JP6359868B2 - ３次元データ表示装置、３次元データ表示方法、及び３次元データ表示プログラム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、３次元データ表示装置、３次元データ表示方法、及び３次元データ表示プログラムに関する。

３次元空間に配置された立体形状の物、例えば一般建築物、土木構造物、文化財、産業用プラントや原子力発電所の内部を計測して表示する方法の一つとして点群データを処理する方法がある。

点群データは例えばレーザースキャナによって物体が計測され、生成される。レーザースキャナは、パルス状のレーザー光線を照射する照射部と、照射されたレーザー光線の物体による反射光を検知する受光部と、照射部及び受光部を一定速度にて上下方向、すなわちＸ軸周りに回転させるエレベーション回転部と、照射部及び受光部を左右方向、すなわちＹ軸周りに回転させるアジマス回転部と、照射したレーザー光と受光した反射光の位相差に基づいて奥行き方向、すなわちＺ軸方向の距離を測定する奥行き測定部と、を備える。

レーザースキャナは反射したレーザー光を受光して反射部位の３次元空間内での位置を３次元ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）の集合として出力する。この出力された点の３次元ベクトルの集合を点群データと呼ぶ。

レーザースキャナを使用して例えば物体が置いてある室内の点群データを生成する場合、レーザースキャナを移動させて複数個所から計測する。しかし、そのうちの１か所における計測結果にはレーザー光が物体によって遮られることによる「影」の部分ができ、この「影」の部分は点群データが得られない。これを補うために、複数の場所から計測を行い、点群データを生成する。

しかし、点群データはデータ量が膨大であるため、パソコンなどによって計測した物体を表示する場合には素データに何らかの処理を施して扱いうるデータ量に減少させる必要がある。

また、複数の場所から計測した場合、生成された複数の点群データのセットを単純に合成すると、「影」の部分だけデータ量が少なくなり、表示むらが発生する。

特開２０１２−１４１７５８号公報

従って、複数の観測点から得られた点群データを合成する場合に、データ量を扱いやすい量にすることができるとともに、表示むらが発生しない３次元データ表示装置、３次元データ表示方法、及び３次元データ表示プログラムが求められている。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態は、観測点から照射されるレーザー光が反射された位置の３次元ベクトルから構成される点群データを、観測点ごとに格納する記憶部と、点群データを構成する３次元ベクトルを、観測対象に設けられる基準座標を基準に一次変換してから、観測点ごとの点群データをマージすることにより、点群データを合成し、観測空間が分割されることにより形成された複数のメッシュにそれぞれ含まれる、合成された点群データの３次元ベクトルによって規定される点の数が閾値以下になる場合に、メッシュに含まれる点を示す３次元ベクトルに対応する位置に表示される図形の大きさを大きくして画像を表示する制御部と、を備える３次元データ表示装置を提供する。

３次元データ表示装置の構成を示すブロック図である。 点群データファイルのデータ構造を示す図である。 設定ファイルのデータ構成を示す図である。 合成後の点群データファイルの内容を示す図である。 間引き後の点群データファイルの内容を示す図である。 表示装置の制御部による動作を示すフローチャートである。 第１の観測点における室内の観測の様子を示す図である。 第２の観測点における室内の観測の様子を示す図である。 点群データの合成だけを行った場合の点群データを表示した図である。 点群テータの選択間引きを行った場合、又はサイズ変更を行った場合の表示結果を示す図である。 選択間引きを行う前の合成後の点群の様子を示す図である。 選択間引きを行った後の点群の様子を示す図である。 サイズ変更の第１の例を示す図である。 サイズ変更の第２の例を示す図である。

以下、３次元データ表示装置、３次元データ表示方法、及び３次元データ表示プログラムの一実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本実施形態の３次元データ表示装置は、観測点から照射されるレーザー光が反射された位置の３次元ベクトルから構成される点群データを、観測点ごとに格納する記憶部と、点群データを構成する３次元ベクトルを、観測対象に設けられる基準座標を基準に一次変換してから、観測点ごとの点群データをマージすることにより、点群データを合成し、観測空間が分割されることにより形成された複数のメッシュにそれぞれ含まれる、合成された点群データの３次元ベクトルによって規定される点の数が閾値以上になる場合に、メッシュに含まれる点を示す前記３次元ベクトルを間いた後の合成された点群データに基づいた画像を表示する制御部と、を備える。

図１は、３次元データ表示装置（以下、表示装置１という。）の構成を示すブロック図である。図１に示すように、表示装置１は、演算装置であるＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）を含む制御部１０１と、メモリ、ハードディスクドライブなどの記憶装置を含む記憶部１０２と、ディスプレイ、タッチパネルなどの情報を表示する機器を含む表示部１０３と、キーボード、マウスなどの情報を入出力する入出力部１０４と、通信を行う通信部１０５と、を備える。

記憶部１０２は、レーザースキャナが設置される位置、すなわち観測の原点ごとに、レーザースキャナによって計測されたレーザー光の反射点の３次元ベクトルデータの集まりである点群データを格納する点群データファイル１０２Ａと、点群データの表示部１０３における表示モードを格納する設定ファイル１０２Ｂと、を格納する。

記憶部１０２は３次元データ表示プログラムを格納し、制御部１０１は記憶部１０２から３次元データ表示プログラムを順次読み出して実行する。

表示装置１は、いわゆるパソコンを使用することができる。

表示装置１は通信部１０５を介してレーザースキャナ２と接続する。レーザースキャナ２は、パルス状のレーザー光線を照射する照射部と、照射されたレーザー光線の物体による反射光を検知する受光部と、照射部及び受光部を一定速度にて上下方向、すなわちＸ軸周りに回転させるエレベーション回転部と、照射部及び受光部を左右方向、すなわちＹ軸周りに回転させるアジマス回転部と、照射したレーザー光と受光した反射光の位相差に基づいて奥行き方向、すなわちＺ軸方向の距離を測定する奥行き測定部と、を備える。

レーザースキャナ２は反射したレーザー光を受光して反射点の３次元空間内での位置を示す３次元ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）から構成される点群データを出力する。

表示装置１はレーザースキャナ２が出力した点群データを点群データファイル１０２Ａに格納する。

図２は、点群データファイル１０２Ａのデータ構造を示す図である。図２に示すように、点群データファイル１０２Ａは、観測点ごとに固有に割り当てられる「ファイル名」と、観測点の位置を表す「原点座標」と、原点座標ごとに観測されたレーザー光の反射点の３次元ベクトルデータの集まりである点群データと、から構成される。

点群データファイル１０２Ａに格納される各データの例は、ファイル名が「ＤＡＴＡ０１」、原点座標が「（１００，１００，１００）」、点群データが「５０３，１２５１，９０２」である。

ここで、観測する対象に対して一意に設けられる座標を基準座標とする。原点座標は、基準座標における３次元ベクトルによって表される。

図３は、設定ファイル１０２Ｂのデータ構成を示す図である。図３に示すように、設定ファイル１０２Ｂは、点群データの表示部１０３における表示モードを示す「モード」を格納する。

「モード」の例は、「サイズ変更」の他、「選択間引き」、「選択間引き、かつ、サイズ変更」などから選択できる。

モードが「サイズ変更」の場合、表示装置１は存在密度が低密度、すなわち高密度でない範囲にある点群データの一つ当たりの表示部１０３が表示する図形の大きさを大きくすることによりサイズ変更する。

モードが「選択間引き」の場合、表示装置１は、点群の存在密度が高密度である範囲について点群を間引く。

図４は、合成後の点群データファイルの内容を示す図である。図４においては、原点座標が（１００，１００，１００）の点群データと、原点座標が（３００，１００，１００）の点群データと、を合成する例を示す。

図４に示すように、表示装置１はまず点群データを構成する３次元ベクトルを、原点座標を用いて一次変換する。例えば、３次元ベクトル（５０３，１２５１,９０２）は原点座標が（１００，１００，１００）であるため、３次元ベクトル（６０３，１３５１,１００２）に一次変換される。

次に、各点の３次元ベクトルにその３次元ベクトルが観測された原点座標を示す情報が付加される。例えば、原点座標が（１００，１００，１００）であり、一次変換後の３次元ベクトルが（６０３，１３５１,１００２）とすると、原点座標を示す情報を付加した後の点群データは（（１００，１００，１００），（６０３，１３５１,１００２））となる。従って、原点座標を示す情報を付加した後の点群データは各３次元ベクトルがどの観測点において観測されたものかを判別するための情報を保持していることとなる。

最後に、表示装置１は、原点座標が（１００，１００，１００）の点群データと、原点座標が（３００，１００，１００）の点群データと、を一つのファイルに結合、すなわちマージし、３次元ベクトルの座標によってソートする。

このように、表示装置１は、点群データを基準座標へ一次変換し、点群データを構成する３次元ベクトルそれぞれに原点座標を付加し、点群データを相互にマージすることにより点群データを合成する。

表示装置１は絶対空間座標に仮想のメッシュを設定し、このメッシュごとに点群データの存在密度を計算する。

メッシュは、例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に平行な線を１０ｍｍ間隔により仮想の線を、観測する対象の観測範囲内において規定することによって設定される。例えば、室内を観測する場合、その室内に仮想の線を規定する。

図４に示すように、原点座標が（１００，１００，１００）の点群データと、原点座標が（３００，１００，１００）の点群データとの両方が存在する場合、第１のメッシュのように、この二つの観測点における点群データが一つのメッシュの中に混在する。

これに対し、いずれか一つの観測点からは影ができて観測できない部分は点群データが存在しないため、第２のメッシュのように影になった方の点群データが無く、観測できた方の原点座標を示す点群データのみが存在する。

図５は、間引き後の点群データファイルの内容を示す図である。図５において、ハッチングを施してあるのは間引かれた点群データを示す。

図５に示すように、表示装置１は、点群データに示される点の存在密度が高密度である範囲について点群データを間引く。

高密度であるか否かの判定は、全メッシュの密度の平均を算出し、この密度の平均より高い場合、高密度と判定するようにしてもよいし、あらかじめ設定した閾値より存在密度が高い場合、高密度と判定するようにしてもよい。

点群データの間引き方は、間引く割合が原点座標ごとに略同じ割合になるように間引くことが望ましい。例えば、４つの観測点の点群データを合成した後に間引く場合、各観測点のデータをそれぞれ１／４になるように間引く。

図５においては、原点座標が（１００，１００，１００）の点群データと、原点座標が（３００，１００，１００）の点群データとを交互に間引いた結果を示している。

このように、表示装置１が点群データの存在密度が高密度である範囲について点群データを間引くと、複数の観測点から観測できたメッシュと、一部の観測点から観測できなかったメッシュとの間における点群データの存在密度が近づく。従って、むらに表示されることを回避することができる。

図６は、表示装置１の制御部１０１による動作を示すフローチャートである。図６に示すように、ステップ４０１において、表示装置１は設定ファイル１０２Ｂを読込む。

ステップ４０２において、表示装置１はモードが「選択間引き」であるかを判定する。表示装置１は、モードが「選択間引き」であると判定した場合、ステップ４０３に進み、「選択間引き」でないと判定した場合、ステップ４１０に進む。

ステップ４０３において、表示装置１は点群データファイル１０２Ａを読込む。

ステップ４０４において、表示装置１は読込んだ点群データの３次元座標を基準座標に一次変換し、マージすることにより合成処理を行う。

表示装置１は、点群データを原点座標に基づいて絶対空間座標に一次変換し、各点の３次元ベクトルにその３次元ベクトルが観測された原点座標を付加し、各観測点の点群データをマージする。

ステップ４０５において、表示装置１は基準座標に仮想のメッシュを設定し、このメッシュごとに点群データの存在密度を計算する。

例えば、あるメッシュの中に点群データが４０個あった場合、存在密度は４０個／メッシュである。

ステップ４０６において、表示装置１は、点群の存在密度が高密度である範囲について点群を間引く。

ステップ４０７において、表示装置１はモードが「サイズ変更」であるかを判定する。表示装置１は、モードが「サイズ変更」であると判定した場合（すなわち、「選択間引き、かつ、サイズ変更」の場合。）、ステップ４０８に進み、「サイズ変更」でないと判定した場合、ステップ４０９に進む。

ステップ４０８において、表示装置１は存在密度が低密度、すなわち高密度でない範囲にある点群データの一つ当たりの表示する図形の大きさを大きくすることによりサイズ変更する。

具体的には、低密度の範囲をメモリに格納しておき、表示の際にサイズ変更してもよいし、低密度の範囲の点に予め表示する図形の大きさを付加することによってサイズ変更してもよい。

ステップ４１０において、表示装置１はモードが「サイズ変更」であるかを判定する。表示装置１は、モードが「サイズ変更」であると判定した場合、ステップ４１１に進み、「サイズ変更」でないと判定した場合、処理を終了する。

ステップ４１１において、表示装置１は点群データファイル１０２Ａを読込む。

ステップ４１２において、表示装置１は読込んだ点群データの３次元座標を絶対空間座標に変換してマージすることにより合成処理を行う。この際、各点の３次元座標にその３次元座標が観測された原点座標が付加される。従って、合成後の点群データは各点がどの観測点において観測された点なのかを保持していることとなる。

ステップ４１３において、表示装置１は、点群の存在密度が高密度であるか低密度であるかにかかわらず均一に点群を間引く。

ステップ４１４において、表示装置１は絶対空間座標に仮想のメッシュを設定し、このメッシュごとに点群データの存在密度を計算する。

ステップ４１５において、表示装置１は存在密度が低密度、すなわち高密度でない範囲にある点群データの一つ当たりの表示の大きさを大きくすることによりサイズ変更する。

ステップ４０９において、表示装置１は、別途入力される視点の座標に基づいて点群データを２次元座標に配置し、表示部１０３に表示する。

図７は、第１の観測点における室内５０１の観測の様子を示す図である。図８は、第２の観測点における室内５０１の観測の様子を示す図である。

図７に示すように、第１の観測点においては、レーザースキャナ５０２の真下である影５０２Ａになる部分と、物体５０３の影５０３Ａになる部分及び影５０３Ｂになる部分についてはレーザー光が届かないため、点群データが得られない。

図８に示すように、第１の観測点においては、レーザースキャナ５０２の真下である影５０２Ｃになる部分と、物体５０３の影５０３Ｃになる部分及び影５０３Ｄになる部分についてはレーザー光が届かないため、点群データが得られない。

図９は、点群データの合成だけを行った場合の点群データを表示した図である。図９に示すように、単に第１の観測点における点群データと第２の観測点における点群データとを合成した場合、点群データの存在密度の高密度範囲７０１と、低密度範囲７０２が生じ、各点の座標にそれぞれ同じ大きさの図形を表示するとむらになる。

図１０は、点群テータの選択間引きを行った場合、又はサイズ変更を行った場合の表示結果を示す図である。

図１０に示すように、点群データの選択間引きを行った場合、又はサイズ変更を行った場合は、点群データの密度のむらが低減される。

図１１は、選択間引きを行う前の合成後の点群の様子を示す図である。図１１に示す例は、レーザースキャナを同じ高さで床上の位置をＸ軸上に移動させて２回観測した場合を示す。各点の３次元ベクトルは、Ｙ座標とＺ座標が等しくなり、各点はＸ軸上に交互に現れる。

図１１に示すように、選択間引きを行う前は、第１の観測点による点群データ９０１と、第２の観測点による点群データ９０２と、が高密度に存在する。

図１２は、選択間引きを行った後の点群の様子を示す図である。図１２に示すように、選択間引きは、観測点ごとに間引く割合が略等しくなるように間引く。

従って、間引いた後でも観測された立体形状を適切に表示することができる。

図１３は、サイズ変更の第１の例を示す図である。図１３に示すように、素データは１画素１１０１であり、第１段階のサイズ変更は４画素１１０２、第２段階のサイズ変更は９画素１１０３、のように矩形に各点に対応して表示される図形のサイズを大きくすることができる。

図１４は、サイズ変更の第２の例を示す図である。図１４に示すように、素データは１画素１１０１であり、第１段階のサイズ変更は４画素１１０２、第２段階のサイズ変更は５画素１１０４、第３段階のサイズ変更は１２画素１１０５のように、円形に近くなるように各点に対応して表示される図形のサイズを大きくすることができる。

また、サイズ変更は、各点に対応して表示される図形のサイズを大きくするのみならず、間隔をあけて点を補完することによって点群の密度を増すようにすることもできる。

この場合、図１２のような低密度の点の状態が図１１のような高密度の点の状態になる。

なお、３次元データ表示プログラムは、光ディスク、半導体メモリ、磁気テープなどのコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して頒布することができる。また、３次元データ表示プログラムはサーバが備える記憶装置に格納され、ネットワークを通じてダウンロードすることにより頒布することができる。

頒布された３次元データ表示プログラムは通常のコンピュータにインストールして表示装置１を構成することもできる。

以上述べたように、本実施形態の表示装置１は、点群データを観測点ごとに格納する点群データファイル１０２Ａ、及び表示モードを格納する設定ファイル１０２Ｂを格納する記憶部１０２と、複数の観測点における点群データを合成した場合、点群の存在密度が高い範囲の点群データを間引いて画像を表示させる表示部１０３に表示させる制御部１０１と、を備える。

従って、複数の観測点から得られた点群データを合成する場合に、データ量を扱いやすい量にすることができるとともに、表示むらが発生しないという効果がある。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０１：制御部
１０２：記憶部
１０２Ａ：点群データファイル
１０２Ｂ：設定ファイル
１０３：表示部
１０４：入出力部

Claims (6)

1. 観測点から照射されるレーザー光が反射された位置の３次元ベクトルから構成される点群データを、前記観測点ごとに格納する記憶部と、
   前記点群データを構成する前記３次元ベクトルを、観測対象に設けられる基準座標を基準に一次変換してから、前記観測点ごとの前記点群データをマージすることにより、前記点群データを合成し、観測空間が分割されることにより形成された複数のメッシュにそれぞれ含まれる、合成された前記点群データの前記３次元ベクトルによって規定される点の数が閾値以下になる場合に、前記メッシュに含まれる前記点を示す前記３次元ベクトルに対応する位置に表示される図形の大きさを大きくして画像を表示する制御部と、
   を備える３次元データ表示装置。
2. 前記制御部は、前記複数のメッシュにそれぞれ含まれる前記点の数が前記閾値より多い場合に、前記メッシュに含まれる前記点を示す前記３次元ベクトルを間引いた後の合成された前記点群データに基づいた画像を表示する、
   請求項１に記載の３次元データ表示装置。
3. 点群データを構成する３次元ベクトルを、観測対象に設けられる基準座標を基準に一次変換してから、観測点ごとの前記点群データをマージすることにより、前記点群データを合成し、
   観測空間が分割されることにより形成された複数のメッシュにそれぞれ含まれる、合成された前記点群データの前記３次元ベクトルによって規定される点の数が閾値以下になる場合に、前記メッシュに含まれる前記点を示す前記３次元ベクトルに対応する位置に表示される図形の大きさを大きくして画像を表示する３次元データ表示方法。
4. 前記画像を表示するにあたって、前記複数のメッシュにそれぞれ含まれる前記点の数が前記閾値より多い場合に、前記メッシュに含まれる前記点を示す前記３次元ベクトルを間引いた後の合成された前記点群データに基づいた画像を表示する、
   請求項３に記載の３次元データ表示方法。
5. 観測点から照射されるレーザー光が反射された位置の３次元ベクトルから構成される点群データを、前記観測点ごとに格納する記憶部を備えるコンピュータを、
   点群データを構成する３次元ベクトルを、観測対象に設けられる基準座標を基準に一次変換してから、前記観測点ごとの前記点群データをマージすることにより、前記点群データを合成する合成手段と、
   観測空間が分割されることにより形成された複数のメッシュにそれぞれ含まれる、合成された前記点群データの前記３次元ベクトルによって規定される点の数が閾値以下になる場合に、前記メッシュに含まれる前記点を示す前記３次元ベクトルに対応する位置に表示される図形の大きさを大きくして画像を表示するサイズ変更表示手段と、
   として機能させる３次元データ表示プログラム。
6. 前記コンピュータを、
   前記複数のメッシュにそれぞれ含まれる前記点の数が前記閾値より多い場合に、前記メッシュに含まれる前記点を示す前記３次元ベクトルを間引いた後の合成された前記点群データに基づいた画像を表示する間引き表示手段として更に機能させる、
   請求項５に記載の３次元データ表示プログラム。

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