JP5316992B2

JP5316992B2 - レーザ計測装置を用いて被計測物を複数方向から同時計測するシステム

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Publication number: JP5316992B2
Application number: JP2009129714A
Authority: JP
Inventors: 晃市今野; 史千葉; 祐太村木; 隆三横山; 孝志相馬; 真横山
Original assignee: Iwate University
Current assignee: Iwate University
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: JP2010276485A

Description

本発明は、遺物等の複数の被計測物をテーブル上に載置しこれら遺物の三次元形状を計測するシステムに係り、特に、レーザ計測装置を用いて複数の被計測物を複数方向から同時計測するシステムに関する。

遺跡の発掘調査は、毎年、全国で１万件近い数で行われており、遺跡から出土した遺物を処理し、報告書に掲載する図面を作成する作業が膨大になる。そこで近年、三次元形状計測装置の利用が試みられている。

三次元形状計測装置は、例えばＸＹテーブルを移動させて被計測物の２点を計測すると、ＸＹテーブルの機械精度に依存する誤差が計測値に含まれてしまう。この誤差を排除（補正）するための技術が特許文献１に記載されている。詳細には、テーブル上に被計測物を戴置すると共にマーカ板（計測用マーカ）を固定しておき、三次元計測を行う読取装置を被計測物の計測点とマーカ板にそれぞれ焦点を合わせたときの読取装置の変位量と、マーカ板の位置情報から計測点の三次元計測を行うようにして、テーブルの機械精度、特にＺ方向の垂直度に基づく誤差を排除して高精度に被計測物の計測を行うことができる。

しかし、ＸＹテーブルを移動させて２点間を計測する三次元形状計測装置を用いて、遺物を精密な形状として記録するには、一つの遺物についてさえ多量の計測が必要で多くの時間を費やさねばならず、非常な困難を伴う。まして、大量の遺物を短時間で計測するのは困難であり、必要な計測精度を出すためには高価な計測機器が必要となり、遺物計測の要件（高精度、欠損なし、高速、自動化、低コスト）を満足するシステムを入手することは困難である。

特許文献２には、位置座標を含んだ三次元形状を計測、処理、記録、表示する三次元形状計測システムが提案されている。詳細には、先ず、レーザスキャン方式三次元形状計測装置で被計測物を計測し三次元形状データを得る。次に、距離計算手段で三次元の像内の任意の二点間の距離を計算し、三次元形状データを演算処理装置で演算処理する。そして、データ合成手段で計測範囲を変える毎に計測された各三次元形状データを位置座標を基に合成する。続いて、データ補正手段で合成した三次元形状データを補正し、作成した被計測物の三次元像を三次元像記憶手段に記憶する。最後に、描画手段で三次元像を基に被計測物の平面図や断面図を作成する、という一連の作業を行う。

特許文献３には、高精度に計測したデータ結果から二次元図化するシステムが提案されている。詳細には、スポットレーザー光走査方式三次元計測機を用いて遺構および遺物を計測する。そして、三次元座標点群計測された遺構および遺物の三次元座標点群データと二次元図条件をコンピュータに入力する。続いて、出力する用紙サイズと解像度から二次元画像のサイズを算出し、三次元座標点群データの座標を視覚方向により変換するとともに奥行方向の前記データを色濃度に変換し、二次元画像のピクセル濃度を統計処理により求め、二次元画像の各ピクセルの濃度を周辺のピクセルの濃度値を用いて新たに設定し、二次元画像の色反転などの処理を行ない画像ファイルとして出力する作業を順次行う。

特許文献４には、石器等の三次元モデルを三次元計測器により計測して、そのモデルの幾何学的な特徴を解析して、石器等の遺物の特徴である稜線形状と輸郭線を抽出し、実測図を生成するためのベクトル情報を自動的に作成する実測図作成支援方法およびその装置が記載されている。詳細には、石器等の三次元モデルをコンピュータに取り込んで三次元座標点群を得る。得られた三次元座標点群より輪郭線の抽出を行う。内部形状については三次元座標点群の幾何学的解析を行って形状の特徴を抽出するとともに、追跡法を利用して、特徴を抽出したモデルから特徴線を導出する。そして、複数の特徴線を利用してワイヤフレームモデルを生成する。

非特許文献１では、レンジセンサを用いて、フレスコ壁の破片を計測したデータから、フレスコ壁を復元する手法を提案している。フレスコ壁の破片は、独自の計測システムで計測する。すなわち、フレスコ壁の破片の表面と裏面、横面を別々に計測した後で、統合化する。

従来の遺物の計測方法は、遺物を１個ずつ計測する「１品マンツーマン方式」であり、かつ一方向計測システムであり、自動的に多量の遺物の計測を行うことが困難である。上述した特許文献１〜４及び非特許文献１は、何れも一方向計測システムである。
一方向計測システムは、テーブルの上方向に設置されているレーザ計測装置からレーザをテーブル上に置かれた遺物に照射し反射光をレーザ計測装置に備える受光器で受け取ることで、表面を計測する。一方向計測システムにより、一度に多くの遺物を計測するための一手法として、遺物をテーブルに並べて、同時に複数の遺物を計測することが行われる。
しかしながら、一方向計測システムでは、計測方向と垂直な部分などについてのデータ収録が困難なケースが多かった。例えば、遺物の表面の向きがテーブルに垂直の場合には、レーザの反射光を受光器で受け取ることができないため、計測不能箇所となる。

一つのレーザ計測装置を用いて一方向から計測して得られる点群は、単位点群と呼ばれている（非特許文献３参照）。単位点群は、それぞれのレーザ計測装置を基準とした三次元座標系で表現されているので、各単位点群を同一の三次元空間へ位置合わせすると、複数方向から計測した単位点群を組み合わせて、対象物の欠落がない全表面を覆うデータとしての単位点群を得ることができる。

そこで、Ｂｅｓｌらは、複数の単位点群を直接位置合わせする手法を提案している（非特許文献２）。Ｂｅｓｌらの手法では、位置合わせした結果が局所解に陥ることを防止するために、適切な初期位置を何らかの手法で決定する、としている。

遺物の三次元形状計測技術に関する研究論文ではないが、遺物の三次元形状計測に応用可能な関連技術として複数の研究論文が発表されている。
例えば、金野哲士，今野晃市，千葉則茂は、平面性に基づいた測定点群の階層的な領域分割による稜線抽出法を提案している（非特許文献３参照）。この文献３には、単位点群から特徴量を抽出して、特徴量に基づいて点群を位置合わせする手法が記載されている。
また、金野哲士，今野晃市，藤本忠博，千葉則茂は、測定点群を用いた建造物モデリングのための特徴線抽出法と特徴線マッチング法を提案している（非特許文献４参照）。
さらに、金野哲士，今野晃市は、円柱などの計測方向に依存する点群から、計測方向に依存しない中心線の抽出する手法を提案している（非特許文献５参照）。この手法によれば、抽出された特徴線同士をマッチングすることで、単位点群同士を位置合わせすることが可能である。

なお、レーザ計測装置による計測で得られる計測点群には、遺物を表す点群と、計測範囲外を測ったときに出力されるレンジオーバー点群と、計測範囲内で遺物の周囲を測ったときに出力されるノイズ点群とが含まれる。ノイズ点群を除去する手法は公表されている（非特許文献６参照）。

特許公開平１０−１７０２２５号公報特開２００２−３９７４９号公報特開２００４−１２２２１号公報特開２００５−２５１０４３号公報

B.Brown，C.Toler-Franklin，D.Nehab，M.Burns，A.Vlachopoulos，C.Doumas，D.Dobkin，S.Rusinkiewicz and T.Weyrich："A System for High-Volume Acquisition and Matching of Fresco Fragments：Reassembling Theran Wall Paintings"，ACM Transactions on Graphics (Proc.SIGGRAPH) 2008，Vol.27，No.3，2008． P.J Besl，N.D.McKay："A Method for Registration of 3-D Shapes"，IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，Vol.14，No.2，pp.239-256，1992．金野哲士，今野晃市，藤本忠博，千葉則茂："測定点群を用いた建造物モデリングのための特徴線抽出法と特徴線マッチング法"，芸術科学会論文誌，Vol.5，No.3，pp.80-91，2006．金野哲士，今野晃市，千葉則茂："平面性に基づいた測定点群の階層的な領域分割による稜線抽出法"，芸術科学会論文誌，Vol.6，No.4，pp.197-206，2007．金野哲士，今野晃市："３次元点群からの円柱形状認識と中心軸推定−志波城外郭南門復元の試行−"，日本情報考古学会誌，Vol.13，No.2，pp.1-9，2008．長谷川純一，中山晶，輿水大和，横井茂樹：画像処理の基本技法〈技法入門編〉，技術評論社，pp.45-49，1986．

上述した特許文献１〜４及び非特許文献１は、いずれも一方向計測システムであり、以下の不利な点がある。

（ａ）被計測物の計測方向に垂直な面などについてのデータ収録が困難なケースも多い。すなわち、遺物の表面の向きがテーブルに垂直の場合には、レーザの反射光を受光器で受け取ることができないため、計測不能箇所となる。
（ｂ）オクルージョンなどの問題により、計測できない箇所が生じる。
（ｃ）非特許文献１のシステムでは、フレスコ壁の破片の表面と裏面、横面を一方向計測システムにより別々に計測した後で統合化するものであり、計測に人手がかかる。
実用的な三次元計測システムでは、（i）高精度、（ii）欠損なし、（iii）高速、（iv）自動化、（ｖ）低コスト、の五つの要件が必要であるが、これらすべてを満たす計測システムは存在しない。
（ｄ）市販品には、（ｉ）高精度、（ii）欠損なし、（iii）高速の三つの要件を満足するシステムがあるが、「１品マンツーマン方式」の計測を行うものであり、自動的に多量の遺物の計測を行うことが困難である。
（ｅ）市販の高精度なシステムの多くは、1台の価格が千万円のオーダーであり、高額である。
（ｆ）非特許文献２に示す手法では、計算コストが高いことと、適切な初期位置の決定が必要なことは、大きな問題である。

このような問題を解決するためには、複数方向から対象物を計測することが必要である。一度に多くの遺物を計測するための一手法として、遺物をテーブルに並べて、同時に複数の遺物を計測する手法が考えられる。

本発明は、上述した点に鑑み案出されたもので、大量の遺物を、複数方向から高速かつ高精度に同時計測し、欠損の少ない遺物単位の精密な三次元データを取得するシステム、詳しくは、レーザ計測装置を用いて被計測物を複数方向から同時計測するシステムを提供することを目的としている。

本発明者らは、市販のレーザ計測装置を複数台利用して、多方向から対象物（遺物）の表面を計測するための、安価で、対象物の形状に対する制約の少ない、遺物を複数方向から同時計測するシステムを製作し、最新の計測技術を応用して、対象物の姿勢などに依存せずに、表面を表す点情報が欠損しない計測、および単位点群に対する位置合わせ処理などを行った結果、欠損の少ない高精度な三次元表面モデルが得られ、本発明を完成するに至った。

上記目的を達成するため、本発明のレーザ計測装置を用いて被計測物を複数方向から同時計測するシステムは、水平に設置されたガラステーブルと、このガラステーブルの上に載置される複数の被計測物及び計測用マーカに対し、上下方向からレーザを照射し上記複数の被計測物及び計測用マーカの三次元座標の計測データを取得する複数のレーザ計測装置と、上記複数のレーザ計測装置でそれぞれ得られた電気信号を入力し演算してレーザ計測装置毎の複数の被計測物及び計測用マーカに関する対象物表面を覆う単位点群を取得し、計測用マーカの単位点群について各特徴線を抽出し、計測用マーカに関する特徴線について位置合わせを行い、幾何変換行列を獲得した後で、各レーザ計測装置から得られた単位点群を幾何変換して統合データを取得し、ラベリング技術を用いて被計測物毎の統合データに分離してメモリに記憶するモデリング生成部と、を有してなることを特徴とする。

本発明によれば、複数（大量）の対象物（遺物）を並べて載置し一括して、それらの姿勢などに依存せずに、複数方向から高速かつ高精度に計測し、欠損が生じる部分を補い合う複数の単位点群を取得でき、複数の単位点群の位置合わせ処理を高精密に行うことができ、欠損の少ない高精度な三次元表面モデルが得られる、遺物計測用多方向レーザ計測システムを提供することができる。
本発明によれば、複数のレーザ計測装置を用いるので、データ欠損の無い計測を行える。
本発明によれば、直線箇所を有する計測用マーカをガラステーブルに載せてキャリブレーションすることで、複数のレーザ計測装置で得られた三次元表面モデルを正確かつ迅速に合成可能である。
本発明によれば、ガラステーブル上に、複数の遺物を載せて、同時に計測することができるので、計測作業の効率が格段に向上する。
本発明によれば、従来と比較して安価にシステム構築が可能であり、低価格の遺物計測用多方向レーザ計測システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る遺物計測用計測システムの概略の原理図である。実施形態に係る遺物計測用計測システムの側面図である。図２の遺物計測用計測システムの正面図である。図２の遺物計測用計測システムに用いる計測用マーカの斜視図である。図４の計測用マーカの輪郭線を構成する点列を示す図である。図４の計測用マーカの輪郭線を構成する点列から抽出した分割点を示す図である。図４の計測用マーカの仮の特徴線決定を説明するための点群を示す図である。図４の計測用マーカの仮の特徴線決定において点列ペアの探索を説明するための点群を示す図である。図４の計測用マーカから抽出した特徴線を示す図である。図４の計測用マーカの位置合わせ手順を表す概略のフロー図である。計測した石器の写真である。計測結果のレリーフを示し、（ａ）はレーザ計測装置１２で得たレリーフ、（ｂ）はレーザ計測装置１３で得たレリーフ、（ｃ）図はレーザ計測装置１４で得たレリーフである。図１１に示す４個の遺物のうち、右上の石器のレリーフについての位置合わせ結果を示す図である。

以下、本発明のレーザ計測装置を用いて被計測物を複数方向から同時計測するシステムの一実施形態について図面を参照して説明する。

〔第１の実施形態〕
図１に示すように、この実施形態に係るレーザ計測装置を用いて被計測物を複数方向から同時計測するシステム１０は、水平に設置されたガラステーブル１１と、ガラステーブル１１の上方に位置される第１のレーザ計測装置１２及び第２のレーザ計測装置１３と、ガラステーブル１１の下方に位置される第３のレーザ計測装置１４と、モデリング生成部１５とを備えてなる。

第１〜第３のレーザ計測装置１２〜１４は、市販品（例えばキーエンス社の型番ＬＫ−Ｇ１５０のレーザ計測装置）を使用する。

ガラステーブル１１は透明ガラスであり、テーブル用架台１１ａ上に載置されている。ガラステーブル１１上には、適宜位置へ複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４を位置固定することなく並べて載置することができ、さらに遺物Ｒ１〜Ｒ４に並べて計測用マーカ１６を位置固定することなく載置することができる。

計測用マーカ１６は、後述する計測の手法を最も効率よく適用できるように、各辺の輪郭線が直線形状となるような多面体として設計する。また、様々な方向からレーザ計測を行うことを想定して、輪郭線の長さが異なるような形状として設計するものとする。輪郭線の長さは、後述する位置合わせ手法において基準となる特徴量であるため、精度良く位置合わせすることが可能であるように、長さが一意である形状とする。

第１のレーザ計測装置１２と第２のレーザ計測装置１３は、ガラステーブル１１の上に載置される複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４及び計測用マーカ１６に対しレーザを所定角度の斜め下向きとなる二次元方向に照射し対象物までの距離を測定する。

第１のレーザ計測装置１２と第２のレーザ計測装置１３は、複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４及び計測用マーカ１６に対し上方両側に互いに逆向きに位置され、第１のレーザ計測装置１２が複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４のデータ収録が困難なケースが生じうる一方の端面側をカバーし、第１のレーザ計測装置１２ではデータ収録が困難なケースが生じうる複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４について他方の端面側を第２のレーザ計測装置１３がカバーし得る姿勢に設けられている。
これによって、データ収録が困難なケースが生じうるレーザ光に垂直な面等についてのレーザの反射光をレーザ受光器で受け取ることができて、レーザ光に垂直な面等が計測不能箇所とならないようにしている。
従って、第１のレーザ計測装置１２によって、複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４及び計測用マーカ１６の、一方の端面側が欠落しない状態の、上面についての単位点群を得ることができ、また第２のレーザ計測装置１３によって、複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４及び計測用マーカ１６の、他方の端面側が欠落しない状態の、上面についての単位点群を得ることができる。

この実施形態では、第１のレーザ計測装置１２と第２のレーザ計測装置１３は、各レーザ計測装置１２，１３から照射されるレーザが、ガラステーブル１１に対する一垂直面内に同一の所定角度で互いに逆向きでかつ斜め下向きに放射しガラステーブル１１の上面付近で交差するように、位置される。
これによって、第１のレーザ計測装置１２による計測で得られる単位点群の座標軸と、第２のレーザ計測装置１３による計測で得られる単位点群の座標軸とが捩れていないようにして、第１のレーザ計測装置１２と第２のレーザ計測装置１３がそれぞれ単位点群を取得することができる。

第３のレーザ計測装置１４は、照射されるレーザが、ガラステーブル１１に対して垂直に放射するように位置される。第３のレーザ計測装置１４により、複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４及び計測用マーカ１６の下面についての単位点群を得ることができる。第１〜第３のレーザ計測装置１２〜１４により得られる単位点群は、それぞれ異なる座標系の三次元データとして得られる。

図２、図３に示すように、第１〜第３のレーザ計測装置１２〜１４を支持する支持装置１７は、この実施形態では、ガラステーブル１１を載置するテーブル用架台１１ａとは分離して構成されかつテーブル用架台１１ａの側方に隣接設置される架台１７ａと、架台１７ａの上面の一側に固定されたガイドレール１７ｂと、ガイドレール１７ｂの上面に係合されたスライダ１７ｃと、スライダ１７ｃの上面に一端を固定された他端がガラステーブル１１を載置するテーブル用架台１１ａの方向に近接する位置まで延びている可動アーム１７ｄと、スライダ１７ｃの両端に繋留されエンドレスに張られている牽引条体１７ｅと、図示しないスイッチをオンしている間、正回転又は逆回転して牽引条体１７ｅを往復走行させてスライダ１７ｃをガイドレール１７ｂに沿って往復移動させるモータ１７ｆと、可動アーム１７ｄの上に近接して位置される下側水平アーム部１７ｇ_３と上方に離れた長尺な上側水平アーム部１７ｇ_１とを一端側で縦アーム部１７ｇ_２で連結されてなるコ字形のセンサ支持用アーム１７ｇと、下側水平アーム部１７ｇ_３を可動アーム１７ｄに接続支持し可動アーム１７ｄに沿って案内するリニアブロック１７ｈと、を備えてなる。

この実施形態の支持装置１７は、モータ１７ｆによって移動される可動アーム１７ｄと、可動アーム１７ｄに設けられているコ字形のセンサ支持用アーム１７ｇとが、ガイドレール１７ｂに沿って移動自在であると共に、コ字形のセンサ支持用アーム１７ｇを手押し移動可能である。なお、センサ支持用アーム１７ｇについてもモータにより移動自在に構成しても良い。

第１，第２のレーザ計測装置１２，１３は、上側水平アーム部１７ｇ_１に対して移動自在に係合するリニアガイドを介して設けられた一対の可動ブラケット１７ｉに、それぞれ垂直面内に回転可能かつ位置ロック可能に設けられている。
第３のレーザ計測装置１４は、下側水平アーム部１７ｇ_３に対して移動自在に係合する可動ブラケット１７ｉに、垂直面内に回転可能かつ位置ロック可能に設けられている。
これによって、第１，第２のレーザ計測装置１２，１３は、上述したように、複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４及び計測用マーカ１６に対し上方両側に互いに逆向きの傾斜状態にセットされ、また第３のレーザ計測装置１４は、レーザを上向きに放射するようにセットされる。

上記のように構成された支持装置１７は、第１〜第３のレーザ計測装置１２〜１４をコ字形のセンサ支持用アーム１７ｇで支持している。このセンサ支持用アーム１７ｇは、ガラステーブル１１の長尺方向にはモータ１７ｆによって移動でき、ガラステーブル１１の短尺方向にはコ字形のセンサ支持用アーム１７ｇを手押しして移動できる。これら第１〜第３のレーザ計測装置１２〜１４はガラステーブル１１上の複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４及び計測用マーカ１６を計測できるような位置に位置決めされる。そして、位置決めされた第１〜第３のレーザ計測装置１２〜１４を動作させて、レーザを照射し、ガラステーブル１１上の対象物を短時間に同時計測する。また計測時にガラステーブル１１は動かないので、複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４及び計測用マーカ１６をガラステーブル１１上に固定する必要がない。

続いて、モデリング生成部１５について説明する。
モデリング生成部１５は、第１〜第３のレーザ計測装置１２〜１４からの電気信号を入力して演算してレーザ計測装置毎の複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４及び計測用マーカ１６に関する対象物表面を覆う単位点群を取得し、計測用マーカの単位点群について各特徴線を抽出し、計測用マーカ１６に関する特徴線について位置合わせを行い、幾何変換行列を獲得した後で、各レーザ計測装置から得られた単位点群を幾何変換して統合データを取得し、ラベリング技術を用いて遺物毎の統合データに分離してメモリに記憶するように構成されている。

すなわち、モデリング生成部１５は、ガラステーブル１１上に計測用マーカ１６を置くことによって、第１〜第３のレーザ計測装置１２〜１４から得られる三つの単位点群（一つの単位点群は一つのレーザ計測装置の計測により得られた複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４及び計測用マーカ１６に関する点群である。）の中の、計測用マーカ１６についての点群の位置合わせを行うことを通じて複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４の点群を自動的に位置合わせすることが可能である。

以下、モデリング生成部１５について更に詳述する。
上述したように、第１，第２のレーザ計測装置１２，１３は、ガラステーブル１１に対してレーザを下向き傾斜状態に設置されているので、ガラステーブル１１上に置かれる複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４及び計測用マーカ１６の垂直な面も計測できる。

〔計測点群処理〕
上記構成の計測システムでは、第１〜第３のレーザ計測装置１２〜１４で三方向から計測した対象物及び計測用マーカ１６の表面を覆う三次元座標の単位点群を得られる。三つの単位点群は、三次元座標系が相違している。データ欠損の無い三次元座標の点群を得るためには、三つの単位点群を位置合わせして、統合化する必要がある。
この統合化の手法では、非特許文献３と４の手法の一部を利用することができる。

ここで、非特許文献３で提案している、測定点群を用いた建造物モデリングのための特徴線抽出法と特徴線マッチング法について説明する。
仮想空間上に実空間の建造物をモデリングする手段として、建造物の形状を表す複数の測定点群を、自動的に配置する位置合わせ手法があり、これには、点ベースの手法と特徴量ベースの手法とがある。特徴量ベースの手法は、点ベースの手法よりも計算量が圧倒的に少ないが、位置が合う特徴量を抽出するのが困難である。そこで、位置合わせに有効な特徴量を安定的に抽出し、複数の方向から測定した点群を同一の三次元空間へ配置するための手法が提案されている。
特徴量ベースの手法では、各単位点群から建造物の特徴部分を表す、特徴点や特徴線のような特徴量を抽出する。そして、抽出した特徴量を総当りで組み合わせ、一致した特徴量の割合が最大となるような幾何変換行列を求め、単位点群に適用する。
この手法は、以下の手順で複数の単位点群を位置合わせ処理する。
はじめに、建造物（ここでの説明においては、計測用マーカと読み替えるものとする。）の特徴部分を表す点列を抽出するために、隣接する２点間の奥行き値の差分が大きい点列を抽出する。抽出した点列を直線的な特徴量ごとに複数のセグメントに分割し、各セグメントを線分で近似することで特徴線を生成する。次に、二つの単位点群間で、線分の長さが同じ特徴線のペアを全て求め、ペアが一致するような幾何変換行列を求める。ペアに対する幾何変換が適切であるか評価し、最適な幾何変換行列を求め単位点群に適用する。本手法では、奥行き値の差分を用いて特徴線を求めており、アルゴリズムが単純であるため、実装が容易である。

次いで、非特許文献４で提案している、平面性に基づいた測定点群の階層的な領域分割による稜線抽出法について説明する。
この手法は、位置合わせ処理を安定的に行うため、非特許文献３で得られた特徴線に追加する形で、同一の単位点群から稜線（内部特徴線）を抽出するものである。
この建造物（ここでの説明においても、計測用マーカと読み替えるものとする。）の稜線を表す特徴線の抽出法は、非特許文献３の手法で抽出した特徴線を用いて、測定点群を階層的に領域分割し、隣接する二つの領域の境界線として線分を生成することで、稜線を表す内部特徴線を抽出する。
モデリング生成部１５の説明について、以下では非特許文献３と４の手法の一部を加えて説明するものとする。

位置合わせのために、図４に示すような、計測用マーカ１６をガラステーブル１１上に設置し、計測対象物である複数の遺物Ｒ１〜Ｒ４と一緒に計測する。なお、寸法・形状は一例に過ぎない。
各レーザ計測装置で計測された三次元座標の単位点群から、計測用マーカ１６に相当する点群を切り出し、計測用マーカを表す複数の点群を位置合わせする。

〔計測用マーカからの特徴抽出〕
計測用マーカ１６を計測した単位点群からの特徴抽出法について述べる。
三方向に配置される各レーザ計測装置を基準にした座標系として得られる単位点群は、同一の三次元空間に位置合わせする必要がある。そこで、各単位点群から特徴線を抽出し、各特徴線を同一の三次元空間への位置合わせに利用する。

具体的には、以下に示す手順により各単位点群から特徴線を抽出する。
手順１．隣接する点との奥行き値の差分を利用して、形状の輪郭線を表す点列を抽出する。
手順２．平均方向ベクトルを用いて、角を表す部分を抽出し、輪郭線を表す点列をグループ化する。
手順３．グループ化した各点列を直線で補間する。その後、点列の端点を利用して、線分を生成する。ここで生成された線分が特徴線であり位置合わせに利用される。
手順４．グループ化した点列と隣接する点列を利用して、直線がのる平面を定義する。ここで定義された平面は、内部特徴線を抽出する際に利用される。
手順５．手順３で抽出した線分に隣接する点群を開始点として、手順４で定義した平面にのる点群を探索する。
手順６．隣接する平面同士の交線を算出して、交線の近傍の点群を交線に射影することで、線分を得る。ここで得られた線分は、内部特徴線となる。

以下では、手順１から６までの各項目について説明する。
計測した単位点群から対象物の特徴部分を表す点列を抽出するために、隣接する２点間で奥行き方向の差分が大きい点列を抽出する。図５は、抽出した輪郭線を構成する点列である。

次に、抽出した点列の直線的な特徴部分を線分として表すために、複数のグループに分割する。具体的には、特徴部分を表す点列を順にたどり、平均方向ベクトルに着目し、方向が急激に変化する点を分割点とする。

また、二つの分割点を端点として、その端点間にある特徴部分を表す点列を一つのグループとし、グループ化する。図６の丸で囲まれた点を拡大した図中の矢印で示した点が分割点である。
端点間にある点列を線分化するために、グループ化した点列を直線で近似する。グループ化した点列からの距離が最短となる無限直線で近似し、線分を生成する。生成した線分を特徴線とし、位置合わせに利用する。

次に、内部特徴線を生成する。
位置合わせの前処理として特徴線の近傍に無限平面を想定し、その無限平面の法線ベクトルを基に、特徴線上に局所的な座標軸を設定する。そこで、想定した平面の法線ベクトルと、探索する点の接平面の法線ベクトルのなす角度を比較し、特徴線を構成する点列を開始点として、平面にのる点群を探索する。

点群を複数の平面領域に分割したので、隣接する平面領域に着目し、交線を算出する。二つの平面の単位法線ベクトルと重心を用い、無限直線を算出する。求めた無限直線の近傍の点群を二つの平面領域に属する点群からそれぞれ抽出し、無限直線へ射影する。

計測用マーカ１６に、複数の平面領域に分割する手法を適用すると、特徴線を構成するのに不要な点列まで抽出されてしまう。これは無限直線が平面領域内部を横切ってしまうことが原因である。そこで、無限直線の算出後に次の処理を加え、内部特徴線を構成する点列を抽出する。
手順１．図７に示すように、平面領域Ａに属する単位点群のみを用いて、特徴線を算出する。
手順２．平面領域Ｂに対しても、同様に特徴線を算出する。
手順３．手順１、２で算出した二つの特徴線の長さを比較し、短い方を基準となる特徴線とする。
手順４．図８に示すように、手順３で決定した基準となる特徴線を構成する点列Ｑ_ｊとの距離が、最短となる点列ペアを点列Ｐ_ｉから選出し、特徴線を構成する点列に加える。図中の黒丸（●）が、ペアに選出された点列である。

特徴線を構成する点列を線分化するために、線分の長さが最長となる点を端点として算出する。生成した線分を内部特徴線とし、位置合わせに利用する。生成した特徴線を示した結果が図９である。

〔計測用マーカの位置合わせ〕
計測用マーカの単位点群から特徴線を抽出し、特徴線がもっとも一致する姿勢を得る。図１０は、計測手順を示す図である。
この図において単位点群は三つあるので、まず上から計測した第１の単位点群と第２の単位点群の位置合わせを行い、特徴線群（１，２）を出力する。
次に、第３の単位点群の特徴線群３を求めた後、特徴線群（１，２）と特徴線群３の位置合わせを行う。
このようにすることで、レーザ計測装置を増設した場合でも、同様の手順で単位点群を位置合わせすることが可能となる。

〔遺物の単位点群の抽出〕
各レーザ計測装置から得られた単位点群を幾何変換することで、三方向から計測した単位点群を自動的に位置合わせすることが可能となる。ガラステーブル１１に並べられた遺物を計測した単位点群は、遺物毎の単位点群として分離する必要がある。

位置合わせされた単位点群から、遺物を表す単位点群を抽出する手法について説明する。
単位点群には、遺物を表す単位点群、ガラステーブル上を計測したノイズ単位点群、計測範囲外を測ったときに出力されるレンジオーバー単位点群が含まれている。
まず、レンジオーバー単位点群の除去であるが、出力レンジは固定であるので、出力レンジ（本発明で用いたレーザ計測装置では０ｍｍ〜８０ｍｍ）の範囲外のデータを除去することで実現できる。
次に、ノイズ単位点群の除去であるが、このノイズは遺物の表面積に比べて、より広い面積に及ぶことは無いので、非特許文献６に記載されている画像処理手法のラベリングを適用することで実現可能である。

〔実験例１〕
上記実施形態の提案システムの効果を確認するために、ガラステーブル１１の上に、図１１に示す四つの石器Ｒ１〜Ｒ４（Ｒ１は右上のもの、Ｒ４は左下のもの。）と、計測用マーカ１６を並べて計測した。計測ピッチは０．２ｍｍとした。
図１２に四つの石器Ｒ１〜Ｒ４についての計測結果のレリーフを示す。図１２（ａ）はレーザ計測装置１２で取得したレリーフ、図１２（ｂ）はレーザ計測装置１３で取得したレリーフ、図１２（ｃ）はレーザ計測装置１４で取得したレリーフを示す。
次に、この計測データから各石器の計測点群を抽出した。そして、抽出した石器のうち、図１１の右上の石器Ｒ１について位置合わせを行った。
図１３に位置合わせ結果を示す。図１３（ａ）は、レーザ計測装置１３で取得したレリーフを示す。図１３（ｂ）は、（ａ）のレリーフに対して、レーザ計測装置１２で取得したレリーフを位置合わせして重ねたレリーフを示す。図１３（ｃ）は、（ｂ）のレリーフにレーザ計測装置１４で取得したレリーフを位置合わせして重ねたレリーフを示す。

１０…レーザ計測装置を用いて被計測物を複数方向から同時計測するシステム
１１…ガラステーブル
１２…第１のレーザ計測装置
１３…第２のレーザ計測装置
１４…第３のレーザ計測装置
１５…モデリング生成部
１６…計測用マーカ
１７ｇ…センサ支持用アーム
Ｒ１〜Ｒ４石器（遺物：被計測物）

Claims

水平に設置されたガラステーブルと、
上記ガラステーブルの上に載置される複数の被計測物及び計測用マーカに対し、上下方向からレーザを照射し上記複数の被計測物及び計測用マーカの三次元座標の計測データを取得する複数のレーザ計測装置と、
上記複数のレーザ計測装置でそれぞれ得られた電気信号を入力し演算してレーザ計測装置毎の複数の被計測物及び計測用マーカに関する対象物表面を覆う単位点群を取得し、計測用マーカの単位点群について各特徴線を抽出し、計測用マーカに関する特徴線について位置合わせを行い、幾何変換行列を獲得した後で、各レーザ計測装置から得られた単位点群を幾何変換して統合データを取得し、ラベリング技術を用いて被計測物毎の統合データに分離してメモリに記憶するモデリング生成部と、
を有してなることを特徴とする、レーザ計測装置を用いて被計測物を複数方向から同時計測するシステム。
前記レーザ計測装置が、
上記ガラステーブルの上に載置される複数の被計測物及び計測用マーカに対しレーザを所定角度の斜め下向きに照射し複数の被計測物及び計測用マーカの三次元座標の計測データを取得する第１のレーザ計測装置と、
上記複数の被計測物及び計測用マーカに対しレーザを所定角度の斜め下向きにかつ上記第１のレーザ計測装置とは逆向きに照射し複数の被計測物及び計測用マーカの三次元座標の計測データを取得する第２のレーザ計測装置と、
上記複数の被計測物及び計測用マーカに対しレーザをガラステーブルの下側から垂直上向きに照射し複数の被計測物及び計測用マーカの三次元座標の計測データを取得する第３のレーザ計測装置と、
を有してなる請求項１に記載の、レーザ計測装置を用いて被計測物を複数方向から同時計測するシステム。
前記第１〜第３のレーザ計測装置が、コ字形のセンサ支持用アームに位置及び姿勢を調整自在に支持され、上記センサ支持用アームが前記ガラステーブルを挟む位置に移動することにより、上記第１〜第３のレーザ計測装置が、前記ガラステーブルの上に載置される前記複数の被計測物及び前記計測用マーカに対して計測可能な位置に移動するように構成されている、請求項１又は２に記載のレーザ計測装置を用いて被計測物を複数方向から同時計測するシステム。
前記モデリング生成部が、位置合わせの前処理として、前記単位点群を複数の平面領域に分割し、無限直線を算出してから、内部特徴線を構成する点列を抽出するように構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ計測装置を用いて被計測物を複数方向から同時計測するシステム。