JP2000509150A - 三次元目的物をイメージ化しかつモデル化するための統合装置 - Google Patents

三次元目的物をイメージ化しかつモデル化するための統合装置

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Abstract

(57)【要約】 三次元対象のモデルを生成する統合装置である。走査レーザー装置はその三次元対象を走査してポイントクラウドを生成する。そのポイントクラウドの各部分は対象の表面上の対応する点の位置を示す。第1のモデルが発生され、それは点クラウドに応答し、対象の構成的幾何学的図形を表す第1のモデルを生成する。データファイルが発生され、それは第1のモデルに応答し、CADシステムに入力することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 三次元目的物をイメージ化しかつモデル化するための統合装置 技術分野 本願発明は、概略、三次元における対象の幾何学的図形及びその他の特性を示 す装置に関し、特に、走査ライダー(距離認定レーザー)を利用して、対象の表 面上の選択された点の三次元空間内の位置を迅速かつ正確に検知し、それによっ て、選択された点の検知された位置を表すポイントの集団(又は点暗影、ポイン トクラウド)を生成する装置に関し、その装置はその点暗影内の点のグループに よって表された幾何学的形状を認識し、それらの幾何学的形状を表すモデルを生 成する。そのモデルはコンピュータ援用設計(CAD)ツール(従来のCADツ ールを含む)によって用いることのできる別のモデルに変換することができる。 背景 複雑な現実の物体(小さな機械的部品のような小さな構成要素か建物や用地の ような大きな対象)の幾何図形(形状、寸法及び配置)及び他の特性(例えば、 色彩、質感及び反射強度)を測量することは、従来から単調なことで、時間がか かる方法であった。つまり、そのような測定は伝統的に手で行われていた。さら に、それらの測定を図面又はコンピュータモデルに変換することは、手による製 図又は図面若しくはコンピュータモデルの製作のためのCAD装置への入力が必 要であった。 最近、その工程を簡略化するために技術革新が努力されている。しかし、全て 、完全な統合、自動化、正確性、速度及び距離を達成するには足りない。例えば 、建設業界では、構造の測量は従来から3つの基本的なステップが必要である。 つまり、 1.現場データの収集 2.データの縮小及び準備 3.製図及びCAD 現場データ収集のステップは、壁、天井、梁、柱、扉、窓、取付け具、パイプ 、導管及び器具のような構造物の適切な構成要素の寸法を手で測定かつ記録する 測量士のチームによって実行されている。測量士は、その構成要素の幾何図形の みならずその構造内のその構成要素の相対位置を決定しようとする。測量士は現 場でデータをノートブックに記録する。現場で収集されたデータはまとめられて 、テーブル及びまとめられたスケッチに変形され、CADオペレータ又はドラフ ターはそれらのテーブルを用いて最終的な図面又はモデルを作る。 そのプロセスは、かなり苦労し、時間を消費し、さらに誤差を生じ易い。加え て、従来からの測量方法を用いると、実際に測定することのできる点の数は非常 にかぎられている。それは、時間及び労働で表される各点を捕捉する高いコスト のためである。さらに、色彩、質感及び他の特性の情報の取得が望まれているの であれば、さらに現場でノードをとらなければならない(例えば、さらに写真及 びビデオ)。最近現場での作業は電子セオドライトに取り付けられたレーザー距 離測定装置を用いることによって幾分か自動化された。正確な反射目標(逆反射 )が、測定が望まれている対象の位置に配置されている。次に、レーザー距離測 定装置がその器具と目標との間の正確な測定を得る。セオドライトは、所定の座 標系に対する点までの水平及び垂直の角度のオフセットの正確な指示を提供する 。その距離及び角度のデータは、その器具に接続された磁気装置に自動的に記録 されるか、又はその器具内部でその器具の軸線に対するデカルト座標に変換され る。その手続は、次に、対象の所望の数の点をマップ化するのに必要な数だけ繰 り返される。その収集された座標データは、CAD装置に直接にプロットするこ とができる。 残念ながら、そのプロットは対象の幾何図形を表示しないので、ほとんど実用 的ではない。さらに、手で配置しなければならない逆反射器を必要し、さらに、 レーザー距離測定器が必要とする読み込みごとに比較的長い時間がかかるので、 最大量の対象を説明するために十分な点を集めることは非常に労力が要り、時間 がかかり、さらに誤差が生じ易い。 他の公知の現場でのデータ収集のプロセスは、立体写真法及び連続の写真測量 法を用いる。つまり、対象の立体的に見える画像が得られ、最終的な立体写真は 、 手走査で又はコンピュータ化された技術を用いて記録されて、各々の写真が得ら れた時のカメラの写真の平面位置の相対的位置が再生される。そのデータの削減 及び準備段階は特別に教育されたオペレータによってて走査で実行される。特に 、特別に取り付けた立体視野レンズを援用する場合には、オペレータは十分な数 の点の座標をデジタル化し、それにより、立体写真法を用いて対象を明確にする ことができる。また、そのデジタル化されたデータはCAD装置に入力されるか 、又は、手で紙の上に描かれる。 概要 本願発明は、三次元シーンのモデルを生成する統合装置である。走査レーザー 装置が、三次元シーンを走査して点暗影を生成する。その点暗影の点の各々は表 面上の対応する点の位置を表す。第1モデルが生成され、それは、点暗影に応答 してシーンの構成要素の幾何学的形状を表す。データファイルが生成され、それ は、第1のモデルに応答し、計算機援用設計(CAD)装置に入力することがで きる。 本願発明は、さらに、レーザー出力の走査を要求する装置で使用するために、 レーザーからの出力パルスのタイミングを制御する方法であって、各出力パルス がポンプパルスに応答して生成される方法において、パルスの開始と関連する出 力パルスの次の発生との間の時間遅延を監視する工程と、監視された時間遅延に 基づいて、次のポンプパルスの発生と関連する出力パルスとの間の時間遅延を予 測する工程と、ビームの走査の間のレーザー出力の適切な配置ができる時間に前 記出力パルスが生成されることを保証するように選択された時間で次のポンプパ ルスを開始する工程とを含む方法を含む。 本願発明は、さらに、シーン内で三次元特徴を表す複数の点暗影から、シーン 内の所望の特徴を表す点の下位集団をマニュアルで分離する方法において、所望 の特徴を表す少なくともいくつかのデータ点を含むすべての点暗影を選択する工 程と、暗影のビューを変更し、多角形の投げ縄を描いて、選択された下位集団の 点をより精密にして、点の下位の暗影に含まれるようにする工程とを含む方法を 含む。 本願発明は、さらに、シーンの走査フィールドを、シーン内の異なる表面を表 す下位集合の点に自動的に分割する方法であって、走査フィールドを、シーン内 の表面の走査点に関する深さ情報を含む深さグリッドと、表面の走査点への法線 の予測を含む垂直グリッドとに分離する工程と、深さグリッドの深さ情報を巻き 込んで深さ比率画像を生成し、画像の値がシーン内での一つの走査点から他の走 査点深さの変化の傾きを表す工程と、垂直グリッドの構成要素を巻き込んで垂直 グリッドの各点ごとの各構成要素に関してスカラー値を生成する工程と、垂直グ リッドの各点ごとに、特定の点の構成要素に関するスカラー値からその点におけ る法線の傾斜を決定し、垂直グリッドの点に関して決定された傾斜は垂直比率の 画像を集団的に構成する工程と、深さ比率画像を帰納的しきい値方法を用いて二 値の深さ画像に変換する工程と、垂直比率画像を帰納的しきい値方法を用いて二 値の垂直画像に変換する工程と、二値の深さ画像と前記二値の垂直画像とを組合 せて単一の端部画像を決定する工程と、シーンの対応する表面になじむように端 部でない点の下位の集団をグループ化する工程とを含む方法を含む方法を含む。 その方法は、さらに、最初に各グループの点を最善のものとする幾何原図の種 類を決定する工程と、幾何原図を前記データ点に適合させる工程と、シーンの隣 り合う平面領域を交差する工程を含む。 本願発明は、さらに、コーナーを表す点暗影を正しい位置に当てはめる方法で あって、点暗影の点への3つの平面の適合を決定し、モデルのために平面を作る 工程と、対の平面のの交点にある3つのラインを決定し、モデルのためのライン を作る工程と、3つの面の交点の頂点を決定し、モデルのための頂点を作る工程 とを含む方法を含む。 本願発明は、三次元シーンをモデル化する方法において、各点がシーンの表面 上の点を表す複数の点を生成する工程と、表面法線予測及びグローバル誤差最少 化法を用いて一群の点に対する円筒の最善の適合を決定する工程とを含む方法を 含む。 本願発明は、三次元のシーンをモデル化する方法であって、各点がシーンの表 面上の点を表す複数の点を生成する工程と、二次曲面及びグローバル誤差最少化 法を用いて一群の点に対する円筒の最善の適合を決定する工程とを含む方法を含 む。 本願発明は、三次元のシーンをモデル化する方法であって、各点がシーンの表 面上の点を表す複数の点を生成する工程と、二次曲面及びグローバル誤差最少化 を用いて一群の点に対する球面の最善の適合を決定する工程とを含む方法を含む 。 本願発明は、三次元のシーンをモデル化する方法であって、各点がシーンの表 面上の点を表す複数の点を生成する工程と、一群の点に対する二次曲面の最善の 適合を決定する工程と、二次曲面の最善の適合によって描かれる複数のファミリ ーのどの幾何原図が前記一群の点と適合するのかを決定する工程とを含む方法を 含む。 本願発明は、さらに、同一の種類の2つの幾何原図を併合してその種類の単一 の幾何原図を形成する方法であって、2つの原図の各々を最初に適合するために 用いた点を組合せることによって新たなグループの点を作る工程と、適当な適合 方法及び元の図の各々からの点を持つ新たに生成された点のグループを用いて新 たな幾何原図を適合する工程とを含む方法を含む。 本願発明は、さらに、複数の点及び幾何原図からなるとともに第1座標系を持 つ第1のモデルと、複数の点及び幾何原図からなるとともに第2座標系を持つ第 2のモデルとを記録する方法であって、第1及び第2のシーンの共通する特徴を ユーザーが特定する工程と、特定に応答し、座標系の間の変換を特定する工程と 、第2のモデルの対象を変換してそれらが前記第1の座標系を用いるようにする 工程とを備える方法を含む。 本願発明は、さらに、複数の点暗影及び幾何原図によって表された1又は2以 上のモデルを選択する工程と、多数の点又は幾何原図の位置上の制約を特定する 工程と、各ビューの点及び幾何原図を取り囲む人為的な値を作り、機械的な材両 特性を前記取り囲む値に割り当てる工程と、取り囲む値内の材料に関し最少のエ ネルギー構成を計算する工程であって、点又は幾何原図が埋め込まれていて前記 構成がすべて適用された制約を満たす工程と、材料の前記囲む値の最少のエネル ギー構成にしたがって前記点及び原図を置き換える工程とを含むワープ方法を含 む。後者の方法においては、構成は閉鎖誤差を取り除くように特定されている。 本願発明は、さらに、三次元シーンのモデルを発生する統合装置であって、パ ルスレーザーを用いて三次元のシーンを走査する走査レーザー装置であって、光 パルスが各パルス内で0.2μJまでを持ち1ナノセコンドより短く持続し、3 0psec又はそれ未満の解像度で、各出力パルスとシーンの表面から戻る対応する パルスとの間の時間遅延を測定し、該走査レーザー装置がさらに走査の間にビー ムの角度的方位を追跡して測定する走査レーザー装置と、測定された時間遅延と 角度測定値に基づいて点暗影を生成し、該点暗影が、各々が前記表面上の対応す る点の位置を表す複数の点からなる手段とを備える装置を含む。 本願発明は、さらに、レーザーから出力されたパルスのフライト時間の監視を 要求する装置内で測定電子機器の較正を行う装置であって、一方の端部が前記レ ーザーの出力パルスを受け取り、既知の長さを持つシングルモードの光ファイバ ーと、パルスが前記ファイバーを出る時を監視するファイバーの一方の端部に配 置された検出器であって、それに応答して信号を発生し、該信号が前記測定電子 機器を通過するような検出器と、ファイバーを出るパルスの検出に基づいて前記 ファイバーの理諭的長さを計算し、その計算された長さを前記ファイバーの既知 の長さと比較して前記測定電子機器を較正するプロセッサとを備える装置を含む 。 光ファイバーはその各端部に部分反射器を備え、ファイバーに入る各レーザー パルスごとにパルス列が前記ファイバーを出、パルス列は測定電子機器をさらに 較正するために用いられる。 その装置はさらに遅延測定電子回路を備えており、パルス列はそれらの間に一 定の遅延を持ち、それによって、パルス列の監視は遅延電子回路を較正するため に用いることができる。 その装置はさらに検出器によって監視されるパルスのパワーを変える手段を備 えており、検出器は、検出された光のパワーが既定のしきい値を越えると信号を 生成するように機能し、プロセッサは、出力パルスのパワーの関数として、検出 器によって出力された信号の発生の遅延の変化を追跡するように機能し、プロセ ッサは、さらに、フライトの時間を監視するために用いられる連続パルスの測定 パワーに基づいて前記遅延の測定を較正するように機能する。 本願発明は、さらに、三次元の対象の表面点についての位置情報を得る装置で あって、出力ビームを発生するレーザーと、対象の上を前記レーザービームを移 動させる走査装置と、レーザービームの反射の測定に基づいて対象までの距離を 自動的に測定する監視装置であって、レーザーミームの角度的位置も追跡及び測 定し、さらに、最大100メートルの範囲にわたる1つの標準的な偏差における 6ミリメートルと等しいかそれより良いような三次元空間内の各点ごとの位置の 精度を持つ監視装置とを備える装置を含む。 各距離測定は0.005秒下で行うことができる。レーザーはパルス出力を生 成し、パルスごとのエネルギーは0.2マイクロジュールより小さく、さらに、 レーザーの平均出力パワーはわずかに1.0ミリワットである。 本願発明は、さらに、対象までの距離を測定する装置であって、出力パルスの レーザーを生成するレーザーと、レーザービームの反射に基づいて対象までの距 離を測定する監視装置であって、最大100メートルのその全体の範囲にわたる 1つの標準的な偏差における6ミリメートルと等しいかそれより良い精度を持ち 、各測定は0.005秒より短い時間で行うことができ、さらに、前記レーザー は0.2マイクロジュールだけのパルスごとのエネルギーと1ミリワットだけの 平均出力とを持つ装置を含む。その対象は逆反射体を持ち、作動の範囲は最大1 マイルである。 本願発明は、さらに、遠隔の対象から三次元情報を捕捉する装置において、対 象の位置情報を測定するための走査レーザーモジュールと、対象からの画像情報 を捕捉するビデオモジュールと、位置情報及び前記画像情報を含む対象のモデル を与えるプロセッサとを備える装置を含む。 ビデオ画像情報は、位置情報の測定と空間的に同時に収集される。ビデオ画像 情報は、位置情報が得られる点に隣接する点から収集される。 本願発明は、さらに、三次元対象の表面の点に関する位置情報を得る装置であ って、対象についての三次元位置情報を測定する走査モジュールと、対象から画 像情報を捕捉及び表示するビデオモジュールと、走査及びビデオモジュールによ って作動し、ビデオモジュールによって捕捉された画像情報を用いて、目標追跡 の際に、走査モジュールを援助することができるようになるプロセッサとを備え る装置を含む。プロセッサは、目標とされる領域のビデオ画像の上のアウトライ ンの画像をドラッグすることによって、走査モジュールによって目標追跡される 対象の一部を特定するように機能する。 本願発明は、さらに、三次元対象の表面の点に関する位置情報を得る装置であ って、対象に関する三次元の位置情報を測定する走査モジュールと、走査モジュ ールから得られた画像情報を表示するビデオモジュールと、走査及びビデオモジ ュールによって作動し、ビデオモジュールによって表示された画像情報を用いて 、走査モジュールの目標追跡をより詳細に行えるようにするプロセッサとを備え る装置を含む。 本願発明は、さらに、三次元対象の表面の点に関する位置情報を得る装置であ って、対象に関する三次元の位置情報を測定し、また、可視放射線のビームを出 力するレーザーを備える走査モジュールと、走査モジュールを制御するプロセッ サであって、レーザービームはマニュアルによって配置することができ、それに より、可視ビームが該プロセッサからの制御信号に応答して走査すべき対象の一 部を目標とするプロセッサとを備える装置を含む。 対象までの距離を測定するために用いられるレーザーによって生成された光ビ ームにおける周波数の変化を監視することを要求する装置において測定電子機器 を較正する装置であって、レーザーから光を受け取るように配置された一方の端 部を持つシングルモードの光ファイバと、ファイバーを通過して移動するととも にそれから出る光を、前記ファイバーを通って移動しない前記レーザーからの光 を組合せて受け取るように配置された検出器と、検出器によって測定された周波 数の変化の均一性に基づいてビーム上の線形性を決定し、さらに、結果を用いて 前記測定電子機器を較正するプロセッサとを備える装置を含む。 ファイバーは既知の長さを持ち、又、ファイバーは一方の端部に部分反射器を 持ち、他方の端部には少なくとも部分反射器を持ち、ファイバー内を移動しなか ったファイバーの一方の端部から反射された光が検出器によって測定され、プロ セッサは、検出器によって測定された周波数変化に基づいてファイバーの理論的 長さを計算するように機能し、さらに、その計算された長さをファイバーの既知 の長さと比較して測定電子機器を較正する。 図面の簡単な説明 図1は、本願発明の一実施例に係る装置のブロック図である。 図1Aは、目的物を走査し、捕捉点を組織化し、幾何学的形状をその組織化さ れた点に適合させ、その適合された幾何学的形状を操作し、さらに、最終的な操 作済みの幾何学的形状を表示するために、本願発明の一実施例をどのように使用 するのかを示す全体的な流れを示す。 図2は、図1の装置のより詳細なブロック図である。 図3及び図3Aは、図1の装置のFDVの地形的配置を示すとともに、そのF DVがフォーク取付台にどのように接続されているかを示す。 図4は、図1の装置のFDVに関する座標の例を示す。 図5は、本願発明に係るFDVの一実施例のブロック図である。 図6は、図5のFDVの光トランシーバのブロック図である。 図6Aは、図6に示すスキャナの二重ミラーの構成を示す。 図7はレーザーの一実施例を示すブロック図である。 図7Aは、図6に示すビーム伸長器の一実施例のブロック図である。 図8は、送受切換器の一実施例を示す。 図8Aは、部分反射の送受切換器を示す。 図9は、図8の送受切換器のウインドウの一実施例を示す。 図10は、FDVのDSPによって実行される演算を示すフローチャートであ る。 図11A及び図11Bは、それぞれ、一方向走査パターン及び双方向走査パタ ーンを示す。 図12は、FDVプロセッサの一実施例のブロック図である。 図13は、FDVミラーの所望の一を決定するための回路例のブロック図であ る。 図14は、図12に示すタイミング回路の信号の条件付け及びエネルギー統合 回路例のブロック図である。 図15は、図1の装置の詳細なブロック図である。 図16は、CGPを操作するために用いられる2つのウインドウを示す。 図17は、目標ボックス及び点暗影を示す。 図18は、馬の彫刻からの点暗影を示す。 図19は、レーザー反射強度を用いて色割当てされた図18の点暗影を示す。 図20は、コーナーの特徴からの点暗影を示す。 図21は、図20の点暗影とマニュアル分割のために用いられる多角形の投げ 縄とを示す。 図22は、4つのサブグループ、面の表面上の3つのサブグループ及び面の一 部ではないエッジ点のサブグループに分割された図20の点暗影を示す。 図23は、三角形状メッシュのように描かれた図20の点暗影を示す。 図24は、面が暗影点のグループに適合する、図20のコーナー特徴を示す。 図25は、シリンダーの表面からの点暗影を示す。 図26は、図25に示された点に適合したシリンダーの原線を示す。 図27は、配管装置の表面からの点暗影を示す。 図28は、図27に示す点に適合したシリンダー原線を示す。 図29は、パイプを延長し、曲がり部を加えた後の完成した配管モデルを示す 。 図30は、コーナー適合、3面、3線及び頂点を与えた結果を示す。 図31は、ある場面におけるシリンダー原線を示す。 図32は、隣り合う目的物と一致するために延長された図31からのシリンダ ーを示す。 図33は、様々な目的物からの表面からの点暗影を示す。 図34は、図33に示す点に適合した原線を含むモデルを示す。 図35は、周波数調整可能なレーザーの構成を示す。 図36は、従来のFMチャープライダー(chirp lidar)のブロック図を示す 。 図37は、自己較正のFMチャープライダーのブロック図を示す。 図38は、大及び小のパルスが既定のしきい値と交差する時点の相対的タイミ ングを示す。 図39は、パルスエネルギーを測定するための一つの回路を示す。 図40は、パルスエネルギーを測定するための他のの回路を示す。 詳細な説明 A 概観 1.装置の全体 図1は、本願発明の最も広い観点からの本願発明を示すブロック図である。図 1を参照すると、視野デジタル映像(FDV)モジュール10が、目的物20を 走査し、その目的物20の表面上の選択された点の三次元空間における位置を検 知するための走査センサを備える。FDVモジュール10は、選択された点の検 知された位置を表す点暗影30を生成する。点暗影30は、反射率、表面の色及 び質感のような検知された点の他の特徴も表す。 コンピュータグラフィクス認識(CGP)モジュール40は、FDVと相互に 作用し合つて、FDVモジュール10のセンサのために制御及び目標捕捉機能を 提供する。さらに、その点暗影を用いると、CGPモジュール40は、点暗影3 0内の点の集まりによって表された幾何学的形状を認識し、CGPモジュールは 、それらの幾何学的形状を表すCGPモデル42を生成する。CGPモデル42 から、CGPモジュール40が、電算機援用設計(CAD)ツール50によって 用いることのできる別のモデルを生成する。そのCADツールは従来のものでよ い。 図1Aは、目的物を走査し、捕捉点を組織化し、幾何学的形状をその組織化さ れた点に適合させ、その適合された幾何学的形状を操作し、さらに、最終的な操 作済みの幾何学的形状を表示するために、本願発明の一実施例をどのように使用 するのかを示す全体的な流れを示す。 2.FDVモジュールの全体 図2を参照すると、FDV10が走査レーザー装置(ライダー)210を備え ており、そのライダーは目的物20の点を走査し、さらに、各走査点の三次元空 間における位置を正確に表すライダーデータ信号を発生する。走査点のまとまり に対するライダーデータ信号は、集合的に点暗影30を構成する。加えて、望ま しくは広角及び狭角の両方のCCDカメラを備えるビデオ装置220が提供され る。ビデオ装置220の広角CCDカメラは、目的物20のビデオ画像を捕捉し 、 FDV10の制御/インタフェースモジュール230を経由してCGP40に、 その捕捉ビデオ画像を表す信号を提供する。 その捕捉ビデオ画像を表す信号に関するユーザーの入力に応答して、CGP4 0は、制御/インタフェースモジュール230を経由して、ライダー210に走 査制御信号を提供して、目的物20の表面上のどの点をライダー210が走査す るのかを制御する。特に、CGP40から提供された走査制御信号は、ライダー 210のレーザービームの操縦を行うために、正確かつ反復可能なビーム操縦機 構を制御する。 さらに、ビデオ装置220の狭角CCDカメラは、質感及び色彩情報を捕捉し 、その捕捉した情報をCGP40に提供する。 3.CGPモジュールの概観 さらに、図2を参照すると、CGP40は、データ処理装置(例えば、ノート ブックコンピュータ又はグラフィクスワークステーション)と、特定の目的のソ フトとから構成されており、そのソフトウエアは、実行されると、CGP40の データ処理装置を設定して、FDV10の制御及び目標捕捉機能を実行し、さら に、CGPモデル42の生成機能も実行する。 i.FDV制御 CGP40は、目的物20のどの点をFDV10が走査するのかを制御するF DV10にライダー制御信号を提供することによって、そのFDV10の走査ラ イダー210を制御する。ユーザー入力がCGP40に提供されるが、その入力 は、目的物20のどの点を走査するのかという点とどの程度の解像度で行うのか を定める。 ii.モデル発生 FDV10によって生成される点暗影30における各データ点は、FDV10 の「原点」からの対応するレーザー衝突点までの距離と、その原点からそのレー ザー衝突点までの角度との両方を表す。CGPソフトウエアは、CGP40のコ ンピュータを構成して、目的物20の走査の結果としてライダー210によって 生成された点暗影30のデータ点を処理し、その目的物20の走査された部分を 表示して視覚化する。特に、CGPソフトウエアは、そのCGP40のコンピュ ータを形成して、目的物20の幾何学的形状を認識し(図形認識)、さらに、そ れらの認識された幾何学的形状を用いて、幾何学的構成、3Dモデル構成、3D 視覚化並びに目的物の特徴の自動捕捉または手動入力、図面、断面及び寸法の生 成、データ質問及びCADインタフェースのためのデータベース機能とネットワ ークオプションとを実行する。 B 詳細 1.FDVモジュールの詳細 図5は、本願発明に係るFDV10の一実施例のブロック図である。ライダー 502は、レーザー、伝達光学機器、受信光学機器並びに分布及び強度データを 発生する検出器を含む。 走査装置504は、レーザービームを操縦し、ミラーのいくつかの位置からの レーザービームの方角及び高度の角度を決定するための、二重直交走査ミラーと 、検流計モータと、エンコーダとを備える。広角ビデオ装置506は目標ビデオ 情報を発生し、狭角ビデオ装置507は色彩及び質感情報を発生する。制御/イ ンタフェース回路230はFDV10とCGP40との間のデータの交換を処理 する。 レーザービームが準CWで、常に強度変調(AM)または波長変調(FM)の いずれかでオンのときには、目標物20までの距離は、トランシーバ502での 復調を含む多数の技術の内のいくつかによって推測することができる。レーザー がパルス状の場合には、目標物20までの距離は、通常、トランシーバ502か ら目的物20まで及び戻りのフライトの時間によって測定される。他のレーザー 変調技術も用いることができる。 そのフライト時間の実施例において、望ましくは、レーザーがMassachusetts Institute of Technology社に譲渡された米国特許第5,132,977、5,386,427及び5 ,381,431号に開示されている種類のものである。特に、そのようなレーザーによ って生成されたビームは、1ナノセコンド(nsec)より小さなパルス幅を生成でき るような特別の性能を持つレーザーによって発生される。 現在使用されているレーザーの特定の実施例は、特に正確なライダーに適して いる。その理由は以下のとおりである。 1.レーダー理論が、精度はパルス時間の逆数に比例するということを示して いるので、短いパルス幅は高い精度を与えるから。 2.レーザー自体が、特に携帯できるものに用いることができるように物理的 に非常に小型だから。 3.回折制限ビームを持つことは、少し離れたスポットサイズは光りの性質に よって制限されないだけでなく、それをコリメートし又は集束するために用いら れる光学機器の品質によっても制限されないことを意味するから。 4.波長は非常に短く(532nm)、レイリーレンジは波長に反比例するの で、ビームを長い距離の間隔にわたって小さく保持することができるから。実際 に、1cmの出口開口の場合には、ビームは、50mにわたって6mmより小さ く維持することができる。 一つの実施例においては、レーザービームは、直交走査ミラーによって、目的 物20の表面上のレーザー衝突点に指向される。その範囲は、多数の従来のライ ダー技術のいずれかによって決定することができる。例えば、レーザーから目的 物20の表面まで、及びそれから検出器まで戻るレーザーパルスの「フライト時 間」が決定される。その範囲は、適当な調整が雰囲気の要因のために行われて、 光の一定速度に基づいて決定される。 本願発明に係る装置は、高い捕捉速度での高い範囲にわたる精度を提供するこ とができる。例えば、100mの範囲の場合、1mmの精度を単一のショットベ ースで達成することができ、どこでも1000から5000のデータ点が1秒ご とに捕捉される。 他の実施例では、チャープライダーを用いることができる。チャープライダー の必須な構成要素は、時間ごとの波長の線形変化によって調整することができる 。従って、レーザーから出力された光の波長は、λ(t)=k(t−t0)+λ0から 得られる。実際には、そのようなレーザーは、一般的に、2つの材料である、N dYAG(3510)のような一般的なレーザーゲインメディアと、リチウムニオ ブ酸塩(3520)(図35参照)のような電気的に変更された屈折率を持つような 物質との合成物を作ることによって製造される。これは、効果的にレーザーキ ャビティーの長さを変え、その結果、出力された波長を変える。市販されている レーザーは、約1kVの電圧変調により約100GHzまで調整することができ 、それにより、光の周波数が約f(t)=k(t−t0)+f0となる。 図36を参照すると、一般的なFMチャーブ装置において、レーザー3610 から出力された光の一部はサンプル化され、ビームスプリッタ3630において 目標物3620から戻る光と組合される。その光はその目標物と接触して戻るま での時間だけ遅延するので、その目標物から戻る光は、レーザーからサンプル化 された光より低い周波数を持つことになる。その差は、その組合せられたビーム の強度を測定する検出器3610の出力において明らかになる。光の周波数ラン プが正確に線形で、レーザーが目標物までの距離より長い干渉長さを持つ場合に は、ビームを組合せることにより、距離に比例する検出器から一定測定周波数が 生成される:f=k1*d+d0。上述のチャーブYagレーザーは、約20km の干渉長さを持つが、そのチャープは線形のもではなく、それは現在のFMチャ ープライダーの精度をかなり制限している。 図37を参照すると、距離ごとの測定値を較正するための装置を追加すること によって、かなりの精度の改善を実現することができる。一端に部分的反射器3 771を持ち、他端に全反射器3772を持つファイバーが作られる。ここでは 、レーザー3710から出力された光の一部は、サンプルされ、ビームスプリッ タ3740において、目標物3720から戻る光と再び組み合わされ、その強度 が検出器3760によって測定される。レーザーから出力されたビームの他のサ ンプルは、ビームスプリッタ3730によってサンプルされて、部分的な反射端 部3771でファイバーに導かれる。ビームは、そのファイバーの下方に一定距 離伝播し、端部表面で反射して、部分的反射面3771で反射されたビームと再 び組合され、そして、第2の検出器3750で測定される。チャープの線形性が 、次に、検出器3750の出力の一定周波数からの偏差を決定することによって 測定され、その情報は、検出器3760の出力内の非線形チャープの影響を修正 するために用いられ、それは目標物の距離測定値に相当する。 図3及び図3Aを参照すると、その実施例においては、FDV10が金属また は他の適当なハウジング材料から作られたボックス330に物理的に収容されて いる。そのボックス330は、フォーク取付台構造310によってその側面のパ ネルから吊り下げられている。そのフォーク取付台構造はターンテーブル340 上に保持されており、そのターンテーブル340は三脚台320に取付けること ができる。フォーク構造310を用いると、FDV10が水平方向(「方位角回転」 )及び垂直方向(「仰角」または「高度」)に回転することができる。一般に、三脚 台320の位置は、「設置(セッティング)」または「配置(ポジショニング)」という ように呼ばれており、フォーク取付台310におけるFDV10の回転及びチル ト(傾き)は、「指示(ポインティング)」または「方向づけ(オリエンテーション) 」というように呼ばれている。「視野」は、概略、所定のセッティング及びオリエ ンテーションと関連する。 フォーク取付台310は、望ましくは、高精度の方位角及び高度回転測定装置 (例えば、従来のセオドライトのような光学または電子エンコーダ)を備え、そ れにより、FDV10の正確な回転及び傾きのデータを提供する。その特徴によ り、同一の三脚320の設置であるが、そのFDV10の異なる方向から得られ る走査の自動的な統合を行うことができる。結局は、それらの装置は異なるセッ ティング及び方向からえられた走査のためには用いられず、それらの走査は、後 に説明する技術を用いて統合することができる。 ここでは、従来の測量機器は適切に作動するために操作を行う前に水平に置か なければならないが、これは、FDV10の要求ではない点に注目すべきである 。それは具体化した本願発明の新規な方法によるものであり、それは、それ自体 の座標系及びそのソフトウエアで用いられる手順が位置データを捕捉する方法を 利用するからである。しかし、その装置は、水平となるとともに、従来の測量セ オドライトと同様な方法で用いることのできる性能を持っている。本願発明の実 施例に係るFDV10のデカルト座標を図4に示す。 さらに、図3及び図3Aを参照すると、一実施例では、FDV10の2つの直 交ミラーが約40°×40°の視界を与える(「視界」または「視野」は、ビーム のレーザー最大偏向角によって投射される領域の最大寸法によって画定される) 。その視界は、ミラー及び光学機器の列の所定の部品の寸法を偏向することによ って拡大または縮小することができる。上記のフォーク取付台を用いると、FD V の40°×40°の視界を投射球面のどこにでも指向することができ、その結果 、同一の設置から大きな目的物または一群の目的物を画像化する際に広範な柔軟 性を提供することができる。同一の目的を達成するために他の取付方法を用いる ことができる。 高い精度及び反復性の電子エンコーダが、直交ミラーの回転角を読み、そのミ ラーの回転角の読み出しは、距離読み出しと同時の正確なタイミングで行われる 。望ましくは、装置はクラスIIFDAの目の安全度(eye safe)である。第1の 実施例は、±50mの範囲にわたる±6mmの空間精度を持つ。他の実施例にお いては、自動焦点性能及び5−6ピコセコンドの電子機器が含まれており、その 実施例は、装置の距離精度を±1mm及び±50mにわたる±1mmの空間精度 まで拡大する。装置のそのレンジ(及び精度)は、選択された目の安全性分類の 選択によってかなり影響を受けることがあるが、それらの制限は発明自体の本来 の制限ではない。 以下に、FDV10の望ましい実施例の主要な構成要素を説明する。FDV1 0の光学トランシーバ502のブロック図を図6に示す。光学受信器502は、 光パルスを目的物20上のスポットに伝達し、その目的物20から反射した光パ ルスを受取る。光が一定速度であると仮定すると、その光トランシーバは目標物 上のスポットまでの距離を測定する。 図6を参照すると、レーザー602は、レーザー制御装置604から提供され る外部のコマンドに応答して、250ピコセコンドより短い時間まで持続する光 パルスを出力する。そのレーザ−602は、実時間イベントの中央制御を提供す るデジタル信号処理装置から外部の信号が出力された後の100−300μse c以内に、望ましくは532mmの波長で、パルスを生成する。その実時間遅延 は、最近のレーザーの歴史及び環境状況の中で複雑化された機能である。その機 能は、現在は完全には知られていない。しかし、他で説明するソフトウエアのア ルゴリズムが用いられて、その時間遅延が、要求された測定値に対し十分な精度 で予測される。 レーザー602から出力されたレーザービームはビーム拡大器(ビームエキス パンダー)606を通って伝達され、そのビーム拡大器602は、目的物20上 の点に最終的に衝突する光スポットの寸法を調整するように焦点が合わせられる 。集束された光パルスは、次に、送受切換器608を通じて伝達される。その送 受切換器608は、出力光経路を入力光経路と整合する光学系である。その送受 切換器608は、出力光パルスの光エネルギーの第1のかなりの部分をスキャナ 614を経由して目的物20上のスポットに指向するが、出力光パルスの光エネ ルギーの第2のかなり少ない部分は、受信器テレスコープ610に指向される。 目的物20に伝搬する出力光パルスのその部分は目的物20上のスポットに衝突 し、光パルスのいくらかのエネルギーは、送受切換器608に戻る方向に、目的 物20から反射される。その戻り光パルスは、送受切換器608によって受信機 テレスコープ610に指向され、それは、その受信されたエネルギーを検出器6 12に集束する。その検出器612は、その受信光パルスを電気エネルギーに変 換し、検出器612の出力は電気パルス列隣、第1のもの(それは目的物20に 向かって指向されない送信パルスの第2の小さな部分に応答して検出器612に よって生成されるものである)は、短い一定の時間(つまり、ビーム拡大器60 6、送受切換器608及び受信機テレスコープ610を経由する光経路の長さに よって一定にされる)に発生し、その第2のものは目的物20からの光エネルギ ー戻りとして発生する。目的物20に指向されない送信パルスの第2の小さな部 分と、目的物20上のスポットから反射された戻り光パルスとの双方とも、目的 物20上のスポットまでのフライト時間を計算するタイミング回路616に供給 される。目的物20上のスポットまでの範囲は、次に、フライトの算出された時 間から容易に計算することができる。 図7は、レーザー602の一実施例を示すブロック図である。レーザー装置7 02の心臓部は従来のレーザーチップ702であり、それは、表面が反射防止の 誘電体被覆によって被覆された2つの接着されたクリスタルを含む。レーザーチ ップ602は、808.5nm±3nmで動作するソリッドステートダイオード 704によってポンプアップされている。そのダイオードポンプ704の出力周 波数は、熱電気クーラー706を用いてその温度を変えることによって調整され る。ダイオードポンプ704の温度はサーミスタ708によって測定され、その 測定された温度はダイオード出力供給710にフィードバックされる。必要な 温度は各個々のダイオードに応じて変わるが、それは一般的には20℃から30 ℃までの範囲にある。 ダイオードポンプ704の出力パワーは概略1ワットで、100μmコアのグ ラスファイバーに出力される。連続的にポンプアップされると、クリスタルレー ザー602の出力は、1.064μmで平均が約35mWとなり、それは、15 kHzの反復速度で約280psec続く204μJパルスに相当する。マルチモー ドファイバーは、望ましくは、SMA905ソリッドブラスコネクターによって 終端しており、そこでは、レーザーチップ702のクリスタルが光樹脂でそのコ ネクターの一方の端部に接着されている。これにより、レーザーチップ702の クリスタルから十分な熱が発散されて、最高効率の作動に必要な温度範囲内にそ のクリスタル702が維持されることが保証される。 1個のKTP周波数倍増クリスタル712が、レーザーチップクリスタル70 2の表面の数ミリメートル内に保持されている。これにより、532nmで平均 パワーが12mWのレーザー602から最大の出力を得る。それは、約218ps es持続する0.8μJのパルスに相当する。レーザー602からのこの最大出力 は、回折限界に近く(つまり、特定の波長及びウエスト直径を持つ場合に、理論 上最少発散を持つもの)、その際には、見かけの56μmのウエスト直径を持つ 。 FDAクラスIIの目に安全な装置設計明細に合致する本願発明の実施例は、商 業的に実行できる可能性がある。その明細に合致するためには、532nmで伝 達することができるパルスごとの最大エネルギーは、0.2μJである。この制 限を伴うと、伝達された平均パワーは、パルス繰り返し速度に十分に依存し、以 下の表から与えられる。 本願発明の一実施例では、ビーム拡大器606は完全に従来のものである(例 えば、Melles Griotモデル番号09LBM013、10xビーム拡大器)。受光器5 02は、予定の目標物に衝突するレーザービームの寸法に比例する交差軸精度を 持つ。6mm精度の基本設計は単純なビーム拡大器を持つ。レーザー602は、 50mの範囲にわたって6mmより狭い1/e2* 出力ビーム幅のビームを生成す るために<1cmの開口を持つ固定10xビーム拡大器とコリメートされる。 図7Aは、本願発明の装置が50mで約1mmの精度で範囲を測定することが できるという特徴を持つビーム拡大器606の別の実施例750を示す。その理 由は、従来のビーム拡大器によって拡大されたレーザービームの対象20上の衝 突スポットが、コリメートされ、50m範囲にわたってわずか6mmのスポット を生成するからである。しかし、ビームは、50mmアパチャー(開口)を通過 して、50m範囲にわたってわずか1mmの寸法のスポットに集束することがで きるが、そのスポットは、他の範囲ではかなり大きくなるであろう。従って、5 0mで1mm精度を持つ装置のビーム拡大器750は、集束スポットの寸法を変 えることができる、移動可能な光学素子752を備える。さらに、そのビーム拡 大器750は、調整可能な開口755とその調整を制御する装置とを備えていて 、ビームの直径が1mmにとどまることのできるようなレーザーからの距離は、 ほぼ一定に保持される。焦点距離f及び直径Dの回折制限レンズによって生成さ れた最少の直径のスポットは、d0=2fλ/Dである。ビームの焦点深さとな る、集束されたスポットのレイリーレンジは、b=2πω0 2/λ=2πf2λ/ D2から得られる。従って、f/Dが一定に保持されると、その焦点深さは集束 スポットfの範囲の関数とはならない。 ビーム焦点が変化するときは、構成素子は、ビームが50mで1mmの端数よ り大きくは方向を変えないように整列状態を維持しなければならないか、または 、それは、、点の空間配置におけるエラーとして現れるであろう。このビームのふ らつきを最少にするために、線形サーボモータ754(図7A)が採用され、そ れにより、集束機構の位置を制御し、トランスジューサーが位置のフィードバッ クを提供する。レンズ752が環状リング753内に取り付けられており、それ に より、そのレンズが移動させられる間に、回転したり不整合となったりすること が防止できる。 送受切換器 送受切換器608の実施例を図8に示す。その送受切換器608の光学系は、 ビーム拡大器606からスキャナ504までの出力ビームが、対象20から反射 された戻りビームと同軸となるように構成される。従って、1つだけの必要なス キャナ504が設けられる。図8の送受切換器の実施例においては、ウインドウ 802が設けられていて、50%のビームスプリッタ804がそのウインドウ8 02の上に取付けられている。光パルスがレーザー602から伝達されて、ビー ム拡大器606を通過すると、そのパルスはビームスプリッタ804に衝突する 。そのパルスのほとんどの光エネルギーは、そのビームスプリッタ804から反 射されてスキャナ504まで通過するが、幾分かの光りパルスはビームスプリッ タ804を通過して低反射率のビームブロック806に衝突する。ビームブロッ ク806の反射率は小さいので、ビームブロック806に当たる光パルスの少し の部分はビームスプリッタ804に戻り、そして、受光器610に向けて反射さ れる。 さらに、光パルスは対象20から戻るときには、その戻りパルスの中央部分の みはプリズム804によって暗くなるので、ウインドウ802に衝突する光の大 部分は受光器610への経路を進む。 部分反射の送受切換器 図8Aを参照すると、1mm精度の実施例のために、部分反射の送受切換器8 50が用いられている。その送受切換器を用いると、ビーム拡大器からビームス トップ610に提供された光パルスの一部は、その送受切換器ウインドウ850 から反射して受光器テレスコープ610に達する。その光パルスの残りの部分は 、対象20に進む。対象20からの戻り光パルスの大部分は、ウインドウ850 を通過して持続し、そして、受光器テレスコープ610によって収集される。ウ インドウ850は受光器側にAR被覆され、部分的にレーザー側に反映さ れている。出力ビームを操作するためにウインドウ850の全体を用いるが、そ れは、スポットとを50mで1mmまで集束するためには50mmの開口が必要 だからである。その部分的な反射は、レーザー伝達出力及び適用される目の安全 性の分類レベルを考慮して選択される。例えば、レーザー伝達出力がその適用さ れる目の安全性の分類レベルの4倍の場合には、部分的反射は25%を反射して 75%を吸収するように選択される。 図9を参照すると、6mmの実施例においては、出力パルスを反射するように ウインドウ802の中央部のみを被覆し、さらに、そのウインドウ802の残り の部分を反射防止被覆906すると、戻り光パルスを収集する際の効率を改良す ることができる。その場合には、戻り光パルスは、反射防止被覆906されてい るウインドウ802の部分によって受光器から反射されない。 望ましくは、レーザー602が強く偏光されたビームを出力すると、反射被覆 904は2つの平面偏光に対しわずかに異なる反射係数を持つように最適化する ことができる(20%−S及び30%−P)。そのような実施例においては、対 象20に衝突したビームの出力は、レーザー本体を物理的に回転するだけで微調 整することができる。 受光器テレスコープ 図6を参照すると、戻りパルスが送受切換器608を通過した後に、それは受 光器テレスコープ610によって収集されるが、それは、検出器612に提供さ れる信号の量を最適化するものである。その受光器テレスコープ610は、単純 な50mm開口レンズであってもよい。そのレンズは、検出器612に入るパル スエネルギーの変分が、その機器の設計に関する距離の範囲にわたる対象20ま での距離の関数としては変化しないように選択される。 複合素子レンズを設計 して、単一の素子レンズより幾分か効率的な範囲の関数として受光パルスエネル ギーの変化を最少化することができる。つまり、最大の予測距離においては、す べての入力光は遠方のフィールド内の点源から発生したのでそれは効果的にコリ メートされており、そのすべての入力光が検出器612を完全に満たすように集 束されるように、そのレンズの焦点距離は選択されている。対象20がテレスコ ープ610に接近するときには、戻り光のスポットは検出器612よりも大きく なる。検出器612への入射パワーは、テレスコープ610から対象20までの 距離の二乗として、最大予測距離まで増加する。さらに、対象20からの戻りパ ワーは、テレスコープ610から対象20までの距離の二乗として減少する。従 って、実際には、それらの2つの効果ほぼは相殺される。それは、予想された使 用の範囲にわたって検出器612への入射光のパワーの変分を最少にする。1m mのオプションにおいては、受光器光学系は、2素子の調整可能な焦点のニュー トンテレスコープ(例えば、1mmのビーム拡大器と同様なもの)を用いること によって、いくつかの場合に、改良することができる。 検出器 検出器612は、光パルスを、経過時間測定電子機器(タイミング回路)によ って処理できる電気パルスに変換する。一つの実施例においては、その検出器6 12は、1GHzより大きな電気的帯域を持つアバランシェフォトダイオード(AP D)である。開始パルスといずれかのストップパルスとの間の時間に加えて、す べてのパルスの強度が記録される。その強度情報はタイミング情報から得られた 距離測定値の訂正を行うために用いられる。 スキャナ スキャナ504は従来のものでよい。スキャナ504は出力パルスを送受切換 器608から対象20上の所望の位置に指向し、さらに、入力戻りパルスを受光 器テレスコープ610に指向する。スキャナ504は光を狭いフィールドのcc dカメラ507に指向して、走査レーザー点の直ぐ近くの色彩及び質感を収集し 、それは、得られた色彩及び質感の正確な登録のためにライダー捕捉の点の形態 を提供する。一つの実施例においては、ビーム操作のためにスキャナ504は二 重ミラー構成(図6A)を備えるが、従来の高精度及び反復ビーム操作機構を用 いることもできる。その二重ミラー構成は、コイルモータを移動することによっ て直交軸上で回転される2つのミラーを含む。それらのモータは積分位置検出器 を持ち、それは1マイクロラジアンより小さな角度反復性を持つ。スキャナ の取付台はレーザー及び他の光学機器のサポートとともに総体的に形成される。 その装置は、それぞれのヘルツで高度(仰角)及び方角の両方において40度の 光学的動きを提供する。 電子機器 A.タイミング回路 スキャナ504機構の他の実施例は、回転タレット上に取付けられていて、中 央軸の周りを回転する単一のミラーからなる。その構成では、物理的座標系は球 状であり、より速い(慣性がないため)ミラーは仰角を提供し、より遅い回転タ レットは方角的動きを提供する。そのような装置は垂直面内では90度より大き くて水平面内では360度の全範囲にわたる視野を与えることができる(両方の 面ともにいくつかの選択したスキャナの座標系に関連する)。 電子機器 計測電子機器 その計測電子機器の機能は、検出器612の出力に基づいてFDV10から対 象20までの距離等の範囲を演算する。準CW変調レーザー装置の場合における 変調器を含む多数の方法を用いることができる。望ましいフライト時間の実施例 のためには、間隔タイマー(タイミング回路)が、送受切換器608によって受 光器610に直接に反射された最初の(開始)パルスと、対象20から反射して その受光器610に戻るパルスとの間の相対時間間隔を測定する。 反射率電子機器 多くの場合において、対象20上の点の空間的位置を知るだけでなく、その点 の反射率(いくつかの特定の波長でのもの)を知ることも有用である。その反射 率電子機器は、対象20から受光器610及び検出器612に反射された光の量 を測定する。このデータを用いて、距離情報のみならず対象20の表面の材料及 び/または仕上げに関する情報の修正を提供することができる。 デジタル信号プロセッサ デジタル信号プロセッサの集積回路は、すべてのFDVの時間臨界機能、つま り、スキャナ制御、レーザー起動を制御する。それは、幾何学的修正、較正修正 、ビデオレンズ修正及びビデオ圧縮を行うための高速フローティング点評価性能 も提供する。デジタル信号プロセッサは、通常の時間間隔、一般的には、約10 μsecで割り込まれる。その各時間間隔で、どの実時間計算が末解決であるの かわかるようにチェックが行われる。 スキャナ制御 スキャナ用の電子機器は単一の正確なPID制御装置であり、それはDSPか らのデジタル信号によって駆動される。その装置を迅速に駆動するときには、ス キャナの性能に目立った遅れがあって駆動信号に追従する。しかし、その制御装 置の回路はエラー信号出力を持たない。外部の正確なアナログ差動増幅器が、エ ラー信号(コマンド信号と実際の動きとの間の差である)を提供し、それは、低 解像度でDSPによってサンプルされる。そのDSPは、次に、コマンド信号と エラー信号との合計を計算することによって正確な操作位置を算出する。この方 法の利点は、かなり高価な正確なA/Dではなくて、低解像度のA/D変換器と 正確なD/A変換器とを必要とするだけである点にある。 そのデジタル信号プロセッサは、そのアナログスキャナ制御装置に対し軌道を 発生し、さらに、所望の軌道と実際の位置との間の差の測定を行う。それは、レ ーザーポンピングが開始されてそのレーザーが所望の角度で出力を行う時間を予 測する。それらの予測は、規則的な時間間隔で行われる。図10は、各時間間隔 で実行される計算を示すフローチャートである。 軌道計算 ユーザーはスキャナの視界内にあり走査すべき範囲を確定し、その走査された 領域内でサンプルを行うための点の密度を指定する。用いることのできるいくつ かの走査パターンがある。それらは、軌道と知られているような、ミラーの動き の特定のパターンを必要とする。完全な軌道を選び出す目標は、迅速かつ正確な 移動を行うのと相反する必要性である。正確な移動は最少のトルクを必要とする が、そうでなければ装置を変形することになるであろう。それは、どの動きが可 能なのかにより速度を制限する。同一の時間増分で、各ミラーの最新の位置を決 定するために計算が実行される。用いられる特定の計算は採用された走査の種類 に従う。 ラスタースキャン 所望の走査フィールドが多角形の場合には、1又は2以上のラスタスキャンパ ターン用いられる。第1には、走査は一方向(つまり、平行ライン上を、常に、 左から右へ又は右から左へと進む)である。図11Aは、そのような一方向走査 パターンを示す。走査ラインの間には、走査ミラーは、いずれの距離測定を行う ことなく、次のラインの最初まで引き返す。その引き返しの間にはどのような計 測も行われないので、その引き返しは非常に迅速に進行することができる。 ラスタースキャンのわずかに効果的な手段は双方向であり、その場合には、走 査は引き返しの間も実行される。図11Bは、そのような双方向走査パターンを 示す。それは考えたほど効率的ではない。それは、その引き返し時間は他の計算 のために用いられており、さらに、その最終的な走査パターンは規則的ではない からである。 両方のラスタースキャン方法は、最少の時間で直線を移動することと、ゼロの 速度からスタートすることと、ゼロの速度で終わることとを必要とする。そのミ ラーに加えられるトルクは、角加速度に比例し、それは、ミレーは停止するので 、走査の開始及び終わりの時にゼロでなければならない。2つの点の間のそのよ うな最少のエネルギー移動を行う軌道は、直線とサインの全サイクルとの合計に よって得られる。しかし、それは最少の次数の多項式によるかなり少ないコンピ ュータ算出により厳密に近似され、境界条件は、p(t0)=p0、p'(t0)=0、p"(t0) =0、P(t1)=P1、p'(t1)=0及びp"(t1)=0であり、それは、5次の多項式である 。つまり、p(t)=(p1−p0)t'3(6t'2−15t'+10)+p0。ただし、t'=(t-t0)/(t1 -t0)である。 らせん走査 ラスタースキャンの欠点は、軌道の速度は変わるので、その走査効率は最適で はない点にある。らせんパターン走査は、均一な点分配が可能な一定速度の軌道 を達成することができる。 探索 レンジイメージの走査に加えて、装置は測量の際に共通する多数の機能を実行 することができる。スキャナは重要な特徴または高い反射率の位置を調査するよ うに作ることができる。それにより、その装置は、目標を発見してその位置をほ ぼ特定し、さらに、その正確な角度及び位置を報告することによって、通常の測 量機能を実行することができる。 角度測定 移動コイルモータ内の容量性エンコーダはかなりのくり返し性能を持つが、相 対的に精度が低い。多数の測定作業は、装置の精度を保証するために連続して実 行される必要がある。 使用前は、各スキャナは、その全部の角度範囲にわたって較正される。多数の 別々の温度において、NBS規格をたどることのできる外部の解決装置を用いて、数 千の正確な測定点に関して明白な角度の測定値のマップが作られて記憶される。 そのDPSは、各角度の測定値上のそれらの側定点の間を直線状に補間する。 望ましくは、角度測定値の精度は、作動中のエンコーダ内のスケールまたはオ フセット誤差を決定することによって改良される。市販されているスキャナは、 環境の変化とともにかなりドリフトすることがある。その結果、角度測定値の有 効ゼロ及び全スケールレンジにシフトが生じるが、スキャナを装置に導入する前 に慎重な実験室での測定を行うことによって得られる較正曲線の全体の形状を保 持する。その環境の影響は、スキャナが既知の再現可能な角度にある時点を決定 する手段を提供することによって取り除かれる。そのような装置の一つの望まし い実施例においては、器具に関して固定されている2つの光学的基準が、各走査 ミラーの背面に向けられる。光学的基準を提供する構成は様々なものがあるが、 一つの実施例では、一対の自動コリメータが、その走査ミラーの背面の反射表面 に向けられ、そのミラーが各自動コリメータの軸と直交するときの高い反復性の 測定値を提供する。各自動コリメータは、約10μrad内の基準角度を与える 。定期的に、スキャナは、コンピュータ制御下で、ミラーに近くてその自動コリ メータの軸と直交することになる位置まで移動されて、明らかな角度が測定され る。その測定値はスキャナが較正されたときに得られた測定値と比較され、線形 修正が計算されてそれぞれの次の測定値に供給される。 別の実施例では、一対の機械的停止部が走査ミラーの動きの通常の範囲を過ぎ たところに提供される。定期的に、そのミラーはそれが機械的停止部に触れるま で駆動される。次に、その走査ミラーは既知の電流で駆動され、それは既知の力 に相当するものである。そのミラーはそれぞれの反復可能な位置で安定な状態に 達し、それは、ミラー較正曲線の線形修正を計算するために用いられる。 距離測定ファイバー タイミング回路は、時間及び温度に関して所定の量のオフセット及びスケール ドリフトを持っており、それらの変化量を補うために準備が含まれている。光パ ルスがレーザー602から出力されると、少しの量のエネルギーが、ビームスプ リッタ810によってサンプルされて、レンズ833を用いてビームをファイバ ー表面831上に集束することによって、シングルモードの光ファイバー830 に導かれる。そのファイバー832の他表面は、それから出るビームがライダー 受光器610に入るビームとコリメートされるように配置される。そのファイバ ーは、その長さが温度とともに変化しないように、又は温度にともなうその長さ の変化量が正確に特性となることができるように作られている。単一モードのフ ァイバーを用いると、伝搬遅延の変化分は、数ピコセコンドより小さくなり、さ らに、ファイバーから出力されたパルス形状は、ファイバーに入るパルスの形状 とほぼ同一となる。定期的に、タイミング回路は、そのファイバーを通過する際 の伝搬遅延を測定するために用いられ、外部表面から得られる距離測定値に対し 対応する調整が行われる。 そのファイバーは、パルスが発生されて833、そのパルスが出力される 834端部が部分的に反射を行うように作ることができる。それが行われると、 パルスが入って833反対の端部834まで伝搬され、その点において、一部の エネルギーが放出されて残りが第1の端部833まで戻る。また、光の一部は出 力され、残りは反射され、それは、最終的には受光器内に出力される。このプロ セスは、ファイバー内の残りのエネルギーが無視できる程度のレベルになるまで 繰り返される。その結果、一連のパルス、通常3−10が受光器に供給され、そ れらのすべては数ピコセコンド内で繰り返すような遅延を持つ。定期的に、タイ ミング回路は、ファイバーからのそれらのパルス列を測定するように用いられ、 外側の表面から得られる距離測定値に対して対応する調整が行われる。 レンジウォーク較正 ライダ一装置は、レーザーパルスが出力されてから、表面から戻るまでの間の 遅延を計時することによってその表面の距離を測定する。その遅延は、出力パル スと、受光器610に取り付けられた感光性の電子検出器612上への戻りパル スとのサンプルを強制的に行うことによって電子的に測定される。一つの実施例 においては、その電子タイミング回路は、その出力パルスが一組のしきい値電圧 を超えたときと、戻りパルスが同一の電圧を超えたときとの間の時間を計測する 。その出力パルスは、数パーセント内の同一の強度となる。しかし、多くの表面 の反射される光の量は非常に変化する。その結果、同一の距離で発生するが異な る強度を持つ2つのパルスに関する明白な相対時間は、異なる距離になることが ある。最初にしきい値レベルと越える小さなパルス3810に関する測定時間は 、同じしきい値レベルを越える大きなパルス3830に関する測定時間より遅く なるが、それは、それらのパルスがたとえ同一の距離で対象から戻るときでもそ のようになる。したがって、最大受光器感度の距離にある高反射性の対象は、わ ずかに接近して現れることになる。これは、強度の関数のような明らかな「レン ジウォーク」を作り出す。そのレンジウォークは、光の戻りの形状が常に同一で 、その戻りのエネルギーが既知である場合には、修正することができる。可能性 のあるQスイッチ切換のマイクロチップレーザーによって発生されたパルスの非 常に再現性のある形状は、それを可能にする。 タイミング回路の一部は各検出されたパルス内のエネルギーを予測する。修正 の表が、その距離の予測を改善するために保持されている。2つの異なる回路が 用いられていて、この目的のためにパルスエネルギーの測定を行う。第1のもの はゲート制御された積分回路(インテグレータ)であり、そのゲートは、パルス の開始時には開かれ、終わりの時には閉じられる。その信号は比較器3920に 供給され、それは、信号が選択されたレベルを越えた時にスイッチ3930を閉 じ、その信号がそのレベルより低くなった時にはそのスイッチを閉じる。その信 号は、また、遅延回路3910にも供給され、その遅延回路の出力は、スイッチ 3930が閉じられたときにはそれを通じて進行し、そして、そのスイッチが閉 じられた時間にわたって積分回路3940に供給される。その遅延は、比較器及 びスイッチ内のタイムラグを補償するように選択される。パルスが完了したとき には、積分回路の値がアナログ・デジタル変換器3950によってサンプルされ る。第2のものは、パルスの幅まで定められた時定数を持つ積分回路4010か らなり、その後には、ピーク検出器4020がり、それは、そのパルス幅よりか なり長い時定数を持つ。ピーク検出器の出力はそのパルスが検出された後にすぐ にサンプルされる。 定期的に、タイミング回路が用いられて、タイミング回路に関連するオフセッ ト及びスケール係数を較正するために用いられる単一モードのファイバー830 によって遅延されている一連のパルスが測定される。さらに、それらのパルスの 強度は、可変減衰器820によって広いレンジにわたって変えられる。ファイバ ーに結合された光の量を変えることによって、検出されたパルスのエネルギーは 、1つの特定の時間遅延で、受光器のダイナミックレンジにわたって変えること ができる。その強度及び測定された時間遅延の値は、各強度ごとに必要なレンジ ウォーク修正のマップを作り、その修正は次の測定値に供給される。その修正は 、特に、レーザーパルの波形の際立った反復性の結果として、器具のダイナミッ クレンジにわたって1mmの精度を提供することができる。その関数は、それら の表面から戻る光強度の関数として外部表面の測定済み距離を修正するために用 いられる。 幾何学的較正 距離走査の後のFDVの出力は、そのスキャナ内の座標系に関連する窮状の座 標内の点から構成される。しかし、その生データは、ミラー角度及び時間間隔か らなる。DSPは、スキャナの幾何図形(ミラー厚さ、光軸線、ミラーオフセッ ト等)及びすべての適切な較正調整値を考慮することによって、走査点の球状座 標を演算する。 レーザー制御 遅延予測 デジタル信号プロセッサは、パルスレーザーの作動を制御するために応答可能 であるが、それは二次的にそのように機能することができるだけである。そのプ ロセッサは、ポンプダイオードを始動するためのタイミングの制御を持っており 、それにより、受動qスイッチが飽和が生じた後に始動することができるように なる。しかし、ポンピングが開始されることとレーザーが始動することとの間に はさまざまな遅延が存在する。その遅延は結合温度の関数であり、それは次に周 囲温度及びレーザー始動の最新の経緯の複雑な関数となる。その遅延は概略10 0−300の間の範囲にある。 幸運にも、第1に、レーザーが始動した正確な瞬間における走査ミラーの角度 を知る必要がある。ほんの数回レーザーが出力した後は、その出力割合が瞬時に 変わらなければ、ポンピング遅延は瞬時には変わらない。その結果、数マイクロ セコンドの精度は、前の出力サイクルにおけるポンピング遅延と同一となるであ ろう次のポンピング遅延を予測することによって達成することができる。デジタ ル信号プロセッサは、ポンプが開始された時と、レーザーが実際に出力を出し、 それによって中断が生じた時とに、内部カウンタを読むことによってポンピング 遅延を計測する。中断待ち時間はマイクロセコンドより小さいので、それはポン プ遅延を測定することができる程度のタイミング精度となる。 レーザーの熱特性のより精巧なダイナミックモデルは、わずかに向上された走 査パターンの正規なものとなるが、プロセッサの中断の時間解像度によっておそ らく同等に制限されることになる。 出力制御 時間対走査軸線w(t)に関する角度軌道、レーザーを出力するための所望の角 度及び中断間隔Dtを仮定すると、レーザーの出力の決定は、ポンプダイオード が開始される時を演算することに等しい。 コンピュータ制御 FDVは、ユーザーが走査すべき領域を特定するためのグラフィカル制御を含 む遠隔ホストコンピュータの制御の下で実行するように設計されている。その遠 隔装置は、双方向のシリアルバイト流れによってFDVを制御するものであり、 それは、多数のメディアのいずれにおいても達成されている。つまり、イーサネ ット、EPPパラレルポート、シリアルポートである。FDV内のプロセッサは 、メッセージの復号及び必要な動作のスケジュール管理のタスクに割り当てられ ている。図12は、FDVプロセッサのブロック図である。 ホスト通信インタフェース ホスト装置はマスターとして作動し、FDVに命令を出すために完全に定義さ れたメッセージプロトコルを送信する。動作が完了した時には、FDVはデータ 及びステータス情報によって応答する。要求されることがある動作の間には、 スキャナの指向 距離の測定 ボックスの距離走査 レーザーのn回の起動 ビデオ画像の入手がある。 スキャナ制御 図13を参照すると、通常の動作においては、二重ミラー装置における各スキ ャナは、所望の位置を設定するために16乃至18ビットデジタル語を必要とし 、それは正確なデジタル・アナログ変換器に供給されて、所望の位置に比例する 電圧を生成する。しかし、その変換器の出力によって命令された位置と、スキャ ナ の実際の位置との間にはいくらかの誤差が存在しており、それは位置エンコーダ の出力によって反映される。正確な差の信号が発生され、その差は12ビット精 度まで測定される。これは、高価でない12ビット変換器を用いるだけの、18 ビットの位置測定を行う経済的な方法を提供する。 市販されているガルバノスキャナはマイクロラジアンの反復可能性を持つが、 特に温度に関しては、比較的不十分なスケール及びオフセット特性を持つ。較正 モードが装置に組み込まれていて、2つの正確な角度における測定を行い、更に 、スキャナのオフセット及びスケールドリフトを算出することができるような2 つの測定データを用いることができる。 その目的のために2つの方法、つまり、光学的及び機械的手段が開発された。 機械的方法においては、スキャナシャフトは、2つの機械的停止部の一つに静か におかれており、さらに、スキャナ制御装置内の電流は特定の値に調整されてお り、それは既知の力を与えるものである。位置信号は、位置誤差がなくなるまで 調整され、それは、較正された位置測定値を与える。光学的方法においては、2 つの自動コリメータがスキャナミラーの背面に照準を定めており、それも磨かれ ていてミラー被覆されている。スキャナのミラーが正確にそれらのコリメータの 1つと整列すると、分割フォト検出器から自動コリメータへの出力は平衡になる 。スキャナを順にそれらの正確な角度の各々に配置することによって、スキャナ エンコーダに関するオフセット及びスケールを計算することができる。 タイミング回路 タイミング回路の目的は、開始パルスと停止パルスとの間にピコセコンドの相 対時間を提供する点にある。そのタイミング回路には2つのサブシステムが存在 する。つまり、信号条件付け及びエネルギー積分回路(図14に示された実施例 の回路)と、時間間隔アナライザーとである。両方とも直接にDSPと通信を行 う。最初に、装置は市販のタイミング器具、Stanford Research SystemsのSR 620時間間隔アナライザーを用いて作られた。その器具へのインタフェースは 、IEEE488インタフェースによるものである。望ましい実施例においては 、Stanford Research SystemsのSR620時間間隔アナライザーへの通信イン タ フェースはIEEE488である。 別々に特許された補間技術を利用するカスタムの時間間隔測定回路が開発され た。その回路は、一般的に>100mhzで作動するクロックを用いており、それ は、停止パルスと開始パルスとの間で10nsecの間隔の粗めのカウントを行うよ うに用いられる。さらに、各10nsecの粗めのカウントを1000の小さな増分 に分割して10psecno解像度を与えるような補間回路が存在する。その装置は約 5psecのジターを持つ。20psec RMS誤差より小さな者を伴う差動時間測定 を行うことができる。その回路は専用のシリアルバスを用いてDPSと通信を行 い、パケットプロトコルを利用する。つまり、そのDPSは、信号バイトを送る ことによってその回路に準備を行わせる。タイミング回路がそのタスクと完了す ると、それは、開始パルスと停止パルスとの間の時間遅延と、各パルスの強度と の双方を表す一連のバイトを送る。 レーザー起動 DSPはレーザー制御のために3つのラインを持つ。つまり、第1はレーザー ポンピングを開始し、第2はレーザーが起動したことを示し、さらに、第3は目 標からの戻りパルスが検出されたことを示す。レーザーが起動すると、DSPは アナログパルスの振幅信号のサンプルを行う。これは一般的に1μsec内に起 こる。 ビデオ 目標物捕捉のために、ユーザーのホストには、ユーザーが距離走査の予定の部 分を選択することができるシーンのビデオ表示が提供される。多くの場合、それ は周囲の光度で表されるシーンに相当することになる。 捕捉 ビデオを捕捉する1つの方法は、スキャナを用いて、単一の検知装置をレーザ ーが停止した状態でシーンを横切るように指向する。これにより、次の距離走査 と非常に正確に空間的に整列する画像を捕捉することができる。しかし、画像捕 捉は市販のカメラと比べると非常に遅いことがある。 第2のアプローチとしては、画像を捕捉するために標準的な市販のCCDビデ オカメラを用いることである。広角レンズを備える1つのCCDカメラは、可能 な現り小さなオフセットを持つレンジスキャナと整列される。5度の視野を持つ 第2のカメラは、その光学軸がトランシーバと同軸となるように配置される。従 って、かなり小さな視野は、そのスキャナによってアクセス可能となり、さらに 、トランシーバと同一の解像度で走査される。これにより、小さいかまたは遠方 の対象を目標にすることができる。 整列 広角レンズは、レンズの背面に置かれたCCDによって捕捉された画像にフィ ッシュボール効果を生じさせる。ここで直線状のものが画像内では直線ではない 。このゆがみは、レンズの中央からの距離とともに増加する。そのゆがみは、カ メラが作る画像を、慎重に設計されかつ印刷された較正目標画像に向けられた時 に比較することによって取り除くことができる。予想された画像と記録された画 像との間の違いは、歪みを取り除くために捕捉された画像をほぼそらせるのに必 要な情報を提供する。 圧縮 各ビデオ画像は移動の前に圧縮される。最近は、JPEG規格の画像圧縮を用 いている。それは比較的高速で、通信用に合理的な小さな圧縮画像を作る。他の 望ましい特徴は、アルゴリズムがブロックに基づいて作動し、それにより、イン ターリーブ画像捕捉、整列、圧縮及び並列送信を行うことができ、その結果かな り処理量が増加された点にある。 点ビデオ 狭い視野(例えば、約5°)の第2のカメラは、それが走査レーザービームと 同軸となるように配置される。その視野は、ピクセル解像度がほぼライダー装置 のvoxel解像度と同一となるように調整される。そのカメラは、レーザーが作動 している間は作動することができる。それが行われると、小さなグループのピク セルは、レーザーによって照射され、それらのピクセルの重心はライダーによっ て測定されるであろう点に相当する。ビデオ画像が捕捉されると、それはライダ ー走査によって予測される表面上に位置づけすることができる。 コンピュータグラフィクス認識(CGP)ソフトウエア 図15を参照すると、CGP40はCGPコンピュータ1500で作動しFD V10と通信を行うソフトウエア装置である。CGP40はラップトップ及びワ ークステーションを含む多くの異なる種類のコンピュータで作動する。CGP4 0は、カラーグラフィック表示ターミナルのような適当な表示装置1510と、 キーボードのような適切なキャラクター入力装置1520と、マウスのような適 切なポインティング装置1530とを持つコンピュータ1500で作動する。そ のソフトウエアは、表示装置上のウインドウに捕捉された3Dデータを対話式に 表示するためにライブラリを提供するようないくつもの標準的な3Dグラフィク スを用いることができる。3Dビュー操作及びウインドウへのデータプロジェク ションを含むCGP40ユーザーインタフェースの一部は3Dライブラリーによ って処理される。 CGP40は実時間3Dデータ捕捉及びフィールド内のモデル化を実行する。 CGP40はハイレベルのFDV10の制御を機能的に含んでおり、それは、目 標及びデータ捕捉、走査点の表示及び視覚化、表面分割及び適合化、マニュアル 3Dモデル構造、3D視覚化、パート及びモデルデータベースとの対話、及び別 の処理のために標準的なデータ変換フォーマットのデータを他のCAD装置にエ キスポートする性能を制御する。これから説明するように、ハードウエア及びソ フトウエアの統合は、実体の三次元モデル化の全体のプロセスにおける生産性及 び品質の重要な改良を行うことができる。 図1Aを参照すると、データ捕捉及びモデル化プロセスは以下のステップに分 かれる。つまり、FDV10の制御、点捕捉、分割、幾何学的適合、気化図形の 操作によるモデル化、ワープをして又はワープをしないシーン登録、モデル注釈 並びに幾何学的図形及び質問である。 図16を参照すると、上記の操作は、少なくともグラフィック表示ウインドウ 内で実行することができる。一方ののウインドウ1610は、FDV10によっ て走査される予定の領域を確定するために用いられるターゲットシーンのビデオ 画像を表示し、他方のウインドウ1620は、走査点及び構成表面の幾何図形か らなる3Dモデルの対話型2Dプロジェクションと、そのシーンに関する他の情 報とを表示する。追加のウインドウを用いてデータの多数のビューを提供するこ とができる。さらに、CGP40は、別のウインドウを提供してFDV10のハ ードウエアを制御するとともに、装置のステータスパラメータに設定及び表示を 行う。 走査制御 図15を参照すると、統合されたハードウエア・ソフトウエア装置を用いる前 に、FDV10が関心のある目的物20の方向を向く。 走査制御は、スキャナが認識できるシーンのどの部分を走査すべきかを示すプ ロセスである。その認識できるシーンの異なる部分を異なる密度で走査すること ができる。それは、面、シリンダー及び球体のような簡単な幾何図形の物体は、 かなり少ない数の走査点によって正確にモデル化できるからである。したがって 、スキャナの前方にある領域は、1度の高解像度の走査というよりも、しばしば 多重走査により捕捉される。高レベルの細部を持つ領域のみが高解像度の走査を 必要とする。 図17を参照すると、走査制御の1つの手段は、FDV10から捕捉されたシ ーンのビデオ画像1710を用いることである。マウスのようなポインティング デバイスを用いると、ビデオ画像上の長方形1720をドラッグするような多数 の方法によって走査される領域を指示することができる。CGP40は、FDV 10に指示を出して、走査密度を特定する際の援助となるようにユーザーが特定 した目標領域の中央に存在するすべてのオブジェクトの距離を測定させる。それ は、点の間の角度は、表面上の所望の密度とスキャナからの距離との両方によっ て決定されるからである。対話ボックスのような所望の走査パターンを特定する 手段が提供されて、ユーザーが、点密度、点空間、又は垂直及び水平方向の各々 における点の総数を含む走査パラメータを様々な方法で特定することができるよ うになる。 CGP40は次に領域及び走査解像度の情報をFDV10のために一組のコマ ンドに変換する。それらのコマンドは、TCP/IPネットワーク接続のような 通信手段を用いてFDV10に伝達され、その捕捉されたデータも同一の手段を 用いてCGPコンピュータ1500に戻される。 異なる密度での追加の走査を同一の方法で禁止することができ、新たな走査領 域を特定するためにビデオ画像よりも前に走査したデータ点を用いることができ る。走査点のビューが、それがスキャナの方向と正確に整列するように指向され ると、走査領域を長方形のボックスをドラッグするような方法によって指定する ことができる。データがこの方法によってスキャナと整列すると、ほとんどの3 D情報は見るのが困難であり、その結果、そのソフトウエアは、次の節で説明す るような色彩で位置指定された各点において、戻りレーザー光の強度を持つ点を 表示することができる。強度情報は、時には、データウインドウ内で対象を特定 するのに十分なので、新たな走査領域を特定することができる。別の例としては 、ユーザーは、ウインドウ内の関心のある領域の位置決めを補助するためにその シーン内の幾つかのオブジェクトのモデル化及び/又は色着けを行うことができ る。新たな走査領域を特定するためにデータウインドウを用いると、ビューがス キャナと整列するので、度のような視差誤差も排除される。 スキャン制御は、ポインティングデバイスを用いてレーザービーム及びハイラ イト点を実際のシーン内に移動することによっても達成することができる。レー ザービームを移動させ、さらに、マウスボタンをクリックするようなユーザーの 動作によって関心のある点を特定することによって所望の走査領域を描くために は多数の方法を用いることができる。方法には、レーザーを所望の走査領域の対 角線上対向する位置にあるコーナーまで移動することによって境界ボックスを指 定し、シーンの上、下、左及び右領域を指定し、走査領域の境界を特定する多角 形を表す一列の点を指定し、走査領域のコーナーを指定し、さらに、所望の走査 領域の広がりを描くためのダイアログボックスのような他の手段を用いるような 操作が含まれる。 点捕捉 また、図17を参照すると、FDV10によって戻されたデータは、点の座標 とそれらの強度値とからなる。一つの望ましい実施例においては、走査は、戻り データが三次元の点1730の整理されたグリッド内に存在するように実行され る。スキャナから認識されると、それらの点はビットマップのように規則的な矩 形グリッドとして現れる。しかし、各点は、三次元空間内の座標とその位置での 反射レーザーパルスの強度とからなる。 各戻り点は、それがFDV10によって伝達されたときに、データウインドウ 1620内に表示される。CGP40によってユーザーはデータの3Dビューを 対話的に変えることになるが、それは、そのデータが到着していてそのデータの 空間的配置のよりよい考えが得られる間である。CGPにおける、データ内の異 なる特徴の視覚化を助けることにより、各点は、その位置で反射されたレーザー パルスの強度から色彩による位置の特定を行うことができる。走査暗影1810 を図18に示しており、それは、馬の彫刻の表面を表す。図18に示すように、 すべてを単色の点で持つ代わりに、異なるレーザー戻り強度値を異なる色で指定 することができ、図19に示すように、多数の色着けされた走査フィールド19 10を生成する。強度の色による位置の指定は、ユーザーにかなり特別な表面の フィードバックを提供し、それは、後述するように、目標を定めること及びモデ ル化の両方に有用である。 生成された点の整理されたグリッドは、走査フィールドと呼ばれる。多数の重 複する可能性のある走査フィールドは、縮められて上述の方法で同時に表示され る。CGP40内のデータ構造は、走査フィールドのリストを保持しており、そ れにより、各データ点は常に走査フィールドと関連する。その走査フィールドは 通常多くの異なる対象の表面からのデータ点を含んでいるので、それれは次の章 で説明するように小さなグループに分割する必要がある。 分割 分割は、同一の対象の表面から走査された点を一緒にグループ化するプロセス である。単一の対象からの点は、走査フィールドの小さな部分となってもよく、 又は多数の走査フィールドを横切って発生してもよい。分割プロセスは以下に説 明するようにマニュアルでよく、又は、後に自動分割の章で説明するように自動 化されていてもよい。 図20を参照すると、マニュアルによる分割プロセスの最初のステップは、関 心のある対象上の走査点を含む1又は2以上の走査フィールド2010を選択す ることである。1又は2以上の走査フィールドを選択することは、キーボードの キーを一緒に用いることがあるポインティングデバイスを用いるような従来のど のような手段によっても実行することができる。走査フィールドを選択すること は走査フィールド内のすべての点を選択することである。そのステップの結果得 られた点のグループは、他の対象上の点を取り除くためにトリミングすることが できる候補点のプールを形成する。そのプール内の各点は最初に選択するように マーク付けされ、以下に説明する操作を用いて、選択されたものと選択されてい ないものとの間の点の状態を切り換えることができる。 図21を参照すると、所望の対象の表面からの走査点2010は、1又は2以 上の投げ縄操作を用いて、異なることがあるビューから切り取ることができる。 ユーザーは必要に応じてビューの方向を操作して点のプールの中の所望の集団の 明瞭なビューを得ることができる。ユーザーは次にポインティングデバイスを用 いて多角形の投げ縄の領域2110を描くことができ、それにより、そのスクリ ーンを2つの領域、つまり、多角形の投げ縄の内部及び外部に分割する。以下の 操作の機能を有する。つまり、選択された領域内のすべての点と選択されていな いほかのすべての点にマークを付け、他の点に影響することなく選択された領域 内のすべての点にマークを付け、他の点に影響することなく選択されていない領 域内のすべての点にマークを付けることである。投げ縄操作は、選択をより正確 に行うために必要に応じて何回でも繰り返すことができ、それにより、その投げ 縄操作の間にシーンのビューが変わることがある。ユーザーは、新たな点の組を 形成するために、最新の選択された点の組を切り取ることができる。その新しい 点の組は、それが次の章で説明するフィット操作に加わることができるという点 で走査フィールドのように振る舞う。図22において、点の3つの新たなグルー プ2210、2220及び2230が、ここで説明するマニュアル分割の方法を 用いて作られており、また、面の交差している位置の近くのいくつかの点は元の 暗影から取り残されている。 幾何学的フィット 一つの望ましい実施例においては、CGP40は、走査された対象の実際の表 面をシミュレートするために用いることのできる多くの幾何学的原図を含むこと ができる。その幾何学的原図は、三角形のメッシュ、平面、円筒、球体、円環体 、ライン及び点のような多くの標準的な原図を含む。幾何学的フィッティングの 最も簡略化されたフォームは、走査された対象の表面的な特徴を示すために走査 点を結合するような三角形状のメッシュを用いることを含む。図18の走査暗影 1810は図23に示すように描かれるようにメッシュ状2310にすることが できる。走査データは規則的なグリッド内で捕捉されるので、隣り合う点を結合 することによって三角形状のメッシュを作ることは簡単である。ユーザーは、ま た、深さ及び角度に不連続の差を設定して、特定されたしきい値より大きな値に よって分離された隣り合う点をメッシュすることを防ぐことができる。このよう にメッシュを外すことは、シュリンク包装の表面と呼ばれているように、より本 物のように見える表面を提供する。それは、閉塞端部には人工的なメッシュ表面 は発生しないからである。スムース化(ノイズ縮小化)及びメッシュの簡略化( ファインメッシュグリッドを必要としない滑らかな領域のメッシュ密度を減少さ せること)のような、広範な様々な既知のメッシュ操作を、合成メッシュに適用 することができる。メッシュの頂点に強度のような情報に応じて色をつけること ができる。 上記のように、CGP40は多くの標準的な幾何原図を含む。点をそのような 対象にフィットさせる前に、点暗影は上記のように分割しなければならない。一 旦分割すると、点の各グループは、幾何学的対象によってフィットすることので きる単一の表面を表すことができる。そのフィッティングは、フィットすべき形 状の種類を知っているようなユーザーによって指導することもできる。例えば、 部屋の隅を走査した後に、ユーザーには、壁上の点には平面を適合させることが でき、パイプ上の点には筒を適合させることができることが明らかになるので、 そのユーザーは特定の対象の適合を要求することができる。このプロセスを半自 動で行ってどの形状が最も特定の点のグループに適合するのかを特定することも できる。 一組の点に平面を適合することは、多くの公知の解像度を持つ簡単な問題であ る。平面を表すためにCGP40で用いられるパッチの広がりは、その平面内の 点の凸状のカバーによって決定することができる。例えば、図22に示す3つの 点のグループ2210、2220及び2230は、入手できるいずれかのフィッ ティングアルゴリズムを用いて、それぞれ図24に示す平面2410、2420 及び2430に別々に適合することができる。 多くの標準的なアプローチをより複雑な形状をフィットさせるために利用する ことができる。一つの望ましい実施例においては、2つの段階を含む。つまり、 開始点を得るパラメータ予測段階と最適化段階とである。ただし、そのパラメー タは全体の誤差を最少化するために変更される。その誤差の総計は、適合される 対象物の表面上の各走査点と最も近い点との間の距離の二乗の合計である。最適 化段階は、対象物のパラメータによって特定されるその対象物と走査点によって 与えられるデータとの間の誤差を除去するために従来の最適化方法を用いる。 円筒形適合装置は、図25に示す点の暗影2510を図26に示す円筒状物体 2610に変換する。その円筒を含む、フィットされたすべての対象は、その対 象に適合するように用いた元の点を引用する。ユーザーはいつでも最終的な円筒 2610又は元の点2510又はそれらの双方ともを見るために選択することが できる。マニュアル又は自動の分割方法を用いると、多くの円筒を表す図27の 走査暗影2710を、図28に示す最も適合した筒2810に変換することがで きる。各円筒の直径及び軸が確立されると、マニュアルで又は自動で図29の曲 がり部2910を加えることができ、これによって、モデル化プロセスが完了す る。 円筒は5つのパラメータによって描かれている。つまり、円筒の軸を描く正規 化されたベクトル(2つの独立したパラメータ)、半径及び円筒軸の作用のライン を空間的に配置するために用いられる2つの対かのパラメータである。最終的な 円筒の長さは、走査点をその円筒軸上に投影し、さらに、その投影の極値に注目 することによって決定することができる。 円筒パラメータを推測するための2つの新規な方法は、一つの実施例に組み入 れられる。円筒用に最初のパラメータを見つける第1の方法は、自動分割章にお いて説明するように、適切な表面法線を見つけることである。すべての法線がユ ニット長さに設定されると、それらのすべては、原点からユニット球体の表面上 の点までのベクトルとなると考えることができる。各垂直ベクトルを用いてユニ ット球体上の点のグループを累積すると、その最終的な点のグループを通じて平 面を決めることができる。その最終的な平面の法線は、円筒軸とほぼ並行である 。その円筒軸及び平面が前のステップから与えられると、走査点をその平面上に 投射することができる。その投射された点は、その平面内の円によってよく描か れている。それは、その平面は円筒軸と直交しているからである。最も良く適合 する円は、その平面に投射された点を用いて計算でき、それにより、その円筒の 半径の予測を与える。その平面状の円の中心を3D点に変換することによって円 筒軸上に点を与えることができる。 円筒パラメータを予測するための第2の方法は、一組の点を二次曲面に適合す ることである。それは陰関数表示の以下の式に示されている。 F(p)=0=c1p1 2+c2p2 2+c3p3 2+c4p1p2+c5p1p3+c6p2p3 +c7p1+c8p2+c9p3+c10 (1) ただし、p={p,p,p}は二次曲面上の点である。 次に、その式は陰関数表示なのでc10=−1を得ることができ、さらに、他の 9のパラメータを決定するためにすべてのデータ点を用いて最少二乗法適合を実 行することができる。所定の組の点に関して最良の適合二次曲面を決定した後は 、次のステップは、他の点の近くにある新たな表面(ps)上の点を実際に見つ けることにある。それは、走査点(pc)の重心を見つけ、次に、psを与えるた めに二次曲面上の最も接近する点を見つけることによって達成される。psにお ける表面の法線は、以下の式を用いて決定することができる。 Np=D1ps+D2 (2) ただし 2つの単位ベクトル(ユニットベクトル)u1及びu2は、次に、それらは互い に及び他のNpの両方と直交することがわかる。それらのベクトルは、考慮中の 点の表面に関する基礎を形成し、その表面上の追加のベクトルは以下のように表 すことができる。 Vα=u1cosα+u2sinα,0≦α≦2π (3) 基本単位ベクトルvαは、以下の式を満たす回転αを決定することによってわ かる。 vα・(Np×D1α) (4) その式に対し直交基本単位ベクトルv1及びv2を与える2つの解法がある。そ れらの2つの主方向における表面曲率κは次の式から与えられる。 円筒表面においては、主たる曲率の1つはゼロ近くになり、円筒の半径は非ゼ ロ曲率の絶対値の逆数である。円筒の半径(r)及び軸を決定するための方法を =Np/‖Np‖のように計算することができる。点の重心は円筒の内部に存在す る 部を指し示すように、その法線の向きを調整することができる。その軸上の点は 次にps+rnによって与えられる。それらの開始パラメータは、最少化プロセ スにおいて用いられて、その円筒のためにもっとも適合するパラメータを発見す ることができる。 二次曲面公式を使用して曲率を推定する上記新規な方法は、さらに自動オブジ ェクトタイプを決定するための新規な方法に使用される。もしもフィットするポ イントが平面で良く表されているなら、両方の曲率はほぼゼロとなろう。もしも フィットされているポイントが円筒面から得たものであれば、一つの曲率はほぼ ゼロであり、他方はゼロではない。もしもポイントが球から得たものであるなら 、両方の曲率がゼロでなく、それらの大きさはほぼ等しい。オブジェクトタイプ の自動検出を後述する自動セグメンテーションアルゴリズムを組み合わせること により、通常のスキャンシーンにおいて生じる多くのオブジェクトを自動フィッ ティングする新規方法をCGP40にもたせることが可能となる。 曲率推定の別の使用法は球面フィッティングである。これは中心点の位置およ び半径を近似する二次曲面アプローチを使用し、次いで4パラメーター最小化法 (four-parameter minimization)を使って球モデルと測定したポイントとの間 のエラーを低減させることにより達成される。(4個のパラメーターは中心点お よび半径である。)円筒形の軸線上の一ポイントを発見するための上述の新規方 法は、球心を発見する好適な実施例においても使用される。 上述したセグメンテーション技術は前述した球の組合わせに基づく有用な種々 のフィッティングツールを生成するのに使用することができる。たとえば、3個 の平面の交わり(これは直角であってもなくてもより)からなるコーナー(隅) は、非常に普遍的なスキャン対象である。指定したポイントグループが図20の ポイント2010のような3個の交差平面を含むことが知れていれば、これらの ポイントは自動的に後記技術方法を使用して、各々に別個の平面上に存在するポ イントからなる3個のサブグループにセグメント化できる。次に、任意の利用可 能な平面フィッティングアルゴリズムを使ってこれらの平面をき各グループ内の スキャンポイントにフィットできる。後述するもっと一般的な自動セグメンテー ションアルゴリズムとは異なり、もしもコーナーオブジェクトが3個の平面から 構成されることがわかれば、フィッティングアルゴリズムは円筒形、球あるい は他のオブジェクトをフィットする必要はなく、いずれが最もより良くフィット をするかを検査する必要が無く、平面のフィットのみが必要である。図30を参 照して、コーナーフィッティングツールは平面3010、3020、3030を フィットするのみならず、これら平面と交差してコーナーを完成する。図30に 示すように、線3040、4050、3060を平面対の交差部に導入すること により、またコーナーの位置を表す頂点3070を導入することにより、ユーザ ーはさらに有用な情報を得られる。この頂点は単一のスキャンポイントよりもは るかに正確である。なぜならば、各平面は多数のデータポイントを使ってフィッ トされ、頂点はこれら平面の交わりによって生成されるからである。交線および 頂点を使ってコーナーを自動生成する上記の新規方法はCGP40のツールとし て使用することができる。 各オブジェクトは当該フィットの品質についての情報を格納する。その結果ユ ーザーはオブジェクトのクエリー(問合せ)を発し、平均値、標準偏差、および 最悪のエラーを調べることができる。FDV10の精度が判れば、CGPあるい はユーザーは、フィットの際にエラーが生じたか否かを決定することができる。 エラーは、誤ったタイプのプリミティブをフィットしたときに、あるいは所望の 表面からは実際にスキャンされなかった無関係のポイントがデータセット内に残 っているときに生じる。さらに、オブジェクトはその幾何学的パラメーターを格 納するので、ユーザーは半径、長さ、その他の関心あるものの値を問い合わせる ことができる。 一般的オブジェクトフィッターの範疇に入るもの(これらはフィットすべきポ イント以外にはどの初期情報にも近くないが)に加えて、当該シーン内のオブジ ェクトに関する予備知識を利用できるある範疇のフィッターがある。そのような 予備知識が存在する領域は建設産業の領域である。この領域では、使用するパー ツは標準的な寸法および設計仕様にしたがう。例えば、ある特定の製造業者から 販売されるパイプの外形は4インチ、5インチ、6.5インチ、8インチおよび 10インチの5種類の異なったサイズで製造されているかも知れない。この情報 は通常、これらパーツの重要な属性を記載した一覧表に載っている。円筒形フィ ッターはこれらの表の情報を利用してサーチすべき解答空間(solution space) を著しく減らすことができる。フィッターは、これらの直径の円筒形の一つに関 する解答をサーチするだけでよい。そのような一覧表を使用するもう一つの方法 は、フィッターが一般的な解答に遭遇して、オブジェクト表に記載されている事 物とのマッチングを試み、最も近いパラメーター値をもつ事項を発見することで ある。例えば、7.8インチ直径の円筒によるパイプフィットは上記の例から、表 の8インチエントリにマッチしよう。この場合、ユーザー(あるいはフィット操 作者)は8インチ円筒をパイプに再フィッティングするか、あるいは7.8イン チ円筒を受け入れるかの選択をする。さらに別の使用方法は、ユーザーが手操作 で表からある特定のエントリ(記載事項)(あるいはエントリの集合)を選択し、 当該フィットにそのパラメーターを使用することをフィッターに告げることであ る。これもまたフィット操作者の解答空間を低減する(これは所要時間を減らす ことができる)。 モデリング 前のセクションで述べたように、幾何学的プリミティブのフィッティングは、 普通、モデリングプロセスを完結しない。円筒の一端とか壁の一部とかのように オブジェクト上面の一部のみがスキャンされる場合が多く、3Dモデルの完成に は更なるオペレーションが必要である。モデリングは、いくつかのフィット済み 幾何学的プリミティブを与えられた上で、3Dモデルの構築を完成させるプロセ スである。 拡張、交差(相互的拡張)およびトリミングのような多くの普遍的CADオペ レーシションがCGP40で利用できる。たとえば、図31の円筒3110は初 め床面3120まで延びていない。図32で、円筒3220は床面3120まで 拡張されている。これら簡単なオペレーションにより、幾何学的フィッティング によって生成されるオブジェクトから出発してモデル諸部分を迅速に完成するこ とが可能となる。例えば、コーナー付近のスキャンデータからフィットされた3 個の平面パッチが与えられたとき、3個の平面を互いに拡張してコーナーの特徴 を完成させることは容易である。 オブジェクトの拡張はいくつかの方法で達成することができる。一つの方法は 、 拡張すべき幾何学的オブジェクトを選択し、それらをその後に選択されたオブジ ェクトまで拡張することをオブジェクトに命令することである。拡張の性質は、 拡張すべきオブジェクトの型(タイプ)と選択される第二のオブジェクトとの両 方によって決定される。例えば、円筒は、第二オブジェクトに近い端部がその中 心線に沿って第二オブジェクトの幾何学形態によって確定される無限平面と交差 するまで延びる(平面状のパッチの場合は、無限平面はパッチ面であり、円筒の 場合は無限平面は上記中心線を含むと共に可能な限り拡張円筒に直角となる面で ある。) もう一つの方法は、オブジェクトハンドルを使用することである。オブジェク トハンドルはユーザーが掴むことができるノードである。これらのハンドルは適 当にオブジェクトの定義(位置、方向、およびサイズ)に結合されており、ハン ドルを移動させることにより、オブジェクトの定義がそれにしたがって変化する 。再び述べるが、円筒を例に取ると、拡張すべき端部にあるハンドルを掴み、次 にそのハンドルを所望の位置まで移動することにより(かつ円筒を拡張すること により)、上述した同じ拡張が達成できる。ハンドルの運動はそれが結合されて いるオブジェクト部分に依存する。円筒の中心線上のハンドルは中心線に沿って のみ移動できるように束縛されているが、平面状パッチの境界に付けられたハン ドルはそのパッチ面の内側のみで移動するように束縛されている。いくつかのオ ブジェクトの場合、ハンドルはこれを挿入し、除去することができ、当該オブジ ェクトの形状の定義を変更することができる。(例えば、平面状パッチ上のハン ドルは、平面状パッチの境界上の頂点に1対1の対応をもっている)。他のハン ドルにはオブジェクトに対して回転に関する制御を与えることができる。ハンド ルによる制御は対話的かつ動的な更新を行う。したがってユーザーは再定義の中 間結果を観ることができる。 併合と呼ばれる新規のオペレーションが開発されており、これによって単一オ ブジェクトの表面のいろいろの部分を結合してCGP40内の単一オブジェクト を形成することができる。人が観たオブジェクトの景観は、しばしばその前にあ る他のオブジェクトにより不鮮明になることがある。例えば、ある部屋の後方の 壁の景観は前方にある柱のため、二つの断片に分けることができる。その領域の スキャンはその特定のオブジェクト上のいろいろのグループのポイントを発生す る。もしも手操作による方法(これは諸々のポイントが同一オブジェクトに属す ることをユーザーが知っている場合である)ではなく、後述する自動セグメンテ ーションを使用するなら、分離したポイントグループが形成されるだろう。次に 各ポイントグループは別個のオブジェクトにフィットされる。その結果、同一表 面の多重断片が生じる。柱により不明瞭化した壁の二つの平面状パッチのような 、同一対象物の表面上にあることが知られているCGP40内に二つのオブジェ クトを単一のオブジェクトに併合することができる。各オブジェクトはそれを定 義するデータポイントに対する参照を格納するので、併合リクエストを受け取る と、下層にある(underlying)データポイントすべてに新たな幾何学的フィット が行われる。これらのデータポイントは、最良の全体的フィットを達成するため の幾何学的形態を構成する部分のデータポイントである。オブジェクトフィッテ ィングの精度を増すこの新規方法は、本発明の好適な一実施例の併合オペレーシ ョンに使用される。併合した二つのプリミティブオブジェクトの特性は併合の結 果に影響しない。下層のポイントの位置のみが考慮される。 手操作あるいは自動的方法を使って、ユーザーは図33に示すピラミッド33 10上のポイントのような、多数のオブジェクト表面から得たポイントの集団( cloud)3320を収集することができ、それらを図34のピラミッド3410 の平面状表面のような一組の幾何学的オブジェクト3420に変換することがで きる。図34に示すモデル化したシーンはスキャンした元のオブジェクトの特徴 を正確に表し、モデル化するシーン内の任意の特定の場所の間で行う測定を可能 にする。 シーン登録 各スキャンポイントの初期位置は,FDV10の原点をその原点としその軸線 がFDV10に対して固定されているローカル座標システムで記述される。それ ゆえ、FDV10を移動させることなく取られたスキャンフィールドは(すべて のスキャンポイントが同一の座標システムを使用するという意味で)本来的な意 味で登録されるしかしながら、もしもFDV10がスキャニングオペレーション の間で移動されると、そのデータが共有の座標システムを使用するために必要な 変換を行う余分の努力が必要となる。これは3個の平行移動と3個の回転パラメ ーターとを含めて6個のパラメーターを含んだデータセットの剛体変換であり、 一旦変換が知れればデータに適用することは容易である。 いろいろのFDV10の位置からスキャンフィールドを登録するのに、ある新 規な登録プロセスを使用する。この新規な登録プロセスは、同一の特徴部分を表 す2個の異なるシーンにおける一対のポイント、ライン、あるいは平面をユーザ ーが同定することを要求する。壁の背面および正面のような異なる特徴部分も、 ユーザーがそれらの間のずれを知っているなら、使用することが可能である。平 面およびラインは以下に述べるようにポイント対に変換することができるので、 本プロセスは完全にポイント対に作用する。登録に使用したこれらのポイントは 実際のスキャンポイントか、あるいは3個の平面の交点におけるコーナーのよう な構築点であっても良い。 一組のポイント対を与えられたとき、本登録プロセスは同一線上にない3対の 使用可能ポイントのみを探す。これらの3個のポイント対を使って、一つのビュ ーにおける座標システムを他のビューで使用する座標に変換するのに必要な変換 を構築することができる。この変換はさらに、すべてが単一の座標システムを共 有するようにスキャンポイントを変換するのに使用することができる。便宜のた め、本プロセスは第一組のデータセットを固定したままの点とし、第一組の座標 システムを使用するために第二組のデータを変換するものとする。 最初のステップは、第二組のデータセットに剛体変換を行い、x,y,z座標 を使って第一ポイント対を一致させることである。第二のステップは、両方のデ ータセットのポイント1と2とで形成されるラインが重なるまで、その第一ポイ ントの周りに第二データセットを回転することである。第三のステップは、前の ステップで確立したラインの周りに、両方のデータセット内のポイント1、2、 3で確定される平面が重なるまで第二データセットを回転させることである。 一旦初期推定ができると、これらすべてのポイント対およびエラー最小限化法 を使って各ポイント対間の距離の平方の和を小さくすることができる。 上述したポイント登録法を使用するためには、CGP40はライン、平面、お よびポイント対に対するオフセットを付き平面を変換する新規な方法を使用する 。ゼロでない平面オフセットが存在するときは常に、第一シーンの対応点と完全 に一致する位置まで、導入した新しいポイントが第二シーン内で移動される。平 面およびラインをポイントで置換することにより、最小化のためのエラー関数を 書くことが簡単になる。なぜならばこのときは角度および距離のエラーが同時に 関与せず、ポイントエラーのみが関与するからである。 平面およびラインを置換するに際して、ユーザーが指定したオブジェクトに対 して相対的な位置にあるポイントを導入するだけでよい。なぜならば二つのデー タセットの原点が異なるからである。例えば、原点に最も近い位置にある平面内 に新規なポイント対を導入しても、空間的に実際に一致するポイントにはならな い。というのは、原点が任意であるからである。しかしながら、平面とラインの 交点にあるポイント対を導入することは、二つのデータセット内において一致す るポイントを与えることになる。平行線のようないくつかのオブジェクト対は新 しいポイントを導入するのに使用すべきではないので、以下に述べる「ATOL 」と呼ぶ角度許容限界を使用してかかる不適な対を無視する。ATOLは初期値 として10度に設定されるが、もっと小さな値を、あるいは人工的なポイント対 を必要に応じて生成するために他の値を、使用することができる。ポイント対は 以下の順序で導入される。 ラインと平面との間の角度がATOLより大きなすべての平面-ライン対に対 して2個の新しいポイント対を導入する。第一の新しいポイントはラインと平面 との交点に挿入され、第二ポイント対は第一ポイントからある固定距離(ここで は二つのビューにおけるラインの長さの最小値を選ぶことにする)にある作用線 に沿って挿入される。 平面およびポイントのすべての対に対して、新しいポイント対を平面上に導入 する。ただしこのとき、平面の法線が新しいポイントと指定したポイントを通過 するようにする。 法線が少なくともATOLにあるすべての平面対に対して、平面の交線に沿っ て新しいラインセグメント(線分)を生成し、そのラインセグメントの長さを、 任意の平面がそのラインに沿って有する最小値に等しくする。この新しいライン セグメントは方向を何らもっていないが、長さおよび位置情報の両方をもってい る。このステップの後、平面群はもはや不要である。 ラインおよびポイントのすべてについて、指定ポイントに最も近い位置にある ライン上に新しいポイントを導入する。 ATOLより大きな角度に離隔されたラインの対すべてに対して、4個の新し いポイント対を導入する。新しいポイント対は、元の作用線に沿ったラインセグ メントの端点であるが、二つのラインの最近接点の位置を中心とする。新しいラ インポイント間の距離は、その作用線に沿って二つのデータセットから測った、 ラインセグメントの長さの最小値に等しい。このステップの後、これらのライン はもはや不要である。 上述した平面およびラインの置換をした結果、元の平面およびラインに関する 方向情報を保持する一組のポイント対が得られる。導入した補助的なポイント対 の組は上述した登録プロセスに使用することができる。 二つのシーンの登録後、同一の物理的オブジェクトを表す二つの個々のビュー から得られたプリミティブは、前述した併合技術を使って組み合わせることがで きる。特に、同じ表面を表す一致する平面状パッチは、組み合わせて一つの拡張 した平面状パッチにすることができる。同様にして、一致する円筒表面単一の円 筒に併合することができる。 データセットのワーピング 上述した登録プロセスはいずれのデータセット内のオブジェクトの相対位置も 修正しない、剛体変換である。登録後、同定された大抵のポイント対、ライン対 、あるいは平面対は依然として小さなエラーをもっている。というのは、最小化 プロセスは全平均2乗誤差を最小化するに過ぎないからである。ここに示す新規 な方法は、ユーザーが、シーンのボリュームを変形することにより同定済みの対 を厳密にマッチさせることを可能にする。 任意の測定データについて、各スキャンポイントロケーションに関するある程 度のエラーがある。一つのポイントロケーションに関するエラーの大きさは使用 する測定技術によって変わるが、ある種のエラーは常に存在する。ここで考えて いるデータはオブジェクトの表面の特徴を記述するので、データエラーは表面の 不規則性を示す。例えば、実際の平面状の表面の測定から得られた一組のポイン トはすべてが一平面上にはないかも知れない。測定ポイントの組に最も良くフィ ットする平面の計算は、ポイントデータセットに内在するエラーのため、実際の 平面ロケーションあるいは方向を与えないかも知れない。 平面などの復元した対象に含まれるエラーは復元したオブジェクト間の関係に も同じようなエラーを起こす。例えば、もしもデータが、相互に厳密に90度を なす二つの平面から集められると、これらのデータから生成される最も良くフィ ットする平面は厳密に90度離れていないかも知れない。同様に、現実には平行 である円筒は、スキャンポイントからフィットした後には最も良くフィットさせ た円筒が平行でないものとなるかも知れない。復元した対象におけるこれらの一 貫性の欠如は測定誤差により生ずるものであり、ポイントが単一のスキャン位置 から収集したものであっても、あるいはいろいろの異なる位置からスキャンした ものの合併であっても現れる。 相対システムを使っていくつかの異なる組のスキャンデータが登録されると、 フィット不足の問題は実際上大きなものになる。もしも一連の順次的スキャンが 収集され、また、前のスキャンで得られたいくつかの認識可能なデータポイント シーケンスに関して各スキャンが登録されると、各スキャンにおける絶対エラー は大きくなりうる。スキャンのシーケンスの終わりに、対象物のロケーションが 厳密に知れているなら、それらが既知ロケーションにフィットするよう、スキャ ンデータポイントを調整しなければならない。2Dの閉じ込み問題および3Dベ ンチマークマッチング問題は両方とも、上述した問題と性質上類似している。閉 じ込み調査(surveying closure)の応用例では、一連のロケーションを調査し 、開始ロケーションに戻ってくるのであるが、累積的測定誤差があるために開始 ロケーションおよび最終ロケーションが厳密に同じロケーションでない事態が見 つかる。閉じ込みエラーは開始ロケーションと最終ロケーションとの間の距離で あるが、これは良く知られている調査の技術を使って、修正後には第一ポイント と最終ポイントが会合するように、集めた他のデータポイントに分散させる。同 様にして、既知ロケーションのベンチマーク調査を調査データセットに導入する と き、そのデータセットは既知ベンチマークロケーションを収容するように調節し なければならない。閉じ込み問題およびベンチマークマッチング問題は両方とも 、ここに述べる方法によって解決することができる。なぜならば、それらは束縛 点の変位で記述できるからである。 ここに記述する新規な方法は、当該データポイントを囲むある体積に固体力学 の原理を適用することにより、測定した3Dデータセットに含まれるロケーショ ンエラーを矯正し、エラーをポイントセットに分散させる。この方法は、3Dデ ータセットに課される広範囲な変位束縛条件(displacement constraints)を満 足するための技術を与えると共に、測定誤差をデータセット全体に分散させる。 これらのゴールを達成するため、データセットを変形するこのプロセスはワーピ ング(湾曲法)と呼ばれる。変位束縛条件は両方の制御ポイント(control poin ts)およびタイ(結び)ポイント(tie points)を使って特定することができる 。これらの制御ポイントの絶対座標は空間内で既知であり、移動しないポイント であり、またタイポイントは二つ以上のデータセットにおいて同じロケーション を表すが、絶対ロケーションは不明のポイントである。さらに複雑なオブジェク トが関与する束縛条件も記述できる。例えば二つのポイントを指定することによ りラインセグメントを、また三つのポイントを指定することにより平面を記述で きる。このようにして束縛条件のファミリー全体が指定でき、ポイント、ライン 、および平面から成るグループに適用することができる。 すべての束縛条件はゼロあるいはゼロでないオフセット項を含む。ポイント間 のゼロオフセットは、それらのポイントが同じ最終ロケーションを共有すべきで あることを示すが、そのロケーションがどこであるかを処方しない。もしもこれ らのポイントの一つが既知の絶対位置をもつ制御ポイントであったなら移動しな いから、束縛条件を満足すよう、束縛を受ける他のポイントが同じロケーション まで移動するように仕向けられる。すべての場合に、最終ロケーションは固体力 学の解法でつかわれるエネルギー最小化プロセスで生成される。二つのポイント 間のゼロでないオフセットは、ワーピングプロセスを適用した後の当該ポイント がある距離だけ離れていることを表す。 もしも束縛条件の対象オブジェクトが(ポイントではなく)ラインあるいは平 面であるなら、我々はオフセットに加えてオブジェクト間の角度を指定すること ができる。このタイプの束縛条件ファミリーを使って、一つ以上のデータセット 内の任意数の対象間の関係を指定することができよう。本発明は単一の3Dデー タセットあるいは複数の3Dデータセットのいずれが関与しようとも、また束縛 条件が同一もしくは別異のデータセット間にあろうとも、うまく機能する。 束縛条件問題の解決は、前節で述べたようにデータセット各々を登録すること により始まる。その結果、すべてのデータが単一の座標系を共有する。次に固体 力学理論が、変位束縛条件を満たすように各データセット内のポイントを囲む体 積に適用される。ワーピング法が生成された一つ以上の体積に対して、これらの 体積が与えられたデータセット内のすべてのポイントを囲むように作用する。こ れらの各体積は特定の物性をもった変位可能な材料で作られているとみなされる 。弾性率が1でポッソン比がゼロの等方的材料が使用できる。固体力学の解法が 、指定された束縛条件を満たす最小エネルギー変位のパターンを見つける。 我々は、これらの各体積のが可撓性材料で作られている、と描像することがで きる。もしもある体積を剛体運動をしないように固定し、内部のある点に対して 新しいロケーションを処方したとすると、我々はその体積の変形を想像すること ができる。その場合、注目しているポイントのみならず体積の残りの部分もこの 変形に関与する。実際には、束縛条件自体が複数の体積を一体的に固定するのに 使うことができる。力学の原理を使って、我々は上記束縛条件を満たす最小エネ ルギー体積変形を決定することができる。これは、同じ束縛条件を受ける現実の 変形可能なオブジェクトに実際に起きる現象を擬似的に表している。 一つの特定の実施例では本ワーピング法は、データポイントに課される一組の 束縛条件を満たすため、注目するポイントを含むある体積を変形する固体力学の 原理を使用する。束縛条件が満たされるのみならず、初期ロケーションエラーの 効果が演算対象の体積全体に分散される。 これらのポイントを内包する体積に固体力学の原理を適用するのに有限要素法 が使用される。体積は一組のポイントあるいは頂点とこれら頂点を結ぶ一組の要 素とに離散化される。体積の離散化のため、4個のノードをもつ四面体が使われ る。 このプロセスの最初のステップは、一つ以上のデータセットに適用される束縛 条件の組を集めることである。この段階で我々はワーピングプロセスが満たさな ければならない束縛条件を同定しなければならない。これらの束縛条件には立方 体のコーナーのような、異なるデータセット(タイポイント)内の同一の物理的 ロケーションを表すポイントの同定が含まれる。それらのデータセットは、ワー ピングプロセスが完了したときは同じロケーションに現れるものである。タイポ イントのいくつかは元のデータセット内でスキャンされたポイントではなくて他 のポイントのグループから構築されたものかも知れない。例えば、もしもコーナ ーで交差する3平面を表す一連のポイントがあったとすると、これらのポイント に3個の平面をフィットすることができ、その結果得られるコーナーポイントを 一つのタイポイントとして使うことができる。束縛条件はポイント、ライン、お よび平面のようなオブジェクトの対、および所望のオフセット、両者間の角度で 指定することができる。束縛上意見に関与する二つのオブジェクトは単一のデー タセットに含めることができ、あるいは異なるデータセット内に起こすことがで きる。単一のデータセット内で、我々はラインあるいは平面が平行に留まること 、あるいは二つのポイント間の距離が指定した大きさであることを、指定するこ とができる。複数のデータセット間に、我々は同じような束縛条件を書くことが でき、あるいは二つのデータセット内に見られる対象が同じオブジェクトを表す ことを指定できる。また、我々はいくつかのポイントの実際のロケーションを非 常に正確に知っており(ベンチマーク)、データセット内の束縛条件ポイントが既 知ロケーションにあることを知っている可能性がある。データセット内の別のポ イントを固定するためこれらのベンチマークポイントを使うことにより、閉じ込 み問題を解決することが可能となる。というのは、測定したデータポイントが所 望の制御ポイントロケーションに厳密に移動し、データセット内のエラーが体積 全体にわたって平滑化されるよう、データセットがワーピングされるからである 。 ワーピングプロセスの第二のステップは、前節で述べたように、関与したデー タセットすべてを登録することである。ワーピングプロセスにおける第三のステ ップは注目する領域を囲む体積を選択し、その体積を一組の新しいポイントで記 述することである.FDV10でスキャンでききる領域は、ビュー体積と呼ばれ 、 ピラミッドの先端がスキャニング装置の原点に置いたときのピラミッド形状をし ている。ピラミッド形状はワーピングを行う目的上、ビュー領域の範囲を指定す るのに使用することができる。またピラミッドはデータポイントと同じ座標系を 使って容易に5個の点で記述できる。これらの新しいポイントはデータセットの 一部には成らないが、、ワーピングプロセスにおいて使用される。これらのポイ ントの凸開包(convex hull)は新しい体積の表面を表し、すべてのデータポイ ントを内部に包含すべきである。このオペレーションは各データセット毎に別個 に行われる。 第四ステップは、各データ体積をメッシュ化(meshing)することである。メ ッシュ化はまったく空隙を残さない、かつ重畳しない、有限の要素で体積を満た すことである。体積の境界上に確定されており、内部に課される束縛条件に含ま れるポイントあるいは頂点の間を、有限要素がまたがっている。データセット内 のポイントがすべてワーピングプロセスに含まれる必要はない。束縛条件の指定 に仕様されるもののみ、および体積の境界を画定するもののみを含めればよい。 初期のメッシュ内の要素は、それらの形状ゆえ、粗末なものであるかの知れない 。例えば長い細長素材(sliver element)は、その形状ゆえに有限要素解析法で は粗末な品質をのものになることが知られている。それゆえ、メッシュ化プロセ スは実際には反復的に行うものである。メッシュ中に新しいポイントが挿入され 、次に旧い要素が除去され、メッシュの品質が向上するように新しい要素が導入 される。この反復プロセスは、メッシュの全体的品質に満足が行くまで続けられ る。好適な一実施例では、4個のノードをもつ四面体要素が使用される。初期メ ッシュは開始時点の組のポイントに3Dデローネイ三角化法(3-D Delaunay triangulation)を適用して構築される。この反復プロセスは、要素品質測度 (element quality mesure)を使って粗末な形状の要素を同定し、新しいポイン トを導入してその領域を再メッシュ化する。このプロセスは、すべての要素が最 小限品質規格を満たしたとき、終了する。好適な実施例はメッシュを改善する新 しいポイントを導入するのに最長縁二等分法を使用するが、他の方法を使うこと もできる。 第5のステップはステップ1で述べた束縛条件を処理してこれを線形束縛条件 系にする。好適な実施例では、最終的束縛条件系は四面体要素の頂点におけるノ ード変位に関して線形である。束縛条件の所望の形は: Cu=q (6) である。 行列Cは要素が定数の定数行列である。Cの行数は系の束縛条件の数に等しい 。ベクトルuは四面体要素の頂点の3D変位を表す。ベクトルqは定数係数を含 む。もしも束縛条件が斉次であるなら、qの各要素は0である。方程式(6)に 与えられている束縛条件の特定の形は任意の線形多重ポイント(一以上のベクト ルを含むもの)に対する束縛条件を許容する。 ステップ1で特定した束縛条件の上記の形への変換は、関与する束縛条件のタ イプに依存する。2個の点を一体に結びつける場合であれば、束縛条件は p1+u1=p2+u2 (7) 又は、u1−u2=p2−p1 (8) となろう。 これらの方程式で、p1およびp2は原点から注目している頂点に至るベクトルで ある。u1およびu2は同じ頂点のワーピング中の変位である。方程式(7)は、各 頂点の最終ロケーションがワーピング期間中は初めのポイントに変位を加えたも のに等しいが、他のポイントの最終のロケーションに等しくなることを要求して いる。方程式(8)はq=p2-p1と置いた方程式(6)の形であり、ノード変位の x、y、z成分で表した3個の線形束縛条件を与える。方程式(8)を方程式( 6)の形に展開したときの3個の方程式にすると、次式が得られる。 2個のポイント間の距離のような他の束縛条件はその性質用、非線形である。 この非線形束縛条件は、システムについて成立している幾何学的形態を使用する ことができ、また線形多重ポイント束縛条件を生ずるための小さな変形仮定と同 様に使用できる。例えば、2個のポイント間の所望の距離をある指定値Xとする ためには、最終ポイント間のベクトルV21を次式 v21=(p2+u2)−(p1+u1) (10) で決定し、次にベクトルの所望の長さを次のように指定すればよい。 ‖v21‖=x (11) 上式はベクトルの内積を使って次のように書ける。 v21・v21=x2 (12) 方程式(11)および(12)はノードの変位u1およびu2で表したとき、共に 非線形である。この束縛条件を線形化するため、我々は元の作用線に沿って測っ た所望の長さを、所望のオフセットに等しいと置くことができる: v21・n21=x (14) 又は[(p2+u2)-(p1+u1)]・n21=x (15) u2・n21-u1・n21=x−‖p2−p1‖ (16) 方程式(16)の右辺の項はポイント間の所望の距離からポイント間の現在の 距離を引いたものである。n21のx、y及びz成分は束縛条件である。方程式( 16)は単一の束縛条件として以下の適切な形に表すことができる: ステップ6で最終的な線形方程式系が組み立てられる。このステップには二つ の部分がある。その第一は、各四面体要素に対して要素の剛度(stiffness)を 組み立てることであり、その第二は束縛条件処理テクニックを選択して適用する ことである。要素の剛度の計算および組立は標準的有限要素法の手順に従う。方 程式(6)の形の束縛条件を使うと、束縛条件処理方法が関わる。線形束縛条件 退こうかを導入するにはラグランジの未定乗数法を使うことができるが他の任意 の方法、例えばペナルティ法または変換法も同様に効果的に使うことができる。 ラグランジ未定乗数法を使って、我々は当該システムの各束縛条件に対して最 終方程式系の中に新しい変数を導入する。このとき、束縛条件のないシステムに 対する静的釣り合い方程式に修正する。それは次式で与えられる。 Ku=r (18) 方程式(18)で、Kはシステムの剛度行列であり、個々の要素剛度の寄与か ら組み立てられる。uはベクトルの変位であり、本問題の解である。rは外部か ら加えられた負荷を示すベクトルである。本発明のこの実施例では外部からの負 荷はない。したがってrはゼロのみを含むベクトルである。方程式(18)はい かなる束縛条件の効果も含んでいないが、ラグランジ末定乗数法を使ってそれを 含めることができ、その結果次の方程式系が得られる: 方程式(19)で、K,C,u、r、およびqは前に定義した量である。uL は本方法を使って付加的に導入されるラグランジ未定乗数の変数を含むベクトル である。行列CTはCの転置行列である。0はゼロ要素から成る行列である。方 程式(19)の解はCおよびqによって記述される線形束縛条件を満たす変位u を与える。これらの束縛条件は非線形束縛条件を線形化したものでよいこと、ま た非線形束縛条件箱の時点では解により満たされないかも知れないことに注目さ れたい。 ラグランジ未定乗数法の変わりにペナルティ法あるいは変換法を使ったなら、 線形方程式系は方程式(19)とは異なったものとなるであろう。しかし方程式 の線形系の解は変位ベクトルuに対して類似の値を与える。 ステップ7で、方程式(10)が解かれ、uおよびuLが得られる。大きな線 形方程式系を解くための多数の方法がある。この好適な実施例ではプロフィル格 納方式(profile storage scheme)の対称ソルバー(symmetric solver)を使用 する。使用できる別のタイプのソルバーは本質的に同じ結果を与えるが、計算速 度およびメモリの使用を最適化する方法が異なる。 この実施例では直接ソルバー(direct solver)を使用するが、逐次粗間ソル バー(iterative sparse solver)も同様に使用することができる。方程式(1 9)に示す方程式系は粗間法に基づくので、適当なソルバーを選択することによ り、顕著な速度の改善を達成できる。しかしながら、ワーピングプロセスの総体 的結果はこの選択に影響されない。 ステップ8で、現在の変位が所望のレベルの精度を満たすか否かを検査する。 もしも現在変形されている形状がステップ1で集めた束縛条件のいずれかに含ま れるオフセットあるいは角度に違反するなら、新しい変形形状から出発してステ ップ5ないし7を反復しなければならない。形状の線形化は、各反復で変化する かも知れない。というのは、体積の幾何学的形状は累積的変形にしたがって変化 するからである。すべての束縛条件が許容範囲内で満たされると、ステップ9に 進むことができる。 ステップ9はステップ7で計算したノード変形uを使って体積内における、注 目している任意のポイントの変形を決定する。注目している各ポイント毎に、我 々は表面上あるいは内部のポイントを含む有限要素を見つけなければならない。 もしもポイントがある要素の内部にあるなら、そのような要素がただ一つ存在す る。もしもそのポイントがある要素の表面上あるいは縁上にあるなら、その点を 含む可能性のある要素がいくつか存在する。これらの要素のどれを選択しても注 目するポイントが移動するか否かを決定することができる。もしもその点が要素 間で 共有されているなら、ポイントの変位を発見するためにそれらのいずれの要素を 使用しても同じ結果が得られる。一旦ある要素が同定されると、その要素の頂点 の変位がuから抽出され、その変位を使って内挿法により内部の任意の点の変位 を決定する。本実施例ではこの手順として線形な有限要素形状関数(finiteelem ent shape functions)を使用しており、有限要素解析において普通に用いられ るオペレーションである。 自動セグメンテーション 以下に述べる新規な自動セグメンテーションプロセスは前述した手操作モデリ ングプロセスに類似した逐次オペレーションを含む。あるポイント群(cloud of points)がセグメント化され、幾何学的プリミティブオブジェクトがポイント 群にフィットされ、次いで拡張および挿入のようなモデリングオペレーションを 使ってモデルを完成させる。この新規なプロセスにおいて、プロセス全体に対す ると同様、これらの各ステップが自動化される。 普通に用いられているマシーンビジョン技術(machine vision technique)の 修正版を使ってスキャンポイントを、プリミティブの幾何学的形状を表すグルー プに自動的に区分け(partition)することが可能である。グリッド化したスキ ャンフィールドが2次元ポイント配列の形で格納される。この配列は通常のビッ トマップに多くの点で類似している。スキャンフィールドには単なるカラー情報 以上の情報が各ロケーションに格納されている点で、スキャンフィールドはビッ トマップとは異なる。各ポイントは空間におけるそのロケーションを格納してお り、それからスキャナまでの距離および戻りレーザーパルスの強度を計算するこ とができる。ポイントに格納されている3次元位置から計算される深度情報はこ こに述べる自動セグメンテーションアルゴリズムにとって極めて重要である。も っとも、通常はその他にもイメージスキャンオペレーションに、フィルタリング 、格付け(rating)、識閾値処理(thresholding)および細線化(thinning)のよ うな多くのオペレーションが使用されている。 自動セグメンテーションプロセスの最初のステージはグリッド内の各点におけ る表面の法線を推定することである。これは多くのいろいろの技術を使用して達 成することができる。本ソフトウェア使用している現実施例は当該ポイントを囲 む3x3グリッドにおいてそのポイントの最近傍ポイントに一つの平面をフィッ トする。こうして得られた平面の法線が中心点におけるハウジング線ととして採 用される。グリッド内の各ポイントは同じように計算された法線を有する。ただ し縁およびコーナーポイントは法線の計算では欠落した近傍ポイントを無視する 。各点に格納された法線は3次元ベクトルであり、単位長さをもつように規格化 される。 第二のステージで、グリッド上に標準的縁検出フィルタを被せることにより二 つの等級付けイメージが生成される。第一格付けイメージはグリッドポイントの 深さに縁検出フィルターを重ねることにより、閉じた縁で起きるような深度不連 続点を同定するために生成される。種々の縁検出フィルターを使用することがで きるが、カラーまたは強度に演算を施すよりも、本フィルターは各グリッドポイ ントに格納されている深度情報に演算を行う。 第二格付けイメージは、法線に縁検出フィルターを被せることにより生成され る。法線格付けイメージは実際には法線のx、y、およびz座標とのコンボリュ ーションから生成される3個のサブイメージである。その結果得られる3個の値 は2乗の和の平方根を取ることにより組み合わせて一ポイント当たりのスカラー 値を与える。第二格付けイメージは壁と床の間の縁で起きるような法線の不連続 性の同定に使用される。再び述べるが、種々の縁検出フィルターを使用すること ができるが、使用される値はカラーあるいは強度ではなく普通の係数である。 一旦二つの格付けイメージが生成した後、それらを2進イメージに変換しなけ ればならない。帰納的識閾値処理のような従来のマシーンビジョンアルゴリズム を使用してこのタスクを達成することができる。当該深度および法線格付けイメ ージ内の各ポイントは、深度および法線の勾配の推定値を含む。再帰的識閾値処 理を使用して最高の勾配をもつ領域を孤立化することができる。その結果得られ る2進イメージで、最高勾配領域にあるポイントが縁ポイントとしてマークされ 、残りのポイントは縁でないポイントとしてマークされる。 上記再帰的しきい値処理により生成された二つの2進イメージのいずれかある いは両方の中の縁ポイントとしてある点がマークされているなら、そのポイント を縁ポイントとしてマークすることにより、最終的な2進イメージが生成される 。他のすべてのポイントが縁でないポイントとしてマークされる。このイメージ は異なる表面上のポイントグループ間の境界を画するすべての縁ポイントを含む 。 ポイント区分けプロセスの最後のステップは、接続されたコンポーネントアル ゴリズムを使ってポイントを縁で区分けされたグループに集めることである。ポ イントは、もしもそれらがグリッドにおいて鉛直にまたは水平に隣接するときの み、接続されているとみなされる。対角的隣接は使用しない。非常に簡単なアル ゴリズムを使ってイメージ内の、縁でないポイントからなる固有のグループを同 定することができる。接続されているポイントからなる各グループは次いで初期 ポイントセットから切断され、新しいポイントグループを形成する。このアルゴ リズムの結果として、各々が単一の表面を表す複数のポイントグループにポイン トセットをグループ化される。次節で述べるように新しい各ポイントグループは 幾何学的プリミティブによりフィットすることができる。 一旦スキャンされたポイント群が異なる表面上に在るスキャンポイントグルー プに区分けされると、次のステップは所望の表面にオブジェクトをフィットする ことである。このタスクを達成するのに種々の方法を使用することができる。本 ソフトウェアの現実施例はオブジェクトフィッティングを二通りの方法で行うこ とができる。第一の方法は一連のオブジェクトを各ポイントグループにフィット し、測定したポイント間で、およびフィットしたオブジェクト表面間で、距離エ ラーが最小となるオブジェクトを選択する。第二の方法は前述した2次曲面フィ ットおよびその結果得られる主曲率を使用して、平面、円筒または球を特定のポ イントグループにフィットすべきか否かを決定する。これらのアプローチ以外の 、漸進遂行法(progressibe commitment)のような修正した方法もまた使用する ことができる。その場合、オブジェクトは、最も簡単なものから最も複雑なもの までを順次フィットされ、プロセスは特定のフィットに関わるエラーが許容レベ ルまで低下したときに停止する。 自動セグメンテーションプロセスの最後のステップは、スキャンポイント境界 で停止せずに、可能な限り、完全なオブジェクトの交わりを生成すべくプリミテ ィブオブジェクトを拡張する。元のデータのグリッド性と上述したポイント区分 けアルゴリズムから得られる縁情報とを使って、オブジェクトを拡張し、交差さ せることができる。表面交差(これは上述した表面法線の不連続性である)から 得られるすべての縁に対して、我々は縁のいずれの側にもオブジェクトを拡張し て交差を形成することができる。 モデルの注釈 語義豊かな3Dモデルを構成するため、上記幾何学的モデルの個別のパーツに 、材料参照番号あるいはパーツ番号のような付加的な、おそらくは非幾何学的な 、情報で注釈を付けることができる。この情報はオブジェクト属性を表示する特 別のウインドゥを介して手操作で入力することができる。 ユーザーは当該幾何学的モデルの個別パーツをクリックすることにより他のウ インドゥからそのような追加情報を回復することができる。同様に、ユーザーは いくつかの選択条件を満足するすべてのパーツをハイライト化することをリクエ ストすることができる。 自動モデルの注釈にも新規な方法が使用できる。この方法は、任意に与えられ たオブジェクトに関する関連情報を含むバーコードをスキャンするのにFDV1 0を使用する。標準的バーコード読み取り・復号技術を使用して、そのバーコー ドでスキャンされるオブジェクトに関連する光学的情報が有用なデジタル情報に 変換される。捕捉された情報は上述したように手操作で表示することができる。 幾何学的形態の表示および問い合わせ 本モデルは、モデル作成を委ねられたデータウインドゥ1610を介して行わ れるアクセスを含めて種々の方法でアクセスできる。モデルのビューを操作する のに多数の標準的グラフィックインターフェース技術を使用することができる。 好適な一実施例では、水晶玉インターフェースが使用される。この指示デバイス を使ってビューの任意のオブジェクトが選択できる。次いで、オブジェクトに追 加された他の注釈に加えてその幾何学的属性が表示される。データセットの横断 (データセットにまたがるデータの取り扱い)はいろいろのレイヤーにオブジェ クトを置き、次に注目するレイヤーのみを表示することにより、簡単化すること ができる。このようにして作成したオブジェクトの数を減らすことはプログラム の対話的性能を増大する。個々のオブジェクトの幾何学的プロパティについて問 合せをすることに加えて、オブジェクト間の距離および角度を測定するためのい くつかの標準的ツールを採用することができる。等高線図(contour)の発生、 2D断面化(section cutting)、自動寸法記入(dimensioning)のようなオペレ ーションのために、さらに標準的な技術を使用することができる。 その結果得られるモデルはさらに編集および設計を行うための多数のCADプ ログラム中から選んだ任意のものにエキスポート(送り出し)することができる 。好適な実施例では、CGP40がいくつかの市販のCADプログラムと互換性 のあるフォーマットのCADファイルを生成し、次に発生させたデータファイル をそのCADプログラムにロードさせ、CADプログラムを起動することができ る。 以下の文書は本仕様の重要な部分である。 モジュラー分解 提案されているCGP仕様の要約 Cyraxソフトウェアの仕様 製品概要 ビュースライドコレクション 序論および概論 モジュールの分解ユーザーインターフェースモジュール 「ユーザーインタフェースモジュール」は、ユーザーがシステムの機能と直接 に交わす対話を処理するコードをすべて包含している。このソフトウエアの機能 は、当該機能に対するユーザーインタフェースとは別に遂行される。これによっ て、API(アプリケーションインターフェース)遂行の可能性が拡がるととも に、確実にユーザーインタフェースの特定の型式にアプリケーションが拘束され なくなる。 このモジュールは以下のモジュールを含む: -ウィンドゥ管理 -メニュー、ツールバー、およびシーンビューア(scene viewer)の生成 -イベント派遣 -ユーザーインタフェースの外観(カラー、アイコンの配置等) 「ユーザーインタフェースモジュール」は、オブジェクトデータベースのディ スプレイを管理する「モデルビューモジュール」(model viewing module)と密接 に対話する。この「ユーザーインタフェースモジュール」は、シーングラフ(sc ene graphs)の表示、選択(picking)および管理を行わない。この機能は「モ デルビューモジュール」内に包含される。 このモジュールはまた、「有限状態マシン(Finite State Machine)」モジュー ルに大きく依存する。有限状態マシンモジュールは、ユーザーインタフェースが 変化したときの状態とフィードバックとを制御すると共に、任意に特定した時刻 においてシステムのいずれの機能がユーザーに利用可能であるかを決定するため の基本的ツールとを提供する。モデルビューモジュール 「モデルビューモジュール」は、オブジェクトデータベースの表示のみならず オブジェクトシーンへのフィードバックおよび補助情報の表示に関与するすべて の機能を包含している。ほとんどの基本的機能はインベンター(Inventor、考案 者)により提供されるが、この強固なモジュールを包含していることによってイ ンベンターへの依存性を防止している。 空間データベース(spatial database)を使って高速にオブジェクトを選択す る(ピッキング)機能を遂行するため、シーン内のオブジェクトのピッキングは 別のモジュールによって取り扱うべきである。(その別のモジュールは、これを 簡略に遂行する実施例ではこのモジュールのピッキング機能を呼出す)。 このモジュールは次のような項目から成る: -幾何学的オブジェクトからの視覚的オブジェクトノード(visual object nod e)構築 -シーンレンダリング -レンダリングオプションの設定(照明、シェーディング、テクスチャ等) -視点の変更 -ハイライト/フィードバックオペレーション 「モデルビューモジュール」は「ユーザーインタフェースモジュール」と密接 な対話を行い、対話可能なビュー(景観)を与える。インベンタービューワによ って与えられる対話的ビュー機能があるため、対話的ビュー操作(通常は「ユー ザーインタフェースモジュール」の一部をなす部分)をシーン管理機能から分離 することは困難であり、また好ましくない。「ユーザーインタフェースモジュー ル」は「モデルビューモジュール」が与える機能に依存するが、それはツールや 選択したオブジェクト等に対するオペランドを指示するためのシーンへのフィー ドバックを提供するためである。 「モデルビューモジュール」は、それが含んでいるデータベースオブジェクト および幾何学的オブジェクトに強く結合されている。幾何学的オブジェクトはそ のデータベース内に別に格納される。当該シーンにとって、当該オブジェクトデ ータベースがユーザーの観ているシーンと確実に一貫性を保つよう、注意を払う ことが必要である。この分離によって、データベースの部分集合のビュー(景観) 、オブジェクトをハイライト化してツールへのフィードバックを与えること、お よびデータベース内での空間的階層構造を使用することが直感的にできるように なる。有限状態マシーンモジュール 「有限状態マシーン(Finite State Machine、FSM)」モジュールは、“状態の 集合、それらの状態で行われるアクション、許される状態間の遷移、イベントと 遷移との間の対応を特定するための拡張システム”という概念を含んでいる。ユ ーザーインターフェースモジュールは、任意時刻になされる選択に対していずれ のツールおよびオブジェクトが利用可能であるかを決定するため、FSMを頻繁 に使用する。 有限状態のマシーンモジュールは次のような事項から成る: -イベントの取り扱い。 -アクセス不能のツールをマークする(灰色にする)こと。 -エラーがあったときは適切な「状態」を設定すること。 -ツール遂行機能を呼び出すこと。 -オペランドの指示を処理すること。 「有限状態マシーンモジュール」は難しい。というのは、ユーザーインタフェ ースの状態を、それに拡張性があるにも拘わらず正確に特定する必要があるから である。したがって、一つのツールが生成されたときには存在しなくなっている かも知れないもう一つのツールのメニュー事項は、前記一つのツールが選択され たときにグレースケール化しなければならないことがある。データベースモジュール データベースモジュールは、当該アプリケーションによって生成されたデータ の格納と読出しを含む。データベースモジュールは、データがディスク上に格納 されていようとメモリに格納されていようと、そのデータへの迅速なアクセスを 提供すべきである。このモジュールは、複数のクライアントが同じデータベース 上で動作しうるクライアント/サーバーモジュールを動作させることができるよ うに設計すべきである。 何らかの形態のキャッシュが必要であるのみならず(データベースに対しディ スクサポートがあるものと仮定して)、あるオペレーションで使用されるオブジ ェクトを検査する方式が必要であるように思われる。このデータベースは、一層 能 率的なオペレーションを実現するために空間的階層構造(spatial hierarchy) をもたせることができる一般的構造を提供するべきである。構造的階層構造およ び具体化(instancing)機能も用意すべきである。 このデータベースモジュールは次のような事項から成る: -データベースへの幾何学的オブジェクトおよびイメージの追加。 -データベースからの幾何学的オブジェクトおよびイメージの取出し。 -ディスクへの格納とキャッシュ動作。 -編集オペレーションのための、データベースオブジェクトの出し入れの検査 。 データベースモジュールは、システムのほとんどの部分と密接に連結される。 幾何学的オブジェクトにオペレーションを行うモジュールはすべて、このデータ ベースモジュールをインターフェースとする。入力/出力(I/O)モジュール I/Oモジュールは、幾何学的データベースのランタイム状態から非作動状態 への遷移、およびその逆の遷移を包含する。I/Oモジュールはまた、幾何学的 データベースをいろいろのサードパーティー製CADフォーマット(例えばDX Fなど)へ翻訳すると共に、そのようなフォーマットから内部的幾何学的データ ベースを構築する。 このI/Oモジュールは次のような事項から成る: -「データベースの保存/ロード...」 -「...という名称で保存する」 -「...からのインポート(取り込み)」 I/Oモジュールは、データベースモジュールおよび幾何学的オブジェクトモ ジュールと密接に連結される。幾何学的オブジェクトモジュール 幾何学的オブジェクトモジュールは、システムによってサポートされた様々な 幾何学的プリミティブ(primitives、基本的要素)を包含する。このモジュール は各プリミティブに対するサブモジュールを含み、ツールモジュール内の様々な ツールを介してアクセス可能な基本的機能を提供する。これらのプリミティブは 、オブジェクトのかなり小さな有限の集合となるように意図されている。加えて 、プリミティブオブジェクトの集合である一つのグループオブジェクトを用意す る。一つのプリミティブを、対象とする各オブジェクト(パイピングエルボー、 ラダー等)ごとに一つのプリミティブを用意することは望ましくない。 幾何学的オブジェクトモジュールは、幾何学的オブジェクトを継続的に格納す るとともにオブジェクト間の関係を与えるデータベースモジュールと密接な対話 をする。(「依存モジュール」の項を参照されたい。)幾何学的オブジェクトモジュ ールはまた「モデルビューモジュール」とも密接に対話する。モデルビューモジ ュールは幾何学的オブジェクトを格納するとともに視覚表現を並列的に表示する 。幾何学的オブジェクトに対するシステムの機能のほとんどはツールモジュール 内のツールに包含され、その結果、たとえば二つの平面から一つの線を発生させ るためのコンストラクタ(constructor)をラインオブジェクトに追加する代わ りに、「二つの平面からラインを作る」ツールが二つの平面を与えられるとライ ンコンストラクタの呼出しを行う。これは、既存のプリミティブオブジェクトを 変更する代わりに新しいツールを追加することによって拡張性をサポートする形 式のモデルとなっている。 幾何学的オブジェクトモジュールは次のような事項から成る: -ファセット(facet)、ポイント(point)、エッジ(edge)、ライン(line)、およ びシリンダー(cylinder)構造体。 -オブジェクトを表示するための「モデルビューモジュール」の呼び出し。 -オブジェクトに加える位置および方向、色等の変更。 -領域指定ボックス(bounding box)のようなオブジェクトの幾何学的形状 (geometry)についてのクエリー(query、問合せ)。依存モジュール(Dependency Module) 依存モジュールは、幾何学的データベースの発生とその履歴を扱う。オブジェ クトは他のオブジェクトから発生する。システムはこの発生プロセスを記録する ので、ある特定のデータの祖先に変更または追加が行われると、自動的に発生プ ロセスを反復できる。 このモジュールは、データベースモジュールと密接に対話し、そのデータをデ ータベース内に格納する。上記依存情報は幾何学的モジュールの一部であり、継 続的に格納されなければならない。この依存情報を確実に包含することが望まし い。そうすれば幾何学的プリミティブが自ら自分の系図に関する情報を維持する 必要はまったくなくなる。 依存モジュールは次のような事項から成る: -幾何学的オブジェクトを生成するのに必要なオペレーションおよびオペラン ドの記録。 -変更を受けたオブジェクトの子孫すべての再生アンドゥモジュール アンドゥモジュール(Undo Module、オペレーションの結果を元に戻すモジュ ール)は、幾何学的データベースを使ったユーザーのランタイム履歴を包含する 。アンドゥモジュールは、ユーザーが実行したオペレーションを逆方向に元に戻 すのに必要である一連のアクションを記録する。ツールモジュール内の各アンド ゥ可能なツールは、これを呼び出すと、実行時に当該ツールのアクションを逆に するオペランドを与える。 アンドゥモジュールは次の機能を与える: -「アンドゥ」を呼び出すこと、およびアンドゥオペランドを格納すること。 -リクエストがあったときにこれラン「アンドゥ」呼び出しを適用し、「再実 行」スタックを生成すること。 アンドゥ可能な各ツールがアンドゥモジュールへの適切な呼出しを提供しなけ ればならないので、アンドゥモジュールはツールモジュールと密接に対話する。 アンドゥモジュールは、データベースモジュールと密接に対話する際、そのデー タをデータベースモジュール内に格納しない。なぜならば、アンドゥモジュール は幾何学的モデルに必要とされる情報を記録するものではなく、ユーザーとのセ ッションを記録するものだからである。ツールマネージャモジュール 「ツールマネージャー」モジュールは、ユーザーが利用しうる拡張可能な機能 を与える手段を包含する。このツールモジュールは、システムに拡張性をもたせ る点で重要な役割を果たすものである。システムに新しい機能を追加することは 新しいツールを追加することと同じである。 いろいろのツールは、呼び出しを行うデフォルト方法、引数の選択方法、ユー ザーインタフェースの拡張、ヘルプシステムの拡張、およびツール機能の遂行手 段を与えることが望ましい。ツール類は、ユーザーへの適切なフィードバックを 与えることを「ユーザーインタフェースモジュール」および「モデルビューモジ ュール」に指示しなければならない。また、ツールはユーザーが行った放棄手続 きや内部エラーを上手に処理しなければならない。(「エラーモジュール」の項を 参照されたい。) 「ツールマネージャー」モジュールは次のような事項から成る: -アプリケーションにツールを登録すること。 -ユーザーインタフェースによってリクエストされたツールを呼び出すこと。 -どのようにツールが呼び出されるかを再マッピングすること。 「ツールマネージャー」モジュールは、「ユーザーインタフェースモジュール 」および「有限状態マシーンモジュール」と密接に対話するが、「ツールキット モジュール」とも同様に対話する。「ツールキットモジュール」は「ツールマネ ージャー」が管理する実際のツールを提供する。「有限状態マシーンモジュール 」は、「ユーザーインタフェースモジュール」がツールとしてどの様に振る舞う べきかを、 「ツールマネージャー」が「ユーザーインタフェースモジュール」に指示するこ とを可能にする。ツールキットモジュール 「ツールキットモジュール」は、拡張可能なツールオブジェクトの集合であっ て、その各々を「ツールマネージャーモジュール」に与えて管理を受けさせるこ とができる。ツール類は、ユーザーへに提供されるシステムの機能を包含する。 各ツールは、呼び出しを行うデフォルト方法、引数の選択方法、与えられられた ツールをユーザーに特化するためのフィードバックを可能にするユーザーインタ ーフェースの機能拡張(FSMモジュールを介して提供される)、ヘルプシステム の機能拡張、および当該ツールの機能の遂行手段(データベースおよび幾何学的 オブジェクトモジュールの呼出し、幾何学的形状の生成、破壊および編集を含む )を提供する。 ツールキットは、設計上、他の箇所には述べられていないすべてのシステム機 能から成る。エラーモジュール エラーモジュールは、システムの一般的なエラー処理機構を包含する。このモ ジュールは、システム全体で使われるもので、エラーハンドラーの提供、(「ユー ザーインタフェースモジュール」への呼出しを介して)ユーザーに対するエラーの 報告、コード内への主張(assertions)の追加、上記主張が拒否されたときのエ ラー信号の発生を可能にする。このモジュールのコーディングパラダイム (coding paradigm)には何らかの基本的構造体を追加する必要があるかもしれ ない。 エラーモジュールは次のような事項から成る: -エラーハンドラー -主張 -エラー信号の発生 -エラー報告 エラーモジュールはシステムの全モジュールと対話しなければならないので、 プログラマーに対してできるだけ邪魔にならない最少限の範囲で存在するように これを遂行しなければならない。ヘルプモジュール ヘルプモジュールは拡張可能な、文脈を判断しうる(文脈感受性の)オンライ ンマニュアルを包含する。ヘルプシステムはヘルプ記事呼出し型式をもつ一般的 マニュアルと、略式の文意を示すヘルプ情報(たとえば、「どうすればいいの?」 )との両方を与える。各ツールは、ヘルプシステムを拡張して当該有限状態マシ ーン内の機能にリンクすることにより、文脈感受性を実現する。 ヘルプモジュールは次のような事項から成る: -ヘルプページの表示とナビゲーション -ヘルプ情報の索引化およびサーチの実行 -画面に表示する対話型ヘルプメッセージ ヘルプモジュールは、「ユーザーインタフェースモジュール」との対話と同様、 「ツールキットモジュール」および「ツールマネージャーモジュール」と密接に 対話する。データ収集モジュール データ収集モジュールは、物理的ワールド(physical world)からのデータ収 集を包含する。スキャナーやカメラのようなデータ収集オブジェクトは、このモ ジュールに属するオブジェクトである。データ収集モジュールは、この種のハー ドウェアからシステムにデータを返すためのデータ収集ハードウェアないし機構 に対して作用することができるコマンド集を提供する。拡張可能なデータ収集シ ステムの場合、データ収集ハードウェアは、そのハードウェアにパラメーターを 設定するための、あるいはそのハードゥェアにデータ収集タスクを行わせるため の、ユーザーインターフェース拡張機能を提供しなければならないだろう。 データ収集モジュールは次のような事項から成る: -カメラおよびスキャナーとの通信 -当該デバイスへの命令を発生すると共にデータを受信するためのユーザーイ ンターフェース。 -データベースにデータを追加するためのシステム機能の呼出し データ収集モジュールは、「データベースモジュール」および「ユーザーイン タフェースモジュール」と密接に対話する。登録モジュール 登録モジュールは、二つの幾何学的データベースを登録し結合するプロセスを 包含する。登録モジュールは、二つの幾何学的データベースを選択する方法、デ ータベース間の対応を特定する方法、および二つの別個の幾何学的データベース を併合した幾何学的データベースを構築する方法を含む。 この登録モジュールは、「データベースモジュール」および「ユーザーインタ フェースモジュール」と密接に対話する。レイヤーモジュール レイヤーモジュールは、幾何学的データベース内の命名されたオブジェクトの 組と、その組のオブジェクトの表示およびオブジェクトに作用するオペレーショ ンを可能にするツール集とを包含する。現在、このモジュールの内容は明確に確 定していない。 レイヤーモジュールは「データベースモジュール」および「モデルビューモジ ュール」と密接に対話できることが望ましい。抽象データ型モジュール 抽象データ型(Abstract data types)モジュールはアプリケーション特有の データ型から分離できる。汎用の抽象データ型(general purpose abstract dat a types)を集めたものを包含する。 抽象データ型モジュールは次のような事項から成る: -スタック -キュー(Queues) -単一リンクおよび二重リンクしたもののリスト -ハッシュ表(Hash table) -ヒープ(Heap) 抽象データ型モジュールは他のほとんどのモジュールで使われよう。 ドラフト CGP仕様(案)の概要 スマートエレメントの能力 1.幾何学的形状は初めはポイント群(cloud of points)として描かれる;そ の後でメッシュ(網目)として、ライブラリーまたはカタログからコピーした詳 細なモデルとして、あるいは対話を通して生成された簡単なモデルとして、描か れる。 2.この幾何学的形状は色、強度、テクスチャ(風合い)を使って、または個々 の当該エェメント表面に追加されるビデオ情報を使って、強調することができる 。 3.各エレメントには一つ以上の表示(representation)があり得る。まず、い ろいろのレベルの簡略化あるいは抽象化した幾何学的プロキシ(proxies) がいくつかあり得る。これらの簡略化あるいは抽象化はレンダリングをより効率 よく行うとともに生成されるビューが錯綜しないようにするために選択できる。 さらに、床配置図、立面図、あるいは配管図面のような略線図的レンダリングを 行うためのシンボリック表示(symbolic representation)象徴的記号を用いた 表示)がある。ある種のシミュレーションに適したスマートモデルもあり得る。 4.エレメントには分類目的のためのタグまたは「レイヤー」情報を与えること ができる。工場や精製所のモデルを構築するときは、ユーザーは以前に定義した 階層メニューからタグを選ぶことができる。例えば、第一レベルで選択するもの としては次のようなものがあろう: *支持構造体--メンテナンス通路--パイプシステム--その他のもの。「パイプ システム」の範疇の第二レベルのタブとして、次のようなものがあろう。 *水蒸気--水--ガス--オイル--アルコール。 5.テキストウィンドウから各エレメントに任意のテキスト情報を追加すること ができる。その中にモデルの構築に関するカタログやノートから得られる要約情 報を含めることができる。 6.エレメントは外部データベースに収容されている他の情報、たとえばバルブ あるいはポンプの型、その等級、製造者、メンテナンススケジュールなどの情報 、にリンクすることができる。外部データベースにあるこの情報はハイパーリン ク データベースの形をもつかもしれない。 この情報は、当該データベースを観るビューアーの内容に合わせて観たりブラ ウズすることができる。 7.ある種の明確な接続情報をもっていることが有益かもしれない。パイプどう しあるいは電気配線どうしの論理的な接続は、CGPの当初の設計条項には存在 しないかもしれず、また後に、内在するいくつかのエレメントの幾何学的形状の 近似的一致(near-coincidences)から抽出できるかもしれないが、そのような 近接情報は最初に発見されたときに保存しておくと有利である。例えば、接続し たメッシュをポンプ、パイプおよびバルブなどのいくつかのエレメントに分解し たとき、当初のメッシュの切断線は、これらの切断線を共有する部品間の明確な 接触部情報を確立するのに使用することができよう。この情報は後で、接続した パイプエレメントの配置の発見、抽出を非常に効率化するであろう。 システム全体の機能性 管理ツール 1.「OS」レベルでみると、本システムはスキャン管理およびビデオ情報の収集 を制御する能力を提供する。スキャンする必要があるエリアを指示するもっと選 択性に富んだ方法を与えるユーザーインタフェースは後で与えることができよう 。その一つのオプションは「太いブラシ(thick-brush)」パラダイムで、この場 合、ユーザーがタイルモデルに含めるべき特徴の概略を与える。次いで本システ ムが出動し、それに対応する特徴をワールド中に発見し、選択されているエッヂ 、パイプあるいはIビームに対する適当なスキャン領域を自動的に選択する。 2.やはりOSレベルで、本システムはいくつかのウィンドウを同時に開くこと ができる効率的マルチタスク能力を提供する。その結果、スキャンプロセスある いはモデリングオペレーションを実行しながら、一つ以上のカタログまたはデー タベースの内容を観ることができるようになる。 3.スキャンしたポイントの集合および任意のビデオ映像の集合に対するデータ 管理手段(data management facilities)を設けるとともに、これらの集合にラ ベルを付けてアーカイブ化するためのファイル化手段を与える。 モデリングツール 4.「純粋な幾何学的形状」のレベルでは、基本的ツールがスキャンしたポイン トのサブセット(小集合)の選択を可能にし、手操作による分割(manual segme ntation)を可能にする。スキャンしたポイントにメッシュを当てはめる(fit) ことができ、水平線(すなわち深度座標に突然の劇的変化が見られるところ)と なる可能性のある位置でメッシユを発見法的に分離することができる。必要であ ればこれらのメッシュは簡単化することができる。これらのメッシュのうちの選 択した部分に、あるいはもとのスキャンポイントのサブセットに、平面多角形を フィットできる。サーベイポイント(survey points、調査点)を設定すること ができる;それらのポイント間にラインを引くことができる;多角形間にあるい はメッシュの諸部分間に、破断線(break-line)を設定することができる。 5.「離散的エレメント」のレベルでは、一体的な一塊りにして「エレメント」 と命名し後に更なる情報を付加することができるような純粋な幾何学的パーツ( 部品)を、諸ツールによって収集することができる。メッシュのいくつかのセク ション(部分)は、カタログやライブラリーから得られるモデルによって、ある いは象徴的記号を用いた幾何学的プロキシ(symbolic geometrical proxy)で置 換することができよう。そのようなモデルの裏側を追加する工夫をしなければな らないかも知れない。はみ出したポイントはこれを除去し、モデルを全体的にす っきりさせ、いくつかの一貫性テストにかけなければならないかもしれない。 6.これらのエレメントには色、強度、風合い、風合いマップ情報を与えること ができる。これらのオブジェクトに他の属性を割り当てることができ、また種々 のリンクを設定することができる。 7.いろいろのオブジェクトのいろいろの集合を、対話を通して選択し、発見法 的にグループ化することができる。 8.ビューの統合はいろいろのカメラ位置から得られたビュー間で行うことがで きる: ・ビュー対ごとの整合(Pairwise view alignment)。これは、「登録」を利用 する本システムの特徴、すなわち二つのメッシュの重畳部分間の相互距離を最小 化 することにより重畳部分の登録を試みる最適化プロセス、に基づいている。 ・データ併合。これは離散的エレメントの位置パラメータの重み付き平均をと ることにより、あるいは二つの重畳したメッシュセクションを繋ぎ合わせる (zippering)ことにより行うデータ併合である。 ・グローバル閉じ込み(global closure)の設定。これは前に設定した景観対 の登録に閉じ込みエラー(closure error)を小ぎれいに分布させることにより 行う。これは注意深い検討をしなければならない困難な問題である。 視覚化 9.データ収集期間あるいはモデリングプロセス期間における任意時刻に、“水 晶占いの玉/手中に収めたモデルで先を見通す”パラダイム(“crystal-ball/ model-in-hand”paradigm)を使って、または“通行”(“walk-through”)モー ドを使って、既存の幾何学的データを対話的に観ることができる。後刻、我々は これに適当な空間的データ構造および管理機構を追加し、当該モデルが非常に大 きくても(100万個以上の多角形でも)対話できる速さで通行できるものにす る。 10.次のようないろいろのデータレンダリングモードを与える: ポイント群--ワイヤフレーム--隠れたラインを削除した後の、陰影はないが輪 郭がある可視面の表示--一様な陰影面(flat-shaded facets)--グーロード-平 滑-陰影付きメッシュ(Gouraud-smooth-shaded-meshes)。 11.床面配置図および立面図のような略線図およびシンボリック表示を用意する 。これらの表示には、結果をより効率的かつ効果的なものにするため、種々のコ ンポーネントに使える2次元プロキシを使用できる。これらの表示は管を中心線 で示す表示やスチール構造体を象徴的記号を用いたモーメントフレームグリッド (moment frame grids)などであるかも知れない。また、それらの表示は「管− ISO」図面であるかもしれないし、MIDプロセス図である可能性も高い。 データベースクエリー(データベースへの問合せ) 12.いつでもモデルから幾何学的情報を抽出することができる。切断面を生成す ることができ、また、二つのポイント間の距離あるいは平面間の角度を抽出する ことができる。 13.ある特定の方法(例えばダブルクリックすること)で離散的エレメントを選 択することにより、それらのエレメントに関する属性情報をデータベースから取 って来ることができる。もしもこの情報が大きく、ハイパーリンクされた文書フ ォーマットの形で組織化されているなら、これに対応するデータベースブラウザ が開かれ、対応するデータベースブラウザが開かれ、このオブジェトに対するル ートページが提示される。 他のシステムとのデータ交換 14.CYRAX CGP内で生成されたデータは、「.crx」ファイルとしてアス キーテキストフォーマットでエキスポート(送り出し)することができる。.crx フォーマットは、CYRAXモデル内に完備してあるすべての情報を符号化する ことができるべきである。これは、訓練の行き届いたユーザーが特別の解析(例 えばある特定の型のエレメントをすべて数えること)を行うためにCYRAXモ デルをサーチすることができる外部的プログラムを作ることを可能し、あるいは 他のいかなるデータベースシステムにも頼らずに上記モデルにグローバル修正を 施すこと(例えば、ある特定の型のI-ビームをすべて交換すること)ができる ようにするべきである。 15.我々は、AutoCADとかMicroStationのようなよく知られた既存のデータベース のためのコンバーターをいくつか提供しよう。かかるコンバータは、これらのデ ータベース中に.crxデータストリームに含まれる情報を適切に挿入するものであ る。その逆に、我々はCYRAX CGPにとって重要な幾何学的情報を抽出し 、それを我々自身のモデリング環境中に取り入れるためのコンバータを、いくつ か用意しよう。 16.我々は、任意の離散的モデルエレメントに関わるあらゆる追加情報を格納で きるような整った完全な製品モデルデータベースをはじめから与えることは計画 していない;我々は、自分で作ったデータ格納手段を使用するようなユーザーを CYRAXユーザーとして期待している。しかしながら我々は、OSレベルで開か れる別のウィンドゥを介して上記のデータベースにアクセスできる手段を提 供する。こうすると、これらの外部データベースの中で、モデル部分の幾何学的 表示と重要であると思われる当該データベース内の任意の他の事項との間に、C YRAXでないデータ事項間のリンクを直接設定できる。 ユーザーインターフェースパラダイム 17.我々は、MicroStationおよびAutoCADで確立されている対話の様式を(合理的 であると思われる範囲で)エミュレートする、すばらしいウィンドウ-ベースの ユーザーインタフェースを提供することを計画している。これは、アイコン-パ レット、プルダウンメニューおよびキーボードショートカットを使用することを 意味する。 18.グラフィック編集の領域では、我々は精度と速度を組み合わせるためのユー ザーが親しみやすい「スナップ-ドラッギング」方式を提供する。 19.いくつかのアプリケーションの領域では、我々は行動的発見法(behavioral heuristics)を実践するための「オブジェクト関連づけ(“Object Association s”)」機能を開発する。この機能は、ユーザーが特定の目的を達成するのにユー ザーがクリックしなければならないクリック数、あるいは任意のモデリングオペ レーションにおいて明示的に制御しなければならない自由度の数を最小限に低減 する。我々が期待しているのは、スマートな製品モデルの表示に高い象徴度(sy mbolic levels)をもたせることは、いかにして複雑な情報を含んだ内容も簡単 なものにすることができるかを示す魅力的な課題となる、と言う点である。 製品の概観 Cyraテクノロジー社のフィールドデジタルビジョン(FDV)ユニットは 、当該分野における携帯可能で迅速かつ精確なレーザーレンジスキャン技術を提 供する。このFDVは標的に向けると、FDVが3次元カメラのようにレンジの イメージ(以下、レンジイメージという)を生成する。レンジイメージは、イメ ージの各ピクセルがカラー2次元ポイントでではなくて空間点である点を除けば 、デジタル写真イメージと同様である。FDVは当該オブジェクトから数千個の ポイントを集めることによりユーザーがオブジェクトについての3次元データを 迅速に収集することを可能にする。 そのようなデータはモデリング、デザイン、およびドキュメンテーションを多 重的に行う業務の出発点をなすものである。本コンピューターグラフィック認識 (Computer Graphics Perception,CGP)ソフトウェアキットは、レンジイメ ージの集合を3次元インテリジェントモデルに変換するのに必要な機能を提供す る。これらのモデルはFDVがレンジイメージを発生する際に調査員(surveyors )が生成でき、あるいはオフィスで集めたデータからCADオペレーターが生成 できる。種々の3次元モデリング従事者の間には広範囲のモデリングタスク、必 要な事項、およびパラダイムが使用されているので、CGPは標準的なCADツ ール、設備管理ソフトウェアおよびインテリジェントモデリング環境と容易に統 合できる一般的フレームワークをサポートするように設計されている。 CGPの機能はレンジイメージから出発して完全な注釈付き知的モデルにユー ザーを導いてくれる。得られたモデルの構造、詳細、および内容は、ユーザーの 完全な制御の下に置かれており、ユーザーはマルチレイヤー構成されたインテリ ジェント補助ドキュメンテーションモデル(intelligent fadhty documentation models)に対しその視覚化モデルを10分間で迅速に生成することができる。 利用可能な種々の形態のモデリングによって、視覚化を助けるためにのみ意図さ れた「コンテクスト」構造体からなる低解像度の自動発生圧縮モデル(automatical ly generated shrink wrap models)と、着目中のきわめて詳細な注釈付きサブモ デルとの共存を可能にするための統合を、容易かつ一貫して行うことができる。 フレームワーク CGPは、一つのデータベースを中心として構築される(図1)。データベー スに格納されているデータは、生のレンジスキャンイメージ、FDVによって生 成されたビデオイメージ、CGPモデルリングプロセスにより生成された幾何学 的エンティティー(entities、対象物)、カタログから取り込んだ幾何学的エンテ ィティーとそれに関連するプロダクト情報、および設備メンテナンス情報のよう な注釈データを含む多様なソースから得たものである。データベース内のデータ はそのデータの内容がそのCGPシステムにとって意味が深いものであるか否か に応じて「内部的」データまたは「外部的」データのいずれかに分類される。幾 何学的形状、スキャンポイントおよび幾何学的注釈のような内部的データは、モ デリングに対する広範囲なユーザー集団のニーズを満たすのに必要な汎用データ としてCGPが直接に使用する。データベース内に格納されている外部データは 、一般的なデータベースクエリー(database queries、データベースへの問合せ )において、または外部アプリケーションに特化したソフトウエアとの関係にお いてのみ、意味をもつものである。外部データの例は、保守点検した化学工場の ポンプが使われたことを示すデータとか、ある特定の部品製造業者とか、あるい は建築上のサブシステムのデザイナーのホームページへのポインターなどがある 。内部データは外部データのエレメントを参照することができるが、CGPはこ のデータを理解し、操作し、あるいは提示する手段を全くもっていないので、そ れを使用するためには外部クエリーまたは外部パッケージに頼らなければならな い。この概念のもっと完全な説明は「インテリジェントモデリング」の項に記載 する。 レンジデータを三次元モデルに変換するプロセスは、通常、現実性取得(reaht yacquisition)と呼称されるが、これは、図1に示すデータベースの左側に現れ る。データベースの右側には二つの型のタスクがあることがわかる。その一つは ユーザーコミュニティ(それは唯一人の場合から化学工場の各部である場合まで ありうる)に対するデータプレゼンテーションに関するもの、もう一つは他のソ ースとの間の幾何学的データの取り込みと読出しに関するものである。これらの タスクはFDVを使用するために特化されたものではなく、ユーザーは幾何学的 形状の作成および操作をしなくてよい。 現実性取得プロセスはスキャニングとモデリングという二つのプロセスに分か れる。CGPは、ビデオイメージとレンジスキャンデータを収集するために、F DVスキャナーを操作するのに必要なすべての制御手段を提供する。これらの両 方ともデータベースの形でアーカイブ化される。集めるデータの量、データの解 像度、およびスキャンすべき精確な領域の制御は、「スキャン制御」ツールを介 してユーザーが行える。 所望のモデルの型およびモデリングしているシーンの内容に応じてレンジスキ ャンデータを幾何学的モデルに発展させるため、3つのツールキットがCGPに より提供される。各ツールキットは特定のモデル型用に最適化されており、した がってモデリングタスクのいろいろの部分に対していろいろのツールキツトを使 用することが期待される。「ビジュアルマジック」ツールキットは、汎用の複雑 なオブジェクトやシーンのモデルを構築するための迅速なメッシュ発生機能を与 える。「プレハブラボ(Prefab Lab)」はレンジデータおよびメッシュデータをプ レハブ化されたパーツで置換する機構を与える。これらパーツのモデルは外部の カタログから入力され、あるいはCGPを使って生成されるオブジェクトの具体 例(instantiations)として与えられる。「構造ショップ(Structure Shop)」は 、ポイント、線および面プリミティブとこれらプリミティブに作用するいろいろ のユークリッドオペレーションとを与える。ユークリッドオペレーションは建築 構造体のような基本的な幾何学的構造体の構築に有用である。 「オブジェクト型(Object Types)」に関する節で詳細に述べるように、三つの ツールキット間に機能互換性(interoperability)を与えてあるため、本システ ム のユーザーは与えられたタスクに対して適切であるように思えるツールキットを どれか選択してから、いろいろのツールキットを用いた結果を統合し、一貫した 単一のモデルにすることができる。 「調査(Inquiry)およびプレゼンテーション」システムは、当該データベース に対する視覚的フロントエンドであって、これによってユーザーはデータベース 内にある外部データを閲覧、照合、拡大することが可能となる。ユーザーは、生 成されたモデルおよびサブシステムをいろいろの点に移動したときの視点から観 ると、データベースの諸部分を視覚化したり、あるいは基本的構造を示す線図を 生成することができる。メンテナンス計画、サブシステム名、および他のリファ レンスの参照などの外部的情報は、CGPデータベース内のオブジェクトと関連 づけることができる。データベースが表現する現実世界のシステムが実在する間 、ユーザー集団はこのデータを問合せ(query)、取り出し、更新することができ る。 「データ交換」システムは、既存のCADシステムにCGPを連結することが できる。この結合は、様々なCADフォーマットからのデータ変換ルーチンおよ び様々のフォーマットへのデータ変換の形で実現される。FDVとCGPを使っ て生成されていない販売者のパーツカタログをシステム中に取り込んで「プレハ ブラボ」で使用することができる。再設計しなければならないパーツは、CGP データベースからAutoCADへ、あるいは再作業しなければならない他のCADパ ッケージへ、エキスポートすることができ、次いでCGPデータベース中にイン ポートし直すことができる。 図1に示す様々なシステムおよびツールキットは、ユーザーの遠近法的視点か ら観た単一のコヒーレントシステム(coherent system、一貫性のあるシステム 体系)に密接に統合される。ユーザーは、視覚的なウィンドウ-アイコン-マウス -アンド-ポインタ環境で作業し、単にいろいろのメニューをプルダウンするか、 または、いろいろのツールバーにアクセスすることによって、モジュールからモ ジュールを渡り歩く。大抵の作業はキーボード入力を必要とせず、多くのCAD システムで広く使われている神秘的コマンドライン引数の入力を必要としない。 その代わりとしてユーザーは、小さな、しかし強力なツールセットから命令を選 択することにより、およびこれらの命令を作用させたいオブジェクトをクリック す ることにより、幾何学的形状をモデリングする。視覚的対話が本システムのフィ ールド有用性の鍵になっており、したがってCGP開発上の焦点である。 本書の概要 本書の残りは、システムについての高度なCGP仕様をユーザー向け機能ガイ ドの形にまとめたものである。その記載形式は簡潔ながら十分に説明を尽くして いるとはいえ、必要事項の完全な仕様(すなわち性能の詳細、エラーの取り扱い 、本書執筆の時点で未だ時期尚早であったその他の詳細の説明)と取り違えては ならない。同様に、ユーザーがオペレーションを行うのに何をするかという表現 方法で(例えば、「ユーザーはポイントセットをクリックしてから、当該ポイン トの組から面を生成するためには平面ツールをクリックする」というように)多 くの機能を記述するが、これがある特定のユーザーインターフェースの仕様であ ると勘違いしてはならない。むしろここで行う説明は、ある種のユーザーインタ フェースを通して利用可能な一つのオペレーション(上の場合は“ポイントセッ トから面へ”というオペレーション)を明快に述べる簡単な一方法であるに過ぎ ない。ユーザーが利用可能な機能にアクセスする最良の方法を決定するよりも先 に、ユーザー層の調査、ユーザー-インタフェースのプロトタイプ化、および究 極的にはユーザーインタフェース仕様をどうするかを決定することになろう。 本書は、図1のシステムフレームワークに基づく複数の節に分節する。各サブ システムおよびツールキットは、それが与える機能およびそれが受け取りもしく は生成するデータ型を通して記述する。初代のシステムの機能範囲を超える機能 拡張性をどこに追加するかは本書の至るところで示す。これらの説明は、初代の システムの構造を明確化し、初代システムの中に構築しなければならない拡張可 能性を理解するためのものであり、次の3年間に開発される完全なシステムの未 来像を示すものである。 スキャン制御 FDVとの対話はCGPスキャン制御機能を使って行われる。FDVは、ビデ オデータおよびレンジデータ(range data)の両方を捕捉することができ、捕捉 したデータをCGPに提示することができる。CGPはスキャンすべきものの位 置および解像度に関する情報をFDVに与える責任がある。FDVは、ビデオに 基礎をおく新規なターゲティング(targetting、目標物の捕捉)の方法を使用す るが、これは大きな距離にある小さなオブジェクトを精確に捕捉することができ る方法である。CGPはこの方法へのアクセスを提供する。「スキャン制御」機構 は視覚的な対話機能とポイント-アンド-クリックオペレーションパラダイムとを 強力にサポートする、これは全機能を装備した完全なシステム実用モデルの下地 をなすものである。 ビデオキャプチャー ビデオキャプチャーツールボタンを押すことによってFDVの標準ビデオカメ ラから得られるシーンのRGBイメージがCGP中に転送される。ユーザーのリ クエストによってビデオイメージを命名し、注釈を付け、データベース内に格納 することができる。ビデオイメージはこれを一組のレンジスキャンに関連づける ことができる(下記の「レンジ-ビデオの関連づけ」の項を参照せよ)。 ズームキャプチャー 「ズームキャプチャー」ツールは、あるシーンのRGBイメージがターゲッテ ィングウィンドウ内に存在するときにユーザーが利用できるツールである。ズー ムジャプチャツールツールをクリックしてから目標とするウィンドウ内のイメー ジ上のポイントをクリックすると、指示ポイントの方向にとった穴ズームイメー ジ(bore sighted image、穴から観えるイメージ)をFDVに捕捉させ表示させ ることができる。この穴ビデオイメージを命名し、注釈を付け、データベース内 に格納することができ、また標準のビデオイメージにできると同様に、一組の色 合いスキャンデータに関連づけることができる。「アンズーム」ツールは、ユーザ ーが標準ビューへ戻ることを可能にするツールである。 ビデオイメージブラウザ ビデオイメージブラウザは、ユーザーがビデオイメージのサムネイル (thumbnails)を次々と選ぶことによりデータベース内の一つのイメージをサー チすることを可能にする。 ビデオイメージに関連したレンジスキャンはすべて、ハイライト強調すなわち 選択することができ、あるいはユーザーがモデルビューアのビューポイント(視 点)をビデオイメージが得られた位置に設定することができる。 ビデオイメージブラウザは究極的に、スマートモデリングシステム用のクエリ ーインターフェースが完備したとき、そのパーツをなすものである。「このイメ ージに関連したレンジスキャンのすべてを見つけよ。」とか「1995年12月12日に 撮られたビデオイメージのすべてを見つけよ。」と言うようなクエリーは、汎用 視覚データベースのクエリーユニットの一部となるであろう。上に列挙した特別 の目的をもつクエリーは、この方向における出発点を与える。 スキャニング ビデオイメージ(標準であるとズームであるとにかかわらず)がターゲティン グウィンドウ内に存在するときはいつでも、ユーザーはスキャンツールを利用す ることができる。ユーザーは、ターゲティングウィンドウ内のビデオイメージ上 に軸線整合(axis aligned)したボックスをドラッグすることによって、一つの スキャンデータを指示する。指示された空間領域から、FDVがレンジスキャン (range scan)データを生成する。 レンジスキャンとは、軸線整合したほぼ長方形の、深度情報に関するグリッド である。FDVで生じるミラー(鏡)のポジショニング(位置決め)において僅 かなエラーがあると、グリッドは厳密な長方形にならない。レンジスキャンは、 XおよびY方向にスキャンした多数のポイントを示すX解像度およびY解像度を もつ。X、Y解像度は、固定したある二つのポイント間のポイント数または距離 を使ってユーザーが設定することができる。 レンジスキャンの各グリッドポイントは、3次元デカルト座標点と、当該座標 点におけるレーザー応答強度測定値に関連づけられる。3次元デカルト座標とレ ーザー強度値とを結合することによってスキャンポイントが定義される。定義に より、レンジスキャンとは行および列によって順序づけられたスキャンポイント の配列である。レンジスキャンはまた、スキャナーが実際にスキャンポイントを 得ることができなかったところに立てられたフラッグを含むことができる。 レンジスキャンは作業データベース(working database)に自動的に挿入され る。レンジスキャンは、これを命名し、注釈を付けることができる。 レンジ-ビデオイメージの関連づけ 通常、レンジスキャンは自動的に、そのスキャンのターゲティングに使われた ビデオイメージに関連づけられる。デフォルトでは、レンジスキャンが撮られる と、関連するビデオイメージ(標準かズームのいずれか)が(既に格納されてい なければ)データベース内に格納され、ビデオイメージとレンジスキャンとの間 の関連が作成される。この関連は、スキャンした領域のピクチャーにアクセスす るため、あるいは所定の位置から撮られたスキャンを孤立させるために、使用す ることができる。 実時間スキャン表示 FDVによって得られたスキャンポイントは、スキャン中でも任意のアクティ ブデータワールド内で観ることができる(「モデルディスプレイ」の項を参照)。こ れらのポイントは、スキャン完了時まで、表示以外の任意のオペレーションで利 用可能である。 スキャンのキャンセル FDVがレンジスキャンを生成している期間中いつでも、スキャンキャンセル ツールが利用可能である。この特徴的機能はスキャンポイントの収集を終了する 。この時点までに撮られた不完全なレンジスキャンはデータベースに挿入される 。 「視覚的マジック」 「視覚的マジック(Vsual Magic、VM)」ツールキットは、ユーザーに最小限 の対話を通して一つのシーンについて、スキャンポイントを三角形メッシュのモ デルに変換するための迅速な視覚化ツールを提供する。VMツールキットのオペ レーションで注目すべき点は、任意のオブジェクトのモデリングを行うことがで きる極めて一般的な機能を提供することである。以下に述べる「プレハブ ラボ 」および「構造ショップ」とは異なり、VMツールキットは三角形メッシュの観 念を超える観念を何ももっていない。この事実により、単一の汎用データ型に対 して実行すべく用意された種々の強力なオペレーションが実行できるようになる 。セクション「---」で述べたように、CGPにおける任意の幾何学的表面は、 これを三角形メッシュに変換することができるとともに、これに「視覚的魔法」 ツールを使ったオペレーションを適用することができる。 レンジスキャンをグリッドメッシュへ 「レンジスキャンをグリッドメッシュへ」ツールは、FDVを使ってモデルを 生成するもっとも簡潔な方法を提供する。レンジスキャンが得られたときにユー ザーはそのスキャンを選択して「レンジスキャンをグリッドメッシュへ」ツール をクリックし、そのスキャンから三角形メッシュを生成することができる。そう して得られるメッシュは、当該スキャンの長方形グリッド化方法(rectangular gridding)に基づいて三角化されてある。グリッドメッシュは、レンジスキャン から直接に生成されなかった非グリッドメッシュと区別される。一つのグリッド メッシュは、スキャナーの位置情報とそのポイントの行および列とを維持する。 無効のポイントはメッシュに含められない。また、ユーザーが指定したパラメー ター値を超えるメッシュおよび三角形も除外される。レンジスキャンはデータベ ース内でメッシュと置換される。メッシュはワイヤ-フレームやゴーランド陰影 (Gourand shaded)を含めた多様な形態で観ることができ、また、隠れた線描き として観ることができる(「モデルディスプレイ」の項を参照)。 グリッドメッシュの単純化 グリッド化したメッシュは、実質的に平面である領域で、三角形を除去するこ とによって簡単化することができる。ユーザーはグリッド化したメッシュを選択 してこのツールをクリックすることができ、その結果、メッシュに導入すべき最 大限のエラーに見合う任意の適当な数(ユーザーが指定したパラメーター値)の 三角形を除去することができる。元のグリッドメッシュはデータベースの中で、 この簡単化されたグリッドメッシュにより置換される。 グリッドメッシュスムージング 各ポイントのレンジ深度(range depth)を近隣のポイントとの問で平均化す ることにより、グリッドメッシュ全体あるいはグリッドメッシュ内のいくつかの 領域を平滑化(スムージング)することができる。平均化に使う型(ガウス型、 単純平均化など)および近隣メッシュのサイズはユーザーが指定する。このツー ルを選択する前にメッシュ領域を多角形に選択することによって、スムージング を特定領域に限定することができる。 元のメッシュは、データベース内の平滑化されたメッシュで置換される。この ツールを繰り返し能動させることにより、当該メッシュまたは領域にスムージン グを反復実行することができる。 メッシュの整列 「メッシュ整列(Mesh Ahgnment)」ツール(たとえば「フリーハンド回転、「フ リーハンド平行移動」、「移動して貼り付け」)を使って、手操作でおおよそ整列 した二つのメッシュ(グリッド化したものでもグリッド化してないものよい)を より正確に整列させることができる。指定した最初のメッシュはアンカーメッシ ュで、移動しない。二番目のメッシュは、当該二つのメッシュが重畳する領域で それら二つのメッシュをよりよく整列することができるように調節される。元の メッシュは、第二メッシュのグローバル変換マトリクスを変更したうえで、デー タベース内に維持される。通常、このステップは「メッシュジッパリング(mesh Z ippering、メッシュ縫い合わせ)」ステップに先だって行うものであるが、「構造 ショップ」または「プレハブラボ」を使って別異の、ただし重畳する、視点から 生成された二つのシーンの登録(両者のワールド空間における相対位置の決定) に使用することができる。後者の場合、メッシュでない幾何学的プリミティブは 上記の整列オペレーションを行うため、一時的にメッシュに変換される(「オブジ ェクト多形態化」の項を参照)。 メッシュジッパリング 二つのメッシュ(グリッド化したものおよびグリッド化してないもの)はメッ シュ ジッパリングツール」を使って単一のメッシュに併合することができる。 その結果生ずるメッシュは常にグリッド化されていないメッシュ(以下、非グリ ッドメッシュという)である。メッシュジッパリングとは、二つの重畳した領域 間の距離がユーザー指定の距離未満であるときは常に重畳領域を縫い合わせるこ とをいう。通常、このオペレーションの前にメッシュ整列が行われる。二つの元 のメッシュは、接合した非グリッドメッシュで置換される。 メッシュによるメッシュ切断 「メッシュによるメッシュ切断」ツールによってメッシュは別のメッシュで切 断することができる。両方のメッシュはグリッドメッシュでも非グリッドメッシ ュでもよい。選択した第一のメッシュは切断されるメッシュ(被切断メッシュ) である。第二のメッシュは、切断を行うメッシュ(切断メッシュ)であって、オ ペレーションにより変化しない。二つのメッシュの交線が計算され、その交線に 沿って被切断メッシュが分割される。切断メッシュとの滑らかな交線を与えるた め、必要に応じて被切断メッシュに追加ポイントが挿入される。被切断メッシュ はデータベース内で、被切断メッシュが細分化されて種々のコンポーネントを表 現するある数の非グリッドメッシュにより置換される。通常、このオペレーショ ン後に、切断されたいくつかのコンポーネントを削除するオペレーションが続く 。それによって、たとえば壁その他のより複雑なオブジェクトと捻れた角度をな すあるパイプを表すメッシュの交線を、明確化することができる。このオペレー ションを「オブジェクト多形態化」機能(下記事項を参照)と組合せれば極めて 強力である。 メッシュ/メッシュ相互切断 このオペレーションは、上記の「メッシュによるメッシュ切断」と同じである が、ただし両方のメッシュが相互に他を切断すること、および両方がそれらの非 グリッドメッシュで置換される点が異なる。したがってあるメッシュ化した平面 がメッシュ化したシリンダーの軸線と垂直に交差するシリンダー(図2)にこの オペレーションを実行すると、四つの別個のコンポーネントが生じる。 メッシュ重畳部のトリム(刈り込み) 二つのメッシュが重畳するとき、一方のメッシュはそのままに残し他方のメッ シュをトリムして前者メッシュに継ぎ目なく接合させることが好ましいことがあ る。「メッシュ重畳部のトリム」ツールは、このオペレーションを行うものである 。このツールは、重畳が始まる領域でトリムメッシュを(ユーザー指定の距離の 範囲内で)切断し、トリムしたメッシュ重畳部分を捨て、必要に応じて継ぎ目な しの接合を形成して静的メッシュに仕上げるための頂点を追加する。入力する二 つのメッシュはグリッドメッシュでも非グリッドメッシュのいずれでもよい。静 的メッシュは不変のままデータベース内に残る。トリムしたメッシュは一つ以上 のコンポーネントメッシュに分割される。これらのコンポーネントメッシュは常 に非グリッドメッシュである。「オブジェクト多形態化」機能(下記)と組み合わ せたときの本ツールは、シーン内のいろいろのパーツの視覚的連続性を維持しつ つ、メッシュのパーツをプレハブオブジェクト(下記の「プレハブ ラボ」で得 られる)で置換することを可能にする。 非グリッドメッシュの単純化/最適化 非グリッドメッシュのメッシュ単純化は、計算機を利用する高価なタスクで、 多数の主要な研究所で研究されている。CGPは、将来この分野の研究努力で得 られるいくつかの機能を提供するであろう。 プレハブ ラボ 「プレハブラボ(Prefab Lab,PL)」ツールキットは予め構築されているサブ モデルを、一つのスキャンシーンに統合する機能を与える。これらのサブモデル はPLツールキット内で生成することも、外部のカタログかCADプログラムか ら取り込み、あるいは他のツールキットを使って生成されたパーツから構築する こともできる。 グループ化したオブジェクトおよびプロトタイプの概念 「プレハブラボ」は、インテリジェントモデルを構築し使用するにあたって重 要な役割を果たす二つの概念をサポートする。二つの概念とは、グループ化した オブジェクトとプロトタイプ(以下、グループオブジェクトおよびグループプロ トタイプという)である。グループオブジェクトとは、単なる幾何学的プリミテ ィブの集合または単一のエンティティとして機能する他のグループオブジェクト である。これは概念上、ほとんどの線描きプログラムにおけるオブジェクトのグ ループ化と等価である。グループオブジェクトは同一の座標空間に存在し、変形 しないオブジェクトとして機能する。当該グループに対して実行されるオペレー ションは、そのグルーブの中のすべてのオブジェクトに実行される。 プロトタイプとは、ある幾何学的シーン外部に存在するオブジェクトの範疇で あって、当該シーンの中で当該オブジェクトを具体化するためものである。プロ トタイプは単一の幾何学的プリミティブから、あるいはグループオブジェクトの いずれかから形成することができる。プロトタイプは本質的に、当該プロトタイ プのすべての具体例に関する一般的な情報を格納する「メタオブジェクト」であ る。プロトタイプの具体例はパーツと呼ばれる。次の一例が明確な理解の助けと なろう。 台所のモデルを作っているある人が、ある椅子の3次元メッシュモデルを構築 するとする。「視覚的マジック」ツールキットを使って、彼は椅子の各脚およびシ ートのメッシュを別個に生成する。4本の各脚をスキャンするのを避けるため、 彼は1本の脚のモデルを生成し、そのコピーツールおよびペーストツールを使っ て4回、シーン中にそのオブジェクトを配置する。この時点で、彼は椅子の脚の 色を青色に変更することを決心するとする。もしも彼が1本の脚の色を変更すれ ば、脚のすべてが色を変更するであろうか?それは、脚がパーツであるか否かに より決まる。すなわち、脚がプロトタイプ(この場合、色のような情報を四つの 脚が共有している)であるか、あるいは単にあるオブジェクトのコピー(この場 合、脚の間に何の関係も格納されていない)であるかに依ってきまる。データベ ース内に格納されるプロトタイプはシーン中のどこでも具体化することができな い。プロトタイプは、アクティブなデータベースを超えて存在することができる 。しかし、オブジェクトは一つのシーン中のエンティティとして完全に自己完結 している。シーンからオブジェクトを取り除くと、そのオブジェクトはデータベ ー スからも取り除かれる。 グループ化/グループ化解除 「グループ化」ツールは、1つ以上のオブジェクトまたは一組のパーツをとり あげ、一つの新しいグループ化したオブジェクトを生成する。このグループ化し たオブジェクトは上記の入力オブジェクトからなる、階層構造をもつ集合である 。グループ化したオブジェクトは幾何学的プリミティブ、パーツその他のグルー プ化したオブジェクトから生成することができ、一つのグループ化したオブジェ クトを形成することのできるこれらエンティティは、データベース内で新しいグ ループ化したオブジェクトで置換することができる。「グループ化解除」ツールは 、データベースからグループ化したオブジェクトを取り除きそれをそのコンポー ネントからなる具体例で置換する。 カット/コピー/ペースト 「カット」ツールは、ユーザーが後のペーストオペレーションを行うために、 シーンから1つ以上のオブジェクトを削除することを可能にする。当該エンティ ティは、アクティブなデータベースから除去され、コピー/カットバッファに格 納される。コピーツールは、元のオブジェクトあるいはパーツがアクティブデー タベースから除去されない点を除き、カットツールと同じである。コピー/カッ トバッファは、カットあるいはコピーされた最終エンティティのみを格納する単 一レベルバッファである。 ペーストツールはコピー/カットバッファ内のエンティティをアクティブデー タベース中に置く。もしもコピー/カットバッファ内のエンティティがパーツで あると、アクティブデータベース内に新しいパーツが生成される。もしもコピー /カットバッファ内のエンティティがオブジェクトであると、その複製がアクテ ィブデータベース中にコピーされる。 エンティティを一つのデータベースから別のデータベースにカットしペースト することができるよう、一つのセッション期間中、すべてのデータベースにまた がる単一のコピー/カットバッファが用意される。コピー/カットバッファは本 質的に、ビュー、編集、所望のオペレーションができる一つのオブジェクトデー タベースである。 「フリーハンド移動」 「フリーハンド移動」ツールを使って対話的にエンティティを移動することが できる。選択したエンティティの周りに移動マニピュレーターが生成され、その エンティティを対話的に移動するができる。新しい位置はデータベースに反映さ れる。 「フリーハンド回転」 エンティティは「フリーハンド回転」ツールを使って対話的に回転させること ができる。選択したエンティティの周りに回転マニピュレーターが生成され、そ のエンティティを対話的に回転することができる。新しい向きはデータベースに 反映される。 「移動して付着」 「移動して付着」ツールを使って、一つのエンティティを他のエンティティに 対する適当な方向に向けるように運動させることができる。ユーザーは、3つま でのポイントを運動させるべきオブジェクト上に選択するとともに、固定したオ ブジェクト上に対応する付着ポイントを選択する。このインタフェースは、これ らの付着ポイントを、相互矛盾しないように強制的に運動させる(すなわち、す べての付着が達成されるように、運動可能なオブジェクトを位置させる方法を用 意する)。付着ポイントの対応を同定すると、付着を実行すべく運動エンティテ ィが再配置され、再指向され、更新した位置がデータベースに反映される。この 付着は一時的なものであり、オペレーションが完了したときは消滅することに注 意されたい。一旦付着したオブジェクトを結合しておくために、ユーザーは「グ ループ化」ツールを使うべきである。 「ペースト貼り付け」 「ペースト貼り付け」ツールは上記の貼り付けツールと同じであるが、これは ユーザーがカット/コピーバッファからオブジェクトをアクティブデータベース ワールド中に貼り付けることを許容するものである。 「フリーハンドスケーリング」 「フリーハンドスケーリング」ツールを使って、エンティティを対話的にスケ ーリング(scaling、縮尺設定)することができる。選択したエンティティの周 囲にスケーリングマニピュレータが生成され、エンティティを対話的にスケーリ ング実行を可能にする。新しいスケーリングはデータベースに反映される。エン ティティのローカル座標システムのX、Y、およびZ方向にスケーリングするこ とができる。エンティティがオブジェクトである場合、初期設定ウィンドウを介 してスケーリング束縛条件(一様スケーリング、一様X方向スケーリングおよび 一様Y方向スケーリング等)を特定することができる。パーツの具体例に対して はスケーリングの初期設定は当該パーツに委任される。 「スケーリングして付着」 「スケーリングして付着(Scale to Attach)」ツールは、要求された付着(Atta chment)を行うために束縛条件の下でオブジェクトをスケーリングする点を除き 、「移動して付着」ツールと類似である。オブジェクトの新しいスケーリングは データベースに反映される。 「プロトタイプへのオブジェクト」 「プロトタイプ」ツールは一つのオブジェクトまたはプリミティブから一つの プロトタイプを生成し、そのプロトタイプをデータベース内に格納する。元のオ ブジェクトないしプリミティブはデータベースから取り出されて新たに生成され たプロトタイプの具体例で置換される。そのプロトタイプは、たとえアクティブ デバイスからそれに関連するすべてのパーツが除去されても、明示の「パーツ削 除」命令が出されない限り、データベースに存在し続ける。プロトタイプには名 前と注釈が付けられる。 「プロトタイプブラウザ/パーツの具体例化」 「プロトタイプブラウザ」は、データベース内のすべてのプロトタイプをサー チする機能を提供する。プロトタイプはブラウザ中に表示され、ブラウザからア クティブなデータワールド中にドラッグすることができる。アクティブデータワ ールド内のオブジェクトに付着されているプロトタイプからパーツを生成するの に「移動して付着」と「スケーリングして付着」とを使うことができる。プロト タイプブラウザから生成される新しいパーツは、関連の配置情報とともにアクテ ィブデータベースに格納される。 「パーツをオブジェクトに」 「パーツをオブジェクトに」ツールは、パーツをオブジェクトに変換し、プロ トタイプから得られるすべての情報を、そのオブジェクトとは関連をもたないオ ブジェクト中にコピーする。これは、ユーザーが自分のニーズをほぼ満たすパー ツを選択し、そのパーツをユーザーが編集するにあたり、同じプロトタイプから 生成された他のオブジェクトには影響を与えずに、編集することを可能にする。 「多形態化機能」 「多形態化機能(polymorphism)」は、ある型の引数を必要とする一つのツールを 適切に作用させるよう、一つの型のオブジェクトを他の型のオブジェクトに自動 変換するための機能である。もしも別の型のオブジェクトに変換すべきオブジェ クトが当該オペレーションによって変更されないものであるなら、多形態化機能 はユーザーにとっては暫定的なものであり、目には見えない。もしも変換される オブジェクトが当該オペレーションによって変更されるものであるなら、多形態 化機能は永久的なものであり、ユーザーにはそのオペレーションをキャンセルす る機会が与えられる。 多形態化機能の主要例は当該システム内の各オブジェクトまたはパーツを三角 形メッシュ形状をとらせる機能である。グループ化したオブジェクトは、それら のコンポーネントを三角形メッシュに変換することにより形成される三角形メッ シュの合併(union)をとることにより、三角形メッシュに変換することができ る。したがって、各オブジェクトを三角形メッシュに多形態化できる機能をシス テムに課すことは、システム内の各プリミティブの幾何学的形状を三角形メッシ ュ形状にする機能を課すことと本質的に同じである。 多形態化により永久的に三角形メッシュ形状にされているグループ化されたオ ブジェクトは、それらの階層的構造を維持するが、それはオブジェクトの集合と してではなくメッシュの集合としてである。注釈、名前、およびその他の外部デ ータベース情報は、その階層中に維持される。 プレハブプリミティブ 本システムは、具体例として表し、移動させ、スケーリング設定し、表示し、 メッシュ変換することができる一組の幾何学的プリミティブを与える。これらの プリミティブは、それらから他の幾何学形状、例えば立方体形状、円筒形状、円 錐形状、プリズム形状、円盤形状等を組み立てることができる基本的な幾何学形 状である。プリミチィブに特有のオペレーションはまったく用意しないので、シ ステムにプリミティブを追加するには、幾何学的形状を捕捉する基本的なパラメ ータ指定方法、表示ジェネレータ、メッシュへの変換、およびシステムに包含す るデータベース表示を用意することに他ならない。ディスプレイ発生ルーチンと メッシュ変換ルーチンは、複雑性を表す引数(complexity argument)として0 と1の間の一浮動点小数を使う。これは、与えるべき詳細の程度(例えば円筒形 状を近似するために使う平面数)を決めるときの補助とするためである。この引 数はシステムのユーザーがいつでも設定することができる。 「プレハブプリミティブ」は、本来的に単純であるので、引き伸ばした立方体 などの他のプレハブプリミティブのグループとして構築しうるIビーム(Ibeam )のようなオブジェクトを表示するのには「プレハブプリミテイブ」使用しない 。 パラメーター化したプロトタイプ パラメーターの特定によって定義できる一般的なパーツ(以下、パラメータ化 したパーツという)であってユーザーがそのパラメーターを設定することができ るものを提供することは、長年の目標である。スケーリングに束縛条件を設ける という考え方は、一般的なパラメータ化したプロトタイプを用意するという考え 方を簡単にしたものである。パラメータ化したプロトタイプがあれば、ユーザー はこれを使って例えば溝の幅、一組の孔の間の間隔、あるいはスツールの脚の数 を設定することができる。こうすればプロトタイプの小さなカタログでより大き なニーズに応えることができるであろうが、しかしプロトタイプを記述するのに 著しく複雑な機能が必要となるであろう。 「構造ショップ」 「構造ショップ」機能は、大きな、主として平面的構造体や支持構造体(例えば ビルディング)を生成するための付加機能、およびポイントおよびラインのサー ベイ(調査)を行うための基本的機能を与える。「構造ショップ」機能は、ポイン ト、ライン、および平面オブジェクトを、ユーザーにとって利用可能なパレット に付加し、これらオブジェクトを操作するための簡単な対話機能を提供する。 「スキャンポイント抽出」 ユーザーは、「スキャンポイント抽出」ツールを使ってレンジスキャンからポイ ントを切り取ることができる。ユーザーは、レンジスキャンを選択してから、彼 が抽出したいと望むポイント周辺にループをトレースするか、あるいはこれらの ポイントの周囲に多角形を描く。選択したレンジスキャンは、抽出ラインを描い た領域の内側のポイントおよび外側のポイントを別個に含む二つのレンジスキャ ンで置換される。レンジスキャン名は固有の識別子で捕捉され(例えばRS35は RS35_1とRS35_2に分かれる)、新しい各コンポーネントスキャンに注釈がコ ピーされる。 「ポイントから平面を」 平面オブジェクトは平面内において境界で仕切られた一組の多角形である。そ の多重輪郭をなす境界線(multi-contoured boundary)は、エッヂと頂点とから 成り、これらは必要に応じて隣接する平面間で共有することができる。「ポイン ト ツールから平面を」ツールは、一組のポイントを与えると、それに最もよく適合 する平面を計算するものである。そのポイントの組はレンジスキャンあるいはメ ッシュのいずれかから得たものでよい。(このことは、多形態化ツールがあるの で、これらのポイントが任意の幾何学的オブジェクトまたはパーツから得られる ことを意味する)。平面の境界は、最も適合する平面中にこれらのポイントを投 影することにより、かつ凸状殻(convex hull)を計算することにより、生成さ れる。ユーザーが設定した初期設定に応じて、上記のポイントが導かれた元のオ ブジェクトがデータベースから削除され、あるいは損なわれずに残る。新しい平 面オブジェクトはデータベースに挿入される。 「ポイントからコーナーを」 「ポイントツールからコーナーを」ツールは、一組のポイントから3つの平面オ ブジェクトを生成する。このポイントの組は、レンジスキャンまたはメッシュの どちらか一方から得ることができる。3つの平面が一つの頂点とその頂点から延 びる三つのエッヂを共有する。その共有頂点と一対の共有エッヂを除いて、各平 面オブジェクトは、その平面に投影したとき、そのポイントに属する凸状殻によ って境界を画される。ユーザーが設定した初期設定に応じて、上記のポイントが 導かれた元のオブジェクトがデータベースから削除され、あるいは損なわれずに 残る。3つの新しい平面オブジェクトはデータベースに入れられる。 「穴追加/領域追加」 このツールを使って平面オブジェクトに穴(holes)および追加的輪郭(conto urs)を加えることができる。いずれの場合もユーザーは、当該平面オブジェク トを、これを一部分として含むように無限平面上に一つの輪郭を描く。「穴追加」 ツールの場合、その結果生じる輪郭が、与えられた平面オブジェクトから減算さ れ、その結果、必要に応じて頂点が追加され、または削除される。 「領域追加」の場合は、新しい輪郭と既存の多角形との台併(union)がとられ 、必要に応じて頂点が追加され、または削除される。 「対話的頂点移動」 ユーザーは、マウスで多角形の頂点をドラッグすることができる。これらの頂 点はオブジェクトによって特定される平面内に在るように束縛される。また、ユ ーザーは、頂点を正確に配置することができるようにするため、一つまたは二つ のスナッピング平面(snapping plane、正しいポイントの付近のポイントを指定 すると正しいポイントが選ばれるようにする平面)を同定することができる。一 つのスナッピング平面を追加することによって、その平面のすべての頂点の周り にスナッピング領域が生成されるとともに、その平面の至るところで弱い(より 小さい)スナッピング領域を生成する。ユーザーは、容易にマウスで頂点をドラ ッグすることができ、その結果、その頂点が他の平面に整合し、あるいは別の平 面内にある頂点に付着することができる。二つのスナッピング平面を指示すれば 、指示した二つの平面の各々に対して上述したすべてのスナッピング領域が生成 される。しかしながら、それに加えて3つの平面(すなわち指示された二つの平 面と、ドラッグされた頂点を含む平面)の交点の周りに極めて大きいスナッピン グ領域が生成される。もしもユーザーがある頂点を別の頂点へスナップすると、 その頂点は共有頂点となる。 二つの平面が共有する頂点は、二つの平面によって共有されるライン内でのみ ドラッグすることができる。3つ以上の平面によって共有される頂点をドラッグ することはできない。 頂点は、同じ平面内にある他の輪郭とも相互作用する。スナッピングはこれら の他の輪郭に属するすべてのエッヂ頂点で起こる。穴のないある領域(以下、閉 塞領域という)を囲む輪郭を移動すると、その輪郭は領域や穴を表す他の輪郭と 交差するかもしれない。そのような輪郭の頂点を動かした結果は、その多角形内 にある閉塞した領域の合併である。同様に、穴を画する輪郭の頂点を動かすと、 その輪郭の閉塞した領域が、その平面内にある他のすべての閉塞した多角形から 減算される。 その頂点の新しい位置はデータベースに反映され、この頂点を終点として使用 するエッヂもまた更新される。 非共有頂点 「非共有頂点」ツールをクリックして共有頂点を選択すると、共有されていた 頂点は、独立に移動・相互分離できる頂点の独立なコピーポイントに変わる。元 の共有頂点は上記のコピーで置換され、データベースから削除される。 「頂点挿入/削除」 頂点はこのツールで挿入し、削除することができる。頂点は挿入ポイント位置 をクリックすることにより挿入される。頂点はその頂点を指示することによって 削除される。共有頂点は、それが参画する平面オブジェクトのすべてから削除さ れる。そのような変更はすべてデータベースに反映される。 「平面併合」ツール ユーザーは、二つの平面オブジェクトを「平面併合(Merge Plane)」ツールで 併合することができる。このオペレーションは、二つのオブジェクトがほぼ同一 平面上にあることを調べ、もしそれらが同一平面状にないと、処理を進める前に ユーザーに警告する。平面の併合は、データベースで指示された二つのオブジェ クトを単一の新しい平面で置換する。その単一のオブジェクトとは、二つの元の オブジェクトを発生したポイント全体に最もよく適合(fit)する平面である。 元の平面オブジェクト上の頂点は新しい平面に投影される。ただしこのとき、投 影は頂点の共有に課された束縛条件を維持しつつ行われる。新しいオブジェクト の境界は、併合された平面オブジェクトのすべての境界の合併である。 「ポイントを自由ポイントに」ツール 「ポイントを自由ポイントに」ツールは、スキャンポイント、メッシュポイン ト、または頂点のどれかから、自由不動ポイント(free standing point)を発 生する。自由ポイント(free point)とは、任意の表面の外に存在する、特に注 目する頂点である。自由ポイントは、表面を構成しないデータオブジェクト(no nsurface data object)であり、したがってメッシュに変更することができない 。自由不動ポイントは、FDVを使って基本的な(属性たるラインその他の)サ ー ベイを行えるように意図されている。自由ポイントは、名前を付け、注釈を付け ることができ、データベースに格納される。 「自由ライン作成」 「自由ライン作成」ツールは、二つの自由不動ポイントから一本の自由不動ラ イン(free standing line)を生成する。この自由ラインはあらゆる面の外に存 在し、それゆえメッシュに変換することができない。自由ラインは、FDVを使 って(プローパティライン等の)基本的サーベイを行うためのものである。自由 ラインは、これに名前を付け、注釈を付け、データベースに格納される。 「調査とプレゼンテーション」 「調査とプレゼンテーション」ツールキットは、データベースに格納されている 非幾何学的データを修正する機能のみならず、クエリーを発し、データを表示す るための機能を提供する。このツールキットはシステムの他の様々なツールキッ トとの密接な統合を提供する一方、キットを独立なシステムに分離する。これは FDVユニットかモデル再構築ツールのどちらか一方は使わないだろうが様々な Cyraツールで生成した情報へのアクセスを望むユーザーに対し配給すること になろう。 「ビューデータワールド」 データワールドの各幾何学的内容は、そのデータワールドの3次元的表示を表 示する対話的な視覚的ブラウザを使って観ることができる。各幾何学的オブジェ クトあるいはパーツは、データベースの部分集合である一つのデータワールドに 属する。任意の数のビューを独立に開いて使用することができる。 同じデータワールドに属する複数のビューを使って、(「スキャンポイントの抽 出」ツールなどとは異なり)特定の視点を含まないオペレーションを実行すること ができる。これは一つのビューにおいていくつかのオペランドを指示すると共に 、任意の数の他のビューにおいて他のオペランドを指示することにより行われる 。 「対話的ビューオペレーション」 ユーザーはデータワールドビューをズーム拡大し、回転し、パン移動(カメラ の左右の移動)をすることができる。これらのオペレーションは、プラットホー ムが対話の速度でフレームを生成することができる能力をモデルのサイズおよび 複雑度および必要なフレーム率が超過しない限りにおいて、対話的なものにする ことができる。 「対話的飛行」 ユーザーはフライスルーパラダイム(fly through paradigm)を使ってモデル を通過するナビゲーションを行うことができる。このパラダイムではユーザーが 、シーンを観る想像上の目の動き(速さ、方向、および向き)を制御する。この フライスルーは、プラットホームが対話的な速度でフレームを生成することがで きる能力をモデルのサイズおよび複雑度および必要なフレーム率が超過しない限 りにおいて、対話的なものにすることができる。 これまで、極めて複雑なモデルに高いフレーム率を許するためにこのプロセス を最適化する重要な研究が行われている。今後のCGPにそのような研究の成果 を組み入れることが我々の希望である。 「ビューの命名と保存/ロード」 ユーザーは、現在のビューに名前と注釈をつけてデータベースに保存すること ができる。名前を付けられたビューは任意のデータワールドビューウィンドウに ロードすることができるので、保存した視点でウィンドウの視点を置換すること ができる。 「名前を付けたビューの削除」 名前の付いけたビューはユーザーのリクエストによってデータベースから削除 することができる。 「標準ビュー」 ユーザー-が指定する原点およびユーザー-が指定する距離に相対的な6個の標 準的ビュー(左側面、右側面、正面、背面、頂部面および底面)が任意のデータ ワールドビューで直ちに利用可能である。 直交図的(Orthographic)/透視図的(perspective)トグル 一つのデータワールドは正射影法または遠近法による投影図を使って観ること ができる。様々なツールキットすべてから得られるオペレーションは、どちらの 投影法を使用したかには関係なく、正しく機能する。 「データワールドの統合」 ユーザーは、二つのデータワールド内の対応するポイント対を指定することに より、1つのデータワールドを第二のデータワールドに併合することができる。 ユーザーは、少なくとも3つの縮退してないポイントの組を与えなければならな い。それらのポイント対から、可能な限り(最小二乗法の意味で)密接な対応が 満たされるように第二ポイントデータワールを再配置する変換が計算される。第 二データワールドはデータベースから除去され、計算した変換を受けた当該デー タワールド内の全データが第一データワールド中にコピーされる。 「距離」 距離ツールを使って、ユーザー-が指定する当該モデル内の二つのロケーショ ン間の距離を計算し、表示することができる。 (この節の残りの部分は漠然としており未完成である。私はこの節を終了しな ければならないが、この節の終わるに当たって「インテリジェント」モデルへ向 けて大きな地歩を獲得する非常に一般的な方法を述べる。) ビューの引数 各オブジェクトパーツ、またはプリミティブは任意数の命名されたビジュアル 表示を与えることができる。ユーザーはオブジェクトの「表示属性(“represent ation attribute”)」を設定することにより、これらの名前を付けた ビジュアル表示のいずれをオブジェクト、パーツ、またはプリミティブあるいは シーン全体に使用するかを指定することができる。各オブジェクトには、そのオ ブジェクトに命名したビジュアル表示が存在しないときに、あるいは命名されて いるビジュアル表示がまったく与えられてないときに使用するデフォルトの表示 が与えられている。命名されたビジュアル表示は、ワイヤフレームや領域指定ボ ックス(bounding box)のようなシステムに付与されている描画スタイル(draw ing style)であり、そうでなければ当該モデルを低解像度にして表した別のモ デルか、または当該オブジェクト(例えば複雑なバルブを表す二つの円錐)のシ ンボリック表示のような別のモデルに対するポインタである。 普通、プリミティブは、少なくとも次の表示---ワイヤフレーム、隠れたライ ン、領域指定ボックス、および不可視のもの---の属性値を与えるが、正規のデ フォルト値としてそのうちの「表面」をマークする。 また、属性/値の対をオブジェクトのビジュアル表示の一部として与えること により、色とか反射率のような表面のプロパティパラメーターもビジュアル表示 を介して与えられる。一階層内のエンティティは、そのエンティティ内にその属 性に対する値が何ら指定されていないときは、それに最も密接な祖先(ancestors )の値を使用する。そのエンティティあるいはその祖先によって何の値も指定さ れていない場合、(色とかライン幅のような)オブジェクトを線描きするのに必要 な各属性が、対応するデフォルトで与えられなければならない。CGPの最初の リリースに含まれるすべてのプリミティブによってサポートされるであろうと考 えられるものの属性は、周囲の色(ambient color)、拡散色(diffuse color)、正 反射色(specular color)、光る色(emmisive color)、輝き(shininess)、透明さ( transparency)、ショーの名(show name)、およびショーの注釈(show annotatio n)である。さらに、いくつかのプリミティブが「ショーの寸法(“show dimensi on”)」属性をサポートすることになろう。レンジスキャンは、「強度擬似着色属 性を使用(“use intensity pseudocoloring attribute”)」ツールをサポートす ることになろう。 「命名したビジュアル表示の生成/ロード/保存/削除」 ユーザーは、当該データベースを使った他のパラメーターの組以外の別のパラ メーターを使ったデータベースを自分で観るため、命名した新たなビジュアル表 示を生成することができる。このビジュアル表示は、名前を与えられてデータベ ースに格納される。ユーザーが新しいビジュアル表示を生成するとき、データワ ールド内の各オブジェクトに対する現在の属性値がすべて、上記の命名したビジ ュアル表示に関連づけられる。この名前を付けられたビジュアル表示を使ったと きの、ユーザーによってなされたデータワールドへの変更(オブジェクトの表示 属性のワイヤフレームへの変更、あるいはその色の青への変更など)は、現在ロ ードされているビジュアル表示の属性/値の対だけに影響を与える。したがって 、配管技術者なら、一つのセッションではすべての管が円筒として表示されるデ ータワールドのビジュアル表示を発生させ、別のセッションでは管は中心線とし て表示される第二のビジュアル表示を発生させるかも知れない。もちろんこれは 管オブジェクトが、命名された表示属性を中心線に与えることを前提にしている 。 このパラダイムは、各ビューアーごとに別個のデータベースのコピーを用意す ることなくいろいろのユーザーが同じデータベース上で多数のビューを同時に観 ることを可能にすることに注意されたい。 「生成/削除/ビュー/編集/注釈」 注釈とは、オブジェクト、プリミティブ、パーツ、またはプロトタイプと関連 づけられる印字データフィールド(typed data field)である。注釈は、アプリ ケーションに特化したデータをCGPデータベースに含めることを可能にする。 このデータは、いずれのデータ型のISO標準でもよい(これらが何であるか、 思い出さないでよいが、約半ダースほどあり、各データベースによりサポートさ れている。)各注釈は、名前で参照される。 プロトタイプに関連づけられた注釈はそのプロトタイプで生成された各パーツ に適用される。ただしパーツによってその注釈の値が明示的にオーバーライドさ れとときは別である。 各エンティティは最少限、名前およびタイプに関する注釈を有する。クエリー による選択ユーザーは、データワールド内のすべてのエンティティの注釈に関す るSQLクエリーを使って一組のエンティティを選択することができる。そのよ うなクエリーは、直接にデータベースに手渡される。SQLサポートの程度は選 択したデータベースに基づいて決まる。 クエリーによって返されるエンティティは、選択されたものとしてマークを付 けられ、多重オペレーションに作用することを可能にするすべてのツールに対す る引数として使用することができる。ユーザーにとってはCGPによりデータベ ース内に格納されているデータもまた、当該CGPデータベース構造に対する読 取り専用フロントエンドを介してアクセス可能である。 「データ交換」 「データ交換」ツールキットは、CGPを他のCADパッケージおよびベンダ ー提供のカタログとシームレス統合を行うのに必要な機能を提供する。このツー ルキットは究極的には、市場の需要に対応する多様な型式のファイルをインポー トし、エキスポートすることになろう。 インポート/エキスポートCRX エキスポート機能は、選択したオブジェクト、データワールド、あるいはCR X(Cyra社が所有するデータフォーマット)のデータベースを表す単一のバ イナリーデータファイルを生成する。インポート機能はこのデータフォーマット の読み取りを可能にする。 インポート/エキスポートDXF このエキスポート機能は、選択したビデオイメージオブジェクト、データワー ルド、あるいはこの汎用CAD標準フォーマットのデータベースを表すDXFデ ータファイルを生成する。DXF表示は次のように限定される:インポートDX Fファイルは、DXFファイル内に格納されているエンティティまたはエンティ ティの組をCGP中にロードする。このDXFファイルのCGP版は以下のよう に制限される。 インポート/エキスポートRGB 「エキスポートRGB」機能は、選択したビデオのイメージからRGBビデオ イメージファイルを生成する。「インポートRGB」機能はRGBビデオイメージ ファイルからビデオイメージオブジェクトをCGP内に生成する。 インポート/エキスポートインベンター 「エキスポートインベンター(Export Inventor)」機能は、選択したオブジェ クト、データワールド、またはデータベースを表すインベンターファイルを、イ ンベンターファイルフォーマットで生成する。その結果得られるモデルは、標準 のインベンタービューアーを使って観るとCGPで観るモデルと同じである。イ ンポート機能は、インベンターファイルに格納してあるエンティティまたはエン ティティの組をCGP中にロードする。このインベンターファイルのCGP版は 次のように制限されよう。 「エキスポートポストスクリプト」 「エキスポートポストスクリプト」機能は、選択したデータワールド内に表さ れたビューであるポストスクリプトファイルを生成しまたはプリンターへ直接に 送って印刷する。 一般的な対話およびシステム情報 ツールキットとの対話は、視覚的対話を重視する観点からマウスとキーボード を介して行われる。ユーザーインタフェースは、アイコンを使ったツールパレッ ト、ファンクションキーショートカット、メニュー、およびウィンドウをもつこ とが望まれる。機能の大部分はマウスだけを使ってアクセス可能となろう。本シ ステムのユーザーインタフェースは、与えられたプラットホームにおける標準の インタフェースおよび対話パラダイムに適合するであろう。 プラットホーム CGPは、ラップトップボックスに装備したWindowsNTを走らせる100MHz ペンティアムプロセッサ上で動作するだろう。本システムは、512キロバイト のキャッシュを備えた最小限48メガバイトRAMを提供する。プラットホーム は800×600ドット、256色のディスプレイおよび少なくともIGBのデ ィスクスペースをもつことが望ましい。システムは、PCIMC1A方式のイー サネットを介してハードウェアと通信する。CGPの第一ポートは、グラフィッ クス集中環境で使うように意図されたオフィスモデルを与えるため、シリコング ラフィックスプラットホームに適するものであることが望まれる。 ヘルプシステム CGPは、与えられたプラットホーム上のアプリケーションに供する標準イン タフェースに対応するフォーマットの形で、文脈判断可能なヘルプを提供する対 話的ヘルプシステムを提供する。ユーザーがアクセスできるすべての機能はヘル プシステム内に文書化される。 「アンドゥ」 CGPは、一つのセッション期間中に行われた任意の数のオペレーションを、 (メモリおよびディスク・スペースのようなシステムの機能の限界まで)何度で もユーザーがアンドゥできるようにする。 ドキュメンテーション 少なくとも使用現場において調査者が使うことができるフィールドガイドを含 む形で、本システムの文書資料のハードウェアコピーを提供する。 概観 Cyra Cyraテクノロジー社、およびレーザー方式でデータを取得し認識しモデル 構築するユニークなCyraテクノロジー社の技術に関するこの概要秘密文書は 、Cyra社の潜在能力を一層よく理解し評価する戦略上のパートナー、投資者 、および、協力者を援助するために用意したものである。 Cyraテクノロジー社は1993年に設立されたカリフォルニアの会社で、建築 /工学/建設の分野(Architecture/Engineering/Construction、AEC)および 製造業者のための革新的な高度技術によるコンピュータ一-ベースの製品を研究 、開発、販売している。 Cyra社は現在、レーザーを利用する一連の空間撮像(spatial imaging) および合成景観システム(synthetic vision systems)を開発しており、これら は広範囲な市場で需要がある三次元データの取得、認識およびモデル構築を行う ためのものである。最初の製品である「Cyrax」は、視野に入る任意のもの の三次元(3D)コンピューターモデルを自動的に生成することができるグラフ ィックコンピューターを併せ備えた携帯用レーザー-ーダースキャナーである。 これは、ハイブリッド型のカメラ/サーベイ用器具として、丘の景色からビルデ ィング、はては航空機にいたる任意のものの3D CAD(Computer Aided Desi gn)モデルを生成することができる。50メートル以上のレンジにおいてミリメ ートル単位の精度をもつ技術を備えたCyraxは、製造業、娯楽産業、マルチ メディア分野で大きなマーケットをもつ3D空間データの需要に対してと同様に 、建築/工学/建設の産業分野の需要に応えようとするものである。 空間情報のニーズ データの取得 我々の環境に関する正確な情報は近代生活にとって極めて重要である。恐竜キ ャラクタを製作するビデオゲームデザイナーから帯状鉱脈の地図を作成する地質 学者、超高層ビルの「完成時の模様」を準備している建設会社、あるいは複雑な 機体のパーツの正確な三次元測定を必要とする航空機設計者に至るまで、近代生 活は我々を取り囲む空間的環境に関する正確なデータに対し変わらぬ需要がある 。 全世界の建設、利用設備、輸送、および製造業は毎年10億ドルを超える投資を しているが、業務の大部分を高速かつ精確な空間データに依存している。これら の産業は少なくともその収入の1パーセントの10分の1をデータ取得に費やして いる。 その需要は毎年10億ドルを超える! トータルステーション(近代的測量士の ツール、すなわち望遠鏡/角度メーター/距離計を統合した装置)による調査業 務の国内売り上げだけでも毎年52億ドルを越える。 データ-ベースの配置 我々の周囲にあるオブジェクトの位置を知る必要性に加えて、オブジェクトを 正確に配置しまたは設置することには膨大な需要がある。フェンスを立てるとき 、建築の土台を注入するとき、通路を建設するとき、あるいは複雑な機械を組み 立てるとき、建造物の制作者はパーツを正確に位置決めする必要がある。「質( を守ること)が最初の仕事である」という国民的スローガンがあり、また会社の 利益差分が厳しい現状にあって、手計算の方法はもはや採用することができない 。 ベンダー達は現在あまり目を向けていないが、データ-ベースに基づく位置決 めの市場は急速に成長している。我々の社会は消費商品を益々柔軟にカスタム化 する方向に向かっているのであるから、データ-ベースに基づく位置決めシステ ムの需要は爆発的に増すであろう。 従来の方法 データ取得---ポイントおよびライン 従来、社会ではデータを取得するのに面倒な手法に頼っていた。AECの分野 では測量士がデータを集めるのに、現場で光学的トランシット、水準器、スチー ルテープ、および錘線を使うのに長時間を費やした。他方、製造用機械技術者お よび設計技術者はキャリパーや精密器具を使うことが情報収集の主な方法であっ た。 これらの道具と方法は高い精度にまで精密化され、近年では部分的に自動化さ れてさえいる。しかしながら、こうした方法は遅速で骨が折れ、かつエラーを含 みがちな二次元データ収集手段に依存している。現場であるいは作業台上で測定 したポイントやラインから得たデータが設計表またはCADシステムに戻されて 、長時間をかけてまとめられ、パーツの等高線マップサイトの線描きあるいは三 次元モデルが構築されている。消費する時間に加えて、現行のデータ処方法は人 的エラーを受ける。 位置決め 正確な位置決めはいつでも一つの挑戦に値する達成目標であった。これまで大 抵の民間業務および建設業務はトータルステーション(望遠鏡/角度メーター/ 距離計を統合した近代的測量士のツール)を使って測量士のチームがーポイント づつ逐一「杭打ち」するものである。このような方法にもいくらかの進歩がある (例えば、新しいトータルステーションは可視光線で人を正確にポイントへ案内 することができる)。しかしこのプロセスは依然として遅く、骨が折れ、オペレ ーターがエラーを起こし易い。 同様に製造業では製品が益々複雑になり、製造条件が今まで以上に要求される ようになっており、パーツの正確な位置決めが常に、かついっそう挑戦に値する 達成目標となっている。 多数のベンチャー企業家たちが機械的視察デバイス(machine vision devices )を開発しようと試みているが、そのようなシステムは大抵、根本的な制約を受 けており、また単一の用途に向けて設計されている。組立ライン上でしばしばロ ボットがオブジェクトを位置決めするようにプログラムを組むことができる。た だし、それはオブジェクトがロボットの手の届く範囲内にある場合に限られる。 しかしながら、航空機や船体のような大きな組立体では制作者は扱い難い機械的 3次元アーム(通常はスキャニングに使用される)、あるいはドリル孔の事前マー クや手作業の填め合わせおよび組立前の整合を助ける調査装置などの、最適とは 言えない解決法に頼らざるを得ないのが現状である。 「空間的」便宜 自動的データ取得 オートデスクコーポレーション(Autodesk Corporation)その他の企業の市場 における驚異的な成功に見られるように、この十年間のCADの爆発的流行から 、機械に直ちに利用できる形態の正確な3Dデータに対する需要が高まっている 。ほとんどすべての技術者およびデザイナーがT型定規と鉛筆でポイントとライ ンを描く製図板からコンピューターの光輝く蛍光画面に映ってしまった今、空間 的データに対する需要が急増した。ソフトウェアを使ってラインに組立て、やが ては3次元表示に組み立てる数百個のポイントを手作業で調査もしくは測定する 現在のプロセスは、技術者およびデザイナーがCADプログラムで使用している が、非効率かつ経済的負担となる。 現場にある3次元的オブジェクトをすべて収集するシステムは精度を改善する ことができるとともに、現在はコストまたは技術的な制約のために収集できない データを提供することができ、さらに、現在のデータ取得プロセスにおけるいく つかのステップを排除することができる。 データ取得の便宜さを得るという主要目的に加えて、データ取得には今後成長 する多数の可能性がある。市場調査インタビューのなかで言及された多くの事項 のうちのいくつかの興味ある話題として、遠隔3次元偵察/視察、機械の視察/ 認識、(航空写真測量に代わる)航空データ収集、および水中視察(underwater v ision)がある。 自動位置決め 将来は、ボーイング社などの工場で導入されている3D設計と共に、完全な3 次元的設計が浸透するにつれ、建物から自動車部品に至るオブジェクトをデザイ ナーのコンピューター画面から直接精確に位置決めする能力が標準になるであろ う。Cyra社は、かかる空間的位置決め問題に向けた、比較的簡単かつ低コス トのデータ取得技術への拡張を目指して研究している。 A.序論 AEC産業分野で正確な空間情報に対する需要およびそれを与えるツールの不 在に刺激されて、Cyraテクノロジー社はCyraxという携帯可能な三次元 データ取得ツールを開発している。多くの点でカメラと類似している現在開発中 の装置は、カメラの前面に拡がる視界を構成する「ポイント」ワールドに対して 三次元座標を捕捉する能力を与える。Cyraxはカメラのスピードと大きなデ ータ取得性を正確な3次元空間データの捕捉機能に結合する。Cyraxの設計 仕様は、50メートルまでの距離でミリメートル単位(モデルの一つは1ミリメー トルまで、別のモデルでは6ミリメートルまでの精度)の現場測定ができる高精 度高速デジタル装置を目標としている。Cyraxのソフトウエアは、小さい携 帯用コンピューターで走るものであり、ハードウェアと結合して高度のポイント 処理およびハードウェアとの相性の良いインターフェースを与える。 Cyrax-アーチストの概念 AEC分野の専門家達が有益なデバイスを得られるデバイスに必要な設計条件 から出発して、実現の可能性がある技術の評価が行われた。Cyraxの予備的 仕様は既存のいかなるデータ取得方法の限界をも越えているが、Cyra社はレ ーザー技術、特にレーザーレーダーに、照準を当てて努力している。大学、政府 の研究所、並びにCyra社チームによる集中的な研究により、上記設計仕様を 満たすに必要な根幹技術のコンポーネントの生成および組み立てが行われている 。 Cyrax Cyraxソフトウェアは、レーザーレーダーおよびピコ秒レベルの超高速電 子工学を使って白昼下に毎秒数千個の三次元座標を捕捉するように設計された。 Cyraxソフトウエアはハードウェアと同様に高度である。その革新的でユ ーザー・フレンドリーなコードにより、オペレーターはスキャンプロセスに向か うことができ、その結果生じたポイント群から意味のあるデータを生成すること ができる。ソフトウエアチームは現在、オブジェクトの自動認識および自動生成 に残る限界を無くす方向に努力しており、高速かつ容易な表面生成ツールおよび オブジェクト生成ツールと同様、これまでに半自動化した3Dオブジェクト分割 ルーチンを開発した。 B.レーザーレーダー 発見から30年も経っているにもかかわらず、「ライダー('lidar')」すなわち レーザーレーダーは防衛産業外では限定的な用途しかなかった。しかしより簡単 で低コストのマイクロチップレーザーが開発されたこともあり、また政府防衛研 究を産業へ解放する政策が執られるにいたったこともあって、近年は状況が変わ った。1986年の第一回レーザーレーダー年次会議でライダー技術は真実、そ れ自体の地歩を得た。 従来のレーダーと同様に、ライダーは光パルスの戻り時間の正確な測定、ある いは光パルスの位相シフトの精確な測定に基づいている。レーザーから出たコヒ ーレント光ビームを非常に鋭く収束させ、かつこれを「照準可能な」ビームにし て使用することにより、ターゲッティングに顕著な利点が得られる。しかしなが ら最近になるまで、レーザーレーダーは技術的に制約があった。第一に、ターゲ ット上に反射器を配置せずに測定できるほど十分に鋭い高エネルギーパルスを安 全に提供できるレーザーがほとんどなかった。第二に、「光速」測定システムに必 要なピコ秒単位で応答できる電子機器がないため、収束された高出力レーザー放 射ビームのタイムオブフライト(time of flight)などを測定する高速かつ高精 度の電子工学装置の精度が欠如していた。その結果、レーザー式のレンジ決定用 トータルステーションのようなシステムはタイミング電子装置のエラーを平均す るため、数百回、ときには数千回もの測定を行わなければならなかった。 先進的国立研究所において近年開発された極めて鋭い高エネルギーパルスを出 すことができるマイクロチップによって、レーザーレーダーシステムが得られる 可能性が新たに開かれた。Cyraテクノロジー社は迅速に対応し、Cyra社 のマーケットに対しこの特許レーザーの世界的独占権を取得した。 C.Cyraxシステム Cyraxは、次の3つの主要なコンポーネントからなる。 ・電子レーザースキャナー、すなわち 「フィールドデジタルビジョン」マシーン. ・FDV制御、ターゲティング兼イメージ「組立」ソフトウエア、すなわち 「コンピューターグラフィック認識(Computer Graphic Perception)」 モジュール. ・既存のサードパーティーCADに対する通信ソフト。 開発戦略 [310] Cyraxは、Cyra社の副社長ジェリー・ディムデイル博士の指揮の下で 国際的エキスパートチームによって開発されている。マサチューセッツ工科大学 リンカーン研究所はCyra社が供給する資金により、FDVの一部であるライ ダートランシーバ(送信器および受信器)を開発した。スキャンシステムおよび 電子装置を含むFDVの残りの装置はCyra社およびいくつかのコンサルタン トとベンダーによって開発された。開発されたコンピューターグラフィックソフ トウェアは、カルフォルニア大学バークレー校の研究者達の援助を受けてCyr a社で行われている。開発を進めるにあたり、すべての段階でCyra社のマー ケティングチームと、本技術の進化を導く上で協力しかつ援助をするよう内密に 説明を受けて開発期間中に参加した重要な産業界の代表者達とが密接な協力を保 っている。 FDV 携帯可能な「フィールドデジタルビジョン(Field Digital Vision、FDV)」 システムは、次の3つの主要な要素を持っている: ライダートランシーバ レーザー 検出器 光学装置 タイミング電子装置 電気機械のスキャナー ドライブモーター 照準鏡 エンコーダ 制御電子装置 内部コンピュータおよび&電子装置 埋込みデジタル信号プロセッサ 補助的電子装置および電源管理装置 バッテリー電力供給源 CGPは、システムの「頭脳」である。これは現在の技術に立脚したグラフィ ックソフトウエアからなる複雑な構成をもつものであって、レーザースキャナそ れ自体がそうであるように、多くの技術的限界を取り除くものである。それが提 供する直観的なグラフィックインタフェースにより、ユーザーはエリアおよびそ の前方にあるワールドの「ビデオ」ビュー上でスキャンすべきものの詳細に照準 を合わせることができる。FDVがシーンのうちの選択した部分をスキャンする に伴い、CGPがポイントを、深度に応じた陰影を付けた第二の三次元ビューの 形で表示する。 本CGPの有力さを明瞭に示しているのは、ポイントを表示するこの第二のウ ィンドウである。オブジェクトを構築するためのアルゴリズムにより、ユーザー は数回のマウスクリックにより「ポイント群(clound of points)」をCADで読 み取り可能な平面、円筒、表面に変えることができる。正確さが必要であること がわかっているので、ソフトウエアはプロセスの全期間中、スキャンしたすべて のデータポイントを保持する(したがって、後に加えられるかもしれない任意の 追加データを、最適フィットアルゴリズムが利用できる)。従来のサーベイおよ びスキャニング装置とは異なって、このデータの組立ては極めて迅速に、かつ現 場で行うことができる。これは、明らかな利点である:データは現場で容易に点 検することができ、明白な誤りを除去することができる。(従来はそれをしよう にも余りにも頻繁でできなかった。)モデルを組み立てるとさらに詳細なデータ が必要であるエリアが明白となるので、そのときは容易に更なるデータを追加す ることができる。 ただ一つの位置から全体のオブジェクトを捕捉することができない状況に備え て、Cyra社は複数のスキャンの組を一つの大きな単体にまとめる「ZIP」 ソフトウェアを設計した。 このCGPはオープンアーキテクチャーを基礎としており、最も将来性が高く かつ将来の修正が容易なように書かれている。 開発は、オブジェクト指向の米国規格協会C++言語と業界標準のOpenGL その他のグラフィック環境を併せて使用し、「シリコングラフィックス」社ワーク ステーション上で行った。Cyraxは携帯可能な現場操作用のシステムなので 、Cyra社はCGPを一般的な軽量のインテル-ベースのラップトップ上で実 行できるようにした。Cyra社は、マイクロソフトWindowsNTの下で 、CGPがインテル486ラップトップ上で首尾よく走ることを実証した。 現在、本システムにいくつかのコンピューターハードウェアオプションを提供 する計画がある。(予備的価格計画については付録Lを参照されたい。)これらの 計画は、ハイブリッド型のペン入力式IBMペンティアムThinkPadから 、多数のグラフィックアクセラレーターボード(OKIアメリカトライアングル 社のWindowsNT用OpenGLアクセラレーターなど)の一つを装着す る拡張スロット付きの、ペンティアムまたはパワーPCを使用する従来通りのラ ップトップにおよんでいる。究極の機能が必要であって固定電源へのアクセスを 有するユーザーにはSGIワークステーションを提供することができる。 CADリンク ‘すでにある車輪を再度工夫する’代わりに、従来のモデリング、編集その他 のデータ操作の需要に対しては、Cyraxは既存のCADソフトウェアに融合 する。購買者が自己所有のCADシステムを使用し続けることができるようにす ることにより(ほとんどのCyraxユーザーはすでに何らかのCADパッケー ジを所有しているであろうからから)、ソフトウエアのコストおよびサポートコ ストが抑制され、ソフトウェア間の互換性が保証される。業界標準の3D DX Fファイルフォーマットのサポートを通して、CGPはほとんど現存するすべて のCADプログラムとリンクすることができる。他の3Dデータフォーマットへ のサポートは、その特徴を強化して提供することが有益である特殊な産業分野( たとえば自動車業界など)のために追加することを考慮している。特定のパッケ ージ と一層密接な統合を望む人々には、CGPのオープンアーキテクチャーによって 、プログラム可能なCADシステムと結合することは比較的容易である。---イ ンテグラフ社(Intergraph)のソフトウエアRoadWorks内でCGPを実 行するデモンストレーションが1994年の夏に行なわれた。 D.競争会社の技術の概観 目標となる3つのマーケット分野間に違いがあるにもかかわらず、土台をなす 技術は広範囲に共通している。3Dデータ取得技術には二つの基本的なカテゴリ がある。それらは接触方式(プローブやテープなどを使うもの)と非接触方式( レーザーや写真測量法など)である。接触方式のシステムでは、大きさを測定す べきポイントに可動測定デバイス(通常、針先の付いた杖、あるいは杭に反射鏡 を付けたもの)を観測点にもってゆく。他方、非接触方式のシステムでは、物理 的に離隔されたオブジェクト上のポイントの空間的位置を(しばしば光の反射を 使って)遠隔的に測定する。 それぞれの技術は利点と不利点とをもっている。プローブは他のものよりも正 確であるが、通常、遅くて煩わしい(というのは、プロープはデータを遂一ポイ ント毎に集めるからである。)非接触方式は、他のものより速い。(これらの方 法は測定すべき各ポイントまで移動する必要も接触する必要もないからである。 ) 上記の表に示すように、(そして使用されるシステムの多様さが示すように)C yra社の画期的解決法が現れる前は、どれも他の技術を凌駕するほどの性能を もっていなかった。 徹底的な世界的規模の調査によって、機械的アームからGPS受信器およびレ ーザースキャナに至るまで様々な形態の3Dデータ取得システムを販売するベン ダーが70社以上見つかつた。「トータルステーション」技術および「GPSトー タルステーション」技術を除いて、これらの大多数は高価な限定的機能のシステ ムを少量販売する小規模かつ資金力の乏しい企業である。ベンダーおよびその製 品の写真付き解説とともに企業の競業状況が付録Bに掲載してある。 データ収集システムに関する多くの競争相手のうち、ただ2社(メンシ社(M ENSI)およびエス・エム・エックス社(SMX))のみが大きな距離(50な いし100メートル)での3Dデータを収集できる能力をもっている。これらの レーザーベースシステムはCyraに類似するように見えるが、これらには各々 重大な制約がある。SMX社のチェサピーク(Chesapeake)レーザー干渉計シス テムは、価格が10万ドル以上であり、測定すべき各ポイントにプローブを配置 する必要がある。その利点は、高い精度にある。メンシ社のソイシック(Soisic )レーザーは三角測量を使うが、1秒あたり100ポイントの収集に限られ、極 端に携帯性に欠ける(大きくて重く、かつAC電源を必要とする)。また価格がほ ぼ26万ドルである。どちらのシステムも、Cyraxのソフトウエアの高度さ を備えているとは思われない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブランクハート、マーク アメリカ合衆国、カリフォルニア州 94610、オークランド、モンテシト・アベ ニュー 140、ナンバー 201 (72)発明者 クン、ジョナサン・アポロ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 94709、バークレイ、リッジ・ロード 2523、アパートメント 106 (72)発明者 ザワルト、クリストファー・ロビン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 94611、オークランド、モラガ・アベニュ ー 5834

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 三次元シーンのモデルを生成する統合装置であって、 三次元シーンを走査して点暗影を生成する走査レーザー装置であって、前 記点暗影が複数のデータ点からなり、該複数のデーター点の各々が前記シー ンの表面上の対応する点の位置を表す走査レーザー装置と、 前記点暗影に応答して前記シーンの構成要素の幾何学的形状を表す第1モ デルを生成する手段とを備える装置。 2. 請求項1の装置において、さらに、前記第1のモデルに応答してデータフ ァイルを生成する手段を備え、該データファイルは計算機援用設計(CAD )装置への入力に適する装置。 3. 請求項2の装置において、さらに、前記CAD装置の実行を開始し、さら に、前記データファイルを前記CAD装置に入れる手段を備える装置。 4. レーザー出力の走査を要求する装置で使用するために、前記レーザーから の出力パルスのタイミングを制御する方法であって、各出力パルスがポンプ パルスに応答して生成される方法において、 前記パルスの開始と関連する出力パルスの次の発生との間の時間遅延を監 視する工程と、 前記監視された時間遅延に基づいて、次のポンプパルスの発生と関連する 出力パルスとの間の時間遅延を予測する工程と、 ビームの走査の間の前記レーザー出力の適切な配置ができる時間に前記出 力パルスが生成されることを保証するように選択された時間で次のポンプパ ルスを開始する工程とを含む方法。 5. シーン内で三次元特徴を表す複数の点暗影から、前記シーン内の所望の特 徴を表す前記点の下位集団をマニュアルで分離する方法において、 前記所望の特徴を表す少なくともいくつかのデータ点を含むすべての点暗 影を選択する工程と、 前記暗影のビューを変更し、多角形の投げ縄を描いて、選択された下位集 団の点をより精密にして、点の下位の暗影に含まれるようにする工程とを含 む方法。 6. シーンの走査フィールドを、前記シーン内の異なる表面を表す下位集合の 点に自動的に分割する方法であって、 前記走査フィールドを、前記シーン内の表面の走査点に関する深さ情報を 含む深さグリッドと、前記表面の走査点への法線の予測を含む垂直グリッド とに分離する工程と、 前記深さグリッドの深さ情報を巻き込んで深さ比率画像を生成し、該画像 の値が前記シーン内での一つの走査点から他の走査点深さの変化の傾きを表 す工程と、 前記垂直グリッドの構成要素を巻き込んで前記垂直グリッドの各点ごとの 各構成要素に関してスカラー値を生成する工程と、 前記垂直グリッドの各点ごとに、前記特定の点の構成要素に関するスカラ ー値からその点における法線の傾斜を決定し、前記垂直グリッドの前記点に 関して決定された前記傾斜は垂直比率の画像を集団的に構成する工程と、 前記深さ比率画像を帰納的しきい値方法を用いて二値の深さ画像に変換す る工程と、 前記垂直比率画像を帰納的しきい値方法を用いて二値の垂直画像に変換す る工程と、 前記二値の深さ画像と前記二値の垂直画像とを組合せて単一の端部画像を 決定する工程と、 前記シーンの対応する表面になじむように端部でない点の下位の集団をグ ループ化する工程とを含む方法。 7. 請求項6の方法において、さらに、最初に各グループの点を最善のものと する幾何原図の種類を決定する工程と、前記幾何原図を前記データ点に適合 させる工程とを含む方法。 8. 請求項7の方法において、さらに、前記シーンの隣り合う平面領域を交差 する工程を含む方法。 9. コーナーを表す点暗影を正しい位置に当てはめる方法であって、 前記点暗影の点への3つの平面の適合を決定し、モデルのために平面を作 る工程と、 対の平面のの交点にある3つのラインを決定し、前記モデルのためのライ ンを作る工程と、 前記3つの面の交点の頂点を決定し、前記モデルのための頂点を作る工程 とを含む方法。 10.三次元シーンをモデル化する方法において、 各点が前記シーンの表面上の点を表す複数の点を生成する工程と、 表面法線予測及びグローバル誤差最少化法を用いて一群の点に対する円筒 の最善の適合を決定する工程とを含む方法。 11.三次元のシーンをモデル化する方法であって、 各点が前記シーンの表面上の点を表す複数の点を生成する工程と、 二次曲面及びグローバル誤差最少化法を用いて一群の点に対する円筒の最 善の適合を決定する工程とを含む方法。 12.三次元のシーンをモデル化する方法であって、 各点が前記シーンの表面上の点を表す複数の点を生成する工程と、 二次曲面及びグローバル誤差最少化を用いて一群の点に対する球面の最善 の適合を決定する工程とを含む方法。 13.三次元のシーンをモデル化する方法であって、 各点が前記シーンの表面上の点を表す複数の点を生成する工程と、 一群の点に対する二次曲面の最善の適合を決定する工程と、 二次曲面の最善の適合によって描かれる複数のファミリーのどの幾何原図 が前記一群の点と適合するのかを決定する工程とを含む方法。 14.同一の種類の2つの幾何原図を併合してその種類の単一の幾何原図を形 成する方法であって、 前記2つの原図の各々を最初に適合するために用いた点を組合せることに よって新たなグループの点を作る工程と、 適当な適合方法及び元の図の各々からの点を持つ新たに生成された点のグ ループを用いて新たな幾何原図を適合する工程とを含む方法。 15.複数の点及び幾何原図からなるとともに第1座標系を持つ第1のモデル と、複数の点及び幾何原図からなるとともに第2座標系を持つ第2のモデル とを記録する方法であって、 第1及び第2のシーンの共通する特徴をユーザーが特定する工程と、 前記特定に応答し、座標系の間の変換を特定する工程と、 前記第2のモデルの対象を変換してそれらが前記第1の座標系を用いるよ うにする工程とを備える方法。 16.複数の点暗影及び幾何原図によって表された1又は2以上のモデルを選 択する工程と、 多数の点又は幾何原図の位置上の制約を特定する工程と、 各ビューの点及び幾何原図を取り囲む人為的な値を作り、機械的な材両特 性を前記取り囲む値に割り当てる工程と、 前記取り囲む値内の材料に関し最少のエネルギー構成を計算する工程であ って、点又は幾何原図が埋め込まれていて前記構成がすべて適用された制約 を満たす工程と、 材料の前記囲む値の最少のエネルギー構成にしたがって前記点及び原図を 置き換える工程とを含むワープ方法。 17.請求項16の方法において、前記構成が閉鎖誤差を取り除くように特定さ れている方法。 18.三次元シーンのモデルを発生する統合装置であって、 パルスレーザーを用いて三次元のシーンを走査する走査レーザー装置であ って、光パルスが各パルス内で0.2μJまでを持ち1ナノセコンドより短 く持続し、30psec又はそれ未満の解像度で、各出力パルスとシーンの表面 から戻る対応するパルスとの間の時間遅延を測定し、該走査レーザー装置が さらに走査の間に前記ビームの角度的方位を追跡して測定する走査レーザー 装置と、 前記測定された時間遅延と角度測定値に基づいて点暗影を生成し、該点暗 影が、各々が前記表面上の対応する点の位置を表す複数の点からなる手段と を備える装置。 19.レーザーから出力されたパルスのフライト時間の監視を要求する装置内 で測定電子機器の較正を行う装置であって、 一方の端部が前記レーザーの出力パルスを受け取り、既知の長さを持つシ ングルモードの光ファイバーと、 前記パルスが前記ファイバーを出る時を監視する前記ファイバーの一方の 端部に配置された検出器であって、それに応答して信号を発生し、該信号が 前記測定電子機器を通過するような検出器と、 前記ファイバーを出るパルスの検出に基づいて前記ファイバーの理諭的長 さを計算し、その計算された長さを前記ファイバーの既知の長さと比較して 前記測定電子機器を較正するプロセッサとを備える装置。 20.請求項19の装置において、前記光ファイバーはその各端部に部分反射器 を備え、前記ファイバーに入る各レーザーパルスごとにパルス列が前記ファ イバーを出、前記パルス列は前記測定電子機器をさらに較正するために用い られる装置。 21.請求項20の装置において、さらに遅延測定電子回路を備えており、前記 パルス列はそれらの間に一定の遅延を持ち、それによって、前記パルス列の 監視は前記遅延電子回路を較正するために用いることができる装置。 22.請求項21の装置において、さらに前記検出器によって監視されるパルス のパワーを変える手段を備えており、前記検出器は、前記検出された光のパ ワーが既定のしきい値を越えると信号を生成するように機能し、前記プロセ ッサは、前記出力パルスのパワーの関数として、前記検出器によって出力さ れた信号の発生の遅延の変化を追跡するように機能し、前記プロセッサは、 さらに、フライトの時間を監視するために用いられる連続パルスの測定パワ ーに基づいて前記遅延の測定を較正するように機能する装置。 23.三次元の対象の表面点についての位置情報を得る装置であって、 出力ビームを発生するレーザーと、 前記対象の上を前記レーザービームを移動させる走査装置と、 前記レーザービームの反射の測定に基づいて前記対象までの距離を自動的 に測定する監視装置であって、前記レーザーミームの角度的位置も追跡及び 測定し、さらに、最大100メートルの範囲にわたる1つの標準的な偏差に おける6ミリメートルと等しいかそれより良いような三次元空間内の各点ご との位置の精度を持つ監視装置とを備える装置。 24.請求項23の装置において、各距離測定は0.005秒下で行うことがで きる装置。 25.請求項23の装置において、前記レーザーはパルス出力を生成し、パルス ごとのエネルギーは0.2マイクロジュールより小さく、さらに、前記レー ザーの平均出力パワーはわずかに1.0ミリワットである装置。 26.対象までの距離を測定する装置であって、 出力パルスのレーザーを生成するレーザーと、 レーザービームの反射に基づいて前記対象までの距離を測定する監視装置 であって、最大100メートルのその全体の範囲にわたる1つの標準的な偏 差における6ミリメートルと等しいかそれより良い精度を持ち、各測定は0 .005秒より短い時間で行うことができ、さらに、前記レーザーは0.2 マイクロジュールだけのパルスごとのエネルギーと1ミリワットだけの平均 出力とを持つ装置。 27.請求項26の装置において、前記対象は逆反射体を持ち、前記作動の範囲 は最大1マイルである装置。 28.遠隔の対象から三次元情報を捕捉する装置において、 前記対象の位置情報を測定するための走査レーザーモジュールと、 前記対象からの画像情報を捕捉するビデオモジュールと、 前記位置情報及び前記画像情報を含む前記対象のモデルを与えるプロセッ サとを備える装置。 29.請求項28の装置において、前記ビデオ画像情報は、位置情報の測定と空 間的に同時に収集される装置。 30.請求項29の装置において、前記ビデオ画像情報は、位置情報が得られる 点に隣接する点から収集される装置。 31.三次元対象の表面の点に関する位置情報を得る装置であって、 対象についての三次元位置情報を測定する走査モジュールと、 前記対象から画像情報を捕捉及び表示するビデオモジュールと、 前記走査及びビデオモジュールによって作動し、前記ビデオモジュールに よって捕捉された前記画像情報を用いて、目標追跡の際に、前記走査モジュ ールを援助することができるようになるプロセッサとを備える装置。 32.請求項31の装置において、前記プロセッサは、目標とされる領域のビデ オ画像の上のアウトラインの画像をドラッグすることによって、前記走査モ ジュールによって目標追跡される対象の一部を特定するように機能する装置 。 33.三次元対象の表面の点に関する位置情報を得る装置であって、 対象に関する三次元の位置情報を測定する走査モジュールと、 該走査モジュールから得られた画像情報を表示するビデオモジュールと、 前記走査及びビデオモジュールによって作動し、前記ビデオモジュールに よって表示された前記画像情報を用いて、前記走査モジュールの目標追跡を より詳細に行えるようにするプロセッサとを備える装置。 34.三次元対象の表面の点に関する位置情報を得る装置であって、 対象に関する三次元の位置情報を測定し、また、可視放射線のビームを出 力するレーザーを備える走査モジュールと、 該走査モジュールを制御するプロセッサであって、前記レーザービームは マニュアルによって配置することができ、それにより、可視ビームが該プロ セッサからの制御信号に応答して走査すべき対象の一部を目標とするプロセ ッサとを備える装置。 35.対象までの距離を測定するために用いられるレーザーによって生成され た光ビームにおける周波数の変化を監視することを要求する装置において測 定電子機器を較正する装置であって、 前記レーザーから光を受け取るように配置された一方の端部を持つシング ルモードの光ファイバと、 前記ファイバーを通過して移動するとともにそれから出る光を、前記ファ イバーを通って移動しない前記レーザーからの光を組合せて受け取るように 配置された検出器と、 該検出器によって測定された周波数の変化の均一性に基づいてビーム上の 線形性を決定し、さらに、結果を用いて前記測定電子機器を較正するプロセ ッサとを備える装置。 36.請求項35の装置において、前記ファイバーは既知の長さを持ち、又、該 ファイバーは一方の端部に部分反射器を持ち、他方の端部には少なくとも部 分反射器を持ち、前記ファイバー内を移動しなかった前記ファイバーの一方 の端部から反射された光が前記検出器によって測定され、前記プロセッサは 、 前記検出器によって測定された周波数変化に基づいて前記ファイバーの理論 的長さを計算するように機能し、さらに、その計算された長さを前記ファイ バーの既知の長さと比較して前記測定電子機器を較正する装置。
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