JP2010097419A - 三次元データ処理装置、三次元データ処理プログラム、および三次元データ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元計測装置で得られた点群データを容易に取り扱い可能な三次元データ処理装置、三次元データ処理プログラム、および三次元データ処理方法を提案する。
【解決手段】三次元データ処理装置１は、記憶部１１と、演算処理部１２と、表示部１３と、入力部１４とから構成される。演算処理部１２は、点群データ５から距離画像１９を生成する距離画像生成部２３と、点群データ５から球面画像１８を生成する球面画像生成部２４と、少なくとも距離画像１９を用いて測定対象物６の任意の測定点の三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する座標算出部２５とを備える。球面画像１８上のピクセル座標（ｌ，ｏ）の画素と、距離画像１９上のピクセル座標（ｍ，ｎ）の画素とは、三次元計測装置２の走査位置（ｉ，ｊ）で一対一に関連付けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザーを用いた三次元計測装置によって得られた測定対象物の三次元データを取り扱う三次元データ処理装置、三次元データ処理プログラム、および三次元データ処理方法に関する。

従来、いわゆるレーザースキャナ等の三次元計測装置を用い、三次元の座標値を持つ複数の点からなる点群データによって測定対象物の形状データを測定し、この点群データから測定対象物の３Ｄ−ＣＡＤ用のＣＡＤデータを作成する装置が知られる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２７９３３３号公報

三次元計測装置を利用して、プラントのＣＡＤデータを用いた寸法検査や、建築物、街並、文化財建造物のＣＡＤデータの保存等が行われている。このような、三次元計測装置の利用にあたり、高精度な形状データを得るためには、点群数を多くして、きめの細かい点群データを得る必要がある。

しかしながら、点群数が多くなれば、点群データの容量も大きくなり、点群データを取り扱うにあたって処理装置に高い処理能力が必要になる。

本発明は、レーザースキャナ等の三次元計測装置で得られた点群データを容易に取り扱い可能な三次元データ処理装置、三次元データ処理プログラム、および三次元データ処理方法を提案する。

前記の課題を解決するため本発明に係る三次元データ処理装置は、レーザーを用いた三次元計測装置によって得られ、前記レーザーの走査位置毎に測定対象物の測定点における三次元の座標値、および輝度を有する点群データが記憶された源情報記憶部と、前記点群データを用いて、前記走査位置毎に前記座標の原点から前記測定点までの距離を算出し、前記距離を正規化した疑似輝度と、前記走査位置に対応させたピクセル座標とを有する距離画像を生成する距離画像生成部と、前記点群データを用いて、前記走査位置に対応させたピクセル座標を有する球面画像を生成する球面画像生成部と、前記球面画像と、前記距離画像とが記憶された画像情報記憶部と、前記球面画像から任意の部分画像を切り出して表示する表示部と、前記部分画像の任意のピクセルを選択可能な画素選択操作部と、前記画素選択操作部で選択されたピクセルに対応させて、前記距離画像の前記疑似輝度を参照し、前記球面画像または前記距離画像のピクセル座標と、前記疑似輝度とから当該ピクセルの三次元の座標値を算出する座標算出部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る三次元データ処理プログラムは、レーザーを用いた三次元計測装置によって得られ、前記レーザーの走査位置毎に測定対象物の測定点における三次元の座標値、および輝度を有する点群データを取り扱うためにコンピュータを、前記点群データが記憶された源情報記憶部、前記点群データを用いて、前記走査位置毎に前記座標の原点から前記測定点までの距離を算出し、前記距離を正規化した疑似輝度と、前記走査位置に対応させたピクセル座標とを有する距離画像を生成する距離画像生成部、前記点群データを用いて、前記走査位置に対応させたピクセル座標を有する球面画像を生成する球面画像生成部、前記球面画像と、前記距離画像とが記憶された画像情報記憶部、前記球面画像から任意の部分画像を切り出して表示する表示部、前記部分画像の任意のピクセルを選択可能な画素選択操作部、前記画素選択操作部で選択されたピクセルに対応させて、前記距離画像の前記疑似輝度を参照し、前記球面画像または前記距離画像のピクセル座標と、前記疑似輝度とから当該ピクセルの三次元の座標値を算出する座標算出部、として機能させることを特徴とする。

さらに、本発明に係る三次元データ処理方法は、レーザーを用いた三次元計測装置によって得られ、前記レーザーの走査位置毎に測定対象物の測定点における三次元の座標値、および輝度を有する点群データを入力し、前記点群データを用いて、前記走査位置毎に前記座標の原点から前記測定点までの距離を算出し、前記距離を正規化した疑似輝度と、前記走査位置に対応させたピクセル座標とを有する距離画像を生成し、前記点群データを用いて、前記走査位置に対応させたピクセル座標を有する球面画像を生成し、前記球面画像の任意のピクセルに対応させて、前記距離画像の前記疑似輝度を参照し、前記球面画像または前記距離画像のピクセル座標と、前記疑似輝度とから前記ピクセルの三次元の座標値を算出することを特徴とする。

本発明によれば、レーザースキャナ等の三次元計測装置で得られた点群データを容易に取り扱い可能な三次元データ処理装置、三次元データ処理プログラム、および三次元データ処理方法を提案できる。

本発明に係る三次元データ処理装置、三次元データ処理プログラム、および三次元データ処理方法の実施形態について図１から図５を参照して説明する。

図１は、本発明に係る三次元データ処理装置を概略的に示したブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係る三次元データ処理装置１は、三次元計測装置２から点群データ５を取得して取り扱う装置である。

ここで、先ず、三次元計測装置２は、例えばレーザースキャナである。三次元計測装置２は、パルス状のレーザー光を測定対象物６に照射して、測定対象物６からの反射光を受光し、レーザー光の往復時間を測定することで三次元計測装置２と測定対象物６との距離を計測し、同時にレーザー光を照射した方向を計測して、測定対象物６における各測定点の三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を取得する。三次元計測装置２は、測定点毎に、取得番号と、三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）と、輝度とからなる各点のデータを全測定点について取得する。この全測定点のデータは、一般に点群データ５と呼ばれるデータの集合をなす。

三次元計測装置２は、水平方向の回転機構（パン機構）と、俯仰方向の揺動機構（チルト機構）とを備え、パン機構の回転軸芯と、チルト機構の揺動軸芯に関連付けられた原点Ｏが定められる。三次元計測装置２は、原点Ｏの周囲に略３６０度の範囲で測定対象物６を測定できる。

点群データ５の取得番号は、三次元計測装置２の走査位置を表し、例えば三次元計測装置２のパン機構と、チルト機構とに関連付けられる。すなわち、点群データ５の取得番号は、点群データ５の各点を２次元平面に整列させるインデックスである。

点群データ５の三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）は、一般に、原点Ｏに固定された三次元直交座標系で表される。

点群データ５の輝度は、測定対象物６の測定点におけるレーザー光の反射強度である。点群データ５は、取得番号に基づいて輝度を２次元平面に整列させると、白黒画像を得られる。この白黒画像は、上下に向かって歪んだ画像になる。

また、点群データ５は、ＲＧＢカラーモデルなどによる色データを備えることもできる。

次に、三次元データ処理装置１は、記憶部１１と、演算処理部１２と、表示部１３と、入力部１４とから構成される。また、三次元データ処理装置１は、三次元計測装置２から点群データ５を取得するインタフェース部（図示省略）を有する。

記憶部１１は、点群データ５が記憶された源情報記憶部１７と、球面画像１８および距離画像１９が記憶された画像情報記憶部２０とを備える。源情報記憶部１７は、三次元データ処理装置１が三次元計測装置２から取得した点群データ５を記憶する。

演算処理部１２は、点群データ５を用いて距離画像１９を生成する距離画像生成部２３と、点群データ５を用いて球面画像１８を生成する球面画像生成部２４と、少なくとも距離画像１９を用いて測定対象物６の任意の測定点の三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する座標算出部２５とを備える。

距離画像生成部２３は、点群データ５を用いて三次元計測装置２の走査位置毎に原点Ｏから測定点までの距離を算出し、この距離を正規化した疑似輝度ＡＬと、走査位置に対応させたピクセル座標（ｍ，ｎ）とを有する距離画像１９を生成する。生成された距離画像１９は、画像情報記憶部２０に記憶される。

さらに、具体的には、距離画像生成部２３は、先ず、点群データ５の三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を用いて、点群データ５の点毎に原点Ｏから測定対象物６上の測定点までの距離Ｌ（０，０）、Ｌ（０，１）、・・、Ｌ（ｉ，ｊ）、・・、Ｌ（Ｉ−１，Ｊ−１）を［数１］に基づいて算出する。

［数１］
Ｌ（ｉ，ｊ）＝√（ｘ（ｉ，ｊ）^２＋ｙ（ｉ，ｊ）^２＋ｚ（ｉ，ｊ）^２）
ｉ＝０、・・・・、Ｉ−１
ｊ＝０、・・・・、Ｊ−１
Ｌ（ｉ，ｊ）：点群データ５の任意の点における原点Ｏから測定対象物６上の測定点までの距離
ｉ：パン機構の走査位置
Ｉ：パン機構の走査数
ｊ：チルト機構の走査位置
Ｊ：チルト機構の走査数

次いで、距離画像生成部２３は、例えば三次元計測装置２の計測可能範囲半径を代表長さＬとして、距離Ｌ（０，０）、Ｌ（０，１）、・・、Ｌ（ｉ，ｊ）、・・、Ｌ（Ｉ−１，Ｊ−１）を［数２］に基づいて正規化する。なお、代表長さＬは、距離Ｌ（０，０）、Ｌ（０，１）、・・、Ｌ（ｉ，ｊ）、・・、Ｌ（Ｉ−１，Ｊ−１）のうち最大値を包含する任意の値を取ることができ、最大値の４倍程度までとすることが好適である。

［数２］
ＮＬ（ｉ，ｊ）＝Ｌ（ｉ，ｊ）／Ｌ
ＮＬ（ｉ，ｊ）：正規化された距離
Ｌ：代表長さ

次いで、距離画像生成部２３は、色深度Ｃｄを、例えば２４ビットとし、色深度Ｃｄを基準に、正規化された距離ＮＬ（０，０）、ＮＬ（０，１）、・・、ＮＬ（ｉ，ｊ）、・・、ＮＬ（Ｉ−１、Ｊ−１）を［数３］に基づいて疑似輝度ＡＬ（０，０）、ＡＬ（０，１）、・・、ＡＬ（ｉ，ｊ）、・・、ＡＬ（Ｉ−１，Ｊ−１）に変換する。

［数３］
ＡＬ（ｉ，ｊ）＝ＮＬ（ｉ，ｊ）×Ｃｄ
ＡＬ（ｉ，ｊ）：疑似輝度
Ｃｄ：色深度（例えば、２^２４）

したがって、距離画像生成部２３は、点群データ５の各点について、［数４］に基づいて三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を疑似輝度ＡＬ（０，０）、ＡＬ（０，１）、・・、ＡＬ（ｉ，ｊ）、・・、ＡＬ（Ｉ−１，Ｊ−１）に変換する。

［数４］
ＡＬ（ｉ，ｊ）＝√（ｘ（ｉ，ｊ）^２＋ｙ（ｉ，ｊ）^２＋ｚ（ｉ，ｊ）^２）／Ｌ×Ｃｄ

一方、距離画像生成部２３は、点群データ５の各点について、取得番号、すなわち、パン機構の走査位置ｉ、およびチルト機構の走査位置ｊを、それぞれ画像フォーマットにおける横方向の座標値ｍ、および縦方向の座標値ｎとして対応付ける。

これによって、距離画像生成部２３は、点群データ５の取得番号と、三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）とから、横Ｍ（＝Ｉ）×縦Ｎ（＝Ｊ）の解像度を有し、疑似輝度ＡＬを赤（Ｒｅｄ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）、および青（Ｂｌｕｅ）のいずれかの色に割り当て、ピクセル座標（ｍ，ｎ）毎にＡＬ（ｍ，ｎ）を配置させた距離画像１９を生成する。

ここで、疑似輝度ＡＬ（ｍ，ｎ）は、点群データ５の輝度とは異なり、各点の距離Ｌ（ｉ＝ｍ，ｊ＝ｎ）を色深度Ｃｄと代表長さＬとで正規化した擬似的な輝度である。距離画像１９は、各画素（ピクセル）のピクセル座標（ｍ，ｎ）に対応する距離Ｌ（ｉ＝ｍ，ｊ＝ｎ）が赤（Ｒｅｄ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）、および青（Ｂｌｕｅ）のいずれかの色の濃淡として視覚的に観察できる画像である。

球面画像生成部２４は、点群データ５を用いて三次元計測装置２の走査位置に対応させたピクセル座標を有する球面画像１８を生成する。生成された球面画像１８は、画像情報記憶部２０に記憶される。

球面画像１８は、広角静止画の視角部分を切り出して表示させることで、１つの視点から略３６０度見渡せるようにした画像であり、例えばアップル社のＱｕｉｃｋＴｉｍｅ ＶＲの技術を使用することが可能である("QuickTime VR-AnImage-Based Approach to Virtual Environment Navigation",Shenchang EricChen, Apple Computer, Inc. Computer Graphics Proceedings, AnnualConfrence Series, 1995, ACM-0-89791-701-4/95/008）。

また、球面画像生成部２４は、点群データ５の各測定点について、取得番号、すなわち、パン機構の走査位置ｉ、およびチルト機構の走査位置ｊを、それぞれ画像フォーマットにおける横方向の座標値ｌ、および縦方向の座標値ｏとして対応付ける。すなわち、球面画像１８上のピクセル座標（ｌ，ｏ）の画素（ピクセル）と、距離画像１９上のピクセル座標（ｍ，ｎ）の画素とは、三次元計測装置２のパン機構の走査位置ｉ、およびチルト機構の走査位置ｊとなる同じ測定点を指す。

さらに、球面画像生成部２４は、球面画像１８と、距離画像１９との各画素間を関連付けるために、点群データ５の任意の点、例えば、三次元座標値（ｘ，０，０）となるＸ軸上に存する点を参照し、この点の取得番号、すなわちパン機構の走査位置ｉ_０、およびチルト機構の走査位置ｊ_０を記録する。

座標算出部２５は、距離画像１９のピクセル座標（ｍ，ｎ）と、疑似輝度ＡＬ（ｍ，ｎ）とから、任意の画素における三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。

表示部１３は、記憶部１１に記憶された点群データ５、球面画像１８、距離画像１９を取得して表示できる。

また、表示部１３は、球面画像１８を用いて、視点（原点Ｏ）の周囲３６０°の視野をインタラクティブに見渡すような画像表現ができる。このとき、表示部１３は、三次元計測装置２の原点Ｏを視点として、任意の視線方向の部分的な画像を切り出して表示する。この球面画像１８から切り出される部分的な画像を部分画像２７と呼ぶ。

入力部１４は、部分画像２７の切り出し位置を変更させる視点操作部２９と、表示部１３に表示された部分画像２７の任意のピクセルを選択可能な画素選択操作部３０とを備える。

視点操作部２９は、球面画像１８から切り取られる部分画像２７の視線方向を任意に変更させる。具体的には、視点操作部２９は、部分画像２７上に表示されたカーソル等のグラフィカルユーザインタフェースを用いて構成され、視認性、操作性に優れ、直感的な操作で視線方向を変更できる。

画素選択操作部３０は、部分画像２７の任意の画素を指示して、当該指示画素のピクセル座標（ｕ，ｖ）に対応する球面画像１８のピクセル座標（ｌ，ｏ）を演算処理部１２に入力する。具体的には、画素選択操作部３０も、部分画像２７上に表示されたカーソル等のグラフィカルユーザインタフェースを用いて構成され、視認性、操作性に優れ、直感的な操作で任意の画素を指示できる。

図２は、本発明に係る三次元データ処理装置のハードウェア構成の典型的な例を示した概略図である。

図２に示すように、三次元データ処理装置１は、例えば１台または数台のデスクトップ型、ラップトップ型、およびノート型等のパーソナル・コンピュータ、あるいはＣＰＵ、ＤＳＰ等の演算チップを搭載した演算ボードで構成される。三次元データ処理装置１は、中央処理装置３２と、ＲＡＭなどの一次記憶装置３３と、ハードディスク等の二次記憶装置３４と、ディスプレイなどの表示装置３５と、マウスやキーボードからなる入力装置３６とを備える。

一次記憶装置３３は、演算処理部１２として、距離画像生成部２３と、球面画像生成部２４と、座標算出部２５とを記憶する。また、一次記憶装置３３は、三次元データ処理装置１を管理するオペレーションシステムを記憶する。

二次記憶装置３４は、源情報記憶部１７として、点群データ５と、画像情報記憶部２０として球面画像１８と、距離画像１９とを記憶する。また、二次記憶装置３４は、一次記憶装置３３に記憶される距離画像生成部２３と、球面画像生成部２４と、座標算出部２５との複製を記憶する。また、二次記憶装置３４は、三次元データ処理装置１を管理するオペレーションシステムの複製を記憶する。

表示装置３５は、表示部１３として部分画像２７を表示する。

入力装置３６は、視点操作部２９として、部分画像２７の視線方向が入力され、また、画素選択操作部３０として、部分画像２７の任意の画素の指示が入力される。

中央処理装置３２は、距離画像生成部２３の指令を受け、点群データ５を読み出し、点群データ５を用いて距離画像１９を生成し、距離画像１９を生成する。また、中央処理装置３２は、球面画像生成部２４の指令を受け、点群データ５を読み出し、点群データ５を用いて球面画像１８を生成する。

次いで、中央処理装置３２は、座標算出部２５の指令を受け、入力装置３６で指示された部分画像２７の任意の画素から、点群データ５の取得番号を介して関連付けられた距離画像１９上の画素を特定し、測定対象物６の任意の測定点の三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。算出された三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）は、表示装置３５に出力される。

図３は、本発明に係る三次元データ処理方法を示したフローチャートである。

図３に示すように、本実施形態に係る三次元データ処理方法は、三次元計測装置２から点群データ５を取得し、三次元データ処理装置１で点群データ５を取り扱う方法である。

先ず、ステップＳ１では、点群データ５を三次元データ処理装置１に入力する。点群データ５は、三次元計測装置２を準備し、三次元計測装置２を用いて測定対象物６の点群データ５を取得することで準備しても良い。

次いで、ステップＳ２では、三次元データ処理装置１は、点群データ５を用いて原点Ｏから測定対象物６上の各測定点までの距離Ｌ（０，０）、Ｌ（０，１）、・・、Ｌ（ｉ，ｊ）、・・、Ｌ（Ｉ−１，Ｊ−１）を［数１］に基づいて算出する。

次いで、ステップＳ３では、三次元データ処理装置１は、ステップＳ２で算出した点群データ５の各点における距離Ｌ（０，０）、Ｌ（０，１）、・・、Ｌ（ｉ，ｊ）、・・、Ｌ（Ｉ−１，Ｊ−１）を、［数２］および［数３］に基づいて疑似輝度ＡＬ（０，０）、ＡＬ（０，１）、・・、ＡＬ（ｉ，ｊ）、・・、ＡＬ（Ｉ−１，Ｊ−１）に変換する。

次いで、ステップＳ４では、三次元データ処理装置１は、横Ｍ（＝Ｉ）×縦Ｎ（＝Ｊ）の解像度を有し、疑似輝度ＡＬを赤（Ｒｅｄ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）、および青（Ｂｌｕｅ）のいずれかの色に割り当て、ピクセル座標（ｍ，ｎ）毎にＡＬ（ｍ，ｎ）を配置して距離画像１９を生成する。このとき、三次元データ処理装置１は、点群データ５の各点について、取得番号、すなわち、パン機構の走査位置ｉ、およびチルト機構の走査位置ｊを、それぞれ画像フォーマットにおける横方向の座標値ｍ、および縦方向の座標値ｎとして対応付ける。

次いで、ステップＳ５では、三次元データ処理装置１は、点群データ５を用いて三次元計測装置２の走査位置に対応させたピクセル座標（ｌ，ｏ）を有する球面画像１８を生成する。

次いで、ステップＳ６では、三次元データ処理装置１は、球面画像１８から任意の部分画像２７を切り出して表示する。

次いで、ステップＳ７では、三次元データ処理装置１は、部分画像２７上の任意の画素を指示する操作入力を受けると、当該指示画素のピクセル座標（ｕ，ｖ）が指す球面画像１８上のピクセル座標（ｌ_ｕ，ｏ_ｖ）の画素を特定する。

次いで、ステップＳ８では、三次元データ処理装置１は、特定された球面画像１８上の画素のピクセル座標（ｌ_ｕ，ｏ_ｖ）から、点群データ５の取得番号を介して関連付けられた距離画像１９上のピクセル座標（ｍ_ｕ＝ｌ_ｕ，ｎ_ｖ＝ｏ_ｖ）の画素を特定する。

次いで、ステップＳ９では、三次元データ処理装置１は、特定された距離画像１９の画素について、ピクセル座標（ｍ_ｕ，ｎ_ｖ）と、疑似輝度ＡＬ（ｍ_ｕ，ｎ_ｖ）とを参照する。

次いで、ステップＳ１０では、三次元データ処理装置１は、参照したピクセル座標（ｍ_ｕ，ｎ_ｖ）と、疑似輝度ＡＬ（ｍ_ｕ，ｎ_ｖ）とから、当該画素における測定対象物６の測定点の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。

すなわち、三次元データ処理方法は、ステップＳ１で準備した点群データ５に基づき、ステップＳ２からステップＳ５で距離画像１９および球面画像１８からなるデータ構造を生成し、ステップＳ６およびステップＳ７で指示された画素について、ステップＳ８からステップＳ１０で測定対象物６の測定点の三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。

図４は、本発明に係る三次元データ処理装置、および三次元データ処理方法における距離画像および球面画像と、三次元計測装置の三次元直交座標系との関係を示した図である。図４（Ａ）は、球面画像と、三次元計測装置の三次元直交座標系との関係を示した図であり、図４（Ｂ）は、距離画像および球面画像との関係を示した図である。

図４（Ａ）に示すように、三次元計測装置２の三次元直交座標系は、原点Ｏに固定された三次元直交座標系である。例えば、Ｘ−Ｙ平面が略水平面であり、Ｚ軸は略鉛直上向きの軸であるとする。三次元計測装置２は、原点Ｏの周囲３６０度の範囲で測定対象物６を測定可能であり、点群データ５は、この範囲で存在する。具体的には、点群データ５は、原点Ｏからの方向にだけ着目すると、三次元計測装置２のパン機構によって水平方向に走査数Ｉ、チルト機構によって鉛直方向に走査数Ｊに等分された格子状に配置される。例えば、水平方向の走査数Ｉ＝３６０、鉛直方向の走査数Ｊ＝１８０であれば、点群データ５は、水平および俯仰方向に１度毎に格子状に配置される。

一方、球面画像１８は、原点Ｏを中心とする仮想的な球面Ｒに投影された点群データ５の輝度で生成された画像である。したがって、球面画像１８の各画素（ピクセル座標（ｌ，ｏ））は、この仮想的な球面に投影された格子の各交点（ｉ，ｊ）に位置する。

そこで、点群データ５の任意の点、例えば、三次元座標値（ｘ，０，０）となるＸ軸上に存する点を参照し、この点の取得番号、すなわちパン機構の走査位置ｉ_０、およびチルト機構の走査位置ｊ_０を特定する。この走査位置は、三次元計測装置２の水平角度０度、俯仰角度０度にあたる。また、この走査位置は、球面画像１８上の特定の画素に対応するので、当該画素のピクセル座標（ｌ_０、ｏ_０）を記録する。

図４（Ｂ）に示すように、距離画像１９のピクセル座標（ｍ，ｎ）と、球面画像１８のピクセル座標（ｌ，ｏ）とは、三次元計測装置２のパン機構の走査位置ｉ、およびチルト機構の走査位置ｊを介して、一対一に関連付けられる。具体的には、距離画像１９上のピクセル座標（ｍ，ｎ）の画素と、球面画像１８上のピクセル座標（ｌ，ｏ）の画素とは、測定対象物６における同一の測定点を示す。したがって、球面画像１８上のピクセル座標（ｌ_０、ｏ_０）の画素に対応する距離画像１９上のピクセル座標（ｍ_０，ｎ_０）の画素の水平角度０度および俯仰角度０度が決まる。

また、三次元データ処理装置１では、画素選択操作部３０によって球面画像１８上の任意の画素（ピクセル座標（ｌ，ｏ））が指示されると、距離画像１９上の画素（ピクセル座標（ｍ，ｎ））が一意に特定される。

距離画像１９の任意の画素について、画面横方向の座標値ｍは、三次元データ処理装置１の水平方向の回転角度に比例し、画面縦方向の座標値ｎは、三次元データ処理装置１の俯仰方向の揺動角度に比例する。例えば、水平方向の走査数Ｉ＝３６０、俯仰方向の走査数Ｊ＝１８０であれば、距離画像１９の各画素は、水平および俯仰方向に１度毎に配置される。ピクセル座標（ｍ_０，ｎ_０）の画素における水平角０度および俯仰角０度が既知であるので、距離画像１９上の任意の画素の水平角および俯仰角を明らかにできる。

一方、疑似輝度ＡＬ（ｍ，ｎ）は、三次元計測装置２の原点Ｏから測定点までの距離Ｌ（ｍ，ｎ）に比例する。

したがって、距離画像１９の任意の画素について、ピクセル座標（ｍ，ｎ）と、疑似輝度ＡＬ（ｍ，ｎ）とを適宜に変換して、当該画素に対応した測定対象物６の測定点における三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を算出できる。三次元データ処理方法においても同様である。なお、距離画像１９のピクセル座標（ｍ，ｎ）に代えて球面画像１８のピクセル座標（ｌ，ｏ）を用いても、測定対象物６の測定点における三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を算出できる。

図５は、本発明に係る三次元データ処理装置、および三次元データ処理方法における点群データと、距離画像および球面画像との関係を示した概念図である。

図５に示すように、三次元計測装置２で得られる点群データ５は、点毎に、取得番号と、三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）と、輝度とからなる。点群データ５は、演算処理部１２によって、距離画像１９と、球面画像１８とに変換される。具体的には、点群データ５は、距離画像生成部２３によって、距離画像１９に変換され、球面画像生成部２４によって、球面画像１８に変換される。

距離画像１９は、点群データ５の三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）に着目して変換された画像である。距離画像１９は、例えば、ＢＭＰ（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標） Ｂｉｔｍａｐ Ｉｍａｇｅ）や、ＰＮＧ（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｇｒａｐｈｉｃｓ）などの非圧縮または可逆圧縮の画像ファイル形式で記憶される。一方、球面画像１８は、点群データ５の輝度に着目して変換された画像である。

球面画像１８上のピクセル座標（ｌ，ｏ）の画素と、距離画像１９上のピクセル座標（ｍ，ｎ）の画素とは、三次元計測装置２のパン機構の走査位置ｉ、およびチルト機構の走査位置ｊで一対一に関連付けられる。

球面画像１８は、表示部１３によって、原点Ｏの周囲３６０°の視野をインタラクティブに見渡すように画像表現されて表示される。

ここで、例えば測定点数２０万点の点群データ５を量子化すると、そのデータサイズは、およそ１から２ギガバイトのデータ量になる。このような点群データ５を三次元データ処理装置１、および三次元データ処理方法で距離画像１９と、球面画像１８とに変換することで、そのデータサイズは、およそ２０から３０メガバイトのデータ量になる。したがって、三次元データ処理装置１、および三次元データ処理方法は、点群データ５を高効率で圧縮可能であり、かつ必要に応じて可逆的に伸張可能である。なお、三次元データ処理装置１、および三次元データ処理方法の圧縮、伸張における誤差は、レーザースキャナの測定誤差（一般に数ミリメートル）に対して、無視できる程度に十分に小さく、本実施形態における点群データ５は可逆圧縮であると評価できる。

すなわち、三次元データ処理装置１、三次元データ処理プログラム、および三次元データ処理方法は、一般に数十万から数百万点の測定点のデータからなる点群データ５を、距離画像１９と、球面画像１８とに変換することで、点群データ５の取り扱いを容易化するとともに、元の三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を必要とするときには、容易に伸張できる。例えば、三次元データ処理装置１、および三次元データ処理方法は、三次元空間における部分画像２７上の任意の２点間の離間距離の計測や、平面や曲面などの測定対象物６の部分的な形状を特定する際に、必要最小限度の範囲で複数の測定点における三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を伸張して、これらを行うことで、三次元データ処理装置１のハードウェア資源を極力、効率的に利用できる。

本実施形態に係る三次元データ処理装置１、三次元データ処理プログラム、および三次元データ処理方法によれば、三次元計測装置２の利用にあたり、データ量が数ギガバイトに達する高精度な形状データ（点群データ５）の取り扱いに際し、データ量を大幅、かつ可逆的に圧縮可能である。

また、例えば、点群数が数十万から数百万点に達する高精度な点群データ５を、直接的に取り扱う場合には処理能力が不足するパーソナル・コンピュータや演算ボードであっても、本実施形態に係る三次元データ処理装置１、および三次元データ処理方法によれば、高精度な点群データ５を極めて容易に取り扱うことができる。

したがって、三次元データ処理装置１、三次元データ処理プログラム、および三次元データ処理方法によれば、レーザースキャナ等の三次元計測装置２で得られた点群データ５を容易に取り扱い可能である。

本発明に係る三次元データ処理装置を概略的に示したブロック図。 本発明に係る三次元データ処理装置のハードウェア構成の典型的な例を示した概略図。 本発明に係る三次元データ処理方法を示したフローチャート。 本発明に係る三次元データ処理装置、および三次元データ処理方法における距離画像および球面画像と、三次元計測装置の三次元直交座標系との関係を示した図であり、（Ａ）は、球面画像と、三次元計測装置の三次元直交座標系との関係を示した図であり、（Ｂ）は、距離画像および球面画像との関係を示した図。 本発明に係る三次元データ処理装置、および三次元データ処理方法における点群データと、距離画像および球面画像との関係を示した概念図。

符号の説明

１ 三次元データ処理装置
２ 三次元計測装置
５ 点群データ
６ 測定対象物
１１ 記憶部
１２ 演算処理部
１３ 表示部
１４ 入力部
１７ 源情報記憶部
１８ 球面画像
１９ 距離画像
２０ 画像情報記憶部
２３ 距離画像生成部
２４ 球面画像生成部
２５ 座標算出部
２７ 部分画像
２９ 視点操作部
３０ 画素選択操作部
３２ 中央処理装置
３３ 一次記憶装置
３４ 二次記憶装置
３５ 表示装置
３６ 入力装置
３７ 記憶装置

Claims (6)

1. レーザーを用いた三次元計測装置によって得られ、前記レーザーの走査位置毎に測定対象物の測定点における三次元の座標値、および輝度を有する点群データが記憶された源情報記憶部と、
   前記点群データを用いて、前記走査位置毎に前記座標の原点から前記測定点までの距離を算出し、前記距離を正規化した疑似輝度と、前記走査位置に対応させたピクセル座標とを有する距離画像を生成する距離画像生成部と、
   前記点群データを用いて、前記走査位置に対応させたピクセル座標を有する球面画像を生成する球面画像生成部と、
   前記球面画像と、前記距離画像とが記憶された画像情報記憶部と、
   前記球面画像から任意の部分画像を切り出して表示する表示部と、
   前記部分画像の任意のピクセルを選択可能な画素選択操作部と、
   前記画素選択操作部で選択されたピクセルに対応させて、前記距離画像の前記疑似輝度を参照し、前記球面画像または前記距離画像のピクセル座標と、前記疑似輝度とから当該ピクセルの三次元の座標値を算出する座標算出部と、を備えたことを特徴とする三次元データ処理装置。
2. 前記球面画像上のピクセル座標と、距離画像上のピクセル座標とは、前記三次元計測装置の前記走査位置毎に一対一に関連付けられたことを特徴とする請求項１に記載の三次元データ処理装置。
3. レーザーを用いた三次元計測装置によって得られ、前記レーザーの走査位置毎に測定対象物の測定点における三次元の座標値、および輝度を有する点群データを取り扱うためにコンピュータを、
   前記点群データが記憶された源情報記憶部、
   前記点群データを用いて、前記走査位置毎に前記座標の原点から前記測定点までの距離を算出し、前記距離を正規化した疑似輝度と、前記走査位置に対応させたピクセル座標とを有する距離画像を生成する距離画像生成部、
   前記点群データを用いて、前記走査位置に対応させたピクセル座標を有する球面画像を生成する球面画像生成部、
   前記球面画像と、前記距離画像とが記憶された画像情報記憶部、
   前記球面画像から任意の部分画像を切り出して表示する表示部、
   前記部分画像の任意のピクセルを選択可能な画素選択操作部、
   前記画素選択操作部で選択されたピクセルに対応させて、前記距離画像の前記疑似輝度を参照し、前記球面画像または前記距離画像のピクセル座標と、前記疑似輝度とから当該ピクセルの三次元の座標値を算出する座標算出部、として機能させるための三次元データ処理プログラム。
4. 前記球面画像上のピクセル座標と、距離画像上のピクセル座標とは、前記三次元計測装置の前記走査位置毎に一対一に関連付けられたことを特徴とする請求項３に記載の三次元データ処理プログラム。
5. レーザーを用いた三次元計測装置によって得られ、前記レーザーの走査位置毎に測定対象物の測定点における三次元の座標値、および輝度を有する点群データを入力し、
   前記点群データを用いて、前記走査位置毎に前記座標の原点から前記測定点までの距離を算出し、
   前記距離を正規化した疑似輝度と、前記走査位置に対応させたピクセル座標とを有する距離画像を生成し、
   前記点群データを用いて、前記走査位置に対応させたピクセル座標を有する球面画像を生成し、
   前記球面画像の任意のピクセルに対応させて、前記距離画像の前記疑似輝度を参照し、
   前記球面画像または前記距離画像のピクセル座標と、前記疑似輝度とから前記ピクセルの三次元の座標値を算出することを特徴とする三次元データ処理方法。
6. 前記球面画像上のピクセル座標と、距離画像上のピクセル座標とは、前記三次元計測装置の前記走査位置毎に一対一に関連付けられたことを特徴とする請求項５に記載の三次元データ処理方法。

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