共同研究

弊社は、長野県信州大学と共同研究を行っております。
研究内容は、3Dデータ、画像解析、図面自動作成、ドローン、水中計測、センサーなど多岐にわたるのですが、その一部をほんの少しだけ紹介します。

研究内容:3Dデータの精度向上

3Dデータを作成する方法は、レーザー、スキャナー、写真測量など、複数の方法があります。
写真測量で3Dデータを作成した場合、作成した直後の3Dデータは「寸法」があいまいな状態です(理由はまた別の機会に)。
そのため、作成した3Dデータに正確な寸法を与える必要があります。
例えば発掘した遺物を3Dデータ化する場合、下記の手順で寸法を与えます。

 


1.発掘した遺物の隣にものさしを置く。

2.遺物と「ものさし」の写真を撮影する。

3.写真を解析して、遺物と「ものさし」の3Dデータを作成する(3Dデータの寸法があいまいな状態)。

4.3Dデータの「ものさし」の目盛り0を選択する。

5.3Dデータの「ものさし」の目盛り10を選択する。

6.選択した目盛り0~10までの長さが「10cmである」という情報を与える。

7.目盛り1~10までの長さが10cmになるように3Dデータ全体が伸縮する。

8.完了!

 


これで良さそうに感じますが、実は問題だらけです(従来はこれで良しとされていました…)。
上記手順4と5で、手動で目盛りを選択していますが、選択する場所がちょっとでもズレると、それが寸法誤差になってしまいます。
目盛り線の中心を選択したいけど、ものさしを拡大すると画像がボヤケてしまい、どこが中心なのかわからなくなってしまいます。

「見た目」で中心を判断するため、「選択する人」によって選択する場所が変わってしまい、結果(寸法)も変わってしまいます。
これでは、「高精度」とは言えません。

 

さらなる問題は、この方法だと、X軸(1次元)方向しか寸法を与えていません。

Y軸は?Z軸は?
Y軸とZ軸は、X軸に合わせて「相対的」に伸縮するだけです。
Y軸とZ軸は、あっているかもしれないし、間違っているかもしれません。
Y軸とZ軸は、明確に寸法を与えていないので、信憑性が極めて低い状態です。

 

これらの問題を解決するために、弊社では「ものさし」ではなく、「立方体」を置いて3Dデータ化しています。

3Dデータ化した立方体の「角から角」に寸法を与えることで、XYZ軸全ての方向に明確に寸法を与えることができます。

これで高精度な寸法を与えられる!と思ったのですが、また問題発生です。
立方体の「角」を正確に選択することが極めて難しいのです。

下の図は極端な例ですが、3Dデータを拡大すると表面がボコボコしていて、「角」が不鮮明になっています。
(表面がボコボコしてしまう理由は、また別の機会に)

これでは、どこが「角」なのか判断が難しく、前述の「ものさしの目盛り選択」と同じように、「選択する人」によって結果(精度)が変わってしまいます。

これを解決するために、弊社では「平面推定」を利用しています。
「平面推定」とは、ボコボコした面を平らにして、最適な面を導き出す技術です。
たくさんの凹凸を分析し、信憑性が高い面を導き出すことができます。

平面推定で3つの面を導き出し、その交点を「角」とすることで、信憑性が高い「角」を導き出すことができます。

画像の赤い箇所が平面推定により導き出した面と角です。

この導き出した「角」に寸法を与えることで、3Dデータの精度を飛躍的に向上させることができます。

面の直交、向かい合う面の平行および距離などの補正を加えることで、さらに精度が向上します。

この様な技術を信州大学と共同研究しています。

 


実はまだ問題があります…。
立方体の角を導き出し、正確な寸法を与えることはできたのですが、これはあくまでも「立方体に正確な寸法を与えただけ」です。
立方体の中だけ(寸法を与えた角を結んだ範囲内)しか正確な寸法になっていません。

立方体以外の3D物体(今回の例では発掘した遺物)は、立方体に合わせて「相対的」に伸縮します。
立方体の近くにある3D物体はそれなりに精度が高くなりますが、立方体から離れた3D物体は、離れるほど誤差が大きくなってしまいます。
(例えば立方体の角度に1度の誤差があった場合、立方体に近い所は開きが小さいですが、遠く離れるほど開きがどんどん大きくなってしまいます)

この問題を解決するには、「3Dデータ化したい物」を大きな立方体で囲い、その立方体に寸法を与える必要があります。

でもそれだと…。
例えば1mの物体を3Dデータ化する場合、1mより大きい立方体を用意しなければなりません。

しかも、歪まず、気温で伸縮せず、全ての辺長に寸分の狂いが無い立方体が必要です。
そんなの作るには高額な費用がかかるし、持ち運ぶのも難しいです。

そこで!
前述した様々な問題を一気に解決する方法を信州大学と共に発明し、下記の特許を出願しました。


名称:三次元データスケール付与方法及び三次元データスケール付与プログラム
出願番号:特許2019-062426
出願日:平成31年3月28日

これによれば、「3Dデータ化したい物」を囲むための大きな立方体が必要無く、手動で角を選択する必要もありません。
手間も費用もかけず、自動で簡単に、3Dデータに高精度な寸法を与えることができます。

3Dデータだけではなく、ロボットの目(車載カメラ、産業機械、ドローンカメラなど)に組み込み、「物の大きさの高精度認識」に応用を進めています。

長野市ものづくり補助金

今回の研究開発にあたり、長野市の「新技術等研究開発事業」と認められ、「平成30年度ものづくり補助金」を受けて進めることができました。
費用の心配をせず、研究開発に没頭できましたこと、心より感謝しております。
今後も社会のお役に立てる様、研究および技術開発に邁進してまいります。

引き続き令和元年度~令和2年度にかけて「ものづくり補助金」を頂くことができまして、上記技術を踏まえた新たな技術開発を進めております。

おまけ


説明画像で使用した遺物は長野県宮田村の「三角とう土製品」です。


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