角棱镜的棱镜，并且目标由诸如推土机或者操作员的移动对象来支撑目标。在下文中， 将对在其中移动对象是推土机30的情况给予说明。在本实施例中，激光跟踪和图像跟踪被并行地实现。在激光跟踪中，从第一望远镜 8沿与距离测量光的光轴相同的光轴投射跟踪光(激光光束)，并且通过接收和检测被目标 31反射的激光光束来执行跟踪。在图像跟踪中，通过基于由第二摄像单元12和第三摄像单 元13经第二望远镜9得到的图像的图像匹配来执行跟踪。被用在激光跟踪中的第一望远镜8的视场角为1°那么小，并且要通过第一摄像 单元11得到的范围被限制在围绕第一望远镜8的光轴的预先确定的范围。第二望远镜9 的视角大于第一望远镜8的视角，并且其被设置为15°。因而，通过第二摄像单元12得到 的图像的视场角为15°，并且通过第三摄像单元13得到的图像的视场角为1°。在图像跟 踪中，使用由第二摄像单元12得到的图像还是使用由第三摄像单元13得到的图像根据到 要被测量的对象的距离而被确定。在图3中，参考标号32代表用于激光跟踪的、第一摄像单元的图像，并且标号33 表示由第二摄像单元和第三摄像单元得到的图像。标号34代表通过提取要作为对象被测 量的对象而获得的对象图像。通过对象图像34的图像处理来提取特征点35。另外，在对象 图像34中，包括许多特征点35的部分被设置为模板图像36。模板图像36的大小为20x20像素。
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激光跟踪和图像跟踪被并行地完成。根据通过激光跟踪获得的结果执行正常的跟 踪。在激光跟踪中从激光跟踪的搜索范围偏离的情况下，例如当光点37从在其中图像可以 通过第一摄像单元11得到的范围偏离，即从第一摄像单元图像32偏离并且目标被错过，或 者在多个光点被检测并且激光跟踪不能被实现的情况下，则改变为通过带有大视场角的第 二望远镜9来进行图像跟踪。当图像跟踪被实现时，图像中的目标被检测，并且再次恢复到激光跟踪。图4示出本实施例中的跟踪操作的流程，并且激光跟踪和图像跟踪被并行地实 现。首先，参考图5，将对激光跟踪给予说明。激光光束经第一望远镜8被投射(步骤31)。被目标反射的激光光束经第一望远镜 8被接收和检测，并且图像通过第一摄像单元11被拍摄(步骤32)。通过二元处理(binary processing)来处理因此被获取的图像。激光光束的光点被检测(步骤33)，并且第一摄像 单元11中的光检测元件中的光点37的重心被检测(步骤34)。根据对应于光点37的重心的、光检测元件中像素的位置确定第一摄像单元11处 的视场角。另外，根据分别通过水平角度测量单元16和垂直角度测量单元18检测到的水 平角度和垂直角度，目标的水平角度(H)和垂直角度(V)被计算(步骤35)。基于计算的结 果，水平驱动单元15和垂直驱动单元17的驱动被控制(步骤36)。距离在激光跟踪的同时 被测量。接着，参考图6，将对图像跟踪给予说明。当跟踪被启动时，通过第一望远镜8瞄准目标，并且距离被测量(步骤41)。基于距离测量的结果，要被用在图像跟踪中的图像拍摄放大率被建立。就是说，要 使用用于大角度的第二摄像单元12还是要使用为了望远目的的第三摄像单元13被选择。 当要被测量的距离短时，用于大角度的第二摄像单元12被使用。当要被测量的距离长时， 为了望远目的的第三摄像单元13被使用。当放大率的设置完成时，在瞄准方向上得到静止图像。根据静止图像，对象被选择 并且对象图像34被提取。通过对象图像34的图像处理，特征点35被提取，并且模板图像 36被建立使得多个特征点被包括(见图3)(步骤42)。图像跟踪被启动，并且举例来说通过第三摄像单元13来获取图像(步骤43)，并 且在被获取的图像和模板图像36之间执行图像匹配。作为用于图像匹配的方法，归一化互 相关方法、最小二乘匹配方法等等在SSDA方法(顺序相似性检测算法)中被采用。如上所 述，模板图像36的大小为20x20像素。作为结果，在匹配处的数据处理可以快速地被执行 (实时地)。同样地，因为许多特征点被包括，所以匹配的精确度被提高(步骤44)。当匹配被完成时，模板图像36的中心位置的视场角(水平角度(H)和垂直角度 (V))可以在图像上获得(步骤45)。对象图像34和模板图像36之间的关系以及目标31在对象图像34中的位置可以 根据图像被计算。当模板图像36的中心位置被确定时，第一望远镜8的瞄准方向可以被确 定或者调整。基于对模板图像36的中心处的水平角度和垂直角度的计算结果，对水平驱动单 元15和垂直驱动单元17的驱动被控制(步骤46)。
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现在，返回步骤41，距离测量的数据被检查。因为对象的大小根据被测量的距离而 变化，模板图像36的尺寸是否适合于图像匹配被检查。如果其被判断为不适合于图像匹配 的尺寸，模板图像36应当被更新。基于模板图像36和模板图像36更新的图像匹配被重复，并且图像跟踪被执行。参考图4，现在将对跟踪操作的整个流程给予说明。当跟踪操作被发起时，激光跟踪和图像跟踪被并行地实现(步骤01和步骤21)。当激光跟踪和图像跟踪两者都被成功地实现时，优先权被给予激光跟踪的结果。 基于激光跟踪的结果，测量装置1被控制，并且水平驱动单元15和垂直驱动单元17被驱动 (正常跟踪)。通过距离测量单元14的距离测量连续地被完成。当没有成功地执行图像跟踪时，被判断的是模板图像36不充分。因而，根据通过 距离测量单元14的距离测量的结果调整放大率，并且再次建立模板图像36 (步骤23)。在 来自目标31的反射光没有被检测的条件下，例如在来自目标31的反射光被拦截的情况下 或者在两个或多个光点被检测的情况下，通过非棱镜测量来测量到推土机30的距离。即使在图像跟踪没有成功地被执行时，如果激光跟踪成功，正常跟踪连续地被执 行(步骤03和步骤10)。如果激光跟踪未成功，但是图像跟踪成功地被执行，根据图像跟踪的结果驱动测 量装置1，并且瞄准方向指向目标31 (步骤10)。当第一摄像单元11的图像可以被获取并 且有可能执行激光跟踪时，激光跟踪和图像跟踪再次被并行地完成。基于激光跟踪的结果， 控制测量装置1并且完成距离测量。当激光跟踪和图像跟踪两者都未成功，对测量装置1的跟踪被停止，并且静止图 像经第二望远镜9由第二摄像单元12获取。或者静止图像经第一望远镜8由第三摄像单 元13获取(步骤04)。静止图像由第二摄像单元12获取还是由第三摄像单元13获取取决 于紧接在当发现跟踪未成功时知道结果之前的距离测量的结果。在被获取的图像上执行图像匹配。通过图像匹配，候选点被提取(步骤06)。当有 两个或多个候选点时，通过第一摄像单元11在每个候选点上获取图像，并且判断来自目标 31的反射光是否可以被检测以及激光跟踪是否可以被执行(步骤07)。当被判断的是激光跟踪可以被执行时，由图像匹配所确定的对象被看作要被测量 的对象(对象)，并且目标31可以被检测(步骤08)。当目标31被检测时，激光跟踪再次被启动。当不能在多个候选点上检测目标31时，被判断的是不可能执行搜索，并且对测量 装置1的驱动被停止(步骤09)。在如上所述的实施例中，用于获取高放大率图像的第三摄像单元13在通常被与 距离测量光学系统一起使用的第一望远镜8上被提供，而放大率转换机构可以被安置在第 二望远镜9上，并且第二摄像单元12和第三摄像单元13可以被布置在第二望远镜9上。在 要被测量的距离没有大范围地被改变的情况下，第二摄像单元12或者第三摄像单元13中 的一个，例如第二摄像单元可以被省略。发射光的光点可以被用作目标。在这种情况下，发射特定波长的光的光发射器 (光源)在移动的对象上被提供。通过用本实施例中的摄像单元(第一、第二或者第三摄像 单元中的一个或者全部)检测来自该光源的光，可以以与激光跟踪的情况类似的方式跟踪
12目标。作为结果，在所应用的实施例中的测量装置中，通过模板匹配的图像匹配和通过 用摄像单元检测来自移动对象的支撑部件上的光源的光来进行的目标跟踪被执行，并且可 以获得与在上述实施例中相同的效果。另外，可以在第二摄像单元上提供各种功率的光学系统，并且可以根据距离改变 放大率。
权利要求
一种测量装置，所述测量装置包括用于投射激光光束和用于接收来自由支撑部件所支撑的目标的反射光的第一摄像单元、用于获取包括所述目标的图像并且具有比所述第一摄像单元的视场角更宽的视场角的第二摄像单元、用于分别在水平方向上和在垂直方向上移动所述第一摄像单元和所述第二摄像单元的瞄准方向的驱动单元、用于处理由所述第一摄像单元和由所述第二摄像单元得到的图像的图像处理单元、以及用于控制所述驱动单元以便所述第一摄像单元和所述第二摄像单元基于由所述第一摄像单元得到的图像的所述图像处理以及基于由所述第二摄像单元得到的图像的所述图像处理而被指向所述目标的控制运算单元，其中所述第一摄像单元的图像的图像处理是光点检测处理以从所述目标获得光点，其中所述第二摄像单元的图像的图像处理是与根据所述支撑部件的图像建立的模板图像的图像匹配，以及其中所述控制运算单元控制所述驱动单元以便基于所述光点检测处理的结果或者基于所述图像匹配的结果来执行所述目标的跟踪。
2.一种测量装置，所述测量装置包括用于从光源接收光的第一摄像单元，所述光源是 安装在支撑部件上的目标，用于获取包括所述目标的图像并且具有比所述第一摄像单元的 视场角更宽的视场角的第二摄像单元、用于分别在水平方向上和在垂直方向上移动所述第 一摄像单元和所述第二摄像单元的瞄准方向的驱动单元、用于执行由所述第一摄像单元和 由所述第二摄像单元拍摄的图像的图像处理的图像处理单元、以及用于控制所述驱动单元 以便所述第一摄像单元和所述第二摄像单元基于由所述第一摄像单元得到的图像的图像 处理以及基于由所述第二摄像单元得到的图像的图像处理而被指向所述目标的控制运算 单元，其中所述第一摄像单元的图像的图像处理是光点检测处理以从所述目标获得光点， 其中所述第二摄像单元的图像的图像处理是与根据所述支撑部件的图像建立的模板图像 的图像匹配，以及其中所述控制运算单元控制所述驱动单元以便基于所述光点检测处理的 结果或者所述图像匹配的结果中的任何一个来执行所述目标的跟踪。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，其中在所述光点检测处理和所述 图像匹配的结果中所述光点检测处理的结果被获得的情况下，所述控制运算单元基于所述 光点检测处理的结果控制跟踪。
4.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，其中在所述光点检测处理和所述 图像匹配的结果中所述光点检测处理的结果没有被获得而所述图像匹配的结果被获得的 情况下，所述控制运算单元基于所述图像匹配的结果控制跟踪。
5.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，其中所述模板图像是被建立的所 述对象图像的一部分，以便至少两个或多个特征点被包括，其中从由所述第二摄像单元获 取的图像中提取所述支撑部件的所述对象图像，并且进一步从所述对象图像中提取所述特 征点。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，其中响应于所述测量的距离的变化 而更新所述模板图像。
7.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，其中，在从所述光点检测处理中 和从所述图像匹配中两个结果都没有被获得的情况下，所述控制运算单元控制以便所述驱 动单元被停止，通过所述第二摄像单元获取静止图像，并且在所述静止图像和所述模板图 像之间在所述静止图像的整个范围上执行图像匹配，以及所述控制运算单元基于所述图像 匹配的结果从所述静止图像获得所述目标的位置。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，其中在通过所述图像匹配检测到多 个候选点的情况下，所述控制运算单元判断是否可以从候选点中获得来自所述目标的光 点，并且判断获得所述光点的位置是否为所述目标的位置。
9.根据权利要求1、2或者5所述的测量装置，其特征在于，其中所述第二摄像单元可以 拍摄低放大率的图像和高放大率的图像，并且可以根据所述测量的距离来选择低放大率图 像拍摄和高放大率图像拍摄。
10.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，其中所述控制运算单元基于所 述图像匹配执行跟踪、基于所述图像匹配检测所述目标的所述光点、以及基于所述光点的 检测恢复到所述跟踪操作。
11.一种自动跟踪方法，所述方法包括用于投射激光光束和用于检测来自目标的光点 的光点检测步骤、用于得到目标的图像和支撑所述目标的支撑部件的图像的步骤、以及用 于基于所述被拍摄的图像通过图像匹配检测所述支撑部件的图像匹配步骤，其中所述光点 检测步骤、用于得到目标的图像和支撑所述目标的支撑部件的图像的步骤、以及图像匹配 步骤被并行地执行，并且当基于所述光点检测步骤的所述检测结果执行跟踪时，在通过所 述光点检测步骤中的检测没有获得足够结果的情况下，基于所述图像匹配步骤执行跟踪操 作。
12.根据权利要求11所述的自动跟踪方法，其特征在于，其中当基于所述图像匹配步 骤执行跟踪时，根据所述图像匹配来检测所述目标，并且基于光点检测恢复所述跟踪操作。
13.根据权利要求11所述的自动跟踪方法，其特征在于，其中所述光点检测步骤投射 激光光束并且检测来自所述目标的反射光。
14.根据权利要求11所述的自动跟踪方法，其特征在于，其中，在所述光点检测步骤 中，所述目标是光源，并且从所述光源发射的光被检测。
全文摘要
本发明提供了测量装置，所述测量装置包括用于投射激光光束和用于接收来自由支撑部件所支撑的目标的反射光的第一摄像单元11、用于获取包括所述目标的图像并且具有比所述第一摄像单元的视场角更宽的视场角的第二摄像单元12、用于分别在水平方向上和在垂直方向上移动所述第一摄像单元和所述第二摄像单元的瞄准方向的驱动单元15和17、用于处理由所述第一摄像单元和由所述第二摄像单元得到的图像的图像处理单元24、以及用于控制所述驱动单元以便所述第一摄像单元和所述第二摄像单元基于由所述第一摄像单元得到的图像的图像处理以及基于由所述第二摄像单元得到的图像的图像处理而被指向所述目标的控制运算单元22，其中所述第一摄像单元的图像的图像处理是光点检测处理以从所述目标获得光点，其中所述第二摄像单元的图像的图像处理是与根据所述支撑部件的图像建立的模板图像的图像匹配，以及其中所述控制运算单元控制所述驱动单元以便基于所述光点检测处理的结果或者基于所述图像匹配的结果来执行所述目标的跟踪。
文档编号G01S17/66GK101852857SQ20101014386
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月5日 优先权日2009年3月30日
发明者大谷仁志, 熊谷薰 申请人:株式会社拓普康