JP7093680B2 - 構造物差分抽出装置、構造物差分抽出方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、構造物差分抽出装置、構造物差分抽出方法およびプログラムに関する。

近年ＢＩＭ（Building Information Modeling）のように、建物のライフサイクルにおいて、コンピュータ上で３次元的に建物を把握する技術が知られている。また、仕上げ、管理情報等の属性データを追加してデータベース化し、設計、施工、維持管理までの様々な工程に情報を活用しようというトレンドがある。このような三次元計測には、レーザースキャナやステレオカメラ等によって取得できる点群データが用いられる。施工中の構造物の変化や、完成後の維持管理に活用するためには、異なる時刻の構造物に対して取得した点群同士を比較し、差分を抽出することが求められる場合が多い。しかし、構造物の隅々まで取得した点群データは非常に膨大なデータ量となり、取り扱いが困難となる場合がある。

その対策として、下記特許文献１の請求項１には、「構造物を点群により表現した第１の構造物点群モデルを、前記構造物をボクセルにより表現する第１の構造物ボクセルモデルに変換する第１変換手段と、前記第１の構造物点群モデルとは異なる時点の前記構造物を点群により表現した第２の構造物点群モデルを、前記構造物をボクセルにより表現する第２の構造物ボクセルモデルに変換する第２変換手段と、前記第１の構造物ボクセルモデルと前記第２の構造物ボクセルモデルとの差分をとることによって、前記第２の構造物ボクセルモデルにあり且つ前記第１の構造物ボクセルモデルにないボクセル、あるいは、前記第２の構造物ボクセルモデルになく且つ前記第１の構造物ボクセルモデルにあるボクセル、あるいは、前記第２の構造物ボクセルモデルにあり且つ前記第１の構造物ボクセルモデルにあるボクセル、あるいは、前記第２の構造物ボクセルモデルになく且つ前記第１の構造物ボクセルモデルにないボクセルをそれぞれ分類抽出する分類抽出手段と、を備えることを特徴とする構造物状況把握支援装置」と記載されている。

特許第６０７３４２９号公報

しかし、特許文献１の技術では、第１および第２の構造物点群モデルの相違部分以外の点群が全て取得されていない場合、例えば、一方の点群に対して他方の点群の取得範囲が少ない場合、構造物そのものに変化が無かったとしても、「構造物に変化が生じた」と判定される。従って、特許文献１の技術では、第１および第２の構造物点群モデルを取得する際、構造物の全体をスキャンしなければならず、作業が煩雑であった。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、構造物の差分を効率的に抽出できる構造物差分抽出装置、構造物差分抽出方法およびプログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の構造物差分抽出装置は、一または複数の第１の計測位置から第１の構造物をスキャンして得られた第１の点群と、一または複数の第２の計測位置から第２の構造物をスキャンして得られた第２の点群と、に基づいて、前記第１の点群のうち、前記第２の点群の影になる範囲の点群である第１の点群シャドウ部を判定し、前記第２の点群のうち、前記第２の計測位置の何れから見ても前記第１の点群の影になる範囲の点群である第２の点群シャドウ部を判定する点群シャドウ部判定部と、前記第１の点群から前記第１の点群シャドウ部を削除した結果である第１の削除済点群と、前記第２の点群から前記第２の点群シャドウ部を削除した結果である第２の削除済点群と、を比較することにより、前記第１の構造物と前記第２の構造物との差分を抽出する点群比較部と、を備え、前記第１の計測位置または前記第２の計測位置は複数設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、構造物の差分を効率的に抽出できる。

本発明の第１実施形態による構造物差分抽出装置のブロック図である。 固定型スキャナの構成の一例を示す模式図である。 移動型スキャナの運用方法の一例を示す模式図である。 構造物の一例を示す平面図である。 図４の構造物に対して取得できる点群の一例を示す図である。 図４の構造物に対して取得できる点群の他の例を示す図である。 図４の構造物の全体を計測した結果である点群を示す図である。 他の構造物の一例を示す平面図である。 図８の構造物に対して取得できる点群および影範囲の一例を示す図である。 図７の点群と図９の影範囲とを重ねて表示した図である。 比較例の動作を示す模式図である。 本実施形態の動作の概要を示す模式図である。 点群計測位置判定ルーチンのＰＡＤ図である。 点群シャドウ判定ルーチンのＰＡＤ図である。 点群シャドウ判定ルーチンの動作例を示す模式図である。 無効点削減ルーチンのＰＡＤ図である。 本発明の第２実施形態による構造物差分抽出装置のブロック図である。 第２実施形態におけるボクセルシャドウ部判定部の動作説明図である。 無効ボクセル削減ルーチンのＰＡＤ図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施形態と実装例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。
本実施形態では、当業者が本発明を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装、形態も可能で、本発明の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成、構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。また、本明細書および図面において、実質的に同一の機能または構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
〈第１実施形態の全体構成〉
図１は、本発明の第１実施形態による構造物差分抽出装置１００（コンピュータ）のブロック図である。
構造物差分抽出装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを備えており、ＨＤＤには、ＯＳ（Operating System）、アプリケーションプログラム、各種データ等が格納されている。ＯＳおよびアプリケーションプログラムは、ＲＡＭに展開され、ＣＰＵによって実行される。図１において、構造物差分抽出装置１００の内部は、アプリケーションプログラム等によって実現される機能を、ブロックとして示している。

すなわち、構造物差分抽出装置１００は、点群計測位置判定部１０２と、点群シャドウ部判定部１０３（点群シャドウ部判定手段）と、無効点削減部１０４と、点群比較部１０５（点群比較手段）と、比較結果表示部１０６と、を備えている。点群計測位置判定部１０２には、点群計測特性データ１０７と、第１の点群データ１０８（第１の点群）と、第２の点群データ１０９（第２の点群）と、が入力される。

ここで、第１の点群データ１０８は、ある時点で所定の構造物（例えば建築物、プラント設備等）をスキャンして得られた点群データである。また、第２の点群データ１０９は、第１の点群データ１０８とは異なる点群データである。例えば、上述した所定の構造物を別の時点でスキャンして得られた点群データを、第２の点群データ１０９として採用することができる。また、上述した所定の構造物とは別の構造物をスキャンして得られた点群データを、第２の点群データ１０９として採用することができる。

また、点群計測特性データ１０７は、上述した第１の点群データ１０８を計測したスキャナ、および第２の点群データ１０９を計測したスキャナの計測特性を表すデータである。点群計測特性データ１０７には、スキャン位置、計測ピッチ角、許容誤差等のデータが含まれる。なお、これらデータの詳細については後述する。
点群計測位置判定部１０２は、点群計測特性データ１０７に基づいて、第１の点群データ１０８および第２の点群データ１０９の各点における計測時のスキャン位置（スキャナの座標）を判定する。

点群シャドウ部判定部１０３は、第１の点群データ１０８のスキャン位置から見て、第１の点群データ１０８の影となる範囲に含まれる第２の点群データ１０９内の点を判定する。さらに点群シャドウ部判定部１０３は、第２の点群データ１０９のスキャン位置から見て、第２の点群データ１０９の影となる範囲に含まれる第１の点群データ１０８内の点を判定する。

無効点削減部１０４は、点群シャドウ部判定部１０３によって「影となる範囲」に含まれると判定された各点を、第１の点群データ１０８および第２の点群データ１０９から各々削除し、その結果を第１の削減済み点群データ１１０および第２の削減済み点群データ１１１として出力する。

点群比較部１０５は、第１および第２の削減済み点群データ１１０，１１１を比較し、一致部分および不一致部分を抽出する。また、比較結果表示部１０６は、点群比較部１０５による比較結果を表示する。

〈スキャナの構成〉
スキャナは大別すると、固定型スキャナと移動型スキャナとに分類される。また、計測方法等の違いにより、計測誤差等も様々異なる。移動型スキャナは、レーザー測距型、ステレオカメラ型、赤外線格子投影型等の種類が知られている。何れの種類においても、移動型スキャナは、台車等に搭載され、構造物の内部を移動しながら点群のショット計測を繰り返し、これらを、点群同士の相関や、自己位置計測情報等に基づいて点群のショットを接続してゆく。

図２は、固定型スキャナの構成の一例を示す模式図である。
図２において固定型スキャナ１０００は、スキャナ本体１００１と、三脚１００２と、を備えている。スキャナ本体１００１は、レーザー距離計（符号なし）と、回転台（図示略）とを備えている。スキャナ本体１００１は、図示せぬ回転台によって、水平方向１００６および垂直方向１００７に回動自在になっており、回転角度を制御することによってレーザー射出方向を決定する。

レーザー射出方向の変更幅を、計測角度ピッチ１００５と呼ぶ。図２において、方向１００３は、ある時点におけるレーザー射出方向であり、方向１００４は、計測ピッチ角１００５だけ移動したレーザー射出方向である。計測ピッチ角１００５は、一般的には水平方向、垂直方向独立に設定可能であるが、以下の説明では同一値として説明する。固定型スキャナ１０００は、一つの固定点から水平、垂直方向に計測ピッチ角１００５ずつ方向を変化させつつ対象物にレーザーを放射し、その反射光の飛来時間や位相差を検出することで対象物との距離を計測する。

図３は、移動型スキャナの運用方法の一例を示す模式図である。
図３において、移動型スキャナ１４０１がある計測位置において取得した点群を、「フレーム」と呼ぶ。従って、フレーム毎に計測位置は異なる。また、移動型スキャナ１４０１を適用する場合において、取得した点群は複数のフレームを含むことになる。図３に示す例では、計測位置１４０６，１４０７，１４０８において、移動型スキャナ１４０１は、それぞれ異なるフレームを取得する。また、計測位置１４０６において、方向１４０３は、ある時点における点群の計測方向であり、方向１４０４は、計測ピッチ角１４０５だけ移動した計測方向である。破線で示す計測範囲１４０２は、一の計測位置における点群の計測範囲を示す。すなわち、移動型スキャナ１４０１は、この計測範囲１４０２に属する物体の形状を点群として計測する。

〈点群の詳細〉
図４は、計測しようとする構造物５００（第１の構造物）の一例を示す平面図である。
図４において、構造物５００は、構造物５００の周縁を囲む壁５０１と、その内部に設けられた機器５０２，５０３，５０４と、を備えている。機器５０２は、平面視が円形であり、機器５０３，５０４は、平面視が矩形である。

図５は、図４の構造物５００に対して取得できる点群５０７の一例を示す図である。
構造物５００内の任意の一点である計測位置５０６（第１の計測位置）に、固定型スキャナ１０００（図２参照）を設置したとする。計測位置５０６から構造物５００を計測すると、例えば、太実線で示す点群５０７が取得できる。点群５０７は、計測位置５０６から、光学的に到達可能な部分のみの点群で構成される。破線で示すライン５２０は、計測位置５０６から見て、壁５０１および機器５０２，５０３，５０４の境界方向を示すラインになる。

図６は、図４の構造物５００に対して取得できる点群の他の例を示す図である。
図６において、破線で示す軌跡５０９は、移動型スキャナ１４０１（図３参照）が移動した軌跡の一例である。点群５１０は、移動型スキャナ１４０１が軌跡５０９に沿って構造物５００内を移動した際に取得できる点群を示す。図６において、計測位置５１１，５１２（第１の計測位置）は、２台の固定型スキャナ１０００（図２参照）が設置される計測位置である。計測位置５１１，５１２における２台の固定型スキャナ１０００と、構造物５００内を移動する移動型スキャナ１４０１とによって点群を計測してゆくと、構造物５００の全体（壁５０１および機器５０２，５０３，５０４）を計測した点群が得られる。

図７は、図４の構造物５００の全体を計測した結果である点群５１４を示す図である。
点群５１４は、図４における壁５０１、機器５０２，５０３，５０４の形状と、ほぼ一致している。図７における点群５１４のうち、２台の固定型スキャナ１０００および１台の移動型スキャナ１４０１（図６参照）で取得した点群を、それぞれ「サブ点群」と呼ぶことがある。すなわち、図７に示した例では、点群５１４は、３個のサブ点群を含むことになる。

図８は、他の構造物６００（第２の構造物）の一例を示す平面図である。
構造物６００は、図４に示した構造物５００に対して変更が加えられた結果物である。すなわち、構造物５００，６００は、異なる構造物であると考えることもでき、同一の構造物の異なる時刻における状態であると考えることもできる。構造物６００に含まれる機器５０２は、位置５０５から図示の位置に移動している。

図９は、図８の構造物６００に対して取得できる点群６０４（第２の点群）および影範囲の一例を示す平面図である。
構造物６００内の任意の一点である計測位置６０３（第２の計測位置）に、固定型スキャナ１０００（図６参照）を設置したとする。計測位置６０３から構造物５００を計測すると、例えば、太実線で示す点群６０４が取得できる。破線で示すライン６０５は、計測位置６０３から見て、壁５０１および機器５０２，５０３，５０４の境界方向を示すラインになる。
また、図９において、ハッチングを施した領域を、「影範囲６０６」と呼ぶ。
影範囲６０６は、計測位置６０３から見て、物体の影となる範囲を示している。

図１０は、図７に示した点群５１４と、図９に示した影範囲６０６と、を重ねて表示した図である。但し、点群５１４は、太実線で示す点群７０２と、一点鎖線で示す点群７０３と、に分類されている。点群７０２は、点群５１４のうち影範囲６０６の外側にある点群である。また、点群７０３は、点群５１４のうち影範囲６０６の内側にある点群である。

図１１は、比較例の動作を示す模式図である。
この比較例では、点群５１４（図７参照）と、点群６０４（図９参照）とを単純に比較して、両者の相違点を抽出しようとするものである。
図１１において太実線で示す点群８０１と、太破線で示す点群９０１とは、点群５１４（図１０）に存在し点群６０４（図９の太実線）には存在しない点群を表す。また、太破線で示す点群８０２は、点群５１４には存在せず、点群６０４に存在する点群を表す。また、細破線で示す点群８０３は、点群５１４，６０４の双方に存在する点群、または、点群５１４，６０４の双方に存在しないが、現実の構造物には対応する構造が存在している点群を表す。

ここで、図１１において太破線で示す点群９０１の扱いが問題になる。点群９０１は、点群８０１と同様に、点群５１４に存在し点群６０４には存在しない点群である。しかし、点群９０１は、対応する構成が構造物５００に存在するにもかかわらず、点群６０４の計測時において計測位置が少なかったために（図９における計測位置が、６０３の一点であったために）点群６０４に含まれなかった点群である。仮に、点群５１４（図７参照）と、点群６０４（図９参照）と、を単純に比較して、構造物５００の相違点を抽出しようとすると、点群９０１に対応する構造が「相違部分」として抽出され、正確な抽出結果が得られなくなる。

図１２は、本実施形態の動作の概要を示す模式図である。すなわち、図１２は、点群６０４（図９参照）と、点群７０２（図１０参照）とを比較して、両者の異なる部分を抽出した結果を表す。
図１２において太実線で示す点群８１１は、点群６０４に存在し、点群７０２には存在しない点群を表す。また、太破線で示す点群８１２は、点群６０４には存在せず、点群７０２には存在する点群を表す。

また、細破線で示す点群８１３は、点群６０４および点群７０２の双方に存在する点群、または、点群６０４および点群７０２の双方に存在しないが、現実の構造物には対応する構造が存在している点群を表す。
このように、図１２に従って構造物の相違点を抽出すると、正確な抽出結果が得られる。後述する各部の処理内容は、例えば図１２に示したような方法で、点群の差分抽出を行うものである。

〈実施形態の動作〉
（点群計測位置判定部１０２の動作）
以下、本発明の動作を説明する。図１３は、点群計測位置判定部１０２において実行される点群計測位置判定ルーチンのＰＡＤ図である。
本ルーチンは、第１の点群データ１０８および第２の点群データ１０９（図１参照）の各々を処理対象として、１回ずつ実行される。例えば、図７における点群５１４を表すデータを第１の点群データ１０８とし、図９における点群６０４を表すデータを第２の点群データ１０９とするとよい。本ルーチンにおいては、処理対象となる点群データに含まれる点群を「点群ＧＰ」と呼ぶ。

図１３のステップＳ２０１において処理が開始されると、処理はステップＳ２０２に進む。ここで、処理対象となる点群ＧＰ（第１の点群データ１０８または第２の点群データ１０９における点群）は、ｍ個（ｍは１以上の自然数）のサブ点群を含む。これらサブ点群を「サブ点群Ｐ_i」（但し、１≦ｉ≦ｍ）と表記する。ステップＳ２０２においては、これらサブ点群Ｐ_iについて、それぞれ、ステップＳ２０３以降の処理を繰り返す。

ステップＳ２０３において、点群計測位置判定部１０２は、点群計測特性データ１０７（図１参照）からサブ点群Ｐ_iの計測ピッチ角θを取得し、サブ点群Ｐ_iを構成する各点ｐ_i，jの計測ピッチ角を、計測ピッチ角θ（ｐ_i，j）として保持する。なお、計測ピッチ角θは、全ての点ｐ_i，jに対して同一の値であってもよく、点ｐ_i，j毎に異なる値であってもよい。例えば、詳細な形状を取得したい部分は、計測ピッチ角θ（ｐ_i，j）を狭くするとよい。

次に、処理がステップＳ２０４に進むと、点群計測位置判定部１０２は、点群計測特性データ１０７からサブ点群Ｐ_iにおける許容誤差δ_iを取得し、サブ点群Ｐ_iを構成する各点ｐ_i，jの許容誤差δ（ｐ_i，j）として保持する。なお、許容誤差δ（ｐ_i，j）は、何れの点ｐ_i，jに対しても同一の値であってもよく、点ｐ_i，j毎に異なる値であってもよい。

次に、処理がステップＳ２０５に進むと、サブ点群Ｐ_iの計測手段は、固定型スキャナ（例えば図２における固定型スキャナ１０００）であるのか移動型スキャナ（例えば図３における移動型スキャナ１４０１）であるのかが判定される。ステップＳ２０５において、「固定型スキャナである」と判定されると、処理はステップＳ２０６に進む。

ステップＳ２０６において、点群計測位置判定部１０２は、点群計測特性データ１０７（図１参照）から、サブ点群Ｐ_iに対する固定型スキャナのスキャン位置Ｓ_iを取得する。ここで、スキャン位置Ｓ_iとは、サブ点群Ｐ_iを取得する際に固定型スキャナが配置されている位置座標を指す。そして、点群計測位置判定部１０２は、サブ点群Ｐ_iの各点ｐ_i，jに対応するスキャン位置Ｓ（ｐ_i，j）として、スキャン位置Ｓ_iを保持する。

一方、ステップＳ２０５において、「移動型スキャナである」と判定されると、処理はステップＳ２０７に進む。ステップＳ２０７においては、サブ点群Ｐ_iの各点ｐ_i，jについて、ステップＳ２０８の処理が繰り返される。ところで、先に、図３を参照して説明したように、移動型スキャナ（例えば移動型スキャナ１４０１）は、フレーム毎に点群を取得する。これらフレームに対して付与した一連の番号をフレーム番号ｋと呼ぶ。

移動型スキャナにおけるスキャン位置、すなわち移動型スキャナの座標は、サブ点群Ｐ_iと、フレーム番号ｋとによって決定されるため、スキャン位置を「Ｓ_i，k」のように表現する。また、移動型スキャナによって取得されたサブ点群Ｐ_iの各点ｐ_i，jは、何れかのフレーム番号ｋにおいて取得された点である。ステップＳ２０８において、点群計測位置判定部１０２は、点ｐ_i，jを取得したフレームＦ_i，kに係るスキャン位置Ｓ_i，kを取得し、その結果を点ｐ_i，jに対応するスキャン位置Ｓ（ｐ_i，j）＝Ｓ_i，kとして保持する。そして、以上のステップＳ２０２～Ｓ２０８の処理が終了すると、ステップＳ２０９にて、本ルーチンの処理が終了する。

（点群シャドウ部判定部１０３の動作）
図１４は、点群シャドウ部判定部１０３において実行される点群シャドウ判定ルーチンのＰＡＤ図である。
ここで、以下の説明で用いる「点群ＧＰ₁，ＧＰ₂」について説明しておく。点群ＧＰ₁，ＧＰ₂のうち一方は第１の点群データ１０８に含まれる点群であり、他方は第２の点群データ１０９に含まれる点群である。そして、点群シャドウ部判定部１０３は、点群ＧＰ₁，ＧＰ₂の割り当てを入れ替えて、本ルーチンを合計２回実行する。

例えば、点群シャドウ部判定部１０３は、最初に第１の点群データ１０８に含まれる点群を点群ＧＰ₁とし、第２の点群データ１０９に含まれる点群を点群ＧＰ₂として本ルーチンを実行し、しかる後に第１の点群データ１０８に含まれる点群を点群ＧＰ₂とし、第２の点群データ１０９に含まれる点群を点群ＧＰ₁として、本ルーチンを再び実行する。

図１４のステップＳ３０１において処理が開始されると、処理はステップＳ３０２に進む。ここでは、点群シャドウ部判定部１０３は、点群ＧＰ₁に含まれる一または複数のサブ点群Ｐ_iについて、ステップＳ３０３以降の処理を繰り返えす。ステップＳ３０３においては、点群シャドウ部判定部１０３は、サブ点群Ｐ_iの各点ｐ_i，jについて、ステップＳ３０４～Ｓ３１０の処理を繰り返す。

ステップＳ３０４において、点群シャドウ部判定部１０３は、点群計測位置判定部１０２の処理結果に基づいて、点ｐ_i，jのスキャン位置Ｓ＝Ｓ（ｐ_i，j）、計測ピッチ角θ＝θ（ｐ_i，j）、および許容誤差δ＝許容誤差δ（ｐ_i，j）を取得する。次に、処理がステップＳ３０５に進むと、点群シャドウ部判定部１０３は、スキャン位置Ｓと点ｐ_i，jとを結ぶ直線Ｌを求め、スキャン位置Ｓを頂点とし直線Ｌを中心軸とし、開き角度がθである円錐Ｃ（Ｓ，ｐ_i，j，θ）を求める。

図１５は、点群シャドウ判定ルーチンの動作例を示す模式図である。図１５において、計測位置１１０２は、スキャン位置Ｓ＝Ｓ（ｐ_i，j）に対応する。また、点１１０１は、点ｐ_i，jに対応する。また、直線１１０６は、直線Ｌに対応する。また、破線で示す円錐１１０７は、円錐Ｃ（Ｓ，ｐ_i，j，θ）に対応する。また、点１１０１の周辺において、破線で囲んだ領域１１００は、サブ点群Ｐ_iが占める領域の一部である。

図１４に戻り、次に処理がステップＳ３０６に進むと、点群シャドウ部判定部１０３は、円錐Ｃ（Ｓ，ｐ_i，j，θ）と交差する点群ＧＰ₂の部分点集合Ｖを求める。
図１５において、破線で示す３箇所の領域１１０３は、点群ＧＰ₂が占める領域の一部である。領域１１０３に含まれる複数の点のうち、点１１０８，１１０９ａ，１１０９ｂ，１１０９ｃ，１１１０は、円錐Ｃ（Ｓ，ｐ_i，j，θ）と交差するため、部分集合Ｖに含まれる。

図１４に戻り、次に処理がステップＳ３０７に進むと、点群シャドウ部判定部１０３は、部分集合Ｖに含まれる各点ｐ_nについて、ステップＳ３０８～ステップＳ３１０の処理を繰り返す。
ここで、これらステップの内容を説明する前に、各点ｐ_nに付与される「マーク」について説明しておく。点群シャドウ部判定部１０３は、各点ｐ_nに付与する「マーク」を記憶している。この「マーク」は、「可視マーク」、「削除マーク」または「未定マーク」である。

ここで、「可視マーク」とは、当該点ｐ_nが、何れかのスキャン位置Ｓから見通し内にある場合に付与される。また、「削除マーク」は、当該点ｐ_nを削除する可能性がある場合に付与される。「未定マーク」は、初期状態においては、各点ｐ_nに付与されるマークである。

ステップＳ３０８では、点群シャドウ部判定部１０３は、点ｐ_nに「可視マーク」が付与されておらず、かつ、下式（１）が成立するか否かを判定する。

｜Ｓ－ｐ_n｜＞｜Ｓ－ｐ_i，j｜＋δ …式（１）

式（１）において、｜Ｓ－ｐ_n｜は、スキャン位置Ｓと点ｐ_nとの距離を表す。また、｜Ｓ－ｐ_i，j｜は、スキャン位置Ｓと、現在の処理対象である点ｐ_i，j（ステップＳ３０３で選択された処理対象である点ｐ_i，j）と、の距離を表す。また、δは許容誤差である。

ステップＳ３０８において「Ｙｅｓ」と判定されると、点群シャドウ部判定部１０３はステップＳ３０９を実行する。ここでは、点群シャドウ部判定部１０３は、点ｐ_nに対して、削除マークを付与する。
一方、ステップＳ３０８において「Ｎｏ」と判定されると、点群シャドウ部判定部１０３はステップＳ３１０を実行する。ここでは、点群シャドウ部判定部１０３は、点ｐ_nに対して、可視マークを付与する。

ステップＳ３０８～Ｓ３１０の処理によれば、ある点ｐ_i，jに対する処理において、点ｐ_nに一旦可視マークが付与されると、その可視マークはその後も維持され続ける。一方、ある点ｐ_i，jに対する処理において、点ｐ_nに削除マークが付与されたとしても、その後に他の点ｐ_i，jに対する処理において点ｐ_nに可視マークが付与される場合がある。その場合、従前の削除マークは削除され、その可視マークはその後も維持され続ける。

図１５において、計測位置１１０２と点１１０１との距離は、上述した式（１）において｜Ｓ－ｐ_i，j｜である。円弧１１１１は、計測位置１１０２を中心とし、半径が｜Ｓ－ｐ_i，j｜である円弧である。また、円弧１１１４は、計測位置１１０２を中心とし、半径が｜Ｓ－ｐ_i，j｜＋δである円弧である。円弧１１１１，１１１４の間隔１１０４は、許容誤差δ＝δ（ｐ_i，j）に等しい。

そして、点１１０８が処理対象である点ｐ_nであるとすると、計測位置１１０２と点１１０８との距離は、式（１）において距離｜Ｓ－ｐ_n｜である。そして、距離｜Ｓ－ｐ_n｜は、円弧１１１４の半径である距離｜Ｓ－ｐ_i，j｜＋δよりも短いため、点１１０８には、ステップＳ３１０において、可視マークが付与される。

一方、図１５において、点１１０９ａ，１１０９ｂ，１１０９ｃのうち何れかが点ｐ_nであるとすると、これらと計測位置１１０２との距離｜Ｓ－ｐ_n｜は、何れも距離｜Ｓ－ｐ_i，j｜＋δ（すなわち円弧１１１４の半径）よりも長い。従って、点１１０９ａ，１１０９ｂ，１１０９ｃにはステップＳ３０９において削除マークが付与される。

一方、図１５に示す点１１１０は、「点１１０１を点ｐ_i，jとしてステップＳ３０４～Ｓ３１０を実行する前の段階」において、既に可視マークが付与されているものとする。既に可視マークが付与されていると、ステップＳ３０８では「Ｎｏ」と判定されるため、点１１１０が点ｐ_nであるとすると、ステップＳ３１０にて、再び可視マークが付与される。

図１５において、点１１０９ａ，１１０９ｂ，１１０９ｃは、白丸で表示し、点１１０８，１１１０は黒丸で表示している。上記例において、白丸は、削除マークが付与された点であり、黒丸は可視マークが付与された点である。

また、仮に、「点１１０１を点ｐ_i，jとしてステップＳ３０４～Ｓ３１０を実行する前の段階」において、点１１０８に削除マークが付与されていたと仮定する。この仮定においても、点１１０１を点ｐ_i，jとし、点１１０８を点ｐ_nとしてステップＳ３０８，Ｓ３１０が実行されることにより、点１１０８の削除マークは削除され、点１１０８には可視マークが付与される。そして、以上のステップＳ３０２～Ｓ３１０の処理が終了すると、ステップＳ３１１にて、本ルーチンの処理が終了する。

（無効点削減部１０４の動作）
図１６は、無効点削減部１０４において実行される無効点削減ルーチンのＰＡＤ図である。
本ルーチンは、第１の点群データ１０８および第２の点群データ１０９（図１参照）の各々について、１回ずつ実行される。本ルーチンにおいても、処理対象となる点群データに含まれる点群を「点群ＧＰ」と呼ぶ。

図１６のステップＳ４０１において処理が開始されると、処理はステップＳ４０２に進む。ここでは、無効点削減部１０４は、点群ＧＰを構成する各サブ点群Ｐｉについて、Ｓ４０３～Ｓ４０８の処理を繰り返す。
ステップＳ４０３において、無効点削減部１０４は、サブ点群Ｐ_iの各点ｐ_nについて、ステップＳ４０４～Ｓ４０５の処理を繰り返す。

ステップＳ４０４において、点ｐ_nに削除マークが付与されている場合は「Ｙｅｓ」と判定され、無効点削減部１０４はステップＳ４０５の処理を実行し、点群ＧＰから点ｐ_nを削除する。一方、ステップＳ４０４において「Ｎｏ」と判定されると、次の点ｐ_nに対する処理が繰り返される。そして、以上のステップＳ４０２～Ｓ４０５の処理が終了すると、ステップＳ４２０にて、本ルーチンの処理が終了する。

無効点削減部１０４が、図１６の処理を第１の点群データ１０８について実行すると、第１の点群データ１０８を構成する点ｐ_nの中から、第２の点群データ１０９を構成する点によって影になる部分を除去することができ、これによって第１の削減済み点群データ１１０（図１参照）が生成される。同様に、無効点削減部１０４が、図１６の処理を第２の点群データ１０９について実行すると、第２の点群データ１０９を構成する点ｐ_nの中から、第１の点群データ１０８を構成する点によって影になる部分を除去することができ、これによって第２の削減済み点群データ１１１（図１参照）が生成される。

（点群比較部１０５等の動作）
図１に戻り、点群比較部１０５は、第１の削減済み点群データ１１０および第２の削減済み点群データ１１１の点群同士を比較し、両データが共に含む（同一の場所に位置する）点群は一致するものとし、両データのうち一方のみに含まれる点群は差分として出力する。
比較結果表示部１０６は、一致する点群と、差分である点群とを区別しつつ表示する。

〈第１実施形態の効果〉
以上のように本実施形態の構造物差分抽出装置（１００）は、第１の点群（５１４）から第１の点群シャドウ部を削除した結果である第１の削除済点群（１１０）と、第２の点群（６０４）から第２の点群シャドウ部を削除した結果である第２の削除済点群（１１１）と、を比較することにより、第１の構造物（５００）と第２の構造物（６００）との差分を抽出する点群比較部（１０５）を備える。

これにより、第１の点群（５１４）および第２の点群（６０４）のうち一方に、充分な数の点が無かったとしても、比較対象となる点群を絞り込むことができ、第１および第２の構造物（５００，６００）をスキャンする手間を省力化することができ、構造物の差分を効率的に抽出できる。

また、第１の計測位置（５０６，５１１，５１２）は複数設けられ、第１の点群シャドウ部は、複数の第１の計測位置（５０６，５１１，５１２）の何れから見ても第２の点群（６０４）の影になる範囲の点群である。さらに、第２の計測位置（６０３）を複数設けてもよく、この場合、第２の点群シャドウ部は、複数の第２の計測位置（６０３）の何れから見ても第１の点群（５１４）の影になる範囲の点群である。
このように、第１の計測位置または第２の計測位置を複数設けることにより、第１および第２の構造物（５００，６００）の形状等を正確に検出することができる。

また、第２の構造物（６００）を、第１の構造物（５００）に対して変更を加えた結果物にすると、構造物の変更内容を正確に把握することができる。

［第２実施形態］
〈第２実施形態の概要〉
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、点群の処理において、「ボクセル」を適用する点で第１実施形態とは異なる。「ボクセル」は、三次元空間を一定間隔の格子状に分割したものであり、ｘ、ｙ、ｚの各軸におけるインデックスによって、管理できる。点群におけるある点の座標を（ｐｘ，ｐｙ，ｐｚ）とし、ボクセル間隔をＤとすると、この点は、ボクセルインデックス（ｉｎｔ（ｐｘ／Ｄ），ｉｎｔ（ｐｙ／Ｄ），ｉｎｔ（ｐｚ／Ｄ））で表されるボクセルに登録される。ここでｉｎｔ（ｖ）は、実数ｖに対してｖを超えない最も近い整数を表す。このようにして、点群全体をボクセルに登録すると、点群の検索が高速になる。例えば、点群中に、ある座標（ｘ，ｙ，ｚ）に一致する点が存在するかを検索する場合、ボクセルインデックス（ｉｎｔ（ｘ／Ｄ），ｉｎｔ（ｙ／Ｄ），ｉｎｔ（ｚ／Ｄ））に登録されている点と比較するとよい。

〈第２実施形態の全体構成〉
図１７は、第２実施形態による構造物差分抽出装置２００のブロック図である。
図１７において、構造物差分抽出装置２００は、点群計測位置判定部１０２と、ボクセル生成部２０１と、ボクセルシャドウ部判定部２０２と、無効ボクセル削減部２０３と、ボクセル比較部２０４（点群比較部）と、比較結果表示部２０５と、を備えている。

点群計測位置判定部１０２の機能は、第１実施形態のもの（図１参照）と同様である。すなわち、点群計測位置判定部１０２は、第１および第２の点群データ１０８，１０９にそれぞれ含まれるサブ点群Ｐ_iの各点ｐ_i，jに対して、計測ピッチ角θ（ｐ_i，j）と、許容誤差δ（ｐ_i，j）と、を保持する（図１３、ステップＳ２０３、Ｓ２０４）。また、点群計測位置判定部１０２は、固定型スキャナのサブ点群Ｐ_iの各点ｐ_i，jに対して、スキャン位置Ｓ（ｐ_i，j）を保持する（図１３、ステップＳ２０６）。また、点群計測位置判定部１０２は、移動型スキャナのサブ点群Ｐ_iの各点ｐ_i，jに対して、フレーム番号ｋに対応するスキャン位置Ｓ（ｐ_i，j）＝スキャン位置Ｓ_i，kを保持する（図１３、ステップＳ２０８）。

ボクセル生成部２０１は、上述したように、点群の各点の座標をボクセルインデックスに変換し、対応するボクセルに登録する処理を行う。ボクセルインデックスと、点とを対応付けたデータを「ボクセルデータ」と呼ぶ。
そして、第１の点群データ１０８に基づいて生成されたボクセルデータを第１のボクセルデータ２０６と呼び、第２の点群データ１０９に基づいて生成されたボクセルデータを第２のボクセルデータ２０７と呼ぶ。

ボクセルシャドウ部判定部２０２は、上述の第１実施形態における点群シャドウ部判定部１０３と、ほぼ同様の動作を行う。但し、本実施形態のボクセルシャドウ部判定部２０２は、点群シャドウ判定ルーチン（図１４）のステップＳ３０６に対応する処理において、ボクセルインデックスを用いて部分集合Ｖを求める点が異なる。以下、その詳細を説明する。

図１８は、ボクセルシャドウ部判定部２０２の動作説明図である。
図１８においては、解析対象空間１２００がｘ軸ボクセルインデックス１２０１と、ｙ軸ボクセルインデックス１２０２と、によって、複数のボクセル１２０３（分割空間）に区切られている。但し、説明の簡略化のためにｚ軸については図示を省略している。例えば、図１８における計測位置１１０２すなわちスキャン位置Ｓ（ｐ_i，j）は、ボクセルインデックス（１３，１）のボクセル１２０３に登録されている。

ボクセルシャドウ部判定部２０２は、部分集合Ｖを求める際に、円錐Ｃ（Ｓ，ｐ_i，j，θ）（図１８においては円錐１１０７）と交差するボクセルを求める。次に、ボクセルシャドウ部判定部２０２は、求めたボクセルに登録された点と、円錐Ｃ（Ｓ，ｐ_i，j，θ）とが交差するか否かを判定する。このように、ボクセルを用いて空間分割を行うことにより、空間を限定して部分集合Ｖを検索することができる。さらに、ボクセルインデックスは整数の操作で計算することができる。これにより、本実施形態のボクセルシャドウ部判定部２０２は、部分集合Ｖを直接的に検索する第１実施形態の点群シャドウ部判定部１０３（図１参照）と比較して、部分集合Ｖを高速に検索することができる。

図１７に戻り、無効ボクセル削減部２０３は、無効ボクセルすなわち「点が登録されていないボクセル」をボクセルデータから削除するものである。
図１９は、無効ボクセル削減部２０３において実行される無効ボクセル削減ルーチンのＰＡＤ図である。図１９において、ステップＳ４０１～Ｓ４０５の処理は、第１実施形態のもの（図１６参照）と同様である。すなわち、無効ボクセル削減部２０３は、点群ＧＰを構成する各サブ点群Ｐｉを特定し（ステップＳ４０２～Ｓ４０３）、サブ点群Ｐｉに含まれる各点ｐ_nについて、削除マークが付与されているか否かを判定し（ステップＳ４０４）、削除マークが付与されている点ｐ_nを点群ＧＰから削除する（ステップＳ４０５）。

さらに、本実施形態の無効ボクセル削減部２０３は、ステップＳ４０５にて点群ＧＰから点ｐ_nを削除した後、当該点ｐ_nについて、ステップＳ４１０～Ｓ４１２の処理を実行する。すなわち、無効ボクセル削減部２０３は、ステップＳ４１０において、点ｐ_nが登録されているボクセル（ボクセルｇと呼ぶ）から、当該点ｐ_nを削除する。

次に、処理がステップＳ４１１に進むと、ボクセルｇに登録されている点の数は「０」であるか否かが判定される。ここで「Ｙｅｓ」と判定されると、処理はステップＳ４１２に進み、無効ボクセル削減部２０３は、ボクセルデータの中からボクセルｇを削除する。以上のように、無効ボクセルすなわち点が登録されていないボクセルを削除した結果であるボクセルデータを、「削減済みボクセルデータ」と呼ぶ。

図１８に戻り、図中にハッチングを施した範囲のボクセルが、元々のボクセルデータ、すなわち無効ボクセルを削除する前のボクセルデータに対応する。これらボクセルのうち、薄いハッチングを施したインデックス（８，１２）のボクセルにおいて、その中に含まれている点１１０９ａ，１１０９ｃは、全て削除される。これにより、当該ボクセルは、無効ボクセルになる。

図１７に戻り、無効ボクセル削減部２０３は、第１の点群データ１０８および第２の点群データ１０９の各々について、無効ボクセルを削除することによって、第１の削除済ボクセルデータ２０８と、第２の削除済ボクセルデータ２０９と、を生成する。
ボクセル比較部２０４は、第１の削除済ボクセルデータ２０８と、第２の削除済ボクセルデータ２０９とを比較し、両データが共に含む（同一のボクセルインデックスを有する）ボクセルは一致するものとし、両データのうち一方のみに含まれるボクセルは差分として出力する。

比較結果表示部２０５は、一致するボクセルと、差分であるボクセルとを区別しつつ、これらのボクセルに含まれる点群を表示する。
このように、本実施形態によれば、点群の各点の座標をボクセルインデックスに変換し、ボクセルを単位として、比較等の処理を実行するため、点群の検索処理を高速に行うことが可能である。

〈第２実施形態の効果〉
以上のように本実施形態の構造物差分抽出装置（２００）によれば、第１実施形態のものと同様の効果を奏する。さらに、本実施形態によれば、点群比較部（２０４）は、第１および第２の構造物（５００，６００）が属する空間を複数の分割空間（１２０３）に分割し、分割空間（１２０３）を単位として第１の構造物（５００）と第２の構造物（６００）との差分を抽出する。
このように、分割空間（１２０３）を単位として第１の構造物（５００）と第２の構造物（６００）との差分を抽出することにより、点群の検索処理を高速に実行することが可能である。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記各実施形態における構造物差分抽出装置１００，２００のハードウエアは一般的なコンピュータによって実現できるため、図１３、図１４、図１６、図１９に示したプログラム等を記憶媒体に格納し、または伝送路を介して頒布してもよい。

（２）図１３、図１４、図１６、図１９等に示した処理は、上記実施形態ではプログラムを用いたソフトウエア的な処理として説明したが、その一部または全部をＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit；特定用途向けＩＣ)、あるいはＦＰＧＡ(field-programmable gate array)等を用いたハードウエア的な処理に置き換えてもよい。

（３）上記第１実施形態において、無効点削減部１０４は、第１または第２の点群データ１０８，１０９から削除マークを付与した点を削除した。しかし、削除マークを付与した点は、必ずしも削除しなくてもよい。すなわち、これら削除マークを付与した点を点群比較部１０５における比較対象から除外すれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（４）また、削除マークを付与した点を残しておくことにより、これら点を「比較対象から外れた点」として、比較結果表示部１０６に表示させることができる。これにより、比較対象から除外された範囲を作業者が容易に確認することができる。また、必要であれば、追加で対象の構造物をスキャンし、点群を追加することもできる。このように、新たな点群を追加する場合、削除マークを付与した点が、新たなスキャン位置から可視である場合には、当該点に可視マークを再度付与してもよい。

（５）上記第２実施形態においては、空間分割のデータ管理法としてボクセルを適用したが、ボクセルに代えて、ｋＤｔｒｅｅや、Ｏｃｔｒｅｅ等の空間分割管理法も同様に用いることができる。

１００，２００ 構造物差分抽出装置（コンピュータ）
１０２ 点群計測位置判定部
１０３ 点群シャドウ部判定部（点群シャドウ部判定手段）
１０５ 点群比較部（点群比較手段）
１０６ 比較結果表示部
１０７ 点群計測特性データ
１０８ 第１の点群データ（第１の点群）
１０９ 第２の点群データ（第２の点群）
１１０ 第１の削減済み点群データ（第１の削除済点群）
１１１ 第２の削減済み点群データ（第２の削除済点群）
２０４ ボクセル比較部（点群比較部）
５００ 構造物（第１の構造物）
５０６，５１１，５１２ 計測位置（第１の計測位置）
６００ 構造物（第２の構造物）
６０３ 計測位置（第２の計測位置）
６０４ 点群（第２の点群）
１２０３ ボクセル（分割空間）

Claims (7)

1. 一または複数の第１の計測位置から第１の構造物をスキャンして得られた第１の点群と、一または複数の第２の計測位置から第２の構造物をスキャンして得られた第２の点群と、に基づいて、前記第１の点群のうち、前記第２の点群の影になる範囲の点群である第１の点群シャドウ部を判定し、前記第２の点群のうち、前記第１の点群の影になる範囲の点群である第２の点群シャドウ部を判定する点群シャドウ部判定部と、
   前記第１の点群から前記第１の点群シャドウ部を削除した結果である第１の削除済点群と、前記第２の点群から前記第２の点群シャドウ部を削除した結果である第２の削除済点群と、を比較することにより、前記第１の構造物と前記第２の構造物との差分を抽出する点群比較部と、
   を備え、
   前記第１の計測位置または前記第２の計測位置は複数設けられている
   ことを特徴とする構造物差分抽出装置。
2. 前記第１の計測位置は複数設けられ、
   前記第１の点群シャドウ部は、複数の前記第１の計測位置の何れから見ても前記第２の点群の影になる範囲の点群である
   ことを特徴とする請求項１に記載の構造物差分抽出装置。
3. 前記第２の計測位置は複数設けられ、
   前記第２の点群シャドウ部は、複数の前記第２の計測位置の何れから見ても前記第１の点群の影になる範囲の点群である
   ことを特徴とする請求項２に記載の構造物差分抽出装置。
4. 前記第２の構造物は、前記第１の構造物に対して変更を加えた結果物である
   ことを特徴とする請求項１に記載の構造物差分抽出装置。
5. 前記点群比較部は、前記第１および第２の構造物が属する空間を複数の分割空間に分割し、前記分割空間を単位として前記第１の構造物と前記第２の構造物との差分を抽出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の構造物差分抽出装置。
6. 一または複数の第１の計測位置から第１の構造物をスキャンして得られた第１の点群と、一または複数の第２の計測位置から第２の構造物をスキャンして得られた第２の点群と、に基づいて、前記第１の点群のうち、前記第２の点群の影になる範囲の点群である第１の点群シャドウ部を判定し、前記第２の点群のうち、前記第２の計測位置の何れから見ても前記第１の点群の影になる範囲の点群である第２の点群シャドウ部を判定する過程と、
   前記第１の点群から前記第１の点群シャドウ部を削除した結果である第１の削除済点群と、前記第２の点群から前記第２の点群シャドウ部を削除した結果である第２の削除済点群と、を比較することにより、前記第１の構造物と前記第２の構造物との差分を抽出する過程と、
   を実行し、
   前記第１の計測位置または前記第２の計測位置は複数設けられている
   ことを特徴とする構造物差分抽出方法。
7. コンピュータを、
   一または複数の第１の計測位置から第１の構造物をスキャンして得られた第１の点群と、一または複数の第２の計測位置から第２の構造物をスキャンして得られた第２の点群と、に基づいて、前記第１の点群のうち、前記第２の点群の影になる範囲の点群である第１の点群シャドウ部を判定し、前記第２の点群のうち、前記第２の計測位置の何れから見ても前記第１の点群の影になる範囲の点群である第２の点群シャドウ部を判定する点群シャドウ部判定手段、
   前記第１の点群から前記第１の点群シャドウ部を削除した結果である第１の削除済点群と、前記第２の点群から前記第２の点群シャドウ部を削除した結果である第２の削除済点群と、を比較することにより、前記第１の構造物と前記第２の構造物との差分を抽出する点群比較手段、
   として機能させるためのプログラムであって、
   前記第１の計測位置または前記第２の計測位置は複数設けられている
   ことを特徴とするプログラム。

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