JP2013528790A - 環境を光学的に走査および測定する方法 - Google Patents

Abstract

環境を光学的に走査および測定する方法。環境を光学的に走査し測定する方法において、レーザスキャナが、発光素子を用いて、照射光ビームを照射し、光検出器を用いて、受光ビームを受け取り、受光ビームは、レーザスキャナの環境中にある物体から反射されるかまたは拡散され、制御および評価装置を用いて、多数の測定点（Ｘ）について、少なくとも物体からレーザスキャナの中心（Ｃ₁₀）までの距離（ｄ）を決定し、少なくとも複数の測定点（Ｘ）が、ディスプレイ装置に表示され、このために、測定点（Ｘ）が平面（Ｅ）の画素（Ｐ）に割り当てられ、測定点（Ｘ）の平面（Ｅ）までの距離が各奥行きに割り当てられ、画素（Ｐ₀）を選択し、選択画素（Ｐ₀）に隣接する選択画素（Ｐ₀）より奥行き（ｚ₁、ｚ₂、・・・）の小さい画素（Ｐ₁、Ｐ₂、・・・）を検索し、選択画素（Ｐ₀）を隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂、・・・）の値とその奥行き（ｚ₁、ｚ₂、・・・）に応じて充填することによって、少なくとも測定点（Ｘ）に割り当てられた画素の間にある画素が、奥行き（ｚ₀、ｚ₁、ｚ₂、・・・）に応じた値で充填される。

Description

本発明は、請求項１の包括的用語の特徴を有する方法に関する。

このタイプの既知の方法を利用することで、３次元スキャンは、記録されたのち、２次元で表示される。測定点の密度および拡張性が、ディスプレイの画素よりも小さければ、測定点間において間隙充填を行った場合、すなわち、複数の単独の測定点から表面を生成する場合、より優れた視覚的印象が得られる。すべての測定点が、こうして１平面へ投影され複数の単独の画素へ割り当てられる。そして、平面の中間画素が補間などによって充填される。

米国特許出願公開第２００６／１９３５２１号 米国特許出願公開第２００７／０６４９７６号

本発明は、前書きに記載されたタイプの方法を改善するという目的に基づく。

この目的は、請求項１の特徴を備える方法による発明によって達成される。従属請求項は効果的な構成に関する。本発明によれば、画素の充填は事実上３次元で行われ、そのため、２次元での充填と比べると、利用可能な奥行き情報をより優れた表現のために使用することができる。選択された画素の充填が、奥行き、すなわち、スクリーンに相当する平面までの距離に応じて行われる。各選択画素に割り当てられた奥行きとは別に、各隣接する画素に割り当てられた奥行きも考慮される。したがって、すでに充填された画素であって選択画素に隣接する画素が検索されるが、これは、特に、それらが測定点に割り当てられているためであり、選択画素をこのように測定点に割り当てられた画素の表面に統合すること、またはエッジを用いて選択画素を分離させるという目的のためである。したがって、覆われている表面および覆われているエッジは、見えない状態のままとなる。選択、検索、充填の全体の処理は、計算処理時間の時間が短縮されるように、グラフィックカード上で並行して、つまりすべての画素に対して同時に行われるのが好ましい。

図面に図示された例示的実施例に基づき、本発明を以下に詳細に説明する。
図１は、平面内への視点を伴う、隣接する画素が同一表面上にある場合の画素の割り当てと充填の概略図である。 図２は、平面上への視点を伴う、図１による画素の割り当てと充填の概略図である。 図３は、平面上への視点を伴う、隣接する画素が異なる表面に位置する場合の画素の割り当てと充填の概略図である。 図４は、平面上への視点を伴う、図３による画素の割り当てと充填の概略図である。 図５は、環境中にあるディスプレイ装置を備えるレーザスキャナの概略図である。 図６は、レーザスキャナの部分的断面図である。

レーザスキャナ１０は、レーザスキャナ１０の環境を光学的に走査し、測定する装置として提供される。レーザスキャナ１０は、測定ヘッド１２とベース１４とを有する。測定ヘッド１２は、垂直軸を中心として回転可能なユニットとしてベース１４に装着される。測定ヘッド１２は、水平軸を中心として回転可能な回転ミラー１６を有する。２つの回転軸の交差点は、レーザスキャナ１０の所定の中心Ｃ₁₀とする。

測定ヘッド１２は、さらに照射光ビーム１８を照射する発光素子１７を有する。照射光ビーム１８は、波長の範囲が約３００〜１６００ｎｍのレーザビームであり、例えば、７９０ｎｍ、９０５ｎｍ、または４００ｎｍ未満であるレーザ光であることが好ましいが、より波長の大きいその他の電磁波などを使用することも原理上可能である。照射光ビーム１８は、正弦波変調信号または方形波変調信号などにより振幅変調されている。照射光ビーム１８は、発光素子１７から回転ミラー１６へ通過し、そこで偏向されて環境へと放出される。物体Ｏから反射されるかまたは拡散された受光ビーム２０は、回転ミラー１６によって再び捉えられ、偏向されて光検出器２１へと伝えられる。照射光ビーム１８および受光ビーム２０の方向は、回転ミラー１６および測定ヘッド１２の角度位置によるものであり、これらの角度位置は、それぞれの回転ドライブの位置に依存しており、これらの位置は、各エンコーダによって順次検出される。

制御および評価装置２２は、測定ヘッド１２において発光素子１７と光検出器２１とへのデータリンク接続を有し、その部品は、例えば、ベース１４に接続されたコンピュータなどとして、測定ヘッド１２の外側にも配置される。制御および評価装置２２は、多数の測定点Ｘに対して、物体Ｏ（の照射点）からレーザスキャナ１０の距離ｄを、照射光ビーム１８と受光ビーム２０との伝搬時間から決定するように設計されている。この目的のために、２つの光ビーム１８、２０間の位相シフトを決定し、評価することが可能である。

ミラー１６の（高速）回転を利用して、走査が輪状線に沿って実行される。測定ヘッド１２のベース１４に対する（低速）回転を利用して、空間全体が輪状線を伴って徐々に走査される。こうした測定の測定点Ｘの全体は、スキャンとして表される。レーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀が、そのようなスキャンに局所固定基準システムの基点を規定する。この局所固定基準システムにおいてベース１４は、静止している。

レーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀までの距離ｄに加えて、各測定点Ｘは、輝度値を備え、この輝度値もまた制御および評価装置２２によって決定される。輝度は、濃淡値であり、帯域制限されかつ増幅された受光器２１の信号を、当該測定点Xに割り当てられた測定期間にわたって統合することなどによって決定される。任意で、カラーカメラを用いて、写真を生成することも可能であり、カラーカメラを利用すれば、色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を当該測定点Ｘに対する（輝度に追加する、または輝度である）値として割り当てることができる。

ディスプレイ装置３０は、制御および評価装置２２に接続されている。ディスプレイ装置３０は、レーザスキャナ１０の、例えば、測定ヘッド１２またはベース１４に組み込まれてもよいし、あるいは、ベース１４に接続されたコンピュータの一部など外部装置であってもよい。ディスプレイ装置３０は、グラフィックカード３２およびスクリーン３４を有し、それらは、互いに離間して配置されてもよいし、１つの構造ユニットとして配置されてもよい。制御および評価装置２２は、スキャンの３Ｄデータを提供する。

グラフィックカード３２は、３Ｄデータをスクリーン３４に表示される２Ｄデータに変換（レンダリング）する。３Ｄデータは、測定ポイントＸであって、この３Ｄデータにおいては、（レーザスキャナ１０の様々な位置からの）いくつかのスキャンが、１つのシーンに集成されることが可能である。２Ｄデータを表現するためには、一方では、画素Ｐ、すなわち隣接し合う小さな多角面（例えば、四角形または六角形）があり、それらは（二次元）平面Ｅ（スクリーン３４に相当する）に配置されている。最初に、ある観測点Ｖにおいて視聴者（目、カメラ）のある状態で、測定点Ｘを平面Ｅに投影する。投影は、透視的（観測点Ｖは有限）または垂直（観測点Ｖは無限）のように見える。投影された測定点Ｘは、複数の単独の画素Ｐに割り当てられる。他方では、Ｚバッファが、画素Ｐの２Ｄデータ、すなわち、２次元補助フィールドを表現する役割を果たす。このＺバッファでは、フィールド要素（奥行きｚ）は、各画素Ｐに割り当てられる。投影された各測定点Ｘの奥行きｚは、（観測点Ｖに関して）測定点Ｘの平面Ｅまでの距離に相当する。画素ＰのフィールドとＺバッファは、画像として同様に取り扱われるのが好ましい。

観測点Ｖは、それ自体任意であり、通常は、スキャンおよび／またはシーンの度に数回変化する。

測定点Ｘは、間に間隙を有する点状であり、画素Ｐは、通常（物体Ｏの近くにある場合）は、測定点Ｘの投影よりも平面Ｅにおいて高密度を有するため、表現を改善するために、できるだけ多くの画素Ｐを充填するべく、いわゆる間隙充填が実施される。グラフィックカード３２は、3Ｄデータおよび観測点Ｖ（および平面Ｅの）表示を使用して、これを並行して実施する。

初めに、１つの測定点の投影が割り当てられた画素Ｐ、すなわち、１つの測定点Ｘをきっちり覆っている画素Ｐのみが充填される。これらの画素Ｐは、割り当てられた測定点Ｘの値、すなわち、輝度および必要に応じて色で充填される。測定点Ｘの投影にきっちり一致しない、その他のすべての画素Ｐ、すなわち、「間隙に」ある画素Ｐは、最初は、例えば、ゼロに設定されるなど、空になっている。（最初に）充填された画素Ｐに割り当てられた奥行きｚ、すなわち、Ｚバッファのフィールド要素は、各々、割り当てられた測定点Ｘの平面Ｅまでの距離に相当するその奥行きｚ₀、ｚ₁、ｚ₂に設定されている。Ｚバッファ（奥行きｚ）のその他のすべてのフィールド要素は、無限などの極値に設定される。測定点Ｘの投影が行われたときに、１つの画素Ｐに対して２つの測定点Ｘが利用可能になった場合には、小さい奥行きｚを有する測定点が選択されて、他方は拒否され、そのため、覆われている表面および覆われているエッジは見えないままとなる。

本発明によれば、間隙充填は、奥行きｚ₀、ｚ₁、ｚ₂、・・・に応じて、すなわち平面Ｅへの距離に応じて行われる。グラフィックカード３２は、（時間に関して）画素Ｐすべてを並行して選択する。一例として、１つの選択された画素Ｐ₀を見ていく。割り当てられた奥行きｚ、すなわち、Ｚバッファのフィールド要素は、奥行きｚ₀を含んでいる。各選択画素Ｐ₀に関して、隣接する画素、Ｐ₁、Ｐ₂、・・・が連続的に、すなわち、左および右へと（そして上および下へ）検索される。隣接する画素Ｐ₁がまだ充填されていないか、またはその奥行きｚが選択画素Ｐ₀の奥行きｚ₀より大きい場合には、その隣接する画素はスキップされ、２番目に隣接する画素Ｐが、必要に応じて反復的に、隣接画素Ｐ₁としてみなされる。隣接する画素Ｐ₁であって、その奥行きｚ₁が選択画素Ｐ₀の奥行きｚ₀よりも小さい画素Ｐ₁が、複数の方向の１つにおいて見つかった場合、次の方向への変更が行われ、隣接する画素Ｐ₂が探索される（画素Ｐ₂の奥行きｚ₂は、選択画素Ｐ₀の奥行きＺ₀より小さい）。スキップされる画素の最大数は定義することができる。つまり、そのスキップされる画素の最大数をスキップしてもなお隣接する画素Ｐ₁（またはＰ₂）が見つからない場合は、Ｐ₁（またはＰ₂）の検索は中止される。

選択画素Ｐ₀に隣接する画素Ｐ₁およびＰ₂が、それぞれ反対方向において発見された場合は、その隣接する画素Ｐ₁、Ｐ₂の奥行きｚ₁、ｚ₂は、奥行きｚ₀よりも小さいので、Ｐ₁、Ｐ₂が「同一平面上にある」か、すなわち、ｚ₂とｚ₁との差分が、奥行きｚ_critの閾値未満か、が確認される。すなわち、
｜ｚ₂−ｚ₁｜＜ｚ_cirt
が適用される。このような場合、選択画素Ｐ₀は、Ｐ₁とＰ₂との間を補間する値、すなわち、輝度および必要に応じて色で充填される。同様に、Ｚバッファの割り当てられたフィールド要素が、ｚ₁とｚ₂との間の補間奥行きに設定される。補間は、平面Ｅにおける選択画素Ｐ₀の画素Ｐ₁とＰ₂とからの距離に依存する。

奥行きの差が大きすぎる場合、すなわち、条件として
｜ｚ₂−ｚ₁｜＞ｚ_cirt
が適用される場合には、Ｐ₁とＰ₂が「異なる平面上に位置する」と想定される。そして、選択画素Ｐ₀は、例えば、より遠隔にある画素Ｐ₁およびＰ₂の値、すなわち、輝度および必要に応じて色で充填され、より大きい奥行きｚ₂またはｚ₁をもつＺバッファの割り当てフィールド要素で充填される。あるいは、より小さい奥行きｚ₁またはｚ₂をもつ画素Ｐ₁またはＰ₂の値および奥行きが転写される。隣接画素Ｐ₁、Ｐ₂・・・が２つより多い場合、大部分の（平均）値、すなわち、同一平面上に位置する隣接画素Ｐ₁、Ｐ₂・・・の（平均）値を転写することが可能である。

すでに測定点の値で充填されている選択画素Ｐ₀を、隣接画素Ｐ₁、Ｐ₂の値を補間することによって上書きするのが好ましい。あるいは、すでに充填されている選択画素Ｐ₀を変更せずに維持する。

画素Ｐ₁、Ｐ₂を見つける際に、充填されていないためにあるいは奥行きｚが大きすぎるために画素Ｐがスキップされた場合、画素Ｐに隣接する画素Ｐ₁、Ｐ₂、・・・は、選択画素Ｐ₀と同一になり、そのため、並行して行われる選択のフレームワーク内でスキップされた画素ＰおよびＺバッファの割り当てフィールド要素は、同様に、画素Ｐ₁とＰ₂との間を補間する値および／または奥行きｚ₁およびｚ₂（平面Ｅにおける選択画素Ｐ₀のＰ₁およびＰ₂からの距離による）か、または上記補間する値および／または画素Ｐ₁またはＰ₂のうちより遠くにある方の奥行きｚ₁またはｚ₂（または大部分の平均値）によって充填される。

選択は並行して行われるので、奥行きの差が大きすぎるために上記値および／または画素Ｐ₁またはＰ₂のうちより遠くにある方の奥行きｚ₁またはｚ₂で充填すると、より近い方の画素Ｐ₁またはＰ₂がエッジを形成することになる。選択画素Ｐ₀の奥行きｚ₀よりも小さい奥行きｚ₁またはｚ₂を有する隣接する画素Ｐ₁またはＰ₂が見つからない場合でも、選択画素Ｐ₀が（スクリーン３４の）端になり、こうした（エッジにある）選択画素Ｐ₀は充填されないため、エッジが生成される。

さらに画素を充填するため、すなわち、表現を（もう一度）向上させるためには、間隙充填が再度行われるのが好ましい。

間隙充填は、制御および評価装置２２においてまたは外部コンピュータのソフトウェアを用いて行われてもよい。並行選択による時間の節約があるので、グラフィックカード３２でのハードウェアベースの間隙充填が好ましく、後者のプログラミングインターフェースの使用が推奨される。

１０ レーザスキャナ
１２ 測定ヘッド
１４ ベース
１６ ミラー
１７ 発光素子
１８ 照射光ビーム
２０ 受光ビーム
２１ 光検出器
２２ 制御および評価装置
３０ ディスプレイ装置
３２ グラフィックカード
３４ スクリーン
Ｃ₁₀ レーザスキャナの中心
ｄ 距離
Ｅ 平面
Ｏ 物体
Ｐ、Ｐ₀、Ｐ₁、Ｐ₂ 画素
Ｖ 観測点
Ｘ 測定点
ｚ₀、ｚ₁、ｚ₂ 奥行き
ｚ_crit 奥行きの閾値

Claims (10)

1. 環境を光学的に走査し測定する方法であって、
   レーザスキャナ（１０）が、
   発光素子（１７）を用いて、照射光ビーム（１８）を照射し、
   光検出器（２１）を用いて、受光ビーム（２０）を受け取り、反射光ビームが、前記レーザスキャナ（１０）の環境中にある物体（Ｏ）から反射されるかまたは拡散され、
   制御および評価装置（２２）を用いて、多数の測定点（Ｘ）について、少なくとも前記物体（Ｏ）から前記レーザスキャナ（１０）の中心（Ｃ₁₀）までの距離（ｄ）を決定し、
   少なくとも複数の測定点（Ｘ）を、ディスプレイ装置（３０）に表示し、
   このために、前記測定点（Ｘ）を平面（Ｅ）の画素（Ｐ）に割り当て、
   前記測定点（Ｘ）の前記平面（Ｅ）までの距離を各奥行き（ｚ₀、ｚ₁、ｚ₂、・・・）に割り当て、
   少なくとも前記測定点（Ｘ）に割り当てられた前記画素（Ｐ）の間の画素（Ｐ）を値で充填し、
   画素（Ｐ₀）を選択し、前記選択画素（Ｐ₀）に隣接し、より小さい奥行き（ｚ₁、ｚ₂、・・・）を有する画素（Ｐ₁、Ｐ₂、・・・）を検索することによって、前記充填対象の画素（Ｐ）を、奥行き（ｚ₀、ｚ₁、ｚ₂、・・・）に応じて、前記隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂、・・・）の値とその奥行き（ｚ₁、ｚ₂、・・・）に従って充填する、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   表示対象である各測定点（Ｘ）を、平面（Ｅ）上の前記測定点Ｘの投影に対応する前記画素（Ｐ）に割り当て、
   前記画素（Ｐ）を、最初は割り当てられた前記測定点（Ｘ）の値で充填し、最初に充填された前記画素（Ｐ）に割り当てられる奥行き（ｚ）を、割り当てられた前記測定点（Ｘ）の平面（Ｅ）までの距離に設定する、方法。
3. 請求項１または２に記載の方法であって、すでに充填された選択画素（Ｐ₀）を、変更せずに維持する、方法。
4. 前述の請求項のうちいずれかに記載の方法であって、前記選択画素（Ｐ₀）に対する前記隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂、・・・）を連続的に検索し、
   画素（Ｐ）がまだ充填されていない場合および／またはその奥行き（ｚ₁、ｚ₂、・・・）が前記選択画素（Ｐ₀）の奥行き（ｚ₀）よりも大きい場合には、その画素（Ｐ）をスキップする、方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、いずれかの検索方向において、すでに充填された隣接画素（Ｐ₁）であって、その奥行き（ｚ₁）が前記選択画素（Ｐ₀）の奥行き（ｚ₀）よりも小さい隣接画素（Ｐ₁）が発見された場合、まだ検索が行われていない方向へ方向の変更を行う、方法。
6. 前述の請求項のうちいずれかに記載の方法であって、すでに充填されかつ奥行きが前記選択画素（Ｐ₀）の奥行き（ｚ₀）よりも小さい、前記選択画素（Ｐ₀）の前記隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂）が発見された後、前記隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂）の奥行き（ｚ₁、ｚ₂）間の差分が、奥行きの閾値（ｚ_crit）未満であるかを確認する、方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、発見された前記隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂）の奥行き（ｚ１、ｚ２）間の差分が、奥行きの閾値（ｚ_crit）未満の場合、
   前記選択画素（Ｐ₀）を、前記隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂）の値の間を補間する値で充填し、
   前記選択画素（Ｐ₀）の奥行き（ｚ₀）を、発見された前記隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂）の奥行き（ｚ₁、ｚ₂）間を補間する前記奥行き（ｚ）に設定する、方法。
8. 請求項６または７に記載の方法であって、発見された前記隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂）の奥行き（ｚ１、ｚ２）間の差分が、奥行きの閾値（ｚ_crit）未満の場合、
   前記選択画素（Ｐ₀）を、奥行き（ｚ₁、ｚ₂）がより大きい前記隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂）の値で充填し、
   前記選択画素（Ｐ₀）の奥行き（ｚ₀）を、奥行き（ｚ₁、ｚ₂）がより大きい前記隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂）の奥行き（ｚ）に設定する、方法。
9. 前述の請求項のうちいずれかに記載の方法であって、
   前記選択対象の画素（Ｐ₀）を、時間的に並行して選択し、
   および／または、充填を少なくとも２回行う、
   方法。
10. 前述の請求項のうちいずれかに記載の方法を実行する装置であって、前記装置は、
    レーザスキャナ（１０）であって、
    発光素子（１７）と、
    できれば回転ミラー（１６）と、
    光検出器（２１）と、
    制御および評価装置（２２）と、
    を備えるレーザスキャナ（１０）と、
    ディスプレイ装置（３０）と、を有し、
    前記ディスプレイ装置（３０）は、前記制御および評価装置（２２）とスクリーン（３４）とに接続されるグラフィックカード（３２）を有し、
    前記グラフィックカード（３２）は、画素（Ｐ₀）を選択し、より小さい奥行き（ｚ₁、ｚ₂、・・・）を有する前記選択画素（Ｐ₀）の隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂、・・・）を検索し、前記選択画素（Ｐ₀）を前記隣接画素（Ｐ₁、Ｐ₂、・・・）の値およびその奥行き（ｚ₁、ｚ₂、・・・）に従って充填する役割を果たす、装置。

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