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JP7817208B2 - Noise removal device and program - Google Patents
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JP7817208B2 - Noise removal device and program - Google Patents

Noise removal device and program

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JP7817208B2 JP2023029188A JP2023029188A JP7817208B2 JP 7817208 B2 JP7817208 B2 JP 7817208B2 JP 2023029188 A JP2023029188 A JP 2023029188A JP 2023029188 A JP2023029188 A JP 2023029188A JP 7817208 B2 JP7817208 B2 JP 7817208B2
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本発明は、3次元モデルのノイズ除去装置及びプログラムに関する。 The present invention relates to a device and program for removing noise from a three-dimensional model.

コンピュータグラフィクスや自動運転などに用いられる3次元(3D)空間の形状情報は、点やメッシュの集合である3Dモデル(以下、特に点やメッシュを区別しない場合は単に「3Dモデル」と表記)として記録される。これら3Dモデルは、カメラ画像や深度センサ、Lidar(ライダー:光検出と測距)といったセンサ情報から生成されるが、その記録過程においてノイズが含まれるため、得られた3Dモデルデータは被写体の真の3D形状情報をよく表現できないことが想定される。この課題を解決するために、3Dモデルの形状情報のノイズを除去する様々な技術が提案されている。特に、非特許公報1では、「ノイズがない真の被写体の表面に比べて、ノイズを含む3Dモデル(以下、「ノイズ付き3Dモデル」と表記)の表面は細かな凹凸があるため、局所的な法線ベクトルが滑らかでない」という仮定に基づいたノイズ除去手法を提案している。具体的には、ノイズ付き3Dモデルの近傍頂点間を辺で結んだグラフ構造と、頂点ごとに算出される法線ベクトルに着目し、辺で接続される頂点間の局所的な法線ベクトルの類似度を高めるように、法線ベクトルを滑らかにすることでノイズ除去を実現している。また、当該更新では、当該グラフのエッジで接続されている頂点間の座標値の類似度を高める(変動を抑える)といった他の制約を設けた最適化を同時に行うことによって、法線ベクトルの滑らかさと頂点座標値の滑らかさの両立を可能としている。 Shape information in three-dimensional (3D) space used in computer graphics, autonomous driving, and other applications is recorded as a 3D model (hereinafter, simply referred to as a "3D model" when there is no need to distinguish between points and meshes). These 3D models are generated from sensor information such as camera images, depth sensors, and Lidar (Light Detection and Ranging). However, due to noise introduced during the recording process, the resulting 3D model data is likely to be unable to accurately represent the true 3D shape information of the subject. To address this issue, various techniques have been proposed to remove noise from the shape information of 3D models. In particular, Non-Patent Publication 1 proposes a noise removal method based on the assumption that "compared to the surface of a true, noise-free subject, the surface of a noisy 3D model (hereinafter, "noisy 3D model") has fine irregularities, resulting in uneven local normal vectors." Specifically, it focuses on the graph structure of the noisy 3D model, which connects nearby vertices with edges, and the normal vectors calculated for each vertex, and achieves noise removal by smoothing the normal vectors to increase the similarity of the local normal vectors between vertices connected by edges. Furthermore, this update simultaneously performs optimization with other constraints, such as increasing the similarity (reducing fluctuations) of the coordinate values between vertices connected by the edges of the graph, thereby achieving both smoothness of normal vectors and smoothness of vertex coordinate values.

Chinthaka Dinesh, Gene Cheung, and Ivan V. Baji´c, "Pointcloud denoising via feature graph laplacian regularization," IEEE Transactions on Image Processing, vol. 29, pp. 4143―4158, 2020.Chinthaka Dinesh, Gene Cheung, and Ivan V. Baji´c, "Pointcloud denoising via feature graph laplacian regularization," IEEE Transactions on Image Processing, vol. 29, pp. 4143―4158, 2020.

しかしながら、従来技術のノイズ除去では平滑化を一律的に用いているために、本来の形状が平面的ではない箇所(曲面的な箇所や尖っている箇所など)にまでも一律的な平滑化を適用することで、ノイズ除去と同時に本来の形状が損なわれた結果が得られてしまう場合があった。 However, because conventional noise removal techniques use smoothing uniformly, they apply smoothing uniformly to areas where the original shape is not flat (such as curved or sharp areas), which can result in the original shape being distorted while the noise is removed.

すなわち、前述の通り非特許文献1に記載の従来技術は、グラフ構造に基づく2点間の法線ベクトルや座標の類似度を高めるように設計されている。これは処理対象となる3Dモデル表面を局所的にみると、点が平面上に分布していると仮定していることに他ならない。一方で、実際の3Dモデルを考慮すると、局所的に見た場合においても、平面的な点の分布で近似することが難しい形状をもつ場合がある。例えば、ノイズを含みながらも緩やかに湾曲する曲面に対して非特許文献1の処理を適用してしまうと、表面に分布する頂点の法線の類似度を過剰に高め、平面に近い形に修正することで3Dモデルの形状情報を過平滑化してしまい、結果として形状を損ねてしまうことが起こる。これは、「従来技術は、3Dモデルの表面形状に対する平滑化作用の強度をエッジで接続された2点間の特徴量のみに基づき、等方的に平面となるように処理をしている」ことに起因する。 As mentioned above, the conventional technology described in Non-Patent Document 1 is designed to increase the similarity of normal vectors and coordinates between two points based on a graph structure. This essentially assumes that the points on the surface of the 3D model being processed are distributed on a plane when viewed locally. However, when considering actual 3D models, even when viewed locally, they may have shapes that are difficult to approximate with a planar distribution of points. For example, if the processing described in Non-Patent Document 1 is applied to a gently curving surface that contains noise, the similarity of the normals of the vertices distributed on the surface may be excessively increased, and the shape information of the 3D model may be over-smoothed by modifying it to a shape closer to a plane, resulting in damage to the shape. This is because "the conventional technology processes the surface shape of the 3D model by basing the strength of the smoothing effect on the surface shape of the 3D model solely on the feature values between two points connected by an edge, so as to create an isotropic plane."

上記従来技術の課題に鑑み、本発明は、ノイズ付き3Dデータに対して適切な形でノイズ除去を行うことができるノイズ除去装置、方法及びプログラムを提供することを目的とする。 In consideration of the above-mentioned problems with the conventional technology, the present invention aims to provide a noise removal device, method, and program that can appropriately remove noise from noisy 3D data.

前記目的を達成するため、本発明は、少なくとも各点の座標の情報を含む3次元モデルのノイズ除去を行うノイズ除去装置であって、前記3次元モデルの各点の法線を算出する第1処理と、前記各点について、その周辺点の法線より前記3次元モデルの局所形状特徴量を算出する第2処理と、前記各点の局所形状特徴量より各点の法線を最適化することで最適化法線を得る第3処理と、前記各点の最適化法線より各点の座標を最適化したものとして、前記3次元モデルに対するノイズ除去の結果を得る第4処理と、を実行することを特徴とする。また、当該装置に対応するプログラムであることを特徴とする。 To achieve the above-mentioned objective, the present invention provides a noise removal device that removes noise from a three-dimensional model that includes at least information on the coordinates of each point, and is characterized by executing the following steps: a first process that calculates the normal of each point of the three-dimensional model; a second process that calculates, for each point, local shape features of the three-dimensional model from the normals of its surrounding points; a third process that obtains optimized normals by optimizing the normals of each point from the local shape features of each point; and a fourth process that obtains the results of noise removal for the three-dimensional model by optimizing the coordinates of each point from the optimized normals of each point. The present invention is also characterized by a program corresponding to the device.

本発明によれば、局所形状特徴に基づいて法線を予め最適化したうえで、対応する座標を最適化してノイズ除去結果を得るので、局所形状特徴を考慮しない従来技術の場合における過平滑化を抑制したノイズ除去結果を得ることが可能となる。 According to the present invention, normals are optimized in advance based on local shape features, and then the corresponding coordinates are optimized to obtain noise removal results. This makes it possible to obtain noise removal results that suppress the over-smoothing that occurs in conventional techniques that do not take local shape features into account.

一実施形態に係るノイズ除去装置の機能ブロック図である。1 is a functional block diagram of a noise removal device according to an embodiment; 本実施形態の適用例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an application example of the present embodiment. 曲面上の点の法線についての非等方的な均一化による最適化の例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example of optimization by anisotropic uniformization of normals of points on a curved surface. グラフ重み最適化部での処理内容の説明例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example of processing performed by a graph weight optimization unit. 一般的なコンピュータにおけるハードウェア構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a hardware configuration of a typical computer.

図1は、一実施形態に係るノイズ除去装置10の機能ブロック図である。ノイズ除去装置10は、法線ベクトル算出部11、局所形状特徴量算出部12、法線ベクトル最適化部13、頂点座標最適化部14、局所形状分類部21及びグラフ重み最適化部22を備え、その全体的な動作として、ノイズ付き3Dモデルを法線ベクトル算出部11において入力として読み込み、これに対してノイズ除去を適用した結果であるノイズ除去された3Dモデルを出力する。当該入出力されるいずれの3Dモデルも、何らかの物体等の3D形状(3D表面形状)を意味するものとして、少なくとも、当該表面上の各点pi(i=1,2,…,N;Nは点の総数)とその3D座標の情報を含む。 1 is a functional block diagram of a noise removal device 10 according to an embodiment. The noise removal device 10 includes a normal vector calculation unit 11, a local shape feature calculation unit 12, a normal vector optimization unit 13, a vertex coordinate optimization unit 14, a local shape classification unit 21, and a graph weight optimization unit 22. The overall operation of the noise removal device 10 is to read a noisy 3D model as input in the normal vector calculation unit 11, and output a noise-removed 3D model, which is the result of applying noise removal to the noisy 3D model. Each of the input and output 3D models represents the 3D shape (3D surface shape) of some object or the like, and includes at least information on each point p i (i=1, 2, ..., N; N is the total number of points) on the surface and its 3D coordinates.

3Dモデルは例えば点群として構成され、当該各点piとその3D座標の情報とを含むものであってよい。3Dモデルがポリゴンモデルとして構成される場合であれば、例えばこれら各点piはポリゴンの頂点として構成され、いずれの2点pi,pjがいずれのポリゴンの辺を構成しているかという情報をさらに含んでいてもよい。3Dモデルはまた、点群あるいはポリゴンによるモデルとして構成され、表面テクスチャの情報も付随しているものであってもよい。 The 3D model may be configured as a point cloud, for example, and may include information on each point p i and its 3D coordinates. If the 3D model is configured as a polygon model, for example, each point p i may be configured as a vertex of a polygon, and may further include information on which two points p i and p j form which side of the polygon. The 3D model may also be configured as a point cloud or polygon model, and may also include surface texture information.

なお、図1に示す構成のうち、局所形状分類部21及び/又はグラフ重み最適化部22は省略することが可能であるが、以下の説明では省略されない構成の場合を主として説明し、省略する場合についても適宜、説明する。以下、図1の各機能部の処理内容の詳細について説明する。 Note that the local shape classification unit 21 and/or graph weight optimization unit 22 can be omitted from the configuration shown in Figure 1, but the following explanation will mainly focus on configurations in which they are not omitted, and will also explain cases in which they are omitted as appropriate. Below, we will explain in detail the processing content of each functional unit in Figure 1.

<<法線ベクトル算出部11>>
法線ベクトル算出部11はノイズ付き3Dモデルの各点pi(i=1,2,…,N)について法線ベクトルni(i=1,2,…,N)を算出し、局所形状特徴量算出部12へと出力する。
<<Normal vector calculation unit 11>>
Normal vector calculation unit 11 calculates normal vector n i (i=1, 2, . . . , N) for each point p i (i=1, 2, . . . , N) of the noise-added 3D model, and outputs it to local shape feature calculation unit 12 .

メッシュ構造をもつ3Dモデルの場合は、当該メッシュによって構成されるポリゴンひとつひとつの法線ベクトルを算出し、「ある頂点が共有するすべてのポリゴンの法線ベクトルの平均値」などの代表値を当該頂点の法線ベクトルとしてよい。また、点群からなる3Dモデルの場合は、一度点群を頂点とする表面ポリゴンを形成し、メッシュと同様の処理を施すことで各頂点の法線ベクトルを得るようにしてよい。この際、表面ポリゴンの各頂点は点群から得られているため、頂点の法線ベクトルを対応する点群の法線ベクトルとしてよい。なお、表面ポリゴンの形成においては、非特許文献2などの表面を形成する任意の既存手法を用いることができ、一度表面ポリゴンを形成したうえでメッシュと同様の処理を施せばよい。こうして、点群またはメッシュの頂点ごとの法線ベクトルni=(x,y,z)を得ることができる。その他にも、一般的な点群およびメッシュの法線ベクトルを推定する任意の既存技術を用いることが可能である。 For 3D models with a mesh structure, the normal vector of each polygon comprising the mesh can be calculated, and a representative value, such as the "average value of the normal vectors of all polygons shared by a vertex," can be used as the normal vector of that vertex. For 3D models consisting of point clouds, a surface polygon with the point cloud as its vertices can be formed, and the normal vectors of each vertex can be obtained by performing the same processing as for a mesh. In this case, since each vertex of the surface polygon is obtained from the point cloud, the normal vector of the vertex can be used as the normal vector of the corresponding point cloud. Note that, to form the surface polygon, any existing surface formation method, such as that described in Non-Patent Document 2, can be used. Once the surface polygon is formed, it can be processed in the same way as for a mesh. In this way, the normal vector n i =(x, y, z) for each vertex of the point cloud or mesh can be obtained. In addition, any existing technology for estimating normal vectors of general point clouds and meshes can also be used.

[非特許文献2] F. Bernardini, J. Mittleman, H. Rushmeier, C. Silva, and G. Taubin, "The ball-pivoting algorithm for surface reconstruction," IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 5, no. 4, pp. 349―359, 1999. [Non-Patent Document 2] F. Bernardini, J. Mittleman, H. Rushmeier, C. Silva, and G. Taubin, "The ball-pivoting algorithm for surface reconstruction," IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 5, no. 4, pp. 349-359, 1999.

<<局所形状特徴量算出部12>>
局所形状特徴量算出部12では、前記法線ベクトル算出部11にて各頂点piに付与された法線ベクトルniを入力として、各頂点piの属する表面の局所的な形状特徴量を算出し、この局所形状特徴量を局所形状分類部21及び法線ベクトル最適化部13へと出力する。
<<Local shape feature calculation unit 12>>
The local shape feature calculation unit 12 receives the normal vector n i assigned to each vertex p i by the normal vector calculation unit 11 as an input, calculates the local shape feature of the surface to which each vertex p i belongs, and outputs this local shape feature to the local shape classification unit 21 and the normal vector optimization unit 13.

具体的には例えば、まずk-Nearest Neighbor法(k-NN、k近傍法:ある点とそのk個の近傍点を辺で接続するグラフ構築手法)などを用いて3Dモデルの頂点と辺からなるグラフを構築する。このときk-NNの点同士の距離を測る尺度としては3次元空間上のユークリッド距離でもよいし、点に付与された色の色空間上の距離などでもよい。また、メッシュモデルを用いるときは、ポリゴンを構成する辺をグラフの辺としてグラフを構築してもよい。 Specifically, for example, a graph consisting of the vertices and edges of a 3D model is first constructed using the k-Nearest Neighbor method (k-NN: a graph construction method that connects a point to its k neighbors with edges). The measure of distance between k-NN points can be Euclidean distance in three-dimensional space, or the distance in color space of the color assigned to the point. Furthermore, when using a mesh model, the graph can be constructed using the edges that make up the polygons as the edges of the graph.

得られたグラフに対して以下の通りの処理により局所的な特徴量を得ることができる。すなわち、点piの近傍点pjの法線ベクトルnjを用いて点pi周りの形状情報を表すテンソルTiを以下の式(1),(2)等の通りに算出する。 Local features can be obtained from the obtained graph by the following process: tensor T i representing shape information around point p i is calculated using normal vector n j of neighboring point p j of point p i according to the following formulas (1) and (2).

ここで、N(pi)は点piの近傍点のインデックス集合を表す。また、αは点piとその近傍点pjの類似度に基づく係数であり、例えば式(1a)のように、点piと点pjの距離に基づく類似度αなどを用いることができる。(なお、式(1a)においてσは近傍点との距離の最大値や分散などの代表値から得られる係数である。)あるいは、単純にα=1のように定数としてもよい。 Here, N( pi ) represents the index set of neighboring points of point pi . α is a coefficient based on the similarity between point pi and its neighboring point pj . For example, similarity α based on the distance between point pi and point pj can be used, as in equation (1a). (Note that in equation (1a), σ is a coefficient obtained from a representative value such as the maximum value or variance of the distance to neighboring points.) Alternatively, a constant such as α=1 can be used.

Tiは3×3の行列として扱うことができ、これらに対して固有値分解を施すことで局所的な形状情報を得ることができる。固有値を降順にλ1≧λ2≧λ3とし、それらに対応する固有ベクトルをe1,e2,e3とする。図2は、本実施形態の適用例として、円柱形状のノイズ付き3Dモデルを用意して当該固有値分解を適用した場合の、第1及び第2固有ベクトル及び固有値の各点piにおける分布例を示す図である。なお、例EXb,EXdに示す分布についてはその左側の凡例の通り、固有値の値が大きい場合と小さい場合に濃色(黒色寄り)となり、その中間の場合に淡色(白色寄り)となるようにして描いている。 Ti can be treated as a 3x3 matrix, and local shape information can be obtained by applying eigenvalue decomposition to it. The eigenvalues are arranged in descending order as λ1λ2λ3 , and the corresponding eigenvectors are e1 , e2 , and e3 . Figure 2 shows an example of the distribution of the first and second eigenvectors and eigenvalues at each point p i when a cylindrical, noisy 3D model is prepared and eigenvalue decomposition is applied, as an application example of this embodiment. Note that the distributions shown in examples EXb and EXd are drawn in dark colors (closer to black) when the eigenvalues are large and small, and light colors (closer to white) when the eigenvalues are intermediate, as indicated by the legend on the left.

直感的には第1固有ベクトルe1はk近傍点の領域での法線ベクトルの最も主成分となるベクトルを表し、当該局所領域の情報を統合した、よりロバストな点piの法線ベクトルとみなすことができる。図2では例EXa及び説明欄(a)の通り、円柱形状に対してロバストな法線ベクトルとして第1固有ベクトルe1が得られている。また、第1固有値λ1は当該局所領域において点piの法線ベクトルがどの程度近傍と異なるかを表す指標であり、図2の例EXb及び説明欄(b)のように、角にあたる点(円柱形状においては円形の両底面の縁をなす円周箇所の点)において低い数値を示す。 Intuitively, the first eigenvector e1 represents the vector that is the most principal component of the normal vector in the region of the k-nearest neighbor points, and can be considered a more robust normal vector of point p i that integrates information from the local region. In Figure 2, as shown in example EXa and explanatory column (a), the first eigenvector e1 is obtained as a robust normal vector for a cylindrical shape. Furthermore, the first eigenvalue λ1 is an index that indicates how much the normal vector of point p i differs from its neighbors in the local region, and exhibits low values at corner points (points on the circumference that form the edges of both circular bases in a cylindrical shape), as shown in example EXb and explanatory column (b) of Figure 2.

第2固有ベクトルe2は局所領域の第2に主要な成分の方向を示しており、例えば図2の例EXc及び説明欄(c)のように円柱形状の場合であれば円柱の側面の曲面に沿うように、表面に沿う形で、且つ、法線ベクトルの変位の大きい方向を示す。(すなわち、円柱の側面で、円柱を底面に平行に切断した円の円周上の接線の方向を示す。)第2固有値λ2は当該法線ベクトルの変位量がどの程度かを示しており、例えば図2の例EXd及び説明欄(d)のように、曲面であれば大きな値を示し、小さい場合は平面を示している。 The second eigenvector e2 indicates the direction of the second major component of the local region, and in the case of a cylindrical shape, for example, as in Example EXc and explanation column (c) in Figure 2, it indicates the direction of the largest displacement of the normal vector, along the surface, so as to follow the curved surface of the side of the cylinder. (That is, it indicates the direction of the tangent to the circumference of a circle obtained by cutting the cylinder parallel to the bottom surface on the side of the cylinder.) The second eigenvalue λ2 indicates the amount of displacement of the normal vector, and indicates a large value for a curved surface, as in Example EXd and explanation column (d) in Figure 2, and a small value indicates a flat surface.

局所形状特徴量算出部12では各点piとその法線ベクトルniについて、これら固有値λ123及び固有ベクトルをe1,e2,e3を、局所形状情報を示す特徴量として出力する。 The local shape feature calculation unit 12 outputs the eigenvalues λ 1 , λ 2 , λ 3 and eigenvectors e 1 , e 2 , e 3 for each point p i and its normal vector n i as features indicating local shape information.

なお、式(1)の近傍法線ベクトルnjに代えて、k近傍の法線ベクトルの平均値n^(nへの上線付与「n^」で平均値とする)からの変位量(nj-n^)を用いるようにすることで、式(1)に代えて以下の式(1b)を用いるようにしてもよい。各近傍点pjの法線ベクトルnjそのものを用いずに点piの法線ベクトルniからの変位角を用いてもよい。 Note that instead of the neighborhood normal vector nj in equation (1), the amount of displacement (nj -n^) from the average value n^ of the normal vectors of the k neighborhood (the average value is determined by adding an overline " n^" to n) may be used, thereby allowing the following equation (1b) to be used instead of equation (1).The normal vector nj of each neighborhood point pj itself may be used, but the displacement angle from the normal vector ni of point pi may be used.

<<局所形状分類部21>>
局所形状特徴量算出部12にて算出された固有値λ123及び固有ベクトルe1,e2,e3を用いて、各点piの局所形状を平面/曲面/エッジ(注1)、角などに分類し、この分類結果を法線ベクトル最適化部13及びグラフ重み最適化部22へと出力する。
(注1)グラフの辺を意味するエッジとは異なり3Dモデルの稜線を意味する。
<<Local shape classification unit 21>>
Using the eigenvalues λ1 , λ2 , λ3 and eigenvectors e1 , e2 , e3 calculated by the local shape feature calculation unit 12, the local shape of each point p i is classified into plane/curved surface/edge (Note 1), corner, etc., and this classification result is output to the normal vector optimization unit 13 and the graph weight optimization unit 22.
(Note 1) Unlike edges, which refer to the edges of a graph, this refers to the edges of a 3D model.

具体的には、第1固有値λ1に対する所定の第1閾値th1を設定しておき、λ1≧th1のときは処理対象となる頂点は平面/曲面(平面または曲面)に属するものとし、それ以外の場合はエッジ/角(エッジまたは角)に属するものとする。(なお、当該分類は図2の説明欄(b)にも示される。)ここで、閾値th1の決定については、k-means法(k平均法)や大津法などの任意の既存手法による閾値決定法を広く使用することが可能であり、また、対象とする3Dモデルに類似するデータが多量に存在する場合は、各領域にラベルを付与した学習データによって学習した機械学習を用いてもよい。 Specifically, a predetermined first threshold th1 is set for the first eigenvalue λ1 , and if λ1th1 , the vertex to be processed is considered to belong to a plane/surface (plane or curved surface), and otherwise it is considered to belong to an edge/corner (edge or corner). (Note that this classification is also shown in the explanatory column (b) of Figure 2.) Here, to determine the threshold th1 , any existing threshold determination method such as the k-means method or Otsu's method can be widely used, and if there is a large amount of data similar to the target 3D model, machine learning using training data in which each region is labeled may also be used.

また、同様に第2固有値λ2についても所定の第2閾値th2を設定しておき、λ2≧th2の場合は、当該頂点は曲面(またはエッジ/角)に属するものとし、それ以外は平面に属するものと判別する。(なお、当該分類は図2の説明欄(d)にも示される。) Similarly, a predetermined second threshold value th2 is set for the second eigenvalue λ2 , and if λ2th2 , the vertex is determined to belong to a curved surface (or edge/corner), otherwise it is determined to belong to a plane. (Note that this classification is also shown in the explanatory column (d) of Figure 2.)

3Dモデルのすべての点に対して上記分類を行い、いずれの局所形状分類に属するかを情報として付与する。以上、まとめると局所形状特徴量算出部12では以下のように分類結果を出力できる。
●第1判定…λ1≧th1が偽であれば、
この点piはエッジまたは角に該当する。
●第2判定…λ1≧th1が真であり、且つλ2≧th2が真であれば、
この点piは曲面(またはエッジ/角)に該当する。
●第3判定…λ1≧th1が真であり、且つλ2≧th2が偽であれば、
この点piは平面に該当する。
The above classification is performed for all points of the 3D model, and information is added as to which local shape classification they belong to. In summary, the local shape feature calculation unit 12 can output classification results as follows.
●First judgment...If λ 1 ≧ th 1 is false,
This point p i corresponds to an edge or a corner.
● Second judgment...If λ 1 ≧ th 1 is true and λ 2 ≧ th 2 is true,
This point p i corresponds to a curved surface (or edge/corner).
●Third judgment...If λ 1 ≧ th 1 is true and λ 2 ≧ th 2 is false,
This point p i corresponds to the plane.

なお、第3固有値λ3を近傍頂点の法線ベクトルの等方的な変位量を示すオフセットとして捉え、当該閾値判定の対象として、第1、第2及び第3判定において閾値判定される対象となる値をλ1の代わりにλ13としてもよい。同様に第2及び第3判定において閾値判定される対象となる値をλ2の代わりにλ23としてもよい。 The third eigenvalue λ3 may be regarded as an offset indicating an isotropic displacement of the normal vector of the nearby vertex, and the value to be subjected to threshold determination in the first, second, and third determinations may be λ1 - λ3 instead of λ1 . Similarly, the value to be subjected to threshold determination in the second and third determinations may be λ2 - λ3 instead of λ2 .

<<法線ベクトル最適化部13>>
法線ベクトル最適化部13は、局所形状特徴量算出部12及び局所形状分類部21からそれぞれ得た局所形状特徴量及び分類結果を用いて法線ベクトルni(法線ベクトル算出部11で算出した法線ベクトルni)を最適化し、この最適化法線ベクトルni[最適化]を頂点座標最適化部14へと出力する。具体的には、以下の通り分類結果に応じて場合分けした処理を行うことで、最適化法線ベクトルni[最適化]を得ることができる。
<<Normal vector optimization unit 13>>
The normal vector optimization unit 13 optimizes the normal vector n i (the normal vector n i calculated by the normal vector calculation unit 11 ) using the local shape feature amount and classification result obtained from the local shape feature amount calculation unit 12 and the local shape classification unit 21, respectively, and outputs this optimized normal vector n i [optimized] to the vertex coordinate optimization unit 14. Specifically, the optimized normal vector n i [optimized] can be obtained by performing processing classified into cases according to the classification result as follows.

●第3判定に該当し、点piが局所的な平面に属する分類結果の場合
平面の場合には次のように法線ベクトルを等方的に均一化すればよい。まず、式(3)の通り、処理対象の点piのk近傍点の法線ベクトルnj=(xj,yj,zj)をすべて並べた行列を算出する。点piが平面に属するとき、その近傍法線ベクトルnj=(xj,yj,zj)の値はすべて類似のものとなることが理想的であるため、次の式(4)のように、Mの低ランク性を高める最適な行列Hを算出することで法線ベクトルを均一化することが可能である。すなわち、式(4)により求めた行列Hは最適化法線ベクトルni[最適化]を列挙したものとなっているので、行列Hから最適化法線ベクトルni[最適化]を得ることができる。
● If the third judgment is met and the classification result indicates that point p i belongs to a local plane: In the case of a plane, the normal vectors can be isotropically homogenized as follows. First, as shown in equation (3), a matrix is calculated that lists all of the normal vectors n j = (x j , y j , z j ) of the k neighboring points of the target point p i . When point p i belongs to a plane, it is ideal for the values of its neighboring normal vectors n j = (x j , y j , z j ) to be similar. Therefore, the normal vectors can be homogenized by calculating an optimal matrix H that improves the low rank of M, as shown in the following equation (4). In other words, since the matrix H calculated using equation (4) lists the optimized normal vectors n i [optimization] , the optimized normal vectors n i [optimization] can be obtained from matrix H.

式(4)の「argmin」(最小となるようなパラメータとして行列Hを算出する処理)の引数のうち第1項の|| ||*は核ノルムを表し、第2項|| ||Fはフロベニウムノルムを表す。式(4)にてβはユーザ設定の最適化の強度を決定するパラメータである。核ノルムは特異値の総和であり、行列のランクを近似するものであるため、式(4)の第1項の核ノルム||H||*は行列Hのランクを小さくするように作用する。フロベニウスノルムは行列の全成分を一列に並べてベクトルとみなしたときのベクトルの長さ(L2ノルム)として、L2ノルムを行列に拡張した概念であり、式(4)の第2項のフロベニウムノルム||H-M||FはHとMの差分の大きさを小さくするように作用する。 In the "argmin" argument in equation (4) (the process of calculating matrix H as a parameter that minimizes it), the first term, || || * , represents the nuclear norm, and the second term, || || F , represents the Frobenius norm. In equation (4), β is a parameter that determines the strength of the user-defined optimization. The nuclear norm is the sum of singular values and approximates the rank of a matrix. Therefore, the nuclear norm, ||H|| * , in the first term of equation (4) acts to reduce the rank of matrix H. The Frobenius norm is the length (L2 norm) of a vector when all elements of a matrix are arranged in a row and considered as a vector. It is a concept that extends the L2 norm to matrices, and the Frobenius norm, ||HM|| F , in the second term of equation (4) acts to reduce the magnitude of the difference between H and M.

すなわち、式(4)により、更新前Mから更新後Hとして最適化法線ベクトルni[最適化]を算出する際に、第2項の作用により更新前から大きく変化し過ぎることのないようにし、且つ、第1項の作用により低ランク性を高めて更新後の最適化法線ベクトルni[最適化]が均一化されるように算出することが可能である。 That is, when calculating the optimized normal vector n i[optimized] from before update M to after update H using equation (4), the second term prevents the vector from changing too much from before update, and the first term increases the low rank property, making it possible to calculate the optimized normal vector n i[optimized] after update so that it is uniform.

また、式(4),(5)のMの代わりにMを正方行列に近い形(行数と列数が可能な限り等しくなる形)に成形した次の式(5)のM'を用いてもよい。また、式(4)において、核ノルム|| ||*の代わりに次の式(6)の重みづけ核ノルム|| ||w,*を用いてもよい。 Furthermore, instead of M in equations (4) and (5), M' in the following equation (5) may be used, which is obtained by shaping M into a form close to a square matrix (a form in which the number of rows and columns is as equal as possible). Also, in equation (4), instead of the nuclear norm ∥ ∥ * , the weighted nuclear norm ∥ ∥ w,* in the following equation (6) may be used.

式(6)でδmは行列Mの特異値を降順に並べた際のm番目の特異値を示しており、wmはそれらに対するユーザ設定の正の重みである。特異値が大きいδmほどよりwmが小さくなるように重みを設定することで、大きな特異値を保持しながら式(4)を解くことが可能となり、行列Mの構造を維持しながら効果的に法線ベクトルの均一化を行うことが可能となる。 In equation (6), δ m indicates the m-th singular value when the singular values of matrix M are sorted in descending order, and w m is a positive weight set by the user for the singular value. By setting the weight so that w m becomes smaller as the singular value of δ m becomes larger, it becomes possible to solve equation (4) while retaining large singular values, and it becomes possible to effectively homogenize normal vectors while maintaining the structure of matrix M.

●第1判定または第2判定に該当し、点piが局所的な平面以外に属する分類結果の場合
次いで、点piが平面以外に属する場合(曲面やエッジや角に属する場合)は次のように処理を行って局所形状に即して非等方的に均一化することで、最適化法線ベクトルni[最適化]を得ることができる。
If the classification result corresponds to the first or second judgment and point p i belongs to something other than a local plane, then if point p i belongs to something other than a plane (if it belongs to a curved surface, edge, or corner), the following processing can be carried out to anisotropically homogenize it in accordance with the local shape, thereby obtaining the optimized normal vector n i [optimized] .

曲面やエッジ等に属する場合は、第2固有値ベクトルe2が延びる方向に関しては、真の3Dモデル形状においても法線ベクトルの変化を伴う傾向にあるため、当該e2の方向には強く最適化を行わないような方策をとる。具体的には、e2=(xe2,ye2,ze2)としたときに、次の式(7)の通り、xyz成分ごとの大きさの比率に応じて非等方的に均一化する形で最適化を行う。すなわち、式(7)により求めた行列H=(Hx,Hy,Hz)は最適化法線ベクトルni[最適化]を列挙したものとなっているので、行列Hから最適化法線ベクトルni[最適化]を得ることができる。 When the object belongs to a curved surface or an edge, the direction in which the second eigenvalue vector e2 extends tends to accompany changes in the normal vector even in the true 3D model shape, so a measure is taken not to strongly optimize the direction of e2 . Specifically, when e2 = ( xe2 , ye2 , ze2 ), optimization is performed by anisotropically homogenizing according to the ratio of the magnitudes of the xyz components, as shown in the following equation (7). In other words, the matrix H = ( Hx , Hy , Hz ) obtained by equation (7) lists the optimized normal vectors n i [optimization] , so the optimized normal vectors n i [optimization] can be obtained from the matrix H.

ここで、式(7)で最小化される項をx,y,z成分ごとに示した式(7x),(7y),(7z)と式(4)の最小化項との共通性から見て取ることができる通り、Hx,Hy,Hz及びMx,My,Mzは式(3),(4)の行列をx,y,z成分ごとに抽出したものである。 Here, as can be seen from the commonality between equations (7x), (7y), and (7z), which show the terms to be minimized in equation (7) for each x, y, and z component, and the minimization terms in equation (4), H x , H y , H z and M x , M y , and M z are the matrices of equations (3) and (4) extracted for each x, y, and z component.

例えば、処理対象の点piについて求まった第2固有ベクトルe2=(xe2,ye2,ze2)について、|xe2|≒|e2|且つ|ye2|≒0且つ|ze2|≒0である場合、すなわち、当該第2固有値ベクトルe2がほぼx軸方向に平行であり成分の大部分をx軸方向成分のみが占める場合を考える。この場合、当該x軸方向が3D形状の曲面の表面に沿い、且つ法線ベクトル変位が最大となる方向として、法線変化を伴うべき方向として均一化の適用を弱めるべき方向に該当するため、x軸方向の式(7x)の項の値をその係数(1-|Xe2|/|e2|)≒0によって小さくし、x軸方向の均一化の効果をその他のy,z軸での均一化の効果よりも相対的に弱める。逆に、y軸方向及びz軸方向は、当該x軸とは異なる方向(x軸に対して垂直をなす2方向)として均一化させる程度をx軸方向よりも相対的に強めに、積極的に適用すべき方向に該当するため、式(7y),(7z)の項の値をその係数である(1-|Ye2|/|e2|)≒1, (1-|Ze2|/|e2|)≒1によって一定の大きさを確保し、y軸方向及びz軸方向の均一化の効果を相対的に大きく確保させる。 For example, consider the case where the second eigenvector e2 = ( xe2 , ye2 , ze2 ) found for the target point p1 satisfies | xe2 |≒| e2 |, | ye2 |≒0, and | ze2 |≒0, i.e., the second eigenvector e2 is nearly parallel to the x-axis direction and the majority of its components are x-axis components. In this case, the x-axis direction is along the curved surface of the 3D shape, and corresponds to the direction in which the normal vector displacement is greatest, and corresponds to the direction in which the application of homogenization should be weakened as a direction that should accompany normal change. Therefore, the value of the term in equation (7x) in the x-axis direction is reduced by the coefficient (1-| Xe2 |/| e2 |)≒0, thereby weakening the effect of homogenization in the x-axis direction relatively compared to the effects of homogenization in the other y and z axes. Conversely, the y-axis and z-axis directions are different from the x-axis (two directions perpendicular to the x-axis) and should be homogenized more strongly and aggressively than the x-axis direction. Therefore, the values of the terms in equations (7y) and (7z) are set to a certain magnitude using the coefficients (1-|Y e2 |/| e2 |) ≒ 1 and (1-|Z e2 |/| e2 |) ≒ 1, thereby ensuring a relatively large effect of homogenization in the y-axis and z-axis directions.

すなわち、第2固有値ベクトルe2の方向として推定される、局所形状の表面(点piでの接平面)に沿う方向且つ法線ベクトル変位が最大となる方向については均一化の程度を弱めるようにし、これとは垂直な局所形状のロバストな法線としての第1固有値ベクトルe1の方向及び第3固有値ベクトルe3の方向に関してしては、均一化の程度を強めようにする。換言すれば、最適化前の法線ベクトルniから最適化された法線ベクトルni[最適化]を得るに際して、「ni[最適化]=ni+Δni」として均一化による変動分Δniを加えることとなるが、この変動分Δniの主要成分が第2固有値ベクトルe2の方向に構成され、第1固有値ベクトルe1の方向成分及び第3固有値ベクトルe3の方向成分は、わずかとなるようにすることができる。 That is, the degree of homogenization is weakened for the direction along the surface of the local shape (the tangent plane at point p i ) and the direction in which the normal vector displacement is maximum, which is estimated as the direction of the second eigenvalue vector e 2, and the degree of homogenization is strengthened for the directions of the first eigenvalue vector e 1 and the third eigenvalue vector e 3 which are robust normals of the local shape perpendicular to the direction of the second eigenvalue vector e 2. In other words, when obtaining the optimized normal vector n i[optimized] from the normal vector n i before optimization, a fluctuation Δn i due to homogenization is added as "n i[optimized] = n i + Δn i ", but the main component of this fluctuation Δn i is configured in the direction of the second eigenvalue vector e 2 , and the directional components of the first eigenvalue vector e 1 and the third eigenvalue vector e 3 can be made small.

図3に、3Dデータ例が図2に例示した円柱である場合に、その側面の曲面上のある点piの法線niについての不均一な最適化の模式例を示す。図2の例EXa,EXcで説明した通り、円柱側面上の点piの法線niに関して、ni≒e1であり、第2固有ベクトルe2は側面の円周接線方向を向いている。従って、式(7)により「ni[最適化]=ni+Δni」として不均一な最適化を行う場合には、変動分Δniの主要成分は第2固有ベクトルe2方向成分で構成され、これと直交する第1,第3固有ベクトルe1,e3の方向成分は小さくすることで、曲面である円柱側面上の法線に適切な最適化を実現することができる。 Figure 3 shows a schematic example of non-uniform optimization of the normal n i to a point p i on the curved side surface of a cylinder, as shown in Figure 2. As explained in examples EXa and EXc in Figure 2, for the normal n i to point p i on the side surface of the cylinder, n i ≒ e 1 , and the second eigenvector e 2 points in the direction of the circumferential tangent to the side surface. Therefore, when non-uniform optimization is performed using equation (7) as "n i [optimization] = n i + Δn i ," the main component of the variation Δn i is composed of the directional component of the second eigenvector e 2 . By reducing the directional components of the first and third eigenvectors e 1 and e 3 that are orthogonal to this, appropriate optimization of the normal on the curved side surface of the cylinder can be achieved.

なお、図3のような円柱側面の場合に限らず一般的に、曲面上の点piの法線niに関して、ni≒e1であり、当該第1法線ベクトルe1は当該局所形状の接平面の法線ベクトルであり、第2法線ベクトルe2は点piにおいて局所形状に接する円(円柱形状の場合は、その側面を切断して得られる円)の接線方向を意味している。すなわち、曲面の場合には、第2法線ベクトルe2は点piにおいて局所形状に接する円の情報を含んでいる。 In general, not only in the case of a cylindrical side surface as shown in Figure 3, but also in other cases, with respect to the normal n i of point p i on a curved surface, n i ≒ e 1 , the first normal vector e 1 is the normal vector of the tangent plane of the local shape, and the second normal vector e 2 means the tangent direction of the circle tangent to the local shape at point p i (in the case of a cylindrical shape, the circle obtained by cutting the side surface). In other words, in the case of a curved surface, the second normal vector e 2 contains information about the circle tangent to the local shape at point p i .

式(7)の最適化の変形例として、式(5)と同様に、x,y,zごとに行数と列数を可能な限り等しくなるようにしたM'x,M'y,M'zを用いてもよい。また、(xe2,ye2,ze2)のうち絶対値が小さい上位1個または2個の成分のみに上記最適化を施してもよい。上記の最適化に加えて、重み付き核ノルムを用いる場合は、(xe2,ye2,ze2)の絶対値の降順に従う成分ごとのM1,M2,M3に対応する式(6)の重みwm 1,wm 2,wm 3を、wm 1>wm 2>wm 3となるように設定し、第2固有ベクトルe2の方向の成分については法線ベクトルを均一化する作用を抑制してもよい。 As a modified example of the optimization of Equation (7), M'x , M'y , and M'z may be used, in which the number of rows and columns for each of x, y, and z are as equal as possible, as in Equation (5). Alternatively, the above optimization may be performed on only the top one or two components of ( xe2 , ye2 , ze2 ) with the smallest absolute values. In addition to the above optimization, when a weighted nuclear norm is used, the weights wm1 , wm2 , and wm3 in Equation (6) , which correspond to M1 , M2 , and M3 for each component in descending order of absolute value of ( xe2 , ye2 , ze2) , may be set so that wm1 > wm2 > wm3 , thereby suppressing the effect of uniforming the normal vector for the component in the direction of the second eigenvector e2 .

最小構成(ノイズ除去装置10から局所形状分類部21及びグラフ重み最適化部22を除外した構成)を用いる場合は、局所形状分類部21での分類結果の情報を利用できないことから、全ての頂点に対して式(7)に従い最適化した法線ベクトルを利用してもよい。 When using the minimum configuration (a configuration in which the local shape classification unit 21 and graph weight optimization unit 22 are excluded from the noise removal device 10), the information on the classification results from the local shape classification unit 21 cannot be used, so normal vectors optimized for all vertices according to equation (7) may be used.

<<グラフ重み最適化部22>>
グラフ重み最適化部22は、局所形状特徴量算出部12にて出力された局所形状特徴量を用いて、後述の頂点座標最適化部14で用いるグラフを構築し、頂点座標最適化部14へと出力する。
<<Graph Weight Optimizer 22>>
The graph weight optimization unit 22 uses the local shape features output by the local shape feature calculation unit 12 to construct a graph to be used by the vertex coordinate optimization unit 14 described later, and outputs the graph to the vertex coordinate optimization unit 14.

まず、局所形状特徴量算出部12と同様にk-NN法などを用いてグラフを構成する。このとき、グラフの辺の重みには頂点間の3D空間上の距離や色空間上の距離(局所的なテクスチャ情報がある場合にこれを利用して色空間上の距離を算出する)に基づく類似度sij(点piと点pj間の類似度に相当)が採用されることが既存手法においては一般的であるが、本実施形態では、この一般的な重みsijをそのまま用いることに代えて、この一般的な重みsijを局所形状特徴量に基づいて更新した重みs'ijを用いるようにする。(従って、ノイズ除去装置10においてグラフ重み最適化部22を省略する実施形態を用いる場合には、頂点座標最適化部14で用いるグラフ重みとして、一般的な重みsijをそのまま用いるようにすればよい。) First, a graph is constructed using the k-NN algorithm or the like, as in the local shape feature calculation unit 12. In this case, existing methods generally use similarity s ij (corresponding to the similarity between points p i and p j ) based on the distance in 3D space between vertices or the distance in color space (if local texture information is available, this is used to calculate the distance in color space). However, in this embodiment, instead of using the general weight s ij as is, weight s' ij obtained by updating the general weight s ij based on the local shape feature is used. (Therefore, when using an embodiment in which the graph weight optimization unit 22 is omitted in the noise removal device 10, the general weight s ij can be used as is as the graph weight used in the vertex coordinate optimization unit 14.)

この重み更新処理(sij→s'ij)は、全データを対象として実施すればよい。あるいは、一部分のデータのみを対象として実施してもよく、例えば、ノイズ除去装置10において局所形状分類部21が存在する実施形態において、局所形状分類の結果を参照できる場合は、重み更新処理(sij→s'ij)は前記第2判定に該当し曲面に属すると分類された頂点及び/又は前記第1判定に該当しエッジまたは角に該当すると分類された頂点に用いるようにしてもよい。この重みの更新によって、後述の頂点座標最適化部14における座標の更新の際に、曲面形状を過度に平滑化しないことが可能となる。更新を適用した場合は以下の関係が成立し、局所形状の平面形状からの乖離が大きいほど(すなわち、平面形状ではなく曲面、エッジ、角に近いほど)重みが小さく更新されることから、過度な平滑化を抑制する効果が得られる。
sij>s'ij>0
This weight update process (s ij →s' ij ) may be performed on all data. Alternatively, it may be performed on only a portion of the data. For example, in an embodiment in which the noise removal device 10 includes a local shape classification unit 21, if the results of the local shape classification can be referenced, the weight update process (s ij →s' ij ) may be applied to vertices that meet the second judgment and are classified as belonging to a curved surface and/or vertices that meet the first judgment and are classified as belonging to an edge or corner. This weight update prevents excessive smoothing of the curved surface shape when updating coordinates in the vertex coordinate optimization unit 14, described below. When the update is applied, the following relationship holds: the greater the deviation of the local shape from a planar shape (i.e., the closer it is to a curved surface, edge, or corner rather than a planar shape), the smaller the weight is updated, thereby preventing excessive smoothing.
s ij >s' ij >0

これは、局所形状特徴ベクトルとしての意味を有する第2固有ベクトルe2の方向に平行に近いグラフ辺の重みを小さくすることで実現される。より具体的には、式(8-i)のように点piと点pjの張る辺fijと、点piの第2固有ベクトルe2=e2(pi)及び第2固有値λ2=λ2(pi)を後述するように正規化した第2固有値との関係性を用いて、また、同様の関係性を点piと点pjとを入れ替えたものとして与える式(8-j)を用いて、これらの平均として重みsijの値を次の式(8)のように、最適化された重みs'ijへと更新すればよい。(なお、式(8-i),(8-j)において、sij=sjiであり、且つ、fij=fjiである。) This is achieved by reducing the weight of graph edges that are nearly parallel to the direction of the second eigenvector e2 , which has meaning as a local shape feature vector. More specifically, as shown in equation (8-i), the relationship between the edge fij spanning points pi and pj and the second eigenvector e2 = e2 ( pi ) of point pi and the second eigenvalue λ2 = λ2 ( pi ) normalized as described below, and equation (8-j) which gives a similar relationship with points pi and pj swapped, is used to average these to update the value of weight sij to an optimized weight s'ij as shown in the following equation (8). (Note that in equations (8-i) and (8-j), sij = sji and fij = fji .)

ここで、cos(,)は2つのベクトルのコサイン類似度を返す関数であり、λ'2は入力された3Dモデル全部の点の固有値λ2の最大値λ2maxを用いてλ2を正規化(λ'22/λ2max)したものである。 Here, cos(,) is a function that returns the cosine similarity between two vectors, and λ'2 is λ2 normalized using the maximum value λ2max of the eigenvalues λ2 of all points in the input 3D model ( λ'2 = λ2 / λ2max ).

各箇所の局所形状について、平面形状からの乖離が大きいほど当該箇所の過平滑化を抑制できることは次の通りである。例えば式(8-i)について、辺fijは点piの局所形状の接平面(第1近似平面)上に乗ることが想定され、当該接平面に同じく乗ることが想定される第2固有ベクトルe2=e2(pi)と辺fijの向きの違いが大きいことは当該局所形状の平面からの乖離が大きく曲面性が高いことを意味する。従って、当該向きの違いが大きいほど曲面性が高いものとして、cos(fij,e2(pi))が小さくなることで、更新後の重みs'ijをより小さな値へと更新され、過平滑化を抑制できる。第2固有値λ2(pi)についても前述の第2判定で説明した通り、この値が小さい場合は局所形状が平面であり大きい場合は局所形状が曲面であることを意味するので、同じく、第2固有値λ2(pi)が大きいほど(1-λ2(pi))が小さくなることで、更新後の重みs'ijをより小さな値へと更新することで、過平滑化を抑制できる。 The greater the deviation of the local shape at each location from the planar shape, the more effectively over-smoothing at that location can be suppressed, as follows. For example, in equation (8-i), side f ij is assumed to lie on the tangent plane (first approximation plane) of the local shape at point p i , and a large difference in the orientation of side f ij from the second eigenvector e 2 = e 2 (p i ), which is also assumed to lie on the tangent plane, means that the local shape deviates greatly from the plane and has high curvature. Therefore, the greater the difference in orientation, the higher the curvature, and by reducing cos(f ij , e 2 (p i )), the updated weight s' ij is updated to a smaller value, thereby suppressing over-smoothing. As explained in the second judgment above, when the second eigenvalue λ 2 (p i ) is small, it means that the local shape is flat, and when it is large, it means that the local shape is curved.Similarly, the larger the second eigenvalue λ 2 (p i ), the smaller (1-λ 2 (p i )), and therefore, by updating the updated weight s' ij to a smaller value, over-smoothing can be suppressed.

また、上記以外にも、同様の効果が得られる手法として次のようにしてもよい。すなわち、図4の説明図のように注目する点pi及びその近傍点pjの法線ベクトルの平均ベクトルaijと注目点piの第2固有ベクトルe2が張る平面Fに対して、点piおよび近傍点pjからuホップの近傍点(グラフ上でu本のエッジを辿った先にある近傍点)の法線ベクトルをφ(ni u)としてマッピング(φ(ni u)のφ()は入力のベクトルを平面Fに投影するマッピング関数)し、aijとuホップ以下のすべての近傍点ni v(v≦u)に対応するφ(ni v)とのコサイン類似度cos(aij,φ(ni v))の最小値をvmin(pi)として、式(8-i)に代えて以下の式(9-i)を用いて更新を行ってもよい。同様に式(8-j)に代えて以下の式(9-j)を用いて更新を行ってもよい。 In addition to the above, the following method may be used to obtain a similar effect. Specifically, as shown in the explanatory diagram of FIG. 4 , the normal vectors of neighboring points u hops away from point p i and its neighboring point p j (neighboring points located at the end of u edges on the graph) may be mapped as φ(n i u ) to a plane F spanned by the average vector a ij of the normal vectors of the target point p i and its neighboring point p j and the second eigenvector e 2 of the target point p i ( where φ() in φ(n i u ) is a mapping function that projects the input vector onto plane F). Then, the minimum value of the cosine similarity cos(a ij , φ(n i v )) between a ij and φ(n i v ) corresponding to all neighboring points n i v (v≦u) u hops or less may be defined as v min (p i ), and updating may be performed using the following formula (9-i) instead of formula (8-i). Similarly, updating may be performed using the following formula (9-j) instead of formula (8-j).

ここで、式(9-i)(i,jについて対称な式(9-j)も同様)に関して、注目する点pi近傍の局所形状の平面Fからの乖離が大きいほど、すなわち、注目する点pi近傍の局所形状が平面ではなく曲面あるいはエッジや角に近い形状であるほど、この最小値vmin(pi)がより小さい値となることが想定される。(なお、普通の連続的な形状では1≧vmin(pi)>0の範囲の値となることが想定される。)従って、前述の通り、式(8-i)等を用いる場合と同様に式(9-i)等を用いる場合も、局所形状が平面から乖離する度合いが大きい箇所ほど更新後の重みs'ijをより小さな値へと更新し、当該箇所の過平滑化を抑制する度合いをより大きくすることが可能となる。 Here, with regard to formula (9-i) (and formula (9-j) which is symmetric with respect to i, j), it is expected that the greater the deviation of the local shape near the point of interest p i from the plane F, that is, the more the local shape near the point of interest p i is not a plane but a curved surface or a shape closer to an edge or corner, the smaller this minimum value v min (p i ) will be. (Note that for ordinary continuous shapes, it is expected that the value will be in the range of 1≧v min (p i )>0.) Therefore, as mentioned above, when formula (9-i) etc. is used, just as when formula (8-i) etc. is used, the greater the deviation of the local shape from a plane, the smaller the updated weight s' ij will be, making it possible to increase the degree to which over-smoothing in that area is suppressed.

vmin(pi)の代わりにマッピングされたφ(ni u)の分散σu(pi)(σu(pi)は入力された3Dモデル全部の点のuホップ以内のφ(ni u)の分散で正規化)を用いて、式(9-i)のvmin(pi)を(1-σu(pi))などとしてもよく、同様の過平滑化を抑制する効果を得ることができる。式(9-j)についても同様にしてよい。 By using the variance σ u (p i ) of the mapped φ(n i u ) instead of v min (p i ) (σ u (p i ) is normalized by the variance of φ(n i u ) within u hops of all points in the input 3D model), v min (p i ) in equation (9-i) can be set to (1-σ u (p i )), which can achieve the same effect of suppressing over-smoothing. The same can be done for equation (9-j).

<<頂点座標最適化部14>>
頂点座標最適化部14は、法線ベクトル最適化部13にて得られた頂点ごとの最適化法線ベクトルni[最適化](なお、以下の数式中では簡略化してni等として示す)、グラフ重み最適化部22により重みの更新されたグラフs'ijを用いて、点piの座標値(xi,yi,zi)を更新し実際に3Dモデルの形状を修正し、ノイズ除去結果として出力する。具体的には、以下の最適化式(10)を解くことで実現される。(なお、グラフのエッジの全部または一部について重み更新を適用しない場合は、そのs'ijの値が更新しない値sijである(「s'ij=sij」である)ものとすればよい。)
<<Vertex coordinate optimization unit 14>>
The vertex coordinate optimization unit 14 updates the coordinate values (x i , y i , z i ) of the point p i using the optimized normal vector n i [optimized] for each vertex obtained by the normal vector optimization unit 13 (note that in the following formulas, this is simply indicated as n i or the like ) and the graph s' ij whose weight has been updated by the graph weight optimization unit 22, and actually modifies the shape of the 3D model, outputting the noise removal result. Specifically, this is realized by solving the following optimization formula (10). (Note that if weight updating is not applied to all or part of the edges of the graph, the value of s' ij should be the unupdated value s ij ("s' ij = s ij ").)

ここでp=(p1,p2,…,pN)は全N個の頂点座標を列挙した変数であり、pi,pjは全点pのうちあるインデックスi,jに対応する3次元ベクトル(座標値)である。またqは頂点の初期座標(すなわち、更新前の全座標値)を示す。η,ζは各項の重みを決定するユーザ設定のパラメータである。 Here, p = (p 1 , p 2 , ..., p N ) is a variable that lists the coordinates of all N vertices, and p i and p j are three-dimensional vectors (coordinate values) corresponding to certain indices i and j among all points p. Also, q indicates the initial coordinates of the vertices (i.e., all coordinate values before updating). η and ζ are user-set parameters that determine the weight of each term.

当該最適化において、式(10-1)の第1項cost1は元の形状qから更新後の形状pへの変化が大きくなりすぎないように作用し、式(10-2)の第2項cost2は更新後の形状pにおいて近傍点の座標差が大きくなりすぎないように作用し、式(10-3)の第3項cost3は更新後の形状pにおいて最適化法線ベクトル(それぞれni T及びnj T)の方向と近傍点を結ぶベクトル(それぞれpi-pj)の方向との差が垂直に近づく(垂直の場合に内積項が最小値のゼロを取るため)ように作用する形で、3つの項はいずれもコスト項として作用する。第2項cost2に関して、更新された重みs'ijが係数となることで、平面からの乖離が大きく曲面等に近い箇所ほど重みs'ijが小さい値として更新されていることにより、近傍点の座標差がより大きくなることも許容して本来の形状により近い形状への更新を促進して適切な平滑化を促すことができ、逆に、平面に該当する箇所については重みs'ijは大きく、近傍点の座標差が大きくなることを抑制して、必要以上の過平滑化を抑制できる。 In this optimization, the first term, cost 1 , in equation (10-1) acts to prevent the change from the original shape q to the updated shape p from becoming too large, the second term, cost 2 , in equation (10-2) acts to prevent the coordinate difference between neighboring points in the updated shape p from becoming too large, and the third term, cost 3 , in equation (10-3) acts to make the difference between the direction of the optimization normal vector (n i T and n j T respectively) and the direction of the vector connecting neighboring points ( pi -p j respectively) in the updated shape p approach perpendicular (because the dot product term takes the minimum value of zero when perpendicular), and all three terms act as cost terms. With regard to the second term, cost 2 , the updated weight s' ij becomes a coefficient, and the weight s' ij is updated to a smaller value for areas that deviate more from a plane and are closer to a curved surface, etc., thereby allowing for larger coordinate differences between nearby points and promoting updating to a shape closer to the original shape, thereby facilitating appropriate smoothing. Conversely, for areas that correspond to a plane, the weight s' ij is large, preventing larger coordinate differences between nearby points and preventing unnecessary over-smoothing.

前記最小構成(機能部21,22がノイズ除去装置10から省略される構成)の場合は、式(10-2)の第2項cost2を除いた形で式(10)の最適化問題を解けばよい。なお、式(10)のうちpi,pjはともに変数であるため、実際に頂点座標を最適化する際には点pjを固定した上で勾配法などの最適化手法を用いて、点piの座標値を求めるようにすればよい。この「ある一点piを変数とした際の最適値の導出(更新)操作」をすべての点piに対して順次繰り返し行い、頂点座標の更新が収束するまで(または既定の繰り返し回数を完了するまで)実行することで、所望の頂点座標(3Dモデル形状)を得ることができる。 In the case of the minimum configuration (a configuration in which functional units 21 and 22 are omitted from the noise removal device 10), the optimization problem of equation (10) can be solved by omitting the second term, cost 2 , from equation (10-2). Note that since p i and p j in equation (10) are both variables, when actually optimizing the vertex coordinates, point p j can be fixed and an optimization method such as a gradient method can be used to find the coordinate value of point p i . This "operation of deriving (updating) the optimal value when a certain point p i is a variable" is repeated sequentially for all points p i until the vertex coordinate updates converge (or until a predetermined number of repetitions are completed), thereby obtaining the desired vertex coordinates (3D model shape).

以上、本発明の実施形態によれば、法線ベクトルから得られる局所特徴量を基にした局所的な形状に適応的なノイズ除去を行うことにより、従来技術である3Dモデル全体に統一的かつ3次元空間上で等方的なノイズ除去技術に比べて、3Dモデルの細部の詳細な形状情報を効果的に活かしたノイズ除去が可能となる。 As described above, according to an embodiment of the present invention, by performing adaptive noise removal on local shapes based on local feature amounts obtained from normal vectors, it is possible to remove noise that effectively utilizes detailed shape information from the finer details of a 3D model, compared to conventional noise removal techniques that are uniform across the entire 3D model and isotropic in three-dimensional space.

以下、種々の補足例、代替例、追加例などについて説明する。 Below, we will explain various supplementary, alternative, and additional examples.

(1) 本発明のノイズ除去技術は、要素技術として様々な用途に適用可能であり、例えば、3次元仮想空間のモデル化を高精度化し、3次元仮想空間の利用価値を高め、3次元仮想空間のユーザ利用を促すことが可能となる。これにより、3次元仮想空間の用途の例として遠隔コミュニケーションの利用が促進されると、ユーザ移動に必要となるエネルギー資源を節約することで二酸化炭素排出量を抑制できることから、国連が主導する持続可能な開発目標(SDGs)の目標13「気候変動とその影響に立ち向かうため、緊急対策を取る」に貢献することが可能となる。 (1) The noise removal technology of the present invention can be applied as a component technology to a variety of applications. For example, it can improve the accuracy of modeling three-dimensional virtual spaces, increase the utility value of three-dimensional virtual spaces, and encourage users to use three-dimensional virtual spaces. As a result, if the use of remote communication as an example of a use of three-dimensional virtual spaces is promoted, carbon dioxide emissions can be reduced by saving the energy resources required for user movement, which can contribute to Goal 13 of the United Nations-led Sustainable Development Goals (SDGs), which is to "take urgent action to combat climate change and its impacts."

(2) ノイズ除去装置10では、その全体処理または一部処理に関して、繰り返し処理を行うようにしてもよい。すなわち、図1に線L141で示されるように、ノイズ除去装置10全体での処理を繰り返す(n回目のノイズ除去3Dデータ出力をn+1回目の入力とする)ようにしてもよいし、線L142で示されるように、ノイズ除去データを用いてグラフ重みだけを再度更新したうえで、再度、更新的にノイズ除去データを得るようにしてもよい。 (2) The noise removal device 10 may be configured to perform repeated processing for the entire process or a portion of the process. That is, as shown by line L141 in FIG. 1, the process may be repeated by the entire noise removal device 10 (the nth noise-removed 3D data output is the (n+1)th input), or, as shown by line L142, the noise-removed data may be used to update only the graph weights again, and then the noise-removed data may be obtained again in an updated manner.

(3) 図5は、一般的なコンピュータ装置70におけるハードウェア構成の例を示す図である。ノイズ除去装置10は、このような構成を有する1台以上のコンピュータ装置70として実現可能である。なお、2台以上のコンピュータ装置70でノイズ除去装置10を実現する場合、ネットワーク経由で処理に必要な情報の送受を行うようにしてよい。コンピュータ装置70は、所定命令を実行するCPU(中央演算装置)71、CPU71の実行命令の一部又は全部をCPU71に代わって又はCPU71と連携して実行する専用プロセッサとしてのGPU(グラフィックス演算装置)72、CPU71(及びGPU72)にワークエリアを提供する主記憶装置としてのRAM73、補助記憶装置としてのROM74、通信インタフェース75、ディスプレイ76、マウス、キーボード、タッチパネル等によりユーザ入力を受け付ける入力インタフェース77と、これらの間でデータを授受するためのバスBSと、を備える。 (3) Figure 5 is a diagram showing an example of the hardware configuration of a typical computer device 70. The noise removal device 10 can be realized as one or more computer devices 70 having such a configuration. When the noise removal device 10 is realized using two or more computer devices 70, information required for processing may be sent and received via a network. The computer device 70 includes a CPU (central processing unit) 71 that executes predetermined instructions, a GPU (graphics processing unit) 72 as a dedicated processor that executes some or all of the CPU 71's execution instructions in place of or in cooperation with the CPU 71, RAM 73 as main storage that provides a work area for the CPU 71 (and GPU 72), ROM 74 as auxiliary storage, a communication interface 75, a display 76, an input interface 77 that accepts user input via a mouse, keyboard, touch panel, etc., and a bus BS for exchanging data between these.

ノイズ除去装置10の各機能部は、各部の機能に対応する所定のプログラムをROM74から読み込んで実行するCPU71及び/又はGPU72によって実現することができる。なお、CPU71及びGPU72は共に、演算装置(プロセッサ)の一種である。ここで、表示関連の処理が行われる場合にはさらに、ディスプレイ76が連動して動作し、データ送受信に関する通信関連の処理が行われる場合にはさらに通信インタフェース75が連動して動作する。 Each functional unit of the noise removal device 10 can be realized by a CPU 71 and/or a GPU 72, which loads and executes a predetermined program corresponding to the function of each unit from a ROM 74. Both the CPU 71 and the GPU 72 are types of computing devices (processors). Here, when display-related processing is performed, a display 76 also operates in conjunction with the CPU 71 and the GPU 72, and when communication-related processing related to data transmission and reception is performed, a communication interface 75 also operates in conjunction with the CPU 71 and the GPU 72.

10…ノイズ除去装置、11…法線ベクトル最適化部、12…局所形状特徴量算出部、13…法線ベクトル最適化部、14…頂点座標最適化部、21…局所形状分類部、22…グラフ重み最適化部 10... Noise removal device, 11... Normal vector optimization unit, 12... Local shape feature calculation unit, 13... Normal vector optimization unit, 14... Vertex coordinate optimization unit, 21... Local shape classification unit, 22... Graph weight optimization unit

Claims (10)

少なくとも各点の座標の情報を含む3次元モデルのノイズ除去を行うノイズ除去装置であって、
前記3次元モデルの各点の法線を算出する第1処理と、
前記各点について、その近傍点の法線より前記3次元モデルの局所形状特徴量を算出する第2処理と、
前記各点の局所形状特徴量より各点の法線を最適化することで最適化法線を得る第3処理と、
前記各点の最適化法線より各点の座標を最適化したものとして、前記3次元モデルに対するノイズ除去の結果を得る第4処理と、を実行し、
前記各点の局所形状特徴量より、前記3次元モデルにおける各点の局所近傍領域の形状を、平面に該当するか否かの判定結果を少なくとも含むものとして分類する第5処理をさらに実行し、
前記第3処理では、前記分類された結果を用いて、平面に該当する点の法線は等方的に均一化することで最適化し、平面には該当しない点の法線は非等方的に均一化することで最適化することを特徴とするノイズ除去装置。
A noise removal device that removes noise from a three-dimensional model including at least information on the coordinates of each point,
a first process of calculating a normal to each point of the three-dimensional model;
a second process of calculating, for each of the points, a local shape feature of the three-dimensional model from normals of points adjacent to the point;
a third process of obtaining an optimized normal by optimizing the normal of each point based on the local shape feature of each point;
a fourth process of obtaining a result of noise removal for the three-dimensional model by optimizing the coordinates of each point using the optimized normals of each point ;
further performing a fifth process of classifying the shape of a local neighborhood area of each point in the three-dimensional model as a shape including at least a determination result of whether or not the shape corresponds to a plane, based on the local shape feature amount of each point;
In the third process, the normals of points that correspond to a plane are optimized by isotropically uniformizing them using the classified results, and the normals of points that do not correspond to a plane are optimized by anisotropically uniformizing them .
前記第2処理では、局所形状において接する円の情報を含むものとして、前記局所形状特徴量を算出し、
前記第3処理では、前記最適化法線を得るために法線に加える変動成分として、前記接する円の接線方向の成分が含まれることを許容する度合いを、当該接線方向の垂直成分が含まれることを許容する度合いよりも大きくすることで、前記平面には該当しない点の法線を非等方的に均一化することを特徴とする請求項に記載のノイズ除去装置。
In the second processing, the local shape feature is calculated as including information of a circle tangent to the local shape;
The noise removal device described in claim 1, characterized in that in the third process, the degree to which a component in the tangential direction of the tangent circle is allowed to be included as a fluctuation component to be added to the normal to obtain the optimized normal is made larger than the degree to which a component perpendicular to the tangential direction is allowed to be included, thereby anisotropically uniformizing the normal of points that do not fall on the plane .
前記第2処理では、各点の周りの形状情報を表すテンソルであって、各点における近傍点の法線ベクトルを列挙して得られるテンソルから固有値及び固有ベクトルを算出して、当該固有値及び固有ベクトルを各点の局所形状特徴量とし、
前記第5処理では、前記固有値に対する閾値判定を用いて前記分類することを特徴とする請求項に記載のノイズ除去装置。
In the second processing, eigenvalues and eigenvectors are calculated from a tensor that represents shape information around each point and is obtained by enumerating normal vectors of points near each point , and the eigenvalues and eigenvectors are used as local shape features of each point;
2. The noise removal device according to claim 1 , wherein in the fifth process, the classification is performed using a threshold value determination for the eigenvalues.
前記第5処理において前記平面に該当するものとして判定された場合に、前記第3処理では、更新前の各点及びその近傍点の法線ベクトルを列挙した行列をMとし、更新後の各点及びその近傍点の法線ベクトルを列挙した行列をHとし、行列Hの核ノルムと、行列Hと行列Mとの差を取って得られる行列H-Mのフロベニウスノルムと、の重みづけ和を最小化するような更新後の行列Hを求めることに基づいて前記最適化することを特徴とする請求項1に記載のノイズ除去装置。 2. The noise removal device according to claim 1, wherein, when the fifth process determines that the point corresponds to the plane , the third process performs the optimization by determining a matrix H after updating that minimizes a weighted sum of a kernel norm of the matrix H and a Frobenius norm of a matrix HM obtained by taking the difference between the matrix H and the matrix M, where M is a matrix listing the normal vectors of each point and its neighboring points before updating and H is a matrix listing the normal vectors of each point and its neighboring points after updating . 前記第4処理では、各点及びその近傍点について、対応する最適化法線ベクトルの方向と、各点とその近傍点とを結ぶベクトルの方向と、の違いが垂直に近いほど値が小さくなる第3コストを少なくとも含むコストを用いて、当該コストを最小化するようにすることで前記最適化することを特徴とする請求項1に記載のノイズ除去装置。 The noise removal device described in claim 1, characterized in that in the fourth process, the optimization is performed by minimizing costs that include at least a third cost, the value of which decreases as the difference between the direction of the corresponding optimized normal vector and the direction of the vector connecting each point and its neighboring point becomes closer to perpendicular, for each point and its neighboring point. 前記第4処理では、各点とその近傍点との距離が大きくなるほど値が大きくなる第2コストを少なくとも含むコストを用いて、当該コストを最小化するようにすることで前記最適化することを特徴とする請求項1に記載のノイズ除去装置。 The noise removal device described in claim 1, characterized in that in the fourth process, the optimization is performed by minimizing costs that include at least a second cost whose value increases as the distance between each point and its neighboring point increases. 前記3次元モデルにおける各点及びその近傍点の関係をグラフ化し、グラフのエッジに重みを付与する第6処理をさらに実行し、
前記第4処理では、前記グラフの重みも用いて前記第2コストを算出することを特徴とする請求項に記載のノイズ除去装置。
a sixth process of graphing the relationship between each point and its neighboring points in the three-dimensional model and assigning weights to edges of the graph;
7. The noise removal device according to claim 6 , wherein in the fourth process, the second cost is calculated using the weight of the graph as well.
前記第6処理では、前記グラフのエッジの重みに予め所与の値を付したうえで、前記局所形状特徴に基づいて各エッジの近傍の局所形状が平面から乖離している度合いがより大きいと推定されるほど、当該エッジの重みを前記所与の値からより小さいものへと更新することを特徴とする請求項に記載のノイズ除去装置。 8. The noise removal device according to claim 7, wherein in the sixth process, a given value is assigned to a weight of an edge of the graph in advance, and the weight of the edge is updated from the given value to a smaller value as a degree to which a local shape in the vicinity of each edge is estimated to deviate from a plane is greater based on the local shape feature. 前記第4処理では、各点とその近傍点との距離が大きくなるほど値が大きくなる第2コストを少なくとも含むコストを用いて、当該コストを最小化するようにすることで前記最適化し、
前記第2コストに対する重みとして前記グラフのエッジの重みを用いることを特徴とする請求項に記載のノイズ除去装置。
In the fourth process, the optimization is performed by minimizing costs including at least a second cost whose value increases as the distance between each point and its neighboring point increases;
9. The noise removal device according to claim 8 , wherein the weight of the edge of the graph is used as the weight for the second cost.
コンピュータを請求項1ないしのいずれかに記載のノイズ除去装置として機能させることを特徴とするプログラム。 10. A program that causes a computer to function as the noise removal device according to claim 1.
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