JP7306192B2 - 合成処理装置、合成処理システム及び合成処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の点群のマッチングを行う合成処理装置、合成処理システム及び合成処理方法に関する。

対象物の位置や形状を多角的に計測するため、互いに異なる位置に配置された複数のレーザセンサによって計測されたデータを重ね合わせることが行われている。例えば、２つのレーザセンサの各々によって取得された共通の対象物についての複数の３次元座標のデータ（以下、点群と称する）を共通の座標系に統合する方法として、ＩＣＰ（Interative Closest Points）という技術が知られている（例えば、非特許文献１）。

ＩＣＰは、２つの点群の間で点の対応づけと位置推定とを繰り返すことにより、２つの点群のマッチングを行う技術である。点の対応づけはユークリッド距離を用いて行い、点の対応づけにおけるズレ量（各点のユークリッド距離の平均値等）をコスト関数とし、反復的にコスト関数を最適化することによってマッチングを行う。

友納正裕，「ＳＬＡＭ入門：ロボットの自己位置推定と地図構築の技術」，オーム社，２０１８年

ＩＣＰのアルゴリズムによるスキャンマッチング処理は、２つの点群同士が非常に近い位置にあり、且つ高密度な点群が得られていることを前提としている。従って、その前提が不十分である場合、コスト関数を最適化するときの解が局所解に陥ってしまい、正確なマッチングができなくなる。例えば、２つのレーザセンサを物理的に離れた位置に配置して互いに対向する方向から対象物の測距を行った場合のように、取得された２つの点群の距離が離れている場合や、点群データが低密度である場合には、このような問題が発生しやすいという問題があった。

また、例えば建物の外壁やトンネルの内壁等の壁が対象物の背後に存在する場合、その壁がマッチングの基準となる。このため、壁に垂直な方向のマッチングは比較的容易に行うことができるが、壁と平行な方向（すなわち、壁に沿った方向）のマッチングは困難であるという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、点群の密度や点群間の距離に関わらず、複数の点群についての適切なマッチングを行うことが可能な合成処理装置を提供することを目的とする。

本発明に係る合成処理装置は、第１の地点から見た対象物の表面上の複数の位置を示す第１の点群データと、第２の地点から見た前記対象物の表面上の複数の位置を示す第２の点群データと、を取得する点群データ取得部と、第１の点群データ及び前記第２の点群データを共通の座標上に表示するための座標変換を行い、当該共通の座標上で前記第１の点群データと前記第２の点群データとのスキャンマッチング処理を実行するスキャンマッチング処理部と、前記スキャンマッチング処理の結果に基づいて、前記第１の点群データ及び前記第２の点群データを、隣接する点同士の距離が所定距離以下である点群からなるクラスタに分類するクラスタリング処理を行うクラスタリング処理部と、前記クラスタリング処理の処理結果に基づいて、前記スキャンマッチング処理の終了条件が達成されたか否かを判定する判定部と、を有し、前記終了条件が達成されるまで、前記スキャンマッチング処理部による前記スキャンマッチング処理及び前記クラスタリング処理部による前記クラスタリング処理を繰り返し実行し、前記終了条件が達成されたと判定した場合に、前記スキャンマッチング処理の処理結果を示す合成点群データの情報を出力することを特徴とする。

また、本発明に係る合成処理システムは、第１の地点に配置され、当該第１の地点を基準とする対象物の位置を測定する第１のレーザセンサ装置と、第２の地点に配置され、当該第２の地点を基準とする対象物の位置を測定する第２のレーザセンサ装置と、前記第１の地点から見た前記対象物の表面上の複数の位置を示す第１の点群データを前記第１のレーザセンサ装置から取得し、前記第２の地点から見た前記対象物の表面上の複数の位置を示す第２の点群データを前記第２のレーザセンサ装置から取得する点群データ取得部と、第１の点群データ及び前記第２の点群データを共通の座標上に表示するための座標変換を行い、当該共通の座標上で前記第１の点群データと前記第２の点群データとのスキャンマッチング処理を実行するスキャンマッチング処理部と、前記スキャンマッチング処理の結果に基づいて、前記第１の点群データ及び前記第２の点群データを、隣接する点同士の距離が所定距離以下である点群からなるクラスタに分類するクラスタリング処理を行うクラスタリング処理部と、前記クラスタリング処理の処理結果に基づいて、前記スキャンマッチング処理の終了条件が達成されたか否かを判定する判定部と、前記終了条件が達成されたと判定した場合に、前記スキャンマッチング処理の処理結果を示す合成点群データの情報を表示する表示装置と、を含み、前記スキャンマッチング処理部及び前記クラスタリング処理部の各々は、前記終了条件が達成されるまで、前記スキャンマッチング処理及び前記クラスタリング処理を繰り返し実行することを特徴とする。

また、本発明に係る合成処理方法は、第１の地点から見た対象物の表面上の複数の位置を示す第１の点群データを取得するステップと、第２の地点から見た前記対象物の表面上の複数の位置を示す第２の点群データと、を取得するステップと、第１の点群データ及び前記第２の点群データを共通の座標上に表示するための座標変換を行うステップと、前記共通の座標上で前記第１の点群データと前記第２の点群データとのスキャンマッチング処理を実行するステップと、前記スキャンマッチング処理の結果に基づいて、前記第１の点群データ及び前記第２の点群データを、隣接する点同士の距離が所定距離以下である点群からなるクラスタに分類するクラスタリング処理を行うステップと、前記クラスタリング処理の処理結果に基づいて、前記スキャンマッチング処理の終了条件が達成されたか否かを判定するステップと、前記終了条件が達成されたと判定した場合に、前記スキャンマッチング処理の処理結果を示す合成点群データの情報を出力するステップと、を含み、前記終了条件が達成されるまで、前記スキャンマッチング処理を実行するステップ及び前記クラスタリング処理を行うステップを繰り返すことを特徴とする。

本発明によれば、点群の密度や点群間の距離に関わらず、複数の点群についての適切なマッチングを行うことが可能となる。

本発明に係る合成処理装置の構成を示す図である。 第１及び第２レーザセンサと対象物との位置関係を模式的に示す図である。 第１レーザセンサによって取得された第１点群データの例を示す図である。 第２レーザセンサによって取得された第２点群データの例を示す図である。 本実施例の合成処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。 図２を上面視した位置関係を座標として示す図である。 座標変換後の第１点群データ及び第２点群データを示す図である。 座標上におけるターゲット領域の指定を模式的に示す図である。 スキャンマッチング処理の工程におけるデータの対応づけを模式的に示す図である。 クラスタ数が２と判定される場合の合成点群データを模式的に示す図である。 クラスタ数が１と判定される場合の合成点群データを模式的に示す図である。 クラスタ数が１で且つターゲットの幅が閾値よりも大きい場合の合成点群データを模式的に示す図である。 クラスタ数が１で且つターゲットの幅が閾値以下である場合の合成点群データを模式的に示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。なお、以下の各実施例における説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。

図１は、本発明にかかる合成処理装置１０を含む合成処理システム１００の構成を示すブロック図である。合成処理システム１００は、第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２と、合成処理装置１０と、表示装置２０と、から構成されている。

第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２は、対象物にレーザ光を照射してその反射光を受光し、受光結果に基づいて対象物までの距離を測定する計測装置である。第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２の各々は、例えばＬｉＤＡＲ（Laser Imaging Detection and Ranging）装置によって構成されている。以下の説明では、第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２の各々が掘削工事中のトンネル内の地面に置かれている場合を例として説明を行う。

図２は、第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２の配置位置と、対象物ＯＢとの位置関係を模式的に示す図である。対象物ＯＢは、トンネル内の物体の位置を測定するためのキャリブレーションに用いるターゲットであり、ここでは工事に使用される車両（例えばバン）を対象物ＯＢの例として示している。

第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２は、対象物ＯＢを挟んで対向するように配置されている。対象物ＯＢは、トンネル内の壁ＷＬ１と壁ＷＬ２とに挟まれた地面に配置されている。第１レーザセンサＬ１は壁ＷＬ１と対象物ＯＢとの間の領域にある第１の地点、第２レーザセンサＬ２は壁ＷＬ２と対象物ＯＢとの間の領域にある第２の地点にそれぞれ配置されている。

第１レーザセンサＬ１及び第２のレーザセンサＬ２は、照射方向を経時的に変化させつつレーザ光の照射を行い、当該レーザ光が物体に反射されることにより生じた反射光を受光して、レーザ光が反射した位置である反射位置の３次元座標のデータを得る。例えば、本実施例では、第１レーザセンサＬ１及び第２のレーザセンサＬ２は、水平方向に３６０度、垂直方向に１８０度照射方向を変化させることが可能に構成されている。第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２の各々は、対象物ＯＢ、壁ＷＬ１及び壁ＷＬ２の位置を示す複数の３次元座標のデータ（以下、点群データと称する）を得る。

図３Ａは、第１レーザセンサＬ１によって取得された、ある高さにおける２次元の点群データを第１点群データＰ（１）として示す図である。第１点群データＰ（１）は、第１レーザセンサＬ１の位置を基準とする第１の座標上の複数の点（Ｐｉ⁽¹⁾（ｘｙｚ）として示す）から構成されている。第１レーザセンサＬ１は壁ＷＬ１と対象物ＯＢとの間に配置されているため、第１点群データＰ（１）は、例えば壁ＷＬ１に対応する点群Ｐ１（ＷＬ１）と、第１レーザＬ１から見た対象物ＯＢの正面及び側面に対応する点群Ｐ１（ＯＢ）と、壁ＷＬ２の第１レーザＬ１から見て対象物ＯＢと重なる領域を除いた部分に対応する点群Ｐ１（ＷＬ２）と、から構成される。

図３Ｂは、第２レーザセンサＬ２によって取得された、ある高さにおける２次元の点群データを第２点群データＰ（２）として示す図である。第２点群データＰ（２）は、第２レーザセンサＬ２の位置を基準とする第２の座標上の複数の点（Ｐｉ⁽²⁾（ｘｙｚ）として示す）から構成されている。第２レーザセンサＬ２は壁ＷＬ２と対象物ＯＢとの間に配置されているため、第２点群データＰ（２）は、例えば壁ＷＬ２に対応する点群Ｐ２（ＷＬ２）と、第２レーザＬ２から見た対象物ＯＢの正面及び側面に対応する点群Ｐ２（ＯＢ）と、壁ＷＬ１の第２レーザＬ２から見て対象物ＯＢと重なる領域を除いた部分に対応する点群Ｐ２（ＷＬ１）と、から構成される。

再び図１を参照すると、合成処理装置１００は、第１レーザセンサＬ１が取得した第１点群データＰ（１）及び第２レーザセンサＬ２が取得した第２点群データＰ（２）を合成する合成処理を行う装置である。合成処理装置１００は、当該合成処理の処理結果を示すデータを表示装置２０に供給する。

合成処理装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の処理装置から構成されており、所定のプログラムを実行することにより形成された各種の機能ブロックを有する。例えば、合成処理装置１００は、図１に示すように、第１点群取得部１１、第２点群取得部１２、初期位置情報取得部１３、ターゲットエリア画定部１４、スキャンマッチング処理部１５、物体抽出部１６及び判定部１７を有する。

第１点群取得部１１は、第１レーザセンサＬ１から第１点群データＰ（１）を取得し、スキャンマッチング処理部１５に供給する。第２点群取得部１２は、第２レーザセンサＬ２から第２点群データＰ（２）を取得し、スキャンマッチング処理部１５に供給する。

初期位置情報取得部１３は、第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２の相対的な位置関係の概算値を示す初期位置情報を取得する。例えば、初期位置情報取得部１３は、合成処理装置１０を使用するユーザから、図示せぬ操作部を介して入力を受け付けることにより初期位置情報を取得する。なお、初期位置情報の取得方法はこれに限られず、初期位置情報取得部１３は、例えば図示せぬ記憶装置に予め記憶されたデータを読み出すことにより初期位置情報を取得してもよい。

ターゲットエリア画定部１４は、物体抽出部１６によるクラスタリング処理の処理対象とする座標上の領域（すなわち、クラスタリング評価領域）であるターゲットエリアを画定する。例えば、ターゲットエリア画定部１４は、合成処理装置１０を使用するユーザから、マウス等の図示せぬ操作手段を用いて座標指定を受けることにより、ターゲットエリアを画定する。なお、ターゲットエリアを画定するための方法はこれに限られず、ターゲットエリア画定部１４は、例えばカメラ等の撮像手段により得られた対象物ＯＢ及びその周辺の画像に基づいて、ターゲットエリアを画定するように構成されていてもよい。

スキャンマッチング処理部１５は、第１点群データＰ（１）と第２点群データＰ（２）とをマッチングするスキャンマッチング処理を実行する。スキャンマッチング処理は、第２点群データＰ（２）を第１点群データＰ（１）の座標系に変換する座標変換処理、第１点群データＰ（１）を構成する各点と第２点群データＰ（２）を構成する各点との対応づけを行う対応づけ処理、及びＩＣＰ（Interative Closest Points）のアルゴリズムを用いた演算処理を含む。

スキャンマッチング処理部１５は、初期位置情報取得部１３により取得された初期位置情報に基づいて最初の座標変換処理を行い、以降は対応づけ処理及びＩＣＰの演算処理の処理結果に基づいて座標変換処理を行う。

また、スキャンマッチング処理部１５は、第１点群データＰ（１）を参照点群とし、座標変換後の第２点群データＰ´（２）を構成する各点の距離に最も近い第１点群データＰ（１）の点を検索することにより、対応づけ処理を行う。そして、スキャンマッチング処理部１５は、対応づけた点同士の距離を最小化するようにＩＣＰのアルゴリズムに基づく演算を実行する。

物体抽出部１６は、スキャンマッチング処理部１５の処理結果に対してクラスタリング処理を実行し、対象物ＯＢを含むターゲットエリア内の物体のクラスタ数（すなわち、ターゲットエリア内の物体数）の情報を得る。クラスタリング処理に用いる最大点間距離Ｄｍａｘは、例えば図示せぬ操作入力手段（例えば、キーボード等）を用いたユーザの入力により、予め指定される。

判定部１７は、スキャンマッチング処理及びクラスタリング処理を終了させるための終了条件が満たされたか否かの判定を行う。具体的には、判定部１７は、第１の終了条件の判定として、物体抽出部１６の処理により得られたクラスタ数が所定数と一致するか否かを判定する。なお、クラスタ数の比較対象となる所定数は、ターゲットエリア内に実際に存在する物体の数が、ユーザによるキーボード等の操作入力手段を用いた入力により、予め指定される。

また、判定部１７は、第１の終了条件が達成されたと判定された場合、すなわちクラスタリング処理により得られたクラスタ数と所定数とが一致したと判定された場合、第２の終了条件の判定を行う。具体的には、判定部１７は、座標上の対象物ＯＢの幅Ｗと所定の閾値Ｗｔｈとを比較し、比較結果に基づいて、対象物ＯＢの幅が所定の閾値以下であるか否かを判定する。

第１の終了条件及び第２の終了条件が達成された場合、すなわちクラスタ数が所定数と一致し且つ対象物ＯＢの幅が閾値以下であると判定部１７により判定された場合、合成処理装置１０はスキャンマッチング処理部１５によるスキャンマッチング処理を終了させる。そして、合成処理装置１０は、最終結果を表示装置２０に出力し、スキャンマッチング処理の処理結果示す画像を表示装置２０に表示させる。

なお、第１の終了条件の判定に用いるクラスタについての上記所定数は、例えばキーボード等の操作入力手段を用いたユーザの入力により、予め指定される。同様に、第２の終了条件の判定に用いる対象物ＯＢの幅についての上記閾値も、例えば操作入力手段を用いたユーザの入力により、予め指定される。

表示装置２０は、合成処理装置１００による処理結果を３次元座標の画像としてディスプレイに表示させる。なお、表示装置２０は、最終的な処理結果だけでなく、途中で行われる座標変換処理、スキャンマッチング処理及びクラスタリング処理の各々の過程における処理結果を逐次ディスプレイに表示させる。

次に、本実施例の合成処理装置１０の動作について、図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２は、レーザ光の照射及び反射光の受光を行う。例えば、第１レーザセンサＬ１は、所定の高さ位置において照射方向を３６０°変更しつつレーザ光の照射を行い、これに対応する反射光の受光結果を得る。合成処理装置１００の第１点群取得部１１は、第１レーザセンサＬ１の受光結果に基づいて、第１点群データＰ（１）を取得する（ＳＴＥＰ１０１）。

第２レーザセンサＬ２は、例えば所定の高さ位置において照射方向を３６０°変更しつつレーザ光の照射を行い、これに対応する反射光の受光結果を得る。合成処理装置１００の第２点群取得部１２は、第２レーザセンサＬ２の受光結果に基づいて、第２点群データＰ（２）を取得する（ＳＴＥＰ１０２）。

初期位置情報取得部１３は、第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２の相対的な位置関係の概算値を示す初期位置情報を取得する（ＳＴＥＰ１０３）。

図５は、第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２の配置位置を模式的に示す上面図である。ここでは、第２レーザセンサＬ２を、第１レーザセンサＬ１の中心部からｘ軸方向にＬ₁［ｍ］、ｙ軸方向にＬ₂［ｍ］離れ、且つθ［ｒａｄ］＝（θｘ θｙ θｚ）＝（０ ０ π）だけ回転して配置する場合を示している。なお、これらの機器を実際に配置する際は、各要素に必ずズレが存在する。初期位置情報取得部１３は、このズレを推定するための初期値として、上記の情報を含む初期位置情報を取得し、スキャンマッチング処理部１５に供給する。

スキャンマッチング処理部１５は、第２レーザセンサＬ２により得られた点群データである第２点群データＰ（２）を、第１レーザセンサＬ１の座標系に変換する（ＳＴＥＰ１０４）。座標変換は、次の数式（１）の変換行列式Ｔｒ（ｎ）を用いて行う（ｎは、繰り返し数）。

ここで、Ｒは次の数式（２）～（５）、ｔは数式（６）で表される行列である。

なお、スキャンマッチング処理部１５は、ＳＴＥＰ１０３で得られたＬ₁、Ｌ₂の値を用いて、次の数式（７）の変換行列式Ｔｒ（０）に基づく行列演算を実行することにより、最初の座標変換を行う。

この座標変換処理により、図６に示すように、第１点群データＰ（１）及び第２点群データＰ（２）を共通の座標系（本実施例では、第１レーザセンサＬ１の座標系）にプロットすることが可能となる。以下の説明では、座標変換後の第２点群データを第２点群データＰ´（２）とする。また、第１点群データＰ（１）及び第２点群データＰ（２）を合わせた点群を合成点群Ｑ（１）（ｎ）と称する。

ターゲットエリア画定部１４は、ユーザによるマウスを用いた操作入力によりターゲットエリアの範囲を示す座標指定を受け、ターゲットエリアを画定する（ＳＴＥＰ１０５）。なお、ユーザが当該座標指定を行う間、表示装置２０には第１レーザセンサＬ１を基準とする座標及び合成点群Ｑ（１）（ｎ）が表示される。

図７は、ターゲットエリアＴＡと、合成点群Ｑ（１）（ｎ）のうちターゲットエリアＴＡ内に含まれる点群ｑ⁽¹⁾（ｎ）とを模式的に示す図である。このように、例えばターゲットエリアＴＡを示す長方形の内側に位置する点群が点群ｑ⁽¹⁾（ｎ）として抜き出される。ターゲットエリアＴＡは、例えばユーザがマウスを用いて長方形を描画することにより指定される。

判定部１７は、判定終了条件に関する情報、すなわち本実施例ではクラスタ数についての判定のための所定数及び対象物ＯＢの幅についての判定のための閾値Ｗｔｈの情報を取得する（ＳＴＥＰ１０６）。上記の通り、判定部１７は、ユーザによるキーボード等を用いた入力を受け付けることにより、これらの判定終了条件に関する情報を取得する。

物体抽出部１６は、クラスタリング処理を行う際の対応付けに用いる点群の最大点間距離Ｄｍａｘの情報を取得する（ＳＴＥＰ１０７）。例えば物体抽出部１６は、判定終了条件に関する情報の取得と同様、ユーザによるキーボード等を用いた入力を受け付けることにより、最大点間距離Ｄｍａｘの情報を取得する。

スキャンマッチング処理部１５は、スキャンマッチング処理の処理回数を示す値ｎを、ｎ＝０に設定する（ＳＴＥＰ１０８）。

スキャンマッチング処理部１５は、ＩＣＰのアルゴリズムを用いて第１点群データＰ（１）及び第２点群データＰ´（２）の各々を構成する各点の対応づけを行う（ＳＴＥＰ１０９）。

図８は、各点の対応づけの例を模式的に示す図である。例えば、スキャンマッチング処理部１５は、第１点群データＰ（１）を参照点群とし、第２点群データＰ´（２）の各点に最も距離が近い第１点群データＰ（１）の点Ｐｉ⁽¹⁾を検出することにより、対応づけを行う。

スキャンマッチング処理部１５は、ＩＣＰのアルゴリズムに基づく演算を１回実行し、対応づけた点の距離を最小化するような変換行列Ｔｒ（ｎ）を算出する（ＳＴＥＰ１１０）。

スキャンマッチング処理部１５は、第２点群データＰ（２）を変換行列Ｔｒ（ｎ）を用いて第１レーザセンサＬ１を基準とする座標系に変換し、第１点群データＰ（１）にマージして合成点群Ｑ（１）（ｎ）を生成する。さらに、スキャンマッチング処理部１５は、合成点群Ｑ（１）（ｎ）から、ＳＴＥＰ１０５で画定されたターゲットエリアに含まれる点群ｑ⁽¹⁾（ｎ）を抜き出す（ＳＴＥＰ１１１）。これにより、図７に示すような点群ｑ⁽¹⁾（ｎ）が抜き出される。

物体抽出部１６は、最大点間距離Ｄｍａｘを用いた点間距離によるクラスタリング処理を実行する（ＳＴＥＰ１１２）。

判定部１７は、クラスタリング処理の処理結果に基づいて、点群ｑ（１）（ｎ）のクラスタ数Ｎｑの情報を取得する（ＳＴＥＰ１１３）。

判定部１７は、クラスタリング処理の処理結果に基づくクラスタ数Ｎｑが、所定数Ｎｐと一致するか否かを判定する（ＳＴＥＰ１１４）。なお、本実施例では、ターゲットエリア内に実際に存在している物体の数が予め所定数Ｎｐとして指定されている。

図９は、クラスタリング処理の処理結果に基づくクラスタ数ＮｑがＮｑ＝２である場合の点群及びクラスタを模式的に示す図である。中央部の点群は、クラスタ領域ＣＬ１及びクラスタ領域ＣＬ２にそれぞれ含まれる異なるクラスタの点群としてクラスタリング処理がなされ、クラスタ数Ｎｑ＝２と判定される。

図１０は、クラスタリング処理の処理結果に基づくクラスタ数ＮｑがＮｑ＝１である場合の点群及びクラスタを模式的に示す図である。中央部の点群は、クラスタ領域ＣＬ１に含まれる同じクラスタの点群としてクラスタリング処理がなされ、クラスタ数Ｎｑ＝１と判定される。

クラスタ数Ｎｑが所定数Ｎｐと一致していないと判定された場合（ＳＴＥＰ１１４：Ｎｏ）、スキャンマッチング処理部１５は、スキャンマッチング処理の処理回数を示す値ｎの値を「＋１」だけインクリメントし（ＳＴＥＰ１１５）、ＳＴＥＰ１０９に戻って再びスキャンマッチング処理を実行する。

一方、クラスタ数Ｎｑが所定数Ｎｐと一致したと判定された場合（ＳＴＥＰ１１４：Ｙｅｓ）、判定部１７は、ＳＴＥＰ１１２のクラスタリング処理の処理結果に基づいて、クラスタを構成するクラスタ点群ｑ⁽¹⁾ _s（ｎ）（ｓ＝１，２・・・Ｎｑ）を取得する。例えば、クラスタ数Ｎｑ＝１である場合、図１１に示すクラスタＣＬ１を構成するクラスタ点群ｑ⁽¹⁾ ₁（ｎ）が取得される。

判定部１７は、クラスタ点群ｑ⁽¹⁾ ₁（ｎ）に基づいて、対象物ＯＢの幅Ｗを求める。例えば、判定部１７は、次の数式（２）～（５）を用いてｘ軸方向の最大値ｘ_maxと最小値ｘ_minとの差分を算出することにより、対象物ＯＢの幅Ｗを得る。

判定部１７は、対象物ＯＢの幅Ｗが所定の閾値Ｗｔｈ以下であるか否かを判定する（ＳＴＥＰ１１６）。

図１１は、対象物ＯＢの幅Ｗが閾値Ｗｔｈよりも大きい場合の点群を模式的に示す図である。クラスタ数Ｎｑが所定数Ｎｐと一致した場合であっても、第１点群データＰ（１）及び第２点群データＰ（２）の重なり合いが不十分である場合には、対象物ＯＢの幅Ｗが閾値Ｗｔｈよりも大きいと判定される。

一方、図１２は、対象物ＯＢの幅Ｗが閾値Ｗｔｈ以下である場合の点群を模式的に示す図である。第１点群データＰ（１）及び第２点群データＰ（２）が十分に重なり合った場合には、対象物ＯＢの幅Ｗが閾値Ｗｔｈ以下であると判定される。

対象物ＯＢの幅Ｗが閾値Ｗｔｈよりも大きい（すなわち、閾値Ｗｔｈ以下ではない）と判定された場合（ＳＴＥＰ１１６：Ｎｏ）、スキャンマッチング処理部１５は、スキャンマッチング処理の処理回数を示す値ｎの値を「＋１」だけインクリメントし（ＳＴＥＰ１１５）、ＳＴＥＰ１０９に戻って再びスキャンマッチング処理を実行する。

一方、対象物ＯＢの幅Ｗが閾値Ｗｔｈ以下であると判定された場合（ＳＴＥＰ１１６：Ｙｅｓ）、合成処理装置１０はスキャンマッチング処理部１５によるスキャンマッチング処理を終了させ、最終結果を示す画像を表示装置２０に表示させる。

以上のように、本実施例の合成処理装置１０は、クラスタリング処理の結果、クラスタ数Ｎｑが所定数Ｎｐと一致し、且つ点群の広がり（すなわち、対象物ＯＢの幅Ｗ）が閾値Ｗｔｈ以下となった場合に、スキャンマッチング処理を終了する。すなわち、本実施例の合成処理装置１０では、スキャンマッチング処理とクラスタリング処理とを組み合わせ、クラスタリング処理の結果をスキャンマッチング処理の終了条件の判定に用いる。

かかる構成によれば、スキャンマッチングの対象となる点群同士が離れた位置にあるような場合や、点群の密度が低い場合にも、適切な時点でスキャンマッチング処理を終了させることができる。特に、対象物の背後に建物の外壁やトンネルの内壁等の壁が存在するような場合に、壁に垂直な方向のマッチングのみならず、壁と平行な方向におけるマッチングを適切に行うことが可能となる。

従って、本実施例の合成処理装置１０によれば、点群の密度や点群間の距離に関わらず、複数の点群についての適切なマッチングを行うことが可能となる。

なお、本発明の実施形態は、上記実施例に記載したものに限られない。例えば、上記実施例では、第１レーザセンサＬ１により取得された第１の点群データと、第２レーザセンサＬ２により取得された第２の点群データとのマッチングを行う場合を例として説明した。しかし、対象とするレーザセンサの数及び点群データの数はこれに限られず、３台以上のレーザセンサを用いて取得された３つ以上の点群データのマッチングを行う場合にも本発明を適用することが可能である。

また、第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２の各々は、３次元をスキャン可能なＬｉＤＡＲ装置であってもよく、２次元のみスキャン可能なＬｉＤＡＲ装置であってもよい。

なお、上記実施例では、ある高さにおける点群データを２次元の点群データとして図示してスキャンマッチング処理の説明を行ったが、実際には２次元の点群データのスキャンマッチング処理を行うことが可能である。すなわち、本発明の合成処理装置は、３次元座標としての点群データのマッチング及び２次元座標としての点群データのマッチングのいずれにも用いることが可能である。

また、上記実施例では、第１レーザセンサＬ１及び第２レーザセンサＬ２が地面に配置されている場合を例として説明したが、例えば車等の移動体に搭載されていてもよい。

また、上記実施例では、トンネル内の位置測定におけるキャリブレーションのためのターゲットとして、トンネル内に位置するバンを用いる例について説明したが、これに限られず、ブルドーザ等の作業機械をターゲットとして用いてもよい。

また、上記実施例では、掘削工事中のトンネル内での対象物ＯＢの測距及び点群データのマッチングを行う場合を例として説明したが、本願発明の合成処理装置の適用場面はこれに限られない。例えば、周囲を建物に囲まれた場所での測距等、マッチングの基準となる壁等が存在する場面に広く適用することが可能である。

１００ 合成処理システム
Ｌ１ 第１レーザセンサ
Ｌ２ 第２レーザセンサ
１０ 合成処理装置
１１ 第１点群取得部
１２ 第２点群取得部
１３ 初期位置情報取得部
１４ ターゲットエリア画定部
１５ スキャンマッチング処理部
１６ 物体抽出部
１７ 判定部
２０ 表示装置

Claims (9)

1. 第１の地点から見た対象物の表面上の複数の位置を示す第１の点群データと、第２の地点から見た前記対象物の表面上の複数の位置を示す第２の点群データと、を取得する点群データ取得部と、
   第１の点群データ及び前記第２の点群データを共通の座標上に表示するための座標変換を行い、当該共通の座標上で前記第１の点群データと前記第２の点群データとのスキャンマッチング処理を実行するスキャンマッチング処理部と、
   前記スキャンマッチング処理の結果に基づいて、前記第１の点群データ及び前記第２の点群データを、隣接する点同士の距離が所定距離以下である点群からなるクラスタに分類するクラスタリング処理を行うクラスタリング処理部と、
   前記クラスタリング処理の処理結果に基づいて、前記スキャンマッチング処理の終了条件が達成されたか否かを判定する判定部と、
   を有し、
   前記終了条件が達成されるまで、前記スキャンマッチング処理部による前記スキャンマッチング処理及び前記クラスタリング処理部による前記クラスタリング処理を繰り返し実行し、
   前記終了条件が達成されたと判定した場合に、前記スキャンマッチング処理の処理結果を示す合成点群データの情報を出力することを特徴とする合成処理装置。
2. 前記判定部は、前記共通の座標上の検出エリア内におけるクラスタ数が所定数と一致するか否かを前記スキャンマッチング処理の前記終了条件の１つとして判定することを特徴とする請求項１に記載の合成処理装置。
3. 前記判定部は、前記クラスタ数が前記所定数と一致すると判定された場合に、前記検出エリア内の１のクラスタの前記共通の座標上における幅が閾値以下であるか否かを前記終了条件の１つとしてさらに判定することを特徴とする請求項２に記載の合成処理装置。
4. 前記点群データ取得部は、前記第１の地点に配置された第１のレーザセンサ装置が前記対象物の位置を測定したデータを前記第１の点群データとして取得し、前記第２の地点に配置された第２のレーザセンサ装置が前記対象物の位置を測定したデータを前記第２の点群データとして取得することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の合成処理装置。
5. 前記スキャンマッチング処理部は、ＩＣＰ（Interative Closest Points）のアルゴリズムを用いて、前記第１の点群データを構成する各々の点と前記第２の点群データを構成する各々の点との対応づけを行い、対応づけられた点同士の距離を縮小する演算を行うことにより、前記スキャンマッチング処理を実行することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の合成処理装置。
6. 前記共通の座標上における前記検出エリアの範囲を示す座標指定を受け、当該座標指定に基づいて前記検出エリアを画定するエリア画定部を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の合成処理装置。
7. 前記第１の地点及び前記第２の地点の相対的な位置関係を示す相対位置情報を取得する位置情報取得部を有し、
   前記スキャンマッチング処理部は、前記相対位置情報に基づいて、前記第２の地点を基準とする座標系を前記第１の地点を基準とする座標系に変換する座標変換処理を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の合成処理装置。
8. 第１の地点に配置され、当該第１の地点を基準とする対象物の位置を測定する第１のレーザセンサ装置と、
   第２の地点に配置され、当該第２の地点を基準とする対象物の位置を測定する第２のレーザセンサ装置と、
   前記第１の地点から見た前記対象物の表面上の複数の位置を示す第１の点群データを前記第１のレーザセンサ装置から取得し、前記第２の地点から見た前記対象物の表面上の複数の位置を示す第２の点群データを前記第２のレーザセンサ装置から取得する点群データ取得部と、
   第１の点群データ及び前記第２の点群データを共通の座標上に表示するための座標変換を行い、当該共通の座標上で前記第１の点群データと前記第２の点群データとのスキャンマッチング処理を実行するスキャンマッチング処理部と、
   前記スキャンマッチング処理の結果に基づいて、前記第１の点群データ及び前記第２の点群データを、隣接する点同士の距離が所定距離以下である点群からなるクラスタに分類するクラスタリング処理を行うクラスタリング処理部と、
   前記クラスタリング処理の処理結果に基づいて、前記スキャンマッチング処理の終了条件が達成されたか否かを判定する判定部と、
   前記終了条件が達成されたと判定した場合に、前記スキャンマッチング処理の処理結果を示す合成点群データの情報を表示する表示装置と、
   を含み、
   前記スキャンマッチング処理部及び前記クラスタリング処理部の各々は、前記終了条件が達成されるまで、前記スキャンマッチング処理及び前記クラスタリング処理を繰り返し実行することを特徴とする合成処理システム。
9. 第１の地点から見た対象物の表面上の複数の位置を示す第１の点群データを取得するステップと、
   第２の地点から見た前記対象物の表面上の複数の位置を示す第２の点群データと、を取得するステップと、
   第１の点群データ及び前記第２の点群データを共通の座標上に表示するための座標変換を行うステップと、
   前記共通の座標上で前記第１の点群データと前記第２の点群データとのスキャンマッチング処理を実行するステップと、
   前記スキャンマッチング処理の結果に基づいて、前記第１の点群データ及び前記第２の点群データを、隣接する点同士の距離が所定距離以下である点群からなるクラスタに分類するクラスタリング処理を行うステップと、
   前記クラスタリング処理の処理結果に基づいて、前記スキャンマッチング処理の終了条件が達成されたか否かを判定するステップと、
   前記終了条件が達成されたと判定した場合に、前記スキャンマッチング処理の処理結果を示す合成点群データの情報を出力するステップと、
   を含み、
   前記終了条件が達成されるまで、前記スキャンマッチング処理を実行するステップ及び前記クラスタリング処理を行うステップを繰り返すことを特徴とする合成処理方法。

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