(57)【要約】【課題】対象物とステレオカメラの位置関係を把握することなく、変形後の対象物の３次元モデルを作成することができる３次元モデルの修正方法を提供することを課題としている。【解決手段】３次元モデルの修正方法であって、ステレオカメラ１０によって撮影された撮影データを用いて、変形後の所定領域の３次元モデルを示している変形データを作成する工程と、変形後の所定領域の撮影データと、変形前の所定領域の撮影データとを用いて所定領域の未変形部位を抽出し、未変形部位に３点の整合点を設け、変形前の対象物全体の３次元モデルを示している原データと変形データに各整合点を設定する工程と、変形データと原データの各整合点を一致させる工程と、原データにおける所定領域のデータを変形データに置換する工程とを含むことを特徴としている。【選択図】  図１
2005017036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定形状から一部が変形した対象物に対応して、変形前の対象物の３次元モデルを修正するための３次元モデルの修正方法であって、以下の構成を含むことを特徴とする。
（１）変形部位が含まれるようにして、変形後の前記対象物の所定領域をステレオカメラによって撮影する撮影工程。
（２）前記ステレオカメラによって撮影された撮影データを用いて、変形後の前記所定領域の３次元モデルを示している変形データを作成する変形データ作成工程。
（３）変形後の前記所定領域の撮影データと、変形前の前記所定領域の撮影データとを用いて、変形前後の前記所定領域の形状を比較することにより、前記所定領域の未変形部位を抽出し、前記未変形部位に少なくとも３点の整合点を、前記各整合点の全てが一直線上に配置されないようにして設け、変形前の前記対象物全体の３次元モデルを示している原データおよび前記変形データに前記各整合点を設定する整合点設定工程。
（４）前記変形データ全体を補正することにより、前記変形データに示されている前記各整合点を、前記原データに示されている前記各整合点に一致させる変形データ補正工程。
（５）前記原データにおける前記所定領域のデータを前記変形データに置換することにより、変形後の前記対象物全体の３次元モデルを示している修正データを作成する修正データ作成工程。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元モデルの修正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建設現場等の地形の３次元モデルを作成するための装置としては、対象地形を撮影するためのステレオカメラ（視覚カメラ手段）と、このステレオカメラによって撮影された撮影データを用いて、対象地形の３次元モデルを示している地形データを作成する地形データ作成手段とを備え、ステレオカメラを車両に搭載している地形形状計測装置がある。この地形形状計測装置では、ステレオカメラを移動させて複数箇所から対象地形を撮影し、その各撮影データから作成した複数の地形データを合成することにより、対象地形全体の３次元モデルを作成することができるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
前記地形形状計測装置を用いて、掘削や盛土による地形の変形に対応して変形前の対象地形の３次元モデルを修正する場合には、まず、変形部位を含む所定領域の地形データである変形データを作成し、変形前の対象地形全体の３次元モデルを示している原データにおける所定領域のデータを、変形データに置換することにより、変形後の対象地形全体の３次元モデルを作成している。
【０００４】
ここで、原データにおける所定領域のデータを変形データに置換するためには、変形データを原データと同一の倍率および向きで絶対座標上の所定位置に示す必要があるため、対象地形内に絶対座標の原点となる標点を設け、この標点とステレオカメラとの位置関係に基づいて変形データを絶対座標上に示している。
また、対象地形内に標点を設けることなく、変形前後の対象地形を同一の位置および角度から撮影し、ステレオカメラの位置を原点として原データおよび変形データを絶対座標上に示すことにより、変形データを原データと同一の倍率および向きで絶対座標上の所定位置に示すこともできる。
さらに、変形前後においてスケールを把握することが可能な物体を対象地形内に設けることで、対象地形とステレオカメラの位置関係を把握し、この位置関係に基づいて変形データを絶対座標上に示すことにより、変形データを原データと同一の倍率および向きで絶対座標上の所定位置に示すこともできる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２１１４７３号公報（第２−３頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の地形形状計測装置では、以下の問題がある。
従来の地形形状計測装置を用いた３次元モデルの修正方法では、対象地形とステレオカメラの位置関係を正確に把握する必要があるが、建設現場など地形が頻繁に変形し、整地作業が継続して行われている場所では、常に特定の位置に目標物やステレオカメラを設置することが困難であるため、撮影作業が煩雑になってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、前記問題を解決するためになされたものであり、対象物とステレオカメラの位置関係を把握することなく、変形後の対象物の３次元モデルを作成することができる３次元モデルの修正方法を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決すべく構成されるものであり、所定形状から一部が変形した対象物に対応して、変形前の対象物の３次元モデルを修正するための３次元モデルの修正方法であって、（１）変形部位が含まれるようにして、変形後の対象物の所定領域をステレオカメラによって撮影する撮影工程と、（２）ステレオカメラによって撮影された撮影データを用いて、変形後の所定領域の３次元モデルを示している変形データを作成する変形データ作成工程と、（３）変形後の所定領域の撮影データと、変形前の所定領域の撮影データとを用いて、変形前後の所定領域の形状を比較することにより、所定領域の未変形部位を抽出し、未変形部位に少なくとも３点の整合点を、各整合点の全てが一直線上に配置されないようにして設け、変形前の対象物全体の３次元モデルを示している原データおよび変形データに各整合点を設定する整合点設定工程と、（４）変形データ全体を補正することにより、変形データに示されている各整合点を、原データに示されている各整合点に一致させる変形データ補正工程と、（５）原データにおける所定領域のデータを変形データに置換することにより、変形後の対象物全体の３次元モデルを示している修正データを作成する修正データ作成工程とを含むことを特徴としている。
【０００９】
ここで、ステレオカメラとは、所定間隔を離した２個のレンズまたは２台のカメラによって同一位置を撮影することにより、立体的な画像を撮影可能なカメラであり、このステレオカメラによって撮影された撮影データから公知のステレオ法によって対象物の各部位までの距離測定を行うことにより、対象物の３次元モデルを作成することができる。
また、変形前後の所定領域の形状を比較して未変形部位を把握する方法としては、例えば、変形後の所定領域の撮影データと、変形前の所定領域の撮影データとを目視することにより未変形部位を把握することができる。
さらに、変形データ全体の補正とは、変形データに示されている各整合点を、原データに示されている各整合点に一致させるようにして、変形データ全体を平行移動させたり、拡大、縮小または回転などの画一的な処理を行うことにより変形データ全体を均一に変形させることである。
【００１０】
この発明によれば、変形データに示されている各整合点を、原データに示されている各整合点に一致させるようにして、変形データ全体を補正することにより、変形データを原データと同一の倍率および向きで絶対座標上の所定位置に示すことができる。これにより、変形データを作成する際に、対象物とステレオカメラの位置関係を把握することなく、原データにおける所定領域のデータを変形データに置換することができるため、変形後の対象物の３次元モデルを簡易に作成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
本発明の実施形態に係る３次元モデルの修正方法は、各種の立体物に適用可能であるが、この実施形態では、建設現場における地形の経時変形に対応して３次元モデルを修正する場合を例として説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る３次元モデル修正装置を示した構成図である。図２は、本発明の実施形態に係る３次元モデルの修正方法における原データの作成段階を示した図で、（ａ）は変形前の対象地形を撮影する態様を示した斜視図、（ｂ）は原データを示した図である。図３は、本発明の実施形態に係る撮影工程および変形データ作成工程を示した図で、（ａ）は所定領域を撮影する態様を示した斜視図、（ｂ）は変形データを示した図である。図４は、本発明の実施形態に係る変形データ補正工程を示した図で、（ａ）は変形データ全体の拡大を示した図、（ｂ）は変形データ全体の回転を示した図である。図５は、本発明の実施形態に係る変形データ補正工程および修正データ作成工程を示した図で、（ａ）は原データに変形データを重ねる態様を示した図、（ｂ）は修正データを示した図である。
【００１４】
まず、本発明の実施形態に係る３次元モデル修正装置の構成について説明する。
３次元モデル修正装置１は、図１に示すように、立体的な画像を撮影可能なステレオカメラ１０と、ステレオカメラ１０によって撮影された撮影データから対象地形の３次元モデルを作成可能であるとともに、対象地形の変形量を算出可能なコンピュータ２０とから構成され、コンピュータ２０は、変形部位を含む所定領域の３次元モデルを示している変形データを作成し、変形前の対象地形全体の３次元モデルを示している原データにおける所定領域のデータを変形データに置換することにより、変形後の対象地形全体の３次元モデルを示している修正データを作成することができるように構成されている。
【００１５】
コンピュータ２０は、ステレオカメラ１０によって撮影された複数の撮影データを保存するための撮影データ記憶手段２１と、撮影データから３次元モデルを作成するための３次元モデル作成手段２２と、絶対座標上に原データを作成するための原データ作成手段２３と、原データおよび変形データに整合点を設定するための整合点設定手段２４と、変形データ全体を補正することにより、変形データを原データと同一の倍率および向きで絶対座標上の所定位置に示すための変形データ補正手段２５と、原データの一部を変形データに置換するためのデータ置換手段２６と、原データおよび修正データを保存するための形状データ記憶手段２７と、対象地形の変形量を算出するための変形量算出手段２８と、３次元モデルおよび変形量を表示可能なモニタである出力手段２９とから構成されている。
【００１６】
３次元モデル作成手段２２は、撮影データ記憶手段２１から抽出した撮影データを用いて公知のステレオ法によって対象地形の各部位までの距離測定を行うことにより、所定の微小三角形を連続させて対象地形の３次元形状に近似させている３次元モデルを作成するように構成されている。
【００１７】
原データ作成手段２３は、変形前の対象地形を複数箇所から撮影した撮影データごとに作成された３次元モデルを、対象地形とステレオカメラ１０の位置関係に基づいて絶対座標上で合成することにより、変形前の対象地形全体の３次元モデルを作成するように構成されている。
【００１８】
整合点設定手段２４は、所定領域内の未変形部位に設けられた整合点を、原データおよび変形データに設定するための手段であり、変形後の所定領域の撮影データと、変形前の所定領域の撮影データとを撮影データ記憶手段２１から抽出して出力手段２９に表示する。これにより、作業員は目視によって変形前後の所定領域の形状を比較して所定領域の未変形部位を抽出し、この未変形部位に整合点を設けることができる。さらに、整合点設定手段２４では、撮影データの未変形部位に整合点を設定する際に、各撮影データに対応する原データおよび変形データを重ね合わせることにより、原データおよび変形データに各整合点を設定することができるように構成されている。
【００１９】
変形データ補正手段２５は、変形データ全体を補正することにより、変形データに示されている各整合点を、原データに示されている各整合点に一致させる手段であり、変形データ全体を平行移動させたり、拡大、縮小または回転などの画一的な処理を行うことにより変形データ全体を均一に変形させて、変形データに示されている各整合点を原データに示されている各整合点に一致させ、変形データを原データと同一の倍率および向きで絶対座標上の所定位置に示すように構成されている。
【００２０】
データ置換手段２６は、原データおよび変形データに示されている各整合点を一致させた際に、原データと変形データが重なり合う部位の原データを変形データに書き換えることにより、原データにおける所定領域のデータを変形データに置換し、変形後の対象地形全体の３次元モデルを示している修正データを絶対座標上に作成するように構成されている。
【００２１】
変形量算出手段２８は、原データと修正データを用いて、変形前後の対象地形の３次元モデルを比較することにより、対象地形の変形量を算出するように構成されている。
【００２２】
次に、３次元モデル修正装置１を用いた３次元モデルの修正方法について説明する。
まず、変形前の対象地形の３次元モデルを示している原データを作成する。図１および図２（ａ）に示すように、変形前の対象地形５０内に標点（図示せず）を設けた後に、変形前の対象地形５０全体を複数箇所からステレオカメラ１０によって撮影し、各撮影データを撮影データ記憶手段２１に保存する。このとき、標点とステレオカメラ１０の位置関係を撮影ごとに把握する。
続いて、３次元モデル作成手段２２は、撮影データ記憶手段２１から変形前の対象地形５０を撮影した各撮影データを抽出し、撮影データごとに３次元モデルを作成する。
さらに、図１および図２（ｂ）に示すように、原データ作成手段２３は、各撮影データにおける標点とステレオカメラ１０との位置関係に基づいて、変形前の対象地形５０（図２（ａ）参照）の各３次元モデルを絶対座標上で合成することにより、変形前の対象地形５０全体の３次元モデルを示している原データ４０を作成し、形状データ記憶手段２７に保存する。
【００２３】
［撮影工程］
次に、対象地形５０の一部が変形した際に、図１および図３（ａ）に示すように、変形部位５２が含まれるようにして、変形後の対象地形５１の所定領域をステレオカメラ１０によって撮影し、その撮影データを撮影データ記憶手段２１に保存する。なお、撮影時には、変形後の対象地形５１とステレオカメラ１０の位置関係を把握することなく、作業状況に応じて建設現場内の任意の位置にステレオカメラ１０を設置することができる。
【００２４】
［変形データ作成工程］
続いて、図１および図３（ｂ）に示すように、３次元モデル作成手段２２は、撮影工程で撮影された変形後の所定領域の撮影データを抽出し、この撮影データを用いて変形後の所定領域の３次元モデルを示している変形データ４１を作成する。
【００２５】
［整合点設定工程］
また、整合点設定手段２４は、変形後の所定領域の撮影データと、変形前の所定領域の撮影データとを撮影データ記憶手段２１から抽出して出力手段２９に表示する。これにより、作業員は目視によって変形前後の所定領域の形状を比較して所定領域の未変形部位を抽出し、この未変形部位に４点の整合点を設ける。このとき、全ての整合点が一直線上に配置されないように設定する必要がある。
さらに、整合点設定手段２４では、未変形部位に整合点を設定する際に、各撮影データに原データ４０および変形データ４１を重ね合わせることにより、原データ４０および変形データ４１に各整合点を設定する。
【００２６】
［変形データ補正工程］
また、変形データ補正手段２５は、変形データ４１全体を補正することにより、変形データ４１に示されている各整合点を、原データ４０に示されている各整合点に一致させる。
具体的には、図４（ａ）に示すように、以下の式１によって原データ４０に対する変形データ４１の倍率を算出し、この倍率に基づいて変形データ４１全体を拡大または縮小させることにより変形させ、変形データ４１が原データ４０と同一倍率になるように補正する。
【００２７】
α＝（ＡＢ／Ａ’Ｂ’＋ＢＣ／Ｂ’Ｃ’＋ＣＤ／Ｃ’Ｄ’＋ＡＤ／Ａ’Ｄ’＋ＡＣ／Ａ’Ｃ’＋ＢＤ／Ｂ’Ｄ’）／６（式１）（式中、αは倍率、ＡＢ、Ａ’Ｂ’、ＢＣ、Ｂ’Ｃ’、ＣＤ、Ｃ’Ｄ’、ＡＤ、Ａ’Ｄ’、ＡＣ、Ａ’Ｃ’、ＢＤ、Ｂ’Ｄ’は各点間の線分の長さを示す。）
【００２８】
そして、変形データ４１が原データ４０における所定領域に重なるようにして平行移動させる。このとき、図４（ｂ）に示すように、絶対座標上における原データ４０と変形データ４１の３次元モデルの向きが異なる場合には、まず、各整合点のうち２点（本実施形態では点Ａ，Ａ’および点Ｃ，Ｃ’）を一致させ、以下の式２によって点Ａ，Ａ’と点Ｃ，Ｃ’を通過する軸周りにおける変形データ４１の回転角度を算出し、この回転角度に基づいて変形データ４１全体を回転させて、点Ｂ，Ｂ’と点Ｄ，Ｄ’を各々一致させる。
【００２９】
ＣＯＳθ＝Ａ’Ｄ’／ＡＤ          （式２）
（式中、θは回転角、Ａ’Ｄ’、ＡＤは各点間の線分の長さを示す。）
【００３０】
これにより、図５（ａ）に示すように、変形データ４１は、原データ４０と同一の倍率および向きで、原データ４０の所定領域に重なるようにして絶対座標上に示されることになる。
【００３１】
［修正データ作成工程］
続いて、データ置換手段２６は、図５（ｂ）に示すように、原データ４０における所定領域のデータを変形データ４１に置換することにより、変形後の対象地形５１全体（図３（ａ）参照）の３次元モデルを示している修正データ４２を作成し、出力手段２９に表示するとともに、形状データ記憶手段２７に保存する。
【００３２】
また、変形量算出手段２８では、原データ４０と修正データ４２を形状データ記憶手段２７から抽出し、変形前後の対象地形の３次元モデルを重ね合わせて比較することにより、対象地形の変形量を算出して出力手段２９に表示する。これにより、対象地形の変形を的確に把握することができる。
さらに、変形後の対象地形５１が変形した場合には、修正データ４２を原データ４０として撮影工程から修正データ作成工程を繰り返すことにより、対象地形の経時変形を簡易に把握することができる。
【００３３】
したがって、本発明の実施形態に係る３次元モデルの修正方法では、対象地形とステレオカメラ１０の位置関係を把握することなく、変形後の対象地形全体の３次元モデルを簡易に作成することができる。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施形態についての一例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、整合点の数は、４点に限定されるものではなく、少なくとも３点以上であればよく、各整合点の位置関係も限定されるものではないが、全ての整合点が一直線上に配置されてしまうと、その直線軸周りにおける原データと変形データの回転角を求めることができなくなるため、全ての整合点が一直線上に配置されないように設定する必要がある。
【００３５】
さらに、本発明の３次元モデルの修正方法は、変形後の対象物の３次元モデルを簡易に作成することができるため、頻繁に変形する対象物に有効であり、例えば、海の波や潮汐による海面変化を把握する場合に用いてもよく、予め基準となる仮想水面を原データとして作成することにより、海面変化を的確に把握することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の３次元モデルの修正方法によれば、変形データに示されている各整合点を、原データに示されている各整合点に一致させるようにして、変形データ全体を補正することにより、変形データを原データと同一の倍率および向きで絶対座標上の所定位置に示すことができる。これにより、変形データを作成する際に、対象物とステレオカメラとの位置関係を把握することなく、原データにおける所定領域のデータを変形データに置換することができるため、原データを簡易に修正して変形後の対象物の３次元モデルを簡易に作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る３次元モデル修正装置を示した構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る３次元モデルの修正方法における原データの作成段階を示した図で、（ａ）は変形前の対象地形を撮影する態様を示した斜視図、（ｂ）は原データを示した図である。
【図３】本発明の実施形態に係る撮影工程および変形データ作成工程を示した図で、（ａ）は所定領域を撮影する態様を示した斜視図、（ｂ）は変形データを示した図である。
【図４】本発明の実施形態に係る変形データ補正工程を示した図で、（ａ）は変形データ全体の拡大を示した図、（ｂ）は変形データ全体の回転を示した図である。
【図５】本発明の実施形態に係る変形データ補正工程および修正データ作成工程を示した図で、（ａ）は原データに変形データを重ねる態様を示した図、（ｂ）は修正データを示した図である。
【符号の説明】
１    ３次元モデル修正装置
１０    ステレオカメラ
２０    コンピュータ
２２    ３次元モデル作成手段
２４    整合点設定手段
２５    変形データ補正手段
２６    データ置換手段
２８    変形量算出手段
４０    原データ
４１    変形データ
４２    修正データ
５０    変形前の対象地形
５１    変形後の対象地形
５２    変形部位
【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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