JPH06168341A

JPH06168341A - ３次元形状モデル処理方法及びその装置

Info

Publication number: JPH06168341A
Application number: JP32163692A
Authority: JP
Inventors: Takeo Kimura; 岳男木村; Yoshifumi Kitamura; 喜文北村; Haruo Shimizu; 治夫清水; Osamu Yoshizaki; 修吉崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-12-01
Filing date: 1992-12-01
Publication date: 1994-06-14

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、処理に必要な資源，計算量
を少なくし、検出または生成されるエッジが持つ情報
（表面形状の特徴等）を、任意にコントロールすること
ができ、また、平面によって物体形状の近似処理にエッ
ジマップを直接利用でき、物体形状のポリゴンデータが
容易に作成でき、さらに少ないデータ量でエッジ情報が
記録でき、グラフ論理を適用することでエッジ情報の加
工が容易にできる３次元形状モデル処理方法及びその装
置を提供することにある。【構成】３次元物体表面の各点と基準面との垂直距離
を与える距離画像から、物体の表面形状を示すエッジマ
ップを作成する３次元形状モデル処理方法であって、適
当な間隔で距離画像を間引きながら、距離画像からエッ
ジを検出すると共に、物体表面の曲面を平面に分割する
新なエッジを生成し、検出或は生成されたエッジを表現
するエッジマップを作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は３次元形状モデル処理方
法及びその装置、特に入力装置やデータベース等より入
力される、距離計測センサにより測定された物体表面の
各点と基準面との垂直距離（平行射影）を与える、所謂
「距離画像」から、３次元物体の表面形状を示すエッジ
マップを作成する３次元形状モデル処理方法及びその装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】密な原距離画像を処理対象とし、３次元
物体の表面形状の特徴であるジャンプエッジ，ルーフエ
ッジを検出する３次元形状モデル処理方法が知られてい
る（参考文献：横谷直和，マーチンＤ．レビン：“微分
幾何学特徴に基づく距離画像分割のためのハイブリッド
手法”，情報処理学会論文誌，Vol.30,No.8,pp.944-953
(1989)）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では、どんなに単純な形状の物体であっても常
に隣りあった画素をエッジ検出処理の対象とするため
に、多くの無駄な計算が生じる場合がある。また、曲面
は１つの領域として認識されるので、平面によって物体
形状の近似を行ないたい場合に認識結果を３次元形状モ
デルの処理に直接使えない。さらには、本来線分として
表現されるべきエッジが画像上の点のつながりとして表
現されているために、多くの記憶領域が必要である上
に、線分として扱いにくいという問題がある。

【０００４】本発明は、前記従来の欠点を除去し、処理
に必要な資源，計算量を少なくすることができる３次元
形状モデル処理方法及びその装置を提供する。また、検
出または生成されるエッジが持つ情報（表面形状の特徴
等）を、任意にコントロールすることができる３次元形
状モデル処理方法及びその装置を提供する。

【０００５】また、平面によって物体形状を近似する処
理にエッジマップを直接利用でき、物体形状のポリゴン
データが容易に作成できる３次元形状モデル処理方法及
びその装置を提供する。また、少ないデータ量でエッジ
情報が記録でき、グラフ論理を適用することでエッジ情
報の加工が容易にできる３次元形状モデル処理方法及び
その装置を提供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明の３次元形状モデル処理方法は、３次元物体
表面の各点と基準面との垂直距離を与える距離画像か
ら、物体の表面形状を示すエッジマップを作成する３次
元形状モデル処理方法であって、適当な間隔で距離画像
を間引きながら、距離画像からエッジを検出すると共
に、物体表面の曲面を平面に分割する新なエッジを生成
し、検出或は生成されたエッジを表現するエッジマップ
を作成することを特徴とする。

【０００７】ここで、前記検出されるエッジはジャンプ
エッジ及びルーフエッジを含み、前記生成される新なエ
ッジはルーフエッジである。また、距離画像を入力・保
持する行程を設ける。また、法線ベクトルを入力・保持
する行程を設ける。また、入力した距離画像から法線ベ
クトルを計算・保持する行程を設ける。また、計算した
法線ベクトルを外部に格納する行程を設ける。また、作
成したエッジマップを外部に格納する行程を設ける。ま
た、入力した距離画像を表示する行程をさらに設ける。
また、入力した法線ベクトルを表示する行程をさらに設
ける。また、計算した法線ベクトルを表示する行程をさ
らに設ける。また、作成したエッジマップを表示する行
程をさらに設ける。また、処理に必要なパラメータや指
示を入力する行程を設ける。

【０００８】又、本発明の３次元形状モデル処理装置
は、３次元物体表面の各点と基準面との垂直距離を与え
る距離画像から、物体の表面形状を示すエッジマップを
作成する３次元形状モデル処理装置であって、適当な間
隔で距離画像を間引きながら、距離画像からエッジを検
出する手段と、物体表面の曲面を平面に分割するエッジ
を生成する手段と、検出或は生成されたエッジを線分と
して表現するエッジマップを作成する手段とを備えるこ
とを特徴とする。

【０００９】ここで、前記検出されるエッジはジャンプ
エッジ及びルーフエッジを含み、前記生成される新なエ
ッジはルーフエッジである。また、距離画像を入力・保
持する手段を備える。また、法線ベクトルを入力・保持
する手段を備える。また、入力した距離画像から法線ベ
クトルを計算して保持する手段を備える。また、計算し
た法線ベクトルを外部に格納する手段を備える。また、
作成したエッジマップを外部に格納する手段をを備え
る。また、入力した距離画像を表示する手段を備える。
また、入力した法線ベクトルを表示する手段を備える。
また、計算した法線ベクトルを表示する手段を備える。
また、作成したエッジマップを表示する手段を備える。
また、処理に必要なパラメータや指示を入力する手段を
備える。

【００１０】

【実施例】以下、添付図面にしたがって、本発明による
実施例を詳細に説明する。図１は本発明の３次元形状モ
デル処理方法を適用する実施例である距離画像処理装置
の基本構成図である。図において、１は処理手順を記憶
するためのプログラム記憶部、２は処理に必要な情報及
び入出力データを記憶するためのデータ記憶部、３はプ
ログラム記憶部１に記憶された処理手順にしたがって処
理を行なうためのＣＰＵである。４は処理に必要な情報
や入出力データを表示するための表示部であり、本例で
はマルチウィンドウシステムを有する。５はユーザから
のデータや指示を入力するためのキーボード、６は表示
部上での指示を入力するためのポインティングデバイス
としてのマウスである。７は物体を測定して距離画像を
入力するためのセンサとしてのレンジファインダであ
る。

【００１１】プログラム記憶部１において、ｐ１は距離
画像と法線ベクトルとから物体のエッジを検出・生成
し、エッジマップを作成するエッジマップ生成プログラ
ム、ｐ２は距離画像から法線ベクトルを計算する法線ベ
クトル計算プログラム、ｐ３は距離画像，法線ベクトル
及びエッジマップを表示するデータ表示プログラム、ｐ
４は距離画像データの入力やキーボード５及びマウス６
からの入力、あるいはエッジマップの出力等を行うデー
タ入出力プログラムである。

【００１２】データ記憶部２において、ｄ１はレンジフ
ァインダ７あるいは不図示の距離画像データベース等よ
り入力された距離画像を記憶する距離画像記憶部、ｄ２
は距離画像から法線ベクトル計算プログラムｐ２により
計算された法線ベクトルを記憶する法線ベクトル記憶
部、ｄ３は本処理により作成されたエッジマップを記憶
するエッジマップ記憶部である。

【００１３】次に、本実施例を図２から図１１に基づき
説明する。ここで、図２は本実施例の全体の処理の流れ
を示すフローチャート、図３は処理を行なうための走査
順序を示す図である。図４は図２におけるステップＳ３
０の詳細なフローチャート、図５は走査画素と検出或は
生成するエッジの方向との関係を示した概念図、図６は
本実施例での走査画素と実際に検出或は生成するエッジ
の方向との関係を示した図、図７は走査画素とその８近
傍画素を示す図である。図８は図４におけるステップＳ
４２及びステップＳ４４の詳細なフローチャート、図９
はルーフエッジ検出及び生成の原理図、図１０はジャン
プエッジ検出の原理図である。図１１は図４におけるス
テップＳ４３の詳細なフローチャートである。

【００１４】図２に従って全体の処理の流れの説明をす
る。まず、データ記憶部２に格納された距離画像を取り
出し（ステップＳ２１）、これを表示部４に表示する
（ステップＳ２２）。次に、取り出した距離画像の各画
素に対して単位法線ベクトルをそれぞれ計算し（ステッ
プＳ２３）、これを表示部４に表示する（ステップＳ２
４）。この時、必要であれば計算によって求めた単位法
線ベクトルをデータ記憶部２に格納する。次に、エッジ
を検出するためのしきい値θ（ｄｅｇ）をキーボード５
により入力する（ステップＳ２５）。そして、ルーフエ
ッジ検出のしきい値αを、 α＝ｃｏｓθ により、ジャンプエッジ検出のしきい値βを、 β＝ｃｏｓ（９０°−θ）により計算する（ステップＳ２６，２７）。

【００１５】この後、図３に示したように、左から右，
上から下という順で、距離画像の各画素を走査しながら
処理を進めるが、走査を開始する前に、走査の間隔をキ
ーボード５より入力する（ステップＳ２８）。この走査
の間隔は、物体の形状や検出したいエッジに依存し、こ
れを自動的に決めるようにすることも可能である。な
お、走査間隔の最小単位は１画素である。そして、走査
する画素があるかどうかを判定しながら（ステップＳ２
９）、走査画素が無くなるまでエッジ検出・生成処理
（ステップＳ３０）を繰り返す。走査が終了したら、エ
ッジマップを表示部４上に表示し（ステップＳ３１）、
これをデータ記憶部２に格納して（ステップＳ３２）、
処理を終了する。

【００１６】次に、図４に従って図２のステップＳ３０
のエッジ検出・生成処理の詳細な手順を示す。まず、図
７に示されたように、注目画素とその８近傍画素の内の
５画素の距離値と単位法線ベクトルとを読み出す（ステ
ップＳ４１）。次に図５に示されるように、方向のエッ
ジを検出及び生成する。処理の順番に特に意味はない
が、本実施例では、横（コード１），斜め（コード２，
８），縦（コード４）の順に処理を行なう（ステップＳ
４２，４３，４４）。そして、最後に注目画素の周囲に
依存するエッジの状態をエッジマップ記憶部ｄ３に記録
する（ステップＳ４５）。エッジマップ記憶部ｄ３に
は、各画素の持つエッジがチェインコードとしてコード
値の論理和で記録され、注目画素から見てどの方向のエ
ッジが存在するかが保存されることになる。また、この
時の走査間隔をエッジマップ記憶部ｄ３に記録しておく
ことで、エッジの長さも保存される。

【００１７】次に、図８に従って図４のステップＳ４
２，Ｓ４４の横エッジ及び縦エッジ検出・生成処理の詳
細な手順を示す。まず、２つの画素の持つ単位法線ベク
トルのなす角度φ１のコサインγ１を計算する（ステッ
プＳ８１）。ここで言う２つの画素とは、横エッジの場
合は図７における画素１，画素６、縦エッジの場合は画
素４，画素６を指す。いま、２つの画素の持つ単位法線
ベクトルを（ｘ_i ，ｙ_i ，ｚ_i ）、（ｘ_j ，ｙ_j ，ｚ
_j ）とすると、γ１は、 γ１＝ｃｏｓφ１＝ｘ_i ｘ_j ＋ｙ_i ｙ_j ＋ｚ_i ｚ_j となる。この時、｜γ１｜＜｜α｜（ステップＳ８２）
ならば、ルーフエッジを検出或は生成したとして（ステ
ップＳ８３）、この処理を終了する。図９はルーフエッ
ジが検出或は生成される原理を図示したもので、（ａ）
が検出・生成される場合、（ｂ）が検出・生成されない
場合である。

【００１８】ステップＳ８２の条件が成り立たなかった
時には、ジャンプエッジの検出処理を行なう。ジャンプ
エッジの検出処理はまず、前述の２画素の内の１つの単
位法線ベクトルと、２画素間を結ぶ直線の単位法線ベク
トル（ｘ_k ，ｙ_k ，ｚ_k ）のなす角φ２のコサインγ２
を計算する（ステップＳ７４）。 γ２＝ｃｏｓφ２＝ｘ_i ｘ_k ＋ｙ_i ｙ_k ＋ｚ_i ｚ_k この時、｜γ２｜＞｜β｜（ステップＳ８５）ならば、
ジャンプエッジを検出したとする（ステップＳ８６）。
これで、図８で示される処理は終了である。図１０は、
ジャンプエッジが検出される原理を図示したもので、
（ａ）がジャンプエッジが検出される場合、（ｂ）が検
出されない場合である。

【００１９】次に、図１１に従って図４のステップＳ４
３の斜めエッジ検出・生成処理の詳細な手順を示す。ま
ず、２組の画素の持つ単位法線ベクトルのなす角度φ
１，φ２のコサインγ１１，γ１２をそれぞれ計算する
（ステップＳ１１１）。ここで言う２組の画素とは、図
７における画素２，画素６の組と、画素３，画素５の組
を指す。内積の計算方法は、横エッジ，縦エッジの場合
と同じである。

【００２０】この時、｜γ１１｜＜｜α｜、または、｜
γ１２｜＜｜α｜（ステップＳ１１２）ならば、ルーフ
エッジを検出或は生成とするが、図６で示すように、コ
ード２とコード８のルーフエッジは交差するので、どち
らか一方を選ぶ。本実施例では、｜γ１１｜＜｜γ１２
｜（ステップＳ１１３）ならば、コード８のルーフエッ
ジを検出或は生成とし（ステップＳ１１４）、ステップ
Ｓ１１３が成り立たなかったならば、コード２のルーフ
エッジを検出或は生成として、この処理を終了する。

【００２１】ステップＳ１１２が成り立たなかった時に
は、ジャンプエッジの検出処理を行なう。ジャンプエッ
ジの検出は、横エッジ，縦エッジとの場合と同様に、γ
２１，γ２２の値を計算し（ステップＳ１１６）、βと
比較することによって行なう（ステップＳ１１７，１１
０８，１１０９，１１１０）。図１２から図１４は本実
施例の動作結果例を示す図である。図１２は入力された
距離画像を、手前を明るく奥を暗くというように表示し
た場合（ａ）と、鳥瞰表示した場合（ｂ）の結果であ
る。図１３は入力された距離画像から法線ベクトルを計
算し、これを所謂「いがぐり表現」で表示した結果であ
る。

【００２２】図１４は本実施例によって作成されたエッ
ジマップを表示した結果である。（ａ）は走査間隔を２
画素毎に、（ｂ）は走査間隔を４画素毎に、（ｃ）は走
査間隔を８画素毎に、（ｄ）は走査間隔を１６画素毎に
した結果である。

【００２３】

【他の実施例】他の実施例を図１５に示し、これを説明
する。まず、データ記憶部２に格納された距離画像及び
法線ベクトルを取り出す（ステップＳ１５１，Ｓ１５
２）。次に、エッジを検出するためのしきい値φ（ｄｅ
ｇ）をキーボード５により入力する（ステップＳ１５
３）。そして、ルーフエッジ検出のしきい値αを α＝ｃｏｓθ により、ジャンプエッジ検出のしきい値βを β＝ｃｏｓ（９０°−θ）により計算する（ステップＳ１５４，１５０５）。

【００２４】この後、図３に示したように、左から右、
上から下という順序で、距離画像の各画素を走査しなが
ら処理を進めるが、走査を開始する前に走査の間隔をキ
ーボード５より入力する（ステップＳ１５６）。そし
て、走査する画素があるかどうかを判定しながら（ステ
ップＳ１５７）、注目画素が無くなるまでエッジ検出・
生成処理（ステップＳ１５８）を繰り返す。なお、ステ
ップＳ１５８は図４に示したもので良い、走査が終了し
たらエッジマップをデータ記憶部２に格納して（ステッ
プＳ１５９）、処理を終了する。ここで、ステップＳ１
５８のエッジ検出・生成処理は、図２のステップＳ３０
と同様である。

【００２５】尚、本発明は、複数の機器から構成される
システムに適用しても、１つの機器から成る装置に適用
しても良い。また、本発明はシステム或は装置にプログ
ラムを供給することによって達成される場合にも適用で
きることは言うまでもない。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
処理対象によって入力した距離画像を適当な間隔で間引
いて処理することにより、処理に必要な資源，計算量を
少なくすることができる。また、この時間引く間隔を変
えることで、検出または生成されるエッジが持つ情報
（表面形状の特徴等）を、任意にコントロールすること
ができる。

【００２７】次に、エッジの検出と同時に曲面を平面に
分割するようなルーフエッジを生成することにより、平
面によって物体形状の近似処理にエッジマップを直接利
用でき、物体形状のポリゴンデータが容易に作成きる。
次に、検出或は生成されたエッジを線分としてチェイン
コードからなるエッジマップに記録することにより、少
ないデータ量でエッジ情報が記録でき、また、従来のチ
ェインコード処理に関する技術やグラフ論理を適用する
ことでエッジ情報の加工が容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である距離画像処理装置の基本
構成図である。

【図２】本実施例の全体の処理の流れを示すフローチャ
ートである。

【図３】処理を行なうための走査順序を示す図である。

【図４】エッジマップ作成処理の流れを示すフローチャ
ートである。

【図５】注目画素と検出或は生成するエッジの方向との
関係を示した概念図である。

【図６】本実施例での注目画素と実際に検出或は生成す
るエッジの方向との関係を示した図である。

【図７】注目画素とその８近傍画素を示す図である。

【図８】横エッジ及び縦エッジの検出・生成処理の流れ
を示すフローチャートである。

【図９】ルーフエッジ検出及び生成の原理図である。

【図１０】ジャンプエッジ検出の原理図である。

【図１１】斜めの検出・生成処理の流れを示すフローチ
ャートである。

【図１２】入力された距離画像を表示した例を示す図で
ある。

【図１３】法線ベクトルを表示した例を示す図である。

【図１４】エッジマップを表示した例を示す図である。

【図１５】他の実施例の全体の処理の流れを示すフロー
チャートである。

【符号の説明】１…プログラム記憶部、２…データ記憶部、３…ＣＰ
Ｕ、４…表示部、５…キーボード、６…マウス、７…レ
ンジファインダ、ｐ１…エッジマップ生成プログラム、
ｐ２…法線ベクトル計算プログラム、ｐ３…データ表示
プログラム、ｐ４…データ入出力プログラム、ｄ１…距
離画像記憶部、ｄ２…法線ベクトル記憶部、ｄ３…エッ
ジマップ記憶部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉崎修東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３次元物体表面の各点と基準面との垂直
距離を与える距離画像から、物体の表面形状を示すエッ
ジマップを作成する３次元形状モデル処理方法であっ
て、適当な間隔で距離画像を間引きながら、距離画像からエ
ッジを検出すると共に、物体表面の曲面を平面に分割す
る新なエッジを生成し、検出或は生成されたエッジを表現するエッジマップを作
成することを特徴とする３次元形状モデル処理方法。
【請求項２】前記検出されるエッジはジャンプエッジ
及びルーフエッジを含み、前記生成される新なエッジは
ルーフエッジであることを特徴とする請求項１記載の３
次元形状モデル処理方法。
【請求項３】距離画像を入力・保持する行程を設ける
ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状モデル処理
方法。
【請求項４】法線ベクトルを入力・保持する行程を設
けることを特徴とする請求項１記載の３次元形状モデル
処理方法。
【請求項５】入力した距離画像から法線ベクトルを計
算・保持する行程を設けることを特徴とする請求項１記
載の３次元形状モデル処理方法。
【請求項６】計算した法線ベクトルを外部に格納する
行程を設けることを特徴とする請求項５記載の３次元形
状モデル処理方法。
【請求項７】作成したエッジマップを外部に格納する
行程を設けることを特徴とする請求項１記載の３次元形
状モデル処理方法。
【請求項８】入力した距離画像を表示する行程をさら
に設けることを特徴とする請求項３記載の３次元形状モ
デル処理方法。
【請求項９】入力した法線ベクトルを表示する行程を
さらに設けることを特徴とする請求項４記載の３次元形
状モデル処理方法。
【請求項１０】計算した法線ベクトルを表示する行程
をさらに設けることを特徴とする請求項５記載の３次元
形状モデル処理方法。
【請求項１１】作成したエッジマップを表示する行程
をさらに設けることを特徴とする請求項１記載の３次元
形状モデル処理方法。
【請求項１２】処理に必要なパラメータや指示を入力
する行程を設けることを特徴とする請求項１記載の３次
元形状モデル処理方法。
【請求項１３】３次元物体表面の各点と基準面との垂
直距離を与える距離画像から、物体の表面形状を示すエ
ッジマップを作成する３次元形状モデル処理装置であっ
て、適当な間隔で距離画像を間引きながら、距離画像からエ
ッジを検出する手段と、物体表面の曲面を平面に分割するエッジを生成する手段
と、検出或は生成されたエッジを線分として表現するエッジ
マップを作成する手段とを備えることを特徴とする３次
元形状モデル処理装置。
【請求項１４】前記検出されるエッジはジャンプエッ
ジ及びルーフエッジを含み、前記生成される新なエッジ
はルーフエッジであることを特徴とする請求項１３記載
の３次元形状モデル処理装置。
【請求項１５】距離画像を入力・保持する手段を備え
ることを特徴とする請求項１３記載の３次元形状モデル
処理装置。
【請求項１６】法線ベクトルを入力・保持する手段を
備えることを特徴とする請求項１３記載の３次元形状モ
デル処理装置。
【請求項１７】入力した距離画像から法線ベクトルを
計算して保持する手段を備えることを特徴とする請求項
１３記載の３次元形状モデル処理装置。
【請求項１８】計算した法線ベクトルを外部に格納す
る手段を備えることを特徴とする請求項１７記載の３次
元形状モデル処理装置。
【請求項１９】作成したエッジマップを外部に格納す
る手段をを備えることを特徴とする請求項１３記載の３
次元形状モデル処理装置。
【請求項２０】入力した距離画像を表示する手段を備
えることを特徴とする請求項１５記載の３次元形状モデ
ル処理装置。
【請求項２１】入力した法線ベクトルを表示する手段
を備えることを特徴とする請求項１６記載の３次元形状
モデル処理装置。
【請求項２２】計算した法線ベクトルを表示する手段
を備えることを特徴とする請求項１７記載の３次元形状
モデル処理装置。
【請求項２３】作成したエッジマップを表示する手段
を備えることを特徴とする請求項１３記載の３次元形状
モデル処理装置。
【請求項２４】処理に必要なパラメータや指示を入力
する手段を備えることを特徴とする請求項１３記載の３
次元形状モデル処理装置。