DE202013001538U1

DE202013001538U1 - Anordnung zur Aufnahme geometrischer und photometrischer Objektdaten im Raum

Info

Publication number: DE202013001538U1
Application number: DE202013001538U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2013-03-19
Anticipated expiration: 2023-02-20

Abstract

Aufnahmeanordnung zur Gewinnung geometrischer und photometrischer Objektdaten im Raum, bestehend aus einem Laserscanner, einer elektronischen Bildaufnahmekamera und Schwenk-Neige-Antrieben, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Nodalpunktes der Bildaufnahmekamera mit dem gemeinsamen Schnittpunkt aller Drehachsen der Schwenk-Neige-Antriebe übereinstimmt.

Description

Einsatzgebiet und technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft die Übernahme von Merkmalen realer Objekte und Szenen, wie deren Abbild und deren räumliche Abmessungen, in ein dreidimensionales Computermodell mit Hilfe von Laserscannern. Das Ziel besteht dabei in der korrekten Gewinnung von räumlichen und photometrischen Objektmerkmale mit einem Aufnahmegerät.
Stand der Technik
Es sind Laserscanner bekannt, die eine Punktwolke rund um den Beobachtungspunkt in Polarkoordinaten aufzeichnen. Dabei bildet jeder aufgezeichnete Punkt einen Datensatz aus Horizontal- und Vertikalwinkel, sowie dessen Abstand zum Beobachtungspunkt. Zusätzlich wird auch das Reflexionsverhalten der Oberfläche für die Wellenlänge des Lasers als Remissionsbild mit gespeichert.
Insbesondere sind so genannte Panorama-Scanner mit übereinstimmendem Grundaufbau bekannt, bei denen die Lasereinheit mit einem Drehspiegel oder Drehprisma ausgestattet ist, das den Strahlverlauf durch kontinuierliche schnelle Drehung in einer Ebene ablenkt, während die Lasereinheit selbst, zusammen mit dieser Strahlablenkung liegend auf eine Alhidade montiert ist, die sich mit kleinerer Geschwindigkeit um eine Stehachse dreht. Dabei befindet sich die Stehachse stets genau in der Drehebene der Strahlachse, so dass unabhängig von der Winkelposition ein Strahlursprung in einem festen Punkt, dem Beobachtungspunkt, entsteht. Dieser Beobachtungspunkt bildet wiederum den Koordinatenursprung des lokalen Koordinatensystems. Weiterhin sind Anordnungen mit vergleichbarer Funktion, z. B. aus der Klasse der Tachymeter, bekannt, bei denen die optische Strahlablenkung nicht mit kontinuierlicher Drehbewegung sondern durch zielgerichtete Positionierung erfolgt. Solche Anordnungen werden im Folgenden den Panorama-Scannern gleichgestellt.
Es sind manuelle oder motorische Nodalpunktadapter bekannt, die eine Bildaufnahmekamera genau in ihrem Nodalpunkt schwenken und neigen, um eine aufgenommene Bildfolge zu einem Panorama-Bild zusammenfügen zu können. Unter dem Begriff Nodalpunkt wird, wie im Sprachgebrauch der Panorama-Bildaufnahmetechnik verbreitet, der angenommene Projektionsmittelpunkt auf der optischen Achse der Kamera verstanden, durch den idealisiert alle Projektionsstrahlen verlaufen. Dieser Nodalpunkt befindet sich bei vielen optischen Konstruktionen innerhalb des Objektivs. Unter einem Panorama-Bild wird die weitwinklige Abbildung der Umgebung eines Beobachtungspunktes bezeichnet, die nicht auf die Abbildungsgrenzen der planaren Zentralprojektion von 180° begrenzt sein muss, sondern prinzipiell den gesamten Definitionsbereich eines Polarkoordinatensystems von bis zu horizontal 0...360° und vertikal –90... +90° als gedachte Projektion auf eine Vollsphäre erreichen kann. Im Sonderfall, bei engeren Grenzen des interessierenden Sichtwinkelbereichs, kann ein Panoramabild auch mittels einer einzigen Aufnahme einer herkömmlichen Bildkamera entstehen.
Stellvertretend sei auf die Schrift DE 103 59 361 A1 verwiesen. Die Aufnahme aus einem unveränderlichen Nodalpunkt heraus ist zwingend notwendig, um die Forderung der Parallaxefreiheit zu erfüllen.
Es sind Modelle von Laserscannern bekannt, die zusätzlich mit an- oder eingebauten Bildaufnahmekameras ausgestattet sind. Hierzu gehören unter anderen die Modelle VZ-400 des Herstellers RIEGL Laser Measurement Systems GmbH, Horn (Österreich) mit aufgesetzter Standard-Spiegelreflexkamera und die Serie Focus 3D des Herstellers FARO Europe GmbH & Co. KG, Stuttgart sowie HDS3000 des Herstellers Leica Geosystems AG, Heerbrugg (Schweiz), mit integrierter Farbkamera. In allen Fällen sollen diese Bildkameras, bewegt mit den Antrieben der Laserscanner, die Funktion einer Panoramakamera übernehmen. Bedingt durch den Umstand, dass Laserscanner ihr für die Vermessung erforderliches Projektionszentrum – bei Kamerascannern in der Regel der rotierende Ablenkspiegel – selbst im Drehzentrum haben, ist kein Produkt bekannt, welches die genannte Voraussetzung der parallaxefreien Panorama-Bildaufnahme erfüllt.
Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, Laserscanner bekannter Bauart als Panorama-Scanner in Verbindung mit einer Bildaufnahmekamera so zu einer gemeinsamen Aufnahmeanordnung umzugestalten, dass gleichzeitig mit dem Laserscan eine parallaxefreie Panorama-Bildaufnahme erfolgen kann.
Problemlösung, Beschreibung der Erfindung
Das Problem wird mit der im Hauptanspruch gekennzeichneten Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist für eine korrekte Panorama-Bildaufnahme unbedingt zu gewährleisten, dass sich der Nodalpunkt stets an gleicher Position im Raum befindet. Dies kann nur erreicht werden, wenn er im Schnittpunkt der Drehachsen der Aufnahmeanordnung, also im Beobachtungspunkt, liegt. Dies ist in der erfindungsgemäßen Anordnung der Fall.
Im Gegensatz dazu ist es keinesfalls erforderlich, dass die Laserscan-Daten aus dem Beobachtungspunkt heraus erfasst werden, bzw. die Strahlachsen durch einen festen Punkt in den Drehachsen verlaufen. Die einzige Bedingung ist, dass der Bezugspunkt der Lasereinheit stets in einer bekannten geometrischen Beziehung zum Beobachtungspunkt der Aufnahmeanordnung, also zum Koordinatenursprung, steht. Damit können alle erfassten Koordinaten jederzeit mit einfachen mathematischen Korrekturen auf den Beobachtungspunkt umgerechnet werden, auch wenn sie mit einer bestimmten Parallaxe gemessen wurden. Es resultieren hieraus also keinerlei systematische Fehler. Somit verläuft die Strahlachse der Lasereinheit erfindungsgemäß nicht durch den Beobachtungspunkt.
Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die Parallaxe in der Umgebung von Objektkanten dazu führt, dass in einer Richtung Objektbereiche abgeschattet werden, während in anderer Richtung an eine Hinterschneidung des Gesichtsfeldes erfolgt. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass der Laserscan von beiden koaxialen Richtungen aus erfolgt und beide Punktwolken anschließend miteinander vereinigt werden.
1 und 2 zeigen beispielhaft eine typische erfindungsgemäße Ausführung der Aufnahmeanordnung als Panorama-Scanner. Man erkennt den Grundrahmen 1, der mittels Horizontalantrieb 2 um eine Stehachse 3 schwenkbar ist. Ein Vertikalantrieb 4, der am Grundrahmen befestigt ist, neigt die Aufnahmekamera 5 um die Neigeachse 6. Steh- und Neigeachse bilden einen gemeinsamen Schnittpunkt, der mit dem Kamera-Nodalpunkt übereinstimmt. Die bis hierhin beschriebenen Elemente bilden also einen motorisch angetriebenen Nodalpunktadapter, wie er in der Panorama-Bildaufnahme bekannt ist. Der Grundrahmen trägt weiterhin eine Laserscanner-Einheit 7, deren Ablenkspiegel, bzw. -prisma, 8 um eine Drehachse 9, die vorzugsweise mit der Neigeachse 6 deckungsgleich ist, rotiert. Die Laserscanner-Einheit rotiert ihrerseits um die Stehachse, so dass diese, gemeinsam mit dem Grundrahmen und dem Horizontalantrieb annähernd einen Panorama-Scanner bekannter Bauart repräsentiert. Der entscheidende Unterschied besteht aber darin, dass die Stehachse nicht in der Strahlebene 10 liegt, die vom Laserscanner aufgefächert wird, sondern um einen Abstand 11 verschoben ist. Dieser Abstand ist dadurch bedingt, dass der Ort des Schnittpunkts aus Steh- und Neigeachse bereits von der Kamera besetzt ist.
In den beiden Abbildungen sind weiterhin vier Zielmarken 12, eine Dosenlibelle 13 zur Horizontierung, Schnellwechselakkumulatoren 14 und Griffe 15 zur Handhabung bezeichnet.
Wie am Ausführungsbeispiel zu sehen ist, schafft die Verschiebung der Laserstrahlachse aus dem Beobachtungspunkt heraus viel Freiraum für die Aufnahmekamera, deren separaten Antrieb und Objektiv. Hierdurch wird der Einsatz größerer Kameras und Objektive mit besseren Bildaufnahme-Eigenschaften möglich, als dies bei bisher bekannten Lösungen der Fall war. Auch der Einsatz von Blitzleuchten 16 wird damit als besonders vorteilhafte Ausgestaltung möglich. Solche Blitzleuchten können gemeinsam mit der Kamera geneigt werden und werden mit ihr synchronisiert, so dass besonders in Innenräumen stets eine optimale Ausleuchtung der aufzunehmenden Objekte für die Bildaufnahme gewährleistet ist und die erforderliche Aufnahmezeit verkürzt werden kann.
Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt auch eine gleichzeitige Aufnahme der Bilder während des Laserscans.
Da die Lasereinheit mit ihrer rotierenden Ablenkeinheit in alle Richtungen scannen kann, entsteht ein „Halbscan” vor und einer hinter der Aufnahmeeinheit. Erfolgen nun beide über den Vollwinkel von 360°, so betrachtet einer alle Objekte „leicht von links” und der andere „leicht von rechts”. Werden anschließend beide entstandenen Punktwolken koordinatengerecht vereinigt, so werden Abschattungen an Körperkanten ausgeschlossen. Mehrdeutigkeiten durch Hinterschneidungen können bei einer anschließenden Texturierung mit den Kameradaten dadurch aufgelöst werden, dass jeweils die radial näher liegenden Objektbereiche die sichtbaren sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10359361 A1 [0005]

Claims

Aufnahmeanordnung zur Gewinnung geometrischer und photometrischer Objektdaten im Raum, bestehend aus einem Laserscanner, einer elektronischen Bildaufnahmekamera und Schwenk-Neige-Antrieben, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Nodalpunktes der Bildaufnahmekamera mit dem gemeinsamen Schnittpunkt aller Drehachsen der Schwenk-Neige-Antriebe übereinstimmt.
Aufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die während der Bewegung veränderlichen Strahlachsen des Laserscanners nicht durch das Drehzentrum der für Laserscanner und Bildaufnahme gemeinsam genutzten Achse – meist Stehachse – verlaufen.
Aufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Grundrahmen 1 besteht, der mittels Horizontalantrieb 2 um eine Stehachse 3 schwenkbar ist, an dem ein Vertikalantrieb 4 befestigt ist, der seinerseits die Aufnahmekamera 5 um die Neigeachse 6 neigt, wobei Steh- und Neigeachse einen gemeinsamen Schnittpunkt bilden, der mit dem Kamera-Nodalpunkt übereinstimmt, und dass der Grundrahmen weiterhin eine Lasereinheit 7 trägt, deren Ablenkspiegel, bzw. -prisma, 8 eine Drehachse 9 besitzt, deren Lage vorzugsweise mit der Neigeachse 6 deckungsgleich ist, wobei die Stehachse nicht in der Strahlebene 10 liegt, die von der Lasereinheit aufgefächert wird, sondern von dieser einen Abstand 11 aufweist.
Aufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Kamera Leuchten 16, insbesondere Blitzleuchten, mittel- oder unmittelbar so verbunden sind, dass diese deren Sichtfeld beleuchten.