(57)【要約】【課題】高精度な形状位置合わせ装置、形状位置合わせ方法及び形状位置合わせプログラムを提供する。【解決手段】実施形態によれば、取得部と算出部とを含む形状位置合わせ装置が提供される。取得部は、第１、２形状データと位置データとを取得する。第１形状データは、移動体に設置されたセンサによって測定され、対象物の第１部分の形状に関する。第２形状データは、対象物の第２部分の形状に関する。位置データは、第１形状データを測定したときのセンサの軌跡に関する。算出部は、第１形状データと第２形状データとに基づいて対象物の形状に関する第３形状データの算出を行う。第３形状データにおいて、第１、２部分は、第１座標系によって表される。第１形状データによって表される第１部分の第１位置と、第２形状データによって表される第２部分の第２位置とは、軌跡の第１形状に応じて位置合わせされる。【選択図】図１
2017058166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体に設置された第１センサによって測定され、対象物の第１部分の形状に関する第１形状データと、
前記対象物の第２部分の形状に関する第２形状データと、
前記第１形状データを測定したときの前記第１センサの軌跡に関する第１位置データと、
を取得する取得部と、
前記第１形状データと前記第２形状データとに基づいて前記対象物の形状に関する第３形状データの算出を行う算出部と、
を備え、
前記第３形状データにおいて前記第１部分の形状及び前記第２部分の形状は、第１座標系によって表され、
前記第３形状データの前記算出は、前記第１座標系において前記第１形状データによって表される前記第１部分の第１位置と、前記第１座標系において前記第２形状データによって表される前記第２部分の第２位置と、を前記軌跡の第１形状に応じて合わせる位置合わせ処理を含む、形状位置合わせ装置。
【請求項２】
前記位置合わせ処理は、前記第１座標系における前記第１形状に沿った第１方向に応じて、前記第１位置及び前記第２位置の少なくともいずれかを移動させることを含む請求項１記載の形状位置合わせ装置。
【請求項３】
前記第１方向は、前記第１形状を近似する第２形状に基づいて定められる請求項２記載の形状位置合わせ装置。
【請求項４】
前記第１形状は、前記軌跡を表す曲線であり、
前記第２形状は、前記曲線を近似する直線であり、
前記第１方向は、前記直線に対して平行な方向である請求項３記載の形状位置合わせ装置。
【請求項５】
前記第１形状は、前記軌跡を表す曲線であり、
前記第２形状は、前記曲線を含む面を近似する平面であり、
前記第１方向は、前記平面に含まれる方向である請求項３記載の形状位置合わせ装置。
【請求項６】
前記第１形状データによって表される形状は、第１点を含む第１領域を含み、
前記算出部は、前記第１領域の形状により定められる基準方向と、前記第２形状に含まれる方向と、に基づいて前記第１点に関する有効度を算出し、
前記第３形状データの前記算出は、前記有効度に基づいて実施される請求項３〜５のいずれか１つに記載の形状位置合わせ装置。
【請求項７】
前記算出部は、前記第１点における前記第１領域の法線を算出し、
前記基準方向は、前記法線に対して平行な方向である請求項６記載の形状位置合わせ装置。
【請求項８】
前記第１形状データは、３次元空間内の複数の点の位置を含む請求項１〜７のいずれか１つに記載の形状位置合わせ装置。
【請求項９】
前記第１形状データは、前記複数の点を含む面の情報をさらに含む請求項８記載の形状位置合わせ装置。
【請求項１０】
前記第３形状データの前記算出は、前記位置合わせ処理の前に行われ、前記第１位置と前記第２位置とを合わせる第１処理を含み、
前記第１処理は、前記軌跡に基づかない請求項１〜９のいずれか１つに記載の形状位置合わせ装置。
【請求項１１】
前記取得部は、前記第１形状データによって表される形状と、前記第２形状データによって表される形状と、の相対的な位置関係をさらに取得し、
前記第１処理は、前記位置関係に基づいて行われる請求項１０記載の形状位置合わせ装置。
【請求項１２】
前記第２形状データは、移動体に設置された第２センサによって測定され、
前記取得部は、前記第２形状データを測定したときの前記第２センサの軌跡に関する第２位置データをさらに取得し、
前記位置関係は、前記１センサの前記軌跡と、前記第２センサの前記軌跡と、の相対的な位置関係を含み、
前記第１処理は、前記第１座標系における前記第１センサの前記軌跡の位置と、前記第１座標系における前記第２センサの前記軌跡の位置と、を合わせる請求項１１記載の形状位置合わせ装置。
【請求項１３】
前記算出は、前記位置合わせ処理の後に行われ、前記第１位置と前記第２位置とを合わせる第２処理を含み、
前記第２処理は、前記軌跡に基づかない請求項１〜１２のいずれか１つに記載の形状位置合わせ装置。
【請求項１４】
対象物の第１部分の形状に関する第１形状データと、
前記対象物の第２部分の形状に関する第２形状データと、
を取得する取得部と、
前記第１形状データと前記第２形状データとに基づいて前記対象物の形状に関する第３形状データの算出を行う算出部と、
を備え、
前記第３形状データにおいて前記第１部分の形状及び前記第２部分の形状は、第１座標系によって表され、
前記第３形状データの前記算出は、前記第１座標系において前記第１形状データによって表される前記第１部分の第１位置と、前記第１座標系において前記第２形状データによって表される前記第２部分の第２位置と、を前記第１形状データ及び前記第２形状データの少なくともいずれかから算出される基準方向に応じて合わせる位置合わせ処理を含む、形状位置合わせ装置。
【請求項１５】
移動体に設置された第１センサによって測定され、対象物の第１部分の形状に関する第１形状データと、
前記対象物の第２部分の形状に関する第２形状データと、
前記第１形状データを測定したときの前記第１センサの軌跡に関する第１位置データと、
を取得する工程と、
前記第１形状データと前記第２形状データとに基づいて前記対象物の形状に関する第３形状データの算出を行う工程と、
を備え、
前記第３形状データにおいて前記第１部分の形状及び前記第２部分の形状は、第１座標系によって表され、
前記算出は、前記第１座標系において前記第１形状データによって表される前記第１部分の第１位置と、前記第１座標系において前記第２形状データによって表される前記第２部分の第２位置と、を前記軌跡の第１形状に応じて合わせる位置合わせ処理を含む、形状位置合わせ方法。
【請求項１６】
移動体に設置された第１センサによって測定され、対象物の第１部分の形状に関する第１形状データと、
前記対象物の第２部分の形状に関する第２形状データと、
前記第１形状データを測定したときの前記第１センサの軌跡に関する第１位置データと、
を取得する処理と、
前記第１形状データと前記第２形状データとに基づいて前記対象物の形状に関する第３形状データの算出を行う処理と、
をコンピュータに実行させる形状位置合わせプログラムであって、
前記第３形状データにおいて前記第１部分の形状及び前記第２部分の形状は、第１座標系によって表され、
前記算出は、前記第１座標系において前記第１形状データによって表される前記第１部分の第１位置と、前記第１座標系において前記第２形状データによって表される前記第２部分の第２位置と、を前記軌跡の第１形状に応じて合わせる位置合わせ処理を含む、形状位置合わせプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、形状位置合わせ装置、形状位置合わせ方法及び形状位置合わせプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の３次元形状を計測した形状データを用いて、対象物の寸法等を確認する技術がある。例えば、通路等の３次元形状の計測は、２回以上に分けて行われることがある。この場合、複数の形状データが得られる。複数の形状データを統合することで、対象物全体の形状を表す形状データが得られる。統合の際には、複数の形状データ同士の位置合わせが行われる。このような位置合わせにおいて、高精度化が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５７１６４３４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、高精度な形状位置合わせ装置、形状位置合わせ方法及び形状位置合わせプログラムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、取得部と算出部とを含む形状位置合わせ装置が提供される。前記取得部は、第１形状データと第２形状データと第１位置データとを取得する。前記第１形状データは、移動体に設置された第１センサによって測定され、対象物の第１部分の形状に関する。前記第２形状データは、前記対象物の第２部分の形状に関する。前記第１位置データは、前記第１形状データを測定したときの前記第１センサの軌跡に関する。前記算出部は、前記第１形状データと前記第２形状データとに基づいて前記対象物の形状に関する第３形状データの算出を行う。第３形状データにおいて、前記第１部分の形状及び前記第２部分の形状は、第１座標系によって表される。前記第３形状データの前記算出は、前記第１座標系において前記第１形状データによって表される前記第１部分の第１位置と、前記第１座標系において前記第２形状データによって表される前記第２部分の第２位置と、を前記軌跡の第１形状に応じて合わせる位置合わせ処理を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る形状位置合わせ装置を例示するブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る形状位置合わせ方法を例示するフローチャートである。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る形状データの測定を例示する模式図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｄ）は、第１の実施形態に係る形状位置合わせ装置の処理を例示する模式図である。
【図５】第１の実施形態に係る形状位置合わせ装置の処理を例示する模式図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｃ）は、第１の実施形態に係る形状位置合わせ装置の処理を例示する模式図である。
【図７】第２の実施形態に係る形状位置合わせ装置を例示するブロック図である。
【図８】第２の実施形態に係る形状位置合わせ方法を例示するフローチャートである。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、実施形態に係る形状データの測定を例示する模式図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、第２の実施形態に係る形状位置合わせ装置の処理を例示する模式図である。
【図１１】第３の実施形態に係る形状位置合わせ装置を例示するブロック図である。
【図１２】第３の実施形態に係る形状位置合わせ方法を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係る形状位置合わせ装置を例示するブロック図である。  
図１に表したように、本実施形態に係る形状位置合わせ装置１０１は、取得部５０と算出部６０とを含む。取得部５０は、第１の形状取得部１１と、移動軌跡取得部１２と、第２の形状取得部１３と、概略位置姿勢取得部１４と、を含む。算出部６０は、パラメータ拘束部１５と位置合わせ部１６とを含む。
【０００９】
第１の形状取得部１１は、第１形状データを取得する。第２の形状取得部１３は、第２形状データを取得する。第１形状データ及び第２形状データは、それぞれ、対象物の一部の形状を表す。
【００１０】
第１形状データ及び第２形状データは、それぞれ、対象物の複数の幾何特徴の情報を含む。幾何特徴とは、例えば、対象物の表面上に位置する３次元空間内の点（３次元点）の位置である。例えば、第１形状データ及び第２形状データは、それぞれ、対象物上の複数の点の３次元空間内における位置（座標）を含む。第１形状データ及び第２形状データは、いわゆる３次元点群である。３次元点群によって、対象物の３次元空間内の形状が表される。
【００１１】
幾何特徴は、複数の３次元点のうち、互いに隣接する３次元点同士の接続関係に関する情報を含んでいてもよい。幾何特徴は、互いに隣接する３次元点を含む面の情報を含んでいてもよい。例えば、第１形状データ及び第２形状データは、それぞれ、複数の面（３次元メッシュ）の情報を含む。複数の面のそれぞれの頂点に、前述の３次元点が位置する。３次元メッシュによって、対象物の３次元空間内の形状が表される。
【００１２】
第１形状データ及び第２形状データが表す「対象物」は、例えば通路である。ここで、通路は、少なくとも１方向に延在する壁面（内壁）と、当該壁面によって区画された空間と、を含む。「対象物」は、例えば、トンネルやエレベータシャフト（昇降路）である。この場合、対象物の形状とは、通路の内壁（床、側壁及び天井）の形状だけでなく、通路内に設置された部材の形状を含んでもよい。例えば、エレベータシャフトの形状は、エレベータシャフトの内壁の形状だけでなく、内壁に設置されたブラケットの形状や、ブラケットによって把持されるレールの形状を含む。
【００１３】
このような第１形状データ及び第２形状データは、例えば、ラインレーザなどのセンサによって測定される。ラインレーザと対象物上の複数の点との間の距離を測定することによって、３次元点群が得られる。
【００１４】
第１形状データは、通路内を移動する移動体に設置されたセンサ（第１センサ）によって測定される。例えば、移動体は、通路の延在方向に沿って移動する。移動に伴ってセンサが計測する位置を変化させることで、広範囲を計測することができる。移動体は、例えば、トンネル内を走行する自動車、または、エレベータシャフト内を移動するエレベータかごである。
【００１５】
移動軌跡取得部１２は、第１形状データを測定したときのセンサの軌跡に関する位置データ（第１位置データ）を取得する。
【００１６】
対象物は、第１部分を含む。第１形状データは、対象物のうち第１部分を含む部分の形状を表す。また、対象物は、第２部分を含む。第２形状データは、対象物のうち第２部分を含む部分の形状を表す。
【００１７】
第１形状データによって表される形状の一部は、第２形状データによって表される形状の一部と重複していてもよい。換言すると、対象物は、第１部分と、第２部分と、第３部分（重複部分）と、を含み、第１形状データは、第１部分と第３部分の形状を表し、第２形状データは、第２部分と第３部分の形状を表す。
【００１８】
例えば、１回の計測で対象物の形状の全てを計測するのは、困難である。このため、複数回に分けて計測が行われる。上述の第１形状データ及び第２形状データのように、複数の形状データが測定される。
【００１９】
算出部６０は、複数の形状データを統合する。ここで、複数の形状データのそれぞれにおいて用いられている座標系は、互いに異なる。例えば、第１形状データに用いられている座標系と第２形状データに用いられている座標系とは異なる。このため、第１形状データによって表される形状と、第２形状データによって表される形状とが、共通の座標系によって表現されるように、位置合わせを行う。
【００２０】
この例では、算出部６０は、第１形状データと第２形状データとに基づいて、対象物の形状を表す第３形状データの算出を行う。第３形状データは、第１形状データと第２形状データとが統合されたデータである。第３形状データは、第１形状データ及び第２形状データと同様に、例えば複数の点（３次元点）を含む。これにより、第３形状データは、第１部分の形状、第２部分の形状及び第３部分の形状を表す。第３形状データにおいて、第１部分の形状、第２部分の形状及び第３部分の形状は、共通の座標系（以下、第１座標系という）によって表される。
【００２１】
第３形状データの算出は、位置合わせ処理（後述のステップＳ１０６）を含む。位置合わせ処理では、形状データに対する座標変換が行われる。これにより、第１座標系において第１形状データによって表される第１部分の位置（第１位置）が、第１座標系において第２形状データによって表される第２部分の位置（第２位置）に対して合わせられる（調整される）。
【００２２】
この位置合わせ処理は、第１形状データを測定したときのセンサの軌跡の形状（第１形状）に応じて行われる。例えば、位置合わせ処理は、第１座標系において軌跡が延在する方向（第１方向）に応じて行われる。このとき、例えば、第１形状データによって表される第３部分の位置が、第２形状データによって表される第３部分の位置と、第１座標系において一致するように座標変換が行われる。
【００２３】
なお、実施形態では、第１座標系とは異なる座標系において、位置合わせ処理の一部が行われてもよい。例えば、移動軌跡取得部１２が取得するセンサの軌跡に関する位置データが、第１座標系とは異なる座標系によって表現されていてもよい。実施形態の位置合わせ処理は、第１座標系におけるデータに応じた処理であればよい。例えば、３次元点同士の相対的な位置関係が、第１座標系における３次元点同士の相対的な位置関係と同じである座標系における処理は、第１座標系におけるデータに応じた処理である。
【００２４】
以上のように、実施形態においては、センサの移動軌跡から、座標変換に対して課す拘束条件が決定される。これにより、精度の高い位置合わせを行うことができる。
【００２５】
例えば、計測の対象物がエレベータシャフトの場合に、エレベータかごの上に設置されたセンサが移動しながら取得した３次元点群（以下、シャフト領域の点群と呼ぶ）と、エレベータピットの床面に設置されたセンサが取得した３次元点群（以下、ピット領域の点群と呼ぶ）と、を統合する。このとき、位置合わせ処理において行われる座標変換を、エレベータかごの上に設置されたセンサの移動方向に拘束する。つまり、座標変換を、エレベータかごの移動方向の並進に拘束する。これにより、高精度な位置合わせを行うことができる。したがって、例えば、エレベータ各部の寸法を高精度に測定することが可能となる。
【００２６】
図１を参照して、実施形態に係る形状位置合わせ装置の具体例について説明する。  
取得部５０には、例えば、入出力端子や、有線または無線を介して外部と通信する入出力インターフェイスが用いられる。算出部６０には、例えば、ＣＰＵやメモリなどを含む演算装置が用いられる。算出部６０の各ブロックの一部、又は全部には、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の集積回路またはＩＣ（Integrated Circuit）チップセットを用いることができる。各ブロックに個別の回路を用いてもよいし、一部又は全部を集積した回路を用いてもよい。各ブロック同士が一体として設けられてもよいし、一部のブロックが別に設けられてもよい。また、各ブロックのそれぞれにおいて、その一部が別に設けられてもよい。集積化には、ＬＳＩに限らず、専用回路又は汎用プロセッサを用いてもよい。
【００２７】
図示した各ブロックは、通信網を介して、直接的、または間接的に、相互に通信可能な形態であってもよい。通信網の種類は、任意である。例えば、各ブロックは、建物内に設置されたＬＡＮ（Local Area Network）を介して、相互に通信可能な形態であってもよい。また、各ブロックは、インターネット等のネットワーク（クラウド等）を介して、相互に通信可能な形態であってもよい。なお、実施形態の説明において例示するブロック図は、実施形態に係る装置の要部構成の一例であり、必ずしも実際のプログラムモジュールの構成とは一致しない場合がある。各ブロックは、別々の装置であって、別々に設置されていてもよい。
【００２８】
以下の例では計測の対象物は、エレベータシャフトである。以下では、第１形状データがシャフト領域の点群であり、第２形状データがピット領域の点群である場合について説明する。
【００２９】
第１の形状取得部１１は、移動するエレベータかごの上に設置されたセンサによって測定された、シャフト領域の点群を取得する。  
移動軌跡取得部１２は、シャフト領域の点群が取得されたときのセンサの移動軌跡を時系列の三次元座標として取得する。
【００３０】
第２の形状取得部１３は、エレベータのピット床に設置されたセンサによって測定された、ピット領域の点群を取得する。  
概略位置姿勢取得部１４は、概略位置姿勢を取得する。概略位置姿勢は、シャフト領域の点群とピット領域の点群の大まかな位置関係を表す。この位置関係は、例えば、シャフト領域の点群に対するピット領域の点群の相対的な位置姿勢（位置及び向き）である。
【００３１】
パラメータ拘束部１５は、例えば、移動軌跡取得部１２によって取得された軌跡に直線を当てはめる。パラメータ拘束部１５は、当てはめられた直線に平行な方向についての並進移動に、座標変換を拘束することを決定する。
【００３２】
図１に表したように、位置合わせ部１６は、法線算出部１７と、初期位置算出部１８と、有効度算出部１９と、演算部２０と、高精度化部２１と、を含む。  
法線算出部１７は、シャフト領域の点群およびピット領域の点群に含まれる各点の法線を算出する。
【００３３】
初期位置算出部１８は、概略位置姿勢取得部１４によって取得された位置姿勢に基づいて、シャフト領域の点群によって表される壁面と、ピット領域の点群によって表される壁面とが、大まかに合致している状態となるように、位置合わせを行う。
【００３４】
有効度算出部１９は、シャフト領域の点群の各点及びピット領域の点群の各点に対して、パラメータ拘束部１５で決定された拘束条件の下での位置合わせに対する有効度を求める。  
演算部２０は、有効度算出部１９で算出された有効度に基づいて、パラメータ拘束部１５で決定された拘束条件を満たす座標変換で位置合わせする。  
高精度化部２１は、演算部２０により出力された位置合わせ結果を高精度化して最終的な位置合わせ結果を出力する。
【００３５】
図２は、第１の実施形態に係る形状位置合わせ方法を例示するフローチャートである。  ステップＳ１０１において、第１の形状取得部１１は、シャフト領域の点群を取得し、移動軌跡取得部１２は、シャフト領域の点群が測定されたときのセンサの移動軌跡を取得し、第２の形状取得部１３は、ピット領域の点群を取得し、概略位置姿勢取得部は、概略位置姿勢を取得する。
【００３６】
その後ステップＳ１０２において、法線算出部１７は、シャフト領域の点群およびピット領域の点群に含まれる各点について近傍の点を探索し、探索された点の三次元座標に基づいて法線ベクトルを算出する。
【００３７】
その後ステップＳ１０３において、初期位置算出部１８は、シャフト領域の点群とピット領域の点群とを大まかに位置合わせし、エレベータシャフトの壁面が一致した状態にする。
【００３８】
その後ステップＳ０１４において、パラメータ拘束部１５は、移動軌跡に直線をあてはめることによって、センサの移動方向を判定する。
【００３９】
その後ステップＳ１０５において、有効度算出部１９は、シャフト領域の点群とピット領域の点群とに含まれる各点について、法線とセンサの移動方向とのなす角に基づいて、位置合わせに対する有効度を決定する。
【００４０】
その後ステップＳ１０６において、演算部２０は、センサの移動方向に自由度を限定し、さらに有効度により各点に重みを付けてピット領域の点群をシャフト領域の点群に位置合わせする座標変換を算出する。
【００４１】
その後ステップＳ１０７において、高精度化部２１は、シャフト領域の点群およびピット領域の点群に含まれる点（例えば全ての点）を用いて、位置合わせ結果を高精度化し、位置合わせ結果を出力する。
【００４２】
次に上記のステップＳ１０１〜Ｓ１０７についてさらに説明する。  
＜ステップＳ１０１＞
ステップＳ１０１では、位置合わせの対象となるシャフト領域の点群と、ピット領域の点群と、センサの移動軌跡と、概略位置姿勢と、を取得する。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る形状データの測定を例示する模式図である。  
【００４３】
図３（ａ）に示すように、３次元計測センサ２０３は、エレベータシャフト内を昇降するエレベータかご２０２に設置されている。３次元計測センサ２０３によって、シャフト領域の点群（第１形状データ）及びセンサの移動軌跡を計測する（ステップＳ１０１Ａ）。シャフト領域の点群は、第１部分Ｐ１の形状と第３部分Ｐ３の形状とに関する。
【００４４】
図３（ｂ）に示すように、３次元計測センサ２０６は、エレベータのピット床に設置されている。３次元計測センサ２０６によって、ピット領域の点群（第２形状データ）を計測する（ステップＳ１０１Ｂ）。ピット領域の点群は、第２部分Ｐ２の形状と第３部分Ｐ３の形状とに関する。
【００４５】
３次元計測センサ２０３及び２０６の設置条件は、概略位置姿勢を取得する処理に関係する。このため、３次元計測センサ２０３及び２０６の設置を、ステップＳ１０１Ａ及びＳ１０１Ｂとは別のステップ（Ｓ１０１Ｃ）として説明する。
【００４６】
なお、以降の説明においては、センサの具体的な構成について言及するが、これは、一例であって、実施形態におけるセンサの構成を限定するものではない。例えば、センサの構成がステップＳ１０２以降の処理に与える影響は小さい。このため、第１形状データ、第２形状データ及び移動軌跡（第１形状データを測定したときのセンサの軌跡）を取得可能な任意のセンサを、実施形態に用いることができる。
【００４７】
＜ステップＳ１０１Ａ：第１の形状取得部１１および移動軌跡取得部１２＞  
図３（ａ）に示すように、エレベータシャフト２０１内を移動するエレベータかご２０２に、センサ２０３を設置する。図３（ａ）の左図は、エレベータかご２０２が下降する様子を示し、図３（ａ）の右図は、エレベータかご２０２が上昇する様子を示す。センサ２０３は、ラインレーザ２０４（レーザ距離計）と二台のカメラ（カメラ２０５Ａ及びカメラ２０５Ｂ）を含む。
【００４８】
エレベータかご２０２を上下させながら連続的に二台のカメラ（２０５Ａ及び２０５Ｂ）によって画像を撮像する。撮像に対応して（例えば撮像と同時に）ラインレーザ２０４を用いて距離データを取得する。
【００４９】
ラインレーザは、例えば、対象物上の計測点にレーザを照射し、計測点において反射されたレーザを計測する。これにより、ラインレーザと対象物の計測点との間の距離が得られる。ラインレーザは、ラインレーザの位置を固定したときに、空間内の平面（レーザ照射平面）に含まれる複数の方向にレーザを照射できる。また、図３（ａ）のようにラインレーザ２０４を移動させながら測定を行う。これにより、対象物上の複数の計測点にレーザが照射され、複数の計測点についての複数の距離データが得られる。複数の距離データのそれぞれは、カメラによって撮像された複数の画像（フレーム）のいずれかと対応している。
【００５０】
なお、二台のカメラ間の相対的な位置関係、および二台のカメラとラインレーザとの相対的な位置関係は、文献“Reliable Automatic Camera-Laser Calibration (Australasian Conference on Robotics and Automation 2010)”に記載の方法などにより校正済みであるものとする。
【００５１】
本ステップでは、取得されたデータからシャフト領域の点群とセンサの移動軌跡とを求める。まず、カメラにより撮影された画像データから、各フレームにおけるセンサの三次元位置姿勢を推定する。この推定には、文献“A Constant Time Efficient Stereo SLAM System (British Machine Vision Conference 2009)”に記載の方法などを用いることができる。また、推定されたセンサの三次元位置姿勢を高精度化するために直線のフィッティングを行ってもよい。このようにして、画像データからセンサの軌跡に関する位置データが得られる。移動軌跡取得部１２は、この位置データを取得する。
【００５２】
次にラインレーザ２０４により取得された距離データを、対応するフレームのカメラの位置姿勢によって変換することで、シャフト領域の点群を生成する。第１の形状取得部１１は、生成されたシャフト領域の点群を取得する。
【００５３】
ただし、二台のカメラの情報のみでは、センサの絶対座標を推定することはできないため、得られるセンサの位置姿勢は、計測開始時のセンサの位置姿勢を基準とした相対的な座標系によって表される。同様に、シャフト領域の点群も、計測開始時のセンサの位置姿勢を基準とした座標系によって表される。
【００５４】
＜ステップＳ１０１Ｂ：第２の形状取得部１３＞  
図３（ｂ）に示すように、エレベータのピット床面に、センサ２０７を設置する。センサ２０７は、ラインレーザ２０８と回転機構２０９とを含む。回転機構２０９は、例えば回転台や回転軸を含み、ラインレーザ２０８は、回転機構２０９に保持されている。回転機構２０９の回転に応じて、ラインレーザ２０８から出射されるレーザの方向が変化する。
【００５５】
回転機構２０９を用いてラインレーザ２０８を回転させながら連続的に対象物上の複数の計測点にレーザを照射する。これにより、複数の計測点についての複数の距離データが得られる。センサ２０７は、レーザを照射したときの回転機構２０９の回転量を取得する。ラインレーザ２０８と回転機構２０９との位置関係は、既知であるものとする。ラインレーザ２０８により測定される距離データに回転量に応じた座標変換を施すことによって、ピット領域の点群が得られる。得られたピット領域の点群は、計測開始時のセンサの位置姿勢を基準とした座標系によって表されている。第２の形状取得部１３は、このようにして得られたピット領域の点群を取得する。
【００５６】
＜ステップＳ１０１Ｃ：概略位置姿勢取得部１４＞  
ステップＳ１０１Ｃでは、概略位置姿勢を取得する。概略位置姿勢は、第１形状データによって表される形状と、第２形状データによって表される形状と、の相対的な位置関係である。概略位置姿勢は、例えば、ステップＳ１０１Ａで得られた第１形状データを表す座標系と、ステップＳ１０１Ｂで得られた第２形状データを表す座標系と、の差に相当する。この差は、原点の並進や座標軸の回転等である。
【００５７】
この例では、概略位置姿勢は、シャフト領域の点群とピット領域の点群との間の相対的な位置関係である。例えば、エレベータかごの上に設置されたセンサの水平方向における位置と、ピット床に設置されたセンサの水平方向における位置と、をできるだけ揃える。これにより、概略位置姿勢の水平方向における並進成分を小さく（例えば零ベクトルに）することができる。また、概略位置姿勢の垂直方向の並進成分は、シャフト領域の点群を計測するセンサと、ピット床と、の間の距離に対応する。この距離は、例えばレーザ距離計などで測定される。
【００５８】
エレベータかごの上に設置されたセンサの向きと、ピット床に設置されたセンサの向きと、を揃えて、センサの姿勢（向き）を共通とする。これにより、例えば、概略位置姿勢の回転成分を小さく（例えばゼロに）する。
【００５９】
概略位置姿勢の取得には、エレベータシャフト内に設置されたマーカを用いてもよい。シャフト領域の点群のうちマーカに対応した点の座標値と、ピット領域の点群のうちマーカに対応した点の座標値と、が一致するように概略位置姿勢を算出してもよい。
【００６０】
以上説明したようにして、ステップＳ１０１において、取得部５０は、センサの軌跡に関する位置データと形状データとを取得する。なお、センサから取得部５０に、画像データや距離データが入力されてもよい。取得部５０は、画像データや距離データを変換して、形状データやセンサの軌跡を取得してもよい。
【００６１】
＜ステップＳ１０２＞  
ステップＳ１０２では、各点群に含まれる各点に対して、後述するステップＳ１０５において用いられる基準方向を算出する。  
例えば、第１形状データによって表される形状は、第１点を含む第１領域の形状を含む。第１領域は、第１点の近傍の領域である。基準方向は、第１領域の形状によって定められる。本実施形態においては、この基準方向を各点における法線方向としている。例えば、法線算出部１７は、第１点を通り第１領域に対して垂直に交わる法線を算出する。基準方向は、この法線に対して平行な方向とされる。具体的には、以下のように、法線算出部１７が、シャフト領域の点群に含まれる各点の法線ベクトル、及び、ピット領域の点群に含まれる各点の法線ベクトルを算出する。
【００６２】
法線算出部１７は、点群の各点に対して近傍点を探索し、探索された近傍点の三次元座標に最もよくあてはまる平面を推定し、推定された平面の法線ベクトルを点に割り当てる。実際に平面をあてはめる方法として、例えば、座標ｐの近傍点群の重心からの変位の共分散行列を、固有値分解する手法を用いる。共分散行列Ｃは次の式（１）によって定義される。  
【数１】
2017058166.tif 000003
εは、近傍の大きさを決める閾値であり、予め定められる。εの値は、３次元点群の密度に基づいて定められてもよい。ｑは、探索された近傍点の座標である。Ｋは、探索された近傍点の数である。ｑｍは、探索された近傍点の重心であり、次の式（２）によって定義される。
【数２】
2017058166.tif 000004
この共分散行列のうち、最も小さい固有値に対応する固有ベクトルを法線ベクトルとする。
【００６３】
＜ステップＳ１０３＞
算出部６０は、ステップＳ１０６における位置合わせ処理の前に、第１形状データの第１位置と、第２形状データの第２位置と、を合わせる初期位置合わせ（第１処理）を行う。初期位置合わせは、センサの軌跡には基づかず、概略位置姿勢に基づいて行われる。例えば、初期位置合わせによって、第１形状データによって表される第３部分の位置と、第２形状データによって表される第３部分の位置とが、１つの座標系（例えば第１座標系）において大まかに一致した状態となる。
【００６４】
具体的には、初期位置算出部１８が、概略位置姿勢に基づいて、シャフト領域の点群によって表される壁面と、ピット領域の点群によって表される壁面と、を大まかに一致させる。本実施形態では、初期位置合わせにＩＣＰ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｃｌｏｓｅｓｔ Ｐｏｉｎｔ）法を用いる。以下では、ＩＣＰ法について図４（ａ）〜図４（ｄ）を用いて説明する。
【００６５】
図４（ａ）〜図４（ｄ）は、第１の実施形態に係る形状位置合わせ装置の処理を例示する模式図である。  
図４（ａ）〜図４（ｄ）では、ピット領域の点群３０２の一部とシャフト領域の点群３０１の一部とを示している。黒丸で表した点は、シャフト領域の点群３０１に含まれる点を示す。白丸で表した点は、ピット領域の点群３０２に含まれる点を示す。後述する図５、図６においても同様である。
【００６６】
図中において、センサの移動方向３０４に対して平行に並んでいる点群が壁面を表している。移動方向３０４に対して垂直に並んでいる点群が壁面から飛び出した構造物（ブラケットなど）を表している。なお、図４（ａ）〜図４（ｄ）では、説明のためにエレベータ点群の垂直方向の断面の一部のみを示す。実際には点群は、三次元的に分布している。後述する図５、図６においても同様である。
【００６７】
初期位置合わせでは、まず、第１形状データ及び第２形状データの少なくともいずれかに対して、概略位置姿勢に基づく座標変換が行われる。これにより、図４（ａ）に示すように、第１形状データと第２形状データとが１つの座標系（例えば第１座標系）によって表される。その後、ＩＣＰ法による処理が行われる。
【００６８】
ＩＣＰ法では、ステップＳ１０３ＡとステップＳ１０４Ａとを交互に繰り返す。ステップＳ１０３Ａは、ピット領域の点群３０２の各点に対して、シャフト領域の点群３０１との対応関係３０３を求める対応付けステップである。ステップＳ１０３Ｂは、対応付けステップにて求められた対応関係３０３から座標変換を求める変換推定ステップである。本実施形態においては、以下のようにして各ステップを行う。
【００６９】
＜Ｓ１０３Ａ＞  
本実施形態においては、ピット領域の点群の各点に対して、シャフト領域の点群での最近傍点を対応点とする。シャフト領域の点群を  
【数３】
2017058166.tif 000005
と表し、ピット領域の点群を、
【数４】
2017058166.tif 000006
と表す。  
Ｎｐは、シャフト領域の点群に含まれる点の数を表す。Ｎｑは、ピット領域に含まれる点の数を表す。ｐｉは、シャフト領域の点群のｉ番目の点（座標）であるとし、ｑｉは、ピット領域の点群のｉ番目の点（座標）であるとする。
【００７０】
ピット領域の点群に含まれる点ｑｊの対応点は、シャフト領域の点群に含まれる点のうち、ｑｊとの距離が最小である点となるので、次式を最小化する点を算出すればよい。
【００７１】
【数５】
2017058166.tif 000007
上式を最小化する点ｐは、ｋｄ木を利用するなどのよく知られた手法で求められる。以上により、図４（ｂ）中の矢印のような、対応関係３０３が求められる。なお、見やすさのため図４（ｂ）では、一部の点についてのみ対応関係３０３を示している。実施形態では、ピット領域の点群３０２に含まれる、例えば全点について、対応関係３０３が求められる。
【００７２】
＜Ｓ１０３Ｂ＞  
ステップＳ１０３Ａで算出された対応付けをもとに、座標変換を推定する。本実施形態においては、座標変換を、３行３列の回転行列Ｒと、３要素の並進ベクトルｔと、によって表現する。以下の式（６）によって定義されるｐｏｉｎｔ−ｔｏ−ｐｏｉｎｔ距離の二乗を最小化することにより、回転行列Ｒおよび並進ベクトルｔを推定する。  
【数６】
2017058166.tif 000008
ｐ’ｊは、ステップＳ１０３Ａで算出された、ｑｊの対応点である。上式の最小化は文献“Least-squares estimation of transformation parameters between two point patterns (IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1991)”に記載の方法になどよって行うことができる。
【００７３】
なお、座標変換の推定の方法は、上式の最小化に限られるものではなく、例えばＲＡＮＳＡＣやＭ推定などにより、外れ値を除きながら座標変換を推定してもよい。また、点間の距離の二乗を用いる代わりに、点間の変位ベクトルを法線に射影したｐｏｉｎｔ−ｔｏ−ｐｌａｎｅ距離を最小化してもよい。
【００７４】
例えば、対象物がエレベータシャフトである場合、点群によって表される形状の大部分は、壁面である。このため、ステップＳ１０３Ｂにおいて推定される座標変換は、ピット領域の点群３０２によって表される壁面と、シャフト領域の点群３０１によって表される壁面と、を一致させるような変換になりやすい。例えば、図４（ａ）に示した状態に対して、ステップＳ１０３Ａ及びＳ１０３Ｂが適用されると、図４（ｃ）に示した状態となる。この状態では、壁面はほぼ位置合わせされている。
【００７５】
この状態に対して、図４（ｄ）に示すように、さらにステップＳ１０４Ａを適用する。このとき、壁面が位置合わせされているため、求められる対応関係３０３の大部分は、ピット領域の点群３０２によって表される壁面に属する点と、シャフト領域の点群３０１によって表される壁面に属する点と、を対応付ける。
【００７６】
図４（ｄ）の状態では、壁面同士が既に位置合わせされているため、対応関係３０３によって対応付けられた点同士の間の距離は、非常に小さい。その結果、推定される座標変換は、位置姿勢をほとんど変化させないものとなる。すなわち、ステップＳ１０３Ｂによって推定される座標変換を適用しても、結果は、再び図４（ｃ）に示すようなものとなる。すなわち、この処理だけでは、エレベータかごの進行方向において高精度な位置合わせすることはできない。
【００７７】
＜ステップＳ１０４＞  
パラメータ拘束部１５は、ステップＳ１０１で時系列の三次元座標として取得された移動軌跡に基づいて、センサの移動方向を算出する。その後、パラメータ拘束部１５は、算出したセンサの移動方向に基づいて、位置合わせ処理のための拘束条件を求める。
【００７８】
すなわち、パラメータ拘束部１５は、センサの軌跡の第１座標系における形状（第１形状）に沿った第１方向（移動方向）を算出する。そして、位置合わせ処理における座標変換（変換処理）において、第１部分の第１位置及び第２部分の第２位置の少なくともいずれかを、第１方向に移動させることを決定する。
【００７９】
第１方向は、センサの軌跡の第１形状を、モデルに当てはめることによって算出される。例えば、パラメータ拘束部１５は、センサの軌跡の第１形状を近似する第２形状（モデル）を算出し、第２形状に沿った方向を第１方向とする。
【００８０】
例えば、第１形状は、センサの軌跡を表す曲線であり、第２形状は、その曲線を近似する直線である。この場合、第１方向は、当該直線に平行な方向である。または、第２形状は、センサの軌跡を表す曲線を含む面を近似する平面でもよい。この場合、第１方向は、当該平面に含まれる方向となる。
【００８１】
この例では、センサの移動方向を推定するために移動軌跡に直線をあてはめる。そして、位置合わせ処理の際の座標変換は、センサの移動方向に沿った並進となるように拘束される。
【００８２】
移動軌跡に直線をあてはめる際には、最小二乗法を用いる。移動軌跡の三次元座標を  
【数７】
2017058166.tif 000009
とする。ｘｉは時刻ｉにおけるセンサの三次元座標のｘ成分、ｙｉは時刻ｉにおけるセンサの三次元座標のｙ成分、ｚｉは時刻ｉにおけるセンサの三次元座標のｚ成分である。
【００８３】
求める直線の方向を表す単位ベクトルをｖ、直線が通る任意の点（座標）をｕとする。ｕとｖとは、以下の式を最小化することによって求められる。
【００８４】
【数８】
2017058166.tif 000010
ｔｉは、ｓｉから求める直線に下した垂線の足とｕとの距離である。Ｎは、移動軌跡に含まれる三次元座標の数である。
【００８５】
この例では、直線の方向（ｖ）を用いるため、以下ではｖの求め方のみを述べる。上式を最小化するｖは、以下の式で定義される共分散行列を固有値分解し、その最大固有値に対応する固有ベクトルとして求められる。  
【数９】
2017058166.tif 000011
なお、直線をあてはめるために必ずしもこの方法を採用する必要はなく、例えば、ＲＡＮＳＡＣやＭ推定などによって外れ値を除去しつつ求めたりしてもよい。また、時系列データの特定の２つのフレームでのかごの三次元座標（例えば、測定開始時のかごの位置と終了フレームの位置）を結ぶ直線として推定してもよい。
【００８６】
後段のステップＳ１０６では、本ステップで推定されたセンサの移動方向に位置合わせを限定するという拘束が座標変換に加えられる。
【００８７】
なお、移動軌跡をあてはめるモデルは、移動軌跡の性質に応じて適応的に決定されることが望ましい。例えば、センサが平面上を移動するとわかっている場合には、移動軌跡に平面をあてはめる。この場合、求められた平面内の並進と回転に位置合わせを限定するという拘束が、座標変換に与えられる。
【００８８】
センサの移動が未知である場合には、例えば、移動軌跡の実質的な次元を主成分分析などによって移動軌跡から判定し、判定された次元を表現するのに十分なモデルに対して移動軌跡をあてはめてもよい。
【００８９】
＜ステップＳ１０５＞  
ステップＳ１０５において、有効度算出部１９は、シャフト領域の点群及びピット領域の点群に含まれる各点に対して有効度を算出する。ステップＳ１０６（センサの移動方向に基づく位置合わせ）における座標変換（変換処理）は、この有効度に基づいて実施される。
【００９０】
有効度は、ステップＳ１０２において算出された基準方向（法線方向）と、第１方向（センサの移動方向３０４）と、に基づいて算出される。有効度は、例えば、基準方向と第１方向との差（残差）に基づく。有効度の算出方法について、図５を用いて説明する。
【００９１】
図５は、第１の実施形態に係る形状位置合わせ装置の処理を例示する模式図である。    図５には、ステップＳ１０３にて初期位置合わせが行われた後のシャフト領域の点群３０１とピット領域の点群３０２とが示されている。ピット領域の点群３０２は、エレベータシャフト壁面の形状を表す点群３０２Ａと、壁面から突出している構造物（ブラケット等）の形状を表す点群３０２Ｂと、を含む。なお、図５においては、見やすさのため、一部の点についての法線ベクトル３０５のみを示す。実施形態では、シャフト領域の点群３０１及びピット領域の点群３０２に含まれる、例えば全点について法線ベクトルが算出される。
【００９２】
初期位置合わせの後に、ピット領域の点群３０２に対してセンサの移動方向３０４における並進を加えることを考える。これにより、高精度化を行う。このとき、点群３０２Ａに関しては、仮にセンサの移動方向３０４に点群を移動したとしても、位置合わせ誤差の変化は、大きくない。このような点群は、センサの移動方向３０４への位置合わせに有効でないと判断できる。このため、有効度算出部１９は、このような点群に対して低い有効度を算出する。
【００９３】
一方、点群３０２Ｂについては、センサの移動方向３０４に点群を並進移動した場合に、位置合わせ誤差が大きく変化する。このよう点群は、移動方向３０４に基づく位置合わせに対して有効であると期待できる。このため、有効度算出部１９は、このような点群に対して高い有効度を算出する。
【００９４】
本実施形態においては、有効度の判断のためにセンサの移動方向３０４とステップＳ１０２にて算出された法線ベクトル３０５との内積を算出する。算出された内積が所定の閾値を超えた場合、その内積に対応する３次元点についての有効度を１とする。それ以外の３次元点についての有効度を０とする。有効度の算出は、必ずしも上述の方法に限定されるものではない。例えば有効度をセンサの移動方向３０４と法線ベクトル３０５との内積としてもよい。この場合、有効度は実数である。
【００９５】
＜ステップＳ１０６＞
ステップＳ１０５で算出された有効度に基づいて、ステップＳ１０２で算出された方向に自由度を限定した位置合わせを行う。つまり、この位置合わせ処理の座標変換では、第１形状データの第１位置及び第２形状データの第２位置を、第１方向（センサの移動方向）に沿って移動させる。
【００９６】
例えば、第１方向を算出したときのモデルが直線であった場合、この位置合わせ処理は、第１方向に対して交差する第２方向において、第１位置及び第２位置を移動させることを含まない。  
また、例えば、第１方向を算出したときのモデルが平面であった場合、この位置合わせ処理は、第１方向が含まれる当該平面に対して交差する第２方向において、第１位置及び第２位置を移動させることを含まない。
【００９７】
この例では、ステップＳ１０２で判定された方向の並進ベクトルのみをＩＣＰ法によって算出する。この並進ベクトルによって、位置合わせ処理の座標変換（変換処理）が決定される。この際、ステップＳ１０５で算出された有効度が考慮される。例えば、３次元点群のうちの第１点についての有効度が所定値よりも低い場合、並進ベクトルの算出に第１点は用いられない。第１点についての有効度が所定値以上の場合、並進ベクトルの算出に第１点が用いられる。
【００９８】
ステップＳ１０６で用いられるＩＣＰ法は、ステップＳ１０６ＡとステップＳ１０６Ｂとを含む。  
ステップＳ１０６Ａでは、ピット領域の点群３０２のうち有効度が１である各点に対して、対応点を求める。各対応点は、シャフト領域の点群３０１に含まれ有効度が１である点のうち、ピット領域の点群３０２に含まれる各点の最近傍に位置する点である。この対応付けにおいては、ステップＳ１０２で決定された拘束条件が考慮される。
【００９９】
ステップＳ１０６Ｂでは、ステップＳ１０６Ａで求められた対応付けに基づいて、ステップＳ１０２で決定された拘束条件を満たす座標変換を求める。この座標変換の算出の際には、有効度が考慮される。  
以上のステップＳ１０６Ａ及びステップＳ１０６Ｂは、算出される座標変換が収束するまで交互に繰り返される。
【０１００】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、第１の実施形態に係る形状位置合わせ装置の処理を例示する模式図である。各ステップについて図６（ａ）〜図６（ｃ）を用いて説明する。  
＜ステップＳ１０６Ａ：拘束付き対応付け＞
ピット領域の点群３０２（第２形状データ）の各点に対し、センサの移動方向３０４における並進に限定された対応付けを行う。本実施形態においては、ピット領域の点群３０２に含まれる点ｑｊ（例えば図６（ａ）内に示す点３０６）の対応点を探索する際に、探索範囲を領域３０７の内部に位置するシャフト領域の点群３０１に限定する。ここで、領域３０７は、点ｑｊを通りセンサの移動方向３０４に対して平行な直線を軸とし、所定の半径Ｄを持つ円柱である。さらに、上述の円柱に含まれるシャフト領域の点群３０１のうち、有効度が所定の閾値以上の点のみを探索対象とする。これにより、有効度が低い点の対応付けを避ける。以上の条件を満たす点のうち、点ｑｊとの距離が最短である点を対応点とする。すなわち、次式を最小化する点を算出する。
【０１０１】
【数１０】
2017058166.tif 000012
ｄ１（ｐ，ｑｊ）は、移動方向３０４に対して平行な方向に沿った、ｐとｑｊと間の距離である。ｄ２（ｐ，ｑｊ）は、移動方向３０４に対して垂直な方向に沿った、ｐとｑｊとの間の距離である。このステップによる対応付けの結果を模式的に図６（ｂ）に示す。求められた対応関係３０８は、センサの移動方向への位置合わせに有効であることがわかる。
【０１０２】
＜ステップＳ１０６Ｂ：拘束付き座標変換の推定＞
ステップＳ１０６Ａで算出された対応付けに基づいて、座標変換を推定する。本実施形態においては、推定される座標変換は、センサの移動方向３０４に沿った並進である。このため、推定される座標変換は、並進の量のみにより表される。並進の量ｋは、以下の式を最小化すること求められる。
【０１０３】
【数１１】
2017058166.tif 000013
ベクトルｔは、センサの移動方向３０４を表す単位ベクトルである。ｐ’ｊは、ステップＳ１０６Ｂで算出されたｑｊの対応点（座標）である。ｗｊは、重みである。ｗｊは、ピット領域の点群３０２に含まれる点ｑｊの有効度と、点ｑｊに対応する点ｐ’ｊの有効度と、の積として定義される。
【０１０４】
式（１１）は、ｋに関する二次式であるから、平方完成などにより容易に最小化できる。なお、座標変換を推定する方法は、式（１１）の最小化に限られるものではなく、例えば、ＲＡＮＳＡＣやＭ推定などにより外れ値を除きながら座標変換を推定してもよい。また、点間の距離の二乗を用いる代わりに、点間の変位ベクトルを法線に射影したｐｏｉｎｔ−ｔｏ−ｐｌａｎｅ距離を最小化したりしてもよい。このステップにより、図６（ｃ）に示したように、センサの移動方向における高精度な位置合わせを行うことが可能となる。
【０１０５】
収束条件が満たされない場合は、再びステップＳ１０６Ａが行われる。収束条件としては、繰り返し最適化アルゴリズムに用いられる一般的な基準を用いればよい。例えば、収束条件は、座標変換の更新量が所定の閾値未満であること等である。
【０１０６】
＜ステップＳ１０７＞
算出部６０は、ステップＳ１０６における位置合わせ処理の後に、第１形状データの第１位置と、第２形状データの第２位置と、を合わせる高精度化処理（第２処理）を行う。この処理は、センサの軌跡に基づかずに行われる。例えば、この処理によって、第１形状データによって表される第３部分の位置と、第２形状データによって表される第３部分の位置とが、第３形状データにおいて、さらに高い精度で一致した状態となる。
【０１０７】
具体的には、拘束を加えないＩＣＰアルゴリズムによって、位置合わせ結果を高精度化する。この処理を行う理由は以下のとおりである。  
まず、ステップＳ１０３の段階での位置合わせ結果においては、壁面が高い精度で位置合わせされている。一方、この段階の結果は、センサの移動方向に対する精度が比較的低いという性質を持っている。  
ステップＳ１０６を経た後の位置合わせ結果においては、センサの移動方向に対する精度は高い。一方、この段階の結果においては、センサの移動方向の推定誤差により壁面同士の位置合わせの精度が低下している恐れがある。
【０１０８】
そこで、再び拘束を加えないＩＣＰアルゴリズムを適用することで、壁面に対しても、センサの移動方向に対しても精度の高い位置合わせ結果を得ることができる。本実施形態においては、ステップＳ１０３に述べたものと同一の方法を用いるため、説明は省略する。
【０１０９】
以上説明したステップＳ１０１〜Ｓ１０７によって、第３形状データが算出される。実施形態に係る形状位置合わせ装置１０１によれば、エレベータかごの上に設置されたラインレーザが移動しながら取得した三次元点群と、ピット床面に設置されたラインレーザが回転しながら取得した三次元点群と、を高精度に位置合わせすることができる。
【０１１０】
既に述べたとおり、エレベータやトンネルのような壁面が支配的である３次元形状に対する位置合わせでは、座標変換の算出が壁面の形状に影響されやすい。その結果、例えばエレベータの場合では、高さ方向への位置合わせ精度が低い場合がある。これに対して、本実施形態においては、座標変換に対して課すべき拘束条件をセンサの移動軌跡から決定する。これにより、位置合わせの精度を高くすることができる。
【０１１１】
例えば、対象物の長手方向に関する情報を含む３次元データと、当該対象物の形状データと、の位置合わせに関する参考例がある。このような場合には、長手方向の拘束を座標変換に課して位置合わせを行うことができる。これにより、高精度の位置合わせを行うことができる。ただし、この参考例では、座標変換に対して加えるべき拘束が、長手方向として予め与えられていることが前提である。
【０１１２】
これに対して、実施形態の対象物や測定状況においては、形状データは、拘束された座標変換を行う際の基準となる情報を含んでいない。そこで、座標変換に対して課すべき拘束条件をセンサの移動軌跡から決定する。これにより、拘束付きの位置合わせが可能となる。これにより、位置合わせの精度を向上することができる。
【０１１３】
このような形状位置合わせ装置は、例えば、エレベータシャフトの形状データを用いて、エレベータシャフトの各部分の寸法を計測するシステムに用いることができる。得られた寸法は、例えば、エレベータのリプレース時に用いることができる。また、トンネルの形状を測定する場合には、形状位置合わせ装置をトンネルのメンテナンス時に用いることができる。
【０１１４】
（第２の実施形態）  
図７は、第２の実施形態に係る形状位置合わせ装置を例示するブロック図である。  
図７に示すように、本実施形態に係る形状位置合わせ装置１０２は、取得部５１と、算出部６１と、を含む。
【０１１５】
取得部５１は、第１の形状取得部１１と、第１の移動軌跡取得部３１と、第２の形状取得部１３と、第２の移動軌跡取得部３２と、概略位置姿勢取得部３３と、を含む。第１の形状取得部１１と、第２の形状取得部１３と、パラメータ拘束部１５は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１１６】
第１の形状取得部１１が取得する第１形状データは、第１の実施形態と同様に、通路内を移動する移動体に設置されたセンサ（第１センサ）によって測定される。本実施形態においては、第２の形状取得部１３が取得する第２形状データも、通路内を移動する移動体に設置されたセンサ（第２センサ）によって測定される。第２センサは、第１センサと同様の構成を有する。第２センサは、第１センサと同じセンサであっても良いし、第１センサとは異なるセンサであってもよい。第２センサが設置される移動体は、第１センサが設置される移動体と同じ移動体であっても良いし、第１センサが設置される移動体とは異なる移動体であってもよい。
【０１１７】
例えば、計測の対象物である通路は、トンネルである。移動体は、トンネル内を走行する車両である。例えば、本実施形態に係る形状位置合わせ装置は、トンネル内の第１車線で測定された第１形状データと、トンネル内の第１車線とは異なる第２車線で測定された第２形状データと、の位置合わせを行う。第２車線は、第１車線の対向車線でもよい。
【０１１８】
第１の移動軌跡取得部３１は、第１形状データが測定されたときの第１センサの軌跡に関する第１位置データ（以下、第１の移動軌跡という）を取得する。  
第２の移動軌跡取得部３２は、第２形状データが測定されたときの第２センサの軌跡に関する第２位置データ（以下、第２の移動軌跡という）を取得する。  
概略位置姿勢取得部３３は、概略位置姿勢を取得する。本実施形態では、概略位置姿勢は、第１の移動軌跡と第２の移動軌跡との相対的な位置関係を含む。
【０１１９】
算出部６１は、パラメータ拘束部１５と、位置合わせ部３４と、を含む。パラメータ拘束部１５は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１２０】
位置合わせ部３４は、法線算出部１７と、初期位置算出部３５と、有効度算出部１９と、演算部２０と、高精度化部２１と、を含む。法線算出部１７と、有効度算出部１９と、演算部２０と、高精度化部２１は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１２１】
初期位置算出部３５は、概略位置姿勢取得部３３により取得された概略位置姿勢と、第１の移動軌跡取得部３１により取得された第１の移動軌跡と、第２の移動軌跡取得部３２により取得された第２の移動軌跡と、に基づいて、第１形状データの第１位置と第２の形状データの第２位置とを、第１座標系において大まかに合わせる。
【０１２２】
図８は、第２の実施形態に係る形状位置合わせ方法を例示するフローチャートである。  ステップＳ２０１において、第１の形状取得部１１は、第１形状データを取得し、第１の移動軌跡取得部３１は、第１の移動軌跡を取得し、第２の形状取得部１３は、第２形状データを取得し、第２の移動軌跡取得部３２は、第２の移動軌跡を取得し、概略位置姿勢取得部３３は、概略位置姿勢を取得する。
【０１２３】
ステップＳ２０３では、初期位置算出部３５が第１形状データと第２の形状データとを、大まかに位置合わせする。
【０１２４】
ステップＳ２０２、Ｓ２０４、Ｓ２０５、Ｓ２０６、Ｓ２０７は、それぞれ、対象物がエレベータからトンネルに変わったことを除き、ステップＳ１０２、Ｓ１０４、Ｓ１０５、Ｓ１０６、Ｓ１０７と同様の処理である。  
以下では、ステップＳ２０１及びステップＳ２０３について説明する。
【０１２５】
＜ステップＳ２０１＞
ステップＳ２０１では、位置合わせの対象となる三次元点群とセンサの移動軌跡と概略位置姿勢とを取得する。  
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、実施形態に係る形状データの測定を例示する模式図である。  
図９（ａ）に示すように、トンネル４０１内を走行する車両４０２に、ラインレーザ４０４と二台のカメラ（カメラ４０５Ａ及びカメラ４０５Ｂ）を搭載したセンサ４０３を設置する。車両４０２を走行させながら連続的に二台のカメラによって画像を取得し、同時にラインレーザ４０４から距離データを取得する。このセンサの構成は、第１の実施形態のステップＳ１０１Ａにおいて、三次元点群とセンサの移動軌跡を取得した場合と同様である。このため、第１の実施形態における説明と同様にして、第１形状データ及び第１の移動軌跡４０６を取得することができる。
【０１２６】
図９（ｂ）に示すように、第２形状データと第２の移動軌跡４０７は、第１形状データを測定したセンサと同様のセンサによって測定される。センサは、車両４０２に設置され、測定は、車両４０２を走行させながら行われる。
【０１２７】
第２形状データを測定するときに車両４０２が走行する区間の一部は、第１形状データを測定するときに車両４０２が走行する区間の一部と重なる。これにより、第１形状データと第２形状データとの間には、重複部分が設けられる。つまり、第１形状データは、対象物の第１部分と第３部分（重複部分）の形状を表し、第２形状データは、対象物の第２部分と第３部分（重複部分）の形状を表す。これにより、第３部分に対応する点群に基づいて、位置合わせを行うことができる。
【０１２８】
第１の実施形態の説明においても述べたように、第１形状データと第２形状データとは、互いに独立した座標系で定められている。このため、位置合わせには、点群同士の大まかな位置関係（位置姿勢）を用いる。本実施形態においては、点群と移動軌跡とは共通の座標系にあることを利用する。移動軌跡同士の位置を大まかに合わせることによって、点群同士の大まかな位置を合わる。すなわち、初期位置合わせ（第１処理）において、第１センサの軌跡の位置と、第２センサの軌跡の位置と、を第１座標系において合わせる。
【０１２９】
この移動軌跡の位置合わせのために、本ステップではさらに、第１の移動軌跡４０６と第２の移動軌跡４０７との相対的な位置関係を、概略位置姿勢として取得する。この例では、移動軌跡の間で互いに対応している点と、移動軌跡の方向と、移動軌跡まわりの回転と、の３つのパラメータを取得する。移動軌跡の間で互いに対応している点と移動軌跡の方向とについては、ＧＰＳなどから得ることが可能である。また、移動軌跡まわりの回転は、センサの取り付け角度から求めることが可能である。
【０１３０】
なお、概略位置姿勢の取得方法は上記に限定されない。例えば、トンネル内部に形状やテクスチャが既知のマーカを設置し、第１形状データから検出されたマーカの位置と、第２形状データから検出されたマーカの位置とを合致させることで概略位置姿勢を算出してもよい。
【０１３１】
＜ステップＳ２０３＞  
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、第２の実施形態に係る形状位置合わせ装置の処理を例示する模式図である。  
図１０（ａ）は、第１の移動軌跡４０６と、第１形状データ（第１の３次元点群５０１）と、を例示する。図１０（ｂ）は、第２の移動軌跡４０７と、第２形状データ（第２の３次元点群５０２）と、を例示する。
【０１３２】
ステップＳ２０３では、第１の移動軌跡４０６と第２の移動軌跡４０７とを一致させる。これにより、第１形状データと第２形状データとの大まかな位置合わせを行う。まず、第１形状データに含まれる点と、この点に対応する第２形状データに含まれる点と、を一致させる。その後、第１の移動軌跡が延在する方向と、第２の移動軌跡が延在する方向とを一致させる。これにより、第１の移動軌跡と第２の移動軌跡との大まかに位置合わせを行うことができる。さらに、移動軌跡の周りの回転を、ステップＳ２０１で取得された値により決定する。これにより、第１形状データの座標系と、第２形状データの座標系とを大まかに一致させることができる。
【０１３３】
以上により、図１０（ｃ）に示すように、第１の３次元点群５０１と第２の３次元点群５０２とが位置合わせされる。なお、上述の方法で位置合わせされた結果に対して、さらに第１の実施形態のステップＳ１０３で説明したＩＣＰを適用して高精度化を行ってもよい。
【０１３４】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、センサの移動軌跡に基づく座標変換が行われる。これにより、トンネル内を走行する車両に設置されたセンサによって測定された複数の３次元点群を、高精度で位置合わせすることが可能である。また、３次元点群間の概略位置姿勢として、第１の移動軌跡と第２の移動軌跡と用いる。その際に、概略位置姿勢として、上述の３つのパラメータを入力することができる。
【０１３５】
（第３の実施形態）  
図１１は、第３の実施形態に係る形状位置合わせ装置を例示するブロック図である。  
図１１に示すように、本実施形態に係る形状位置合わせ装置１０３は、取得部５２と、算出部６２と、を含む。
【０１３６】
取得部５２は、第１の形状取得部１１と、第２の形状取得部１３と、概略位置姿勢取得部１４と、を含む。これらについては、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。取得部５２は、第１の実施形態に係る取得部５０とは異なり、移動軌跡取得部１２を含まない。
【０１３７】
算出部６２は、位置合わせ部１６と、パラメータ拘束部４１と、を含む。位置合わせ部１６については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１３８】
以下では、第１の実施形態の例と同様に、計測の対象物がエレベータシャフトである例について説明する。但し、計測の対象物は、エレベータシャフトに限られない。例えば、対象物は、トンネルであってもよい。第１形状データ及び第２形状データは、第１の実施形態と同様にして取得される。第１形状データがシャフト領域の点群であり、第２形状データがピット領域の点群である場合について説明する。
【０１３９】
パラメータ拘束部４１は、第１形状データ（シャフト領域の点群）、第２形状データ（ピット領域の点群）及び概略位置姿勢の、少なくともいずれかに基づいて、位置合わせのパラメータに加えられる拘束条件を決定する。
【０１４０】
第１、２の実施形態においては、座標変換の拘束条件の算出には第１方向（例えばセンサの移動方向）が用いられ、第１方向の算出にはセンサの軌跡の形状（第１形状）が用いられた。本実施形態においては、センサの移動軌跡を用いなくてもよい。本実施形態においては、例えば第１方向の代わりに、基準方向を算出する。基準方向は、第１形状データ、第２形状データ及び概略位置姿勢の少なくともいずれかに基づいて算出される。この基準方向に応じて、位置合わせ処理が行われる。
【０１４１】
図１２は、第３の実施形態に係る形状位置合わせ方法を例示するフローチャートである。  
ステップＳ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３、Ｓ１０５、Ｓ１０６及びＳ１０７における処理は、前述の第１方向の代わりにパラメータ拘束部４１によって算出される基準方向が用いられることを除き、第１の実施形態における説明と同様である。
【０１４２】
本実施形態では、ステップＳ１０４の代わりにステップＳ３０４が実施される。ステップＳ３０４では、シャフト領域の点群、ピット領域の点群、概略位置姿勢の少なくともいずれかに基づいて、基準方向を算出する。この例では、基準方向は、センサの移動方向である。以下では、それぞれの手がかりからセンサの移動方向を推定する方法について述べる。
【０１４３】
＜ステップＳ３０４＞
まず、シャフト領域の点群３０１から、かごの移動方向を推定する場合について述べる。例えば、シャフト領域の点群３０１に四角柱をあてはめ、四角柱の軸方向を算出することでセンサの移動方向を推定する。
【０１４４】
シャフト領域の点群３０１の大部分は、壁面の形状を表す。図５に一部図示したように、壁面を表す点群の法線は、水平面上に沿っていることが期待される。例えば、壁面を表す点群の法線は、センサの進行方向に対して直交する。この性質を利用して、センサの進行方向を算出する。具体的には、シャフト領域の点群の法線に対して平面をあてはめる。そして、その平面に対して垂直な方向をセンサの移動方向とみなす。この際、シャフト領域の点群には壁面以外の形状を表す点群も含まれるため、ＲＡＮＳＡＣなどのロバスト推定を用いる。これにより、壁面以外の形状を表す点群を外れ値として除外する。ピット領域の点群３０２からセンサの移動方向を推定する処理も同様にして行うことができる。
【０１４５】
すなわち、第１形状データによって表される対象物の一部（壁面やレール等の部材）の形状が第１座標系において延在する方向を基準方向とすることができる。同様に、第２形状データによって表される対象物の一部の形状が第１座標系において延在する方向を基準方向とすることができる。
【０１４６】
次に、概略位置姿勢からエレベータの移動方向を推定する処理について述べる。  
ここでは、ピット領域の点群３０２を計測したセンサの計測時の位置は、シャフト領域の点群３０１を計測したセンサの計測時の位置の真下であると仮定する。
【０１４７】
例えば、第１の形状取得部１１が取得したデータにおいて、シャフト領域の点群３０１を表す座標系の原点を第１原点とする。第２形状取得部１３が取得したデータにおいて、ピット領域の点群３０２を表す座標系の原点を第２原点とする。このとき、シャフト領域の点群３０１を表す座標系における第２原点の位置は、概略位置姿勢から算出することができる。シャフト領域の点群３０１を表す座標系において、第１原点と第２原点の位置とを結ぶ方向を算出する。この方向をセンサの移動方向とみなすことができる。
【０１４８】
前述の仮定は、厳密には成り立たないことがある。このため、この方法で得られる移動方向は、正確ではない場合がある。但し、算出された方向においては、センサの移動方向に関する成分が支配的である。このため、実用的には十分な精度が期待される。
【０１４９】
このようにして算出されたセンサの移動方向に限定した位置合わせを行うことにより、高精度な位置合わせを行うことが可能になる。形状位置合わせ装置１０３によれば、第１の実施形態と同様に、エレベータかごの上に設置されたラインレーザが移動しながら取得した三次元点群と、ピット床面に設置されたラインレーザが回転しながら取得した三次元点群と、を高精度に位置合わせすることができる。本実施形態においては、移動軌跡を用いずに精度の高い位置合わせが可能である。
【０１５０】
以上、実施形態として形状位置合わせ装置及び形状位置合わせ方法を例示して説明したが、実施形態は、この形状位置合わせ方法をコンピュータに実行させるための形状位置合わせプログラムの形態、あるいは、この形状位置合わせプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体の形態としてもよい。
【０１５１】
上記の記録媒体としては、具体的には、ＣＤ-ＲＯＭ（-Ｒ／-ＲＷ）、光磁気ディスク、ＨＤ（ハードディスク）、ＤＶＤ-ＲＯＭ（-Ｒ／-ＲＷ／-ＲＡＭ）、ＦＤ（フレキシブルディスク）、フラッシュメモリ、メモリカードや、メモリスティック及びその他各種ＲＯＭやＲＡＭ等が想定でき、これら記録媒体に上述した本実施形態の形状位置合わせ方法をコンピュータに実行させるための形状位置合わせプログラムを記録して流通させることにより、当該方法の実現を容易にする。そしてコンピュータ等の情報処理装置に上記のごとくの記録媒体を装着して情報処理装置により形状位置合わせプログラムを読み出すか、若しくは情報処理装置が備えている記憶媒体に当該形状位置合わせプログラムを記憶させておき、必要に応じて読み出すことにより、本実施形態の形状位置合わせ方法を実行することができる。
【０１５２】
実施形態によれば、高精度な形状位置合わせ装置、形状位置合わせ方法及び形状位置合わせプログラムが提供できる。
【０１５３】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０１５４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、取得部、算出部、形状データ、位置データなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１５５】
その他、本発明の実施の形態として上述した形状位置合わせ装置、形状位置合わせ方法及び形状位置合わせプログラムを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形状位置合わせ装置、形状位置合わせ方法及び形状位置合わせプログラムも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１５６】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１５７】
本発明の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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。
【符号の説明】
【０１５８】
１１…第１の形状取得部、  １２…移動軌跡取得部、  １３…第２の形状取得部、  １４…概略位置姿勢取得部、  １５…パラメータ拘束部、  １６…位置合わせ部、  １７…法線算出部、  １８…初期位置算出部、  １９…有効度算出部、  ２０…演算部、  ２１…高精度化部、  ３１…第１の移動軌跡取得部、  ３２…第２の移動軌跡取得部、  ３３…概略位置姿勢取得部、  ３４…位置合わせ部、  ３５…初期位置算出部、  ４１…パラメータ拘束部、  ５０、５１、５２…取得部、  ６０、６１、６２…算出部、  １０１、１０２、１０３…形状位置合わせ装置、  ２０１…エレベータシャフト、  ２０２  エレベータかご、  ２０３…センサ、  ２０４…ラインレーザ、  ２０５Ａ…カメラ、  ２０５Ｂ…カメラ、  ２０６…センサ、  ２０７…センサ、  ２０８…ラインレーザ、  ２０９…回転機構、  ３０１…シャフト領域の点群、  ３０２…ピット領域の点群、  ３０２Ａ、３０２Ｂ…点群、  ３０３…対応関係、  ３０４…センサの移動方向、  ３０５…法線ベクトル、  ３０６…点、  ３０７…領域、  ３０８…対応関係、  ４０１…トンネル、  ４０２…車両、  ４０３…センサ、  ４０４…ラインレーザ、  ４０５Ａ…カメラ、  ４０５Ｂ…カメラ、  ４０６…第１の移動軌跡、  ４０７…第２の移動軌跡、  ５０１…第１の３次元点群、  ５０２…第２の３次元点群、  Ｐ１…第１部分、  Ｐ２…第２部分、  Ｐ３…第３部分
【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】
2017058166.tif 000022
【図１０】
2017058166.tif 000023
【図１１】
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【図１２】
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