DE10008769C1 - Verfahren und Einrichtung zur Signalverarbeitung, insbesondere für Digitalnivelliere - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Signalverarbeitung, insbesondere für Digitalnivelliere, die mit in der Bildebene eines Objektivs angeordneten, flächenförmigen Bildsensoren ausgerüstet sind, wobei diese Bildsensoren aus in Zeilen und Spalten angeordneten Sensorelementen bestehen. Die Zeilen oder die Spalten des Bildsensors werden gemäß dem Verfahren in Meßrichtung ausgerichtet. DOLLAR A Bei der Justierung des Digitalnivelliers wird ein aus wenigen Zeilen oder aus wenigen Spalten bestehender Bereich des Bildsensors festgelegt, der sich symmetrisch (gleichmäßig) rechts und links des Durchstoßpunktes der optischen Achse des Objektivs durch den Bildsensor erstreckt, derart, daß nur die Pixeldaten von Sensorelementen dieses Bereiches zur Messung weiter verwendet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Signalverarbeitung, insbesondere für ein Digitalnivellier, das mit einem Flächenbildsensor, wie CCD-Matrix oder CMOS-Sensor, ausgerüstet ist, welcher das Bildsignal in einzelne Bildelemente (Pixel) auflöst.

Es ist bekannt, in Digitalnivellieren Sensorzeilen als Empfänger einzusetzen. So ist aus der Zeitschrift für "Vermessungswesen und Raumordnung", April 1995, Seiten 65 -bis- 78, der Aufbau eines Digitalnivelliers mit einer CCD-Zeile bekannt.

Aus DE 34 24 806 A1, EP 576 004 B1 und DE 197 23 654 A1 sind ebenfalls Digitalnivelliere mit Linearsensoren bekannt. Diese Digitalnivelliere sind alle mit einem Strahlteiler ausgestattet, bei dem ein Teil des Lichts aus dem Fernrohrstrahlengang des Nivelliers zum Linearsensor abgezweigt wird. Für die visuelle Anzielung, Fokussierung und Betrachtung des Meßbildes sind in solchen Geräten ein Bildumkehrprisma, ein Strichkreuz und ein fokussierbares Okular erforderlich. Das Bildumkehrprisma wird üblicherweise im Neigungskompensator realisiert.

Diesen Digitalnivellieren haftet jedoch der Nachteil an, daß hier alle die optischen Baugruppen, die ein optisches Nivellier besitzen muß, ebenfalls vorzusehen sind, sowie zusätzlich ein Strahlteiler.

In der DE 195 04 039 C1 wird offenbart, die Abbildung auf eine oder mehrere CCD- Zeilen durch mindestens zwei Abbildungsoptiken für unterschiedliche Entfernungsbereiche durchzuführen. Das ermöglicht, ein Digitalnivellier ohne Fokussierung und ohne Okular zu bauen, eine Betrachtung des Fernrohrbildes ist dann jedoch, ohne weitere optische Elemente anordnen zu müssen, nicht mehr möglich.

Aus der JP 60-25413 ist ein Digitalnivellier mit einem Bildwandler als Empfänger und einer Bildschirmanzeige bekannt. Die Nivellierlatte ist horizontal codiert, so daß der Bildinhalt in horizontaler Richtung ausgewertet werden muß, um einen Meßwert zu erhalten. Es ist eine aktive Lichtquelle vorgesehen, die über einen Kompensator einen horizontalen Lichtstrahl auf die Latte sendet. Der vom Lichtstrahl getroffene Code wird gelesen. Dieser Lösung haftet der Nachteil an, daß keine Interpolation zwischen den Codeworten möglich ist und damit nur eine geringe Genauigkeit erreichbar ist.

Aus der JP 5-272 970 ist bekannt, das Lattenbild auf eine CCD-Matrix abzubilden. Die Meßwerte werden auf einem LCD-Bildschirm angezeigt. Die Messung erfolgt mit einer konventionell bezifferten und mit Strichen versehenen Latte. Aus den Strichabständen wird der Abbildungsmaßstab bestimmt. Der Rechner hat die Pixelmuster der Ziffern 0 bis 9 gespeichert. Durch Bildverarbeitung wird die Latte gelesen. Diese Lösung bildet mit elektronischen Mitteln ein optisches Nivellier nach.

In der DE 198 33 996 C1 wird ein elektronisches Nivellier mit Videoanzielung, elektronischer Auswertung, Autofokus und Registrierung ohne bewegliche Optik beschrieben.

Allen diesen Lösungen mit Flächenbildsensoren haftet der Nachteil an, daß im Vergleich zu einem Digitalnivellier mit Linearsensor eine große Datenmenge anfällt, deren Verarbeitung entsprechende Rechentechnik im Gerät oder eine längere Rechenzeit bedingt.

So ist es Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, den Umfang zu verarbeitender Daten zu verringern, ohne die Vorteile eines flächenhaften Bildsensors aufzugeben, und durch eine Anzeige der Videoinformationen auf einem Bildschirm auf ein Okular am Gerät zu verzichten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in den Ansprüchen 1 und 3 angegebenen Merkmalen gelöst. In den Unteransprüchen sind Einzelheiten und weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

So ist es vorteilhaft, wenn die Festlegung (Dimensionierung) dieses Bereichs rechts und links von einem Mittelpixel so erfolgt, daß der Kreuzungsfehler des Nivelliers nicht vorhanden oder der Einfluß des Kreuzungsfehlers auf die Meßergebnisse beseitigt ist.

Das Verfahrens kann mit einer Einrichtung in Form eines Digitalnivelliers durchgeführt werden, welcher mit flächenförmigen Bildsensoren in der Bildebene eines Objektives ausgerüstet ist. Diese Bildsensoren sind aus in Zeilen und Spalten angeordneten Sensorelementen zusammengesetzt, derart, daß die Zeilen oder die Spalten des Bildsensors in Meßrichtung ausgerichtet sind. So ist es auch vorteilhaft, wenn bei der Justierung des Digitalnivelliers ein aus wenigen Zeilen oder aus wenigen Spalten bestehender Bereich des Bildsensors symmetrisch (gleichmäßig) rechts und links des Durchstoßpunktes der optischen Achse durch den Bildsensor vorgesehen ist, derart, daß nur die Pixeldaten von Sensorelementen dieses Bereichs zur Messung weiter verwendet werden. Der Bildsensor ist mit einer nachgeordneten Auswerteelektronik verbunden.

Vorteilhafterweise umfaßt die Auswerteelektronik einen Zähler und einen Video- analog-digital-Wandler, welche dem Bildsensor nachgeschaltet und mit einem Mikrocontroller verbunden sind.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Digitalnivellier mit Bildsensor,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung für eine CCD-Matrix und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung für einen CMOS-Bildsensor.

Die Fig. 1 zeigt ein Digitalnivellier 1, wie es zum Beispiel aus der DE 198 33 996 C1 bekannt ist. Das Nivellier ist mit Hilfe eines Dreifußes 2 nach der Angabe einer Dosenlibelle 7 horizontierbar. Das Fernrohr des Digitalnivelliers besteht aus einem Objektiv 4 und einem in seinem Brennpunkt bzw. Bildebene angeordneten Bildsensor 5, beispielsweise aus einer CCD-Matrix oder einer Matrix aus CMOS- Elementen. Die Pixel dieser Matrix sind in Zeilen und Spalten angeordnet. Das Fernrohr verfügt ferner über an sich bekannte Fokussiermittel, die hier nicht dargestellt sind, da sie zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind.

Es ist also anstelle eines Okulars ein Bildschirm 6 vorgesehen, zum Beispiel ein LCD-Bildschirm, auf dem das Bild des Bildsensors 5 sowie Meß- und Rechenwerte dargestellt werden können.

Zur Feineinstellung der Ziellinie in der Vertikalen ist ein Neigungsmesser 8 vorgesehen, dessen Funktion in diesem Zusammenhang in der DE 198 33 996 C1 beschrieben ist.

Die Achsen des Nivelliers sind die Stehachse StA, die Zielachse ZA, die mit der optischen Achse des Objektivs zusammenfällt, und die Achse NMA des Neigungsmessers. Die Achse NMA ist hier so definiert, weil eine Drehung um diese Achse vom Neigungsmesser erfaßt wird und zum Nachstellen der Zielachse ZA entsprechend der Längsneigung des Nivelliers 1 führt. Alle drei Achsen StA, ZA und NMA verlaufen senkrecht zueinander.

In konventionellen Nivellieren wird anstelle eines elektronischen Neigungsmessers eine Röhrenlibelle verwendet. Üblicherweise wird die Libellenlängsachse als Libellenachse LA definiert. In diesem Fall ergibt sich anstelle der Bedingung: "Achse NMA ist senkrecht zur Zielachse ZA" die Bedingung: "Libellenachse LA ist parallel zur Zielachse ZA". Die Bedingungen sind identisch und es ist eine Frage der Definition der Achse des Neigungsmessers, welche von beiden benutzt wird. In der Literatur, zum Beispiel im Buch: Deumlich: "Instrumentenkunde der Vermessungstechnik", Verlag für Bauwesen, Berlin 1974, Sechste Auflage, Seite 207, wird das Nichteinhalten der Bedingung: Vertikalebene der Libellenachse LA und der Zielachse parallel zueinander als Kreuzungsfehler bezeichnet.

Das Nichteinhalten dieser Bedingung führt dazu, daß sich die Ablesung eines Nivelliers ändert, wenn es seitlich, also quer zur Zielachse ZA geneigt, aufgestellt wird.

Zur Justierung des Nivelliers 1 analog zu Deumlich wird dieses in bekannter Weise mit dem Dreifuß 2 nach Angabe der Dosenlibelle 7 horizontiert. Danach wird das Nivellier 1 dann um die Stehachse StA auf dem Dreifuß 3 um 180° gedreht. Die Anzeige der Dosenlibelle 7 wird dann zur Hälfte mit dem Dreifuß 3 und zur Hälfte mit den Justierschrauben der Dosenlibelle 7 zurück gestellt. Das Verfahren ist bekannt und die Justierschrauben für die Dosenlibelle 7 sind daher nicht dargestellt.

Diese Justierung ist die Voraussetzung, um den Neigungsmesser 8 in seinen Arbeitsbereich zu bringen. Durch Drehen des Gerätes um 180° um die Stehachse StA wird der Nullpunktfehler des Neigungsmessers 8 in analoger Weise wie der der Dosenlibelle 7 festgestellt. Der Nullpunkt des Neigungsmessers 8 wird, wie in elektrooptischen Tachymetern üblich, kalibriert, d. h. im Geräterechner abgelegt.

Die Justierbedingung eines Nivelliers, daß der horizontale Faden des Strichkreuzes (nicht dargestellt) horizontal ist (bzw. der vertikale Faden nach dem Lot ausgerichtet ist), wird durch Drehen des Bildsensors 5 um seinen Mittelpunkt erfüllt, wobei der Bildsensor 5 angenähert zur optischen Achse des Fernrohrs ausgerichtet ist, welche wie aus Fig. 1 zu entnehmen, mit der Zielachse ZA zusammenfällt. In Fig. 1 sind die Zeilen 9 der CCD-Matrix in vertikaler Ausrichtung (Meßrichtung) dargestellt. Das kann durch Ausrichten an einem angezielten Lotfaden oder an einem Kollimator mit Strichkreuz erfolgen, wobei die Auswertung visuell durch Beobachten eines vom Rechner auf den Bildschirm 6 erzeugten Strichkreuzes erfolgen kann, bei dem der Vertikalstrich entlang der Zeilen und der Horizontalstrich entlang der Spalten des Bildsensors 5 bzw. des Bildschirms 6 verlaufen. Gedreht wird der Bildsensor 5, bis beide Strichkreuze (das angezielte und das im Nivellier 1 erzeugte) keine erkennbare Verdrehung zueinander aufweisen. Alternativ ist auch eine elektronische Messung durch Auswerten des Bildinhaltes des Bildsensors 5 mit einem Rechner möglich.

Der für den Erfindungsgedanken wesentliche Justierschritt ist die Beseitigung des Kreuzungsfehlers. Mit dem Nivellier 1 wird eine Codelatte in größerer Entfernung oder ein Kollimator mit einer Codelattenteilung auf der Strichplatte (Codekollimator) angezielt. Das Nivellier 1 ist so weit elektronisch in Betrieb genommen, daß eine Lattenablesung mit Hilfe des Bildsensors 1 möglich ist und diese mit der vom Neigungsmesser 8 gemessenen Gerätelängsneigung korrigiert wird, wie in der DE 198 33 996 C1 beschrieben. Dabei liefert jede Zeile 9 des Bildsensors 5 einen um die Längsneigung korrigierten Höhenwert.

Das Nivellier 1 wird nun seitlich ein wenig, um ca. 10' bis 20' (Bogenminuten), gekippt. Das kann beispielsweise mit dem Dreifuß 2 oder mit einem Neigungstisch erfolgen. Diejenige Zeile 9 des Bildsensors 5, deren Höhenwert dabei konstant bleibt, definiert die Zielachse ZA in seitlicher Richtung. Im weiteren wird die Nummer dieser Zeile im Rechner abgelegt. Für die Bestimmung des Höhenwertes werden nur einige (zum Beispiel vier oder fünf) Zeilen 9 um diese Zeile verwendet. Die übrigen Zeilen dienen nur dazu, als Bild auf dem Bildschirm 6 angezeigt zu werden, um die. Anzielung zu erreichen.

Die weitere Justierung der Ziellinie bezüglich genauer Lage der Zielachse in der Vertikalen mittels Nivellierprobe (Nivellieren aus der Mitte, Förstnerverfahren) oder, nach einem Kollimator, insbesondere einem Codekollimator, erfolgt nach bekannten Verfahren. Praktisch wird dabei die Zielachse ZA in Vertikalrichtung durch Festlegen eines "Mittelpixels" d. h. in diesem Fall einer Spalte der CCD-Matrix definiert.

Ebenfalls wird der Längsablauf des Neigungsmessers durch Abkippen des Nivelliers 1 in Längsrichtung dergestalt kalibriert, daß sich bei Abkippen der Meßwert nicht ändert. Die erforderlichen Korrekturen am Höhenwert sind aus der DE 198 33 996 C1 bekannt. Mit zwei bis drei Messungen mit verschiedenen Neigungswinkeln stehen genug Meßwerte zur Verfügung die zur Korrektur des Höhenwertes erforderliche Gerätekonstante, im wesentlichen das Produkt aus Neigungswinkel und Brennweite zu bestimmen.

Ist der Bildsensor 5 eine CCD-Matrix, so können, wie in Fig. 1 beschrieben, die Zeilen der Matrix vertikal orientiert werden.

Diese Art der Orientierung bedeutet, daß das Bild der digitalen Kodierung auf mindestens einer Matrixzeile abgebildet wird. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die relevante Information Pixel für Pixel hintereinander gelesen werden kann. Die Lesezeit ist ca. 64 µs, was der Länge einer Zeile im Videosignal einer CCD- Zeile entspricht. Nach dem die Zeile oder die Zeilen mit der Kodierung gelesen wurden, kann bereits während der Ausgabe der restlichen Videozeilen mit der Auswertung der Kodierung begonnen werden. Nachteil dieser Anordnung ist, daß ein schneller Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) erforderlich ist und daß auch der Microcontroller die Daten vom AD-Wandler mit einer Zykluszeit von 70 ns entsprechend einem Pixel entgegennehmen muß.

Wird die Matrixzeile hingegen horizontal im Raum orientiert, so ist das Bild der digitalen Kodierung auf alle Zeilen der Matrix verteilt und zwar in einer bestimmten Spalte. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß der AD-Wandler zwar eine Samplezeit von < 70 ns (ein Pixel) haben muß, die Umsetzzeit jedoch bis zu 64 µs (eine Zeile im Videosignal) betragen kann. Auch die Anforderungen an den Microcontroller sind dadurch weniger hoch. Nachteil dieser Anordnung ist, daß das Lesen der Kodierung solange dauert, wie die Ausgabe eines Videobildes dauert ( 20 ms).

Die Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung für eine CCD-Matrix, die im Prinzip beide Orientierungen ermöglicht.

Das Interface der CCD-Kamera 5 ist hier so ausgeführt, daß die Kamera ein Videosignal (Video), einen Pixeltakt (PCLK), einen Zeilenimpuls (HD) und einen Bildimpuls (VD) zur Verfügung stellt.

Über die Signale ist die in Fig. 2 als Blackbox 15 veranschaulichte CCD-Kamera als Bildsensor mit einem Video-AD-Wandler 11 (Video-ADC) und einem Zähler 12 (Counter) verbunden. Außerdem sind ein Register 13 und ein Mikrocontroller 14 vorgesehen, wobei der Mikrocontroller 14 die Datenauswertung und Steuerung übernimmt. Der Zähler 12 kann auch Bestandteil des Mikrocontrollers 14 sein.

Die Anordnung funktioniert bei vertikaler Orientierung der Matrixzeile 9 in folgender Weise:

Der Zähler 12 wird mit einem Bildimpuls VD mit dem Inhalt des Registers 13 geladen und zählt die Zeilenimpulse HD rückwärts. Das Register 13 wird wiederum vom Microcontroller 14 vor Beginn eines Bildes mit der "Zeilennummer -1" (Zeilen sind nummeriert) geladen. Ist die ausgewählte Zeile erreicht, so gibt der Nulldurchgang des Zählers 12 "Zero-count" (Fig. 2) ein Signal an einen Eingang des Microcontrollers 14, daß jetzt der Inhalt der betreffenden Zeile über den AD-Wandler 11 pixelweise an den Microcontroller 14 gegeben wird. Diese Anordnung kann auch auf mehrere Zeilen erweitert werden.

Im Falle der horizontalen Orientierung der Zeile zählt der Zähler 12 entsprechend die Spalten, im einfachsten Fall den Pixeltakt PCLK. Der Zähler 12 wird zu Beginn einer jeden Zeile mit der "Spaltennummer -1" (Spalten sind nummeriert) geladen. Der Nulldurchgang des Zählers teilt dem Microcontroller 14 mit, wann Daten vom AD- Wandler 11 abzurufen sind.

Die Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen CMOS-Bildsensor. CMOS-Bildsensoren haben gegenüber der CCD-Matrix den Vorteil, daß gezielt bestimmte Pixel ausgelesen werden können. Sie werden mit integrierten AD- Wandlern angeboten, was den schaltungstechnischen Aufwand deutlich reduziert. Eine direkte Kopplung des als Bildsensor verwendeten CMOS-Bildsensors 21 mit dem Bus eines Microcontrollers 14 ist somit möglich. Der auszulesende Pixelausschnitt wird durch Programmierung von Horizontalstart- und Horizontalendregistern und Vertikalstart- und Vertikalendregistern festgelegt. Der Pixelclock synchronisiert die Datenübernahme des Microcontrollers oder -prozessors mit der Bereitstellung von gültigen Pixeldaten durch den AD-Wandler des CMOS- Bildsensors.

Da die Bildwiederholfrequenz und die Pixelausgabefrequenz bei CMOS-Bildsensoren programmierbar ist, kann das Zeitverhalten des Bildsensors und des Microcontrollers aufeinander abgestimmt werden und die Anforderungen an das Zeitverhalten des Microcontrollers liegen nicht so hoch wie bei der Schaltung mit CCD-Matrix.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehende Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist der Erfindungsgedanke in gleicher Weise realisierbar, wenn das Digitalnivellier mit einem konventionellen Kompensator ausgestattet ist, der in den Abbildungsstrahlengang zwischen Fernrohrobjektiv und Bildsensor eingreift. Die Justierung des Kreuzungsfehlers durch seitliches Abkippen wird hier nur als dem Fachmann hinreichend bekanntes Beispiel angegeben. Ein Justierung der Rechtwinkligkeit von Zielachse A und Neigungsmesserachse NMA kann auch auf andere Weise erfolgen, als im Beispiel dargestellt. Die Schaltungen zur Auswahl der vom Rechner für die Gewinnung der Lattenablesung auszuwertenden Zeilen oder Spalten des Bildsensors können dem jeweiligen Stand der Technik entsprechend modifiziert sein.

In analoger Weise kann die Erfindung auch für eine zweiachsige Messung in einem Theodoliten oder Tachymeter Anwendung finden, indem nur einige Spalten um die optische Achsen für die Messung in der einen Achse und einige Zeilen um die optische Achse für die Messung in der anderen, dazu senkrechten Achse Verwendung finden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Signalverarbeitung, insbesondere für Digitalnivelliere, die mit in der Bildebene eines Objektives angeordneten, flächenförmigen Bildsensoren ausgerüstet sind, wobei diese Bildsensoren aus in Zeilen und Spalten angeordneten Sensorelementen zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Zeilen oder die Spalten des Bildsensors (5) in Meßrichtung ausgerichtet werden,
• - und daß bei der Justierung des Digitalnivelliers ein aus wenigen Zeilen oder aus wenigen Spalten bestehender Bereich des Bildsensors (5) festgelegt wird, der sich symmetrisch rechts und links des Durchstoßpunktes M der optischen Achse des Objektivs (4) durch den Bildsensor (5) erstreckt, derart, daß nur die Pixeldaten von Sensorelementen dieses Bereiches zur Messung weiter verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festlegung dieses Bereichs rechts und links von einem Mittelpixel so erfolgt, daß der Kreuzungsfehler des Nivelliers nicht vorhanden oder der Einfluß des Kreuzungsfehlers auf die Meßergebnisse beseitigt ist.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, bei einem Digitalnivellier mit einem Objektiv (4), wobei das Digitalnivellier mit mindestens einem flächenförmigen Bildsensor (5) in einer Bildebene des Objektives (4) ausgerüstet ist, daß der mindestens eine Bildsensor (5) aus in Zeilen und Spalten angeordneten Sensorelementen zusammengesetzt ist, derart,

• - daß die Zeilen oder die Spalten des Bildsensors (5) in Meßrichtung ausgerichtet sind,
• - daß bei der Justierung des Digitalnivelliers ein aus wenigen Zeilen oder aus wenigen Spalten bestehender Bereich des Bildsensors (5) symmetrisch rechts und links des Durchstoßpunktes M der optischen Achse des Objektivs durch den Bildsensor vorgesehen ist, derart, daß nur die Pixeldaten von Sensorelementen dieses Bereiches zur Messung weiter verwendet werden,
• - und daß der Bildsensor mit einer nachgeordneten Auswerteelektronik verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik einen Zähler (12) und einen Video-analog-digital- Wandler (11) umfaßt, welche dem Bildsensor (5) nachgeschaltet und mit einem Mikrocontroller (14) verbunden sind.

5. Einrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus matrixartig angeordneten CCD-Elementen bestehender Bildsensor (5) vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus matrixartig angeordneten CMOS-Elementen bestehender Bildsen­ sor (21) vorgesehen ist.