CN114004878A - 对位装置、对位方法、对位***以及存储介质和计算机装置 - Google Patents

对位装置、对位方法、对位***以及存储介质和计算机装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及对位装置、对位***、对位方法以及存储介质和计算机装置，其目的是在不依赖目标函数的情况下找到点群数据之间对位的合适的解。本发明的对位装置具备用于取得第一点群数据和与第一点群数据不同的第二点群数据的取得部；用于设定多个用来把第一点群数据与第二点群数据配位的搜索开始位置的位置设定部；用于搜索每一个设定部设定的搜索开始位置的第一点群数据坐标变换到第二点群数据的候补解的搜索部；以及用于用搜索部搜索到的多个候补解来决定解的解决定部。

Description

对位装置、对位方法、对位***以及存储介质和计算机装置
技术领域
本发明涉及一种对位装置、对位***、对位方法以及存储装置和计算机装置。
背景技术
在三维空间测量领域和多模态信息集成领域中，广泛采用对多个三维点群数据进行对位并求出各点群数据之间的坐标变换。在此，所谓三维点群数据(以下称为点群数据)是指，从计测器得到的物体的图像数据或距离数据等求出的构成的该物体的点的集合体的数据。在三维空间测量领域中用同一台测量仪器在不同时间测量的点群数据进行对位，而在多模态信息集成领域中则用不同测量仪器在相同或不同的时间测量的点群数据进行对位。目前虽然提出了各种各样针对点群数据的对位算法，但一般还是归结到评价对位状态的误差函数最小化问题。
但是，误差函数(更广泛地说是目标函数)最小化问题的解空间一般存在多个局部解。因此，解的搜索落在局部解上，未必能找到合适的解。当前有一种方法是改变搜索的开始位置，或对于误差函数收敛时发现的候补解给予随机变位后重新搜索，用来缓解这个问题。在三维空间测量中点群数据间的连接等、误差函数与目标函数一致的情况下(即以点群数据之间的对位本身为目的的情况下)，上述方法是有效的。但是，例如在把通过点群数据之间的对位所得到的坐标变换适用到其他点群数据上之类的误差函数与目标函数不同的情况下(例如，以导出点群数据所存在的坐标***之间的坐标变换为目的的情况)等，上述方法可能无法获得预期效果。
有关于这种点群数据对位技术，现有技术如专利文献1(JP特开2014-169990号公报)公开了一种技术方案，该方案为了用机械手把持部件，通过将对象物件与照相机拍摄部件的位置姿势所得到的图像进行拟合(对位)，来测量对象物体的位置姿势，根据测量结果制定移动计划。具体而言，从包含对象物体的图像中取得一个以上对象物体的大致位置姿势，根据获取的大致位置姿势，生成位置姿势候选，作为用来导出对象物***置姿势的初始值，通过把生成的位置姿势候选与图像中的对象物体相对应起来，从而导出位置姿势。由此能够根据多个初始值推定位置姿势来提高鲁棒性。
但是，专利文献1中描述的技术方案未能解决上述目标函数最小化问题中不能得到合适的解的问题。也就是说，当模型拟合(对位)精度与机械手把持零件的适应性不完全一致时，并不一定成为最佳结果。比如零件的密度不均匀或者非刚体零件受到把持时发生变形等，在这种情况下，可能会发生该问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题提出的方案，其目的在于提供能够在不依赖目标函数的情况下找到点群数据之间对位的合适的解的对位装置、对位***、对位方法以及存储介质和计算机装置。
为了解决上述课题，达成上述目的，本发明提供一种对位装置，其中具备取得部，用于取得第一点群数据和与所述第一点群数据不同的第二点群数据；位置设定部，用于设定多个用来把所述第一点群数据与所述第二点群数据配位的搜索开始位置；搜索部，用于对所述位置设定部设定的多个所述搜索开始位置，搜索每一个所述搜索开始位置的所述第一点群数据坐标变换到所述第二点群数据的候补解；以及解决定部，用于用所述搜索部搜索到的多个所述候补解来决定解。
本发明的效果在于，能够在不依赖目标函数的情况下找到点群数据之间对位的合适的解
附图说明
图1是第一实施方式涉及的对位装置的一例硬件结构框图。
图2是第一实施方式涉及的对位装置的一例功能模块框图。
图3是点群数据的位置对齐的示意图。
图4是第一实施方式涉及的对位装置的一例对位处理流程图。
图5是第二实施方式涉及的对位装置的一例功能模块框图。
图6是第二实施方式涉及的对位装置的一例对位处理流程图。
图7是第三实施方式涉及的对位装置的一例硬件结构框图。
图8是第三实施方式涉及的对位装置的一例对位处理流程图。
图9是在脑磁计上使用点群数据对位的示意图。
图10是第四实施方式涉及的对位装置的一例功能模块框图。
图11是第四实施方式涉及的对位装置的一例对位处理流程图。
具体实施方式
以下参考附图，详细描述本发明涉及的对位装置、对位***、对位方法以及存储介质。本发明并不受以下实施方式的限制，以下实施方式中的构成元素包括本领域技术人员容易想到的元素、实质上相同的元素以及属于所谓均等范围的元素。进而允许在不脱离以下实施方式宗旨的范畴内对各种元素进行省略、置换、更改以及组合。
计算机软件是指有关于计算机动作的程序、以及供计算机执行处理的、相当于程序的其他信息(以下称计算机软件为软件)。应用软件是指软件分类中用于执行特定操作而使用的软件的总称。另一方面，操作***(OS)是指控制计算机，应用软件等可以利用计算机资源的软件。操作***进行输入输出的控制、内存或硬盘等硬件的管理、工序的管理之类的计算机基本管理、控制。应用程序软件利用操作***提供的功能运行。程序是指针对计算机的、能够得到一个结果的构成的指令。相当于程序的指令因不是针对计算机的直接指令，所以不能称为程序，但在规定计算机的处理这一点上，具有与程序类似性质的指令。例如，数据结构(用数据元素之间的相互关系表示的数据所具有的逻辑结构)与程序相当的指令。
[第一实施方式]
对位装置的硬件构成
图1是第一实施方式涉及的对位装置的一例硬件结构框图。参考图1，说明本实施方式的对位装置10的硬件构成。
图1所示的对位装置10是执行多个点群数据对位处理的信息处理装置。对位装置10可以是比如PC(Personal Computer)、工作站或平板终端等信息处理装置。如图1所示，对位装置10具备CPU(Central Processing Unit)501、随机存取存储器(Random AccessMemory)502、辅助存储装置503、输入装置504、显示装置505。
CPU501是控制对位装置10整体运作的运算装置。
RAM502是被用来作为CPU501的工作区域、或暂时保存从辅助存储装置503读出的点群数据等的易失性存储装置。
辅助存储装置503是存储比如测量对象物的三维点群数据以及CPU501执行的程序等的HDD(Hard Disk Drive)或SSD(Solid State Drive)等存储装置。
输入装置504是输入如文字、数字及各种指示的键盘，以及用于执行各种指示的选择及执行、处理对象的选择、以及用于光标移动等的鼠标等装置。
显示装置505是由显示光标、菜单、窗口、文字、图像或点群数据的对位结果等各种信息的液晶或有机EL(Electro-Luminescence)等构成的显示器。
上述CPU501、RAM502、辅助存储装置503、输入装置504以及显示装置505通过地址总线及数据总线等总线510彼此可通信地连接。
图1所示的对位装置10的硬件构成仅仅是一个示例，不需要包括图1所示的全部构成元素，或者也可以具有其他构成元素。例如，还可以具备用于存储对位装置10用的程序(例如BIOS(Basic Input/Output System)等的ROM(Read Only Memory)、对作为可装卸的存储媒体的一例的DVD-ROM(Digital Versatile Disk ROM)进行读写的DVD驱动器、闪存、或用于与外部装置进行通信的网络I/F等。
另外，对位装置10并不限于由图1所示的单一的信息处理装置构成，也可以由多个信息处理装置等多个网络设备构成。
对位装置的功能模块构成及动作
图2是第一实施方式涉及的对位装置的一例功能模块框图。图3是说明点群数据对位的示意图。以下参考图2及图3，说明本实施方式的对位装置10的功能模块构成及动作。
如图2所示，对位装置10具有点群取得部101(取得部)、开始位置设定部102(位置设定部)、候补解搜索部103(搜索部)、解决定部104、输入部111、显示控制部112、显示部113、存储部114。
点群取得部101是从存储部114读出并取得用来对位的同一个物体的两个点群数据的功能部。所谓对位是指，对作为物体的三维模型用点的集合表示的多个点群数据，推定对应的点的位置，通过求出到该对应点的位移量以及旋转量等进行对位处理。
例如，如图3的(a)所示，假设存在表示作为物体的同一个动物形状的两个点群数据1001、1002。然后如图3的(b)所示，对于构成点群数据1001、1002的各点，推定相互对应的点，通过求出用来把一方的点与对应的另一方的点对位的位移量和旋转量等，可以使点群数据1001和点群数据1002重叠。
点群取得部101例如通过图1所示的CPU501执行程序来实现。
开始位置设定部102是设定多个搜索开始位置的功能部，该搜索开始位置是用于把点群取得部101取得的两个点群数据中一方点群数据(第一点群数据)与另一方点群数据(第二点群数据)对位的搜索的开始位置。开始位置设定部102可以将例如与用户在输入部111上的操作输入相应的位置设定为搜索开始位置。这种情况下，可以期待随着用户设定的位置来提高精度。开始位置设定部102也可以以比如对位前的点群数据的位置为基准，施以预设步长的偏移，设定多个搜索开始位置。由此，能够均匀地配置搜索开始位置，抑制搜索开始位置的偏差。其效果是对用户直观易懂。另外还可以期待通过绵密搜索，稳定地得到合适的解。偏移除了平行移动以外，也可以是旋转移动。关于偏移的施加方法，在平行移动的情况下，施加上下左右前后的位移量，而在旋转移动的情况下，则施加每个坐标轴的旋转移动。上述的节幅也可以根据用户在输入部111上的操作输入来决定。开始位置设定部102还可以以例如对位前的点群数据的位置为基准，通过随机错开位置，设定多个搜索开始位置。在这种情况下，由于自动设定搜索位置，所以不需要用户的操作输入。这样可以缓解对位算法的初始值依赖性。开始位置设定部102将设定的搜索开始位置保存在存储部114中。开始位置设定部102通过比如图1所示的CPU501执行程序来实现。
候补解搜索部103是用预设的对位算法从开始位置设定部102所设定的搜索开始位置开始进行对位而搜索候补解的功能部。在此，候补解是指用于将一方的点群数据的各点与另一方的点群数据对应的各点对位(坐标变换)的位移矢量及旋转矩阵的候补。具体而言，候补解搜索部103从搜索开始位置开始，通过使用预设的对位算法进行对位，搜索可使误差函数等目标函数最小化的候补解。候补解搜索部103将搜索到的候补解和误差函数等目标函数的值对应起来，保存到存储部114中。在以下的说明中将目标函数作为处理两个点群数据的对位误差的误差函数。可以用任意算法作为对位算法，例如，可以使用ICP(Iterative Closest Point)算法、鲁棒点匹配方法、或者Kernel Correlation等。候补解搜索部103通过例如图1所示的CPU501执行程序来实现。
解决定部104是对候补解搜索部103搜索出的候补解进行统计处理，从该候补解中决定最终解的功能部。
解决定部104可以将比如对多个候补解的误差函数的值(误差)进行加权后平均的平均值定为统计处理的最终解。此时，优选使用候补解越小赋予误差函数的值(误差)的权重越大的权重函数。例如使用将误差的倒数或误差平方的倒数作为权重的方法。
解决定部104也可以例如将众多候补解中对应的误差函数的值(误差)出现频率最大的候补解定为作为统计处理的最终解。另外，优选解决定部104使用众数进行统计处理，具体而言，例如，将多个候补解中各自出现频率最大的候补解定为最终解。当候补解的出现频率基本相同时，也可以用平均值来代替众数来决定解。在这种情况下有望提高统计处理速度。除此之外，还可以避免解变得不稳定(频率的微小差异会带来很大变化)。
解决定部104也可以将比如多个候补解按照误差函数的值(误差)的顺序进行排序时的中心值定为统计处理的最终解。
上述统计处理之中，解决定部104既可以使用预定的统计处理，也可以使用通过用户在输入部111上的操作输入而受到选择的统计处理。然后，解决定部104将决定的最终解保存到存储部114中。解决定部104通过例如图1所示的CPU501执行程序来实现。
输入部111是接受来自用户的操作输入的功能部。输入部111通过图1所示的输入装置504来实现。
显示控制部112是控制显示部113的显示动作的功能部。显示控制部112既可以将比如解决定部104所决定的最终解显示在显示部113上，也可以通过解决定部104对两个点群数据之中的一个点群数据所决定的解，把经过坐标变换的点群数据和作为对位目标的另一个点群数据重叠显示。此时，显示控制部112在重叠显示点群数据时，最好分别进行颜色区分重叠。由此，用户可以判断解决定部104决定的解(坐标变换)的好坏。显示控制部112通过例如图1所示的CPU501执行程序来实现。
显示部113是按照显示控制部112的控制，显示各种数据及图像等的功能部。显示部113通过图1所示的显示装置505实现。
存储部114是保存测量对象物的三维点群数据、开始位置设定部102所设定的搜索开始位置、由候补解搜索部103搜索的与目标函数(误差函数等)的值对应的候补解、以及解决定部104所决定的最终解等的功能部。存储部114通过图1所示的RAM502和辅助存储装置503中的至少一个来实现。除了RAM502或辅助存储装置503以外，存储部114也可以通过例如闪存或DVD驱动器等来实现。
上述的点群取得部101、开始位置设定部102、候补解搜索部103、解决定部104以及显示控制部112中的至少任意一个，也可以通过ASIC(Application Specific IntegratedCircuit)或FPGA(Field-Programmable Gate Array)等的集成电路来实现。
图2所示的对位装置10的各功能部只是概念性地表示功能，并不对本发明构成限制。例如，图2所示的对位装置10中作为独立功能部图示的多个功能部也可以构成为一个功能部。另一方面，也可以将图2所示的对位装置10的一个功能部所具有的功能分割为多个，构成多个功能部。
对位装置的定位处理流程
图4是第一实施方式涉及的对位装置实施的一例对位处理流程图。以下参考图4说明本实施例的对位装置10的对位处理流程。
<步骤S11>
首先，点群取得部101从存储部114读取用来进行对位的同一个物体的两个点群数据。然后，前往步骤S12。
<步骤S12>
开始位置设定部102设定多个搜索开始位置，该搜索开始位置是用于把点群取得部101取得的两个点群数据中的一个点群数据与另一个点群数据对位而进行搜索的开始位置。开始位置设定部102将设定的搜索开始位置保存在存储部114中。然后，前往步骤S13。
<步骤S13>
候补解搜索部103从存储部114读出由开始位置设定部102设定的搜索开始位置中尚未选择的搜索开始位置，从该搜索开始位置开始，用预设的对位算法进行对位，从而搜索候补候补解解搜索部103将搜索到的候补解和误差函数等目标函数的值对应起来，保存到存储部114中。然后，前往步骤S14。
<步骤S14>
当存储部114中保存的搜索开始位置中所有搜索开始位置受到候补解搜索部103选择用来搜索候补解时(步骤S14:是)，前往步骤S15，而如果存在未受到选择的搜索开始位置时(步骤S14:否)，则返回步骤S13。
<步骤S15>
解决定部104对经过候补解搜索部103搜索的候补解进行统计处理，从该候补解中决定最终解。然后，显示控制部112根据需要，将例如解决定部104决定的最终解显示在显示部113上，或者，把使用解决定部104对两个点群数据中的一个点群数据所决定的解进行了坐标变换的点群数据和作为对位目标的另一个点群数据重叠起来显示。至此，对位处理结束。
如上所述，在本实施方式涉及的对位装置10中，由开始位置设定部102设定多个搜索开始位置，该搜索开始位置是用于将两个点群数据中的一个点群数据与另一个点群数据对位而进行搜索的开始位置，由候补解搜索部103从由开始位置设定部102设定的搜索开始位置开始，用预设的定位算法进行对位，从而搜索候补解，由解决定部104对候补解搜索部103所搜索到的候补解进行统计处理，从该候补解中决定最终的解。由此，对从多个搜索开始位置进行对位所得到的各个候补解进行统计处理，导出最终的解，与无条件选择误差函数最小的候补解的情况相比，能够稳定地得到合适的解。即，在点群数据间进行对位时，无论评价对位状态的误差函数是否与评价对位结果的利用目的中的适合性的目标函数相同，都可以避免局部解，找到更稳定的合适的解。
[第二实施方式]
关于第二实施方式涉及的对位装置，以与第一实施方式的对位装置10的不同之处为中心进行说明。以下说明本实施方式统计处理候补解时，在抽取候补解中规定数量的候补解的基础上进行统计处理的动作。本实施方式的对位装置的硬件构成与第一实施例中的对位装置10相同。
对位装置的功能模块构成以及动作
图5是第二实施方式涉及的对位装置的一例功能模块框图。以下参考图5说明本实施方式的对位装置10a的功能模块构成以及动作。
如图5所示，对位装置10a具有点群取得部101(取得部)、开始位置设定部102(位置设定部)、候补解搜索部103(搜索部)、抽取部105、解决定部104、输入部111、显示控制部112、显示部113、存储部114。上述功能部中，点群取得部101、开始位置设定部102、候补解搜索部103、输入部111、显示控制部112、显示部113及存储部114的功能均与第一实施方式中说明的相同。
抽取部105是从候补解搜索部103搜索到的所有候补解中抽取规定数量的候补解的功能部。例如，抽取部105可以从由候补解搜索部103搜索到的所有候补解中随机抽取规定数量的候补解。抽取部105还可以对候补解搜索部103搜索到的各候补解，按照对应的误差从小到大的顺序进行排序，从误差小的一方抽取规定数量的对应的候补解。另外，抽取部105也可以求出候补解搜索部103搜索到的各候补解所对应的误差的出现频率，按照该频率从高到低的顺序抽取规定数量的对应的候补解。抽取部105通过例如图1所示的CPU501执行程序来实现。
解决定部104是对由抽取部105抽取的候补解进行统计处理，从该候补解中决定最终解的功能部。对抽取的候补解的统计处理与第一实施方式中上述处理相同。然后，解决定部104将决定的最终解保存到存储部114中。解决定部104通过例如图1所示的CPU501执行程序来实现。
另外，上述取得部101、开始位置设定部102、候补解搜索部103、抽取部105、解决定部104及显示控制部112中的至少任意一个，也可以通过ASIC或FPGA等集成电路来实现。
图5所示的对位装置10a的各功能部只是概念性地表示功能，本发明并不受这种构成限制。例如，图5所示的对位装置10a中作为独立功能部图示的多个功能部也可以构成为一个功能部。相反，也可以将图5所示的对位装置10a的一个功能部所具有的功能分割成多个，构成多个功能部。
对位装置的定位处理流程
图6是第二实施方式涉及的对位装置的一例对位处理流程图。以下参考图6，说明本实施方式的对位装置10a的定位处理流程。
<步骤S21～S23>
步骤S21～S23的处理分别与上述第一实施方式中图4所示的步骤S11～S13的处理相同。
<步骤S24>
当存储部114中保存的搜索开始位置中所有搜索开始位置受到候补解搜索部103选择用来搜索候补解时(步骤S24:是)，前往步骤S25，而如果存在未受到选择的搜索开始位置时(步骤S24:否)，则返回步骤S23。
<步骤S25>
抽取部105从候补解搜索部103搜索到的所有候补解中抽取规定数量的候补解。抽取方法如上所述。然后前往步骤S26。
<步骤S26>
解决定部104对抽取部105抽取的候补解进行统计处理，从该候补解中决定最终的解。然后，根据需要，显示控制部112将例如解决定部104决定的最终解显示在显示部113上，或者，把对两个点群数据中的一个点群数据通过解决定部104决定的解而经过坐标变换的点群数据和作为对位目标的另一个点群数据重叠起来显示。至此，对位处理结束。
如上所述，在本实施方式涉及的对位装置10a中，抽取部105从由候补解搜索部103搜索到的多个候补解中抽取规定数量的候补解中，解决定部104对这些规定数量的候补解进行统计处理，决定最终的解。由此，本实施方式不仅能够得到与上述第一实施例相同的效果，同时在解决定部104的统计处理中抑制异常值或误差大的候补解的影响，更加稳定地找到合适的解。
[第三实施方式]
关于第三实施例的对位装置，以与第一实施方式涉及的对位装置10的不同之处为中心进行说明。在本实施方式中说明使用计测器计测的点群数据来执行对位处理的动作。本实施方式中的对位装置的功能模块构成与第一实施例中的对位装置10相同。
对位装置的硬件构成
图7是第三实施方式涉及的对位装置的一例硬件结构框图。以下参考图7说明本实施方式涉及的对位装置10b的硬件构成。
图7所示的对位装置10b是对测量对象物30实施通过计测器20a、20b测量的两个点群数据的对位处理的信息处理装置。如图7所示，对位装置10b具备CPU501、RAM502、辅助存储装置503、输入装置504、显示装置505、外部连接I/F506。CPU501、RAM502、辅助存储装置503、输入装置504及显示装置505的功能与第一实施方式中说明的相同。
外部连接I/F506是用于与计测器20a、20b等外部设备连接进行数据通信的接口。外部连接I/F506既可以是例如USB(Universal Serial Bus)规格的接口，也可以是符合支持以太网(注册商标)的TCP(Transmission Control Protocol)/IP(Internet Protocol)等的接口。
上述CPU501、RAM502、辅助存储装置503、输入装置504、显示装置505及外部连接I/F506通过地址总线及数据总线等总线510彼此可通信地连接。
图7所示的对位装置10b的硬件构成显示了一个示例，不需要包含图7所示的全部构成元素，也可以包含其他构成元素。
计测器20a、20b是通过测定测量对象物30而获得点群数据的装置。计测器20a、20b比如是数字化仪、激光扫描仪或立体相机等装置。计测器20a、20b与外部连接I/F506连接，将计测得到的点群数据输出到外部连接I/F506。
在图7所示的构成中两台计测器20a、20b与对位装置10b连接，但并不限于此，例如，也可以只连接一台计测器20a，通过计测器20a对计测对象物30的多次测量，获得多个点群数据。
对位装置的对位处理流程
图8是第三实施方式涉及的对位装置的一例对位处理流程图。以下参考图8说明本实施方式的对位装置10b的对位处理流程。
<步骤S31>
首先，点群取得部101分别取得通过计测器20a、20b测量计测对象物30而得到的两个点群数据。除此之外，点群取得部101也可以比如通过计测器20a对计测对象物30进行多次测量来取得两个点群数据。然后，前往步骤S32。
<步骤S32～S35>
步骤S32～S35的处理分别与上述第一实施方式中图4所示的步骤S12～S15的处理相同。至此，对位处理结束。
如上所述，在本实施方式的对位装置10b中，点群取得部101直接使用由计测器20a、20b测量的点群数据，执行定位处理。这样，不仅可以得到与上述第一实施方式相同的效果，而且即使预先没有准备好用于对位处理的点群数据，也可以通过计测器20a、20b依次测量计测对象物，同时进行对位处理。
[第四实施方式]
关于第四实施方式涉及的对位装置，以与第二实施方式的对位装置10a的不同之处为中心进行说明。本实施方式说明用脑磁计(Magnetoencephalography:MEG)得到的受检者的脑磁场分布用于通过MRI(Magnetic Resonance Imaging)得到的头部形状的动作。本实施方式中的对位装置的硬件构成与第一实施方式中的对位装置10相同。
将脑磁场分布适用到MRI的头部形状上的动作概述
图9是说明点群数据对位用于脑磁计的示意图。以下参考图9简要说明将脑磁计得到的脑的磁场分布适用到通过MRI得到的受检者头部形状的动作。
医疗领域存在把脑磁计测到的受检者的脑磁场分布适用到用MRI得到的头部形状进行分析的多形态信息整合的需求。对此，可以采用图9所示的方法来迎合这种需求。
具体而言，首先，受检者的头部安装了可供测量脑磁仪磁场的线圈，通过数字化仪或激光扫描仪等三维计测器测量磁场，可以获得受检者头部形状的点群数据(以下，有时称为扫描点群数据)，从而确定各线圈的位置和扫描点群数据之间的位置关系。在此，将通过三维计测器的测量得到的扫描点群数据的坐标***称为扫描坐标***。由此，脑磁仪得到的脑磁场分布和三维计测器得到的扫描点群数据的位置关系便得到确定。
MRI可获得被检者的头部图像，同时还可以获得被检者的头部形状的点群数据(以下也称为MRI点群数据)。在此，将通过MRI得到的MRI点群数据的坐标***称为MRI坐标***。然后，通过后述的本实施方式的对位装置10c，进行上述扫描坐标***的扫描点群数据和MRI坐标***的MRI点群数据的对位处理。由此便确定了扫描点群数据的位置关系已经确定的脑磁场分布和MRI点群数据的位置关系已经确定的头部形状的位置关系。换言之，可以将用脑磁计得到的受检者的脑磁场分布与用MRI得到的头部形状进行匹配(重叠)。
本实施方式涉及的对位装置10c实施的对位处理中可以采用比如ICP算法。在此，使用在各种条件下取得的点群数据进行评价时，多数情况下直接将ICP算法中的误差函数最小化的候补解(坐标变换)作为解来采用没有问题，但发现也存在不是这样的情况。在该评价中，将用头部形状的扫描点群数据和MRI点群数据进行对位所导出的解(坐标变换)，作用于与头部形状同时取得的解剖学基准点(基准点的一例)的位置，根据解剖学基准点的对位误差，验证其好坏。结果表明，尽管ICP算法的误差非常小，但还是存在解剖学基准点误差较大的情况。究其原因，可以列举出，由于点群数据的假对应，本来不合适的候补解的误差被过小评估，从而导出错误的坐标变换。
对此，本实施方式采用如下方式作为对策。即，基于解空间中全局最优解比局部解具有更大的山脚部分的分布这一假说，把利用各种搜索开始位置求出的候补解中候补解出现频率最大的候补解，或与候补解对应的误差的值出现频率最大(即解空间中峰值以外的下坡部分较大)的候补解定为最终的解。由此，不易陷入局部解，能够得到比以往更稳定的合适解。以下详述本实施方式涉及的对位装置10c的功能模块构成以及对位处理。
对位装置的功能模块构成以及动作
图10是第四实施方式涉及的对位装置的一例功能模块框图。以下参考图10说明本实施方式的对位装置10c的功能模块构成以及动作。
如图10所示，对位装置10c具有点群取得部101(取得部)、基准点对位部106、开始位置设定部102(位置设定部)、候补解搜索部103(搜索部)、抽取部105、解决定部104、输入部111、显示控制部112、显示部113、存储部114。上述功能部中，抽取部105、输入部111、显示控制部112、显示部113及存储部114的功能与第二实施方式中说明的相同。
点群取得部101是从存储部114读取用三维计测器测量的被检者头部形状的扫描点群数据(第一点群数据的一例)的功能部。同时，点群取得部101还从存储部114读取由三维计测器计测的该被检者的解剖学基准点的位置数据(以下也称为扫描解剖学基准点数据)(第一基准点数据的一例)。在此，使用比如受检者的鼻根(Nasion)、左耳廓前点(LPA)以及右耳廓前点(RPA)的三点作为解剖学上的基准点进行说明，但并不限于此。另外，如同上述第三实施方式，点群取得部101也可以不从存储部114读出，而是从三维计测器直接取得扫描点群数据及扫描解剖学上的基准点数据。
另一方面，点群取得部101从存储部114读取由MRI得到的被检者的头部形状的MRI点群数据(第二点群数据的一例)。同时，点群取得部101还从存储部114读取由MRI得到的该被检者的解剖学基准点的位置数据(以下也称为MRI解剖学基准点数据)(第二基准点数据的一例)。在此，MRI的解剖学基准点也与上述相同。MRI点群数据的抽取可以使用任意的方法，例如可以举出将所有的MRI数据二值化，抽取最***的轮廓点的方法。解剖学基准点的位置可以通过用户在输入部111上的操作输入来选择，也可以通过模板匹配或机械学习来自动检测。
点群取得部101例如通过图1所示的CPU501执行程序来实现。
基准点对位部106是使用由点群取得部101取得的扫描解剖学基准点数据及MRI解剖学基准点数据，在维持各点的对应关系的状态下，进行两者的对位(以下有时称为粗对位)的功能部。即，基准点定位部106求出从扫描解剖学基准点数据到MRI解剖学基准点数据的粗坐标变换Tcoarse。基准点对位部106例如通过图1所示的CPU501执行程序来实现。
开始位置设定部102是以基准点对位部106求出的粗坐标变换Tcoarse为基准，施以预设步长的偏移，设定多个搜索开始位置的功能部。另外，对扫描点群数据预先进行粗坐标变换Tcoarse时，搜索开始位置以0为基准设定即可。开始位置设定部102例如通过由图1所示的CPU501执行程序来实现。
候补解搜索部103是从开始位置设定部102设定的搜索开始位置开始，用预设的对位算法进行对位，搜索候补解的功能部。在此，候补解搜索部103使用ICP算法，搜索使点群数据间的位置的最小二乘误差所表示的误差函数最小化的候补解(坐标变换)。候补解搜索部103通过例如图1所示的CPU501执行程序来实现。
解决定部104是对由抽取部105抽取的候补解进行统计处理，从该候补解中决定最终解的功能部。在此，作为统计处理，解决定部104将多个候补解中对应的误差函数的值(误差)为出现频率最大的候补解定为细坐标变换Tfine。当存在多个出现频率最大的误差值时，采用误差值更小的坐标变换即可，而当同一误差存在多个不同的坐标变换时，采用坐标变换的程度最小(例如，坐标变换的矩阵的轨迹最大)的坐标变换即可。另外，作为统计处理，解决定部104也可以将多个候补解中该候补解自身的出现频率最高的候补解确定细坐标变换Tfine。进而，解决定部104对于各候补解，按照对应的误差从小到大的顺序进行排序，从误差小的一方抽取规定数量的对应的候补解，在此基础上，将对应的误差出现频率最大的候补解或该候补解自身的出现频率为最大的候补解定为细坐标变换Tfine。然后，解决定部104将基准点对位部106求出的粗坐标变换Tcoarse与细坐标变换Tfine相乘的Tfine×Tcoarse定为最终的解即坐标变换Tfinal。
上述点群取得部101、基准点位置对位部106、开始位置设定部102、候补解搜索部103、抽取部105、解决定部104及显示控制部112中的至少任意一个也可以通过ASIC或FPGA等集成电路来实现。
图10所示的对位装置10c的各功能部只是概念性地表示功能，并不限于这种构成。例如，可以把图10所示的对位装置10c中作为独立功能部的多个功能部构成为一个功能部。相反，也可以将图10所示的对位装置10c的一个功能部所具有的功能分割成多个，构成多个功能部。
对位装置的对位处理流程
图11是第四实施方式涉及的对位装置的一例对位处理流程图。以下参考图11，说明本实施方式涉及的对位装置10c的定位处理流程。
<步骤S41>
首先，点群取得部101从存储部114读取用三维计测器测量的被检者的头部形状的扫描点群数据、以及该被检者的扫描解剖学基准点数据。然后，前往步骤S42。
<步骤S42>
点群取得部101从存储部114读取通过MRI得到的被检者头部形状的MRI点群数据以及该被检者的MRI解剖学基准点数据。步骤S41及步骤S42的处理顺序并不限于此，也可以前后调整。然后，前往步骤S43。
<步骤S43>
基准点对位部106用点群取得部101取得的扫描解剖学基准点数据及MRI解剖学基准点数据，在维持各点之间对应关系的状态下，进行两者的粗对位。即，基准点定位部106求出从扫描解剖学基准点数据到MRI解剖学基准点数据的粗坐标变换Tcoarse。在该对位处理中，期待该解剖学基准点的对位误差成为目标函数，将目标函数最小化。也可以省略本步骤，或者通过输入部111以及显示部113让用户手动进行粗对位。在省略本步骤时，粗坐标变换Tcoarse成为单位矩阵。然后，前往步骤S44。
<步骤S44>
开始位置设定部102以基准点对位部106求出的粗坐标变换Tcoarse为基准，施以预设步长的偏移，设定多个搜索开始位置。开始位置设定部102将设定的搜索开始位置保存在存储部114中。然后，前往步骤S45。
<步骤S45>
候补解搜索部103从存储部114读出由开始位置设定部102设定的搜索开始位置中尚未受到选择的搜索开始位置，从该搜索开始位置开始，用预设的对位算法进行对位，搜索候补解。在此，候补解搜索部103用ICP算法，搜索使点群数据之间的位置最小二乘误差所表示的误差函数最小化的候补解(坐标变换)。候补解搜索部103将搜索到的候补解和误差函数的值对应起来，保存到存储部114中。然后，前往步骤S46。
<步骤S46>
当存储部114中保存的所有搜索开始位置受到候补解搜索部103选择用于搜索候补解时(步骤S46:是)，前往步骤S47，而如果存在尚未受到选择的搜索开始位置(步骤S46:否)，则返回步骤S45。
<步骤S47>
抽取部105从候补解搜索部103搜索的所有候补解中抽取规定数量的候补解。另外，关于抽取方法，与第二实施方式所述相同。本步骤不是必须的，也可以跳过。然后，前往步骤S48。
<步骤S48>
解决定部104作为统计处理，将多个候补解中对应的误差函数的值(误差)为出现最多的候补解定为细坐标变换Tfine。当存在多个出现最多的误差值时，采用误差值更小的坐标变换即可，当相同误差存在多个不同的坐标变换时，采用坐标变换程度最小(例如，坐标变换的矩阵的轨迹最大)的坐标变换即可。然后，前往步骤S49。
<步骤S49>
然后，解决定部104将基准点对位部106求出的粗坐标变换Tcoarse与细坐标变换Tfine相乘后的Tfine×Tcoarse定为最终解的坐标变换Tfinal。然后，前往步骤S50。
<步骤S50>
然后，显示控制部112使解析定部104决定的坐标变换Tfinal作用于扫描点群数据以及扫描解剖学基准点数据，生成已经对位的扫描点群数据以及扫描解剖学基准点数据。然后，显示控制部112对已经对位的扫描点群数据以及扫描解剖学基准点数据、和MRI点群数据以及MRI解剖学基准点数据进行颜色区分重叠，显示到显示部113上。另外，当用户不满足显示部113上显示的对位结果时，也可以通过输入部111变更搜索开始位置，再次执行以后的处理。至此，对位处理结束。
如上所述，本实施方式的对位装置10c中，在将脑磁计获得的受检者的脑磁场分布适用到MRI获得的头部形状时，通过把上述对位处理应用到分别从三维计测器和MRI获得的点群数据上，可以找到比以往更稳定的从三维计测器的坐标***(扫描坐标***)向MRI的坐标***(MRI坐标***)的坐标变换的合适的解。
用基准点的粗对位和用点群数据的细对位的两级构成，并不限于医疗领域的多模态信息综合用途。
在本实施方式涉及的对位处理中，分别求出粗坐标变换Tcoarse和细坐标变换Tfine，但不限于此。例如，开始位置设定部102可以基于基准点对位部106求出的粗坐标变换Tcoarse，设定多个搜索开始位置。这种情况下，解决定部104所决定的细坐标变换Tfine也包含了粗坐标变换Tcoarse的作用，因此可以视为坐标变换Tfinal。
在上述各实施方式中，解决定部104对与多个候补解对应的目标函数的值进行统计处理，根据该统计处理的结果决定最终解，但并不限于此，如上所述，也可以对多个候补解本身进行统计处理，决定最终解。例如有求出候补解的出现频率，将出现频率最大的候补解定为最终解的方法。
上述各实施方式的各项功能可以通过一个或多个处理电路来实现。在此，所谓“处理电路”是指包括通过电路安装的处理器那样通过编程用软件执行各项功能的处理器、或设计为执行上述各项功能的ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、SoC(SystemonaChip)、GPU(Graphics Processing Unit)或传统的电路模块等的器件。
在上述各实施方式中，如果通过执行程序来实现对位装置10(10a～10c)的各功能部中的至少任一个时，该程序被预先装入ROM等中来提供。在上述各实施方式的对位装置10(10a～10c)中执行的程序也可以构成为以可安装形式或可执行形式的文件记录在CDROM(Compact Disc Read Only Memory)、软盘(FD)、CDR(Compact Disk-Recordable)、DVD或SD(Secure Digital)卡等计算机可读取的记录)卡等计算机可读记录媒体中。还可以将上述各实施方式的对位装置10(10a～10c)执行的程序存储在与互联网等网络连接的计算机上，经由网络下载来提供。进而可以将上述各实施方式的对位装置10(10a～10c)执行的程序构成为经由互联网等网络来提供或发布。再者，由上述各实施方式的对位装置10(10a～10c)执行的程序是包含上述各功能部中的至少任意一个的模块构成，作为实际的硬件，通过CPU从上述存储装置读出程序并执行，将上述各功能部加载到主存储装置上并生成。
符号说明
10、10a～10c对位装置，20a、20b计测器，30计测对象物，101点群取得部，102开始位置设定部，103候补解搜索部，104解决定部，105抽取部，106基准点定位部，111输入部，112显示控制部，113显示部，114存储部，501CPU，502RAM，503辅助存储装置，504输入装置，505显示装置，506外部连接I/F，510总线，1001、1002点群数据。

Claims (19)

1.一种对位装置，其中具备
取得部，用于取得第一点群数据和与所述第一点群数据不同的第二点群数据；
位置设定部，用于设定多个用来把所述第一点群数据与所述第二点群数据配位的搜索开始位置；
搜索部，用于对所述位置设定部设定的多个所述搜索开始位置，搜索每一个所述搜索开始位置的所述第一点群数据坐标变换到所述第二点群数据的候补解；以及
解决定部，用于用所述搜索部搜索到的多个所述候补解来决定解。
2.根据权利要求1所述的对位装置，其中，所述解决定部根据所述搜索部搜索到的多个所述候补解各自对应的目标函数的值，对多个所述候补解进行统计处理，决定最终解。
3.根据权利要求2所述的对位装置，其中，作为所述统计处理，所述解决定部将多个所述候补解之中，对应的所述目标函数的值出现次数最多的所述候补解定为最终解。
4.根据权利要求1所述的对位装置，其中，对于所述搜索部搜索到的多个所述候补解，所述解决定部将所述候补解的出现频率最大的所述候补解定为最终解。
5.根据权利要求2或3所述的对位装置，其中，
进一步具备抽取部，用于从所述搜索部搜索到的所有所述候补解之中抽取规定数量的所述候补解，
所述解决定部对所述抽取部抽取的所述候补解实施统计处理，决定所述最终解。
6.根据权利要求5所述的对位装置，其中，所述抽取部从所述搜索部搜索到的所有所述候补解中，从对应的所述目标函数的值小的一方抽取规定数量的所述候补解。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的对位装置，其中，所述位置设定部通过以所述对位之前的所述第一点群数据的位置为基准，随机偏移位置，来设定多个所述搜索开始位置。
8.根据权利要求1至6中任意一项所述的对位装置，其中，所述位置设定部通过以所述对位之前的所述第一点群数据的位置为基准，给与预设的偏差，设定多个所述搜索开始位置。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的对位装置，其中，
进一步具备存储部，用于保存所述第一点群数据以及所述第二点群数据，
所述取得部通过从所述存储部读取来获得所述第一点群和所述第二点群。
10.根据权利要求1至8中任意一项所述的对位装置，其中，所述取得部取得一个或多个三维计测仪器测量到的所述第一点群数据以及所述第二点群数据。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的对位装置，其中，
所述取得部进一步取得第一基准点数据和第二基准点数据，所述第一基准点数据是所述第一点群数据的坐标***中的基准点的数据，所述第二基准点数据是所述第二点群数据的坐标***中的基准点的数据，
进一步具备基准点对位部，用于求出用来把所述第一基准点数据与所述第二基准点数据对位的坐标变换，
所述解决定部考虑所述基准点对位部求出的坐标变换，决定所述解。
12.根据权利要求11所述的对位装置，其中，所述解决定部从所述搜索部搜索到的多个所述候补解中，根据各自对应的目标函数的值进行统计处理，决定一个所述候补解，通过把决定了的所述候补解与所述基准点对位部求出的坐标变换相乘，决定所述解。
13.根据权利要求11所述的对位装置，其中，所述位置设定部根据所述基准点对位部求出的坐标变换，设定多个所述搜索开始位置。
14.根据权利要求1至13中任意一项所述的对位装置，其中，进一步具备显示控制部，用于根据所述解决定部决定的所述解，把所述第一点群数据与所述第二点群数据对位的结果显示到显示装置上。
15.一种对位***，其中包括
取得部，用于取得第一点群数据和与所述第一点群数据不同的第二点群数据；
位置设定部，用于设定多个用来把所述第一点群数据与所述第二点群数据配位的搜索开始位置；
搜索部，用于对所述位置设定部设定的多个所述搜索开始位置，搜索每一个所述搜索开始位置的所述第一点群数据坐标变换到所述第二点群数据的候补解；以及
解决定部，用于用所述搜索部搜索到的多个所述候补解来决定解。
16.一种对位***，其中包括
多个三维计测仪器，用于测量第一点群数据和与所述第一点群数据不同的第二点群数据；
还具备以下功能部，
取得部，用于取得所述三位计测器测量的所述第一点群数据和所述第二点群数据；
位置设定部，用于设定多个用来把所述第一点群数据与所述第二点群数据配位的搜索开始位置；
搜索部，用于对所述位置设定部设定的多个所述搜索开始位置，搜索每一个所述搜索开始位置的所述第一点群数据坐标变换到所述第二点群数据的候补解；以及
解决定部，用于用所述搜索部搜索到的多个所述候补解来决定解。
17.一种对位方法，其中包括
取得步骤，取得第一点群数据和与所述第一点群数据不同的第二点群数据；
位置设定步骤，设定多个用来把所述第一点群数据与所述第二点群数据配位的搜索开始位置；
搜索步骤，对设定的多个所述搜索开始位置，搜索每一个所述搜索开始位置的所述第一点群数据坐标变换到所述第二点群数据的候补解；以及
解决定步骤，用搜索到的多个所述候补解来决定解。
18.一种计算机可读的存储介质，其中保存可供计算机执行以下步骤的程序，取得步骤，取得第一点群数据和与所述第一点群数据不同的第二点群数据；
位置设定步骤，设定多个用来把所述第一点群数据与所述第二点群数据配位的搜索开始位置；
搜索步骤，对设定的多个所述搜索开始位置，搜索每一个所述搜索开始位置的所述第一点群数据坐标变换到所述第二点群数据的候补解；以及
解决定步骤，用搜索到的多个所述候补解来决定解。
19.一种计算机装置，其中具备处理器和保存了程序的存储装置，该计算机装置通过所述处理器执行所述程序，实行以下步骤，
取得步骤，取得第一点群数据和与所述第一点群数据不同的第二点群数据；
位置设定步骤，设定多个用来把所述第一点群数据与所述第二点群数据配位的搜索开始位置；
搜索步骤，对设定的多个所述搜索开始位置，搜索每一个所述搜索开始位置的所述第一点群数据坐标变换到所述第二点群数据的候补解；以及
解决定步骤，用搜索到的多个所述候补解来决定解。
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