专利名称：全方向图像测量仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种全方向图像测量仪器，用于准备360度全方向图像并且用于測量放置在全圆周上的待測量物体的三维数据。
背景技术：
通常，已经存在全方向照相机作为用于获取全方向图像的摄像仪器。全方向照相机是集成了六个或更多个照相机或摄像单元的系统，从而使得能够进行全圆周的摄像。此夕卜，已经存在设置有摄像装置的全工作站作为用于获取全方向图像以及用于测量全圆周上的待測量物体的三维数据的仪器。
由于全方向照相机具有集成了六个或更多个照相机或摄像单元的构造，仪器的构造是复杂的，需要对每个照相机进行同步控制以通过各个照相机捕捉图像或者将图像彼此组合，由此增加了照相机的成本。此外，全工作站可获得具有高准确度的全方向图像或三维数据，但是全工作站是非常昂贵的。
发明内容
本发明的ー个目的是提供ー种全方向图像测量仪器，其可用简单的仪器构造准备全方向图像并且可测量放置在全圆周上的待測量物体的三维数据。根据本发明的全方向图像测量仪器包括水平旋转台，其由支撑部分水平地支撑并且设置成能够沿水平方向旋转；水平旋转驱动单元，其能够使所述水平旋转台以恒速旋转；EDM装置和摄像装置，其设置在所述水平旋转台上；以及控制装置，其用于同步地控制所述EDM装置进行的距离测量和所述摄像装置进行的摄像，在所述全方向图像测量仪器中，所述控制装置控制所述水平旋转驱动单元，使所述水平旋转台以每个预定角度旋转，操作所述摄像装置，在全圆周上的每个预定旋转角度处获取单图像，组合所述单图像，准备全方向图像，使所述水平旋转台旋转，用来自所述EDM装置的距离测量光进行扫描，在每个预定旋转角度处进行所述距离測量，在所述全圆周上进行所述距离測量，从所述全方向图像计算距离测量点的水平角度和竖直角度，并且获得所述测量点的三维数据。进一歩，在根据本发明的全方向图像测量仪器中，所述EDM装置和所述摄像装置经由倾斜台(俯仰台)设置在所述水平旋转台上，所述倾斜台能够沿俯仰方向以预定角度傾斜，所述控制装置在所述EDM装置和所述摄像装置为水平或倾斜的状态中使所述水平旋转台以预定旋转角度旋转，通过使用所述摄像装置进行所述单图像的获取并通过使用所述EDM装置进行所述距离測量，准备全方向图像，从所述全方向图像计算所述測量点的水平角度和竖直角度，并且获得所述测量点的所述三维数据。进ー步，在根据本发明的全方向图像测量仪器中，所述控制装置从至少两个测量点的所述三维数据确定包括了所述测量点的竖直平面或水平平面。进一歩，在根据本发明的全方向图像测量仪器中，所述控制装置从在所述EDM装置和所述摄像装置为水平或倾斜的状态中获得的至少三个測量点的三维数据确定包括了所述测量点的平面。此外，在根据本发明的全方向图像测量仪器中，所述水平旋转台构造成关于水平面以90°旋转。 根据本发明，所述全方向图像测量仪器包括水平旋转台，其由支撑部分水平地支撑并且设置成能够沿水平方向旋转；水平旋转驱动单元，其能够使所述水平旋转台以恒速旋转；EDM装置和摄像装置，其设置在所述水平旋转台上；以及控制装置，其用于同步地控制所述EDM装置进行的距离测量和所述摄像装置进行的摄像，在全方向图像测量仪器中，所述控制装置控制所述水平旋转驱动单元，使所述水平旋转台以每个预定角度旋转，操作所述摄像装置，在全圆周上的每个预定旋转角度处获取单图像，组合所述单图像，准备全方向图像，使所述水平旋转台旋转，用来自所述EDM装置的距离测量光进行扫描，在每个预定旋转角度处进行所述距离測量，在所述全圆周上进行所述距离測量，从所述全方向图像计算距离測量点的水平角度和竖直角度，并且获得所述测量点的三维数据。结果，可在没有用于探测竖直角度和水平角度的角度探測器的情况下获得所述测量点的三维数据，因此可提供便宜且简单的构造。此外，根据本发明，在所述全方向图像测量仪器中，所述EDM装置和所述摄像装置经由倾斜台设置在所述水平旋转台上，所述倾斜台能够沿俯仰方向以预定角度倾斜，所述控制装置在所述EDM装置和所述摄像装置为水平或倾斜的状态中使所述水平旋转台以预定旋转角度旋转，通过使用所述摄像装置进行所述单图像的获取并通过使用所述EDM装置进行所述距离測量，准备全方向图像，从所述全方向图像计算所述測量点的水平角度和竖直角度，并且获得所述测量点的所述三维数据。结果，可以用简单的构造容易地获得确定ー平面所需的三维数据。
图I是本发明所应用的全方向图像测量仪器的总体透视 图2是全方向图像测量仪器的控制装置的示意性方框 图3是流程图，示出了全方向图像测量仪器的操作；
图4A和图4B是当从图像探测测量点时的说明性视 图5是当组合单图像并且准备全方向图像时的说明性视 图6是说明性视图，示出了全方向图像和測量点之间的关系。
具体实施例方式将通过參照附图对本发明的实施例进行说明。图I示出了本发明所应用的全方向图像测量仪器10的概图，图中的附图标记I表示作为支撑部分的三脚架，调平单元2设置在三脚架I的上端，并且水平旋转台4经由水平旋转驱动单元3设置在调平单元2上。水平旋转台4可绕沿竖直方向延伸的水平旋转轴线5在全圆周上旋转。水平旋转驱动单元3包括作为驱动源的水平旋转马达(未示出)，并且例如旋转量 可控的步进马达或伺服马达被用作水平旋转马达，水平旋转马达使得能够进行连续旋转并且还使得能够进行间歇驱动，由于马达以预定角度单位进行旋转。倾斜台7经由倾斜轴6以可倾斜的方式设置在水平旋转台4上。倾斜驱动单元8与倾斜轴6联接，倾斜驱动单元8设置有作为驱动源的倾斜马达(未示出)，倾斜驱动单元8可以使倾斜台7沿着相对于水平的俯仰方向(elevation direction)以固定角度V旋转。请注意，关于倾斜驱动単元8进行的以固定角度的旋转，可通过电的方式控制马达的旋转量，或者通过止动器来机械地限制该旋转，使得止动器与倾斜台7分别在倾斜台7水平的位置和倾斜台7倾斜到固定角度的位置处接触。EDM (电子测距计)装置11和摄像装置12设置在倾斜台7上。EDM装置11是非棱镜类型的电光测距计，并且可例如使用可商购的小型手持式电光测距计。作为摄像装置12，用于ー个一个获取图像的静物照相机或者用于获取连续图像的摄像机可被采用，并且用于获取数字图像的照相机也可胜任。
摄像装置12可设置成使得摄像装置12堆在EDM装置11上，或者EDM装置11和摄像装置12可平行地设置在倾斜台7上。在任何情况中，EDM装置11的光轴平行于摄像装置12的光轴，并且这些光轴之间的关系是已知的。控制装置13设置到水平旋转台4，控制装置13电连接到调平单元2、水平旋转驱动单元3、倾斜驱动单元8、EDM装置11以及摄像装置12并且控制这些单元和装置的驱动和操作。图2是控制装置13的方框图。控制装置13主要包括控制计算单元(CPU) 15、存储单元16、同步控制器17以及图像处理单元18，存储单元16进ー步具有用于存储程序的第一存储单元16a和用于存储图像数据和距离测量数据的第二存储单元16b。请注意，第一存储单元16a和第二存储单元16b可以是单独的存储器，或者一个存储器可被分成程序存储单元和数据存储单元。EDM装置11和摄像装置12连接到同步控制器17，并且EDM装置11和摄像装置12经由同步控制器17连接到控制计算单元15。操作単元21和显示单元22连接到控制计算単元15，并且调平単元2、水平旋转驱动单元3以及倾斜驱动単元8也连接到控制计算单元15。调平单元2具有倾斜传感器23，其设置到水平旋转台4，并且来自倾斜传感器23的探测结果被输入到调平单元2。用于探测关于水平旋转台4的旋转的參考位置的參考位置探测传感器24设置到水平旋转驱动单元3或水平旋转台4，由此探测水平旋转台4的參考位置(旋转角度0° )。请注意，任意的探测传感器(例如光学光电断路器或磁接近传感器)可用作參考位置探测传感器24。同步控制器17构造成控制EDM装置11所进行的距离测量以及摄像装置12所进行的摄像，并且使得測量点能够与所获取的图像关联(即，确定測量点在图像中的位置)。第一存储单元16a存储程序，例如用于驱动和控制EDM装置11、摄像装置12、调平単元2、水平旋转驱动单元3和倾斜驱动单元8的控制程序、用于对摄像装置12获得的图像数据进行必要图像处理的图像处理程序以及用于基于图像数据测量三维数据的三维数据计算程序。第二存储单元16b具有用于存储EDM装置11所获得的距离测量数据的距离测量数据存储部分25、用于存储摄像装置12所获取的图像数据的图像数据存储部分26以及用于存储通过处理图像数据而获得的组合图像数据的全方向图像存储部分27。通过使用图像处理程序，图像处理单元18将图像数据进行组合，准备360度的全方向图像并且将所准备的全方向图像存储在全方向图像存储部分27中。此外，为了在图像中确定测量点，图像处理单元18将处于距离测量状态的图像与不处于距离测量状态的图像进行比较，由此提取測量点(距离測量光所投射的点)并将测量点与图像相关联。现在将參照图3、图4A和图4B来描述根据本实施例的测量操作。请注意，图3所示的測量对应于这样的情況，即将全方向图像测量仪器10安装在房间内并且进行有关房间内部的测量。将全方向图像测量仪器10安装在房间内的任意位置，并且开始全方向測量。首先，开始调平并且水平地设定水平旋转台4。请注意，水平旋转台4的调平可手动地进行，来取代自动地进行(步骤01 )。 当完成了调平时，调平所完成时的位置被确定为第一位置，并且摄像装置12获取第一图像(步骤02)。所获取的第一图像被存储在图像数据存储部分26中。当获取了图像时，通过EDM装置11在获取第一图像的范围内进行距离测量(步骤03)。另外，优选地，在參考位置探测传感器24探測到0°的状态时开始距离測量。请注意，在由EDM装置11进行距离测量的状态中不由摄像装置12进行图像获取。通过将由EDM装置11在预定时间间隔进行的距离测量与由水平旋转驱动单元3进行的水平旋转台4的恒速旋转同步来执行在关于EDM装置11的第一图像的范围内的距离测量。关于测量范围，水平旋转台4以预定角度旋转，并且距离测量光沿水平方向从右端到左端扫描ー个图像。也就是说，对于沿水平方向的一个图像的场角以预定间距进行距离測量。此外，EDM装置11的光轴平行于摄像装置12的光轴，EDM装置11的距离测量光的扫描位置从摄像装置12的图像的中心沿上下方向偏离达两个光轴之间的距离。在图中，扫描位置从图像的中心朝向下侧偏离达两个光轴之间的距离。距离測量数据被与第一图像数据相关联并且被存储在距离测量数据存储部分25中。然后，关于在开始测量后首先获取的图像，执行确定图像和測量点之间的关系的步骤(步骤04至步骤06，參见图4A和图4B)。在该步骤时，在距离测量光被投射的状态中或者在作为可见光的点光29从EDM装置11发射的状态中，由摄像装置12获得静止图像(图4A)，其次，熄灭点光，获取静止图像，并且通过获得点光29被投射到的图像和熄灭光之后的图像之间的差别来擦除背景图像，由此提取点光29 (步骤05)。当提取了点光29时，基于计算操作来探測点光29的中心位置。该中心位置是投射点光(距离測量光)的位置，并且可以通过探測中心位置来确定图像和測量点之间的关系(步骤06)。所确定的结果被存储在距离测量数据存储部分25或图像数据存储部分26中。当水平旋转台4以预定角度旋转吋，由EDM装置11完成了对于ー个图像的扫描(步骤07)。水平旋转台4的预定角度旋转可被预先设定，从而将水平旋转驱动单元3间歇地驱动在每个预定旋转角度。或者，传感器可设置在相等角度处，从而探測水平旋转台4在预定角度的旋转。或者，一个传感器可设置在固定侧，并且用于以相等角度操作传感器的传感器操作件(当传感器是光电传感器时，该操作件是光学路径阻挡件)可设置在水平旋转台4侦彳，由此通过水平旋转台4的相等角度来探测旋转(步骤08)。
请注意，水平旋转台4的预定旋转角度对应于通过将ー转(360° )除以整数n所获得的值，旋转角度是小于摄像装置12沿水平方向的场角的角度并且使得能够获得预定量的重叠(使得能够获得如后面所述对图像进行组合所需重叠量的量)。当EDM装置11完成了对于ー个图像的扫描吋，当水平旋转台4以预定角度旋转时，确认參考位置探测传感器24是否探測到水平旋转台4的ー转(步骤09)。当水平旋转台4尚未旋转ー转时，水平旋转台4以预定角度进ー步旋转(步骤10)并且停止在第二位置处。摄像装置12在第二位置处获取第二图像(步骤02)。然后，在对应于第二图像的范围内，由EDM装置11进行沿水平方向的扫描，并且获得距离测量数据。第二图像被与距离测量数据相关联，分别有关于第二图像，第二图像和距离测量数据被存储在距离测量数据存储部分25或图像数据存储部分26中。此外，当水平旋转台4以预定角度旋转时，重复地获取图像并且对所获取的图像 进行距离测量扫描。改变角度位置的次数达到n，參考位置探测传感器24确认实现了 360°旋转。当确认了水平旋转台4的ー转时，倾斜驱动单元8被驱动，并且倾斜台7以预定角度V傾斜。維持该倾斜直到完成了測量(步骤11)。在倾斜台7被倾斜的状态中，摄像装置12在水平旋转台4的第一位置处获取第一图像(步骤12)，然后水平旋转台4以预定角度旋转。在EDM装置11通过水平旋转台4而被倾斜的状态中，EDM装置11沿水平方向以预定角度旋转，EDM装置11在对应于第一图像的范围内进行水平扫描，并且获得距离测量数据。图像数据和距离测量数据被与彼此相关联，并且进一歩与在EDM装置11和摄像装置12被倾斜的状态中所获取的图像数据和距离测量数据的信息一起被存储在距离测量数据存储部分25或图像数据存储部分26中(步骤13)。一旦EDM装置11完成了扫描(步骤14)，水平旋转台4以预定角度旋转以停止在第二位置，摄像装置12在第二位置处获取ー图像，并且EDM装置11进行关于第二图像的距离測量和扫描。而且，在关于每个图像的停止位置处执行图像获取和距离测量扫描。另外，当參考位置探测传感器24探測到水平旋转台4的第二全圆周旋转(360° )吋，获取图像数据并且获取距离测量数据(步骤15至步骤17)，并且开始图像处理以及进ー步开始计算测量点的三维数据(三维坐标)。图5A和图5B示出了如何通过使用在水平旋转台4的各个旋转位置处获取的图像而在全圆周上组合全景图像33。在图中，水平旋转台4被设定为以角度H旋转，通过将全圆周均等地分成5份来获得角度H。也就是说，图中所示的情况是，在水平旋转台4的五个旋转位置处获取图像，并且关于对应于各个图像的范围来进行距离测量扫描。请注意，当倾斜台7被倾斜时进行相同的过程，因此下面将略去说明。分别在水平旋转台4的五个旋转位置处获取第一图像31a至第五图像31e，并且将这些图像存储在图像数据存储部分26中。此外，每个所获取的图像31的沿水平方向的场角大于水平旋转角度H，并且当准备全景图像时，图像在左端部分32m和右端部分32n处与相邻图像重叠。当组合彼此相邻的图像时，在重叠的左端部分32m和右端部分32n处进行图像匹配。顺便提及，作为图像匹配技术，有SSDA方法(顺序相似性探測算法计算模板和匹配窗ロ之间的密度值残差，并且获得该残差变为最小时的位置)、规范化交叉相关方法(交叉相关计算模板和匹配窗ロ的相关值以捜索对应点)、最小ニ乘匹配方法(最小ニ乘匹配使用仿射变换来设定匹配窗ロ的形状作为未知參数，并且获得匹配窗ロ关于模板的位置和形状)。
当在每个相邻图像的左端部分32m和右端部分32n处进行了图像匹配时，可获得组合的图像，其中，左和右单图像是连续的，并且通过图像匹配来顺序地组合第一图像31a至第五图像31e，由此组合出具有360°场角的全方向图像(步骤18)。因为由摄像装置12获得全方向图像并且可由參考位置探测传感器24探测參考位置和全圆周旋转，可以从发展出的全景图像测量沿水平方向的任意位置的角度(水平角度)。例如，图5B示出了通过组合第一图像31a至第五图像31e而获得的全景图像33，如果假设全景图像33的中心是作为參考位置的0°水平角度，位于两端的每一端处的水平角度是±180°，并且如果两端之间的空间被除以360，则ー份为1°的水平角度。因此，当获取全景图像时，可从图像測量房间内的所有方向。图6示出了全景图像33和测量点34之间的关系。測量点34位于水平平面上，点的轨迹在图像上表现为水平线。假设水平旋转台4的參考位置(水平角度0° )是测量点34的起始点，当来自EDM装置11的距离测量光以相等时间间隔投射并且水平旋转台4的旋转速度被设定为恒速(已知的旋转速度)，可基于距离测量光的每个发光时间间隔以及水平旋转台4的旋转速度来计算测量点34之间的水平角度间距。可基于测量开始时抽出的激光指示器来确定或者在组合图像的过程中从图像来判断测量点34的起始点或图像的起始点。另外，当测量测量点34之间的距离时，可计算测量点34的两维坐标。进ー步，考虑到房间内部主要由竖直平面和水平平面构成，当在平面为竖直的条件下确定了平面内的两个点的坐标时，可确定每个平面(可计算代表每个平面的方程)。当在图像上确定任意位置时，可在图像上获得水平角度和俯仰角度，并且可基于俯仰角度、水平角度以及代表平面的方程来计算平面中的任意位置的三维坐标(步骤19)。进ー步，可基于分别确定的代表两个平面的方程来计算彼此相邻的平面的交线(角部位置)。接下来，通过执行步骤11至步骤17的測量，当沿水平方向在俯仰角度(关于步骤02至步骤10处测量的水平线变化)处进行扫描时，获得了測量点34的距离测量数据。因此，可获得关于平面的三个或更多个不同点的三维坐标，并且可确定该平面(可确定代表了该平面的计算方程)，即使平面是倾斜的也是如此。因此，当倾斜台7倾斜时，通过使EDM装置11倾斜并进ー步使EDM装置11旋转ー转可在具有不同俯仰角度的位置处获得全圆周的距离测量数据，由此确定房间中的所有平面。因此，可获得图像中所确定的任意点的三维坐标。请注意，直接通过上述测量获得的三维坐标是极坐标，其具有设定在EDM装置11的旋转中心处的原点，因为可分别从全景图像33计算水平角度H和竖直角度V，并且可基于X=rsinV cosH、Y=rsinV sinH以及Z=rcosV (这里，r是到测量点的距离)而变换到笛卡尔坐标，由此可基于所获得的測量结果来准备房间内的平面视图(步骤20)。如上所述，该实施例不需要昂贵的角度探測(例如，构造成探測水平角度的编码器)，并且可通过使用可商购的电光测距计或数字照相机来容易地构成，因此实现了便宜的构造。
请注意，在前述实施例中，EDM装置11和摄像装置12设置到倾斜台7并且构造成一体化地倾斜，当与室内測量一祥，待測量物体由竖直平面和水平平面独自构成吋，EDM装置11和摄像装置12可直接安装在水平旋转台4上。而且，水平旋转台4可构造成能够关于水平面以90°旋转。在这种情况下，由于水平旋转台4绕水平轴线中心旋转，EDM装置11和摄像装置12也绕水平轴线中心旋转。因此，EDM装置11可沿水平和竖直两个方向旋转，并且可关于地板和天花板进行图像获取和距离 測量，因此使得能够进行关于地板和天花板的全方向图像测量。请注意，在这种情况下，如果可获得关于地板和天花板中的每ー个的两个测量点的三维坐标，则可确定水平平面。
权利要求
1.ー种全方向图像测量仪器，包括水平旋转台，其由支撑部分水平地支撑并且设置成能够沿水平方向旋转；水平旋转驱动单元，其能够使所述水平旋转台以恒速旋转；EDM装置和摄像装置，其设置在所述水平旋转台上；以及控制装置，其用于同步地控制所述EDM装置进行的距离测量和所述摄像装置进行的摄像，其中，所述控制装置控制所述水平旋转驱动单元，使所述水平旋转台以每个预定角度旋转，操作所述摄像装置，在全圆周上的每个预定旋转角度处获取单图像，组合所述单图像，准备全方向图像，使所述水平旋转台旋转，用来自所述EDM装置的距离测量光进行扫描，在每个预定旋转角度处进行所述距离測量，在所述全圆周上进行所述距离測量，从所述全方向图像计算距离測量点的水平角度和竖直角度，并且获得所述测量点的三维数据。
2.如权利要求I所述的全方向图像测量仪器，其中，所述EDM装置和所述摄像装置经由倾斜台设置在所述水平旋转台上，所述倾斜台能够沿俯仰方向以预定角度倾斜，所述控制装置在所述EDM装置和所述摄像装置为水平或倾斜的状态中使所述水平旋转台以预定旋转角度旋转，通过使用所述摄像装置进行所述单图像的获取并通过使用所述EDM装置进行所述距离測量，准备全方向图像，从所述全方向图像计算所述測量点的水平角度和竖直角度，并且获得所述测量点的所述三维数据。
3.如权利要求I或2所述的全方向图像测量仪器，其中，所述控制装置从至少两个测量点的所述三维数据确定包括了所述测量点的竖直平面或水平平面。
4.如权利要求2所述的全方向图像测量仪器，其中，所述控制装置从在所述EDM装置和所述摄像装置为水平或倾斜的状态中获得的至少三个測量点的三维数据确定包括了所述測量点的平面。
5.如权利要求I或2所述的全方向图像测量仪器，其中，所述水平旋转台构造成关于水平面以90°旋转。
全文摘要
一种全方向图像测量仪器包括水平旋转台4，由支撑部分1水平地支撑并设置成能够沿水平方向旋转；水平旋转驱动单元3，能使水平旋转台以恒速旋转；EDM装置11和摄像装置12，设置在水平旋转台上；及控制装置13，同步地控制EDM装置的距离测量和摄像装置的摄像，在全方向图像测量仪器中，控制装置控制水平旋转驱动单元，以每个预定角度旋转水平旋转台，操作摄像装置，在全圆周上的每个预定旋转角度获取单图像，组合单图像，准备全方向图像，旋转水平旋转台，用来自EDM装置的距离测量光进行扫描，在每个预定旋转角度进行距离测量，在全圆周上进行距离测量，从全方向图像计算距离测量点的水平角度和竖直角度，并获得测量点的三维数据。
文档编号G01B11/24GK102645180SQ20121003925
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月21日 优先权日2011年2月21日
发明者伊藤忠之, 大佛一毅, 大友文夫, 大谷仁志 申请人:株式会社拓普康