JP2012057960A - 点群位置データ処理装置、点群位置データ処理方法、点群位置データ処理システム、および点群位置データ処理プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の視点から得た測定対象物の三次元点群位置データに基づき三次元モデルを形成し、この三次元モデル上において、第2の視点から見た測定対象物の撮影画像との共通部分を指定する。次いで、上記共通部分において、対応点となる特徴点を算出し、対応点を指定する。そして、この指定された対応点に基づいて、第1の視点から得た三次元点群位置データを扱うための座標系に関連付けた第2の視点の三次元位置を算出する。
【選択図】図4
Description
以下、発明を利用した点群位置データ処理装置の一例について、図面を参照して説明する。図1には、点群位置データ処理装置100が示されている。点群位置データ処理装置100は、パーソナルコンピュータ上においてソフトウェア的に構成されている。点群位置データ処理装置100をパーソナルコンピュータ上で構成するプログラムは、パーソナルコンピュータ中にインストールされている。なお、このプログラムは、サーバや適当な記録媒体に記録しておき、そこから提供される形態であってもよい。
以下、図1の座標演算部117について説明する。まず、説明の前提となる三次元点群位置データを測定する状態の具体的な一例を説明する。図2には、三次元点群位置データを測定する状況の一例が概念的に示されている。図2には、図1の点群位置データ処理装置100として機能するノート型のパーソナルコンピュータ130が示されている。パーソナルコンピュータ130には、点群位置データ取得装置の一例である三次元レーザースキャナ131が接続されている。図2には、測定を行う第1の視点となる第1の設置位置132に三次元レーザースキャナ131を配置して測定対象物134〜136の三次元点群位置データの取得および撮影による画像データの取得を行い、次に第2の視点となる第2の設置位置133に、三次元レーザースキャナ131を移動させ、そこで再度の三次元点群位置データおよび画像データの取得を行おうとする場合の例が示されている。なお、三次元レーザースキャナ131は、図1の点群位置データ取得装置101の機能に加えて、画像取得装置102、GPS装置103の機能を備えている。また、レーザースキャナ131の光軸を動かした際に、画像取得装置の光軸が同じ向きとなるように、両者が一体化された構造とされている。
単写真標定とは、1枚の写真の中に写された基準点に成り立つ共線条件を用いて、写真を撮影したカメラの位置(X0、Y0、Z0)およびカメラの傾き(ω,φ,κ)を求め、写真座標x、yと地上座標X、Y、Zの間の関係を求める技術である。共線条件とは、投影中心、写真像および地上の対象物が一直線上にあるという条件である。また、カメラの位置(X0、Y0、Z0)とカメラの傾き(ω、φ、κ)は外部標定要素と呼ばれる。
相互標定は、画像中の6点以上の対応点により、第1の視点から見た測定対象物を記述する第1の座標系と、第2の視点から見た測定対象物を記述する第2の座標系との関係を求める技術である。図8は相互標定の原理を説明する概念図である。ここでは、第1の視点からの撮影(左側のカメラによる撮影)によって得られる画像の座標系(第1の座標系)と、第2の視点からの撮影(右側のカメラによる撮影)によって得られる画像の座標系(第2の座標系)との関係を求める場合を例に上げ、相互標定の手順について説明する。相互標定では、以下の共面条件式により各パラメータを求める。
(1)初期近似値は通常0とする。
(2)数6の共面条件式を近似値のまわりにテーラー展開し、線形化したときの微分係数の値を数7、数8式により求め、観測方程式をたてる。
(3)最小二乗法をあてはめ、近似値に対する補正量を求める。
(4)近似値を補正する。
(5)補正された近似値を用いて、(2)〜(5)までの操作を収束するまで繰り返す。
絶対標定は、モデル座標系を地上座標系(絶対座標系)に変換する方法である。絶対標定を用いた場合、第1の座標系を地上座標系に関連付け、他方で第2の座標系を地上座標系に関連付け、地上座標系を介して第1の座標系と第2の座標系の対応関係が取得される。まず、モデル座標系(XM、YM、ZM)を地上座標系(X、Y、Z)に変換する。ここで、縮尺をs、3軸回りの回転をω、φ、κ、平行移動量を(X0、Y0、Z0)とすると、数9の関係式が得られる。
ステレオマッチング法は、2つの座標系における画像の座標データを相互に比較し、両者の相関関係により、2つの画像の対応関係を求める方法である。ステレオマッチングでは、2つの視点それぞれから見た画像の特徴点の対応関係が求まり、対応点の自動抽出が可能となる。図9は、ステレオマッチングの原理を説明する原理図である。この方法では、図示するように、N1×N1画素のテンプレート画像を、それよりも大きいM1×M1画素の入力画像内の探索範囲(M1−N1+1)2上で動かし、下記数14で示される相互相関関数C(a,b)が最大となるような(つまり相関の程度が最大となるような)テンプレート画像の左上位置を求める。
以下、図1の三次元モデル形成部119の機能について説明する。図3には、三次元モデル形成部119のブロック図が示されている。三次元モデル形成部119は、非面領域除去部201、面ラベリング部202、輪郭線算出部203を備えている。以下、これら各機能部について説明する。非面領域除去部201は、局所領域を取得する局所領域取得部201a、局所領域の法線ベクトルを算出する法線ベクトル算出部201b、局所領域の局所曲率を算出する局所曲率算出部201c、局所領域にフィッティングする局所平面を算出する局所平面算出部201dを備えている。
以下、図2の状況を一例として挙げ、図1に示す点群位置データ処理装置100の動作の一例を説明する。図4(A)には、第1の設置位置132(第1の視点)において、測定対象物の三次元点群位置データと画像撮影による画像データとを取得し、次いで画像第2の設置位置133(第2の視点)にレーザースキャナ131を設置し、そこで撮影を行うことによる画像データを取得した状態におけるパーソナルコンピュータ130の液晶ディスプレイ上における画面表示の一例が示されている。
以下、上述した「動作1」と重複する部分があるが、2つの視点から見た座標系の関係を算出し、それに基づき第1の視点から見た座標系上の第2の視点の位置を求める処理の一例を説明する。図6には、この処理の流れの一例が示されている。処理が開始されると(ステップS601)、まず第1の設置位置132(第1の視点)にレーザースキャナ131を設置し(ステップS602)、そこで測定対象物を撮影し画像データを取得し、更に三次元点群位置データの取得を行う(ステップS603)。次いで、レーザースキャナ131を第2の設置位置133(第2の視点)に移動させ(ステップS604)、そこで上記と同じ測定対象物を撮影し、その撮影画像をパーソナルコンピュータ130のディスプレイ上に表示する(ステップS605)。次いで、第1の設置位置132において取得した三次元点群位置データに基づいて、測定対象物の三次元モデルを形成し、更にそれをパーソナルコンピュータ130のディスプレイ上に表示する(ステップS606)。この状態の一例が図4(A)に示されている。
以下、三次元モデルの形成および表示に係る動作の一例を説明する。まず、第1の設置位置132おいて、測定対象物134〜136の撮影および測定対象物134〜136の三次元点群位置データ(正確にいうと、オクルージョンが発生するので、測定対象物136の三次元点群位置データは取得できない)の取得を行い、第1の設置位置132から見た向きの測定対象物の三次元モデルを形成する(図7(A)参照)。
図1の点群位置データ処理装置100の内部で扱われる座標のデータをGPS装置103によって得られる経度緯度に関する座標データと関連付けることで、三次元モデルの座標や三次元点群位置データを得るための視点に係る位置データを地図データと関連付けることができる。これにより、例えばパーソナルコンピュータ上に表示された地図データ上に視点の位置を表示するといった機能が可能となる。
図1の点群位置データ処理装置100が備える複数の機能を分散させた構成も可能である。例えば、三次元モデル形成部119や座標演算部117の機能を通信回線で結ばれた別のコンピュータやサーバで行い、点群データ処理装置100と同様の機能を有する点群位置データ処理システムを構成することもできる。また、点群位置データ処理装置100の一部の機能をレーザースキャナ側に持たせ、このレーザースキャナと組み合わせたシステムとして本発明を実施することも可能である。
以上説明した実施形態によれば、第1の視点において測定対象物の三次元点群位置データを取得後に、第2の視点にレーザースキャン装置を移動させ、そこでの三次元点群位置データの本格的な取得の前に、撮影によって得た画像データに基づいて、新たな視点(第2の視点)の位置を、第1の視点から測定対象物を見た場合に用いる座標系上で特定する。この特定した結果を利用することで、第1の視点において得られた三次元点群座標データに基づく三次元モデルを第2の視点から見た向きに変えることができる。すなわち、第1の視点において得られた三次元点群座標データを第2の視点から測定対象物を見た場合の座標系で扱えるように座標変換を行うことが可能となるので、第1の視点において得られた三次元点群座標データに基づく三次元モデルを第2の視点から見た向きに回転させることができる。
以下、三次元レーザースキャナを備えた点群位置データ処理装置について説明する。この例において、点群位置データ処理装置は、測定対象物に対して測距光(レーザー光)を走査しつつ照射し、レーザー光の飛行時間に基づいて自身の位置から測定対象物上の多数の測定点までの距離を測距する。また、点群位置データ処理装置は、レーザー光の照射方向(水平角および高低角)を検出し、距離および照射方向に基づいて測定点の三次元座標を演算する。また、点群位置データ処理装置は、測定対象物を撮影した二次元画像(各測定点におけるRGB強度)を取得し、二次元画像と三次元座標とを結び付けた三次元点群位置データを形成する。さらに、ここで示す点群位置データ処理装置は、図1に関連して説明した点群位置データ処理装置100の処理を行う機能を有している。
図10および図11は、三次元レーザースキャナ機能を備えた点群位置データ処理装置1の構成を示す断面図である。点群位置データ処理装置1は、整準部22、回転機構部23、本体部27、および回転照射部28を備えている。本体部27は、測距部24、撮影部25、制御部26等から構成されている。なお、図11は、説明の便宜のため、図10に示す断面方向に対して、回転照射部28のみ側方から見た状態を示している。
制御部26の構成において、グリッド形成部9から三次元点群位置データが出力される形態とすると、図10、図11に示す装置は、第1の実施形態で示したパーソナルコンピュータを利用した点群位置データ処理装置と組み合わせて使用可能な三次元レーザースキャナとなる。点群位置データ処理部100’が行う処理を分散して行う構成も可能である。例えば、点群位置データ処理部100’の機能の一部を通信回線で結ばれたサーバで行うような構成も可能である。この場合、本発明の点群位置データ処理システムの一例として把握される。
Claims (16)
- 測定対象物の三次元点群位置データを取得する点群位置データ取得部と、
前記測定対象物の画像データを取得する画像データ取得部と、
第1の視点から見た前記測定対象物と前記第1の視点とは異なる第2の視点から見た前記測定対象物との画像上の共通の領域における対応点を指定する対応点指定部と、
前記第1の視点において前記点群位置データ取得部で取得された三次元点群位置データにおける前記対応点指定部で指定された対応点の三次元点群位置データと前記第2の視点において前記画像データ取得部で取得された画像データにおける前記対応点指定部で指定された対応点の画面座標値に基づき、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行う座標演算部と
を備えることを特徴とする点群位置データ処理装置。 - 前記第1の視点から得られた前記測定対象物の三次元点群位置データに基づき、または前記第1の視点から得られた前記測定対象物の三次元点群位置データと前記第2の視点から得られた前記測定対象物の三次元点群位置データとに基づき、前記第2の視点から見た前記測定対象物の三次元モデルを形成する三次元モデル形成部を備えることを特徴とする請求項1に記載の点群位置データ処理装置。
- 前記三次元モデル形成部は、前記第1の視点から得られた前記測定対象物の三次元点群位置データに基づく三次元モデルである第1視点三次元モデルを形成し、
前記第1視点三次元モデル、あるいは前記第1の視点から得られた前記測定対象物の画像である第1視点画像と前記第2の視点から得られた画像である第2視点画像とを表示すると共に、前記第1視点三次元モデル、前記第1視点画像および前記第2視点画像の少なくとも一つにおいて、前記対応点を表示する制御を行う表示制御部を備えることを特徴とする請求項2に記載の点群位置データ処理装置。 - 前記第2視点画像において、前記対応点が指定された場合に、この指定された対応点に基づき、前記座標演算部における演算が行われることを特徴とする請求項3に記載の点群位置データ処理装置。
- 前記第2視点画像において、前記対応点が指定された場合に、この指定された対応点に係る前記第2の視点から得られた前記測定対象物の三次元点群位置データに基づき、前記座標演算部における演算が行われることを特徴とする請求項4に記載の点群位置データ処理装置。
- 前記対応点指定部は、ユーザにより指定された位置を前記対応点として受け付ける対応点受け付け部を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の点群位置データ処理装置。
- 前記対応点指定部は、前記第1の視点において得られた前記測定対象物の三次元点群位置データに基づいて前記対応点を検出する対応点検出部を備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の点群位置データ処理装置。
- 前記対応点指定部における対応点の指定は、前記第1の視点から得られた画像と前記第2の視点から得られた画像との間で、ステレオマッチングを行うことで実行されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の点群位置データ処理装置。
- 前記対応点検出部は、前記測定対象物の特徴点となる部分を前記対応点として検出することを特徴とする請求項7または8に記載の点群位置データ処理装置。
- 前記点群位置データ取得部は、前記対応点が指定された場合にこの指定された対応点を含む周辺部分の三次元点群位置データを前記第2の視点において取得し、
この取得された三次元点群位置データに基づいて前記特徴点の算出が行われ、この算出に基づいて前記指定された対応点の特定が行われることを特徴とする請求項9に記載の点群位置データ処理装置。 - 前記座標演算部は、少なくとも3点における対応関係に基づき、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行うことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の点群位置データ処理装置。
- 前記点群位置データ取得部で取得される三次元点群位置データを測定するための点群位置データ測定光学系と、
前記画像データの基となる画像を撮影する撮影光学系と
を備え、
前記点群位置データ測定光学系と前記撮影光学系とは同一軸回りに回動可能とされており、
前記座標演算部は、少なくとも2点における対応関係に基づき、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行うことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の点群位置データ処理装置。 - 前記第1の視点の位置と前記第2の視点の位置とを特定するGPS部を備え、
前記座標演算部は、前記GPS部で特定された前記第1の視点の位置と前記第2の視点の位置とに基づく演算を行うことを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の点群位置データ処理装置。 - 第1の視点から見た前記測定対象物と前記第1の視点とは異なる第2の視点から見た前記測定対象物との画像上の共通の領域における対応点を指定する対応点指定ステップと、
前記第1の視点において取得された三次元点群位置データにおける前記対応点指定ステップで指定された対応点の三次元点群位置データと前記第2の視点において取得された画像データにおける前記対応点指定ステップで指定された対応点の画面座標値に基づき、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行う座標演算ステップと
を備えることを特徴とする点群位置データ処理方法。 - 測定対象物の三次元点群位置データを取得する点群位置データ取得手段と、
前記測定対象物の画像データを取得する画像データ取得手段と、
第1の視点から見た前記測定対象物と前記第1の視点とは異なる第2の視点から見た前記測定対象物との画像上の共通の領域における対応点を指定する対応点指定手段と、
前記第1の視点において前記点群位置データ取得手段で取得された三次元点群位置データにおける前記対応点指定手段で指定された対応点の三次元点群位置データと前記第2の視点において前記画像データ取得手段で取得された画像データにおける前記対応点指定手段で指定された対応点の画面座標値に基づき、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行う座標演算手段と
を備えることを特徴とする点群位置データ処理システム。 - コンピュータに読み取らせて実行させるプログラムであって、
コンピュータを
測定対象物の三次元点群位置データを取得する点群位置データ取得部と、
前記測定対象物の画像データを取得する画像データ取得部と、
第1の視点から見た前記測定対象物と前記第1の視点とは異なる第2の視点から見た前記測定対象物との画像上の共通の領域における対応点を指定する対応点指定部と、
前記第1の視点において前記点群位置データ取得部で取得された三次元点群位置データにおける前記対応点指定部で指定された対応点の三次元点群位置データと前記第2の視点において前記画像データ取得部で取得された画像データにおける前記対応点指定部で指定された対応点の画面座標値に基づき、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行う座標演算部と
して機能させることを特徴とする点群位置データ処理プログラム。
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