JP7105448B2 - Shape estimation device, shape estimation method and program - Google Patents
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Description
本発明は、形状推定装置、形状推定方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a shape estimation device, a shape estimation method and a program.
近年、車両に搭載された多数の小型無線機能付きセンサをネットワーク化し、データを収集して、様々なアプリケーションに用いようとする試みがなされている。特に、センサは廉価、低消費電力、低機能であり、車両の位置も必要としない(位置に関する秘匿性を保った)状況を想定することが望ましい。 2. Description of the Related Art In recent years, attempts have been made to network a large number of small sensors with wireless functions installed in vehicles, collect data, and use them for various applications. In particular, it is desirable to assume a situation in which the sensor is inexpensive, has low power consumption, and has low functionality, and does not require the position of the vehicle (secrecy regarding the position is maintained).
このような条件の下で、対象物の大きさや形状を推定する方法が提案されている。非特許文献1では、直線運動する多数の車両に搭載された距離センサからデータを収集し、統計的な処理を施すことで、凸多角形状の対象物の全体形状を推定する方法が提案されている。
Under such conditions, methods have been proposed for estimating the size and shape of an object. Non-Patent
しかしながら、実際の対象物は曲線部分を含むものが多く、そのような対象物に対しては、多角形状を仮定する上記従来技術では全体形状を推定できない。また、上記従来技術は、センサを搭載した車両の軌道が一様分布など特定の分布に従っていることを仮定して統計的な処理を行っており、車両の軌道がこのような仮定を満たさない場合には高精度な形状推定は困難である。 However, many actual objects include curved portions, and for such objects, the above-described prior art, which assumes a polygonal shape, cannot estimate the overall shape. Further, in the above-described prior art, statistical processing is performed on the assumption that the trajectory of a vehicle equipped with a sensor follows a specific distribution such as a uniform distribution. However, it is difficult to estimate the shape with high accuracy.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、必ずしも特定の分布によらず運動するセンサを使用して対象物の全体形状の推定を可能とすることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to enable estimation of the overall shape of an object using a moving sensor that does not necessarily depend on a specific distribution.
そこで上記課題を解決するため、形状推定装置は、それぞれが移動する複数のセンサ端末による、固定された物体と前記センサ端末との距離についての時系列の測定結果に基づいて、前記センサ端末ごとに前記物体の部分形状、並びに前記物体の曲率関数及び弧長を計算する計算部と、前記曲率関数及び弧長に基づいて前記部分形状の間の重複部分を検出し、前記重複部分で前記部分形状を接続して、前記物体の全体形状を推定する推定部と、を有する。
Therefore, in order to solve the above problems, a shape estimating device is provided for each sensor terminal based on time-series measurement results of the distance between a fixed object and the sensor terminal, which are obtained by a plurality of moving sensor terminals. a calculation unit for calculating a partial shape of the object and a curvature function and an arc length of the object; detecting an overlapping portion between the partial shapes based on the curvature function and the arc length; and an estimating unit for estimating the overall shape of the object by connecting the .
必ずしも特定の分布によらず運動するセンサを使用して対象物の全体形状の推定を可能とすることができる。 Moving sensors, not necessarily with a particular distribution, can be used to allow estimation of the overall shape of an object.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の実施の形態における形状推定システムの構成例を示す図である。本実施の形態における形状推定システムは、形状推定装置10と、センサ端末d1~センサ端末dN~のN~個のセンサ端末(以下、それぞれを区別しない場合「センサ端末d」という。)とを含む。形状推定装置10と各センサ端末dとは、有線又は無線のネットワークを介して接続される。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below based on the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a shape estimation system according to an embodiment of the present invention. The shape estimation system according to the present embodiment includes
各センサ端末dは、監視対象領域内に存在する、形状の推定対象の物体(以下、「対象物T」という。)を検出するとともに、対象物Tまでの距離を測定する距離センサである。 Each sensor terminal d is a distance sensor that detects an object whose shape is to be estimated (hereinafter referred to as “target object T”) existing within the monitoring target area and measures the distance to the target object T.
各センサ端末dは、モータ、車輪などの運動手段を備えているか、車両などの運動する別の装置等の移動体である運動部に搭載又は接続されている。したがって、各センサ端末dは、空間的に移動している。各センサ端末dは、シャープな指向性を持つ距離センサ端末であって、対象物Tとの距離がrmax以下のとき、対象物Tまでの距離r(0≦r≦rmax)を測定結果(以下、「センシングデータ」という。)として得て、センシングデータを形状推定装置10に送信する。なお、各センサ端末dの配置位置はランダムである。
Each sensor terminal d is provided with a motion means such as a motor and wheels, or is mounted on or connected to a motion section which is a moving body such as another device that moves such as a vehicle. Therefore, each sensor terminal d is spatially moving. Each sensor terminal d is a distance sensor terminal having sharp directivity, and when the distance to the object T is r max or less, the distance r (0≦r≦r max ) to the object T is measured. (hereinafter referred to as “sensing data”), and transmits the sensing data to the
形状推定装置10は、センシングデータに基づいて対象物Tの全体形状を推定する1以上のコンピュータである。形状推定装置10は、センサ端末dからセンシングデータを受信し、後述の数式(1)-(6)に基づいて、センサ端末dごとに、対象物Tの部分形状及び曲線的な表面情報(曲率関数、弧長)を計算し、全体形状の推定を行う。数式(1)-(6)は、曲線状の対象物Tに適用できるものであり、またセンサ端末dの軌道分布にも依存しないものであるため、必ずしも特定の分布によらず運動するセンサ端末dを使用して、曲線部分を含む対象物の全体形状の推定を行うことができる。
The
形状推定結果は、形状推定装置10からユーザ端末20に送信される。ユーザ端末20は、当該形状推定結果を表示する端末である。
A shape estimation result is transmitted from the
図2は、本発明の実施の形態において与えられる問題設定を説明するための図である。なお、以下で説明する問題設定は一例に過ぎず、適用可能な問題設定はこれに限られるわけではない。 FIG. 2 is a diagram for explaining problem setting given in the embodiment of the present invention. Note that the problem setting described below is merely an example, and the applicable problem setting is not limited to this.
図2において、対象物Tは、凸閉曲線∂Tで囲まれた領域であり、十分広い監視対象領域Ω内に固定されている。∂Tの各点は、弧長パラメタsを用いることで表現できる。弧長パラメタの起点s=0は、∂T上の或る一点とし、反時計回りを正方向とする。また、sは適宜mod|∂T|で考える(|∂T|はTの周囲長)。すなわち、sは、∂Tの周囲長に対する余りの値で考える。また、正方向を向いた接線ベクトルとx軸方向のなす角は、sの関数であり、ξ(s)∈[0,2π)と記す。 In FIG. 2, an object T is an area surrounded by a closed convex curve ∂T and is fixed within a sufficiently wide monitoring area Ω. Each point of ∂T can be represented using an arc length parameter s. The starting point s=0 of the arc length parameter is a certain point on ∂T, and the counterclockwise direction is the positive direction. Also, s is appropriately considered mod |∂T| (|∂T| is the perimeter of T). That is, s is considered as a remainder of the perimeter of ∂T. Also, the angle between the tangent vector pointing in the positive direction and the x-axis direction is a function of s and is denoted by ξ(s)ε[0,2π).
センサ端末dは、一定速度vで直線運動する(例えば、直線運動する車両に搭載されている)。但し、センサ端末dの初期位置は未知である。また、センサ端末dの進行方向とx軸方向のなす角φは未知である。各センサ端末dの識別情報であるセンサ番号は、各変数に下添え字iで表す(φiなど)が、一つのセンサ端末dについて議論するときは省略することがある。センシング領域(センサ端末dが対象物Tを検出可能な領域(範囲))は、半径rmax、センサ端末dの軌道(センサ軌道)とのなす角度[-θmax,θmax]内の扇形領域(θmax∈[0,π/2])であり、センシング領域内に対象物Tが入ったとき、各センサ端末dは各時刻tにおける対象物Tまでの距離r(t)≦rmaxを得る(測定する)。センシング領域内に対象物Tが無いときはr(t)=Φ(空集合)、センサ端末dが対象物T内に含まれるときはr(t)=0とする。形状推定においては、センシングデータが∀t(r(t)>0 or r(t)=Φ)かつ∃t(r(t)≠Φ)を満たすようなセンサ端末dのみ用いることとする。このようなセンサ端末dを有効なセンサ端末dと呼び、対応するセンシングデータを有効なセンシングデータと呼ぶことにする。なお、センシングデータは、あくまで対象物Tまでの距離r(t)に関する情報であって、対象物Tがセンサ端末dの進行方向に対してどの方向に検知されたかの情報θ(t)は、明示的には含まれていない状況が想定されている。センシングデータ{ri(t)}iは、全て形状推定装置10に送信され、形状推定装置10はそれらを用いて、後述の形状推定方法に基づいて∂Tの形状を求める。
The sensor terminal d moves linearly at a constant speed v (for example, it is mounted on a vehicle that moves linearly). However, the initial position of the sensor terminal d is unknown. Also, the angle φ between the traveling direction of the sensor terminal d and the x-axis direction is unknown. The sensor number, which is the identification information of each sensor terminal d, is indicated by a subscript i in each variable (φi, etc.), but may be omitted when discussing one sensor terminal d. The sensing area (the area (range) in which the sensor terminal d can detect the object T) is a fan-shaped area within the angle [−θ max , θ max ] between the radius r max and the trajectory of the sensor terminal d (sensor trajectory). (θ max ∈[0, π/2]), and when the object T enters the sensing area, each sensor terminal d determines the distance r(t)≦r max to the object T at each time t. get (measure) When there is no object T within the sensing area, r(t)=Φ (empty set), and when the sensor terminal d is included in the object T, r(t)=0. In shape estimation, only sensor terminals d whose sensing data satisfy ∀t (r(t)>0 or r(t)=Φ) and ∃t (r(t)≠Φ) are used. Such a sensor terminal d will be called a valid sensor terminal d, and the corresponding sensing data will be called valid sensing data. Note that the sensing data is only information about the distance r(t) to the target object T, and the information θ(t) indicating in which direction the target object T is detected with respect to the advancing direction of the sensor terminal d is not specified. It is assumed that it is not actually included. All the sensing data {r i (t)} i are transmitted to the
続いて、形状推定の際に用いる重要な数式(1)-(6)を提示する。一つの有効なセンサ端末dが対象物Tをセンシングする際について考察する。簡単のため、センサ端末dの進行方向をx軸方向とし、時刻tにおけるセンサ端末dの位置を、t(vt,0)とする。すなわち、-φ回転した座標系で考える。また、センサ端末dが対象物Tを初めてセンシングした瞬間(r(t)≠Φとなった瞬間)をt=0とする。対象物Tは、センサ端末dの進行方向左側の領域(y>0,θ>0)にあるものとする(対象物Tが進行方向右側の領域にある場合は得られた形状を左右反転すればよい。)。r(t)の一階微分、二階微分をそれぞれr'(t)、r''(t)のように記す。 Next, important equations (1)-(6) used for shape estimation are presented. Consider the case when one valid sensor terminal d senses an object T. For simplicity, let the traveling direction of the sensor terminal d be the x-axis direction, and let the position of the sensor terminal d at time t be t (vt, 0). In other words, consider a -φ rotated coordinate system. Also, the moment when the sensor terminal d senses the object T for the first time (the moment when r(t)≠Φ) is assumed to be t=0. The object T is assumed to be in the area (y>0, θ>0) on the left side of the sensor terminal d in the traveling direction (if the object T is in the area on the right side in the traveling direction, the obtained shape should be horizontally reversed). should be fine.). The first and second derivatives of r(t) are denoted as r'(t) and r''(t), respectively.
このような設定で、センシングデータr(t)から対象物Tの具体的な部分形状(センサ端末dでセンシングされた部分)を曲線群の包絡線として求める数式が得られる。θ∈(0、θmax)のとき、∂Tの部分形状は、時刻tをパラメタとして、以下の数式(1)で与えられる。 With such a setting, a mathematical formula is obtained from the sensing data r(t) to determine the specific partial shape of the object T (the portion sensed by the sensor terminal d) as the envelope of the curve group. When θε(0, θ max ), the partial shape of ∂T is given by the following equation (1) with time t as a parameter.
また、時刻tにセンシングした箇所の弧長パラメタ、曲率は、それぞれ以下の数式(2)、数式(3)で与えられる。 Also, the arc length parameter and curvature of the point sensed at time t are given by the following formulas (2) and (3), respectively.
形状推定装置10での処理を実現するプログラムは、CD-ROM等の記録媒体101によって提供される。プログラムを記憶した記録媒体101がドライブ装置100にセットされると、プログラムが記録媒体101からドライブ装置100を介して補助記憶装置102にインストールされる。但し、プログラムのインストールは必ずしも記録媒体101より行う必要はなく、ネットワークを介して他のコンピュータよりダウンロードするようにしてもよい。補助記憶装置102は、インストールされたプログラムを格納すると共に、必要なファイルやデータ等を格納する。
A program for realizing processing in the
メモリ装置103は、プログラムの起動指示があった場合に、補助記憶装置102からプログラムを読み出して格納する。CPU104は、メモリ装置103に格納されたプログラムに従って形状推定装置10に係る機能を実行する。インタフェース装置105は、ネットワークに接続するためのインタフェースとして用いられる。
The
図4は、本発明の実施の形態における形状推定装置10の機能構成例を示す図である。図4において、形状推定装置10は、受信部11、部分形状計算部12及び部分形状接続部13等を有する。これら各部は、形状推定装置10にインストールされた1以上のプログラムが、CPU104に実行させる処理により実現される。形状推定装置10は、また、データ記憶部14を利用する。データ記憶部14は、例えば、補助記憶装置102、又は形状推定装置10にネットワークを介して接続可能な記憶装置等を用いて実現可能である。
FIG. 4 is a diagram showing a functional configuration example of the
受信部11は、各センサ端末dからセンシングデータを受信し、当該センシングデータをデータ記憶部14に記憶する。データ記憶部14には、各センサ端末dのセンシングデータが時系列に記憶される。
The receiving
部分形状計算部12は、数式(1)-(6)を用いて、各センシングデータri(t)に基づき、センサ端末dごとに、対象物Tの部分形状、及び当該部分形状部分曲線的な表面情報(弧長及び曲率)を計算する。有効なセンサ端末d数がnsあれば、ns個の(センサ端末dごとの)部分形状と、ns個の(センサ端末dごとの)時系列の(各tの)弧長、及びns個の(センサ端末dごとの)時系列の(各tの)曲率が得られる。
The partial
部分形状接続部13は、部分形状計算部12が計算したns個の部分形状を適切に接続し、対象物Tの全体形状を推定する。
The partial
以下、形状推定装置10が実行する処理手順について説明する。図5は、形状推定装置10が実行する処理手順の一例を説明するためのフローチャートである。なお、図5の開始時点において、データ記憶部14には、センシングデータ{ri(t)}i=1
nsが時系列に記憶されている(有効なセンサ端末d数をnsとした)。
A processing procedure executed by the
ステップS101において、部分形状計算部12は、変数iに1を代入する。変数iは、ns個のセンサ端末dのうち、処理対象とされているセンサ端末dを識別するための変数である。続いて、部分形状計算部12は、変数tに0を代入する(S102)。変数tは、センサ端末diのセンシングデータriのうち、時刻tにおけるセンシングデータri(t)を識別するための変数である。
In step S101, the
続いて、部分形状計算部12は、riについて時刻tにおけるr'/vを計算し、条件式(#)が満たされているか否かを判定する(S103)。なお、形状推定装置10にとってvの値は既知である。例えば、予め補助記憶装置102等にvの値が記憶されていてもよい。
Subsequently, the
条件式(#)が満たされる場合(S103でYes)、部分形状計算部12は、数式(1)に基づいて、部分形状(t)(x(t)及びy(t))を計算する(S104)。続いて、部分形状計算部12は、数式(2)に基づいて、弧長s(t)を計算する(S105)。続いて、部分形状計算部12は、数式(3)に基づいて、曲率κ(t)を計算する(S106)。部分形状計算部12は、例えば、メモリ装置103に各計算結果を記憶しておく。
If the conditional expression (#) is satisfied (Yes in S103), the
一方、条件式(#)が満たされない場合(S103でNo)、部分形状計算部12は、数式(4)に基づいて、部分形状(t)(x(t)及びy(t))を計算する(S107)。続いて、部分形状計算部12は、数式(5)に基づいて、弧長s(t)を計算する(S108)。続いて、部分形状計算部12は、数式(6)に基づいて、曲率κ(t)を計算する(S109)。部分形状計算部12は、例えば、メモリ装置103に各計算結果を記憶しておく。
On the other hand, if the conditional expression (#) is not satisfied (No in S103), the
ステップS106又はS109に続いて、部分形状計算部12は、tに1を加算する(S110)。続いて、部分形状計算部12は、ri(t)がΦであるか否かを判定する(S111)。すなわち、ri(t)が無効なセンシングデータであるか否かが判定される。ri(t)がΦでない場合、すなわち、ri(t)が有効なセンシングデータである場合(S111でNo)、部分形状計算部12は、ステップS103以降を繰り返す。その結果、センサ端末diに関して、部分形状(t)、弧長s(t)及び曲率κ(t)の時系列が得られる。なお、部分形状計算部12は、部分形状(t)の時系列を接続することで、有効なセンシングデータriに基づく、∂Tの部分形状を得る。
Following step S106 or S109, the
一方、ri(t)がΦである場合、すなわち、ri(t)が無効なセンシングデータである場合(S111でYes)、部分形状計算部12は、iに1を加算する(S112)。続いて、部分形状計算部12は、iの値がns以下であるか否かを判定する(S113)。iの値がns以下である場合(S113でNo)、部分形状計算部12は、ステップS103以降を繰り返す。
On the other hand, if r i (t) is Φ, that is, if r i (t) is invalid sensing data (Yes in S111), the
一方、iの値がnsを超える場合(S113でYes)、ステップS114以降が実行される。この時点において、ns個の(センサ端末dごとの)部分形状と、ns個の(センサ端末dごとの)時系列の(各tの)弧長、及びns個の(センサ端末dごとの)時系列の(各tの)曲率が得られている。 On the other hand, if the value of i exceeds ns (Yes in S113 ), step S114 and subsequent steps are executed. At this point, there are ns partial shapes (for each sensor terminal d), ns arc lengths (for each t ) of the time series (for each sensor terminal d), and ns (for each sensor terminal d The curvature of the time series (for each t) is obtained.
ステップS114以降において、部分形状接続部13は、部分形状を接続して対象物Tの全体形状を推定するための処理を実行する。ここで、部分形状の重複部分を見つけ接続を行うこともできるが、数式(1)、(4)を用いて求めた部分形状は、座標の回転角度φの情報が無く、適当な接続部分を見つけるのが困難である。そこで、数式(3)、(6)を用いて求めた曲率κ(t)を弧長パラメタ表示に変換した曲率関数κ(s)を用いるとよい。曲率関数κ(s)は、数式(2)、(3)、(5)、(6)から容易に求めることができる。曲率関数κ(s)は、部分形状固有の関数であり、座標の回転角度φに依存しないため、曲率関数κ(s)が示す曲線の重複部分を容易に見つけることができる。以下では、センサ端末dごとに得られる曲率関数κ(s)を指す際には、対象物Tの部分的な曲率であることを強調して、「部分曲率関数」と呼ぶことにする。
After step S114, the partial
ステップS114において、部分形状接続部13は、ns個の部分形状をns個の部分曲率関数に変換する。続いて、部分形状接続部13は、各部分曲率関数が示す曲線について、他の部分曲率関数が示す曲線との間で少なくとも一部の重複部分を検出する(S115)。なお、当該重複部分は、全部の部分曲率関数の間で重複する(共通な)部分でなくてよい。当該各重複部分は、少なくとも2つの部分曲率関数の間で検出されればよい。続いて、部分形状接続部13は、複数通りの部分曲率関数の組み合わせのそれぞれごとに、曲率関数の全体像を構成する(S116)。例えば、センサ端末dが5つの場合には、5個の部分曲率関数が得られていることになるが、それぞれが、この5個のうちの一部又は全部の部分曲率関数を含む複数通りの組み合わせが生成され、組み合わせごとに全体像が構成される。同一の部分曲率関数が複数の組み合わせに属してもよい。
In step S114, the partial
続いて、部分形状接続部13は、閾値以上の組み合わせにおいて整合性の有る全体像を構成できたか否かを判定する(S117)。整合性の有る全体像とは、同一の全体像をいう。また、閾値は、組み合わせの総数に対する割合を示す値であってもよいし、組み合わせの数を示す値であってもよい。
Subsequently, the partial
閾値以上の組み合わせにおいて整合性の有る全体像を構成できた場合(S117でYes)、部分形状接続部13は、整合性の有る全体像を構成できた組み合わせのうちのいずれかの組み合わせに係る各部分曲率関数に対応する部分形状を、ステップS115において検出された重複部分に該当する箇所で重なるように接続して、対象物T(∂T)の全体形状の推定値を生成する(S118)。
If a consistent overall image can be constructed in combinations equal to or greater than the threshold value (Yes in S117), the partial
続いて、ステップS115における部分曲率関数間の重複部分の検出方法の一例について説明する。但し、本実施の形態に適用可能な検出方法は、以下の例に限定されない。 Next, an example of a method for detecting overlapping portions between partial curvature functions in step S115 will be described. However, the detection method applicable to this embodiment is not limited to the following examples.
[(A)曲率関数の特徴点に着目する]
曲率関数は、微分不可能点や平面曲線の頂点(dκ/ds=0なる点)、変曲点(前後でd2κ/ds2の符号が変わる点)を持つことがある。これらは閉曲線上の特徴的な点であるため、重複部分の候補として極めて有力となる。特に、滑らかな曲線に関しては、「凸閉曲線に関する4頂点定理:C3級凸閉曲線には少なくとも4つ頂点が存在する」という定理が知られている。滑らかでない曲線であれば、微分不可能点や高階で微分不可能な点が存在する。すなわち、どのような対象物Tであっても何かしらの特徴点は存在していると考えてよい。
[(A) Focusing on the feature points of the curvature function]
The curvature function may have a non-differentiable point, a plane curve vertex (dκ/ds=0), and an inflection point (a point where the sign of d 2 κ/ds 2 changes before and after). Since these are characteristic points on the closed curve, they are extremely strong candidates for overlapping portions. In particular, for smooth curves, the theorem "Four Vertex Theorem for Convex Curves: There are at least four vertices in a C 3 class convex curve" is known. A non-smooth curve has non-differentiable points and higher-order non-differentiable points. In other words, it can be considered that any object T has some kind of feature point.
[(B)特徴点間の弧長を算出する]
重複部分であれば、(A)で見つけた特徴点間の弧長も等しくなるはずである。各部分曲率関数に対し特徴点間の弧長をリストアップしておけば、重複部分の判定が容易である。
[(B) Calculate arc length between feature points]
If it is an overlapping part, the arc lengths between the feature points found in (A) should also be equal. By listing the arc lengths between the feature points for each partial curvature function, it is easy to determine overlapping portions.
[(C)特徴点の個数をカウントする]
楕円形などのように同じ曲率値をもつ頂点が複数ある場合や、長方形のように類似した形状の微分不可能点が複数ある場合は、接続の判定が面倒になるが、以下の手順を踏むことでその個数を求め、全体形状の推定や重複部分の検出に役立てることができる。但し、ここでは非特許文献1と同様にセンサ端末dの軌道が一様分布に従うことを仮定するため、この仮定が満たされない場合は、ここで述べる方法は用いない。
[(C) Count the number of feature points]
When there are multiple vertices with the same curvature value, such as an ellipse, or when there are multiple non-differentiable points with similar shapes, such as a rectangle, it becomes troublesome to determine the connection, but follow the steps below. By doing so, the number can be obtained, which can be used for estimating the overall shape and detecting overlapping portions. However, since it is assumed here that the trajectory of the sensor terminal d follows a uniform distribution as in
まず、部分曲率関数の中に対象とする一点(曲率関数の微分不可能点、平面曲線の頂点、変曲点など)を含んでいる部分曲率関数の数(すなわち、部分曲率関数に対応するセンサ端末dの数(有効でないセンサ端末dも含む))をカウントし、これをncとする。次に、当該一点をセンシングするセンサ端末d数の期待値neを、以下の数式(7)に従って求める。 First, the number of partial curvature functions (i.e., the sensor corresponding to the partial curvature function Count the number of terminals d (including invalid sensor terminals d), and let this be nc . Next, the expected value n e of the number of sensor terminals d sensing the one point is obtained according to the following formula (7).
以上のように、対象物の全箇所をセンシングできるほど十分な量のセンサ端末dが存在していれば全体形状の推定は可能であり、センサ端末dの軌道が特定の分布に従っていることは((C)を用いる場合を除いて)仮定しない。また、数式(1)、(4)に従い部分形状を求めることで、対象物が曲線状であったとしても形状推定は可能であり、多角形状などの仮定は必要ない。 As described above, if there are enough sensor terminals d to sense all parts of the object, it is possible to estimate the overall shape. Not assumed (except when using (C)). Further, by obtaining the partial shape according to the formulas (1) and (4), the shape can be estimated even if the object is curved, and it is not necessary to assume a polygonal shape.
[理論的背景]
以下では、数式(1)、数式(2)、数式(3)の導出を述べる。対象物Tがセンシングされた点が滑らかであるとき、センサ端末dのセンシング方向と対象物Tのセンシングされた点における接線は直交する。すなわち、ξ-θ=3π/2が成り立つ。各時刻tにおいてこの関係が成り立つことより、対象物Tの境界∂Tは、中心t(vt,0)、半径r(t)の円に接し続けることになる。これは、∂Tが、tをパラメタとする曲線群f(x,y,t)=(x-vt)2+y2-r(t)2=0の包絡線となることを意味する。包絡線は、f=0と∂f/∂t=0を連立した、以下の数式(8)を、x,yについて解くことで求めることができる。
[Theoretical Background]
The derivation of Equation (1), Equation (2), and Equation (3) will be described below. When the sensed point of the object T is smooth, the sensing direction of the sensor terminal d and the tangent line at the sensed point of the object T are orthogonal. That is, ξ−θ=3π/2 holds. Since this relationship holds at each time t, the boundary ∂T of the object T keeps contacting the circle with the center t (vt, 0) and the radius r(t). This means that ∂T is the envelope of the family of curves f(x,y,t)=(x−vt) 2 +y 2 −r(t) 2 =0 parameterized by t. The envelope can be obtained by solving for x and y the following formula (8) in which f=0 and ∂f/∂t=0.
数式(2)は、数式(1)に基づき、以下の公式 Equation (2) is based on Equation (1), and the following formula
数式(3)は、数式(2)で得られたsを用いて、θ(t)をθ(s)へ変数変換し、それをsで微分することで得られる。 Equation (3) is obtained by variable conversion of θ(t) to θ(s) using s obtained in Equation (2) and differentiating it with respect to s.
続いて、数式(4)、数式(5)、数式(6)の導出を述べる。数式(4)は初等的な幾何計算で容易に導出できる。数式(5)は数式(4)に基づき、上述の公式を用いて容易に導出できる。数式(6)は、数式(5)で得られたsを用いてξをsで微分することで得られる。 Next, the derivation of equations (4), (5), and (6) will be described. Equation (4) can be easily derived by elementary geometric calculations. Equation (5) is based on Equation (4) and can be easily derived using the above formula. Equation (6) is obtained by differentiating ξ by s using s obtained by Equation (5).
上述したように、本実施の形態によれば、必ずしも特定の分布によらず運動(移動)するセンサ端末dを使用して、曲線部分を含む対象物の全体形状の推定を可能とすることができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to estimate the overall shape of an object including curved portions by using the moving (moving) sensor terminal d without necessarily depending on a specific distribution. can.
続いて、本実施の形態を用いて、楕円形を対象物Tとした場合のシミュレーションの実施結果について説明する。 Subsequently, using the present embodiment, the results of a simulation performed when an elliptical object T is used will be described.
図6は、シミュレーションの幾何学的な関係性を示す図である。図6に示されるように、半径100の円盤Ω(監視対象領域)の中心に、長径20、短径10の楕円形の対象物Tを配置する。500個のセンサ端末dを速度v=1(既知)で運動させる。各センサ端末dは、rmax=100、θmax=π/2とし、Δt=0.05刻みでセンシングデータr(t)を取得していく。 FIG. 6 is a diagram showing the geometric relationship of the simulation. As shown in FIG. 6, an elliptical object T having a major axis of 20 and a minor axis of 10 is arranged at the center of a disk Ω (monitoring target area) having a radius of 100. As shown in FIG. 500 sensor terminals d are moved with velocity v=1 (known). Each sensor terminal d sets r max =100, θ max =π/2, and acquires sensing data r(t) at intervals of Δt=0.05.
500個のセンシングデータから有効なセンシングデータ5個を選び出し、数式(1)及び(4)を用いて部分形状を算出したものが図7である。図7において、軸はスケールとして意味があるが、絶対的な値には意味がない。また、数式(2)、(5)、数式(3)、(6)から部分曲率関数を算出したものが図8である。図8において、sが横軸であり、κ(s)が縦軸である。 FIG. 7 is a result of selecting 5 effective sensing data from 500 sensing data and calculating the partial shape using the formulas (1) and (4). In FIG. 7, axes are meaningful as scales, but absolute values are meaningless. Also, FIG. 8 shows partial curvature functions calculated from formulas (2), (5), formulas (3), and (6). In FIG. 8, s is the horizontal axis and κ(s) is the vertical axis.
これらに基づいて、以下では部分形状接続ステップで述べた(A)、(B)、(C)の方法で全体形状を推定する。 Based on these, the overall shape is estimated by the methods (A), (B), and (C) described in the partial shape connection step below.
まず(A)に関して、図8中には、極小値0.025(×印)、極大値0.2(●印)の2種類の頂点が存在することがわかる。さらに(B)に関して、極大値を与える点と極小値を与える点の間の弧長は、図中で矢印で示されており、センサ端末d3とセンサ端末d5では、その長さは同じである。頂点周りが対称的な形状を成していること、ここに示した以外のセンシングデータでも同じような傾向が見られることを踏まえると、例えば、センサ端末d3→センサ端末d5→センサ端末d4→センサ端末d3の順で接続すれば、κ(s)の全体像が求まりそうなことがわかる。実際、図7の部分形状にも、曲率のグラフに対応する頂点を書き込んであり。これらのセンサ端末dに対応する部分形状を順に繋げると、確かに対象物Tの楕円形を高精度で再構成できる。 First, regarding (A), it can be seen that there are two types of vertices in FIG. 8, a minimum value of 0.025 (marked with x) and a maximum value of 0.2 (marked with ●). Furthermore, regarding (B), the arc length between the point giving the maximum value and the point giving the minimum value is indicated by an arrow in the figure, and the length is the same at sensor terminal d3 and sensor terminal d5. . Considering that the shape around the apex is symmetrical and that similar trends can be seen in sensing data other than those shown here, for example, sensor terminal d3→sensor terminal d5→sensor terminal d4→sensor It can be seen that the entire image of κ(s) is likely to be obtained if the terminals are connected in the order of terminal d3. In fact, vertices corresponding to the curvature graph are also written in the partial shape of FIG. By sequentially connecting the partial shapes corresponding to these sensor terminals d, the elliptical shape of the object T can be reconstructed with high accuracy.
なお、センサ端末dの軌道が非特許文献1と同じ分布に従う場合には、(C)を用いて頂点の個数に関する情報を引き出し、さらに上記結論を裏付けることができる。部分曲率関数内には、2種類(極小値0.025,極大値0.2)しか頂点が存在しないが、部分形状が滑らかであることを踏まえると、4頂点定理から最低でも4つの頂点が存在するはずである。そこで、非特許文献1の分布に従って生成された500個のセンシングデータ中、2種類の頂点を観測したセンサ端末dの数をカウントしたところ、それぞれnc(極小)=201、nc(極大)=223であった。一方、今回の問題設定で数式(7)を計算すると、ne≒102となった。ゆえに、2種類の頂点は、それぞれ2個ずつ存在していることがわかる。この情報は、部分形状の接続において有用であり、実際に上記で得られた結論とも整合するものである。
Note that if the trajectory of the sensor terminal d follows the same distribution as in
なお、本実施の形態において、部分形状計算部12は、計算部の一例である。部分形状接続部13は、推定部の一例である。
In addition, in the present embodiment, the
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Transformation and change are possible.
10 形状推定装置
11 受信部
12 部分形状計算部
13 部分形状接続部
14 データ記憶部
20 ユーザ端末
100 ドライブ装置
101 記録媒体
102 補助記憶装置
103 メモリ装置
104 CPU
105 インタフェース装置
B バス
d センサ端末
10
105 interface device B bus d sensor terminal
Claims (7)
前記曲率関数及び弧長に基づいて前記部分形状の間の重複部分を検出し、前記重複部分で前記部分形状を接続して、前記物体の全体形状を推定する推定部と、
を有することを特徴とする形状推定装置。 Based on time-series measurements of the distance between a fixed object and the sensor terminal by a plurality of sensor terminals each moving, a partial shape of the object, a curvature function of the object, and a curvature function of the object for each of the sensor terminals. a calculator for calculating arc length ;
an estimating unit that detects overlapping portions between the partial shapes based on the curvature function and the arc length , connects the partial shapes at the overlapping portions, and estimates the overall shape of the object;
A shape estimation device characterized by comprising:
ことを特徴とする請求項1記載の形状推定装置。 The calculation unit calculates the partial shape as an envelope of a curve group calculated from the measurement result.
The shape estimation device according to claim 1, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1又は2記載の形状推定装置。 The estimating unit determines the feature points of the curvature function that are non-differentiable points, vertices, or inflection points of the curvature function of the object, the arc length between the feature points of the curvature function, or the number of feature points of the curvature function. detecting the overlap based on
3. The shape estimation device according to claim 1 or 2, characterized in that:
前記曲率関数及び弧長に基づいて前記部分形状の間の重複部分を検出し、前記重複部分で前記部分形状を接続して、前記物体の全体形状を推定する推定手順と、
をコンピュータが実行することを特徴とする形状推定方法。 Based on time-series measurements of the distance between a fixed object and the sensor terminal by a plurality of sensor terminals each moving, a partial shape of the object, a curvature function of the object, and a curvature function of the object for each of the sensor terminals. a computational procedure for calculating the arc length ;
an estimation step of detecting overlapping portions between the partial shapes based on the curvature function and the arc length , connecting the partial shapes at the overlapping portions, and estimating the overall shape of the object;
A shape estimation method characterized in that the computer executes
ことを特徴とする請求項4記載の形状推定方法。 The calculation procedure calculates the partial shape as an envelope of a family of curves calculated from the measurement results.
5. The shape estimation method according to claim 4, wherein:
ことを特徴とする請求項4又は5記載の形状推定方法。 The estimation procedure is based on the feature points of the curvature function that are non-differentiable points, vertices, or inflection points of the curvature function of the object, the arc length between the feature points of the curvature function, or the number of feature points of the curvature function. detecting the overlap based on
6. The shape estimation method according to claim 4 or 5, characterized in that:
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