Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7464134B2 - Shape modeling device and shape modeling method - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7464134B2 - Shape modeling device and shape modeling method - Google Patents

Shape modeling device and shape modeling method Download PDF

Info

Publication number
JP7464134B2
JP7464134B2 JP2022544994A JP2022544994A JP7464134B2 JP 7464134 B2 JP7464134 B2 JP 7464134B2 JP 2022544994 A JP2022544994 A JP 2022544994A JP 2022544994 A JP2022544994 A JP 2022544994A JP 7464134 B2 JP7464134 B2 JP 7464134B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
reliability
point cloud
data
surface model
cloud data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022544994A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPWO2022044197A1 (en
JPWO2022044197A5 (en
Inventor
克之 亀井
昌志 渡辺
宏行 藤林
恵 入江
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Publication of JPWO2022044197A1 publication Critical patent/JPWO2022044197A1/ja
Publication of JPWO2022044197A5 publication Critical patent/JPWO2022044197A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7464134B2 publication Critical patent/JP7464134B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/20Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring contours or curvatures, e.g. determining profile

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Image Generation (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

本開示は、画像計測及びレーザ計測などによって得た構造物の三次元の点群データに基づいて、構造物の表面形状を復元する形状モデリング装置及び形状モデリング方法に関するものである。 The present disclosure relates to a shape modeling device and a shape modeling method that reconstruct the surface shape of a structure based on three-dimensional point cloud data of the structure obtained by image measurement, laser measurement, etc.

トンネル、道路、橋梁、柱状設置物、建物などの構造物、屋内の部材配置、機械部品などの形状の計測を容易に行う方法としては、画像及びレーザスキャナなどによる計測がある。画像による計測では、撮影位置の異なる複数枚の画像から、画像中の特徴点を対応付けて三角測量の原理で計測対象物の位置を計測する。また、カラー画像(RGB)と奥行き画像(Depth)とを同時に得るRGB-Dカメラでは、被写体の位置を計測することもできる。レーザスキャナによる計測では、固定式の三次元のレーザスキャナを用いる方式、モービルマッピングシステム(MMS)とよばれる移動体測量による方式などがある。これらの計測では、計測対象物の表面上に、点群と呼ばれる三次元の座標を有する点の集合として、計測結果が得られる。 Measurement using images and laser scanners is an easy way to measure the shapes of structures such as tunnels, roads, bridges, columnar installations, and buildings, as well as the layout of indoor components and machine parts. In image-based measurement, feature points in multiple images taken at different positions are matched to measure the position of the object to be measured using the principle of triangulation. In addition, an RGB-D camera that simultaneously obtains color images (RGB) and depth images (Depth) can also measure the position of the subject. Measurement using laser scanners includes a method that uses a fixed three-dimensional laser scanner and a method that uses mobile surveying known as a mobile mapping system (MMS). In these measurements, the measurement results are obtained as a set of points with three-dimensional coordinates called a point cloud on the surface of the object to be measured.

この点群から対象物の形状を復元する方法としては、点群から対象物表面の面を求めて、面の集合で構造物の形状を表す方法がある。例えば、平面の求め方としては、点群を点群が属する面毎に分割し、各面に属する点群データに対して最小二乗法によって求める方法がある。One method for reconstructing the shape of an object from this point cloud is to find the surfaces of the object from the point cloud and express the shape of the structure as a collection of surfaces. For example, one way to find planes is to divide the point cloud into each surface to which the point cloud belongs, and then use the least squares method to find the point cloud data belonging to each surface.

対象構造物が広域にわたる場合や複雑な形状をもつ場合には、一回の計測ではその全体を計測しきれない。このような場合には、複数の視点位置での画像計測結果、あるいは複数の位置によるレーザスキャナの計測結果によったり、複数走行のMMSによる走行計測結果の点群、あるいは点群から求めた平面の位置合わせを行って全体の形状を求めたりする。 When the target structure covers a wide area or has a complex shape, it is not possible to measure the entire structure in a single measurement. In such cases, the overall shape is determined by using image measurement results from multiple viewpoints, or laser scanner measurement results from multiple positions, or by aligning a point cloud of driving measurements taken by an MMS over multiple runs, or a plane determined from the point cloud.

また、計測結果から経年変化を検出する場合には、比較のため基準となる過去の計測結果の点群あるいは平面と、現在の計測結果の位置合わせを行うことになる。この位置合わせでは、対象物の空間領域をボクセルに分割してボクセルの内部に代表点及び代表点の誤差分布を設定し、誤差を考慮した位置合わせを行う技術がある。 When detecting aging changes from measurement results, the current measurement results are aligned with the point cloud or plane of past measurement results that serve as a reference for comparison. For this alignment, there is a technique that divides the spatial region of the object into voxels, sets representative points and error distributions of the representative points within the voxels, and performs alignment taking errors into account.

さらに、特許文献1には、異なる点群からそれぞれ面を求め、一方の各面に属する点について他方の対応する面との距離の二乗和を最小にするという条件で剛体変換を求め、一方の点群全体をその剛体変換で変換することで他方の点群との位置合わせを行う技術が示されている。Furthermore, Patent Document 1 discloses a technology in which surfaces are found from different point clouds, a rigid transformation is calculated under the condition that the sum of squares of the distances between points belonging to each surface of one surface and the corresponding surface of the other surface is minimized, and the entire one point cloud is transformed using this rigid transformation to align it with the other point cloud.

WO2012/141235号公報Publication No. WO2012/141235 特開2004-272459号公報JP 2004-272459 A WO2007/69724号公報Publication No. WO2007/69724

三次元計測によって得た点群は、座標値に誤差を有する。例えば、ステレオ画像計測による場合は、2台のカメラの間隔と比較してカメラから遠い位置にて計測される点の誤差が大きくなる。レーザスキャナにおいては、機種によって点群の精度また密度が異なる。また、金属などの拡散反射が小さい場合、黒い物体などレーザスキャナに戻る光の強度が小さい場合、逆に鏡面反射で反射強度が強すぎる場合、また表面へのレーザパルスの入射角が大きい場合も誤差が大きくなる。このように、計測器からの距離や相対的な姿勢、また表面の様子により点群データ個々の計測精度が異なってくる。MMSによる計測結果においても、一般に数cm程度の座標値のずれがあるとされている。 Point clouds obtained by three-dimensional measurement have errors in their coordinate values. For example, when using stereo image measurement, the error of points measured at positions far from the cameras will be large compared to the distance between the two cameras. With laser scanners, the accuracy and density of point clouds vary depending on the model. Also, errors become large when there is little diffuse reflection from metals, when the intensity of light returning to the laser scanner is low from black objects, when the reflection intensity is too strong due to specular reflection, or when the angle of incidence of the laser pulse on the surface is large. In this way, the measurement accuracy of each point cloud data varies depending on the distance from the measuring instrument, the relative attitude, and the condition of the surface. It is generally said that there is a deviation of several centimeters in the coordinate values of measurement results using MMS.

点群データの誤差は点群データから復元した平面にも影響する。平面には、平面の向きと位置に誤差が含まれることになる。特許文献2では、点群の誤差による、復元した平面の誤差が分からないことになる。平面の範囲を決める判定基準としては点の平面への当てはめ残差の分散値を用いているが、この分散値は各点と平面との距離のばらつきの程度を表す数値であって、平面の誤差の程度を表すものではない。Errors in point cloud data also affect the plane reconstructed from the point cloud data. The plane will contain errors in its orientation and position. In Patent Document 2, the error in the reconstructed plane caused by errors in the point cloud is unknown. The variance of the residual error in fitting the points to the plane is used as the criterion for determining the range of the plane, but this variance is a numerical value that represents the degree of variation in the distance between each point and the plane, and does not represent the degree of error in the plane.

特許文献3では、ボクセルの誤差を表すものであり、平面の誤差を表すものではない。ボクセル形式のデータから平面を復元したとしても、その平面の誤差を表すことはできない。また、ボクセル形式のデータを作成し、それらのデータをすべて保持していなければならない。 In Patent Document 3, the error of the voxels is represented, but the error of the plane is not represented. Even if a plane is reconstructed from voxel-formatted data, the error of the plane cannot be represented. In addition, voxel-formatted data must be created and all of that data must be stored.

特許文献1では、面モデル間の位置合わせにおいて、面に属する点群情報をすべて保持していなければならない。また、平面がどの程度の誤差を持つかは分からない。In Patent Document 1, when aligning surface models, all point cloud information belonging to the surface must be retained. In addition, it is not possible to know the degree of error that the plane has.

いずれにおいても、点群から求めた面に対する誤差を評価できていない、少なくとも的確には評価することができていない。 In neither case is it possible to evaluate the error in the surface derived from the point cloud, or at least not accurately.

この開示は、点群から求めた面に対して誤差の程度を表す指標である信頼度を与えるとともに、その信頼度によって異なる計測で求めた面を精度よく位置合わせする形状モデリング装置及び形状モデリング方法を得ることを目的としている。 The objective of this disclosure is to provide a shape modeling device and a shape modeling method that assign a reliability, which is an index showing the degree of error, to a surface determined from a point cloud, and that precisely aligns surfaces determined by different measurements based on that reliability.

この開示に係る形状モデリング装置は、点群データを入力して面モデルのデータを出力するデータ入出力手段と、点群データに近似する面形状を求める面近似手段と、面形状の信頼度を算出する信頼度算出手段と、信頼度を面モデルに付与する信頼度付与手段とを備えたものである。The shape modeling device disclosed herein comprises a data input/output means for inputting point cloud data and outputting data of a surface model, a surface approximation means for determining a surface shape that approximates the point cloud data, a reliability calculation means for calculating the reliability of the surface shape, and a reliability assignment means for assigning reliability to the surface model.

この開示に係る形状モデリング方法は、対象物を計測した点群データから対象物の形状を復元する形状モデリング方法であって、点群データを入力する入力工程と、点群データに近似する面形状を求める面近似工程と、面形状の信頼度を算出する信頼度算出工程と、信頼度を面モデルに付与する信頼度付与工程と、面モデルのデータを出力するデータ出力工程とを備えたものである。The shape modeling method disclosed herein is a shape modeling method for restoring the shape of an object from point cloud data obtained by measuring the object, and includes an input process for inputting point cloud data, a surface approximation process for determining a surface shape that approximates the point cloud data, a reliability calculation process for calculating the reliability of the surface shape, a reliability assignment process for assigning reliability to a surface model, and a data output process for outputting data of the surface model.

この開示によれば、確からしさを示す信頼度が付与された近似面モデルによる形状モデリング装置及び形状モデリング方法をえることができる。 According to this disclosure, it is possible to obtain a shape modeling device and a shape modeling method using an approximate surface model to which a reliability indicating the likelihood is assigned.

本開示の実施の形態1による形状モデリング装置の構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration of a shape modeling device according to a first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1による形状モデリング装置の動作を説明する図である。4A to 4C are diagrams illustrating an operation of the shape modeling device according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1による形状モデリング装置で用いる点群データを説明する図である。1 is a diagram illustrating point cloud data used in a shape modeling device according to a first embodiment of the present disclosure. FIG. 本開示の実施の形態1による形状モデリング装置で用いる点群精度データを説明する図である。4 is a diagram illustrating point cloud accuracy data used in the shape modeling device according to the first embodiment of the present disclosure. FIG. 本開示の実施の形態1による形状モデリング装置で用いる面モデルデータを説明する図である。3A to 3C are diagrams illustrating surface model data used in the geometric modeling device according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1による形状モデリング装置の動作を説明する図である。4A to 4C are diagrams illustrating an operation of the shape modeling device according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1による形状モデリング装置の動作を説明する図である。4A to 4C are diagrams illustrating an operation of the shape modeling device according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1による形状モデリング装置の動作を説明する図である。4A to 4C are diagrams illustrating an operation of the shape modeling device according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1による形状モデリング装置の動作を説明する図である。4A to 4C are diagrams illustrating an operation of the shape modeling device according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1による形状モデリング装置の動作を説明する図である。4A to 4C are diagrams illustrating an operation of the shape modeling device according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1による形状モデリング装置の動作を説明する図である。4A to 4C are diagrams illustrating an operation of the shape modeling device according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1による形状モデリング装置の動作を説明するフローチャートである。4 is a flowchart illustrating an operation of the shape modeling device according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態2による形状モデリング装置の構成を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a shape modeling device according to a second embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態2による形状モデリング装置の動作を説明する図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an operation of the shape modeling device according to the second embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態2による形状モデリング装置の動作を説明する図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an operation of the shape modeling device according to the second embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態2による形状モデリング装置の動作を説明する図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an operation of the shape modeling device according to the second embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態2による形状モデリング装置の動作を説明するフローチャートである。11 is a flowchart illustrating an operation of a shape modeling device according to a second embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態3による形状モデリング装置の構成を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a shape modeling device according to a third embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態3による形状モデリング装置の動作を説明する図である。13A to 13C are diagrams illustrating the operation of a shape modeling device according to a third embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態3による形状モデリング装置の動作を説明する図である。13A to 13C are diagrams illustrating the operation of a shape modeling device according to a third embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態3による形状モデリング装置の動作を説明する図である。13A to 13C are diagrams illustrating the operation of a shape modeling device according to a third embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態3による形状モデリング装置の動作を説明する図である。13A to 13C are diagrams illustrating the operation of a shape modeling device according to a third embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態3による形状モデリング装置の動作を説明する図である。13A to 13C are diagrams illustrating the operation of a shape modeling device according to a third embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態3による形状モデリング装置の動作を説明するフローチャートである。13 is a flowchart illustrating an operation of a shape modeling device according to a third embodiment of the present disclosure.

実施の形態1.
図1は本開示の実施の形態1による形状モデリング装置1の一構成例を示す図である。データ入出力手段であるデータ入出力部2は、インターネットやイントラネットなど計算機ネットワーク3を経由してデータを記憶しているデータサーバ4と接続され、データサーバ4に記憶されている点群データ5と点群精度データ6とを読み込み、信頼度を付与した面モデルデータ7を出力する。面近似手段である面近似部8にて点群データ5からそれが乗る面を最小二乗法によって求める。信頼度算出手段である信頼度算出部9は、面近似部8で行う最小二乗法による面の当てはめでの誤差行列を面モデルの誤差指標である信頼度として算出する。信頼度付与手段である信頼度付与部10は、信頼度算出部9で求めた信頼度を面近似部8で求めた面モデルに付与して誤差指標である信頼度を有した面モデルデータ7とする。描画手段である描画部11は、求めた面モデルが表す形状を三次元のコンピュータグラフィックスの技法により描画し、表示装置12に表示する。描画部11の描画内容は、マウスやキーボードなどの入力装置13からの操作入力を操作入力部14で受け取って指定また変更する。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a diagram showing an example of a configuration of a shape modeling device 1 according to a first embodiment of the present disclosure. A data input/output unit 2, which is a data input/output means, is connected to a data server 4 that stores data via a computer network 3 such as the Internet or an intranet, reads point cloud data 5 and point cloud accuracy data 6 stored in the data server 4, and outputs surface model data 7 to which reliability has been assigned. A surface approximation unit 8, which is a surface approximation means, obtains a surface on which the point cloud data 5 is placed using the least squares method. A reliability calculation unit 9, which is a reliability calculation means, calculates an error matrix in the surface fitting using the least squares method performed by the surface approximation unit 8 as a reliability that is an error index of the surface model. A reliability assignment unit 10, which is a reliability assignment means, assigns the reliability calculated by the reliability calculation unit 9 to the surface model calculated by the surface approximation unit 8 to obtain surface model data 7 having reliability that is an error index. A drawing unit 11, which is a drawing means, draws a shape represented by the obtained surface model using a three-dimensional computer graphics technique and displays it on a display device 12. The contents to be drawn by the drawing section 11 are specified or changed by receiving operational input from an input device 13 such as a mouse or keyboard at an operation input section 14 .

図2に示すように、点群データ5は、対象の構造物15をレーザスキャナなどにより計測した三次元の座標値を持つ計測点18の集合である。点群データ5から構造物15の形状をモデル化するにあたって、点群データ5から近似した近似面16について、近似の精度を示す信頼度を求める。As shown in Figure 2, the point cloud data 5 is a collection of measurement points 18 having three-dimensional coordinate values obtained by measuring the target structure 15 using a laser scanner or the like. When modeling the shape of the structure 15 from the point cloud data 5, a reliability indicating the accuracy of the approximation is calculated for the approximation surface 16 approximated from the point cloud data 5.

ここでは、点群データ5は、あらかじめそれが属する面毎にグループ分けされているとする。このグループ分けは、例えば、近傍の点から法線ベクトルを求めてその方向が近い点をまとめていく方法や、RANSACによる平面抽出の方法が知られている。例えば、各点は各点が属する面を示す情報を有しているとしてもよいし、属する面毎に異なる配列データとして保持するようにしてもよい。Here, the point cloud data 5 is assumed to be grouped in advance according to the surface to which it belongs. For example, a method of grouping is known in which normal vectors are calculated from nearby points and points with similar directions are grouped together, or a plane extraction method using RANSAC. For example, each point may have information indicating the surface to which it belongs, or each point may be stored as different array data for each surface to which it belongs.

次に、用いる座標系を説明する。ワールド座標系として直交座標系をとる。直交座標系は、国土交通省告示による平面直角座標系でもよいし、任意に原点を定めた座標系であってもよい。単位は、例えばメートルとする。以下では、X軸とY軸が水平面内、Z軸が鉛直上方として右手系の座標系で説明する。これとは別に、各近似面16上に後述するローカル座標系(以下、「近似面座標系」という。)を定義する。 Next, the coordinate system to be used will be explained. A Cartesian coordinate system is used as the world coordinate system. The Cartesian coordinate system may be a planar rectangular coordinate system as specified by the Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism, or a coordinate system with an arbitrary origin. The units are meters, for example. In the following, a right-handed coordinate system will be explained, with the X and Y axes in a horizontal plane and the Z axis pointing vertically upward. Separately from this, a local coordinate system (hereinafter referred to as the "approximate surface coordinate system"), which will be described later, is defined on each approximate surface 16.

点群データ5を構成する計測点18は、i番目の点をPiとし、そのワールド座標系の座標値をpi=(Xi,Yi,Zi)とする。また、この点が属する面の番号をkiとする。点がノイズなどで、どの面にも属さない場合は、例えば、ki=-1としてこれを区別する。図3は、点群データ5のデータ形式の一例であり、ここでは、点PiのX座標値Xi、Y座標値Yi、Z座標値Zi、点Piが属する面の番号kiとなっている。 Of the measurement points 18 that make up the point cloud data 5, the i-th point is designated Pi, and its coordinate value in the world coordinate system is designated pi = (Xi, Yi, Zi). The number of the surface to which this point belongs is designated ki. If the point is noise or the like and does not belong to any surface, this is distinguished by setting, for example, ki = -1. Figure 3 is an example of the data format of the point cloud data 5, where the X coordinate value Xi, Y coordinate value Yi, Z coordinate value Zi of point Pi, and the number ki of the surface to which point Pi belongs are designated.

点群精度データ6は各点の計測精度を表すデータで、画像計測時の理論的な精度や、レーザスキャナの精度あるいはこれに反射強度値や入射角を考慮して求めた値であってもよい。点群精度データ6は、これらの標準偏差の値とする。点群精度データ6のデータ形式の一例を図4に示す。これは、点群精度を各点についての誤差の標準偏差の値σiとした例である。この精度値は、点群データ5に含めて保持してもよい。また、点群精度データ6は同一の面の番号毎に所定の値を与えるようにしてもよい。あるいは、点群データ5が同一のレーザスキャナで計測された場合には、すべての点で所定の値としてもよい。もちろん、各点毎にその計測条件によって値を変えるようにしてもよい。 Point cloud accuracy data 6 is data that represents the measurement accuracy of each point, and may be a value calculated by taking into account the theoretical accuracy at the time of image measurement, the accuracy of the laser scanner, or the reflection intensity value and the angle of incidence. The point cloud accuracy data 6 is the value of the standard deviation of these. An example of the data format of the point cloud accuracy data 6 is shown in FIG. 4. This is an example in which the point cloud accuracy is the value σi of the standard deviation of the error for each point. This accuracy value may be included and stored in the point cloud data 5. In addition, the point cloud accuracy data 6 may be set to a predetermined value for each number of the same surface. Alternatively, if the point cloud data 5 is measured with the same laser scanner, a predetermined value may be used for all points. Of course, the value may be changed for each point depending on the measurement conditions.

面モデルデータ7は点群データ5から復元した対象物の形状を表す近似面16を表すデータである。近似面16上の一点である基準点17と法線ベクトル19の情報を有する、あるいは、これらに変換できるようなデータで構成される。例えば、面が多角形のポリゴンモデルで表される場合は、その多角形の頂点列で構成してもよい。面モデル22は、この近似面16の幾何学的な情報に、面の誤差の指標である信頼度Sを加える。信頼度は、面16の向きと位置を表すパラメータの分散共分散行列とする。近似面16の向きは、その法線ベクトル19の方向を定める2個のパラメータで表す。近似面16の位置は、その基準点17の法線ベクトル19方向の移動量を示すパラメータ1個で表す。図5は、面モデルデータ7のデータ形式の、ひとつの面モデル22の部分を表す例を示しており、基準点17をQとし、Qの座標値をq=(qx,qy,qz)、法線ベクトル19を単位ベクトルとしてn=(nx,ny,nz)、近似面16の信頼度をSとしている。The surface model data 7 is data representing an approximation surface 16 that represents the shape of the object restored from the point cloud data 5. It is composed of data that has information on a reference point 17, which is a point on the approximation surface 16, and a normal vector 19, or that can be converted into these. For example, if the surface is represented by a polygon model, it may be composed of a sequence of vertices of the polygon. The surface model 22 adds a reliability S, which is an index of the error of the surface, to the geometric information of this approximation surface 16. The reliability is the variance-covariance matrix of parameters that represent the orientation and position of the surface 16. The orientation of the approximation surface 16 is represented by two parameters that determine the direction of its normal vector 19. The position of the approximation surface 16 is represented by one parameter that indicates the amount of movement of the reference point 17 in the direction of the normal vector 19. FIG. 5 shows an example of the data format of the surface model data 7 representing a portion of a surface model 22, where the reference point 17 is Q, the coordinate value of Q is q = (qx, qy, qz), the normal vector 19 is a unit vector n = (nx, ny, nz), and the reliability of the approximation surface 16 is S.

面近似部8における点群の平面への近似について図6を用いて説明する。なお、図6では計測点18は簡略化して一部のみを描いているが、実際は面上に広く分布している。上記のとおり、各計測点18については、それが属する面があらかじめ与えられている。そのうちの一つであるK番目の面に属する計測点18を対象に考える。ki=Kである点Piの集合をBKとする。このBKに含まれる点から最小二乗法によって近似面16の平面を復元する。The approximation of the point cloud to a plane in the surface approximation unit 8 will be explained using Figure 6. Note that in Figure 6, the measurement points 18 are simplified and only a portion of them are drawn, but in reality they are widely distributed on the surface. As mentioned above, the surface to which each measurement point 18 belongs is given in advance. We consider the measurement point 18 that belongs to one of these surfaces, the Kth surface. Let BK be the set of points Pi where ki = K. The plane of the approximation surface 16 is reconstructed from the points included in this BK using the least squares method.

以下では、BKに含まれる点を例に説明するため、BKに含まれる点がN個あり、このj番目の点をPKj,j=1,2,・・・,N(自然数)と記す。PKjによる近似面16は、各計測点18の精度σKjで重み付けした最小二乗法によって得る。以下では、このK番目の面について、近似面16をΩ、その基準点17をQ、基準点Qのワールド座標系の座標をqとする。また、近似面16の単位ベクトルである法線ベクトル19をワールド座標系でnと表す。 In the following, to explain the points included in BK as an example, there are N points included in BK, and this jth point is denoted as PKj, where j = 1, 2, ..., N (natural number). The approximation surface 16 using PKj is obtained by the least squares method weighted by the accuracy σKj of each measurement point 18. In the following, for this Kth surface, the approximation surface 16 is denoted as Ω, its reference point 17 is denoted as Q, and the coordinate of reference point Q in the world coordinate system is denoted as q. Furthermore, the normal vector 19, which is a unit vector of the approximation surface 16, is represented as n in the world coordinate system.

ここで、近似面16を基準に定義する近似面座標系について説明する。それにあたり、まずは、計測点PKjの重心をQとし、ワールド座標系での最小二乗法で求めた面の法線ベクトルをnとして初期の近似面16を与える。Here, we explain the approximate surface coordinate system defined based on the approximate surface 16. First, the center of gravity of the measurement point PKj is set to Q, and the normal vector of the surface obtained by the least squares method in the world coordinate system is set to n, giving the initial approximate surface 16.

近似面座標系のx軸及びy軸を近似面16内にとり、法線ベクトルnの方向にz軸をとる。ここで、x軸は水平方向にとる。ただし、近似面16が水平の場合は、ワールド座標系のX軸と平行にx軸をとる。この近似面座標系も右手系として説明する。 The x-axis and y-axis of the approximate surface coordinate system are taken within the approximate surface 16, and the z-axis is taken in the direction of the normal vector n. Here, the x-axis is taken horizontally. However, if the approximate surface 16 is horizontal, the x-axis is taken parallel to the X-axis of the world coordinate system. This approximate surface coordinate system will also be explained as a right-handed system.

近似面Ωが水平でない場合、x軸方向の水平な単位ベクトルをexとすると、exは以下のようになる。 If the approximation surface Ω is not horizontal, then if ex is a horizontal unit vector in the x-axis direction, then ex is as follows.

Figure 0007464134000001
Figure 0007464134000001

ここで、×はベクトルのベクトル積を表す。また、近似面Ω内y方向の単位ベクトルeyは、以下のようになる。Here, × represents the vector product of vectors. The unit vector ey in the y direction on the approximation surface Ω is as follows:

Figure 0007464134000002
Figure 0007464134000002

z方向の単位ベクトルezは法線ベクトルnの方向に一致させる。 The unit vector ez in the z direction is aligned with the direction of the normal vector n.

Figure 0007464134000003
Figure 0007464134000003

近似面座標系は、このex,ey,ezを基底にする座標系とする。 The approximate surface coordinate system is a coordinate system based on ex, ey, and ez.

近似面Ωが水平な場合は、ex,ey,ezをそれぞれX,Y,Z軸に平行にとって近似面座標系を構成する。このときも、z軸は法線ベクトルnに平行になる。 When the approximation surface Ω is horizontal, ex, ey, and ez are set parallel to the X, Y, and Z axes, respectively, to form the approximation surface coordinate system. In this case, the z axis is also parallel to the normal vector n.

点PKjのワールド座標系の座標値を(XKj,YKj,ZKj)とする。近似面座標系の座標値をpLocalj=(xj,yj,zj)とすると、これは以下で求まる。ここで、・はベクトルの内積を表す。Let the coordinate value of point PKj in the world coordinate system be (XKj, YKj, ZKj). If the coordinate value in the approximate surface coordinate system is pLocalj = (xj, yj, zj), this can be found as follows. Here, ・ represents the dot product of vectors.

Figure 0007464134000004
Figure 0007464134000004

近似面座標系での重み付き最小二乗法は以下のようになる。近似面座標において、平面の式を以下のように表す。 The weighted least squares method in the approximate surface coordinate system is as follows. In approximate surface coordinates, the equation of the plane is expressed as follows.

Figure 0007464134000005
Figure 0007464134000005

なお、現在の近似面Ω上にxy平面を置いているため、現在のΩの式はz=0になる。パラメータはr=(a,b,c)で3自由度である。近似面座標系での観測モデルは以下のようになる。 Note that since the xy plane is placed on the current approximation surface Ω, the equation for the current Ω is z = 0. The parameters are r = (a, b, c), which is three degrees of freedom. The observation model in the approximation surface coordinate system is as follows.

Figure 0007464134000006
Figure 0007464134000006

djは点と平面とのz値の差である。このとき、点PKjについて以下のようになる。 d j is the difference in z-value between the point and the plane. In this case, for point PKj,

Figure 0007464134000007
Figure 0007464134000007

Figure 0007464134000008
Figure 0007464134000008

Figure 0007464134000009
Figure 0007464134000009

σKjは、点PKjの点群精度データ値である。このヤコビ行列Jと重み行列Wにより、パラメータrは以下のように求まる。 σKj is the point cloud accuracy data value of point PKj. Using this Jacobian matrix J and weighting matrix W, the parameter r is calculated as follows:

Figure 0007464134000010
Figure 0007464134000010

このパラメータr=(a,b,c)で表される面が、PKjの重み付き最小二乗法による近似平面になる。初期の近似面算出で重み付き最小二乗法を行った場合はr=(0,0,0)になることが期待される。しかしながら、初期の近似面算出で重みを付けなかった場合や数値的な計算誤差によってrが(0,0,0)にならないこともある。このような場合は、このrにより式5で決まる平面に近似面Ωを更新する。これは、Qをq+cezの点とし、法線ベクトルnを以下に変更する。 The surface represented by these parameters r = (a, b, c) becomes the approximate plane calculated using the weighted least squares method for PKj. If the weighted least squares method is used in the initial calculation of the approximate surface, it is expected that r = (0, 0, 0). However, if weighting is not applied in the initial calculation of the approximate surface, or due to numerical calculation errors, r may not be (0, 0, 0). In such cases, the approximate surface Ω is updated to the plane determined by Equation 5 using this r. This is done by setting Q to the point q + cez, and changing the normal vector n to the following:

Figure 0007464134000011
Figure 0007464134000011

更新した場合は、更新した近似面Ω上に近似面座標系を設定、再度、ヤコビ行列Jを算出する。rの大きさが小さいときは近似面Ωの更新を省略してもよい。 If an update is made, the approximation surface coordinate system is set on the updated approximation surface Ω, and the Jacobian matrix J is calculated again. If the magnitude of r is small, the update of the approximation surface Ω may be omitted.

以上のように、面近似部8においてK番目の面に属する点群データPKjから重み付き最小二乗法によって平面Ωを近似して復元する。 As described above, the surface approximation unit 8 approximates and reconstructs the plane Ω from the point cloud data PKj belonging to the Kth surface using the weighted least squares method.

信頼度算出部9での信頼度Sの算出について説明する。上記の重み付き最小二乗法に付随して、パラメータr=(a,b,c)の誤差行列Sが以下のようにして得られる。We will now explain how the reliability S is calculated by the reliability calculation unit 9. In conjunction with the above weighted least squares method, the error matrix S of parameters r = (a, b, c) is obtained as follows:

Figure 0007464134000012
Figure 0007464134000012

このSは、パラメータa,b,cの値についての分散共分散行列である。パラメータa,b,cの分散をσa2,σb2,σc2、共分散をσab2,σbc2,σca2で表せば、Sは以下のようになる。この誤差行列Sを信頼度とする。 This S is the variance-covariance matrix for the values of parameters a, b, and c. If the variances of parameters a, b, and c are expressed as σa2, σb2, and σc2, and the covariances as σab2, σbc2, and σca2, S is as follows. This error matrix S is the reliability.

Figure 0007464134000013
Figure 0007464134000013

以下、この信頼度Sについて詳細に説明する。a及びbは、面について、それぞれx及びyに対するzの傾きを表す。また、cはz軸との交点のz座標になる。ここでは、xy平面を近似面Ω上に置いている。ところが、このΩからわずかに異なり式5で表される面20をΩ’として考えると、その面ではa及びbは小さい値となる。面Ω’の法線ベクトル40をn’、z軸との交点41とする。図7に示すように、法線ベクトルn’のyz平面とzx平面に対する角度をそれぞれθとφとすれば、以下である。 The reliability S will be explained in detail below. a and b represent the inclination of z with respect to x and y, respectively, for the surface. Furthermore, c is the z coordinate of the intersection with the z axis. Here, the xy plane is placed on the approximation surface Ω. However, if surface 20, which is slightly different from Ω and expressed by equation 5, is considered as Ω', a and b will have small values on that surface. Let n' be the normal vector 40 of surface Ω', and 41 be the intersection with the z axis. As shown in Figure 7, if the angles of normal vector n' with the yz plane and zx plane are θ and φ, respectively, then we get the following.

Figure 0007464134000014
Figure 0007464134000014

面Ω’でこれらの値は小さいので、以下で近似できる。 Since these values are small on the surface Ω', they can be approximated as follows.

Figure 0007464134000015
Figure 0007464134000015

以上より、上記Sに示されるパラメータのうち、aとbはそれぞれθとφに等しく、平面の向きを表すことになる。 From the above, among the parameters shown in S above, a and b are equal to θ and φ respectively, and represent the orientation of the plane.

もうひとつのパラメータcは、平面Ω’とz軸との交点のz座標である。これは平面の位置を表す。以上より、近似面座標系で表された平面のパラメータ(a,b,c)は平面の向きと位置を表すものになる。したがって、上記Sに示される分散共分散行列は、近似面Ωの向きと位置のばらつきを表す指標となる。 The other parameter c is the z coordinate of the intersection of plane Ω' and the z axis. This represents the position of the plane. From the above, the parameters (a, b, c) of the plane expressed in the approximate surface coordinate system represent the orientation and position of the plane. Therefore, the variance-covariance matrix shown in S above is an index that represents the variation in the orientation and position of the approximate surface Ω.

このSを信頼度として面のデータに付与する。信頼度Sは、近似面Ωの向きと位置の誤差の程度を表すものである。その要素の値が小さいほど、近似面Ωが精度良く得られていることになる。This S is assigned to the surface data as a reliability. The reliability S represents the degree of error in the orientation and position of the approximate surface Ω. The smaller the value of this element, the more accurately the approximate surface Ω has been obtained.

この分散共分散行列Sが表すabc空間での確率密度関数fは、三次元の正規分布とすれば以下のように表される。 The probability density function f in abc space represented by this variance-covariance matrix S can be expressed as follows if it is a three-dimensional normal distribution.

Figure 0007464134000016
Figure 0007464134000016

abc空間の原点は近似面Ωを表し、一点(a,b,c)は、Ωから向きや位置がずれた面に対応する。abc空間で確率密度関数の広がる範囲が小さければ、近似面Ωの精度が高いことになる。図8に、σa,σb,σcによる誤差の広がりを示す。図9には、abc空間でのfの等値面21の一例を示す。これは楕円面となる。The origin of the abc space represents the approximation surface Ω, and a point (a, b, c) corresponds to a surface that is displaced in orientation or position from Ω. If the range over which the probability density function spreads in the abc space is small, the accuracy of the approximation surface Ω is high. Figure 8 shows the spread of error due to σa, σb, and σc. Figure 9 shows an example of an isosurface 21 of f in the abc space. This is an ellipsoid.

なお、このSが表すパラメータの誤差は、平面を三次元のHough変換にて表した場合の、Hough変換のパラメータの誤差と同等になる。これを以下に説明する。Hough変換では、ひとつの平面上の点(x,y,z)をパラメータΘ,Φ,ρで以下のように表す。 The parameter error represented by S is equivalent to the parameter error of the Hough transform when a plane is represented by a three-dimensional Hough transform. This is explained below. In the Hough transform, a point (x, y, z) on a plane is represented by parameters Θ, Φ, and ρ as follows:

Figure 0007464134000017
Figure 0007464134000017

なお、軸は、通常Hough変換の説明で用いられる軸の取り方ではなく、上記の近似面座標系に合わせた取り方にしている。パラメータΘとΦは、それぞれ近似面16の法線ベクトル19のzx面内の方位とzx面に対する仰角、ρは平面の原点からの距離になる。図10に示すように、Hough変換によれば、ひとつの平面がパラメータ空間(Θ,Φ,ρ)上の点で表される。 Note that the axes are not taken in the way that is usually used in explaining the Hough transform, but in a way that matches the approximate surface coordinate system described above. The parameters Θ and Φ are the direction in the zx plane and the elevation angle relative to the zx plane of the normal vector 19 of the approximate surface 16, respectively, and ρ is the distance from the origin of the plane. As shown in Figure 10, according to the Hough transform, one plane is represented by a point in the parameter space (Θ, Φ, ρ).

近似面座標系で表した面20のように、面の法線ベクトルがz軸に一致あるいはz軸とのなす角が小さい場合、ΘとΦがともに小さい値となる。このとき、以下のようになる。 When the normal vector of a surface coincides with the z-axis or the angle it makes with the z-axis is small, as in surface 20 expressed in the approximate surface coordinate system, both Θ and Φ are small values. In this case, we have the following:

Figure 0007464134000018
Figure 0007464134000018

これは、上記式5と符号は変わるものの同一の形式になっている。Θは-a、Φは-b、ρはcにそれぞれ対応する。したがって、上記のSは近似面Ωを近似面座標系でHough変換にて表した場合のパラメータの分散共分散行列SHに変換することができる。したがって、SHを信頼度としてもよい。 This has the same format as Equation 5 above, although the signs change. Θ corresponds to -a, Φ corresponds to -b, and ρ corresponds to c. Therefore, the above S can be converted into the variance-covariance matrix SH of the parameters when the approximation surface Ω is expressed in the approximation surface coordinate system using the Hough transformation. Therefore, SH can also be used as the reliability.

Figure 0007464134000019
Figure 0007464134000019

続いて、信頼度付与部10について説明する。信頼度付与部10では、信頼度Sを近似面Ωに付与したデータを生成する。これにより、近似面16と信頼度Sを有する面モデル22が生成される。Next, the reliability assignment unit 10 will be described. The reliability assignment unit 10 generates data in which reliability S is assigned to the approximation surface Ω. This generates a surface model 22 having the approximation surface 16 and reliability S.

次に、描画部11による描画について説明する。描画部11は、近似面16の信頼度Sを反映させて対象構造物15の画像23を描画する。これは、例えば、信頼度Sである分散共分散行列Sのばらつきの指標となる固有値の最大値を信頼度Sの評価値Eとし、そのEの大きさによってその近似面16の色や濃淡を変えて描画する。あるいは、固有値の和や積、あるいは、Sのひとつの要素を評価値Eとしてもよい。描画の色のほか、面のハッチングの種別や輪郭線の色や太さなどの描画の形態を変更するようにしてもよい。また、上記図9に示すようなパラメータのばらつき具合を示す等値面21を併せて表示するように描画してもよい。評価値Eにより濃淡やハッチングを変えて描画された面35により図11に示すような描画画像23が得られる。これにより、例えば、信頼度の低い面については、再度の計測が必要な面として可視化して表すことができる。Next, the drawing by the drawing unit 11 will be described. The drawing unit 11 draws an image 23 of the target structure 15 by reflecting the reliability S of the approximation surface 16. For example, the maximum eigenvalue that is an index of the variation of the variance-covariance matrix S, which is the reliability S, is set as the evaluation value E of the reliability S, and the color or shading of the approximation surface 16 is changed depending on the magnitude of E. Alternatively, the sum or product of the eigenvalues, or one element of S may be set as the evaluation value E. In addition to the color of the drawing, the drawing form such as the type of hatching of the surface or the color and thickness of the outline may be changed. In addition, the isosurface 21 showing the degree of variation of the parameters as shown in FIG. 9 may be drawn so as to be displayed together. A drawn image 23 as shown in FIG. 11 is obtained by the surface 35 drawn by changing the shading or hatching depending on the evaluation value E. As a result, for example, a surface with low reliability can be visualized and represented as a surface that requires re-measurement.

近似面16の描画は、ポリゴンモデルが得られている場合は、そのポリゴンモデルを描画する。あるいは、上記の動作での基準点Qの座標qと法線ベクトルnのみが得られている場合は、描画部11にて、例えば、近似面Ωへの計測点18の射影点を求め、その点により近似面16を表して描画する。その射影点の近似面Ω上での凸包や外接長方形で近似面Ωを表して描画してもよい。近似面16をモデル化後に近似面どうしの交線を求めるなどによりポリゴンモデルに変換して、そのポリゴンモデルを描画してもよい。 When a polygon model is obtained, the approximation surface 16 is drawn by drawing the polygon model. Alternatively, when only the coordinate q and normal vector n of the reference point Q are obtained in the above operation, the drawing unit 11, for example, obtains the projection point of the measurement point 18 onto the approximation surface Ω, and draws the approximation surface 16 using that point. The approximation surface Ω may be drawn by representing the convex hull or circumscribing rectangle of the projection point on the approximation surface Ω. The approximation surface 16 may be converted into a polygon model by, for example, obtaining the intersection line between the approximation surfaces after modeling, and the polygon model may be drawn.

また、近似面を描画せずに、点Piの色や形状を、その点が属する近似面の評価値Eによって変えるように描画してもよい。あるいは、構造物15が橋梁やトンネルなど展開図にて管理されている場合、近似面の評価値Eにより、展開図上の対応する面の色やハッチングを変えて、展開図として画像23を描画するようにしてもよい。Alternatively, the point Pi may be drawn without drawing the approximation surface, and the color or shape of the point Pi may be changed depending on the evaluation value E of the approximation surface to which the point belongs. Alternatively, if the structure 15 is managed by a development diagram, such as a bridge or tunnel, the color or hatching of the corresponding surface on the development diagram may be changed depending on the evaluation value E of the approximation surface, and the image 23 may be drawn as a development diagram.

描画部11による描画画像23は表示装置12に表示される。また、操作入力部14により、入力装置13によって評価値Eの選択や、描画方法の変更、またその解除を選択できるように構成する。The image 23 drawn by the drawing unit 11 is displayed on the display device 12. The operation input unit 14 is also configured to allow the input device 13 to select the evaluation value E, change the drawing method, or cancel it.

以下、本開示の実施の形態1の形状モデリング装置1の動作の一例を、図12のフローチャートを用いて説明する。Below, an example of the operation of the shape modeling device 1 of embodiment 1 of the present disclosure is explained using the flowchart of Figure 12.

図12のステップST1では、面近似部8はデータ入出力部2を通じて同一面に属する点群データ5と点群精度データ6を読み出す。点群データ5はあらかじめ面毎に分類されているとし、ここでは、ひとつの面に対応するデータを読み出す。In step ST1 of Figure 12, the surface approximation unit 8 reads out the point cloud data 5 and point cloud precision data 6 belonging to the same surface through the data input/output unit 2. The point cloud data 5 is assumed to have been classified in advance by surface, and here data corresponding to one surface is read out.

ステップST2では、面近似部8において、点群データ5を近似する近似面Ωを最小二乗法によって求める。 In step ST2, the surface approximation unit 8 uses the least squares method to find an approximation surface Ω that approximates the point cloud data 5.

ステップST3では、信頼度算出部9において、面近似部8にて求めた近似面Ωを用いて、上記の方式により、近似面16の誤差の指標である信頼度Sを表す分散共分散行列Sを算出する。In step ST3, the reliability calculation unit 9 uses the approximation surface Ω obtained by the surface approximation unit 8 to calculate the variance-covariance matrix S representing the reliability S, which is an index of the error of the approximation surface 16, using the above-mentioned method.

ステップST4では、信頼度付与部10において、信頼度算出部9にて求めた信頼度Sを近似面Ωに付加して面モデルデータ7とする。よって、面モデルのデータには、近似面Ωのデータに信頼度Sが加わることになる。In step ST4, the reliability assignment unit 10 adds the reliability S calculated by the reliability calculation unit 9 to the approximate surface Ω to obtain the surface model data 7. Therefore, the data of the surface model includes the reliability S added to the data of the approximate surface Ω.

ステップST5では、信頼度付与部10は、データ入出力部2を通じて面モデルデータ7をデータサーバ4に出力する。 In step ST5, the reliability assignment unit 10 outputs the surface model data 7 to the data server 4 through the data input/output unit 2.

ステップST6では、面近似部8は、未処理の面があるかどうかを判定し、あればステップST1に戻って、その面に対して処理を進める。未処理の面がなければステップST7に進む。In step ST6, the surface approximation unit 8 determines whether there are any unprocessed surfaces, and if there are, returns to step ST1 and continues processing on those surfaces. If there are no unprocessed surfaces, the process proceeds to step ST7.

ステップST7では、描画部11はデータ入出力部2を通じて面モデルデータ7を読み出す。 In step ST7, the drawing unit 11 reads the surface model data 7 through the data input/output unit 2.

ステップST8では、描画部11は信頼度Sにより面の描画方法を変えた描画画像23を描画する。 In step ST8, the drawing unit 11 draws a drawing image 23 in which the surface drawing method is changed depending on the reliability S.

ステップST9では、描画部11は描画画像23を表示装置12に表示する。 In step ST9, the drawing unit 11 displays the drawing image 23 on the display device 12.

なお、上記本開示の実施の形態1の形状モデリング装置1においては、近似面の法線ベクトルと基準点に信頼度Sを付加して面モデル22を構成したが、これに加えて近似面座標系の各座標軸を示す基底ベクトルの情報を面モデル22に付加して与えるように構成してもよい。In the shape modeling device 1 according to the first embodiment of the present disclosure described above, the surface model 22 is constructed by adding reliability S to the normal vector and reference point of the approximation surface, but in addition to this, information on the basis vectors indicating each coordinate axis of the approximation surface coordinate system may also be added to the surface model 22.

また、近似面の向きとして上記のような近似面座標系のxとyに対する傾きの角度として求めたが、角度の取り方はこれに限るものではない。例えば、共分散σabが0となるように近似面座標系のx軸とy軸をとり、その軸を示すベクトルとともに分散共分散行列Sを与えるように構成してもよい。 Although the orientation of the approximate surface was calculated as the angle of inclination with respect to the x and y coordinate systems of the approximate surface as described above, the method of taking the angle is not limited to this. For example, the x and y axes of the approximate surface coordinate system may be taken so that the covariance σab is 0, and the variance-covariance matrix S may be given together with the vectors indicating the axes.

また、信頼度Sとして上記の分散共分散行列Sを与えるように構成したが、分散共分散行列Sの固有値と固有ベクトルを与えるように構成してもよい。また、各共分散の値が分散の値に比べて小さい場合は、分散共分散行列Sに代えて、分散値σa,σb,σcを与えるように構成してもよい。また、信頼度Sとして分散共分散行列Sの逆行列を与えるように構成してもよい。この他、分散共分散行列Sを導ける形で信頼度を与えるように構成してもよい。また、上記のようにHough変換のパラメータに関する分散共分散行列SHを与えるように構成してもよい。 Although the above variance-covariance matrix S is given as the reliability S, it may be configured to give the eigenvalues and eigenvectors of the variance-covariance matrix S. If the value of each covariance is smaller than the value of the variance, it may be configured to give the variance values σa, σb, and σc instead of the variance-covariance matrix S. It may also be configured to give the inverse matrix of the variance-covariance matrix S as the reliability S. Alternatively, it may be configured to give the reliability in a form that allows the variance-covariance matrix S to be derived. It may also be configured to give the variance-covariance matrix SH related to the parameters of the Hough transformation as described above.

また、面モデルを法線ベクトル19と基準点17で表すように構成したが、面を表すことができれば他の表現形式であってもよい。また、点群5の近似面16への射影点の凸包などを付加し、これによって面の辺や境界を表すようにして構成してもよい。あるいは、図面など設計データでの、対応する面を表す番号や記号を保持するように構成してもよい。 Although the surface model is configured to be represented by normal vector 19 and reference point 17, other representation formats are acceptable as long as they are capable of representing a surface. Also, a convex hull of the projected points of point cloud 5 onto approximate surface 16 may be added to represent the edges and boundaries of the surface. Alternatively, the model may be configured to hold numbers and symbols representing the corresponding surfaces in design data such as drawings.

また、データ入出力部2を介して計算機ネットワーク3で接続されたデータサーバ4上のデータを読み取り、また、データサーバ4上にデータを保存するように構成したが、これに限るものではない。データの入出力の先は、例えば、形状モデリング装置1に備えられた記憶装置や形状モデリング装置1に着脱可能な外部記憶装置や記憶メディアであってもよい。 The device is also configured to read data on a data server 4 connected to a computer network 3 via the data input/output unit 2, and to store the data on the data server 4, but this is not limited to this. The destination of data input/output may be, for example, a storage device provided in the shape modeling device 1, or an external storage device or storage media that is detachable from the shape modeling device 1.

また、平面に対して信頼度を付与するように構成したが、曲面に対して信頼度を付与するように構成してもよい。例えば、曲面を平面で近似して近似面16を生成すること、あるいは、曲面上に曲面座標を定義することで同様に実行できる。さらに、上記実施の形態では、点群データ5がどの面に属するかの分類が既になされているとしている。その分類の過程において既に面が求まっている場合、上記ステップST2において、面近似部8は求まっている面を利用して近似面Ωとするように構成してもよい。 Although the configuration is such that reliability is assigned to planes, reliability may also be assigned to curved surfaces. For example, this can be achieved by approximating a curved surface with a plane to generate an approximation surface 16, or by defining curved surface coordinates on a curved surface. Furthermore, in the above embodiment, classification has already been performed as to which surface the point cloud data 5 belongs to. If a surface has already been determined in the classification process, in the above step ST2, the surface approximation unit 8 may be configured to use the determined surface to create the approximate surface Ω.

また、面近似部8が行う重み付き最小二乗法による面近似は、ワールド座標系にて初期の近似面を求めて近似面座標系にて再度計算する上記の手順に限るものではない。さらに、描画部11は画像23をCAD形式のデータとして生成するようにしてもよい。 In addition, the surface approximation by the weighted least squares method performed by the surface approximation unit 8 is not limited to the above procedure of obtaining an initial approximation surface in the world coordinate system and then recalculating it in the approximation surface coordinate system. Furthermore, the drawing unit 11 may generate the image 23 as data in CAD format.

以上のように、形状モデリング装置1の構成によれば、点群データ5からの近似面16に対して、その向き位置の誤差による信頼度を求め、これを面モデル22に付与することができる。また、面モデル22に対してその信頼度を付与することにより、点群データ5からの近似面16がどの程度、その向きと位置に誤差を有するのかを明確に表すようにすることができる。As described above, the configuration of the shape modeling device 1 makes it possible to obtain the reliability of the approximation surface 16 from the point cloud data 5 based on the error in its orientation and position, and to assign this reliability to the surface model 22. In addition, by assigning this reliability to the surface model 22, it is possible to clearly indicate the degree to which the approximation surface 16 from the point cloud data 5 has an error in its orientation and position.

点群データを入力して面モデルのデータを出力するデータ入出力手段と、点群データに近似する面形状を求める面近似手段と、面形状の信頼度を算出する信頼度算出手段と、信頼度を面モデルに付与する信頼度付与手段とを備えている。換言すれば、対象物を計測した点群データから対象物の形状を復元する形状モデリング方法であって、点群データを入力する入力工程と、点群データに近似する面形状を求める面近似工程と、面形状の信頼度を算出する信頼度算出工程と、信頼度を面モデルに付与する信頼度付与工程と、面モデルのデータを出力するデータ出力工程とを備えている。これによって、確からしさを示す信頼度が付与された近似面モデルによる形状モデリング装置及び形状モデリング方法をえることができる。The device is provided with a data input/output means for inputting point cloud data and outputting data of a surface model, a surface approximation means for determining a surface shape approximating the point cloud data, a reliability calculation means for calculating the reliability of the surface shape, and a reliability assignment means for assigning reliability to the surface model. In other words, the device is a shape modeling method for restoring the shape of an object from point cloud data obtained by measuring the object, and includes an input process for inputting point cloud data, a surface approximation process for determining a surface shape approximating the point cloud data, a reliability calculation process for calculating the reliability of the surface shape, a reliability assignment process for assigning reliability to the surface model, and a data output process for outputting data of the surface model. This makes it possible to obtain a shape modeling device and a shape modeling method using an approximate surface model to which a reliability indicating the likelihood has been assigned.

また、信頼度は、面モデルの向き及び位置の誤差の程度であるので、点群データからの近似面(面モデル)に対して、その向きと位置の誤差を表す信頼度を付与することにより、近似面がどの程度の誤差を有するのかを明確に表すようにすることができる。 In addition, since reliability is the degree of error in the orientation and position of the surface model, by assigning a reliability representing the error in the orientation and position to an approximate surface (surface model) from point cloud data, it is possible to clearly indicate the degree of error the approximate surface has.

また、信頼度は、面形状に属する点の最小二乗法による面近似での誤差行列であるので、点群データからの近似面(面モデル)に対して、その向きと位置の誤差を表す信頼度を最小二乗法での誤差行列で与えることにより、近似面がどの程度の誤差を有するのかを明確に表すようにすることができる。 In addition, since the reliability is an error matrix in surface approximation using the least squares method of points belonging to the surface shape, by giving a reliability representing the error in the orientation and position of an approximated surface (surface model) from point cloud data as an error matrix using the least squares method, it is possible to clearly indicate the degree of error the approximated surface has.

さらに、信頼度によって面モデルが表す面の描画形態を変える描画手段を備えるので、点群データからの近似面(面モデル)の信頼度により、近似面が持つ誤差の程度を画像化して確認することができる。 Furthermore, the system is equipped with a drawing means that changes the drawing format of the surface represented by the surface model depending on the reliability, so that the degree of error in the approximate surface can be visualized and confirmed based on the reliability of the approximate surface (surface model) from the point cloud data.

実施の形態2.
本開示の実施の形態1では、点群データ5を近似する面の誤差の程度を表す信頼度を算出するように構成したが、この信頼度を用いて、異なる点群データから近似された面モデルを統合するように構成してもよい。
Embodiment 2.
In the first embodiment of the present disclosure, the reliability indicating the degree of error of the surface approximating the point cloud data 5 is calculated, but the reliability may also be used to integrate surface models approximated from different point cloud data.

図13は本開示の実施の形態2による形状モデリング装置1の一構成例を示す図である。統合手段である統合部24では、同一の面を示す信頼度を有する2つの面モデルから、これらを確からしい一つの面モデルにまとめ上げる。信頼度合成手段である信頼度合成部25においては、統合後の面モデルの信頼度を求める。なお、図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文、図面の全図において共通することである。さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。 Figure 13 is a diagram showing an example of the configuration of a shape modeling device 1 according to embodiment 2 of the present disclosure. The integration unit 24, which is an integration means, integrates two surface models having reliability indicating the same surface into one likely surface model. The reliability integration unit 25, which is a reliability integration means, calculates the reliability of the integrated surface model. Note that in the figure, items with the same reference numerals are the same or equivalent, and this is common throughout the entire specification and all figures of the drawings. Furthermore, the forms of the components shown in the entire specification are merely examples and are not limited to these descriptions.

構造物15の計測では、複数の位置から固定のレーザスキャナで計測する場合や、複数の走行経路にてMMSで計測する場合がある。このとき、同一の面を複数の位置や走行にて計測することが生じる。それぞれの点群データはその時々での異なる計測条件や誤差により、そのままでは重ならない。それぞれの点群データから近似した面も同様である。しかしながら、単一の面を複数の面形状(向きと位置)で表す訳にはいかない。このため、複数の形状から一つの確実な形状を決定しなければならない。このとき、それぞれの近似面16とその信頼度により、最も確からしい面を求めて統合し、これをその面を表す形状(面モデル)とする。 When measuring a structure 15, there are cases where measurements are taken from multiple positions using a fixed laser scanner, and cases where measurements are taken with an MMS on multiple travel routes. In this case, the same surface may be measured at multiple positions or during travel. The point cloud data will not overlap as is due to different measurement conditions and errors at each time. The same is true for surfaces approximated from the point cloud data. However, a single surface cannot be represented by multiple surface shapes (orientations and positions). For this reason, one reliable shape must be determined from the multiple shapes. In this case, the most probable surface is found and integrated based on each approximate surface 16 and its reliability, and this is used as the shape (surface model) representing that surface.

面を統合する統合部24の動作について説明する。図14に示すように、第一の点群データ5と第二の点群データ26からそれぞれ得られた、同一の面を表す面モデルについて、それぞれの近似面を近似面22Ω1、近似面27Ω2とする。また、それぞれの信頼度をS1,S2とする。このΩ1とΩ2から最尤法で面を推定し、この推定した面Ωeをその面を表す推定面28とする。The operation of the integrating unit 24 for integrating surfaces will now be described. As shown in FIG. 14, for surface models representing the same surface obtained from the first point cloud data 5 and the second point cloud data 26, the respective approximate surfaces are taken as approximate surface 22Ω1 and approximate surface 27Ω2. Also, the respective reliability levels are taken as S1 and S2. A surface is estimated from Ω1 and Ω2 using the maximum likelihood method, and this estimated surface Ωe is taken as estimated surface 28 representing that surface.

Ω1とΩ2は同一の面を計測したものであるので、両者の大きさ1の法線ベクトル19n1と29n2のなす角は十分に小さい。ここでは、Ω1の近似面座標系を基準として用いる。このとき、Ω1の近似面座標系の直交基底を上に記したex,ey,ezとする。ezはn1に一致させる。Ω1の近似面座標系でΩ2のパラメータを(a2,b2,c2)と表すと以下のようになる。これを、図15に示す。 Because Ω1 and Ω2 are measurements of the same surface, the angle between their normal vectors 19n1 and 29n2, both of magnitude 1, is sufficiently small. Here, the approximate surface coordinate system of Ω1 is used as the reference. In this case, the orthogonal basis of the approximate surface coordinate system of Ω1 is set to ex, ey, and ez as shown above. ez is set to match n1. If the parameters of Ω2 are expressed as (a2, b2, c2) in the approximate surface coordinate system of Ω1, it is as follows. This is shown in Figure 15.

Figure 0007464134000020
Figure 0007464134000020

Ω1の近似面座標系で、Ω1は(a,b,c)=(0,0,0)である。Ω2は上記のように(a,b,c)=(a2,b2,c2)である。これから、最尤法により、平面の推定値(ae,be,ce)は以下のように求められる。In the approximate surface coordinate system of Ω1, Ω1 has (a, b, c) = (0, 0, 0). As above, Ω2 has (a, b, c) = (a2, b2, c2). From this, the maximum likelihood method can be used to find the estimated values (ae, be, ce) of the plane as follows:

Figure 0007464134000021
Figure 0007464134000021

この(ae,be,ce)が表す面28をΩeとする。これを図16に示す。The surface 28 represented by (ae, be, ce) is called Ωe. This is shown in Figure 16.

推定面Ωeのワールド座標系での基準点30qeと法線ベクトル31neの計算方法について説明する。(ae,be,ce)は、近似面Ω1の近似面座標系でのパラメータである。(ae,be,ce)で表される面の大きさ1の法線ベクトルをneとすると、これは以下となる。 We will explain how to calculate the reference point 30qe and normal vector 31ne in the world coordinate system of the estimated surface Ωe. (ae, be, ce) are parameters in the approximate surface coordinate system of the approximate surface Ω1. If the normal vector of the surface of size 1 represented by (ae, be, ce) is ne, then this is as follows.

Figure 0007464134000022
Figure 0007464134000022

また、基準点qeは以下のように表される。このneとqeとでΩeを表すことができる。 The reference point qe is expressed as follows. Ωe can be expressed by ne and qe.

Figure 0007464134000023
Figure 0007464134000023

次に、信頼度合成部25の動作について説明する。統合後のΩeの分散共分散行列Seは以下で表される。Next, the operation of the reliability synthesis unit 25 will be described. The variance-covariance matrix Se of Ωe after synthesis is expressed as follows:

Figure 0007464134000024
Figure 0007464134000024

信頼度合成部25にてこのSeを算出する。このSeは、信頼度付与部10にてΩeにその信頼度として付加され、面モデルを構成する。This Se is calculated by the reliability synthesis unit 25. This Se is added to Ωe as its reliability by the reliability assignment unit 10 to form a surface model.

以下、本開示の実施の形態2の形状モデリング装置1の面モデルの統合の動作の一例を、図17のフローチャートを用いて説明する。なお、第一と第二の点群データからの面モデルの生成は、上記本開示の実施の形態1の動作により、既に行われているとする。An example of the operation of integrating surface models in the shape modeling device 1 according to the second embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the flowchart in Fig. 17. It is assumed that the generation of the surface model from the first and second point cloud data has already been performed by the operation according to the first embodiment of the present disclosure.

図17のステップST201では、統合部24は、データ入出力部2を通じて同一の面を表す面モデルを一組読み出す。それぞれ面モデルには近似面Ω1,Ω2にその信頼度S1,S2が付与されている。In step ST201 of FIG. 17, the integration unit 24 reads out a set of surface models representing the same surface through the data input/output unit 2. Respective surface models are assigned reliability S1 and S2 for the approximate surfaces Ω1 and Ω2.

ステップST202では、統合部24において、上記のように、信頼度S1,S2を用いた最尤法により、Ω1とΩ2を統合する面Ωeの法線ベクトルneと基準点qeを求める。In step ST202, the integration unit 24 determines the normal vector ne and reference point qe of the surface Ωe that integrates Ω1 and Ω2 using the maximum likelihood method using the reliabilities S1 and S2 as described above.

ステップST203では、信頼度合成部25において、上記のように、面Ωeの信頼度を表す分散共分散行列Seを求める。In step ST203, the reliability synthesis unit 25 calculates the variance-covariance matrix Se representing the reliability of surface Ωe as described above.

ステップST204では、信頼度付与部10において、信頼度Seを面Ωeに付与して面モデルとする。In step ST204, the reliability assignment unit 10 assigns reliability Se to the surface Ωe to form a surface model.

ステップST205では、信頼度付与部10は面Ωeを表す面モデルをデータ入出力部2を通じて出力し、保存する。以上で、Ω1とΩ2を一つに統合した面Ωeの面モデルを生成する動作を完了する。In step ST205, the confidence assignment unit 10 outputs and stores the surface model representing the surface Ωe through the data input/output unit 2. This completes the operation of generating a surface model of the surface Ωe by integrating Ω1 and Ω2 into one.

なお、上記本開示の実施の形態2の形状モデリング装置1の動作では、二組の面モデルを一つの面モデル28に統合する動作を説明した。第一の点群データ5から得られた面モデルが複数あって第一の面モデル集合を構成し、第二の点群データ26から得られた面モデルが複数あって第二の面モデル集合を構成するような場合は、第一と第二の面モデル集合に共通して含まれる面に対して上記の動作を実行する。そこで得られた面モデルに、第一と第二の面モデル集合のどちらか一方にのみ含まれる面モデルを加えて、統合した面モデル集合とするように構成してもよい。これにより、第一と第二の面モデル集合の、共通するものは確からしく統合した上での和集合をとることができる。さらに、隣接する面モデル間で交線を求めることにより、統合した面モデル集合に合わせて、各面モデルの輪郭を生成あるいは修正するように構成してもよい。In the operation of the shape modeling device 1 of the second embodiment of the present disclosure, the operation of integrating two sets of surface models into one surface model 28 has been described. In the case where a first surface model set is composed of a plurality of surface models obtained from the first point cloud data 5, and a second surface model set is composed of a plurality of surface models obtained from the second point cloud data 26, the above operation is performed on the surfaces commonly included in the first and second surface model sets. A surface model included in only one of the first and second surface model sets may be added to the surface model obtained in this way to form an integrated surface model set. In this way, the common parts of the first and second surface model sets can be integrated with a high degree of certainty to obtain a union. Furthermore, the contours of each surface model may be generated or modified according to the integrated surface model set by finding the intersection between adjacent surface models.

また、統合後の面モデルの信頼度の評価値が所定の値よりも低い場合は、その面は再度の計測を要すると判定するように構成してもよい。 In addition, if the reliability evaluation value of the integrated surface model is lower than a predetermined value, it may be configured to determine that the surface requires re-measurement.

また、Ω1とΩ2の差異が大きい場合、統合部24はこれを判定して統合を行わないように構成してもよい。これは、例えば、以下のように行う。Ω1の近似面座標系で表したΩ2のパラメータは(a2,b2,c2)であり、これはΩ1からΩ2の差異を表す。これをΩ1の信頼度である分散共分散行列によるマハラノビス距離Dで表す。 In addition, if the difference between Ω1 and Ω2 is large, the integration unit 24 may be configured to determine this and not perform integration. This is done, for example, as follows. The parameters of Ω2 expressed in the approximate surface coordinate system of Ω1 are (a2, b2, c2), which represent the difference from Ω1 to Ω2. This is expressed as the Mahalanobis distance D using the variance-covariance matrix, which is the reliability of Ω1.

Figure 0007464134000025
Figure 0007464134000025

このDの値が所定の値、例えば、2あるいは3といった値より大きければ、Ω2は偶然誤差以外の要因によって誤って計測されるなど、Ω1とは違いすぎていると判定してΩ1との統合を行わないようにする。Ω1とΩ2とを入れ替えて同様に判定するようにしてもよい。If the value of D is greater than a predetermined value, for example, 2 or 3, it is determined that Ω2 is too different from Ω1, such as being measured incorrectly due to factors other than random error, and is not integrated with Ω1. It is also possible to switch Ω1 and Ω2 and make the same determination.

また、上記本開示の実施の形態2の形状モデリング装置1の面モデルの統合の動作に続いて、描画部によって統合後の信頼度やΩ1とΩ2のマハラノビス距離、またΩ1とΩ2との統合を行ったかどうかによって、面の色やハッチングを変えて描画するように構成してもよい。 Furthermore, following the operation of integrating face models in the shape modeling device 1 of embodiment 2 of the present disclosure described above, the drawing unit may be configured to draw the faces by changing the color or hatching depending on the reliability after integration, the Mahalanobis distance between Ω1 and Ω2, and whether or not integration of Ω1 and Ω2 has been performed.

なお、図17のフローチャートに示す本開示の実施の形態2の動作は、点群データを必要としない。したがって、面モデルが得られていれば面モデルの統合の動作を実行できる、
このような形状モデリング装置1の構成によれば、元の点群データを用いることなく、異なる計測によって得られた面モデルをその信頼度によって確からしい面モデルに統合することができる。
Note that the operation of the second embodiment of the present disclosure shown in the flowchart of FIG. 17 does not require point cloud data. Therefore, if a surface model is obtained, the operation of integrating the surface models can be executed.
According to such a configuration of the geometric modeling device 1, it is possible to integrate surface models obtained by different measurements into a probable surface model according to the reliability thereof, without using the original point cloud data.

このように2つの面モデルに対してその信頼度を用いて統合することにより、確からしい面モデルにて面を表すことができる。 In this way, by integrating the two surface models using their reliability, the surface can be represented by a reliable surface model.

以上のように、点群データを入力して面モデルのデータを出力するデータ入出力手段と、点群データに近似する面形状を求める面近似手段と、面形状の信頼度を算出する信頼度算出手段と、信頼度を面モデルに付与する信頼度付与手段とを備えている。換言すれば、対象物を計測した点群データから対象物の形状を復元する形状モデリング方法であって、点群データを入力する入力工程と、点群データに近似する面形状を求める面近似工程と、面形状の信頼度を算出する信頼度算出工程と、信頼度を面モデルに付与する信頼度付与工程と、面モデルのデータを出力するデータ出力工程とを備えている。これによって、確からしさを示す信頼度が付与された近似面モデルによる形状モデリング装置及び形状モデリング方法をえることができる。As described above, the device includes a data input/output means for inputting point cloud data and outputting data of a surface model, a surface approximation means for determining a surface shape that approximates the point cloud data, a reliability calculation means for calculating the reliability of the surface shape, and a reliability assignment means for assigning reliability to the surface model. In other words, the device is a shape modeling method for restoring the shape of an object from point cloud data obtained by measuring the object, and includes an input process for inputting point cloud data, a surface approximation process for determining a surface shape that approximates the point cloud data, a reliability calculation process for calculating the reliability of the surface shape, a reliability assignment process for assigning reliability to the surface model, and a data output process for outputting data of the surface model. This makes it possible to obtain a shape modeling device and a shape modeling method using an approximate surface model to which a reliability indicating the likelihood has been assigned.

また、実質的に同じ面(共通する面、同一の面)を表す異なる点群データの信頼度による重み付け平均により一つの確からしい面に統合する統合手段を備えている。換言すれば、データ入出力手段は同じ面を表し信頼度を有する第1の面モデルと第2の面モデルを入力するとともに、第1の面モデルと第2の面モデルから対象の面を表すひとつの面モデルを求める統合手段を備え、統合手段は第1の面モデルと第2の面モデルそれぞれの面の形状を表すパラメータ毎の信頼度を用いた重み付け平均により統合する面モデルの形状を求められる。これによって、異なる計測によって得られた同一の面を表す第1及び第2の面モデルをその誤差の程度を表す信頼度によって統合することにより、より確からしい面モデルにて面を表すことができる。 The device also includes an integration means for integrating different point cloud data representing substantially the same surface (common surface, identical surface) into one likely surface by weighting the reliability of the data. In other words, the data input/output means inputs a first surface model and a second surface model representing the same surface and having reliability, and includes an integration means for obtaining one surface model representing the target surface from the first surface model and the second surface model, and the integration means obtains the shape of the surface model to be integrated by weighting the reliability of each parameter representing the surface shape of the first surface model and the second surface model. In this way, the first and second surface models representing the same surface obtained by different measurements are integrated by the reliability representing the degree of error, thereby making it possible to represent the surface with a more likely surface model.

さらに、信頼度算出手段は、実質的に同じ面(共通する面、同一の面)を表す異なる第1及び第2の点群データを最小二乗法による面近似での誤差行列として信頼度を算出し、第1の点群データによる誤差行列の第1の逆行列及び第2の点群データによる誤差行列の第2の逆行列の和となる逆行例を面モデルの信頼度とする統合手段を備えている。換言すれば、第1の面モデルの信頼度と第2の面モデルの信頼度から統合した面モデルの信頼度を生成する信頼度合成手段を備え、信頼度算出手段が算出する信頼度はその面に属する点の最小二乗法による面近似での誤差行列であり、信頼度合成手段は第1の面モデルと第2の面モデルそれぞれの信頼度である第1の誤差行列の逆行列と第2の誤差行列の逆行列の和の逆行列として統合した面モデルの信頼度を合成している。これによって、異なる計測によって得られた同一の面を表す第1及び第2の面モデルをその誤差の程度を表す信頼度によって統合した面モデルに対して、信頼度を合成して付与することができる。 Furthermore, the reliability calculation means includes a synthesis means for calculating the reliability of the first and second point cloud data representing substantially the same surface (common surface, identical surface) as an error matrix in surface approximation by the least squares method, and setting the inverse matrix, which is the sum of the first inverse matrix of the error matrix by the first point cloud data and the second inverse matrix of the error matrix by the second point cloud data, as the reliability of the surface model. In other words, the reliability calculation means includes a reliability synthesis means for generating the reliability of the integrated surface model from the reliability of the first surface model and the reliability of the second surface model, and the reliability calculated by the reliability calculation means is an error matrix in surface approximation by the least squares method of the points belonging to the surface, and the reliability synthesis means synthesizes the reliability of the integrated surface model as an inverse matrix of the sum of the inverse matrix of the first error matrix and the inverse matrix of the second error matrix, which are the reliability of the first surface model and the second surface model, respectively. This makes it possible to synthesize and assign reliability to a surface model obtained by integrating the first and second surface models representing the same surface obtained by different measurements using a reliability that represents the degree of error.

実施の形態3.
本開示の実施の形態2では、面モデルの信頼度を用いて、同じ面を表す二つの面モデルを確からしい面モデルに統合するように構成した。この信頼度を用いて、第一の点群データ5から得られた面モデルの集合に合致するように、第二の点群データ26から得られた面モデルの集合を変換するように構成してもよい。
Embodiment 3.
In the second embodiment of the present disclosure, two surface models representing the same surface are integrated into a likely surface model using the reliability of the surface models. The reliability may be used to convert the set of surface models obtained from the second point cloud data 26 so as to match the set of surface models obtained from the first point cloud data 5.

図18は本開示の実施の形態3による形状モデリング装置1の一構成例を示す図である。変換算出手段である変換算出部32で実質的に同じ構造物を異なる計測で得た二つの面モデルの集合について、基準となる第一の面モデルの集合に第二の面モデルの集合の位置を合わせる変換を算出する。続いてモデル変換手段であるモデル変換部33において、第二の面モデルの集合を基準となる第一の面モデルの集合に重なるように変換する。さらに、点群補正手段である点群補正部34により、この面モデルの変換に合わせて第二の面モデルの元となる第二の点群データ26を変換する。 Figure 18 is a diagram showing an example configuration of a shape modeling device 1 according to embodiment 3 of the present disclosure. For two sets of surface models obtained by different measurements of substantially the same structure, a transformation calculation unit 32, which is a transformation calculation means, calculates a transformation that aligns the position of a second set of surface models with a first set of surface models that serves as a reference. Next, a model transformation unit 33, which is a model transformation means, transforms the second set of surface models so that they overlap with the first set of surface models that serves as a reference. Furthermore, a point cloud correction unit 34, which is a point cloud correction means, transforms the second point cloud data 26 that is the source of the second surface models to match the transformation of the surface models.

ここで、面モデルの集合とは、構造物の表面形状は複数の面モデルからできており、構造物に対する面モデルを所定の単位の集合として捉えものである。実施の形態1で説明したように、実質的に同じ構造物に対して各面の点群データから複数の面モデルを求めて面モデル毎に信頼度を付与することができる。第一及び第二の面モデル集合とは、実質的に同一となる構造物に対して、異なる計測で求めた点群データから算出された面モデル毎に信頼度を付与したものを、計測単位で区別したものである。 Here, a set of surface models refers to the surface shape of a structure being made up of multiple surface models, and the surface models for the structure being considered as a set of predetermined units. As explained in embodiment 1, multiple surface models can be obtained from point cloud data of each surface for substantially the same structure, and a reliability level can be assigned to each surface model. The first and second surface model sets refer to surface models calculated from point cloud data obtained by different measurements for substantially the same structure, and differentiated by measurement unit, with reliability levels assigned to each surface model.

以下、基準となる第一の面モデル集合A1内のm番目の面モデルが表す近似面16をΩ1mとする。例えば、カメラやレーザスキャナ、あるいは走行計測によって計測された第一の点群データ5から近似して復元した面モデルである。あるいは、設計図面などの設計データから生成された面モデルであってもよい。この他、より精密な機器で計測された面モデルや、構造物15の竣工時に計測された面モデルなど、対象構造物15の管理の基準となるような面モデルであってもよい。A1の要素Ω1mに対応する第二の面モデル集合A2内の面モデルが表す面36をΩ2mとする。このA2の面モデルは、カメラやレーザスキャナ、あるいは走行計測によって計測された第二の点群データ26を近似した面モデルで構成される面モデルである。Hereinafter, the approximate surface 16 represented by the m-th surface model in the first surface model set A1 serving as a reference is defined as Ω1m. For example, it is a surface model that is approximately restored from the first point cloud data 5 measured by a camera, a laser scanner, or by traveling measurement. Alternatively, it may be a surface model generated from design data such as design drawings. In addition, it may be a surface model that serves as a reference for managing the target structure 15, such as a surface model measured by a more precise device or a surface model measured at the time of completion of the structure 15. The surface 36 represented by the surface model in the second surface model set A2 corresponding to the element Ω1m of A1 is defined as Ω2m. This surface model of A2 is a surface model composed of a surface model that approximates the second point cloud data 26 measured by a camera, a laser scanner, or by traveling measurement.

図19に示すように、通常、A2の面モデル集合43とA1の面モデル集合42は重ならない。この図では、面モデル集合42は橋梁である構造物15の図中の右中ほどにレーザスキャナなどの計測器を置いて計測した状況を模擬している。面モデル集合43は構造物15の図中の左手前に計測器を置いて計測した状況を模擬している。計測器から陰面になって計測点が得られずモデル化できない面47はハッチングをかけて表している。また、面モデル集合42は区別のため破線で示した。 As shown in Figure 19, surface model set 43 for A2 and surface model set 42 for A1 do not normally overlap. In this figure, surface model set 42 simulates a situation in which measurements are taken with a measuring instrument such as a laser scanner placed in the middle right of structure 15, which is a bridge, in the illustration. Surface model set 43 simulates a situation in which measurements are taken with a measuring instrument placed in the front left of structure 15 in the illustration. Surfaces 47 that are hidden by the measuring instrument and therefore cannot be modeled because no measurement points can be obtained, are shown hatched. Surface model set 42 is also shown with a dashed line to distinguish it.

両者が重ならないため、このままではA2の面モデル集合43を用いてA1の面モデル集合42の補完やA1から変形した部分の検出を行うことができない。A1の面モデル集合に合致するように、A2の面モデル集合の全体的な位置を合わせなければならない。例えば、カメラやレーザスキャナの設置位置に誤差がある場合、点群データは系統的な誤差を有する。これは、三次元の回転変換と平行移動からなる剛体変換によって補正される。したがって、面モデル集合A1とA2とを照合して、両者の位置がもっとも合致するような剛体変換を求めることで位置合わせを実行することができる。 Because the two do not overlap, it is not possible to use A2's surface model set 43 to complement A1's surface model set 42 or to detect parts that have been deformed from A1. The overall position of A2's surface model set must be adjusted so that it matches A1's surface model set. For example, if there is an error in the installation position of the camera or laser scanner, the point cloud data will have systematic errors. This is corrected by a rigid transformation consisting of a three-dimensional rotation transformation and translation. Therefore, alignment can be performed by comparing the surface model sets A1 and A2 and determining the rigid transformation that best matches the positions of the two.

点群データ5は偶然誤差も有している。このため、A2の各Ω2mも誤差を有し、例えば、A1では直交する二つの面がA2ではわずかにずれて算出されるといったことが起こる。したがって、単一の変換では、A1とA2のすべての面モデルを厳密に一致させることはできない。このような場合に、その信頼度を用いて最も適切に重なるように、つまり、信頼度の高い面モデルが優先的に重なるように位置合わせを行う。 Point cloud data 5 also contains random errors. For this reason, each Ω2m of A2 also contains errors, and for example, two orthogonal surfaces in A1 are calculated slightly out of alignment in A2. Therefore, a single transformation cannot precisely match all the surface models of A1 and A2. In such cases, the reliability is used to perform alignment so that the surface models overlap most appropriately, that is, so that the surface models with higher reliability are prioritized.

以下で、Ω1mとΩ2mの信頼度をそれぞれS1m,S2mとする。また、A1とA2に共に含まれる面が、mが1からMまでのM個あるとする。 In the following, the reliability of Ω1m and Ω2m are S1m and S2m, respectively. Also, suppose that there are M faces that are included in both A1 and A2, where m ranges from 1 to M.

変換の求め方について説明する。まず、図20を用いて、面モデルΩ2mをΩ1mに一致させることを考える。Ω1mの近似面座標系でΩ2mはパラメータ(a2m,b2m,c2m)と表されるとする。Ω1mの近似面座標の直交基底をex,ey,ez、Ω2mの法線ベクトルをn2、Ω1mとΩ2mの基準点17をそれぞれq1m,q2mとすると以下のようになる。なお、n2,ex,ey,ezでは添え字のmを省略している。 We will explain how to find the transformation. First, using Figure 20, consider matching the surface model Ω2m to Ω1m. In the approximate surface coordinate system of Ω1m, Ω2m is expressed as parameters (a2m, b2m, c2m). If the orthogonal basis of the approximate surface coordinates of Ω1m is ex, ey, ez, the normal vector of Ω2m is n2, and the reference points 17 of Ω1m and Ω2m are q1m and q2m, respectively, we get the following. Note that the subscript m is omitted in n2, ex, ey, and ez.

Figure 0007464134000026
Figure 0007464134000026

ここで、上記のように、a2mは法線ベクトルn2のy軸まわりの回転角度とみなせる。同様に、b2mは法線ベクトルn2のx軸まわりの回転角度とみなせる。つまり、Ω2mをΩ1mに一致させるには、Ω1mの近似面座標系のy軸まわりのa2mの回転、x軸まわりの-b2mの回転をΩ2mに行い、z軸方向への-c2mの平行移動をすることになる。なお、回転の符号が異なるのは座標軸の取り方による。Ω1mの近似面座標系のx軸、y軸上の単位ベクトルをそれぞれex=(uX,uY,uZ)、ey=(vX,vY,vZ)とすると、a2mとb2mの絶対値がともに小さいならば、Ω2mをΩ1mに重ねるための回転変換Rmは以下のように表現できる。Here, as mentioned above, a2m can be regarded as the rotation angle of normal vector n2 around the y-axis. Similarly, b2m can be regarded as the rotation angle of normal vector n2 around the x-axis. In other words, to make Ω2m coincide with Ω1m, Ω2m is rotated by a2m around the y-axis of the approximate surface coordinate system of Ω1m, rotated by -b2m around the x-axis, and translated by -c2m along the z-axis. Note that the sign of the rotation differs depending on the coordinate axes. If the unit vectors on the x-axis and y-axis of the approximate surface coordinate system of Ω1m are ex = (uX, uY, uZ) and ey = (vX, vY, vZ), respectively, then if the absolute values of a2m and b2m are both small, the rotation transformation Rm for superimposing Ω2m on Ω1m can be expressed as follows.

まず、exまわりの-b2m回転はロドリゲスの回転公式にて以下のように表される。 First, the -b2m rotation around ex is expressed by Rodrigues' rotation formula as follows.

Figure 0007464134000027

Figure 0007464134000028
Figure 0007464134000027

Figure 0007464134000028

同様に、y軸のまわりのa2mの回転は、以下で表される。 Similarly, the rotation of a2m around the y-axis is expressed as follows:

Figure 0007464134000029
Figure 0007464134000029

したがって、Rmは以下のようになる。 Therefore, Rm becomes:

Figure 0007464134000030

Figure 0007464134000031
Figure 0007464134000030

Figure 0007464134000031

また、平行移動tmは、以下で表される。 Furthermore, the parallel translation tm is expressed as follows:

Figure 0007464134000032
Figure 0007464134000032

この変換により、Ω2mをΩ1mに一致させることができる。この回転変換Rmと平行移動tmは、m番目の面モデルを合致させる変換である。各面の計測誤差により、この変換は面モデル毎に異なってくる。この信頼度による重み付け平均によって、全体の一律の変換を決定する。 This transformation allows Ω2m to be made to match Ω1m. This rotation transformation Rm and translation tm are transformations that match the mth surface model. Due to measurement errors of each surface, this transformation will differ for each surface model. A uniform transformation for the whole is determined by a weighted average based on this reliability.

上記のように、S1mとS2mで得た面モデルから最尤法で面を推定した場合、推定した面の分散共分散行列である信頼度Smは以下になる。 As described above, when a surface is estimated using the maximum likelihood method from the surface models obtained from S1m and S2m, the reliability Sm, which is the variance-covariance matrix of the estimated surface, is as follows.

Figure 0007464134000033
Figure 0007464134000033

これを用いて、以下のように重みwmを設定する。 Using this, we set the weight wm as follows:

Figure 0007464134000034
Figure 0007464134000034

wmの分子はκmのマハラノビス距離の二乗、分母はκmの大きさの二乗である。wmはκmの大きさの二乗をマハラノビス距離の二乗に変換する係数になる。これで重み付けすることにより、分散が小さく精度の高い面モデルを優先しての位置合わせを行うことができる。 The numerator of wm is the square of the Mahalanobis distance of κm, and the denominator is the square of the magnitude of κm. wm is a coefficient that converts the square of the magnitude of κm into the square of the Mahalanobis distance. By weighting in this way, it is possible to prioritize surface models with small variance and high accuracy when aligning.

第二の面モデル集合A2の剛体変換Gを、回転行列Rと平行移動ベクトルtで表す。回転行列Rは、各Rmの回転角度が小さいとみなして、以下のように決定する。The rigid transformation G of the second surface model set A2 is expressed by a rotation matrix R and a translation vector t. The rotation matrix R is determined as follows, assuming that the rotation angle of each Rm is small.

Figure 0007464134000035
Figure 0007464134000035

平行移動ベクトルtは以下のように決定する。Iは単位行列である。 The translation vector t is determined as follows, where I is the identity matrix.

Figure 0007464134000036
Figure 0007464134000036

これによりGは以下のようになる。 This gives us G as follows:

Figure 0007464134000037
Figure 0007464134000037

ここでΓはワールド座標系の座標値である。図21に示すように、変換GによりA2に含まれるΩ2mの法線ベクトルと基準点17を以下のように変換する。Here, Γ is the coordinate value of the world coordinate system. As shown in FIG. 21, the normal vector of Ω2m and the reference point 17 included in A2 are transformed by transformation G as follows:

Figure 0007464134000038
Figure 0007464134000038

n2m*は変換後の法線ベクトル44、q2m*は変換後の基準点45である。変換後のものに*を付して表した。図21では、変換後の面38もΩ2m*として表している。 n2m* is the transformed normal vector 44, and q2m* is the transformed reference point 45. The transformed ones are indicated with an *. In Figure 21, the transformed surface 38 is also indicated as Ω2m*.

この変換Gを、図22に示すように、A1に対応する面を持たない面モデル48も含め、A2の全ての面モデルについて行う。この図では、A1の面モデル集合42でモデル化されず、A2の面モデル48によって補完されるA1の面モデル集合の面モデル49を太枠の実線で表した。これでA2を信頼度の高い面モデルを優先してA1に合致させるとともに、A1では面モデル化できていない面をA2面モデルで補完することができる。この結果、図22のA1の面モデル集合42ではモデル化できずハッチングで表される面47がなくなっている。 This transformation G is performed on all surface models of A2, including surface models 48 that do not have a surface corresponding to A1, as shown in Figure 22. In this figure, surface models 49 in the surface model set of A1 that are not modeled in A1's surface model set 42 and are complemented by A2's surface model 48 are shown in a thick solid line. This allows A2 to be matched to A1 with priority given to highly reliable surface models, and surfaces that cannot be surface modeled in A1 can be complemented by the A2 surface model. As a result, surface 47, which cannot be modeled in A1's surface model set 42 in Figure 22 and is represented by hatching, is no longer there.

A1が設計図面などの設計データから生成された面モデルである場合や古くから基準とされている面モデルの場合など、これを真値とする場合がある。このような場合は、例えば、上記の式32でSmの代わりにS2mを用いてwmを算出する。 In some cases, A1 is a surface model generated from design data such as design drawings, or a surface model that has long been used as a standard, and so on. In such cases, for example, wm is calculated by using S2m instead of Sm in the above formula 32.

さらに、点群補正部34により、この面モデルの変換に合わせて第二の点群データ26も同様に変換し、面モデル集合A1に合致するように補正することができる。例えば、元の点群データの参照が必要になった場合に、変換した面モデルとの不整合が生じない。第二の点群データ26の計測点39の座標値をpとすれば、この変換は以下のG(p)で表される点46に変換される。 Furthermore, the point cloud correction unit 34 can convert the second point cloud data 26 in the same way to match the conversion of this surface model, and correct it so that it matches the surface model set A1. For example, when it becomes necessary to refer to the original point cloud data, no inconsistency with the converted surface model occurs. If the coordinate value of the measurement point 39 in the second point cloud data 26 is p, this conversion converts it into point 46 represented by G(p) below.

Figure 0007464134000039
Figure 0007464134000039

これを、図23に示す。なお、この図でも簡潔に表現するため、計測点39と変換後の点46は面モデル上の一部のみを表記している。This is shown in Figure 23. Note that, for simplicity, the measurement points 39 and the converted points 46 are shown only partially on the surface model.

以下、本開示の実施の形態3の形状モデリング装置1の動作の一例を、図24のフローチャートを用いて説明する。なお、第一と第二の面モデル集合の面モデルは、上記本開示の実施の形態1の動作により、既にその信頼度が得られているとする。An example of the operation of the shape modeling device 1 according to the third embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the flowchart in Fig. 24. It is assumed that the reliability of the surface models of the first and second surface model sets has already been obtained by the operation according to the first embodiment of the present disclosure.

図24のステップST301では、変換算出部32はデータ入出力部2を通じて二組の面モデルの集合A1とA2の情報を読み出す。A1の集合の要素である面モデル22と、A2の集合の要素である面モデル27には、それぞれ信頼度が付与されている。In step ST301 of Figure 24, the conversion calculation unit 32 reads out information on two sets of surface models, A1 and A2, through the data input/output unit 2. Reliability is assigned to surface model 22, which is an element of the A1 set, and surface model 27, which is an element of the A2 set.

ステップST302では、変換算出部32において、上記のように、m番目の対応する面モデルの組についてΩ2mをΩ1mに重ねるための、回転変換Rmと平行移動ベクトルtmおよびその重みwmを計算する。In step ST302, the transformation calculation unit 32 calculates the rotation transformation Rm and the translation vector tm and their weight wm for superimposing Ω2m on Ω1m for the mth pair of corresponding surface models, as described above.

ステップST303では、変換算出部32において、各Rmとtmとwmから、A2の要素全体に作用させる変換Gを表す回転行列Rと平行移動ベクトルtを求める。 In step ST303, the transformation calculation unit 32 calculates a rotation matrix R and a translation vector t representing the transformation G to be applied to all elements of A2 from each Rm, tm, and wm.

ステップST304では、モデル変換部33において、変換GによりA2の要素の各面モデルの法線ベクトル29と基準点37を変換する。 In step ST304, the model transformation unit 33 transforms the normal vector 29 and reference point 37 of each surface model of element A2 using transformation G.

ステップST305では、モデル変換部33はデータ入出力部2を通じて、変換したA2の要素の面モデルデータ7をデータサーバ4に出力する。 In step ST305, the model conversion unit 33 outputs the surface model data 7 of the converted element A2 to the data server 4 via the data input/output unit 2.

さらに、ステップST306では、点群補正部34は、データ入出力部2を経由して第二の点群データ26を読み出す。 Furthermore, in step ST306, the point cloud correction unit 34 reads out the second point cloud data 26 via the data input/output unit 2.

ステップST307では、点群補正部34において、変換Gを上記のように第二の点群データ26の各点に対して作用させ、その座標値を変換する。 In step ST307, the point cloud correction unit 34 applies the transformation G to each point of the second point cloud data 26 as described above to convert its coordinate values.

ステップST308では、点群補正部34は、この変換した第二の点群データ26を、データ入出力部2を経由して出力、保存する。 In step ST308, the point cloud correction unit 34 outputs and stores this converted second point cloud data 26 via the data input/output unit 2.

なお、上記本開示の実施の形態3の形状モデリング装置1においては、ステップST302からステップST304でA2の要素の各面モデル27をそれぞれ1回変換するように構成したが、ステップST302からステップST304を複数回繰り返して実行するように構成してもよい。このときの繰り返しは、例えば、所定の回数、または、回転行列Rの回転角度あるいは移動ベクトルtの絶対値が所定の値より小さくなるまで実行するようにする。In the shape modeling device 1 according to the third embodiment of the present disclosure, each surface model 27 of the element A2 is converted once in steps ST302 to ST304. However, steps ST302 to ST304 may be repeated multiple times. The repetition may be performed a predetermined number of times, or until the rotation angle of the rotation matrix R or the absolute value of the translation vector t becomes smaller than a predetermined value.

また、統合上記本開示の実施の形態3の形状モデリング装置1の面モデルの変換の動作に続いて、描画部によって統合後の信頼度による重みを評価値として面の色やハッチングを変えて描画するように構成してもよい。こうすることにより、どの面に重点をおいて変換を求めたかが容易にわかるようになる。 Furthermore, following the operation of converting the surface model of the shape modeling device 1 according to the third embodiment of the present disclosure, the drawing unit may be configured to draw the surface by changing the color or hatching of the surface using the weight based on the reliability after the integration as an evaluation value. This makes it easy to see which surface was given the emphasis in the conversion.

また、統合後の面モデルの信頼度の評価値が所定の値よりも低い場合は、その面は再度の計測を要すると判定するように構成してもよい。 In addition, if the reliability evaluation value of the integrated surface model is lower than a predetermined value, it may be configured to determine that the surface requires re-measurement.

また、面モデル集合のみが得られていて元の点群データがない場合、あるいは、元の点群データの座標の補正が必要でない場合は、ステップST306からステップST308を省略するようにしてもよい。このように、面モデル集合が得られていれば、点群データがなくとも面モデル集合間の位置合わせを実行することができる。 In addition, if only a surface model set is obtained and there is no original point cloud data, or if correction of the coordinates of the original point cloud data is not required, steps ST306 to ST308 may be omitted. In this way, if a surface model set is obtained, alignment between surface model sets can be performed even if there is no point cloud data.

このような形状モデリング装置1の構成によれば、元の点群データを用いることなく、異なる計測によって得られた面モデルの組について、その信頼度を利用し、精度よく一方を他方に重なるように変換することができる。 With this configuration of the shape modeling device 1, it is possible to convert a pair of surface models obtained by different measurements so that one is accurately superimposed on the other, utilizing their reliability, without using the original point cloud data.

このように2つの面モデルの組に対してその信頼度を用いて位置合わせすることにより、最も確からしく、面モデルを変換して位置合わせすることができる。 By aligning two pairs of surface models in this way using their reliability, it is possible to transform and align the surface models with the highest degree of certainty.

なお、上記本開示の実施の形態1から実施の形態3では、面モデルの信頼度として、最小二乗法での近似における誤差行列を用いるように構成した。信頼度は、面モデルを近似するのに用いた点群データの誤差の性質を示すものであれば、これに限るものではない。例えば、面モデルを近似するのに用いた点群データの個数を信頼度とするように構成してもよい。推定量の標準誤差は標本数の平方根に反比例するとされている。したがって、標本数である点群データの点数が多いほど、近似面16の誤差が小さくなり、これを面の確からしさを示す信頼度とすることができる。また、信頼度は、面モデルの近似に用いる点群データの点数の平方根やその逆数として与えてもよい。あるいは、点数の平方根の逆数に点群データ計測の際の画像処理やレーザスキャナの精度を除した数値を与えてもよい。点数の平方根の逆数、あるいは、点数の平方根の逆数に点群データ精度を乗じた数値を対角成分に持たせた3×3の行列として与えるようにしてもよい。このようにすれば、上記実施の形態2と実施の形態3に示した数式がそのまま適用でき、それぞれの動作を実行できる。In the above-mentioned first to third embodiments of the present disclosure, the reliability of the surface model is configured to use the error matrix in the approximation by the least squares method. The reliability is not limited to this as long as it indicates the nature of the error of the point cloud data used to approximate the surface model. For example, the number of point cloud data used to approximate the surface model may be configured to be the reliability. It is said that the standard error of the estimate is inversely proportional to the square root of the number of samples. Therefore, the more the number of points of the point cloud data, which is the number of samples, the smaller the error of the approximate surface 16, and this can be used as the reliability indicating the accuracy of the surface. The reliability may also be given as the square root of the number of points of the point cloud data used to approximate the surface model or its reciprocal. Alternatively, a value obtained by dividing the reciprocal of the square root of the number of points by the accuracy of the image processing or laser scanner when measuring the point cloud data may be given. It may also be given as a 3×3 matrix whose diagonal components are the reciprocal of the square root of the number of points, or the reciprocal of the square root of the number of points multiplied by the accuracy of the point cloud data. In this way, the formulas shown in the second and third embodiments can be applied as they are, and the respective operations can be executed.

この他、点密度が一定の場合、点数は面積に比例するので、近似面16の面積を信頼度として設定するように構成してもよい。点数が同じ場合、面の面積が大きいほど、面の向きの精度がよくなるため、この場合も面積により信頼度を表すことができる。近似面16の面積は、例えば、点群データの近似面16上への射影の凸包の面積とする。あるいは、複数得られている近似面16間の交線で限られた範囲の面積とする。この他、点群データの近似面16上の分布状況を表すものとして、最近隣距離法の平均最近隣距離値やK関数法のK関数値などから信頼度を定義してもよい。In addition, when the point density is constant, the number of points is proportional to the area, so the area of the approximation surface 16 may be configured to be set as the reliability. When the number of points is the same, the larger the surface area, the more accurate the surface orientation, so in this case too, the reliability can be expressed by the area. The area of the approximation surface 16 is, for example, the area of the convex hull of the projection of the point cloud data onto the approximation surface 16. Alternatively, it is the area of the range limited by the intersection lines between multiple obtained approximation surfaces 16. In addition, the reliability may be defined from the average nearest neighbor distance value of the nearest neighbor distance method or the K function value of the K function method as a value representing the distribution state of the point cloud data on the approximation surface 16.

また、上記本開示の実施の形態2では、面モデルΩ1と面モデルΩ2を統合する面モデルΩeを得るように構成したが、本開示の実施の形態3で用いた点群補正部34を備えて、点群の座標値を補正するように構成してもよい。面モデルΩ1に属する第一の点群データ5の点はΩ1をΩeに変換する変換により補正し、面モデルΩ2に属する第二の点群データ26の点はΩ2をΩeに変換する変換により補正する。In addition, in the above-described second embodiment of the present disclosure, the surface model Ωe is obtained by integrating the surface model Ω1 and the surface model Ω2, but the point cloud correction unit 34 used in the third embodiment of the present disclosure may be provided to correct the coordinate values of the point cloud. The points of the first point cloud data 5 belonging to the surface model Ω1 are corrected by a conversion that converts Ω1 to Ωe, and the points of the second point cloud data 26 belonging to the surface model Ω2 are corrected by a conversion that converts Ω2 to Ωe.

以上のように、点群データを入力して面モデルのデータを出力するデータ入出力手段と、点群データに近似する面形状を求める面近似手段と、面形状の信頼度を算出する信頼度算出手段と、信頼度を面モデルに付与する信頼度付与手段とを備えている。換言すれば、対象物を計測した点群データから対象物の形状を復元する形状モデリング方法であって、点群データを入力する入力工程と、点群データに近似する面形状を求める面近似工程と、面形状の信頼度を算出する信頼度算出工程と、信頼度を面モデルに付与する信頼度付与工程と、面モデルのデータを出力するデータ出力工程とを備えている。これによって、確からしさを示す信頼度が付与された近似面モデルによる形状モデリング装置及び形状モデリング方法をえることができる。As described above, the device includes a data input/output means for inputting point cloud data and outputting data of a surface model, a surface approximation means for determining a surface shape that approximates the point cloud data, a reliability calculation means for calculating the reliability of the surface shape, and a reliability assignment means for assigning reliability to the surface model. In other words, the device is a shape modeling method for restoring the shape of an object from point cloud data obtained by measuring the object, and includes an input process for inputting point cloud data, a surface approximation process for determining a surface shape that approximates the point cloud data, a reliability calculation process for calculating the reliability of the surface shape, a reliability assignment process for assigning reliability to the surface model, and a data output process for outputting data of the surface model. This makes it possible to obtain a shape modeling device and a shape modeling method using an approximate surface model to which a reliability indicating the likelihood has been assigned.

また、データ入出力手段は、実質的に同じ構造物に対して異なる第1及び第2の点群データを入力し、面近似手段は、第1及び第2の点群データから第1及び第2の面モデル集合を求め、信頼度算出手段は、第1及び第2の面モデル毎に信頼度を算出し、第1の面モデルに対応する第2の面モデル毎の信頼度から重み付け平均を算出して第1の面モデル集合の位置に第2の面モデル集合の位置を合わせるように変換する変換算出手段とを備えている。換言すれば、データ入出力手段は共通の面を含む第1と第2の点群データからそれぞれモデル化された信頼度を有する第1の面モデル集合と第2の面モデル集合を入力するとともに、
第1の面モデル集合に第2の面モデル集合の位置を合わせるための第2の面モデル集合の変換を算出する変換算出手段と、第2の面モデル集合を変換するモデル変換手段とを備え、変換算出手段は第1の面モデルと対応する第2の面モデルそれぞれの信頼度から重みを決定し、その重みによる対応する第2の面モデルを第1の面モデルに変換する変換の重み付き平均により第2の面モデル集合に対する変換を算出する。これによって、第1の面モデル集合と第2の面モデル集合について、その確からしさを表す信頼度を用いて位置合わせすることにより、最も確からしく、面モデルを変換して位置合わせすることができる。
The data input/output means inputs different first and second point cloud data for substantially the same structure, the surface approximation means obtains first and second surface model sets from the first and second point cloud data, the reliability calculation means calculates reliability for each of the first and second surface models, and includes a conversion calculation means for calculating a weighted average from the reliability for each second surface model corresponding to the first surface model and converting the second surface model set to match the position of the first surface model set. In other words, the data input/output means inputs a first surface model set and a second surface model set having reliability modeled from the first and second point cloud data including a common surface,
The apparatus includes a transformation calculation means for calculating a transformation of the second surface model set to align the position of the second surface model set with the first surface model set, and a model transformation means for transforming the second surface model set, the transformation calculation means determining weights from the reliability of each of the first surface model and the corresponding second surface model, and calculating a transformation for the second surface model set by a weighted average of transformations that transform the corresponding second surface model into the first surface model according to the weights.Therefore, by aligning the first surface model set and the second surface model set using the reliability that indicates the reliability, it is possible to transform and align the surface models most likely.

さらに、第2の面モデル集合のモデル化に用いた点群データの座標値を変換する点群座標変換手段を備えている。これによって、第1の面モデル集合と第二の面モデル集合について、その誤差の程度を表す信頼度を用いて行った位置合わせに合致するように点群データの座標値を変換することで、第1と第2の点群データの位置合わせを行うことができる。 Furthermore, a point cloud coordinate conversion means is provided for converting the coordinate values of the point cloud data used to model the second surface model set. This makes it possible to align the first and second point cloud data by converting the coordinate values of the point cloud data so that they match the alignment performed using the reliability indicating the degree of error for the first and second surface model sets.

1 形状モデリング装置、2 データ入出力部、3 計算機ネットワーク、4 データサーバ、5 点群データ、6 点群精度データ、7 面モデルデータ、8 面近似部、9 信頼度算出部、10 信頼度付与部、11 描画部、12 表示装置、13 入力装置、14 操作入力部、15 構造物、16 近似面、17 基準点、18 計測点、19 法線ベクトル、23 画像、24 統合部、25 信頼度合成部、32 変換算出部、33 モデル変換部、34 点群補正部、40 法線ベクトル。 1 Shape modeling device, 2 Data input/output unit, 3 Computer network, 4 Data server, 5 Point cloud data, 6 Point cloud accuracy data, 7 Surface model data, 8 Surface approximation unit, 9 Reliability calculation unit, 10 Reliability assignment unit, 11 Drawing unit, 12 Display device, 13 Input device, 14 Operation input unit, 15 Structure, 16 Approximation surface, 17 Reference point, 18 Measurement point, 19 Normal vector, 23 Image, 24 Integration unit, 25 Reliability synthesis unit, 32 Conversion calculation unit, 33 Model conversion unit, 34 Point cloud correction unit, 40 Normal vector.

Claims (8)

点群データを入力して面モデルのデータを出力するデータ入出力手段と、
前記点群データに近似する面形状を求める面近似手段と、
前記面形状の信頼度を算出する信頼度算出手段と、
前記信頼度を前記面モデルに付与する信頼度付与手段と、
実質的に同じ面を表す異なる前記面モデルをそれぞれの面の形状を表すパラメータ毎の前記信頼度を用いた重み付け平均により得た形状により一つの前記面モデルに統合する統合手段とを備えた形状モデリング装置。
A data input/output means for inputting point cloud data and outputting surface model data;
a surface approximation means for obtaining a surface shape approximating the point cloud data;
A reliability calculation means for calculating a reliability of the surface shape;
a reliability assigning means for assigning the reliability to the surface model;
and an integration means for integrating different surface models representing substantially the same surface into one surface model based on a shape obtained by a weighted average using the reliability for each parameter representing the shape of each surface.
点群データを入力して面モデルのデータを出力するデータ入出力手段と、
前記点群データに近似する面形状を求める面近似手段と、
実質的に同じ面を表す異なる第1及び第2の前記点群データを最小二乗法による面近似での誤差行列として前記面形状の信頼度を算出する信頼度算出手段と、
第1の前記点群データによる誤差行列の第1の逆行列及び第2の前記点群データによる誤差行列の第2の逆行列の和となる逆行例を前記面モデルの前記信頼度とする信頼度合成手段と、
前記信頼度を前記面モデルに付与する信頼度付与手段とを備えた形状モデリング装置。
A data input/output means for inputting point cloud data and outputting surface model data;
a surface approximation means for obtaining a surface shape approximating the point cloud data;
a reliability calculation means for calculating a reliability of the surface shape by using the first and second point cloud data, which are different and which represent substantially the same surface, as an error matrix in surface approximation by a least squares method;
a reliability synthesis means for determining an inverse matrix, which is a sum of a first inverse matrix of an error matrix based on the first point cloud data and a second inverse matrix of an error matrix based on the second point cloud data, as the reliability of the surface model;
and a reliability assigning means for assigning the reliability to the surface model.
実質的に同じ構造物に対して異なる第1及び第2の面モデルのデータであってそれぞれ信頼度が付与された第1及び第2の前記面モデルのデータを入力して、変換された第2の前記面モデルのデータを出力するデータ入出力手段と
1の前記面モデルに対応する第2の前記面モデル毎の前記信頼度から重み付け平均を算出して第1の前記面モデル集合の位置に第2の前記面モデル集合の位置を合わせるように変換する変換算出手段とを備えた形状モデリング装置。
a data input/output means for inputting data of first and second surface models which are different for substantially the same structure and have respective reliability levels assigned thereto, and outputting data of the converted second surface model ;
and a transformation calculation means for calculating a weighted average from the reliability of each second surface model corresponding to the first surface model, and for transforming the second surface model set so as to align the position of the first surface model set with the position of the first surface model set.
第2の前記面モデル集合のモデル化に用いた第2の点群データの座標値を変換する点群座標変換手段を備えたことを特徴とする請求項3に記載の形状モデリング装置。 4. The geometric modeling device according to claim 3, further comprising point cloud coordinate conversion means for converting coordinate values of the second point cloud data used in modeling the second set of surface models. 対象物を計測した点群データから前記対象物の形状を復元する形状モデリング方法であって、
前記点群データを入力するデータ入力工程と、
前記点群データを近似する面形状を求める面近似工程と、
前記面形状の信頼度を算出する信頼度算出工程と、
前記信頼度を面モデルに付与する信頼度付与工程と、
実質的に同じ面を表す異なる前記面モデルをそれぞれの面の形状を表すパラメータ毎の前記信頼度を用いた重み付け平均により得た形状により一つの前記面モデルに統合する統合工程と、
前記面モデルのデータを出力するデータ出力工程とを有する形状モデリング方法。
1. A shape modeling method for restoring a shape of an object from point cloud data obtained by measuring the object, comprising:
a data input step of inputting the point cloud data;
a surface approximation step of obtaining a surface shape that approximates the point cloud data;
a reliability calculation step of calculating a reliability of the surface shape;
a reliability assignment step of assigning the reliability to the surface model;
a merging step of merging different surface models representing substantially the same surface into one surface model based on a shape obtained by a weighted average using the reliability for each parameter representing the shape of each surface;
and outputting data of the surface model.
対象物を計測した点群データから前記対象物の形状を復元する形状モデリング方法であって、
前記点群データを入力するデータ入力工程と、
前記点群データを近似する面形状を求める面近似工程と、
実質的に同じ面を表す異なる第1及び第2の前記点群データを最小二乗法による面近似での誤差行列として前記面形状の信頼度を算出する信頼度算出工程と、
第1の前記点群データによる誤差行列の第1の逆行列及び第2の前記点群データによる誤差行列の第2の逆行列の和となる逆行例を面モデルの前記信頼度とする信頼度合成工程と、
前記信頼度を前記面モデルに付与する信頼度付与工程と、
前記面モデルのデータを出力するデータ出力工程とを有する形状モデリング方法。
1. A shape modeling method for restoring a shape of an object from point cloud data obtained by measuring the object, comprising:
a data input step of inputting the point cloud data;
a surface approximation step of obtaining a surface shape that approximates the point cloud data;
a reliability calculation step of calculating the reliability of the surface shape by using the first and second point cloud data, which are different and represent substantially the same surface, as an error matrix in surface approximation by a least squares method;
a reliability synthesis step of determining an inverse matrix, which is a sum of a first inverse matrix of an error matrix based on the first point cloud data and a second inverse matrix of an error matrix based on the second point cloud data, as the reliability of the surface model;
a reliability assignment step of assigning the reliability to the surface model;
and outputting data of the surface model.
対象物の形状を復元する形状モデリング方法であって、
実質的に同じ構造物に対して異なる第1及び第2の面モデルのデータであってそれぞれ信頼度が付与された第1及び第2の前記面モデルのデータを入力するデータ入力工程と
1の前記面モデルに対応する第2の前記面モデル毎の前記信頼度から重み付け平均を算出して第1の前記面モデル集合の位置に第2の前記面モデル集合の位置を合わせるように変換する変換算出工程と、
変換された第2の前記面モデルのデータを出力するデータ出力工程とを有する形状モデリング方法。
A shape modeling method for restoring a shape of an object , comprising the steps of:
a data input step of inputting data of first and second surface models different from each other for substantially the same structure, the data of the first and second surface models being assigned respective reliability levels ;
a conversion calculation step of calculating a weighted average of the reliability of each of the second surface models corresponding to the first surface model, and converting the second surface model set so as to align the position of the first surface model set with the position of the first surface model set;
and a data output step of outputting data of the converted second surface model.
第2の前記面モデル集合のモデル化に用いた第2の点群データの座標値を変換する点群座標変換工程を備えたことを特徴とする請求項7に記載の形状モデリング装置。 8. The geometric modeling device according to claim 7, further comprising a point cloud coordinate conversion step of converting coordinate values of second point cloud data used in modeling the second set of surface models.
JP2022544994A 2020-08-27 2020-08-27 Shape modeling device and shape modeling method Active JP7464134B2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2020/032352 WO2022044197A1 (en) 2020-08-27 2020-08-27 Shape modeling device and shape modeling method

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JPWO2022044197A1 JPWO2022044197A1 (en) 2022-03-03
JPWO2022044197A5 JPWO2022044197A5 (en) 2022-12-28
JP7464134B2 true JP7464134B2 (en) 2024-04-09

Family

ID=80354833

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022544994A Active JP7464134B2 (en) 2020-08-27 2020-08-27 Shape modeling device and shape modeling method

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7464134B2 (en)
WO (1) WO2022044197A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115791794A (en) * 2022-11-22 2023-03-14 福耀玻璃工业集团股份有限公司 Optical element detection method, system and application
CN116465327B (en) * 2023-04-20 2026-02-10 中南大学 A method for measuring bridge alignment based on vehicle-mounted 3D laser scanning

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011047703A (en) 2009-08-25 2011-03-10 Mitsutoyo Corp Method of evaluating precision of output data using error propagation
JP2018185658A (en) 2017-04-26 2018-11-22 キヤノン株式会社 Information processing apparatus, information processing method, and program
JP2019090675A (en) 2017-11-14 2019-06-13 株式会社荏原製作所 Inspection device, inspection system, and storage medium in which program is stored

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012141235A1 (en) * 2011-04-13 2012-10-18 株式会社トプコン Three-dimensional point group position data processing device, three-dimensional point group position data processing system, three-dimensional point group position data processing method and program
JP7278720B2 (en) * 2018-06-27 2023-05-22 キヤノン株式会社 Generation device, generation method and program
JP2020071808A (en) * 2018-11-02 2020-05-07 株式会社Ihi Learning device and learning method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011047703A (en) 2009-08-25 2011-03-10 Mitsutoyo Corp Method of evaluating precision of output data using error propagation
JP2018185658A (en) 2017-04-26 2018-11-22 キヤノン株式会社 Information processing apparatus, information processing method, and program
JP2019090675A (en) 2017-11-14 2019-06-13 株式会社荏原製作所 Inspection device, inspection system, and storage medium in which program is stored

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
高増 潔、古谷 涼秋、大園 成夫,座標計測における形状パラメータの信頼性,精密工学会誌,日本,1997年,Vol.63, No.11,pp.1594 to 1598

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2022044197A1 (en) 2022-03-03
WO2022044197A1 (en) 2022-03-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7716712B2 (en) Three-dimensional model generation method, information processing device and program
JP4650750B2 (en) 3D shape data storage and display method and apparatus, and 3D shape measurement method and apparatus
EP3435029B1 (en) Resolution adaptive mesh for performing 3-d metrology of an object
JP4650751B2 (en) Method and apparatus for aligning 3D shape data
CN101331379B (en) Self-position recognition method and device, and three-dimensional shape measurement method and device
JP6370038B2 (en) Position and orientation measurement apparatus and method
JP5380792B2 (en) Object recognition method and apparatus
Chen et al. Two-view camera housing parameters calibration for multi-layer flat refractive interface
JP5759161B2 (en) Object recognition device, object recognition method, learning device, learning method, program, and information processing system
CN106052646B (en) Information processing unit and information processing method
US10984609B2 (en) Apparatus and method for generating 3D avatar
JP2013539147A5 (en)
US20120294534A1 (en) Geometric feature extracting device, geometric feature extracting method, storage medium, three-dimensional measurement apparatus, and object recognition apparatus
JP2003058911A (en) Device, method, program for modeling surface shape of three-dimensional object
JP7464134B2 (en) Shape modeling device and shape modeling method
CN118435247A (en) Image processing method, device, interactive device, electronic device and storage medium
CN120599166A (en) A high-precision 3D geological modeling system for mining drones
CN120468877A (en) A method and device for constructing a degraded environment map based on adaptive pose estimation
CN120778102A (en) Multi-mode information fusion odometer construction method and system oriented to star meter positioning
CN115343744B (en) Optical single-satellite and double-satellite combined on-board positioning method and system for aerial moving targets
Marchand et al. Evaluating surface mesh reconstruction of open scenes
Witzgall et al. Recovering spheres from 3D point data
JP7800961B1 (en) Image analysis device, image analysis method, and computer program
CN121274849B (en) Real height measurement method, system and medium based on monocular camera
Hu et al. Research on a Camera Position Measurement Method based on a Parallel Perspective Error Transfer Model

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220921

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220921

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20231031

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20231201

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240227

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240311

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7464134

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150