JP2014098603A - ３次元モデル生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な３次元モデルを得ることが可能な３次元モデル生成装置を提供する。
【解決手段】実施形態の３次元モデル生成装置は、射出部と、第１偏向部と、第２偏向部と、検出部と、計測部と、生成部と、を備える。射出部は、所定の軸を中心に射出方向が回転するようにレーザ光を射出する。第１偏向部は、射出部により射出された第１回転範囲のレーザ光を、第１走査平面内に偏向させる。第２偏向部は、射出部により射出された第２回転範囲のレーザ光を、第１走査平面と交差する第２走査平面内に偏向させる。検出部は、第１偏向部により偏向されたレーザ光が対象物体にて反射した反射光、または、第２偏向部により偏向されたレーザ光が対象物体にて反射した反射光を検出する。計測部は、レーザ光の射出から反射光が検出されるまでの時間に基づいて、対象物体までの距離を計測する。生成部は、計測部による計測結果を用いて、対象物体の３次元モデルを生成する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、３次元モデル生成装置に関する。

従来、対象物体の３次元形状を計測して３次元モデルを生成する技術が知られている。例えば対象物体までの距離を測定可能なレーザレーダ装置による計測方向（観測方向）の中心に対象物体を配置し、対象物体の外側の全周方向に沿ってレーザレーダ装置を移動させながら計測を行い、その計測結果に基づいて対象物体の３次元形状を生成する方法などが考えられる。

正確な３次元モデルを得るためには、計測漏れを無くすことが特に重要であるが、従来のレーザレーダ装置は、高さが相違する複数の走査平面内にレーザ光を偏向させるため、対象物体のうち、隣接する走査平面の隙間に収まってしまうほどの薄い物体を検出することができない。さらに、この隙間は、対象物体までの距離が離れるほど広がるため、検出できなくなる物体も増えていく。つまり、従来技術では、３次元モデルの生成対象となる対象物体の計測漏れが発生するため、正確な３次元モデルを得ることができない。

特開２０１０−１５１８０９号公報

本発明が解決しようとする課題は、正確な３次元モデルを得ることが可能な３次元モデル生成装置を提供することである。

実施形態の３次元モデル生成装置は、射出部と、第１偏向部と、第２偏向部と、検出部と、計測部と、生成部と、を備える。射出部は、所定の軸を中心に射出方向が回転するようにレーザ光を射出する。第１偏向部は、射出部により射出された第１回転範囲のレーザ光を、第１走査平面内に偏向させる。第２偏向部は、射出部により射出された第２回転範囲のレーザ光を、第１走査平面と交差する第２走査平面内に偏向させる。検出部は、第１偏向部により偏向されたレーザ光が対象物体にて反射した反射光、または、第２偏向部により偏向されたレーザ光が対象物体にて反射した反射光を検出する。計測部は、レーザ光の射出から反射光が検出されるまでの時間に基づいて、対象物体までの距離を計測する。生成部は、計測部による計測結果を用いて、対象物体の３次元モデルを生成する。

実施形態の３次元モデル生成装置の概略構成例を示す図。 実施形態のレーザレーダ部の構成例を示す図。 実施形態のレーザレーダ部と第１偏向部を示す模式図。 実施形態の第２偏向部の元となる平板状の反射材の正面図。 実施形態の第２偏向部の正面図。 実施形態の第２偏向部を上方から見た場合の図。 実施形態の第２偏向部を側方から見た場合の図。 実施形態の第１走査平面と第２走査平面を示す模式図。 実施形態のレーザレーダ部と第２偏向部を示す模式図。 実施形態のレーザレーダ部、第１偏向部および第２偏向部の模式図。 実施形態の距離計測装置による計測の様子を示す模式図。 実施形態の交差点付近の対象物体が計測される様子を示す模式図。 変形例の第１走査平面と複数の第２走査平面を示す模式図。 変形例の第１走査平面と複数の第２走査平面を示す模式図。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る３次元モデル生成装置の実施の形態を説明する。なお、３次元モデルとは、立体物の形状を表現可能なデータを指す。図１は、実施形態の３次元モデル生成装置１の概略構成例を示す図である。図１に示すように、３次元モデル生成装置１は、レーザレーダ部１０と、第１偏向部２０と、第２偏向部３０と、生成部４０とを備える。

レーザレーダ部１０は、所定の軸（図１の例では光軸ａｘ）を中心に射出方向が回転するようにレーザ光を射出する。図２は、レーザレーダ部１０の具体的な構成例を示す図である。図２に示すように、レーザレーダ部１０は、レーザ光発生部１１と、レンズ１２と、ミラー１３と、偏向板１４と、集光レンズ１５と、検出部１６と、制御部１７とを備え、３次元モデルの生成対象となる対象物体までの距離や方向を検出する機能を有する。

レーザ光発生部１１は、例えばレーザダイオードなどで構成される。レーザ光発生部１１は、制御部１７の制御により、不図示の駆動回路からパルス電流を供給され、パルスレーザ光を投光する。

レンズ１２は、レーザ光発生部１１から投光されるレーザ光の光路上に設けられている。このレンズ１２は、コリメートレンズとして構成されるものであり、レーザ光発生部１１からのレーザ光を平行光に変換する機能を有する。

ミラー１３は、レンズ１２を通過したレーザ光の光路上に設けられている。このミラー１３は、レンズ１２を通過したレーザ光を偏向板１４に向けて反射させるように配置される。

偏向板１４は、光軸ａｘを中心として回転可能に構成されるとともに、ミラー１３で反射されたレーザ光の光路上に設けられている。偏向板１４は、ミラー１３で反射されたレーザ光を、対象物体が存在する空間に向けて偏向（反射）させるとともに、対象物体からの反射光を検出部１６に向けて偏向（反射）させる機能を有する。

図２の例では、偏向板１４は、ミラー１３で反射されたレーザ光の方向と、偏向板１４の反射面１４ａの法線とのなす角度が４５度になるように配置される。また、偏向板１４は、ミラーで反射されたレーザ光の方向と軸方向が一致する光軸ａｘを中心として回転するため、偏向板１４の回転位置に関係なく、ミラー１３で反射されたレーザ光の入射角度は常に４５度に維持される。これにより、偏向板１４で反射されたレーザ光の進む方向は、常に、光軸ａｘと直交する方向になる。

以上の構成により、光軸ａｘを中心に射出方向が回転するレーザ光を射出することを実現できる。なお、偏向板１４は、制御部１７の制御により、不図示のモータが駆動することで回転する。さらに、偏向板１４の反射面１４ａのサイズは、ミラー１３のうちレーザ光を反射する領域のサイズに比べて十分大きく構成される。図２の例では、レーザ光発生部１１、レンズ１２、ミラー１３、偏向板１４、制御部１７の各々が、請求項の「射出部」に対応していると捉えることもできる。

集光レンズ１５は、偏向板１４から検出部１６に至るまでの反射光の光路上に設けられている。集光レンズ１５は、偏向板１４からの反射光を集光して検出部１６に導くものである。

検出部１６は、対象物体で反射されたレーザ光（反射光）を検出する。検出部１６は、例えばフォトダイオードで構成され、対象物体からの反射光を検出し、電気信号に変換する。

制御部１７は、レーザ光発生部１１によってレーザ光を出力してから検出部１６によって反射光を検出されるまでの時間を測定することにより、対象物体までの距離を測定する機能を有する。この例では、制御部１７は、請求項の「測定部」に対応している。

再び図１に戻って説明を続ける。第１偏向部２０は、レーザレーダ部１０により射出された、射出方向の回転範囲が第１回転範囲のレーザ光を、第１走査平面Ｐ１内に偏向させる。図１の例では、第１偏向部２０は、平板状の反射材（例えば鏡やプリズム等）で構成される。ここでは、第１偏向部２０は、鏡で構成される場合を例に挙げて説明する。本実施形態では、第１偏向部２０の表面（反射面）のうち、第１回転範囲内の中央のレーザ光が入射する位置を原点に設定し、第１偏向部２０により偏向されたレーザ光の進む方向をＺ軸、鉛直上方向をＹ軸、Ｚ軸に直交する水平方向をＸ軸として座標系を設定する。なお、これに限らず、座標系の設定方法は任意である。以下、第１偏向部２０について具体的に説明する。

図１の例では、第１偏向部２０は、第１回転範囲のレーザ光が、第１偏向部２０の表面を直線状に横切る線に沿って順次に入射するとともに、光軸ａｘを中心に射出方向が回転するように射出されるレーザ光の集合を含む平面（レーザ光の回転平面）と、第１偏向部２０の表面の法線とのなす角度が４５度になるように配置される。

図３は、レーザレーダ部１０および第１偏向部２０を、前述のＸ軸方向から見た場合の模式図（ＹＺ平面の模式図）である。図３からも理解されるように、第１偏向部２０は、レーザ光の回転平面と、第１偏向部２０の表面の法線とのなす角度（入射角）が４５度になるように配置される。これにより、反射角は４５度となり、第１偏向部２０の表面で反射したレーザ光は、入射方向と垂直な方向に向かって進む。すなわち、第１偏向部２０で偏向されたレーザ光が進む領域を示す第１走査平面Ｐ１は、回転平面と直交する平面になる。ただし、第１走査平面Ｐ１の形態は、これに限られるものではない。

再び図１に戻って説明を続ける。第２偏向部３０は、レーザレーダ部１０により射出された、射出方向の回転範囲が第２回転範囲のレーザ光を、第１走査平面Ｐ１と交差（図１の例では角度Φで交差）する第２走査平面Ｐ２内に偏向させる。第２偏向部３０は、例えば鏡やプリズム等の反射材で構成される。ここでは、第２偏向部３０は、鏡で構成される場合を例に挙げて説明する。以下、第２偏向部３０について具体的に説明する。

本実施形態では、第２偏向部３０の形状は、平板状の反射材がねじられた形状である。図４に示すように、第２偏向部３０は、平板状の反射材をねじることで形成される。図５は、第２偏向部３０の正面図である。図５の例では、第２偏向部３０の表面（反射面）のうち、ねじりによって法線方向が変化しない位置を基準位置（原点）に設定し、ねじれの軸方向をｘ軸、ねじれの軸方向と直交する方向をｙ軸、表面の奥行き方向をｚ軸に設定する。図５に示すＱは、第２偏向部３０の表面のうち、ねじれの軸に沿った領域を指す。図６は、第２偏向部３０を上方から俯瞰したｘｚ平面図であり、図７は、第２偏向部３０を側方から見たｙｚ平面図である。図７に示す角度Φは、第２偏向部３０のねじれ角に相当する。

この例では、第２偏向部３０の元となる平板状の反射材（ねじられていない平板状の反射材）はｘｙ平面上に存在し、その横幅（ｘ方向の幅）は２Ｗ（ｘ＝［−Ｗ，Ｗ］）、縦幅（ｙ方向の幅）は２Ｈ（ｙ＝［−Ｈ，Ｈ］）であるとする。また、元の反射材がねじられたとき、鏡の端はｙ軸に対してΦだけ回転しているとする（ねじれ角＝Φ）。ねじられた鏡表面の位置ｘにおける上下端の座標は、以下の式１により表すことができる。

したがって、本実施形態の第２偏向部３０の表面形状は、以下の式２により表すことができる。

ただし、上記式２において、ｔは媒介変数で０以上１以下である。

ここで、第２偏向部３０の元となる平板状の反射材の表面のうち、ｘ軸（ねじれの軸）に沿った領域の法線方向は、全てｚ軸方向に一致するが、上述のように平板状の反射材をねじることにより第２偏向部３０が形成された場合、第２偏向部３０の表面のうち、ねじれの軸に沿った領域Ｑは、法線方向が連続的に変化する（前述の基準位置における法線方向のみがｚ軸方向に一致する）。したがって、例えば第２偏向部３０の表面のうち、ねじれの軸に沿った領域Ｑに対して、第２回転範囲のレーザ光が順次に入射した場合、領域Ｑの法線方向が連続的に変化することに起因して、レーザ光の入射方向と領域Ｑの法線方向とのなす角度（入射角）も連続的に変化（つまりは反射角も連続的に変化）する。これにより、第２偏向部３０により偏向されたレーザ光が広がる領域を示す第２走査平面Ｐ２は、ねじれ角Φの傾きを有する平面となる。

本実施形態では、図８に示すように、第１走査平面Ｐ１と第２走査平面Ｐ２とが角度Φ（＝ねじれ角Φ）で交差するように、第２偏向部３０を配置することにより、前述のＺ軸方向に存在する対象物体にレーザ光が当たらずに計測漏れが発生することを確実に防止できる。図８は、距離Ｚ＝ＬでのＸＹ平面におけるレーザ光の走査領域を示す図であり、第１走査平面Ｐ１と第２走査平面Ｐ２が交差する位置は、第１走査平面Ｐ１の中央付近であることが好ましいが、これに限らず、中央以外で交差してもよいし、それぞれ別の位置で交差しても構わない。なお、図８の例では、第２偏向部３０の基準位置にて偏向されたレーザ光が進む領域が、第１走査平面Ｐ１と第２走査平面Ｐ２との交差点に対応するように、第１偏向部２０および第２偏向部３０が配置されている。

図９は、レーザレーダ部１０および第２偏向部３０を、前述のＸ軸方向から見た場合の模式図である。図９からも理解されるように、第２偏向部３０は、その表面（反射面）のうちねじれの軸に沿った領域に対して、第２回転範囲のレーザ光が順次に入射するように配置されている。

図１０は、レーザレーダ部１０、第１偏向部２０および第２偏向部３０を、Ｚ軸方向から見た場合の模式図（正面上方から見た場合の模式図）である。図１０の例では、レーザ光は、時計回りに回転しながら３時（図１０の例では０度の回転角に対応）から９時（図１０の例では１８０度の回転角に対応）の方向に射出される。図１０の例では、４．５時（４５度の回転角に対応）から７．５時（１３５度の回転角に対応）の範囲を第１回転範囲とし、３時から４．５時の範囲を第２回転範囲とするが、これに限られるものではない。前述したように、第１回転範囲のレーザ光は、第１偏向部２０で偏向される。第１偏向部２０で偏向されたレーザ光は、第１走査平面Ｐ１内に広がる。また、第２回転範囲のレーザ光は、第２偏向部３０で偏向される。第２偏向部３０で偏向されたレーザ光は、第１走査平面Ｐ１と交差する第２走査平面Ｐ２内に広がる。

再び図１に戻って説明を続ける。生成部４０は、レーザレーダ部１０（制御部１７）による計測結果を用いて、対象物体の３次元モデルを生成する。より具体的には以下のとおりである。ここでは、説明の便宜上、３次元モデル生成装置１のうち、生成部４０以外の部分（レーザレーダ部１０、第１偏向部２０、および、第２偏向部３０）を、「距離計測装置」と呼ぶ。本実施形態では、図１１に示すように、距離計測装置による計測方向（走査用のレーザ光が進行する方向）の中心に対象物体を配置し、対象物体の外側の全周方向に沿って距離計測装置を移動させながら計測を行う。図１１に示す黒丸は、ある時刻における距離計測装置の位置を表している。そして、生成部４０は、この計測結果を用いて、対象物体の３次元モデルを生成する。この例では、生成部４０は、各時刻での距離計測装置による計測が完了するたびに、その計測結果を示すデータ群を取得する。

いま、時刻ｔ０においてレーザ光が１回転する間に取得したデータ群をＤｔ０と表す。Ｄｔ０は、時刻ｔ０での距離計測装置の位置を原点とした座標系における対象物体の位置座標となる。ここで、距離計測装置の位置や角度が異なるとその座標系が変わってしまうため、次の計測が行われる時刻ｔ１において取得されるデータ群Ｄｔ１は、Ｄｔ０と同じ座標系のデータとして扱えない。

そこで、距離計測装置の時刻ｔ０とｔ１での位置や回転の変動を算出し、Ｄｔ１をＤｔ０の座標系に変換すれば、同じ座標系でデータを扱うことが可能になる。距離計測装置の位置や回転の変動は、装置にジャイロやＧＰＳを取り付けることによって算出できる。また、装置にカメラを取り付けておき、２つの時刻で撮影された画像を比較することによっても算出することができる。さらに、装置の外から、カメラ等のセンサを利用して装置の変動を観測することも可能である。座標系の変換は、一般に知られているような回転、並進移動の補正を行うことによって実現できる。生成部４０は、複数の時刻において取得されたデータ群を、基準となる時刻の座標系に全て変換することにより、対象物体の３次元モデルを生成する。

ここで、本実施形態では、図８に示すように、第１走査平面Ｐ１と第２走査平面Ｐ２との交差点付近では、１回の計測（レーザ光が１回転する間の計測）において、同じ場所の計測が複数回行われる。このとき、複数のデータを利用して計測誤差等の影響を抑制することにより、交差点付近の計測精度を高めることが可能である。

本実施形態では、レーザレーダ部１０の制御部１７は、第１回転範囲のレーザ光のうち、第１走査平面Ｐ１と第２走査平面Ｐ２との交差点に投光されるレーザ光の射出から反射光が検出されるまでの時間に基づいて求めた、交差点に存在する対象物体までの距離を示す第１データと、第２回転範囲のレーザ光のうち、交差点に投光されるレーザ光の射出から反射光が検出されるまでの時間に基づいて求めた、交差点に存在する対象物体までの距離を示す第２データとに基づいて、交差点に存在する対象物体までの距離を計測する。

第１データと第２データに基づいて、最終的なデータ（交差点に存在する対象物体までの距離を示すデータ）を求める方法は任意であり、例えば第１データと第２データの平均値を、最終的なデータとして求める方法でもよいし、重み付け平均値を、最終的なデータとして求める方法でもよい。また、例えば第１データを最終的なデータとして選択する方法でもよいし、第２データを最終的なデータとして選択する方法でもよい。さらに、例えば第１データおよび第２データのうち、取得するタイミング（算出するタイミング）が早い方のデータを、最終的なデータとして選択する方法でもよいし、取得するタイミングが遅い方のデータを、最終的なデータとして選択する方法でもよい。なお、第１データと第２データに基づいて最終的なデータを求める方法は、これに限られるものではない。

以上に説明したように、本実施形態では、第１回転範囲のレーザ光を第１走査平面Ｐ１内に偏向させる第１偏向部２０と、第２回転範囲のレーザ光を、第１走査平面Ｐ１と交差する第２走査平面Ｐ２内に偏向させる第２偏向部３０と、を備えるので、第１走査平面Ｐ１と第２走査平面Ｐ２との交差点付近に存在する対象物体は、いかなる厚みであっても、何れかの走査平面内に広がるレーザ光によって確実に検出（計測）される（図１２参照）。したがって、本実施形態によれば、対象物体の計測漏れを確実に防止できるので、正確な３次元モデルを得ることが可能になる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら新規な実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば上述の実施形態では、１つのみの第２偏向部３０が設けられる場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、例えば複数の第２偏向部３０が設けられる形態であってもよい。例えば２つの第２偏向部３０を、第１偏向部２０を挟んで互いに対称となる位置に配置することで、図１３に示すように、それぞれが、角度Φで第１走査平面Ｐ１と交差し、傾きの絶対値が同じであって正負が異なる２つの第２走査平面Ｐ２が形成される形態であってもよい。

また、例えば図１４に示すように、それぞれの第１走査平面Ｐ１との交差角が相違するように、ねじれ角が相違する複数の第２偏向部３０が配置される形態であってもよいし、図１３の例と、図１４の例とを組み合わせた形態であってもよい。以上のように、第１走査平面Ｐ１と交差する第２走査平面Ｐ２の数を増やすことにより、対象物体の計測漏れをより確実に防止できる。

なお、本発明は、対象物体までの距離を計測する距離計測装置（以上の例では、３次元モデル生成装置１のうち生成部４０以外の部分に相当）に対して適用することもできる。本発明に係る距離計測装置は、射出部と、第１偏向部と、第２偏向部と、検出部と、計測部と、を備える形態であればよい。射出部は、所定の軸を中心に射出方向が回転するレーザ光を射出する機能を有する。第１偏向部は、射出方向の回転範囲が第１回転範囲のレーザ光を、第１走査平面内に偏向させる機能を有する。第２偏向部は、射出方向の回転範囲が第２回転範囲のレーザ光を、第１走査平面と交差する第２走査平面内に偏向させる機能を有する。検出部は、第１偏向部により偏向されたレーザ光が対象物体にて反射した反射光、または、第２偏向部により偏向されたレーザ光が対象物体にて反射した反射光を検出する機能を有する。計測部は、レーザ光の射出から反射光が検出されるまでの時間に基づいて、対象物体までの距離を計測する機能を有する。

１ ３次元モデル生成装置
１０ レーザレーダ部
１６ 検出部
１７ 制御部
２０ 第１偏向部
３０ 第２偏向部
４０ 生成部

Claims (7)

1. 所定の軸を中心に射出方向が回転するようにレーザ光を射出する射出部と、
   射出方向の回転範囲が第１回転範囲のレーザ光を、第１走査平面内に偏向させる第１偏向部と、
   射出方向の回転範囲が第２回転範囲のレーザ光を、前記第１走査平面と交差する第２走査平面内に偏向させる第２偏向部と、
   前記第１偏向部により偏向されたレーザ光が対象物体にて反射した反射光、または、前記第２偏向部により偏向されたレーザ光が前記対象物体にて反射した反射光を検出する検出部と、
   レーザ光の射出から反射光が検出されるまでの時間に基づいて、前記対象物体までの距離を計測する計測部と、
   前記計測部による計測結果を用いて、前記対象物体の３次元モデルを生成する生成部と、を備える、
   ３次元モデル生成装置。
2. 前記第２偏向部の形状は、平板状の反射材がねじられた形状である、
   請求項１に記載の３次元モデル生成装置。
3. 前記第２偏向部は、前記第２偏向部の表面のうちねじれの軸に沿った領域に対して、前記第２回転範囲のレーザ光が順次に入射するように配置される、
   請求項２に記載の３次元モデル生成装置。
4. 前記第２偏向部のねじれ角は、前記第１走査平面と前記第２走査平面との交差する角度に等しい、
   請求項２に記載の３次元モデル生成装置。
5. 前記第２偏向部の表面のうち、ねじりによって法線方向が変化しない位置に原点を設定し、水平方向にｘ軸、鉛直方向にｙ軸、奥行き方向にｚ軸を設定し、前記第２偏向部の元となる反射材のｘ軸方向の幅を２Ｗ、前記第２偏向部の元となる反射材のｙ軸方向の幅を２Ｈとすると、前記第２偏向部の表面形状は、以下の式１で表される、
   請求項２に記載の３次元モデル生成装置。
   

   

   ただし、上記式１において、ｔは、０以上１以下の媒介変数である。
6. 前記計測部は、前記第１回転範囲のレーザ光のうち、前記第１走査平面と前記第２走査平面との交差点に投光されるレーザ光の射出から反射光が検出されるまでの時間に基づいて求めた、前記交差点に存在する前記対象物体までの距離を示す第１データと、前記第２回転範囲のレーザ光のうち、前記交差点に投光されるレーザ光の射出から反射光が検出されるまでの時間に基づいて求めた、前記交差点に存在する前記対象物体までの距離を示す第２データとに基づいて、前記交差点に存在する前記対象物体までの距離を計測する、
   請求項１に記載の３次元モデル生成装置。
7. 複数の前記第２偏向部が配置される、
   請求項１に記載の３次元モデル生成装置。

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