株式会社OPT

次世代マッピング・SLAMテクノロジー H29・30年度 中小企業等経営力強化税制 認定 モバイル3Dスキャナー Stencil 2

モバイル3Dスキャナー Stencil 2
モバイル3Dスキャナー Stencil 2
モバイル3Dスキャナー Stencil 2
モバイル3Dスキャナー Stencil 2
モバイル3Dスキャナー Stencil 2
モバイル3Dスキャナー Stencil 2
モバイル3Dスキャナー Stencil 2

REAL-TIME LOCALIZATION AND MAPPING

リアルタイムで自己位置を推定し3D地図を作成する

GPSフリー、モバイルマッピングスキャナー(MMS)

モバイル3DスキャナーStencil 2はGPSデータを必要とせず、高密度・高速で室内外を計測して
3Dモデル(点群データ)を作成します。
従来のMMSでは困難であった狭い道路、地下街、構造物直下、森林内を瞬時に計測できます。

ステップ 1: Stencil 2を使って地上よりマッピングを行なう。 ステップ 1: Stencil 2を使って地上よりマッピングを行なう。
ステップ 2: ドローンにStencil 2を搭載してマッピングを行なう。 ステップ 2: ドローンにStencil 2を搭載してマッピングを行なう。
地上からのマッピング 地上からのマッピング
地上からのマッピング 空中からのマッピング(緑)
データの合成 データの合成

Stencil 2の特長

  • KAARTA社のエンジン(リアルタイムローカライゼーション & マッピング)を搭載する。
  • 100M計測、GPSフリーで歩きながら計測できる。
  • 精度±30mm(後処理でさらに精度を高める)
  • カラー画像を撮影しモデルに貼り付ける。
  • 付属のiPadで計測の操作やファイル管理が可能。
  • 点群データの自動合成と出力(PLY、LAS)

・Stencil 2で計測業務の少人数化を図る

これまで複数の測量士で行なったきた現場の計測業務は、Stencil 2の使用で1名あるいは少人数で実施できるようになります。測量座標系への変換は、従来の3Dレーザースキャナーと同じくターゲット座標を利用します。歩きながら3Dスキャンし、スキャンの終了(停止ボタンのON)と同時にデータ保存が実行され、通常は数分で合成された点群データが作成されます。Stencil 2の最大の特長は計測終了後、即、3Dデータを確認できることです。地上レーザースキャナーやMMSなどのモバイルシステム、 航空・ドローンレーザーの多くは、何らかのデータ処理を通して初めて3D点群として把握できます。Stencil 2は外部モニターを接続することで、データ確認を行い、欠損箇所などの把握がその場で可能になります。このようにStencil 2は、合成作業を行わずリアルタイムでデータを保存しチェックできます。

歩行中のスキャンの間、Stencil 2の操作とは開始から終了までに数回のボタンを押すだけです。操作手順は極めて単純です。業務の高度化が増す一方で短時間勤務・少人数労働が求められている現在、従来の数名による測量作業はStencil 2の導入により、究極的には一人で完了できるようになります。

なお、Stencil 2は電源をONした場所がローカル原点(0,0,0)としてデータが蓄積され、方向も電源ON時点での機材の設置向きでX軸が決定されます。従って、公共座標などへの変換は点群編集ソフトなどでの作業が必要になります。弊社は点群編集ソフト(OPT Cloud Survey)を販売しています。

事例紹介

1.森林内の計測

これまで不可能であった森林内の計測が可能となり、歩きながら木々や地形を正確にスキャンできます。幹の太さを測長でき木々の位置関係を調査できます。あるいは、遊歩道や登山道を3D計測することで避難ルートの確認やと登山者への観光案内にも利用できます。

立木調査にも利用可能

移動体計測のStencil2は立木調査に最適です。樹木の外側半面程度を計測できれば直径を算出できます。立木調査で難しいことは下草の地面から胸高までの距離を計測することです。下草が無い場所(山道など)をスキャンしたり、あるいは下草の一部を除去や押しつぶしてスキャンできれば、地面のデータとしてデータ合成に利用できます。また樹木の根本を計測することで、3Dモデルから胸高を計算できます。こうした作業は、三脚固定の地上型レーザースキャナーでは難しく、移動体計測が適していると思われます。

1:全体を上から見る。ピンクラインは移動(歩行)軌跡 1:全体を上から見る。ピンクラインは移動(歩行)
軌道
2:鳥瞰。見通しさえきけば40-50m先の樹木も認識可能 2:鳥瞰。見通しさえきけば40-50m先の樹木も認識
可能
3:部分拡大。樹木の周囲を廻ったものは幹が円を描き、周辺の樹木は部分計測となって円が欠けているのがわかります。 3:部分拡大。樹木の周囲を廻ったものは幹が円を描き、 周辺の樹木は部分計測となって円が欠けているのがわかります。
4:左の鳥瞰。下草の中を分け入って計測しているのがわかります。 4:左の鳥瞰。
下草の中を分け入って計測しているのがわかります。

2.トンネル内の計測と編集作業

防空壕跡のトンネルを歩きながら計測する。(トンネルの距離 約60m、W, Hとも約2m)
データの編集作業では、点群処理ソフト OPT Cloud Surveyを使用しました。

トンネル-1

トンネル-1

トンネル-2

トンネル-2

上記のデータをOPT Cloud Surveyで複数のフィルタリング機能を実施。約900万点(2/3くらい)まで減らした。

トンネル-3

トンネル-3

断面データ抽出(断面方向や抽出幅は自由)

トンネル-4

トンネル-4

お好みのデータを表示させ、アニメーション機能を使ってウォークスルーを作成する。
ムービーによるデータ確認が可能となります。トンネル内を走行しています。

3.建物の計測

歩行しながら、ビル周辺を計測する。

計測直後のデータ(PLYで保存)から、以下の処理を行っています。 loop_close:スタート&エンドがほぼ同位置であることが前提条件で処理可能
thinned:ノイズ取り、計測順に並んでいたデータがエリア(ブロック)別に並べ替えされます
これらはStencil 2に内蔵したデータ処理機能です。汎用の点群処理ソフトは未使用です。

1.ピンクラインは移動軌跡を示す。

①ピンクラインは移動軌跡を示す。

建物内のデータはガラス越しで収集する。

2. グランド:水平面(地面)の計測限界の目安

②グランド:水平面(地面)の計測限界の目安

電線:数十秒間、計測対象になっています。 A:(高低差がある)建物の壁でのデータのばらつき
僅かに点の”厚み”がある。建物自体は垂直と仮定して、
座標変換などターゲットの処理を行わず、Stencil 2のIMUによる
水平検出機能のみの結果としては、精度的に問題ないと判断する。
B:車と車の隙間。真横まで来ないとデータ収集できないので、通常の歩行スピードでは
早すぎたため発生した。スピードを落とさないと欠損が出る。

③スタート&エンドのデータ確認

③スタート&エンドのデータ確認

厳密に位置を決めて実施したわけでなく、おおよそでの結果。
Stencil 2は手に持って実施したので、計測の終盤では腕が疲れ、手に持つ位置が下がっていた。
メートル単位でずれていたわけではないので、計測途中のデータのレジストレーションには”問題ない”と判断した。

④Stencil 2の点群データについて

Stencil 2はMicrosoft社主催のSLAMコンペで、2年連続で精度評価 No.1を獲得する

Stencil 2はMicrosoft社主催のSLAMコンペで、2年連続で精度評価 No.1を獲得する

マイクロソフト社主催のMicrosoft Indoor Localization Competition 2017(室内・自己位置推定コンペ)が2017年4月、米国で開催されました。Kaarta社のStencil 2は2年連続で、精度評価にて第1位を獲得しました。600平米の室内に20か所の既知点を設け、リアルタイムで精度検証を行っています。

Kaarta社(Stencil 2)は0.033mの誤差となる。 Kaarta社(Stencil 2)は0.033mの誤差となる。
室内2フロア 600平米を計測する
室内2フロア 600平米を計測する
室内2フロア 600平米を計測する

Stencil 2のデータとビデオ

Stencil 2を片手に持ち歩きながら計測する。計測時間は約10分、データ処理は約15分。データ合成はすべて自動で行われ、ターゲットは使用していない。

モバイル3DスキャナーStencil 2 モバイル3DスキャナーStencil 2

モバイル3Dスキャナー Stencil 2とは、

Stencil 2

自社開発のLocalization & Mapping (自己位置推定&地図作成)用エンジンを搭載し、
GPSを使用せずとも、空間エリアを計測できます。

KAARTA社のStencil 2は軽量小型のハンドヘルド3Dスキャナーで、リアルタイムで点群データを作成します。自動でマッピング(位置情報の取り込みとデータ合成)を行います。Stencil 2は100mまで測定できるため地形測量に適しており、また地下街や室内の3Dモデリング、遺跡・遺構の調査、大型の構造物の検査などインフラの維持管理にも応用できます。幅数メートル内など道路や極小エリアを片手で持ち歩きながらスキャンできます。さらにヘルメットや自転車にも搭載でき、進行方向の両側・前後の領域を自動でスキャンしていきます。

GPSデータを取得できないビルの陰やドローンの規制区域の測量はこれまで、3Dモデルの作成には不向きでした。Stencil 2は今後、地上測量の一部として利用され、また空中計測データと合成することで完全な都市モデルや地形モデルを作成できます。

Stencil 2 GPSを使わず空間エリアを3Dスキャンする
Stencil 2 Stencil 2 Stencil 2

Feature Camera

Feature Camera(フィーチャカメラ)は対象物の特徴点を特定(発見)するために使用されます。3Dスキャナーは壁など平面が連続するとき、データ合成がうまく機能しない場合が多くあります。Stencil 2の横に取り付けられるフィーチャカメラは平らな構造物であっても特徴点を見つけ出し、データ合成に利用できます。

REAL-TIME LOCALIZATION AND MAPPING

3DレーザーとIMUを組み込んだStencil 2は200Hzの速度で6 DOFの位置情報を計算し、リアルタイムでマップを作成していきます。

GPSデータは不要

Stencil 2の最大の特長はGPSデータを必要とせず、連続してスキャンができることです。リアルタイムで点群データを取得し3Dモデルを作成できます。森林内部、複数階から成る地下街など、これまで考えられなかった測量が可能となります。

3Dスキャナーの仕様

3Dスキャナーの仕様:

  • 700g (Stencil 2本体)
  • Velodyne VLP-16センサー
  • MEMS IMU: 6DOF solid state
  • i7 dual core processor
  • Ubuntu Linux OS
  • ディスク:500 GB SSD
  • フィーチャカメラ(640 x 360pix、白黒画像)
  • iPad 32MB 9.7” space gray、HDMIポート
  • 入力:電源 12-19 VDC
  • 出力: USB 3.0 (USB3 to GigE用アダプターを含む)
モバイル3Dスキャナー Stencil 2
モバイル3Dスキャナー Stencil 2

ステータスは色分けで表示されます。

Stencil 2用に機能アップした3D点群処理ソフトウェア OPT Cloud Survey
30万円(税別)

測量業界向けに開発されたOPT Cloud Surveyは様々なフィルタリング機能を持ち、オーバーハングに対応したメッシュを作成できます。
さらに、最新のバージョンはStencil 2で取得したデータを素早く処理できる新機能が追加されています。
OPT Cloud Surveyは今後、Stencil 2に特化した多くの新機能を追加していきます。

以下は2017年に追加した(Stencil 2関連の)機能:

◎不要な点データの自動削除

例えば人や自動車が行き交う道路を計測する場合、時間をずらして2回スキャンします。2回のスキャンデータをマージさせ、合致しない差分が有れば自動で削除します。マニュアル作業に比べ、大幅に作業時間を削減できます。

◎ムービーの作成

Stencil 2が扱うデータは大量のため、施主などエンドユーザへプレゼする場合は点群データそのものよりも、ムービーでの紹介が適しています。OPT Cloud Surveyにムービー作成機能を追加しており、作業者が自ら作成できるようになりました。

◎シェーディングの作成

Velodyneのセンサーは元々、反射強度(Intensity)の強弱の範囲が極端に狭いため、3Dレーザースキャナーのような“白黒画像”で対象物を表示することができません。OPT Cloud Suvreyにシェーディング機能を追加することで、立体感のある表現を実現できるようになりました。

左:Velodyneの生データ 右:シェーディング実行後の表示

左:Velodyneの生データ
右:シェーディング実行後の表示

計測エリア全体をシェーディングで表示する

計測エリア全体をシェーディングで表示する

◎一定標高以下の色分けと同時に切断、分割する機能

標高だけでなく、intensity設定において極端に強度の強いデータ(ミラーなどのデータ)を排除する場合でも使用できます。

◎データのドリフトに対応する機能

Stencil 2には高性能のトラッキング用カメラが搭載されています。しかし、トンネル壁など連続した変化のない現場によっては計測途中でドリフトが発生し、データのズレが生じるケースがあります。その場合 精度の悪いRegistration が続き、以後のデータはズレが蓄積されたままつながれていきます。これに対処する機能をOPT Cloud Surveyに追加しています。

以下は2018年に追加予定の機能:

◎データの編集や合成に利用する機能

シリンダー、球や平面などのプリミティブなモデルを抽出・保存でき、その中心(重心)座標や半径データを取得します。

測定データの出力強化

◎測定データの出力強化

測定で表示されるフラグデータ(距離、角度などの表示)をテキストでファイル出力します(右図参照)。

◎測定機能の強化

3点から円の中心座標&半径の抽出。円や円弧ラインの作成抽出、範囲指定した点群データからの表面積と2D投影面積を算出します。

◎距離レンジによるフィルター機能

固定式の3Dスキャナーでは問題となりませんが、モバイル3Dスキャナーは常に計測地点が移動しているため、どこかの固定点(通常は三脚の据え付け位置)から距離を判定することはできません。そのため、これまでStencil 2では「距離レンジ」によるフィルター処理を実行できませんでした。しかし今回 OCSに新規に追加する「距離レンジ」機能は、一定距離以上のデータを強制排除できる仕組みを取り入れる計画です。この機能で、周辺部だけでなく中央部(計測軌跡)にも存在する遠い位置から計測されたあまり質の良くないデータを排除できます。

計測中、Stencil 2から一定以上の距離に存在するデータを自動で削除します

計測中、Stencil 2から一定以上の距離に存在するデータを自動で削除します。フィルタリングの時間が大幅に軽減されます。

◎自動ノイズフィルター機能

計算不能のデータや曲率の大きなデータは削除します。

◎点群データにRGB情報を付加する

写真計測ソフトPhotoscanやZehpyrで出力したオルソ画像、Geo Tiff画像、またはGoogle Earthを元にRGB情報を付加します。


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