JP5397956B2 - 電子レベル - Google Patents

Description

本発明は、電子レベル（電子式水準儀）に関し、さらに詳細には、デジタルカメラと水平回転機構とを組み合わせて、従来の電子レベル以上の機能を実現するものに関する。

電子レベルとは、目盛としてバーコードが付された専用の標尺を用いて、このバーコードを読んで高さを測定するものである。

しかし、電子レベルは、専用の標尺を用いる必要があったり、雨や霧や雪や夜間等の条件の悪いときは測定不能になったりするという問題があった。そこで、出願人は、専用の標尺を用いる必要がないうえ、雨や霧や雪等の条件の悪いときでも測定可能な電子レベルに関する特許出願をしている（下記特許文献１参照）。

下記特許文献１に開示された電子レベルについて、図１１に基づいて説明する。この電子レベル１０は、整準台１２上に本体１４を水平回転自在に設置し、本体１４に望遠鏡１６とＣＣＤカメラ１８と液晶テレビ２２とテンキー２６を備えている。液晶テレビ２２は、ＣＣＤカメラ１８で撮像した画像を表示するためのものである。本体１４内には図示しないＣＰＵが備えられ、このＣＰＵによって、ＣＣＤカメラ１８で捉えた画像から通常の標尺の目盛と数値を判読して自動的に高さ測定している。測定結果はＩＣカード２４に記録できるようになっている。雨や霧や雪等により条件が悪く、自動的に高さ測定できないときでも、液晶テレビ２２に写った画像を作業員が見て高さ測定が可能である。

特開平５−２７２９７０号公報

ところで、前記特許文献１に開示の電子レベルでは、望遠鏡１６の光軸（視準軸）を水平に保つための自動水平補償機構が必要であり、これが価格を上げるという問題があった。また、背景の中から標尺を選択することができないため、作業員が手動で標尺を液晶テレビ２２の画面に捉え、合焦つまみ２０を回して、フォーカス合わせをしないと測定できないうえ、一度に１つの標尺についての測定しかできないという問題もあった。また、夜間で十分な照明が得られないときには、測定できないという問題もあった。さらに、測定した標尺の画像を保存できないという問題もあった。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、自動水平補償機構が不要で、標尺を正確に視準してフォーカス合わせをする必要がなく、また、複数の標尺を同時に測定でき、夜間で十分な照明が得られないときでも測定が可能で、しかも測定時の標尺の画像を保存できる電子レベルを提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため、請求項１に係る発明は、整準台と、該整準台上に設置された水平回転機構と、該水平回転機構上に設置されたデジタルカメラと、該デジタルカメラから出力された画像を用いて高さ測定できる演算制御部とを備えた電子レベルであって、前記演算制御部は、前記電子レベルを整準して、水平な光線を前記デジタルカメラの対物レンズに垂直に且つ前記対物レンズの中心に入射させたとき、前記水平な光線の前記デジタルカメラの画像センサへの入射点を水平基準画素として予め記憶しておくことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記演算制御部は、前記電子レベルを整準させたとき、前記画像センサの水平面に対する傾斜角を予め記憶しており、前記傾斜角による誤差を補正して高さ測定できることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、前記演算制御部は、前記対物レンズの焦点距離を予め記憶しており、視準方向に対する測定点の水平角測定できることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１、２又は３に係る発明において、前記演算制御部は、レンズディストーション補正及びパースペクティブ補正を行えることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１、２、３又は４に係る発明において、前記デジタルカメラが水平位置調整機構を介して前記水平回転機構上に設置され、前記対物レンズの中心が前記水平回転機構の回転中心上に調節できることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１、２、３、４又は５に係る発明において、前記水平回転機構中に該水平回転機構の水平回転角を測定するエンコーダと、該エンコーダの水平回転角を表示する表示パネルとを備えることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１、２、３、４、５又は６に係る発明において、画像保存部を備えたことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、整準台と、該整準台上に設置された水平回転機構と、該水平回転機構上に設置されたデジタルカメラと、該デジタルカメラの画像センサから出力された画像を用いて高さ測定できる演算制御部とを備えた電子レベルであって、前記演算制御部は、前記電子レベルを整準して、水平な光線を前記対物レンズに垂直に且つ前記対物レンズの中心に入射させたとき、前記水平な光線の前記画像センサへの入射点を水平基準画素として予め記憶しておくから、電子レベルを整準すれば自動水平補償装置を用いることなく、前記画像センサから出力された画像を用いて高さを測定できる。また、本発明の電子レベルは、デジタルカメラと既存の測量機の整準台及び水平回転機構を組み合わせるとともに、演算制御部に本発明に必要なソフトを書き込むだけであるから、安価で簡単に製造できる。さらに、デジタルカメラはオートフォーカス装置を備えているので、標尺を正確に視準してフォーカス合わせをする必要なく高さ測定ができ、しかも複数の測定点にそれぞれ設置された標尺を画像センサに捉えていれば、同時に複数の測定点での高さ測定を行うことができる。さらに、デジタルカメラがストロボを備えていれば、夜間で十分な照明が得られないときでも測定可能である。さらに、デジタルカメラは画像保存部を備えているので、測定時の標尺を含む画像を保存でき、測定値が信頼できないときには、後日保存した画像による再測定も可能である。

請求項２に係る発明によれば、さらに、前記演算制御部が、前記電子レベルを整準したとき、前記画像センサの水平面に対する傾斜角を記憶しており、前記傾斜角による誤差を補正して高さ測定ができるから、視準方向から離れた測定点に設置された標尺でも正確な高さ測定が可能である。

請求項３に係る発明によれば、さらに、演算制御部は、対物レンズの焦点距離を記憶しており、視準方向に対する測定点の水平角測定ができるから、測定点の位置が不明な場合でも、スタジア測量によって測定点までの距離を測定すると、複数の測定点相互の位置関係が同時に測定できて便利である。

請求項４に係る発明によれば、さらに、演算制御部は、対物レンズのディストーション補正及びパースペクティブ補正を行えるから、デジタルカメラから出力された画像は周縁部まで歪のない画像となって、いっそう広い範囲に配置された測定点に設置された標尺でも同時に正確な測定が可能になり、いっそう効率的な作業が可能になる。

請求項５に係る発明によれば、さらに、デジタルカメラが水平位置調整機構を介して前記水平回転機構上に設置され、対物レンズの中心が水平回転機構の回転中心上に調節できるから、電子レベルを水平回転させたとき、回転中心とレンズ中心が合致しているため、視差変化の無い画像を撮影することができる。これにより、複数の測定点に対して、正しく測定することが可能となって、従来行われている高低差を測る水準測量も可能となる。

請求項６に係る発明によれば、さらに、水平回転機構中には水平回転機構の水平回転角を測定するエンコーダを備えたから、電子レベルをどのように水平回転させても測定点の方位角が測定できて便利ある。特に高精度が要求されなければ、高さ測定だけでなく、スタジア測量によって測定点までの距離を測定すると、測定点の高さと距離から測定点の高度角も測定できる。

請求項７に係る発明によれば、さらに、画像保存部を備えたから、画像保存部の能力を大幅に強化することができて、測定に用いた画像を大量に保存でき、本発明の電子レベルの能力を大幅に高めることができる。

本発明の一実施例に係る電子レベルの概略図である。 前記電子レベルに備えられるデジタルカメラの概略図である。 前記電子レベルのデジタルカメラの水平位置調整機構について説明する図である。 前記デジタルカメラにおいて水平基準画素について説明する図である。 前記デジタルカメラの画像センサの傾斜角補正について説明する図である。 前記デジタルカメラの主点位置について説明する図である。 前記デジタルカメラのレンズ系の焦点距離を取得する方法について説明する図である。 前記デジタルカメラのレンズディストーション補正について説明する図である。 前記デジタルカメラのパースペクティブ補正について説明する図である。 前記デジタルカメラの測定手順を要約して説明するフローチャートである。 従来の電子レベルを説明する図である。

以下、図１〜図１０に基づいて、本発明の電子レベル５０の一実施例について説明する。この電子レベル５０は、図１示したように、整準台５２上に設置された水平回転機構５４と、水平回転機構５４上設置されたデジタルカメラ６０と、デジタルカメラ６０から出力された画像を用いて、高さ測定を行うとともにデジタルカメラ６０を制御するメインＣＰＵ（演算制御部）７０とを有する。デジタルカメラ６０は、水平位置を調整するための水平位置調整機構５６を介して水平回転機構５４上に設置される。水平位置調整機構５６（又は水平回転機構５４）上には、水平位置調整機構５６（又は水平回転機構５４）が水平か否かを検出するための気泡管７２が固定されている。

整準台５２と水平回転機構５４は、従来の測量機に使用されているものと同じであり、整準台５２の整準ねじ５３を調整することによって、水平回転機構５４を水平に調整できる。水平位置調整機構５６は、デジタルカメラ６０の水平面内での位置を調整するものである。水平回転機構５４には、メインＣＰＵ７０と、水平回転機構５４の水平回転角を測定するエンコーダ７４と、エンコーダ７４の水平回転角を表示する表示パネル７５とが備えられる。

デジタルカメラ６０は、図２に示したように、対物レンズ（レンズ系）６２と、画像センサ（ＣＣＤエリアセンサ）６４と、デジタルカメラ６０を制御するカメラ用ＣＰＵ６５と、デジタルカメラ６０で撮像した画像を保存する画像保存部（メモリ）６６と、周囲が暗いときに撮像する場合に手動又は自動で点灯させることができるストロボ６７と、外部と測定データや画像データや制御指令等を入出力する入出力端子６８とを備える。そして、デジタルカメラ６０は、対物レンズ６２の光軸（視準軸）が水平回転機構５４又は水平位置調整機構５６に平行になるように、水平位置調整機構５６上に設置される。デジタルカメラ６０内の画像保存部６６他に、水平回転部５４内にも増設画像保存部（メモリ）６６ｂを設ける。

デジタルカメラ６０の入出力端子６８は、メインＣＰＵ７０に接続される。エンコーダ７４と増設画像保存部６６ｂもメインＣＰＵ７０に接続される。

この電子レベル５０では、工場出荷時に次のような検査と調整が行われる。

まず、図３の（Ａ）に示したように、デジタルカメラ６０の対物レンズ６２の中心６２ｃと水平回転機構５４の回転中心５４ｃがずれている場合、図３の（Ｂ）に示したように、両者を正確に一致させる。これには、水平位置調整機構５６に備えられた図示しない調整ねじを回して、デジタルカメラ６０の水平回転機構５４上での水平位置を調整する。両者を一致させるのは、電子レベル５０を水平回転させたとき、取得画像に視差変化ができないようにするためである。

次に、水平基準画素を決定する。これには、図４の（Ａ）に示したように、水平に設置したコリメータ７６に対して、整準した電子レベル５０のデジタルカメラ６０の対物レンズ６２を正対させて、コリメータ７６からその光軸７６ａに沿って水平な光を対物レンズ６２に垂直で且つ対物レンズ６２の中心に向けて出射し、デジタルカメラ６０でコリメータ７６を撮像する。このとき、コリメータ７６の光軸７６ａを示す十字線が描かれているパターンが焦点面に位置されており、デジタルカメラ６０でコリメータ７６を捉えた画像は、図４の（Ｂ）のようになる。コリメータ７６付近を拡大すると、図４の（Ｃ）のようになる。このコリメータ７６は、焦点鏡の中心に正方形の孔７８が開けたマスクパターンを固定してあるので、正方形の孔７８の縁を検出することによって、コリメータ７６の光軸７６ａを検出し易くしている。メインＣＰＵ７０は、図４の（Ｃ）に示した画像を二値化して、正方形の孔７８の中心位置を求めて、この中心位置の画素を水平基準画素８０として記憶する。図４の（Ｄ）に示したように、水平基準画素８０の垂直軸方向座標は、高さ測定時に画像センサ６４で捉えた画像において、視準軸を含む水平面８０ａを決定するので、水平面８０ａ上の標尺の目盛を読むことによって高さ測定ができる。

また、図５の（Ａ）に示したように、電子レベル５０を正確に整準したとき、画像素子６４が水平面８０ａに対する傾斜角φを求める。メインＣＰＵ７０が傾斜角φを記憶していれば、図５の（Ｂ）に示したような測定時に取得した画像を前述した水平基準画素８０を中心に傾斜角φ分だけ回転すると、図５の（Ｃ）に示したような正しい水平面８０ａが得られる。この傾斜角φを検出するには、例えば、水平ラインレーザから出射されたレーザ光を正確に整準した電子レベル５０のデジタルカメラ６０で撮像することにより行う。画像センサ６４で捉えた画像を水平基準画素８０を中心に前述した傾斜角φだけ回転させると、正しい水平面８０ａが得られるので、水平基準画素８０から離れている標尺の目盛を読んでも正確な高さ測定ができる。

また、図６の（Ａ）に示したように、デジタルカメラ６０の対物レンズ６２の中心に垂直に入射した光線８２の画像センサ６４への入射位置（以下、主点という）８４を求める。図６の（Ｂ）は、画像センサ６４の平面図である。理想的には、対物レンズ６２の中心へ入射した光線８２は直進するのであるが、対物レンズ６２を通過すると光線８２は僅かながら屈折して、理想的な入射位置８４ａと主点８４とはずれる。この主点８４の位置は、後述するレンズディストーション補正に必要である。そこで、この電子レベル５０のメインＣＰＵ７０では、写真測量で用いるセルフキャリブレーション付バンドル法等によって、予めその主点８４を求めておき、測定時には画像センサ６４で捉えた画像にレンズディストーション補正を行う。

さらに、デジタルカメラ６０の対物レンズ６２の焦点距離ｆも予め求めて、メインＣＰＵ７０に記憶しておく。図７の（Ａ）に示したように、画像センサ６４において、主点８４と測定点８６に設置した撮像物体の結像点８６ａとの間の距離ｄが求まると、測定点８６と視準軸８８のなす水平角θは、θ＝ｔａｎ^−１（ｄ／ｆ）から求まる。このため、測定点８６と視準軸８８のなす水平角θを求めるために、正確な焦点距離ｆが必要なのである。主点８４と結像点８６ａとの距離ｄは、図７の（Ｂ）に示した画像センサ６４において、主点８４と結像点８６ａとの間の画素数と画素ピッチ（１画素の大きさ）から求まる。焦点距離ｆを求めるには、図７（Ａ）において、測定点８０に前述したコリメータ７６を水平に設置して、コリメータ７６がデジタルカメラ６０の視野内にある範囲で電子レベル５０を水平回転させる。このときに、電子レベル５０に内蔵されたエンコーダ７４で検出した水平回転角θと、画像センサ６４上におけるコリメータ７６の十字線の中心（正方形の窓７８の重心）の結像点８６ａの移動距離ｄとから、ｆ＝ｄ／ｔａｎθで焦点距離ｆが求まる。

ところで、レンズにはディストーションと呼ぶ収差があるため、図８の（Ａ）に示したように、デジタルカメラ６０で撮像した画像９０の周縁部９０ａ（特に４隅）は歪んでいる。この歪は、対物レンズ６２に広角レンズを用いると特に目立つようになる。そこで、画像９０の周縁部９０ａ付近を正しく補正するために、レンズディストーション補正が必要になる。このため、レンズディストーション補正に必要なディストーションパラメータを求めて、これをメインＣＰＵ７０に記憶しておく。レンズディストーション補正を行うと、図８の（Ｂ）に示したように画像９０の周縁部９０ａ付近の歪を補正することができる。レンズディストーション補正は、写真測量等において普通に行われているので、詳細な説明は省略する。ディストーションパラータを求める方法やレンズディストーション補正については、写真測量で用いるセルフキャリブレーション付バンドル法等の専用のアプリケーションを利用する。

以上の検査と調整は、工場出荷前に行っておく必要がある。実際の測定時には、次のような補正が必要である。

まず、前述したレンズディストーション補正を行う。さらに、パースペクティブ補正も行う。パースペクティブとは、図９の（Ａ）に示したように、被写体（正方形）ＯＡＡ’Ｏ’（実線）とカメラが正対している時は、図９の（Ｂ）にＯＡＡ’Ｏ’と示したように正しく写されるが、被写体ＯＡＡ’Ｏ’（破線）とカメラが正対していないときは、図９の（Ｂ）にＯＡＡ”Ｏ’と示したようにパースペクティブという遠近歪を生じることをいう。この歪を補正することをパースペクティブ補正という。パースペクティブ補正は、画像変換手法においてよく知られたことなので、詳細な説明は省略する。

こうして、レンズディストーション補正及びパースペクティブ補正を行った画像が得られると、前述した水平基準画素８０を中心に傾斜角φだけ回転させると、視準方向を含む水平面８０ａが決定でき、画像に写っている全ての標尺の目盛を読んで高さ測定ができる。また、各標尺の設置された測定点と視準方向のなす水平角も画像から測定できる。

本実施例の電子レベル５０のメインＣＰＵ７０が行う処理手順を要約すると、図１０に示したようになる。工場出荷前に、補正パラメータ（主点位置、焦点距離、水平基準画素、水平面との傾斜角、ディストーションパラータ）を取得し（ステップＳ１）、補正パラメータをメインＣＰＵ７０に記憶する（ステップＳ２）。測定時にはメインＣＰＵ７０は、デジタルカメラ６０で標尺を捕らえた画像を取得し（ステップＳ３）、取得した画像を記憶している補正パラメータ等を用いて補正し（ステップＳ４）、補正した画像を用いて測定を行い、測定値を出力する（ステップＳ５）。

ところで、本発明は前記実施例に限るわけではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、前述した調整、補正パラメータの取得、画像の補正の全て行う必要はなく、以下に述べるように、それらを部分的に採用することも可能である。

（１）最も簡易な電子レベル５０としては、メインＣＰＵ７０及び増設画像保存部６６ｂを省略して、カメラ用ＣＰＵ６５にメインＣＰＵ７０の仕事を行わせることにし、カメラ用ＣＰＵ６５に水平基準画素８０を記憶させておくだけでもよい。これでも、電子レベル５０を整準すれば、視準点が水平基準画素８０上になるので、自動水平補償装置を用いることなく、デジタルカメラ６０から出力された画像を用いて視準点付近に位置する標尺について正確な測定が可能である。また、この電子レベル５０は、デジタルカメラ６０と既存の測量機の整準台５２及び水平回転機構５４を組み合わせるとともに、カメラ用ＣＰＵ６５に必要なソフトを書き込むだけで、安価で簡単に製造できる。さらに、デジタルカメラ６０はオートフォーカス装置を備えているので、標尺を正確に視準してフォーカス合わせをする必要なく高さ測定ができ、しかも複数の測定点にそれぞれ設置された標尺をデジタルカメラの画像センサに捉えていれば、同時に複数の測定点での高さ測定を行うことができる。さらに、デジタルカメラ６０はストロボ６７を備えているので、夜間で十分な照明が得られないときでも測定可能である。さらに、デジタルカメラ６０は画像保存部６６を備えているので、測定時の標尺を含む画像を保存でき、測定値が信頼できないときには、測定現場に戻らなくても保存した画像による再測定も可能である。

（２）次に簡易な電子レベル５０としては、さらにカメラ用ＣＰＵ６５が画像センサ６４の水平面８０ａに対する傾斜角φを記憶すればよい。これで、正確な水平面８０ａが求まるので、広い範囲に設置された複数の標尺に対して、同時に正確な測定が可能となる。

（３）さらに、電子レベル５０としては、カメラ用ＣＰＵ６５が対物レンズ６２の正確な焦点距離ｆを記憶すればよい。これで、各標尺の設置された測定点と視準方向のなす水平角も、画像センサ６４から出力された画像から測定でき、各測定点の位置関係も同時に測定できる。

（４）さらに、電子レベル５０としては、カメラ用ＣＰＵ６５がレンズディストーション補正及びパースペクティブ補正を行うようにしてもよい。これで、デジタルカメラ６０から出力された画像では周縁部の歪が無くなり、いっそう広い範囲に設置された複数の標尺に対して、同時に正確な測定が可能となるとともに、各測定点の位置関係も正確に測定できる。

（５）さらに、電子レベル５０としては、デジタルカメラ６０の対物レンズ６２の中心を正確に水平回転機構５４の回転中心上に調整できるようにする水平位置調整機構５６を設けてもよい。これで、電子レベル５０を水平回転させたとき、視差変化の無い画像を撮影することができる。これにより、複数の測定点に対して、正しく測定することが可能となって、従来行われている高低差を測る水準測量も可能となる。

（６）さらに、電子レベル５０としては、水平回転機構５４の水平回転角を測定するエンコーダ７４を備えてもよい。これで、電子レベル５０をどのように水平回転させても、基準方向からの測定点の方位角を測定できて便利である。特に高精度が要求されなければ、スタジア測量によって測定点までの距離を測定することができ、さらに測定点の高さ測定を行うと、測定点の高度角も測定でき、トータルステーションの代役もできる。

（７）さらに、電子レベル５０としては、水平回転機構５４中にメインＣＰＵ７０及び増設画像保存部６６ｂを設置してもよい。これで、前述した実施例になる。これで、演算制御部及び画像保存部の能力を大幅に強化することができ、ディストーション補正やパースペクティブ補正等の演算を高速に行うことができ、しかも測定に用いた画像を大量に保存できて、本発明の電子レベルの能力を大幅に高めることができる。

５０ 電子レベル
５２ 整準台
５４ 水平回転機構
５６ 水平位置調整機構
６０ デジタルカメラ
６２ 対物レンズ
６４ 画像センサ
６５ カメラ用ＣＰＵ（演算制御部）
６６、６６ｂ 画像保存部
６７ ストロボ
７０ メインＣＰＵ（演算制御部）
７４ エンコーダ
７５ エンコーダの表示パネル
８０ 水平基準画素
φ 画像センサの水平面に対する傾斜角
ｆ 対物レンズの焦点距離

Claims (7)

1. 整準台と、該整準台上に設置された水平回転機構と、該水平回転機構上に設置されたデジタルカメラと、該デジタルカメラから出力された画像を用いて高さ測定できる演算制御部とを備えた電子レベルであって、
   前記演算制御部は、前記電子レベルを整準して、水平な光線を前記デジタルカメラの対物レンズに垂直に且つ前記対物レンズの中心に入射させたとき、前記水平な光線の前記デジタルカメラの画像センサへの入射点を水平基準画素として予め記憶しておくことを特徴とする電子レベル。
2. 前記演算制御部は、前記電子レベルを整準したとき、前記画像センサの水平面に対する傾斜角を予め記憶しており、前記傾斜角による誤差を補正して高さ測定できることを特徴とする請求項１に記載の電子レベル。
3. 前記演算制御部は、前記対物レンズの焦点距離を予め記憶しており、視準方向に対する測定点の水平角測定できることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子レベル。
4. 前記演算制御部は、レンズディストーション補正及びパースペクティブ補正を行えることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の電子レベル。
5. 前記デジタルカメラが水平位置調整機構を介して前記水平回転機構上に設置され、前記対物レンズの中心が前記水平回転機構の回転中心上に調節できることを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の電子レベル。
6. 前記水平回転機構に該水平回転機構の水平回転角を測定するエンコーダと、該エンコーダの水平回転角を表示する表示パネルとを備えることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の電子レベル。
7. 画像保存部を備えたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６に記載の電子レベル。

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