JP2003256871A - 形状モデル生成方法及び装置、並びにこの方法の実行プログラムとこの実行プログラムを記録した記録媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 点密度が不均一で多少の位置誤差を含む３次
元点の位置情報から元の複数の物体形状及び配置をデー
タ量の少ない形状モデルとして出力する。 【解決手段】 レイヤ生成装置１０２は、３次元点群を
位置が近いグループ同士でグループ分けしレイヤを生成
する。クラスタ生成装置１０３は、併合チェック装置１
０４での併合可の判定を基に、レイヤを初期クラスタと
するクラスタのペアを順次併合する。併合チェック装置
１０４は、クラスタのペアに対し、それぞれの点集合を
含む２次元図形を作成し、上下のレイヤに属する点が該
２次元図形に含まれる場合は併合不可と判定し併合失敗
リストに記録して、既に併合失敗リストにあるペアを含
むクラスタのペアには併合不可と判定する。３次元モデ
ル生成装置１０６は、最終的な各クラスタに対し２次元
図形を作成し、各辺に垂直面を付加して柱状モデルを作
成し、配置を決定して形状モデルを生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水平および垂直の
面から構成されると見なすことが可能な３次元形状物体
から、物体表面上の３次元的な位置を計測した複数の点
を用い、水平および垂直の面で構成される３次元図形を
作成し、元の物体の形状モデルを生成する方法および装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】実在する多くの３次元物体は複雑な形状
をしているが、３次元物体を水平および垂直の面から構
成されると見なし、形状モデルを作成することは、実世
界を単純化し、計算機によって実世界をより簡単に扱う
方法として、広く利用されている。具体的には、都市の
建物モデル作成処理やロボットの障害物回避処理などで
利用されている（参考文献１：第１０回機能図形情報シ
ステムシンポジウム講演論文集、１９９９年４月「都市
３次元地図を用いた防災情報提供システム」大谷尚通、
石川裕治、桑田喜隆、井上潮）。

【０００３】以下の説明では、３次元位置を持つ点の集
合を３次元点群と呼ぶことにする。

【０００４】最初に、３次元位置の取得方法に関する従
来技術を説明する。非接触で物体表面の点の３次元位置
を得る技術としては、大きく分けて以下の２つがある
（参考文献２：「三次元画像計測」井口征士、佐藤宏
介、昭晃堂）。

【０００５】技術１：対象物体にレーザーや超音波など
を発射し、反射に要する時間によって対象点までの距離
を計測する。物体表面を順次走査することによって、物
体表面全域の３次元位置を測定する。

【０００６】技術２：対象物体の画像や映像から、人間
の知覚・認識手法と同様の方法により３次元形状を得
る。つまり、人間が両眼の視差から物体形状を得ること
に相当するステレオ画像法や、運動している物体を撮影
した映像から、物体の各部分がどのように移動している
かで物体形状を得る、オプティカルフロー、といった手
法がある。

【０００７】技術１は計測機器方向から見えるすべての
点の３次元位置を計測できるが、表面の材質やなめらか
さによって反射状態が変わるためノイズを含むことがあ
り、周辺の点との平均値をとるなどして位置の精度を上
げる必要がある。

【０００８】一方、技術２では複数の画像間で対応関係
を正しくとることができれば、幾何的な条件を用いて、
測定対象となる表面の点の３次元位置を取得できる。し
かしながら、対応関係がとりやすい、例えば、物体の角
やなんらかの印がついている部分の位置だけが計測され
ることが多い。

【０００９】以上のようにして得られる３次元点群は、
位置に対して多少の誤差や、分布に対してばらつきを持
つことがあり、その点を考慮する必要がある。また、測
定方向から見えない部分については、３次元点群を取得
できないので、測定方向から見える表面部分に対しての
み形状モデルを作成する。測定方向に対して裏面を持つ
ような物体に対しては、複数の測定方向から計測および
モデル作成を行い、それらを統合して、最終的なモデル
を作成することになる。

【００１０】上記のような計測方法によって３次元点群
が取得できた時、その３次元点群を使って、元の物体の
形状モデルを作成する方法としては、大きく分けて以下
の２つがある。

【００１１】方法１：図１２を用いて説明する。３次元
点群を、測定方向から見た２次元平面に散らばる点集合
と見なし、その点集合に対して、三角形分割を作成す
る。つまり、点集合に対して凸包を作成し、各点を頂点
とする３角形で、その凸包を埋め尽くすように、３角形
の集合を構成する。そのようにして得られた２次元の３
角形の集合を３次元点群に対応づけて、３次元点群の表
面を覆い尽くすような三角形の集合を得る。その集合全
体が表現する多面体を形状モデルとして出力する（参考
文献３：「計算幾何学」今井浩、今井桂子、共立出版、
６９ぺ一ジ）。

【００１２】方法２：事前に物体の形状モデルを複数用
意しておき、３次元点群が与えられた時点で、その点群
にもっとも適合するモデルを、対象物体の形状モデルと
して選択する方法である。形状モデルとしては固定的な
ものばかりでなく、スケールや辺の長さなど、いくつか
のパラメータを持っており、点群が与えられた時点で、
その点群にもっとも適合するようにパラメータを算出
し、形状モデルとして最終的に出力する、ということも
できる。

【００１３】例えば、特開２００１−２２９３６（参考
文献４：「３次元形状生成装置」、特願平１１−１９４
１８９号、富士通株式会社）では、３次元点群に対し
て、三角形分割を作成することで得られた三角形の多面
体を、その形状モデルとする方法を示している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、参考文献４の
方法では、３次元点群の数が多くなった場合、面の数が
非常に多くなり、その多面体を形状モデルとするにはデ
ータ量が大きいので、そのままでは十分なモデル化がな
されているとは言えない。

【００１５】この問題に対し、三角形分割に依って得ら
れた多数の面を、水平に近い面と垂直に近い面に分類
し、統合することで、垂直面と水平面からなるモデルを
生成することが考えられる。しかし、それぞれの三角形
面は非常に狭い範囲の３点だけから作成されており、大
域的に見て、その三角形面周辺の正しい角度を反映して
いるとは言えない。特に、［従来の技術］の項で述べた
ように、点の位置に多少の誤差が含まれることが考えら
れるので、局所的な面の角度だけからモデル形状を決め
るのは危険である。

【００１６】一方、上記方法２の利用は、主に単体の物
体形状の推定に利用されている。平面上に複数の物体が
配置されているような状態を計測し、３次元点群を得た
場合には、３次元点群のどの部分にどのモデルを当ては
めていけばいいのか、明確な基準を示すことは難しい。
また、当然ながら、事前に用意されたモデルにうまく当
てはまらないような形状を持つ物体には適用できない。

【００１７】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、点の密度が不均一で、多
少の位置誤差を含むような、３次元の点の位置情報だけ
から、元の複数の物体形状および配置を、データ量の少
ない形状モデルとして出力することができ、また、点群
の上下関係に対して矛盾のない形状モデルを高速に生成
することができる、３次元点群からの形状モデル生成方
法および装置を提供することを課題とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明は、複数の点の３次元位置情報から、元の形
状を復元する３次元点群からの形状モデル生成方法であ
って、点の集合を層状グループにグループ分けする層状
グループ生成手順と、該層状グループを初期のグループ
集合としてグループ集合の併合候補について併合の可否
を判定する併合判定手順と、該併合が可であると判定さ
れた併合候補を順次併合してグループ集合を生成するグ
ループ集合生成手順と、該グループ集合から形状モデル
を生成するモデル生成手順と、を備えることを特徴とす
る形状モデル生成方法を手段とする。

【００１９】あるいは、上記の形状モデル生成方法にお
いて、層状グループ生成手順では、点の集合を層状にグ
ループ分けする手順と、該層状に分けられた各グループ
の中で、さらに位置が近い点同士を集めて層状グループ
としてグループ分けする手順と、を備えることを特徴と
する形状モデル生成方法を手段とする。

【００２０】あるいは、上記の形状モデル生成方法にお
いて、併合判定手順では、併合後に同一のグループに含
まれるグループ集合に対し２次元図形を作成する手順
と、該グループ集合から作成した２次元図形が、該グル
ープ集合が属する層より奥にある層の点を、２次元配置
で考えた場合に、含むか含まないかで併合の可／不可を
判定する手順と、を備えることを特徴とする形状モデル
生成方法を手段とする。

【００２１】あるいは、上記の形状モデル生成方法にお
いて、併合判定手順では、併合が不可である判定した併
合候補を記録しておく手順と、併合が不可と判定された
それぞれのグループ集合と別々に併合する複数のグルー
プ集合の併合の可／不可を判定する際に、該記録に基づ
いて併合が不可である判定する手順と、を備えることを
特徴とする形状モデル生成方法を手段とする。

【００２２】あるいは、上記の形状モデル生成方法にお
いて、グループ集合生成手順では、併合判定手順におい
て、併合が可であると判定されたグループ集合の併合候
補を順次併合して、併合前の各グループ集合から構成さ
れるそれぞれの２次元図形を包含するという性質をもつ
２次元図形を構成するグループ集合を生成する手順と、
該併合判定手順において、グループ集合から作成した２
次元図形が、該グループ集合が属する層より奥にある層
の点を、２次元配置で考えた場合に、含むとして併合が
不可であると判定された併合候補の併合を取りやめる手
順と、を備えることを特徴とする形状モデル生成方法を
手段とする。

【００２３】あるいは、上記の形状モデル生成方法にお
いて、モデル生成手順では、グループ集合生成手順で最
終的に生成されたグループ集合に対して２次元図形を生
成する手順と、該２次元図形の各辺から、該２次元図形
とは垂直な面を生成することで柱状の形状モデルを作成
する手順と、該２次元図形を作成した３次元点の位置か
ら、該柱状モデルの配置を決定することで、柱状モデル
全体を一つの形状モデルとする手順と、を備えることを
特徴とする形状モデル生成方法を手段とする。

【００２４】あるいは、複数の点の３次元位置情報か
ら、元の形状を復元する３次元点群からの形状モデル生
成装置であって、点の集合を層状グループにグループ分
けする層状グループ生成部と、該層状グループを初期の
グループ集合としてグループ集合の併合候補について併
合の可否を判定する併合判定部と、該併合が可であると
判定された併合候補を順次併合してグループ集合を生成
するグループ集合生成部と、該グループ集合から形状モ
デルを生成するモデル生成部と、を備えることを特徴と
する形状モデル生成装置を手段とする。

【００２５】あるいは、上記の形状モデル生成装置にお
いて、層状グループ生成部は、点の集合を層状にグルー
プ分けする手段と、該層状に分けられた各グループの中
で、さらに位置が近い点同士を集めて層状グループとし
てグループ分けする手段と、を備えることを特徴とする
形状モデル生成装置を手段とする。

【００２６】あるいは、上記の形状モデル生成装置にお
いて、併合判定部は、併合後に同一のグループに含まれ
るグループ集合に対し、２次元図形を作成する手段と、
該グループ集合から作成した２次元図形が、該グループ
集合が属する層より奥にある層の点を、２次元配置で考
えた場合に、含むか含まないかで併合の可／不可を判定
する手段と、を備えることを特徴とする形状モデル生成
装置を手段とする。

【００２７】あるいは、上記の形状モデル生成装置にお
いて、併合判定部は、併合が不可である判定した併合候
補を記録しておく手段と、併合が不可と判定されたそれ
ぞれのグループ集合と別々に併合する複数のグループ集
合の併合の可／不可を判定する際に、該記録に基づいて
併合が不可である判定する手段と、を備えることを特徴
とする形状モデル生成装置を手段とする。

【００２８】あるいは、上記の形状モデル生成装置にお
いて、グループ集合生成部は、併合判定部において、併
合が可であると判定されたグループ集合の併合候補を順
次併合して、併合前の各グループ集合から構成されるそ
れぞれの２次元図形を包含するという性質をもつ２次元
図形を構成するグループ集合を生成する手段と、該併合
判定部において、グループ集合から作成した２次元図形
が、該グループ集合が属する層より奥にある層の点を、
２次元配置で考えた場合に、含むとして併合が不可であ
ると判定された併合候補の併合を取りやめる手段と、を
備えることを特徴とする形状モデル生成装置を手段とす
る。

【００２９】あるいは、上記の形状モデル生成装置にお
いて、モデル生成部は、グループ集合生成部で最終的に
生成されたグループ集合に対して２次元図形を生成する
手段と、該２次元図形の各辺から、該２次元図形とは垂
直な面を生成することで柱状の形状モデルを作成する手
段と、該２次元図形を作成した３次元点の位置から、該
柱状モデルの配置を決定することで、柱状モデル全体を
一つの形状モデルとする手段と、を備えることを特徴と
する形状モデル生成装置を手段とする。

【００３０】あるいは、上記の形状モデル生成方法にお
ける手順を、コンピュータに実行させるためのプログラ
ムとしたことを特徴とする形状モデル生成方法の実行プ
ログラムを手段とする。

【００３１】あるいは、上記の形状モデル生成方法にお
ける手順を、コンピュータに実行させるためのプログラ
ムとし、該プログラムを、該コンピュータが読み取りで
きる記録媒体に記録したことを特徴とする形状モデル生
成方法の実行プログラムを記録した記録媒体を手段とす
る。

【００３２】本発明では、３次元点群を層状にグループ
分けして３次元点群全体を層状に分割した各グループの
中で、さらに位置が近い点同士を集めて層状グループと
し、これを初期のグループ集合として併合の判定により
を順次併合して行く。ここで、併合の判定では、併合後
のグループ集合の点の集合を包含する２次元図形を作成
し、そのグループ集合が属する層より奥の層に属する点
が該２次元図形に包含される場合には、該併合を不可と
判定して併合不可の併合候補（ペア）を併合失敗リスト
に記録し、併合失敗リストに記録されている併合候補が
存在するグループの併合候補については、上記の併合判
定をすることなく併合不可と判定する。併合後の各グル
ープ集合に対しては、併合時に作成したものと同じ性質
の２次元図形を作成し、その各辺に垂直面を付加するこ
とで柱状モデルを作成し、２次元図形を作成した３次元
点の位置からこの柱状モデルの配置を決定して形状モデ
ルを生成する。これにより、点の密度が不均一で、多少
の位置誤差を含むような３次元の点の位置情報だけか
ら、元の複数の物体形状および配置を、データ量の少な
い形状モデルとして出力できるようにする。また、併合
失敗リストの活用することにより、点群の上下関係に対
して矛盾のない形状モデルを高速に生成できるようにす
る。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を用いて詳細に説明する。

【００３４】本発明の実施の形態の説明にあたって、図
２に示すように、３次元点群は以下に説明する３軸の直
交座標系ｘｙｚに対して、位置が定められているとす
る。３次元点群の計測時の方向と平行にｚ軸２０１を設
定する。向きは計測方向とは逆とし、手前にある点や面
ほど、ｚ値が大きくなるものとする。ｘ軸およびｙ軸は
互いに直交していれば特に向きを定めない。ｘｙ平面２
０２と平行な面を水平、ｘｙ平面と垂直な面を垂直と呼
ぶことにする。

【００３５】本発明の一実施形態例の構成を図１に示
す。本実施形態例は、レイヤ生成装置１０２、クラスタ
生成装置１０３、併合チェック装置１０４，３次元モデ
ル生成装置１０６、３次元点群データベース１０１、併
合失敗リスト１０５からなる。

【００３６】レイヤ生成装置１０２は、３次元点群デー
タベース１０１から３次元点群を読み込み、ｚ値の近い
点同士でグループを作り、３次元点群全体を層状に分割
する。層状に分布する点群の各グループをレイヤと呼ぶ
ことにする。ｚ値が大きなレイヤを上位のレイヤ、ｚ値
が小さなレイヤを下位のレイヤと呼ぶことにする。

【００３７】クラスタ生成装置１０３は、各レイヤに対
して、それぞれ処理を行う。各レイヤでｘｙ平面におけ
る距離が近い点同士でグループを作り、点群全体をグル
ープ分けする。各グループをクラスタと呼ぶことにす
る。クラスタの生成は、小さなクラスタ同士を併合して
いくことで行われる。併合することが可能かどうかは、
併合チェック装置１０４の処理の結果によって決める。

【００３８】併合チェック装置１０４は、クラスタ生成
装置１０３から併合したいクラスタのペアを受け取り、
ｘｙ平面２０２において、併合後のクラスタの点の集合
を包含する２次元図形を作成し、そのクラスタが属する
レイヤより下位のレイヤに属する点が、作成した２次元
図形に包含されるかどうかを判定する。包含される場合
には併合不可の結果をクラスタ生成装置１０３に返す。

【００３９】併合チェック装置１０４で作成される２次
元図形は以下の性質を持つものを作成するとする。「複
数のグループを併合して得られたグループから構成され
る２次元図形は、併合前の各グループから構成されるそ
れぞれの２次元図形を包含する」。

【００４０】このような性質を持つ図形としては、例え
ば、凸包や点をすべて含む最小の円などがある。なお、
元の物体形状が、上記のような性質を持たない図形であ
ったとしても、上記の性質をもつ図形を組み合わせるこ
とで、形状を復元できる。

【００４１】上記の性質を利用して、併合に失敗したク
ラスタのペアは併合失敗リスト１０５に記録し、クラス
タのペア（Ａ，Ｂ）が併合失敗リスト１０５に記録され
ている場合には、Ａを併合したクラスタとＢを併合した
クラスタは、併合チェックをせずとも、併合失敗の結果
を返すようにする。

【００４２】３次元モデル生成装置１０６は、クラスタ
生成装置１０３によって生成された各クラスタに対し、
併合チェック装置１０４で作成したものと同じ性質の２
次元図形を作成する。その図形を上面形状とし、各辺に
垂直面を付加することで、個々のクラスタに対し、柱状
の３次元モデルを作成する。最後に、２次元図形を作成
した３次元点の位置から、柱状モデルの配置を決定する
ことで、柱状モデル全体を一つにまとめ、３次元点群に
対する形状モデルとして出力装置１０７に渡す。

【００４３】以下、図１の各構成部分について実施形態
の一例を挙げる。

【００４４】３次元点群データベース１０１は、各点の
ＩＤおよびｘｙｚ座標を１行ごとに並べたものでよい。

【００４５】レイヤ生成装置１０２の実施形態例を図３
に示す。

【００４６】レイヤ生成装置１０２はステップ３０１か
らステップ３０９までの処理で構成される。全体的な処
理としては、ｚ方向の距離が短いもの同士から順次、併
合して、最終的なレイヤを得る。そのため、併合処理を
どこまで進めるかを明確にするため、最初にレイヤを併
合する最大の距離Ｄｚをセットしておく（３０１）。３
次元点群をｚ座標が大きい順に並べてから（３０２）、
各点を一つのレイヤとして、点の数だけ初期レイヤを作
成する（３０３）。ステップ３０４からステップ３０９
までの処理でレイヤを順次併合していく。まずステップ
３０４，３０５で各レイヤ間の距離Ｄｉを求める。そし
てＤｉが最小なレイヤを併合する（３０６，３０８）。
ここで、レイヤ間の距離をＤｚと比較して併合処理を終
了するか判定する（３０７）。レイヤの併合が進むにつ
れて、ｚ軸方向のレイヤの密度は薄くなり、レイヤの間
隔も拡大していくので、ステップ３０７の判定処理でル
ープを終えることができる。以上の処理によってｚ値が
近い点同士を同じレイヤに集めることができる。

【００４７】レイヤ作成の方法としては、以上で示した
以外にも、単純に点の間隔が広い部分でレイヤを分けた
り、３次元点群に対しｚ座標値でヒストグラムを作成
し、点の数が少ないところでレイヤを分ける、などの方
法が考えられる。こうした方法は、Ｄｚのような閾値を
設定しなくて良い、というメリットがある。

【００４８】クラスタ生成装置１０３の実施形態例を図
４に示す。

【００４９】クラスタは、最終的に出力される形状モデ
ルの水平面を構成するために、作成される。各レイヤに
は、ほぼ水平に並んだ点が集められているため、各レイ
ヤに対して、クラスタを生成する（４０１）。クラスタ
生成装置１０３はレイヤ生成装置１０２と同様に、レイ
ヤの各点を初期クラスタとして作成し（４０２）、クラ
スタを順次併合することで、最終的なクラスタを作成す
る。クラスタの併合は、レイヤに含まれる点のペアの距
離の小さい順に行うので、最初にレイヤのすべての点の
ペアを作成し、そのペアを距離の小さい順に並べたリス
トを作成しておく（４０３）。そして、そのリストが無
くなるまで（４０４）、一つ一つのペア（ｐｉ，ｐｊ）
に対して処理を行う（４０５）。

【００５０】ｐｉを含むクラスタとｐｊを含むクラスタ
が、併合の対象となる（４０６）。しかし、併合はすぐ
に行われず、併合ができるかどうかを、併合チェック装
置１０４の出力によって決定する（４０７）。併合が可
能であると判定されれば、実際に２つのクラスタの点集
合を一つにして、併合を実施する（４０８）。併合によ
って元の２つのクラスタは、別の一つのクラスタになっ
たので、併合失敗リスト１０５を更新する必要があるの
で、実施する（４０９）。

【００５１】以上の処理により、併合チェック装置１０
４による判定に違反しない範囲で、クラスタの併合処理
が進み、レイヤに含まれる点に関して、距離が近いもの
同士で同じグループになるように、クラスタ生成が行わ
れる。

【００５２】クラスタを併合する順番の決定方法に関し
ては、階層的クラスタリングという分野で多数の方法が
研究、提案されている（参考文献５：「パソコンによる
データ解析」赤池弘次監修、朝倉書店）。

【００５３】次に併合チェック装置１０４の実施形態例
を図５に示す。

【００５４】クラスタに含まれる点の集合に対して、併
合チェック装置１０４で作成する２次元図形は凸包とす
る。もし、元の物体形状が凹であったとしても、それは
凸な図形の集合として、３次元モデル生成装置１０６で
形状を得ることができる。また、クラスタに含まれる点
の数が１または２だったとしても、凸包をそれぞれ、点
と線分と定義することで、同様の処理を行うことができ
る。

【００５５】併合チェック装置１０４はクラスタ生成装
置１０３から併合の候補となっているクラスタのペアを
入力として受け取る（５０１）。まず最初に併合失敗リ
スト１０５を参照し、受け取ったペアがリストに存在す
れば直ちに「併合不可」を、クラスタ生成装置１０３に
返す（５０２）。存在しない場合には、併合チェックを
実施する。一時的に併合を行ってクラスタを生成し（５
０３）、ｘｙ平面２０２上で凸包を作成する（５０
４）。同時に、クラスタが属しているレイヤより下位の
レイヤの点をすべてｘｙ平面上にのせ（５０５）、凸包
がそれらの点を含んでいないか判定する（５０６）。判
定結果により「併合可」もしくは「併合不可」の結果を
クラスタ生成装置１０３に返す（５０８，５０９）。た
だし「併合不可」の場合には、処理を終える前に、併合
ができないクラスタのペアとして、併合失敗リスト１０
５に記録を残す（５０７）。併合失敗リスト１０５はク
ラスタのペアを１行毎に書き並べた形式とする。

【００５６】最後に３次元モデル生成装置１０６の実施
形態例を図６に示す。

【００５７】３次元モデル生成装置１０６は、各クラス
タから柱状のモデルデータを作成する。柱状モデルの底
面をどこにするかを決めるために、最初に３次元点群の
中からｚ座標の最小値Ｚ_minを探しておく（６０１）。
そして、全レイヤの全クラスタに対して（６０２）、凸
包を作成し（６０３）、柱状モデルの上面とする。次
に、各クラスタに含まれる点のｚ座標の平均値を算出し
（６０４）、Ｚ_minをひいて、柱状モデルの高さとする
（６０５）。以上のようにして、クラスタの数だけ、そ
の点の平均値の高さを持つ柱状モデルが作られると、最
後にｚ＝Ｚ_minの水平面をモデル全体の底面として設定
し、その上に、元々の凸包上面の２次元位置に柱状モデ
ルを配置し（６０６）、全体を一つの形状モデルとし
て、出力装置１０７に出力する。

【００５８】以上のようにして、与えられた３次元点群
に基づく、水平および垂直面から構成される、３次元形
状モデルを出力することができる。

【００５９】《数値例》以上に説明した各装置の処理に
対して、具体的な数値例を挙げる。

【００６０】計測によって与えられた３次元点群を図７
に平面図（ａ）と立面図（ｂ）で示す。これらの点群の
座標から３次元点群データベース１０１は、図８のよう
になる。

【００６１】まずレイヤ生成装置１０２の処理を行う。
ステップ３０１におけるレイヤの最大限度間隔Ｄｚは１
ｍと設定する。ステップ３０６における選択で、Ｄｋの
値が最小となる、ｋが複数ある場合には、ｘ座標が最小
の点を、ｘ座標が同じ場合にはｙ座標が最小の点を、含
むレイヤを優先するとすると、レイヤの併合処理は図９
の順番で進む。最終的に｛ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ｝、
｛ｈ，ｇ，ｉ｝、｛ｊ，ｋ，ｌ，ｍ｝の３つのレイヤが
出力される。

【００６２】次にクラスタ生成装置１０３の処理を行
う。レイヤ｛ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ｝に対し、ステッ
プ４０３の処理を行い、点のペアのリストＰを図１０の
ように作成する。以下、ステップ４０５〜４０９の処理
をＰの順序に従って行うが、（ｅ，ｆ）までの処理では
ステップ４０７の判定は常に「併合可」となる。この時
点でクラスタは［ａ，ｂ，ｃ］と［ｄ，ｅ，ｆ］が作成
され、併合失敗リスト１０５も空である。次に（ｂ，
ｄ）の処理になると、ステップ４０７の判定は「併合不
可」となる。

【００６３】具体的に併合チェック装置１０４の処理を
説明すると、（ｂ，ｄ）が処理対象となると、ステップ
４０６，４０７により併合チェック装置１０４には、ク
ラスタのペア［ａ，ｂ，ｃ］と［ｄ，ｅ，ｆ］が入力さ
れる。ステップ５０４で［ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ］に
対する凸包が作成され、ステップ５０５，５０６で包含
判定が行われるが、作られた凸包は図７の平面図（ａ）
が示すように、ｘｙ平面上ではｈとｉを含んでいる。よ
って、併合失敗リスト１０５には（［ａ，ｂ，ｃ］，
［ｄ，ｅ、ｆ］）という記述が書き込まれ、「併合不
可」が返される。以後の処理では、ステップ５０２の併
合失敗リスト１０５の参照だけで併合チェック装置１０
４の処理が終了するので、処理が高速化される。

【００６４】最終的に生成されるクラスタは、レイヤ
｛ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ｝に対しては［ａ，ｂ，ｃ］
と［ｄ，ｅ，ｆ］、｛ｈ，ｇ，ｉ｝に対しては［ｈ，
ｇ，ｉ］、｛ｊ，ｋ，ｌ，ｍ｝に対しては［ｊ，ｋ，
ｌ，ｍ］となる。

【００６５】以上の結果に対して、最後に３次元モデル
生成装置１０６の処理を行い、生成された３次元モデル
を図１１に示す。図中の数値は各オブジェクトの高さで
あり、各クラスタのｚ座標の平均値になっている。

【００６６】《利用例》上記に説明した本発明が具体的
に利用される例を示す。

【００６７】いずれの例でも３次元点群は得られている
ものとするが、点群の３次元位置の測定方法はどのよう
なものであってもよい。なお、本発明の適用は下記に限
るものではなく、３次元点群が得られていれば、垂直お
よび水平面から成る３次元モデルを生成し、頂点数が少
ない、つまりデータサイズの小さい形状モデルとして利
用可能である。

【００６８】利用例１：３次元都市モデル構築 上空からの計測によって得られた３次元点群から、本発
明の手法により、３次元の都市モデルを構築する。斜面
を持つ屋根やドーム型の屋根は近似形状となるものの、
災害シミュレーションや、ビル街のモデル作成には有効
な自動形状作成手段となる。

【００６９】次に、市街地の側面を車両などで連続的に
計測し、本発明の手法により、側面の凹凸形状を自動的
に作成する。このモデルを上空から得た建物モデル群と
統合することで、詳細な形状を持った都市モデルを少な
い労力で作成することができる。

【００７０】利用例２：非接触型の部品取り付け検査シ
ステム 電化製品などでは、ボードに直方体形状の部品を取り付
ける組立形式が多い。近年の電化製品は小型化が進み、
部品を納める空間が非常に限られている。そのため、組
立後に、正しい部品が正しい位置に正しい高さで取り付
けられているか検査する必要がある。このようなニーズ
に対し、本発明の手法を適用することで、非接触で自動
的に、ボードおよびそこに取り付けられた部品全体の形
状簡易モデルを作成し、高さや位置をコンピュータで高
速にチェックすることができる。

【００７１】なお、図１で示した装置における各部の一
部もしくは全部の機能をコンピュータのプログラムで構
成し、そのプログラムをコンピュータを用いて実行して
本発明を実現することができること、あるいは、図３〜
図６で示した処理の手順をコンピュータのプログラムで
構成し、そのプログラムをコンピュータに実行させるこ
とができることは言うまでもなく、コンピュータでその
機能を実現するためのプログラム、あるいは、コンピュ
ータにその処理の手順を実行させるためのプログラム
を、そのコンピュータが読み取り可能な記録媒体、例え
ば、ＦＤ（フロッピーディスク（登録商標））や、Ｍ
Ｏ、ＲＯＭ、メモリカード、ＣＤ、ＤＶＤ、リムーバブ
ルディスクなどに記録して、保存したり、配布したりす
ることが可能である。また、上記のプログラムをインタ
ーネットや電子メールなど、ネットワークを通して提供
することも可能である。

【００７２】

【発明の効果】本発明により、点の密度が不均一で、多
少の位置誤差を含むような、３次元の点の位置情報だけ
から、元の複数の物体形状および配置を、データ量の少
ない形状モデルとして出力することができる。また、併
合失敗リストの利用により、点群の上下関係に対して矛
盾のない形状モデルを高速に生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態例の構成を示す図である。

【図２】本発明での３次元点群を説明する図である。

【図３】本発明におけるレイヤ生成装置の処理の実施形
態例を示す図である。

【図４】本発明におけるクラスタ生成装置の処理の実施
形態例を示す図である。

【図５】本発明における併合チェック装置の処理の実施
形態例を示す図である。

【図６】本発明における３次元モデル生成装置の処理の
実施形態例を示す図である。

【図７】計測によって与えられた３次元点群を平面図
（ａ）と立面図（ｂ）で示した図である。

【図８】本発明における３次元点群データベースの構成
例を示す図である。

【図９】本発明でのレイヤの併合処理の順番の例を説明
する図である。

【図１０】本発明でのペアのリストＰの作成例を示す図
である。

【図１１】本発明による３次元モデル生成装置により生
成された３次元モデルの例を示す図である。

【図１２】３次元点群の表面を覆い尽くす三角形の集合
全体で表現する多面体を形状モデルとして出力する従来
の技術を説明する図である。

【符号の説明】

１０１…３次元点群データベース １０２…レイヤ生成装置 １０３…クラスタ生成装置 １０４…併合チェック装置 １０５…併合失敗リスト １０６…３次元モデル生成装置 １０７…出力装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若林 佳織 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 有川 知彦 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5B046 FA18 5B050 BA07 BA09 EA04 EA28 5L096 AA09 EA35 FA78

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の点の３次元位置情報から、元の形
   状を復元する３次元点群からの形状モデル生成方法であ
   って、 点の集合を層状グループにグループ分けする層状グルー
   プ生成手順と、 該層状グループを初期のグループ集合としてグループ集
   合の併合候補について併合の可否を判定する併合判定手
   順と、 該併合が可であると判定された併合候補を順次併合して
   グループ集合を生成するグループ集合生成手順と、 該グループ集合から形状モデルを生成するモデル生成手
   順と、を備えることを特徴とする形状モデル生成方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の形状モデル生成方法に
   おいて、 層状グループ生成手順では、 点の集合を層状にグループ分けする手順と、 該層状に分けられた各グループの中で、さらに位置が近
   い点同士を集めて層状グループとしてグループ分けする
   手順と、を備えることを特徴とする形状モデル生成方
   法。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の形状モデル生
   成方法において、 併合判定手順では、 併合後に同一のグループに含まれるグループ集合に対
   し、２次元図形を作成する手順と、 該グループ集合から作成した２次元図形が、該グループ
   集合が属する層より奥にある層の点を、２次元配置で考
   えた場合に、含むか含まないかで併合の可／不可を判定
   する手順と、を備えることを特徴とする形状モデル生成
   方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の形状モデル生成方法に
   おいて、 併合判定手順では、 併合が不可である判定した併合候補を記録しておく手順
   と、 併合が不可と判定されたそれぞれのグループ集合と別々
   に併合する複数のグループ集合の併合の可／不可を判定
   する際に、該記録に基づいて併合が不可である判定する
   手順と、を備えることを特徴とする形状モデル生成方
   法。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれかに記載の形状
   モデル生成方法において、 グループ集合生成手順では、 併合判定手順において、併合が可であると判定されたグ
   ループ集合の併合候補を順次併合して、併合前の各グル
   ープ集合から構成されるそれぞれの２次元図形を包含す
   るという性質をもつ２次元図形を構成するグループ集合
   を生成する手順と、 該併合判定手順において、グループ集合から作成した２
   次元図形が、該グループ集合が属する層より奥にある層
   の点を、２次元配置で考えた場合に、含むとして併合が
   不可であると判定された併合候補の併合を取りやめる手
   順と、を備えることを特徴とする形状モデル生成方法。
6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれかに記載の形状
   モデル生成方法において、 モデル生成手順では、 グループ集合生成手順で最終的に生成されたグループ集
   合に対して２次元図形を生成する手順と、 該２次元図形の各辺から、該２次元図形とは垂直な面を
   生成することで柱状の形状モデルを作成する手順と、 該２次元図形を作成した３次元点の位置から、該柱状モ
   デルの配置を決定することで、柱状モデル全体を一つの
   形状モデルとする手順と、を備えることを特徴とする形
   状モデル生成方法。
7. 【請求項７】 複数の点の３次元位置情報から、元の形
   状を復元する３次元点群からの形状モデル生成装置であ
   って、 点の集合を層状グループにグループ分けする層状グルー
   プ生成部と、 該層状グループを初期のグループ集合としてグループ集
   合の併合候補について併合の可否を判定する併合判定部
   と、 該併合が可であると判定された併合候補を順次併合して
   グループ集合を生成するグループ集合生成部と、 該グループ集合から形状モデルを生成するモデル生成部
   と、を備えることを特徴とする形状モデル生成装置。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の形状モデル生成装置に
   おいて、 層状グループ生成部は、 点の集合を層状にグループ分けする手段と、 該層状に分けられた各グループの中で、さらに位置が近
   い点同士を集めて層状グループとしてグループ分けする
   手段と、を備えることを特徴とする形状モデル生成装
   置。
9. 【請求項９】 請求項７または８に記載の形状モデル生
   成装置において、 併合判定部は、 併合後に同一のグループに含まれるグループ集合に対
   し、２次元図形を作成する手段と、 該グループ集合から作成した２次元図形が、該グループ
   集合が属する層より奥にある層の点を、２次元配置で考
   えた場合に、含むか含まないかで併合の可／不可を判定
   する手段と、を備えることを特徴とする形状モデル生成
   装置。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の形状モデル生成装置
    において、 併合判定部は、 併合が不可である判定した併合候補を記録しておく手段
    と、 併合が不可と判定されたそれぞれのグループ集合と別々
    に併合する複数のグループ集合の併合の可／不可を判定
    する際に、該記録に基づいて併合が不可である判定する
    手段と、を備えることを特徴とする形状モデル生成装
    置。
11. 【請求項１１】 請求項７から１０のいずれかに記載の
    形状モデル生成装置において、 グループ集合生成部は、 併合判定部において、併合が可であると判定されたグル
    ープ集合の併合候補を順次併合して、併合前の各グルー
    プ集合から構成されるそれぞれの２次元図形を包含する
    という性質をもつ２次元図形を構成するグループ集合を
    生成する手段と、 該併合判定部において、グループ集合から作成した２次
    元図形が、該グループ集合が属する層より奥にある層の
    点を、２次元配置で考えた場合に、含むとして併合が不
    可であると判定された併合候補の併合を取りやめる手段
    と、を備えることを特徴とする形状モデル生成装置。
12. 【請求項１２】 請求項７から１１のいずれかに記載の
    形状モデル生成装置において、 モデル生成部は、 グループ集合生成部で最終的に生成されたグループ集合
    に対して２次元図形を生成する手段と、 該２次元図形の各辺から、該２次元図形とは垂直な面を
    生成することで柱状の形状モデルを作成する手段と、 該２次元図形を作成した３次元点の位置から、該柱状モ
    デルの配置を決定することで、柱状モデル全体を一つの
    形状モデルとする手段と、を備えることを特徴とする形
    状モデル生成装置。
13. 【請求項１３】 請求項１から６のいずれかに記載の形
    状モデル生成方法における手順を、コンピュータに実行
    させるためのプログラムとしたことを特徴とする形状モ
    デル生成方法の実行プログラム。
14. 【請求項１４】 請求項１から６のいずれかに記載の形
    状モデル生成方法における手順を、コンピュータに実行
    させるためのプログラムとし、 該プログラムを、該コンピュータが読み取りできる記録
    媒体に記録したことを特徴とする形状モデル生成方法の
    実行プログラムを記録した記録媒体。