JP7060157B2 - データ圧縮装置、データ圧縮方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明の態様は、測距センサから出力される点群データを圧縮する技術に関する。

自動車やロボットの自律運転において、周囲の三次元空間を正確に計測する技術は必要不可欠であり、用途に応じて種々のセンサデバイスが利用される。とりわけ、全方位をカバーできる広い視野角を持ち、個々の障害物までの距離を正確に計測できるＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging：ライダー）は有効性が高い。ＬｉＤＡＲは、光を用いたリモートセンシング技術の一種であり、パルス状のレーザ光線を放射状に照射し、その反射光が届くまでの時間差から対象物までの距離を推定するものである。ＬｉＤＡＲの原理はレーダーと類似しているが、レーダーの電波より波長の短い光を用いることで、分解能を向上させている。これにより、半径数十メートル以内に存在する対象物との相対距離を数センチメートル程度の誤差で測定できる（例えば非特許文献１を参照）。

現行のＬｉＤＡＲ機器では、一秒間に数十万点から数百万点の測距が可能であるが、今後は測距可能な点数の増加が見込まれる。これに伴い、ＬｉＤＡＲ機器から出力されるデータ容量も、現状の一秒当たり数メガバイトより増加すると考えられる。

Velodyne LiDAR, Inc., "Puck REAL-TIME 3D LiDAR SENSOR,"[online], [平成３１年１月２３日検索], April 2018, インターネット(URL:https://velodynelidar.com/vlp-16.html). Shea Hagstrom, et al., "Estimating sampling completeness of lidar datasets using voxel-based geometry,"Proc. of SPIE Vol. 9080, June 2014.

ＬｉＤＡＲ機器から出力される点群データは、一般的に、レーザ光線の照射方向と反射地点までの距離との組を羅列したバイナリ形式の生データである。しかしながら、この点群データは、そのままでは取扱いが煩雑なため、通常はＬｉＤＡＲ機器を原点とした三次元直交座標に変換した上で利用されることが多い。従来は、変換により得られた三次元座標値をプレーンテキストで羅列したデータ形式が広く利用されているが、バイナリ形式の生データと比較してファイルサイズが大きくなるという問題がある。さらに、三次元座標値をプレーンテキストで羅列したデータ形式は三次元空間を直接的に表現したデータ形式ではないため、隣り合う点同士の位置関係など、点群データの時空間的な連続性をデータ圧縮に利用することが難しい。

これに対して、ＬｉＤＡＲ機器を中心とした三次元メッシュに空間を区切り、全てのメッシュについてメッシュ内の点の有無を集計することで、三次元空間を直接的に表現するデータ形式も提案されている（例えば非特許文献２を参照）。しかしながら、全ての点を内包する広大な領域をカバーするには、膨大な数のメッシュを用意する必要があり、ファイルサイズが著しく肥大化しやすい。領域が確定すれば点の個数によらず、ファイルサイズが一定になる特徴はあるが、メッシュ粒度を細かくすると、粒度の三乗に比例してファイルサイズが爆発的に増大するのが難点である。

一方で、自動車に搭載したＬｉＤＡＲ機器から出力される点群データは、現実世界を忠実に再現した三次元地図を作成するために非常に有用であり、リアルタイムで収集することが望ましい。移動体である自動車から点群データを送信するには携帯電話網を用いる必要があり、送信するデータ容量が通信費に直結するため、可能な限りファイルサイズを削減することが望ましい。また、通信網の負荷低減の観点でも、データ圧縮は重要な技術課題である。

本発明は、上記の事情に着目してなされたものであり、その目的は、測距センサから出力される点群データを効果的に圧縮することができる技術を提供することである。

本発明の一態様では、データ圧縮装置は、測距センサから、複数組の方向及び距離を含む点群データを取得するデータ取得部と、前記複数組の方向及び距離に基づいて、ビットマップ画像を生成する画像生成部と、前記ビットマップ画像に対して所定の画像圧縮技術を適用する画像圧縮部と、を備える。

本発明の一態様によれば、測距センサから出力される点群データを効果的に圧縮することができる技術を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る測距装置を例示するブロック図である。 図２は、図１に示したデータ変換部の処理内容を説明する図である。 図３は、図１に示したデータ整理部の処理内容を説明する図である。 図４は、図１に示したデータ圧縮装置のハードウェア構成を例示するブロック図である。 図５は、図１に示したデータ圧縮装置の動作例を説明するフローチャートである。 図６は、図１に示したデータ圧縮装置及び従来技術による点群データの圧縮結果を示す図である。 図７は、図１に示したデータ圧縮装置による圧縮率パラメータに応じた点群データの圧縮結果を示す図である。 図８は、本発明の一実施形態に係るデータ圧縮装置の動作例を説明するフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

＜一実施形態＞
［構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る測距装置１０を概略的に示している。図１に示すように、測距装置１０は、ＬｉＤＡＲ機器１１及びデータ圧縮装置１２を備える。測距装置１０は、例えば、自動車又はロボットに適用される。測距装置１０が自動車に搭載される場合、ＬｉＤＡＲ機器１１は例えば自動車の屋根に配置され、データ圧縮装置１２はＬｉＤＡＲ機器１１から出力される点群データに圧縮処理を施して自動車のＥＣＵ（Electronic Control Unit）へ出力する。

ＬｉＤＡＲ機器１１は、レーザ光線を用いて周囲の三次元空間をスキャンし、それにより、光線の照射方向と照射方向に存在する物体までの距離との組を複数含む点群データを生成する。各組の照射方向及び距離が、レーザ光線が反射された地点（位置）を示す。点群データは周囲状況を認識することを可能にする。

ＬｉＤＡＲ機器１１は、パルス状のレーザ光線を発する光源及びその反射光を検出する検出器を備える。ＬｉＤＡＲ機器１１は、レーザ光線を二次元的に走査するために二軸周りに回転可能に静止部により支持されるミラーをさらに備える。ミラーは、ＬｉＤＡＲ機器１１が３６０度の視野を有するように回転軸周りに回転するとともに、ＬｉＤＡＲ機器１１が所定角度（例えば３０度）の視野を有するように回転軸に垂直な軸周りに回転する。

ＬｉＤＡＲ機器１１から出力される点群データでは、各点は極座標で表現される。レーザ光線の照射方向は、２つの角度座標、例えば回転角（円周角ともいう）及び仰俯角、で表される。回転角は回転軸周りの角度を示し、仰俯角は回転軸に垂直な平面に対する角度を示す。回転角及び仰俯角はレーザ光線を照射したときのミラーの向きに対応する。距離は、レーザ光線を照射してその反射光が戻るまでの時間差から算出される。

ＬｉＤＡＲ機器１１は、点群データをデータ圧縮装置１２へ出力する。ＬｉＤＡＲ機器１１は、スキャンを連続的に行い、すなわち、複数周にわたって回転軸周りに回転しながらスキャンを行う。

ＬｉＤＡＲ機器１１の構成は上述した例に限定されない。例えば、ＬｉＤＡＲ機器１１は複数の光源を備えてよい。ＬｉＤＡＲ機器１１が多数の光源を備える場合、ＬｉＤＡＲ機器１１は回転型のものでなくてもよい。上述したＬｉＤＡＲ機器１１は、周囲の三次元空間をスキャンすることにより、複数組の方向及び距離を含む点群データを生成する測距センサの非限定的な例である。

データ圧縮装置１２は、データ取得部１２１、データ変換部１２２、画像生成部１２３、及び画像圧縮部１２４を備える。データ圧縮装置１２は、ハードウェアプロセッサを備えるコンピュータシステムにより実現される。このコンピュータシステムは、ＬｉＤＡＲ機器１１を制御するコントローラであり得る。

データ取得部１２１は、ＬｉＤＡＲ機器１１から点群データを取得する。ＬｉＤＡＲ機器１１から出力される点群データは、レーザ光線の照射方向と距離との複数の組を含むバイナリ形式の生データである。データ圧縮装置１２は、一周分の点群データ、すなわち、ＬｉＤＡＲ１１が回転軸周りに一回転する間にＬｉＤＡＲ機器１１により得られる点群データを単位として処理を行う。データ圧縮装置１２は、一周分の点群データを処理し、次の一周分の点群データを処理し、さらに次の一周分の点群データを処理するなどといったように、一周分の点群データを処理する動作を繰り返す。以下の説明において、点群データとの記載は、基本的に、一周分の点群データを指すものとする。

データ変換部１２２は、点群データに含まれる複数組の照射方向及び距離を複数の色信号にそれぞれ変換する。本実施形態では、データ変換部１２２は、各組の照射方向及び距離を三次元座標値に変換し、これを同じく三つの数値で色を表現するＲＧＢ値（光の三原色である赤、緑、青の強度）とみなすことにより、複数組の照射方向及び距離を複数の色信号に変換する。ここで、三次元座標値は各々、三次元直交座標系の３つの座標値、例えば、ｘ座標値、ｙ座標値、及びｚ座標値を有する。すなわち、データ変換部１２２は、極座標から三次元直交座標への変換を行う。データ変換部１２２は、全ての座標値が０以上の値となるように、三次元直交座標系の原点を決定する。これは、後段の画像生成部１２３で負の数を扱えないという事情があるためである。ここでの処理内容は、図２に示すように、点群データに対応する全ての点を内包するような直方体を用意し、直方体のいずれかの頂点を原点として、その頂点から伸びる三辺の方向をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸とすることに相当する。

図１を再び参照すると、画像生成部１２３は、点群データに含まれる複数組の照射方向及び距離に基づいてビットマップ画像を生成する。本実施形態では、画像生成部１２３は、点群データに含まれる照射方向に従って、データ変換部１２２で得られた複数の色信号を二次元のデータ構造にマッピングすることにより、ビットマップ画像を生成する。具体的には、画像生成部１２３は、データ整理部１２３１及び画像変換部１２３２を備える。

本実施形態では、ＬｉＤＡＲ機器１１がレーザ光線を二次元的に走査して測距を行うことに着目する。データ整理部１２３１は、照射方向に従って、具体的には仰俯角の大きさ及び回転角の大きさに従って、複数の三次元座標値を二次元データ構造にマッピングすなわち整理する。

ＬｉＤＡＲ機器１１は、所定角度刻みで仰俯角を変更しながら距離計測を行う操作を行い、所定角度だけ回転角を変更した上で同じ操作を行う。ＬｉＤＡＲ機器１１は、この動作を繰り返すことで点群データを生成する。具体的には、図３に示すように、ＬｉＤＡＲ機器１１は、上記操作を行うことにより点Ｐ_１～Ｐ_４に関するデータを順に取得する。続いて、ＬｉＤＡＲ機器１１は、所定角度だけ回転角を変更して上記操作を行うことにより、点Ｐ_５～Ｐ_８（図３において点Ｐ_６～Ｐ_８は図示されない）に関するデータを順に取得する。さらに、ＬｉＤＡＲ機器１１は、所定角度だけ回転角を変更して上記操作を行うことにより、点Ｐ_９～Ｐ_１２（図３において点Ｐ_１０～Ｐ_１２は図示されない）に関するデータを順に取得する。図３において、点Ｐ_ｉの横に記載される（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）は、データ変換部１２２により得られた点Ｐ_ｉに対応する三次元座標値を示す。また、方向Ａが仰俯角方向を示し、方向Ｂが回転角方向を示す。

ここでは、説明のために、仰俯角方向に関して４回距離計測を行い、回転角方向に関する所定角度を１５度とし、二次元データ構造をａ_ｉ，ｊ（ｉ＝０，１，・・・，２３、ｊ＝０，１，・・・，３）と表すこととする。仰俯角方向に並ぶ点Ｐ_１～Ｐ_４はそれぞれａ_０，０、ａ_０，１、ａ_０，２、ａ_０，３にマッピングされる。回転角方向に並ぶ点Ｐ_１、Ｐ_５、Ｐ_９、Ｐ_１３、Ｐ_１７はそれぞれａ_０，０、ａ_１，０、ａ_２，０、ａ_３，０、ａ_{４ ，０}にマッピングされる。このようにして、一周分の点群データがパノラマ写真状に二次元データ構造にマッピングされる。これにより、隣り合う点（要素）同士の空間的な位置関係が近くなり、全体として色信号が連続的に変化するようになる。このため、点群データの持つ空間的な連続性をデータ圧縮に利用することが可能となる。

図１を再び参照すると、画像変換部１２３２は、データ整理部１２３１の処理結果に従って、データ変換部１２２から出力された各点に対応する色信号をビットマップ形式の画像ファイルに埋め込む。図３に関して説明した例を引き続き参照すると、二次元データ構造に対応する２４画素×４画素のビットマップ画像が用意される。ビットマップ画像内の左上の画素を原点とすると、点Ｐ_１に対応する色信号が座標（０，０）の画素に書き込まれる。言い換えると、点Ｐ_１に対応する座標値ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１が座標（０，０）の画素のＲ値、Ｇ値、Ｂ値として扱われる。同様にして、点Ｐ_２に対応する色信号が座標（０，１）の画素に書き込まれ、点Ｐ_５に対応する色信号が座標（１，０）の画素に書き込まれる。このようにして、点群データがビットマップ形式の画像ファイルに埋め込まれる。バイナリ形式の生データである点群データをビットマップ画像のデータに変換することにより、ＪＰＥＧやＰＮＧなどの既存の画像圧縮技術を適用することが可能になる。

画像圧縮部１２４は、ビットマップ画像に対して所定の画像圧縮技術を適用する。所定の画像圧縮技術として、ＪＰＥＧやＰＮＧなどの既存の画像圧縮技術を使用することができる。例えばＪＰＥＧを使用する場合、画像圧縮部１２４はＪＰＥＧ形式のファイルを点群データとして出力する。データ圧縮装置１２から出力される点群データでは、各点は三次元直交座標で表現される。

図４は、データ圧縮装置１２のハードウェア構成の一例を概略的に示している。図４に示すように、データ圧縮装置１２は、ハードウェアとして、ＣＰＵ（Central Processing
Unit）４１、プログラムメモリ４２、ＲＡＭ（Random Access Memory）４３、及び入出力インタフェース４４を備え、これらはバス４５に接続される。ＣＰＵ４１は、バス４５を通じてプログラムメモリ４２、ＲＡＭ４３、及び入出力インタフェース４４と通信する。

ＣＰＵ４１は、汎用プロセッサの一例である。プログラムメモリ４２は、データ圧縮プログラムなどのプログラムを記憶する。プログラムメモリ４２としては、例えば、ＲＯＭ（Read-Only Memory）又はフラッシュメモリを使用することができる。ＲＡＭ４３はワーキングメモリとしてＣＰＵ４１に使用される。ＲＡＭ４３としては、例えば、ＳＲＡＭ（Static RAM）又はＤＲＡＭ（Dynamic RAM）を使用することができる。

データ圧縮装置１２の機能、例えば、データ取得部１２１、データ変換部１２２、画像生成部１２３、及び画像圧縮部１２４は、ＣＰＵ４１がデータ圧縮プログラムをＲＡＭ４３に展開して実行することにより実現される。すなわち、ＣＰＵ４１は、データ圧縮プログラムに従って、データ取得部１２１、データ変換部１２２、画像生成部１２３、及び画像圧縮部１２４として機能する。

なお、データ圧縮装置１２の機能の一部又は全部は、ＡＳＩＣ（Application Specific
Integrated Circuit）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの専用プロセッサにより実現されてもよい。ハードウェアプロセッサは、汎用プロセッサ、専用プロセッサ、又は汎用プロセッサと専用プロセッサの組み合わせを含む。ハードウェアプロセッサは、データ取得部１２１、データ変換部１２２、画像生成部１２３、及び画像圧縮部１２４による処理を行うように構成される。

入出力インタフェース４４は、外部機器と通信するためのインタフェースである。ＣＰＵ４１は、入出力インタフェース４４を介してＬｉＤＡＲ１１から点群データを受け取る。ＣＰＵ４１は、入出力インタフェース４４を介して出力先（例えば自動車のＥＣＵ）に、圧縮処理を施した点群データを送る。

［動作］
次に、データ圧縮装置１２の動作例を説明する。

図５は、データ圧縮装置１２の処理手順の一例を概略的に示している。図５のステップＳ５０１では、データ取得部１２１は、ＬｉＤＡＲ１１から、複数組の照射方向及び距離を含む点群データを取得する。ここでは、点群データは、一周分の点群データである。

ステップＳ５０２では、データ変換部１２２は、データ取得部１２１により取得された点群データに含まれる複数組の照射方向及び距離を複数の色信号にそれぞれ変換する。例えば、データ変換部１２２は、複数組の照射方向及び距離を複数の三次元座標値に変換し、得られた複数の三次元座標値を複数の色信号として使用する。ここで、複数組の方向及び距離を複数の三次元座標値に変換する中間処理を行う場合、三次元座標値は各々、三次元直交座標系の座標値のセットである。全ての座標値はゼロ以上の値であり得る。

ステップＳ５０３では、画像生成部１２３は、データ取得部１２１により取得された点群データに含まれる照射方向に従って、複数の色信号を二次元データ構造にマッピングすることにより、ビットマップ画像を生成する。例えば、照射方向は回転角及び仰俯角で表され、画像生成部１２３は、回転角の大きさ及び仰俯角の大きさに従って複数の色信号を二次元データ構造にマッピングし、ビットマップ画像を生成する。

ステップＳ５０４では、画像圧縮部１２４は、ビットマップ画像に対して所定の画像圧縮技術を適用する。画像圧縮技術として、例えば、ＪＰＥＧを使用することができる。

次の点群データがある場合（ステップＳ５０５；Ｙｅｓ）、その点群データに対してステップＳ５０１からＳ５０４の処理が実行される。次の点群データがない場合（ステップＳ５０６；Ｎｏ）、処理が終了となる。

［効果］
本実施形態に係るデータ圧縮装置１２は、照射方向と距離との組を色信号に変換し、照射方向に従って複数の色信号を二次元のデータ構造にマッピングすることにより、ビットマップ画像を生成し、ビットマップ画像に対して画像圧縮技術を適用する。これにより、ビットマップ画像には点群データに暗に含まれる三次元空間の構造的な特徴が反映され、点群データのもつ空間的な連続性をデータ圧縮に利用することが可能になる。このため、ＪＰＥＧなどの静止画像用の画像圧縮技術を適用することで、各点が三次元直交座標で表現される点群データのファイルサイズを効果的に削減することができる。

データ変換部１２２において、照射方向と距離との組を三次元座標値に変換する中間処理を行う場合は、全ての座標値がゼロ以上の値となるように三次元直交座標へ変換される。これにより、変換により得られた三次元座標値をそのまま色信号として扱うことが可能となり、ビットマップ画像を生成する処理が容易になる。さらに、一周分の点群データを単位として点群データを圧縮処理することにより、回転型であるＬｉＤＡＲ機器１１から出力される点群データを効果的に圧縮することができる。

図６及び図７を参照して本実施形態に係る技術の利点について説明する。

図６は、Ｖｅｌｏｄｙｎｅ社のＬｉＤＡＲ機器であるＶＬＰ－１６を用いて６００ｒｐｍの設定で取得された一周（０．１秒）分の点群データを、各種のデータ形式に格納したときのファイルサイズ及び座標値の平均誤差を示す。なお、ＶＬＰ－１６の測距上限は１３１．７ｍであり、ＶＬＰ－１６は、円周角方向に約０．２度刻みで３６０度分、仰俯角方向に２度刻みで３０度分の画角について点群データを得ることができる。従って、点群データは２８，８００個の点についてのデータを含み、これらの点は、ｘ軸方向が１３８ｍ、ｙ軸方向が２３４ｍ、ｚ軸（鉛直）方向が２７ｍの直方体に収まる。ここで、座標値の平均誤差とは、各種のデータ形式で表現された各点のｘ、ｙ、ｚ座標値と生データに記載された真のｘ、ｙ、ｚ座標値との間のユークリッド距離の平均値である。

従来技術（１）は、点群がレーザ光線の照射方向と距離との組で表される点群データをＺＩＰ形式で圧縮するものである。従来技術（１）では、三次元座標値は劣化しないが、ファイルサイズの削減率は３２％に留まる。従来技術（２）は、極座標から三次元直交座標への変換を行い、変換により得られた三次元座標値をプレーンテキストで羅列した点群データを生成するものである。従来技術（２）＋（１）は、従来技術（２）により生成された点群データをＺＩＰ形式で圧縮するものである。従来技術（２）及び（２）＋１では、三次元座標値は劣化しないが、ファイルサイズが増大する。

従来技術（１）又は従来技術（２）＋（１）のように、バイナリデータにＺＩＰやＬＺＨといった汎用のデータ圧縮処理を施す場合、点群データに暗に含まれる三次元空間の構造的な特徴を利用することができず、バイナリレベルでの冗長性しか利用できない。バイナリデータは一次元のデータ構造を有し、より高次元のデータ構造と比較すると、圧縮処理において利用可能な情報量が少ない。汎用のデータ圧縮技術は、データ形式や内容を問わず汎用的に利用できる反面、特定のデータ形式に特化したデータ圧縮技術と比較すると、達成可能な圧縮効率の面で劣る。

従来技術（３）は、ＬｉＤＡＲ機器を中心とした三次元メッシュに空間を区切り、全てのメッシュについてメッシュ内の点の有無を集計するものである。従来技術（３）では、メッシュの粒度に応じてファイルサイズが変化する。屋外での自動車の自動運転用途で実用的な１０ｃｍ以下の粒度設定では、生データよりもファイルサイズが大幅に増大する。従来技術（３）及び従来技術（１）を併用することも理論上は可能であるが、数百ＭＢから数百ＧＢという巨大なファイルを、自動車やロボットなどに搭載された小型計算機で扱うことは現実的でない。

一方、本実施形態に係る技術では、ＬｉＤＡＲ機器１１からの点群データを二次元データ構造に整理することで、二次元平面において隣り合うデータ間の数値の連続性を圧縮に利用可能となる。これにより、ＪＰＥＧなどの既存の画像圧縮技術を利用して高い圧縮効率を実現できる。この結果、圧縮率と表現精度を両立させることが可能である。具体的には、ファイルサイズを５２％削減しつつ、平均誤差を４．７ｃｍに抑えることができる。また、後述するように、圧縮率を優先した場合には、ファイルサイズの削減率は最大８７％に達する。

従来技術（１）又は従来技術（２）＋（１）では、バイナリデータを取り扱うため、非可逆圧縮方式を採用できない。バイナリレベルでデータを取り扱う可逆圧縮方式では、データの圧縮に伴う内容の劣化を生じない反面、用途により要求レベルが異なる測定精度に応じて圧縮率を調整することが原理的に不可能である。

一方、本実施形態に係る技術では、ＪＰＥＧなどの非可逆圧縮方式に基づく画像圧縮技術を適用することが可能である。非可逆圧縮方式に基づく画像圧縮技術では、圧縮率のパラメータを指定できるため、座標データの表現精度を犠牲にしてファイルサイズを抑えることも可能である。

図７は、前述のＶＬＰ－１６からの点群データを本実施形態に係る技術で圧縮する際に、ＪＰＥＧの品質パラメータを変化させたときのファイルサイズ及び座標値の平均誤差を示す。なお、ＪＰＥＧの品質パラメータは１から１００までの整数値で指定できる。品質パラメータに最大値の１００を指定した場合には、平均誤差を０．５ｃｍと非常に小さく抑えることができる。また、品質パラメータに最小値の１を指定した場合には、ファイルサイズを８７％削減することができる。このように、用途に応じて表現精度をファイルサイズのバランスを調整できることは、従来の汎用的な圧縮技術にはない特色である。

＜他の実施形態＞
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。

一実施形態では、データ変換部１２２は、点群データに含まれる距離をグレースケールの輝度値（色の明るさ）に変換してよい。例えば、データ変換部１２２は、距離に適当な定数を乗算することで得られた値を輝度値として使用する。距離は負の値を取ることがないため、後段の画像生成部１２３で負の数を扱えない問題に支障をきたさない。この場合、画像生成部１２３は、点群データに含まれる照射方向に従って、データ変換部１２２により得られた輝度値を二次元のデータ構造にマッピングすることにより、ビットマップ画像を生成する。この実施形態では、照射方向は画素の位置で管理される。図３の例を再び参照すると、画素（ｉ，ｊ）での回転角及び仰俯角をそれぞれθ_１及びθ_２とすると、θ_１＝１５×ｉ、θ_２＝７．５－５×ｊと表すことができる（ｉ＝０，１，・・・，２３、ｊ＝０，１，・・・，３）。データ圧縮装置１２から出力される点群データでは、各点は極座標（具体的には方向と距離の組）で表現される。

図８を参照して、この実施形態に係るデータ圧縮装置の動作例を説明する。図８のステップＳ８０１、Ｓ８０４、Ｓ８０５の処理は、図５に示したステップＳ５０１、Ｓ５０４、Ｓ５０５の処理と同じであるため、これらの処理についての説明を省略する。

図８のステップＳ８０２では、データ変換部１２２は、データ取得部１２１により取得された点群データに含まれる複数の距離を複数の輝度値にそれぞれ変換する。例えば、データ変換部１２２は、各距離に定数を乗算することにより、複数の距離を複数の輝度値に変換する。

ステップＳ８０３では、画像生成部１２３は、データ取得部１２１により取得された点群データに含まれる照射方向に従って、複数の輝度値を二次元データ構造にマッピングすることにより、ビットマップ画像を生成する。例えば、照射方向は回転角及び仰俯角で表され、画像生成部１２３は、回転角の大きさ及び仰俯角の大きさに従って複数の輝度値を二次元データ構造にマッピングし、ビットマップ画像を生成する。

上記の構成によれば、点群データの空間的な連続性を輝度値に反映させることが可能となる。その結果、ビットマップ画像全体の輝度の変化が滑らかとなり、画像圧縮技術により生じる色の劣化を効果的に抑制することができる。既存の画像圧縮技術は色味より輝度を忠実に再現しようとするため、距離の誤差を抑えやすいという利点がある。

通常のビットマップ画像では、ＲＧＢの各要素に８ビットずつしか割り当てられず、２^８＝２５６階調の数値しか表現できない。例えば、色信号を８ビットずつに分割して個別のビットマップ画像に埋め込むことで、色信号が１６ビット精度（２^１６＝６５５３６階調）又は２４ビット精度（２^２４＝１６７７７２１６階調）で表現される場合にも上述した実施形態に係る技術を適用することができる。例えば、色信号（三次元座標値）が１６ビットで表される場合、画像生成部１２３は、色信号の上位８ビットに基づいて、第１のビットマップ画像を生成し、色信号の下位８ビットに基づいて、第２のビットマップ画像を生成する。また、輝度値が１６ビットで表される場合、画像生成部１２３は、輝度値の上位８ビットに基づいて、第１のビットマップ画像を生成し、輝度値の下位８ビットに基づいて、第２のビットマップ画像を生成する。

画像圧縮部１２４は、第１のビットマップ画像及び第２のビットマップ画像に対して異なる画像圧縮技術を適用してよい。例えば、画像圧縮部１２４は、色の変化が少なくノイズに弱い第１のビットマップ画像に対して、単調な画像を得意とするＰＮＧ形式で可逆圧縮を行い、色の変化が多くノイズに強い第２のビットマップ画像に対して、複雑な画像を得意とし圧縮率を調整可能なＪＰＥＧ形式で非可逆圧縮を行う。これにより、座標データの表現精度を保ちつつファイルサイズを効果的に削減することができる。なお、画像圧縮部１２４は、第１のビットマップ画像及び第２のビットマップ画像に対して同じ画像圧縮技術を適用してもよい。

さらに、点群の時系列データに対しては、ＬｉＤＡＲ機器１１が一周ごとに全く同じ方向を観測することに着目し、一周分の点群データから生成したビットマップ画像を１フレームと見なして、動画ファイルの形式に点群データを収めてよい。具体的には、画像生成部１２３は、複数周分の点群データにそれぞれ対応する複数のビットマップ画像を生成し、複数のビットマップ画像をフレームとした動画像を生成してよい。この場合、画像圧縮部１２４は、画像生成部１２３により生成された動画像に対して動画像用の画像圧縮技術を適用する。動画像用の画像圧縮技術としては、例えば、ＭＰＥＧなど、フレーム間予測を用いた画像圧縮技術を使用することができる。

このようにして生成された動画像では、同じ方向を観測したデータが各フレームの同じ位置に現れる。このため、点群データの持つ時間的な連続性をデータ圧縮に利用することが可能となる。従って、ＭＰＥＧなどのフレーム間予測を用いた画像圧縮技術を適用することにより、点群データの時間的な連続性を生かした高効率なデータ圧縮を実現することが可能になる。

データ圧縮プログラムなどのプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態でデータ圧縮装置１２に提供されてよい。この場合、例えば、データ圧縮装置１２は、記憶媒体からデータを読み出すドライブを備え、記憶媒体からプログラムを取得する。記憶媒体の例は、磁気ディスク、光ディスク（ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－Ｒなど）、光磁気ディスク（ＭＯなど）、半導体メモリを含む。また、プログラムを通信ネットワーク上のサーバに格納し、データ圧縮装置１２がサーバからプログラムをダウンロードするようにしてもよい。

本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下のようにも記載され得るが、以下に限られるものではない。

本発明の第１の態様では、データ圧縮装置は、測距センサから、複数組の方向及び距離を含む点群データを取得するデータ取得部と、前記複数組の方向及び距離に基づいて、ビットマップ画像を生成する画像生成部と、前記ビットマップ画像に対して所定の画像圧縮技術を適用する画像圧縮部と、を備える。

本発明の第１の態様によれば、点群データの空間的な連続性をデータ圧縮に利用することが可能となる。その結果、点群データのファイルサイズを効果的に削減することができる。

本発明の第２の態様では、前記データ圧縮装置は、前記複数組の方向及び距離を複数の色信号に変換するデータ変換部をさらに備え、前記画像生成部は、前記方向に従って前記複数の色信号を二次元のデータ構造にマッピングすることにより、前記ビットマップ画像を生成する。

本発明の第２の態様によれば、点群データの空間的な連続性を色信号に反映させることが可能となる。その結果、ビットマップ画像全体の色の変化が滑らかとなり、画像圧縮技術でファイルサイズを効果的に削減することができる。

本発明の第３の態様では、前記データ変換部は、各組の方向及び距離を三次元座標値に変換し、前記三次元座標値を三つの数値で色を表現するＲＧＢ値とみなすことにより、前記複数組の方向及び距離を前記複数の色信号に変換する。

本発明の第３の態様によれば、各点の位置が三次元直交座標で表現される。その結果、その後の処理において点群データを容易に取り扱えるようになる。

本発明の第４の態様では、前記三次元座標値は、ゼロ以上の値である３つの座標値を有する。

本発明の第４の態様によれば、三次元座標値をそのまま色信号とみなすことが可能となり、ビットマップ画像を生成する処理が容易になる。

本発明の第５の態様では、前記データ圧縮装置は、前記距離をグレースケールの輝度値に変換するデータ変換部をさらに備え、前記データ変換部は、前記方向に従って前記輝度値を二次元のデータ構造にマッピングすることにより、前記ビットマップ画像を生成する。

本発明の第５の態様によれば、点群データの空間的な連続性を輝度値に反映させることが可能となる。その結果、ビットマップ画像全体の輝度の変化が滑らかとなり、画像圧縮技術により生じるデータの劣化を効果的に抑制することができる。

本発明の第６の態様では、前記測距センサは、回転型測距センサであり、前記点群データは、前記測距センサが一回転する間に前記測距センサにより得られる点群データである。

本発明の第６の態様によれば、回転型測距センサから出力される点群データのファイルサイズを効果的に削減することが可能となる。

本発明の第７の態様では、前記所定の画像圧縮技術は非可逆圧縮に基づく画像処理技術を含む。

本発明の第７の態様によれば、ファイルサイズをより効果的に削減すること及び／又は圧縮率を調整することが可能となる。

本発明の第８の態様では、前記画像生成部は、前記複数の色信号の上位ビットに基づいて、第１のビットマップ画像を生成し、前記複数の色信号の下位ビットに基づいて、第２のビットマップ画像を生成し、前記所定の画像圧縮技術は、第１の画像圧縮技術及び前記第１の画像圧縮技術とは異なる第２の画像圧縮技術を含み、前記画像圧縮部は、前記第１のビットマップ画像に対して前記第１の画像圧縮技術を適用し、前記第２のビットマップ画像に対して前記第２の画像圧縮技術を適用する。

本発明の第８の態様によれば、座標の表現精度を保ちつつ、ファイルサイズを効果的に削減することが可能となる。

本発明の第９の態様では、前記データ取得部は、複数の前記点群データを取得し、前記画像生成部は、複数の前記点群データに対応する複数の前記ビットマップ画像を生成し、複数の前記ビットマップ画像をフレームとした動画像を生成し、前記画像圧縮部は、前記動画像に対してフレーム間予測を用いた画像圧縮技術を適用する。

本発明の第９の態様によれば、点群データの時間的な連続性をデータ圧縮に利用することが可能となる。その結果、ファイルサイズを効果的に削減することができる。

本発明の第１０の態様では、データ圧縮方法は、コンピュータが実行するものであって、測距センサから、複数組の方向及び距離を含む点群データを取得する工程と、前記複数組の方向及び距離に基づいて、ビットマップ画像を生成する工程と、前記ビットマップ画像に対して所定の画像圧縮技術を適用する工程と、を備える。

本発明の第１０の態様によれば、第１の態様に係るデータ圧縮装置と同様の効果が得られる。

本発明の第１１の態様では、プログラムは、第１から第９の態様のいずれかに係るデータ圧縮装置が備える各部としてコンピュータを機能させるためのものである。

本発明の第１１の態様によれば、第１乃至９の態様のいずれかの態様に係るデータ圧縮装置と同様の効果が得られる。

１０…測距装置
１１…ＬｉＤＡＲ機器
１２…データ圧縮装置
１２１…データ取得部
１２２…データ変換部
１２３…画像生成部
１２３１…データ整理部
１２３２…画像変換部
１２４…画像圧縮部
４１…ＣＰＵ
４２…プログラムメモリ
４３…ＲＡＭ
４４…入出力インタフェース
４５…バス

Claims (9)

1. 測距センサから、複数組の方向及び距離を含む点群データを取得するデータ取得部と、
   各組の方向及び距離を三次元座標値に変換し、前記三次元座標値を三つの数値で色を表現するＲＧＢ値とみなすことにより、前記複数組の方向及び距離を複数の色信号に変換するデータ変換部と、
   前記複数の色信号を含むビットマップ画像を生成する画像生成部と、
   前記ビットマップ画像に対して所定の画像圧縮技術を適用する画像圧縮部と、
   を備えるデータ圧縮装置。
2. 前記画像生成部は、前記方向に従って前記複数の色信号を二次元のデータ構造にマッピングすることにより、前記ビットマップ画像を生成する、請求項１に記載のデータ圧縮装置。
3. 前記三次元座標値は、ゼロ以上の値である３つの座標値を有する、請求項２に記載のデータ圧縮装置。
4. 前記測距センサは、回転型測距センサであり、
   前記点群データは、前記測距センサが一回転する間に前記測距センサにより得られる点群データである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のデータ圧縮装置。
5. 前記所定の画像圧縮技術は非可逆圧縮に基づく画像圧縮技術を含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のデータ圧縮装置。
6. 前記画像生成部は、前記複数の色信号の上位ビットに基づいて、第１のビットマップ画像を生成し、前記複数の色信号の下位ビットに基づいて、第２のビットマップ画像を生成し、
   前記所定の画像圧縮技術は、第１の画像圧縮技術及び前記第１の画像圧縮技術とは異なる第２の画像圧縮技術を含み、
   前記画像圧縮部は、前記第１のビットマップ画像に対して前記第１の画像圧縮技術を適用し、前記第２のビットマップ画像に対して前記第２の画像圧縮技術を適用する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のデータ圧縮装置。
7. 前記データ取得部は、複数の前記点群データを取得し、
   前記画像生成部は、複数の前記点群データに対応する複数の前記ビットマップ画像を生成し、複数の前記ビットマップ画像をフレームとした動画像を生成し、
   前記画像圧縮部は、前記動画像に対してフレーム間予測を用いた画像圧縮技術を適用する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のデータ圧縮装置。
8. コンピュータが実行するデータ圧縮方法であって、
   測距センサから、複数組の方向及び距離を含む点群データを取得する工程と、
   各組の方向及び距離を三次元座標値に変換し、前記三次元座標値を三つの数値で色を表現するＲＧＢ値とみなすことにより、前記複数組の方向及び距離を複数の色信号に変換する工程と、
   前記複数の色信号を含むビットマップ画像を生成する工程と、
   前記ビットマップ画像に対して所定の画像圧縮技術を適用する工程と、
   を備えるデータ圧縮方法。
9. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のデータ圧縮装置が備える各部としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

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