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JP2015118441A - Data processing apparatus, data processing method and data processing program - Google Patents

Data processing apparatus, data processing method and data processing program Download PDF

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JP2015118441A JP2013260076A JP2013260076A JP2015118441A JP 2015118441 A JP2015118441 A JP 2015118441A JP 2013260076 A JP2013260076 A JP 2013260076A JP 2013260076 A JP2013260076 A JP 2013260076A JP 2015118441 A JP2015118441 A JP 2015118441A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce dependency upon an initial position by reducing a processing amount for matching directions and positions between objects indicated by two data items, respectively.SOLUTION: A main component calculation part calculates a representative of normal lines in an area where the normal lines are distributed with a higher density than a predetermined density, as a first normal line main component among normal lines on a surface of a first object indicated by first data. A handling part determines a second normal line main component corresponding to the first normal line main component on the basis of a degree of approximation with the first normal line main component from a second normal line main component as a representative of normal lines in an area where the normal lines are distributed with the higher density than the predetermined density, among normal lines on a surface of a second object indicated by second data. A relative direction calculation part calculates a relative direction between a direction of the first normal line main component and a direction of the second normal line main component.

Description

本発明は、データ処理装置、データ処理方法、及びデータ処理プログラムに関する。   The present invention relates to a data processing device, a data processing method, and a data processing program.

動作環境において位置を推定する技術(例えば、対環境自己位置推定)や、周囲の環境に関する情報を把握する技術(例えば、探索環境地図構築)は、以前から提案され、様々な分野(例えば、移動ロボットの動作制御)への応用が試みられている。周囲の環境として周囲に位置している種々の物体の表面の形状を示す形状データを取得する3次元測域距離センサ(3DLRF:Three Dimensional Laser Range Finder)が用いられることがある。3DLRFは、物体の表面を所定の空間間隔(精度)でサンプリングしたサンプル点からなる点群(point cloud)データ(点群情報)を取得する。その空間間隔は、例えば、数mm以下の高精度なものもある。自己位置推定(localization)や、地図構築(mapping)において、互いに相対的な位置や姿勢(相対位置姿勢)の関係が不明な2つの点群が重なり合うように方向や位置を合わせる処理(matching:位置合わせ)が必要になることがある。   A technique for estimating a position in an operating environment (for example, self-position estimation with respect to the environment) and a technique for grasping information about the surrounding environment (for example, construction of a search environment map) have been proposed in the past, and various fields (for example, movement) Application to robot motion control) has been attempted. As a surrounding environment, a three-dimensional ranging distance sensor (3DLRF) that acquires shape data indicating the shape of the surface of various objects located in the surroundings may be used. 3DLRF acquires point cloud data (point cloud information) consisting of sample points obtained by sampling the surface of an object at a predetermined spatial interval (accuracy). For example, there is a high-precision space interval of several mm or less. In self-localization and mapping (mapping), a process for matching the direction and position so that two point groups whose relative positions and postures (relative position and posture) are unknown are overlapped (matching: position) Adjustment) may be required.

例えば、特許文献1に記載の自己位置推定装置は、2つの点群の位置合わせを行う際、ICP(Iterative Closest Point)法を用いる。ICP法は、反復計算により2つの点群の間の距離を最小化するアルゴリズムであり、複雑な形状を示す点群についても実行可能であるという汎用性を有する。   For example, the self-position estimation apparatus described in Patent Document 1 uses an ICP (Iterative Closest Point) method when aligning two point groups. The ICP method is an algorithm for minimizing the distance between two point groups by iterative calculation, and has the versatility that it can be executed even for point groups showing complicated shapes.

特開2011−8320号公報JP 2011-8320 A

しかしながら、ICP法は、反復解法であるため、その計算処理に多くの時間を要する。そのため、実時間での処理が求められる用途、例えば、移動ロボットの動作の制御に応用することは現実的ではない。たとえ平面度の高い面を多く含む物体から取得された点群同士の位置合わせに利用されたときでも処理時間が短くなるとは限らない。このような点群は、特に室内等の人工的な環境で現れることが多い。
また、ICP法による処理結果は、点群を構成する各サンプル点の初期位置に対する依存性が強く、局所解に陥る傾向がある。つまり、期待される位置合わせの結果が得られる初期位置の範囲が狭いことを意味する。これについて、RANSAC(Random Sample Consensus)法を採用して、各サンプル点の初期位置をランダムに設定することも考えられるが、計算時間がさらに増加してしまう。
However, since the ICP method is an iterative solution method, a long time is required for the calculation process. For this reason, it is not practical to apply to applications that require real-time processing, for example, control of the operation of a mobile robot. Even when used for aligning point groups acquired from an object including many surfaces with high flatness, the processing time is not necessarily shortened. Such a point cloud often appears especially in an artificial environment such as a room.
Further, the processing result by the ICP method is highly dependent on the initial position of each sample point constituting the point group, and tends to fall into a local solution. That is, it means that the range of the initial position where the expected alignment result is obtained is narrow. In this regard, it may be possible to adopt a RANSAC (Random Sample Consensus) method to set the initial positions of the respective sample points at random, but the calculation time further increases.

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、2つのデータがそれぞれ示す物体間の方向や位置を合わせるための処理量を軽減することができ、初期位置に対する依存性を低くすることができるデータ処理装置、データ処理方法、及びデータ処理プログラムを提供する。   The present invention has been made in view of the above points, and can reduce the amount of processing for matching the direction and position between the objects indicated by the two data, and can reduce the dependency on the initial position. A data processing apparatus, a data processing method, and a data processing program are provided.

(1)本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、第1のデータが示す第1の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表を第1の法線主成分として算出する主成分算出部と、第2のデータが示す第2の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表である第2の法線主成分から、前記第1の法線主成分との近似の度合いに基づいて前記第1の法線主成分に対応する第2の法線主成分を定める対応部と、前記第1の法線主成分の方向と前記第2の法線主成分の方向との間の相対的な方向を算出する相対方向算出部と、備えるデータ処理装置である。 (1) The present invention has been made to solve the above-described problems, and one aspect of the present invention is more than a predetermined density among the normals of the surface of the first object indicated by the first data. Among a normal component calculation unit that calculates a representative of normal lines in a region distributed at high density as a first normal line main component, and a normal line of a surface of the second object indicated by the second data Based on the degree of approximation to the first normal principal component from the second normal principal component that is representative of the normal of the region that is distributed at a higher density than the density, the first normal principal A corresponding part that defines a second normal principal component corresponding to the component, and a relative direction for calculating a relative direction between the direction of the first normal principal component and the direction of the second normal principal component A direction calculation unit and a data processing device provided.

(2)本発明のその他の態様は、上述のデータ処理装置であって、前記主成分算出部は、前記第1の物体の形状を表す複数の点からなる第1の点群データに基づいて前記第1の物体の表面の法線のうち、予め定めた密度よりも高密度で分布している領域における法線の重心を前記第1の法線主成分として算出する。 (2) Another aspect of the present invention is the above-described data processing device, wherein the principal component calculation unit is based on first point cloud data including a plurality of points representing the shape of the first object. Of the normals of the surface of the first object, the center of gravity of the normal in a region distributed at a density higher than a predetermined density is calculated as the first normal normal component.

(3)本発明のその他の態様は、上述のデータ処理装置であって、前記主成分算出部は、前記第1の物体の表面の法線を、当該第1の物体の表面の法線間の距離に基づいて複数の法線の群に分類し、各群に属する法線毎に前記第1の法線主成分を算出する。 (3) Another aspect of the present invention is the above-described data processing device, wherein the principal component calculation unit calculates a normal between the surfaces of the first object and a normal between the surfaces of the first object. Are grouped into a plurality of normal lines based on the distance of the first normal line, and the first normal principal component is calculated for each normal line belonging to each group.

(4)本発明のその他の態様は、上述のデータ処理装置であって、前記主成分算出部は、前記第1の物体の表面までの原点からの深さを大きさとして有する法線である第1の深さ付き法線のうち、予め定めた密度よりも高密度で分布している深さ付き法線の代表を第1の壁面主成分として算出し、前記対応部は、前記第2の物体の表面までの原点からの深さを大きさとして有する法線である第2の深さ付き法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の深さ付き法線の代表である第2の壁面主成分から、前記第1の壁面主成分との近似の度合いに基づいて前記第1の壁面主成分に対応する第2の壁面主成分を定め、前記第1の壁面主成分と、当該第1の壁面主成分に対応する第2の壁面主成分との差分に基づいて前記第1の物体と前記第2の物体との間の相対的な位置を算出する相対並進位置算出部と、を備える。 (4) Another aspect of the present invention is the data processing device described above, wherein the principal component calculation unit is a normal having a depth from the origin to the surface of the first object as a magnitude. Among the first depth normals, a representative of the depth normal distributed at a density higher than a predetermined density is calculated as a first wall surface main component, and the corresponding portion is the second depth. Of the second normal with depth, which is the normal having the depth from the origin to the surface of the object as a magnitude, the normal with depth of the region distributed at a higher density than the predetermined density A second wall surface principal component corresponding to the first wall surface principal component is determined based on a degree of approximation with the first wall surface principal component from the second wall surface principal component that is representative of the first wall surface principal component. The first object based on a difference between a wall surface principal component and a second wall surface principal component corresponding to the first wall surface principal component. And a relative translational position calculating unit for calculating a relative position between said second object.

(5)本発明のその他の態様は、上述のデータ処理装置であって、前記主成分算出部は、前記第1の物体の形状を表す複数の点からなる第1の点群データに基づいて前記第1の物体の表面の深さ付き法線のうち、予め定めた密度よりも高密度で分布している領域における深さ付き法線の重心を前記第1の壁面主成分として算出する。 (5) Another aspect of the present invention is the above-described data processing device, wherein the principal component calculation unit is based on first point cloud data including a plurality of points representing the shape of the first object. Of the normals with depth of the surface of the first object, the center of gravity of the normal with depth in a region distributed at a density higher than a predetermined density is calculated as the first wall surface main component.

(6)本発明のその他の態様は、上述のデータ処理装置であって、前記主成分算出部は、前記第1の物体の表面の深さ付き法線を、当該第1の物体の表面の深さ付き法線間の距離に基づいて複数の深さ付き法線の群に分類し、各群に属する深さ付き法線毎に前記第1の壁面主成分を算出する。 (6) Another aspect of the present invention is the above-described data processing device, wherein the principal component calculation unit calculates a normal line with a depth of the surface of the first object on the surface of the first object. Based on the distance between the normals with depth, it classify | categorizes into the group of several normal with depth, and calculates the said 1st wall surface main component for every normal with depth which belongs to each group.

(7)本発明のその他の態様は、データ処理方法において、第1のデータが示す第1の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表を第1の法線主成分として算出する主成分算出過程と、第2のデータが示す第2の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表である第2の法線主成分から、前記第1の法線主成分との近似の度合いに基づいて前記第1の法線主成分に対応する第2の法線主成分を定める対応過程と、前記第1の法線主成分の方向と前記第2の法線主成分の方向との間の相対的な方向を算出する相対方向算出過程と、を有するデータ処理方法である。 (7) According to another aspect of the present invention, in the data processing method, among the normals of the surface of the first object indicated by the first data, the normals of a region distributed at a higher density than a predetermined density Of the principal component calculation process for calculating the representative of the first normal principal component and the normal of the surface of the second object indicated by the second data at a density higher than a predetermined density The second normal principal component corresponding to the first normal principal component based on the degree of approximation with the first normal principal component from the second normal principal component that is representative of the normal And a relative direction calculation step of calculating a relative direction between the direction of the first normal principal component and the direction of the second normal principal component. is there.

(8)本発明のその他の態様は、データ処理装置のコンピュータに、第1のデータが示す第1の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表を第1の法線主成分として算出する主成分算出手順、第2のデータが示す第2の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表である第2の法線主成分から、前記第1の法線主成分との近似の度合いに基づいて前記第1の法線主成分に対応する第2の法線主成分を定める対応手順、前記第1の法線主成分の方向と前記第2の法線主成分の方向との間の相対的な方向を算出する相対方向算出手順、を実行させるためのデータ処理プログラムである。 (8) According to another aspect of the present invention, the computer of the data processing apparatus has a region that is distributed at a higher density than a predetermined density among normals of the surface of the first object indicated by the first data. The principal component calculation procedure for calculating the representative of the normal as the first normal principal component, and the normal of the surface of the second object indicated by the second data are distributed at a higher density than the predetermined density. The second normal principal corresponding to the first normal principal component based on the degree of approximation with the first normal principal component from the second normal principal component that is representative of the region normal Data processing for executing a corresponding procedure for determining a component and a relative direction calculation procedure for calculating a relative direction between the direction of the first normal principal component and the direction of the second normal principal component It is a program.

本発明によれば、2つのデータがそれぞれ示す物体間の方向や位置を合わせるための処理量を軽減することができ、初期位置に対する依存性を低くすることができる。   According to the present invention, it is possible to reduce the amount of processing for matching the direction and position between objects indicated by two data, and it is possible to reduce the dependency on the initial position.

本発明の第1の実施形態に係るデータ処理装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the data processor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 点群データの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of point cloud data. 法線ベクトルの一例を示す。An example of a normal vector is shown. 本実施形態に係るデータ処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the data processing which concerns on this embodiment. 本発明の第2の実施形態に係るデータ処理装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the data processor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 深さ情報付き法線ベクトルの一例を示す。An example of a normal vector with depth information is shown. 本実施形態に係るデータ処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the data processing which concerns on this embodiment. モデル点群の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a model point group. 誤差の初期位置依存性を示す図である。It is a figure which shows the initial position dependence of an error. 処理時間の初期位置依存性を示す図である。It is a figure which shows the initial position dependence of processing time. 点群データを取得した環境の一例を示す写真である。It is a photograph which shows an example of the environment which acquired point cloud data. 処理前の点群データの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the point cloud data before a process. 処理後の点群データの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the point cloud data after a process.

(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係るデータ処理装置1の構成を示すブロック図である。
データ処理装置1は、データ入力部101、主成分算出部102、対応部103、回転算出部(相対方向算出部)104、データ出力部105、及び記憶部11を含んで構成され、各部はバス12で接続されている。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a data processing apparatus 1 according to the present embodiment.
The data processing apparatus 1 includes a data input unit 101, a principal component calculation unit 102, a correspondence unit 103, a rotation calculation unit (relative direction calculation unit) 104, a data output unit 105, and a storage unit 11. Each unit is a bus. 12 is connected.

データ入力部101には、データ処理装置1の外部、例えば、3DLRFからクエリ点群データ(第1のデータ)が入力される。点群データは、予め定めた撮像領域に含まれる被写体(物体)の形状を所定の空間間隔でサンプリングしたサンプル点からなる点群を示すデータである。入力されたクエリ点群データが示す点群をクエリ点群(query point cloud)と呼び、クエリ点群を構成するサンプル点をクエリ点と呼ぶことがある。各サンプル点は、被写体(第1の物体)の表面の1点の座標を示す。データ入力部101は、入力されたクエリ点群データを主成分算出部102に出力する。データ入力部101は、例えば、データ入力インタフェースである。
クエリ点群データは、その他の機器、例えば、サーバ装置からLAN(Local Area Network)、インターネット等の通信路を介して受信した点群データであってもよい。
Query point cloud data (first data) is input to the data input unit 101 from the outside of the data processing apparatus 1, for example, 3DLRF. The point group data is data indicating a point group composed of sample points obtained by sampling the shape of a subject (object) included in a predetermined imaging region at a predetermined spatial interval. The point cloud indicated by the input query point cloud data may be referred to as a query point cloud, and the sample points constituting the query point cloud may be referred to as query points. Each sample point indicates the coordinates of one point on the surface of the subject (first object). The data input unit 101 outputs the input query point cloud data to the principal component calculation unit 102. The data input unit 101 is, for example, a data input interface.
The query point cloud data may be point cloud data received from another device, for example, a server device via a communication path such as a LAN (Local Area Network) or the Internet.

主成分算出部102は、データ入力部101から入力されたクエリ点群データQを構成するサンプル点qpiのそれぞれについて、そのサンプル点における被写体の表面に垂直な方向を示す法線(normal)を示す法線ベクトル(normal vector)qniを算出する。主成分算出部102は、例えば、ある注目サンプル点を頂点の1つとして共有する面を形成し、その注目サンプル点に隣接する2つのサンプル点の組を抽出する。 The principal component calculation unit 102 sets, for each sample point q pi constituting the query point cloud data Q input from the data input unit 101, a normal line (normal) indicating a direction perpendicular to the surface of the subject at the sample point. The normal vector q ni shown is calculated. For example, the principal component calculation unit 102 forms a surface that shares a certain target sample point as one of the vertices, and extracts a set of two sample points adjacent to the target sample point.

主成分算出部102は、注目サンプル点と抽出した2つのサンプル点の組から形成される面毎に法線ベクトルを算出し、算出した面毎の法線ベクトルを平均することによって、その注目サンプル点に係る法線ベクトルqniを算出する。この処理で注目サンプル点について算出した法線ベクトルqniは、頂点法線ベクトルと呼ばれる。算出した法線ベクトルqniは、3次元のベクトルである。法線ベクトルqniを用いることで各サンプル点qpiでの位置情報が欠落するが、被写体とモデルとの間の相対的な姿勢の差異(相対姿勢)である回転と相対的な位置の差異である並進とを別個に分離して扱うことができる。
主成分算出部102は、各サンプル点qpiで算出した法線ベクトルqniの大きさを、例えば、1に規格化する。
The principal component calculation unit 102 calculates a normal vector for each surface formed from the set of the sample point of interest and the extracted two sample points, and averages the calculated normal vectors for each surface to obtain the sample of interest. A normal vector q ni related to the point is calculated. The normal vector q ni calculated for the sample point of interest in this process is called a vertex normal vector. The calculated normal vector q ni is a three-dimensional vector. Although the positional information at each sample point q pi is lost by using the normal vector q ni , the difference between the rotation and the relative position, which is a relative posture difference (relative posture) between the subject and the model. It is possible to separately handle the translation which is.
The principal component calculation unit 102 normalizes the size of the normal vector q ni calculated at each sample point q pi to, for example, 1.

主成分算出部102は、各サンプル点qpiで算出した法線ベクトルqniの分布が所定の密度よりも高い密度で分布している部分における法線ベクトルqniを抽出する。
例えば、主成分算出部102は、各サンプル点qpiで算出した法線ベクトルqniの分布についてクラスタリング(clustering)を行って複数のクラスタ(cluster:群)に分類し、分類されたクラスタ毎の代表ベクトルを法線主成分として抽出する。これにより、所定の密度よりも高い密度で分布している部分の法線ベクトルを抽出することができる。主成分算出部102は、クラスタリングを行う際、例えば、階層的(hierarchical)クラスタリングの一手法である群平均法(group average method)を用いてもよい。
The principal component calculation unit 102 extracts a normal vector q ni in a portion where the distribution of the normal vector q ni calculated at each sample point q pi is distributed at a density higher than a predetermined density.
For example, the principal component calculation unit 102 performs clustering on the distribution of the normal vector q ni calculated at each sample point q pi and classifies the distribution into a plurality of clusters (cluster). A representative vector is extracted as a normal component. Thereby, it is possible to extract a normal vector of a portion distributed at a density higher than a predetermined density. When performing the clustering, the principal component calculation unit 102 may use, for example, a group average method that is a method of hierarchical clustering.

階層的クラスタリングは、次の過程(i)−(iv)を有する手法である:(i)それぞれ1個の法線ベクトルをメンバとして有するクラスタを設定する、(ii)各クラスタ間の類似度のうち、最も類似度が高いクラスタ同士を統合して1個のクラスタを形成する、(iii)クラスタの数が1個になった時に処理を終了し、そうでなければ(iv)に進む、(iv)(ii)で形成されたクラスタと他のクラスタのそれぞれとの類似度を算出し、(ii)に戻る。階層的クラスタリングは、主成分の数、つまりクラスタの数が既知でない場合でも適用可能であり、各クラスタに属する法線ベクトルの数によらずにクラスタ間の類似度を算出することができる。   Hierarchical clustering is a method having the following steps (i)-(iv): (i) setting clusters each having one normal vector as a member, (ii) similarity between each cluster Among them, the clusters having the highest similarity are integrated to form one cluster. (Iii) When the number of clusters reaches 1, the process is terminated. Otherwise, the process proceeds to (iv). iv) Calculate the similarity between the cluster formed in (ii) and each of the other clusters, and return to (ii). Hierarchical clustering can be applied even when the number of principal components, that is, the number of clusters is not known, and the similarity between clusters can be calculated regardless of the number of normal vectors belonging to each cluster.

群平均法は、この階層的クラスタリングにおいて、2つのクラスタのそれぞれから選択した法線ベクトル間の類似度を全ての法線ベクトルの組のそれぞれについて算出し、算出した類似度の平均値を2つのクラスタ間の類似度として定める手法である。群平均法によれば、最終的に求めようとする各クラスタの代表(例えば、重心)を法線ベクトルの代表として取得することができる。また、建造物等、人工的に構成された被写体を示す点群データに基づく法線ベクトルの分布は、ベクトル空間内の特定の領域に集中している明確な集団を形成していることが多いため、その領域毎に定めた法線ベクトルの代表によって、法線ベクトルの分布をモデル化することができる。   In the group average method, in this hierarchical clustering, the similarity between normal vectors selected from each of two clusters is calculated for each set of all normal vectors, and the average value of the calculated similarities is calculated as two values. This is a method for determining the similarity between clusters. According to the group average method, a representative (for example, the center of gravity) of each cluster to be finally obtained can be obtained as a normal vector representative. Further, the distribution of normal vectors based on point cloud data indicating artificially constructed subjects such as buildings often forms a clear group concentrated in a specific area in the vector space. Therefore, the distribution of the normal vectors can be modeled by the representative of the normal vectors determined for each region.

主成分算出部102は、分類されたクラスタのうち、そのクラスタに属する法線ベクトルの数が予め定めた法線ベクトルの数の閾値よりも少ないクラスタを排除する。これにより、外れ値、つまり所定の平面度よりも平面度が低い形状を示す部分のサンプル点に係る法線ベクトルが除去され、平面度がより高い形状を示すサンプル点に係る法線ベクトルが主に抽出される。
主成分算出部102は、法線ベクトル空間全体をその範囲とする1つのクラスタを除き、排除されずに残った複数のクラスタのそれぞれについて、代表値を算出する。代表値は、例えば、それぞれのクラスタに属する法線ベクトルの重心(centroid)である。残ったクラスタの数、つまり代表値の数をNCQと表す。以下の説明では、この法線ベクトルの重心を法線主成分と呼び、点群データからクラスタ毎に法線主成分を算出することを法線主成分分析と呼ぶことがある。
The principal component calculation unit 102 excludes clusters in which the number of normal vectors belonging to the cluster is smaller than a predetermined threshold number of normal vectors from the classified clusters. As a result, the normal vector related to the sample point of the outlier, that is, the portion of the sample point showing the shape having a flatness lower than the predetermined flatness is removed, and the normal vector related to the sample point showing the shape having a higher flatness is mainly Extracted into
The principal component calculation unit 102 calculates a representative value for each of a plurality of clusters remaining without being excluded, except for one cluster having the entire normal vector space as its range. The representative value is, for example, the centroid of normal vectors belonging to each cluster. The number of remaining clusters, that is, the number of representative values is represented as N CQ . In the following description, the center of gravity of the normal vector is referred to as a normal principal component, and calculating the normal principal component for each cluster from the point cloud data may be referred to as normal principal component analysis.

主成分算出部102は、2個のクラスタa,b間の類似度sabを、例えば、式(1)を用いて算出することができる。 The principal component calculation unit 102 can calculate the similarity s ab between the two clusters a and b using, for example, Expression (1).

式(1)において、c,cは、それぞれクラスタa,bの重心を示す。それぞれの重心は、3次元のベクトルである。||…||は、ベクトル…のノルム(norm)を示す。従って、式(1)で算出される類似度sabは、重心c,c間における余弦(cosine)を示す。
主成分算出部102は、2個のクラスタa,bを統合して形成された1個のクラスタの重心cabを、例えば、式(2)を用いて算出することができる。
In Equation (1), c a and c b indicate the centers of gravity of the clusters a and b, respectively. Each centroid is a three-dimensional vector. || ... || indicates the norm of the vector. Accordingly, the similarity s ab calculated by the equation (1) indicates a cosine between the centroids c a and c b .
The principal component calculation unit 102 can calculate the center of gravity c ab of one cluster formed by integrating the two clusters a and b using, for example, Expression (2).

式(2)において、n,nは、それぞれクラスタa,bに属する法線ベクトルの数を示す。従って、式(2)で算出される重心cabは、クラスタa,bの重心c,cを、それぞれのクラスタa,bに属する法線ベクトルの数n,nで重みづけた加重平均である。
主成分算出部102は、算出したクラスタ毎の代表ベクトル(例えば、重心)を法線主成分として含む法線主成分点群データを生成し、生成した法線主成分点群データを対応部103に出力する。従って、法線主成分点群データは、NCQ個の3次元のベクトルから形成される。位置合わせに係る処理対象がNCQ個の法線主成分に限定されるので、処理量が著しく低減する。
In Equation (2), n a and n b indicate the numbers of normal vectors belonging to the clusters a and b, respectively. Therefore, the centroid c ab calculated by the equation (2) is obtained by weighting the centroids c a and c b of the clusters a and b by the numbers n a and n b of the normal vectors belonging to the clusters a and b, respectively. It is a weighted average.
The principal component calculation unit 102 generates normal principal component point cloud data including the calculated representative vector (for example, centroid) for each cluster as a normal principal component, and the generated normal principal component point cloud data is associated with the corresponding component 103. Output to. Therefore, normal principal component point cloud data is formed from N CQ three-dimensional vectors. Since the processing target related to the alignment is limited to N CQ normal principal components, the processing amount is significantly reduced.

対応部103は、主成分算出部102から入力された法線主成分点群データ(クエリ点群に基づく)が示す法線主成分のそれぞれと、モデル点群(model point cloud)に基づく法線主成分点群データが示す法線主成分のいずれかとの対応付け(ペアリング:pairing)を行う。
モデル点群とは、位置合わせの目標とする目標物(モデル、第2の物体)の形状を所定の空間間隔でサンプリングしたサンプル点からなる点群である。モデル点群を示すデータをモデル点群データ(第2の点群データ)と呼ぶことがある。モデル点群に基づく法線主成分点群データは、例えば、モデル点群データについて上述した法線主成分分析を行ってクラスタ毎に算出した重心から形成されるデータである。
Corresponding unit 103 includes normal principal components represented by normal principal component point cloud data (based on query point cloud) input from principal component calculating unit 102 and normals based on model point cloud. Correlation (pairing) with any of the normal principal components indicated by the principal component point cloud data is performed.
The model point group is a point group composed of sample points obtained by sampling the shape of a target (model, second object) to be aligned at a predetermined spatial interval. Data indicating the model point cloud may be referred to as model point cloud data (second point cloud data). The normal principal component point cloud data based on the model point cloud is, for example, data formed from the centroid calculated for each cluster by performing the normal principal component analysis described above on the model point cloud data.

モデル点群に基づく法線主成分点群データは、予め記憶部11に記憶され、記憶部11から読み出されたものであってもよいし、予め主成分算出部102から入力されたものでもよい。また、モデル点群に基づく法線主成分点群データは、CAD(Computer Aided Design)技術を用いて生成した目標物の形状を示すモデル点群データから生成されたものであってもよい。   The normal principal component point cloud data based on the model point cloud may be stored in advance in the storage unit 11 and read from the storage unit 11 or may be input from the principal component calculation unit 102 in advance. Good. The normal principal component point cloud data based on the model point cloud may be generated from model point cloud data indicating the shape of the target generated using CAD (Computer Aided Design) technology.

対応部103は、法線主成分点群データが示す法線主成分cmjとの近似の度合いに基づいて、クエリ点群に基づく法線主成分点群データが示す法線主成分cqiのそれぞれに対応する法線主成分cmjを定める。
対応部103は、例えば、法線主成分cqiに対応する法線主成分cmjを、式(3)を用いて選択する。
Based on the degree of approximation with the normal principal component c mj indicated by the normal principal component point cloud data, the correspondence unit 103 sets the normal principal component c qi indicated by the normal principal component point cloud data based on the query point cloud. A normal principal component cmj corresponding to each is determined.
Corresponding unit 103 selects, for example, normal principal component c mj corresponding to normal principal component c qi using equation (3).

式(3)において、f(i)は、法線主成分cqiを識別するインデックスiに対応するインデックスjを示す。jは、法線主成分cmjを識別するインデックスを示す。即ち、f(i)は、法線主成分cqiと法線主成分cmjとの対応関係を示す。個々の法線主成分cqiとこれに対応する法線主成分cmjとの組をペア(pair)と呼ぶ。NCMは、法線主成分点群データが示す法線主成分cmjの個数を示す。arg max … は、…を最大とするjを与えることを示す。また、各法線主成分は1に規格化されているところ、式(3)は、法線主成分cqiとの内積が最も大きくなる法線主成分cmj、即ち、法線主成分cqiとのなす角度が最も小さい法線主成分cmj、言い換えれば法線主成分cqiに最も近似した法線主成分cmjが選択される。対応部103は、この選択をNCQ個の法線主成分cqiのそれぞれについて行う。
対応部103は、法線主成分cqiと法線主成分cmjとの対応関係を示す法線主成分対応データを生成し、生成した法線主成分対応データ、モデル点群並びにクエリ点群それぞれに基づく法線主成分点群データを回転算出部104に出力する。
In Expression (3), f (i) indicates an index j corresponding to the index i for identifying the normal principal component c qi . j represents an index for identifying the normal principal component cmj . That is, f (i) indicates the correspondence between the normal principal component c qi and the normal principal component c mj . A set of each normal principal component c qi and the corresponding normal principal component c mj is called a pair. N CM indicates the number of normal principal components cmj indicated by the normal principal component point cloud data. arg max ... indicates that j that maximizes... is given. Further, each normal principal component is normalized to 1, and Equation (3) shows that the normal principal component c mj having the largest inner product with the normal principal component c qi , that is, the normal principal component c the smallest normal main component c mj is the angle between qi, normal main component c mj that best approximates the normal main component c qi in other words is selected. Corresponding unit 103 performs this selection for each of N CQ normal principal components c qi .
The correspondence unit 103 generates normal principal component correspondence data indicating a correspondence relationship between the normal principal component c qi and the normal principal component c mj, and the generated normal principal component correspondence data, model point group, and query point group The normal principal component point cloud data based on each is output to the rotation calculation unit 104.

回転算出部104は、対応部103から法線主成分対応データ、クエリ点群ならびにモデル点群に基づく法線主成分データが入力される。回転算出部104は、法線主成分対応データを参照して、クエリ点群に基づく法線主成分データとモデル点群に基づく法線主成分データとを用いて回転行列Rを算出する。回転行列Rは、クエリ点群に基づく法線主成分cqiが示す方向を基準とした、その法線主成分cqiに対応するモデル点群に基づく法線主成分cmjの相対的な方向(相対姿勢、回転誤差ともいう)を、法線主成分のペア間で総合した方向への回転変換を示す行列である。従って、回転行列Rを算出することにより、法線主成分cqiの方向を基準とした法線主成分cmjの相対的な方向を算出することができる。回転行列Rは、クエリ点群が示す物体の方向を基準としたモデル点群が示す物体の方向との間の相対姿勢を近似し、その相対姿勢を補償する際に用いられる。 The rotation calculation unit 104 receives normal principal component correspondence data from the correspondence unit 103, normal principal component data based on the query point group, and the model point group. The rotation calculation unit 104 refers to the normal principal component correspondence data and calculates the rotation matrix R using the normal principal component data based on the query point group and the normal principal component data based on the model point group. The rotation matrix R is a relative direction of the normal principal component c mj based on the model point group corresponding to the normal principal component c qi on the basis of the direction indicated by the normal principal component c qi based on the query point group. (Also referred to as a relative posture or rotation error) is a matrix that indicates rotational transformation in a direction that is integrated between pairs of normal principal components. Therefore, by calculating the rotation matrix R, it is possible to calculate the relative direction of the normal principal component cmj with respect to the direction of the normal principal component cqi . The rotation matrix R is used when approximating the relative attitude between the model point group and the direction of the object indicated by the query point group and compensating for the relative attitude.

回転算出部104は、回転行列Rを算出する際、例えば、最小二乗法を用いる。最小二乗法により回転行列Rを算出する手法については、例えば、次の文献に記載されている: K.S.Arun,T.S.Huang,and S.D.Blostein,“Least−Squares Fitting of Two 3D Point Sets”,IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. PAMI−9,No.5,pp.698−700,SEPMTEMBER 1987。   The rotation calculation unit 104 uses, for example, a least square method when calculating the rotation matrix R. A method for calculating the rotation matrix R by the least square method is described in, for example, the following document: S. Arun, T .; S. Huang, and S.H. D. Blostein, “Least-Squares Fitting of Two 3D Point Sets”, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. PAMI-9, No. 5, pp. 698-700, SEPMTEMBER 1987.

最小二乗法では、回転算出部104は、モデル点群に基づく法線主成分cmjと、その法線主成分に対応するクエリ点群に基づく法線主成分cqiに回転行列Rを乗算した回転補正後の法線主成分Rcqiとの間の誤差関数を算出する。誤差関数は、例えば、法線主成分cmjから回転補正後の法線主成分Rcqiの差分ベクトルのフロベニウスノルム(Frobenius norm)である。誤差関数はこれに限られず、法線主成分cmjと回転補正後の法線主成分Rcqiとの間の誤差の大きさを示すものであれば、いかなる関数(例えば、差分ベクトルのユークリッドノルム(Eucledean norm))であってもよい。 In the least square method, the rotation calculation unit 104 multiplies the normal principal component c mj based on the model point cloud and the normal principal component c qi based on the query point cloud corresponding to the normal principal component by the rotation matrix R. An error function between the normal component Rc qi after the rotation correction is calculated. The error function is, for example, the Frobenius norm of the difference vector from the normal principal component cmj to the rotation-corrected normal principal component Rc qi . The error function is not limited to this, and any function (for example, the Euclidean norm of the difference vector) may be used as long as it indicates the magnitude of the error between the normal principal component cmj and the rotation-corrected normal principal component Rc qi. (Euclean norm)).

そして、回転算出部104は、算出した誤差関数を小さくするように、例えば、誤差関数を最小にする回転行列Rを算出する。回転行列Rは、原点を中心とする回転変換を示す3行3列の行列である。回転行列Rは、例えば、極座標系における水平面内の方位角(azimuth)と水平面からの仰角(elevation)で表されてもよいし、直交座標系での各座標軸周りの回転角(例えば、ヨー(yaw)角、ピッチ(pitch)角、ロール(roll)角)で表されてもよい。これにより、クエリ点群とモデル点群との間の相対姿勢が回転行列Rによって定められる。   Then, the rotation calculation unit 104 calculates, for example, a rotation matrix R that minimizes the error function so as to reduce the calculated error function. The rotation matrix R is a 3 × 3 matrix indicating rotation transformation around the origin. The rotation matrix R may be represented by, for example, an azimuth angle in the horizontal plane in the polar coordinate system and an elevation angle from the horizontal plane, or a rotation angle around each coordinate axis in the orthogonal coordinate system (for example, yaw ( yaw) angle, pitch angle, roll angle). As a result, the relative attitude between the query point group and the model point group is determined by the rotation matrix R.

なお、回転算出部104は、クエリ点群に基づく法線主成分cqiとその法線主成分cqiに対応するモデル点群に基づく法線主成分cmjとの間の回転軸と回転量を、それぞれペア間で平均することで相対姿勢を算出してもよい。回転軸は、法線主成分cqiとその法線主成分cqiに対応する法線主成分cmjとの外積に平行な軸である。回転量は、その回転軸まわりの法線主成分cqiと法線主成分cmjとのなす角度である。この回転軸の方向と、回転量によっても回転行列Rを定めることができる。
回転算出部104は、算出した回転行列Rを示す回転データをデータ出力部105に出力する。
The rotation calculation unit 104 determines the rotation axis and the rotation amount between the normal principal component c qi based on the query point group and the normal principal component c mj based on the model point group corresponding to the normal principal component c qi. May be calculated by averaging between each pair. The rotation axis is an axis parallel to the outer product of the normal principal component c qi and the normal principal component c mj corresponding to the normal principal component c qi . The rotation amount is an angle formed by the normal principal component c qi and the normal principal component c mj around the rotation axis. The rotation matrix R can also be determined by the direction of the rotation axis and the amount of rotation.
The rotation calculation unit 104 outputs rotation data indicating the calculated rotation matrix R to the data output unit 105.

データ出力部105は、回転算出部104から入力された回転データをデータ処理装置1の外部に出力する。データ入力部101は、例えば、データ入力インタフェースである。
また、データ出力部105は、データ入力部101から入力されたクエリ点群データが示すサンプル点毎の座標に、回転算出部104で算出した回転行列Rを乗じて得られる回転後の座標を示す回転座標データをデータ処理装置1の外部に出力してもよい。これにより、クエリ点群とモデル点群との間の相対姿勢が補償されたサンプル毎の座標が得られる。
The data output unit 105 outputs the rotation data input from the rotation calculation unit 104 to the outside of the data processing apparatus 1. The data input unit 101 is, for example, a data input interface.
In addition, the data output unit 105 indicates the coordinates after rotation obtained by multiplying the coordinates for each sample point indicated by the query point group data input from the data input unit 101 by the rotation matrix R calculated by the rotation calculation unit 104. The rotating coordinate data may be output to the outside of the data processing device 1. Thereby, the coordinate for every sample in which the relative attitude | position between a query point group and a model point group was compensated is obtained.

(点群データの一例)
次に、点群データの一例について説明する。
図2は、点群データの一例を示す図である。
図2に示す点群データは、建造物の廊下とロビーとが交差した部位とその周辺における内壁の形状をサンプリングしたサンプル点で形成される。この形状の基本的構成は、Z軸方向の長さ(高さ)がX軸方向に進むほど長くなる台形をX−Z平面の断面として有する 四角柱が、Y軸方向の長さ(幅)が他の方向よりも長い直方体のほぼ中央部で結合して形成される。X軸,Y軸,Z軸は、それぞれ3次元直交座標系を構成する互いに直交する座標軸の方向を示す。
(Example of point cloud data)
Next, an example of point cloud data will be described.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of point cloud data.
The point cloud data shown in FIG. 2 is formed of sample points obtained by sampling the portion of the building where the corridor and the lobby intersect and the shape of the inner wall in the vicinity. The basic configuration of this shape is that the quadrangular prism has a trapezoidal cross section in the X-Z plane that increases in length (height) in the Z-axis direction in the X-axis direction, and the length (width) in the Y-axis direction. Are formed by being joined at substantially the center of the rectangular parallelepiped longer than the other directions. The X axis, the Y axis, and the Z axis indicate the directions of the coordinate axes that are orthogonal to each other constituting the three-dimensional orthogonal coordinate system.

(法線ベクトルの一例)
図3は、法線ベクトルの一例を示す。
図3(a)は、図2に示す点群データに基づいて算出されたサンプル毎の長さ1の法線ベクトルを、その起点を原点Oに配置して形成された終点の分布を示す。法線ベクトルの終点は、半径が1である単位球面上に分布しているため、この法線ベクトルの分布を法線球と呼ぶ。法線球の濃度は法線ベクトルの分布の密度を示す。濃度が高いほど法線ベクトルの密度が高く、濃度が低いほど法線ベクトルの密度が低い。
(Example of normal vector)
FIG. 3 shows an example of a normal vector.
3 (a) shows a normal vector of length 1 for each sample was calculated based on the point cloud data shown in FIG. 2, the distribution of the end point which is formed by placing the origin in the origin O N . Since the end points of the normal vectors are distributed on a unit sphere having a radius of 1, this normal vector distribution is called a normal sphere. The density of the normal sphere indicates the density of the normal vector distribution. The higher the density, the higher the density of normal vectors, and the lower the density, the lower the density of normal vectors.

図3(b)、(c)は、それぞれ図3(a)に示す法線球のうち法線ベクトルの密度が所定の密度の閾値よりも高い部分を示す。図3(b)よりも図3(c)の方が、密度の閾値が高い。図3(c)は法線ベクトルの密度が高い部分が狭い領域、特に6個のそれぞれ孤立した領域c1−c6に集中していることを示す。これは、点群データが示すサンプル点が示す物体の表面が、主に特定の方向に向けられていることを示す。上述したように、主成分算出部102は、サンプル点毎の法線ベクトルに対してクラスタリングを行い、クラスタ毎の代表としてその重心を法線主成分と定めるが、定められた法線主成分は、法線ベクトルの密度が高い領域の重心に近似する。従って、6個の法線主成分が算出される。
本実施形態では、このような法線ベクトルに基づく法線主成分を用いることで、原点を中心とする回転変換を示す回転行列Rを算出する際にクエリ点群やモデル点群が示す物体の表面の形状や、それらの点群間での相対並進位置が捨象される。これに対し、各点群が示す物体間の姿勢の差異を示す情報が維持されるので、回転行列Rを精度よく求めることができる。また、上述したように回転行列Rを算出する際の基礎となる点群間での法線主成分の対応付けが、法線主成分間の近似の度合いの指標として、それらの間のなす角度に基づいて行われる。これらのことから、回転行列Rを算出する際の演算量を著しく低減させることができる。
FIGS. 3B and 3C show portions of the normal sphere shown in FIG. 3A where the normal vector density is higher than a predetermined density threshold. The density threshold is higher in FIG. 3C than in FIG. FIG. 3C shows that the portion where the density of normal vectors is high is concentrated in a narrow region, particularly six isolated regions c1-c6. This indicates that the surface of the object indicated by the sample point indicated by the point cloud data is mainly directed in a specific direction. As described above, the principal component calculation unit 102 performs clustering on the normal vector for each sample point, and determines the center of gravity as a normal principal component as a representative for each cluster. Approximate the center of gravity of the region where the normal vector density is high. Accordingly, six normal principal components are calculated.
In the present embodiment, by using a normal principal component based on such a normal vector, when calculating a rotation matrix R indicating a rotation transformation centered on the origin, the object indicated by the query point group or the model point group is displayed. The shape of the surface and the relative translation position between those point clouds are discarded. On the other hand, since the information indicating the difference in posture between the objects indicated by each point group is maintained, the rotation matrix R can be obtained with high accuracy. In addition, as described above, the correspondence between the normal principal components between the point groups serving as the basis for calculating the rotation matrix R is an angle between them as an index of the degree of approximation between the normal principal components. Based on. From these things, the amount of calculation at the time of calculating rotation matrix R can be reduced remarkably.

法線ベクトルqniの分布の密度は、点群が示す形状の平面度に依存する。平面度とは、形状が平面に近似する度合い、つまり凹凸の少なさの度合いである。平面度が高いほど、複数の法線ベクトルの向きが、特定の1つの方向に整列し、平面度が低いほど、複数の法線ベクトルの向きが、乱雑に分布する。そのため、平面度が高いほど法線ベクトルqniの分布の密度が高くなる。法線ベクトルがある1点を中心に分布している場合、被写体の形状のうち、その法線ベクトルが示す方向に垂直な面が支配的であるためである。 The density of the distribution of the normal vector q ni depends on the flatness of the shape indicated by the point group. Flatness is the degree to which the shape approximates a plane, that is, the degree of unevenness. As the flatness is higher, the directions of the plurality of normal vectors are aligned in one specific direction, and as the flatness is lower, the directions of the plurality of normal vectors are more randomly distributed. Therefore, the higher the flatness, the higher the distribution density of the normal vector q ni . This is because when the normal vector is distributed around a certain point, a plane perpendicular to the direction indicated by the normal vector is dominant among the shapes of the subject.

なお、主成分算出部102は、法線主成分を算出する際、サンプル点毎の法線ベクトルに対してクラスタリングを行うことに代え、所定の密度の閾値よりも法線ベクトルの密度が高い領域の法線ベクトルを抽出してもよい。その場合、主成分算出部102は、抽出した領域毎に法線ベクトルの代表(例えば、重心)を算出し、算出した代表を法線主成分と定める。
法線ベクトルの密度を示す指標は、例えば、法線方向の分散値qσiである。法線方向の分散値qσiは、そのサンプル点iから予め定めた範囲内におけるサンプル点毎の法線ベクトルの分散である。従って、分散値qσiが小さいほど平面度が高いことを示し、分散値qσiが大きいほど平面度が低いことを示す。
The principal component calculation unit 102, when calculating the normal principal component, replaces the clustering with respect to the normal vector for each sample point, and has an area where the normal vector density is higher than a predetermined density threshold. These normal vectors may be extracted. In that case, the principal component calculation unit 102 calculates a representative (for example, the center of gravity) of the normal vector for each extracted region, and determines the calculated representative as the normal principal component.
The index indicating the density of the normal vector is, for example, the dispersion value qσi in the normal direction. The dispersion value qσi in the normal direction is a dispersion of normal vectors for each sample point within a predetermined range from the sample point i. Therefore, the smaller the variance value qσi is, the higher the flatness is, and the larger the variance value qσi is, the lower the flatness is.

(データ処理の流れ)
次に、本実施形態に係るデータ処理について説明する。
図4は、本実施形態に係るデータ処理を示すフローチャートである。
(ステップS101)データ入力部101は、被写体の形状を示すクエリ点群データを取得する。その後、ステップS102に進む。
(ステップS102)主成分算出部102は、クエリ点群データが示す被写体の表面の法線を示す方向を示す法線ベクトルをサンプル点毎に算出する。その後、ステップS103に進む。
(Data processing flow)
Next, data processing according to the present embodiment will be described.
FIG. 4 is a flowchart showing data processing according to the present embodiment.
(Step S101) The data input unit 101 acquires query point cloud data indicating the shape of the subject. Thereafter, the process proceeds to step S102.
(Step S102) The principal component calculation unit 102 calculates, for each sample point, a normal vector indicating the direction indicating the normal of the surface of the subject indicated by the query point cloud data. Thereafter, the process proceeds to step S103.

(ステップS103)主成分算出部102は、各サンプル点qpiで算出した法線ベクトルqniの分布についてクラスタリングを行って複数のクラスタに分類し、分類されたクラスタ毎の代表ベクトルを法線主成分として定める。これにより、法線ベクトルの分布が所定の密度よりも高い密度で分布している部分の法線ベクトルの代表が法線主成分として抽出される。その後、ステップS104に進む。
(ステップS104)対応部103は、クエリ点群に基づく法線主成分のそれぞれと、モデル点群に基づく法線主成分のいずれかとの対応付けを、両者間の近似の度合いに基づいて行う。その後、ステップS105に進む。
(ステップS105)回転算出部104は、クエリ点群に基づく法線主成分と、その法線主成分に対応するモデル点群に基づく法線主成分との間の相対的な方向を示す回転行列を算出する。その後、図4に示す処理を終了する。
(Step S103) The principal component calculation unit 102 performs clustering on the distribution of the normal vector q ni calculated at each sample point q pi and classifies the distribution into a plurality of clusters. Determined as an ingredient. Thereby, the representative of the normal vector of the part where the normal vector distribution is distributed at a density higher than the predetermined density is extracted as the normal principal component. Thereafter, the process proceeds to step S104.
(Step S104) The correspondence unit 103 associates each of the normal principal components based on the query point group with one of the normal principal components based on the model point group based on the degree of approximation between the two. Thereafter, the process proceeds to step S105.
(Step S105) The rotation calculation unit 104 represents a rotation matrix indicating a relative direction between the normal principal component based on the query point group and the normal principal component based on the model point group corresponding to the normal principal component. Is calculated. Thereafter, the process shown in FIG.

本実施形態において、生成される回転データは、例えば、クエリ点群が示す第1の物体の姿勢とモデル点群が示す第2の物体との間の姿勢の差異を示すところ、第2の物体の姿勢が既知であれば、第1の物体の姿勢を取得することができる。この回転データを用いて、第1の物体の姿勢の制御、第1の物体の姿勢を基準としたロボットの動作の制御、その他の操作対象物の姿勢の制御、等に用いることができる。   In the present embodiment, the generated rotation data indicates, for example, a difference in posture between the posture of the first object indicated by the query point group and the second object indicated by the model point group. If the posture of the first object is known, the posture of the first object can be acquired. Using this rotation data, it can be used for control of the posture of the first object, control of the operation of the robot based on the posture of the first object, control of the posture of other operation objects, and the like.

上述したように、本実施形態では、第1のデータ(例えば、クエリ点群データ)が示す第1の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表を第1の法線主成分(例えば、クエリ点群に基づく法線主成分)として算出する。また、本実施形態では、第2のデータ(例えば、モデル点群データ)が示す第2の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表である第2の法線主成分(例えば、モデル点群に基づく主成分)から、第1の法線主成分との近似の度合いに基づいて第1の法線主成分に対応する第2の法線主成分を定める。また、本実施形態では、第1の法線主成分の方向と前記第2の法線主成分の方向との間の相対的な方向(例えば、回転行列)を算出する。   As described above, in the present embodiment, of the normals of the surface of the first object indicated by the first data (for example, the query point cloud data), the region is distributed at a higher density than the predetermined density. A representative of the normal is calculated as a first normal principal component (for example, a normal principal component based on a query point group). Further, in the present embodiment, the normals of the area distributed at a higher density than the predetermined density among the normals of the surface of the second object indicated by the second data (for example, model point cloud data). The second corresponding to the first normal principal component from the representative second normal principal component (for example, the principal component based on the model point group) based on the degree of approximation with the first normal principal component. The normal principal component of is determined. In the present embodiment, a relative direction (for example, a rotation matrix) between the direction of the first normal principal component and the direction of the second normal principal component is calculated.

従って、第1の物体の表面の法線を代表する第1の法線主成分の方向と第2の物体の表面の法線を代表する第2の法線主成分の方向との間の相対的な方向を直接算出するため処理量が著しく低減する。
また、第1の法線主成分とこれに対応する第2の法線主成分を用いることで第1の物体の方向と第2の物体の方向とを合わせる際に、第1の物体の表面が疎らな領域や曲率が高い領域を一部に含んでいても安定した処理が実現する。
Accordingly, the relative relationship between the direction of the first normal principal component representing the surface normal of the first object and the direction of the second normal principal component representing the surface normal of the second object. The amount of processing is significantly reduced because the specific direction is directly calculated.
In addition, when the first normal principal component and the corresponding second normal principal component are used to match the direction of the first object and the direction of the second object, the surface of the first object Stable processing can be realized even if some of the regions are sparse or have high curvature.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。上述した実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して説明を援用する。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図5は、本実施形態に係るデータ処理装置2の構成を示すブロック図である。
データ処理装置2は、データ処理装置1(図1)において、主成分算出部102及び対応部103に代えて主成分算出部202及び対応部203を備え、さらに相対並進位置算出部206及び座標変換部207を含んで構成される。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. About the same structure as embodiment mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and description is used.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of the data processing apparatus 2 according to the present embodiment.
The data processing device 2 includes a principal component calculation unit 202 and a correspondence unit 203 instead of the principal component calculation unit 102 and the correspondence unit 103 in the data processing device 1 (FIG. 1), and further includes a relative translation position calculation unit 206 and coordinate transformation. The unit 207 is included.

主成分算出部202は、主成分算出部102(図1)と同様に、データ入力部101から入力されたクエリ点群データに基づいてサンプル点毎に法線ベクトルを算出し、クラスタリングを行ってクラスタ毎に法線主成分を算出する。
主成分算出部202は、クエリ点群データが示すサンプル点毎の座標に回転算出部104で算出した回転行列Rを乗算して回転後の座標を算出して、クエリ点群が示す物体の方向についてモデル点群が示す物体の方向との間の相対姿勢を補償する。なお、主成分算出部202は、回転行列Rを乗算することに代え、回転算出部104で回転行列Rを算出する過程で算出された回転後の座標を採用してもよい。
Similar to the principal component calculation unit 102 (FIG. 1), the principal component calculation unit 202 calculates a normal vector for each sample point based on the query point cloud data input from the data input unit 101, and performs clustering. A normal principal component is calculated for each cluster.
The principal component calculation unit 202 calculates the coordinates after rotation by multiplying the coordinates for each sample point indicated by the query point cloud data by the rotation matrix R calculated by the rotation calculation unit 104, and the direction of the object indicated by the query point cloud Is compensated for the relative attitude between the model point cloud and the direction of the object. Instead of multiplying the rotation matrix R, the principal component calculation unit 202 may employ the coordinates after rotation calculated in the process of calculating the rotation matrix R by the rotation calculation unit 104.

そして、主成分算出部202は、サンプル点毎にその回転後の座標について法線ベクトルを算出し、クエリ点群データが示す物体の形状について相対姿勢が補償された法線主成分が算出される。これにより、クエリ点群とモデル点群との間では、相対並進位置が支配的となるため、本来6次元の処理である相対並進位置の算出を3次元の処理に縮退させることができ、処理量を格段に低減することができる。6次元とは、3次元空間内の相対並進位置の他、3次元の各座標軸周りの回転も含む。   Then, the principal component calculation unit 202 calculates a normal vector for the rotated coordinates for each sample point, and calculates a normal principal component in which the relative posture is compensated for the shape of the object indicated by the query point cloud data. . Thereby, since the relative translation position becomes dominant between the query point group and the model point group, the calculation of the relative translation position, which is originally a six-dimensional process, can be reduced to a three-dimensional process. The amount can be significantly reduced. The 6-dimensional includes a rotation around each coordinate axis in 3 dimensions in addition to the relative translation position in the 3D space.

主成分算出部202は、サンプル点毎に回転後の座標について深さ(depth)を算出する。深さとは、原点から注目するサンプル点が属する平面(つまり、壁面)までの距離である。そして、主成分算出部202は、サンプル点毎に算出した法線ベクトルに、そのサンプル点について算出した深さを乗算し、その深さを大きさとして有する深さ情報付き法線ベクトルを算出する。深さ情報付き法線ベクトルは、そのサンプル点の座標を示す座標ベクトルにおける、その法線ベクトルの方向への余弦成分のベクトルに相当する。よって、主成分算出部202は、サンプル点毎の座標ベクトルと法線ベクトルに基づいて深さ情報付き法線ベクトルを算出してもよい。   The principal component calculation unit 202 calculates the depth for the coordinates after rotation for each sample point. The depth is the distance from the origin to the plane (that is, the wall surface) to which the sample point of interest belongs. Then, the principal component calculation unit 202 multiplies the normal vector calculated for each sample point by the depth calculated for the sample point, and calculates a normal vector with depth information having the depth as a magnitude. . The normal vector with depth information corresponds to a vector of a cosine component in the direction of the normal vector in the coordinate vector indicating the coordinates of the sample point. Therefore, the principal component calculation unit 202 may calculate a normal vector with depth information based on the coordinate vector and the normal vector for each sample point.

主成分算出部202は、サンプル点毎に算出した深さ情報付き法線ベクトルのうち、その分布が所定の密度よりも高い密度で分布している部分の代表となる深さ情報付き法線ベクトルを抽出する。以下の説明では、この代表となる深さ情報付き法線ベクトルを壁面主成分と呼ぶ。
ここで、主成分算出部202は、サンプル点毎に算出した深さ情報付き法線ベクトルについて、上述した法線主成分分析と同様な処理を行うことで壁面主成分を算出することができる。この処理を特に壁面主成分分析と呼ぶ。
The principal component calculation unit 202 represents a normal vector with depth information that represents a portion of the normal vector with depth information calculated for each sample point, the distribution of which is higher than a predetermined density. To extract. In the following description, this representative normal vector with depth information is called a wall surface main component.
Here, the principal component calculation unit 202 can calculate the wall surface principal component by performing the same processing as the normal principal component analysis described above on the normal vector with depth information calculated for each sample point. This processing is particularly called wall surface principal component analysis.

壁面主成分分析において、主成分算出部202は、各サンプル点で算出した深さ情報付き法線ベクトルについてクラスタリングを行って複数のクラスタに分類し、分類されたクラスタ毎の代表ベクトルを壁面主成分として抽出してもよい。ここで、主成分算出部202は、例えば、群平均法を用いてもよい。
主成分算出部202は、2つのクラスタa,b間の類似度s(ハット)abを、例えば、式(4)を用いて算出してもよい。ここで、「(ハット)」という記載は、その直前の文字の真上にハット記号(circumflex)が付されていることを示す。ここでは、ハット記号は、壁面主成分に係ることを示す。
In the wall surface principal component analysis, the principal component calculation unit 202 performs clustering on the normal vector with depth information calculated at each sample point to classify into a plurality of clusters, and the representative vector for each classified cluster is used as the wall surface principal component. May be extracted as Here, the principal component calculation unit 202 may use, for example, a group average method.
The principal component calculation unit 202 may calculate the similarity s (hat) ab between the two clusters a and b using, for example, Expression (4). Here, the description “(hat)” indicates that a hat symbol (circucumflex) is added immediately above the immediately preceding character. Here, the hat symbol indicates that it relates to the wall surface main component.

式(4)において、c(ハット),c(ハット)は、それぞれクラスタa,bの代表ベクトル、例えば、重心を示す。δは、類似度s(ハット)abが発散することを防止するための、予め定めた微小な実数を示す。また、c(ハット),c(ハット)は、それぞれクラスタa,bの重心を示す。ここで、分母にc(ハット)−c(ハット)のノルムを乗じるのは、クラスタ間の距離が小さくなるほど、類似度s(ハット)abを増加させるという効果を強調するためである。
また、主成分算出部202は、2個のクラスタa,bを統合して形成された1個のクラスタの重心c(ハット)abを、例えば、式(5)を用いて各クラスタにおける壁面主成分の重心cabを代表ベクトルとして算出することができる。
In Expression (4), c (hat) a and c (hat) b represent representative vectors of the clusters a and b, for example, the center of gravity. δ represents a predetermined minute real number for preventing the similarity s (hat) ab from diverging. Further, c (hat) a and c (hat) b indicate the centers of gravity of the clusters a and b, respectively. Here, the denominator is multiplied by the norm of c (hat) a -c (hat) b in order to emphasize the effect of increasing the similarity s (hat) ab as the distance between the clusters decreases.
In addition, the principal component calculation unit 202 calculates the center of gravity c (hat) ab of one cluster formed by integrating the two clusters a and b, for example, the wall surface principal in each cluster using Expression (5). The center of gravity cab of the component can be calculated as a representative vector.

主成分算出部202は、算出したクラスタ毎の代表ベクトル(例えば、重心)からなる壁面主成分点群データを生成し、生成した壁面主成分点群データを対応部203に出力する。壁面主成分点群データは、N(ハット)CQ個の3次元のベクトルから形成される。従って、位置合わせに係る処理対象をN(ハット)CQ個の壁面主成分に限定することで、処理量を著しく低減することができる。 The principal component calculation unit 202 generates wall principal component point group data including the calculated representative vector (for example, the center of gravity) for each cluster, and outputs the generated wall principal component point group data to the corresponding unit 203. Wall principal component point cloud data is formed from N (hat) CQ three-dimensional vectors. Therefore, by limiting the processing target related to the alignment to N (hat) CQ wall surface principal components, the processing amount can be significantly reduced.

対応部203は、主成分算出部202から入力されたクエリ点群に基づく壁面主成分点群データが示す壁面主成分のそれぞれと、モデル点群に基づく壁面主成分点群データが示す壁面主成分のいずれかとの対応付けを、両者間の近似の度合いに基づいて行う。
対応部203は、例えば、クエリ点群に基づく壁面主成分点群データが示す壁面主成分c(ハット)qiに対応するモデル点群に基づく壁面主成分点群データが示す壁面主成分c(ハット)mjを、式(6)を用いて選択する。
Corresponding unit 203 includes wall surface principal components indicated by wall surface principal component point data based on the query point cloud input from principal component calculation unit 202 and wall principal component point cloud data based on the model point cloud. The association with any one of the above is performed based on the degree of approximation between the two.
The correspondence unit 203, for example, the wall surface principal component c (hat) indicated by the wall surface principal point cloud data based on the model point cloud corresponding to the wall surface principal component c (hat) qi indicated by the wall surface principal point cloud data based on the query point cloud. ) Mj is selected using equation (6).

式(6)において、g(i)は、壁面主成分c(ハット)qiを識別するインデックスiに対応するインデックスjを示す。jは、壁面主成分c(ハット)mjを識別するインデックスを示す。即ち、g(i)は、壁面主成分c(ハット)qiと壁面主成分c(ハット)mjとの対応関係、言い換えれば壁面主成分c(ハット)qiとこれに対応する壁面主成分c(ハット)mjとのペアを示す。N(ハット)CMは、壁面主成分点群データが示す壁面主成分c(ハット)mjの個数を示す。N(ハット)CM、N(ハット)CQは、それぞれ3又は3よりも大きい整数である。 In Expression (6), g (i) represents an index j corresponding to the index i for identifying the wall surface principal component c (hat) qi . j denotes an index for identifying the wall surface principal component c (hat) mj . That is, g (i) is the correspondence between the wall surface principal component c (hat) qi and the wall surface principal component c (hat) mj , in other words, the wall surface principal component c (hat) qi and the corresponding wall surface principal component c ( Hat) Indicates a pair with mj . N (hat) CM represents the number of wall surface principal components c (hat) mj indicated by the wall surface principal component cloud data. N (Hat) CM and N (Hat) CQ are 3 or an integer larger than 3, respectively.

従って、式(6)は、壁面主成分c(ハット)qiとの内積の、壁面主成分cqiとの間の距離に対する比が最も大きくなる壁面主成分c(ハット)mjを選択することを示す。これにより、深さ及び方向ともに壁面主成分c(ハット)qiに最も近似した法線主成分c(ハット)mjが選択される。対応部203は、この選択をN(ハット)CM個の壁面主成分c(ハット)qiのそれぞれについて行う。 Therefore, the equation (6) indicates that the wall surface principal component c (hat) mj having the largest ratio of the inner product with the wall surface principal component c (hat) qi to the distance between the wall surface principal component c qi is selected. Show. As a result, the normal principal component c (hat) mj that is closest to the wall surface principal component c (hat) qi in both depth and direction is selected. The correspondence unit 203 performs this selection for each of the N (hat) CM wall surface principal components c (hat) qi .

対応部203は、式(7)に示すように、モデル点群に基づく壁面主成分c(ハット)mg(i)から、これに対応するクエリ点群に基づく壁面主成分c(ハット)qiの差分をペア間誤差ベクトルνとして、その壁面主成分c(ハット)qiに係るペア毎に算出する。 As shown in Expression (7), the correspondence unit 203 uses the wall surface principal component c (hat) mg (i) based on the model point cloud to the wall surface principal component c (hat) qi based on the corresponding query point cloud. The difference is calculated as an inter-pair error vector ν i for each pair related to the wall surface principal component c (hat) q i .

対応部203は、壁面主成分c(ハット)qiと壁面主成分c(ハット)mjとの対応関係と、壁面主成分c(ハット)qiに対応するペア間誤差ベクトルνを示すペア間誤差データを生成する。対応部203は、生成したペア間誤差データとモデル点群に基づく壁面主成分点群データとを対応付けて相対並進位置算出部206に出力する。
なお、対応部203は、対応部103と同様に、クエリ点群に基づく法線主成分点群データが示す法線主成分のそれぞれと、モデル点群に基づく法線主成分データが示す法線主成分との対応付けを行う。
Corresponding unit 203 corresponds to a correspondence between wall surface principal component c (hat) qi and wall surface principal component c (hat) mj and an inter-pair error indicating inter-pair error vector ν i corresponding to wall surface principal component c (hat) qi. Generate data. The correspondence unit 203 associates the generated inter-pair error data with the wall surface principal point point data based on the model point group, and outputs the data to the relative translation position calculation unit 206.
Note that, as in the case of the correspondence unit 103, the correspondence unit 203 uses the normal principal components indicated by the normal principal component point group data based on the query point group and the normal lines indicated by the normal principal component data based on the model point group. Associate with the principal component.

モデル点群に基づく壁面主成分点群データは、予め記憶部11に記憶され、記憶部11から読み出されたものであってもよいし、予め主成分算出部202から入力されたものでもよい。また、モデル点群に基づく壁面主成分点群データは、CAD(Computer Aided Design)技術を用いて生成した目標物の形状を示すモデル点群データから生成されたものであってもよい。   The wall surface principal point data based on the model point cloud may be stored in advance in the storage unit 11 and read from the storage unit 11 or may be input from the main component calculation unit 202 in advance. . Further, the wall surface principal point group data based on the model point group may be generated from model point group data indicating the shape of the target generated using CAD (Computer Aided Design) technology.

相対並進位置算出部206には、対応部203からペア間誤差データとモデル点群に基づくモデル壁面主成分点群データが入力される。相対並進位置算出部206は、ペア間誤差データが示すペア間誤差ベクトルνと、これに対応するモデル点群に基づく壁面主成分点群データが示す壁面主成分c(ハット)qiに基づいて、並進誤差ベクトルεを算出する。並進誤差ベクトルεは、クエリ点群に基づく壁面主成分データが示す壁面主成分c(ハット)qiと、その壁面主成分c(ハット)qiに対応する壁面主成分c(ハット)mjであってモデル点群に基づく壁面主成分データが示す壁面主成分c(ハット)mjとの間の相対並進位置を示す3次元のベクトルである。並進誤差ベクトルεは、壁面主成分c(ハット)qiの位置を基準とした壁面主成分c(ハット)mjの相対的な位置(相対並進位置)を、ペア間で総合した相対並進位置を示す。
並進誤差ベクトルεは、クエリ点群とモデル点群との間の相対並進位置に近似する。そのため、並進誤差ベクトルεは、クエリ点群とモデル点群との間の相対並進位置を補償する際に用いられる。
Relative translation position calculation unit 206 receives paired error data and model wall principal component point group data based on the model point group from correspondence unit 203. The relative translation position calculation unit 206 is based on the inter-pair error vector ν i indicated by the inter-pair error data and the wall surface principal component c (hat) q i indicated by the wall surface principal point point data based on the corresponding model point group. Then, a translation error vector ε is calculated. The translation error vector ε is a wall surface principal component c (hat) qi indicated by the wall surface principal component data based on the query point group, and a wall surface principal component c (hat) mj corresponding to the wall surface principal component c (hat) qi , It is a three-dimensional vector indicating a relative translation position with respect to a wall surface principal component c (hat) mj indicated by wall surface principal component data based on the model point group. The translation error vector ε represents a relative translation position in which the relative position (relative translation position) of the wall surface principal component c (hat) mj based on the position of the wall surface principal component c (hat) qi is integrated between the pairs. .
The translation error vector ε approximates the relative translation position between the query point group and the model point group. Therefore, the translation error vector ε is used when compensating for the relative translation position between the query point group and the model point group.

相対並進位置算出部206は、少なくとも3個のペア間誤差ベクトルνを用いて並進誤差ベクトルεを算出する。これは、クエリ点群が示す物体とモデル点群が示す物体との間には姿勢の差異があるため、この姿勢の差異(つまり、相対姿勢)を補償するためである。相対並進位置算出部206は、例えば、式(8)を用いて並進誤差ベクトルεを算出する。 The relative translation position calculation unit 206 calculates the translation error vector ε using at least three pair-to-pair error vectors ν i . This is because there is a difference in posture between the object indicated by the query point group and the object indicated by the model point group, and this difference in posture (that is, the relative posture) is compensated. The relative translation position calculation unit 206 calculates the translation error vector ε using, for example, Expression (8).

式(8)において、Wは、重み係数wの総和である。mは、N(ハット)CQ個の壁面主成分cqiのうちの互いに異なる3個からなる組のそれぞれを識別するインデックスである。このような壁面主成分の組はN(ハット)CQ個あるため、mは、1からN(ハット)CQまでの間のいずれかの整数を示す。各組を構成する3個の壁面主成分を、それぞれcqj,cqk,cqlと表す。ここで、j,k,lは、それぞれ、壁面主成分を識別するインデックスであり、互いに異なる値をとる(j≠k≠l)。M(ハット)CQは、N(ハット)CQである。
従って、壁面主成分εは、3個の壁面主成分からなる組m毎の並進誤差ベクトルε(ハット)を、それぞれ重み係数wで乗算して得られる乗算値を組m間で加算し、加算した値を総和Wで正規化して算出される。
重み係数wは、式(9)に示されるように、組mに係る3個の壁面主成分cqj,cqk,cqlに基づいて算出される。
In the formula (8), W is the sum of the weighting factors w m. m is an index for identifying each of three different sets of N (hat) CQ wall surface principal components c qi . Since there are three N (hat) CQ C groups of such wall surface principal components, m represents any integer between 1 and N (hat) CQ C 3 . The three wall surface principal components constituting each set are represented as c qj , c qk , and c ql , respectively. Here, j, k, and l are indices for identifying the principal components of the wall surface, and take different values (j ≠ k ≠ l). M (hat) CQ is N (hat) CQ C 3.
Thus, the wall main component epsilon, the translation error vector epsilon (hat) m in each set m consisting of three wall main component, by adding the respective multiplied values obtained by multiplying by the weighting factor w m between pairs m The added value is normalized by the total sum W.
The weighting factor w m is calculated based on the three wall surface principal components c qj , c qk , and c ql related to the set m, as shown in Expression (9).

即ち、式(9)は、3個の壁面主成分c(ハット)qj,c(ハット)qk,c(ハット)qlのうちの2個からなる壁面主成分の対毎にその2つの壁面主成分の外積を算出し、算出した外積のノルムを対間で乗算し、乗算した値を重み係数wとして算出することを示す。
壁面主成分の組m毎の並進誤差ベクトルε(ハット)は、式(10)に示されるように、その組mを構成する3個の壁面主成分c(ハット)qj,c(ハット)qk,c(ハット)qlと、それらにそれぞれ対応するペア間誤差ベクトルν,ν,νに基づいて算出される。
That is, the equation (9) is obtained by calculating the two wall principals for each pair of wall principal components composed of two of the three wall principal components c (hat) qj , c (hat) qk , and c (hat) ql. It shows that the outer product of the components is calculated, the norm of the calculated outer product is multiplied between the pairs, and the multiplied value is calculated as the weighting coefficient w m .
Translation error vector for each set m of wall main component epsilon (hat) m, as shown in equation (10), three wall main component c constituting the set m (hat) qj, c (hat) qk , c (hat) ql is calculated based on ql and inter-pair error vectors ν j , ν k , ν l respectively corresponding thereto.

式(10)において、[…]−1は、行列…の逆行列を示す。
従って、重み係数wで乗算された並進誤差ベクトルε(ハット)は、ペア間誤差ベクトルν,ν,νを、それぞれ対応する壁面主成分c(ハット)qj,c(ハット)qk,c(ハット)qlに射影し、射影して得られる成分をさらにX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に射影した成分を示す。このようにペア間誤差ベクトルν,ν,νを、互いに直交した成分に射影し、射影した成分を並進誤差ベクトルε(ハット)として取得することで、高い精度で位置決めをすることができる。また、全ての壁面主成分の組m毎の並進誤差ベクトルε(ハット)を、重み係数wで加重平均をとることで、ペア間の相対姿勢の差異を緩和することができる。
相対並進位置算出部206は、算出した並進誤差ベクトルεを示す並進データを座標変換部207に出力する。
In Expression (10), [...] −1 represents an inverse matrix of the matrix.
Therefore, the translation error vector ε (hat) m multiplied by the weighting factor w m represents the inter-pair error vectors ν j , ν k , ν l and the corresponding wall surface principal components c (hat) qj , c (hat), respectively. qk , c (hat) A component obtained by projecting to ql and further projecting the component in the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction is shown. By thus projecting the inter-pair error vectors ν j , ν k , ν l onto mutually orthogonal components and obtaining the projected components as translation error vectors ε (hats) m , positioning can be performed with high accuracy. Can do. Further, by taking a weighted average of the translation error vectors ε (hats) m for every set m of the wall surface principal components with the weighting factor w m , the difference in relative posture between the pairs can be reduced.
The relative translation position calculation unit 206 outputs translation data indicating the calculated translation error vector ε to the coordinate conversion unit 207.

座標変換部207には、データ入力部101からクエリ点群データと、回転算出部104から回転行列Rを示す回転データ、ならびに相対並進位置算出部206から並進誤差ベクトルεを示す並進データと、が入力される。
座標変換部207は、クエリ点群データが示すサンプル点毎の座標を、回転行列Rと並進誤差ベクトルを用いて変換する。ここで、座標変換部207は、サンプル点毎の座標(ベクトル)に回転行列Rを乗算して回転後の座標を算出し、算出した座標に並進誤差ベクトルεを加算して、変換後の座標を算出する。この演算を示す4行4列の同次変換行列Sを、式(11)に示す。
The coordinate conversion unit 207 includes query point group data from the data input unit 101, rotation data indicating the rotation matrix R from the rotation calculation unit 104, and translation data indicating the translation error vector ε from the relative translation position calculation unit 206. Entered.
The coordinate conversion unit 207 converts the coordinates for each sample point indicated by the query point group data using the rotation matrix R and the translation error vector. Here, the coordinate conversion unit 207 calculates the coordinate after rotation by multiplying the coordinate (vector) for each sample point by the rotation matrix R, adds the translation error vector ε to the calculated coordinate, and converts the coordinate after conversion. Is calculated. A four-row, four-column homogeneous transformation matrix S indicating this calculation is shown in Expression (11).

式(11)において、0は、各要素値が0である3行1列のベクトルである。1は、同次変換行列Sの第4行第4列の要素値である。このように変換後の座標を算出することによって、モデル点群を目標位置としたクエリ点群の方向合わせ及び位置合わせを行うことができる。
なお、座標変換部207は、回転行列Rを乗算することに代え、回転算出部104もしくは主成分算出部202で回転行列Rを算出する過程で算出された回転後の座標を採用してもよい。
座標変換部207は、サンプル毎の変換後の座標を示す変換座標データを、データ出力部105を介してデータ処理装置2の外部に出力する。出力される変換座標データは、第2の物体の位置及び姿勢に合うように、相対姿勢及び相対並進位置が補償されたクエリ点群データが示す第1の物体の形状を示す。ここで、データ出力部105は、変換座標データに代えて、もしくは変換座標データとともに並進データを出力してもよいし、更に回転算出部104で生成された回転データを出力してもよい。
In Expression (11), 0 is a 3 × 1 vector in which each element value is 0. 1 is the element value of the fourth row and fourth column of the homogeneous transformation matrix S. By calculating the coordinates after conversion in this way, it is possible to align and align the query point group with the model point group as the target position.
Note that the coordinate conversion unit 207 may employ the coordinates after rotation calculated in the process of calculating the rotation matrix R by the rotation calculation unit 104 or the principal component calculation unit 202 instead of multiplying by the rotation matrix R. .
The coordinate conversion unit 207 outputs converted coordinate data indicating the converted coordinates for each sample to the outside of the data processing device 2 via the data output unit 105. The output transformed coordinate data indicates the shape of the first object indicated by the query point group data in which the relative posture and the relative translation position are compensated so as to match the position and posture of the second object. Here, the data output unit 105 may output translation data instead of the converted coordinate data or together with the converted coordinate data, or may output the rotation data generated by the rotation calculation unit 104.

(深さ情報付き法線ベクトルの一例)
図6は、深さ情報付き法線ベクトルの一例を示す。
図6(a)は、図2に示す点群データに基づいて算出されたサンプル毎の深さ情報付き法線ベクトルを、その起点を原点Oに配置して形成された終点の分布を示す。法線ベクトルの終点は、それぞれの深さを半径とする曲面上に分布する。この法線ベクトルの分布を深さ情報付き法線球と呼ぶ。深さ情報付き法線球の濃度は、深さ情報付き法線ベクトルの分布の密度を示す。濃度が高いほど深さ情報付き法線ベクトルの密度が高く、濃度が低いほど深さ情報付き法線ベクトルの密度が低い。
(Example of normal vector with depth information)
FIG. 6 shows an example of a normal vector with depth information.
6 (a) shows the end point of the distribution of the depth information with a normal vector for each calculated sample, which is formed by placing the origin in the origin O N based on the point cloud data shown in FIG. 2 . The end points of the normal vectors are distributed on a curved surface having a radius of each depth. This distribution of normal vectors is called a normal sphere with depth information. The density of the normal sphere with depth information indicates the density of the distribution of normal vectors with depth information. The higher the density, the higher the density of the normal vector with depth information, and the lower the density, the lower the density of the normal vector with depth information.

図6(b)は、図6(a)が示す深さ情報付き法線ベクトルの分布をZ軸の負方向に向けて観察して得られる平面図である。この平面図では、深さ情報付き法線ベクトルの分布に加え、図2に示す点群を薄く重ね合わせて表示されている。
図6(c)は、図6(b)のA領域を拡大した拡大図である。
図6(b)、(c)は、深さ情報付き法線ベクトルの分布が高い密度で集中している点Pが存在する。この点Pは、その座標を示す位置ベクトルと同一の方向に法線を有する壁面Lが、その位置ベクトルのノルムに相当する深さだけ離れた位置に存在することを示す。
従って、サンプル点毎の深さ情報付き法線ベクトルについてクラスタリングを行って、その分布の密度が高い領域を抽出し、壁面主成分として算出されたその領域の代表をもって、壁面の法線方向と位置に関する情報を維持することができる。
FIG. 6B is a plan view obtained by observing the distribution of the normal vector with depth information shown in FIG. 6A in the negative direction of the Z axis. In this plan view, in addition to the distribution of normal vectors with depth information, the point groups shown in FIG.
FIG.6 (c) is the enlarged view to which the A area | region of FIG.6 (b) was expanded.
6B and 6C, there are points P where the distribution of normal vectors with depth information is concentrated at a high density. This point P indicates that a wall surface L having a normal line in the same direction as the position vector indicating the coordinates exists at a position separated by a depth corresponding to the norm of the position vector.
Therefore, clustering is performed on the normal vector with depth information for each sample point to extract a region with a high distribution density, and with the representative of the region calculated as the wall surface principal component, the normal direction and position of the wall surface Information about can be maintained.

(処理の流れ)
次に、本実施形態に係るデータ処理について説明する。
図7は、本実施形態に係るデータ処理を示すフローチャートである。
図7に示すデータ処理は、ステップS101−S105(図4)とステップS206−S210を有する。ステップS101−S105の処理が終了した後、ステップS206に進む。
(ステップS206)主成分算出部202は、クエリ点群データが示すサンプル点毎の座標に回転行列Rを乗算して回転後の座標を算出する。これにより、クエリ点群についてモデル点群との間の相対姿勢を補償する。その後、ステップS207に進む。
(ステップS207)主成分算出部202は、サンプル点毎に回転後の座標について法線ベクトルを算出し、算出した法線ベクトルと座標に基づいて深さ情報付き法線ベクトルを算出する。その後、ステップS208に進む。
(Process flow)
Next, data processing according to the present embodiment will be described.
FIG. 7 is a flowchart showing data processing according to the present embodiment.
The data processing shown in FIG. 7 includes steps S101 to S105 (FIG. 4) and steps S206 to S210. After the processing of steps S101 to S105 is completed, the process proceeds to step S206.
(Step S206) The principal component calculation unit 202 calculates the coordinates after rotation by multiplying the coordinates for each sample point indicated by the query point group data by the rotation matrix R. This compensates the relative posture between the query point group and the model point group. Thereafter, the process proceeds to step S207.
(Step S207) The principal component calculation unit 202 calculates a normal vector for the rotated coordinates for each sample point, and calculates a normal vector with depth information based on the calculated normal vector and the coordinates. Thereafter, the process proceeds to step S208.

(ステップS208)主成分算出部202は、各サンプル点で算出した深さ情報付き法線ベクトルについてクラスタリングを行って複数のクラスタに分類し、分類されたクラスタ毎の代表ベクトルを壁面主成分として算出する。その後、ステップS209に進む。
(ステップS209)対応部203は、クエリ点群に基づく壁面主成分のそれぞれと、モデル点群に基づく壁面主成分のいずれかとの対応付けを行う。その後、ステップS210に進む。
(ステップS210)相対並進位置算出部206は、クエリ点群に基づく壁面主成分の組と、その壁面主成分のそれぞれに対応するペア間誤算ベクトルに基づいてクエリ点群とモデル点群との間の相対並進位置を示す並進誤差ベクトルを算出する。その後、図7に示す処理を終了する。
(Step S208) The principal component calculation unit 202 performs clustering on the normal vector with depth information calculated at each sample point to classify into a plurality of clusters, and calculates a representative vector for each classified cluster as a wall surface principal component. To do. Thereafter, the process proceeds to step S209.
(Step S209) The correspondence unit 203 associates each of the wall surface principal components based on the query point group with one of the wall surface principal components based on the model point group. Thereafter, the process proceeds to step S210.
(Step S <b> 210) The relative translation position calculation unit 206 determines whether there is a pair of wall surface principal components based on the query point group and an inter-pair miscalculation vector corresponding to each of the wall surface principal components. A translation error vector indicating the relative translation position of is calculated. Thereafter, the process shown in FIG. 7 ends.

本実施形態において算出した相対並進位置を示す並進データは、モデル点が表す第1の物体の位置を基準としたクエリ点群が表す第2の物体の位置を示す。この並進データを用いて、第1の物体の位置の制御、第1の物体の位置を基準としたロボットの動作の制御、その他の操作対象物の位置の制御、等に用いることができる。
その他、並進データは、重力加速度等の加速度を検出する加速度センサを備えた電子機器において、その位置の補償に用いることができる。そのような電子機器には、検出した加速度を2階積分することによって自機の位置を算出する位置推定機能を備えた多機能携帯電話機(いわゆるスマートフォン)がある。その他、自機が備える駆動機構の動作状態(例えば、モータの回転速度)に基づいて自機の位置を算出する位置算出機能を備えたロボットがある。
The translation data indicating the relative translation position calculated in the present embodiment indicates the position of the second object represented by the query point group based on the position of the first object represented by the model point. By using this translation data, it can be used for control of the position of the first object, control of the operation of the robot based on the position of the first object, control of the position of other operation objects, and the like.
In addition, the translation data can be used for compensation of the position in an electronic apparatus including an acceleration sensor that detects acceleration such as gravitational acceleration. Such an electronic device includes a multi-function mobile phone (so-called smartphone) having a position estimation function for calculating the position of the own device by second-order integration of detected acceleration. In addition, there is a robot having a position calculation function for calculating the position of the own machine based on the operation state (for example, the rotation speed of the motor) of the drive mechanism provided in the own machine.

この位置算出機能で算出される位置の精度は、計算誤差の累積やノイズにより、一般に低くなる傾向がある。そこで、データ処理装置2が、その電子機器を撮影して得られるクエリ点群データに基づいて所定の時間間隔(例えば、1分)で算出した相対並進位置を示す並進データを生成する。そして、この位置算出機能は、生成された並進データが示す相対並進位置を自機の位置の原点として採用して、算出した位置を逐次に補正することができる。   The accuracy of the position calculated by this position calculation function generally tends to be low due to accumulation of calculation errors and noise. Therefore, the data processing device 2 generates translation data indicating the relative translation position calculated at a predetermined time interval (for example, 1 minute) based on the query point cloud data obtained by photographing the electronic device. And this position calculation function can employ | adopt the relative translation position which the produced | generated translation data show as an origin of the position of an own machine, and can correct | amend the calculated position sequentially.

(評価実験)
次に、本実施形態による効果を示すために行った評価実験について説明する。ここでは、(1)初期位置依存性評価実験、(2)実時間性評価実験、(3)堅牢性評価実験、と3つのそれぞれ異なる観点で行われた評価実験について述べる。いずれの評価実験でも比較対象として、従来技術としてICP法による実験結果と比較する。
(Evaluation experiment)
Next, an evaluation experiment performed to show the effect of this embodiment will be described. Here, (1) initial position dependency evaluation experiment, (2) real-time evaluation experiment, and (3) robustness evaluation experiment, evaluation experiments performed from three different viewpoints will be described. In any evaluation experiment, as a comparison object, it compares with the experimental result by ICP method as a prior art.

まず、初期位置依存性評価実験について説明する。初期位置依存性評価実験では、クエリ点群に対して本実施形態によって回転行列Rと並進誤差ベクトルεを算出し、目標とする回転行列Rと並進誤差ベクトルεとの誤差をそれぞれ補正量の誤差として測定する。これらの操作を、一定の位置に配置されたモデル点群を用いて複数の予め定めた初期位置のそれぞれについて実行する。初期位置は、回転行列Rを1°間隔、並進誤差ベクトルεを0.1m間間隔で設定する。但し、このモデル点群は、X−Y平面内の回転対称性を有するため、X座標、Z座標、Y軸回りの回転角(仰角)、Z軸回りの回転角(方位角)のそれぞれに初期位置を分布させた。
また、それぞれの初期位置について大局解が得られるか否かを調査する。大局解が得られない場合には、局所解に陥る場合がある。大局解が得られるか否かの判断は、誤差が予め期待される誤差の閾値を下回るか否かによって行う。これにより、大局解を導くことができる初期位置の範囲を示す収束限界も評価値として扱う。
First, an initial position dependency evaluation experiment will be described. In the initial position dependency evaluation experiment, the rotation matrix R and the translation error vector ε are calculated according to this embodiment for the query point group, and the error between the target rotation matrix R and the translation error vector ε is an error of the correction amount. Measure as These operations are executed for each of a plurality of predetermined initial positions using a model point group arranged at a fixed position. As the initial position, the rotation matrix R is set at intervals of 1 ° and the translation error vector ε is set at intervals of 0.1 m. However, since this model point group has rotational symmetry in the XY plane, each of the X coordinate, the Z coordinate, the rotation angle (elevation angle) around the Y axis, and the rotation angle (azimuth angle) around the Z axis. The initial position was distributed.
Moreover, it is investigated whether a global solution is obtained about each initial position. If a global solution cannot be obtained, it may fall into a local solution. Whether or not a global solution is obtained is determined based on whether or not the error falls below a predetermined error threshold. As a result, the convergence limit indicating the range of the initial position where a global solution can be derived is also treated as an evaluation value.

図8は、モデル点群の一例を示す図である。
図8に示すモデル点群は、初期位置依存性評価実験及び実時間性評価実験で用いた点群である。この点群は、建造物の内壁で構成される屋内の形状を模擬する450万個のサンプル点で形成される。模擬している形状は、長手方向がそれぞれX方向、Y方向である2つの直方体がそれぞれ中心部で交差して形成される。但し、標準偏差が5cmであるガウシアンノイズが重畳されている。この点群が網羅する空間は、X,Y,Z方向、それぞれの方向の長さが、15m、15m、5mである。点群の最大密度、つまり解像度は、1m当たり1万サンプルである。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a model point group.
The model point group shown in FIG. 8 is a point group used in the initial position dependency evaluation experiment and the real-time evaluation experiment. This point group is formed by 4.5 million sample points that simulate the indoor shape formed by the inner walls of the building. The simulated shape is formed by crossing two rectangular parallelepipeds whose longitudinal directions are the X direction and Y direction, respectively, at the center. However, Gaussian noise with a standard deviation of 5 cm is superimposed. The space covered by this point group has X, Y, and Z directions, and the lengths in the respective directions are 15 m, 15 m, and 5 m. Maximum density of the point group, i.e. the resolution is 10,000 samples per 1 m 2.

図9は、誤差の初期位置依存性を示す図である。
図9(a)は、方位角の誤差の初期位置依存性を本実施形態、従来技術のそれぞれについて示す。図9(a)において、縦軸、横軸は、それぞれ方位角の誤差、初期の方位角を示す。◆印、×印は、それぞれ本実施形態、従来技術を示す。収束限界を与える誤差の閾値を1°とする。
これによれば、本実施形態では、方位角の誤差は、概ね0.01°未満と極めて誤差が小さく、初期の方位角に依存しない。但し、初期の方位角が−89°、89°の場合、それぞれ誤差が90°となる。従って、収束限界は88°となる。この現象は、モデル点群が90°(4相)の回転対称性を有するために、90°回転した方向に位置合わせが行われてしまうことによる。
また、大局解が得られたか否かにより、誤差が大きく異なることから収束限界を越えたか否かの判定を安定して行うことができる。
FIG. 9 is a diagram showing the initial position dependency of the error.
FIG. 9A shows the initial position dependence of the azimuth angle error for each of the present embodiment and the prior art. In FIG. 9A, the vertical axis and the horizontal axis indicate the azimuth angle error and the initial azimuth angle, respectively. ◆ and x indicate the present embodiment and the prior art, respectively. An error threshold value for giving a convergence limit is set to 1 °.
According to this, in the present embodiment, the error in the azimuth angle is very small, generally less than 0.01 °, and does not depend on the initial azimuth angle. However, when the initial azimuth is −89 ° and 89 °, the error is 90 °. Therefore, the convergence limit is 88 °. This phenomenon is due to the fact that the model point cloud has a rotational symmetry of 90 ° (four phases), so that the alignment is performed in the direction rotated by 90 °.
Further, since the error varies greatly depending on whether or not a global solution has been obtained, it is possible to stably determine whether or not the convergence limit has been exceeded.

これに対して、従来技術では方位角の誤差が−9°〜9°の範囲では、方位角の誤差は1°未満となる。また、初期の方位角が−10°以下又は10°以上の範囲では、方位角の誤差がいずれも10°以上と急激に増加し、初期の方位角の絶対値が大きくなるほど方位角の誤差が増加する。これより、大局解を得ることができる収束限界は9°となる。
一般に、n相対称を有する点群の位置合わせの収束限界の上限は360/n度(この例では、90度)となる。この上限でそれぞれの収束限界を正規化すると、正規化した収束限界は本実施形態では0.98、従来技術では0.10となる。この結果は、本実施形態の方が広範に高精度の位置合わせを実現できることを示す。
On the other hand, in the prior art, when the azimuth error is in the range of -9 ° to 9 °, the azimuth error is less than 1 °. In addition, in the range where the initial azimuth angle is −10 ° or less or 10 ° or more, the azimuth angle error increases rapidly to 10 ° or more, and the azimuth angle error increases as the absolute value of the initial azimuth angle increases. To increase. Thus, the convergence limit at which a global solution can be obtained is 9 °.
In general, the upper limit of the convergence limit of the alignment of the point group having n phase symmetry is 360 / n degrees (90 degrees in this example). When each convergence limit is normalized with this upper limit, the normalized convergence limit is 0.98 in the present embodiment and 0.10 in the prior art. This result shows that the present embodiment can achieve highly accurate alignment over a wider range.

図9(b)は、仰角の誤差の初期位置依存性を本実施形態、従来技術のそれぞれについて示す。図9(b)において、縦軸、横軸は、それぞれ仰角の誤差、初期の仰角を示す。これによれば、本実施形態では、仰角の誤差が概ね0.01°未満と極めて小さく、初期の仰角に依存しない。但し、初期の仰角が−89°、89°の場合、それぞれ誤差が90°となる。これより、大局解を得ることができる収束限界は88°となる。
これに対して、従来技術では仰角の誤差が−6°〜6°の範囲では、仰角の誤差は1°未満となる。また、初期の仰角が−7°以下又は7°以上の範囲では、初期の仰角の絶対値が大きくなるほど仰角の誤差が増加する傾向が現れる。これより、大局解を得ることができる収束限界は6°となる。
FIG. 9B shows the initial position dependence of the elevation angle error for each of the present embodiment and the prior art. In FIG. 9B, the vertical axis and the horizontal axis represent the elevation angle error and the initial elevation angle, respectively. According to this, in the present embodiment, the error of the elevation angle is extremely small, generally less than 0.01 °, and does not depend on the initial elevation angle. However, when the initial elevation angle is −89 ° and 89 °, the error is 90 °. Thus, the convergence limit at which a global solution can be obtained is 88 °.
On the other hand, in the prior art, the elevation angle error is less than 1 ° when the elevation angle error is in the range of −6 ° to 6 °. In addition, when the initial elevation angle is −7 ° or less or 7 ° or more, the elevation angle error tends to increase as the absolute value of the initial elevation angle increases. Thus, the convergence limit at which a global solution can be obtained is 6 °.

図9(c)は、X座標の誤差の初期位置依存性を本実施形態、従来技術のそれぞれについて示す。図9(c)において、縦軸、横軸は、それぞれX座標の誤差、初期のX座標を示す。収束限界を与える誤差の閾値を0.1mとする。
これによれば、本実施形態では、X座標の誤差は概ね0.001m未満と極めて小さく、初期のX座標に依存しない。但し、初期のX座標が−5.0m、5.0mの場合、誤差が3.3mとなる。よって、収束限界は、4.9mとなる。
これに対して、従来技術ではX座標の誤差が−1.6m〜1.6mの範囲では、X座標の誤差は概ね0.1m未満となる。また、初期のX座標の誤差が−1.7m以下又は1.7m以上の範囲では、X座標の誤差は0.1mを越え初期のX座標の絶対値が大きくなるほどX座標の誤差が増加する。よって、大局解を得ることができる収束限界は1.6mとなる。
FIG. 9C shows the initial position dependency of the X-coordinate error for each of the present embodiment and the prior art. In FIG. 9C, the vertical axis and the horizontal axis represent the X coordinate error and the initial X coordinate, respectively. An error threshold value for giving a convergence limit is set to 0.1 m.
According to this, in this embodiment, the error of the X coordinate is very small, generally less than 0.001 m, and does not depend on the initial X coordinate. However, when the initial X coordinate is −5.0 m and 5.0 m, the error is 3.3 m. Therefore, the convergence limit is 4.9 m.
On the other hand, in the prior art, when the X coordinate error is in the range of −1.6 m to 1.6 m, the X coordinate error is generally less than 0.1 m. In the range where the initial X coordinate error is -1.7 m or less or 1.7 m or more, the X coordinate error exceeds 0.1 m, and the X coordinate error increases as the initial X coordinate absolute value increases. . Therefore, the convergence limit for obtaining a global solution is 1.6 m.

図9(d)は、Z座標の誤差の初期位置依存性を本実施形態、従来技術のそれぞれについて示す。図9(d)において、縦軸、横軸は、それぞれZ座標の誤差、初期のZ座標を示す。これによれば、本実施形態では、Z座標の誤差は概ね0.001m未満と極めて小さく、Z座標に依存しない。但し、初期のZ座標が−5.0m、5.0mの場合、誤差が3.3mとなる。よって、収束限界は、4.9mとなる。
これに対して、従来技術ではZ座標の誤差が−1.8m〜1.8mの範囲では、Z座標の誤差は0.2m未満となる。また、初期のZ座標の誤差が−1.9m以下又は1.9m以上の範囲では、Z座標の誤差は0.1mを越え初期のZ座標の絶対値が大きくなるほどZ座標の誤差が増加する。よって、大局解を得ることができる収束限界は1.8mとなる。
以上に述べたように、初期位置依存性評価実験により、本実施形態によれば、各初期位置について高精度でクエリ点群について位置合わせを行うことができること、大局解を得ることができる初期位置の範囲が広くなることが示される。
FIG. 9D shows the initial position dependency of the Z-coordinate error for each of the present embodiment and the prior art. In FIG. 9D, the vertical axis and the horizontal axis represent the Z coordinate error and the initial Z coordinate, respectively. According to this, in this embodiment, the error of the Z coordinate is very small, generally less than 0.001 m, and does not depend on the Z coordinate. However, when the initial Z coordinate is −5.0 m and 5.0 m, the error is 3.3 m. Therefore, the convergence limit is 4.9 m.
On the other hand, in the prior art, when the Z coordinate error is in the range of −1.8 m to 1.8 m, the Z coordinate error is less than 0.2 m. Further, in the range where the initial Z coordinate error is -1.9 m or less or 1.9 m or more, the Z coordinate error exceeds 0.1 m, and the Z coordinate error increases as the initial Z coordinate absolute value increases. . Therefore, the convergence limit for obtaining a global solution is 1.8 m.
As described above, according to the initial position dependency evaluation experiment, according to the present embodiment, it is possible to align the query point group with high accuracy for each initial position, and to obtain the global solution. It is shown that the range of is widened.

次に、実時間性評価実験について説明する。ここでは、実時間性とは、処理の高速性と初期位置の差異に応じた処理時間安定性を含みうる概念である。実時間性評価実験では、複数の予め定めた初期位置のそれぞれについてクエリ点群の位置合わせに要する処理時間を本実施形態、従来技術のそれぞれについて観測した。但し、初期位置の設定において、X方向にのみ0.1m間隔で分布する並進誤差ベクトルεを設定し、つまり回転を与えない。なお、実時間評価実験で用いたクエリ点群、モデル点群は、初期位置依存性評価実験で使用したものとそれぞれ同一のものである。   Next, a real time evaluation experiment will be described. Here, the real-time property is a concept that can include processing time stability according to the difference in the high-speed processing and the initial position. In the real-time evaluation experiment, the processing time required to align the query point group for each of a plurality of predetermined initial positions was observed for each of the present embodiment and the prior art. However, in setting the initial position, translation error vectors ε distributed at intervals of 0.1 m only in the X direction are set, that is, no rotation is given. Note that the query point group and model point group used in the real-time evaluation experiment are the same as those used in the initial position dependency evaluation experiment.

図10は、処理時間の初期位置依存性を示す図である。
◆印、×印は、それぞれ本実施形態、従来技術を示し、○印は収束限界を示す。縦軸、横軸は、それぞれ処理時間、初期のX座標を示す。
本実施形態では、処理時間は、いずれも0.524−0.537秒と従来技術の数十秒単位よりも格段に短く、初期のX座標にも依存しない。これは、本実施形態では、従来技術のように反復処理に頼らずに回転行列Rと並進誤差ベクトルεが直接算出されるためである。これに対し、従来技術では処理時間は9秒から111秒の間であり、初期のX座標が大きくなるほど処理時間が長くなる。
FIG. 10 is a diagram illustrating the initial position dependency of the processing time.
The ◆ mark and x mark indicate the present embodiment and the conventional technique, respectively, and the ◯ mark indicates the convergence limit. The vertical axis and the horizontal axis indicate the processing time and the initial X coordinate, respectively.
In this embodiment, the processing time is 0.524-0.537 seconds, which is much shorter than the conventional tens of seconds unit, and does not depend on the initial X coordinate. This is because in the present embodiment, the rotation matrix R and the translation error vector ε are directly calculated without relying on iterative processing as in the prior art. On the other hand, in the prior art, the processing time is between 9 seconds and 111 seconds, and the processing time becomes longer as the initial X coordinate becomes larger.

次に、堅牢性評価実験について説明する。堅牢性評価実験では、実環境で取得した点群を用いた場合でも有効に位置合わせを行うことができるか否かを検証する。
実環境で取得した点群は、一部に点が疎らな曲面や曲率が大きい曲面を含むため、精度が低下するおそれがあるからである。
ここで、取得した点群について回転及び並進移動を与えて処理前のクエリ点群を生成し、取得した点群はそのままモデル点群として用いる。そして、本実施形態による処理後のクエリ点群とモデル点群の位置とを比較する。
Next, a robustness evaluation experiment will be described. In the robustness evaluation experiment, it is verified whether or not alignment can be performed effectively even when a point cloud acquired in a real environment is used.
This is because the point group acquired in the actual environment includes a curved surface with some points sparse and a curved surface with a large curvature, and the accuracy may decrease.
Here, a query point group before processing is generated by giving rotation and translation to the acquired point group, and the acquired point group is used as a model point group as it is. Then, the query point group after processing according to the present embodiment is compared with the position of the model point group.

図11は、点群データを取得した環境の一例を示す写真である。
図11は、建造物の内部である廊下であり、その基本的構成態様は、一方向の長さが他の方向の長さよりも長い直方体である。但し、直方体の側面が随所で開放され、机、椅子、廃物入れ等の什器が備えられているために、具体的構成態様として、サンプル点が疎らである部分や、曲率が大きい部分が含まれる。図11(a)、(b)間では、互いに撮影した視点が異なる。
FIG. 11 is a photograph showing an example of an environment in which point cloud data is acquired.
FIG. 11 shows a corridor that is an interior of a building, and its basic configuration is a rectangular parallelepiped whose length in one direction is longer than the length in the other direction. However, the side of the rectangular parallelepiped is open everywhere, and is equipped with furniture such as desks, chairs, and waste bins. As a specific configuration, there are parts with sparse sample points and parts with large curvature. . 11 (a) and 11 (b), the viewpoints taken from each other are different.

図12は、処理前の点群データの一例を示す図である。
図12(a)、(b)は、図11に示す環境で取得された点群データの平面図、斜視図を示す。薄く表示された部分が処理前のクエリ点群を示し、濃く表示された部分がモデル点群を示す。処理前のクエリ点群とモデル点群の間では、X−Y平面内で回転と相対並進移動が与えられている。
図12(c)は、図12(a)、(b)に示した、処理前のクエリ点群とモデル点群のそれぞれについて算出した深さ情報付き法線ベクトルの分布を示す。薄く表示された部分が処理前のクエリ点群に係る深さ情報付き法線ベクトルの分布を示し、濃く表示された部分がモデル点群に係る深さ情報付き法線ベクトルの分布を示す。これらの分布は、いずれも深さ情報付き法線ベクトルの分布が密な領域が、撮影領域に含まれる平面に応じて数点に集中している。このことは、深さ情報付き法線ベクトルの分布が算出された壁面主成分で代表できることを示す。
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of point cloud data before processing.
12A and 12B are a plan view and a perspective view of point cloud data acquired in the environment shown in FIG. The lightly displayed portion indicates a query point group before processing, and the darkly displayed portion indicates a model point group. Between the query point group and the model point group before processing, rotation and relative translation are given in the XY plane.
FIG. 12C shows the distribution of the normal vector with depth information calculated for each of the query point group and the model point group before processing shown in FIGS. 12A and 12B. The lightly displayed portion indicates the distribution of the normal vector with depth information related to the query point group before processing, and the darkly displayed portion indicates the distribution of the normal vector with depth information related to the model point group. In each of these distributions, a region where the distribution of normal vectors with depth information is dense is concentrated at several points according to the plane included in the imaging region. This indicates that the distribution of the normal vector with depth information can be represented by the calculated wall surface principal component.

図13は、処理後の点群データの一例を示す図である。
図13(a)、(b)は、それぞれ点群データの平面図、斜視図を示す。薄く表示された部分が処理後のクエリ点群を示し、濃く表示された部分がモデル点群を示す。図13は、両点群が互いに重なり合っていることを示す。この結果は、本実施形態では、一部に点が疎らな部分や曲率が大きい部分を含む実環境で取得した点群であっても、一定の精度をもって位置合わせを行うことができることを示す。なお、建造物の内部に限らず、屋外で取得した点群データであっても、建造物、その他の設置物のように一部に平面を含む環境であれば、同様に位置合わせを行うことができる。
これに対し、従来技術のICP法では、全サンプル点について各最近傍点との誤差の総和の最小解を与えるため、これほど疎らな点群同士を重ね合わせることは原理的に困難である。
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of point cloud data after processing.
FIGS. 13A and 13B are a plan view and a perspective view of point group data, respectively. The lightly displayed portion indicates the query point group after processing, and the darkly displayed portion indicates the model point group. FIG. 13 shows that both point groups overlap each other. This result shows that in the present embodiment, even a point group acquired in a real environment including a part of which the points are sparse or a part of which the curvature is large can be aligned with a certain accuracy. In addition, not only inside the building but also point cloud data acquired outdoors, if it is an environment that partially includes a plane, such as a building or other installations, the alignment should be performed in the same way Can do.
On the other hand, in the ICP method of the prior art, since the minimum solution of the sum of errors with each nearest point is given for all sample points, it is theoretically difficult to superimpose such sparse point groups.

このように、本実施形態では、第1のデータ(例えば、クエリ点群データ)が示す第1の物体の表面までの原点からの深さを大きさとして有する法線である第1の深さ付き法線(例えば、クエリ点に基づく深さ付き法線ベクトル)のうち、予め定めた密度よりも高密度で分布している深さ付き法線の代表を第1の壁面主成分(例えば、クエリ点に基づく壁面主成分)として算出する。また、本実施形態では、第2のデータ(例えば、モデル点群データ)が示す第2の物体の表面までの原点からの深さを大きさとして有する法線である第2の深さ付き法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の深さ付き法線の代表である第2の壁面主成分(例えば、モデル点に基づく壁面主成分)から、前記第1の壁面主成分との近似の度合いに基づいて前記第1の壁面主成分に対応する第2の壁面主成分を定める。また、本実施形態では、前記第1の壁面主成分と、当該第1の壁面主成分に対応する第2の壁面主成分との差分(例えば、ペア間誤差ベクトル)に基づいて前記第1の物体と前記第2の物体との間の相対的な位置(例えば、並進誤差ベクトル)を算出する。   As described above, in the present embodiment, the first depth that is a normal having the depth from the origin to the surface of the first object indicated by the first data (for example, query point cloud data) as a magnitude. Among the appended normals (for example, the depth-normal vectors based on the query points), the representative of the depth-normals distributed at a higher density than the predetermined density is represented by the first wall principal component (for example, Calculated as wall surface principal component based on query points). In the present embodiment, the second depth-added method that is a normal having the depth from the origin to the surface of the second object indicated by the second data (for example, model point cloud data) as a magnitude. Among the lines, from a second wall principal component (for example, a wall principal component based on a model point) that is representative of a normal with depth in a region that is distributed at a density higher than a predetermined density, the first A second wall surface main component corresponding to the first wall surface main component is determined based on a degree of approximation with the wall surface main component. In the present embodiment, the first wall surface principal component and the first wall surface principal component and the second wall surface principal component corresponding to the first wall surface principal component are used to determine the first A relative position (for example, a translation error vector) between the object and the second object is calculated.

これにより、第1の物体の表面の深さ付き法線を代表する第1の壁面主成分と第1の物体の表面の深さ付き法線を代表する第2の壁面主成分を用いることで第1の物体の位置と第2の物体の位置とを合わせる際に、第1の物体の表面が疎らな領域や曲率が高い領域を一部に含んでいても安定した処理を実現することができる。また、反復処理を行わずに第1の壁面主成分とこれに対応する第2の壁面主成分との間の相対的な位置を直接算出するため処理量を著しく低減することができる。   Thus, by using the first wall surface main component representing the depth normal of the surface of the first object and the second wall main component representing the depth normal of the surface of the first object. When aligning the position of the first object and the position of the second object, it is possible to realize stable processing even if the surface of the first object includes a sparse region or a region with a high curvature. it can. Further, since the relative position between the first wall surface principal component and the corresponding second wall surface principal component is directly calculated without performing the iterative processing, the processing amount can be significantly reduced.

なお、上述した実施形態では、物体の形状を示すデータとして点群データを用いる場合を例にとって説明したが、これには限られない。物体の形状を示すデータであれば、いかなる形式のデータであってもよい。例えば、点群データに代えて、物体の2次元の形状を示す平面画像と、視点(原点)からその物体の表面の各点までの距離もしくは奥行を示す奥行画像(例えば、デプスマップ)との組を用いてもよい。   In the above-described embodiment, the case where point cloud data is used as data indicating the shape of an object has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. Any data may be used as long as the data indicates the shape of the object. For example, instead of point cloud data, a plane image showing a two-dimensional shape of an object and a depth image (for example, a depth map) showing the distance or depth from the viewpoint (origin) to each point on the surface of the object A pair may be used.

なお、上述した実施形態におけるデータ処理装置1、2の一部、例えば、主成分算出部102、202、対応部103、203、回転算出部104、相対並進位置算出部206、及び座標変換部207をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この制御機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、データ処理装置1、2に内蔵されたコンピュータシステムであって、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
また、上述した実施形態におけるデータ処理装置の一部、または全部を、LSI(Large Scale Integration)等の集積回路として実現してもよい。データ処理装置1、2の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はLSIに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりLSIに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。
Note that a part of the data processing apparatuses 1 and 2 in the above-described embodiment, for example, the principal component calculation units 102 and 202, the corresponding units 103 and 203, the rotation calculation unit 104, the relative translation position calculation unit 206, and the coordinate conversion unit 207. May be realized by a computer. In that case, the program for realizing the control function may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium may be read by the computer system and executed. Here, the “computer system” is a computer system built in the data processing apparatuses 1 and 2 and includes an OS and hardware such as peripheral devices. The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” is a medium that dynamically holds a program for a short time, such as a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line, In this case, a volatile memory inside a computer system that serves as a server or a client may be included that holds a program for a certain period of time. The program may be a program for realizing a part of the functions described above, and may be a program capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in a computer system.
Moreover, you may implement | achieve part or all of the data processing apparatus in embodiment mentioned above as integrated circuits, such as LSI (Large Scale Integration). Each functional block of the data processing devices 1 and 2 may be individually made into a processor, or a part or all of them may be integrated into a processor. Further, the method of circuit integration is not limited to LSI, and may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor. In addition, when an integrated circuit technology that replaces LSI appears due to the advancement of semiconductor technology, an integrated circuit based on the technology may be used.

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。   As described above, the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the above, and various design changes and the like can be made without departing from the scope of the present invention. It is possible to

1、2…データ処理装置、101…データ入力部、102、202…主成分算出部、
103、203…対応部、104…回転算出部、105…データ出力部、
11…記憶部、206…相対並進位置算出部、207…座標変換部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Data processing apparatus, 101 ... Data input part, 102, 202 ... Main component calculation part,
103, 203 ... corresponding unit, 104 ... rotation calculation unit, 105 ... data output unit,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Memory | storage part, 206 ... Relative translation position calculation part, 207 ... Coordinate conversion part

Claims (8)

第1のデータが示す第1の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表を第1の法線主成分として算出する主成分算出部と、
第2のデータが示す第2の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表である第2の法線主成分から、前記第1の法線主成分との近似の度合いに基づいて前記第1の法線主成分に対応する第2の法線主成分を定める対応部と、
前記第1の法線主成分の方向と前記第2の法線主成分の方向との間の相対的な方向を算出する相対方向算出部と、
備えるデータ処理装置。
Principal component calculation for calculating, as a first normal principal component, a normal of a region distributed at a density higher than a predetermined density among the normals of the surface of the first object indicated by the first data And
Among the normals of the surface of the second object indicated by the second data, the first normal principal component that is representative of the normals of the region that is distributed at a density higher than a predetermined density is used. A corresponding portion that defines a second normal principal component corresponding to the first normal principal component based on the degree of approximation to the normal principal component of
A relative direction calculation unit that calculates a relative direction between the direction of the first normal principal component and the direction of the second normal principal component;
A data processing apparatus provided.
前記主成分算出部は、前記第1の物体の形状を表す複数の点からなる第1の点群データに基づいて前記第1の物体の表面の法線のうち、予め定めた密度よりも高密度で分布している領域における法線の重心を前記第1の法線主成分として算出する請求項1に記載のデータ処理装置。   The principal component calculation unit is higher than a predetermined density among the normals of the surface of the first object based on first point cloud data composed of a plurality of points representing the shape of the first object. The data processing apparatus according to claim 1, wherein a center of gravity of a normal in an area distributed by density is calculated as the first normal principal component. 前記主成分算出部は、前記第1の物体の表面の法線を、当該第1の物体の表面の法線間の距離に基づいて複数の法線の群に分類し、各群に属する法線毎に前記第1の法線主成分を算出する請求項2に記載のデータ処理装置。   The principal component calculation unit classifies the normals of the surface of the first object into groups of a plurality of normals based on a distance between normals of the surface of the first object, and a method belonging to each group The data processing apparatus according to claim 2, wherein the first normal principal component is calculated for each line. 前記主成分算出部は、前記第1の物体の表面までの原点からの深さを大きさとして有する法線である第1の深さ付き法線のうち、予め定めた密度よりも高密度で分布している深さ付き法線の代表を第1の壁面主成分として算出し、
前記対応部は、前記第2の物体の表面までの原点からの深さを大きさとして有する法線である第2の深さ付き法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の深さ付き法線の代表である第2の壁面主成分から、前記第1の壁面主成分との近似の度合いに基づいて前記第1の壁面主成分に対応する第2の壁面主成分を定め、
前記第1の壁面主成分と、当該第1の壁面主成分に対応する第2の壁面主成分との差分に基づいて前記第1の物体と前記第2の物体との間の相対的な位置を算出する相対並進位置算出部と、
を備える請求項1から請求項3のいずれかに記載のデータ処理装置。
The principal component calculation unit has a higher density than a predetermined density among the first normal lines with a depth that is a normal line having a depth from the origin to the surface of the first object as a magnitude. A representative of the distributed normal with depth is calculated as the first wall principal component,
The corresponding portion is distributed at a higher density than a predetermined density among the second normal lines with a depth that is a normal line having a depth from the origin to the surface of the second object as a magnitude. A second wall principal corresponding to the first wall principal component based on a degree of approximation with the first wall principal component from a second wall principal component that is representative of a depth normal of a region that is present Define the ingredients,
A relative position between the first object and the second object based on a difference between the first wall surface principal component and a second wall surface principal component corresponding to the first wall surface principal component. A relative translation position calculation unit for calculating
The data processing device according to claim 1, further comprising:
前記主成分算出部は、前記第1の物体の形状を表す複数の点からなる第1の点群データに基づいて前記第1の物体の表面の深さ付き法線のうち、予め定めた密度よりも高密度で分布している領域における深さ付き法線の重心を前記第1の壁面主成分として算出する請求項4に記載のデータ処理装置。   The principal component calculation unit has a predetermined density among normals with depth of the surface of the first object based on first point cloud data including a plurality of points representing the shape of the first object. The data processing apparatus according to claim 4, wherein the center of gravity of a normal line with depth in a region distributed at a higher density is calculated as the first wall surface main component. 前記主成分算出部は、前記第1の物体の表面の深さ付き法線を、当該第1の物体の表面の深さ付き法線間の距離に基づいて複数の深さ付き法線の群に分類し、各群に属する深さ付き法線毎に前記第1の壁面主成分を算出する請求項5に記載のデータ処理装置。   The principal component calculation unit determines a normal with depth of the surface of the first object based on a distance between the normals with depth of the surface of the first object. The data processing apparatus according to claim 5, wherein the first wall surface principal component is calculated for each normal with depth belonging to each group. 第1のデータが示す第1の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表を第1の法線主成分として算出する主成分算出過程と、
第2のデータが示す第2の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表である第2の法線主成分から、前記第1の法線主成分との近似の度合いに基づいて前記第1の法線主成分に対応する第2の法線主成分を定める対応過程と、
前記第1の法線主成分の方向と前記第2の法線主成分の方向との間の相対的な方向を算出する相対方向算出過程と、
を有するデータ処理方法。
Principal component calculation for calculating, as a first normal principal component, a normal of a region distributed at a density higher than a predetermined density among the normals of the surface of the first object indicated by the first data Process,
Among the normals of the surface of the second object indicated by the second data, the first normal principal component that is representative of the normals of the region that is distributed at a density higher than a predetermined density is used. A corresponding process for determining a second normal principal component corresponding to the first normal principal component based on the degree of approximation to the normal principal component of
A relative direction calculation step of calculating a relative direction between the direction of the first normal principal component and the direction of the second normal principal component;
A data processing method.
データ処理装置のコンピュータに、
第1のデータが示す第1の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表を第1の法線主成分として算出する主成分算出手順、
第2のデータが示す第2の物体の表面の法線のうち、所定の密度よりも高密度で分布している領域の法線の代表である第2の法線主成分から、前記第1の法線主成分との近似の度合いに基づいて前記第1の法線主成分に対応する第2の法線主成分を定める対応手順、
前記第1の法線主成分の方向と前記第2の法線主成分の方向との間の相対的な方向を算出する相対方向算出手順、
を実行させるためのデータ処理プログラム。
In the computer of the data processing device,
Principal component calculation for calculating, as a first normal principal component, a normal of a region distributed at a density higher than a predetermined density among the normals of the surface of the first object indicated by the first data procedure,
Among the normals of the surface of the second object indicated by the second data, the first normal principal component that is representative of the normals of the region that is distributed at a density higher than a predetermined density is used. A corresponding procedure for determining a second normal principal component corresponding to the first normal principal component based on the degree of approximation to the normal principal component of
A relative direction calculation procedure for calculating a relative direction between the direction of the first normal principal component and the direction of the second normal principal component;
Data processing program for executing
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