JP2023007153A - 任意座標系点群による、自動採寸プログラム、自動採寸装置および自動採寸方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 任意の座標系で計測された３次元点群を用いて、構造物の寸法を簡単かつ高精度に計測することができる自動採寸プログラム、自動採寸装置および自動採寸方法を提供する。【解決手段】 形状モデルを登録する形状モデル登録部５１と、採寸対象面近傍の３次元点群を取得する３次元点群取得部５３と、３次元点群から採寸対象面近傍の２次元点群を生成する２次元点群生成部５５と、形状モデルの概略位置を特定する概略位置特定部５６と、形状モデルの詳細位置を特定する詳細位置特定部５７と、採寸対象面の周囲線を算出する周囲線算出部５８と、採寸対象面に関する採寸値を算出する採寸値算出部５９としてコンピュータを機能させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、構造物を自動的に採寸する技術に関し、特に工事の施工途中ないし施工完了した橋梁等の出来形を計測するのに好適な自動採寸プログラム、自動採寸装置および自動採寸方法に関するものである。

従来、構造物の出来形等を計測する技術として、例えば特開２０２０－２４０９４号公報には、計測対象面を含む構造物の表面を走査して表面の点群を取得し、点群から計測対象面の輪郭線を抽出し、輪郭線に近似したパターンプレートを輪郭線にフィッティングし、フィッティングされたパターンプレートに基づき構造物の寸法を計測する出来形計測方法が開示されている（特許文献１）。

特開２０２０－２４０９４号公報

出来形の計測に際しては、計測しようとする計測対象面がどこにあるかを正確に特定する必要がある。このため、特許文献１に記載された発明を含め、従来の計測技術においては、構造物上に複数の基準点を設け、各基準点の公共座標系における座標値を測量するとともに、３次元スキャナー等によって公共座標系における点群データを計測し、当該点群データにおいて各基準点の位置を指定することにより、計測対象面の位置を特定するようになっている。

しかしながら、実際の施工現場では、色々な工具や装置が置かれていたり、構造物自体が振動していたり、施工が進むにつれて構造物が変形する等、その環境や条件は様々である。このため、上述した座標値の測量や点群データの計測を迅速に、かつ高精度に行うことが困難であり、計測対象面を正確に特定することができないため、結果として出来形の計測精度が低下し、実用的ではないという問題がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、任意の座標系で計測された３次元点群を用いて、構造物の寸法を簡単かつ高精度に計測することができる自動採寸プログラム、自動採寸装置および自動採寸方法を提供することを目的としている。

本発明に係る自動採寸プログラムは、任意の座標系で計測された３次元点群を用いて、構造物の寸法を簡単かつ高精度に計測するという課題を解決するために、構造物における採寸対象面の形状を示す形状モデルを登録する形状モデル登録部と、前記採寸対象面近傍の３次元点群を取得する３次元点群取得部と、前記３次元点群から前記採寸対象面近傍の２次元点群を生成する２次元点群生成部と、前記２次元点群と前記形状モデルとをマッチングすることにより、前記２次元点群における前記形状モデルの概略位置を特定する概略位置特定部と、前記概略位置に基づいて、前記２次元点群における前記形状モデルの詳細位置を特定する詳細位置特定部と、前記詳細位置における前記形状モデルの周囲線に基づいて、前記採寸対象面の周囲線を算出する周囲線算出部と、前記採寸対象面の周囲線に基づいて、前記採寸対象面に関する採寸値を算出する採寸値算出部としてコンピュータを機能させる。

また、本発明の一態様として、３次元点群中に存在する採寸対象面のおよその位置を迅速かつ簡単に特定するという課題を解決するために、前記２次元点群生成部は、前記採寸対象面のおよその両端部を結ぶ線分を含む垂直面を中心とし所定の間隔を隔てて平行に設定された２平面間に存在する３次元点群を抽出し、抽出した３次元点群から３次元平面を近似し、抽出した３次元点群を前記３次元平面の法線に直交する２次元平面に投影することによって前記２次元点群を生成してもよい。

さらに、本発明の一態様として、採寸対象面以外の点群がノイズとして含まれる２次元点群において、採寸対象面とは座標系が異なる形状モデルの概略的な位置を特定するという課題を解決するために、前記概略位置特定部は、前記形状モデルの外周線を包含するマッチング用メッシュによって前記２次元点群を走査し、前記マッチング用メッシュ内に前記２次元点群が存在するメッシュ数と、前記マッチング用メッシュ内に前記形状モデルの断面が存在するメッシュ数との差が最小となる位置を前記概略位置として特定してもよい。

また、本発明の一態様として、大まかに特定した形状モデルの概略位置に誤差がある場合でも、その位置を調整し形状モデルの位置を高精度に求めるという課題を解決するために、前記詳細位置特定部は、前記概略位置における前記形状モデルの各頂点ごとに、前記２次元点群のうち最も近い点を対応させ、対応付けられた点同士の目的関数が最小となる座標変換行列を推定し、推定した座標変換行列によって前記各頂点を移動させ、前記移動後の各頂点ごとに、前記２次元点群のうち最も近い点を対応させ、対応付けられた点同士の目的関数が最小となる座標変換行列を推定し、推定した座標変換行列によって前記各頂点を移動させる処理を繰り返し、最新の目的関数と前回の目的関数との差が、所定の収束判定閾値より小さくなったときの位置を前記詳細位置として特定してもよい。

さらに、本発明の一態様として、実際の構造物における採寸対象面の周囲線を求めるという課題を解決するために、前記周囲線算出部は、前記詳細位置における前記形状モデルを構成する周囲線分のそれぞれにつき、各周囲線分の一方側へ第１の間隔を隔てた位置に平行に設定される線分を中心線とし、第２の間隔を隔てて平行に設定された２直線間に存在する２次元点群を抽出し、抽出した２次元点群からＲＡＮＳＡＣ（Random sample consensus）アルゴリズムによって線分を近似し、近似された各線分の交点を連結することにより前記採寸対象面の周囲線を算出してもよい。

また、本発明の一態様として、高い近似精度と高いロバスト性を担保するという課題を解決するために、前記周囲線算出部は、前記中心線を前記周囲線分に漸次近づけながら、抽出された２次元点群の数をカウントし、当該数が各周囲線分の長さの半分を前記２次元点群の平均点間距離で除した値以上となった位置で線分を近似してもよい。

さらに、本発明の一態様として、採寸対象面の周囲線に相当する２次元点群を確実に抽出し、当該周囲線を高精度に算出するという課題を解決するために、前記第１の間隔は、前記２次元点群の平均点間距離の５～１０倍に設定されており、前記第２の間隔は、前記２次元点群の平均点間距離の２～５倍に設定されていてもよい。

また、本発明の一態様として、採寸対象面の周囲線が、周囲線分の周方向に対する一方側に存在する可能性を高くし算出し易くするという課題を解決するために、前記形状モデルの外周を構成する各外周点と、前記形状モデルの内周を構成する各内周点とは、逆の周方向に沿って順次登録されていてもよい。

さらに、本発明の一態様として、構造物に関して採寸可能な項目および箇所を増大するという課題を解決するために、前記採寸値は、少なくとも２つの採寸点によって特定される距離、角度または勾配であり、前記採寸点として、前記形状モデルの周囲を構成する各周囲点と、これら各周囲点に基づいて定義される定義点とが用いられてもよい。

本発明に係る自動採寸装置は、任意の座標系で計測された３次元点群を用いて、構造物の寸法を簡単かつ高精度に計測するという課題を解決するために、構造物における採寸対象面の形状を示す形状モデルを登録する形状モデル登録部と、前記採寸対象面近傍の３次元点群を取得する３次元点群取得部と、前記３次元点群から前記採寸対象面近傍の２次元点群を生成する２次元点群生成部と、前記２次元点群と前記形状モデルとをマッチングすることにより、前記２次元点群における前記形状モデルの概略位置を特定する概略位置特定部と、前記概略位置に基づいて、前記２次元点群における前記形状モデルの詳細位置を特定する詳細位置特定部と、前記詳細位置における前記形状モデルの周囲線に基づいて、前記採寸対象面の周囲線を算出する周囲線算出部と、前記採寸対象面の周囲線に基づいて、前記採寸対象面に関する採寸値を算出する採寸値算出部と、を有する。

本発明に係る自動採寸方法は、任意の座標系で計測された３次元点群を用いて、構造物の寸法を簡単かつ高精度に計測するという課題を解決するために、構造物における採寸対象面の形状を示す形状モデルを登録する形状モデル登録ステップと、前記採寸対象面近傍の３次元点群を取得する３次元点群取得ステップと、前記３次元点群から前記採寸対象面近傍の２次元点群を生成する２次元点群生成ステップと、前記２次元点群と前記形状モデルとをマッチングすることにより、前記２次元点群における前記形状モデルの概略位置を特定する概略位置特定ステップと、前記概略位置に基づいて、前記２次元点群における前記形状モデルの詳細位置を特定する詳細位置特定ステップと、前記詳細位置における前記形状モデルの周囲線に基づいて、前記採寸対象面の周囲線を算出する周囲線算出ステップと、前記採寸対象面の周囲線に基づいて、前記採寸対象面に関する採寸値を算出する採寸値算出ステップと、を有する。

本発明によれば、任意の座標系で計測された３次元点群を用いて、構造物の寸法を簡単かつ高精度に計測することができる。

本発明に係る自動採寸プログラムおよび自動採寸装置の一実施形態を示すブロック図である。 本実施形態における採寸対象面の形状を示す図である。 本実施形態における形状モデルを示すデータである。 本実施形態の採寸情報として記憶されている（ａ）定義点の情報、および（ｂ）採寸箇所の情報である。 本実施形態における帳票データの一例を示す図である。 本実施形態における構造物の採寸対象面と、計測された３次元点群とを示す（ａ）斜視図および（ｂ）平面図である。 本実施形態において、採寸対象面の近傍に設定される２平面を示す（ａ）平面図、（ｂ）斜視図および（ｃ）側面図である。 本実施形態において、３次元点群から近似された３次元平面と、その法線方向を示す図である。 本実施形態において、３次元平面の法線に直交する２次元平面と、当該２次元平面に投影された２次元点群を示す図である。 本実施形態における、形状モデルの断面とマッチング用メッシュとを示す図である。 本実施形態において、マッチング用メッシュで走査範囲を走査する様子を示す図である。 本実施形態における形状モデルの概略位置を示す図である。 図１２における左上端部近傍の拡大図である。 本実施形態における、（ａ）形状モデルの外周点および（ｂ）形状モデルの内周点と、２次元点群のうち最も近い点との対応付けを示す図である。 本実施形態における形状モデルの詳細位置を示す図である。 本実施形態における周囲線算出部による処理を示す図である。 本実施形態において算出された採寸対象面の周囲線を示す図である。 本実施形態の自動採寸プログラムおよび自動採寸装置によって実行される自動採寸方法を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る自動採寸プログラム、自動採寸装置および自動採寸方法の実施形態について図面を用いて説明する。

本実施形態の自動採寸装置１は、構造物の寸法を計測するためのものであり、パーソナルコンピュータ、タブレット、スマートフォン等のコンピュータによって構成されている。また、本実施形態において、自動採寸装置１は、図１に示すように、主として、表示手段２と、入力手段３と、記憶手段４と、演算処理手段５とを有している。以下、各構成について説明する。

なお、本実施形態では、張り出し架設工法によって施工される橋桁を構造物とし、当該橋桁の端面を採寸対象面として出来形を計測する例について説明するが、これに限定されるものではなく、採寸対象面となる平面を有する構造物であれば、建築物、防波堤、ボックルカルバート等、様々な構造物の採寸に適用可能である。

表示手段２は、液晶ディスプレイ等で構成されており、ユーザに各種の情報を視認させるものである。本実施形態において、表示手段２は、後述するとおり、構造物における採寸対象面の形状を示す形状モデルや３次元点群等を表示する。

入力手段３は、マウスやキーボード等で構成されており、ユーザによる各種の選択や指示を入力するものである。本実施形態において、入力手段３は、形状モデルを特定する情報や採寸情報を入力したり、後述するとおり、採寸対象面のおよその両端部を結ぶ線分を指定する際に用いられる。なお、本実施形態では、表示手段２および入力手段３をそれぞれ別個に有しているが、この構成に限定されるものではなく、タッチパネルのように表示機能および入力機能を兼ね備えた表示入力手段を備えていてもよい。

記憶手段４は、各種のデータを記憶するとともに、演算処理手段５が演算処理を行う際のワーキングエリアとして機能するものである。本実施形態において、記憶手段４は、ハードディスク、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ等で構成されており、図１に示すように、プログラム記憶部４１と、形状モデル記憶部４２と、採寸情報記憶部４３と、３次元点群記憶部４４と、周囲線記憶部４５と、帳票データ記憶部４６とを有している。

プログラム記憶部４１には、本実施形態の自動採寸プログラム１ａがインストールされている。そして、演算処理手段５が自動採寸プログラム１ａを実行することにより、自動採寸装置１としてのコンピュータを後述する各構成部として機能させるようになっている。

なお、自動採寸プログラム１ａの利用形態は、上記構成に限られるものではない。例えば、ＣＤ－ＲＯＭやＤＶＤ－ＲＯＭ等のように、コンピュータで読み取り可能な非一時的な記録媒体に自動採寸プログラム１ａを記憶させておき、当該記録媒体から直接読み出して実行してもよい。また、外部サーバ等からクラウドコンピューティング方式やＡＳＰ（Application Service Provider）方式で自動採寸プログラム１ａを利用してもよい。

形状モデル記憶部４２は、構造物における採寸対象面の形状を示す形状モデルを記憶するものである。具体的には、採寸対象面が図２に示すような中空形状である場合、形状モデルは、図３に示すように、外周を構成する各外周点の座標と、内周を構成する各内周点の座標とから構成されている。なお、採寸対象面に中空部分がない場合、各外周点の座標のみが形状モデルとして記憶される。

本実施形態において、各外周点は、左上の点（点番号１）を原点とするＸＹ座標系において、外周に沿って右回りに順次点番号が付され、ＸＹ座標が登録される。一方、各内周点は、左上の点（点番号９）から内周に沿って左回りに順次点番号が付され、ＸＹ座標が登録される。これにより、後述するとおり、各外周点を連結してなる周囲線分および各内周点を連結してなる周囲線分は、それぞれの周方向に対する右側に、採寸対象面の周囲線が存在する可能性が高くなる。

なお、外周点および内周点の出発点や登録方向は、上記に限定されるものではなく、任意の点から互いに逆の周方向に沿って順次登録してもよい。また、登録する各座標の座標系は、上記に限定されるものではなく、任意の座標系でよい。さらに、座標の単位は、実測点群座標系における座標値の単位と同一とする。

採寸情報記憶部４３は、採寸しようとする箇所を特定するための採寸情報を記憶するものである。本実施形態において、採寸される採寸値は、少なくとも２つの採寸点によって特定される距離、角度または勾配である。また、採寸点としては、形状モデルの周囲を構成する各周囲点（外周点および内周点）と、これら各周囲点に基づいて定義される定義点とが用いられる。そこで、採寸情報としては、図４（ａ）に示すような定義点の情報と、図４（ｂ）に示すような採寸箇所の情報とが記憶されている。

本実施形態において、定義点のデータ書式は、図４（ａ）に示すように、点番号に対応付けて、１点目の点種別、１点目の点番号、２点目の点種別、２点目の点番号、定義点特定種別、距離およびコメントからなる。ここで、点種別としては、周囲点を表す「Ｔ」と、定義点を表す「Ｐ」とが設定される。また、定義点特定種別としては、１点目から２点目に向かって距離Ｌの位置にある点を表す「Ｌ」や、１点目と２点目の中点を表す「Ｃ」が設定される。

よって、図４（ａ）において、例えば、点番号１の定義点は、外周における点番号８の周囲点から点番号１の周囲点に向かって距離７５３ｍｍの位置にある点として定義されている。また、点番号４の定義点は、内周における点番号１５の周囲点と、点番号１６の周囲点との中点として定義されている。なお、定義点は、周囲点のみならず、既に定義済みの定義点を用いて定義してもよい。

また、本実施形態において、採寸箇所のデータ書式は、図４（ｂ）に示すように、採寸番号に対応付けて、採寸種別、１点目の種別、１点目の点番号、２点目の種別、２点目の点番号、セル名およびコメントからなる。ここで、セル名には、表計算ソフト等によって作成された帳票データに採寸結果を自動転記する際の転記先が指定される。また、採寸種別としては、以下に示す８種類が用意されている。

１．１点目と２点目の点間距離（斜め距離）
２．１点目と２点目の水平点間距離（横幅）
３．１点目と２点目の鉛直点間距離（縦幅）
４．指定点を通る水平線と線分Ｎとの交点までの距離（幅または厚さ）
５．指定点を通る鉛直線と線分Ｎとの交点までの距離（高さまたは厚さ）
６．指定点から線分Ｎに下ろした垂線の長さ（幅または厚さ）
７．１点目から２点目への角度（水平を０°とし、左回りに計測する）
８．１点目から２点目への勾配（％）

なお、上述したデータ書式は、採寸種別が１～３，７～８の場合に適用されるものであり、採寸種別が４～６の場合は、採寸番号，採寸種別，指定点の種別，指定点の点番，線分Ｎの始点の種別，線分Ｎの始点の点番，線分Ｎの終点の種別，線分Ｎの終点の点番，セル名，コメントからなるデータ書式が用いられる。また、採寸種別は上記８種類に限定されるものではなく、任意の採寸箇所を適宜設定してもよい。

３次元点群記憶部４４は、採寸対象面近傍の３次元点群を記憶するものである。本実施形態において、３次元点群記憶部４４には、３次元レーザースキャナー（図示せず）によって計測された採寸対象面近傍の３次元点群が記憶される。なお、３次元点群は、３次元レーザースキャナーによって取得されたものに限定されるものではなく、レーザープロファイラー等により取得されたものでもよい。

周囲線記憶部４５は、採寸対象面の周囲線を記憶するものである。本実施形態において、周囲線記憶部４５には、採寸対象面の周囲線を構成する各線分の交点が記憶されている。

帳票データ記憶部４６は、採寸結果を記録するための帳票データを記憶するものである。本実施形態において、帳票データは、表計算ソフト等によって作成されており、図５に示すように、各種の測定項目ごとに、規格値、目標値、設計値、実測値（採寸値）、設計値と実測値との差等がセルに入力可能となっている。また、上述した採寸箇所のデータ書式においては、実測値のセルが採寸結果を自動転記する際の転記先として登録される。

演算処理手段５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等で構成されており、プログラム記憶部４１にインストールされた自動採寸プログラム１ａを実行することにより、図１に示すように、形状モデル登録部５１と、採寸情報登録部５２と、３次元点群取得部５３と、３次元点群合成部５４と、２次元点群生成部５５と、概略位置特定部５６と、詳細位置特定部５７と、周囲線算出部５８と、採寸値算出部５９と、帳票データ作成部６０として機能する。以下、各構成部についてより詳細に説明する。

形状モデル登録部５１は、構造物における採寸対象面の形状を示す形状モデルを登録するものである。本実施形態において、形状モデル登録部５１は、ユーザによって入力手段３から入力された採寸対象面に係る座標データ（外周点の座標および内周点の座標）を取得し、形状モデルとして形状モデル記憶部４２に登録する。

採寸情報登録部５２は、採寸しようとする箇所を特定するための採寸情報を登録するものである。本実施形態において、採寸情報登録部５２は、ユーザによって入力手段３から入力された採寸情報（定義点の情報および採寸箇所の情報）を取得し、採寸情報記憶部４３に登録する。

３次元点群取得部５３は、採寸対象面近傍の３次元点群を取得するものである。本実施形態において、３次元点群取得部５３は、３次元レーザースキャナー（図示せず）から採寸対象面近傍の３次元点群を取得し、３次元点群記憶部４４に記憶させる。本実施形態では、後述するアルゴリズムを採用することにより、採寸に使用する３次元点群は、任意の座標系で計測された３次元点群を使用することができる。

３次元点群合成部５４は、複数箇所で計測された３次元点群を合成するものである。本実施形態において、採寸対象面が３次元レーザースキャナーの計測範囲よりも大きい場合、３次元レーザースキャナーの設置位置を変えながら複数箇所で計測し、それらを合成することによって採寸対象面全体の３次元点群を取得する。

具体的には、３次元点群合成部５４は、ユーザ等によって下記工程（１），（２）が事前に行われると、下記工程（３）～（６）を実行することにより、複数箇所で計測された３次元点群を合成するようになっている。
（１）計測範囲内の３点以上の任意位置に基準点（白黒の市松模様に塗り分けられた円形平板等）を設置し、各基準点Ｐ１～Ｐｎの任意座標系（基準点座標系）における座標Ｐｎ（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）を測量によって求める。
（２）設置された基準点のうち少なくとも３点が計測されるような位置に３次元レーザースキャナーを設置して点群を取得する。これにより、取得した点群中には少なくとも３個以上の基準点も点群として存在する。
（３）各計測箇所で取得された点群ごとに、基準点に相当する点群部分を自動検出するとともに、基準点が白黒に塗り分けられていることを利用して、その点群部分から中心点Ｐ１ｍ～ＰＮｍの座標ＰＮｍ（Ｘｍｎ，Ｙｍｎ，Ｚｍｎ）を自動算出する。なお、中心点の座標は、３次元レーザースキャナーが固有に持つ任意座標系（機械点座標系）の座標である。
（４）上記工程（１）で特定された各基準点間の相対距離と、上記工程（３）で特定された各基準点間の相対距離とは、それぞれの座標系において同じであるため、ＰｎとＰＮｍとの間で同じ相対位置関係を持つ組み合わせを抽出し、各計測箇所における点群内で少なくとも３点以上のＰｎとＰＮｍとの対応を特定する。
（５）特定したＰｎとＰＮｍとの関係に基づいて、上記工程（３）で算出した機械点座標系における点群の座標値を基準点座標系にマッピングするための「座標変換係数」を算出する。
（６）「座標変換係数」を用いて各計測箇所における機械点座標系の点群を基準点座標系の点群に変換し、変換後の点群を合算する。これにより、複数箇所で計測された３次元点群が合成される。

２次元点群生成部５５は、３次元点群取得部５３により取得された３次元点群または３次元点群合成部５４により合成された３次元点群から採寸対象面近傍の２次元点群を生成するものである。例えば、図６（ａ）に示すような採寸対象面近傍の３次元点群には、鉄筋等の採寸対象面以外のノイズが多数含まれている。よって、採寸に必要となる採寸対象面近傍の点群を特定する必要がある。そこで、本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、採寸対象面および３次元点群を真上から見た状態（平面図）を表示手段２に表示し、ユーザに採寸対象面のおよその両端部（Ｐ１，Ｐ２）を入力手段３から指定させるようになっている。

なお、採寸対象面は通常、鉛直面として設計されているが、施工方法、構造物の形状、施工誤差等によって鉛直面に対して傾斜している場合、平面図では採寸対象面の上端縁部と下端縁部とが一致せず、所定の間隔を隔てた平行な二直線に見える。このような場合には、左端部側および右端部側のそれぞれにおいて、前記間隔の中点付近を指定すればよい。採寸対象面が橋桁の軸線方向等に対して傾斜している場合にも同様である。

採寸対象面のおよその両端部が指定されると、２次元点群生成部５５は、図７に示すように、当該およその両端部を結ぶ線分を含む垂直面を中心とし所定の間隔を隔てて平行な２平面を設定する。そして、２次元点群生成部５５は、設定した２平面間に存在する３次元点群を抽出し、抽出した３次元点群から図８に示すような３次元平面を近似する。この近似された３次元平面をその法線方向から見ると採寸対象面となるため、当該法線方向が真正面となるように座標変換すると、図９に示すように、採寸対象面を真正面から見た２次元平面となる。よって、２次元点群生成部５５は、抽出した３次元点群を３次元平面の法線に直交する２次元平面に投影することによって図９に示すような２次元点群を生成する。

なお、本実施形態では、図７に示すように、２次元点群生成部５５が矩形状の２平面によって直方体形状の空間を設定しているが、この形状に限定されるものではない。また、本実施形態では、２次元点群生成部５５が最小二乗法を用いて３次元平面を近似しているが、その他の近似手法を用いてもよい。

概略位置特定部５６は、２次元点群と形状モデルとをマッチングすることにより、２次元点群における形状モデルの概略位置を特定するものである。本実施形態において、概略位置特定部５６は、図１０に示すように、形状モデルの外周線を包含するマッチング用メッシュを用意し、このマッチング用メッシュによって２次元点群生成部５５によって生成された２次元点群を走査する。そして、概略位置特定部５６は、マッチング用メッシュ内に２次元点群が存在するメッシュ数と、マッチング用メッシュ内に形状モデルの断面が存在するメッシュ数との差が最小となる位置を形状モデルの概略位置として特定する。

具体的には、概略位置特定部５６は、まず、図１０に示すように、形状モデルの外周線を全て包含するようにマッチング用メッシュを配置し、形状モデルの断面が存在するメッシュの数を形状モデルのメッシュ数として算出する。形状モデルの断面に中空部分がある場合、当該中空部分に係るメッシュはカウントしない。

なお、マッチング用メッシュのメッシュ間隔は、走査しようとする２次元点群の平均点間距離を考慮して決定する。メッシュ間隔が大きいほどマッチング結果が実際の位置よりも離れることとなり、後述する詳細位置の特定精度が低下する。一方、メッシュ間隔が小さいほど概略位置の特定精度が向上するものの処理時間がかかるため、本実施形態では、メッシュ間隔を２次元点群の平均点間距離の５倍程度に設定している。

また、概略位置特定部５６は、図１１に示すように、２次元点群が存在する走査範囲の左上隅にマッチング用メッシュの左上角を合わせて配置し、１つでも点が存在するメッシュの数をこの位置におけるメッシュ数とする。つづいて、概略位置特定部５６は、マッチング用メッシュを１メッシュ分だけ右方向に移動してメッシュ数を算出し、以下同様にマッチング用メッシュの右端が走査範囲の右端に到達するまで繰り返す。つづいて、概略位置特定部５６は、マッチング用メッシュの左端を再び走査範囲の左端まで戻すとともに１メッシュ分だけ下方向に移動してメッシュ数を算出し、以下同様にマッチング用メッシュの右下角が走査範囲の右下隅に到達するまで繰り返す。

以上の処理によって、マッチング用メッシュを移動させた各位置におけるメッシュ数が算出される。これにより、概略位置特定部５６は、図１２に示すように、各位置におけるメッシュ数と、先に算出した形状モデルのメッシュ数との差が最小となる位置を２次元点群中における形状モデルの概略位置として特定する。ただし、この概略位置は、図１３に示すように、メッシュ間隔に応じて実際の２次元点群の位置と若干の誤差があるため、より誤差の少ない詳細位置を別途、特定する必要がある。

詳細位置特定部５７は、概略位置に基づいて、２次元点群における形状モデルの詳細位置を特定するものである。本実施形態において、詳細位置特定部５７は、概略位置特定部５６によって特定された概略位置における形状モデルの各頂点ごとに、図１４に示すように、２次元点群のうち最も近い点を対応させる。そして、詳細位置特定部５７は、対応付けられた点同士の目的関数が最小となる座標変換行列を推定し、推定した座標変換行列によって各頂点を移動させる。

同様に、詳細位置特定部５７は、移動後の各頂点ごとに、２次元点群のうち最も近い点を対応させ、対応付けられた点同士の目的関数が最小となる座標変換行列を推定し、推定した座標変換行列によって各頂点を移動させる処理を繰り返す。そして、詳細位置特定部５７は、最新の目的関数と前回の目的関数との差が、所定の収束判定閾値より小さくなったときの位置を詳細位置として特定する。本実施形態における形状モデルの詳細位置を図１５に示す。なお、本実施形態では、互いに対応付けられた点同士の距離を目的関数としているが、目的関数はこれに限定されるものではなく、当該距離の二乗和等でもよい。

周囲線算出部５８は、詳細位置における形状モデルの周囲線に基づいて、採寸対象面の周囲線を算出するものである。詳細位置における形状モデルの全ての周囲線が２次元点群と一致していれば、当該詳細位置に採寸対象面の周囲線（出来形）が存在することになる。しかしながら、実際には若干のズレがあるため、採寸対象面の周囲線を別途、求める必要がある。

上述したとおり、本実施形態の形状モデル記憶部４２においては、形状モデルの周囲線を構成する各外周点が、外周に沿って右回りに登録されており、形状モデルの周囲線を構成する各内周点は、内周に沿って左回りに登録されている。このため、各外周点を連結してなる周囲線分および各内周点を連結してなる周囲線分は、図１５に示すように、それぞれの周方向に対して同じ側に、採寸対象面の周囲線が存在する可能性が高くなる。

そこで、図１５に示すように、形状モデルの詳細位置が右側にずれている場合、周囲線算出部５８は、詳細位置における形状モデルを構成する周囲線分のそれぞれにつき、図１６に示すように、各周囲線分の左側へ第１の間隔を隔てた位置に平行に設定される線分を中心線とし、第２の間隔を隔てて平行に設定された２直線間に存在する２次元点群を抽出する。

なお、本実施形態において、第１の間隔は、２次元点群の平均点間距離の５～１０倍程度に設定し、第２の間隔は、２次元点群の平均点間距離の２～５倍程度に設定している。第１の間隔および第２の間隔が上記範囲内であれば、採寸対象面の周囲線に相当する２次元点群が確実に抽出され、当該周囲線が高精度に算出される。

つづいて、周囲線算出部５８は、抽出した２次元点群からＲＡＮＳＡＣ（Random sample consensus）アルゴリズムによって線分を近似する。この近似された線分が妥当であるかどうかは、ＲＡＮＳＡＣアルゴリズムに使用された点の数によって判断できる。採寸対象面が存在しない範囲には点群が存在しないため、点の数は少なくてもよい。一方、潤沢な計測における点の数Ｎは、Ｌ／ｄ×４個程度となる（ｄ：平均点間距離，Ｌ：形状モデル上でのターゲット線分の長さ）。よって、高い近似精度と高いロバスト性を担保するには、障害物等による欠測を考慮して、Ｎ／２（＝Ｌ／２ｄ）個程度であれば、２次元点群から最も外側の（出来形としてふさわしい）線分を推定できる。

このため、本実施形態において、周囲線算出部５８は、図１６に示すように、第１の間隔を隔てた位置に設定された中心線を周囲線分に漸次近づけながら、抽出された２次元点群の数をカウントする。そして、抽出した２次元点群の数が、各周囲線分の長さの半分（Ｌ／２）を２次元点群の平均点間距離ｄで除した値以上となったところを妥当な位置とし、当該位置において抽出された２次元点群から線分を近似するようになっている。

形状モデルを構成する全ての周囲線分について線分が近似されると、周囲線算出部５８は、図１７に示すように、近似された各線分の交点（図中の○印）を算出し、各交点を連結することにより採寸対象面の周囲線を算出し、周囲線記憶部４５に記憶する。

なお、本実施形態では、形状モデルの詳細位置が右側にずれていたため、中心線を各周囲線分の左側に設定している。しかしながら、この構成に限定されるものではなく、形状モデルの詳細位置が左側にずれている場合、中心線は各周囲線分の右側に設定する。また、各外周点および各内周点が逆周りに登録されている場合であっても、周囲線分の周方向に対して同じ側に採寸対象面の周囲線が存在する可能性が高くなる。よって、形状モデルの詳細位置に応じて、中心線を各周囲線分の一方側に設定すればよい。

採寸値算出部５９は、採寸対象面の周囲線に基づいて、採寸対象面に関する採寸値を算出するものである。本実施形態において、採寸値算出部５９は、採寸情報記憶部４３に記憶されている採寸情報から採寸点を読み出し、採寸対象面の周囲線上において当該採寸点に相当する採寸相当点を特定する。

具体的には、採寸対象面の周囲線は、ｎ本目の周囲線（形状モデルではＰ１とＰ２とを結ぶ線として定義されている）の場合、ｎ－１本目とｎ本目のとの交点Ｐｎ_１と、ｎ本目とｎ＋１本目との交点Ｐｎ_２とを結ぶ線となる。よって、採寸値算出部５９は、採寸情報中の採寸点（Ｐｎ_Ｓ）が、ｎ本目の周囲線上にあるとき、当該採寸点（Ｐｎ_Ｓ）に相当する採寸相当点（Ｐｎ_Ｓ’）は以下のように特定する。

１．採寸点（Ｐｎ_Ｓ）がＰ１とＰ２の中点のとき、Ｐｎ_１とＰｎ_２の中点を採寸相当点（Ｐｎ_Ｓ’）とする。
２．採寸点（Ｐｎ_Ｓ）がＰ１から距離Ｌの点のとき、Ｐｎ_１から距離Ｌ×(Ｌｔ／Ｌｓ）の点を採寸相当点（Ｐｎ_Ｓ’）とする（すなわち、比例配分により決定される）。
ただし、ＬｔはＰ１とＰ２間の距離であり、ＬｓはＰｎ_１とＰｎ_２間の距離である。

そして、採寸値算出部５９は、採寸相当点によって特定される距離、角度または勾配等の採寸値を算出するようになっている。具体的には、採寸値算出部５９は、採寸情報記憶部４３に記憶されている採寸種別に応じて、以下の手順により採寸値を算出する。なお、以下の説明で用いる各符号は、以下を表すものとする。
ＭＴ_Ｘ：採寸点（ＰＴ_Ｘ）に相当する採寸相当点
Ｘ：採寸情報ごとの１点目、２点目、又は線分の始点（２）・終点（３）のいずれか
Ｐ：ＭＴ_１を通る水平な線分と、始点がＭＴ_２で終点がＭＴ_３の線分との交点
Ｑ：ＭＴ_１を通る鉛直な線分と、始点がＭＴ_２で終点がＭＴ_３の線分との交点
Ｒ：ＭＴ_１から、始点がＭＴ_２で終点がＭＴ_３の線分へ下した垂線の足（交点）
Ｈ：ＭＴ_１とＭＴ_２の距離の鉛直成分（Ｙ座標値の差）
Ｌ：ＭＴ_１とＭＴ_２の距離の水平成分（Ｘ座標値の差）

１．１点目と２点目の点間距離（斜め距離）
採寸値：ＭＴ_１とＭＴ_２間の距離
２．１点目と２点目の水平点間距離（横幅）
採寸値：ＭＴ_１とＭＴ_２間のＸ座標差
３．１点目と２点目の鉛直点間距離（縦幅）
採寸値：ＭＴ_１とＭＴ_２間のＹ座標差
４．指定点を通る水平線と線分Ｎとの交点までの距離（幅または厚さ）
採寸値：ＭＴ_１と点Ｐとの水平距離
５．指定点を通る鉛直線と線分Ｎとの交点までの距離（高さまたは厚さ）
採寸値：ＭＴ_１と点Ｑとの鉛直距離
６．指定点から線分Ｎに下した垂線の長さ（幅または厚さ）
採寸値：ＭＴ_１と点Ｒとの距離
７．１点目から２点目への角度（水平を０°とし、左回りに計測する）
採寸値：ＭＴ_１からみたＭＴ_２の方向の角度
８．１点目から２点目への勾配（％）
採寸値：（Ｈ／Ｌ）×１００

帳票データ作成部６０は、採寸値に基づいて帳票データを作成するものである。本実施形態において、帳票データ作成部６０は、採寸値算出部５９によって採寸値が算出されると、採寸情報記憶部４３に記憶されている採寸箇所の情報のうち、転記先のセルを参照する。そして、帳票データ作成部６０は、帳票データ記憶部４６に記憶されている帳票データにおける当該セルに、算出された採寸値を転記するようになっている。

つぎに、本実施形態の自動採寸プログラム１ａ、自動採寸装置１および自動採寸方法による作用について説明する。

本実施形態の自動採寸プログラム１ａ、自動採寸装置１および自動採寸方法を用いて、構造物の寸法を計測する場合、図１８に示すように、形状モデル登録部５１によって形状モデルを登録するとともに（ステップＳ１）、採寸情報登録部５２によって採寸情報を登録する（ステップＳ２）。これにより、構造物の寸法を計測するのに必要な事前情報が登録される。

つぎに、３次元点群取得部５３が、採寸対象面近傍の３次元点群を取得する（ステップＳ３）。このとき、本実施形態では、公共座標系における測量や公共座標系における点群データの計測が不要で、任意の座標系で計測された３次元点群を用いることが可能である。

大きな採寸対象面を採寸する場合は、３次元点群合成部５４が、複数箇所で計測された３次元点群を合成する（ステップＳ４）。これにより、採寸対象面全体をカバーする３次元点群が取得される。一方、単一の箇所で計測された３次元点群によって、採寸対象面全体がカバーされる場合、本ステップＳ４を実行する必要はない。

つづいて、２次元点群生成部５５が、ステップＳ３で取得された３次元点群またはステップＳ４で合成された３次元点群から採寸対象面近傍の２次元点群を生成する（ステップＳ５）。これにより、採寸対象面の点群を含む２次元点群が得られる。このとき、本実施形態では、ユーザに採寸対象面のおよその両端部を指定させるため、３次元点群中に存在する採寸対象面のおおよその位置が迅速かつ簡単に特定される。

つぎに、概略位置特定部５６が、ステップＳ５で生成された２次元点群と、ステップＳ１で登録された形状モデルとをマッチングすることにより、２次元点群における形状モデルの概略位置を特定する（ステップＳ６）。これにより、採寸対象面以外の点群がノイズとして含まれる２次元点群において、採寸対象面とは座標系が異なる形状モデルの大まかな位置が特定される。また、本実施形態では、マッチングにマッチング用メッシュを用いているため、メッシュ間隔を適宜調整することで、短い処理時間で形状モデルの位置が大まかに特定される。

つづいて、詳細位置特定部５７が、ステップＳ６で特定された概略位置に基づいて、２次元点群における形状モデルの詳細位置を特定する（ステップＳ７）。これにより、大まかに特定した形状モデルの概略位置に誤差がある場合でも、その位置が調整され形状モデルの位置がより高精度に求められる。

つぎに、周囲線算出部５８が、詳細位置における形状モデルの周囲線に基づいて、採寸対象面の周囲線を算出する（ステップＳ８）。このとき、本実施形態では、周囲線算出部５８が、上述した中心線に対して平行な２直線間に存在する２次元点群の数が、所定の閾値以上となった位置で線分を近似する。このため、高い近似精度と高いロバスト性が担保される。

また、本実施形態では、上述した第１の間隔および第２の間隔をそれぞれ、２次元点群の平均点間距離の５～１０倍および２～５倍に設定している。このため、採寸対象面の周囲線に相当する２次元点群が確実に抽出され、当該周囲線が高精度に算出される。

さらに、本実施形態では、形状モデル記憶部４２において、形状モデルの外周を構成する各外周点と、内周を構成する各内周点とが、逆の周方向に沿って順次登録されている。このため、採寸対象面の周囲線は、周囲線分の周方向に対する一方側に存在する可能性が高くなり、算出し易くなる。

ステップＳ８で採寸対象面の周囲線が算出されると、採寸値算出部５９が、採寸対象面の周囲線に基づいて、採寸対象面に関する採寸値を算出する（ステップＳ９）。本実施形態において、採寸値は、少なくとも２つの採寸点によって特定される距離、角度または勾配であり、採寸点としては、形状モデルの周囲を構成する各周囲点と、これら各周囲点に基づいて定義される定義点とを用いている。このため、構造物に関して採寸可能な項目および箇所が増大する。

最後に、帳票データ作成部６０が、ステップＳ９で算出された採寸値に基づいて帳票データを作成する（ステップＳ１０）。これにより、事前に指定されたセルに採寸値が自動的に転記され、帳票データが自動的に作成される。

以上のような本実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
１．任意の座標系で計測された３次元点群を用いて、構造物の寸法を簡単かつ高精度に計測することができる。
２．３次元点群中に存在する採寸対象面のおおよその位置を迅速かつ簡単に特定することができる。
３．採寸対象面以外の点群がノイズとして含まれる２次元点群において、採寸対象面とは座標系が異なる形状モデルの概略的な位置を特定することができる。
４．大まかに特定した形状モデルの概略位置に誤差がある場合でも、その位置を調整し形状モデルの位置を高精度に求めることができる。
５．実際の構造物における採寸対象面の周囲線を求めることができる。
６．高い近似精度と高いロバスト性を担保することができる。
７．採寸対象面の周囲線に相当する２次元点群を確実に抽出し、当該周囲線を高精度に算出することができる。
８．採寸対象面の周囲線が、周囲線分の周方向に対する一方側に存在する可能性を高くし算出し易くすることができる。
９．構造物に関して採寸可能な項目および箇所を増大することができる。

なお、本発明に係る自動採寸プログラム１ａ、自動採寸装置１および自動採寸方法は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

例えば、上述した本実施形態では、２次元点群生成部５５、概略位置特定部５６、詳細位置特定部５７および周囲線算出部５８のそれぞれが実行する具体的な処理を示しているが、各処理部によって実行される処理は上記に限定されるものではなく、各処理部の役割を果たしうる限り、同等、類似または代替的な処理を実行してもよい。

１ 自動採寸装置
１ａ 自動採寸プログラム
２ 表示手段
３ 入力手段
４ 記憶手段
５ 演算処理手段
４１ プログラム記憶部
４２ 形状モデル記憶部
４３ 採寸情報記憶部
４４ ３次元点群記憶部
４５ 周囲線記憶部
４６ 帳票データ記憶部
５１ 形状モデル登録部
５２ 採寸情報登録部
５３ ３次元点群取得部
５４ ３次元点群合成部
５５ ２次元点群生成部
５６ 概略位置特定部
５７ 詳細位置特定部
５８ 周囲線算出部
５９ 採寸値算出部
６０ 帳票データ作成部

Claims (11)

1. 構造物における採寸対象面の形状を示す形状モデルを登録する形状モデル登録部と、
   前記採寸対象面近傍の３次元点群を取得する３次元点群取得部と、
   前記３次元点群から前記採寸対象面近傍の２次元点群を生成する２次元点群生成部と、
   前記２次元点群と前記形状モデルとをマッチングすることにより、前記２次元点群における前記形状モデルの概略位置を特定する概略位置特定部と、
   前記概略位置に基づいて、前記２次元点群における前記形状モデルの詳細位置を特定する詳細位置特定部と、
   前記詳細位置における前記形状モデルの周囲線に基づいて、前記採寸対象面の周囲線を算出する周囲線算出部と、
   前記採寸対象面の周囲線に基づいて、前記採寸対象面に関する採寸値を算出する採寸値算出部
   としてコンピュータを機能させる、自動採寸プログラム。
2. 前記２次元点群生成部は、前記採寸対象面のおよその両端部を結ぶ線分を含む垂直面を中心とし所定の間隔を隔てて平行に設定された２平面間に存在する３次元点群を抽出し、抽出した３次元点群から３次元平面を近似し、抽出した３次元点群を前記３次元平面の法線に直交する２次元平面に投影することによって前記２次元点群を生成する、請求項１に記載の自動採寸プログラム。
3. 前記概略位置特定部は、前記形状モデルの外周線を包含するマッチング用メッシュによって前記２次元点群を走査し、前記マッチング用メッシュ内に前記２次元点群が存在するメッシュ数と、前記マッチング用メッシュ内に前記形状モデルの断面が存在するメッシュ数との差が最小となる位置を前記概略位置として特定する、請求項１または請求項２に記載の自動採寸プログラム。
4. 前記詳細位置特定部は、
   前記概略位置における前記形状モデルの各頂点ごとに、前記２次元点群のうち最も近い点を対応させ、対応付けられた点同士の目的関数が最小となる座標変換行列を推定し、推定した座標変換行列によって前記各頂点を移動させ、
   前記移動後の各頂点ごとに、前記２次元点群のうち最も近い点を対応させ、対応付けられた点同士の目的関数が最小となる座標変換行列を推定し、推定した座標変換行列によって前記各頂点を移動させる処理を繰り返し、
   最新の目的関数と前回の目的関数との差が、所定の収束判定閾値より小さくなったときの位置を前記詳細位置として特定する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の自動採寸プログラム。
5. 前記周囲線算出部は、前記詳細位置における前記形状モデルを構成する周囲線分のそれぞれにつき、各周囲線分の一方側へ第１の間隔を隔てた位置に平行に設定される線分を中心線とし、第２の間隔を隔てて平行に設定された２直線間に存在する２次元点群を抽出し、抽出した２次元点群からＲＡＮＳＡＣ（Random sample consensus）アルゴリズムによって線分を近似し、近似された各線分の交点を連結することにより前記採寸対象面の周囲線を算出する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の自動採寸プログラム。
6. 前記周囲線算出部は、前記中心線を前記周囲線分に漸次近づけながら、抽出された２次元点群の数をカウントし、当該数が各周囲線分の長さの半分を前記２次元点群の平均点間距離で除した値以上となった位置で線分を近似する、請求項５に記載の自動採寸プログラム。
7. 前記第１の間隔は、前記２次元点群の平均点間距離の５～１０倍に設定されており、前記第２の間隔は、前記２次元点群の平均点間距離の２～５倍に設定されている、請求項５または請求項６に記載の自動採寸プログラム。
8. 前記形状モデルの外周を構成する各外周点と、前記形状モデルの内周を構成する各内周点とは、逆の周方向に沿って順次登録されている、請求項５から請求項７のいずれかに記載の自動採寸プログラム。
9. 前記採寸値は、少なくとも２つの採寸点によって特定される距離、角度または勾配であり、前記採寸点として、前記形状モデルの周囲を構成する各周囲点と、これら各周囲点に基づいて定義される定義点とが用いられる、請求項１から請求項８のいずれかに記載の自動採寸プログラム。
10. 構造物における採寸対象面の形状を示す形状モデルを登録する形状モデル登録部と、
    前記採寸対象面近傍の３次元点群を取得する３次元点群取得部と、
    前記３次元点群から前記採寸対象面近傍の２次元点群を生成する２次元点群生成部と、
    前記２次元点群と前記形状モデルとをマッチングすることにより、前記２次元点群における前記形状モデルの概略位置を特定する概略位置特定部と、
    前記概略位置に基づいて、前記２次元点群における前記形状モデルの詳細位置を特定する詳細位置特定部と、
    前記詳細位置における前記形状モデルの周囲線に基づいて、前記採寸対象面の周囲線を算出する周囲線算出部と、
    前記採寸対象面の周囲線に基づいて、前記採寸対象面に関する採寸値を算出する採寸値算出部と、
    を有する、自動採寸装置。
11. 構造物における採寸対象面の形状を示す形状モデルを登録する形状モデル登録ステップと、
    前記採寸対象面近傍の３次元点群を取得する３次元点群取得ステップと、
    前記３次元点群から前記採寸対象面近傍の２次元点群を生成する２次元点群生成ステップと、
    前記２次元点群と前記形状モデルとをマッチングすることにより、前記２次元点群における前記形状モデルの概略位置を特定する概略位置特定ステップと、
    前記概略位置に基づいて、前記２次元点群における前記形状モデルの詳細位置を特定する詳細位置特定ステップと、
    前記詳細位置における前記形状モデルの周囲線に基づいて、前記採寸対象面の周囲線を算出する周囲線算出ステップと、
    前記採寸対象面の周囲線に基づいて、前記採寸対象面に関する採寸値を算出する採寸値算出ステップと、
    を有する、自動採寸方法。

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