JP5870011B2 - Point cloud analysis device, point cloud analysis method, and point cloud analysis program - Google Patents
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Description
本発明は、センサ等によって得られた点群データを解析する点群解析装置、点群解析方法及び点群解析プログラムに関する。 The present invention relates to a point cloud analysis device, a point cloud analysis method, and a point cloud analysis program for analyzing point cloud data obtained by a sensor or the like.
近年、長距離レーザレンジファインダが広く普及することにより、屋内外問わず広範囲な空間における環境計測が実現し、計測した3次元点群から有用なオブジェクト(3次元物体)を抽出する技術開発が行われている。特に、レーザレンジファインダなどのセンサの高精度化により電線や通信架線のような線状物体(以下、ワイヤと称する)の位置測定も可能となった。 In recent years, with the widespread use of long-range laser range finders, environmental measurement has been realized in a wide range of spaces, both indoors and outdoors, and technology development has been carried out to extract useful objects (3D objects) from the measured 3D point cloud. It has been broken. In particular, it has become possible to measure the position of a linear object (hereinafter referred to as a wire) such as an electric wire or a communication overhead line by increasing the accuracy of a sensor such as a laser range finder.
非特許文献1では、3次元点群データに対して主成分分析を行い、各点がどのような3次元物体(直線、平面、立体的な形状)に所属するか識別を行っている。各点の3次元座標を1つのベクトルとし、ある点とその周辺の点群の分布が直線形状であれば、第1固有値が他の固有値に比べて大きな値となる傾向があるため、特定の閾値処理により注目点が架線上にあるかを判定できる。非特許文献1では、主成分分析により求めた第1固有値から第3固有値を特徴量と考えて、各点に事前につけたラベル(どの物体に所属するか判定する属性番号)を用いてパターン認識を行い、各点がどの物体(架線や建物、道路など)に属するか判定を行っている。図8は、点群密度と架線(ワイヤ)の直線近似精度を示す説明図である。図8(A)に示すように、ワイヤが高密度に計測できた場合、主成分分析により求めた直線の推定精度は高い。 In Non-Patent Document 1, principal component analysis is performed on three-dimensional point cloud data to identify what three-dimensional object (straight line, plane, three-dimensional shape) each point belongs to. If the three-dimensional coordinate of each point is a vector and the distribution of a point group and its surrounding points is a linear shape, the first eigenvalue tends to be larger than other eigenvalues. Whether or not the attention point is on the overhead line can be determined by threshold processing. In Non-Patent Document 1, pattern recognition is performed using labels (attribute numbers for determining which objects belong) that are assigned in advance to each point, considering the first to third eigenvalues obtained by principal component analysis as feature quantities. It is determined which object (overhead line, building, road, etc.) each point belongs to. FIG. 8 is an explanatory diagram showing the linear approximation accuracy of the point group density and the overhead line (wire). As shown in FIG. 8A, when the wire can be measured with high density, the estimation accuracy of the straight line obtained by the principal component analysis is high.
しかしながら、一般的に屋外のような広域な測定環境では、測定器から近い地面などの被写体は高密度に計測を行えるが、架線などワイヤは上空にある被写体のために、測定器から遠いことが原因となり計測点は疎になる傾向がある。また、電柱間のワイヤは複数本あるために、オクルージョン(途中に物体が障害となり、測定器から遠い物体の計測ができないこと)が生じ、更に測定間隔が疎になる。そのため、ある注目点とその周辺の広い範囲の点群の形状を調べなければ、注目点が架線を構成する点(ワイヤ構成点)か否かを判定することが難しい。ところが、形状を調べる範囲(処理対象領域)を広げると、注目点が属すべき物体以外の点群も含むこととなり、主成分分析の結果の信頼度が低くなるという問題がある(図8(B)参照)。 However, in general, in a wide-area measurement environment such as outdoors, subjects such as the ground near the measuring device can measure with high density, but wires such as overhead wires are far from the measuring device because of subjects in the sky. This causes the measurement points to be sparse. In addition, since there are a plurality of wires between the utility poles, occlusion occurs (an object becomes an obstacle on the way and an object far from the measuring instrument cannot be measured), and the measurement interval is further reduced. For this reason, it is difficult to determine whether or not the point of interest is a point that constitutes an overhead line (wire constituent point) unless the shape of a point of interest and a wide range of point groups around it are examined. However, if the range (processing target region) for examining the shape is expanded, the point group other than the object to which the attention point belongs is included, and there is a problem that the reliability of the result of the principal component analysis is lowered (FIG. 8B). )reference).
一方、従来技術において、上記のような主成分分析を用いるアプローチとは異なり、より広範囲な点群の分布を考慮するアプローチがある。非特許文献2では、Hough変換を用いて架線検出を行っている。Hough変換とは、直線や放物線などのモデルの位置や傾きなどのパラメータを、そのモデルに属すると推定された点群の投票により行うものである。
On the other hand, in the prior art, unlike the above-described approach using principal component analysis, there is an approach that considers a wider distribution of point clouds. In
しかしながら、非特許文献2では架線がほぼ直線に見えるぐらいの狭い領域内での架線検出を行っているに過ぎず、道路上の広域な範囲での複雑な形状のモデルを推定することは困難である。また、非特許文献2では画像(2次元上の空間)でのモデル推定を行っているが、3次元上の空間でモデル推定を行う場合、パラメータの投票空間も大きくなるために、正確なパラメータ推定自体が難しいという問題がある。
However, Non-Patent
また、従来技術におけるモデル推定とは別のアプローチとして、Markov Random Fieldにより、物体識別の推定精度が低いと思われる点を補正する手法もある。非特許文献3では、注目点とその周辺の点群の形状を主成分分析により推定し、近傍の点の推定精度が高いと思われる結果を用いて平滑化を行うことで、点群全体の推定精度を向上している。この技術により、部分的に測定密度が疎な部分の推定精度の向上が期待できる。 As another approach different from the model estimation in the prior art, there is a method of correcting a point where the estimation accuracy of the object identification is considered to be low by the Markov Random Field. In Non-Patent Document 3, the shape of the point of interest and the surrounding point group is estimated by principal component analysis, and smoothing is performed using the result that seems to have high estimation accuracy of neighboring points. The estimation accuracy has been improved. This technique can be expected to improve the estimation accuracy of the part where the measurement density is partially sparse.
しかしながら、個々の点の推定精度が低い点が集まっている部分については、推定精度の高い点群がないために正しく補正ができず、推定精度向上はできないという課題が残っている。例えば、複数の架線が密集して配置されていて、ねじれの位置にはあるが架線同士が交差しているような場合には、識別精度が低い点群の数が多くなってしまう。 However, there is a problem that a portion where points with low estimation accuracy of individual points are gathered cannot be corrected correctly because there is no point group with high estimation accuracy, and the estimation accuracy cannot be improved. For example, when a plurality of overhead lines are densely arranged and the overhead lines cross at the twisted position, the number of point groups with low identification accuracy increases.
また、既存技術のように主成分分析を適用する問題として、重心を原点とするように座標変換した後に点群の分布を調べていることである。図9は、電柱及び電柱間の架線(ワイヤ)の測定結果の一例を示す図である。図9(A)は電柱および電柱間の架線を表現している。図9(B)は、この電柱および電柱間の架線をレーザレンジファインダにより測定して得られた3次元点群を表現している。図9(B)に示すように、点群の密度に偏りがあると、注目点pの位置と大きく離れた「×」で示された位置が重心になる可能性もある。そのため、点pの位置とは異なる位置での接線方向を求めることになり、推定精度が低下するという問題がある。 Also, as a problem of applying principal component analysis as in the existing technology, the point cloud distribution is examined after coordinate transformation so that the center of gravity is the origin. FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a measurement result of a utility pole and an overhead wire (wire) between the utility poles. FIG. 9A represents a utility pole and an overhead line between the utility poles. FIG. 9B represents a three-dimensional point group obtained by measuring the utility pole and the overhead line between the utility poles with a laser range finder. As shown in FIG. 9B, if the density of the point group is biased, there is a possibility that the position indicated by “x” far away from the position of the point of interest p becomes the center of gravity. Therefore, a tangential direction at a position different from the position of the point p is obtained, and there is a problem that the estimation accuracy is lowered.
前述したように、従来技術である主成分分析を用いた個々の点の形状推定技術では、オクルージョンや架線位置が測定器から離れていて測定密度が低い場合や、複数の架線が密集している場合には架線の検出精度が低くなるという問題がある。また、共分散行列を求めているため、注目点とは異なる位置での点群形状および接線方向を求めており、推定精度の低下が生じるという問題もある。 As described above, in the conventional technique for estimating the shape of individual points using principal component analysis, the occlusion and overhead line positions are far from the measuring device and the measurement density is low, or a plurality of overhead lines are dense. In such a case, there is a problem that the detection accuracy of the overhead line is lowered. Further, since the covariance matrix is obtained, the point cloud shape and the tangential direction at a position different from the point of interest are obtained, and there is a problem that the estimation accuracy is lowered.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、得られた3次元点群を解析することによって線状物体を精度良く検出することができる点群解析装置、点群解析方法及び点群解析プログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a point group analysis apparatus, a point group analysis method, and a point that can accurately detect a linear object by analyzing the obtained three-dimensional point group The purpose is to provide a group analysis program.
本発明は、3次元点群データを取得する3次元点群取得手段と、前記3次元点群データのひとつを注目点とし、該注目点と一定の距離以下にある点を周囲点とし、該注目点に対する該周囲点の重要度を算出し、該注目点について該重要度を用いた重み付き自己相関行列を算出する自己相関行列算出手段と、前記自己相関行列の固有値を要素とする固有値特徴ベクトルを算出する特徴ベクトル算出手段と、前記固有値特徴ベクトルを用いて前記注目点が線状物体を構成するか否かを判定する識別手段とを具備することを特徴とする。 The present invention provides a three-dimensional point cloud acquisition means for acquiring three-dimensional point cloud data, one of the three-dimensional point cloud data as a point of interest, and a point within a certain distance from the point of interest as a surrounding point, An autocorrelation matrix calculating means for calculating the importance of the surrounding points with respect to the attention point, calculating a weighted autocorrelation matrix using the importance for the attention point, and an eigenvalue feature having eigenvalues of the autocorrelation matrix as elements It is characterized by comprising: a feature vector calculating means for calculating a vector; and an identifying means for determining whether or not the point of interest constitutes a linear object using the eigenvalue feature vector.
本発明は、前記重要度は、各周囲点の近傍領域内の点群の分布の広がりが広い方向に前記注目点が存在する場合に値が大きくなることを特徴とする。 The present invention is characterized in that the importance is increased when the point of interest exists in a direction in which the distribution of the point group in the vicinity region of each surrounding point is wide.
本発明は、前記重要度は、前記注目点と各周囲点とを結んだ直線を中心とする帯上に、広範囲に点群が存在する場合に値が大きくなることを特徴とする。 The present invention is characterized in that the importance value increases when a point group exists in a wide range on a band centering on a straight line connecting the attention point and each surrounding point.
本発明は、前記識別手段は、最大固有値が所定の閾値を超えるか否かに基づいて、前記注目点が線状物体を構成するか否かを判定することを特徴とする。 The present invention is characterized in that the identifying means determines whether or not the point of interest constitutes a linear object based on whether or not the maximum eigenvalue exceeds a predetermined threshold value.
本発明は、前記識別手段は、前記特徴ベクトルと辞書ベクトルとの距離を比較し、距離が近い辞書ベクトルを持つ物体を前記注目点が所属する物体であると判定することにより、前記注目点が線状物体を構成するか否かを判定することを特徴とする。 In the present invention, the identification unit compares the distance between the feature vector and the dictionary vector, and determines that an object having a dictionary vector with a close distance is an object to which the attention point belongs, so that the attention point is It is characterized by determining whether to comprise a linear object.
本発明は、3次元点群データを取得する3次元点群取得手段を備える点群解析装置が行う点群解析方法であって、前記3次元点群データのひとつを注目点とし、該注目点と一定の距離以下にある点を周囲点とし、該注目点に対する該周囲点の重要度を算出し、該注目点について該重要度を用いた重み付き自己相関行列を算出する自己相関行列算出ステップと、前記自己相関行列の固有値を要素とする固有値特徴ベクトルを算出する特徴ベクトル算出ステップと、前記固有値特徴ベクトルを用いて前記注目点が線状物体を構成するか否かを判定する識別ステップとを有することを特徴とする。 The present invention is a point cloud analysis method performed by a point cloud analysis apparatus including a 3D point cloud acquisition unit for acquiring 3D point cloud data, wherein one of the 3D point cloud data is used as a target point, and the target point And a point below a certain distance as a surrounding point, calculating the importance of the surrounding point relative to the point of interest, and calculating a weighted autocorrelation matrix using the degree of importance for the point of interest A feature vector calculation step of calculating an eigenvalue feature vector having the eigenvalue of the autocorrelation matrix as an element, and an identification step of determining whether or not the point of interest constitutes a linear object using the eigenvalue feature vector; It is characterized by having.
本発明は、コンピュータを、前記点群解析装置として機能させるための点群解析プログラムである。 The present invention is a point cloud analysis program for causing a computer to function as the point cloud analysis device.
本発明によれば、得られた3次元点群から高精度に線状物体を検出することができるという効果が得られる。特に、従来技術では困難であった、複数の線状物体が平行して密集している点群やねじれの位置で交差している線状物体がある場合でも、線状物体を構成する点の検出を行うことができる。 According to the present invention, there is an effect that a linear object can be detected with high accuracy from the obtained three-dimensional point group. In particular, even in the case where there is a point group in which a plurality of linear objects are densely arranged in parallel or a linear object intersecting at a twisted position, which is difficult with the prior art, Detection can be performed.
<第1実施形態>
以下、図面を参照して、本発明の第1実施形態による点群解析装置を説明する。本実施形態では、大規模な3次元点群の中から線状物体(ワイヤ)に属する点群を検出すると同時に検出した点(ワイヤ構成点)における接線方向を算出する。以下の説明では、具体的な例としてレーザレンジファインダにより取得した位置情報(3次元座標)を持つ点群を用いた線状物体を構成する点群(ワイヤ構成点群)を解析する点群解析装置について説明する。ここで、3次元とは緯度、経度、海抜(高さ)情報でもよいし、ユーザーが設定した特定の位置を原点とした3次元ユークリッド座標系でも極座標系でもよい。以下の説明では、ユーザーが設定をした原点における3次元ユークリッド座標系(各方向をX,Y,Z座標とする)を想定し、各座標の単位はメートルとする。3次元点とは、各点に上記の3次元座標およびその点群が撮影された時刻やレーザの反射強度などの計測情報、その点の属性情報が付与されている点という意味である。3次元点に付与される情報に特に制限はないが、少なくとも位置情報(X,Y,Z座標)は付与されたものであり、3次元点群とはその点が複数集まったものである。
<First Embodiment>
Hereinafter, a point cloud analyzer according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, a point group belonging to a linear object (wire) is detected from a large-scale three-dimensional point group, and at the same time, a tangent direction at the detected point (wire composing point) is calculated. In the following description, as a specific example, a point group analysis for analyzing a point group (wire constituent point group) constituting a linear object using a point group having position information (three-dimensional coordinates) acquired by a laser range finder The apparatus will be described. Here, the three-dimensional information may be latitude, longitude, sea level (height) information, or a three-dimensional Euclidean coordinate system or a polar coordinate system with a specific position set by the user as the origin. In the following description, a three-dimensional Euclidean coordinate system at the origin set by the user (each direction is assumed to be an X, Y, Z coordinate) is assumed, and the unit of each coordinate is meter. The term “three-dimensional point” means that each point is given measurement information such as the time when the above-mentioned three-dimensional coordinates and the group of points are photographed, the reflection intensity of the laser, and the attribute information of the point. There is no particular limitation on the information given to the three-dimensional point, but at least position information (X, Y, Z coordinates) is given, and the three-dimensional point group is a collection of a plurality of points.
次に、同実施形態による点群解析装置の構成を説明する。図1は同実施形態の構成を示すブロック図である。符号100は、コンピュータ装置で構成するワイヤ構成点検出装置である。符号101は、レーザレンジファインダや赤外線センサまたは超音波センサなどで構成し、被写体までの距離を測定する被写体測定手段である。被写体測定手段101は、例えば、レーザレンジファインダをGPS(Global Positioning System)が搭載された車両の上もしくはGPSの搭載された飛行機に搭載し、移動しながら計測することで街中の建物や架線、道路など不特定多数の被写体の3次元位置を計測する装置である。道路周辺の柱状物体検出ではなくて、ある特定の位置(交差点など)におけるワイヤ物体の検出であれば、1箇所からの計測でよいのでGPSが必ずしも搭載している必要はない。本実施形態では、被写体計測手段101として、車上にGPSとレーザレンジファインダが搭載されているMMS(Mobile Mapping System)を想定している。
Next, the configuration of the point group analysis apparatus according to the embodiment will be described. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the embodiment.
符号102は、ワイヤ構成点検出装置100で必要なパラメータを入力するパラメータ入力手段である。パラメータ入力手段102は、例えばキーボードやマウス、タッチ入力装置などのユーザーインタフェースや、DVD(Digital Versatile Disc)やUSB(Universal Serial Bus)メモリ等の外部記憶装置からのパラメータデータの転送装置である。
符号103は、被写体測定手段101が測定したレーザの反射強度や3次元位置情報、撮影時刻などの測定データを記憶する3次元点群記憶手段である。符号104は、パラメータ入力手段102によって入力したパラメータを記憶するパラメータ記憶手段である。パラメータとは、識別手法に用いるパラメータであり、例えば閾値や識別器に入力する値である。3次元点群記憶手段103とパラメータ記憶手段104は、例えばHDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)等のハードウェアによる記憶装置であり、同一でも別々のハードウェアでもよい。
符号105は、3次元点群記憶手段103から処理対象となる3次元座標内の3次元点群を読み出し、3次元点全てに対してワイヤ構成点であるか判定するための特徴の抽出処理を行うワイヤ構成点特徴抽出手段である。符号106は、ワイヤ構成点特徴抽出手段105が出力する結果およびパラメータ記憶手段104からパラメータを取得し、各点についてワイヤ構成点であるか識別処理を行うワイヤ構成点判定手段である。符号107は、ワイヤ構成点判定手段106の結果を取得し、ワイヤ構成点と判定された点について、接線方向の付与およびパラメータ記憶手段104から取得したワイヤ固有の属性番号へ属性を変更するワイヤ構成点情報付与手段である。属性情報とは、建物、地面、ワイヤ、樹木などに対して、ユーザがあらかじめ設定する物体固有の番号である。
符号108は、3次元点群が付与されている情報をアスキーコードなどのテキストデータやバイナリデータに変換し、そのデータをディスプレイ表示用の映像信号として出力する3次元点群出力手段である。付与されている情報とは、各点の3次元位置座標やレーザの反射強度、属性、接線方向、測定時刻などである。符号109は、ディスプレイ装置で構成する表示手段である。表示手段109は、例えば、CRT(Cathode Ray Tube)、LCD(Liquid Crystal Display)、PDP(Plasma Display Panel)等で構成する。
次に、図2を参照して、図1に示すワイヤ構成点検出装置100の動作を説明する。図2は、図1に示すワイヤ構成点検出装置100(ワイヤ構成点特徴抽出手段105、ワイヤ構成点判定手段106)の動作を示すフローチャートである。ここでは、3次元点群記憶手段103には、3次元点群のデータが記憶されており、パラメータ記憶手段104には、パラメータが記憶されているものとして説明する。
Next, the operation of the wire composing
まず、ワイヤ構成点特徴抽出手段105は、3次元点群記憶手段103から点群データを入力する(ステップS1)。図9(A)は電柱および電柱間の架線を表現した図である。図9(B)は、この電柱および電柱間の架線をレーザレンジファインダにより測定して得られた3次元点群を表現した図である。3次元点群において、図9(B)示すような右手系のX,Y,Z座標系を適用する。全ての3次元点について以下の処理を独立して行う。注目点pの区別する番号をiで表示し、全点群の数をIとすると、各点piについて独立してステップS2〜S4の処理を行う。
First, the wire constituent point
ワイヤ構成点特徴抽出手段105は、注目点piにおける重み付き自己相関行列を算出する(ステップS2)。まず、点piから半径R以内の点qj(j∈1,2,3..,N)を処理対象点群として設定する。ここで、Nは半径R以内の点の総数、jは処理対象点の各点を区別するための番号である。点piに対する点qjの重要度をwjとすると、(1)式、(2)式、(3)式により重み付き自己相関行列Pを求める。
ここで、‖qj−pi‖は点qjと点Piのユークリッド距離(ベクトルqj−piの2ノルム)であり、(3)式の「・」はベクトルの内積である。ulは点qjから半径r以内の点qm(m∈1,2,3,...,M)について、点qjを基準とした自己相関行列Qを固有値展開して求めた固有ベクトルであり、δk 2はQの固有値(δ1 2>δ2 2>δ3 2)である。Mを点qjから半径r以内の距離の点群の数とすると、qjを基準としたQは(4)式で求める。
ここでは点qjが点piと同一ワイヤ上に属する場合には、ベクトル(qj−pi)の方向が他の方向に比べて相対的に多くの点群が存在すると仮定している。すなわち、点qj周辺の点群の分散方向を考慮することで、点piと点qjが同一物体上にある可能性を考慮できる。(4)式で求めた固有値と固有ベクトルを用いたマハラノビス距離MLとベクトル(qj−pi)の距離の比率を、方向(qj−pi)に対する重要度(重みwj)とする。 Here, when the point q j belongs to the same wire as the point p i , it is assumed that the direction of the vector (q j −p i ) has a relatively larger number of point groups than the other directions. . That is, by considering the dispersion direction of the point group near the point q j, it can be considered the possibility that the point p i and the point q j is on the same object. The importance ratio (weight w j ) for the direction (q j −p i ) is the ratio of the Mahalanobis distance ML using the eigen value and the eigen vector determined by the equation (4) to the distance between the vector (q j −p i ).
図3は、図9における注目点piおよび処理対象点群の拡大図である。図3(B)に示す例では、点q1,点q2についての点群の分散と第1固有ベクトル(最も分散が大きい方向)が示してある。2点を比べた場合、点q2の第1固有ベクトルがベクトル(qj−pi)と成す角度が小さいため重みw2が重みw1より大きくなり、点q2を同一物体上にある点として考慮できる。これにより、半径R以内の処理対象領域に注目点が所属しないワイヤが存在するときも、その異なるワイヤの方向の点の重要度を抑えられるために、推定精度を向上できる。 FIG. 3 is an enlarged view of the attention point p i and the processing target point group in FIG. 9. In the example shown in FIG. 3B, the dispersion of the point group and the first eigenvector (the direction in which the dispersion is the largest) for the points q 1 and q 2 are shown. When two points are compared, since the angle formed by the first eigenvector of the point q 2 and the vector (q j −p i ) is small, the weight w 2 is larger than the weight w 1 , and the point q 2 is on the same object Can be considered as. Thereby, even when there is a wire to which the target point does not belong in the processing target area within the radius R, the importance of the point in the direction of the different wire can be suppressed, so that the estimation accuracy can be improved.
パラメータrと半径Rは実験的に決めるものであり、ここではr=0.2,R=0.5とした。rを大きくすることで密度が低い点群についても推定精度が高まるが、rを大きくすると注目点が所属しないワイヤまで含む可能性も高くなり、推定時のノイズの影響が生じる。具体的には、rは異なるワイヤ間の最短距離もしくは平均距離を使うことが望ましい。 The parameter r and the radius R are determined experimentally. Here, r = 0.2 and R = 0.5. Increasing r increases the estimation accuracy even for a point group having a low density. However, increasing r increases the possibility of including a wire to which the point of interest does not belong, resulting in the influence of noise during estimation. Specifically, r is preferably the shortest distance or the average distance between different wires.
次に、ワイヤ構成点特徴抽出手段105は、自己相関行列Pを固有値展開して、固有値特徴量λ1,λ2,λ3(λ1>λ2>λ3)を算出する(ステップS3)。以降、固有値要素を縦に並べたベクトル[λ1,λ2,λ3]Tを特徴ベクトルとし、固有値特徴ベクトルと呼ぶ。また、このとき算出した第1固有ベクトルu1を点piにおける接線方向とする。
Next, the wire composing point
次に、ワイヤ構成点判定手段106は、固有値特徴量を用いて各点piの物体識別処理を行う(ステップS4)。最も簡単な処理方法は(5)式による閾値処理である。
また、図9(B)の点p’のように半径R内に複数のワイヤが存在する場合、ノイズが影響して(1)式の第1固有値が小さくなる傾向がある。そこで、第1固有値以外の固有値情報も含めた判定処理を行う。具体的には、ワイヤおよびワイヤ以外の物体がどういった固有値の組み合わせになるか、事前に辞書ベクトルとして登録し、ニアレスト・ネイバー(NN)法やk−NN法、SVM法などのパターンマッチングによる識別を行うことで閾値処理よりも頑健な判定が行える。 Further, when there are a plurality of wires within the radius R as indicated by a point p ′ in FIG. 9B, there is a tendency that the first eigenvalue of the equation (1) becomes small due to noise. Therefore, a determination process including eigenvalue information other than the first eigenvalue is performed. Specifically, the eigenvalue combination of the wire and the object other than the wire is registered in advance as a dictionary vector, and pattern matching such as the nearest neighbor (NN) method, the k-NN method, and the SVM method is used. By performing the identification, a determination that is more robust than the threshold processing can be performed.
本実施形態では、NN法を用いたワイヤ構成点の識別方法について説明する。ワイヤ(クラス1)およびそれ以外の物体(クラス2)に属する点群について、(1)式の自己相関行列Pから固有値を求める。次に、クラス1およびクラス2それぞれの点群について、特徴ベクトルf{c}=[λ1,λ2,λ3]T(class∈1,2)求める。点piの特徴ベクトルをfpi、各クラスに対する尤度をsim(f,c)、各クラスに属する点群を区別する番号をそれぞれtc(c∈1,2)とすると、識別関数F(f)は(6)式、(7)式で求まる。
ここで、(7)式のsimは点piにおける特徴ベクトルfpiと各クラスの辞書ベクトルとの最短距離を尤度として出力する。識別関数Gは、クラス1、クラス2について、注目点piの特徴ベクトルfpiと各クラスの辞書ベクトルについて、各クラスの辞書ベクトルの最短距離を比較して距離が小さい方のクラス番号を出力する関数である。本実施形態においては、ワイヤおよびそれ以外の2クラス識別について説明したが、ワイヤ、建物、木、車、電柱など複数の物体(クラス)でも、同様の処理を適用することで識別が可能である。
Here, sim in the equation (7) outputs the shortest distance between the feature vector f pi at the point p i and the dictionary vector of each class as a likelihood. The discriminant function G compares the shortest distance of the dictionary vector of each class and outputs the class number of the smaller distance for the class 1 and
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態による点群解析装置を説明する。第2実施形態における装置構成は、図1に示す装置構成と同じであるため、ここでは詳細な説明を省略する。第2実施形態においては、図2に示す処理動作のうち、ステップS2の処理が異なり、図2に示すステップS2以外の処理動作は同じである。第2実施形態におけるステップS2において、点pi対する点qjの重要度wjを、点piと点qjを結んだ直線から距離Δd以内に存在する点の分布の領域により求める。図4は、注目点piから半径R内の点群を示す図である。図4(B)に示すように、点Piと点q1を結ぶ直線からΔd離れた2本の平行線内に存在する点の分布から重要度wiを求める。また、図4(C)に示すように、点Piと点q2を結ぶ直線からΔd離れた2本の平行線内に存在する点の分布から重要度Wiを求める。
Second Embodiment
Next, a point cloud analysis device according to a second embodiment of the present invention will be described. Since the apparatus configuration in the second embodiment is the same as the apparatus configuration shown in FIG. 1, detailed description thereof is omitted here. In the second embodiment, among the processing operations shown in FIG. 2, the processing in step S2 is different, and the processing operations other than step S2 shown in FIG. 2 are the same. In step S2 in the second embodiment, the importance w j of the point p i against point q j, determined by the area of the distribution of points existing within a distance Δd from a straight line connecting the points p i and the point q j. FIG. 4 is a diagram showing a point group within the radius R from the point of interest p i . As shown in FIG. 4B, the importance w i is obtained from the distribution of points existing in two parallel lines separated by Δd from the straight line connecting the points P i and q 1 . Also, as shown in FIG. 4C, the importance W i is obtained from the distribution of points existing in two parallel lines separated by Δd from the straight line connecting the points P i and q 2 .
ワイヤ構成点特徴抽出手段105は、第2実施形態のステップS2において、点の分布を調べるために、まず点piと点qjの作る直線上の点の頻度分布Hqを作成する。処理対象領域内の点をqjと区別がつくように点sK(k∈1,2,..,K)と表記し、点sKと直線(pi,qj)との距離をD(sK)とし、Δhは直線(qj,pi)を離散的に分割する値(パラメータ)である。頻度分布のビンをbinで表す。Δd,Δhは実験的に決めるパラメータであり、ここではΔh=0.03(M),Δd=0.06(M)とした。
Wire Configuration feature
ここで、図5を参照して、ワイヤ構成点特徴抽出手段105が頻度分布Hqを求める動作を説明する。図5は、ワイヤ構成点特徴抽出手段105が頻度分布Hqを求める動作を示すフローチャートである。まず、ワイヤ構成点特徴抽出手段105は、頻度分布Hqの総和が0になるように初期化した後(ステップS11)、処理対象領域内の全点sk(k∈1,2,..,N)を用いて、頻度分布Hqのを求める(ステップS12〜S16)。
Here, with reference to FIG. 5, an operation in which the wire composing point
ワイヤ構成点特徴抽出手段105は、D(sk)とL(sk)を算出し(ステップS13)、L(sk)からbin(sk)を算出する(ステップS14)。続いて、ワイヤ構成点特徴抽出手段105は、Gd(D(sk))>0のとき、Hq(bin)←Hq(bin)+1とする(ステップS15)。そして、ワイヤ構成点特徴抽出手段105は、求めた頻度分布Hqを出力する(ステップS17)。この処理によって、頻度分布Hqが求まることになる(図6参照)。図6は、頻度分布Hqの作成例を示す図である。
The wire composing point
図5に示す処理動作を式で表すと、(8)式、(9)式、(10)式となる。
ここで、関数Gdは距離D((sK))が閾値Δd以下であれば1を出力する関数であり、関数ceilは、入力した値を小数点以下で切り捨てた値を出力する関数であり、ヒストグラムのビン(bin)の値の範囲は処理対象点群qjを(9)式に入力したときの最小値から最大値の範囲である。距離D(sK)と変数L(sK)は(11)式、(12)式、(13)式によって求まる。
次に、ワイヤ構成点特徴抽出手段105は、この頻度分布Hqを用いて、(qj−pi)の方向の重要度wjを(14)式、(15)式によって計算する。
図7は、点piがある物体の曲面上に存在する場合(図7(A))と、ワイヤ上に存在する場合(図7(B))の重みの分布の違いを示す図である。図7(A)のときと比べて、点piワイヤに属する場合(図7(B))には、点の分布の偏りから特定の方向(q3,pi)の存在する点の方向の重みが突出して大きくなる。一方、曲面上に存在する点piについては、様々な方向の重みが大きくなる傾向がある。よって、3次元空間において特定の方向に重みのピークがあるか判定することで、注目点piがワイヤ上にあるか否か判定できる。 FIG. 7 is a diagram illustrating a difference in weight distribution between the case where the point p i exists on the curved surface of the object (FIG. 7A) and the case where the point p i exists on the wire (FIG. 7B). . Compared to the case of FIG. 7A, in the case of belonging to the point pi wire (FIG. 7B), the direction of the point where the specific direction (q 3 , p i ) exists due to the distribution of the point distribution The weight of the projecting increases. On the other hand, for the points p i existing on the curved surface, weights in various directions tend to increase. Therefore, by determining whether there is a weight peak in a specific direction in the three-dimensional space, it can be determined whether or not the point of interest p i is on the wire.
このピークの有無を、重みwjを用いた自己相関行列を用いることで判定する。注目点piがワイヤ状にある場合、図7(B)のように特定の方向の重みが大きくなるので、自己相関行列も特定の方向の成分が大きくなり、自己相関行列を固有値展開したときに第1固有値のみが大きくなる。つまり、多数の(qj,pi)の方向の重みを調べなくても、第一固有値が(5)式の閾値より大きいか否かを調べるだけで、ピークがあるか否かを調べることができる。また、特定の方向の重みが大きくなるという性質を利用して、閾値処理により点piと同一のワイヤ上にない点qjの重み係数を0にしてから固有値展開することで、接線方向の推定精度を向上することもできる。例えば、図7(B)のようにピーク値の半分以下の値は0にするような閾値Twを設定してもよい。これにより、閾値Twよりも低い重要度の点については点piと同一ワイヤ上にない点と考え、自己相関行列に加算せず、結果としてピーク有無の判定に影響を与えないようにできる。(14)式の重みを用いて、重み付き自己相関行列Pは(1)式によって求まる。 The existence of this peak is determined by using an autocorrelation matrix using the weights w j. When the point of interest p i is in the shape of a wire, the weight in a specific direction becomes large as shown in FIG. 7B, so that the autocorrelation matrix also has a component in a specific direction, and the eigenvalue expansion of the autocorrelation matrix Only the first eigenvalue increases. That is, whether or not there is a peak is determined by checking whether or not the first eigenvalue is larger than the threshold value of the expression (5) without checking the weights in the direction of many (q j , p i ). Can do. Further, by utilizing the property that the weight in a specific direction becomes large, the eigenvalue expansion is performed after the weighting coefficient of the point q j not on the same wire as the point p i is set to 0 by the threshold processing, so that the tangential direction The estimation accuracy can also be improved. For example, as shown in FIG. 7B, a threshold value Tw may be set such that a value less than half of the peak value is zero. Thus, consider a point not on the same wire and the point p i is a point on the less important than the threshold value Tw, without adding to the autocorrelation matrix, as a result it so as not to affect the determination of the peak existence. The weighted autocorrelation matrix P is obtained by the equation (1) using the weight of the equation (14).
以上説明したように、従来の注目点の識別技術では、注目点からある一定距離内(処理対象領域)の点群を用いて主成分分析を行い、その固有値を用いて点が属する物体の識別を行っていた。これに対して、本実施形態では、注目点と関係性の高い点の方向を重要視した自己相関行列を用いて、注目点の属する物体識別を行う。具体的には、注目点と同一物体に属すると推定される点の方向の重みを大きくした重み付き自己相関行列を算出する。次に、この自己相関行列から固有値と固有ベクトルとを求める。重みを適切に求めることで、注目点と同一でない3次元物体の点の影響を小さくすることができ、処理対象領域を大きくしても安定してワイヤかそれ以外の物体か識別が可能となる。 As described above, in the conventional attention point identification technology, principal component analysis is performed using a point group within a certain distance (processing target region) from the attention point, and the object to which the point belongs is identified using its eigenvalue. Had gone. On the other hand, in the present embodiment, an object to which the attention point belongs is identified using an autocorrelation matrix that places importance on the direction of the point highly related to the attention point. Specifically, a weighted autocorrelation matrix is calculated by increasing the weight in the direction of a point estimated to belong to the same object as the target point. Next, eigenvalues and eigenvectors are obtained from the autocorrelation matrix. By appropriately obtaining the weight, the influence of the point of the three-dimensional object that is not the same as the target point can be reduced, and even if the processing target area is enlarged, it is possible to stably identify whether the object is a wire or other object. .
これにより、3次元点群から放物線や直線など細長い形状の物体(ワイヤ)を構成する点とその構成点の接線方向を算出する際に、測定結果に計測ノイズがある場合や計測密度が疎である場合、また複数のワイヤが近接している場合においてもワイヤ構成点の検出と各構成点の接線方向を高精度に算出することができる。 As a result, when calculating the points that make up an elongated object (wire) such as a parabola or straight line from the 3D point cloud and the tangential direction of the constituent points, there are measurement noises in the measurement results or the measurement density is sparse. In some cases, and even when a plurality of wires are close to each other, the detection of wire composing points and the tangential direction of each composing point can be calculated with high accuracy.
なお、図1における処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより3次元点群解析処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)を備えたWWWシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。 A three-dimensional point cloud is obtained by recording a program for realizing the functions of the processing unit in FIG. 1 on a computer-readable recording medium, causing the computer system to read and execute the program recorded on the recording medium. Analysis processing may be performed. Here, the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices. The “computer system” includes a WWW system having a homepage providing environment (or display environment). The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Further, the “computer-readable recording medium” refers to a volatile memory (RAM) in a computer system that becomes a server or a client when a program is transmitted via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In addition, those holding programs for a certain period of time are also included.
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。 The program may be transmitted from a computer system storing the program in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium or by a transmission wave in the transmission medium. Here, the “transmission medium” for transmitting the program refers to a medium having a function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line. The program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, what is called a difference file (difference program) may be sufficient.
以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行っても良い。 As mentioned above, although embodiment of this invention has been described with reference to drawings, the said embodiment is only the illustration of this invention, and it is clear that this invention is not limited to the said embodiment. is there. Accordingly, additions, omissions, substitutions, and other changes of the components may be made without departing from the technical idea and scope of the present invention.
得られた3次元点群を解析することによって物体を精度良く検出することが不可欠な用途にも適用できる。 By analyzing the obtained three-dimensional point group, it can be applied to applications in which it is indispensable to accurately detect an object.
101・・・被写体計測手段、102・・・パラメータ入力手段、103・・・3次元点群記憶手段、104・・・パラメータ記憶手段、105・・・ワイヤ構成点特徴抽出手段、106・・・ワイヤ構成点判定手段、107・・・ワイヤ構成点情報付与手段、108・・・3次元点群出力手段、109・・・表示手段
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記3次元点群データのひとつを注目点とし、該注目点と一定の距離以下にある点を周囲点とし、該注目点に対する該周囲点の重要度を算出し、該注目点について該重要度を用いた重み付き自己相関行列を算出する自己相関行列算出手段と、
前記自己相関行列の固有値を要素とする固有値特徴ベクトルを算出する特徴ベクトル算出手段と、
前記固有値特徴ベクトルを用いて前記注目点が線状物体を構成するか否かを判定する識別手段と
を具備することを特徴とする点群解析装置。 3D point cloud acquisition means for acquiring 3D point cloud data;
One of the three-dimensional point cloud data is set as a point of interest, a point within a certain distance from the point of interest is set as a surrounding point, and the importance of the surrounding point with respect to the point of interest is calculated. Autocorrelation matrix calculating means for calculating a weighted autocorrelation matrix using
A feature vector calculation means for calculating an eigenvalue feature vector whose elements are eigenvalues of the autocorrelation matrix;
A point group analysis apparatus comprising: identification means for determining whether or not the point of interest constitutes a linear object using the eigenvalue feature vector.
前記3次元点群データのひとつを注目点とし、該注目点と一定の距離以下にある点を周囲点とし、該注目点に対する該周囲点の重要度を算出し、該注目点について該重要度を用いた重み付き自己相関行列を算出する自己相関行列算出ステップと、
前記自己相関行列の固有値を要素とする固有値特徴ベクトルを算出する特徴ベクトル算出ステップと、
前記固有値特徴ベクトルを用いて前記注目点が線状物体を構成するか否かを判定する識別ステップと
を有することを特徴とする点群解析方法。 A point cloud analysis method performed by a point cloud analysis apparatus including a 3D point cloud acquisition unit for acquiring 3D point cloud data,
One of the three-dimensional point cloud data is set as a point of interest, a point within a certain distance from the point of interest is set as a surrounding point, and the importance of the surrounding point with respect to the point of interest is calculated. An autocorrelation matrix calculating step for calculating a weighted autocorrelation matrix using
A feature vector calculation step of calculating an eigenvalue feature vector whose elements are eigenvalues of the autocorrelation matrix;
An identification step of determining whether or not the point of interest constitutes a linear object using the eigenvalue feature vector.
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