JP2018151872A - 描画プログラム、描画方法および描画装置 - Google Patents

Abstract

【課題】描画する点数を削減でき、点群の描画を適切に行えるようにする。【解決手段】３次元の点群を投影面に投影した場合、投影された点が前記投影面に定義された各セルに所定数以下となるように前記各セルのサイズを調整し、前記調整後に、投影された単数の点が含まれるセルについては前記単数の点を選択し、投影された複数の点が含まれるセルについては前記複数の点から１の点を選択し、前記選択により選ばれた点を前記投影面に描画する、処理をコンピュータに実行させる。【選択図】図４

Description

本発明は、描画プログラム、描画方法および描画装置に関する。

粒子法解析等において点群データが用いられる（例えば、特許文献１、非特許文献１等を参照）。点群データとは、３次元上の点が集められたデータである（例えば、非特許文献２等を参照）。点群データを活用した事例は多くあり、様々な分野に用いられている。大規模な点群は、点の数が１億超となる場合がある。

点群データを扱う上で点群の描画が行われる場合がある。点群の描画とは、点を画面（投影面）に表示（３次元上の点を２次元上に投影）することである。図１は点群の描画の例を示しており、点群ＰＧに含まれる点と視点ＶＰを結ぶ直線と画面ＳＣとの交点に点が描画される。

大規模な点群をそのまま描画するには処理コストが高過ぎるため、前処理として点を削減する処理が行われる。

図２は従来における点を削減する手法の例を示す図である。図２（ａ）は、点群ＰＧの存在する３次元空間の適当な位置に平面ＰＬを配置し、例えば、平面ＰＬよりも視点ＶＰから遠い点を削減する手法を示している。この手法では、点の疎密に関わらず点が削減されることになるため、可視化に際して粗密の可視化が必要条件となる粒子法の点群描画に対しては、必要十分な削減が行われず、適していない。

また、図２（ｂ）は、点と点の間の距離に着目して所定距離内にある点をクラスタＣＬに入れていき（クラスタリング）、クラスタＣＬの中から中心に位置する点の選択やランダムな選択により代表点を選択し、代表点以外を削減する手法を示している。この手法では、クラスタリングに大きな計算コストが発生するため、点群の描画のための処理コストを低減するための前処理としては相応しくない。

特開２０１４−１０２５８５号公報

「粒子法」、https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%B2%92%E5%AD%90%E6%B3%95、最終更新２０１６年６月２日 「点群（データ形式）」、https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%82%B9%E7%BE%A4_(%E3%83%87%E3%83%BC%E3%82%BF%E5%BD%A2%E5%BC%8F)、最終更新２０１５年１月１７日

上述したように、従来は処理コストが小さく粗密が考慮された点の削減手法が存在せず、点群の描画が適切に行えなかった。

そこで、一側面では、描画する点数を削減でき、点群の描画を適切に行えるようにすることを目的とする。

一つの形態では、３次元の点群を投影面に投影した場合、投影された点が前記投影面に定義された各セルに所定数以下となるように前記各セルのサイズを調整し、前記調整後に、投影された単数の点が含まれるセルについては前記単数の点を選択し、投影された複数の点が含まれるセルについては前記複数の点から１の点を選択し、前記選択により選ばれた点を前記投影面に描画する、処理をコンピュータに実行させる。

描画する点数を削減でき、点群の描画を適切に行うことができる。

点群の描画の例を示す図である。 従来における点を削減する手法の例を示す図である。 一実施形態にかかるシステムの構成例を示す図である。 点削減処理部の機能構成例を示す図である。 各種データ等の構造例を示す図である。 情報処理装置およびサーバ装置のハードウェア構成例を示す図である。 実施形態の処理例を示すフローチャートである。 点削減処理の例を示すフローチャート（その１）である。 階層の例を示す図である。 格子の汎化の例を示す図である。 初期格子の例を示す図である。 点群データの各点の画面上の格子への投影の例を示す図である。 セルの結合が行われた例を示す図である。 点削減処理の例を示すフローチャート（その２）である。

以下では本発明の好適な実施形態が図面に沿って説明される。

＜構成＞
図３は一実施形態にかかるシステムの構成例を示す図である。図３（ａ）は主要な処理がＰＣ（Personal Computer）等の情報処理装置１で行われる場合を示しており、情報処理装置１には点削減処理部１１と描画処理部１２とが設けられている。描画の対象となる点群データは、情報処理装置１の内部に保持されているか、記憶媒体２から読み込まれるか、ネットワーク３を介してデータライブラリ４から読み込まれる。

図３（ｂ）は、いわゆるクラウドとして点群削減の処理がサーバ装置５で行われる場合を示しており、情報処理装置１には点削減依頼部１３と描画処理部１２とが設けられ、サーバ装置５には点削減処理部１１が設けられている。描画の対象となる点群データは、情報処理装置１の内部に保持されているか、記憶媒体２から情報処理装置１に読み込まれてサーバ装置５に送信されるか、情報処理装置１の指定でデータライブラリ４からネットワーク３を介してサーバ装置５に読み込まれる。点群データは、データライブラリ４からネットワーク３を介して情報処理装置１に読み込まれた後に、情報処理装置１からサーバ装置５に送信されるようにしてもよい。

図４は情報処理装置１またはサーバ装置５に設けられる点削減処理部１１の機能構成例を示す図である。図４において、点削減処理部１１は、点群データ入力部１１０１と点群データ１１０２とユーザ設定入力部１１０３と設定データ１１０４とを備えている。また、点削減処理部１１は、初期格子生成部１１０５と管理テーブル１１０６と点配置部１１０７とセル判定部１１０８とセル結合・分割部１１０９と点削減部１１１０と点群データ１１１１と点群データ出力部１１１２とを備えている。

点群データ入力部１１０１は、点群データを入力し、点群データ１１０２として内部的に保持する機能を有している。点群データ１１０２は、図５に例示されるように、「点ＩＤ」「座標（ｘ座標、ｙ座標、ｚ座標）」等の項目を有している。点群データ１１０２は、点のその他の属性を伴ってもよい。

図４に戻り、ユーザ設定入力部１１０３は、ユーザから点削減にかかる設定データを入力し、設定データ１１０４として内部的に保持する機能を有している。設定データ１１０４は、図５に例示されるように、「最大セル数：ｍ」「（画面の縦横比）」「最大階層数：ｋ」「階層の条件の閾値：ｑ」「セルに保持する点の数：ｐ」等の項目を有している。「最大セル数：ｍ」は、仮想的な画面（投影面）上に設定された、点削減に用いられる格子の最大のセル数である。例えば、点群データを表示する画面のピクセル数が設定される。最大セル数は点群の点の数よりも少ないものとする。「（画面の縦横比）」は、任意設定項目であり、画面の縦横比に応じて格子のセルを正方形にして、セルの結合・分割における一様性を高めるために用いられる。詳細については後述する。

「最大階層数：ｋ」は、格子のセルの階層の最大数である。詳細については後述する。「階層の条件の閾値：ｑ」は、格子のセルの階層を上げ下げする閾値である。最下位階層のセル（最も細かいセル）からボトムアップでセルを結合していく場合は、隣接セルとの結合後がｑ点未満で階層を上げる（粗いセルにする）ことを意味する。最上位階層のセル（画面のサイズに相当する最も粗いセル）からトップダウンでセルを分割していく場合は、ｑ点以上で階層を下げる（細かいセルにする）ことを意味する。「セルに保持する点の数：ｐ」は、セルの結合・分割の後に、各セルに最終的に残す点の数であり、ｐはｑよりも小さい数である。例えば、ｐは１とされる。

図４に戻り、初期格子生成部１１０５は、設定データ１１０４に基づき、仮想的な画面上に設定される初期状態の格子を生成し、セルの情報を管理テーブル１１０６に登録する機能を有している。ボトムアップでセルを結合していく場合は、最下位階層のセル（最も細かいセル）が初期の格子となる。トップダウンでセルを分割していく場合は、最上位階層のセル（画面のサイズに相当する最も粗いセル）が初期の格子となる。管理テーブル１１０６は、図５に例示されるように、「セル位置・範囲」「セル内の点の数」等の項目を有している。「セル内の点の数」は当初はブランクであり、後続の処理において記録される。

図４に戻り、点配置部１１０７は、点群データ１１０２に含まれる各点を、仮想的な視点を考慮して仮想的な画面に投影することで、画面上に仮想的に定義された格子のいずれのセルに含まれるかを決定し、管理テーブル１１０６にセル内の点の数を記録する機能を有している。セル判定部１１０８は、管理テーブル１１０６を参照し、ボトムアップの場合は仮想的な格子の各セルと隣接するセルについて、トップダウンの場合は各セルについて、階層の条件を判定する機能を有している。セル結合・分割部１１０９は、セル判定部１１０８の判定結果に基づいてセルのサイズを結合・分割により調整を行い、管理テーブル１１０６を更新する機能を有している。セル判定部１１０８とセル結合・分割部１１０９の処理は、最終的な階層に行き着くまで繰り返される。

点削減部１１１０は、セル判定部１１０８とセル結合・分割部１１０９の処理の終了後に、設定データ１１０４の「セルに保持する点の数：ｐ」に基づいて点の削減を行い、点群データ１１１１を生成する機能を有している。点削減部１１１０は、いずれのセルにも含まれない点（画面から外れる点）についても削減する。点群データ出力部１１１２は、削減後の点群データ１１１１を要求元に出力する機能を有している。

図６は情報処理装置１およびサーバ装置５のハードウェア構成例を示す図である。図６において、情報処理装置１等は、システムバス１０１に接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）１０２、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０３、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０４、ＮＶＲＡＭ（Non-Volatile Random Access Memory）１０５を備えている。また、情報処理装置１等は、Ｉ／Ｆ（Interface）１０６と、Ｉ／Ｆ１０６に接続された、Ｉ／Ｏ（Input/Output Device）１０７、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）／ＳＳＤ（Solid State Drive）１０８、ＮＩＣ（Network Interface Card）１０９とを備えている。また、情報処理装置１等は、Ｉ／Ｏ１０７に接続されたモニタ１１０、キーボード１１１、マウス１１２等を備えている。Ｉ／Ｏ１０７にはＣＤ／ＤＶＤ（Compact Disk/Digital Versatile Disk）ドライブ等を接続することもできる。

情報処理装置１等の機能（図３、図４）は、ＣＰＵ１０２において所定のプログラムが実行されることで実現される。プログラムは、記録媒体を経由して取得されるものでもよいし、ネットワークを経由して取得されるものでもよいし、ＲＯＭ組込でもよい。

＜動作＞
図７は上記の実施形態の処理例を示すフローチャートである。図７において、点削減処理部１１が、ユーザから直接に開始の指示を受けるか、ユーザから開始の指示を受けた点削減依頼部１３（図３（ｂ））から開始の指示を受けて処理が開始される。

先ず、点削減処理部１１の点群データ入力部１１０１は、点群データを入力し、点群データ１１０２として内部的に保持する（ステップＳ１）。

次いで、ユーザ設定入力部１１０３は、ユーザから点削減にかかる設定データを入力し、設定データ１１０４として内部的に保持する（ステップＳ２）。

次いで、点削減処理部１１の初期格子生成部１１０５〜セル結合・分割部１１０９は点削減処理を行って削減後の点群データ１１１１を生成し、点群データ出力部１１１２は削減後の点群データ１１１１を要求元に出力する（ステップＳ３）。処理の詳細については後述する。点削減処理に要する時間は、最下位階層のセル（最も細かいセル）からボトムアップでセルを結合していく場合は、点の数ｎに対しＯ（ｎ＋ｍ）のオーダとなる。最上位階層のセル（画面のサイズに相当する最も粗いセル）からトップダウンでセルを分割していく場合は、Ｏ（ｋｎ＋ｍ）のオーダとなる。ｍは最大セル数（図５）である。ｎ点を扱う処理としては非常に高速となる。

次いで、描画処理部１２は、削減後の点群データに基づいて描画を行う（ステップＳ４）。

図８は点削減処理（図７のステップＳ３）の例を示すフローチャートであり、最下位階層のセル（最も細かいセル）からボトムアップでセルを結合していく場合の処理例である。

図８において、処理が開始されると、初期格子生成部１１０５は、設定データ１１０４に基づいて初期格子（最下位階層まで分割した格子）を生成し、セルの情報を管理テーブル１１０６に登録する（ステップＳ３１１）。

図９は格子の階層の例を示しており、最下位の階層数１から最上位の階層数５までの例である。最上位の階層は画面のサイズに対応し、それを４分割していくことで最下位の階層に到達する。なお、画面が正方形でない場合、それを単純に４分割していくと正方形でないセルが続いてしまい、セル内の点の配置の一様性に悪影響が出る。そのため、画面の縦横比に応じてセルが正方形になるように分割した状態を最上位または最上位の次の階層とすることが望ましい。図１０は、縦横比が例えば３：４の画面を縦横比に応じて分割することで正方形のセルとしている。

図８の初期格子生成の処理において生成される初期格子は最下位階層まで分割された格子であり、例えば、図１１に示されるようなものとなる。

図８に戻り、点配置部１１０７は、点群データ１１０２に含まれる各点を、仮想的な視点を考慮して仮想的な画面に投影することで、画面上の格子のいずれのセルに含まれるかを決定し、管理テーブル１１０６にセル内の点の数を記録する（ステップＳ３１２）。図１２は、視点ＶＰと画面ＳＣと点群ＰＧ内の各点との関係を示しており、点群ＰＧに含まれる点と視点ＶＰを結ぶ直線と画面ＳＣとの交点が画面ＳＣ上の位置となる。

図８に戻り、セル判定部１１０８は、管理テーブル１１０６を参照し、仮想的な格子の各セルと隣接するセルについて階層の条件「隣接セルと結合後がｑ点未満で階層を上げる」を判定する（ステップＳ３１３）。

次いで、セル結合・分割部１１０９は、セル判定部１１０８の判定結果に基づいてセルの結合を行い（ステップＳ３１４）、管理テーブル１１０６を更新する（ステップＳ３１５）。

そして、点削減処理部１１は、最上位の階層まで完了していない場合（ステップＳ３１６のＮＯ）、階層の条件の判定（ステップＳ３１３）から処理を繰り返す。点削減処理部１１は、最上位の階層まで完了した場合（ステップＳ３１６のＹＥＳ）、セルの結合処理を抜ける。図１３はセルの結合が完了した状態の例を示しており、点の粗密に応じたセルに結合が行われている。

図８に戻り、点削減部１１１０は、設定データ１１０４の「セルに保持する点の数：ｐ」に基づいて点の削減を行い、点群データ１１１１を生成する（ステップＳ３１７）。この際、ｐ個よりも多い点が同じセルに存在する場合、点削減部１１１０は、例えば、各点の視点からの深度に基づき、視点から遠い点から削減する。これは、点自体は大きさを含まないが、表示に際して近い点ほど大きく表示されるような場合、遠い点は隠れて表示されにくくなり、残す意味がないからである。なお、深度に基づく点の削減は、点同士が重なる場合に適用されるようにしてもよい。点削減部１１１０は、いずれのセルにも含まれない点（画面から外れる点）についても削減する。

図１４は点削減処理（図７のステップＳ３）の他の例を示すフローチャートであり、最上位階層のセル（画面のサイズに相当する最も粗いセル）からトップダウンでセルを分割していく場合の処理例である。

図１４において、処理が開始されると、初期格子生成部１１０５は、設定データ１１０４に基づいて初期格子（最上位階層の格子）を生成し、セルの情報を管理テーブル１１０６に登録する（ステップＳ３２１）。

次いで、点配置部１１０７は、点群データ１１０２に含まれる各点を、仮想的な視点を考慮して仮想的な画面に投影することで、画面上の格子のいずれのセルに含まれるかを決定し、管理テーブル１１０６にセル内の点の数を記録する（ステップＳ３２２）。

次いで、セル判定部１１０８は、管理テーブル１１０６を参照し、仮想的な格子の各セルについて階層の条件「ｑ点以上で階層を下げる」を判定する（ステップＳ３２３）。

次いで、セル結合・分割部１１０９は、セル判定部１１０８の判定結果に基づいてセルの分割を行い（ステップＳ３２４）、管理テーブル１１０６を更新する（ステップＳ３２５）。

そして、点削減処理部１１は、最下位の階層まで完了していない場合（ステップＳ３２６のＮＯ）、点群データの投影（ステップＳ３２２）から処理を繰り返す。この際、分割されていないセルに配置されていた点についての新たな投影は不要である。

次いで、点削減処理部１１は、最下位の階層まで完了した場合（ステップＳ３２６のＹＥＳ）、セルの分割処理を抜ける。セルの分割が完了した状態は、図１３と同様になる。

図１４に戻り、点削減部１１１０は、設定データ１１０４の「セルに保持する点の数：ｐ」に基づいて点の削減を行い、点群データ１１１１を生成する（ステップＳ３２７）。削減の手法は、図８において説明されたものと同様である。

＜総括＞
以上の説明のように、本実施形態によれば、描画する点数を削減でき、点群の描画を適切に行うことができる。

すなわち、本手法によれば、密に重なった点のみが削減され、疎な点は残され、更に奥に隠れた点のみが削減されるため、点群の確認に適している。

また、本手法による削減後の点の数は、［最大セル数ｍ］×［セルに保持する点の数ｐ］以下となり、ユーザにより格子の階層数とともに任意に設定が可能であるため、削減後の最大点数を調整することができる。最大セル数を画面の画素数に想定すると、標準的なディスプレイでは２百万画素（１９２０×１０８０）となり、本手法による削減後の点は最大でも２百万×ｐ点となる。これは元の点群が１００億点あっても変わらないため、非常に安定した性能を実現することができる。

以上、好適な実施の形態により説明した。ここでは特定の具体例を示して説明したが、特許請求の範囲に定義された広範な趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更を加えることができることは明らかである。すなわち、具体例の詳細および添付の図面により限定されるものと解釈してはならない。

以上の説明に関し、更に以下の項を開示する。
（付記１）
３次元の点群を投影面に投影した場合、投影された点が前記投影面に定義された各セルに所定数以下となるように前記各セルのサイズを調整し、
前記調整後に、投影された単数の点が含まれるセルについては前記単数の点を選択し、投影された複数の点が含まれるセルについては前記複数の点から１の点を選択し、
前記選択により選ばれた点を前記投影面に描画する、
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする描画プログラム。
（付記２）
前記各セルのサイズの調整は、セルを結合または分割することにより行われる、
ことを特徴とする付記１に記載の描画プログラム。
（付記３）
前記調整後の各セルは、サイズの異なる階層的格子で囲われる各セルである、
ことを特徴とする付記１に記載の描画プログラム。
（付記４）
前記複数の点から前記１の点の選択は、前記複数の点について前記３次元の点群に含まれる対応する点のうち前記投影面に近い点からの選択である、
ことを特徴とする付記１に記載の描画プログラム。
（付記５）
前記複数の点が含まれるセルから他の点を選択し描画する、
ことを特徴とする付記１に記載の描画プログラム。
（付記６）
３次元の点群を投影面に投影した場合、投影された点が前記投影面に定義された各セルに所定数以下となるように前記各セルのサイズを調整し、
前記調整後に、投影された単数の点が含まれるセルについては前記単数の点を選択し、投影された複数の点が含まれるセルについては前記複数の点から１の点を選択し、
前記選択により選ばれた点を前記投影面に描画する、
処理をコンピュータが実行することを特徴とする描画方法。
（付記７）
前記各セルのサイズの調整は、セルを結合または分割することにより行われる、
ことを特徴とする付記６に記載の描画方法。
（付記８）
前記調整後の各セルは、サイズの異なる階層的格子で囲われる各セルである、
ことを特徴とする付記６に記載の描画方法。
（付記９）
前記複数の点から前記１の点の選択は、前記複数の点について前記３次元の点群に含まれる対応する点のうち前記投影面に近い点からの選択である、
ことを特徴とする付記６に記載の描画方法。
（付記１０）
前記複数の点が含まれるセルから他の点を選択し描画する、
ことを特徴とする付記６に記載の描画方法。
（付記１１）
３次元の点群を投影面に投影した場合、投影された点が前記投影面に定義された各セルに所定数以下となるように前記各セルのサイズを調整し、
前記調整後に、投影され単数の点が含まれるセルについては前記単数の点を選択し、投影された複数の点が含まれるセルについては前記複数の点から１の点を選択し、
前記選択により選ばれた点を前記投影面に描画する、
処理を実行する機能を備えることを特徴とする描画装置。
（付記１２）
前記各セルのサイズの調整は、セルを結合または分割することにより行われる、
ことを特徴とする付記１１に記載の描画装置。
（付記１３）
前記調整後の各セルは、サイズの異なる階層的格子で囲われる各セルである、
ことを特徴とする付記１１に記載の描画装置。
（付記１４）
前記複数の点から前記１の点の選択は、前記複数の点について前記３次元の点群に含まれる対応する点のうち前記投影面に近い点からの選択である、
ことを特徴とする付記１１に記載の描画装置。
（付記１５）
前記複数の点が含まれるセルから他の点を選択し描画する、
ことを特徴とする付記１１に記載の描画装置。

１ 情報処理装置
１１ 点削減処理部
１１０１ 点群データ入力部
１１０２ 点群データ
１１０３ ユーザ設定入力部
１１０４ 設定データ
１１０５ 初期格子生成部
１１０６ 管理テーブル
１１０７ 点配置部
１１０８ セル判定部
１１０９ セル結合・分割部
１１１０ 点削減部
１１１１ 点群データ
１１１２ 点群データ出力部
１２ 描画処理部
１３ 点削減依頼部
２ 記憶媒体
３ ネットワーク
４ データライブラリ
５ サーバ装置

Claims (7)

1. ３次元の点群を投影面に投影した場合、投影された点が前記投影面に定義された各セルに所定数以下となるように前記各セルのサイズを調整し、
   前記調整後に、投影された単数の点が含まれるセルについては前記単数の点を選択し、投影された複数の点が含まれるセルについては前記複数の点から１の点を選択し、
   前記選択により選ばれた点を前記投影面に描画する、
   処理をコンピュータに実行させることを特徴とする描画プログラム。
2. 前記各セルのサイズの調整は、セルを結合または分割することにより行われる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の描画プログラム。
3. 前記調整後の各セルは、サイズの異なる階層的格子で囲われる各セルである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の描画プログラム。
4. 前記複数の点から前記１の点の選択は、前記複数の点について前記３次元の点群に含まれる対応する点のうち前記投影面に近い点からの選択である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の描画プログラム。
5. 前記複数の点が含まれるセルから他の点を選択し描画する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の描画プログラム。
6. ３次元の点群を投影面に投影した場合、投影された点が前記投影面に定義された各セルに所定数以下となるように前記各セルのサイズを調整し、
   前記調整後に、投影された単数の点が含まれるセルについては前記単数の点を選択し、投影された複数の点が含まれるセルについては前記複数の点から１の点を選択し、
   前記選択により選ばれた点を前記投影面に描画する、
   処理をコンピュータが実行することを特徴とする描画方法。
7. ３次元の点群を投影面に投影した場合、投影された点が前記投影面に定義された各セルに所定数以下となるように前記各セルのサイズを調整し、
   前記調整後に、投影され単数の点が含まれるセルについては前記単数の点を選択し、投影された複数の点が含まれるセルについては前記複数の点から１の点を選択し、
   前記選択により選ばれた点を前記投影面に描画する、
   処理を実行する機能を備えることを特徴とする描画装置。
   

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