heliosを使った疑似点群データ計測

2025年5月30日2025年6月1日

点群データ

ChatGPTさんに疑似点群計測ツールがないか聞いたところ，Blensorに加えてこれも紹介されたので実装．
公式Github：https://github.com/3dgeo-heidelberg/helios

スタンドアロン版もあるが「ファイルが見つからない」とエラーメッセージが出るため，Anaconda promptでインストールと実行する方法を採用した．
_{余談だが，機能を試すだけなら必要ない開発目的のコンパイルをしようとChatGPTさんとドツボにはまって，数時間ひたすらエラーメッセージを貼り付けまくり，そのたびChatGPTさんに「あと少しですから頑張りましょう！！」と励まされていた．英語だからと解読を放棄してAIに丸投げするのはよくない．}

Anacondaの環境構築

公式GithubがMinicondaを推奨していたのでそれをダウンロードする．　
https://www.anaconda.com/docs/getting-started/miniconda/main　にアクセスし，右上の「Download」をクリック．
その後あたかもメールアドレスによる登録が必要そうな画面を出してくるが，無視してページの下側まで行き，「Download Miniconda Installer」をクリックする．
Miniconda InstallersのWindows版インストーラーをダウンロードする．

pipを使ってpythonのパッケージを管理していて，それと競合したくなかったので，インストーラーでの設定は以下のように行った．

インストールが完了したら，スタートメニューに「Anaconda prompt」が追加されているので起動する．PowerShellと普通のプロンプトがあるが，後者の方が扱いやすかった．

Anaconda Promptを用いたheliosのインストール

Anaconda promptを起動し，以下のコマンドを実行する．
初めの2行はpipも使っているため競合防止で仮想環境を構築するためのコマンド．ChatGPTさん曰く，他の依存ライブラリとの競合を考えたら最も安定するのがpython3.10とのことなのでそのように指定している．

conda create -n helios-env python=3.10
conda activate helios-env
conda install -c conda-forge helios

C:\Users\(ユーザー名)\miniconda3\envs\helios-env\Lib\site-packages\pyhelios　にhelios関係のファイルが生成される．
Githubのサンプルデータを使いたい際はGithubからzipファイルをダウンロード・解凍し，helios-main\dataの中身をC:\Users\(ユーザー名)\miniconda3\envs\helios-env\Lib\site-packages\pyhelios\data内に複製しておく．

Anaconda Promptとxmlファイルを用いたheliosでの疑似点群データ計測

Anaconda promptを起動し，仮想環境内で実装した場合は「conda activate helios-env」といった仮想環境の有効化を先に行ってから，以下のコマンドを実行すると，Anaconda prompt実行時のカレントディレクトリ/outputに計測点群データのxyzファイルが保存される．

helios survey.xml

xmlファイルについて

xmlファイルは「survey」「scene」「platform」「scanner」の4つが必要．
以下はサンプルデータをコピーした後のC:\Users\(ユーザー名)\miniconda3\envs\helios-env\Lib\site-packages\pyhelios\dataの中身．

heilosは指定のフォルダパスを起点に相対パスでファイルパスを設定するので，xmlファイルや3DモデルのobjファイルはC:\Users\(ユーザー名)\miniconda3\envs\helios-env\Lib\site-packages\pyhelios\data内に保存しておくこと．

「scanner」はレーザースキャナの特性で，上記では「scanners_als.xml」と「scanners_tls.xml」が該当．
「platform」は三脚や車など，レーザースキャナの搭載手段で，「platforms.xml」が該当．
scannerとplatformのxmlファイルは基本サンプルデータのものを使えばよい．自作したい場合は編集方法を後述している．

「scene」は計測対象を構成するxmlファイルで，「scenes/demo」フォルダ内にいくつかサンプルxmlファイルがある．このxmlファイル内で3Dモデルを配置する．配置できる3Dモデルはobjファイルのみで，「sceneparts」フォルダ内にいくつかサンプルファイルがある．

「survey」は上記3つのxmlファイルを取りまとめている．「surveys/demo」フォルダ内にいくつかサンプルxmlファイルがある．

scannerのxmlファイル解説

<?xml version="1.0"?>

<document>
<scanner
  id="my_scanner" <!--XML内の他のファイルから参照される一意の識別子（半角英数字）-->
  name="My Scanner" <!--説明用の名前（自由記述 半角英数字）-->
  accuracy_m="0.01" <!--測距の精度（メートル）-->
  beamDivergence_rad="0.0003" <!--ビームの開き角（rad）-->
  optics="rotating" <!--光学機構のタイプ（rotating, risle, oscillatingなど）-->
  pulseFreqs_Hz="100000" <!--パルス周波数（Hz）　複数ある場合カンマ区切り-->
  pulseLength_ns="5" <!--パルス幅（ナノ秒単位）-->
  rangeMin_m="1.0" <!--最小測距距離（メートル）-->
  scanAngleMax_deg="90" <!--仮想的な最大スキャン角度（度）-->
  scanFreqMax_Hz="100" <!--最大スキャン周波数（Hz）-->
  headRotatePerSecMax_deg="60"> <!--回転型の場合は必須　1秒あたりの最大回転角速度-->
  <beamOrigin x="0" y="0" z="0.2"> <!--ビームの出発点の位置と回転方向（survey.xmlで設定するplatformSettingsでの座標＋platform.xmlで設定するscannerMountでの座標を原点としたローカル座標系）-->
    <rot axis="x" angle_deg="0" /> <!--ビームの出発点の回転方向（survey.xmlで設定するplatformSettingsでの座標＋platform.xmlで設定するrot axisでの座標を原点としたローカル座標系）-->
  </beamOrigin>
</scanner>
<scanner></scanner> <!--複数定義可能-->
</document>

コード例

よく使っている据え置きレーザースキャナLeica RTC360をChatGPTさんに再現していただいたもの

<scanner
  id="leica_rtc360"
  name="Leica RTC360"
  accuracy_m="0.003"
  beamDivergence_rad="0.0025"
  optics="rotating"
  pulseFreqs_Hz="1000000,2000000"
  pulseLength_ns="4"
  rangeMin_m="0.5"
  rangeMax_m="130"
  scanAngleMax_deg="300"
  scanAngleEffectiveMax_deg="300"
  scanFreqMin_Hz="10"
  scanFreqMax_Hz="100"
  headRotatePerSecMax_deg="60"
  wavelength_nm="1550"
>
  <FWFSettings beamSampleQuality="3"/>
  <beamOrigin x="0" y="0" z="0.2">
    <rot axis="x" angle_deg="0" />
  </beamOrigin>
  <headRotateAxis x="0" y="0" z="1"/>
</scanner>

platformのxmlファイル解説

<?xml version="1.0"?>

<document>
<platform 
  id="tripod" <!--XML内の他のファイルから参照される一意の識別子（半角英数字）-->
  name="TLS Tripod" <!--説明用の名前（自由記述 半角英数字）-->
  type="static"> <!--プラットフォームの種類（static, linearpath, multicopter, groundvehicleなど）-->
    <scannerMount x="0" y="0" z="1.5"> <!--スキャナの設置位置（survey.xmlで設定するplatformSettingsでの座標を原点としたローカル座標系）-->
        <rot axis="x" angle_deg="40 /> <!--スキャナの向き（survey.xmlで設定するplatformSettingsでの座標を原点としたローカル座標系）-->
    </scannerMount>
</platform>
<platform></platform> <!--複数定義可能-->
</document>

コード例

三脚にセットする場合

<platform id="tripod" name="TLS Tripod" type="static" drag="0">
	<scannerMount x="0" y="0" z="1.5">
	</scannerMount>
</platform>

車にセットする場合

<platform id="vmx-450-car-left" name="RIEGL VMX-450 Car Left" type="linearpath">
	<scannerMount x="-0.18" y="-2.2" z="2.2">
		<rot axis="x" angle_deg="40" />
		<rot axis="z" angle_deg="150" />		
	</scannerMount>
</platform>

UAVにセットする場合

<platform id="quadcopter" name="Quadrocopter UAV" type="multicopter"
	drag="0.01" engine_max_force="0.1"
	speedup_magnitude="2.0" slowdown_magnitude="2.0" slowdown_distance="5.0"
	base_pitch_deg="-5.0"	
	roll_speed_deg="28.65" pitch_speed_deg="85.94" yaw_speed_deg="85.94"
	roll_offset_deg="25.0" pitch_offset_deg="35.0">
	<scannerMount x="0" y="0" z="0.2">
		<rot axis="x" angle_deg="180" />
		<rot axis="z" angle_deg="180" />
	</scannerMount>
</platform>

sceneのxmlファイル解説

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<document>
    <scene 
      id="arbaro_demo" <!--XML内の他のファイルから参照される一意の識別子（半角英数字）-->
      name="Arbaro Demo"> <!--説明用の名前（自由記述 半角英数字）-->
        <part id="0"> <!--オブジェクトを個々に定義し，idで区別-->
            <filter type="objloader">
                <param type="string" key="filepath" value="data/sceneparts/basic/groundplane/groundplane.obj"/> <!--objファイル読み込み-->
            </filter>
            <filter type="translate"> <!--オフセットしないなら不要-->
                <param type="vec3" key="offset" value="0;15;0" />
            </filter>
            <filter type="scale"> <!--拡大縮小しないなら不要-->
                <param type="double" key="scale" value="100" /> 
            </filter>
        </part>
        <part id="1"></part> <!--複数定義可能-->
        <part id="2"></part> <!--複数定義可能-->
    </scene>
</document>

surveyのxmlファイル解説

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<document>
    <scannerSettings 
       id="profile1" <!--テンプレート名（半角英数字）-->
       active="true" 
       pulseFreq_hz="100000" <!--1秒あたりの発射パルス数（点密度に影響）-->
       scanFreq_hz="120" <!--垂直方向のスキャンレート-->
       scanAngle_deg="100" <!--垂直視野（上限60° + 下限40° = 100°）-->
       headRotatePerSec_deg="10.0"/> <!--水平方向のスキャナ回転速度-->
    <survey 
       name="arbaro_demo_tls" <!--説明用の名前（自由記述 半角英数字）-->
       scene="data/scenes/demo/arbaro_demo.xml#arbaro_demo" <!--sceneのxmlパスとid-->
       platform="data/platforms.xml#tripod" <!--platformのxmlパスとid-->
       scanner="data/scanners_tls.xml#riegl_vz400"> <!--scannerのxmlパスとid-->
    <FWFSettings binSize_ns="0.2" beamSampleQuality="3" /> <!--波形情報-->
        <leg> <!--スキャンポイント-->
            <platformSettings x="1.0" y="25.5" onGround="true" /> <!--設置個所-->
            <scannerSettings template="profile1" verticalAngleMin_deg="-40.0" verticalAngleMax_deg="60" headRotateStart_deg="100" headRotateStop_deg="225" trajectoryTimeInterval_s="1.0"/> <!--設置角度-->
        </leg>
        <leg></leg> <!--複数定義可能-->
    </survey>
</document>

出力ファイルの構成

data\surveys\demo\tls_arbaro_demo.xmlを実行してxyzファイルを出力したところ，1行目は
-12.9882 23.0131 0.0018 598212.6622 0.0000 1 1 289 0 0 50852.008090000
となっていた．初めの３列は座標として，他が分からずChatGPTさんに聞いたところ，以下のような構成らしい．色や法線はつかないと見ていい．

1: X座標 (m)
2: Y座標 (m)
3: Z座標 (m)
4: 時間 (ns) または GPS時間	通常、パルス送信時間（相対）
5: 受信強度（Intensity）	通常 0～1 の範囲
6: エコー番号	同一パルス中のエコー（例：1番目）
7: エコー数	このパルスにおける全エコー数（例：1/1）
8: パルスID	一意なパルス番号（スキャナ側の識別）
9: チャネル番号	マルチチャネルスキャナ用（Velodyneなど）
10: ストリップID	連続スキャンの分割単位、なければ 0
11: GPS時間またはナノ秒	出力モードにより意味が重複していることも

また，出力時のコマンドで以下のようにオプションをつけると，lasファイルでも出力できる．

helios survey.xml --lasOutput

CloudCompareでデータ構成を覗いたところ以下のとおり．読み込んだら色と法線がない点群データが読み込まれていた．