JP5620200B2 - Point cloud position data processing device, point cloud position data processing method, point cloud position data processing system, and point cloud position data processing program - Google Patents
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Description
本発明は、三次元点群位置データ処理技術に係り、異なる視点から得た三次元点群位置データの統合を効率よく行う技術に関する。 The present invention relates to a three-dimensional point cloud position data processing technique, and more particularly to a technique for efficiently integrating three-dimensional point cloud position data obtained from different viewpoints.
測定対象物の三次元点群位置データから三次元形状を生成する技術が知られている。三次元点群位置データでは、二次元画像と三次元座標とが結び付けられている。すなわち、三次元点群位置データでは、測定対象物の二次元画像のデータと、この二次元画像に対応付けされた複数の測定点(点群)と、この複数の測定点の三次元空間中の位置(三次元座標)とが関連付けされている。三次元点群位置データによれば、点の集合により測定対象物の外形を再現した三次元モデルを得ることができる。また、各点の三次元座標が判るので、各点の三次元空間中における相対位置関係が把握でき、画面表示した三次元モデルの画像を回転させたり、異なる視点から見た画像に切り替えたりする処理が可能となる。 A technique for generating a three-dimensional shape from three-dimensional point cloud position data of a measurement object is known. In the three-dimensional point cloud position data, a two-dimensional image and a three-dimensional coordinate are linked. That is, in the three-dimensional point cloud position data, the data of the two-dimensional image of the measurement object, a plurality of measurement points (point cloud) associated with the two-dimensional image, and the three-dimensional space of the plurality of measurement points in the three-dimensional space. Are associated with each other (three-dimensional coordinates). According to the three-dimensional point cloud position data, it is possible to obtain a three-dimensional model that reproduces the outer shape of the measurement object using a set of points. In addition, since the three-dimensional coordinates of each point are known, the relative positional relationship of each point in the three-dimensional space can be grasped, and the image of the three-dimensional model displayed on the screen can be rotated or switched to an image viewed from a different viewpoint. Processing is possible.
例えば、特許文献1に記載の発明では、走査レーザー装置が三次元対象を走査して、ポイントクラウドを生成する。ポイントクラウドは、走査点に関する深さと法線の変化に基づいて、エッジポイントと非エッジポイントのグループに分割される。各グループを幾何学的原図にフィットさせ、フィットした幾何学的原図を拡張、交差させることで、三次元形状を生成する。
For example, in the invention described in
特許文献2に記載の発明では、三次元点群位置データからセグメント(三角ポリゴン)を形成し、隣接するポリゴン同士の連続性、法線方向、または距離に基づき、エッジおよび面を抽出する。また、各セグメントの三次元点群位置データの平面性または曲面性を、最小二乗法を用いて、平面方程式または曲面方程式に置き換え、グループ分けを行い、三次元形状を生成する。
In the invention described in
特許文献3に記載の発明では、三次元点群位置データに対して二次元矩形領域を設定し、その矩形領域に対応する測定点の合成法線ベクトルを求める。そして合成法線ベクトルがZ軸方向と一致するように、矩形領域内の全ての計測点を回転移動する。更に矩形領域内の各計測点についてZ値の標準偏差σを求め、標準偏差σが所定値を超えた場合、矩形領域の中心点と対応する計測点をノイズとして取り扱う。
In the invention described in
レーザースキャナを用いて三次元点群位置データを得る場合、レーザースキャナから見て、ある対象物の背後の部分の三次元点群位置データは、影となるので取得できない。この影の部分が生じる現象をオクルージョンという。この影となる取得できなかった部分の三次元点群位置データは、以前は影であった部分にレーザー光を当てることができる位置に視点を変更し、再度のスキャニングを行うことで得ることができる。 When three-dimensional point cloud position data is obtained using a laser scanner, the three-dimensional point cloud position data behind a certain object cannot be obtained because it becomes a shadow as viewed from the laser scanner. The phenomenon in which this shadow occurs is called occlusion. The 3D point cloud position data of the part that could not be acquired as a shadow can be obtained by changing the viewpoint to a position where the laser beam can be applied to the part that was previously a shadow, and performing another scanning. it can.
しかしながら、この方法によってオクルージョンを解消するには、2つの視点から得られたそれぞれ数万点〜数億点にもなる三次元点群位置データを共通の座標系で取り扱うための位置合わせを行う処理が必要となる。この処理は、煩雑であり、また長い処理時間が必要となる。このような背景において、本発明は、異なる視点から得た三次元点群位置データを扱うための処理を効率化する技術を提供することを目的とする。 However, in order to eliminate occlusion by this method, a process for performing alignment for handling tens of thousands to hundreds of millions of 3D point cloud position data obtained from two viewpoints in a common coordinate system. Is required. This process is complicated and requires a long processing time. In such a background, an object of the present invention is to provide a technique for improving the efficiency of processing for handling three-dimensional point cloud position data obtained from different viewpoints.
請求項1に記載の発明は、第1の視点における測定対象物の三次元点群位置データを取得する点群位置データ取得部と、前記第1の視点と異なる第2の視点における前記測定対象物の画像データを取得する画像データ取得部と、前記第1の視点から見た前記測定対象物と前記第2の視点から見た前記測定対象物との画像上の共通の領域における対応点を指定する対応点指定部と、前記第1の視点における前記対応点の前記三次元点群位置データと前記第2の視点における前記対応点の画面座標値との対応関係を特定することで、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行う座標演算部とを備えることを特徴とする点群位置データ処理装置である。
The invention according to
上記の発明において、画像上の共通の領域というのは、第1の視点から見た場合と第2の視点から見た場合における測定対象物の同じ部分(重複して見える部分)のことである。ここで比較の対象となる画像は、撮影することで得られた画像同士、第1の視点から見た三次元モデルの画像と第2の視点から見た撮影画像の組み合わせが挙げられる。なお、第1の視点から撮影した画像の代わりに、第1の視点で得た三次元点群位置データを画素情報として利用した画像を利用することもできる。また、第1の視点から撮影した画像と第1の視点で得た三次元点群位置データに基づく三次元モデルとを組み合わせた画像を第1の視点から見た画像として利用することもできる。 In the above invention, the common area on the image is the same part of the measurement object (a part that appears to overlap) when viewed from the first viewpoint and when viewed from the second viewpoint. . The images to be compared here include a combination of images obtained by photographing, a three-dimensional model image viewed from the first viewpoint, and a captured image viewed from the second viewpoint. Note that an image using the three-dimensional point cloud position data obtained from the first viewpoint as pixel information can be used instead of the image photographed from the first viewpoint. Further, an image obtained by combining an image photographed from the first viewpoint and a three-dimensional model based on the three-dimensional point cloud position data obtained from the first viewpoint can be used as an image viewed from the first viewpoint.
ここで、三次元点群位置データは、測定対象物の各測定点における三次元座標データを含んでいる。三次元座標を表示する座標系は、直交座標系または極座標系が採用される。画像データは、CCD等による撮影により得られた画像のデータ、または三次元点群位置データを取得する際に得られた各測定点からの反射光の強度、各測定点の色や濃度の情報に基づいて画素を構成した画像のデータのことをいう。 Here, the three-dimensional point group position data includes three-dimensional coordinate data at each measurement point of the measurement object. An orthogonal coordinate system or a polar coordinate system is adopted as a coordinate system for displaying three-dimensional coordinates. The image data is image data obtained by photographing with a CCD or the like, or information on the intensity of reflected light from each measurement point and the color and density of each measurement point obtained when acquiring three-dimensional point cloud position data. This is image data in which pixels are configured based on the above.
本発明では、この共通の領域において対応点を指定し、この対応点における第1の視点から得られた測定対象物の三次元点群位置データと第2の視点から得られた測定対象物の画面座標値(画面中における画像を構成する画像要素の座標データ)に基づいて、第2の視点の三次元座標が算出される。ここで、第2の視点の三次元座標は、第1の視点から得た三次元点群位置データを取り扱う座標系に関連付けされた三次元位置として算出される。第1の視点から得た三次元点群位置データを取り扱う座標系に関連付けされた三次元位置というのは、第1の視点から得た三次元点群位置データを取り扱う座標系上で特定することが可能な三次元座標の値のことである。この関連付けは、直接的なものであってもよいし、何らかの変換式を介したものであってもよい。 In the present invention, corresponding points are designated in the common area, and the three-dimensional point cloud position data of the measuring object obtained from the first viewpoint at the corresponding points and the measuring object obtained from the second viewpoint are used. Based on the screen coordinate values (coordinate data of image elements constituting the image on the screen), the three-dimensional coordinates of the second viewpoint are calculated. Here, the three-dimensional coordinate of the second viewpoint is calculated as a three-dimensional position associated with a coordinate system that handles the three-dimensional point cloud position data obtained from the first viewpoint. The 3D position associated with the coordinate system that handles the 3D point cloud position data obtained from the first viewpoint is specified on the coordinate system that handles the 3D point cloud position data obtained from the first viewpoint. It is the value of 3D coordinates that can be. This association may be direct or via some conversion formula.
測定対象物全体の三次元点群位置データの取得は、測定対象物が大規模になるほど時間がかり、またその処理に要する時間も長くなる。請求項1に記載の発明によれば、第2の視点からの三次元点群位置データの取得を行う前の段階で、第2の視点から撮影することで得た画像データおよび第1の視点から得た三次元点群位置データに基づき、この三次元点群位置データを取り扱う座標系に関連付けて特定が可能な第2の視点の位置が算出される。この構成によれば、第1の視点で用いた座標系上で第2の視点の位置を特定することが可能となる。このため、後に第2の視点から得た当該測定対象物の三次元点群位置データと、既に求められている第1の視点からの三次元点群位置データとの位置合わせが、この2つの三次元点群位置データ同士を比較しての位置合わせの場合に比較して容易となる。 The acquisition of the three-dimensional point cloud position data of the entire measurement object takes longer as the measurement object becomes larger, and the time required for the processing becomes longer. According to the first aspect of the present invention, the image data obtained by shooting from the second viewpoint and the first viewpoint before obtaining the three-dimensional point cloud position data from the second viewpoint. Based on the three-dimensional point group position data obtained from the above, the position of the second viewpoint that can be specified in association with the coordinate system that handles the three-dimensional point group position data is calculated. According to this configuration, it is possible to specify the position of the second viewpoint on the coordinate system used for the first viewpoint. For this reason, the alignment of the 3D point cloud position data of the measurement object obtained from the second viewpoint later with the 3D point cloud position data already obtained from the first viewpoint is the two alignments. This is easier than in the case of alignment by comparing the three-dimensional point cloud position data.
すなわち、第1の視点において取得した当該測定対象物の三次元点群位置データと、第2の視点において取得した当該測定対象物の三次元点群位置データとを統合的に取り扱う場合、2つの三次元点群位置データ同士を比較し、その対応関係を明確にし、一方の三次元点群位置データの一つが、他方の三次元点群位置データのどれに対応するかを明らかにしておく必要がある。本発明の構成を採用しない場合、両視点からの三次元点群位置データを取得し、その後に両三次元点群位置データ同士を比較し、両者の対応関係を算出することになる。しかしながら、この方法は第2の視点からの膨大な数の三次元点群位置データを取得する手間と時間が必要であり、更にその後の三次元点群位置データ同士を比較しての膨大な演算が必要となる。 That is, when the 3D point cloud position data of the measurement object acquired at the first viewpoint and the 3D point cloud position data of the measurement object acquired at the second viewpoint are handled in an integrated manner, It is necessary to compare the 3D point cloud position data, clarify the correspondence, and clarify which one of the 3D point cloud position data corresponds to the other 3D point cloud position data. There is. When the configuration of the present invention is not adopted, three-dimensional point cloud position data from both viewpoints is acquired, and thereafter, both the three-dimensional point cloud position data are compared with each other to calculate the correspondence between them. However, this method requires time and effort to acquire a huge number of three-dimensional point cloud position data from the second viewpoint, and further, enormous calculation by comparing the subsequent three-dimensional point cloud position data. Is required.
本発明によれば、対応点を指定することで、第2の視点からの撮影(これは三次元点群位置データの取得に比較すれば、一瞬の作業である)によって得た画像データにおける画面座標と第1の視点において得られた三次元点群位置データとに基づき、第2の視点の座標が、第1の視点における座標系上で特定される。他方で、第2の視点から得た三次元点群位置データは、第2の視点の座標と関連付けがされたものとして取得される(例えば、第2の視点を原点として)。よって、当該測定対象物の第2の視点からの三次元点群位置データの取得の際に、予め第2の視点の位置が第1の視点で得られた三次元点群位置データを取り扱うための座標系に関連付けされていると、1から両三次元点群位置データ同士を比較する場合に比較して、両三次元点群位置データ間の対応関係を求める処理が簡素化される。 According to the present invention, the screen in the image data obtained by shooting from the second viewpoint (this is a momentary work compared to the acquisition of the 3D point cloud position data) by designating the corresponding points. Based on the coordinates and the three-dimensional point cloud position data obtained at the first viewpoint, the coordinates of the second viewpoint are specified on the coordinate system at the first viewpoint. On the other hand, the 3D point cloud position data obtained from the second viewpoint is acquired as being associated with the coordinates of the second viewpoint (for example, using the second viewpoint as the origin). Therefore, when acquiring the 3D point cloud position data from the second viewpoint of the measurement object, to handle the 3D point cloud position data in which the position of the second viewpoint is obtained in advance from the first viewpoint. If the three-dimensional point group position data are compared with each other, the processing for obtaining the correspondence between the three-dimensional point group position data is simplified as compared with the case where the two three-dimensional point group position data are compared with each other.
第1の視点における座標系に関連付けされた第2の視点の三次元位置の算出は、まず第1の視点と第2の視点との対応関係を算出し、この対応関係に基づき、第2の視点の位置を第1の視点における座標系に関連付ける(例えば、第1の視点の座標系上における第2の視点の位置を特定する)ことで行われる。この対応関係を算出する手法として、単写真標定、相互標定、絶対標定が挙げられる。これら手法は、複数を組み合わせて利用することもできる。 The calculation of the three-dimensional position of the second viewpoint associated with the coordinate system in the first viewpoint first calculates the correspondence between the first viewpoint and the second viewpoint, and based on this correspondence, This is performed by associating the position of the viewpoint with the coordinate system of the first viewpoint (for example, specifying the position of the second viewpoint on the coordinate system of the first viewpoint). Examples of the method for calculating the correspondence include single photo orientation, mutual orientation, and absolute orientation. These methods can also be used in combination.
なお、演算に必要な対応点の数は、手法によって異なる。例えば、絶対標定であれば3点以上であり、単写真標定であれば4点以上であり、相互標定であれば6点以上が必要とされる。また、対応点を自動で検出、特定するのに、ステレオマッチング法を利用できる。この場合は自動である程度の数の対応点が取得できる。 Note that the number of corresponding points required for the calculation varies depending on the method. For example, 3 or more points are required for absolute orientation, 4 or more for single photo orientation, and 6 or more for relative orientation. In addition, a stereo matching method can be used to automatically detect and identify corresponding points. In this case, a certain number of corresponding points can be acquired automatically.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1の視点から得られた前記測定対象物の三次元点群位置データに基づき、または前記第1の視点から得られた前記測定対象物の三次元点群位置データと前記第2の視点から得られた前記測定対象物の三次元点群位置データとに基づき、前記第2の視点から見た前記測定対象物の三次元モデルを形成する三次元モデル形成部を備えることを特徴とする。
The invention according to
請求項2に記載の発明によれば、第2の視点から見た測定対象物の三次元モデルを得ることができる。ここで、三次元モデルというのは、輪郭の情報に基づいて作成された三次元に表現された線図(対象物の輪郭を三次元的に表現した図)のことをいう。ここで第2の視点から見た三次元モデルには、前記第1の視点から得られた測定対象物の三次元点群位置データに基づく三次元モデルと、第1の視点から得られた測定対象物の三次元点群位置データと第2の視点から得られた測定対象物の三次元点群位置データとに基づく三次元モデルの2つがある。前者の三次元モデルは、第2の視点からの三次元点群位置データが抜けているので、第1の視点においてオクルージョンとる部分の三次元モデルが欠損した状態となる。後者の三次元モデルは、第1の視点ではオクルージョンとなるが、第2の視点からはオクルージョンとならない部分の三次元モデルの部分が得られる。 According to the second aspect of the present invention, a three-dimensional model of the measurement object viewed from the second viewpoint can be obtained. Here, the three-dimensional model means a three-dimensional diagram (three-dimensional representation of the contour of the object) created based on the contour information. Here, the three-dimensional model viewed from the second viewpoint includes the three-dimensional model based on the three-dimensional point cloud position data of the measurement object obtained from the first viewpoint, and the measurement obtained from the first viewpoint. There are two types of three-dimensional models based on the three-dimensional point cloud position data of the object and the three-dimensional point cloud position data of the measurement object obtained from the second viewpoint. In the former three-dimensional model, since the three-dimensional point cloud position data from the second viewpoint is missing, the part of the three-dimensional model that is occluded in the first viewpoint is lost. The latter three-dimensional model is occluded from the first viewpoint, but a portion of the three-dimensional model that is not occluded from the second viewpoint is obtained.
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記三次元モデル形成部は、前記第1の視点から得られた前記測定対象物の三次元点群位置データに基づく三次元モデルである第1視点三次元モデルを形成し、前記第1視点三次元モデル、あるいは前記第1の視点から得られた前記測定対象物の画像である第1視点画像と前記第2の視点から得られた画像である第2視点画像とを表示すると共に、前記第1視点三次元モデル、前記第1視点画像および前記第2視点画像の少なくとも一つにおいて、前記対応点を表示する制御を行う表示制御部を備えることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the three-dimensional model forming unit is a three-dimensional unit based on three-dimensional point cloud position data of the measurement object obtained from the first viewpoint. A first viewpoint three-dimensional model that is a model is formed, and the first viewpoint three-dimensional model or the first viewpoint image that is an image of the measurement object obtained from the first viewpoint and the second viewpoint. The second viewpoint image that is the obtained image is displayed, and control is performed to display the corresponding point in at least one of the first viewpoint three-dimensional model, the first viewpoint image, and the second viewpoint image. A display control unit is provided.
請求項3に記載の発明によれば、液晶ディスプレイ等の画像表示装置上への第1の視点から見た測定対象物の画像または三次元モデルの表示、更に第2の視点から見た測定対象物の画像の表示、およびその中の少なくとも一つにおける対応点の表示が行われる。この構成によれば、ユーザが対応点の位置や両視点から測定対象物を見た場合の見た目の状態を視覚的に把握することができる。このため、対応点の手動での指定や、対応点の自動設定が上手くゆかない場合の対処をより迅速に操作性よく行うことができる。
According to the invention described in
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発明において、前記対応点指定部は、前記第1の視点において得られた前記測定対象物の三次元点群位置データに基づいて前記対応点を検出する対応点検出部を備えることを特徴とする。請求項4に記載の発明によれば、演算により特徴点を検出することができる。
The invention according to
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか一項に記おいて、前記対応点指定部における対応点の指定は、前記第1の視点から得られた画像と第2の視点から得られた画像との間で、ステレオマッチングを行うことで実行されることを特徴とする。
Invention of
請求項6に記載の発明は、請求項4または5に記載の発明において、前記対応点検出部は、前記測定対象物の特徴点となる部分を前記対応点として検出することを特徴とする。上述したように、対応点を用いて対応関係を求める処理は、対応点が特徴点として有効に機能する場合により効率よく行える。例えば、測定対象物の輪郭となる部分は、対象物の外観を特徴付ける部分であり、特徴点として機能する。したがって、特徴点となる部分を算出し、その部分を対応点することで、処理を効率化することができる。特徴点は、測定対象物のエッジ部分、凸の部分、凹の部分といった視覚的に目に付き易い部分である。特徴点は、平面と見なせない程度が局所的に大きくなっている部分として数学的に検出される。
The invention according to
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の発明において、前記点群位置データ取得部は、前記対応点が指定された場合にこの指定された対応点を含む周辺部分の三次元点群位置データを前記第2の視点において取得し、この取得された三次元点群位置データに基づいて前記特徴点の算出が行われ、この算出に基づいて前記指定された対応点の特定が行われることを特徴とする。
The invention according to
請求項7に記載の発明によれば、指定された部分を含む周辺部分の三次元点群位置データの取得が第2の視点において行われ、この部分的に取得された三次元点群位置データに基づいて、その領域における特徴点として対応点が算出される。このため、指定された対応点が特徴点からずれていても、最終的に取得される対応点を特徴点とすることができ、対応点を用いた対応関係の算出における効率と精度を高めることができる。またこの発明によれば、第2の視点において新たに取得される三次元点群位置データは、測定対象物の一部分のものでよい。このため、新たな三次元点群位置データの取得のための作業時間および取得した三次元点群位置データの処理時間の増加を抑えることができる。 According to the seventh aspect of the present invention, the acquisition of the three-dimensional point cloud position data of the peripheral portion including the designated portion is performed at the second viewpoint, and the partially acquired three-dimensional point cloud position data. Based on the above, corresponding points are calculated as feature points in the region. For this reason, even if the designated corresponding point deviates from the feature point, the finally obtained corresponding point can be used as the feature point, and the efficiency and accuracy in calculating the correspondence using the corresponding point can be improved. Can do. According to the invention, the 3D point cloud position data newly acquired at the second viewpoint may be a part of the measurement object. For this reason, it is possible to suppress an increase in work time for acquiring new 3D point cloud position data and processing time of the acquired 3D point cloud position data.
請求項8に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか一項に記載の発明において、前記座標演算部は、少なくとも3点における対応関係に基づき、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行うことを特徴とする。 The invention according to an eighth aspect is the invention according to any one of the first to seventh aspects, wherein the coordinate calculation unit is associated with the coordinate system at the first viewpoint based on a correspondence relation at at least three points. The calculation for obtaining the three-dimensional position of the second viewpoint is performed.
請求項9に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか一項に記載の発明において、前記点群位置データ取得部で取得される三次元点群位置データを測定するための点群位置データ測定光学系と、前記画像データの基となる画像を撮影する撮影光学系とを備え、前記点群位置データ測定光学系と前記撮影光学系とは同一軸回りに回動可能とされており、前記座標演算部は、少なくとも2点における対応関係に基づき、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行うことを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the point cloud position for measuring the three-dimensional point cloud position data acquired by the point cloud position data acquisition unit in the invention according to any one of
請求項10に記載の発明は、請求項1〜9のいずれか一項に記載の発明において、前記第1の視点の位置と前記第2の視点の位置とを特定するGPS部を備え、前記座標演算部は、前記GPS部で特定された前記第1の視点の位置と前記第2の視点の位置とに基づく演算を行うことを特徴とする。
The invention according to
請求項11に記載の発明は、第1の視点における測定対象物の三次元点群位置データを取得する点群位置データ取得ステップと、前記第1の視点と異なる第2の視点における前記測定対象物の画像データを取得する画像データ取得ステップと、前記第1の視点から見た前記測定対象物と前記第2の視点から見た前記測定対象物との画像上の共通の領域における対応点を指定する対応点指定ステップと、前記第1の視点における前記対応点の前記三次元点群位置データと前記第2の視点における前記対応点の画面座標値との対応関係を特定することで、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行う座標演算ステップとを備えることを特徴とする点群位置データ処理方法である。 The invention according to claim 11 is a point cloud position data acquisition step for acquiring three-dimensional point cloud position data of the measurement object at the first viewpoint, and the measurement object at a second viewpoint different from the first viewpoint. an image data acquisition step of acquiring image data of the object, the corresponding points in a common region on the image of the measurement object as viewed from the measurement object and the second viewpoint as seen from the first viewpoint By specifying the correspondence between the corresponding point designating step, the three-dimensional point group position data of the corresponding point at the first viewpoint and the screen coordinate value of the corresponding point at the second viewpoint , A point cloud position data processing method comprising: a coordinate calculation step for calculating a three-dimensional position of the second viewpoint associated with the coordinate system at the first viewpoint.
請求項12に記載の発明は、第1の視点における測定対象物の三次元点群位置データを取得する点群位置データ取得手段と、前記第1の視点と異なる第2の視点における前記測定対象物の画像データを取得する画像データ取得手段と、前記第1の視点から見た前記測定対象物と前記第2の視点から見た前記測定対象物との画像上の共通の領域における対応点を指定する対応点指定手段と、前記第1の視点における前記対応点の前記三次元点群位置データと前記第2の視点における前記対応点の画面座標値との対応関係を特定することで、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行う座標演算手段とを備えることを特徴とする点群位置データ処理システムである。 According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided point cloud position data acquisition means for acquiring three-dimensional point cloud position data of a measurement object at a first viewpoint, and the measurement object at a second viewpoint different from the first viewpoint. an image data acquisition means for acquiring image data of the object, the corresponding points in a common region on the image of the measurement object as viewed from the measurement object and the second viewpoint as seen from the first viewpoint By specifying a corresponding point specifying means, and a correspondence relationship between the three-dimensional point group position data of the corresponding point in the first viewpoint and the screen coordinate value of the corresponding point in the second viewpoint , A point cloud position data processing system comprising: coordinate calculation means for calculating a three-dimensional position of the second viewpoint associated with the coordinate system at the first viewpoint.
請求項13に記載の発明は、コンピュータに読み取らせて実行させるプログラムであって、コンピュータを第1の視点における測定対象物の三次元点群位置データを取得する点群位置データ取得部と、前記第1の視点と異なる第2の視点における前記測定対象物の画像データを取得する画像データ取得部と、前記第1の視点から見た前記測定対象物と前記第2の視点から見た前記測定対象物との画像上の共通の領域における対応点を指定する対応点指定部と、前記第1の視点における前記対応点の前記三次元点群位置データと前記第2の視点における前記対応点の画面座標値との対応関係を特定することで、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行う座標演算部として機能させることを特徴とする点群位置データ処理プログラムである。 The invention of claim 13 is a program to be executed is read by the computer, the point group location data acquisition unit for acquiring a three-dimensional point cloud position data of the measuring object in the first aspect of the computer, the the measuring viewed the image data acquisition unit for acquiring image data of the measurement object, and the measurement object as viewed from the first viewpoint from the second viewpoint in a second viewpoint different from the first viewpoint A corresponding point designating unit for designating corresponding points in a common area on the image with the object; the three-dimensional point cloud position data of the corresponding points at the first viewpoint; and the corresponding points at the second viewpoint. by identifying the correspondence between the screen coordinates, that function as the coordinate calculation unit which performs calculation for obtaining the three-dimensional position of the associated said second viewpoint coordinate system in the first aspect A point group location data processing program according to symptoms.
請求項1に記載の発明によれば、闇雲に三次元点群位置データ同士や画像データ同士を比較する場合に比較して、異なる視点から得た点群位置データを扱うための処理を効率化できる。 According to the first aspect of the present invention, the processing for handling point cloud position data obtained from different viewpoints is made more efficient than when comparing three-dimensional point cloud position data or image data with a dark cloud. it can.
請求項2に記載の発明によれば、一方の視点におけるオクルージョンを認識できる三次元モデルを得ることができる。また、2つ視点から得た三次元点群位置データに基づくことで、オクルージョンを減らした三次元モデルを得ることができる。
According to the invention described in
請求項3に記載の発明によれば、視覚的に把握し易い状態で対応点の指定を行うことができる。 According to the third aspect of the present invention, it is possible to specify the corresponding points in a state that is easy to visually grasp.
請求項4に記載の発明によれば、第1の視点において得られた三次元点群位置データを利用して対応点を検出するので、測定対象物の対応点として相応しい特徴を効果的に演算により得ることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the corresponding point is detected using the three-dimensional point cloud position data obtained at the first viewpoint, the characteristic suitable as the corresponding point of the measurement object is effectively calculated. Can be obtained.
請求項5に記載の発明によれば、対応点を演算により求めることができる。
According to invention of
請求項6に記載の発明によれば、特徴点を対応点とするので、対応関係を求める演算の効率をより高めることができる。 According to the sixth aspect of the invention, since the feature points are the corresponding points, the efficiency of the calculation for obtaining the correspondence can be further increased.
請求項7に記載の発明によれば、2つの視点を対応付ける対応点として、特徴部分をより確実に、更に対応関係がより明確となる点を設定することができる。 According to the seventh aspect of the present invention, it is possible to set the feature part more reliably and the point where the correspondence becomes clearer as the corresponding point for associating the two viewpoints.
請求項8に記載の発明によれば、3点の対応点の特定で標定が行える絶対標定を用いた対応関係の特定が可能となる。
According to the invention described in
請求項9に記載の発明によれば、対応点の数を減らすことができる。 According to the ninth aspect of the invention, the number of corresponding points can be reduced.
請求項10に記載の発明によれば、GPS情報にリンクさせた統合座標を得ることができる。 According to the tenth aspect of the present invention, integrated coordinates linked to GPS information can be obtained.
請求項11〜13に記載の発明によれば、請求項1の効果と同様の効果を得ることができる。
According to the invention described in claims 11 to 13 , the same effect as that of
1.第1の実施形態
以下、発明を利用した点群位置データ処理装置の一例について、図面を参照して説明する。図1には、点群位置データ処理装置100が示されている。点群位置データ処理装置100は、パーソナルコンピュータ上においてソフトウェア的に構成されている。点群位置データ処理装置100をパーソナルコンピュータ上で構成するプログラムは、パーソナルコンピュータ中にインストールされている。なお、このプログラムは、サーバや適当な記録媒体に記録しておき、そこから提供される形態であってもよい。
1. First Embodiment Hereinafter, an example of a point cloud position data processing apparatus using the invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a point cloud position
利用されるパーソナルコンピュータは、キーボートやタッチパネルディスプレイ等の入力部、液晶ディスプレイ等の画像表示装置、入力部と表示部を統合したユーザインターフェースであるGUI(グラフィカル・ユーザ・インターフェース)機能部、CPUおよびその他専用の演算デバイス、半導体メモリ、ハードディスク記憶部、光ディスク等の記憶媒体との間で情報のやり取りを行えるディスク記憶装置駆動部、USBメモリ等の携帯型記憶媒体との間で情報のやり取りを行えるインターフェース部、無線通信や有線通信を行う通信インターフェース部を必要に応じて備えている。なお、パーソナルコンピュータとしては、ノート型、携帯型、卓上型等の形態が挙げられるが、その形態は限定されない。また、汎用のパーソナルコンピュータを利用する以外に、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)や、FPGA(Field Programmable Gate Array)などのPLD(Programmable Logic Device)等を用いて構成した専用のハードウェアによって点群位置データ処理装置100を構成することも可能である。
The personal computer used is an input unit such as a keyboard or a touch panel display, an image display device such as a liquid crystal display, a GUI (graphical user interface) function unit that is a user interface integrating the input unit and the display unit, a CPU, and the like. Dedicated arithmetic device, semiconductor memory, hard disk storage unit, disk storage device drive unit capable of exchanging information with storage media such as optical disc, and interface capable of exchanging information with portable storage media such as USB memory And a communication interface unit for performing wireless communication and wired communication as necessary. The personal computer may be a notebook type, a portable type, a desktop type, or the like, but the form is not limited. In addition to using a general-purpose personal computer, the position of the point cloud can be determined by dedicated hardware configured using an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) or PLD (Programmable Logic Device) such as an FPGA (Field Programmable Gate Array). The
点群位置データ処理装置100には、点群位置データ取得装置101、画像取得装置102、GPS(Global Positioning System)装置103、画像表示装置104、操作入力装置105が接続されている。点群位置データ取得装置101は、後述するレーザースキャナである。点群位置データ取得装置101(レーザースキャナ)は、測定対象物にレーザ光を照射し、その反射光を検出することで三次元点群位置データを取得する。画像取得装置102は、CCDやCMOSイメージセンサを利用した撮影装置であり、三次元点群位置データの取得対象となる測定対象物の外観画像を撮影し、その画像データを取得する。点群位置データ取得装置101と画像取得装置102は、同じ方向に向くように一体化され、同一軸周りを回動可能とされている。
Connected to the point cloud position
GPS装置103は、ナビゲーションシステム等に利用されている位置特定装置であり、GPS信号を受信し、それに基づいて位置データを取得する。画像表示装置104は、点群位置データ処理装置100を構成するパーソナルコンピュータのディスプレイ(例えば、液晶ディスプレイ)である。操作入力装置105は、点群位置データ処理装置100を構成するパーソナルコンピュータの操作入力装置(キーボード、マウス入力装置等のポインティングデバイス)である。操作入力装置105は、画像表示装置104と連動して公知のGUI(Graphical User Interface)を利用しての点群位置データ処理装置100の操作が可能とされている。
The GPS device 103 is a position specifying device used in a navigation system or the like, receives a GPS signal, and acquires position data based on the GPS signal. The image display device 104 is a display (for example, a liquid crystal display) of a personal computer constituting the point cloud position
点群位置データ処理装置100は、点群位置データ取得部111、画像データ取得部112、共通領域指定部113、対応点指定部114、座標演算部117、三次元位置算出部118、表示制御部120を備えている。
The point cloud position
点群位置データ取得部111は、点群位置データ取得装置101から出力される三次元点群位置データを受け付け、それを点群位置データ取得装置100内に取り込む。画像データ取得部112は、画像取得装置102から出力される画像データを受け付け、点群位置データ取得装置100内に取り込む。
The point cloud position data acquisition unit 111 receives the three-dimensional point cloud position data output from the point cloud position data acquisition device 101 and imports it into the point cloud position
共通領域指定部113は、2つの視点から見た測定対象物の重複する部分、すなわち2つの視点から見て共通に見える測定対象物の部分を共通領域として指定する。共通領域の指定は、ユーザにより行われる。なお、異なる視点から得られた画像データ同士や三次元点群位置データ同士を比較することで、演算により共通領域を算出することも可能である。 The common area designating unit 113 designates, as a common area, an overlapping part of measurement objects viewed from two viewpoints, that is, a part of a measurement object that appears common when viewed from two viewpoints. The common area is designated by the user. In addition, it is also possible to calculate a common region by calculation by comparing image data obtained from different viewpoints or three-dimensional point cloud position data.
対応点指定部114は、対応点受け付け部115と対応点検出部116を備えている。対応点受け付け部115は、画像表示装置104上に表示された第1の視点からの三次元モデル(または撮影画像)と第2の視点からの撮影画像上でユーザのマニュアル操作によって行われる対応点の指定操作を受け付ける。この操作は、パーソナルコンピュータが備えたGUI機能を用いて行われる。対応点検出部116は、測定対象物のエッジ部分等の測定対象物を視認した際に特徴点として認識し易い部分を対応点として演算により検出する。この処理は、三次元モデル形成部119で行われる後述する演算を利用して行われる。 The corresponding point specifying unit 114 includes a corresponding point receiving unit 115 and a corresponding point detecting unit 116. The corresponding point receiving unit 115 is a corresponding point that is performed by a user's manual operation on the three-dimensional model (or captured image) from the first viewpoint displayed on the image display device 104 and the captured image from the second viewpoint. The specified operation is accepted. This operation is performed using a GUI function provided in the personal computer. The corresponding point detection unit 116 detects a portion that is easily recognized as a feature point when the measurement object such as an edge portion of the measurement object is visually recognized as a corresponding point by calculation. This process is performed using a calculation described later performed by the three-dimensional model forming unit 119.
また、対応点検出部116は、ステレオマッチングにより、対応点の自動検出を行うこともできる。この場合、第1の視点から得た測定対象物の画像データと第2の視点から得た測定対象物の画像データとを比較して、両者で一致する特徴の部分が対応点として算出される。ステレオマッチングの詳細については後述する。 The corresponding point detection unit 116 can also automatically detect corresponding points by stereo matching. In this case, the image data of the measurement object obtained from the first viewpoint is compared with the image data of the measurement object obtained from the second viewpoint, and a feature portion that matches the two is calculated as a corresponding point. . Details of the stereo matching will be described later.
座標演算部117は、第1の視点において取得した測定対象物の三次元点群位置データと、第1の視点とは異なる第2の視点において撮影により得た測定対象物の画像データとの対応関係を求める演算、この演算に関係する演算、および第1の視点から得た三次元点群位置データを取り扱う座標系(第1の視点から測定対象物を見た場合に用いられる座標系)の上における第2の視点の位置座標を算出する処理を行う。 The coordinate calculation unit 117 associates the three-dimensional point cloud position data of the measurement object acquired at the first viewpoint with the image data of the measurement object obtained by shooting at the second viewpoint different from the first viewpoint. A coordinate system (coordinate system used when viewing the measurement object from the first viewpoint) that calculates the relationship, the calculation related to this calculation, and the three-dimensional point cloud position data obtained from the first viewpoint A process of calculating the position coordinates of the second viewpoint above is performed.
座標演算部117は、三次元位置算出部118を備えている。三次元位置算出部118は、上述した対応関係に基づき、第1の視点から得た三次元点群位置データを取り扱う座標系における第2の視点の三次元座標の値を算出する。この演算の結果を利用することで、第1の視点において得た三次元点群位置データを第2の視点から測定対象物を見た向きの座標系で取り扱うことができる。また、後に第2の視点から得た三次元点群位置データと、第1の視点から得た三次元点群位置データとを統合的に扱うことができる。上記の対応関係を求める手法には、後述するように、「単写真標定」、「相互標定」、「絶対標定」が挙げられる。 The coordinate calculation unit 117 includes a three-dimensional position calculation unit 118. The three-dimensional position calculation unit 118 calculates the value of the three-dimensional coordinates of the second viewpoint in the coordinate system that handles the three-dimensional point group position data obtained from the first viewpoint, based on the correspondence relationship described above. By using the result of this calculation, the three-dimensional point cloud position data obtained at the first viewpoint can be handled in the coordinate system in the direction in which the measurement object is viewed from the second viewpoint. Further, 3D point cloud position data obtained from the second viewpoint later and 3D point cloud position data obtained from the first viewpoint can be handled in an integrated manner. Examples of the method for obtaining the correspondence relationship include “single photograph orientation”, “mutual orientation”, and “absolute orientation”, as will be described later.
三次元モデル形成部119は、点群位置データ取得部111が取得した三次元点群位置データに基づいて、三次元モデルを形成する。三次元モデル形成部119の機能の詳細については後述する。ここでいう三次元モデルというのは、測定対象物の輪郭線を線図として表現した測定対象物の三次元構造を視覚化した画像である。輪郭線というのは、測定対象物の外観を視覚的に把握するために必要な、当該測定対象物の外形を形作っている線(outline)のことである。具体的には、折れ曲がった部分や急激に曲率が小さくなっている部分が輪郭線となる。輪郭線は、外側の輪郭の部分のみが対象となるとは限らず、凸状に飛び出している部分を特徴付ける縁の部分や、凹状に引っ込んでいる部分(例えば、溝構造の部分)を特徴づける縁の部分も対象となる。輪郭線により所謂線図が得られ、対象物の外観が把握し易い画像表示を行うことができる。なお、三次元モデルには、上述した線の情報だけではなく、測定対象物の外観を視覚的に把握する際の特徴部分となる点の情報も含まれる。 The three-dimensional model formation unit 119 forms a three-dimensional model based on the three-dimensional point group position data acquired by the point group position data acquisition unit 111. Details of the function of the three-dimensional model forming unit 119 will be described later. The three-dimensional model here is an image obtained by visualizing the three-dimensional structure of the measurement object in which the outline of the measurement object is expressed as a diagram. The outline is an outline that forms the outline of the measurement object, which is necessary for visually grasping the appearance of the measurement object. Specifically, a bent portion or a portion where the curvature is rapidly reduced becomes a contour line. The contour line is not limited to the outer contour part, but the edge part that characterizes the protruding part of the convex part, or the edge that characterizes the concave part (for example, the part of the groove structure). The part of is also the target. A so-called diagram can be obtained from the contour line, and an image can be displayed so that the appearance of the object can be easily grasped. Note that the three-dimensional model includes not only the above-described line information but also information on points that are characteristic portions when the appearance of the measurement object is visually grasped.
表示制御部120は、画像表示装置104に測定対象物の撮影画像や三次元モデルを表示するための制御を行う。特に表示制御部120は、後述する図4、図5、図7に係る画像表示を画像表示装置104上で行う制御を行う。 The display control unit 120 performs control for displaying a captured image or a three-dimensional model of the measurement object on the image display device 104. In particular, the display control unit 120 performs control to perform image display according to FIGS. 4, 5, and 7 described later on the image display device 104.
(座標演算部)
以下、図1の座標演算部117について説明する。まず、説明の前提となる三次元点群位置データを測定する状態の具体的な一例を説明する。図2には、三次元点群位置データを測定する状況の一例が概念的に示されている。図2には、図1の点群位置データ処理装置100として機能するノート型のパーソナルコンピュータ130が示されている。パーソナルコンピュータ130には、点群位置データ取得装置の一例である三次元レーザースキャナ131が接続されている。図2には、測定を行う第1の視点となる第1の設置位置132に三次元レーザースキャナ131を配置して測定対象物134〜136の三次元点群位置データの取得および撮影による画像データの取得を行い、次に第2の視点となる第2の設置位置133に、三次元レーザースキャナ131を移動させ、そこで再度の三次元点群位置データおよび画像データの取得を行おうとする場合の例が示されている。なお、三次元レーザースキャナ131は、図1の点群位置データ取得装置101の機能に加えて、画像取得装置102、GPS装置103の機能を備えている。また、レーザースキャナ131の光軸を動かした際に、画像取得装置の光軸が同じ向きとなるように、両者が一体化された構造とされている。
(Coordinate calculation part)
Hereinafter, the coordinate calculation unit 117 of FIG. 1 will be described. First, a specific example of a state in which 3D point cloud position data, which is a premise for explanation, is measured is described. FIG. 2 conceptually shows an example of a situation in which 3D point cloud position data is measured. FIG. 2 shows a notebook personal computer 130 that functions as the point cloud position
図2には、第1の設置位置132に三次元レーザースキャナ131を配置した状況において、三次元レーザースキャナ131側から見て、手前側に測定対象物134が位置し、その背後(後ろ側)に測定対象物135が位置している状況が示されている。また、第1の設置位置132から見て、測定対象物134の背後に隠れる位置に測定対象物136が位置している状態が示されている。 In FIG. 2, in the situation where the three-dimensional laser scanner 131 is disposed at the first installation position 132, the measurement object 134 is positioned on the near side as viewed from the three-dimensional laser scanner 131 side, and behind (rear side) The situation where the measurement object 135 is located is shown in FIG. Further, a state in which the measurement object 136 is located at a position hidden behind the measurement object 134 when viewed from the first installation position 132 is shown.
以下、図2の状況を例に挙げ、座標演算部117の機能について説明する。この場合、座標演算部117は、三次元レーザースキャナ131を第1の設置位置132(第1の視点)に設置した場合に取得された測定対象物134〜136の三次元点群位置データと、三次元レーザースキャナ131を第2の設置位置133(第2の視点)に設置して撮影を行うことで得た画像データとの対応関係(相関関係)を求める。 Hereinafter, the function of the coordinate calculation unit 117 will be described by taking the situation of FIG. 2 as an example. In this case, the coordinate calculation unit 117 includes the three-dimensional point cloud position data of the measurement objects 134 to 136 acquired when the three-dimensional laser scanner 131 is installed at the first installation position 132 (first viewpoint); Correspondence (correlation) with image data obtained by setting the three-dimensional laser scanner 131 at the second installation position 133 (second viewpoint) and performing shooting is obtained.
上記の対応関係も求める方法として、「単写真標定」、「相互標定」、「絶対標定」、が挙げられる。これらの方法は、その一つを用いても良いし、複数を組み合わせて用いても良い。上記の対応関係を求める処理は、図2の第1の設置位置(第1の視点)132から測定対象物134〜136を見た場合に得られる測定対象物の三次元点群位置データを取り扱うのに利用される座標系(第1の座標系)(X、Y、Z)と、第2の設置位置(第2の視点)133から測定対象物134〜136を見た場合に得られる測定対象物の三次元点群位置データを取り扱うのに利用される座標系(第2の座標系)(x、y、z)との対応関係を明らかにする処理と捉えることができる。 Examples of the method for obtaining the above correspondence include “single photo orientation”, “mutual orientation”, and “absolute orientation”. One of these methods may be used, or a plurality of methods may be used in combination. The processing for obtaining the correspondence relationship handles the three-dimensional point cloud position data of the measurement object obtained when the measurement objects 134 to 136 are viewed from the first installation position (first viewpoint) 132 of FIG. Measurement obtained when the measurement objects 134 to 136 are viewed from the coordinate system (first coordinate system) (X, Y, Z) and the second installation position (second viewpoint) 133 used for This can be regarded as a process of clarifying the correspondence with the coordinate system (second coordinate system) (x, y, z) used for handling the three-dimensional point cloud position data of the object.
この処理では、まず第1の視点において得られた三次元点群位置データに基づく三次元モデルと第2の視点において前記画像データ取得部112で取得された画像データを用いて、両画像の対応する部分(対応点)の指定が行われる。次いで、この対応点を足がかりとして、上記標定を用いての両座標系の対応関係の特定が行われる。 In this process, first, a correspondence between both images is obtained by using a three-dimensional model based on the three-dimensional point cloud position data obtained at the first viewpoint and the image data obtained by the image data obtaining unit 112 at the second viewpoint. The part to be performed (corresponding point) is specified. Next, the correspondence between the two coordinate systems is specified using the orientation using the corresponding point as a step.
ところで、上述した標定を行う場合、各視点の位置が各座標系の原点となる。従って、第1の視点から得た三次元モデルと第2の視点から得た撮影画像との対応点を指定し、上述した標定により、両画像の対応点の間の対応関係を求めることで、第1の視点の座標系(第1の視点で得た三次元点群位置データを取り扱うための座標系)における第2の視点の三次元座標を知ることができる。 By the way, when performing the above-mentioned orientation, the position of each viewpoint becomes the origin of each coordinate system. Therefore, by designating the corresponding points between the three-dimensional model obtained from the first viewpoint and the captured image obtained from the second viewpoint, and obtaining the correspondence between the corresponding points of both images by the above-described orientation, It is possible to know the three-dimensional coordinates of the second viewpoint in the coordinate system of the first viewpoint (the coordinate system for handling the three-dimensional point cloud position data obtained from the first viewpoint).
通常、第2の視点から得た画像データは、点群位置データ取得部111で第2の視点からの三次元点群位置データを取得しないかぎりは、三次元点群位置データと組み付けされない。しかしながら、上記の方法のように、対応点を指定しての標定を用い、第1の視点からの三次元点群位置データに関連付けされた第2の視点の三次元座標(第2の視点の位置)を求める場合、第2視点から得た三次元点群位置データが必ずしも取得されている必要はない。 Normally, the image data obtained from the second viewpoint is not assembled with the three-dimensional point cloud position data unless the point cloud position data obtaining unit 111 obtains the three-dimensional point cloud position data from the second viewpoint. However, as in the above method, using the orientation by designating corresponding points, the three-dimensional coordinates of the second viewpoint associated with the three-dimensional point cloud position data from the first viewpoint (the second viewpoint) When obtaining (position), the 3D point cloud position data obtained from the second viewpoint is not necessarily acquired.
また、同様の処理を第1の視点において得た画像データと第2の視点において得た画像データに基づき行うこともできる。この場合、まず第1の視点において画像データ取得部112で取得された画像データと、第2の視点において前記画像データ取得部112で取得された画像データとを用いて、両画像の対応する部分(対応点)の指定が行われる。次いで、この対応点を足がかりとして、上記標定を用いての両座標系の対応関係の特定が行われる。 Similar processing can also be performed based on image data obtained at the first viewpoint and image data obtained at the second viewpoint. In this case, first, using the image data acquired by the image data acquisition unit 112 at the first viewpoint and the image data acquired by the image data acquisition unit 112 at the second viewpoint, corresponding portions of both images (Corresponding point) is specified. Next, the correspondence between the two coordinate systems is specified using the orientation using the corresponding point as a step.
ここで、既に取得されている第1の視点から得た画像データは、点群位置データ取得部111で取得された三次元点群位置データとその位置関係が組み付けされている。したがって、第1の視点からの画像データと第2の視点からの画像データとの間の対応点を指定することで、第2の視点における対応点と第1の視点から得た三次元点群位置データとの関係は簡単に分かる。そして標定を行うことで、第1の視点から得た三次元点群位置データを記述する座標系における第2の視点の三次元位置座標の算出が可能となる。 Here, the image data obtained from the already acquired first viewpoint is assembled with the three-dimensional point cloud position data obtained by the point cloud position data obtaining unit 111 and its positional relationship. Therefore, by designating the corresponding points between the image data from the first viewpoint and the image data from the second viewpoint, the corresponding points at the second viewpoint and the three-dimensional point group obtained from the first viewpoint The relationship with position data is easily understood. Then, by performing the orientation, it is possible to calculate the three-dimensional position coordinates of the second viewpoint in the coordinate system describing the three-dimensional point group position data obtained from the first viewpoint.
(単写真標定)
単写真標定とは、1枚の写真の中に写された基準点に成り立つ共線条件を用いて、写真を撮影したカメラの位置(X0、Y0、Z0)およびカメラの傾き(ω,φ,κ)を求め、写真座標x、yと地上座標X、Y、Zの間の関係を求める技術である。共線条件とは、投影中心、写真像および地上の対象物が一直線上にあるという条件である。また、カメラの位置(X0、Y0、Z0)とカメラの傾き(ω、φ、κ)は外部標定要素と呼ばれる。
(Single photo orientation)
Single photo orientation refers to the camera position (X0, Y0, Z0) and camera tilt (ω, φ, This is a technique for obtaining κ) and obtaining the relationship between the photographic coordinates x, y and the ground coordinates X, Y, Z. The collinear condition is a condition that the projection center, the photographic image, and the ground object are in a straight line. The camera position (X0, Y0, Z0) and the camera tilt (ω, φ, κ) are called external orientation elements.
ここでは、単写真標定の原理を用いて、第1の設置位置132(第1の視点)から対象物134〜136を見た場合の第1の座標系と、第2の設置位置133(第2の視点)から対象物134〜136を見た場合の第2の座標系との関係を求める方法を説明する。この場合、第1の設置位置において測定対象物134〜136の三次元点群位置データが取得されている状態で、第2の設置位置133から三次元レーザースキャナ131が備えている画像取得装置102(CCDカメラ)による画像の取得を行い、その上で以下の演算を行う。 Here, using the principle of single photograph orientation, the first coordinate system when the objects 134 to 136 are viewed from the first installation position 132 (first viewpoint) and the second installation position 133 (first). A method for obtaining the relationship with the second coordinate system when the objects 134 to 136 are viewed from the second viewpoint) will be described. In this case, the image acquisition device 102 provided in the 3D laser scanner 131 from the second installation position 133 in a state where the 3D point cloud position data of the measurement objects 134 to 136 are acquired at the first installation position. An image is acquired by the (CCD camera), and then the following calculation is performed.
まず、第1の座標系をX、Y、Z、第2の座標系をx、y、z、とし、第2の設置位置133において、画像取得装置102で撮影を行ったものとする。ここで、第1の設置位置132において得られた三次元点群位置データおよび第2の設置位置133から撮影した撮影画像の中から共通する4点を対応点として指定する。この対応点の選択は、以下の手順で行われる。まず共通領域指定部113の機能により、共通領域が指定される。更にこの指定された共通領域の中から、対応点指定部114の機能により、4点の対応点が指定される。この4点は、2つの座標系の対応関係を求める足掛かりとなる共通座標点であり、測定対象物の中から特徴点となる部分が選択される。この4点の選択を行う方法は、マニュアル操作によって行う方法や、対象物のエッジや角部分等の特徴点として把握し易い部分をソフトウェア的に自動抽出する方法、あるいはこの自動抽出された中から更にユーザがマニュアルで選択する方法が利用される。なお、単写真標定を用いた場合の対応点の指定は、5点以上であってもよいが、最低4点を指定することで、2つの座標系の対応関係を求めることができる。 First, it is assumed that the first coordinate system is X, Y, Z, the second coordinate system is x, y, z, and the image acquisition device 102 has taken an image at the second installation position 133. Here, four common points are designated as corresponding points from the three-dimensional point cloud position data obtained at the first installation position 132 and the captured image taken from the second installation position 133. The selection of the corresponding points is performed according to the following procedure. First, the common area is designated by the function of the common area designation unit 113. Further, four corresponding points are designated from the designated common area by the function of the corresponding point designation unit 114. These four points are common coordinate points that serve as a basis for obtaining a correspondence relationship between the two coordinate systems, and a portion to be a feature point is selected from the measurement object. The four points can be selected by a manual operation, a method for automatically extracting a part that can be easily grasped as a feature point such as an edge or a corner of an object, or a method for automatically selecting the four points. Further, a method in which the user manually selects is used. Note that the designation of corresponding points when single photo orientation is used may be five or more, but the correspondence between the two coordinate systems can be obtained by designating at least four points.
そして、4点の画面座標値と対応する基準点の3次元座標を数1に示す2次の射影変換式に代入し、観測方程式を立ててパラメ−タb1〜b8を求める。ここで、4点の画面座標値は、第2の設置位置133から撮影した撮影画像の中から指定された4点の対応点の画面中における座標の位置である。対応する基準点の3次元座標というのは、第1の設置位置132において得られた三次元点群位置データから得られる上記指定された4つの対応点の三次元座標の値である。
Then, the four screen coordinate values and the corresponding three-dimensional coordinates of the reference point are substituted into the quadratic projective transformation equation shown in
数1のパラメータb1〜b8を用いて、下記の数2から外部標定要素(X0、Y0、Z0)を求める。
Using the parameters b1 to b8 of
次に、単写真標定の原理より、(X,Y,Z)に対応する、傾いた画像取得装置102の座標系(xp、yp、zp)を以下の数3から求める。数3では、数2で求まった画像取装置の傾き(ω、φ、κ)を代入し、回転行列の計算をして、パラメータa11〜a33を求める。
Next, the coordinate system (xp, yp, zp) of the tilted image acquisition device 102 corresponding to (X, Y, Z) is obtained from the
求まったパラメータa11〜a33と数2で求まったカメラの位置(X0、Y0、Z0)、および(X,Y,Z)を、投影中心、写真像および対象物が一直線上にあるという以下の数4の共線条件式に代入し、座標(x、y)を求める。ここで、cは画面距離(焦点距離)、a11〜a33は、3×3回転行列の要素として現される画像取得装置102の傾きであり、Δx、Δyは、画像取得装置102内部の標定補正項である。
The obtained parameters a11 to a33 and the camera positions (X0, Y0, Z0) and (X, Y, Z) obtained by
こうして、図2の第1の設置位置(第1の視点)132から測定対象物134〜136を見た場合の座標系(第1の座標系)(X、Y、Z)と、第2の設置位置(第2の視点)133から測定対象物134〜136を見た場合の座標系(第2の座標系)(x、y、z)との対応関係が算出される。この対応関係が算出されることで、第1の座標系(XYZ)における第2の視点の位置を特定することが可能となる。なお、上記の算出方法では、zとZの関係を求めていないが、第1の設置位置132と第2の設置位置133とが水平面内における位置の違いである場合、z=Zであるので、上記の方法で問題は生じない。 Thus, the coordinate system (first coordinate system) (X, Y, Z) when the measurement objects 134 to 136 are viewed from the first installation position (first viewpoint) 132 in FIG. Correspondence with the coordinate system (second coordinate system) (x, y, z) when the measurement objects 134 to 136 are viewed from the installation position (second viewpoint) 133 is calculated. By calculating this correspondence, the position of the second viewpoint in the first coordinate system (XYZ) can be specified. In the above calculation method, the relationship between z and Z is not obtained. However, when the first installation position 132 and the second installation position 133 are different in the horizontal plane, z = Z. The above method does not cause any problems.
(相互標定)
相互標定は、画像中の6点以上の対応点により、第1の視点から見た測定対象物を記述する第1の座標系と、第2の視点から見た測定対象物を記述する第2の座標系との関係を求める技術である。図8は相互標定の原理を説明する概念図である。ここでは、第1の視点からの撮影(左側のカメラによる撮影)によって得られる画像の座標系(第1の座標系)と、第2の視点からの撮影(右側のカメラによる撮影)によって得られる画像の座標系(第2の座標系)との関係を求める場合を例に上げ、相互標定の手順について説明する。相互標定では、以下の共面条件式により各パラメータを求める。
(Mutual orientation)
In the relative orientation, a first coordinate system that describes a measurement object viewed from the first viewpoint and a second object that describes the measurement object viewed from the second viewpoint, using six or more corresponding points in the image. This is a technique for obtaining the relationship with the coordinate system. FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the principle of relative orientation. Here, it is obtained by a coordinate system (first coordinate system) of an image obtained by photographing from the first viewpoint (photographing by the left camera) and by photographing from the second viewpoint (photographing by the right camera). The procedure for relative orientation will be described with reference to an example in which the relationship with the coordinate system (second coordinate system) of an image is obtained. In relative orientation, each parameter is obtained by the following coplanar conditional expression.
図8に示すように、モデル座標系の原点を左側の投影中心O1にとり、右側の投影中心O2を結ぶ線をX軸にとるようにする。縮尺は、基線長を単位長さにとる。このとき求めるパラメータは、左側のカメラのZ軸の回転角κ1、Y軸の回転角φ1、右側のカメラのZ軸の回転角κ2、Y軸の回転角φ2、X軸の回転角ω2の5つの回転角となる。この場合、左側のカメラのX軸の回転角ω1は0なので、考慮する必要はない。このような条件にすると、数5の共面条件式は数6式のようになり、この式を解けば各パラメータが求まる。
As shown in FIG. 8, the origin of the model coordinate system is taken as the left projection center O 1 , and the line connecting the right projection center O 2 is taken as the X axis. For the scale, the base line length is taken as the unit length. The parameters to be obtained at this time are the rotation angle κ 1 of the left camera, the rotation angle φ 1 of the Y axis, the rotation angle κ 2 of the right camera, the rotation angle φ 2 of the Y axis, and the rotation of the X axis. the five of the rotation angle of the corner ω 2. In this case, since the rotation angle ω 1 of the X axis of the left camera is 0, there is no need to consider it. Under such conditions, the coplanar conditional expression of
ここで、モデル座標系XYZとカメラ座標系xyzの間には、次に示すような座標変換の関係式が成り立つ。 Here, the following relational expression for coordinate transformation is established between the model coordinate system XYZ and the camera coordinate system xyz.
これらの式を用いて、次の手順により、未知パラメータを求める。
(1)初期近似値は通常0とする。
(2)数6の共面条件式を近似値のまわりにテーラー展開し、線形化したときの微分係数の値を数7、数8式により求め、観測方程式をたてる。
(3)最小二乗法をあてはめ、近似値に対する補正量を求める。
(4)近似値を補正する。
(5)補正された近似値を用いて、(2)〜(5)までの操作を収束するまで繰り返す。
Using these equations, unknown parameters are obtained by the following procedure.
(1) The initial approximate value is normally 0.
(2) The coplanar conditional expression of
(3) A least square method is applied to obtain a correction amount for the approximate value.
(4) The approximate value is corrected.
(5) Using the corrected approximate value, the operations (2) to (5) are repeated until convergence.
上述した方法で未知パラメータを求めることで、第1の座標系(X1、Y1、Z1)と第2の座標系(X2、Y2、Z2)との対応関係が求まる。そして、この対応関係が算出されることで、第1の座標系における第2の視点の位置を特定することが可能となる。また、相互標定でモデル空間(ローカル空間)を作成した後、絶対標定を用いて地上座標系(絶対座標系)に変換することで、地上座標系上で第2の視点の位置を記述することができる。 By obtaining the unknown parameter by the above-described method, the correspondence between the first coordinate system (X 1 , Y 1 , Z 1 ) and the second coordinate system (X 2 , Y 2 , Z 2 ) can be obtained. Then, by calculating this correspondence, it is possible to specify the position of the second viewpoint in the first coordinate system. In addition, after creating a model space (local space) by mutual orientation, the position of the second viewpoint is described on the ground coordinate system by converting to the ground coordinate system (absolute coordinate system) using absolute orientation. Can do.
(絶対標定)
絶対標定は、モデル座標系を地上座標系(絶対座標系)に変換する方法である。絶対標定を用いた場合、第1の座標系を地上座標系に関連付け、他方で第2の座標系を地上座標系に関連付け、地上座標系を介して第1の座標系と第2の座標系の対応関係が取得される。まず、モデル座標系(XM、YM、ZM)を地上座標系(X、Y、Z)に変換する。ここで、縮尺をs、3軸回りの回転をω、φ、κ、平行移動量を(X0、Y0、Z0)とすると、数9の関係式が得られる。
(Absolute orientation)
Absolute orientation is a method of converting a model coordinate system into a ground coordinate system (absolute coordinate system). When absolute orientation is used, the first coordinate system is associated with the ground coordinate system, while the second coordinate system is associated with the ground coordinate system, and the first coordinate system and the second coordinate system are connected via the ground coordinate system. Is obtained. First, the model coordinate system (XM, YM, ZM) is converted to the ground coordinate system (X, Y, Z). Here, if the scale is s, the rotation about the three axes is ω, φ, κ, and the parallel movement amount is (X0, Y0, Z0), the relational expression of Equation 9 is obtained.
次に、ω、φが小さいとして、未知変量(s、ω、φ、κ、X0、Y0、Z0)を求める。まず、ヘルマート変換により平面座標の調整を行う。平面座標に限定すると、下記数10が成り立つ。なお、下記数10において、cosκ=(a/s)、sinκ=(−b/s)である。
Next, assuming that ω and φ are small, unknown variables (s, ω, φ, κ, X0, Y0, Z0) are obtained. First, the plane coordinates are adjusted by Helmat transform. When limited to plane coordinates, the following
上記数10において、最小二乗法により、係数a、b、X0、Y0を決定する。次に、縮尺の統一を行う。この場合、下記数11が成り立つ。
In
次に、高さの調整を行う。この場合、下記数12が成り立つ。
Next, the height is adjusted. In this case, the following
数12において、最小二乗法により、ω、φ、Z0を求める。そして求めた未知変量を用いて、モデル座標を下記数13により修正する。
In
以上の処理を未知変量が収束するまで繰り返し、モデル座標系(XM、YM、ZM)と地上座標系(X、Y,Z)との対応関係を求める。そして、モデル座標系として第1の視点からの第1の座標系と第2の視点からの第2の座標系を選択することで、地上座標系を介した第1の座標系と第2の座標系との対応関係が明らかになる。あるいは、2つ視点からの画像や2つの視点からの三次元点群位置データを共通の座標である地上座標系で取り扱うことができる。絶対標定を用いる場合、理論的には、3点の対応点を指定することで、標定が行われるが、例えば同じ高さ位置で異なる2つ視点からの座標系を問題とする場合のように、座標系を変えても一つの軸上の位置が同じであるので、標定に必要な対応点は2点であればよい。 The above processing is repeated until the unknown variable converges, and the correspondence relationship between the model coordinate system (XM, YM, ZM) and the ground coordinate system (X, Y, Z) is obtained. Then, by selecting the first coordinate system from the first viewpoint and the second coordinate system from the second viewpoint as the model coordinate system, the first coordinate system and the second coordinate system via the ground coordinate system are selected. The correspondence with the coordinate system becomes clear. Or the image from two viewpoints and the three-dimensional point cloud position data from two viewpoints can be handled by the ground coordinate system which is a common coordinate. When absolute orientation is used, theoretically, orientation is performed by specifying three corresponding points. For example, as in the case where a coordinate system from two different viewpoints at the same height position is used as a problem. Since the position on one axis is the same even if the coordinate system is changed, the number of corresponding points required for orientation may be two.
(ステレオマッチング)
ステレオマッチング法は、2つの座標系における画像の座標データを相互に比較し、両者の相関関係により、2つの画像の対応関係を求める方法である。ステレオマッチングでは、2つの視点それぞれから見た画像の特徴点の対応関係が求まり、対応点の自動抽出が可能となる。図9は、ステレオマッチングの原理を説明する原理図である。この方法では、図示するように、N1×N1画素のテンプレート画像を、それよりも大きいM1×M1画素の入力画像内の探索範囲(M1−N1+1)2上で動かし、下記数14で示される相互相関関数C(a,b)が最大となるような(つまり相関の程度が最大となるような)テンプレート画像の左上位置を求める。
(Stereo matching)
The stereo matching method is a method in which coordinate data of images in two coordinate systems are compared with each other, and a correspondence relationship between the two images is obtained by a correlation between the two. In stereo matching, the correspondence between the feature points of the image viewed from each of the two viewpoints is obtained, and the corresponding points can be automatically extracted. FIG. 9 is a principle diagram for explaining the principle of stereo matching. In this method, as shown in the drawing, a template image of N 1 × N 1 pixel is moved on a search range (M 1 −N 1 +1) 2 in an input image of M 1 × M 1 pixel larger than that, The upper left position of the template image in which the cross-correlation function C (a, b) expressed by the following equation 14 is maximized (that is, the degree of correlation is maximized) is obtained.
ステレオマッチングを用いることで、比較する2つの画像の座標系の対応関係を知ることができる。この方法では、2つ画像の相関関係が最大となるように両者の相対的な位置関係が定められる。2つの画像の相関関係は、両画像の特徴点によって決まる(特徴のない部分を比べても相関関係は決まり難い)。したがって、スレレオマッチングを用いることで、2つの画像の対応点の抽出が可能となる。すなわち、ステレオマッチングを用いた場合、対応点をマニュアルで指定しなくても、異なる2つ視点から得た画像データに基づいた対応点の検出(自動検出)が行える。ただし、2つの視点の位置および対象物の関係から上手く演算できない場合もある。 By using stereo matching, it is possible to know the correspondence between the coordinate systems of two images to be compared. In this method, the relative positional relationship between the two images is determined so as to maximize the correlation between the two images. The correlation between the two images is determined by the feature points of both images (the correlation is difficult to determine even by comparing portions without features). Therefore, by using the threo matching, it is possible to extract corresponding points between the two images. That is, when stereo matching is used, corresponding points can be detected (automatic detection) based on image data obtained from two different viewpoints without manually specifying the corresponding points. However, there are cases in which the calculation cannot be performed well due to the relationship between the positions of the two viewpoints and the object.
(三次元モデル形成部)
以下、図1の三次元モデル形成部119の機能について説明する。図3には、三次元モデル形成部119のブロック図が示されている。三次元モデル形成部119は、非面領域除去部201、面ラベリング部202、輪郭線算出部203を備えている。以下、これら各機能部について説明する。非面領域除去部201は、局所領域を取得する局所領域取得部201a、局所領域の法線ベクトルを算出する法線ベクトル算出部201b、局所領域の局所曲率を算出する局所曲率算出部201c、局所領域にフィッティングする局所平面を算出する局所平面算出部201dを備えている。
(3D model formation department)
Hereinafter, functions of the three-dimensional model forming unit 119 in FIG. 1 will be described. FIG. 3 shows a block diagram of the three-dimensional model forming unit 119. The three-dimensional model forming unit 119 includes a non-surface
局所領域取得部201aは、三次元点群位置データに基づき、注目点を中心とした一辺が3〜7画素程度の正方領域(格子状の領域)を局所領域として取得する。法線ベクトル算出部201bは、局所領域取得部201aが取得した上記の局所領域における各点の法線ベクトルの算出を行う。この法線ベクトルを算出する処理では、局所領域における三次元点群位置データに着目し、各点の法線ベクトルを算出する。この処理は、全ての三次元点群位置データを対象として行われる。すなわち、三次元点群位置データが無数の局所領域に区分けされ、各局所領域において各点の法線ベクトルの算出が行われる。
The local area acquisition unit 201a acquires, as a local area, a square area (grid-like area) having about 3 to 7 pixels on a side centered on the point of interest based on the three-dimensional point cloud position data. The normal
局所曲率算出部201cは、上述した局所領域内の法線ベクトルのバラツキ(局所曲率)を算出する。ここでは、着目している局所領域において、各法線ベクトルの3軸成分の強度値(NVx, NVy, NVz)の平均(mNVx,mNVy,mNVz)を求め、さらに標準偏差(StdNVx,StdNVy,StdNVz)を求める。次に、標準偏差の二乗和の平方根を局所曲率(Local Curveture:crv)として算出する(下記数15参照)。
The local
局所平面算出部201dは、局所領域にフィッティング(近似)する局所平面を求める。この処理では、着目している局所領域の各点の三次元座標から局所平面の方程式を求める。局所平面は、着目している局所領域にフィッティングさせた平面である。ここでは、最小二乗法を用いて、当該局所領域にフィッティングする局所平面の面の方程式を算出する。具体的には、複数の異なる平面方程式を求め、更にそれらを比較し、当該局所領域にフィッティングする局所平面の面の方程式を算出する。仮に、着目している局所領域が平面であれば、局所平面と局所領域とは一致する。以上の処理を、局所領域を順次ずらしながら、全ての三次元点群位置データが対象となるように繰り返し行い、各局所領域における法線ベクトル、局所平面、局所曲率を得る。
The local
次に、上で求めた各局所領域における法線ベクトル、局所平面、局所曲率に基づいて、非面領域の点を除去する処理を行う。すなわち、面(平面および曲面)を抽出するために、予め面でないと判断できる部分(非面領域)を除去する。なお、非面領域とは、平面でも曲面でもない領域であるが、下記の(1)〜(3)の閾値によっては曲率の高い曲面を含む場合がある。 Next, based on the normal vector, local plane, and local curvature in each local area obtained above, processing for removing points in the non-surface area is performed. That is, in order to extract a surface (a plane and a curved surface), a portion (non-surface region) that can be determined not to be a surface in advance is removed. The non-surface region is a region that is neither a plane nor a curved surface, but may include a curved surface with a high curvature depending on the following threshold values (1) to (3).
非面領域除去の処理は、以下に示す3つの方法のうち、少なくとも一つを用いて行うことができる。ここでは、下記の(1)〜(3)の方法による判定を上述した局所領域の全てに対して行い、1以上の方法において非面領域と判定された局所領域を、非面領域を構成する局所領域として抽出する。そして、抽出された非面領域を構成する点に係る三次元点群位置データを除去する。 The non-surface area removal process can be performed using at least one of the following three methods. Here, the determination by the following methods (1) to (3) is performed for all the local regions described above, and the local region determined as the non-surface region by one or more methods is configured as the non-surface region. Extract as a local region. Then, the 3D point cloud position data relating to the points constituting the extracted non-surface area is removed.
(1)局所曲率の高い部分:上述した局所曲率を予め設定しておいた閾値と比較し、閾値を超える局所曲率の局所領域を非面領域と判定する。局所曲率は、注目点とその周辺点における法線ベクトルのバラツキを表しているので、面(平面および曲率の小さい曲面)ではその値が小さく、面以外(非面)ではその値は大きくなる。したがって、予め決めた閾値よりも局所曲率が大きければ、当該局所領域を非面領域と判定する。 (1) A portion having a high local curvature: The above-described local curvature is compared with a preset threshold value, and a local region having a local curvature exceeding the threshold value is determined as a non-surface region. Since the local curvature represents the variation of the normal vector at the point of interest and its peripheral points, the value is small for a surface (a flat surface and a curved surface with a small curvature), and the value is large for a surface other than a surface (non-surface). Therefore, if the local curvature is larger than a predetermined threshold, the local region is determined as a non-surface region.
(2)局所平面のフィッティング精度:局所領域の各点と対応する局所平面との距離を計算し、これらの距離の平均が予め設定した閾値よりも大きい場合、当該局所領域を非面領域と判定する。すなわち、局所領域が平面から乖離した状態であると、その程度が激しい程、当該局所領域の各点と対応する局所平面との距離は大きくなる。このことを利用して当該局所領域の非面の程度が判定される。 (2) Local plane fitting accuracy: the distance between each point of the local area and the corresponding local plane is calculated, and if the average of these distances is greater than a preset threshold, the local area is determined to be a non-surface area To do. That is, when the local area is in a state of being deviated from the plane, the distance between the local plane corresponding to each point of the local area increases as the degree becomes more severe. Using this fact, the degree of non-surface of the local region is determined.
(3)共平面性のチェック:ここでは、隣接する局所領域において、対応する局所平面同士の向きを比較する。この局所平面の向きの違いが閾値を超えている場合、比較の対象となった局所領域が非面領域に属していると判定する。具体的には、対象となる2つの局所領域のそれぞれにフィッティングする2つの局所平面の法線ベクトルと、その中心点間を結ぶベクトルとの内積が0であれば、両局所平面が同一平面上に存在すると判定される。また、上記内積が大きくなる程、2つの局所平面が同一面上にない程度がより顕著であると判定される。 (3) Coplanarity check: Here, the directions of corresponding local planes are compared in adjacent local regions. If the difference in orientation of the local planes exceeds the threshold value, it is determined that the local area to be compared belongs to the non-plane area. Specifically, if the inner product of the normal vector of the two local planes fitted to each of the two target local regions and the vector connecting the center points is 0, both local planes are on the same plane. Is determined to exist. Moreover, it is determined that the extent that the two local planes are not on the same plane is more remarkable as the inner product becomes larger.
上記の(1)〜(3)の方法による判定において、1以上の方法において非面領域と判定された局所領域を、非面領域を構成する局所領域として抽出する。そして、この抽出された局所領域を構成する点に係る三次元点群位置データを算出対象としている三次元点群位置データから除去する。以上のようにして、非面領域の除去が行われる。こうして、三次元点群位置データの中から非面領域の三次元点群位置データが非面領域除去部201において除去される。なお、除去された三次元点群位置データは、後の処理で利用する可能性があるので、適当な記憶領域に格納するなり、除去されなかった三次元点群位置データと識別できる状態とするなどして、後で利用できる状態にしておく。
In the determination by the above methods (1) to (3), a local region determined as a non-surface region by one or more methods is extracted as a local region constituting the non-surface region. Then, the 3D point cloud position data relating to the points constituting the extracted local region is removed from the 3D point cloud position data to be calculated. The non-surface area is removed as described above. Thus, the non-surface area 3D point group position data is removed from the non-surface
次に面ラベリング部202の機能について説明する。面ラベリング部202は、非面領域除去部201において非面領域の三次元点群位置データが除去された三次元点群位置データに対して、法線ベクトルの連続性に基づいて面ラベリングを行う。具体的には、特定の注目点と隣接点の法線ベクトルの角度差が予め決めた閾値以下なら、それらの点に同一ラベルを貼る。この作業を繰り返すことで、連続する平面、連続する緩やかな曲面に同一ラベルが貼られ、それらを一つの面として識別可能となる。また、面ラベリングの後、法線ベクトルの角度差や法線ベクトルの3軸成分の標準偏差を用いて、ラベル(面)が平面であるか、または曲率の小さい曲面であるかを判定し、その旨を識別する識別データを各ラベルに関連付ける。
Next, the function of the surface labeling unit 202 will be described. The surface labeling unit 202 performs surface labeling on the three-dimensional point group position data from which the non-surface region three-dimensional point group position data has been removed by the non-surface
続いて、面積の小さいラベル(面)をノイズとして除去する。なお、このノイズ除去は、面ラベリングの処理と同時に行ってもよい。この場合、面ラベリングを行いながら、同一ラベルの点数(ラベルを構成する点の数)を数え、所定以下の点の数であるラベルを取り消す処理を行う。次に、この時点でラベルが無い点に対して、最近傍面(最も近い面)と同一のラベルを付与していく。これにより、既にラベリングされた面の拡張を行う。 Subsequently, the label (surface) having a small area is removed as noise. This noise removal may be performed simultaneously with the surface labeling process. In this case, while performing surface labeling, the number of points of the same label (the number of points constituting the label) is counted, and a process of canceling the label having the number of points equal to or less than a predetermined value is performed. Next, the same label as the nearest surface (closest surface) is given to the point having no label at this time. As a result, the already labeled surface is expanded.
すなわち、ラベルの付いた面の方程式を求め、当該面とラベルが無い点との距離を求める。ラベルが無い点の周辺に複数のラベル(面)がある場合には、その距離が最も短いラベルを選択する。そして、依然としてラベルが無い点が残存している場合には、非面領域除去、ノイズ除去、およびラベル拡張における各閾値を変更し、再度関連する処理を行う。例えば、非面領域除去において、局所曲率の閾値を上げることで、非面として抽出する点の数が少なくなるようにする。または、ラベル拡張において、ラベルの無い点と最近傍面との距離の閾値を上げることで、ラベルの無い点に対してより多くのラベルを付与するようにする。 That is, the equation of the surface with the label is obtained, and the distance between the surface and the point without the label is obtained. If there are a plurality of labels (surfaces) around a point where there is no label, the label with the shortest distance is selected. If there is still a point with no label, the threshold values for non-surface area removal, noise removal, and label expansion are changed, and related processing is performed again. For example, in non-surface area removal, the number of points to be extracted as non-surface is reduced by increasing the threshold value of local curvature. Alternatively, in label expansion, by increasing the threshold of the distance between a point without a label and the nearest surface, more labels are given to the point without a label.
次に、ラベルが異なる面であっても同一面である場合にラベルを統合する。この場合、連続しない面であっても、位置または向きが等しい面同士に同じラベルを付ける。具体的には、各面の法線ベクトルの位置および向きを比較することで、連続しない同一面を抽出し、いずれかの面のラベルに統一する。以上が面ラベリング部202の機能である。 Next, even if the labels are different surfaces, the labels are integrated when they are the same surface. In this case, even if the surfaces are not continuous, the same label is attached to the surfaces having the same position or orientation. Specifically, by comparing the position and orientation of the normal vector of each surface, the same non-continuous surface is extracted and unified to the label of any surface. The above is the function of the surface labeling unit 202.
この面ラベリング部202の機能によれば、扱うデータ量を圧縮できるので、三次元点群位置データの処理を高速化できる。また必要なメモリ量を節約できる。また、測定中に紛れ込んだ通行人や通過した車両の三次元点群位置データをノイズとして除去することができる。 According to the function of the surface labeling unit 202, the amount of data to be handled can be compressed, so that the processing of the three-dimensional point cloud position data can be accelerated. In addition, the required amount of memory can be saved. In addition, it is possible to remove the three-dimensional point cloud position data of a passerby or a vehicle that has passed through during measurement as noise.
輪郭線算出部203は、隣接する面の三次元点群位置データに基づき、輪郭線を算出(推定)する。以下、具体的な算出方法について説明する。輪郭線算出部203は、間に非面領域を挟む隣接する面同士の交線を求め、それを輪郭線とする処理を行う。この際、隣接する面の間の非面領域に局所平面をフィッティングさせ、この局所平面を複数繋ぐことで、非面領域を複数の局所平面によって近似する方法を採用することもできる。これは、複数の局所平面により構成される多面体で非面領域を近似したものと捉えることができる。この場合、隣接する面から局所平面をつないでゆき、最後に隣接した局所平面同士の交線を輪郭線として算出する。輪郭線が算出されることで、測定対象物の輪郭の画像が明確となる。 The contour calculation unit 203 calculates (estimates) the contour based on the three-dimensional point cloud position data of the adjacent surfaces. Hereinafter, a specific calculation method will be described. The contour line calculation unit 203 obtains an intersection line between adjacent surfaces sandwiching a non-surface region therebetween, and performs a process of setting it as a contour line. At this time, a method of approximating the non-planar region with a plurality of local planes by fitting a local plane to a non-planar region between adjacent surfaces and connecting a plurality of local planes may be employed. This can be regarded as an approximation of a non-planar region by a polyhedron composed of a plurality of local planes. In this case, the local planes are connected from the adjacent surfaces, and the line of intersection between the adjacent local planes is calculated as the contour line. By calculating the contour line, the contour image of the measurement object becomes clear.
次に、二次元エッジ算出部204について説明する。以下、二次元エッジ算出部204で行われる処理の一例を説明する。まず、対象物からの反射光の強度分布に基づいて、ラプラシアン、プリューウィット、ソーベル、キャニーなどの公知のエッジ抽出オペレータを用いて、セグメント化(区分け)された面に対応する二次元画像の領域内からエッジを抽出する。すなわち、二次元エッジは、面内の濃淡の違いにより認識されるので、この濃淡の違いを反射光の強度の情報から抽出し、その抽出条件に閾値を設けることで、濃淡の境目をエッジとして抽出する。次に、抽出されたエッジを構成する点の三次元座標の高さ(z値)と、その近傍の輪郭線(三次元エッジ)を構成する点の三次元座標の高さ(z値)とを比較し、この差が所定の閾値以内の場合には、当該エッジを二次元エッジとして抽出する。すなわち、二次元画像上で抽出されたエッジを構成する点が、セグメント化された面上にあるか否かを判定し、面上にあると判定された場合にそれを二次元エッジとする。 Next, the two-dimensional edge calculation unit 204 will be described. Hereinafter, an example of processing performed by the two-dimensional edge calculation unit 204 will be described. First, based on the intensity distribution of the reflected light from the object, a region of a two-dimensional image corresponding to a segmented (segmented) surface using a known edge extraction operator such as Laplacian, Pleuwit, Sobel, Canny Extract edges from within. In other words, since the two-dimensional edge is recognized by the difference in shading in the surface, the difference in shading is extracted from the information on the intensity of the reflected light, and by setting a threshold value in the extraction condition, the border between the shading is used as an edge. Extract. Next, the height (z value) of the three-dimensional coordinates of the points constituting the extracted edge, and the height (z value) of the three-dimensional coordinates of the points constituting the neighboring contour line (three-dimensional edge) If the difference is within a predetermined threshold, the edge is extracted as a two-dimensional edge. That is, it is determined whether or not a point constituting the edge extracted on the two-dimensional image is on the segmented surface, and if it is determined that the point is on the surface, it is set as the two-dimensional edge.
二次元エッジの算出後、輪郭線算出部203が算出した輪郭線と二次元エッジ算出部204が算出した二次元エッジとを統合する。これにより、三次元点群位置データに基づくエッジの抽出が行われる。このエッジの抽出により、測定対象物を視認する際における測定対象物の外観を構成する線が抽出される。これにより、測定対象物の三次元モデル(線図の画像)が得られる。 After the calculation of the two-dimensional edge, the contour line calculated by the contour calculation unit 203 and the two-dimensional edge calculated by the two-dimensional edge calculation unit 204 are integrated. Thereby, edge extraction based on the three-dimensional point cloud position data is performed. By extracting the edge, lines constituting the appearance of the measurement object when the measurement object is visually recognized are extracted. As a result, a three-dimensional model (a diagram image) of the measurement object is obtained.
具体的な例として、例えば、測定対象物として建物を選択し、この建物の三次元点群位置データに基づいて、三次元モデルを得た場合を説明する。この場合、当該建物の外観、外壁の模様、窓等の輪郭を線図で表した三次元モデルが得られる。なお、窓のような比較的凹凸の少ない部分の輪郭は、閾値の判定により、輪郭線として処理される場合もあるし、二次元エッジとして処理される場合もある。 As a specific example, for example, a case where a building is selected as a measurement object and a three-dimensional model is obtained based on the three-dimensional point cloud position data of the building will be described. In this case, a three-dimensional model in which the appearance of the building, the pattern of the outer wall, the outline of the window, etc. are represented by a diagram is obtained. Note that the contour of a portion with relatively little unevenness, such as a window, may be processed as a contour line or may be processed as a two-dimensional edge depending on the determination of the threshold value.
座標演算部117において、第1の視点から測定対象物を見た場合の座標上における第2の視点の位置が算出されている場合、第1の視点において取得された三次元点群位置データに基づく三次元モデルを第2の視点から見た向きに回転させることができる。また、この状態において、新たに第2の視点において測定対象物の三次元点群位置データを取得すると、これら2つの視点において得られた三次元点群位置データを統合的に取り扱うことが可能となり、2つの視点から得た三次元点群位置データに基づく三次元モデルが得られる。この場合、同じ座標位置で三次元点群位置データが重複する部分は、いずれか一方の視点から得られた三次元点群位置データに基づいて、上述した処理が行われる。そして、一方の視点からはオクルージョンとなり、他方の視点からはオクルージョンとならない部分は、他方の視点から得た三次元点群位置データを利用して上述した処理が行われる。よって例えば、第1の視点からはオクルージョンとなる部分の三次元点群位置データを、第2の視点から得た三次元点群位置データによって補完した三次元モデルを形成することができる。 In the coordinate calculation unit 117, when the position of the second viewpoint on the coordinates when the measurement object is viewed from the first viewpoint is calculated, the three-dimensional point cloud position data acquired at the first viewpoint is added. The based three-dimensional model can be rotated in the direction seen from the second viewpoint. Further, in this state, if the 3D point cloud position data of the measurement object is newly acquired from the second viewpoint, the 3D point cloud position data obtained from these two viewpoints can be handled in an integrated manner. A three-dimensional model based on three-dimensional point cloud position data obtained from two viewpoints is obtained. In this case, the above-described processing is performed based on the three-dimensional point group position data obtained from one of the viewpoints in the portion where the three-dimensional point group position data overlaps at the same coordinate position. Then, the above-described processing is performed using the three-dimensional point cloud position data obtained from the other viewpoint for a portion that is occluded from one viewpoint and is not occluded from the other viewpoint. Therefore, for example, it is possible to form a three-dimensional model in which the three-dimensional point group position data of the portion that is occluded from the first viewpoint is complemented by the three-dimensional point group position data obtained from the second viewpoint.
(動作例1)
以下、図2の状況を一例として挙げ、図1に示す点群位置データ処理装置100の動作の一例を説明する。図4(A)には、第1の設置位置132(第1の視点)において、測定対象物の三次元点群位置データと画像撮影による画像データとを取得し、次いで第2の設置位置133(第2の視点)にレーザースキャナ131を設置し、そこで撮影を行うことによる画像データを取得した状態におけるパーソナルコンピュータ130の液晶ディスプレイ上における画面表示の一例が示されている。
(Operation example 1)
Hereinafter, an example of the operation of the point cloud position
図4には、パーソナルコンピュータ130の液晶ディスプレイ上に左右に並んで2つの画面が表示されたGUI画面の様子が示されている。図4(A)には、左側に第1の設置位置132において取得した三次元点群位置データに基づく、第1の設置位置132から見た測定対象物の三次元モデル(線図)が表示され、右側に第2の設置位置133から撮影した画像(Live画像)が表示された画面の様子が示されている。 FIG. 4 shows a GUI screen in which two screens are displayed side by side on the liquid crystal display of the personal computer 130. In FIG. 4A, a three-dimensional model (line diagram) of the measurement object viewed from the first installation position 132 based on the three-dimensional point cloud position data acquired at the first installation position 132 is displayed on the left side. On the right side, a state of a screen on which an image (Live image) taken from the second installation position 133 is displayed is shown.
図4(A)に示すようにこのGUI画面上には、GUIのスイッチとして機能する表示ボタンが複数表示されている。ここで、「共通領域指定」と表示された表示ボタンをクリックし、更に左側の三次元モデルが表示された画面上でラベリングされている面の中から、左右の画像中の共通の領域と判断される部分を、マウス等のポインティングデバイスを用いてマニュアルで指定すると、その旨が共通領域指定部113で認識される。そして、この指定された内容に基づく表示を行うための指示データが共通領域指定部113から表示制御部120に送られ、ユーザによって操作された内容を反映した画像表示が、画像表示装置104において行われる。この様子が図4(B)に示されている。図4(B)には、ユーザが左側の三次元モデル図と右側のLive画像とを比較し、左側の三次元モデル図中で共通領域と判断される複数の面を指定した場合に、その部分が斜線で強調表示された状態が示されている。 As shown in FIG. 4A, a plurality of display buttons functioning as GUI switches are displayed on the GUI screen. Here, click the display button labeled “Common area specification”, and determine that it is a common area in the left and right images from the surfaces labeled on the screen on which the 3D model on the left is displayed. If the part to be specified is manually specified using a pointing device such as a mouse, the common area specifying unit 113 recognizes that fact. Then, instruction data for performing display based on the designated content is sent from the common area designating unit 113 to the display control unit 120, and an image display reflecting the content operated by the user is performed on the image display device 104. Is called. This is shown in FIG. In FIG. 4B, when the user compares the left three-dimensional model diagram with the live image on the right side and designates a plurality of planes that are determined to be common areas in the left three-dimensional model diagram, The state in which the portion is highlighted with diagonal lines is shown.
図4(B)に示す共通領域の指定が行われた後、「対応点算出」の表示をクリックすると、図4(B)において強調表示されている共通領域の中で対応点に適した(つまり、2つの画像の対応する部分として取り扱うのに適した)点である対応点候補が算出され、それが視認し易い状態で表示される。この状態が図4(C)に示されている。図4(C)には、○で示された8点の対応点候補が表示されている例が示されている。 After the common area shown in FIG. 4B is specified, when the “corresponding point calculation” display is clicked, the common area highlighted in FIG. 4B is suitable for the corresponding point ( That is, a corresponding point candidate that is a point (suitable for handling as a corresponding part of two images) is calculated and displayed in a state where it can be easily viewed. This state is shown in FIG. FIG. 4C shows an example in which eight corresponding point candidates indicated by ◯ are displayed.
対応点候補の算出は、三次元モデル形成部119における演算を利用して行われる。以下、この点について説明する。三次元モデル形成部119では、非面としてエッジ部分のような局所的に曲率が大きく変化している部分等の隣接する部分との非一様な状態が顕著な部分が算出される。対応点は、標定を行う際の足がかりとなる点であるから、付近から区別し易い点(この意味で特徴点と称される)であることが好ましい。この要件は、非面領域の特徴そのものである。したがって、三次元モデル形成部119で取り扱われた局所曲率、局所平面のフィッティング精度、共平面性の中の一または複数に閾値を設け、この閾値に基づいて、対応点の候補とするのに適切な点が算出される。この処理は、対応点検出部116において行われる。 The corresponding point candidate is calculated by using the calculation in the three-dimensional model forming unit 119. Hereinafter, this point will be described. The three-dimensional model forming unit 119 calculates a portion where the non-uniform state is remarkable with an adjacent portion such as a portion where the curvature is greatly changed locally such as an edge portion as a non-surface. Since the corresponding point is a point that becomes a foothold when performing the orientation, it is preferable that the corresponding point is a point that can be easily distinguished from the vicinity (referred to as a feature point in this sense). This requirement is a feature of the non-surface area itself. Accordingly, a threshold value is set for one or more of the local curvature, the fitting accuracy of the local plane, and the coplanarity handled by the 3D model forming unit 119, and it is appropriate to be a candidate for a corresponding point based on this threshold value. A critical point is calculated. This process is performed in the corresponding point detection unit 116.
図4(C)に示す対応点候補の表示が行われた状態で、ユーザは、右側のLive画面(第2の設置位置133からの撮影画像)上で、対応する画像中の位置をマウス等のポインティングデバイスを利用して指定する。この操作内容が対応点受け付け部114によって受け付けられ、その指定された点が右側のLive画像中に表示される。この状態が図5(A)に示されている。この例では、対応点として4点を指定する場合の例が示されている。 In a state where the corresponding point candidates shown in FIG. 4C are displayed, the user sets the position in the corresponding image on the right Live screen (the captured image from the second installation position 133) with a mouse or the like. Specify using a pointing device. This operation content is received by the corresponding point receiving unit 114, and the designated point is displayed in the live image on the right side. This state is shown in FIG. In this example, an example in which four points are designated as corresponding points is shown.
次いで、「対応点決定」の表示がクリックされると、図5(B)に示すように、第1の設置位置132から得た画面の左側に表示された三次元モデル表示上での対応点の位置と、第2の設置位置133から得た画面の右側に表示されたLive画像上における対応点の位置とが決定される。この後、「座標統合処理」の表示部分をクリックすると、選択された対応点に基づく演算(例えば、3点の対応点の指定によって標定が可能な絶対標定や4点の対応点の指定によって標定が可能な単写真標定の演算)が行われ、第1の設置位置132から得た三次元点群位置データを取り扱うための第1の座標系と、第2の設置位置133から得る三次元点群位置データを取り扱うための第2の座標系との対応関係を算出する処理が座標演算部117において行われる。そして、この対応関係に基づいて、三次元位置算出部118において、第1の設置位置132から測定対象物を見た場合に用いられる座標系における第2の視点の位置が算出され、その座標値が求められる。 Next, when the “corresponding point determination” display is clicked, as shown in FIG. 5B, the corresponding point on the three-dimensional model display displayed on the left side of the screen obtained from the first installation position 132 is displayed. And the position of the corresponding point on the Live image displayed on the right side of the screen obtained from the second installation position 133 are determined. After that, when the display portion of “Coordinate integration processing” is clicked, an operation based on the selected corresponding points (for example, absolute orientation that can be determined by specifying three corresponding points or standardization by specifying four corresponding points) The first coordinate system for handling the three-dimensional point cloud position data obtained from the first installation position 132, and the three-dimensional point obtained from the second installation position 133. A process of calculating the correspondence with the second coordinate system for handling the group position data is performed in the coordinate calculation unit 117. Based on this correspondence, the three-dimensional position calculation unit 118 calculates the position of the second viewpoint in the coordinate system used when the measurement object is viewed from the first installation position 132, and the coordinate value is calculated. Is required.
図4および図5では、第1の設置位置132(第1の視点)から得た三次元点群位置データに基づく測定対象物の三次元モデルを表示(左側の画面)する例が示されているが、ここに第1の設置位置132(第1の視点)から撮影した撮影画像あるいは三次元点群位置データに基づく画像(画素を三次元点群位置データが持つ反射光の強度情報により構成した画像)を表示してもよい。この段階では、第1の設置位置132からの三次元点群位置データと撮影画像とは対応関係が明確になっているので、図4、図5に関連して説明した共通領域の指定や対応点の指定およびそれに係る処理を、第1の視点からの撮影画像上で行うことが可能である。 4 and 5 show an example in which a three-dimensional model of a measurement object based on three-dimensional point cloud position data obtained from the first installation position 132 (first viewpoint) is displayed (left side screen). Here, a photographed image taken from the first installation position 132 (first viewpoint) or an image based on the three-dimensional point cloud position data (a pixel is composed of reflected light intensity information possessed by the three-dimensional point cloud position data). Image) may be displayed. At this stage, since the correspondence relationship between the 3D point cloud position data from the first installation position 132 and the captured image is clear, the common area designation and correspondence described with reference to FIGS. It is possible to specify a point and a process related to the point on a captured image from the first viewpoint.
また、対応点候補を算出により検出せずにユーザが指定する形態も可能である。この場合、ユーザが特徴点となる部分をディスプレイ上において目視で判断し、それを指定する形態となる。また、動作例1において、第2の設置位置133から見た画像中における対応点が指定された際に、その部分およびその周辺の三次元点群位置データを取得し、それを標定に用いても良い。この場合、部分的な三次元点群位置データの取得となるので、測定作業およびその処理に係る負担の増加を全体の三次元点群位置データを取得する場合に比較して抑えることができる。 In addition, a mode in which the user designates the corresponding point candidate without detecting it by calculation is also possible. In this case, the user visually determines on the display the portion to be a feature point and designates it. Further, in the first operation example, when a corresponding point in the image viewed from the second installation position 133 is designated, three-dimensional point cloud position data of the portion and its periphery are acquired and used for orientation. Also good. In this case, since partial 3D point cloud position data is acquired, an increase in the burden associated with the measurement work and its processing can be suppressed as compared with the case where the entire 3D point cloud position data is acquired.
(動作例2)
以下、上述した「動作1」と重複する部分があるが、2つの視点から見た座標系の関係を算出し、それに基づき第1の視点から見た座標系上の第2の視点の位置を求める処理の一例を説明する。図6には、この処理の流れの一例が示されている。処理が開始されると(ステップS601)、まず第1の設置位置132(第1の視点)にレーザースキャナ131を設置し(ステップS602)、そこで測定対象物を撮影し画像データを取得し、更に三次元点群位置データの取得を行う(ステップS603)。次いで、レーザースキャナ131を第2の設置位置133(第2の視点)に移動させ(ステップS604)、そこで上記と同じ測定対象物を撮影し、その撮影画像をパーソナルコンピュータ130のディスプレイ上に表示する(ステップS605)。次いで、第1の設置位置132において取得した三次元点群位置データに基づいて、測定対象物の三次元モデルを形成し、更にそれをパーソナルコンピュータ130のディスプレイ上に表示する(ステップS606)。この状態の一例が図4(A)に示されている。
(Operation example 2)
Hereinafter, although there is a part overlapping with the above-mentioned “
次に、ユーザによる共通領域の指定が行われたか否か、が判定され(ステップS607)、共通領域が指定された場合、それをパーソナルコンピュータ130のディスプレイ上に表示する表示する。但し、マニュアルにて対応点を指定する場合は、必ずしも共通領域指定せずともそれら領域が表示部に表示されていればいい。この状態の一例が図4(B)に示されている。また、第1の設置位置132において得られた三次元点群位置データに基づき、対応点(特徴点)を演算により検出する(ステップS608)。この対応点(特徴点)の検出は、対応点検出部116において行われるもので、三次元モデル形成部119で取り扱われた局所曲率、局所平面のフィッティング精度、共平面性の中の一または複数に閾値を設け、この閾値に基づいて特徴点を算出することで行われる。そして、検出した対応点をパーソナルコンピュータ130のディスプレイ上に表示する(ステップS608)。この状態の一例が図4(C)に示されている。 Next, it is determined whether or not the common area has been designated by the user (step S607). If the common area is designated, it is displayed on the display of the personal computer 130. However, when the corresponding points are designated manually, it is not always necessary to designate the common area, as long as these areas are displayed on the display unit. An example of this state is shown in FIG. Also, corresponding points (feature points) are detected by calculation based on the three-dimensional point group position data obtained at the first installation position 132 (step S608). The detection of the corresponding points (feature points) is performed by the corresponding point detection unit 116, and one or more of the local curvature, the local plane fitting accuracy, and the coplanarity handled by the three-dimensional model forming unit 119 are used. This is performed by providing a threshold value and calculating feature points based on this threshold value. Then, the detected corresponding points are displayed on the display of the personal computer 130 (step S608). An example of this state is shown in FIG.
次に、第2の設置位置から撮影した画像中でユーザにより対応点が指定されたか否か、が判定され(ステップS609)、対応点が指定された場合、それをパーソナルコンピュータ130のディスプレイ上に表示する。この状態の一例が図5(A)に示されている。そして、第2の設置位置133から撮影した画像中でユーザにより指定された対応点を中心点として、その周辺の5×5点〜25×25点程度の正方領域の部分の三次元点群位置データが、第2の設置位置133において取得される(ステップS610)。次いで、この第2の設置位置133において取得された三次元点群位置データに基づいて特徴点の算出が行われ、それが第2の設置位置133から見た対応点とされる(ステップS611)。ここでは、上記取得された正方領域において、ステップS608の場合と同じ方法により、特徴点の算出が行われる。こうして、第2の設置位置133から見た対応点が取得される。 Next, it is determined whether or not the corresponding point is designated by the user in the image taken from the second installation position (step S609). If the corresponding point is designated, it is displayed on the display of the personal computer 130. indicate. An example of this state is shown in FIG. Then, with the corresponding point designated by the user in the image taken from the second installation position 133 as the center point, the three-dimensional point cloud position of the square area portion around 5 × 5 to 25 × 25 Data is acquired at the second installation position 133 (step S610). Next, feature points are calculated based on the three-dimensional point cloud position data acquired at the second installation position 133, and are used as corresponding points viewed from the second installation position 133 (step S611). . Here, feature points are calculated in the acquired square area by the same method as in step S608. In this way, the corresponding point viewed from the second installation position 133 is acquired.
次いで、ステップS608において得られた第1の設置位置132から見た場合の対応点と、ステップS611において得られた第2の設置位置133から見た場合の対応点の三次元点群位置データに基づき、絶対標定を用いて2つの座標系の間の対応関係を算出する処理が行われる(ステップS612)。 Next, the corresponding points when viewed from the first installation position 132 obtained in step S608 and the corresponding points when viewed from the second installation position 133 obtained in step S611, are obtained as three-dimensional point group position data. Based on this, a process of calculating the correspondence between the two coordinate systems using absolute orientation is performed (step S612).
ここで単写真標定を用いるのであれば、第2の設置位置133における三次元点群位置データの取得(ステップ610)は必要ではなく、第1の設置位置132において取得した三次元点群位置データと第2の設置位置133から撮影した画像の画像データに基づく標定が行われる。また、相互標定であれば、第1の設置位置132において得た画像データと第2の設置位置133において得た画像データに基づく標定が行われる。またこれらの対応点の位置自動検出にステレオマッチングを用いて対応関係を算出することができる。 If single photo orientation is used here, the acquisition of the 3D point cloud position data at the second installation position 133 (step 610) is not necessary, and the 3D point cloud position data acquired at the first installation position 132 is not necessary. The orientation based on the image data of the image taken from the second installation position 133 is performed. In the case of relative orientation, orientation based on image data obtained at the first installation position 132 and image data obtained at the second installation position 133 is performed. Also, the correspondence can be calculated using stereo matching for automatic position detection of these corresponding points.
ステップS612の対応関係の算出において、演算にリトライが繰り返される、演算に遅延が見られる、エラーが生じた場合、といった問題が生じたと判定される場合は、対応関係の算出に問題ありと判定され(ステップS613)、その旨がユーザに画像表示等により報知される。この場合、ステップS604の前段階に戻り、第2の設置位置133の選定がやり直され、ステップS604以下の処理が再度実行される。そして、対応関係の算出が終了したら、その結果に基づき、第1の設置位置において得た三次元点群位置データの座標系における第2の設置位置133の三次元座標の値を算出し(ステップS614)、処理を終了する(ステップS615)。 In the calculation of the correspondence relationship in step S612, if it is determined that a problem has occurred such as a retry being repeated in the operation, a delay in the operation, or an error occurring, it is determined that there is a problem in calculating the correspondence relationship. (Step S613), the fact is notified to the user by image display or the like. In this case, the process returns to the previous stage of step S604, the second installation position 133 is selected again, and the processes after step S604 are executed again. When the calculation of the correspondence is completed, based on the result, the value of the three-dimensional coordinate of the second installation position 133 in the coordinate system of the three-dimensional point cloud position data obtained at the first installation position is calculated (step In step S614, the process ends (step S615).
上記の処理によれば、対応点を確実に特徴点とすることができ、また両視点からの対応点の対応性がより正確となる。すなわち、第1の設置位置132から見た場合の対応点の指定は、第1の設置位置132から得られた三次元点群位置データに基づき、特徴点となる部分が演算により求められることで行われている(この点で特徴点の指定が確実に行われている)。 According to the above processing, the corresponding point can be reliably set as the feature point, and the correspondence of the corresponding point from both viewpoints becomes more accurate. In other words, the designation of the corresponding point when viewed from the first installation position 132 is obtained by calculating a portion to be a feature point based on the three-dimensional point cloud position data obtained from the first installation position 132. Has been done (the feature point is definitely specified at this point).
他方で、第2の設置位置133から見た場合の対応点の特定は、以下の段階を踏んで行われる。すなわち、(1)まず画面表示された第1の設置位置132から見た場合の対応点の表示に基づく、ユーザのマニュアル操作による対応点の仮指定、(2)このユーザによって仮指定された点の付近における三次元点群位置データの再取得、(3)この再取得された三次元点群位置データに基づく演算による当該付近における特徴点の算出、が行われる。したがって、マニュアル操作による第2の設置位置133から見た場合の対応点の位置の指定に誤差があっても、その付近における特徴点の算出が再度行われ、それに基づいて対応点が特定されるので、第2の設置位置133においても、第1の設置位置132において指定された対応点(特徴点)が、高い精度で取得できる。但し、上記(2)(3)の処理は、その対応点の指定が確実に行われれば必要ない。あるいは、仮指定であっても後処理によって正確な位置に補正する場合は必要ない。また、ステレオマッチングを行えば、自動での対応点検出、指定が可能である。 On the other hand, identification of corresponding points when viewed from the second installation position 133 is performed in the following steps. That is, (1) First, a corresponding point is temporarily specified by the user's manual operation based on the display of the corresponding point when viewed from the first installation position 132 displayed on the screen. (2) The point temporarily specified by the user Re-acquisition of 3D point cloud position data in the vicinity of (3), and calculation of feature points in the vicinity by calculation based on the reacquired 3D point cloud position data. Therefore, even if there is an error in the designation of the position of the corresponding point when viewed from the second installation position 133 by manual operation, the feature point in the vicinity is calculated again, and the corresponding point is specified based on it. Therefore, also at the second installation position 133, the corresponding points (feature points) designated at the first installation position 132 can be acquired with high accuracy. However, the processes (2) and (3) are not necessary if the corresponding points are specified reliably. Or even if it is provisional designation, it is not necessary when correcting to an accurate position by post-processing. If stereo matching is performed, corresponding point detection and designation can be performed automatically.
以上の理由により、第2の設置位置133から見た場合の対応点を、単にマニュアル操作のみで指定した場合に比較して、より精度の高い両座標系間における対応点の設定が可能となる。そして、両座標系間における対応点の設定の精度が高くなることで、両座標系間の対応関係の算出における演算処理の効率を高めることができる。なおここで説明した方法では、両座標系間の対応関係の算出の前に第2の設置位置133からの三次元点群位置データの取得が必要となるが、この際における第2の設置位置133からの三次元点群位置データの取得は、部分的なものであるので、処理時間の増加は最低限に抑えることができる。 For the reasons described above, it is possible to set the corresponding points between the two coordinate systems with higher accuracy than when the corresponding points when viewed from the second installation position 133 are simply designated by manual operation. . And the precision of the setting of the corresponding point between both coordinate systems becomes high, and the efficiency of the arithmetic processing in calculation of the correspondence between both coordinate systems can be improved. In the method described here, it is necessary to obtain the three-dimensional point cloud position data from the second installation position 133 before calculating the correspondence between the two coordinate systems. Since the acquisition of the three-dimensional point cloud position data from 133 is partial, an increase in processing time can be minimized.
(動作例3)
以下、三次元モデルの形成および表示に係る動作の一例を説明する。まず、第1の設置位置132おいて、測定対象物134〜136の撮影および測定対象物134〜136の三次元点群位置データ(正確にいうと、オクルージョンが発生するので、測定対象物136の三次元点群位置データは取得できない)の取得を行い、第1の設置位置132から見た向きの測定対象物の三次元モデルを形成する(図7(A)参照)。
(Operation example 3)
Hereinafter, an example of the operation related to the formation and display of the three-dimensional model will be described. First, at the first installation position 132, photographing of the measurement objects 134 to 136 and three-dimensional point cloud position data of the measurement objects 134 to 136 (to be precise, since occlusion occurs, the measurement object 136 3D point cloud position data cannot be acquired), and a 3D model of the measurement object in the direction viewed from the first installation position 132 is formed (see FIG. 7A).
次に、レーザースキャナ131を第2の設置位置133に移動させ、測定対象物134〜136の画像を撮影する。そして、第1の設置位置132において取得した三次元点群位置データ(第1の三次元点群位置データ)と第2の設置位置133において取得した画像データとの対応関係を「単写真標定」を利用して算出する。 Next, the laser scanner 131 is moved to the second installation position 133 and images of the measurement objects 134 to 136 are taken. The correspondence between the 3D point cloud position data acquired at the first installation position 132 (first 3D point cloud position data) and the image data acquired at the second installation position 133 is “single photo orientation”. Calculate using.
次に、第1の設置位置132から測定対象物を見た場合の座標系(既に得ている第1の三次元点群位置データの座標系)における第2の設置位置133の座標位置の算出を行う。そしてこの算出の結果に基づき、第2の設置位置133の視点から見た三次元モデルの表示を行うための演算を行う。つまり、第1の設置位置132から見た向きの三次元モデルを、第2の設置位置133から見た向きの三次元モデルに座標変換する。この処理は、第1の設置位置132から見た向きの座標系における第2の設置位置133の座標、およびこの座標系における第2の設置位置133に設置したレーザースキャナ131の向きに基づいて数学的な演算により行うことができる。この処理により、視点の位置が変わり、三次元モデルが回転する。こうして、第1の設置位置132において取得した三次元点群位置データに基づく三次元モデルを、第2の設置位置133の視点から見た状態を得る(図7(B)参照)。 Next, calculation of the coordinate position of the second installation position 133 in the coordinate system (coordinate system of the first three-dimensional point cloud position data already obtained) when the measurement object is viewed from the first installation position 132 is calculated. I do. Based on the calculation result, an operation for displaying the three-dimensional model viewed from the viewpoint of the second installation position 133 is performed. That is, the coordinate conversion is performed on the three-dimensional model viewed from the first installation position 132 into the three-dimensional model viewed from the second installation position 133. This processing is performed based on the coordinates of the second installation position 133 in the coordinate system viewed from the first installation position 132 and the orientation of the laser scanner 131 installed at the second installation position 133 in this coordinate system. It can be performed by a typical calculation. By this process, the position of the viewpoint changes and the three-dimensional model rotates. Thus, a state is obtained in which the three-dimensional model based on the three-dimensional point cloud position data acquired at the first installation position 132 is viewed from the viewpoint of the second installation position 133 (see FIG. 7B).
図7(B)の状態では、第1の設置位置132からはオクルージョンとなる符号134aの部分のデータが欠落し、その部分が影として強調されている。またこの際、第1の設置位置132からはオクルージョンとなって見えない測定対象物136は表示されない。 In the state of FIG. 7B, the data of the portion 134a that is occlusion is missing from the first installation position 132, and that portion is emphasized as a shadow. At this time, the measurement object 136 that is not occluded from the first installation position 132 is not displayed.
次いで、第2の設置位置133において測定対象物134〜136の三次元点群位置データ(第2の三次元点群位置データ)を取得する。この後、上述した第1の設置位置132から測定対象物を見た場合の座標系における第2の設置位置133の座標位置に基づき、第1の三次元点群位置データと第2の三次元点群位置データとを統合的に取り扱い、第1の三次元点群位置データと第2の三次元点群位置データとに基づく三次元モデルを形成する。この三次元モデルを画面上に表示した場合の一例が図7(C)に示されている。この場合、図2の測定対象物136が見える第2の設置位置133において得た三次元点群位置データも利用されて三次元モデルが形成されるので、測定対象物136はオクルージョン部分とならない。また、図2(A)の視点に当該三次元モデルを回転させた場合に、第1の設置位置132おいて得られた三次元点群位置データに基づく三次元モデル部分が見えるので、第2の設置位置133から死角となる部分がオクルージョンとならず、表示される。 Next, three-dimensional point group position data (second three-dimensional point group position data) of the measurement objects 134 to 136 is acquired at the second installation position 133. Thereafter, based on the coordinate position of the second installation position 133 in the coordinate system when the measurement object is viewed from the first installation position 132 described above, the first three-dimensional point cloud position data and the second three-dimensional The point cloud position data is handled in an integrated manner, and a 3D model based on the first 3D point cloud position data and the second 3D point cloud position data is formed. An example when this three-dimensional model is displayed on the screen is shown in FIG. In this case, since the three-dimensional model is formed using the three-dimensional point cloud position data obtained at the second installation position 133 where the measurement object 136 of FIG. 2 can be seen, the measurement object 136 does not become an occlusion part. In addition, when the 3D model is rotated to the viewpoint of FIG. 2A, the 3D model portion based on the 3D point cloud position data obtained at the first installation position 132 can be seen. A portion that becomes a blind spot from the installation position 133 is not occluded and is displayed.
(動作例4)
図1の点群位置データ処理装置100の内部で扱われる座標のデータをGPS装置103によって得られる経度緯度に関する座標データと関連付けることで、三次元モデルの座標や三次元点群位置データを得るための視点に係る位置データを地図データと関連付けることができる。これにより、例えばパーソナルコンピュータ上に表示された地図データ上に視点の位置を表示するといった機能が可能となる。
(Operation example 4)
In order to obtain the coordinates of the three-dimensional model and the three-dimensional point group position data by associating the coordinate data handled inside the point group position
(その他)
図1の点群位置データ処理装置100が備える複数の機能を分散させた構成も可能である。例えば、三次元モデル形成部119や座標演算部117の機能を通信回線で結ばれた別のコンピュータやサーバで行い、点群データ処理装置100と同様の機能を有する点群位置データ処理システムを構成することもできる。また、点群位置データ処理装置100の一部の機能をレーザースキャナ側に持たせ、このレーザースキャナと組み合わせたシステムとして本発明を実施することも可能である。
(Other)
A configuration in which a plurality of functions provided in the point cloud position
(第1の実施形態の優位性)
以上説明した実施形態によれば、第1の視点において測定対象物の三次元点群位置データを取得後に、第2の視点にレーザースキャン装置を移動させ、そこでの三次元点群位置データの本格的な取得の前に、撮影によって得た画像データに基づいて、新たな視点(第2の視点)の位置を、第1の視点から測定対象物を見た場合に用いる座標系上で特定する。この特定した結果を利用することで、第1の視点において得られた三次元点群座標データに基づく三次元モデルを第2の視点から見た向きに変えることができる。すなわち、第1の視点において得られた三次元点群座標データを第2の視点から測定対象物を見た場合の座標系で扱えるように座標変換を行うことが可能となるので、第1の視点において得られた三次元点群座標データに基づく三次元モデルを第2の視点から見た向きに回転させることができる。
(Advantages of the first embodiment)
According to the embodiment described above, after acquiring the three-dimensional point cloud position data of the measurement object at the first viewpoint, the laser scanning device is moved to the second viewpoint, and the three-dimensional point cloud position data at the second viewpoint is obtained. Before acquisition, the position of a new viewpoint (second viewpoint) is specified on the coordinate system used when the measurement object is viewed from the first viewpoint based on image data obtained by shooting. . By using this identified result, the three-dimensional model based on the three-dimensional point cloud coordinate data obtained at the first viewpoint can be changed to the orientation viewed from the second viewpoint. That is, it is possible to perform coordinate transformation so that the three-dimensional point cloud coordinate data obtained at the first viewpoint can be handled in the coordinate system when the measurement object is viewed from the second viewpoint. The three-dimensional model based on the three-dimensional point cloud coordinate data obtained at the viewpoint can be rotated in the direction viewed from the second viewpoint.
また、第1の視点で用いる座標系における第2の視点の位置を算出することで、その後に第2の視点において得られる三次元点群位置データと、先に取得されている第1の視点からの三次元点群位置データとの対応関係を知ることができる。すなわち、第2の視点は、第2の視点から得られる三次元点群位置データの原点である。よって、この原点の位置を第1の視点で用いた座標上で求めておくことで、第1の視点で得た三次元点群位置データと第2の視点で得た三次元点群位置データの改めての位置合わせが不要となる(あるいは、概略の対応関係が与えられるので、位置合わせに要する負担が軽減される)。このため、2つの三次元点群位置データ同士を比較することで、位置合わせを行う場合に比較して、2つの点群位置データを統合的に取り扱うために要する処理を飛躍的に効率化(短縮化)できる。 Further, by calculating the position of the second viewpoint in the coordinate system used for the first viewpoint, the three-dimensional point cloud position data obtained at the second viewpoint thereafter, and the first viewpoint acquired previously The correspondence with the 3D point cloud position data from can be known. That is, the second viewpoint is the origin of the three-dimensional point cloud position data obtained from the second viewpoint. Therefore, by obtaining the position of the origin on the coordinates used at the first viewpoint, the three-dimensional point group position data obtained at the first viewpoint and the three-dimensional point group position data obtained at the second viewpoint. No new alignment is required (or a rough correspondence is given, so the burden required for alignment is reduced). For this reason, by comparing the two 3D point cloud position data, the processing required to handle the two point cloud position data in an integrated manner is greatly improved compared to the case of performing the alignment ( Shortened).
また、第1の視点で用いる座標系における第2の視点の位置を求める処理は、第2の視点における測定対象物全体の三次元点群位置データの取得を前提としないので、第2の視点における測定対象物全体の三次元点群位置データの取得を行った後で、第2の視点が不適切であったことが判明した場合のような、膨大な処理が無駄になる問題の発生を避けることができる。つまり、第1の視点から測定対象物を見た場合の座標系における第2の視点の座標位置の特定がうまくできない場合(例えば、演算のリトライが繰り返される場合)や、オクルージョンの解消が不十分である等の理由に起因して、第2の視点が妥当でない場合における第2の視点の変更を簡単に行うことができる。このため、膨大な手間や時間を費やした測定作業や処理が無駄になる不都合を回避できる。 In addition, since the process for obtaining the position of the second viewpoint in the coordinate system used for the first viewpoint does not presuppose acquisition of three-dimensional point cloud position data of the entire measurement object at the second viewpoint, the second viewpoint After acquiring the 3D point cloud position data of the entire measurement object, the problem that a huge amount of processing is wasted is found, such as when the second viewpoint is found to be inappropriate. Can be avoided. In other words, when the measurement object is viewed from the first viewpoint, the coordinate position of the second viewpoint in the coordinate system cannot be well specified (for example, when retry of calculation is repeated), or occlusion is not sufficiently eliminated. For example, the second viewpoint can be easily changed when the second viewpoint is not valid. For this reason, it is possible to avoid the inconvenience of wasteful measurement work and processing that consumes enormous effort and time.
なお、図5に示す対応点の指定において、その操作がマウス等を用いたポインティングデバイスを用いたマニュアル操作であるので、対応点の指定位置に誤差が含まれる場合も有りうる。しかしながら、精度に問題があっても2つの三次元点群位置データを統合的に扱う際の概略の初期値を与えることができるので、数万点〜数億点となる第2の視点からの測定対象物全体の三次元点群位置データを取得した後に、両三次元点群位置データに基づいてそれらを統合的に取り扱うための処理を行う場合に比較して、処理を飛躍的に効率化(短縮化)できる。 In the designation of corresponding points shown in FIG. 5, since the operation is a manual operation using a pointing device using a mouse or the like, there may be a case where an error is included in the designated position of the corresponding points. However, even if there is a problem in accuracy, it is possible to give an approximate initial value when the two three-dimensional point cloud position data is handled in an integrated manner. Compared with the case where the processing to integrate them based on both 3D point cloud position data is performed after acquiring the 3D point cloud position data of the entire measurement object, the processing is dramatically improved. (Shortening).
2.第2の実施形態
以下、三次元レーザースキャナを備えた点群位置データ処理装置について説明する。この例において、点群位置データ処理装置は、測定対象物に対して測距光(レーザー光)を走査しつつ照射し、レーザー光の飛行時間に基づいて自身の位置から測定対象物上の多数の測定点までの距離を測距する。また、点群位置データ処理装置は、レーザー光の照射方向(水平角および高低角)を検出し、距離および照射方向に基づいて測定点の三次元座標を演算する。また、点群位置データ処理装置は、測定対象物を撮影した二次元画像(各測定点におけるRGB強度)を取得し、二次元画像と三次元座標とを結び付けた三次元点群位置データを形成する。さらに、ここで示す点群位置データ処理装置は、図1に関連して説明した点群位置データ処理装置100の処理を行う機能を有している。
2. Second Embodiment Hereinafter, a point cloud position data processing apparatus including a three-dimensional laser scanner will be described. In this example, the point cloud position data processing apparatus irradiates the measurement object with distance measuring light (laser light) while scanning it, and based on the time of flight of the laser light, the point cloud position data processing apparatus applies a large number on the measurement object. Measure the distance to the measurement point. In addition, the point cloud position data processing device detects the irradiation direction (horizontal angle and elevation angle) of the laser beam, and calculates the three-dimensional coordinates of the measurement point based on the distance and the irradiation direction. Also, the point cloud position data processing device acquires a two-dimensional image (RGB intensity at each measurement point) obtained by photographing the measurement object, and forms three-dimensional point cloud position data by connecting the two-dimensional image and the three-dimensional coordinates. To do. Furthermore, the point cloud position data processing apparatus shown here has a function of performing the processing of the point cloud position
(構成)
図10および図11は、三次元レーザースキャナ機能を備えた点群位置データ処理装置1の構成を示す断面図である。点群位置データ処理装置1は、整準部22、回転機構部23、本体部27、および回転照射部28を備えている。本体部27は、測距部24、撮影部25、制御部26等から構成されている。なお、図11は、説明の便宜のため、図10に示す断面方向に対して、回転照射部28のみ側方から見た状態を示している。
(Constitution)
10 and 11 are cross-sectional views showing the configuration of the point cloud position
整準部22は、台盤29を有し、回転機構部23は下部ケーシング30を有する。下部ケーシング30は、ピン31と2個の調整ネジ32とにより3点で台盤29に支持されている。下部ケーシング30は、ピン31の先端を支点にして傾動する。なお、台盤29と下部ケーシング30との間には、台盤29と下部ケーシング30とが互いに離反しないようにするため、引っ張りスプリング33が設けられている。
The leveling
下部ケーシング30の内部には、2個の整準モータ34が設けられている。2個の整準モータ34は、制御部26によって互いに独立して駆動される。整準モータ34の駆動により整準駆動ギア35、整準従動ギア36を介して調整ネジ32が回転し、調整ネジ32の下方への突出量が調整される。また、下部ケーシング30の内部には傾斜センサ37(図12参照)が設けられている。2個の整準モータ34は、傾斜センサ37の検出信号により駆動され、これにより整準が実行される。
Two leveling
回転機構部23は、下部ケーシング30の内部に水平角用駆動モータ38を有する。水平角用駆動モータ38の出力軸には水平回動駆動ギア39が嵌着されている。水平回動駆動ギア39は、水平回動ギア40に噛合されている。水平回動ギア40は、回転軸部41に設けられている。回転軸部41は、回転基盤42の中央部に設けられている。回転基盤42は、下部ケーシング30の上部に、軸受け部材43を介して設けられている。
The
また、回転軸部41には水平角検出器44として、例えばエンコーダが設けられている。水平角検出器44は、下部ケーシング30に対する回転軸部41の相対的回転角(水平角)を検出する。水平角は制御部26に入力され、制御部26は、その検出結果に基づき水平角用駆動モータ38を制御する。
Further, the
本体部27は、本体部ケーシング45を有する。本体部ケーシング45は、回転基盤42に固着されている。本体部ケーシング45の内部には鏡筒46が設けられている。鏡筒46は、本体部ケーシング45の回転中心と同心の回転中心を有する。鏡筒46の回転中心は、光軸47に合致されている。鏡筒46の内部には、光束分離手段としてのビームスプリッタ48が設けられている。ビームスプリッタ48は、可視光を透過し、かつ、赤外光を反射する機能を有する。光軸47は、ビームスプリッタ48によって光軸49と光軸50とに分離される。
The
測距部24は、鏡筒46の外周部に設けられている。測距部24は、発光部としてのパルスレーザ光源51を有する。パルスレーザ光源51とビームスプリッタ48との間には、穴あきミラー52、レーザー光のビームウエスト径を変更するビームウエスト変更光学系53が配設されている。測距光源部は、パルスレーザ光源51、ビームウエスト変更光学系53、穴あきミラー52で構成されている。穴あきミラー52は、パルスレーザ光を穴部52aからビームスプリッタ48に導き、測定対象物から反射して戻って来た反射レーザー光を測距受光部54に向けて反射する役割を有する。
The
パルスレーザ光源51は、制御部26の制御により所定のタイミングで赤外パルスレーザ光を発する。赤外パルスレーザ光は、ビームスプリッタ48によって高低角用回動ミラー55に向けて反射される。高低角用回動ミラー55は、赤外パルスレーザ光を測定対象物に向けて反射する。高低角用回動ミラー55は、高低角方向に回転することで、鉛直方向に延びる光軸47を高低角方向の投光光軸56に変換する。ビームスプリッタ48と高低角用回動ミラー55との間でかつ鏡筒46の内部には集光レンズ57が配設されている。
The pulse
測定対象物からの反射レーザー光は、高低角回動用ミラー55、集光レンズ57、ビームスプリッタ48、穴あきミラー52を経て測距受光部54に導かれる。また、測距受光部54には、内部参照光路を通って参照光も導かれる。反射レーザー光が測距受光部54で受光されるまでの時間と、レーザー光が内部参照光路を通って測距受光部54で受光されるまでの時間との差に基づき、点群位置データ処理装置1から測定対象物(測定対象点)までの距離が測定される。測距受光部54は、CMOS光センサ等の光電変化素子により構成され、検出した光のRGB強度を検出する機能も有している。
The reflected laser light from the object to be measured is guided to the distance measuring
撮影部25は、画像受光部58を備え、図1の画像取得装置102に対応するカメラとして機能する。画像受光部58は、鏡筒46の底部に設けられている。画像受光部58は、多数の画素が平面状に集合して配列されたもの、例えば、CCD(Charge Coupled Device)で構成されている。画像受光部58の各画素の位置は光軸50によって特定される。例えば、光軸50を原点として、X−Y座標を想定し、このX−Y座標の点として画素が定義される。
The
回転照射部28は、投光ケーシング59の内部に収納されている。投光ケーシング59の周壁の一部は、投光窓となっている。図11に示すように、鏡筒46のフランジ部60には、一対のミラーホルダー板61が対向して設けられている。ミラーホルダー板61には、回動軸62が掛け渡されている。高低角用回動ミラー55は、回動軸62に固定されている。回動軸62の一端部には高低角ギア63が嵌着されている。回動軸62の他端側には高低角検出器64が設けられている。高低角検出器64は、高低角用回動ミラー55の回動角を検出し、その検出結果を制御部26に出力する。
The
ミラーホルダー板61の一方には、高低角用駆動モータ65が取り付けられている。高低角用駆動モータ65の出力軸には駆動ギア66が嵌着されている。駆動ギア66は、回転軸62に取り付けられた高低角ギア63に噛合されている。高低角用駆動モータ65は、高低角検出器64の検出結果に基づき、制御部26の制御により適宜駆動される。
A high and low
投光ケーシング59の上部には、照星照門67が設けられている。照星照門67は、測定対象物を概略視準するのに用いられる。照星照門67を用いた視準方向は、投光光軸56の延びる方向、および回動軸62の延びる方向に対して直交する方向とされている。また、図11に示すように、投光ケーシング59の上部には、GPSアンテナ81が配置されている。GPSアンテナにより、GPS情報が取得され、内部で行われる演算にGPS情報を利用することができる構成とされている。
On the upper part of the
図12は、制御部のブロック図である。制御部26には、水平角検出器44、高低角検出器64、傾斜センサ37、GPSアンテナ81からの検出信号が入力される。また、制御部26は、操作部6から操作指示信号が入力される。制御部26は、水平角用駆動モータ38、高低角用駆動モータ65、整準モータ34を駆動制御する共に、作業状況、測定結果等を表示する表示部7を制御する。制御部26には、メモリカード、HDD等の外部記憶装置68が着脱可能とされている。
FIG. 12 is a block diagram of the control unit. Detection signals from the
制御部26は、演算部4、記憶部5、水平駆動部69、高低駆動部70、整準駆動部71、距離データ処理部72、画像データ処理部73等から構成されている。記憶部5は、測距や高低角と水平角の検出を行うために必要なシーケンスプログラム、演算プログラム、測定データの処理を実行する測定データ処理プログラム、画像処理を行う画像処理プログラム、三次元点群位置データから面を抽出し、更に輪郭線を算出するプログラム、この算出した輪郭線を表示部7に表示させるための画像表示プログラム、三次元点群位置データの再取得に係る処理を制御するプログラム等の各種のプログラムを格納すると共に、これらの各種のプログラムを統合管理するための統合管理プログラム等を格納する。また、記憶部5は、測定データ、画像データ等の各種のデータを格納する。水平駆動部69は、水平角用駆動モータ38を駆動制御し、高低駆動部70は、高低角用駆動モータ65を駆動制御し、整準駆動部71は、整準モータ34を駆動制御する。距離データ処理部72は、測距部24によって得られた距離データを処理し、画像データ処理部73は、撮影部25により得られた画像データを処理する。
The
また、制御部26は、GPS受信部82を備えている。GPS受信部82は、GPSアンテナが受信したGPS衛星からの信号を処理し、地球上における座標データを算出する。これは、通常のGPS受信装置と同じである。GPSから得られた位置情報は、点群位置データ処理部100’に入力される。
The
図13は、演算部4のブロック図である。演算部4は、三次元座標演算部74、リンク形成部75、グリッド形成部9、点群位置データ処理部100’を備えている。三次元座標演算部74には、距離データ処理部72から測定対象点の距離データが入力され、水平角検出器44および高低角検出器64から測定対象点の方向データ(水平角および高低角)が入力される。三次元座標演算部74は、入力された距離データと方向データとに基づき、点群位置データ処理装置1の位置を原点(0,0,0)とした各測定点の三次元座標(直交座標)を算出する。
FIG. 13 is a block diagram of the
リンク形成部75には、画像データ処理部73から画像データおよび三次元座標演算部74が算出した各測定点の三次元座標の座標データが入力される。リンク形成部75は、画像データ(各測定点のRGB強度)と三次元座標を結び付けた三次元点群位置データ2を形成する。つまり、リンク形成部75は、測定対象物のある点に着目した場合、その着目点の二次元画像中における位置と、その着目点の三次元座標とを関連付けしたものを作成する。この関連付けされたデータは、全ての測定点について算出され、それらが三次元点群位置データ2となる。
The
リンク形成部75は、以上の三次元点群位置データ2をグリッド形成部9に出力する。グリッド形成部9は、三次元点群位置データ2の隣接点の点間距離が一定でない場合に、等間隔のグリッド(メッシュ)を形成し、グリッドの交点に最も近い点を登録する。または、グリッド形成部9は、線形補間法やバイキュービック法を用いて、グリッドの交点位置に全点を補正する。なお、三次元点群位置データ2の点間距離が一定である場合には、グリッド形成部9の処理を省略することができる。
The
以下、グリッドの形成手順について説明する。図14は、点間距離が一定でない三次元点群位置データを示す概念図であり、図15は、形成したグリッドを示す概念図である。図14に示すように、各列の平均水平間隔H1〜Nを求め、さらに列間の平均水平間隔の差分ΔHi,jを算出し、その平均をグリッドの水平間隔ΔHとする(数16)。垂直方向の間隔は、各列での垂直方向の隣接点との距離ΔVN,Hを算出し、画像サイズW,Hの画像全体におけるΔVN,Hの平均を垂直間隔ΔVとする(数17)。そして、図15に示すように、算出した水平間隔ΔHおよび垂直間隔ΔVのグリッドを形成する。 Hereinafter, the grid formation procedure will be described. FIG. 14 is a conceptual diagram showing three-dimensional point group position data where the distance between points is not constant, and FIG. 15 is a conceptual diagram showing a formed grid. As shown in FIG. 14, the average horizontal intervals H 1 to N of each column are obtained, the difference ΔH i, j of the average horizontal interval between the columns is calculated, and the average is set as the horizontal interval ΔH of the grid (Equation 16 ). The vertical interval is calculated by calculating the distance ΔV N, H between the vertical adjacent points in each column, and the average of ΔV N, H in the entire image of the image sizes W, H is defined as the vertical interval ΔV (Equation 17 ). Then, as shown in FIG. 15, a grid having the calculated horizontal interval ΔH and vertical interval ΔV is formed.
次に、形成したグリッドの交点に最も近い点を登録する。この際、交点から各点までの距離には所定の閾値を設けて、登録を制限する。例えば、閾値は、水平間隔ΔHおよび垂直間隔ΔVの1/2とする。なお、線形補間法やバイキュービック法のように、交点との距離に応じた重みを付けて全点を補正してもよい。ただし、補間を行った場合には、本来計測していない点となる。 Next, the point closest to the intersection of the formed grids is registered. At this time, a predetermined threshold is provided for the distance from the intersection to each point to limit registration. For example, the threshold value is ½ of the horizontal interval ΔH and the vertical interval ΔV. It should be noted that all points may be corrected by applying a weight according to the distance from the intersection, such as a linear interpolation method or a bicubic method. However, when interpolation is performed, the point is not originally measured.
以上のようにして得られた三次元点群位置データは、点群位置データ処理部100’に出力される。点群位置データ処理部100’は、第1の実施形態で説明した動作を行う。また、その動作においてユーザに提示される画像の表示(例えば、図4、図5、図7の画面表示)が液晶ディスプレイである表示部7に表示される。この点は、第1の実施形態に関係して説明した場合と同じである。点群位置データ処理部100’は、図1の点群位置データ処理装置100と同様の機能を有するハードウェアであり、FPGAを利用した専用の集積回路により構成されている。
The three-dimensional point cloud position data obtained as described above is output to the point cloud position data processing unit 100 '. The point cloud position
点群位置データ処理部100’には、GPS受信部82から得られた地球上における座標データが入力される。この構成によれば、点群位置データ処理部100’で取り扱われる座標がGPSから得られた位置データ(例えば、電子地図情報)とリンクされる。これにより、例えば、レーザースキャナを備えた点群位置データ処理装置1の設置位置を電子地図上に画面表示することができる。
Coordinate data on the earth obtained from the
(その他)
制御部26の構成において、グリッド形成部9から三次元点群位置データが出力される形態とすると、図10、図11に示す装置は、第1の実施形態で示したパーソナルコンピュータを利用した点群位置データ処理装置と組み合わせて使用可能な三次元レーザースキャナとなる。点群位置データ処理部100’が行う処理を分散して行う構成も可能である。例えば、点群位置データ処理部100’の機能の一部を通信回線で結ばれたサーバで行うような構成も可能である。この場合、本発明の点群位置データ処理システムの一例として把握される。
(Other)
In the configuration of the
画像を取得する方法として、CCDカメラ等を用いた撮影による方法が一般的であるが、点群データに基づいて測定対象物の画像を再現することもできる。レーザースキャン装置により三次元点群位置データを得た場合、各点からの反射光の光強度に係るデータが得られる。したがって、三次元点群位置データを対象物の画像を構成する画素データとして取り扱うことで、三次元点群位置データに基づいて測定対象物の画像を再現することができる。つまり、CCDやCMOSイメージセンサ等の撮影手段の代わりに、レーザースキャン装置を用いて測定対象物の画像を得ることができる。この場合、図1の画像データ取得部112は、点群位置データ取得装置101から出力される三次元点群位置データに基づき、上述した原理により画像データを取得する。 As a method for acquiring an image, a method by photographing using a CCD camera or the like is common, but an image of a measurement object can also be reproduced based on point cloud data. When three-dimensional point cloud position data is obtained by a laser scanning device, data relating to the light intensity of reflected light from each point is obtained. Therefore, by treating the 3D point cloud position data as pixel data constituting the image of the object, the image of the measurement object can be reproduced based on the 3D point cloud position data. That is, an image of an object to be measured can be obtained using a laser scanning device instead of a photographing means such as a CCD or a CMOS image sensor. In this case, the image data acquisition unit 112 in FIG. 1 acquires image data based on the above-described principle based on the three-dimensional point cloud position data output from the point cloud position data acquisition device 101.
本発明は、三次元情報の測定を行う技術に利用することができる。 The present invention can be used in a technique for measuring three-dimensional information.
1…三次元レーザースキャナを備えた点群位置データ処理装置、2…三次元点群位置データ、22…整準部、23…回転機構部、24…測距部、25…撮影部、26…制御部、27…本体部、28…回転照射部、29…台盤、30…下部ケーシング、31…ピン、32…調整ネジ、33…引っ張りスプリング、34…整準モータ、35…整準駆動ギア、36…整準従動ギア、37…傾斜センサ、38…水平回動モータ、39…水平回動駆動ギア、40…水平回動ギア、41…回転軸部、42…回転基盤、43…軸受部材、44…水平角検出器、45…本体部ケーシング、46…鏡筒、47…光軸、48…ビームスプリッタ、49、50…光軸、51…パルスレーザ光源、52…穴あきミラー、53…ビームウエスト変更光学系、54…測距受光部、55…高低角用回動ミラー、56…投光光軸、57…集光レンズ、58…画像受光部、59…投光ケーシング、60…フランジ部、61…ミラーホルダー板、62…回動軸、63…高低角ギア、64…高低角検出器、65…高低角用駆動モータ、66…駆動ギア、67…照星照門、68…外部記憶装置、69…水平駆動部、70…高低駆動部、71…整準駆動部、72…距離データ処理部、73…画像データ処理部、81…GPSアンテナ、82…GPS受信部、100’…点群位置データ処理部、130…点群位置データ処理装置として機能するパーソナルコンピュータ、131…三次元レーザースキャナ、132…三次元レーザースキャナを設置する第1の設置位置、133…三次元レーザースキャナを設置する第2の設置位置、134、135、136…測定対象物、134a…オクルージョン部分、
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記第1の視点と異なる第2の視点における前記測定対象物の画像データを取得する画像データ取得部と、
前記第1の視点から見た前記測定対象物と前記第2の視点から見た前記測定対象物との画像上の共通の領域における対応点を指定する対応点指定部と、
前記第1の視点における前記対応点の前記三次元点群位置データと前記第2の視点における前記対応点の画面座標値との対応関係を特定することで、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行う座標演算部と
を備えることを特徴とする点群位置データ処理装置。 A point cloud position data acquisition unit for acquiring 3D point cloud position data of the measurement object at the first viewpoint ;
An image data acquisition unit for acquiring image data of the measurement object at a second viewpoint different from the first viewpoint ;
The corresponding point designating section for designating corresponding points in a common region on the image of the measurement object as viewed from the second viewpoint and the measurement object as viewed from the first viewpoint,
By specifying the correspondence between the three-dimensional point group position data of the corresponding point at the first viewpoint and the screen coordinate value of the corresponding point at the second viewpoint, the coordinate system at the first viewpoint A point cloud position data processing apparatus comprising: a coordinate calculation unit that performs a calculation for obtaining a three-dimensional position of the associated second viewpoint.
前記第1視点三次元モデル、あるいは前記第1の視点から得られた前記測定対象物の画像である第1視点画像と前記第2の視点から得られた画像である第2視点画像とを表示すると共に、前記第1視点三次元モデル、前記第1視点画像および前記第2視点画像の少なくとも一つにおいて、前記対応点を表示する制御を行う表示制御部を備えることを特徴とする請求項2に記載の点群位置データ処理装置。 The three-dimensional model forming unit forms a first viewpoint three-dimensional model that is a three-dimensional model based on the three-dimensional point cloud position data of the measurement object obtained from the first viewpoint,
The first viewpoint three-dimensional model, or a first viewpoint image that is an image of the measurement object obtained from the first viewpoint and a second viewpoint image that is an image obtained from the second viewpoint are displayed. And a display control unit that controls to display the corresponding points in at least one of the first viewpoint three-dimensional model, the first viewpoint image, and the second viewpoint image. The point cloud position data processing device described in 1.
この取得された三次元点群位置データに基づいて前記特徴点の算出が行われ、この算出に基づいて前記指定された対応点の特定が行われることを特徴とする請求項6に記載の点群位置データ処理装置。 The point cloud position data acquisition unit acquires, when the corresponding point is specified, the 3D point cloud position data of the peripheral portion including the specified corresponding point at the second viewpoint,
7. The point according to claim 6 , wherein the feature point is calculated based on the acquired three-dimensional point cloud position data, and the designated corresponding point is specified based on the calculation. Group position data processing device.
前記画像データの基となる画像を撮影する撮影光学系と
を備え、
前記点群位置データ測定光学系と前記撮影光学系とは同一軸回りに回動可能とされており、
前記座標演算部は、少なくとも2点における対応関係に基づき、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行うことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の点群位置データ処理装置。 A point cloud position data measurement optical system for measuring the three-dimensional point cloud position data acquired by the point cloud position data acquisition unit;
A photographing optical system for photographing an image serving as a basis of the image data,
The point cloud position data measurement optical system and the photographing optical system are rotatable about the same axis,
The coordinate calculation unit performs a calculation for obtaining a three-dimensional position of the second viewpoint associated with the coordinate system of the first viewpoint based on a correspondence relationship between at least two points. The point cloud position data processing device according to any one of claims 7 to 9.
前記座標演算部は、前記GPS部で特定された前記第1の視点の位置と前記第2の視点の位置とに基づく演算を行うことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の点群位置データ処理装置。 A GPS unit that identifies the position of the first viewpoint and the position of the second viewpoint;
The coordinate calculation unit, any one of claim 1 to 9, characterized in that a calculation based on the positions of said second viewpoint of the first viewpoint specified by said GPS unit The point cloud position data processing device described.
前記第1の視点と異なる第2の視点における前記測定対象物の画像データを取得する画像データ取得ステップと、
前記第1の視点から見た前記測定対象物と前記第2の視点から見た前記測定対象物との画像上の共通の領域における対応点を指定する対応点指定ステップと、
前記第1の視点における前記対応点の前記三次元点群位置データと前記第2の視点における前記対応点の画面座標値との対応関係を特定することで、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行う座標演算ステップと
を備えることを特徴とする点群位置データ処理方法。 A point cloud position data acquisition step of acquiring 3D point cloud position data of the measurement object at the first viewpoint;
An image data acquisition step of acquiring image data of the measurement object at a second viewpoint different from the first viewpoint;
A designation corresponding point step of designating the corresponding points in a common region on the image of the measurement object as viewed from the second viewpoint and the measurement object as viewed from the first viewpoint,
By specifying the correspondence between the three-dimensional point group position data of the corresponding point at the first viewpoint and the screen coordinate value of the corresponding point at the second viewpoint, the coordinate system at the first viewpoint A point cloud position data processing method comprising: a coordinate calculation step for calculating a three-dimensional position of the associated second viewpoint.
前記第1の視点と異なる第2の視点における前記測定対象物の画像データを取得する画像データ取得手段と、
前記第1の視点から見た前記測定対象物と前記第2の視点から見た前記測定対象物との画像上の共通の領域における対応点を指定する対応点指定手段と、
前記第1の視点における前記対応点の前記三次元点群位置データと前記第2の視点における前記対応点の画面座標値との対応関係を特定することで、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行う座標演算手段と
を備えることを特徴とする点群位置データ処理システム。 Point cloud position data acquisition means for acquiring 3D point cloud position data of the measurement object at the first viewpoint ;
Image data acquisition means for acquiring image data of the measurement object at a second viewpoint different from the first viewpoint ;
A corresponding point specifying means for specifying corresponding points in a common region on the image of the measurement object as viewed from the second viewpoint and the measurement object as viewed from the first viewpoint,
By specifying the correspondence between the three-dimensional point group position data of the corresponding point at the first viewpoint and the screen coordinate value of the corresponding point at the second viewpoint, the coordinate system at the first viewpoint A point cloud position data processing system comprising: coordinate calculation means for calculating a three-dimensional position of the associated second viewpoint.
コンピュータを
第1の視点における測定対象物の三次元点群位置データを取得する点群位置データ取得部と、
前記第1の視点と異なる第2の視点における前記測定対象物の画像データを取得する画像データ取得部と、
前記第1の視点から見た前記測定対象物と前記第2の視点から見た前記測定対象物との画像上の共通の領域における対応点を指定する対応点指定部と、
前記第1の視点における前記対応点の前記三次元点群位置データと前記第2の視点における前記対応点の画面座標値との対応関係を特定することで、前記第1の視点における座標系に関連付けされた前記第2の視点の三次元位置を求める演算を行う座標演算部と
して機能させることを特徴とする点群位置データ処理プログラム。 A program that is read and executed by a computer,
Computer
A point cloud position data acquisition unit for acquiring 3D point cloud position data of the measurement object at the first viewpoint ;
An image data acquisition unit for acquiring image data of the measurement object at a second viewpoint different from the first viewpoint ;
The corresponding point designating section for designating corresponding points in a common region on the image of the measurement object as viewed from the second viewpoint and the measurement object as viewed from the first viewpoint,
By specifying the correspondence between the three-dimensional point group position data of the corresponding point at the first viewpoint and the screen coordinate value of the corresponding point at the second viewpoint, the coordinate system at the first viewpoint A point cloud position data processing program that functions as a coordinate calculation unit that performs a calculation for obtaining a three-dimensional position of the associated second viewpoint.
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