(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の３次元空間内に存在する地上物の表面の点群の位置の座標情報を取得する点群座標情報取得部と、
前記３次元空間内に平行な平面の対で挟まれた層状の空間を複数設定する層状空間設定部と、
前記層状の空間に含まれる前記点群を前記平面の一方である仮投影面に仮投影する仮投影部と、
それぞれの仮投影面に存在する共通の図形を抽出する共通図形抽出部と、
前記図形に特徴点を設定して各仮投影面の前記特徴点を結ぶ直線に垂直な実投影面を設定するとともに、前記点群を実投影面に垂直に投影した実投影点群を生成する実投影部と、
前記実投影点の分布に基づいて基準図形を生成する基準図形生成部と、
前記基準図形を底面とする柱状の３次元形モデルを生成する３次元モデル生成部と
を備える３次元モデル生成装置。
【請求項２】
所定の３次元空間内に存在する地上物の表面の点群の位置の座標情報を取得する処理と、
前記３次元空間内に平行な平面の対で挟まれた層状の空間を複数設定する処理と、
前記層状の空間に含まれる前記点群を前記平面の一方である仮投影面に仮投影する処理と、
それぞれの仮投影面に存在する共通の図形を抽出する処理と、
前記図形に特徴点を設定して各仮投影面の前記特徴点を結ぶ直線に垂直な実投影面を設定するとともに、前記点群を実投影面に垂直に投影した実投影点群を生成する処理と、
前記実投影点の分布に基づいて基準図形を生成する処理と、
前記基準図形を底面とする柱状の３次元モデルを生成する処理と
をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地上物の表面の点群に基づいて柱状の３次元モデルを生成する３次元モデル生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、３次元空間を画面に表示して案内するナビゲーション装置が幅広く普及し利用されている。このようなナビゲーション装置には道路付近の地上物を表現するための３次元モデルから構成される３次元空間生成データが用いられる。３次元空間生成データはより現実に近い表現を可能にするものが望ましい。各３次元モデルは、レーザレンジファインダ等により計測した地上物の表面の点群に基づいて、３次元モデル生成装置により生成される。
従来の３次元モデル生成装置には、隣り合った点同士を結んで３角形を生成する方法が一般的に用いられている。また、レーザによる点群データを取得する計測車両の進行方向を基に取得した対象物の点群データにおける各点の結線データを生成することにより複数の３次元モデルを生成する３次元モデル生成装置も知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
上記特許文献１に記載された３次元モデル生成装置によれば、計測車両の進行方向を基に点間を結線することにより、結線すべきではない点間の結線が少なくなり精度良く３次元モデルを生成することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−７０８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の３次元モデル生成装置は、道路付近の地上物においては、生成対象とならないものが多く存在するという問題点がある。
例えば、計測車両の進行方向に対して平行に配置されていない３次元モデル（例えば電柱）については、計測車両の進行方向に対して点群データの密度が粗なので、上記特許文献１に記載された３次元モデル生成装置を用いても生成することはできず生成対象から除外するしかなかった。
また、ガードレールについても、交差点付近等においては進行方向に対して平行に配置されていないことがあり、上記特許文献１に記載された３次元モデル生成装置を用いてもこうしたガードレールについては３次元モデルを生成することができない。
本発明は、地上物の表面の点群の位置の座標情報から柱状の３次元モデルを生成することができる３次元モデル生成装置およびコンピュータプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の３次元モデル生成装置は、所定の３次元空間内に存在する地上物の表面の点群の位置の座標情報を取得する点群座標情報取得部と、前記３次元空間内に平行な平面の対で挟まれた層状の空間を複数設定する層状空間設定部と、前記層状の空間に含まれる前記点群を前記平面の一方である仮投影面に仮投影する仮投影部と、それぞれの仮投影面に存在する共通の図形を抽出する共通図形抽出部と、前記図形に特徴点を設定して各仮投影面の前記特徴点を結ぶ直線に垂直な実投影面を設定するとともに、前記点群を実投影面に垂直に投影した実投影点群を生成する実投影部と、前記実投影点の分布に基づいて基準図形を生成する基準図形生成部と、前記基準図形を底面とする柱状の３次元形モデルを生成する３次元モデル生成部とを備えることを特徴とするものである。
なお、上述した特徴は、本発明の特徴のすべてを列挙したものではなく、これらを要部とする構成（または方法）もまた発明となり得る。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の３次元モデル生成装置は、３次元空間内に設定した複数の層状の空間内の点群をそれぞれの仮投影面に仮投影して共通の図形の特徴点を結ぶ直線を求め、この直線に垂直な実投影面に投影した実投影点の分布に基づいて生成した基準図形を底面とする３次元モデルを生成する。すなわち、本発明の３次元モデル生成装置によれば、柱状の地上物について、まず表面の点群に基づいて柱状の３次元モデルの母線に平行な直線を求め、直線に垂直に設定した実投影面上の実投影点に基づいて直線の移動軌跡に対応する基準図形を生成しているので、柱状の地上物が向いている方向に関係なく地上物の表面の点群の位置の座標情報から柱状の３次元モデルを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施例の３次元モデル生成装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本実施例の計測車両を示す図である。
【図３】計測車両が道路付近の地上物を計測する例を示す図である。
【図４】本実施例の３次元モデル生成装置の処理を示すフローチャートである。
【図５】本実施例の３次元モデル生成装置の処理を示すフローチャートである。
【図６】交差点付近の３次元空間内に複数の層状の空間を設定した例を示す図である。
【図７】図６の複数の層状の空間の部分を拡大した図である。
【図８】図６の各層状空間の仮投影面を示す図である。
【図９】図６の各仮投影面の特徴点を結ぶ直線の設定について説明する図である。
【図１０】実投影面の例を示す図である。
【図１１】実投影点の分布と基準図形の例を示す図である。
【図１２】生成された３次元モデルの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明を具体化した実施形態を説明する。
図１は、本実施例の３次元モデル生成装置の構成を示すブロック図である。本実施例における３次元モデル生成装置１は、計算機１１、記憶部１２および表示部１３を備える。
【０００９】
計算機１１は、コンピュータプログラムや処理条件等が予め記憶されているＲＯＭやＲＡＭ等の内部記憶装置、およびこのコンピュータプログラムを実行するＣＰＵ等を備えた小型のコンピュータである。記憶部１２は、フラッシュメモリ、ハードディスク、ＤＶＤまたはブルーレイディスク等の外部記憶装置である。表示部１３は、ＬＣＤ等の画像を表示するデバイスである。
【００１０】
また、計算機１１は、コンピュータプログラムを実行することにより実現される所定の機能を複数有しており、それぞれの機能に対応するユニットをそれぞれ備えている。具体的には、計算機１１は、点群座標情報取得部１１１、層状空間設定部１１２、仮投影部１１３、共通図形抽出部１１４、実投影部１１５、基準図形生成部１１６、３次元モデル生成部１１７を備えている。
点群座標情報取得部１１１は、所定の３次元空間内に存在する地上物の表面の点群の位置の座標情報を取得する機能を有している。層状空間設定部１１２は、３次元空間内に平行な平面の対で挟まれた層状の空間を複数設定する機能を有している。仮投影部１１３は、層状の空間に含まれる点群を平面の一方である仮投影面に仮投影する機能を有している。共通図形抽出部１１４は、それぞれの仮投影面に存在する共通の図形を抽出する機能を有している。実投影部１１５は、図形に特徴点を設定して各仮投影面の特徴点を結ぶ直線に垂直な実投影面を設定するとともに、点群を実投影面に垂直に投影した実投影点群を生成する機能を有している。基準図形生成部１１６は、実投影点の分布に基づいて基準図形を生成する機能を有している。３次元モデル生成部１１７は、基準図形を底面とする柱状の３次元形モデルを生成する機能を有している。
【００１１】
記憶部１２は、地図描画用データおよびネットワークデータ等を含む地図データ、および点群データを記憶している。地図描画用データには、３次元空間を表現するための３次元モデルデータが含まれている。点群データには、計測車両により取得した所定の３次元空間内に存在する地上物の表面の点群の位置の座標情報、およびレーザの反射強度等が含まれている。なお、点群データは後述する計測装置が収集し、３次元モデル生成装置は計測装置との通信により入手する。
【００１２】
図２は、計測車両の一例を示す図である。計測車両２は、ベース車両２５にレーザレンジファインダ２１および計測装置２２が搭載された構成となっている。
【００１３】
レーザレンジファインダ２１は、近赤外線のパルスレーザ２１１を、当該レーザレンジファインダ２１の１つの軸を基準にして回転させながら外方に向けて照射するとともに地上物の表面で反射したパルスレーザ２１１の反射光を図示しない受光部で受光する。そして、照射した方向を計測するとともに、パルスレーザ２１１が照射されてから受光するまでの伝播時間によりパルスレーザ２１１の反射点までの距離を位相比較法等により算出する光波測距儀である。レーザレンジファインダ２１により、当該レーザレンジファインダ２１の位置を基準にしたパルスレーザ２１１の反射点の軌跡が描くレーザ計測点画像が得られる。レーザ計測点画像の各点を構成する画素データには、反射点までの距離に関するレーザ距離情報、反射光を受光した方位に関するレーザ方位情報、パルスレーザ２１１の反射強度およびパルスレーザ２１１の反射時の時刻を示すレーザ計測時刻情報が含まれている。
【００１４】
計測装置２２は、ＧＰＳ受信器２２１、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial
Measurement Unit）２２２、計算部２２３、車載記憶部２２４を備えている。慣性計測装置２２２は、図示しない加速度センサおよびジャイロセンサを備えており、計測車両２の移動軌跡データを求めるものである。移動軌跡データには、一定間隔で地上物の表面を計測したときの計測装置２２の位置に関する計測位置情報および計測したときの時刻に関する慣性計測時刻情報が含まれている。計測位置情報は、ＧＰＳ受信器２２１が出力するＧＰＳ位置情報および記憶部１２に記憶されている地図データを用いてマップマッチングを行なうことにより、より正確な計測位置情報に補正される。計測車両２が走行に用いる地図データは、計測装置２２が３次元モデル生成装置１と通信することにより取得される。計測装置２２は、レーザ計測点画像と移動軌跡データとを、レーザ計測時刻情報および慣性計測時刻情報の時間的な同期により関連させ、レーザ計測点画像の各点を３次元座標上に結びつけるとともに、レーザレンジファインダ２１の校正情報を用いてレーザで測位した各反射点の３次元座標を補正し、地上物の表面の点群の位置の座標情報をより正確に算出する。
【００１５】
図３は、計測車両が道路付近の地上物を計測する例を示す図である。図３に示すように、計測装置２２は、計測車両２により整備対象とする道路ＲＤを走行してレーザ計測点画像の各点を構成する画素データおよび計測車両２の移動軌跡データを収集する。パルスレーザ２１１は図３の矢印の方向に回転して照射される。しかる後に、計測装置２２は、計算部２２３により画素データおよび移動軌跡データに基づいて算出した地上物の表面の点群の位置の座標情報およびパルスレーザ２１１の反射強度を車載記憶部２２４に記憶し、点群データとして蓄積する。
【００１６】
次に、本実施例の３次元モデル生成装置１が、地上物の表面の点群の位置の座標情報を用いて３次元モデルを生成する処理について説明する。図４および図５は、本実施例の３次元モデル生成装置１の処理を示すフローチャートである。
【００１７】
まず、計算機１１は、オペレータによって指定された地図上の範囲を、点群座標情報を取得するための範囲としての指示に応じて地図上の所定のエリアに３次元空間を決定する処理を実行する（ステップＳ１０１）。本例においては、３次元空間を交差点付近に設定している。
【００１８】
計算機１１は、ステップＳ１０１が終了すると、点群座標情報取得部１１１により、決定した３次元空間に含まれる点群の座標情報を取得する処理を実行する（ステップＳ１０２）。
【００１９】
計算機１１は、ステップＳ１０２が終了すると、層状空間設定部１１２により、３次元空間内に、層状の空間を複数設定する処理を実行する（ステップＳ１０３）。図６は、交差点付近の３次元空間内に複数の層状の空間を設定した例を示す図であり、図７は、図６の複数の層状の空間の部分を拡大した図である。具体的には、それぞれの層状の空間ＳＣ１〜ＳＣ４は、３次元空間を同じ間隔で平行な複数の面で分割することにより得られている。結果的に、平行な平面の対で挟まれており、いずれの空間ＳＣ１〜ＳＣ４も同じ厚みに設定されたものとなる。また、本例においては、各平面は道路ネットワークを構成する道路リンクに対応する線に対して垂直に設定されており、各層状の空間は同じ寸法の直方体を並べたものとしている。
【００２０】
計算機１１は、ステップＳ１０３が終了すると、各層状の空間の点群に含まれているノイズを除去する処理を実行する（ステップＳ１０４）。具体的には、点群のうち他の点との距離が予め設定した閾値以上離れている点を除去する。このほかにも、周知の粒状性ノイズ除去ノイズ除去法等のノイズ除去方法を適用してもよい。
【００２１】
計算機１１は、ステップＳ１０４が終了すると、仮投影部１１３により、層状の空間ＳＣ１〜ＳＣ４内に含まれる点群を仮投影面ＰＬ１〜ＰＬ４に投影して仮投影点群を生成する処理を実行する（ステップＳ１０５）。具体的には、計算機１１は、層状の空間ＳＣ１〜ＳＣ４を構成する１対の平面のうちの一方を該当する層状の空間ＳＣ１〜ＳＣ４の仮投影面ＰＬ１〜ＰＬ４として設定する。また、仮投影面ＰＬ１〜ＰＬ４は該当する層状の空間における位置が共通しており、平行に等間隔で並ぶ。
【００２２】
計算機１１は、ステップＳ１０５が終了すると、共通図形抽出部１１４により、仮投影点群の分布に基づいて近似する線や面等の図形を生成する処理を実行する（ステップＳ１０６）。図８は、図６の各層状空間の仮投影面を示す図である。図８に示すように、本例においては、仮投影面ＳＣ１〜ＳＣ３に、それぞれ仮投影された仮投影点群ＴＰが存在しており、共通図形抽出部１１４によって、仮投影点群ＴＰの分布に対し、予め用意した図形のテンプレートと近似させて近似するテンプレートを抽出し、相似関係を維持しつつ大きさを調整することにより図形Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ３１，Ｌ３２が生成される。図８においては、図形Ｌ１２、Ｌ２２が直線のテンプレートと近似し、他の図形Ｌ１１、Ｌ２１、Ｌ３１、Ｌ３２が円弧状の曲線のテンプレートと近似した。計算機１１は、ステップＳ１０６が終了すると、共通図形抽出部１１４により、図８に示す線のうち、仮投影面ＳＣ１〜ＳＣ３に存在する共通の図形Ｌ１１，Ｌ２１，Ｌ３１を抽出する処理を実行する（ステップＳ１０７）。
【００２３】
計算機１１は、ステップＳ１０７が終了すると、共通図形抽出部１１４により、それぞれの仮投影面に共通の図形が存在するか否かを判定する（ステップＳ１０８）。本例においては、図８に示す曲線Ｌ１１，Ｌ２１，Ｌ３１が仮投影面ＳＣ１〜ＳＣ３に共通の図形として抽出されている。なお、ステップＳ１０８において、共通の図形が存在しないと判定した場合は（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、設定した３次元空間における一連の処理を終了する。一連の処理が終了した後は、次に整備対象とする３次元空間についてステップＳ１０１以降の処理を実行する。
【００２４】
計算機１１は、ステップＳ１０８において、本例の通り共通の図形が存在すると判定した場合は（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、実投影部１１５により、共通の図形Ｌ１１，Ｌ２１，Ｌ３１の特徴点ＮＰを抽出し特徴点ＮＰとして設定する処理を実行する（ステップＳ１０９）。特徴点ＮＰは、本実施例においては、予め用意した図形のテンプレートのそれぞれに設定にしておいたものを用いている。計算機１１は、ステップＳ１０９が終了すると、実投影部１１５により、各仮投影面の特徴点ＮＰを結ぶ直線を設定する処理を実行する（ステップＳ１１０）。図９は、図６の各仮投影面の特徴点を結ぶ直線の設定について説明する図である。本例においては、図９に示すように、各仮投影面の特徴点ＮＰの座標を結ぶことにより直線ＢＬが設定されている。
【００２５】
計算機１１は、ステップＳ１１０が終了すると、実投影部１１５により、直線ＢＬの長手方向に垂直な実投影面を設定する処理を実行し（ステップＳ１１１）、続けて、点群を実投影面に投影して実投影点群を生成する処理を実行する（ステップＳ１１２）。図１０は、実投影面の例を示す図である。本例においては、図１０に示すように、先に求めた直線ＢＬに垂直に設定された実投影面ＱＰに、投影された実投影点群ＦＰが生成されている。
【００２６】
計算機１１は、ステップＳ１１２が終了すると、基準図形生成部１１６により、実投影点群ＦＰの分布に基づいて基準図形を抽出する処理を実行し（ステップＳ１１３）、続けて、基準図形が存在するか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１１４）。基準図形は、共通図形のときと同様の手法により行なう。すなわち、基準図形は、基準図形生成部１１６により、予め用意した図形のテンプレートと近似させて近似するテンプレートを抽出し、相似関係を維持しつつ大きさを調整することにより抽出される。基準図形に対応する図形のテンプレートは、３次元モデルとして取得しようとする地上物を想定して用意されている。具体的には、本実施例の３次元モデル生成装置が３次元モデルとして取得しようとする地上物は交差点付近の柱状物であり、存在が想定される柱状物の断面形状が基準図形として用意されている。図１１は、実投影点の分布と基準図形の例を示す図である。計算機１１は、ステップＳ１１４において、図１１に示すように、円柱状の地上物の断面と想定される基準図形ＥＬが存在すると判定した場合は（ステップＳ１１４：Ｙｅｓ）、３次元モデル生成部１１７により、基本図形ＥＬを底面とする柱状の３次元モデルを生成する処理を実行する（ステップＳ１１５）。図１２は、生成された３次元モデルの例を示す図である。なお、図１２は生成された３次元モデルが対応する地上物の実態を確認するために表示部１３に表示した確認画面であり、整備対象とする道路ＲＤについて地図描画用データを所定の視点から見た２次元画像として生成するとともに、生成した３次元モデルを重ねたものである。図１２に示すように、本実施例においては、道路ＲＤが延びる方向に対して斜めに配置された柱状の３次元モデルＭＬが生成されている。本実施例で生成された柱状の３次元モデルＭＬは、形状としての円柱であるという情報、基準位置の情報、回転角度の情報、半径の情報、および厚みの情報がそれぞれ生成される。なお、３次元モデルの形状が四角柱であれば、四角形に関する情報が生成される。現地で確認すると、生成された柱状の３次元モデルＭＬはガードレールを構成する地面に平行に配置されたガードパイプであった。
【００２７】
計算機１１は、ステップＳ１１４において、基準図形ＥＬが存在しないと判定した場合は（ステップＳ１１４：Ｎｏ）、設定した３次元空間における一連の処理を終了する。
【００２８】
このように、本実施例の３次元モデル生成装置１は、柱状の地上物を想定し、まず表面の点群に基づいて直線を求めており、この直線の長手方向に垂直に設定した実投影面上の実投影点に基づいて基準図形を生成している。すなわち、本実施例の３次元モデル生成装置１によれば、点群の仮投影により求めた直線を柱状の３次元モデルの母線と平行な直線として扱うことにより、柱状の地上物が向いている方向に関係なく地上物の表面の点群の位置の座標情報から柱状の地上物についての３次元モデルの生成を可能にしている。
【００２９】
本実施例の３次元モデル生成装置１により生成された３次元モデルは、３次元空間を画面に表示して案内するナビゲーション装置に使用される３次元空間生成データにおいて道路付近の地上物を表現するための３次元モデルとして用いることができる。
【００３０】
<その他の例＞
なお、本発明は上述の実施例の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、改良が可能である。例えば、上述した実施例においては、ガードレールを構成するガードパイプの３次元モデルを生成しているが、ガードパイプ以外にも、例えば、斜めに配置されている電信柱の支柱や、信号機が取り付けられるアーム部等の３次元モデルを生成することも可能である。
【００３１】
例えば、斜めに配置されている電信柱の支柱であれば、３次元空間内に設定する層状の空間について、平行な平面の対を地面と平行に設定することにより３次元モデルとして生成することが可能である。また、信号機が取り付けられるアーム部であれば、３次元空間内に設定する層状の空間について、平行な平面の対を道路と平行に設定することにより、アーム部が若干道路に対して斜めに設置されていたとしても、問題なく３次元モデルとして生成することが可能である。
【００３２】
また、上述した実施例においては、生成された３次元モデルは３次元空間を画面に表示して案内するナビゲーション装置に使用されているが、このような形態に限定するものではない。例えば、道路付近の電柱が設置されているエリアの点群から３次元モデルを生成し、生成された電柱の３次元モデルについて現実に設置されている電柱に対する傾きを計算して算出された傾きが所定の閾値を超えている場合には電柱の設置状態が異常であると判定する、という形態も可能である。また、これ以外の地上物について設置状態を分析する手段に利用することも可能である。
【００３３】
また、上述した実施例において３次元モデルに使用される点群データは、計測車両２で道路を走行して計測することにより得たものであるが、このような計測手段に限定するものではなく、レーザレンジファインダ２１および計測装置２２を航空機等に搭載して上空から計測した点群データを用いることも可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１…３次元モデル生成装置
１１…計算機
１１１…点群座標情報取得部
１１２…層状空間設定部
１１３…仮投影部
１１４…共通図形抽出部
１１５…実投影部
１１６…基準図形生成部
１１７…３次元モデル生成部
１２…記憶部
１３…表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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