JP6293049B2 - Point cloud data acquisition system and method - Google Patents

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本発明は、複数の計測位置からの非接触計測による対象物の外郭を表す点群データの取得に関するシステム及びその方法に関する。   The present invention relates to a system and method for acquiring point cloud data representing the outline of an object by non-contact measurement from a plurality of measurement positions.

レーザースキャナ等の三次元計測装置を使用して、計測対象物の表面の位置及び形状を含む外郭を表す点群データを計測し、この点群データから計測対象物のパノラマ画像を作成する三次元データ処理装置が知られている。この三次元データ処理装置は、点群データに基づいて、例えば三次元計測装置の計測位置を原点とする仮想的な球面に対するパノラマ画像を作成することで、点群データの表示を容易化し操作性を向上することが知られている(例えば、特許文献1参照)。   Using a 3D measurement device such as a laser scanner, measure the point cloud data representing the outline including the position and shape of the surface of the measurement object, and create a panoramic image of the measurement object from this point cloud data Data processing devices are known. This 3D data processing device facilitates the display of point cloud data by creating a panoramic image of a virtual spherical surface with the measurement position of the 3D measurement device as the origin, for example, based on the point cloud data. Is known to improve (see, for example, Patent Document 1).

また、レーザースキャナ等の三次元計測装置を使用して、既設の建造物(例えば原子力発電所等のプラントや文化財等)の凹凸を有する非平面形状の計測対象物の輪郭を表す点群データを計測する場合、計測位置を様々に変えて複数の視点から当該計測対象物の輪郭を表す点群データを計測することが知られている。
複数の異なる計測位置から計測された各点群データの位置情報は、当該点群データを計測した各計測位置の位置及び方位に基づく座標系(以下「固有座標系」ともいう)により表される。
このため、これらの異なる計測位置から計測された各点群データの各固有座標系により表される位置情報を同一の座標系(以下、「基準座標系」ともいう)により表される位置情報に変換する必要がある。座標系の変換により、すべての点群データの位置情報を基準座標系により表し、同一座標系により表された各点群データを部分的に重なる部分のマッチングを行い、合成することが知られている。こうすることで、死角が減り、計測対象物の輪郭を把握する三次元データが得られる(例えば、特許文献2参照)。
ここで、マッチングとは、異なる計測位置から得られた複数の点群データにおいて、部分的に重なる部分の位置合わせを行うことで、整合性を保持しつつ統合させることを言う。
Also, using a three-dimensional measuring device such as a laser scanner, point cloud data that represents the contour of a non-planar measurement object having irregularities on an existing building (for example, a plant such as a nuclear power plant or a cultural property) It is known to measure point cloud data representing the contour of the measurement object from a plurality of viewpoints by varying the measurement position.
The position information of each point cloud data measured from a plurality of different measurement positions is represented by a coordinate system (hereinafter also referred to as “inherent coordinate system”) based on the position and orientation of each measurement position at which the point cloud data is measured. .
Therefore, the position information represented by each unique coordinate system of each point cloud data measured from these different measurement positions is converted into the position information represented by the same coordinate system (hereinafter also referred to as “reference coordinate system”). Need to convert. By converting the coordinate system, it is known that the position information of all point cloud data is represented by the reference coordinate system, and each point cloud data represented by the same coordinate system is partially matched and combined. Yes. By doing so, the blind spot is reduced, and three-dimensional data for grasping the contour of the measurement object is obtained (see, for example, Patent Document 2).
Here, the term “matching” refers to the integration of the plurality of point cloud data obtained from different measurement positions by aligning the partially overlapping portions while maintaining the consistency.

上記従来技術において、複数の計測位置から当該計測対象物の外郭を表す点群データを計測する場合に、各三次元計測装置の位置及び方位を予め設定しておく必要がある。このため、例えばレーザースキャナ等の三次元計測装置を予め設定した計測位置から別の計測位置に変更して設置する場合に、再度、変更先の計測位置における三次元計測装置の位置、方位等を正確に測定することが必要となる。3次元計測装置の位置の変更作業は、時間がかかり、簡単なものではない。さらには、例えば、当該計測対象物が、例えば、人の動作、物体の移動のように時間の経過に伴って、動的にその外郭が変化する非静止物体であれば、ひとつの計測装置で多方面からとらえることは、不可能である。   In the above-described prior art, when measuring point cloud data representing the outline of the measurement object from a plurality of measurement positions, it is necessary to set the position and orientation of each three-dimensional measurement device in advance. For this reason, for example, when a three-dimensional measurement device such as a laser scanner is changed from a preset measurement position to another measurement position and installed, the position, orientation, etc. It is necessary to measure accurately. Changing the position of the three-dimensional measuring device takes time and is not easy. Further, for example, if the measurement object is a non-stationary object whose outline changes dynamically with the passage of time such as, for example, the movement of a person or the movement of an object, a single measurement device can be used. It is impossible to capture from various directions.

また、マッチングのために、対象構造物やその周辺に複数のマーカーを設置(例えば接着又は塗布)して、その設置した複数のマーカーを基準にして計測データの合成を行うことが知られている(例えば、特許文献3)。しかしながら、複数のマーカーを基準にするためには、マーカーを設置する作業が必要となり、そのマーカーを適切な位置に合わせる等の作業に時間がかかり、計測作業のための前準備に時間が長くなるという課題があった。   For matching, it is known that a plurality of markers are installed (for example, bonded or applied) around the target structure and its surroundings, and measurement data is synthesized based on the plurality of markers installed. (For example, patent document 3). However, in order to use a plurality of markers as a reference, it is necessary to install a marker, and it takes time to perform operations such as aligning the marker to an appropriate position, and it takes time to prepare for measurement work. There was a problem.

特開2010−097419号公報JP 2010-097419 A 特開2013−161133号公報JP 2013-161133 A 特開2010−066169号公報JP 2010-066169 A

上述した従来技術では、計測対象物の外郭を表す点群データを複数の計測位置から計測する場合に、3次元計測装置の位置、方位等を予め正確に測定しておくことが必要となっていた。
このため、3次元計測装置の位置の設定作業に時間がかかるという課題があった。
また、各3次元計測装置を予め正確に測定された位置に設置することが必要となるため、計測対象物の状況に合わせて、計測位置を即座に変更できないという課題があった。
例えば、動く人間、動く動物、動く物等、時間の経過に伴って形状が変化する物体を計測対象とした場合には、複数の計測装置を使用していても、物体の変形に伴って生じるオクルージョン(手前にある物体が背後の物体をかくす状態)による死角が発生する場合に従来技術では、計測位置を即座に変更して、欠損部分の少ない3次元画像を取得することができないという課題があった。
In the above-described conventional technology, when the point cloud data representing the outline of the measurement object is measured from a plurality of measurement positions, it is necessary to accurately measure the position, orientation, and the like of the three-dimensional measurement apparatus in advance. It was.
For this reason, there existed a subject that the setting operation | work of the position of a three-dimensional measuring apparatus took time.
Moreover, since it is necessary to install each three-dimensional measuring device at a position accurately measured in advance, there is a problem that the measurement position cannot be changed immediately in accordance with the situation of the measurement object.
For example, when an object whose shape changes over time, such as a moving human, a moving animal, or a moving object, is measured, even if a plurality of measuring devices are used, the object is deformed. In the case where a blind spot occurs due to occlusion (a state in which the object in the front covers the object behind), the conventional technique has a problem that it is not possible to immediately change the measurement position and acquire a three-dimensional image with few missing portions. there were.

また、対象物やその周辺に複数のマーカーを設置する場合には、当該マーカーを設置する作業が必要になり、またマーカーを適切な位置に合わせる等の作業に時間がかかるという課題があった。
なお、マーカー等を対象物に設置(例えば接着又は塗布)する作業において、計測対象物に損傷を与える恐れがある場合もあるという課題もあった。
In addition, when a plurality of markers are installed on the object and its surroundings, there is a problem that the operation of installing the markers is necessary, and it takes time to perform operations such as aligning the marker to an appropriate position.
In addition, in the operation | work which installs a marker etc. in a target object (for example, adhesion | attachment or application | coating), there also existed a subject that a measurement target object might be damaged.

本発明は、複数の計測位置から計測対象物の外郭を表す点群データを取得するシステム又は方法において、計測対象物を計測するために、3次元計測装置を移動させたときに3次元計測装置の位置、方位をリアルタイムに取得することで、当該計測対象物の輪郭を表す複数の点群データを360度の角度から取得し、欠損部分の少ない3次元画像を取得するシステムを提供することを目的とする。   The present invention relates to a system or method for acquiring point cloud data representing an outline of a measurement object from a plurality of measurement positions, when the three-dimensional measurement apparatus is moved to measure the measurement object. Providing a system for acquiring a plurality of point cloud data representing the contour of the measurement object from an angle of 360 degrees and acquiring a three-dimensional image with few missing portions by acquiring the position and orientation of the measurement object in real time. Objective.

本発明は、1つの第1電子機器と1つ以上の移動可能な第2電子機器とを有する第1の電子機器群を備える、被写体の表面の各点までの深度情報を画素単位に有する点群データを取得する点群データ取得システムであって、前記第1電子機器は、第1座標系を有し、第1通信部と、超音波を発信する複数の超音波発信部と、を備え、前記第2電子機器は、それぞれが固有の第2座標系を有し、第2通信部と、超音波を受信する複数の超音波受信部と、前記点群データを前記第2座標系に基づいて計測する3次元計測部と、を備え、前記点群データ取得システムは、さらに前記複数の超音波受信部のそれぞれが、前記複数の超音波発信部のそれぞれから発信された超音波を受信するのに要した超音波伝播時間を測定する超音波伝播時間測定部と、前記超音波伝播時間測定部により測定された前記超音波伝播時間に基づいて、前記複数の超音波受信部の前記第1座標系における座標値をそれぞれ算出する第2電子機器位置情報算出部と、前記複数の超音波受信部の前記第1座標系における座標値を前記第2電子機器毎に記憶する第2電子機器位置情報記憶部と、前記3次元計測部により計測された前記点群データを前記第2電子機器毎に記憶する源点群データ記憶部と、を備える、点群データ取得システムに関する。   The present invention includes a first electronic device group having one first electronic device and one or more movable second electronic devices, and has depth information for each point on the surface of a subject in units of pixels. A point cloud data acquisition system for acquiring group data, wherein the first electronic device includes a first coordinate system, and includes a first communication unit and a plurality of ultrasonic transmission units that transmit ultrasonic waves. Each of the second electronic devices has a unique second coordinate system, a second communication unit, a plurality of ultrasonic reception units that receive ultrasonic waves, and the point cloud data in the second coordinate system. A point measurement data acquisition system, wherein each of the plurality of ultrasonic reception units receives an ultrasonic wave transmitted from each of the plurality of ultrasonic transmission units. An ultrasonic wave propagation time measurement unit for measuring the ultrasonic wave propagation time required to A second electronic device position information calculation unit that calculates coordinate values in the first coordinate system of the plurality of ultrasonic reception units based on the ultrasonic propagation times measured by the ultrasonic propagation time measurement unit; A second electronic device position information storage unit that stores coordinate values in the first coordinate system of the plurality of ultrasonic reception units for each of the second electronic devices; and the point cloud data measured by the three-dimensional measurement unit. A point cloud data acquisition system provided with a source point cloud data storage part memorized for every said 2nd electronic equipment.

また、前記複数の超音波発信部は、それぞれ第1座標系の線形独立である任意の位置に設けられ、前記複数の超音波受信部は、それぞれ前記第2座標系の線形独立である任意の位置に設けることができる。   Further, each of the plurality of ultrasonic transmission units is provided at an arbitrary position that is linearly independent of the first coordinate system, and each of the plurality of ultrasonic reception units is an arbitrary one that is linearly independent of the second coordinate system. Can be provided in position.

また、前記第2電子機器は、さらに、前記複数の超音波受信部のそれぞれに対応する複数のタイマーカウンターを備え、前記点群データ取得システムは、さらに、前記複数の超音波発信部のそれぞれが超音波を発信すると同時に赤外線を発光する赤外線発光部と、前記赤外線を受光すると同時に、前記複数のタイマーカウンターをスタートさせる、赤外線受光部と、を備え、前記複数の超音波受信部のそれぞれは、さらに前記超音波を受信した時点で、前記複数のタイマーカウンターのそれぞれをストップさせ、前記超音波伝播時間測定部は、前記複数のタイマーカウンターのそれぞれがスタートされてからストップされるまでの時間に基づいて、前記複数の超音波受信部のそれぞれが、前記複数の超音波発信部のそれぞれから発信された超音波を受信するのに要した超音波伝播時間を測定することができる。   The second electronic device further includes a plurality of timer counters corresponding to the plurality of ultrasonic reception units, and the point cloud data acquisition system further includes the plurality of ultrasonic transmission units. An infrared light emitting unit that emits infrared rays simultaneously with transmitting ultrasonic waves, and an infrared light receiving unit that receives the infrared rays and simultaneously starts the plurality of timer counters, each of the plurality of ultrasonic reception units, Further, at the time when the ultrasonic wave is received, each of the plurality of timer counters is stopped, and the ultrasonic wave propagation time measurement unit is based on the time from when each of the plurality of timer counters is started until it is stopped. Each of the plurality of ultrasonic reception units is transmitted from each of the plurality of ultrasonic transmission units. It can be measured ultrasonic wave propagation time required to receive the waves.

また、前記第1電子機器及び前記第2電子機器は、それぞれ、さらに、内部時刻を基準時刻に同期させる時刻同期部を備え、前記超音波伝播時間測定部は、前記複数の超音波発信部のそれぞれが超音波を発信した発信時刻情報及び前記複数の超音波受信部のそれぞれが前記超音波を受信した受信時刻情報に基づいて、前記複数の超音波受信部のそれぞれが、前記複数の超音波発信部のそれぞれから発信された超音波を受信するのに要した超音波伝播時間を測定することができる。   Each of the first electronic device and the second electronic device further includes a time synchronization unit that synchronizes an internal time with a reference time, and the ultrasonic propagation time measurement unit includes the plurality of ultrasonic transmission units. Each of the plurality of ultrasonic reception units is based on the transmission time information at which the ultrasonic waves are transmitted and the reception time information at which each of the plurality of ultrasonic reception units has received the ultrasonic waves. It is possible to measure the ultrasonic propagation time required to receive the ultrasonic waves transmitted from each of the transmission units.

また、前記第2電子機器位置情報記憶部は、さらに、前記複数の超音波受信部の前記第1座標系における座標値に、前記複数の超音波受信部のうち、1つの超音波受信部が超音波を受信した時刻となるタイムスタンプを関連付けた第2電子機器位置情報を前記第2電子機器毎に記憶し、前記源点群データ記憶部は、さらに、前記3次元計測部により計測された前記点群データに、前記点群データの計測時刻となるタイムスタンプを関連付けた点群データ情報を前記第2電子機器毎に記憶し、前記点群データ取得システムは、さらに、前記第2電子機器位置情報及び前記点群データ情報に基づいて、前記点群データ情報に含まれる前記点群データにおける各点のデータの前記第2座標系における座標値を、前記第1座標系における座標値に変換する点群データ座標値変換部と、複数の点群データを、前記点群データ座標値変換部により変換された前記第1座標系における座標値に基づいて、重なる部分の位置合わせを行うことで、1つの合成点群データを作成する合成点群データ作成部と、前記合成点群データ作成部により作成された合成点群データを記憶する合成点群データ記憶部と、を備えることができる。   In addition, the second electronic device position information storage unit further includes a single ultrasonic receiving unit among the plurality of ultrasonic receiving units, based on coordinate values in the first coordinate system of the plurality of ultrasonic receiving units. Second electronic device position information associated with a time stamp corresponding to the time at which the ultrasonic wave is received is stored for each second electronic device, and the source point cloud data storage unit is further measured by the three-dimensional measurement unit Point cloud data information in which a time stamp that is a measurement time of the point cloud data is associated with the point cloud data is stored for each second electronic device, and the point cloud data acquisition system further includes the second electronic device. Based on the position information and the point cloud data information, the coordinate value in the second coordinate system of the data of each point in the point cloud data included in the point cloud data information is converted into the coordinate value in the first coordinate system. By aligning overlapping portions based on the coordinate values in the first coordinate system converted by the point group data coordinate value conversion unit and the point group data coordinate value conversion unit. A composite point cloud data creation unit that creates one composite point cloud data and a composite point cloud data storage unit that stores the composite point cloud data created by the composite point cloud data creation unit can be provided.

また、前記合成点群データ作成部は、さらに、複数の点群データを、前記点群データ座標値変換部により変換された前記第1座標系における座標値に基づいて、重なる部分の位置合わせを行い、さらに前記第1座標系における同一座標値を有する部分を有する異なる複数の点群データからそれぞれ抽出した3次元形状に係る曲面の曲率に基づいて、前記複数の点群データをマッチングする点群データマッチング部を備えることができる。   Further, the composite point cloud data creation unit further aligns overlapping portions based on the coordinate values in the first coordinate system obtained by converting the plurality of point cloud data by the point cloud data coordinate value conversion unit. And a point group for matching the plurality of point group data based on curvatures of curved surfaces according to a three-dimensional shape respectively extracted from a plurality of different point group data having portions having the same coordinate value in the first coordinate system A data matching unit can be provided.

また、前記合成点群データ作成部は、さらに、同時刻に計測された複数の点群データを、前記点群データ座標値変換部により変換された前記第1座標系における座標値に基づいて、重なる部分の位置合わせを行うことで、1つの合成点群データを作成することができる。   Further, the composite point cloud data creation unit further, based on the coordinate values in the first coordinate system converted by the point cloud data coordinate value conversion unit, a plurality of point cloud data measured at the same time, One composite point cloud data can be created by aligning overlapping portions.

また、前記点群データ取得システムは、さらに、前記第1の電子機器群に属さない、1つの第1電子機器10と1つ以上の第2電子機器20を備える第2の電子機器群を有し、前記第2の電子機器群に属する第1電子機器は、さらに、超音波を受信する、複数の超音波受信部を備え、前記超音波伝播時間測定部は、さらに前記第1の電子機器群に属する前記第1電子機器の前記複数の超音波発信部のそれぞれから発信された超音波を、前記第2の電子機器群に属する前記第1電子機器の備える前記複数の超音波受信部のそれぞれが受信するのに要した超音波伝播時間を測定し、前記第2電子機器位置情報算出部は、さらに前記超音波伝播時間測定部により測定された前記超音波伝播時間に基づいて、前記第2の電子機器群に属する第1電子機器の複数の超音波受信部の前記第1の電子機器群に属する第1電子機器10における第1座標系における座標値をそれぞれ算出し、前記第2電子機器位置情報記憶部は、さらに前記第2の電子機器群に属する前記第1電子機器の複数の超音波受信部の、前記第1の電子機器群に属する前記第1電子機器10における第1座標系における座標値を前記第2の電子機器群に属する前記第1電子機器に対応して記憶し、前記源点群データ記憶部は、さらに前記第2の電子機器群に属する第2電子機器の3次元計測機により計測された点群データを前記第2の電子機器群に属する前記第2電子機器毎に記憶することができる。   The point cloud data acquisition system further includes a second electronic device group including one first electronic device 10 and one or more second electronic devices 20 that do not belong to the first electronic device group. The first electronic device belonging to the second electronic device group further includes a plurality of ultrasonic reception units that receive ultrasonic waves, and the ultrasonic propagation time measurement unit further includes the first electronic device. Ultrasonic waves transmitted from each of the plurality of ultrasonic transmission units of the first electronic device belonging to the group of the plurality of ultrasonic reception units provided in the first electronic device belonging to the second electronic device group Each of the second electronic equipment position information calculation unit measures the ultrasonic propagation time required for each reception, and the second electronic device position information calculation unit further determines the first propagation time based on the ultrasonic propagation time measured by the ultrasonic propagation time measurement unit. 1st electronic machine belonging to 2 electronic equipment groups Coordinate values in the first coordinate system of the first electronic devices 10 belonging to the first electronic device group of the plurality of ultrasonic receiving units are calculated, respectively, and the second electronic device position information storage unit further includes the second electronic device. Coordinate values in the first coordinate system of the first electronic device 10 belonging to the first electronic device group of the plurality of ultrasonic receivers of the first electronic device belonging to the second electronic device group are the second electronic device. Stored in correspondence with the first electronic device belonging to a group, the source point group data storage unit further includes point cloud data measured by a three-dimensional measuring instrument of the second electronic device belonging to the second electronic device group Can be stored for each of the second electronic devices belonging to the second electronic device group.

本発明は、被写体の表面の各点までの深度情報を画素単位に有する点群データを取得する点群データ取得方法であって、第1座標系を有する第1電子機器の複数の超音波発信部により複数の超音波を発信する超音波発信ステップと、第2座標系をそれぞれ有する1つ以上の第2電子機器の複数の超音波受信部により、前記超音波発信ステップにより発信された前記複数の超音波のそれぞれを受信する超音波受信ステップと、前記1つ以上の第2電子機器の3次元計測部により、点群データを前記第2座標系に基づいて計測する3次元計測ステップと、前記超音波発信ステップにおいて発信された前記複数の超音波のそれぞれを、前記超音波受信ステップにおいて、前記第2電子機器の複数の超音波受信部それぞれにより受信するのに要した超音波伝播時間を測定する超音波伝播時間測定ステップと、
前記超音波伝播時間測定ステップにおいて測定された前記超音波伝播時間に基づいて、前記第2電子機器の複数の超音波受信部の前記第1座標系における座標値をそれぞれ算出する第2電子機器位置情報算出ステップと前記第2電子機器位置情報算出ステップにおいて算出された、前記1つ以上の第2電子機器の複数の超音波受信部の前記第1座標系における座標値を前記第2電子機器毎に記憶する第2電子機器位置情報記憶ステップと、
前記3次元計測ステップにより計測された前記点群データを前記第2電子機器毎に記憶する源点群データ記憶ステップと、を備える点群データ取得方法に関する。
The present invention is a point cloud data acquisition method for acquiring point cloud data having depth information for each point on the surface of a subject in a pixel unit, and a plurality of ultrasonic transmissions of a first electronic device having a first coordinate system. The plurality of ultrasonic waves transmitted by the ultrasonic wave transmitting step by the ultrasonic wave transmitting step of transmitting a plurality of ultrasonic waves by the unit and the plurality of ultrasonic receiving units of one or more second electronic devices each having the second coordinate system. An ultrasonic reception step of receiving each of the ultrasonic waves, and a three-dimensional measurement step of measuring point cloud data based on the second coordinate system by the three-dimensional measurement unit of the one or more second electronic devices, Ultrasound required to receive each of the plurality of ultrasonic waves transmitted in the ultrasonic transmission step by each of the plurality of ultrasonic reception units of the second electronic device in the ultrasonic reception step. And ultrasonic wave propagation time measuring step of measuring the wave propagation time,
Second electronic device positions that respectively calculate coordinate values in the first coordinate system of the plurality of ultrasonic receivers of the second electronic device based on the ultrasonic propagation times measured in the ultrasonic propagation time measurement step The coordinate values in the first coordinate system of the plurality of ultrasonic receiving units of the one or more second electronic devices calculated in the information calculating step and the second electronic device position information calculating step are calculated for each second electronic device. A second electronic device position information storing step stored in
And a source point cloud data storage step for storing the point cloud data measured in the three-dimensional measurement step for each of the second electronic devices.

複数の超音波発信部を備えるコンピュータ、及び3次元計測部と複数の超音波受信部とを備えるコンピュータに、上記記載の点群データ取得方法の各ステップを実行させるためのコンピュータプログラムに関する。   The present invention relates to a computer program for causing a computer including a plurality of ultrasonic transmission units and a computer including a three-dimensional measurement unit and a plurality of ultrasonic reception units to execute each step of the point cloud data acquisition method described above.

本発明の点群データ取得システムによれば、対象物を計測するために、3次元計測装置の位置、方位を予め設定した場所に設置することなく、3次元計測装置の計測位置を即座に変更することが必要になった場合に、3次元計測装置を移動させるとともに、3次元計測装置の位置及び方位をリアルタイムに取得することができる。
そうすることで、例えば、動く人間、動く動物、動く物等、時間の経過に伴って形状が変化する物体を計測対象とした場合には、物体の変形に伴って生じるオクルージョン(手前にある物体が背後の物体をかくす状態)による死角が発生するときに、欠損部分を極力少なくするために、3次元計測装置の計測位置を即座に変更して対応することができ、360度の角度から計測対象物の輪郭を表す複数の点群データを取得することができる。
According to the point cloud data acquisition system of the present invention, in order to measure an object, the measurement position of the three-dimensional measurement apparatus is immediately changed without installing the position and orientation of the three-dimensional measurement apparatus in a preset location. When it becomes necessary to move, the three-dimensional measuring device can be moved and the position and orientation of the three-dimensional measuring device can be acquired in real time.
By doing so, for example, when an object whose shape changes with the passage of time, such as a moving human, a moving animal, or a moving object, is an occlusion (an object in the foreground) that occurs along with the deformation of the object. When a blind spot occurs due to a situation in which the object is behind, the measurement position of the three-dimensional measurement device can be changed immediately in order to minimize the missing portion, and measurement is performed from an angle of 360 degrees. A plurality of point cloud data representing the contour of the object can be acquired.

本発明の実施形態に係る点群データ取得システムを概略的に示すブロック図である。It is a block diagram showing roughly a point cloud data acquisition system concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る超音波発生部と超音波受信部間における超音波伝播時間とそれに基づく直線距離の関係を示す概略図である。It is the schematic which shows the relationship between the ultrasonic wave propagation time between the ultrasonic generator which concerns on embodiment of this invention, and an ultrasonic receiver, and the linear distance based on it. 赤外線発光部と赤外線受光部との間、及び超音波発信部と超音波受信部との間のシーケンスを示すチャート図である。It is a chart figure which shows the sequence between an infrared rays light emission part and an infrared rays light-receiving part, and between an ultrasonic transmission part and an ultrasonic wave reception part. 超音波発信部と超音波受信部との間のシーケンスを示すチャート図である。It is a chart figure which shows the sequence between an ultrasonic transmission part and an ultrasonic reception part. 本発明の実施形態における一連の処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of a series of processes in embodiment of this invention. 第1電子機器及び1つ以上の第2電子機器から構成される電子機器群を階層的に配置して、階層化を示す概略図である。It is the schematic which shows the hierarchization by arrange | positioning the electronic device group comprised from a 1st electronic device and one or more 2nd electronic devices hierarchically.

以下、本発明の点群データ取得システムの好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。ここで、下記の実施形態はいずれも本発明の一例であり、これに限定されるものではない。   Hereinafter, a preferred embodiment of the point cloud data acquisition system of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, all of the following embodiments are examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

[第1実施形態]
図1に示すように、点群データ取得システム100は、第1電子機器10と、1つ以上の移動可能な第2電子機器20と、3次元データ保存部30と、3次元データ処理部40と、3次元データ表示操作部50と、を含んで構成される。
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the point cloud data acquisition system 100 includes a first electronic device 10, one or more movable second electronic devices 20, a three-dimensional data storage unit 30, and a three-dimensional data processing unit 40. And a three-dimensional data display operation unit 50.

<第1電子機器10>
第1電子機器10は、有線及び/又は無線通信機能を備える、例えばノートパソコンを含むパソコン、あるいはCPU、DSP等の演算チップを搭載した演算ボードで構成することができる。
<First electronic device 10>
The first electronic device 10 can be configured by a personal computer having a wired and / or wireless communication function, for example, a personal computer including a notebook personal computer, or an arithmetic board on which an arithmetic chip such as a CPU or DSP is mounted.

第1電子機器10は、第1座標系(以下「基準座標系」ともいう)を有し、第1通信部11と、複数(例えば4つ)の超音波発信部12と、第2電子機器位置情報算出部13と、を備える。また、第1電子機器10は、さらに赤外線発光部14及び/又は時刻同期部15を備えることができる。以下、第1電子機器10の備える上記各機能部を総括して「第1機能部」ともいう。なお、複数(例えば4つ)の超音波発信部12と、赤外線発光部14とを「第1GPS部」と称することができる。   The first electronic device 10 has a first coordinate system (hereinafter also referred to as “reference coordinate system”), and includes a first communication unit 11, a plurality of (for example, four) ultrasonic wave transmission units 12, and a second electronic device. A position information calculation unit 13. In addition, the first electronic device 10 can further include an infrared light emitting unit 14 and / or a time synchronization unit 15. Hereinafter, the functional units included in the first electronic device 10 are collectively referred to as a “first functional unit”. Note that a plurality of (for example, four) ultrasonic transmission units 12 and the infrared light emitting unit 14 may be referred to as “first GPS units”.

第1電子機器10には、当該第1電子機器10を、前述した第2電子機器位置情報算出部13等、第1機能部として機能させるためのプログラムをインストールし、第2電子機器位置情報算出部13等の各機能部として機能させるようにすることができる。なお、当該プログラムは、第1電子機器10に予めインストールされていてもよい。また、当該プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体から必要に応じてインストール又は予め設定されたサーバから必要に応じて適宜ダウンロードされてもよい。以下、「コンピュータで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。   The first electronic device 10 is installed with a program for causing the first electronic device 10 to function as a first functional unit, such as the second electronic device position information calculating unit 13 described above, and the second electronic device position information is calculated. It can be made to function as each functional unit such as the unit 13. The program may be installed in the first electronic device 10 in advance. The program may be installed from a computer-readable recording medium as necessary or downloaded from a server set in advance as needed. Hereinafter, the “computer-readable recording medium” refers to a portable medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, and a CD-ROM, and a storage device such as a hard disk built in the computer system.

<第2電子機器20>
第2電子機器20は、3次元計測部22と、有線及び/又は無線通信機能と、を備える、例えばノートパソコンを含むパソコン、タブレット端末等の移動可能な電子機器、あるいはCPU、DSP等の演算チップを搭載した演算ボードで構成することができる。
<Second electronic device 20>
The second electronic device 20 includes a three-dimensional measuring unit 22 and a wired and / or wireless communication function. For example, a movable electronic device such as a personal computer including a notebook computer or a tablet terminal, or an operation of a CPU, DSP, or the like. It can be composed of an arithmetic board equipped with a chip.

第2電子機器20は、当該第2電子機器に固有の第2座標系(以下、「固有座標系」ともいう)を有し、第2通信部21と、3次元計測部22、複数(例えば3つ)の超音波受信部23と、超音波伝播時間測定部26と、を備える。また、第2電子機器20は、さらに、赤外線受光部24及び/又は時刻同期部25を備えることができる。以下、第2電子機器20の備える上記各機能部を総括して「第2機能部」ともいう。なお、複数(例えば3つ)の超音波受信部23と、赤外線受光部24とを「第2GPS部」と称することができる。   The second electronic device 20 has a second coordinate system unique to the second electronic device (hereinafter also referred to as “unique coordinate system”), and includes a second communication unit 21, a three-dimensional measurement unit 22, and a plurality of (for example, 3) an ultrasonic receiving unit 23 and an ultrasonic propagation time measuring unit 26. In addition, the second electronic device 20 can further include an infrared light receiving unit 24 and / or a time synchronization unit 25. Hereinafter, the respective functional units included in the second electronic device 20 are collectively referred to as “second functional units”. Note that a plurality of (for example, three) ultrasonic wave receiving units 23 and the infrared light receiving unit 24 may be referred to as “second GPS units”.

第2電子機器20には、当該第2電子機器20を、3次元計測部22、超音波受信部23等、第2機能部として機能させるためのプログラムをインストールすることで、第2電子機器20を3次元計測部22、超音波受信部23等の各機能部として機能させるようにすることができる。なお、当該プログラムは、予めインストールされていてもよい。また、当該プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体から必要に応じてインストール又は予め設定されたサーバから必要に応じて適宜ダウンロードされてもよい。   The second electronic device 20 is installed in the second electronic device 20 by installing a program for causing the second electronic device 20 to function as a second functional unit such as the three-dimensional measuring unit 22 and the ultrasonic wave receiving unit 23. Can be made to function as functional units such as the three-dimensional measuring unit 22 and the ultrasonic receiving unit 23. Note that the program may be installed in advance. The program may be installed from a computer-readable recording medium as necessary or downloaded from a server set in advance as needed.

<3次元データ保存部30>
3次元データ保存部30は、源点群データ記憶部31と、第2電子機器位置情報記憶部32(子機座標情報記憶部)と、合成点群データ記憶部33と、を備える。
<Three-dimensional data storage unit 30>
The three-dimensional data storage unit 30 includes a source point group data storage unit 31, a second electronic device position information storage unit 32 (child device coordinate information storage unit), and a composite point group data storage unit 33.

<3次元データ処理部40>
3次元データ処理部40は、点群データ座標値変換部41と、合成点群データ作成部42と、を備える。
合成点群データ作成部42は、さらに、第1合成点群データ作成部421と、点群データマッチング部422と、を備える。
<Three-dimensional data processing unit 40>
The three-dimensional data processing unit 40 includes a point group data coordinate value conversion unit 41 and a synthesized point group data creation unit 42.
The composite point cloud data creation unit 42 further includes a first composite point cloud data creation unit 421 and a point cloud data matching unit 422.

<3次元データ表示制御部50>
3次元データ表示制御部50は、視点操作部51と、データ表示方式選択部52と、データ再生・保存指示部53と、3次元データ表示処理部54と、を備える。
<Three-dimensional data display control unit 50>
The three-dimensional data display control unit 50 includes a viewpoint operation unit 51, a data display method selection unit 52, a data reproduction / storage instruction unit 53, and a three-dimensional data display processing unit 54.

3次元データ保存部30、3次元データ処理部40、及び3次元データ表示制御部50は、有線及び/又は無線通信機能を備える、例えば、1台又は複数のパソコン、タブレット端末、スマートフォン、サーバ等の電子機器、あるいはCPU、DSP等の演算チップを搭載した演算ボードで構成することができる。
また、3次元データ保存部30、3次元データ処理部40、及び3次元データ表示制御部50をそれぞれ別のパソコン、タブレット端末、スマートフォン、サーバ等の電子機器により構成された、分散システムとすることができる。
また、3次元データ保存部30、3次元データ処理部40、及び3次元データ表示制御部50の一部又は全てを第1電子機器10、又は第2電子機器20により構成することもできる。
また、3次元データ保存部30、3次元データ処理部40をクラウド上の仮想サーバ上においてもよい。
The three-dimensional data storage unit 30, the three-dimensional data processing unit 40, and the three-dimensional data display control unit 50 have a wired and / or wireless communication function, for example, one or more personal computers, tablet terminals, smartphones, servers, etc. Or an arithmetic board on which an arithmetic chip such as a CPU or DSP is mounted.
Further, the 3D data storage unit 30, the 3D data processing unit 40, and the 3D data display control unit 50 are each a distributed system including electronic devices such as different personal computers, tablet terminals, smartphones, and servers. Can do.
In addition, a part or all of the three-dimensional data storage unit 30, the three-dimensional data processing unit 40, and the three-dimensional data display control unit 50 can be configured by the first electronic device 10 or the second electronic device 20.
The three-dimensional data storage unit 30 and the three-dimensional data processing unit 40 may be on a virtual server on the cloud.

3次元データ保存部30、3次元データ処理部40、及び3次元データ表示制御部50を構成する電子機器には、当該電子機器を、3次元データ保存部30、3次元データ処理部40、3次元データ表示制御部50として機能させるためのプログラムをインストールすることで、当該電子機器を3次元データ保存部30、3次元データ処理部40、3次元データ表示制御部50として機能させるようにすることができる。なお、当該プログラムは、予め当該電子機器にインストールされていてもよい。また、当該プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体から必要に応じてインストール又は予め設定されたサーバから必要に応じて適宜ダウンロードされてもよい。   The electronic devices constituting the three-dimensional data storage unit 30, the three-dimensional data processing unit 40, and the three-dimensional data display control unit 50 are connected to the electronic device. By installing a program for causing the three-dimensional data display control unit 50 to function, the electronic device is caused to function as the three-dimensional data storage unit 30, the three-dimensional data processing unit 40, and the three-dimensional data display control unit 50. Can do. Note that the program may be installed in the electronic device in advance. The program may be installed from a computer-readable recording medium as necessary or downloaded from a server set in advance as needed.

次に、点群データ取得システム100の備える各電子機器等について、詳細に説明する。
最初に、第2電子機器20について説明する。
Next, each electronic device and the like included in the point cloud data acquisition system 100 will be described in detail.
First, the second electronic device 20 will be described.

<第2電子機器20について>
図1に示すように、第2電子機器20は、第2通信部21と、3次元計測部22、複数(例えば3つ)の超音波受信部23と、超音波伝播時間測定部26と、を備える。また、第2電子機器20は、さらに、赤外線受光部24及び/又は時刻同期部25を備えることができる。
<About the second electronic device 20>
As shown in FIG. 1, the second electronic device 20 includes a second communication unit 21, a three-dimensional measurement unit 22, a plurality of (for example, three) ultrasonic reception units 23, an ultrasonic propagation time measurement unit 26, Is provided. In addition, the second electronic device 20 can further include an infrared light receiving unit 24 and / or a time synchronization unit 25.

[第2通信部21]
有線、又は無線回線による通信モジュール。第1電子機器10の第1通信部11と対向し、第1電子機器10、第2電子機器20間の制御信号、各種データをやり取りする。
[Second communication unit 21]
A communication module using a wired or wireless line. It faces the first communication unit 11 of the first electronic device 10 and exchanges control signals and various data between the first electronic device 10 and the second electronic device 20.

[3次元計測部22]
3次元デジタイザ、レーザースキャナ等と同様の3次元計測手段として、「深度センサ」がある。「深度センサ」には主に、(1)Time−of−flight方式、(2)三角測量方式、(3)Depth of Deforce方式等があるが、(1)のTime−of−flight方式は、レーザや赤外線等の光を計測対象物に対して照射して反射させ、センサに届くまでの飛行時間をもとに計算し、計測対象物表面の各点までの直線距離(以下、「深度」ともいう)を瞬時に得ることができるセンサである。深度センサは計測対象物各点の深度を画素単位で把握することができる。
ここで、計測対象物とは、例えば、既設の建造物(例えば原子力発電所等のプラントや文化財等)の凹凸を有する非平面形状の計測対象物のみならず、動く人間、動く動物、動く物等、時間の経過に伴って形状が変化する物体を含むことができる。
第2電子機器20の有する3次元計測部22は、深度センサを、例えば通常の画像カメラと組み合わせて構成することができる。深度センサを通常の画像カメラと組み合わせて構成される3次元計測部22を以下、「深度カメラ」ともいう。深度カメラを用いて計測対象物を計測することで、計測対象物表面の各点を画素単位で例えばRGBの色情報とともに深度情報を併せ持つ、計測対象物の画像データを生成することができる。
[Three-dimensional measurement unit 22]
As a three-dimensional measuring means similar to a three-dimensional digitizer, laser scanner, etc., there is a “depth sensor”. “Depth sensor” mainly includes (1) Time-of-flight method, (2) Triangulation method, (3) Depth of Defense method, and (1) Time-of-flight method is Calculates based on the flight time to reach the sensor by irradiating and reflecting light such as laser and infrared rays on the measurement object, and calculating the linear distance to each point on the measurement object surface (hereinafter referred to as “depth”) It is also a sensor that can be obtained instantaneously. The depth sensor can grasp the depth of each point of the measurement object in units of pixels.
Here, the measurement object is not only a non-planar shape measurement object having unevenness of an existing building (for example, a plant such as a nuclear power plant or a cultural property), but also a moving human, a moving animal, An object such as an object whose shape changes over time can be included.
The three-dimensional measuring unit 22 included in the second electronic device 20 can be configured by combining a depth sensor with, for example, a normal image camera. Hereinafter, the three-dimensional measurement unit 22 configured by combining the depth sensor with a normal image camera is also referred to as a “depth camera”. By measuring the measurement object using the depth camera, it is possible to generate image data of the measurement object having both the depth information together with, for example, RGB color information for each point on the measurement object surface in pixel units.

3次元計測部22は、固有の基準位置に基づく3次元の第2座標系(以下、「固有座標系」ともいう)を備えている。3次元計測部22により計測された計測対象物表面の各点(画素単位)の位置は、固有座標系により、3次元座標(x、y、z)により表される。
したがって、3次元計測部22により計測する場合には、計測対象物表面の各点(画素単位)の位置を表す3次元座標(x、y、z)と、その3次元座標位置における計測対象物表面のRGBの色情報と、からなる点データの集合を計測データとして取得することができる。
The three-dimensional measuring unit 22 includes a three-dimensional second coordinate system (hereinafter also referred to as “unique coordinate system”) based on a unique reference position. The position of each point (pixel unit) on the surface of the measurement object measured by the three-dimensional measurement unit 22 is represented by a three-dimensional coordinate (x, y, z) by the inherent coordinate system.
Therefore, when the measurement is performed by the three-dimensional measurement unit 22, the three-dimensional coordinates (x, y, z) representing the position of each point (pixel unit) on the surface of the measurement target and the measurement target at the three-dimensional coordinate position. A set of point data composed of RGB color information on the surface can be acquired as measurement data.

3次元計測部22は、第2電子機器20を移動させることで、3次元空間内を移動することができる。ユーザ(例えば、計測作業者、カメラマン)は、計測対象物の状況に応じて、第2電子機器20を移動させることで、3次元計測部22の計測位置を変更して、計測対象物の計測を行うことができる。なお、第2電子機器20の移動については、例えば、第2電子機器20を搭載した移動装置を自走式又は遠隔操作により、移動させることもできる。例えば、第2電子機器20を搭載したクアッドコプターを遠隔操作することにより、移動させることもできる。   The three-dimensional measuring unit 22 can move in the three-dimensional space by moving the second electronic device 20. A user (for example, a measurement operator or a cameraman) changes the measurement position of the three-dimensional measurement unit 22 by moving the second electronic device 20 according to the state of the measurement object, and measures the measurement object. It can be performed. In addition, about the movement of the 2nd electronic device 20, the moving apparatus carrying the 2nd electronic device 20 can also be moved by self-propelled or remote operation, for example. For example, the quad copter on which the second electronic device 20 is mounted can be moved by remote control.

3次元計測部22は、計測対象物表面の各点の情報を画素単位で取得することができる。また、3次元計測部22は、計測対象物の表面の各点の情報を画素単位で、予め設定した時間間隔で取得することができる。例えば、時間間隔として1/30秒を設定することで、3次元計測部22は、1秒間に30コマの画像データ(30fps)を取得することができる。3次元計測部22により計測された各計測データには、それぞれ計測時刻となるタイムスタンプを付すことができ、当該タイムスタンプに基づいて計測データ間で関連付けが可能となっている。
すなわち、N個(2≦N)の3次元計測部22をインデックス1、2、3、・・・Nにより識別する場合、tを計測時刻とすると、インデックス(識別番号)nの3次元計測部22(以下「3次元計測部22n」ともいう)により取得した点群データをQn(t)と表現することができる。
The three-dimensional measurement unit 22 can acquire information on each point on the surface of the measurement target in units of pixels. In addition, the three-dimensional measurement unit 22 can acquire information on each point on the surface of the measurement target in units of pixels at preset time intervals. For example, by setting 1/30 seconds as the time interval, the three-dimensional measurement unit 22 can acquire 30 frames of image data (30 fps) per second. Each measurement data measured by the three-dimensional measurement unit 22 can be given a time stamp as a measurement time, and the measurement data can be associated with each other based on the time stamp.
That is, when N (2 ≦ N) three-dimensional measuring units 22 are identified by indexes 1, 2, 3,... N, t is the measurement time, and the three-dimensional measuring unit with index (identification number) n. The point cloud data acquired by 22 (hereinafter also referred to as “three-dimensional measuring unit 22n”) can be expressed as Qn (t).

<3次元計測部22による測定時刻の同期制御>
例えば、第1電子機器10のトリガーによる同期制御により、複数個あるすべての3次元計測部22に対して計測動作を同期させることにより、同時刻に計測対象物を計測させるように構成することができる。トリガーとしては、例えば、第1電子機器10から3次元計測部22に対して計測指示信号を出すことができる。
<Synchronous control of measurement time by the three-dimensional measurement unit 22>
For example, it is possible to configure the measurement object to be measured at the same time by synchronizing the measurement operation with respect to all of the plurality of three-dimensional measurement units 22 by the synchronization control by the trigger of the first electronic device 10. it can. As a trigger, for example, a measurement instruction signal can be issued from the first electronic device 10 to the three-dimensional measurement unit 22.

ここで、各3次元計測部22により計測対象物の画像データを予め設定した時間間隔(例えば、1秒間に30コマ)で取得する場合、当該点群データは、3次元計測部22n(1≦n≦N)毎に、1/30秒単位の計測時刻(t)毎に生成され、通信ネットワークを介して、3次元データ保存部30の源点群データ記憶部31にリアルタイムに記憶される。
すなわち、源点群データ記憶部31には、すべての3次元計測部22nにより計測される、点群データの集合{Qn(t)}(1≦n≦N)(t:タイムスタンプ)が記憶される。
点群データQn(t)は、計測対象物の表面の各点を、例えばデータ形式{3次元計測部22の識別番号n、各点の固有座標系(第2座標系)における座標値(x、y、z)、点群取得時刻t、R(赤成分)、G(緑成分)、B(青成分)等}で表した点データの集合であるといえる。
Here, when the image data of the measurement object is acquired by each three-dimensional measurement unit 22 at a preset time interval (for example, 30 frames per second), the point cloud data is obtained by the three-dimensional measurement unit 22n (1 ≦ 1). n ≦ N) is generated every measurement time (t) in units of 1/30 seconds, and stored in real time in the source point group data storage unit 31 of the three-dimensional data storage unit 30 via the communication network.
That is, the source point cloud data storage unit 31 stores a set of point cloud data {Qn (t)} (1 ≦ n ≦ N) (t: time stamp) measured by all the three-dimensional measuring units 22n. Is done.
The point cloud data Qn (t) represents each point on the surface of the measurement object, for example, in the data format {the identification number n of the three-dimensional measurement unit 22, the coordinate value (x in the second coordinate system) of each point (x , Y, z), point cloud acquisition time t, R (red component), G (green component), B (blue component), etc.}.

なお、後述する第2電子機器位置情報算出部13により測定される第2電子機器20の基準座標系(第1座標系)における位置情報の測定時刻を突合せすることで、点群データQn(t)が計測されたときの3次元計測部22nの計測位置を特定することができる。
なお、測定時刻が必ずしも一致しない場合には、例えば当該時刻の近傍の3次元計測部22nの計測位置により、線形補完することができる。
The point group data Qn (t) is obtained by matching the measurement time of the position information in the reference coordinate system (first coordinate system) of the second electronic device 20 measured by the second electronic device position information calculation unit 13 described later. ) Is measured, the measurement position of the three-dimensional measurement unit 22n can be specified.
If the measurement times do not necessarily match, linear interpolation can be performed, for example, using the measurement position of the three-dimensional measurement unit 22n near the time.

[超音波受信部23]
第2電子機器20は、少なくとも3つの超音波受信部23(C1、C2、C3)を備える。3つの超音波受信部23(C1、C2、C3)の位置は、第2座標系の原点C0とした場合に、始点をC0、終点をそれぞれC1、C2、C3とする3つのベクトルが、線形独立であれば、C1、C2、C3の位置は、任意の位置でよい。
なお、超音波受信部23は、無指向性の受信部とすることができる。
[Ultrasonic receiver 23]
The second electronic device 20 includes at least three ultrasonic receivers 23 (C1, C2, C3). The positions of the three ultrasonic wave receivers 23 (C1, C2, C3) are linear when three vectors having a start point C0 and end points C1, C2, C3, respectively, when the origin C0 of the second coordinate system is set. If they are independent, the positions of C1, C2, and C3 may be arbitrary positions.
The ultrasonic receiving unit 23 can be a non-directional receiving unit.

[赤外線受光部24]
赤外線受光部24は、後述する第1電子機器10の有する赤外線発光部14から発光された赤外線を受光すると同時に、3つの超音波受信部23(C1、C2、C3)にそれぞれ対応する複数のタイマーカウンターをスタートさせる。なお、複数のそれぞれの超音波受信部23(C1、C2、C3)は、後述する第1電子機器10の超音波発信部12(P1〜P4)のそれぞれが発信した超音波を受信した時点で、割り込み制御により、前記対応するタイマーカウンターをストップさせる。
このように、赤外線は、第1電子機器10及び第2電子機器20間で、タイマーカウンターの同期をとるためのトリガーとして用いることができる。
なお、赤外線受光部24は、例えば、無指向性の受光部とすることができる。
[Infrared light receiving unit 24]
The infrared light receiving unit 24 receives infrared rays emitted from an infrared light emitting unit 14 of the first electronic device 10 to be described later, and at the same time, a plurality of timers respectively corresponding to the three ultrasonic receiving units 23 (C1, C2, C3). Start the counter. Each of the plurality of ultrasonic reception units 23 (C1, C2, C3) receives an ultrasonic wave transmitted by each of the ultrasonic transmission units 12 (P1 to P4) of the first electronic device 10 to be described later. The corresponding timer counter is stopped by interrupt control.
Thus, infrared rays can be used as a trigger for synchronizing the timer counter between the first electronic device 10 and the second electronic device 20.
The infrared light receiving unit 24 can be, for example, a non-directional light receiving unit.

[時刻同期部25]
時刻同期部25は、例えば、IEEE1588に規定されたプロトコルを用いて、第2電子機器20の内部時刻を基準時刻に同期させる。後述するように、第1電子機器10も、同様に時刻同期部15を有し、例えば、IEEE1588に規定されたプロトコルを用いて、第1電子機器10の内部時刻を基準時刻に同期させる。
そうすることで、第1電子機器10の内部時刻及び1つ以上の第2電子機器20の各内部時刻を、同期させることができる。
[Time synchronization unit 25]
The time synchronization unit 25 synchronizes the internal time of the second electronic device 20 with the reference time using, for example, a protocol defined in IEEE 1588. As will be described later, the first electronic device 10 similarly has a time synchronization unit 15 and synchronizes the internal time of the first electronic device 10 with a reference time using, for example, a protocol defined in IEEE 1588.
By doing so, the internal time of the 1st electronic device 10 and each internal time of the 1 or more 2nd electronic device 20 can be synchronized.

[超音波伝播時間測定部26]
超音波伝播時間測定部26は、超音波が、後述する第1電子機器10の各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)から発信されてから、各超音波受信部23(C1、C2、C3)により受信されるまでの時間を計測する。
超音波伝播時間の測定についての詳細な手順については、後述する。
[Ultrasonic propagation time measurement unit 26]
The ultrasonic wave propagation time measuring unit 26 transmits each ultrasonic wave receiving unit 23 (C1) after ultrasonic waves are transmitted from the respective ultrasonic wave transmitting units 12 (P1, P2, P3, P4) of the first electronic device 10 described later. , C2, C3) to measure the time until reception.
A detailed procedure for measuring the ultrasonic propagation time will be described later.

<第1電子機器10について>
図1に示すように、第1電子機器10は、第1通信部11と、複数(例えば4つ)の超音波発信部12と、第2電子機器位置情報算出部13と、を備える。また、第1電子機器10は、さらに赤外線発光部14及び/又は時刻同期部15を備えることができる。
なお、超音波発信部12の個数は、理論的には3つ以上でもよいが、4つにすることでその後の計算処理が簡便になるため、本実施形態においては4つとする。ただし、4つに限定するものではない。
<About the first electronic device 10>
As illustrated in FIG. 1, the first electronic device 10 includes a first communication unit 11, a plurality of (for example, four) ultrasonic transmission units 12, and a second electronic device position information calculation unit 13. In addition, the first electronic device 10 can further include an infrared light emitting unit 14 and / or a time synchronization unit 15.
Note that the number of the ultrasonic transmitters 12 may theoretically be three or more. However, the number of the ultrasonic transmitters 12 is four in the present embodiment because subsequent calculation processing is simplified by using four. However, the number is not limited to four.

[第1通信部11]
有線、又は無線回線による通信モジュール。第2電子機器20の第2通信部21と対向し、第1電子機器10、第2電子機器20間の制御信号、各種データをやり取りする。
[First communication unit 11]
A communication module using a wired or wireless line. It faces the second communication unit 21 of the second electronic device 20 and exchanges control signals and various data between the first electronic device 10 and the second electronic device 20.

[超音波発信部12]
第1電子機器10は、少なくとも4つの超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)を備える。4つの超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)の位置は、線形独立である任意の位置としてよい。
なお、超音波発信部12は、無指向性の発信部とすることができる。例えば、「筒形超音波トランシーバ」を適用することもできる(例えば、特表2005−530370参照)。なお、「筒形超音波トランシーバ」に限定されるものではない。例えば4つの超音波発信部12からなるグループを複数備えて、第2電子機器20の移動範囲内の任意のエリアが少なくともいずれかのグループの発信する超音波によってカバーされるようにしてもよい。
第1電子機器10は、予め設定される時間間隔(例えば、6ミリ秒間隔)で、4つの超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)から、順次例えば40KHz程度の超音波を発信することができる。この場合、全ての第2電子機器20の超音波受信部23(C1、C2、C3)の位置情報は、24ミリ秒で測定されることになる。すなわち、1回の位置情報取得に必要なターンアラウンド時間は、24ミリ秒とすることができる。
[Ultrasonic transmitter 12]
The first electronic device 10 includes at least four ultrasonic transmission units 12 (P1, P2, P3, P4). The positions of the four ultrasonic transmission units 12 (P1, P2, P3, P4) may be arbitrary positions that are linearly independent.
The ultrasonic transmission unit 12 can be a non-directional transmission unit. For example, a “tubular ultrasonic transceiver” can also be applied (for example, refer to JP 2005-530370 A). Note that the present invention is not limited to the “tubular ultrasonic transceiver”. For example, a plurality of groups of four ultrasonic transmission units 12 may be provided, and an arbitrary area within the movement range of the second electronic device 20 may be covered by ultrasonic waves transmitted from at least one of the groups.
The first electronic device 10 sequentially transmits ultrasonic waves of, for example, about 40 KHz from the four ultrasonic wave transmission units 12 (P1, P2, P3, P4) at a preset time interval (for example, an interval of 6 milliseconds). can do. In this case, the position information of the ultrasonic receivers 23 (C1, C2, C3) of all the second electronic devices 20 is measured in 24 milliseconds. That is, the turnaround time required for one position information acquisition can be 24 milliseconds.

第1電子機器10の各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)から発信される超音波は、無指向性であるため、すべての第2電子機器20に向けて発信される。したがって、各第2電子機器20の超音波受信部23(C1、C2、C3)は、各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)から発信された超音波を受信するまでの時間をそれぞれ独立して測定することができる。このように、1回の位置情報取得に必要なターンアラウンド時間は、第2電子機器20の個数に依存しない。   Since the ultrasonic waves transmitted from the respective ultrasonic transmission units 12 (P1, P2, P3, P4) of the first electronic device 10 are non-directional, they are transmitted toward all the second electronic devices 20. Therefore, the time until the ultrasonic wave receiving unit 23 (C1, C2, C3) of each second electronic device 20 receives the ultrasonic wave transmitted from each ultrasonic wave transmitting unit 12 (P1, P2, P3, P4). Can be measured independently. As described above, the turnaround time required for one position information acquisition does not depend on the number of second electronic devices 20.

このため、3次元計測部22の計測時間の時間間隔として予め、例えば1/30秒を設定する場合、3次元計測部22による計測対象物の計測時刻と、第2電子機器20の位置情報の測定時刻とを同期させることができる。
具体的には、例えば超音波発信部12のP1の超音波出力時刻に、すべての第2電子機器20内の3次元計測部22に対して計測指示信号を発信する。これをP1、P2、P3、P4と順次行い、超音波発信部12のP4の出力が終わった後にウェイトし、超音波発信部P1の超音波出力時刻を調整することで両者の同期をとることができる。
For this reason, when setting, for example, 1/30 second as a time interval of the measurement time of the three-dimensional measurement unit 22 in advance, the measurement time of the measurement object by the three-dimensional measurement unit 22 and the position information of the second electronic device 20 The measurement time can be synchronized.
Specifically, for example, a measurement instruction signal is transmitted to the three-dimensional measurement units 22 in all the second electronic devices 20 at the ultrasonic output time P1 of the ultrasonic transmission unit 12. This is sequentially performed as P1, P2, P3, and P4, waits after the output of P4 of the ultrasonic transmission unit 12 is finished, and synchronizes both by adjusting the ultrasonic output time of the ultrasonic transmission unit P1. Can do.

[第2電子機器位置情報算出部13]
前述したとおり、超音波伝播時間測定部26は、各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)から発信された超音波を各超音波受信部23(C1、C2、C3)が受信するまでの時間を計測することができる。
第2電子機器位置情報算出部13は、第2電子機器20の超音波伝播時間測定部26により測定された超音波伝播時間を、例えばネットワークを介して取得し、各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)と、各超音波受信部23(C1、C2、C3)との距離を算出することができる。
そうすることで、第2電子機器位置情報算出部13は、第2電子機器20の超音波受信部23(C1、C2、C3)の基準座標系(第1座標系)における座標値(以下「第2電子機器位置計測結果」ともいう)を算出することができる。
超音波受信部23(C1、C2、C3)の基準座標系(第1座標系)における座標値の算出についての詳細な処理については、後述する。
[Second Electronic Device Position Information Calculation Unit 13]
As described above, the ultrasonic wave propagation time measurement unit 26 receives the ultrasonic waves transmitted from the respective ultrasonic transmission units 12 (P1, P2, P3, P4) by the respective ultrasonic reception units 23 (C1, C2, C3). It is possible to measure the time until.
The second electronic device position information calculation unit 13 acquires the ultrasonic wave propagation time measured by the ultrasonic wave propagation time measurement unit 26 of the second electronic device 20 via, for example, a network, and each ultrasonic wave transmission unit 12 (P1 , P2, P3, P4) and the distances between the ultrasonic receiving units 23 (C1, C2, C3) can be calculated.
By doing so, the second electronic device position information calculation unit 13 is configured to perform coordinate values (hereinafter referred to as “first coordinate system”) in the reference coordinate system (first coordinate system) of the ultrasonic reception unit 23 (C1, C2, C3) of the second electronic device 20. It is also possible to calculate “second electronic device position measurement result”.
Detailed processing regarding the calculation of coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) of the ultrasonic receiver 23 (C1, C2, C3) will be described later.

第2電子機器位置情報算出部13により算出された第2電子機器位置計測結果には、超音波受信部23(例えば、C1)が超音波を受信した受信時刻となるタイムスタンプを付すことができ、当該タイムスタンプに基づいて第2電子機器位置計測結果間で関連付けが可能となっている。
すなわち、N個(2≦N)の第2電子機器20を3次元計測部22と同じインデックス1、2、3、・・・Nにより識別する場合、tを第2電子機器20の位置の測定時刻とすると、各第2電子機器20の位置情報をLで表すばあい、識別番号nの第2電子機器20の時刻tにおける位置情報をLn(t)等と表現することができる。
The second electronic device position measurement result calculated by the second electronic device position information calculation unit 13 can be attached with a time stamp indicating the reception time when the ultrasonic wave reception unit 23 (for example, C1) receives the ultrasonic wave. Based on the time stamp, the second electronic device position measurement results can be associated with each other.
That is, when N (2 ≦ N) second electronic devices 20 are identified by the same indexes 1, 2, 3,... N as the three-dimensional measuring unit 22, t is a measurement of the position of the second electronic device 20. Assuming the time, if the position information of each second electronic device 20 is represented by L, the position information at the time t of the second electronic device 20 with the identification number n can be expressed as Ln (t) or the like.

ここで、第2電子機器位置情報算出部13により算出された第2電子機器位置計測結果は、当該タイムスタンプを関連付けて、第2電子機器位置情報として、第2電子機器20n毎に、ネットワークを介して3次元データ保存部30の第2電子機器位置情報記憶部32にリアルタイムに記憶される。
すなわち、第2電子機器位置情報記憶部32には、すべての第2電子機器20nの、時刻tに測定される第2電子機器位置情報の集合{Ln(t)}(1≦n≦N)(t:タイムスタンプ)がリアルタイムに記憶される。
Here, the second electronic device position measurement result calculated by the second electronic device position information calculation unit 13 associates the time stamp, and as the second electronic device position information, sets the network for each second electronic device 20n. Through the second electronic device position information storage unit 32 of the three-dimensional data storage unit 30 in real time.
That is, in the second electronic device position information storage unit 32, a set {Ln (t)} (1 ≦ n ≦ N) of second electronic device position information measured at time t of all the second electronic devices 20n. (T: time stamp) is stored in real time.

前述したとおり、第2電子機器位置情報の集合{Ln(t)}(1≦n≦N)(t:タイムスタンプ)と3次元計測部22により計測された点群データの集合{Qn(t)}(1≦n≦N)(t:タイムスタンプ)のタイムスタンプとを突合せすることで、点群データの計測位置を特定することができる。
すなわち、後述する3次元データ処理部40(点群データ座標値変換部41)により、時刻tを突き合わせることで、各点群データQn(t)を測定したときの第2電子機器20n(3次元計測部22n)の計測位置Ln(t)を特定することができ、そうすることで各点群データQn(t)の固有座標系(第2座標系)の座標値で表された各点を基準座標系(第1座標系)における座標値で表すことができる。
各点群データQn(t)の固有座標系(第2座標系)の座標値で表された各点を基準座標系(第1座標系)における座標値で表すための詳細な処理については、後述する。
As described above, the second electronic device position information set {Ln (t)} (1 ≦ n ≦ N) (t: time stamp) and the set of point cloud data measured by the three-dimensional measurement unit 22 {Qn (t )} (1 ≦ n ≦ N) (t: time stamp) By matching, the measurement position of the point cloud data can be specified.
That is, the second electronic device 20n (3) when each point group data Qn (t) is measured by matching the time t with a three-dimensional data processing unit 40 (point group data coordinate value conversion unit 41) described later. The measurement position Ln (t) of the dimension measurement unit 22n) can be specified, and each point represented by the coordinate value of the unique coordinate system (second coordinate system) of each point group data Qn (t). Can be expressed by coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system).
For detailed processing for representing each point represented by the coordinate value of the unique coordinate system (second coordinate system) of each point group data Qn (t) with the coordinate value of the reference coordinate system (first coordinate system), It will be described later.

[赤外線発光部14]
赤外線発光部14は、少なくとも4つの超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)が、それぞれ所定時間間隔で順次超音波を発信する際に、同時に赤外線を発光する。
赤外線発光部14は、例えば、無指向性の発光部とすることができる。また、赤外線発光部14は、例えば、複数の発光部を備え、各発光部が同時に異なる方向に向けて赤外線を発光することで、第2電子機器20の移動範囲内の任意のエリアが赤外線発光部14の発光する赤外線によってカバーされるようにしてもよい。
[Infrared light emitting unit 14]
The infrared light emitting unit 14 emits infrared rays simultaneously when at least four ultrasonic wave transmitting units 12 (P1, P2, P3, and P4) sequentially transmit ultrasonic waves at predetermined time intervals.
The infrared light emitting unit 14 can be, for example, a non-directional light emitting unit. The infrared light emitting unit 14 includes, for example, a plurality of light emitting units, and each light emitting unit emits infrared light in a different direction at the same time, so that an arbitrary area within the moving range of the second electronic device 20 emits infrared light. You may make it cover with the infrared rays which the part 14 light-emits.

[時刻同期部15]
時刻同期部15は、例えば、IEEE1588に規定されたプロトコルを用いて、第1電子機器10の内部時刻を基準時刻に同期させる。前述したように、第2電子機器20も、同様に時刻同期部25を有し、例えば、IEEE1588に規定されたプロトコルを用いて、第1電子機器10の内部時刻を基準時刻に同期させる。
そうすることで、第1電子機器10の内部時刻及び複数の第2電子機器20の各内部時刻の同期をとることができる。
[Time synchronization unit 15]
For example, the time synchronization unit 15 synchronizes the internal time of the first electronic device 10 with the reference time using a protocol defined in IEEE 1588. As described above, the second electronic device 20 similarly includes the time synchronization unit 25, and synchronizes the internal time of the first electronic device 10 with the reference time using, for example, a protocol defined in IEEE 1588.
By doing so, the internal time of the first electronic device 10 and the internal times of the plurality of second electronic devices 20 can be synchronized.

以上、第1電子機器10の備える第1機能部及び第2電子機器20の備える第2機能部について説明した。   The first functional unit included in the first electronic device 10 and the second functional unit included in the second electronic device 20 have been described above.

次に、各第2電子機器20の第2電子機器位置情報の算出方法について説明する。   Next, a method for calculating the second electronic device position information of each second electronic device 20 will be described.

<超音波伝播時間の測定について>
まず、図2〜図4を参照して、超音波伝播時間測定部26により、超音波が第1電子機器10の各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)から発信されてから、各第2電子機器20の各超音波受信部23(C1、C2、C3)により受信されるまでの時間を計測する処理について説明する。
以下は、1つの第2電子機器20の第2電子機器位置情報の算出について説明するが、全ての第2電子機器20についても同様に算出できる。
<Measurement of ultrasonic propagation time>
First, referring to FIG. 2 to FIG. 4, after the ultrasonic wave is transmitted from each ultrasonic wave transmitting unit 12 (P 1, P 2, P 3, P 4) of the first electronic device 10 by the ultrasonic propagation time measuring unit 26. A process for measuring the time until reception by each ultrasonic receiving unit 23 (C1, C2, C3) of each second electronic device 20 will be described.
In the following, the calculation of the second electronic device position information of one second electronic device 20 will be described, but all the second electronic devices 20 can be similarly calculated.

ここでは、計算式を簡単にするため、各超音波受信部23(C1、C2、C3)を3次元計測部22の固有座標軸(第2座標軸)に一致して、固有座標軸(第2座標軸)の原点C0から10cmの距離に設置していると仮定する。
なお、図2を参照すると、例えば、レンズの焦点(あるいは、カメラの重心)を原点C0とし、光軸方向をZ’軸、水平方向をX’軸、垂直方向をY’軸とすると、C1、C2、C3はそれぞれ、Z’軸、X’軸、Y’軸に一致して、原点C0から一定の距離例えば10cm離れた点に設置する。
すなわち、C0,C1,C2,C3の固有座標系(第2座標系)における座標値は、以下のとおりとする(単位cm)。
C0の座標値=(0,0,0)、
C1の座標値=(0,0,10)、
C2の座標値=(10,0,0)
C3の座標値=(0,10,0)
Here, in order to simplify the calculation formula, each ultrasonic receiving unit 23 (C1, C2, C3) coincides with the unique coordinate axis (second coordinate axis) of the three-dimensional measuring unit 22, and the unique coordinate axis (second coordinate axis). It is assumed that it is installed at a distance of 10 cm from the origin C0.
Referring to FIG. 2, for example, if the focal point of the lens (or the center of gravity of the camera) is the origin C0, the optical axis direction is the Z ′ axis, the horizontal direction is the X ′ axis, and the vertical direction is the Y ′ axis, then C1 , C2 and C3 are located at a fixed distance, for example, 10 cm away from the origin C0, corresponding to the Z ′ axis, the X ′ axis, and the Y ′ axis.
That is, the coordinate values in the intrinsic coordinate system (second coordinate system) of C0, C1, C2, and C3 are as follows (unit: cm).
Coordinate value of C0 = (0,0,0),
Coordinate value of C1 = (0, 0, 10),
Coordinate value of C2 = (10, 0, 0)
Coordinate value of C3 = (0, 10, 0)

同様に、計算式を簡単にするため、4つの超音波発信部12のうち、P1を基準座標系(第1座標系)の原点に設置し、P2、P3、P4をそれぞれ基準座標軸(第1座標軸)に一致して、基準座標軸(第1座標軸)の原点P1からそれぞれ10cmの距離に設置していると仮定する。
図2を参照すると、例えば、4つの超音波発信部12(P1、P2、P3、及びP4)は、それぞれ基準座標系(第1座標系)の原点、X軸、Y軸、及びZ軸に一致して設置され、各P1〜P3は、原点P1から一定の距離例えば10cm離れた点に設置する。
すなわち、P1、P2、P3、P4の基準座標系(第1座標系)における座標値は、以下のとおりとする(単位cm)。
P1の座標値=(0,0,0)、
P2の座標値=(10,0,0)、
P3の座標値=(0,10,0)、
P4の座標値=(0,0,10)
Similarly, in order to simplify the calculation formula, among the four ultrasonic wave transmission units 12, P1 is installed at the origin of the reference coordinate system (first coordinate system), and P2, P3, and P4 are set as reference coordinate axes (first It is assumed that they are installed at a distance of 10 cm from the origin P1 of the reference coordinate axis (first coordinate axis) in accordance with the coordinate axes.
Referring to FIG. 2, for example, the four ultrasonic transmission units 12 (P1, P2, P3, and P4) are respectively connected to the origin, X axis, Y axis, and Z axis of the reference coordinate system (first coordinate system). The P1 to P3 are installed at the same distance, and are installed at a certain distance, for example, 10 cm away from the origin P1.
That is, the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) of P1, P2, P3, and P4 are as follows (unit: cm).
P1 coordinate value = (0,0,0),
Coordinate value of P2 = (10, 0, 0),
Coordinate value of P3 = (0, 10, 0),
P4 coordinate value = (0, 0, 10)

図2には、各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)、及び各超音波受信部23(C1、C2、C3)の位置関係を示している。図3は、各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)、及び各超音波受信部23(C1、C2、C3)の動作を説明するシーケンスチャートである。   FIG. 2 shows the positional relationship between the ultrasonic transmission units 12 (P1, P2, P3, P4) and the ultrasonic reception units 23 (C1, C2, C3). FIG. 3 is a sequence chart for explaining the operations of the ultrasonic transmission units 12 (P1, P2, P3, P4) and the ultrasonic reception units 23 (C1, C2, C3).

図2に示すように、点C0、C1、C2、及びC3の基準座標系(第1座標系)における座標値をそれぞれ(x0,y0,z0)、(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、及び(x3,y3,z3)と表す。   As shown in FIG. 2, the coordinate values of the points C0, C1, C2, and C3 in the reference coordinate system (first coordinate system) are (x0, y0, z0), (x1, y1, z1), (x2, y2, z2) and (x3, y3, z3).

図2に示すように、各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)と各超音波受信部23(C1、C2、C3)間の直線距離は全部で12本あり、これらをRjk(1≦j≦4、1≦k≦3)で表す。これらの距離Rjkは、その二点間の超音波の伝播時間Tjk(1≦j≦4、1≦k≦3)及び超音波の速度から算出することができる。   As shown in FIG. 2, there are a total of 12 linear distances between each of the ultrasonic transmitters 12 (P1, P2, P3, P4) and each of the ultrasonic receivers 23 (C1, C2, C3). (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3). These distances Rjk can be calculated from the ultrasonic propagation time Tjk (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3) between the two points and the ultrasonic velocity.

図3に示すように、第1電子機器10は、各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)から順次、予め設定された時間間隔(例えば、6ミリ秒間隔)で、超音波を発信する。その際、同時に赤外線発光部14から赤外線を発光する。   As illustrated in FIG. 3, the first electronic device 10 sequentially transmits ultrasonic waves at predetermined time intervals (for example, 6 millisecond intervals) sequentially from the ultrasonic transmission units 12 (P1, P2, P3, P4). To send. At that time, infrared light is emitted from the infrared light emitting unit 14 at the same time.

赤外線受光部24は、赤外線発光部14から発光された赤外線を受光すると同時に、3つの超音波受信部23(C1、C2、C3)にそれぞれ対応する複数のタイマーカウンターをスタートさせる。
次に、各超音波受信部23(C1、C2、C3)は、超音波発信部12のP1の発信した超音波を受信した時点で、割り込み制御により、前記対応するタイマーカウンターをストップさせる。
このようにして、超音波伝播時間測定部26は、超音波が超音波発信部12のP1から発信されて、各超音波受信部23(C1、C2、C3)により受信されるまでのそれぞれの超音波伝播時間測定値T11,T12、T13を得ることができる。
同様に、図3に示すように、超音波伝播時間の測定を超音波発信部12のP2、P3、P4と繰り返すことで、合計12個の超音波伝播時間測定値{Tjk}(1≦j≦4,1≦k≦3)を得る。
この際、前述したように、超音波受信部23(例えば、C1)の超音波受信時刻となるタイムスタンプを超音波伝播時間測定値{Tjk}(1≦j≦4,1≦k≦3)に付すことができ、当該タイムスタンプに基づいて第2電子機器位置計測結果間で関連付けが可能となる。
The infrared light receiver 24 receives the infrared light emitted from the infrared light emitter 14 and simultaneously starts a plurality of timer counters corresponding to the three ultrasonic receivers 23 (C1, C2, C3).
Next, each ultrasonic receiving unit 23 (C1, C2, C3) stops the corresponding timer counter by interrupt control when the ultrasonic wave transmitted by P1 of the ultrasonic transmitting unit 12 is received.
In this way, the ultrasonic wave propagation time measuring unit 26 transmits each ultrasonic wave from P1 of the ultrasonic wave transmitting unit 12 until each ultrasonic wave receiving unit 23 (C1, C2, C3) receives the ultrasonic wave. Ultrasonic propagation time measurements T11, T12, T13 can be obtained.
Similarly, as shown in FIG. 3, by repeating the measurement of the ultrasonic propagation time with P2, P3, and P4 of the ultrasonic transmission unit 12, a total of 12 ultrasonic propagation time measurement values {Tjk} (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3).
At this time, as described above, the time stamp which is the ultrasonic reception time of the ultrasonic receiver 23 (for example, C1) is used as the ultrasonic propagation time measurement value {Tjk} (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3). The second electronic device position measurement results can be associated with each other based on the time stamp.

<超音波伝播時間測定部26の変形例1>
本実施形態では、超音波伝播時間を測定するために、反射波ではなく単方向の波を使うため、第1電子機器10及び第2電子機器20との間で、超音波発信時刻の同期をとる必要がある。このため、第1電子機器10の赤外線発光部14及び第2電子機器20の赤外線受光部24との間で、赤外線を超音波発信時刻の同期をとるためのトリガーとして使用している。
これに対して、例えば、IEEE1588に規定されたプロトコル等を用いて、第1電子機器10及びすべての第2電子機器20がそれぞれの内部時刻を基準時刻に同期させる時刻同期部15,25を備えることで、例えば、図4に示すように、第1電子機器10の赤外線発光部14及び第2電子機器20の赤外線受光部24を省略することができる。
より具体的には、例えば、超音波伝播時間測定部26は、各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)がそれぞれ、超音波を発信する発信時刻sj(1≦j≦4)を、例えばネットワークを介して取得し、リアルタイムに記憶する。または、超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)の超音波発信時を予め設定しておき、例えば超音波伝播時間測定部26に共有しておくことができる。
超音波伝播時間測定部26は、各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)の発信した超音波を各超音波受信部23(C1、C2、C3)が受信した12個の受信時刻tjk(1≦j≦4,1≦k≦3)を取得する。
超音波伝播時間測定部26は、12個の受信時刻tjk(1≦j≦4,1≦k≦3)からsj(1≦j≦4)を減算することにより、各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)の発信した超音波が各超音波受信部23(C1、C2、C3)により受信されるまでの超音波伝播時間測定値Tjk(1≦j≦4,1≦k≦3)を得る。
<Modification 1 of Ultrasonic Propagation Time Measurement Unit 26>
In this embodiment, in order to measure the ultrasonic propagation time, a unidirectional wave is used instead of a reflected wave. Therefore, the ultrasonic transmission time is synchronized between the first electronic device 10 and the second electronic device 20. It is necessary to take. For this reason, infrared rays are used as a trigger for synchronizing the ultrasonic transmission time between the infrared light emitting unit 14 of the first electronic device 10 and the infrared light receiving unit 24 of the second electronic device 20.
On the other hand, for example, the first electronic device 10 and all the second electronic devices 20 include time synchronization units 15 and 25 that synchronize their internal times with the reference time using a protocol defined in IEEE 1588, for example. Thus, for example, as shown in FIG. 4, the infrared light emitting unit 14 of the first electronic device 10 and the infrared light receiving unit 24 of the second electronic device 20 can be omitted.
More specifically, for example, the ultrasonic wave propagation time measurement unit 26 is configured to transmit the ultrasonic waves from the ultrasonic transmission units 12 (P1, P2, P3, P4), respectively (s 1 (j ≦ 4)). Is acquired via a network, for example, and stored in real time. Alternatively, the ultrasonic transmission time of the ultrasonic transmission unit 12 (P1, P2, P3, P4) can be set in advance and shared with the ultrasonic propagation time measurement unit 26, for example.
The ultrasonic propagation time measuring unit 26 receives 12 ultrasonic waves received by the ultrasonic receiving units 23 (C1, C2, C3) from the ultrasonic waves transmitted by the ultrasonic transmitting units 12 (P1, P2, P3, P4). Time tjk (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3) is acquired.
The ultrasonic wave propagation time measurement unit 26 subtracts sj (1 ≦ j ≦ 4) from the 12 reception times tjk (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3), whereby each ultrasonic wave transmission unit 12 ( Ultrasonic propagation time measured values Tjk (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k) until the ultrasonic waves transmitted by P1, P2, P3, and P4) are received by the respective ultrasonic receivers 23 (C1, C2, and C3). ≦ 3) is obtained.

<超音波発信部12と超音波受信部23との距離の算出>
第2電子機器位置情報算出部13は、超音波伝播時間測定部26により測定された12個の超音波伝播時間測定値(Tjk)に超音波の速度を掛けることにより、各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)と各超音波受信部23(C1、C2、C3)間の直線距離Rjk(1≦j≦4、1≦k≦3)を算出することができる。
<Calculation of the distance between the ultrasonic transmitter 12 and the ultrasonic receiver 23>
The second electronic device position information calculation unit 13 multiplies the twelve ultrasonic propagation time measurement values (Tjk) measured by the ultrasonic propagation time measurement unit 26 by the ultrasonic velocity to thereby generate each ultrasonic transmission unit 12. A linear distance Rjk (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3) between (P1, P2, P3, P4) and each ultrasonic receiving unit 23 (C1, C2, C3) can be calculated.

<3次元計測部22の位置情報の算出について>
次に、第2電子機器位置情報算出部13が、各超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)と各超音波受信部23(C1、C2、C3)間の各直線距離Rjk(1≦j≦4、1≦k≦3)に基づいて、各点C0、C1、C2、C3の基準座標系(第1座標系)における座標値を算出する処理について、前述の例に基づいて説明する。
ここで、各点C0、C1、C2、C3の基準座標系(第1座標系)における座標値を(x0,y0,z0)、(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、及び(x3,y3,z3)とする。
<Calculation of position information of the three-dimensional measuring unit 22>
Next, the second electronic device position information calculation unit 13 sets each linear distance Rjk () between each ultrasonic transmission unit 12 (P1, P2, P3, P4) and each ultrasonic reception unit 23 (C1, C2, C3). 1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3), the process of calculating the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) of each point C0, C1, C2, C3 is based on the above example. explain.
Here, the coordinate values of the points C0, C1, C2, and C3 in the reference coordinate system (first coordinate system) are (x0, y0, z0), (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), And (x3, y3, z3).

そうすると、三平方の定理に基づき、P1とC1間の距離、P2とC1間の距離、P3とC1間の距離、P4とC1間の距離は、以下の式1〜式4が成り立つ。
x12+y12+z12 = R11 (式1)
(x1−10)2+y12+z12 = R21 (式2)
x12+(y1−10)2+z12 = R31 (式3)
x12+y12+(z1−10)2 = R41 (式4)
Then, based on the three-square theorem, the following expressions 1 to 4 are established for the distance between P1 and C1, the distance between P2 and C1, the distance between P3 and C1, and the distance between P4 and C1.
x1 2 + y1 2 + z1 2 = R11 2 (Formula 1)
(X1-10) 2 + y1 2 + z1 2 = R21 2 (Formula 2)
x1 2 + (y1−10) 2 + z1 2 = R31 2 (Formula 3)
x1 2 + y1 2 + (z1−10) 2 = R41 2 (Formula 4)

第2電子機器位置情報算出部13は、式1〜式4に基づいて、C1の基準座標系(第1座標系)における座標値(x1、y1、z1)を式5により算出する。
x1=(R21 − R11 +100)/20
y1=(R31 − R11 +100)/20
z1=(R41 − R11 +100)/20
・・・(式5)
The second electronic device position information calculation unit 13 calculates the coordinate values (x1, y1, z1) in the reference coordinate system (first coordinate system) of C1 based on Equations 1 to 4.
x1 = (R21 2 −R11 2 +100) / 20
y1 = (R31 2 −R11 2 +100) / 20
z1 = (R41 2 −R11 2 +100) / 20
... (Formula 5)

同様に、第2電子機器位置情報算出部13は、C2の基準座標系(第1座標系)における座標値(x2、y2、z2)を、P1とC2間の距離、P2とC2間の距離、P3とC2間の距離、P4とC2間の距離に基づいて、C2の基準座標系(第1座標系)における座標値(x2、y2、z2)を式6により算出する。
x2=(R22 − R12 +100)/20
y2=(R32 − R12 +100)/20
z2=(R42 − R12 +100)/20
・・・(式6)
Similarly, the second electronic device position information calculation unit 13 uses the coordinate values (x2, y2, z2) in the reference coordinate system (first coordinate system) of C2 as the distance between P1 and C2, and the distance between P2 and C2. Based on the distance between P3 and C2 and the distance between P4 and C2, the coordinate values (x2, y2, z2) in the reference coordinate system (first coordinate system) of C2 are calculated by Expression 6.
x2 = (R22 2 −R12 2 +100) / 20
y2 = (R32 2 −R12 2 +100) / 20
z2 = (R42 2 −R12 2 +100) / 20
... (Formula 6)

同様に、第2電子機器位置情報算出部13は、C3の基準座標系(第1座標系)における座標値(x3、y3、z3)を、P1とC3間の距離、P2とC3間の距離、P3とC3間の距離、P4とC3間の距離に基づいて、C3の基準座標系(第1座標系)における座標値(x3、y3、z3)を式7により算出する。
x3=(R23 − R13 +100)/20
y3=(R33 − R13 +100)/20
z3=(R43 − R13 +100)/20
・・・(式7)
Similarly, the second electronic device position information calculation unit 13 uses the coordinate values (x3, y3, z3) in the reference coordinate system (first coordinate system) of C3 as the distance between P1 and C3, and the distance between P2 and C3. Based on the distance between P3 and C3 and the distance between P4 and C3, the coordinate value (x3, y3, z3) in the reference coordinate system (first coordinate system) of C3 is calculated by Equation 7.
x3 = (R23 2 −R13 2 +100) / 20
y3 = (R33 2 −R13 2 +100) / 20
z3 = (R43 2 −R13 2 +100) / 20
... (Formula 7)

次に、第2電子機器位置情報算出部13は、C0の基準座標系(第1座標系)における座標値(x0,y0,z0)を(式8)〜(式10)に基づいて算出する。
(x0−x1)2+(y0−y1)2+(z0−z1)2 = 10 (式8)
(x0−x2)2+(y0−y2)2+(z0−z2)2 = 10 (式9)
(x0−x3)2+(y0−y3)2+(z0−z3)2 = 10 (式10)
Next, the second electronic device position information calculation unit 13 calculates the coordinate value (x0, y0, z0) in the reference coordinate system (first coordinate system) of C0 based on (Expression 8) to (Expression 10). .
(X0−x1) 2 + (y0−y1) 2 + (z0−z1) 2 = 10 2 (Formula 8)
(X0−x2) 2 + (y0−y2) 2 + (z0−z2) 2 = 10 2 (Equation 9)
(X0−x3) 2 + (y0−y3) 2 + (z0−z3) 2 = 10 2 (Formula 10)

こうすることで、第2電子機器位置情報算出部13は、第2電子機器20の3次元計測部22の固有座標系(第2座標系)における原点C0(0,0,0)、Z´軸上の点C1(0,0,10)、X´軸上の点C2(10,0,0)、及びY´軸上の点C3(0,10,0)の基準座標系(第1座標系)における座標値を各々算出することができる。
なお、C1、C2、C3の位置を計測するためには、第1電子機器10側の超音波発信部12は3つあればよいが、本実施形態ではP1、P2、P3、P4の4つとした。そうすることで、計算を簡単にするとともに、測定精度を向上させることができる。
In this way, the second electronic device position information calculation unit 13 can generate the origins C0 (0, 0, 0), Z ′ in the inherent coordinate system (second coordinate system) of the three-dimensional measurement unit 22 of the second electronic device 20. A reference coordinate system (the first coordinate system of the point C1 (0, 0, 10) on the axis, the point C2 (10, 0, 0) on the X ′ axis, and the point C3 (0, 10, 0) on the Y ′ axis Each coordinate value in the coordinate system can be calculated.
In order to measure the positions of C1, C2, and C3, three ultrasonic transmitters 12 on the first electronic device 10 side are sufficient, but in this embodiment, four of P1, P2, P3, and P4 are used. did. By doing so, the calculation can be simplified and the measurement accuracy can be improved.

以上のようにして、第2電子機器位置情報算出部13は、第2電子機器20の有する各3次元計測部22の基準座標系(第1座標系)における位置情報を算出することができる。   As described above, the second electronic device position information calculation unit 13 can calculate the position information in the reference coordinate system (first coordinate system) of each three-dimensional measurement unit 22 included in the second electronic device 20.

なお、上述したように、4つの超音波発信部12(P1、P2、P3、P4)の位置は、線形独立である任意の位置とすることができる。また、3つの超音波受信部23(C1、C2、C3)の位置についても、第2座標系の原点C0とした場合に、始点をC0、終点をそれぞれC1、C2、C3とする3つのベクトルが、線形独立であれば、C1、C2、C3の位置は、任意の位置とすることができる。   As described above, the positions of the four ultrasonic transmission units 12 (P1, P2, P3, P4) can be arbitrary positions that are linearly independent. In addition, regarding the positions of the three ultrasonic receiving units 23 (C1, C2, C3), when the origin C0 of the second coordinate system is used, three vectors having a start point C0 and end points C1, C2, and C3, respectively. However, if they are linearly independent, the positions of C1, C2, and C3 can be arbitrary positions.

この場合においても、第2電子機器位置情報算出部13は、上記と同様に、各Cj(1≦j≦3)の基準座標系(第1座標系)における座標値を、P1とCj(1≦j≦3)間の距離、P2とCj(1≦j≦3)間の距離、P3とCj(1≦j≦3)間の距離、P4とCj(1≦j≦3)間の距離と、P1、P2、P3、P4の基準座標系(第1座標系)における座標値に基づいて、求めることができる。   Also in this case, the second electronic device position information calculation unit 13 determines the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) of each Cj (1 ≦ j ≦ 3) as P1 and Cj (1), as described above. ≦ j ≦ 3), P2 and Cj (1 ≦ j ≦ 3), P3 and Cj (1 ≦ j ≦ 3), P4 and Cj (1 ≦ j ≦ 3) And the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) of P1, P2, P3, and P4.

そして、第2電子機器位置情報算出部13は、上記と同様に、固有座標系(第2座標系)の原点C0の基準座標系(第1座標系)における座標値を、各Cj(1≦j≦3)の基準座標系(第1座標系)における座標値と各Cj(1≦j≦3)の固有座標系(第2座標系)における座標値とに基づいて、算出することができる。   Similarly to the above, the second electronic device position information calculation unit 13 calculates the coordinate value in the reference coordinate system (first coordinate system) of the origin C0 of the unique coordinate system (second coordinate system) for each Cj (1 ≦ 1). It can be calculated based on the coordinate value in the reference coordinate system (first coordinate system) of j ≦ 3) and the coordinate value in the unique coordinate system (second coordinate system) of each Cj (1 ≦ j ≦ 3). .

以上のように、第2電子機器位置情報算出部13は、第2電子機器20(3次元計測部22)の位置を表す各超音波受信部23(C0,C1,C2,C3)の基準座標系(第1座標系)における座標値(第2電子機器位置計測結果)を算出することができる。   As described above, the second electronic device position information calculation unit 13 uses the reference coordinates of each ultrasonic reception unit 23 (C0, C1, C2, C3) that represents the position of the second electronic device 20 (three-dimensional measurement unit 22). A coordinate value (second electronic device position measurement result) in the system (first coordinate system) can be calculated.

なお、前述したように、第2電子機器位置情報算出部13により算出された各超音波受信部23(C0,C1,C2,C3)の基準座標系(第1座標系)における座標値は、超音波受信部23(例えば、C1)の超音波受信時刻となるタイムスタンプを付して、第2電子機器20n毎に、第2電子機器位置情報Ln(t)(ここで、nは第2電子機器20の識別番号、tはタイムスタンプ)を3次元データ保存部30の第2電子機器位置情報記憶部32にリアルタイムに記憶することができる。
超音波伝播時間測定部26及び第2電子機器位置情報算出部13の一連の処理はリアルタイムに処理することができる。
As described above, the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) of each ultrasonic wave reception unit 23 (C0, C1, C2, C3) calculated by the second electronic device position information calculation unit 13 are: The second electronic device position information Ln (t) (where n is a second value) is attached to each second electronic device 20n with a time stamp that is the ultrasonic reception time of the ultrasonic receiving unit 23 (for example, C1). The identification number of the electronic device 20 and t is a time stamp) can be stored in the second electronic device position information storage unit 32 of the three-dimensional data storage unit 30 in real time.
A series of processes of the ultrasonic propagation time measurement unit 26 and the second electronic device position information calculation unit 13 can be processed in real time.

このように、異なる位置から発信される複数(例えば4つ)の超音波の伝播時間を計測することにより、第2電子機器20(3次元計測部22)の3つの超音波受信部23(C1,C2,C3)の基準座標系(第1座標系)における座標値を正確に算出することができる。そうすることで、3次元計測部22の視線方向及び視線周りの回転角が決まり、例えば従来のように例えば加速度センサやジャイロセンサ等により視線方向及び視線周りの回転角を算出するよりも、正確な位置情報を得ることができる。
次に、3次元データ処理部40について説明する。
Thus, by measuring the propagation time of a plurality of (for example, four) ultrasonic waves transmitted from different positions, the three ultrasonic receiving units 23 (C1) of the second electronic device 20 (three-dimensional measuring unit 22) are measured. , C2, C3) can accurately calculate coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system). By doing so, the line-of-sight direction and the rotation angle around the line-of-sight of the three-dimensional measuring unit 22 are determined, and for example, more accurate than calculating the line-of-sight direction and the rotation angle around the line of sight by using, for example, an acceleration sensor or a gyro sensor as in the past. Position information can be obtained.
Next, the three-dimensional data processing unit 40 will be described.

図1に示すように、3次元データ処理部40は、点群データ座標値変換部41と、合成点群データ作成部42と、を含む。また、合成点群データ作成部42は、さらに、第1合成点群データ作成部421と、点群データマッチング部422と、を備える。
<3次元データ処理部40について>
[点群データ座標値変換部41]
nを第2電子機器20(3次元計測部22)のインデックス(識別番号)、計測時刻をtとしたとき、点群データ座標値変換部41は、点群データ{Qn(t)}(1≦n≦N)(t:タイムスタンプ)を、同一座標系(例えば基準座標系)の座標に変換するための座標変換行列{Fn(t)}(1≦n≦N)(t:タイムスタンプ)を算出し、各点群データQn(t)の各点を表す固有座標系(第2座標系)における座標値から基準座標系(第1座標系)における座標値への座標変換を行う。
As shown in FIG. 1, the three-dimensional data processing unit 40 includes a point group data coordinate value conversion unit 41 and a synthesized point group data creation unit 42. The composite point cloud data creation unit 42 further includes a first composite point cloud data creation unit 421 and a point cloud data matching unit 422.
<About the three-dimensional data processing unit 40>
[Point cloud data coordinate value conversion unit 41]
When n is the index (identification number) of the second electronic device 20 (three-dimensional measurement unit 22) and the measurement time is t, the point cloud data coordinate value conversion unit 41 sets the point cloud data {Qn (t)} (1 ≦ n ≦ N) (t: time stamp) A coordinate transformation matrix {Fn (t)} (1 ≦ n ≦ N) (t: time stamp) for transforming coordinates into the same coordinate system (for example, reference coordinate system) ) And a coordinate conversion from a coordinate value in the unique coordinate system (second coordinate system) representing each point of each point group data Qn (t) to a coordinate value in the reference coordinate system (first coordinate system) is performed.

以下に、点群データ座標値変換部41が、第2電子機器位置情報Ln(t)(ここで、nは第2電子機器20の識別番号、tはタイムスタンプ)に基づいて、各点群データQn(t)の各点を示す固有座標系(第2座標系)における座標値を基準座標系(第1座標系)における座標値に変換するための変換行列Fn(t)を算出する処理について、前述例に基づいて説明する。
まず、点群データ座標値変換部41は、時刻tを突き合わせることで、各点群データQn(t)を測定したときの第2電子機器20n(3次元計測部22n)の計測位置Ln(t)を特定する。なお、点群データQn(t)を測定したときの測定時刻と第2電子機器20n(3次元計測部22n)の計測位置Ln(t)を測定したときの測定時刻とが必ずしも一致しない場合には、例えば点群データQn(t)を測定したときの測定時刻の近傍の時刻における3次元計測部22nの計測位置を用いて、線形補完することができる。
Below, the point group data coordinate value conversion unit 41 performs each point group based on the second electronic device position information Ln (t) (where n is the identification number of the second electronic device 20 and t is a time stamp). Processing for calculating a transformation matrix Fn (t) for transforming coordinate values in the unique coordinate system (second coordinate system) indicating each point of the data Qn (t) into coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) Will be described based on the above example.
First, the point group data coordinate value conversion unit 41 matches the time t to measure the measurement position Ln (2n) of the second electronic device 20n (three-dimensional measurement unit 22n) when each point group data Qn (t) is measured. t) is specified. Note that the measurement time when the point cloud data Qn (t) is measured and the measurement time when the measurement position Ln (t) of the second electronic device 20n (three-dimensional measurement unit 22n) is not necessarily coincident. Can be linearly complemented using, for example, the measurement position of the three-dimensional measurement unit 22n at a time near the measurement time when the point cloud data Qn (t) is measured.

前述したように、識別番号(n)の第2電子機器20nにおける、超音波受信部23(C1、C2、C3)の固有座標系(第2座標系)における座標値、C1=(0,0,10)、C2=(10,0,0)、及び点C3=(0,10,0)の、第2電子機器位置情報算出部13により算出された基準座標系(第1座標系)における座標値(すなわち、第2電子機器位置情報Ln(t))を、それぞれC0=(x0,y0,z0)、C1=(x1,y1,z1)、C2=(x2,y2,z2)、C3=(x3,y3,z3)とする。   As described above, in the second electronic device 20n with the identification number (n), the coordinate value in the unique coordinate system (second coordinate system) of the ultrasonic receiving unit 23 (C1, C2, C3), C1 = (0, 0 , 10), C2 = (10, 0, 0), and point C3 = (0, 10, 0) in the reference coordinate system (first coordinate system) calculated by the second electronic device position information calculation unit 13 The coordinate values (that is, the second electronic device position information Ln (t)) are represented by C0 = (x0, y0, z0), C1 = (x1, y1, z1), C2 = (x2, y2, z2), C3, respectively. = (X3, y3, z3).

座標変換行列(4×4行列)をFn(t)で表すと、以下の式11が成立する。

Figure 0006293049
(式11) When a coordinate transformation matrix (4 × 4 matrix) is represented by Fn (t), the following Expression 11 is established.
Figure 0006293049
(Formula 11)

点群データ座標値変換部41は、

Figure 0006293049
の逆行列C−1を算出する。
Figure 0006293049
The point cloud data coordinate value conversion unit 41
Figure 0006293049
The inverse matrix C −1 is calculated.
Figure 0006293049

こうすることで、点群データ座標値変換部41は、各点群データ{Qn(t)}の各点を示す固有座標系(第2座標系)における座標値を基準座標系(第1座標系)における座標値に変換するための変換行列Fn(t)を、式11の両辺にC−1を掛けることにより算出することができる。

Figure 0006293049
(式12)

このように、点群データ座標値変換部41は、各第2電子機器位置情報Ln(t)に基づいて、点群データ{Qn(t)}の各点を示す固有座標系(第2座標系)における座標値を基準座標系(第1座標系)における座標値に変換するための座標変換行列Fn(t)を算出することができる。 By doing so, the point group data coordinate value conversion unit 41 converts the coordinate values in the unique coordinate system (second coordinate system) indicating each point of each point group data {Qn (t)} to the reference coordinate system (first coordinate system). A transformation matrix Fn (t) for transformation into coordinate values in the system can be calculated by multiplying both sides of Equation 11 by C- 1 .
Figure 0006293049
(Formula 12)

As described above, the point group data coordinate value conversion unit 41 is based on each second electronic device position information Ln (t), and a unique coordinate system (second coordinate) indicating each point of the point group data {Qn (t)}. The coordinate conversion matrix Fn (t) for converting the coordinate values in the system) into the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) can be calculated.

なお、座標変換行列Fn(t)の計算は、C1、C2、C3を終点とし、始点をC0とする3つのベクトルが、線形独立であれば、C1、C2、C3の位置は、任意の位置でよい。この場合も、点群データ座標値変換部41は、座標変換行列Fn(t)を、上記同様の手順で算出することができる。   Note that the calculation of the coordinate transformation matrix Fn (t) is such that the positions of C1, C2, and C3 are arbitrary positions if the three vectors having C1, C2, and C3 as end points and the start point as C0 are linearly independent. It's okay. Also in this case, the point cloud data coordinate value conversion unit 41 can calculate the coordinate conversion matrix Fn (t) by the same procedure as described above.

点群データの点Qn(t)の固有座標系(第2座標系)での座標を(x,y,z)、基準座標系(第1座標系)での座標を(xg,yg,zg)として表すと、座標変換は式13で表される。

Figure 0006293049
(式13)
このようにして、点群データ座標値変換部41は、点群データQn(t)の各点を基準座標系(第1座標系)での座標値に変換した点群データ{Q´n(t)}を算出することができる。 The coordinates in the intrinsic coordinate system (second coordinate system) of the point Qn (t) of the point group data are (x, y, z), and the coordinates in the reference coordinate system (first coordinate system) are (xg, yg, zg). ), The coordinate transformation is expressed by Equation 13.
Figure 0006293049
(Formula 13)
In this way, the point cloud data coordinate value conversion unit 41 converts the point cloud data Qn (t) into the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) {Q′n ( t)} can be calculated.

[合成点群データ作成部42]
合成点群作成部42は、第1合成点群データ作成部421と、点群データマッチング部422と、を備える。
[Composite Point Cloud Data Creation Unit 42]
The composite point cloud creation unit 42 includes a first composite point cloud data creation unit 421 and a point cloud data matching unit 422.

[第1合成点群データ作成部421]
第1合成点群データ作成部421は、点群データ座標値変換部41により、時刻tにおける各点群データQn(t)の各点の固有座標系(第2座標系)での座標値を、基準座標系(第1座標系)での座標値に変換した各点群データ{Q´n(t)} (1≦n≦N)間の基準座標系(第1座標系)での座標値が同じ点については、同一点として、重ね合わせることで、合成点群データQ´(t)を作成することができる。
[First Composite Point Cloud Data Creation Unit 421]
The first composite point group data creation unit 421 uses the point group data coordinate value conversion unit 41 to calculate the coordinate values in the unique coordinate system (second coordinate system) of each point group data Qn (t) at time t. Coordinates in the reference coordinate system (first coordinate system) between the point group data {Q′n (t)} (1 ≦ n ≦ N) converted into coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) By combining the points having the same value as the same point, the synthesized point group data Q ′ (t) can be created.

[点群データマッチング部422]
しかし、各点群データ{Q´n(t)}(1≦n≦N)間の基準座標系(第1座標系)での座標値が同じ点であっても、測定誤差等により、位置ずれが発生する可能性がある。
このため、点群データマッチング部422は、点群データ座標値変換部41により、基準座標系(第1座標系)での座標に変換した各点群データ{Q´n(t)}の各点の座標値に基づいて、それぞれの点群データ{Q´n(t)}(1≦n≦N)から抽出した3次元形状に係る特徴パラメータ(例えば、曲面の曲率(ガウス曲率))に基づいて重なる部分の位置合わせ(マッチング)を、行うことで、位置ずれを補正することができる。
そうすることで、同一の基準座標系(第1座標系)での座標で表される複数の点群データ{Q´n(t)}(1≦n≦N)を用いて、より正確な欠損部分の少ない3次元立体となる合成点群データ(以下、「Q(t)」と表す)を取得することができる。
[Point cloud data matching unit 422]
However, even if the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) between the respective point group data {Q′n (t)} (1 ≦ n ≦ N) are the same, the position of the point group data {Q′n (t)} Deviation may occur.
For this reason, the point group data matching unit 422 uses the point group data coordinate value conversion unit 41 to convert each point group data {Q′n (t)} into coordinates in the reference coordinate system (first coordinate system). Based on the coordinate values of the points, feature parameters (for example, curvature of a curved surface (Gaussian curvature)) relating to a three-dimensional shape extracted from each point group data {Q′n (t)} (1 ≦ n ≦ N) Based on the alignment (matching) of the overlapping portions based on this, the positional deviation can be corrected.
By doing so, using a plurality of point group data {Q′n (t)} (1 ≦ n ≦ N) represented by coordinates in the same reference coordinate system (first coordinate system), more accurate It is possible to acquire composite point cloud data (hereinafter referred to as “Q (t)”) that is a three-dimensional solid with few missing portions.

なお、隣り合う計測時刻(例えば、ti、ti+1)に、同じ3次元計測部22nにより計測された点群データQn(ti)及びQn(ti+1)について、位置ずれがある場合にも、必要に応じて、重なる部分の位置合わせ(マッチング)を行うことで、位置ずれを補正することができる。
なお、位置ずれの補正については、バックグラウンド処理として、例えば、1秒1回程度のサンプリングとしてもよい。
It should be noted that the point cloud data Qn (ti) and Qn (ti + 1) measured by the same three-dimensional measuring unit 22n at adjacent measurement times (for example, ti, ti + 1) may be misaligned as necessary. Thus, the positional deviation can be corrected by aligning (matching) the overlapping portions.
In addition, about correction | amendment of position shift, it is good also as sampling about once per second as background processing, for example.

点群データの位置合わせ(マッチング)は、例えば周知の技術であるICP法と呼ばれる位置合わせ手法を用いることもできる。ICP法は、位置合わせを行うそれぞれの点群データについて、最近傍頂点間距離の二乗和を反復計算により最小化(収束)させることで位置合わせを行うものである。
しかしながら、ICP法は総当たり方式であるため、データ量が多くなると、膨大な時間を要していた。
また、位置合わせのための判定指標として、色情報を用いる方法もある。しかしながら、色は、同一個所であっても、見る角度や光の当たり具合によって違って見えることもあり、したがって、異なる位置から測定された点群データQn(t)とQm(t)(n≠m)とを、色を判定指標とするマッチングは不安定であった。
For positioning (matching) of the point cloud data, for example, a well-known technique called an ICP method can be used. In the ICP method, alignment is performed by minimizing (converging) the sum of squares of the distances between nearest vertices for each point group data to be aligned.
However, since the ICP method is a brute force method, an enormous amount of time is required when the amount of data increases.
There is also a method of using color information as a determination index for alignment. However, even if the color is the same, the color may appear different depending on the viewing angle and the degree of light hitting. Therefore, the point cloud data Qn (t) and Qm (t) (n ≠ n) measured from different positions. Matching using m) as a determination index was unstable.

そこで、点群データマッチング部422では、判定指標として、各点の形状面での特性を示す「曲面の曲率」を用いる。点群データ間において、頂点や尖った点等の特徴点ではなく、「ある程度の広がりを持った面」を考え、曲面の曲率を用いることで、それらの「凹凸具合の一致度」を見ることで、判定指標とする。
曲面の曲率は、座標系に依存しない物理的数学的特性であって、同じ曲面の同一箇所の凸凹度合いは、どの位置(すなわち、どの3次元計測部22)から見ても同じになることから、マッチングの判定指標として使用することができる。「曲面の曲率」を用いることで、どの3次元計測部22から測定されても、「曲面」の曲率は同一の値をとることが想定されることから、位置合わせ時のエラー発生を減少させることができる。また、マーカー設置の手間が無く、色情報と違って光が不要なため、光源(太陽等)の具合に左右されることがない。
なお、曲面の曲率としては、例えばガウス曲率、平均曲率等があるが、第1実施形態では、ガウス曲率を適用することができる。
Therefore, the point cloud data matching unit 422 uses “curvature of curved surface” indicating the characteristics of each point on the shape surface as a determination index. Consider the “degree of coincidence” between the point cloud data by considering the “curved surface” rather than the feature points such as vertices and sharp points, and using the curvature of the curved surface. Therefore, it is set as a determination index.
The curvature of the curved surface is a physical mathematical characteristic that does not depend on the coordinate system, and the degree of unevenness of the same portion of the same curved surface is the same regardless of the position (that is, which three-dimensional measurement unit 22). , Can be used as an index for determining matching. By using “curvature of curved surface”, it is assumed that the curvature of “curved surface” takes the same value regardless of which three-dimensional measurement unit 22 measures, so that the occurrence of errors during alignment is reduced. be able to. Further, since there is no need to install markers and light is not required unlike color information, it is not affected by the condition of the light source (sun, etc.).
The curvature of the curved surface includes, for example, a Gaussian curvature, an average curvature, etc. In the first embodiment, a Gaussian curvature can be applied.

また、マッチング処理の前処理もまた重要である。
具体的には、点群データマッチング部422は、まず複数の点群データを基準座標系での座標値を突き合わせ、その積集合を得ることで、マッチング処理対象となる点群データの範囲を限定する。このことにより、マッチング処理に要する計算量を大幅に減らすことができ、システム全体の速度向上に寄与することができる。また、積集合が空集合の場合は、そもそもマッチング処理をしなくて良い。
次に、点群データマッチング部422は、部分的に重なる、点群データA及び点群データBの重なる部分において、「両曲面」上の「ある程度の広がりをもった面」上の各点の曲率を求め、それらを比較して、例えば曲率の差の合計が最小となるような最適な変換を、これら一連の処理を繰り返しながら求める。
In addition, preprocessing of matching processing is also important.
Specifically, the point cloud data matching unit 422 first matches a plurality of point cloud data with coordinate values in the reference coordinate system, and obtains a product set thereof, thereby limiting the range of the point cloud data to be matched. To do. As a result, the amount of calculation required for the matching process can be greatly reduced, which can contribute to an improvement in the speed of the entire system. If the product set is an empty set, the matching process does not have to be performed in the first place.
Next, the point cloud data matching unit 422 performs a point overlap of the point cloud data A and the point cloud data B on each point on the “surface with a certain extent” on the “both curved surfaces”. Curvatures are obtained and compared, and for example, an optimal conversion that minimizes the sum of the differences in curvatures is obtained while repeating a series of processes.

ここで、点群データマッチング部422は、曲率の計算を、例えば次のように行うことができる。まず、曲面の曲率を求める1つの点群データQn(t)の点(x、y、z)を原点とし、その点を含む、例えば基準座標系(第1座標系)の平面X及びYに平行となる、平面X’Y’を含む局所座標系(x´、y´、z´)を設定する。次に、その点(x、y、z)の近傍点における「曲面」の局所座標を求める。この「曲面」の局所座標値は、点(x、y、z)の近傍にある点群データの点(x、y、z)により算出できる。そうすることで、「曲面」上のz値と(x、y)との関係を得ることができる。
例えば近傍点は、xの隣り合う値を例えばx−2、x−1、x、x+1、x+2等として表すと、
(x+1、y)、(x+2、y)、・・・
(x−1、y)、(x−2、y)、・・・
(x、y+1)、(x、y+2)、・・・
(x、y−1)、(x、y−2)、・・・
等として求めることができる。
Here, the point cloud data matching unit 422 can calculate the curvature as follows, for example. First, the point (x 0 , y 0 , z 0 ) of one point group data Qn (t) for obtaining the curvature of the curved surface is used as the origin, and the plane X including the point, for example, the reference coordinate system (first coordinate system) And a local coordinate system (x ′, y ′, z ′) including the plane X′Y ′ that is parallel to Y is set. Next, the local coordinates of the “curved surface” at a point near the point (x 0 , y 0 , z 0 ) are obtained. The local coordinate value of the “curved surface” can be calculated from the point (x, y, z) of the point group data in the vicinity of the point (x 0 , y 0 , z 0 ). By doing so, the relationship between the z value on the “curved surface” and (x, y) can be obtained.
For example near points adjacent value, for example x -2 of x 0, x -1, x 0 , x +1, expressed as x +2, etc.,
(X +1, y 0), (x +2, y 0), ···
(X −1 , y 0 ), (x −2 , y 0 ),...
(X 0 , y +1 ), (x 0 , y +2 ), ...
(X 0 , y −1 ), (x 0 , y −2 ),...
And so on.

次に2次曲面パッチp(u、v)=(u、v、au+bv+cuv+du+ev+f)を計測対象物表面に最小二乗法によって局所的に当てはめて、2次元曲面パッチの偏導関数から、曲面の曲率を計算する。
最後に、対象物の曲面が滑らかであることを制約条件として用いて曲率計算の精度を反復計算によって向上させて、算出する。
しかし、この曲率を用いる方法は、正確ではあるが計算量が多くなる。あるいは、物体の場所によっては(エッジ部分等)、うまく適用できない場合がある。その場合は、従来のICP法、色情報を用いる方法等を組み合わせることで、対応することができる。
Next, a quadratic surface patch p (u, v) = (u, v, au 2 + bv 2 + cuv + du + ev + f) is locally applied to the measurement object surface by the least square method, and from the partial derivative of the two-dimensional surface patch, Calculate the curvature of a curved surface.
Finally, using the smooth surface of the object as a constraint, the accuracy of curvature calculation is improved by iterative calculation.
However, the method using this curvature is accurate, but requires a large amount of calculation. Or, depending on the location of the object (such as an edge portion), it may not be applied well. In that case, the conventional ICP method, a method using color information, and the like can be combined.

このように、点群データマッチング部422は、これら一連の作業を、各点群データ毎に行い、それぞれの一致度合いを見ながら、複数の点群データを合成していくことで、マッチングを行うことができる。そして、その結果は、3次元データ保存部30の合成点群データ記憶部33に格納される。   As described above, the point cloud data matching unit 422 performs a series of operations for each point cloud data and performs matching by combining a plurality of point cloud data while observing the degree of matching. be able to. The result is stored in the synthesized point cloud data storage unit 33 of the three-dimensional data storage unit 30.

このようにして、点群データマッチング部422は、点群データ座標値変換部41により、同時刻に計測された複数の点群データ(例えば、{Qn(t)}(1≦n≦N))を、点群データ座標値変換部41により変換された基準座標系(第1座標系)における座標値に基づいて重なる部分の位置合わせを行った後に、必要に応じて、測定誤差等により、各点群データ{Qn(t)}(1≦n≦N)間の基準座標系(第1座標系)での座標値が同じであっても、位置ずれの発生した場合の補正をおこなうことで、より正確な、欠損部分の少ない1つの合成点群データを取得することができる。
こうすることで、例えば、形状の変化する計測対象物の多視点同時刻の点群データの合成を行うことができる。
In this way, the point cloud data matching unit 422 uses a plurality of point cloud data (for example, {Qn (t)} (1 ≦ n ≦ N) measured by the point cloud data coordinate value conversion unit 41 at the same time. ), After aligning the overlapping portions based on the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) converted by the point cloud data coordinate value conversion unit 41, if necessary, due to measurement error or the like, Even if the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) between the respective point group data {Qn (t)} (1 ≦ n ≦ N) are the same, correction is performed in the event of positional deviation. Thus, it is possible to acquire more accurate single composite point cloud data with few missing portions.
By doing so, for example, it is possible to synthesize point cloud data at the same time of multiple viewpoints of a measurement object whose shape changes.

なお、形状の変化しない静止した計測対象物の場合には、第2電子機器20nを移動させないで、すなわち、基準座標系(第1座標系)における座標値が同じ値となる、同一位置において計測された複数の点群データを、点群データ座標値変換部41により変換された基準座標系(第1座標系)における座標値に基づいて、重なる部分の位置合わせを行うことで、1つの合成点群データを作成することができる。そして、その結果は、3次元データ保存部30の合成点群データ記憶部33に格納される。   In the case of a stationary measurement object whose shape does not change, the second electronic device 20n is not moved, that is, the measurement is performed at the same position where the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) are the same. By combining the plurality of point group data that are overlapped based on the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) converted by the point group data coordinate value conversion unit 41, one composition is performed. Point cloud data can be created. The result is stored in the synthesized point cloud data storage unit 33 of the three-dimensional data storage unit 30.

また、形状の変化しない静止した計測対象物の場合には、1つの第2電子機器20を当該計測対象物の周りを移動しながら計測することで得られる複数の点群データを、点群データ座標値変換部41により変換された基準座標系(第1座標系)における座標値に基づいて、重なる部分の位置合わせを行うことで、1つの合成点群データを作成することができる。そして、その結果は、3次元データ保存部30の合成点群データ記憶部33に格納される。   In the case of a stationary measurement object whose shape does not change, a plurality of point cloud data obtained by measuring one second electronic device 20 while moving around the measurement object is represented by point cloud data. Based on the coordinate values in the reference coordinate system (first coordinate system) converted by the coordinate value conversion unit 41, one overlapping point group data can be created by aligning overlapping portions. The result is stored in the synthesized point cloud data storage unit 33 of the three-dimensional data storage unit 30.

次に、3次元データ保存部30について説明する。
図1に示すように、3次元データ保存部30は、源点群データ記憶部31と、第2電子機器位置情報記憶部32と、合成点群データ記憶部33と、を備える。
Next, the three-dimensional data storage unit 30 will be described.
As shown in FIG. 1, the three-dimensional data storage unit 30 includes a source point group data storage unit 31, a second electronic device position information storage unit 32, and a composite point group data storage unit 33.

[源点群データ記憶部31]
源点群データ記憶部31は、各3次元計測部22により計測された点群データに、当該計測時刻となるタイムスタンプを関連付けた点群データ情報を、第2電子機器20n毎に記憶する。
前述したように、例えば、各3次元計測部22nにより計測対象物表面の各点を画素単位で、予め設定した時間間隔(例えば、1秒間に30コマ)で取得する場合、源点群データ記憶部31は、3次元計測部22n毎に、例えば、1/30秒単位の計測時刻(t)毎に生成される点群データ{Qn(t)}を記憶する(1≦n≦N)(t:タイムスタンプ)。
[Source Point Cloud Data Storage Unit 31]
The source point cloud data storage unit 31 stores, for each second electronic device 20n, point cloud data information in which the time stamp corresponding to the measurement time is associated with the point cloud data measured by each three-dimensional measurement unit 22.
As described above, for example, when each point on the surface of the measurement object is acquired by each three-dimensional measurement unit 22n in a pixel unit at a preset time interval (for example, 30 frames per second), the source point group data is stored. The unit 31 stores, for example, point group data {Qn (t)} generated at each measurement time (t) in units of 1/30 seconds for each three-dimensional measurement unit 22n (1 ≦ n ≦ N) ( t: time stamp).

[第2電子機器位置情報記憶部32]
第2電子機器位置情報記憶部32は、第2電子機器20の複数の超音波受信部23(C1、C2、C3)の基準座標系における座標値と、複数の超音波受信部23のうち、1つの超音波受信部23が超音波を受信した時刻となるタイムスタンプを関連付けた第2電子機器位置情報を第2電子機器20n毎に記憶する。
前述したように、第2電子機器位置情報記憶部32は、すべての第2電子機器20nの、時刻tに測定される第2電子機器位置情報の集合{Ln(t)}(1≦n≦N)(t:タイムスタンプ)を記憶する。
[Second Electronic Device Position Information Storage Unit 32]
The second electronic device position information storage unit 32 includes coordinate values in the reference coordinate system of the plurality of ultrasonic reception units 23 (C1, C2, C3) of the second electronic device 20 and the plurality of ultrasonic reception units 23. The second electronic device position information associated with the time stamp corresponding to the time at which one ultrasonic receiving unit 23 receives the ultrasonic wave is stored for each second electronic device 20n.
As described above, the second electronic device position information storage unit 32 stores the set {Ln (t)} (1 ≦ n ≦) of the second electronic device position information measured at the time t of all the second electronic devices 20n. N) (t: time stamp) is stored.

[合成点群データ記憶部33]
前述したように、合成点群データ記憶部33は、例えば、第1合成点群データ作成部421により、同時刻に計測された複数の点群データ(例えば、{Qn(t)}(1≦n≦N))から合成した、1つの合成点群データを時刻毎に記憶する。なお、必要に応じて点群データマッチング部422により補正された合成点群データを記憶することができる。
[Combined Point Cloud Data Storage Unit 33]
As described above, the synthesized point group data storage unit 33 is, for example, a plurality of point group data (for example, {Qn (t)} (1 ≦ 1) measured by the first synthesized point group data creating unit 421 at the same time. One composite point cloud data synthesized from n ≦ N)) is stored for each time. Note that the synthesized point cloud data corrected by the point cloud data matching unit 422 can be stored as necessary.

<3次元データ表示制御部50>
次に、3次元データ表示制御部50について説明する。
図1に示すように、3次元データ表示制御部50は、視点操作部51と、データ表示方式選択部52と、データ再生・保存指示部53と、3次元データ表示処理部54と、を備える。
<Three-dimensional data display control unit 50>
Next, the three-dimensional data display control unit 50 will be described.
As shown in FIG. 1, the three-dimensional data display control unit 50 includes a viewpoint operation unit 51, a data display method selection unit 52, a data reproduction / save instruction unit 53, and a three-dimensional data display processing unit 54. .

点群データは、そのままの形式でレンダリングすることは可能であるが、そのデータ形式のままでは、各種の3次元処理には適さないことが多い。
このため、点群データを面形式に変換し、例えばポリゴン、不整三角網のメッシュ、及びCADモデルとして扱うことができる。
また、点群データは、各点データが三次元座標値を持つため、自由視点からのデータ閲覧及び空間参照を実現できる。具体的には、点群データ自体が有する3次元座標値を用いて、点群データを3次元空間から、例えばパノラマ空間への投影が可能となる。
The point cloud data can be rendered in the same format, but the data format is often not suitable for various three-dimensional processes.
For this reason, the point cloud data can be converted into a surface format and can be handled as, for example, a polygon, an irregular triangular mesh, and a CAD model.
Moreover, since each point data has a three-dimensional coordinate value, the point cloud data can realize data browsing and spatial reference from a free viewpoint. Specifically, the point cloud data can be projected from the 3D space to, for example, a panoramic space using the 3D coordinate values of the point cloud data itself.

[視点操作部51]
視点操作部51は、利用者の視点方向、視点座標等の入力を利用者から受け取ることができる。このことにより、表示画像のズーム等のカメラワークと同様の操作が可能となる。
[Viewpoint operation unit 51]
The viewpoint operation unit 51 can receive input from the user such as the user's viewpoint direction and viewpoint coordinates. This enables operations similar to camera work such as zooming of the display image.

[データ表示方式選択部52]
データ表示方式選択部52は、表示画像の表示方式に関する指示を利用者から受け取ることができる。例えば、3次元空間上の点群データをどのような投影面に投影するか、を選択することができる。例えばパノラマモデルは、球面、円柱、立方体等の投影面を選択できる。
[Data display method selection unit 52]
The data display method selection unit 52 can receive an instruction regarding the display method of the display image from the user. For example, it is possible to select on which projection plane the point cloud data in the three-dimensional space is projected. For example, a panoramic model can select a projection surface such as a spherical surface, a cylinder, or a cube.

[データ再生・保存指示部53]
データ再生・保存指示部53は、点群データから生成された3次元モデルデータの再生または保存に関する指示を利用者から受け取ることができる。
[Data playback / save instruction unit 53]
The data reproduction / storage instruction unit 53 can receive an instruction regarding reproduction or storage of the three-dimensional model data generated from the point cloud data from the user.

[3次元データ表示処理部54]
3次元データ表示処理部54は、合成点群データ記憶部33に格納された合成点群データを読み出して、視点操作部51により入力された利用者の仮想視点に基づいて、マッピング加工を行い、その結果の表示画像をディスプレイ画面に3次元表示する。
また、3次元データ表示処理部54は、動的な3次元モデルを用いて、視点操作部51から指定された視点パラメータで3次元空間を眺めた動画像を描画することができる。
[Three-dimensional data display processing unit 54]
The three-dimensional data display processing unit 54 reads the composite point cloud data stored in the composite point cloud data storage unit 33, performs mapping processing based on the virtual viewpoint of the user input by the viewpoint operation unit 51, The resulting display image is displayed three-dimensionally on the display screen.
In addition, the three-dimensional data display processing unit 54 can draw a moving image in which the three-dimensional space is viewed with the viewpoint parameter designated by the viewpoint operation unit 51 using a dynamic three-dimensional model.

以上、これまで説明した本発明の実施形態における、一連の処理の流れを簡単に図示したものが図5である。   FIG. 5 simply shows a series of processing flows in the embodiment of the present invention described so far.

図5を参照すると、ST1において、第1電子機器10が所定の場所に設定される。
ST2において、各第2電子機器20n(1≦n≦N)の電源が入れられ、例えば、計測作業者が、移動しながら、第2電子機器20n(3次元計測部22n)により、計測対象物を計測を開始する。
ST3において、各3次元計測部22nにより点群データが取得されると同時に、ST4において、各第2電子機器20n(3次元計測部22n)の位置取得用距離データが取得される。
ST5において、基準座標系(第1座標系)における各第2電子機器20n(3次元計測部22n)の位置情報が算出される。
ST6において、3次元データ処理部40により、3次元計測部22nの取得した点群データQn(t)と、第2電子機器位置情報算出部13の算出した各第2電子機器位置情報Ln(t)との対応付けがなされる。
ST7において、3次元データ処理部40により、同時刻tにおける各点群データQn(t)のマッチング・結合(合成)がなされる。
ST8において、3次元表示制御部50により、ユーザの仮想的な視点の指定にしたがい、当該仮想的な視点から見た3次元動画が表示される。
Referring to FIG. 5, in ST1, first electronic device 10 is set at a predetermined location.
In ST2, the power of each second electronic device 20n (1 ≦ n ≦ N) is turned on. For example, the measurement operator moves the measurement object by the second electronic device 20n (three-dimensional measurement unit 22n) while moving. Start measuring.
In ST3, the point group data is acquired by each three-dimensional measuring unit 22n, and at the same time, the position acquisition distance data of each second electronic device 20n (three-dimensional measuring unit 22n) is acquired in ST4.
In ST5, position information of each second electronic device 20n (three-dimensional measurement unit 22n) in the reference coordinate system (first coordinate system) is calculated.
In ST6, the point group data Qn (t) acquired by the three-dimensional measuring unit 22n by the three-dimensional data processing unit 40 and the second electronic device position information Ln (t) calculated by the second electronic device position information calculating unit 13 are used. ).
In ST7, the three-dimensional data processing unit 40 performs matching / combination (combination) of the point group data Qn (t) at the same time t.
In ST8, the 3D display control unit 50 displays a 3D moving image viewed from the virtual viewpoint according to the user's designation of the virtual viewpoint.

以上のように、第1実施形態によれば、各3次元計測部22を自由かつダイナミックに移動させることが可能となり、計測対象物の変形に伴って生じるオクルージョンによる死角が発生する場合においても、3次元計測装置の計測位置を即座に変更して対応することで。欠損部分の少ない3次元画像を取得することができる。   As described above, according to the first embodiment, each three-dimensional measurement unit 22 can be freely and dynamically moved, and even when a blind spot due to occlusion caused by deformation of the measurement object occurs, By changing the measurement position of the 3D measurement device immediately and responding. A three-dimensional image with few missing portions can be acquired.

また、本発明は、このような一連の処理により、合成点群データを視点操作部51によって指定入力された視点の位置から計測対象物を見たものとしてクリッピングし、欠損部分の少ない三次元物体の画像を、任意の視点からリアルタイムで見ることができる。   Further, according to the present invention, by such a series of processes, the synthetic point cloud data is clipped as a measurement target viewed from the viewpoint position designated and input by the viewpoint operation unit 51, and a three-dimensional object with few missing portions is obtained. Can be viewed in real time from any viewpoint.

例えば、医療分野において、資料映像として残すために、手術中の患部の状況を画像撮影することがある。その際、カメラが手術の邪魔になるからと、他の位置に移動させたとしても、見る側は、実際のカメラの位置とは無関係に、常に同じ視点からの映像を見ることが可能になる。それゆえ、この方式で資料化された映像は、きわめて有用性の高いものとなる。   For example, in the medical field, an image of the condition of an affected part during surgery may be taken in order to leave it as a document video. At that time, even if it is moved to another position because the camera interferes with the operation, the viewer can always see the image from the same viewpoint regardless of the actual camera position. . Therefore, the video created as a document by this method is extremely useful.

また、手術者の体で隠れる視点からの映像として表示することができる。また、腹腔鏡手術においては、内臓の状況を患者の皮膚の外側からの視点で見ることもできる。   It can also be displayed as a video from a viewpoint hidden by the surgeon's body. In laparoscopic surgery, the state of the internal organs can be seen from the viewpoint of the outside of the patient's skin.

また、本発明を撮影カメラに応用することで、スポーツ実況中継等において、その都度最適な位置にカメラを移動することで、死角の少ないで欠損部分を少なくし、ありえない視点から選手の動きを、各々の画像装置で表示することができるようになること等、様々なシーンにおいて、「撮影位置とは異なった視点からの画像表示対象物体を見ることができる」ができるようになる。   In addition, by applying the present invention to a shooting camera, by moving the camera to the optimal position each time in sports live broadcasting etc., the number of blind spots is reduced with fewer blind spots, and the movement of the player from an impossible viewpoint, In various scenes, such as being able to display on each image device, it is possible to “can see an image display target object from a viewpoint different from the shooting position”.

また、合成点群データをサーバ上におき、これをネットワーク経由で例えば、スマートフォン、タブレット端末、ノートパソコン等を用いて、複数のユーザが同一の物体を任意の視点から閲覧することができる。   In addition, the composite point cloud data is placed on a server, and a plurality of users can view the same object from any viewpoint using, for example, a smartphone, a tablet terminal, a laptop computer, or the like via a network.

[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る点群データ取得システム100について、説明する。なお、第2実施形態の説明にあたって、第1実施形態と同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
第1実施形態においては、第1電子機器10が第2電子機器位置情報算出部13を備え、第2電子機器20が超音波伝播時間測定部26を備えていたが、本発明はこれに限定されない。
例えば、第2電子機器位置情報算出部13は、第2電子機器20が備えてもよい。また、点群データ取得システム100において、第1電子機器10及び第2電子機器20とは別に、第2電子機器位置情報算出部13を設けてもよい。
[Second Embodiment]
Next, the point cloud data acquisition system 100 according to the second embodiment of the present invention will be described. In the description of the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
In the first embodiment, the first electronic device 10 includes the second electronic device position information calculation unit 13 and the second electronic device 20 includes the ultrasonic propagation time measurement unit 26. However, the present invention is limited to this. Not.
For example, the second electronic device position information calculation unit 13 may be included in the second electronic device 20. In the point cloud data acquisition system 100, the second electronic device position information calculation unit 13 may be provided separately from the first electronic device 10 and the second electronic device 20.

第2電子機器20が、第2電子機器位置情報算出部13を備える場合、第2電子機器20は、第2電子機器位置情報算出部13により算出した第2電子機器位置計測結果に、タイムスタンプを関連付けて、第2電子機器位置情報として、第2電子機器20毎に、3次元データ保存部30の第2電子機器位置情報記憶部32に記憶する。   When the second electronic device 20 includes the second electronic device position information calculation unit 13, the second electronic device 20 adds a time stamp to the second electronic device position measurement result calculated by the second electronic device position information calculation unit 13. Are stored in the second electronic device position information storage unit 32 of the three-dimensional data storage unit 30 for each second electronic device 20 as the second electronic device position information.

点群データ取得システム100において、第1電子機器10及び第2電子機器20とは別に、第2電子機器位置情報算出部13を設ける場合、第2電子機器位置情報算出部13は、超音波伝播時間測定部26から、例えばネットワークを介して超音波伝播時間測定値{Tjk(1≦j≦4,1≦k≦3)}を取得し、超音波伝播時間測定値{Tjk(1≦j≦4,1≦k≦3)}に基づいて、第2電子機器位置計測結果を計測し、タイムスタンプを関連付けて、第2電子機器位置情報として、第2電子機器20毎に、3次元データ保存部30の第2電子機器位置情報記憶部32に記憶する。   In the point cloud data acquisition system 100, when the second electronic device position information calculation unit 13 is provided separately from the first electronic device 10 and the second electronic device 20, the second electronic device position information calculation unit 13 The ultrasonic propagation time measurement value {Tjk (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3)} is acquired from the time measurement unit 26 via, for example, a network, and the ultrasonic propagation time measurement value {Tjk (1 ≦ j ≦ 3) is obtained. 4, 1 ≦ k ≦ 3)}, the second electronic device position measurement result is measured, the time stamp is associated, and the second electronic device position information is stored for each second electronic device 20 as three-dimensional data. The information is stored in the second electronic device position information storage unit 32 of the unit 30.

同様に、超音波伝播時間測定部26は、第1電子機器10が備えてもよい。また、点群データ取得システム100において、第1電子機器10及び第2電子機器20とは別に、超音波伝播時間測定部26を設けてもよい。   Similarly, the ultrasonic propagation time measurement unit 26 may be included in the first electronic device 10. Further, in the point cloud data acquisition system 100, the ultrasonic propagation time measurement unit 26 may be provided separately from the first electronic device 10 and the second electronic device 20.

第1電子機器10が、超音波伝播時間測定部26を備える場合、第1電子機器10は、第2電子機器20から、例えばネットワークを介して超音波発信部12のP1〜P4の発信した超音波を各超音波受信部23(C1、C2、C3)が受信した12個の受信時刻tjk(1≦j≦4,1≦k≦3)を取得し、超音波伝播時間測定値{Tjk(1≦j≦4,1≦k≦3)}を測定することができる。   When the first electronic device 10 includes the ultrasonic wave propagation time measurement unit 26, the first electronic device 10 transmits the ultrasonic waves transmitted from the second electronic device 20 by P1 to P4 of the ultrasonic wave transmission unit 12, for example, via a network. Twelve reception times tjk (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3) at which the ultrasonic wave receiving units 23 (C1, C2, and C3) receive the sound waves are acquired, and the ultrasonic propagation time measurement value {Tjk ( 1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3)}.

また、点群データ取得システム100において、第1電子機器10及び第2電子機器20とは別に、超音波伝播時間測定部26を設ける場合、超音波伝播時間測定部26は、例えばネットワークを介して第1電子機器10から、超音波発信部12のP1〜P4がそれぞれ、超音波を発信する発信時刻sj(1≦j≦4)を取得し、第2電子機器20から、超音波発信部12のP1〜P4の発信した超音波を各超音波受信部23(C1、C2、C3)が受信した12個の受信時刻tjk(1≦j≦4,1≦k≦3)を取得し、超音波伝播時間測定値{Tjk(1≦j≦4,1≦k≦3)}を測定することができる。
このように、本発明の点群データ取得システム100において、第1電子機器10、第2電子機器20、3次元データ保存部30、3次元データ処理部40、及び3次元データ表示制御部50の有する各機能部をそれぞれ、適宜分散させることは、ユーザにとって適宜成しえる設計事項である。
In the point cloud data acquisition system 100, when the ultrasonic propagation time measurement unit 26 is provided separately from the first electronic device 10 and the second electronic device 20, the ultrasonic propagation time measurement unit 26 is connected via a network, for example. From the first electronic device 10, P <b> 1 to P <b> 4 of the ultrasonic transmission unit 12 acquire transmission times sj (1 ≦ j ≦ 4) at which ultrasonic waves are transmitted, and from the second electronic device 20, the ultrasonic transmission unit 12. 12 reception times tjk (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3) at which the ultrasonic reception units 23 (C1, C2, C3) received the ultrasonic waves transmitted from P1 to P4 are obtained, The sound wave propagation time measurement value {Tjk (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3)} can be measured.
Thus, in the point cloud data acquisition system 100 of the present invention, the first electronic device 10, the second electronic device 20, the three-dimensional data storage unit 30, the three-dimensional data processing unit 40, and the three-dimensional data display control unit 50. It is a design matter that can be appropriately performed for the user to appropriately disperse the respective functional units.

[第3実施形態]
第1実施形態又は第2実施形態では、点群データ取得システム100は、1つの第1電子機器10と1つ以上の第2電子機器20とを有する第1の電子機器群を備えている。
これに対して、点群データ取得システム100は、第1の電子機器群に属さない、1つの第1電子機器10と1つ以上の第2電子機器20を備える第2の電子機器群を階層的に備えることができる。
[Third Embodiment]
In the first embodiment or the second embodiment, the point cloud data acquisition system 100 includes a first electronic device group having one first electronic device 10 and one or more second electronic devices 20.
On the other hand, the point cloud data acquisition system 100 has a hierarchy of a second electronic device group that does not belong to the first electronic device group and includes one first electronic device 10 and one or more second electronic devices 20. Can be prepared.

より具体的には、1つの第1電子機器10と1つ以上の第2電子機器20とを有する電子機器群は、階層構造を構成することができる。
図6を参照すると、第(n+1)層(n≧1)に第1電子機器10を備え、第(n+1)層の第1電子機器10は、第n層の第1電子機器10からみると、第2電子機器20のように作用する。
More specifically, an electronic device group having one first electronic device 10 and one or more second electronic devices 20 can form a hierarchical structure.
Referring to FIG. 6, the first electronic device 10 is provided in the (n + 1) th layer (n ≧ 1), and the first electronic device 10 in the (n + 1) th layer is viewed from the first electronic device 10 in the nth layer. It acts like the second electronic device 20.

すなわち、第(n+1)層(n≧1)の第1電子機器10は、超音波受信部23(C1、C2、C3)と、必要に応じて赤外線受光部24と、を備え、第n層の第1電子機器10の各超音波発信部12のP1〜P4の発信する超音波を受信し、超音波伝播時間測定部26は、超音波伝播時間測定値{Tjk}(1≦j≦4,1≦k≦3)を測定し、第2電子機器位置情報算出部13は、12個の直線距離{Rjk}(1≦j≦4,1≦k≦3)を算出する。   That is, the (n + 1) -th layer (n ≧ 1) first electronic device 10 includes an ultrasonic wave receiver 23 (C1, C2, C3) and, if necessary, an infrared light receiver 24, and the n-th layer. The ultrasonic waves transmitted from P1 to P4 of each ultrasonic wave transmission unit 12 of the first electronic device 10 are received, and the ultrasonic wave propagation time measurement unit 26 measures the ultrasonic wave propagation time measurement value {Tjk} (1 ≦ j ≦ 4). , 1 ≦ k ≦ 3), and the second electronic device position information calculation unit 13 calculates 12 linear distances {Rjk} (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3).

第2電子機器位置情報算出部13は、当該12個の直線距離{Rjk}(1≦j≦4,1≦k≦3)に基づいて、第(n+1)層(n≧1)の第1電子機器10の、第n層の第1電子機器10の第1座標系における位置情報を算出する。   The second electronic device position information calculation unit 13 calculates the first of the (n + 1) th layer (n ≧ 1) based on the 12 straight line distances {Rjk} (1 ≦ j ≦ 4, 1 ≦ k ≦ 3). The position information of the electronic device 10 in the first coordinate system of the first electronic device 10 in the nth layer is calculated.

そして、点群データ座標値変換部41は、第(n+1)層の第1電子機器10の第1座標系における座標値を第n層の第1電子機器10の第1座標系における座標値に変換する座標変換行列を算出することができる。   Then, the point group data coordinate value conversion unit 41 converts the coordinate value in the first coordinate system of the first electronic device 10 in the (n + 1) th layer to the coordinate value in the first coordinate system of the first electronic device 10 in the nth layer. A coordinate transformation matrix to be transformed can be calculated.

なお、第n層の第1電子機器10の各超音波発信部12のP1〜P4の発信する超音波と第(n+1)層の第1電子機器10の各超音波発信部12のP1〜P4の発信する超音波とは、それぞれが異なる周波数の超音波を発信するようにすることができる。また、第n層(n≧2)の第1電子機器10は、第2電子機器20と同様に適宜移動させることができる。   It should be noted that the ultrasonic waves transmitted from P1 to P4 of each ultrasonic wave transmitting unit 12 of the first electronic device 10 in the nth layer and the P1 to P4 of each ultrasonic wave transmitting unit 12 of the first electronic device 10 in the (n + 1) th layer. Each of the ultrasonic waves transmitted by can transmit ultrasonic waves having different frequencies. Further, the first electronic device 10 in the nth layer (n ≧ 2) can be appropriately moved in the same manner as the second electronic device 20.

そうすることで、点群データ座標値変換部41は、例えば、第(n+2)層の第2電子機器20における固有座標系における座標値を第(n+1)層の第1電子機器10の第1座標系における座標値に変換し、第(n+1)層の第1電子機器10の第1座標系における座標値を第n層の第1電子機器10の第1座標系における座標値に変換することができる。
このように反復処理することにより、第(n+1)層以上(n≧1)にある第1電子機器10の第1座標系における座標値及び第2電子機器20の固有座標系における座標値を、第1層にある第1電子機器10の基準座標系(第1座標系)における座標値に変換することができる。
By doing so, for example, the point cloud data coordinate value conversion unit 41 converts the coordinate value in the unique coordinate system of the second electronic device 20 of the (n + 2) th layer to the first electronic device 10 of the (n + 1) th layer. Conversion into coordinate values in the coordinate system, and conversion of coordinate values in the first coordinate system of the first electronic device 10 in the (n + 1) th layer into coordinate values in the first coordinate system of the first electronic device 10 in the nth layer Can do.
By iteratively processing in this way, the coordinate value in the first coordinate system of the first electronic device 10 and the coordinate value in the unique coordinate system of the second electronic device 20 in the (n + 1) th layer or more (n ≧ 1) are obtained. It can convert into the coordinate value in the reference | standard coordinate system (1st coordinate system) of the 1st electronic device 10 in a 1st layer.

このように、点群データ取得システム100を、1つの第1電子機器10と1つ以上の第2電子機器20を備える複数の電子機器群を階層的に構成することにより、3次元計測部22の個数及び計測位置を柔軟に拡張することができる。すなわち、1つの第1電子機器10と1つ以上の第2電子機器20を備える電子機器群の階層を増やすことにより、3次元計測部22による測定可能な領域を広げることができる。   As described above, the point cloud data acquisition system 100 is configured by hierarchically configuring a plurality of electronic device groups including one first electronic device 10 and one or more second electronic devices 20, thereby providing a three-dimensional measurement unit 22. It is possible to flexibly expand the number and the measurement position. That is, by increasing the hierarchy of the electronic device group including one first electronic device 10 and one or more second electronic devices 20, it is possible to expand the area that can be measured by the three-dimensional measuring unit 22.

以上、本発明の点群データ取得システム100の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。   As mentioned above, although preferable embodiment of the point cloud data acquisition system 100 of this invention was described, this invention is not restrict | limited to the above-mentioned embodiment, It can change suitably.

上記実施形態においては、測定された全ての点群データ{Qn(t)}(1≦n≦N)(t:タイムスタンプ)を統一した座標系における座標により表すために、第1電子機器10の第1座標系を統一された座標系として用いたが、本発明はこれに限定されない。
例えば、第1電子機器10の第1座標系とは別のグローバル座標系を適用してもよい。この場合、全ての点群データの各点は、グローバル座標系における座標値により表すことができる。
In the above embodiment, in order to represent all measured point cloud data {Qn (t)} (1 ≦ n ≦ N) (t: time stamp) by coordinates in a unified coordinate system, the first electronic device 10 The first coordinate system is used as a unified coordinate system, but the present invention is not limited to this.
For example, a global coordinate system different from the first coordinate system of the first electronic device 10 may be applied. In this case, each point of all point group data can be represented by a coordinate value in the global coordinate system.

上記実施形態では、深度カメラを三次元計測部22として適用することを前提としたが、本発明はこれに限定されない。レーザースキャナやデジタイザや電子カメラ等であっても、同様に適用できる。   In the above embodiment, it is assumed that the depth camera is applied as the three-dimensional measurement unit 22, but the present invention is not limited to this. The same applies to laser scanners, digitizers, electronic cameras, and the like.

また、第1実施形態においては、第1電子機器10のトリガーによる同期制御により、複数個あるすべての3次元計測部22に対して計測動作を同期させることにより、同時刻に計測対象物を計測させるように構成するものとしているが、各3次元計測部22は、各々別の時刻に計測対象物を計測させるように構成してもよい。   In the first embodiment, the measurement object is measured at the same time by synchronizing the measurement operation with respect to all of the plurality of three-dimensional measurement units 22 by the synchronous control by the trigger of the first electronic device 10. However, each three-dimensional measuring unit 22 may be configured to measure the measurement object at different times.

複数の3次元計測部22は、各々自分のタイミングで対象物を計測して点群データを取り込み、その結果をリアルタイムに、源点群データ記憶部31内の割り当てられた領域に格納することができる。その際、点群データにタイムスタンプは付与されるが、その時刻は3次元計測部22毎に付与される。3次元計測部22によって性能が違うかもしれないし、同じ性能の3次元計測部22で同じ対象物を見ても、見る角度によって取得する点群データの量が異なれば、データ取り込みのタイミングもずれることもあるからである。
しかし、複数の点群データを使ってデータ合成、マッチング処理を行う段階になると、データ同士の時刻合わせが必要になる。具体的には、測定時刻が必ずしも一致しない場合には、例えば当該時刻の近傍の3次元計測部22nの計測位置により、線形補完することができる。また、複数の点群データ間において、時刻の近いもの同士を取り出して合成、マッチング処理することもできる。
このように構成することで、3次元計測部22は、第1電子機器10のトリガーによる同期制御なしに、各々自分のタイミングで計測対象物を計測することができる。
Each of the plurality of three-dimensional measuring units 22 can measure an object at its own timing, capture point cloud data, and store the result in an allocated area in the source point cloud data storage unit 31 in real time. it can. At that time, a time stamp is given to the point cloud data, but the time is given to each three-dimensional measuring unit 22. The performance may vary depending on the three-dimensional measuring unit 22, and even if the same target is viewed by the three-dimensional measuring unit 22 having the same performance, the timing of data acquisition is shifted if the amount of point cloud data to be acquired differs depending on the viewing angle. This is because there are cases.
However, at the stage of performing data synthesis and matching processing using a plurality of point cloud data, it is necessary to set the time of the data. Specifically, when the measurement times do not necessarily match, linear interpolation can be performed, for example, by the measurement position of the three-dimensional measurement unit 22n near the time. In addition, among a plurality of point cloud data, data having similar times can be taken out and combined and matched.
By configuring in this way, the three-dimensional measuring unit 22 can measure the measurement object at its own timing without the synchronous control by the trigger of the first electronic device 10.

また、本システムの自然な拡張として、深度センサ以外の特殊カメラの追加が考えられる。サーモグラフィーのように温度データを取得できるもの、あるいは分光センシングカメラ等、スペクトルグラフを解析して、水分量、糖度、癌細胞と正常細胞の分離、血管の強調等、様々な画像情報を取得できるカメラが存在している。そのような特殊なカメラと第2電子機器20とを組み合わせることによって、点群データに特殊な情報を付加することができる。これは、コンピュータによる外界の認識に必要な「セグメント化(画像の有意味な分離)」を可能にする。   As a natural extension of this system, the addition of special cameras other than depth sensors can be considered. Cameras that can acquire temperature data such as thermography, or that can acquire various image information such as water content, sugar content, separation of cancer cells from normal cells, enhancement of blood vessels, etc. by analyzing spectral graphs, such as spectral sensing cameras Is present. By combining such a special camera and the second electronic device 20, special information can be added to the point cloud data. This enables “segmentation (significant separation of images)” necessary for recognition of the outside world by a computer.

これらにより、例えば、機械と人体の分離、正常細胞と癌細胞の分離等の認識処理が、リアルな3次元画像を用いて行うことができるようになる。これらは、ロボットによる手術を行う場合等に有用な技術である。   Accordingly, for example, recognition processing such as separation of a machine and a human body and separation of normal cells and cancer cells can be performed using a realistic three-dimensional image. These are useful techniques when performing surgery using a robot.

10 第1電子機器
11 第1通信部
12 超音波発信部
13 第2電子機器位置情報算出部
14 赤外線発光部
15 時刻同期部
20 第2電子機器
21 第2通信部
22 3次元計測部
23 超音波受信部
24 赤外線受光部
25 時刻同期部
26 超音波伝播時間測定部
30 3次元データ保存部
31 源点群データ記憶部
32 第2電子機器位置情報記憶部
33 合成点群データ記憶部
40 3次元データ処理部
41 点群データ座標値変換部
42 合成点群データ作成部
421 第1合成点群データ作成部
422 点群データマッチング部
50 3次元データ表示制御部
51 視点操作部
52 データ表示方式選択部
53 データ再生・保存指示部
54 3次元データ表示処理部
100 点群データ取得システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 1st electronic device 11 1st communication part 12 Ultrasonic transmission part 13 2nd electronic device position information calculation part 14 Infrared light emission part 15 Time synchronization part 20 2nd electronic device 21 2nd communication part 22 3D measurement part 23 Ultrasonic wave Reception unit 24 Infrared light receiving unit 25 Time synchronization unit 26 Ultrasonic propagation time measurement unit 30 Three-dimensional data storage unit 31 Source point group data storage unit 32 Second electronic device position information storage unit 33 Composite point group data storage unit 40 Three-dimensional data Processing unit 41 Point cloud data coordinate value conversion unit 42 Composite point cloud data creation unit 421 First composite point cloud data creation unit 422 Point cloud data matching unit 50 3D data display control unit 51 Viewpoint operation unit 52 Data display method selection unit 53 Data reproduction / storage instruction unit 54 3D data display processing unit 100 Point cloud data acquisition system

Claims (10)

1つの第1電子機器と任意の時間に移動可能な複数の第2電子機器とを有する第1の電子機器群を備える、少なくとも時間の経過に伴って形状が変化する物体を含む被写体の表面の各点までの深度情報を画素単位に有する点群データを取得する点群データ取得システムであって、
前記第1電子機器は、
第1座標系を有し、
第1通信部と、
超音波を発信する、複数の超音波発信部と、
を備え、
前記第2電子機器は、
それぞれが固有の第2座標系を有し、
第2通信部と、
超音波を受信する、複数の超音波受信部と、
1秒あたりに予め設定した複数の頻度となるように設定された所定の周期で前記被写体の前記点群データを前記第2座標系に基づいて連続して計測し、計測した時刻を示すタイムスタンプを付した前記点群データを取得する3次元計測部と、
を備え、
前記点群データ取得システムは、さらに
前記第2電子機器のそれぞれについて、前記複数の超音波受信部のそれぞれが、前記複数の超音波発信部のそれぞれから発信された超音波を受信するのに要した超音波伝播時間を測定するとともに、測定された時刻を取得する超音波伝播時間測定部と、
前記超音波伝播時間測定部により測定された前記超音波伝播時間に基づいて、前記第2電子機器のそれぞれについて、前記複数の超音波受信部の前記第1座標系における座標値である第2電子機器位置情報をそれぞれ算出する第2電子機器位置情報算出部と、
前記第2電子機器のそれぞれについて、前記第2電子機器位置情報算出部により算出された前記第2電子機器位置情報と前記測定された時刻とを前記第2電子機器のそれぞれ対応して記憶する第2電子機器位置情報記憶部と、
前記第2電子機器のそれぞれについて、前記3次元計測部により前記所定の周期で連続して計測された前記点群データを前記タイムスタンプごとに前記第2電子機器のそれぞれ対応して記憶する源点群データ記憶部と、
前記第2電子機器位置情報及び前記点群データに基づいて、前記第2電子機器のそれぞれについて、前記所定の周期で連続して計測された前記点群データに含まれる前記点群データにおける各点のデータの前記第2座標系における座標値を、前記タイムスタンプごとに前記第1座標系における座標値に変換する点群データ座標値変換部と、
前記第2電子機器それぞれの備える前記3次元計測部により前記所定の周期で連続して計測された前記複数の点群データを、前記点群データ座標値変換部により変換された前記第1座標系における座標値に基づいて、前記所定の周期ごとに重なる部分の位置合わせを行うことで、1つの合成点群データを作成する合成点群データ作成部と、
を備える、点群データ取得システム。
A first electronic device group including one first electronic device and a plurality of second electronic devices that can move at an arbitrary time, the surface of a subject including an object whose shape changes at least over time A point cloud data acquisition system for acquiring point cloud data having depth information for each point in pixel units,
The first electronic device is
Having a first coordinate system;
A first communication unit;
A plurality of ultrasonic transmitters for transmitting ultrasonic waves;
With
The second electronic device is
Each having a unique second coordinate system;
A second communication unit;
A plurality of ultrasonic receivers for receiving ultrasonic waves;
A time stamp indicating the measured time by continuously measuring the point cloud data of the subject based on the second coordinate system at a predetermined cycle set to have a plurality of frequencies set in advance per second. A three-dimensional measurement unit for acquiring the point cloud data with
With
The point cloud data acquisition system further includes
For each of said second electronic device, with each of the plurality of ultrasonic receiver measures the ultrasonic wave propagation time required to receive the ultrasonic wave transmitted from each of the plurality of ultrasonic wave transmission unit An ultrasonic propagation time measurement unit for obtaining the measured time;
Based on the ultrasonic wave propagation time measured by the ultrasonic wave propagation time measuring unit , for each of the second electronic devices, the second electron that is a coordinate value in the first coordinate system of the plurality of ultrasonic wave receiving units. A second electronic device position information calculating unit for calculating device position information,
For each of the second electronic devices, the second electronic device position information calculated by the second electronic device position information calculation unit and the measured time are stored corresponding to each of the second electronic devices. A second electronic device position information storage unit;
For each of the second electronic devices , a source for storing the point cloud data continuously measured at the predetermined period by the three-dimensional measuring unit corresponding to each of the second electronic devices for each time stamp A point cloud data storage unit;
Based on the second electronic device position information and the point cloud data, each point in the point cloud data included in the point cloud data continuously measured at the predetermined period for each of the second electronic devices. A point cloud data coordinate value conversion unit that converts the coordinate value of the data in the second coordinate system into a coordinate value in the first coordinate system for each time stamp;
The first coordinate system obtained by converting the plurality of point group data continuously measured at the predetermined period by the three-dimensional measurement unit included in each of the second electronic devices by the point group data coordinate value conversion unit. A composite point cloud data creation unit that creates one composite point cloud data by aligning the overlapping portions for each predetermined period based on the coordinate values at
A point cloud data acquisition system.
前記第1電子機器の備える前記複数の超音波発信部は、それぞれ第1座標系の線形独立である任意の位置に設けられ、
前記第2電子機器の備える前記複数の超音波受信部は、それぞれ前記第2座標系の線形独立である任意の位置に設けられる、請求項1に記載の点群データ取得システム。
The plurality of ultrasonic transmitters included in the first electronic device are provided at arbitrary positions that are linearly independent of the first coordinate system, respectively.
2. The point cloud data acquisition system according to claim 1, wherein each of the plurality of ultrasonic reception units included in the second electronic device is provided at an arbitrary position that is linearly independent of the second coordinate system.
前記第2電子機器は、さらに、
前記複数の超音波受信部のそれぞれに対応する複数のタイマーカウンターを備え、
前記点群データ取得システムは、さらに、
前記複数の超音波発信部のそれぞれが超音波を発信すると同時に赤外線を発光する赤外線発光部と、
前記赤外線を受光すると同時に、前記複数のタイマーカウンターをスタートさせる、赤外線受光部と、を備え、
前記複数の超音波受信部のそれぞれは、さらに前記超音波を受信した時点で、前記複数のタイマーカウンターのそれぞれをストップさせ、
前記超音波伝播時間測定部は、前記複数のタイマーカウンターのそれぞれがスタートされてからストップされるまでの時間に基づいて、前記複数の超音波受信部のそれぞれが、前記複数の超音波発信部のそれぞれから発信された超音波を受信するのに要した超音波伝播時間を測定する、請求項1又は請求項2に記載の点群データ取得システム。
The second electronic device further includes:
A plurality of timer counters corresponding to each of the plurality of ultrasonic receiving units;
The point cloud data acquisition system further includes:
An infrared light emitting unit that emits infrared rays at the same time as each of the plurality of ultrasonic transmission units transmits ultrasonic waves;
An infrared receiver that starts the plurality of timer counters simultaneously with receiving the infrared light,
Each of the plurality of ultrasonic receivers further stops each of the plurality of timer counters at the time of receiving the ultrasonic wave,
The ultrasonic wave propagation time measuring unit is configured so that each of the plurality of ultrasonic wave reception units is connected to each of the plurality of ultrasonic wave transmission units based on a time from when each of the plurality of timer counters is started to when it is stopped. The point cloud data acquisition system of Claim 1 or Claim 2 which measures the ultrasonic propagation time required in order to receive the ultrasonic wave transmitted from each.
前記第1電子機器及び前記第2電子機器は、それぞれ、さらに、
内部時刻を基準時刻に同期させる時刻同期部を備え、
前記超音波伝播時間測定部は、前記複数の超音波発信部のそれぞれが超音波を発信した発信時刻情報及び前記複数の超音波受信部のそれぞれが前記超音波を受信した受信時刻情報に基づいて、前記複数の超音波受信部のそれぞれが、前記複数の超音波発信部のそれぞれから発信された超音波を受信するのに要した超音波伝播時間を測定する、請求項1又は請求項2に記載の点群データ取得システム。
Each of the first electronic device and the second electronic device further includes:
A time synchronization unit that synchronizes the internal time with the reference time,
The ultrasonic propagation time measuring unit is based on transmission time information when each of the plurality of ultrasonic transmission units transmits ultrasonic waves and reception time information when each of the plurality of ultrasonic reception units receives the ultrasonic waves. Each of the plurality of ultrasonic reception units measures an ultrasonic propagation time required to receive an ultrasonic wave transmitted from each of the plurality of ultrasonic transmission units. The point cloud data acquisition system described.
前記点群データ取得システムは、さらに、
前記合成点群データ作成部により作成された合成点群データを記憶する合成点群データ記憶部を備える、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の点群データ取得システム。
The point cloud data acquisition system further includes:
The point cloud data acquisition system of any one of Claim 1 thru | or 4 provided with the synthetic | combination point cloud data storage part which memorize | stores the synthetic | combination point cloud data created by the said synthetic | combination point cloud data preparation part.
前記点群データ取得システムは、さらに、The point cloud data acquisition system further includes:
前記合成点群データ記憶部に記憶された、前記所定の周期それぞれに対応する前記合成点群データを入力して、利用者により設定される視点から前記被写体を眺めた動画像を描画する3次元データ表示制御部を備える、請求項5に記載の点群データ取得システム。  Three-dimensional drawing of the moving image in which the subject is viewed from the viewpoint set by the user by inputting the synthesized point group data corresponding to each of the predetermined periods stored in the synthesized point group data storage unit The point cloud data acquisition system according to claim 5, comprising a data display control unit.
前記合成点群データ作成部は、さらに、
前記第1座標系における同一座標値を有する部分を有する異なる複数の点群データからそれぞれ抽出した3次元形状に係る曲面の曲率を用いて、前記複数の点群データをマッチングする点群データマッチング部を備える請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の点群データ取得システム。
The composite point cloud data creation unit further includes:
A point group data matching unit that matches the plurality of point group data using curvatures of curved surfaces according to a three-dimensional shape respectively extracted from a plurality of different point group data having portions having the same coordinate value in the first coordinate system A point cloud data acquisition system according to any one of claims 1 to 6 .
前記点群データ取得システムは、さらに、
前記第1の電子機器群に属さない、1つの第1電子機器と1つ以上の第2電子機器を備える第2の電子機器群を有し、
前記第2の電子機器群に属する第1電子機器は、さらに、
超音波を受信する、複数の超音波受信部を備え、
前記超音波伝播時間測定部は、さらに前記第1の電子機器群に属する前記第1電子機器の前記複数の超音波発信部のそれぞれから発信された超音波を、前記第2の電子機器群に属する前記第1電子機器の備える前記複数の超音波受信部のそれぞれが受信するのに要した超音波伝播時間を測定し、
前記第2電子機器位置情報算出部は、さらに前記超音波伝播時間測定部により測定された前記超音波伝播時間に基づいて、前記第2の電子機器群に属する第1電子機器の複数の超音波受信部の前記第1の電子機器群に属する第1電子機器における第1座標系における座標値である第2電子機器位置情報をそれぞれ算出し、
前記第2電子機器位置情報記憶部は、さらに前記第2の電子機器群に属する前記第1電子機器の前記第2電子機器位置情報を前記第2の電子機器群に属する前記第1電子機器に対応して記憶し、
前記源点群データ記憶部は、さらに前記第2の電子機器群に属する第2電子機器の3次元計測機により計測された点群データを前記第2の電子機器群に属する前記第2電子機器のそれぞれに記憶する、請求項1乃至請求項7に記載のいずれか1項に記載の点群データ取得システム。
The point cloud data acquisition system further includes:
A second electronic device group comprising one first electronic device and one or more second electronic devices not belonging to the first electronic device group;
The first electronic device belonging to the second electronic device group further includes:
A plurality of ultrasonic receivers for receiving ultrasonic waves are provided.
The ultrasonic propagation time measurement unit further transmits ultrasonic waves transmitted from each of the plurality of ultrasonic transmission units of the first electronic device belonging to the first electronic device group to the second electronic device group. Measuring the ultrasonic propagation time required for each of the plurality of ultrasonic receivers included in the first electronic device to belong,
The second electronic device position information calculation unit further includes a plurality of ultrasonic waves of the first electronic device belonging to the second electronic device group based on the ultrasonic propagation time measured by the ultrasonic propagation time measurement unit. Calculating each second electronic device position information which is a coordinate value in the first coordinate system in the first electronic device belonging to the first electronic device group of the receiving unit;
The second electronic device position information storage unit further stores the second electronic device position information of the first electronic device belonging to the second electronic device group in the first electronic device belonging to the second electronic device group. Correspondingly remembered,
The source point group data storage unit further stores the point group data measured by the three-dimensional measuring instrument of the second electronic device belonging to the second electronic device group as the second electronic device belonging to the second electronic device group. The point cloud data acquisition system according to any one of claims 1 to 7, wherein the point cloud data acquisition system is stored in each of the above.
少なくとも時間の経過に伴って形状が変化する物体を含む被写体の表面の各点までの深度情報を画素単位に有する点群データを取得する点群データ取得方法であって、
第1座標系を有する第1電子機器の複数の超音波発信部により複数の超音波を発信する超音波発信ステップと、
第2座標系をそれぞれ有する任意の時間に移動可能な複数の第2電子機器それぞれの備える複数の超音波受信部により、前記第1電子機器により前記超音波発信ステップにおいて発信された前記複数の超音波のそれぞれを受信する超音波受信ステップと、
前記複数の第2電子機器それぞれの3次元計測部により、1秒あたりに予め設定した複数の頻度となるように設定された所定の周期で前記被写体の点群データを前記第2座標系に基づいて計測し、計測した時刻を示すタイムスタンプを付した前記点群データを取得する3次元計測ステップと、
前記超音波発信ステップにおいて発信された前記複数の超音波のそれぞれを、前記超音波受信ステップにおいて、前記複数の第2電子機器それぞれ備える複数の超音波受信部それぞれにより受信するのに要した超音波伝播時間を測定するとともに、測定された時刻を取得する超音波伝播時間測定ステップと、
前記超音波伝播時間測定ステップにおいて測定された前記超音波伝播時間に基づいて、前記第2電子機器のそれぞれについて、前記複数の超音波受信部の前記第1座標系における座標値である第2電子機器位置情報をそれぞれ算出する第2電子機器位置情報算出ステップと
前記第2電子機器位置情報算出ステップにおいて算出された、前記第2電子機器それぞれについて前記第2電子機器位置情報と前記測定された時刻とを前記第2電子機器のそれぞれ対応して記憶する第2電子機器位置情報記憶ステップと、
前記第2電子機器のそれぞれについて、前記3次元計測ステップにおいて前記所定の周期で連続して計測された前記点群データを前記タイムスタンプごとに前記第2電子機器のそれぞれ対応して記憶する源点群データ記憶ステップと、
前記第2電子機器位置情報及び前記点群データに基づいて、前記第2電子機器のそれぞれについて、前記所定の周期で連続して計測された前記点群データに含まれる前記点群データにおける各点のデータの前記第2座標系における座標値を、前記タイムスタンプごとに前記第1座標系における座標値に変換する点群データ座標値変換ステップと、
前記3次元計測ステップにおいて、前記第2電子機器それぞれにおいて前記所定の周期で連続して計測された前記複数の点群データを、前記点群データ座標値変換ステップにおいて変換された前記第1座標系における座標値に基づいて、前記所定の周期ごとに重なる部分の位置合わせを行うことで、1つの合成点群データを作成する合成点群データ作成ステップと、
を備える点群データ取得方法。
A point cloud data acquisition method for acquiring point cloud data having depth information in units of pixels to each point on the surface of a subject including an object whose shape changes at least over time ,
An ultrasonic transmission step of transmitting a plurality of ultrasonic waves by a plurality of ultrasonic transmission units of the first electronic device having the first coordinate system;
A plurality of ultrasonic receiver comprises a plurality of second electronic device movable at any time having a second coordinate system, respectively, said plurality being Oite originating in the ultrasonic wave transmission step by said first electronic device An ultrasonic receiving step for receiving each of the ultrasonic waves;
The point cloud data of the subject is based on the second coordinate system at a predetermined cycle set to have a plurality of preset frequencies per second by a three-dimensional measuring unit of each of the plurality of second electronic devices. A three-dimensional measurement step of acquiring the point cloud data with a time stamp indicating the measured time ,
Each originating on the plurality of ultrasound in the ultrasonic wave transmission step, wherein in the ultrasonic receiving step, required to receive a plurality of second electronic devices each comprise a plurality of respective ultrasonic receiver Ultra An ultrasonic wave propagation time measurement step for measuring the sound wave propagation time and obtaining the measured time;
Based on the ultrasonic wave propagation time measured in the ultrasonic wave propagation time measuring step, the second electron that is a coordinate value in the first coordinate system of the plurality of ultrasonic wave receivers for each of the second electronic devices. the second electronic device position information calculated in the calculation step and the second electronic device position information calculation step, the second electronic device the measured time and the second electronic device location information for each of calculating the device location information, respectively And a second electronic device position information storing step for storing the corresponding to each of the second electronic devices;
For each of said second electronic device, the three-dimensional measurement step Oite each corresponding memory of the predetermined period in the second electronic device the point group data measured continuously for each of the time stamp A source point cloud data storing step,
Based on the second electronic device position information and the point cloud data, each point in the point cloud data included in the point cloud data continuously measured at the predetermined period for each of the second electronic devices. A point cloud data coordinate value conversion step for converting the coordinate value of the data in the second coordinate system into a coordinate value in the first coordinate system for each time stamp;
In the three-dimensional measurement step, the first coordinate system obtained by converting the plurality of point group data continuously measured at the predetermined period in each of the second electronic devices in the point group data coordinate value conversion step. A composite point cloud data creating step for creating one composite point cloud data by aligning the overlapping portions for each predetermined period based on the coordinate values at
A point cloud data acquisition method comprising:
複数の超音波発信部を備えるコンピュータ、及び3次元計測部と複数の超音波受信部とを備えるコンピュータに、請求項9に記載の方法の各ステップを実行させるためのコンピュータプログラム。   A computer program for causing a computer including a plurality of ultrasonic transmission units and a computer including a three-dimensional measurement unit and a plurality of ultrasonic reception units to execute each step of the method according to claim 9.
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