JP2014035702A - 光学データ処理装置、光学データ処理システム、光学データ処理方法、および光学データ処理用プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】点群位置データから得られた三次元モデルとステレオ写真画像から得られた三次元モデルを統合する処理において、対象物が建築物であるという仮定に基づき、垂直エッジの対応関係を求める。この際、垂直エッジを他の垂直エッジとの間の相対位置関係によって特徴付けることで、対応関係の探索を短時間で、且つ、高精度に行う。
【選択図】図1
Description
(前提)
本実施形態における測定対象物は、主要な対象が建築物であるとする。
(用語の定義)
以下、明細書中で用いる用語について説明する。
(ラベル)
ラベルとは面を特定する(あるいは他の面と区別する)識別子である。面は、演算の対象として選択するのに適切な面のことであり、平面、曲率の大きい曲面、曲率が大きくその位置による変化が小さい曲面が含まれる。本明細書では、演算により数学的に把握(データ化)する際の演算量が許容される量であるか否かによって、面と非面とが区別される。非面には、角、エッジ部分、その他曲率の小さい部分や曲率の場所による変化が激しい部分が含まれる。これらの部分は、演算による数学的な把握(データ化)に際して、多量の演算が必要であり、演算装置への高負担や演算時間の増大を招く。本明細書では、演算時間の短縮が重要であるので、このような演算装置への高負担や演算時間の増大を招く面を非面として除去し、極力演算の対象としないようにする。
三次元エッジ(エッジ)というのは、測定対象物の外観を視覚的に把握するために必要な、当該測定対象物の外形を形作っている輪郭線(outline)や点のことである。具体的には、折れ曲がった部分や急激に曲率が小さくなっている部分が三次元エッジとなる。三次元エッジは、外側の輪郭の部分のみが対象となるとは限らず、凸状に飛び出している部分を特徴付ける縁の部分や、凹状に引っ込んでいる部分(例えば、溝構造の部分)を特徴づける縁の部分も対象となる。三次元エッジにより所謂線図により構成される三次元モデルが構成される。この三次元モデルにより、測定対象物の外観が把握し易い画像表示を行うことができる。
三次元モデルは、上述した三次元エッジにより構成される線図である。三次元モデルにより、測定対象物の外観が視覚的に把握し易い画像が得られる。三次元モデルの画像(三次元モデル図)は、例えばCAD図面等に利用することができる。
点群位置データでは、二次元画像と三次元座標とが結び付けられている。すなわち、点群位置データでは、測定対象物の二次元画像のデータと、この二次元画像に対応付けされた複数の測定点と、この複数の測定点の三次元空間中の位置(三次元座標)とが関連付けされている。点群位置データによれば、点の集合により測定対象物の立体的な外形を再現することができる。すなわち、各点の三次元座標が判るので、各点の相対位置関係が把握でき、画面表示した対象物の画像を回転させたり、異なる視点から見た画像に切り替えたりする処理が可能となる。
図1には、実施形態における処理の流れの概要が示されている。図1のフローチャートを実行するためのプログラムは、図2の光学データ処理装置100が備える適当なメモリ領域に格納され、光学データ処理装置100が備えるCPUによって実行される。なお、図1のフローチャートを実行するためのプログラムを外部の適当な記憶媒体に格納し、そこから光学データ処理装置100に提供される形態も可能である。この点は、明細書中で説明する数々の処理を実行するプログラムにおいても同じである。
以下、図1の処理を実行する光学データ処理装置の一例を説明する。図2には、光学データ処理装置100が示されている。光学データ処理装置100は、パーソナルコンピュータ内においてソフトウェア的に構成されている。すなわち、本発明を利用した処理を行う専用のソフトウェアがインストールされたパーソナルコンピュータが図1の光学データ処理装置100として機能する。このプログラムは、パーソナルコンピュータ中にインストールされている状態に限定されず、サーバや適当な記録媒体に記録しておき、そこから提供される形態であってもよい。
Logic Device)等を用いて構成した専用のハードウェアによって光学データ処理装置100の一部または全部を構成することも可能である。
図2の三次元モデル作成部420の詳細、およびその動作(図1のステップS200)の詳細について説明する。図3には、三次元モデル作成部420のブロック図が示されている。三次元モデル形成部420は、局所領域を取得する局所領域取得部421、局所領域の法線ベクトルを算出する法線ベクトル算出部422、局所領域の局所曲率を算出する局所曲率算出部423、局所領域にフィッティングする局所平面を算出する局所平面算出部424、非面領域除去部425、面ラベリング部426、輪郭線算出部427、二次元エッジ算出部428、エッジ統合部429を備えている。
写真画像データ処理部500の三次元モデル作成部520の詳細、およびその動作(図1のステップS400)について説明する。以下において、1台のカメラを用い、位置を変えての撮影を行なうことで、左写真画像と右写真画像を得る場合の例を説明する。勿論、左右2台のカメラを用意して、左写真画像と右写真画像を同時に撮影する構成も可能である。
エッジ抽出部511は、左写真画像および右写真画像のそれぞれから測定対象物のエッジを抽出する。ここで、左写真画像および右写真画像は平面画像であるので、抽出の対象となるエッジは、画像中の測定対象物を構成する2次元の輪郭線の部分となる。エッジ抽出部511におけるエッジの抽出は、以下のようにして行われる。まず、Sobelフィルタを用い、エッジ強度の向きを用いたNMS(非最大値抑制)で細線化したのち、エッジ強度により閾値処理を行う。ここで、x軸方向の強度の微分をfx、y軸方向の強度の微分をfyとすると、数2のよりエッジ強度Iが表される。
外部標定要素算出部511は、ステレオ写真画像に基づき、相互標定法を用いて外部標定要素の算出を自動的に行なう。つまり、左右の写真画像の対応関係を演算により求め、その結果を用いて、相互標定法により左右の写真画像の撮影時におけるカメラの向きと位置(撮影対象物に対する相対的なカメラの向きと位置)の算出を行う。相互標定法は、既知点がなくとも相対的な外部標定要素が求められる方法である。処理の流れとしては、まず、左写真画像と右写真画像とにおける対応する特徴点を求める。そして、左右の写真画像で対応する特徴点から標定用の対応点を求め、この標定用の対応点を用いた相互標定法により左写真画像と右写真画像の外部標定要素を求める。
(1)未知パラメータ(κ1,φ1,κ2,φ2,ω2)の初期近似値は通常0とする。
(2)数8の共面条件式を近似値のまわりにテーラー展開し、線形化したときの微分係数の値を数9により求め、観測方程式をたてる。
(3)最小二乗法をあてはめ、近似値に対する補正量を求める。
(4)近似値を補正する。
(5)補正された近似値を用いて、(1)〜(4)までの操作を収束するまで繰り返す。
上述した外部標定要素の算出では、左右の写真画像において、標定用の対応点が求められているが、標定用の対応点では、密度が小さく三次元モデルの作成はできない。そこで、図4のマッチング処理部513は、左右の写真画像に基づく三次元モデルの作成を行うために、外部標定要素算出部512が算出した外部標定を用いて、左右の写真画像の特徴点の対応関係を特定する。
図4の三次元エッジ抽出部515について説明する。三次元エッジ抽出部515は、左右の写真画像において、既に求められている特徴点間の対応関係、およびその三次元座標に基づいて、三次元空間中における三次元エッジを抽出する。すなわち、マッチング処理部513によって、左右の写真画像中におけるエッジ(二次元エッジ)の端点の対応関係が特定され、特徴点座標算出部514によってその三次元座標の値が求められている。よって、三次元空間中における三次元エッジの端点の三次元座標は特定でき、三次元エッジを特定することができる。この処理が三次元エッジ抽出部515において行われる。この三次元エッジは、測定対象物の三次元構造を構成する線分であり、この三次元エッジにより三次元モデルが構成される。こうして、測定対象物を異なる2つの視点から撮影したステレオ写真画像に基づいて、三次元エッジが抽出され、測定対象物の三次元モデルのデータが作成される。
図2の法線ベクトル抽出部600において行なわれる図1のステップS500の詳細な一例を説明する。法線ベクトル抽出部600は、三次元モデル作成部420が作成した三次元モデル(レーザー点群三次元モデル)、および三次元モデル作成部520が作成した三次元モデル(画像計測三次元モデル)を対象に、マンハッタンワールド仮説に基づく法線ベクトルの抽出を行う。この処理では、まず、「人工構造物には互いに直交する支配的な3軸が存在し、建造物を構成する面は、それらと垂直または平行に配置している」というマンハッタンワールド仮説に基づき、レーザー点群三次元モデルおよび画像計測三次元モデルから、その三次元方向の向きを決める3方向の法線ベクトルを抽出する。
三次元モデル向き調整部700は、法線ベクトル抽出部600が抽出した法線ベクトルに基づき、レーザー点群三次元モデルと画像計測三次元モデルの向きを合わせる処理を行う。ここで、3方向の法線ベクトルは、垂直方向(鉛直方向)の法線ベクトル、垂直方向に直交する水平2軸の法線ベクトルである。三次元モデル向き調整部700は、2群の法線ベクトルの向きが概略一致するように、一方または両方の三次元モデルを回転させる。こうして、レーザー点群三次元モデルと画像計測三次元モデルの凡その向きを合わせる処理が行われる。なお、この状態においては、画像計測三次元モデルは実スケールを持っていない相対モデルであり、また特定の方向に縮小または拡大しているので、向きが合ったとはいえ、2つの三次元モデルは整合しない。
図2に示す三次元エッジ位置合わせ部800は、一方の三次元モデルにおける垂直方向における複数の三次元エッジ間の距離と角度を用いて、同様な位置関係を持つ他方の三次元モデルにおける垂直方向の三次元エッジの組み合わせを探索する。図12に示すように、図2に示す三次元エッジ位置合わせ部800は、垂直エッジ抽出部801、垂直エッジの相対位置特定用パラメータ取得部802、類似度算出部803、対応垂直エッジ算出部804、画像計測三次元モデル縮尺調整部805を備えている。
図2の三次元モデル統合部900について説明する。三次元モデル統合部900は、三次元エッジ位置合わせ部800において探察された垂直エッジの対応関係に基づいて、画像計測三次元モデルとレーザー点群三次元モデルとを統合した統合三次元モデルの作成を行う。この統合された三次元モデルでは、レーザー点群三次元モデルにおいてオクルージョンとなっている部分が画像計測三次元モデルによって補完された状態となる。
以上述べたように、本実施形態では、点群位置データから得られた三次元モデルとステレオ写真画像から得られた三次元モデルを統合する処理において、対象物が建築物であるという仮定に基づき、垂直エッジの対応関係を求める。この際、垂直エッジを他の垂直エッジとの間の相対位置関係によって特徴付け、この相対位置関係を比較することで、両三次元モデル間における垂直エッジの対応関係の探索を行う。
図13に示す処理では、垂直エッジを対象としているが、他の方向のエッジを対象として図13に示す処理を行うこともできる。特定方向のエッジの抽出は、上述したマンハッタンワールド仮説を用いる手法以外の方法を用いても良い。例えば、(1)エッジの抽出、(2)抽出したエッジを3軸方向のそれぞれに分類、(3)分類されたエッジの中から顕著性のある特定方向のエッジの抽出、といった手法により、特定方向のエッジの抽出を行うこともできる。以下、この処理の一例を説明する、まず、左右の写真画像のそれぞれにおいて、エッジの抽出を行う。次に、同じ方向に延在したエッジを集め、その総延長距離を計算する。次に、総延長距離の長い順に、3番目までを選び、1番目のエッジ群を主エッジとして分類し、2番目と3番目のエッジを主エッジに直交する2軸のエッジとする。例えば、高層建築物が対象であれば、主エッジが垂直エッジとして選択され,水平方向に延在した低層階の建築物であれば、水平方向の一軸が主エッジの延在方向として選択される。
第1の実施形態においては、主となる三次元モデルがレーザー点群三次元モデルであり、レーザー点群三次元モデルでオクルージョンとなる部分を補うために画像計測三次元モデルを用いる場合の例を説明した。これとは逆に、画像計測三次元モデルを主とし、それを補う形でレーザー点群三次元モデルを用いることも可能である。この場合、処理の手順は、第1の実施形態の場合と同じである。異なるのは、画像計測三次元モデルがより広い範囲を対象とし、その一部(オクルージョンとなる部分や精度に欠ける部分等を含む領域)をレーザー点群三次元モデルで補う点である。
Vehicle:UAV)等を用いて行われる航空写真測量により得られた三次元モデルを主とし、そこでオクルージョンとなる部分や精度が低い部分を地上で行われるレーザースキャニングにより得られたレーザー点群三次元モデルで補う場合が挙げられる。なお、レーザー点群三次元モデルと画像計測三次元モデルの何れが主な三次元モデルで、何れが補助的な三次元モデルであるのかが明確でない場合も有りうる。また、いずれの三次元モデルもオクルージョンを含み、それが他方の三次元モデルで互いに補われるような場合も有りうる。
統合する2つの三次元モデルの両方をレーザー点群三次元モデルとすることも可能である。この場合、異なる視点のそれぞれからレーザースキャニングが行われ、第1のレーザー点群三次元モデルと、第2のレーザー点群三次元モデルを得、この2つの三次元モデルを第1の実施形態で示した手順により統合する。ここで、2つの三次元モデルは、点群位置の座標値が判っている絶対モデルであるので、図1のステップS700で行われる位置合わせは、アフィン変換ではなく、剛体変換(若干の向きの補正を含む)あるいは平行移動を一方または両方の三次元モデルに対して行うことで行われる。したがって、この例の場合、図12の符合805の部分は、三次元モデルの剛体変換処理部または平行移動処理部として機能する。
統合する2つの三次元モデルの両方を画像計測三次元モデルとすることも可能である。この場合、異なる視点のそれぞれからステレオ写真画像の取得が行われ、第1のステレオ写真画像に基づく第1の画像計測三次元モデルと、第2のステレオ写真画像に基づく第2の画像計測三次元モデルを得、この2つの三次元モデルを第1の実施形態で示した手順により統合する。ここで、2つの三次元モデルの両方が実スケールを持っていない相対モデルである第1の態様、一方が相対モデルであり他方が、座標値が判っている絶対モデルである第2の態様、両方が絶対モデルである第3の態様が可能である。
and Mapping)が用いられるが、この技術において、ある第1の位置で得たステレオ写真画像に基づいて取得した第1の画像計測三次元モデルと、第2の位置で得たステレオ写真画像に基づいて取得した第2の画像計測三次元モデルとの対応関係を求める処理が必要とされる場合がある。そのような場合に本発明の第1の三次元モデルと第2の三次元モデルとの対応関係を求める技術を利用することができる。
Claims (14)
- 第1の三次元モデルから特定の方向に延在した複数の三次元エッジを第1群三次元エッジとして抽出すると共に第2の三次元モデルから前記特定の方向と同じ方向に延在した複数の三次元エッジを第2群三次元エッジとして抽出する抽出部と、
前記第1郡三次元エッジのそれぞれと前記第2郡三次元エッジのそれぞれとの類似度を算出する類似度算出部と、
前記類似度に基づき、前記第1郡三次元エッジの一つに対応する前記第2郡三次元エッジの一つを選択する選択部と
を備えることを特徴とする光学データ処理装置。 - 前記第1郡三次元エッジのそれぞれにおける他の複数の三次元エッジに対する相対位置および前記第2郡三次元エッジのそれぞれにおける他の複数の三次元エッジに対する相対位置を特定する特定部を備え、
前記類似度算出部は、前記相対位置の類似度を算出することを特徴とする請求項1に記載の光学データ処理装置。 - 前記相対位置は、特定の三次元エッジと他の複数の三次元エッジとを結ぶ複数のベクトルの組み合わせによって表されることを特徴とする請求項2に記載の光学データ処理装置。
- 前記類似度が前記複数のベクトルの長さと予め決められた第1の方向に対する角度とにより評価されることを特徴とする請求項3に記載の光学データ処理装置。
- 前記特定の方向が垂直方向であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光学データ処理装置。
- 前記三次元エッジが当該三次元エッジを構成する線分の端点によって特定されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光学データ処理装置。
- 前記第1の三次元モデルおよび前記第2の三次元モデルの少なくとも一方がステレオ写真画像に基づく三次元モデルであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の光学データ処理装置。
- 前記ステレオ写真画像を構成する左写真画像および右写真画像における垂直方向のエッジに基づき、前記左写真画像および前記右写真画像の外部標定要素の算出を行う外部標定要素算出部を備えることを特徴とする請求項7に記載の光学データ処理装置。
- 前記ステレオ写真画像に基づく三次元モデルは伸びまたは縮んでおり、
前記選択部により選択された前記第1郡三次元エッジのそれぞれと前記第2郡三次元エッジのそれぞれとの位置が合うように、前記ステレオ写真画像に基づく三次元モデルの縮尺を調整する縮尺調整部と、
前記選択部により選択された前記第1郡三次元エッジと前記第2郡三次元エッジの組み合わせに基づき、前記縮尺が調整された前記ステレオ写真画像に基づく三次元モデルと他方の三次元モデルとを統合する三次元モデル統合部と
を備えることを特徴とする請求項8に記載の光学データ処理装置。 - 前記第1の三次元モデルがレーザー光の反射光から取得された三次元点群位置データに基づく三次元モデルであり、前記第2の三次元モデルがステレオ写真画像に基づく三次元モデルである第1の場合、前記第1の三次元モデルおよび前記第2の三次元モデルがステレオ写真画像に基づく三次元モデルである第2の場合のいずれかであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の光学データ処理装置。
- 前記第1の三次元モデルおよび前記第2の三次元モデルがレーザー光の反射光から取得された三次元点群位置データに基づく三次元モデルであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の光学データ処理装置。
- 第1の三次元モデルから特定の方向に延在した複数の三次元エッジを第1群三次元エッジとして抽出すると共に第2の三次元モデルから前記特定の方向と同じ方向に延在した複数の三次元エッジを第2群三次元エッジとして抽出する抽出手段と、
前記第1郡三次元エッジのそれぞれと前記第2郡三次元エッジのそれぞれとの類似度を算出する類似度算出手段と、
前記類似度に基づき、前記第1郡三次元エッジの一つに対応する前記第2郡三次元エッジの一つを選択する選択手段と
を備えることを特徴とする光学データ処理システム。 - 第1の三次元モデルから特定の方向に延在した複数の三次元エッジを第1群三次元エッジとして抽出すると共に第2の三次元モデルから前記特定の方向と同じ方向に延在した複数の三次元エッジを第2群三次元エッジとして抽出する抽出ステップと、
前記第1郡三次元エッジのそれぞれと前記第2郡三次元エッジのそれぞれとの類似度を算出する類似度算出ステップと、
前記類似度に基づき、前記第1郡三次元エッジの一つに対応する前記第2郡三次元エッジの一つを選択する選択ステップと
を備えることを特徴とする光学データ処理方法。 - コンピュータに読み取らせて実行させる光学データ処理用プログラムであって、
コンピュータを
第1の三次元モデルから特定の方向に延在した複数の三次元エッジを第1群三次元エッジとして抽出すると共に第2の三次元モデルから前記特定の方向と同じ方向に延在した複数の三次元エッジを第2群三次元エッジとして抽出する抽出手段と、
前記第1郡三次元エッジのそれぞれと前記第2郡三次元エッジのそれぞれとの類似度を算出する類似度算出手段と、
前記類似度に基づき、前記第1郡三次元エッジの一つに対応する前記第2郡三次元エッジの一つを選択する選択手段と
して動作させることを特徴とする光学データ処理用プログラム。
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