低コストと高精度を両立した全方向空間計測システムの開発田嶋勝一大分大学工学部技術部 [email protected] 1．はじめに学術研究や産業利用に用いる測量用三次元レーザースキャナーは広範囲・高精度の計測を可能とするが機材コストが高く手軽に導入することは難しい。また、多機能で有るため取り扱いに関しても専門的な知識を必要とする。本研究では、半径 10m 以下の室内空間に限定した 360 度全方向の自動計測システムの開発を目標とする。機材には安価な web カメラとノートパソコン、簡単な回転装置を利用し画像処理技術を用いて三次元レーザースキャナーと同程度の測定精度を目指す。今回は開発途中であるが経過を報告する。２．開発環境と装置概要パソコン ASUS X202E i3 1.8GHz 4GB（図１） (WEBカメラ２台、USBシリアルアダプター１台接続で問題なく稼働) WEBカメラ Microsoft LifeCamStudio(FullHD仕様 ) OS:Windows7 Professional Sp1 64Bit 開発言語:Microsoft Visual Studio(C++) Ver2008 Ver2010 使用ツール:OpenCV Ver1.1Pre+Ver2.2 VideoInput0.1995(画像入力) 図 1 測定機器一式 ERSLIB1.8(RS-232C制御)、EWCLIB 2.1(カメラパラメーター制御)、 Point Cloud Library1.5.1(64Bit可視化ツール) 安定化電源 Kenwood PR18-1.2A(モーター用電源) カメラ回転装置（図２）パソコンよりRS232C制御により設定秒数間モーターを動かし、回転軸に設置した50mmウォームギヤを駆動してカメラを回転する、カメラ固定法については僅かな位置のずれにより誤差が拡大するため伸び縮みの少ない布絶縁テープを使用し支柱への固定にはリベット接合を用いた。カメラ間距離により測定範囲が違うためカメラ支柱部分とその下の円柱部分は容易に交換可能とした。３．ソフトウェア概要と処理の流れ開発している計測ソフトウェアの概要を説明する。図２カメラ回転装置各ソフトウェアはアップデートを行い易くするため処理過程ごとに独立している、処理手順に沿って以下のとおりである。 ①カメラパラメーターの取得チェスボードを用いたステレオカメラキャリブレーションによりパラメーターを求める（回転ベクトル、平行移動ベクトル、カメラ行列、歪み係数等） ②ステレオカメラによる測定データ収集カメラ回転装置 (図２ )を一定角度ごと回転させ撮影を行う、試作機では５秒間 - 49 - の通電で約 6.6°回転しそれを 54 回繰返し一周分のデータを収集する。カメラのオートフォーカス等の自動設定を利用すると測定距離、照明、反射物など撮影場所の状況により得られるデータに差が出るため、本システムでは事前に自動で予備測定を行いパラメータを固定する機能を付加した。 ③画像の補正、対応点探索、視差計算、ワールド座標系へ変換 ①のパラメーターを用いて②で撮影した左右の画像データへ歪み補正、ステレオ平行化変換を行い比較画像を作成する、その画像を基にステレオ対応点探索により視差を計算する、今回は SGBM（セミグローバルブロックマッチング）アルゴリズムを利用し図３のような視差データを得た、各点の視差データ（対応点のピクセル差）よりワールド座標系へ変換する、これで一つの測定方向の３次元点群データが算出される、一図３元データと視差マップつの測定場所では１周分５４個の点群データが出力される。 ④点群データの位置合わせ全方向の点群データの可視化を行う場合、回転して撮影しているので各測定方向の角度を求めて座標変換を行う必要がある。装置は角度調整の出来ないギヤ－ドモーターを使用しているので撮影したデータを基に画像処理により回転角度を求める。図４のように連続する２枚の画像データの特徴点を求め、一致する特徴点の座標差を求めその平均を算出し画像データ間の移動量を求める。すべての座標差の合計を 360°で割り 1°あたりのピクセル数を求め、それを逆算して個別の回転角度を求める。図４ ○部分の中心が特徴点４．今後の予定図５は１周分の点群データを PCL を使って可視化したものであるがノイズが多く、また張り合わせ位置のずれなども見られ課題は山積している。対応策として「 ICP アルゴリズムを使用した高精度な位置合わせ手法の導入」、「対応点探索精度を向上させる為、最新の論文を基にプログラムの再構築」、「最適なカメラ間距離と複数カメラによる精度向上の検討」、「複数の測定場所のデータを合成することによる測定密度の向上」が考えられる。図５全方向点群データの可視化参考文献 1）詳細 OPENCV コンピュータビジョンライブラリを使った画像処理・認識 2）ディジタル画像処理 CG-ARTS 協会 - 50 - OREILLY