JP2017111118A - Registration calculation between three-dimensional(3d)scans based on two-dimensional (2d) scan data from 3d scanner - Google Patents
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Abstract
Description
3Dスキャナからの2次元(2D)スキャンデータに基づく3次元(3D)スキャン間の位置合せ計算である。 Alignment calculation between 3D (3D) scans based on 2D (2D) scan data from a 3D scanner.
関連出願の相互参照
本出願は、2014年12月3日出願の米国特許出願第14/559,311号の一部継続出願であり、これは2013年9月27日出願の国際特許出願第PCT/IB2013/003082号の利益を主張し、これは2012年10月5日出願の独国特許出願第10 2012 109 481.0号、および2012年10月22日出願の米国特許出願第61/716,845号の利益を主張し、これら全ての内容を本願に引用して援用する。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 14 / 559,311 filed Dec. 3, 2014, which is International Patent Application No. PCT No. 10/2012 109 481.0 filed Oct. 5, 2012 and US patent application 61/716 filed Oct. 22, 2012. , 845, all of which are incorporated herein by reference.
米国特許第8,705,016号(’016)にはレーザスキャナが記載されており、このスキャナは、回転可能なミラーを使用することによって、その環境中に光ビームを放出して、3次元(3D)のスキャンを生成する。この特許の内容を本願に引用して援用する。 U.S. Pat. No. 8,705,016 ('016) describes a laser scanner that emits a light beam into its environment by using a rotatable mirror to provide a three-dimensional Generate a (3D) scan. The contents of this patent are incorporated herein by reference.
本明細書に開示された主題は、3Dレーザスキャナの飛行時間(TOF)座標測定装置の使用法に関する。このタイプの3Dレーザスキャナは、物体の拡散的な散乱表面など、非協働ターゲットに向けて光のビームを操向する。装置内の距離計が物体までの距離を測定し、角度エンコーダが装置内の2つの軸の回転角度を測定する。測定された距離および2つの角度によって、装置内のプロセッサはターゲットの3D座標を決定できるようになる。 The subject matter disclosed herein relates to the use of a 3D laser scanner time-of-flight (TOF) coordinate measurement device. This type of 3D laser scanner steers a beam of light toward a non-cooperating target, such as a diffusely scattering surface of an object. A distance meter in the device measures the distance to the object, and an angle encoder measures the rotation angle of two axes in the device. The measured distance and the two angles allow the processor in the device to determine the 3D coordinates of the target.
TOFレーザスキャナは、スキャナとターゲット点との間の空気中での光の速度に基づいてターゲット点までの距離が決定されるスキャナである。レーザスキャナは通常、建物の内部領域、産業施設、トンネルなどの閉鎖空間または開放空間をスキャンするのに使用される。たとえば、レーザスキャナは、工業用途および事故再現用途で使用してもよい。レーザスキャナは、このスキャナ周りの空間内の物体面を表すデータ点を取得することによって、この空間において物体を光学的にスキャンし、また測定する。このようなデータ点は、光のビームを物体に送出し、反射光または散乱光を収集して、距離、2つの角度(すなわち方位角および天頂角)、ならびに任意選択でグレースケール値を求めることによって得られる。このスキャン生データが収集され、記憶され、1つ以上のプロセッサに送られて、スキャンされた領域または物体を表す3D画像を生成する。 The TOF laser scanner is a scanner in which the distance to the target point is determined based on the speed of light in the air between the scanner and the target point. Laser scanners are typically used to scan closed or open spaces such as interior areas of buildings, industrial facilities, and tunnels. For example, laser scanners may be used in industrial and accident reproduction applications. A laser scanner optically scans and measures an object in this space by obtaining data points representing the object plane in the space around the scanner. Such data points send a beam of light to the object and collect reflected or scattered light to determine distance, two angles (ie azimuth and zenith angles), and optionally a grayscale value. Obtained by. This raw scan data is collected, stored and sent to one or more processors to generate a 3D image representing the scanned region or object.
画像を生成するには、各データ点について少なくとも3つの値が必要になる。これら3つの値は、距離および2つの角度を含んでもよく、またはx、y、z座標などの変換値でもよい。一実施形態では、画像はまた、第4のグレースケール値に基づいており、この値は、スキャナに戻る散乱光の放射照度に関連した値である。 Generating an image requires at least three values for each data point. These three values may include distance and two angles, or may be transformed values such as x, y, z coordinates. In one embodiment, the image is also based on a fourth grayscale value, which is a value related to the irradiance of scattered light returning to the scanner.
大抵のTOFスキャナは、ビーム操向機構を用いて光を操向することによって、測定空間内に光のビームを送る。ビーム操向機構は、第1の角度エンコーダ(または他の角度変換器)によって測定される第1の角度だけ、第1の軸周りで光のビームを操向する第1のモータを備える。ビーム操向機構はまた、第2の角度エンコーダ(または他の角度変換器)によって測定される第2の角度だけ、第2の軸周りで光のビームを操向する第2のモータを備える。 Most TOF scanners send a beam of light into the measurement space by steering the light using a beam steering mechanism. The beam steering mechanism includes a first motor that steers the beam of light about the first axis by a first angle measured by a first angle encoder (or other angle transducer). The beam steering mechanism also includes a second motor that steers the beam of light about the second axis by a second angle measured by a second angle encoder (or other angle transducer).
現代の多くのレーザスキャナは、そのレーザスキャナに取り付けられて、環境のカメラデジタル画像を収集し、レーザスキャナの操作者にこのカメラデジタル画像を提示するためのカメラを備える。カメラ画像を見ることにより、スキャナの操作者は、測定される空間の視野を決定し、空間の相対的に大きいまたは小さい領域にわたって測定するためにレーザスキャナの設定を調整することができる。さらに、カメラデジタル画像をプロセッサに伝送して、スキャナ画像に色を付加してもよい。カラースキャナ画像を生成するには、少なくとも3つの位置座標(x、y、zなど)および3つの色値(赤、緑、青の「RGB」など)が、各データ点において収集される。 Many modern laser scanners include a camera that is attached to the laser scanner to collect a digital camera image of the environment and present the digital camera image to the operator of the laser scanner. By looking at the camera image, the scanner operator can determine the field of view of the space to be measured and adjust the settings of the laser scanner to measure over a relatively large or small area of space. Further, the camera digital image may be transmitted to a processor to add color to the scanner image. To generate a color scanner image, at least three position coordinates (x, y, z, etc.) and three color values (red, green, blue “RGB”, etc.) are collected at each data point.
シーンの3D画像は、様々な位置合せ位置からの複数のスキャンを必要とすることがある。たとえば、米国特許出願公開第2012/0069352号(’352)に記載されているように、オーバラップするスキャンが結合座標系に登録されており、その内容を本願に引用して援用する。このような位置合せは、複数のスキャンのオーバラップする領域内のターゲットをマッチさせることによって実行される。このターゲットは、球またはチェッカー盤などの人工的なターゲットでもよく、壁の隅部または縁部などの自然な形状でもよい。位置合せ手順には、各ターゲットをユーザが識別することや、様々な位置合せ位置のそれぞれでスキャナによって得られるターゲットをマッチさせることなど、相対的に時間のかかる手動での手順を含むものもある。位置合せ手順にはまた、トータルステーションなどの外部装置によって測定される位置合せターゲットの外部の「制御ネットワーク」を確立することを必要とするものもある。’352に開示された位置合せ方法では、位置合せターゲットのマッチングおよび制御ネットワークの確立をユーザがおこなう必要はない。 A 3D image of a scene may require multiple scans from various alignment positions. For example, as described in US Patent Application Publication No. 2012/0069352 ('352), overlapping scans are registered in the combined coordinate system, the contents of which are incorporated herein by reference. Such alignment is performed by matching targets in overlapping areas of multiple scans. The target may be an artificial target such as a sphere or checkerboard, or may be a natural shape such as a corner or edge of a wall. Some alignment procedures include relatively time-consuming manual procedures such as the user identifying each target and matching the target obtained by the scanner at each of the various alignment positions. . Some alignment procedures also require establishing a “control network” outside the alignment target that is measured by an external device such as a total station. The alignment method disclosed in '352 does not require the user to perform alignment target matching and control network establishment.
しかし、’352の方法で簡略化しても、前述のような手動での位置合せステップをユーザが実行する必要性をなくすことは、今日でも依然として困難である。典型的な場合には、3Dスキャンの30%のみが、他の位置合せ位置から取得されるスキャンに自動的に位置合せすることができる。今日、このような位置合せは、3D測定の現場ではほとんど実行されず、代わりにスキャン手順の後にオフィスで実行される。典型的な場合には、スキャンに1週間を要する調査では、複数のスキャンを手動で位置合せするのに2日〜5日は必要とする。これによって、スキャン調査にコストがかさむ。さらに、手動での位置合せプロセスにより、隣接するスキャン間のオーバラップが適切な位置合せを実現するのに不十分であったことが明らかになることもある。他の場合には、手動での位置合せプロセスにより、スキャン環境の一定の区域が除外されてしまったことが明らかになることもある。このような問題が生じると、操作者は、現場に戻って追加のスキャンを得なければならない。場合によっては、現場に戻ることが不可能である。あるときスキャンするのに利用可能だった建物も、しばらく経つとアクセスすることが不可能になることがある。自動車事故または殺人の科学捜査のシーンは、その事件後ある程度の時間はスキャンするのに利用できないことが多い。 However, even if simplified by the '352 method, it is still difficult today to eliminate the need for the user to perform a manual alignment step as described above. In typical cases, only 30% of 3D scans can be automatically aligned to scans acquired from other alignment positions. Today, such alignment is rarely performed in the field of 3D measurements, but instead is performed in the office after the scanning procedure. Typically, a study that takes a week to scan requires 2-5 days to manually align multiple scans. This adds cost to scanning investigations. In addition, a manual alignment process may reveal that the overlap between adjacent scans was insufficient to achieve proper alignment. In other cases, a manual alignment process may reveal that certain areas of the scanning environment have been excluded. When such a problem occurs, the operator must return to the site to obtain additional scans. In some cases, it is impossible to return to the site. Buildings that were available for scanning at one time may become inaccessible after some time. Forensic scenes of car accidents or murders are often not available for scanning for some time after the incident.
したがって、既存の3Dスキャナは、その本来の目的には適しているが、本発明の実施形態の一定の特徴を有する3Dスキャナが求められている。 Thus, while existing 3D scanners are suitable for their original purpose, there is a need for 3D scanners that have certain features of embodiments of the present invention.
本発明の一態様によれば、3次元(3D)座標を測定して位置合せするための方法は、第1の位置合せ位置に測定装置を固定配置するステップであって、この測定装置が、移動可能なプラットフォームに3Dスキャナを備えるステップと、第1の位置合せ位置にあるとき、物体上の点の第1の集合の3D座標を3Dスキャナを用いて取得するステップであって、この3Dスキャナが、光のビームを物体に投射し、それに応じて、この点の第1の集合内の各点について距離および2つの角度を取得することによって、この点の第1の集合の3D座標を決定するように構成され、この距離が少なくとも一部には空気中の光の速度に基づくステップと、第1の位置合せ位置から第2の位置合せ位置まで測定装置が移動するとき、第1の複数の2Dスキャンセットを3Dスキャナによって取得するステップであって、第1の複数の2Dスキャンセットのそれぞれが、物体上の各点の2D座標のセットであり、第1の複数の2Dスキャンセットのそれぞれが、第1の位置合せ位置に対して異なる位置で3Dスキャナによって収集されるステップと、第1の並進方向に対応する第1の並進値、第2の並進方向に対応する第2の並進値、および第1の配向軸に対応する第1の回転値を、この測定装置について決定するステップであって、第1の並進値、第2の並進値、および第1の回転値が、少なくとも一部には、第1の数学的基準に従って第1の複数の2Dスキャンセットのフィッティングに基づいて決定されるステップと、第2の位置合せ位置にあるとき、物体上の点の第2の集合の3D座標を3Dスキャナを用いて取得するステップと、第2の位置合せ位置から第3の位置合せ位置まで測定装置が移動するとき、点の第1の集合と点の第2の集合の両方に存在する位置合せターゲット間の対応関係を測定装置によって決定するステップであって、この対応関係が、少なくとも一部には、第1の並進値、第2の並進値、および第1の回転値に基づくステップと、第1の並進値、第2の並進値、および第1の回転値を記憶するステップとを含む。 According to one aspect of the invention, a method for measuring and aligning three-dimensional (3D) coordinates is the step of fixedly placing a measuring device at a first alignment position, the measuring device comprising: Providing a 3D scanner on a movable platform, and using a 3D scanner to obtain 3D coordinates of a first set of points on an object when in a first alignment position, the 3D scanner Project the beam of light onto the object and accordingly determine the 3D coordinates of the first set of points by obtaining the distance and two angles for each point in the first set of points. And the distance is based at least in part on the speed of light in the air, and when the measuring device moves from the first alignment position to the second alignment position, the first plurality 2D Acquiring a cancel set with a 3D scanner, wherein each of the first plurality of 2D scan sets is a set of 2D coordinates of each point on the object, and each of the first plurality of 2D scan sets is a first Steps collected by the 3D scanner at different positions relative to the one alignment position, a first translation value corresponding to the first translation direction, a second translation value corresponding to the second translation direction, and Determining for the measuring device a first rotation value corresponding to one orientation axis, wherein the first translation value, the second translation value, and the first rotation value are at least partly A step determined based on the fitting of the first plurality of 2D scan sets according to the first mathematical criteria, and the 3D coordinates of the second set of points on the object when in the second alignment position The step of obtaining using a 3D scanner and the position present in both the first set of points and the second set of points when the measuring device moves from the second alignment position to the third alignment position. Determining a correspondence between alignment targets by means of a measuring device, the correspondence being based at least in part on the first translation value, the second translation value, and the first rotation value; Storing a first translation value, a second translation value, and a first rotation value.
これらおよび他の利点および特徴は、各図面とともになされる以下の説明からさらに明らかになろう。 These and other advantages and features will become more apparent from the following description taken in conjunction with the drawings.
本発明と見なされる主題は、特に明細書の最後で特許請求の範囲において指摘され、また明確に記載されている。本発明の上記および他の特徴および利点は、添付図面とともになされる以下の詳細な説明から明らかである。 The subject matter regarded as the invention is pointed out with particularity in the appended claims, particularly at the end of the specification. The above and other features and advantages of the present invention will be apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.
例として各図面を参照しながら、詳細な記述によって、利点および特徴とともに本発明の各実施形態を説明する。 The detailed description explains embodiments of the invention, together with advantages and features, by way of example with reference to the drawings.
本発明は、物体面の3D座標が、空間の3D領域の各点にわたって得られる第1のモードと、物体面の3D座標が、水平面に沿って収集される第2のモードとの2つのモードで使用される3Dスキャナを備える装置に関し、この3Dスキャナの2つのモードをともに使用して、空間の3D領域の2つ以上のスキャンを包含する、空間の3D領域にわたる3Dスキャンの自動位置合せを実現する。 The present invention provides two modes: a first mode in which 3D coordinates of the object plane are obtained over each point in a 3D region of space, and a second mode in which 3D coordinates of the object plane are collected along a horizontal plane In conjunction with an apparatus comprising a 3D scanner used in the above, the two modes of this 3D scanner are used together to automatically align a 3D scan over a 3D area of space, including two or more scans of the 3D area of space. Realize.
次に図1〜図3を参照すると、レーザスキャナ20周りの環境を光学的にスキャンし、測定するためのレーザスキャナ20が示してある。レーザスキャナ20は、測定ヘッド22および基台24を有する。測定ヘッド22は基台24に取り付けられており、したがって、レーザスキャナ20は垂直軸23を中心に回転することができる。一実施形態では、測定ヘッド22はジンバル点27を含み、これは、垂直軸23および水平軸25周りの回転の中心である。測定ヘッド22は回転ミラー26を有し、この回転ミラーは、水平軸25周りで回転することができる。垂直軸周りの回転は、基台24の中心周りでもよい。垂直軸および水平軸という用語は、標準の直立位置にあるスキャナについてのものである。3D座標測定装置は、その側部または上部を下にして作動させることが可能であり、また混乱を避けるため、方位軸および天頂軸という用語は、それぞれ垂直軸および水平軸という用語に置き換えてもよい。垂直軸の代わりとして、パン軸または直立軸という用語を使用してもよい。
1-3, a
測定ヘッド22には、たとえば放出された光ビーム30を放出する発光体28など、電磁放射放出装置がさらに設けられている。一実施形態では、放出された光ビーム30は、レーザビームなどのコヒーレントな光ビームである。レーザビームは、ほぼ300〜1600ナノメートルの波長帯を有してもよく、たとえば、790ナノメートル、905ナノメートル、1550ナノメートル、または400ナノメートル未満でよい。それよりも波長の長いまたは短い他の電磁放射ビームも使用してよいことを理解されたい。放出された光ビーム30は、たとえば正弦波形または方形波を用いて、振幅変調または輝度変調される。放出された光ビーム30は、発光体28によって回転ミラー26上に放出され、このミラーでビームが偏向されて環境に送られる。反射された光ビーム32は、物体34によって環境から反射される。反射または散乱された光は、回転ミラー26によって取り込まれ、受光器36に送られる。放出された光ビーム30および反射された光ビーム32の方向は、それぞれ軸25および23周りの、回転ミラー26および測定ヘッド22の角位置の結果として生じる。次に、これらの角位置は、対応する回転装置またはモータに依存する。
The measuring
制御装置38が、発光体28および受光器36に結合されている。制御装置38は、多数の測定点Xにおいて、レーザスキャナ20と物体34上の各点Xとの間の対応する数の距離dを決定する。特定の点Xまでの距離は、少なくとも一部には、装置から物体の点Xまで電磁放射が伝搬する際の空気中の光の速度に基づいて決定される。一実施形態では、レーザスキャナ20によって放出される光における変調の位相シフトおよび点Xが決定され、評価されて、測定距離dが得られる。
A
空気中の光の速度は、空気の温度、大気圧、相対湿度、二酸化炭素濃度など、空気の特性に依存する。このような空気の特性は、空気の屈折率nに影響を及ぼす。空気中の光の速度は、真空中の光の速度cを屈折率で割ったものに等しい。すなわち、cair=c/nである。本明細書において論じるタイプのレーザスキャナは、空気中の光の飛行時間(TOF)(装置から物体まで光が伝搬し、この装置に戻ってくるまでの往復時間)に基づいている。TOFスキャナの例には、放出パルスと戻りパルスとの間の時間間隔を使用して往復時間を測定するスキャナ(パルスTOFスキャナ)、正弦波状に光を変調し、戻ってくる光の位相シフトを測定するスキャナ(位相ベーススキャナ)、ならびに他の数多くのタイプが含まれる。光の飛行時間に基づいて距離を測定する方法は空気中の光の速度に依存し、したがって、三角測量に基づいて距離を測定する方法とは容易に区別される。三角測量ベースの方法には、光源から特定の方向に沿って光を投射し、次いで特定の方向に沿ってカメラの画素上で光を取り込むことが必要である。カメラとプロジェクタとの間の距離を知ることにより、また投射された角度と受信された角度とをマッチさせることにより、三角測量の方法によって、三角形の既知の1つの長さと既知の2つの角度に基づいて物体までの距離が決定できるようになる。したがって、三角測量の方法は、空気中の光の速度に直接には依存しない。 The speed of light in the air depends on air characteristics such as air temperature, atmospheric pressure, relative humidity, and carbon dioxide concentration. Such air characteristics affect the refractive index n of air. The speed of light in air is equal to the speed of light c in vacuum divided by the refractive index. That is, c air = c / n. Laser scanners of the type discussed herein are based on the time of flight (TOF) of light in the air (the round trip time for light to propagate from the device to the object and back to the device). Examples of TOF scanners are scanners that measure the round-trip time using the time interval between the emission pulse and the return pulse (pulse TOF scanner), the light is modulated in a sine wave and the phase shift of the returned light is Scanners to measure (phase-based scanners), as well as many other types are included. The method of measuring distance based on the time of flight of light depends on the speed of light in the air and is therefore easily distinguished from the method of measuring distance based on triangulation. Triangulation-based methods require projecting light along a specific direction from a light source and then capturing the light on camera pixels along a specific direction. By knowing the distance between the camera and the projector, and by matching the projected angle with the received angle, the triangulation method makes a known triangle length and two known angles. Based on this, the distance to the object can be determined. Therefore, the triangulation method does not depend directly on the speed of light in the air.
動作のあるモードでは、レーザスキャナ20周りの空間のスキャンは、回転ミラー26を軸25周りで比較的速く回転させるともに、測定ヘッド22を軸23周りで比較的ゆっくり回転させ、それによって、らせんパターンで組立体を動かすことによって実行される。例示的な一実施形態では、回転ミラーは、毎分5820回転の最高速度で回転する。このようなスキャンでは、ジンバル点27が、局所静止基準系の原点を規定する。基台24が、この局所静止基準系に位置している。
In a mode of operation, scanning the space around the
ジンバル点27から物体の点Xまでの距離dを測定することに加えて、スキャナ20はまた、受信した光パワーに関係するグレースケール情報(用語「明るさ」に等しい)を収集してもよい。グレースケール値は、少なくとも一部には、たとえば、物体の点Xに起因する測定期間にわたって受光器36で帯域通過フィルタリングされて増幅された信号を積分することによって求めてもよい。
In addition to measuring the distance d from the
測定ヘッド22は、レーザスキャナ20に組み込まれた表示装置40を備えてもよい。表示装置40は、図1に示すようにグラフィカルタッチスクリーン41を備えてもよく、これによって操作者は、パラメータを設定し、またはレーザスキャナ20の動作を開始することができるようになる。たとえば、画面41は、操作者が装置に測定命令を提示できるようになるユーザインターフェースを備えてもよく、この画面は測定結果を表示してもよい。
The
レーザスキャナ20は、測定ヘッド22、およびレーザスキャナ20の構成部品を取り付けるためのプラットフォーム用のフレームを実現する支持構造体42を備える。一実施形態では、この支持構造体42は、アルミニウムなどの金属から作製される。支持構造体42は、1対の壁46、48を両端に有する横部材44を備える。壁46、48は、互いに平行であり、基台24とは逆の方向に延在している。外ケース50、52は壁46、48に連結されており、レーザスキャナ20の構成部品を覆っている。例示的な実施形態では、外ケース50、52は、たとえばポリカーボネートまたはポリエチレンなどのプラスチック材料から作製される。外ケース50、52は、壁46、48と協働して、レーザスキャナ20用のハウジングを形成する。
The
壁46、48の反対側の外ケース50、52の端部では、それぞれの外ケース50、52を部分的に覆うように、1対の枠54、56が配置されている。例示的な実施形態では、枠54、56は、輸送中および動作中に外ケース50、52を保護する助けとなる、たとえばアルミニウムなど適度に耐久性のある材料から作製される。枠54、56はそれぞれ、たとえば留め具を用いて、基台24に隣接する横部材44に連結された第1のアーム部分58を備える。各枠54、56用のアーム部分58は、横部材44から、それぞれの外ケース50、52の外側隅部まで斜めに延在する。枠54、56は、外ケースの外側隅部から、外ケースの側縁部に沿って外ケースの反対側の外側隅部まで延在する。各枠54、56はさらに、壁46、48まで斜めに延在する第2のアーム部分を備える。枠54、56は、複数の位置で、横部材44、壁46、48、および外ケース50、52に連結してもよいことを理解されたい。
A pair of
1対の枠54、56が協働して、2つの外ケース50、52が内部に配置される凸空間を囲む。例示的な実施形態では、枠54、56が協働して、外ケース50、52の外縁部の全てを覆い、上部および下部のアーム部分が、外ケース50、52の上端および下端の縁部の少なくとも一部分の上に延出する。これにより、輸送中および動作中の損傷から外ケース50、52、および測定ヘッド22を保護する際に利点がもたらされる。他の実施形態では、枠54、56は、たとえば、レーザスキャナ20の支持を容易にするためのハンドルや、付属品の取付け点などの追加機能を備えてもよい。
A pair of
横部材44の上部には、プリズム60が設けられている。このプリズムは、壁46、48と平行に延在する。例示的な実施形態では、このプリズム60は、支持構造体42の一部として一体形成される。他の実施形態では、プリズム60は、横部材44に連結された別個の構成部品である。ミラー26が回転すると、それぞれの回転中に、ミラー26が、放出された光ビーム30を横部材44およびプリズム60に導く。電子構成部品、たとえば受光器36が非線形なので、測定された距離dは信号強度に依存することがあり、この信号強度は、たとえばスキャナに入射する光パワーまたは受光器36内の光検出器に入射する光パワーで測定してもよい。一実施形態では、測定点までの距離、および測定点から戻ってきて、受光器36内の光検出器に送られた光パワー(一般には、ときとして「明るさ」と呼ばれる光パワーの未調整の量)の関数(場合によっては非線形関数)として、距離補正がスキャナ内に記憶される。プリズム60はジンバル点27から既知の距離にあるので、プリズム60によって反射された光の測定された光パワーレベルを使用して、他の測定点について距離測定値を補正してもよく、それにより、温度などの環境変数の影響を補正するための補償が実現可能になる。例示的な実施形態では、その結果得られる距離の補正が、制御装置38によって実行される。
A
一実施形態では、本願の権利者が所有する米国特許第8,705,012号(’012)によく記載されているように、基台24がスイベル組立体(図示せず)に連結されており、この特許を本願に引用して援用する。スイベル組立体は、支持構造体42内に収容され、軸23周りで測定ヘッド22を回転させるように構成されたモータを備える。
In one embodiment, the
補助の画像取得装置66は、スキャンされた空間またはスキャンされた物体に関連するパラメータを取り込み、それを測定し、画像取得領域にわたる測定量を表す信号を供給する装置でもよい。補助の画像取得装置66は、それだけには限定されないが、高温計、熱画像装置、電離放射線検出器、またはミリ波検出器でもよい。一実施形態では、補助の画像取得装置66は、カラーカメラである。
The auxiliary
一実施形態では、中央のカラーカメラ(第1の画像取得装置)112が、スキャナの内部に配置されており、3Dスキャナ装置と同じ光軸を有してもよい。この実施形態では、第1の画像取得装置112は、測定ヘッド22に一体化され、放出された光ビーム30および反射された光ビーム32と同じ光路に沿って画像を取得するように構成される。この実施形態では、発光体28からの光が、固定ミラー116に反射し、ダイクロイックビームスプリッタ118まで移動し、このビームスプリッタが、発光体28から回転ミラー26上まで光117を反射する。ダイクロイックビームスプリッタ118によって、光117の波長とは異なる波長で光が通過できるようになる。たとえば、発光体28は近赤外レーザ光(たとえば、波長が780nmまたは1150nmの光)でもよく、ダイクロイックビームスプリッタ118は、可視光(たとえば、波長が400〜700nm)を透過させながら、この赤外線レーザ光を反射するように構成される。他の実施形態では、光がビームスプリッタ118を透過するか、それとも反射するかの決定は、光の偏波に依存する。デジタルカメラ112は、スキャンされた領域の2D写真画像をとり、色データを取り込んで、スキャンされた画像に付加する。3Dスキャン装置の光軸と一致する光軸を有する組込み式のカラーカメラの場合、スキャナの操向機構を単に調整することによって、たとえば、軸23周りの方位角を調整することによって、また軸25周りでミラー26を操向することによって、カメラ視野の方向を容易に得ることができる。
In one embodiment, a central color camera (first image acquisition device) 112 may be disposed inside the scanner and have the same optical axis as the 3D scanner device. In this embodiment, the first
図4には、3Dスキャンされた画像400の平面図の例が示してある。図4に示した平面図は、スキャナによって収集されたデータの直接マッピングに基づいて画像をマッピングする。スキャナは、球面パターンでのデータを収集し、極近くで収集されたデータ点が、水平線近くで収集されたデータ点よりもさらに強く圧縮されている。すなわち、極の近くで収集された各点は、水平線近くで収集された各点を表すよりも立体角が小さく表してある。スキャナからのデータは、横列(行:ロー)および縦列(列:カラム)で直接表してもよいので、平面画像でのデータは、図4に示すように直線フォーマットで表すのが好都合である。前述の平面マッピングを用いる場合、たとえば、3D画像の平面図では曲がって見える真っすぐなフェンスの手すり420のように、直線は曲がって見える。平面図は、記録されたときに縦列と横列に配置された距離センサから受信したグレースケール値だけを表示する、3D処理されていないスキャン画像でもよい。さらに、平面図の3D未処理のスキャン画像は、システム特性(たとえば、表示装置、記憶装置、プロセッサ)に応じてフル解像度でもよく、または低減解像度でもよい。平面図は、グレースケール値(各画素について距離センサによって測定された光照射から得られる)または色値(スキャン上にマッピングされたカメラ画像から得られる)のいずれかを示す3D処理済みのスキャンされた画像でもよい。3Dスキャナから抽出された平面図は、通常はグレースケール画像またはカラー画像であるが、図4は、文書の再現を明確にするために線画として示してある。表示装置と関連するユーザインターフェースは、レーザスキャナと一体化してもよく、点選択メカニズムを実現してもよく、このメカニズムは図4ではカーソル410である。点選択メカニズムを使用して、レーザスキャナによって測定される空間の容積についての寸法情報を示してもよい。図4には、カーソルの位置での横列および縦列が、表示装置上に430で示してある。カーソル位置での、測定された2つの角度および測定された1つの距離(球面座標系での3D座標)が、表示装置上に440で示してある。カーソル位置の直交XYZ座標表現が、表示装置上に450で示してある。
FIG. 4 shows an example of a plan view of a 3D scanned
図5には、平面図を球上または場合によっては円柱上にマッピングすることによって生成された、3Dスキャンされた画像600の全景(パノラマビュー)の一例が示してある。全景は、3D処理済みのスキャンされた画像(図5に示した画像など)とすることができ、そこでは3D情報(たとえば3D座標)が利用可能である。全景は、システム特性に応じてフル解像度でもよく、または低解像度でもよい。図5などの画像は、特定の視点から見たときの3Dシーンを表す2D画像であることに留意されたい。この意味では、図5の画像は、2Dカメラまたは人間の目によって取り込んでもよい画像と類似している。3Dスキャナから抽出された全景は、通常はグレースケール画像またはカラー画像であるが、図5は、文書の再現を明確にするために線画として示してある。
FIG. 5 shows an example of a full view (panoramic view) of a 3D scanned
全景という用語は、空間の1点の周りで角運動が概ね可能であるが、(単一の全景画像では)並進運動が不可能である表示を指す。対照的に、本明細書で使用される3D表示(3Dビュー)という用語は一般に、(ユーザ制御を介して)固定点周りの回転だけでなく、空間内の各点間の並進運動も可能にする表示を指す。 The term panoramic view refers to a display that is generally capable of angular motion around a point in space but is not capable of translational motion (in a single panoramic image). In contrast, the term 3D display (3D view) as used herein generally allows not only rotation around a fixed point (via user control) but also translational movement between points in space. Indicates the display to be performed.
図6A、図6B、および図6Cには、3Dスキャンされた画像の3D表示の一例が示してある。3D表示では、ユーザは、スキャンの原点から離れて、様々な視点および角度からスキャン点を見ることができる。3D表示は、3D処理済みのスキャンされた画像の一例である。3D表示は、システム特性に応じてフル解像度でもよく、または低解像度でもよい。さらに、3D表示によって、位置合せされた複数のスキャンを1つの表示内に表示できるようになる。図6Aは、ユーザによって選択マスク730が配置された3D表示710である。図6Bは、選択マスク730によって覆われた3D表示710の一部分だけが保持された3D表示740である。図6Cには、回転させて異なる表示を得る以外は、図6Bと同様の同じ3D測定データが示してある。図7には、図6Bとは異なる表示が示してあり、この場合、この表示は観察者の視点の並進運動および回転、ならびに観察領域を減少させることから得られる。3Dスキャナから抽出された3D表示は、通常はグレースケール画像またはカラー画像であるが、図6A〜図6C、および図7は、文書の再現を明確にするために線画として示してある。
6A, 6B, and 6C show an example of 3D display of a 3D scanned image. In 3D display, the user can see the scan point from various viewpoints and angles away from the scan origin. A 3D display is an example of a scanned image that has been 3D processed. The 3D display may be full resolution or low resolution depending on system characteristics. In addition, 3D display allows multiple aligned scans to be displayed within a single display. FIG. 6A is a
図8A、図8B、および図9には、3Dスキャナ20、プロセッサシステム950、および任意選択の移動可能なプラットフォーム820を備える、3D測定装置800の一実施形態が示してある。この3D測定装置800は、図1を参照して説明されている3D TOFスキャナ20でもよい。
FIGS. 8A, 8B, and 9 illustrate one embodiment of a
プロセッサシステム950は、3Dスキャナプロセッサ(制御装置)38、外部コンピュータ970、クラウドコンピュータ980を含んでもよい、1つ以上の処理要素を備える。このプロセッサは、マイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、デジタル信号プロセッサ(DSP)、および一般には、コンピューティング機能を実行することのできる任意の装置でもよい。この1つ以上のプロセッサは、メモリにアクセスして情報を記憶する。図9に示す一実施形態では、制御装置38は、3Dスキャナ全体を通して分散配置された1つ以上のプロセッサを表す。また、外部コンピュータ970および遠隔コンピューティング機能のための1つ以上のクラウドコンピュータ980も、図9の実施形態に含まれる。一代替実施形態では、プロセッサ38、970、および980のうちの1つまたは2つだけが、プロセッサシステムに設けられる。プロセッサ間の通信は、有線リンク、無線リンク、または有線リンクと無線リンクの組合せでもよい。一実施形態では、各スキャンセッションの後で、スキャン結果がクラウド(遠隔ネットワーク)にアップロードされて、これを記憶して将来使用する。
The
1つの動作モードでは、3Dスキャナ20が、水平面での2D座標を測定する。ほとんどの場合、3Dスキャナ20は、水平面内で光を操向して、環境内での物体の各点を照明することによってこれを実行する。3Dスキャナ20は、物体の各点からの反射(散乱)光を収集して、水平面内での物体の各点の2D座標を決定する。一実施形態では、3Dスキャナは、光のスポットをスキャンし、角度エンコーダを用いて軸23周りの回転角を測定すると同時に、水平面内での照明された各物体の点までの対応する距離値を測定する。3Dスキャナ23は、軸25周りの回転を実行せずに、比較的高速で軸23周りで回転してもよい。一実施形態では、レーザのパワーは、目の安全性限界の範囲内に設定される。
In one mode of operation, the
3Dスキャナ20内の任意選択の位置/方位センサ920には、傾斜計(加速度計)、ジャイロスコープ、磁力計、および高度計が含まれ得る。通常、傾斜計およびジャイロスコープのうちの1つ以上を備える装置は、慣性測定装置(IMU)と呼ばれる。場合によっては、IMUという用語は広い意味で使用されていて、位置および/または方位を示す様々な追加装置、たとえば地球の磁北に対する磁界方向の変化に基づいて進行方向を示す磁力計、および高度(高さ)を示す高度計を含む。広く使用されている高度計の一例は、圧力センサである。位置/方位センサの組合せからの読取り値と、カルマンフィルタを含んでもよい融合(フュージョン:fusion)アルゴリズムとを組み合わせることにより、比較的低コストのセンサ装置を使用して、比較的正確な位置および方位の測定値を得ることができる。
Optional position /
任意選択の移動可能なプラットフォーム820によって、典型的にはほぼ水平な床に沿って、3D測定装置20を転々と移動できるようになる。一実施形態では、任意選択の移動可能なプラットフォーム820は、車輪822を備える三脚である。一実施形態では、この車輪822は、車輪ブレーキ824を使用して適位置にロックしてもよい。別の実施形態では、車輪822は格納式であり、三脚に取り付けられた3つの足部で三脚を安定して静止させることができる。別の実施形態では、三脚には車輪がなく、ほぼ水平な面、たとえば床面に沿って、単に押したり引いたりする。別の実施形態では、任意選択の移動可能なプラットフォーム820は、手で押したり引いたりしてもよく、またはモータ駆動してもよい車輪付きカートである。
An optional
一実施形態では、1つの動作モードにおいて、3Dスキャナ20は、水平面内での角度の範囲にわたって光のビームをスキャンするように構成される。3Dスキャナ20は、ただちに角度読取り値および対応する距離読取り値を返して、水平面内での物体の各点の2D座標を提示する。あらゆる範囲の角度にわたってあるスキャンを完了する際、3Dスキャナ20は、対になった角度および距離の読取り値の集合を返す。3D測定装置800が転々と移動するとき、3Dスキャナ20は、水平面内での2D座標値を返し続ける。これらの2D座標値を使用して、それぞれの静止した位置合せ位置において3Dスキャナ20の位置を決め、それによってさらに正確な位置合せを可能にする。
In one embodiment, in one mode of operation, the
図10には、測定される物体1102の前方の第1の位置合せ位置1112に移動した、3D測定装置800が示してある。物体1102は、たとえば室内の壁でもよい。一実施形態では、3D測定装置800が停止し、ブレーキを用いて適位置に保持される。このブレーキは、一実施形態では車輪822上のブレーキ824である。3D測定装置800内の3Dスキャナ20は、物体1102の第1の3Dスキャンをとる。一実施形態では、3Dスキャナ20は、必要なら、3D測定装置800の構造によって遮られた下方向以外での全ての方向で3D測定値を取得してもよい。しかし、3Dスキャナ20が長くて大部分が平坦な構造体1102を測定する図10の例では、相対的に小さい有効な視野(FOV)1130を選択して、構造体での形状のより正面向きの表示を提示してもよい。
FIG. 10 shows the
第1の3Dスキャンが完了すると、プロセッサシステム950は、3Dスキャナ20が、3Dスキャンモードから2Dスキャンモードに変化するようにする。一実施形態では、プロセッサシステム950は、ミラー26を固定して、送出ビーム30を水平面上に送ることによってこれを実行する。このミラーは、逆方向に進む反射光32を受光する。一実施形態では、スキャナは、3Dスキャンが停止するとすぐ、2Dスキャンを開始する。別の実施形態では、位置/方位センサ920からの信号、ブレーキ解放センサからの信号、または操作者からのコマンドに応答して送信される信号など、信号をプロセッサが受信すると2Dスキャンが開始する。3Dスキャナ20は、3D測定装置800が移動開始すると、2Dスキャンデータの収集を開始してもよい。一実施形態では、2Dスキャンデータは、収集されるとプロセッサシステム950に送信される。
When the first 3D scan is completed, the
一実施形態では、2Dスキャンデータは、3D測定装置800が第2の位置合せ位置1114に向けて移動するときに収集される。一実施形態では、3Dスキャナ20が複数の2D測定位置1120を通過するとき、2Dスキャンデータが収集されて処理される。各測定位置1120において、3Dスキャナは、有効な視野(FOV)1140にわたって2D座標データを収集する。以下でより詳細に説明する方法を使用し、プロセッサシステム950は、各位置1120での複数の2Dスキャンからの2Dスキャンデータを使用して、第1の位置合せ位置1112に対する第2の位置合せ位置1114での3Dスキャナ20の位置および方位を決定する。ここで、第1の位置合せ位置および第2の位置合せ位置は、その両方に共通の3D座標系において知られている。一実施形態では、この共通の座標系は、2D直交座標x、y、およびx軸またはy軸に対する回転角θによって表される。一実施形態では、x軸およびy軸は、3Dスキャナ20の水平なx−y平面内に存在し、さらに3Dスキャナ20の「前方」の方向に基づいていてもよい。このような(x、y、θ)座標系の一例は、図14Aの座標系1410である。
In one embodiment, 2D scan data is collected as the
物体1102上には、第1の3Dスキャン(第1の位置合せ位置1112で収集される)と、第2の3Dスキャン(第2の位置合せ位置1114で収集される)との間にオーバラップの領域1150がある。オーバラップの領域1150では、第1の3Dスキャンと第2の3Dスキャンの両方で見える、位置合せターゲット(物体1102の自然な形状でもよい)が存在する。実際にしばしば起きる問題は、第1の位置合せ位置1112から第2の位置合せ位置1114まで3Dスキャナ20を移動させる際に、プロセッサシステム950が、3Dスキャナ20の位置および方位の軌跡を見失い、したがって、オーバラップ領域内の位置合せターゲットを正確に関連づけて、位置合せ手順を確実に実行することができないことである。一連の2Dスキャンを使用することにより、プロセッサシステム950は、第1の位置合せ位置1112に対する第2の位置合せ位置1114での3Dスキャナ20の位置および方位を決定することができる。この情報により、プロセッサシステム950は、オーバラップの領域1150内の位置合せターゲットを正確にマッチできるようになり、それによって位置合せ手順を適切に完了させることができるようになる。
On the
図12には、有効な視野(FOV)1140にわたって、選択された位置1120で2Dスキャンデータを収集する3Dスキャナ20が示してある。様々な位置1120において、3Dスキャナは、物体1102の一部分にわたって2Dスキャンデータを取り込み、これがA、B、C、D、およびEでマーキングしてある。図12には、物体1102の固定基準系に対して適時に移動する3Dスキャナ20が示してある。
FIG. 12 illustrates a
図13は、図12と同じ情報を含むが、物体1102の基準系ではなく、2Dスキャンを取得するときの3Dスキャナ20の基準系からその情報を示す。この図により、スキャナの基準系では、物体上の形状の位置が時間とともに変化することが明らかになる。したがって、位置合せ位置1と位置合せ位置2との間で3Dスキャナ20が移動する距離は、3Dスキャナ20からプロセッサシステム950に送信される2Dスキャンデータから決定できることが明らかである。
FIG. 13 includes the same information as FIG. 12, but shows the information from the reference system of the
図14Aには、図14Bおよび図14Cで使用してもよい座標系が示してある。一実施形態では、2D座標xおよびyは、2Dスキャンが取得される平面、通常は水平面に存在するように選択される。平面内の回転角、xまたはyなどの軸に対する回転角として、角度θが選択される。図14B、図14Cには、3Dスキャナ20が、たとえば物体1102に対して名目上平行に、正確に直線上を移動するのではなく、側部に対しても平行に移動する現実的な場合が示してある。さらに、3Dスキャナ20は、移動するときに回転してもよい。
FIG. 14A shows a coordinate system that may be used in FIGS. 14B and 14C. In one embodiment, the 2D coordinates x and y are selected to lie in the plane from which the 2D scan is acquired, typically a horizontal plane. The angle θ is selected as the rotation angle in the plane and the rotation angle with respect to an axis such as x or y. In FIG. 14B and FIG. 14C, there is a realistic case where the
図14Bには、第1の位置合せ位置から第2の位置合せ位置まで移動する際に、3Dスキャナ20の基準系から見たときの、物体1102の動きが示してある。スキャナの基準系では(すなわち、スキャナの視点から見ると)、物体1102が移動していて、3Dスキャナ20が平面上に固定されている。この基準系では、3Dスキャナ20から見た物体1102の各部分は、やがて並進および回転するように見える。3Dスキャナ20は、こうした一連の並進および回転した2Dスキャンを、プロセッサシステム950に提示する。図14A、図14Bに示す例では、スキャナは、図14Bに示す距離1420だけ+y方向に並進し、角度1430だけ回転する。この角度は、この例では+5度である。もちろん、スキャナは、同様に+xまたは−xの方向にもわずかに移動していた可能性がある。図14Bに示すように、x、y、θ方向での3Dスキャナ20の動きを決定するため、プロセッサシステム950は、スキャナ20の基準系で分かるように、連続した水平スキャンに記録されたデータを使用する。一実施形態では、プロセッサシステム950は、当技術分野でよく知られている方法を使用して最良適合(ベストフィット)の計算を実行して、2つのスキャン、または2つのスキャンでの形状を可能な限り接近してマッチさせる。
FIG. 14B shows the movement of the
3Dスキャナ20が、連続した2D読取り値を取得し、最良適合の計算を実行するとき、プロセッサシステム950は、3Dスキャナ20の並進および回転の記録をとる。このようにして、プロセッサシステム950は、第1の位置合せ位置1112から第2の位置合せ位置1114まで測定装置800が移動するときの、x、y、θの値の変化を正確に決定することができる。
When the
プロセッサシステム950は、第1の位置合せ位置1112または第2の位置合せ位置1114において3Dスキャナ20が提供する3Dスキャンデータと2Dスキャンデータの融合ではなく、一連の2Dスキャンの比較に基づいて3D測定装置800の位置および方位を決定することを理解することが重要である。
The
代わりに、プロセッサシステム950は、第1の並進値、第2の並進値、および第1の回転値を決定するように構成され、これが第1の2Dスキャンデータと第2の2Dスキャンデータの組合せに適用されると、結果として、変換された第1の2Dデータが得られ、この2Dデータは、客観的な数学的基準に従って、変換された第2の2Dデータに可能な限り接近してマッチする。一般に、並進および回転は、第1のスキャンデータ、第2のスキャンデータ、またはこの2つの組合せに適用してもよい。たとえば、変換されたデータセットにおいて両方の動作とも同じマッチを生成するという意味では、第1のデータセットに適用される並進は、第2のデータセットに適用される並進の負数と同等である。「客観的な数学的基準」の一例は、オーバラップしていると判定されたスキャンデータの各部分について、2乗した残余誤差の合計を最小化する基準である。別のタイプの客観的な数学的基準は、物体上で識別される複数の形状のマッチングを含んでもよい。たとえば、このような形状は、図11Bに示す縁部の遷移、1103、1104、および1105でもよい。この数学的基準は、3Dスキャナ20によってプロセッサシステム950に提供される生の2Dスキャンデータの処理を含んでもよく、または、当技術分野で知られている方法、たとえばIterative Closest Point(ICP)に基づく方法を使用して、各形状がラインセグメントの集合として表される処理の第1の中間レベルを含んでもよい。ICPに基づいたこのような方法が、Censi,A.の「An ICP variant using a point−to−line metric」IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA)2008に記載されている。
Instead, the
一実施形態では、第1の並進値はdxであり、第2の並進値はdyであり、第1の回転値はdθである。第1の2Dスキャンデータが、(x1、y1、θ1)の(基準座標系において)、並進座標および回転座標を有する場合、第2の位置で収集された第2の2Dスキャンデータは、(x2、y2、θ2)=(x1+dx、y1+dy、θ1+dθ)により与えられる座標値を有する。一実施形態では、プロセッサシステム950はさらに、第3の並進値(たとえばdz)ならびに、第2および第3の回転値(たとえばピッチおよびロール)を決定するように構成される。第3の並進値、第2の回転値、および第3の回転値は、少なくとも一部には位置/方位センサ920からの読取り値に基づいて決定してもよい。
In one embodiment, the first translation value is dx, the second translation value is dy, and the first rotation value is dθ. If the first 2D scan data has translational coordinates and rotational coordinates (in the reference coordinate system) of (x 1 , y 1 , θ 1 ), the second 2D scan data collected at the second position is , (X 2 , y 2 , θ 2 ) = (x 1 + dx, y 1 + dy, θ 1 + dθ). In one embodiment, the
3Dスキャナ20は、第1の位置合せ位置1112で2Dスキャンデータを収集し、第2の位置合せ位置1114でさらに2Dスキャンデータを収集する。場合によっては、これらの2Dスキャンは、第1の位置合せ位置1112に対する第2の位置合せ位置1114での3D測定装置の位置および方位を決定するのに十分でもよい。他の場合では、2組の2Dスキャンデータでは、プロセッサシステム950が、第1の並進値、第2の並進値、および第1の回転値を正確に決定できるようにするには不十分である。中間スキャン位置1120で2Dスキャンデータを収集することによって、この問題を回避することができる。一実施形態では、2Dスキャンデータは、一定間隔、たとえば1秒に1回の割合で収集され、処理される。このようにして、各形状は、連続した2Dスキャン1120において容易に識別される。3つ以上の2Dスキャンが得られる場合、プロセッサシステム950は、第1の位置合せ位置1112から第2の位置合せ位置1114まで移動するときの並進値および回転値を決定する際に、連続した全ての2Dスキャンからの情報を使用するよう選択してもよい。あるいは、プロセッサは、マッチしている形状の適切な対応関係を確実にするよう単に中間の2Dスキャンを使用して、最終計算での第1のスキャンおよび最後のスキャンのみを使用するよう選択してもよい。ほとんどの場合、マッチングの確度は、連続した複数の2Dスキャンからの情報を組み込むことによって改善される。
The
3D測定装置800が、第2の位置合せ位置1114まで移動する。一実施形態では、3D測定装置800は停止し、ブレーキがロックされて3Dスキャナを静止状態に保持する。一代替実施形態では、たとえば、位置/方位センサ920が動きの欠如を通知することによって移動可能なプラットフォームが停止すると、プロセッサシステム950は3Dスキャンを自動的に開始する。3D測定装置800内の3Dスキャナ20は、物体1102の3Dスキャンをとる。この3Dスキャンは、第2の3Dスキャンと呼ばれて、第1の位置合せ位置で取得された第1の3Dスキャンと区別する。
The
プロセッサシステム950は、既に計算済みの第1の並進値、第2の並進値、および第1の回転値を適用して、第1の3Dスキャンに対する第2の3Dスキャンの位置および方位を調整する。この調整は、「第1の位置合せ」を実現するものと見なしてもよく、位置合せターゲット(オーバラップの領域1150での自然な形状でもよい)を近接近させる。プロセッサシステム950は細かい位置合せを実行し、そこで第1の3Dスキャンに対する第2の3Dスキャンの6つの自由度に微調整を加える。プロセッサシステム950は客観的な数学的基準に基づいて微調整を加え、これは、2Dスキャンデータに適用された数学的基準と同じでもよく、またはそれと異なっていてもよい。たとえば、この客観的な数学的基準は、オーバラップしていると判定されたスキャンデータの各部分について、2乗した残余誤差の合計を最小化する基準でもよい。あるいは、この客観的な数学的基準は、オーバラップ領域での複数の形状に適用してもよい。位置合せでの数学的計算は、たとえばラインセグメントの集合によって、生の3Dスキャンデータまたは3Dスキャンデータの幾何学的表現に適用してもよい。
The
オーバラップの領域1150の外側では、第1の3Dスキャンおよび第2の3Dスキャンの位置合せされた値が、位置合せされた3Dデータセットにおいて結合される。オーバラップ領域の内側では、位置合せされた3Dデータセットに含まれる3Dスキャン値は、第1のスキャンおよび第2のスキャンの位置合せされた値からの3Dスキャナデータの何らかの組合せに基づいている。
Outside the
図15には、3D座標を測定し、位置合せするための方法1500の各要素が示してある。
FIG. 15 shows elements of a
要素1505は、プロセッサシステム、3Dスキャナ、および移動可能なプラットフォームを備える3D測定装置を設けるステップを含む。プロセッサシステムは、3Dスキャナ制御装置、外部コンピュータ、および遠隔ネットワークアクセス用のクラウドコンピュータのうち少なくとも1つを有する。プロセッサシステム内のこれら処理要素のいずれも、単一のプロセッサまたは複数の分散処理要素を備えてもよく、この処理要素は、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、FPGA、または他の任意のタイプのコンピューティング装置でもよい。この処理要素は、コンピュータ記憶装置にアクセスする。3Dスキャナは、第1の光源、第1のビーム操向装置、第1の角度測定装置、第2の角度測定装置、および第1の受光器を有する。第1の光源は、光の第1のビームを放出するように構成され、このビームは、一実施形態ではレーザ光のビームである。第1のビーム操向装置が設けられて、第1の方向に向かって、第1の物体点にまで光の第1のビームを操向する。ビーム操向装置は、ミラー26などの回転ミラーでもよく、または別のタイプのビーム操向機構でもよい。たとえば、3Dスキャナは、垂直軸周りで回転する第1の構造体が配置される基台を含んでもよく、この構造体には、水平軸周りで回転する第2の構造体を配置してもよい。このタイプの機械組立体を使用する場合、光のビームは、第2の構造体および所望の方向での点から直接放出してもよい。数多くの他のタイプのビーム操向機構が実現可能である。ほとんどの場合、ビーム操向機構は1つまたは2つのモータを備える。第1の軸周りの第1の回転角、および第2の軸周りの第2の回転角によって、第1の方向が決定される。第1の角度測定装置は、第1の回転角を測定するように構成され、第2の角度測定装置は、第2の回転角を測定するように構成される。第1の受光器は、第1の反射光を受信するように構成され、この第1の反射光は、第1の物体点によって反射された光の第1のビームの一部分である。第1の受光器は、第1の反射光に応答して第1の電気信号を生成するようにさらに構成される。第1の受光器は、プロセッサシステムと協働して、少なくとも一部には第1の電気信号に基づいて、第1の物体点までの第1の距離を決定するようにさらに構成され、3Dスキャナは、プロセッサシステムと協働して、少なくとも一部にはこの第1の距離、第1の回転角、および第2の回転角に基づいて、第1の物体点の3D座標を決定するように構成される。移動可能なプラットフォームは、3Dスキャナを運ぶように構成される。
要素1510は、プロセッサシステムを用い、3Dスキャナと協働して、物体面上の点の第1の集合の3D座標を決定するステップを含み、この3Dスキャナは、第1の位置合せ位置に固定配置される。
要素1515は、プロセッサシステムと協働して、3Dスキャナによって複数の2Dスキャンセットを得るステップを含む。複数の2Dスキャンセットのそれぞれは、第1の位置合せ位置から第2の位置合せ位置まで3Dスキャナが移動するときに収集された、物体面上の点の1組の2D座標である。複数の2Dスキャンセットのそれぞれは、第1の位置合せ位置に対して異なる位置で、3Dスキャナによって収集される。一実施形態では、各2Dスキャンセットは水平面内に存在する。
要素1520は、第1の並進方向に対応する第1の並進値、第2の並進方向に対応する第2の並進値、および第1の配向軸に対応する第1の回転値を、プロセッサシステムによって決定するステップを含み、第1の並進値、第2の並進値、および第1の回転値は、少なくとも一部には、第1の数学的基準に従って複数の2Dスキャンセットのフィッティングに基づいて決定される。一実施形態では、第1の配向軸は、2Dスキャンセットが収集される平面に垂直な垂直軸である。
要素1525は、プロセッサシステムを用い、3Dスキャナと協働して、物体面上の点の第2の集合の3D座標を決定するステップを含み、この3Dスキャナは、第2の位置合せ位置に固定配置される。
要素1535は、点の第1の集合と点の第2の集合の両方に存在する位置合せターゲット間の対応関係を、プロセッサシステムによって識別するステップを含み、この対応関係が、少なくとも一部には、第1の並進値、第2の並進値、および第1の回転値に基づく。
要素1545は、少なくとも一部には第2の数学的基準に基づいた、点の位置合せされた3D集合の3D座標、位置合せターゲット間の対応関係、点の第1の集合の3D座標、および点の第2の集合の3D座標を決定するステップを含む。要素1550は、点の位置合せされた3D集合の3D座標を記憶するステップを含む。
大きい物体(たとえば大きい建物)をスキャンするため今日使用されるほとんどの方法では、各位置合せ位置でデータが収集され、後に位置合せの質が評価される。この手法の1つの問題は、位置合せの失敗を検出する方法がないことであり、この位置合せは、その現場で容易に訂正することもできるが、スキャンサイトがもはや利用できない後の時点で訂正することが困難である。さらに、この方法には、外部コンピュータ上で実行されているソフトウェアにおいて複数のスキャンを位置合せする必要がある。場合によっては、連続した位置合せ位置でスキャナによって観察される自然のまたは人工のターゲットを自動で認識してもよく、ソフトウェアでマッチしてもよいが、多くの場合、スキャンは手動で位置合せしなければならない。多くの場合、3Dスキャンデータを位置合せし、それを処理する際の時間と努力は、このスキャンデータを現場で収集するのに必要な時間を上回る。 In most methods used today to scan large objects (eg, large buildings), data is collected at each alignment location and the quality of the alignment is later evaluated. One problem with this approach is that there is no way to detect alignment failure, which can be easily corrected in the field, but is corrected at a later time when the scan site is no longer available. Difficult to do. In addition, this method requires registration of multiple scans in software running on an external computer. In some cases, natural or artificial targets observed by the scanner at successive alignment positions may be automatically recognized and matched by software, but in many cases the scan is manually aligned. There must be. In many cases, the time and effort in aligning and processing 3D scan data exceeds the time required to collect this scan data in the field.
本明細書に記載の一実施形態では、2Dおよび3Dスキャナデータの処理は、測定が実施されるときに実行され、それにより、時間のかかる後処理がなくなり、さらに、現場を離れる前に必要なスキャナデータを確実に収集することができる。 In one embodiment described herein, processing of 2D and 3D scanner data is performed when measurements are performed, thereby eliminating time consuming post-processing and further required before leaving the field. Scanner data can be collected reliably.
この測定を実行するのに使用してもよい測定装置800の一例は、図8を参照して本明細書で先に述べた。この測定を実行するのに使用してもよい測定装置1600の別の例を、図16を参照して次に説明する。少なくとも一部には空気中の光の速度に基づいて距離を測定する3D TOFスキャナ20が、3D測定装置1600に含まれる。このタイプのスキャナはまた、角度エンコーダなどの角度変換器を使用して2つの角度を測定する。測定された2つの角度、および測定された1つの距離によって、物体上の各点の3D座標が得られる。一実施形態では、スキャナは、物体上の所望の任意点まで光のビームを駆動するためのモータおよびサーボシステムを備える。図1〜図3を参照して本明細書で先に述べた一実施形態では、スキャナはまた、連続的に変化するパターンで光のビームを急速に送り、それによって、大きな空間にわたって3D座標を急速に収集できるようにするモードを含む。
An example of a
3D測定装置20は、平面1622内に光のビームを放出するようにさらに構成され、この平面は水平面でもよい。一実施形態では、光のビームは、10Hzの速度で360度の角度にわたって掃引される。一実施形態では、3Dスキャナ20は、物体上に光のビームを放出し、この物体からの反射光を受け、この反射光に基づいて物体までの距離の集合を決定する。一実施形態では、その平面放出モードにおいて、3Dスキャナ1610は、掃引角度に応じて距離を測定する。一実施形態では、3D測定装置は、コンピューティング装置1630を有する組立体1620をさらに備え、このコンピューティング装置は、2Dスキャンセットおよび3D座標データを3Dスキャナ20から受信する。一実施形態では、コンピューティング装置1630は、2Dおよび3Dスキャンデータの処理をさらに実行して、第1の位置合せ位置および第2の位置合せ位置で測定されたターゲット間の対応関係を決定する。他の実施形態では、他のコンピューティング装置、たとえばコンピュータ1640、または3D測定装置に取り付けられていない外部コンピュータ1650などを使用して、第1および第2の位置合せ位置で測定されたターゲット間の対応関係を決定してもよい。別の実施形態では、3Dおよび2Dデータの全ての処理が、3D測定装置20内の内部プロセッサによって実行される。
The
2Dスキャナと、3Dスキャナと、コンピューティング装置の間で情報を転送するための通信チャネルは、無線または有線の通信チャネル1660でもよい。一実施形態では、無線のアクセス点(AP)は、3Dスキャナ20内に含まれる。一実施形態では、このAPは、2Dスキャナ1610や、コンピューティング装置1630、1640、および1650のうちの1つまたは複数などの無線装置に接続する。一代替実施形態では、3Dスキャナ20は、イーサネット(登録商標)インターフェースおよびスイッチを有する自動化アダプタを備える。この自動化アダプタは、2Dスキャナ1610のイーサネット(登録商標)ケーブル、および1630、1640、1650などのコンピューティング装置と接続する。自動化インターフェースにより、測定装置1600および外部コンピューティング装置の各要素間の有線通信が可能になる。一実施形態では、3Dスキャナ20は、APと自動化アダプタの両方を備えていて、システムの様々な構成要素間で無線通信と有線通信の両方を実現する。他の実施形態では、APおよび自動化アダプタは、3Dスキャナ20内には含まれないが、システム内のどこか別の場所に含まれる。
The communication channel for transferring information between the 2D scanner, the 3D scanner, and the computing device may be a wireless or
測定装置は、移動可能なプラットフォーム1605をさらに備え、これは、操作者が押してもよく、またはモータ付きの車輪によってコンピュータ制御下で移動してもよい。3Dスキャナは、移動可能なプラットフォーム1605に取り付けられる。
The measuring device further comprises a
一実施形態では、第1の3Dスキャンが、第1の位置合せ位置で取得される。スキャナは、その自体の電力でモータ付き車輪を使用して、または操作者に押されて、第1の位置合せ位置と第2の位置合せ位置との間を移動する。3Dスキャナは、第1の位置合せ位置と第2の位置合せ位置との間を移動するとき、本明細書で先に述べたように、2Dスキャンデータを取得し、次いでこのデータを数学的に評価して、動きベクトル(2つの方向のそれぞれでの距離)および回転角を決定する。第2の位置合せ位置で、3Dスキャナ20が第2の3Dスキャンを取得する。本明細書で先に述べたように、コンピューティング装置(すなわちプロセッサ)のうちの1つが、収集された複数の2Dスキャンセットを使用して、第1の位置合せ位置および第2の位置合せ位置内の、3Dスキャナから見える位置合せターゲット間の対応関係を決定する。後の時点で、コンピューティング装置は、第1および第2の位置合せ位置で収集された3Dデータの組合せおよび処理を完了するのに必要となる他の任意のステップを実行する。組合せのこのプロセスは、スキャナ内の内部カラーカメラから得られる色データなど、収集された追加データをさらに含む。
In one embodiment, a first 3D scan is acquired at a first alignment position. The scanner moves between a first alignment position and a second alignment position using motorized wheels with its own power or pushed by an operator. As the 3D scanner moves between the first alignment position and the second alignment position, it obtains 2D scan data as described earlier in this specification and then mathematically stores this data. Evaluate to determine the motion vector (distance in each of the two directions) and the rotation angle. At the second alignment position, the
測定装置1600は、連続した位置合せ位置まで移動し、各位置合せ位置で3D測定値を取得し、各位置合せ位置間で平面モードの光を放出することによって2Dデータを収集する。本発明の一態様は、第2の位置合せ位置と第3の位置合せ位置との間で処理が実行されて、第1および第2の位置合せ位置で観察される位置合せターゲット間での対応関係を決定することである。この処理では、第1および第2の位置合せ位置で得られた3Dデータとともに、第1の位置合せ位置と第2の位置合せ位置との間で収集された2Dデータを使用する。
The
したがって、スキャナが第3の位置合せ位置に到達すると、コンピューティング装置が、第1および第2の位置合せ位置での各ターゲット間の対応関係を(完全でない場合は少なくとも部分的に)決定することになる。対応関係がコンピューティング装置によって首尾よく確立されなかった場合、問題が存在することを示す通知を発してもよい。この結果、操作者に通知してもよく、または測定を中断してもよい。一実施形態では、第1および第2の位置合せ位置で3Dスキャナによって観察されるターゲットの位置合せが失敗すると、結果として、スキャナは以前のステップに戻って測定を繰り返すことになる。 Thus, when the scanner reaches the third alignment position, the computing device determines (at least partially if not complete) the correspondence between each target at the first and second alignment positions. become. If the correspondence is not successfully established by the computing device, a notification may be issued indicating that a problem exists. As a result, the operator may be notified or the measurement may be interrupted. In one embodiment, if the alignment of the target observed by the 3D scanner at the first and second alignment positions fails, the scanner will return to the previous step and repeat the measurement.
一実施形態では、第1および第2の位置合せ位置のオーバラップ領域でのターゲット間の対応関係をコンピューティング装置が決定すると、測定装置が、この対応関係の質をさらに決定する。一実施形態では、対応関係の質が品質閾値を下回るとき、この測定装置は通知を発する。この通知は、たとえばユーザへの通知、コンピュータメッセージ、放出音、放出光、または検査手順の停止でもよい。 In one embodiment, when the computing device determines a correspondence between targets in the overlap region of the first and second alignment locations, the measurement device further determines the quality of this correspondence. In one embodiment, the measurement device issues a notification when the quality of the correspondence is below a quality threshold. This notification may be, for example, a notification to the user, a computer message, emitted sound, emitted light, or a stop of the inspection procedure.
一実施形態では、スキャナは、少なくとも一部には2Dスキャンセットのうちの1つに基づいて、第1の位置合せ位置と第2の位置合せ位置との間で測定装置1600を移動させる距離を決定してもよい。一実施形態では、2Dスキャンセットのそれぞれは、水平2Dスキャンにおいて観察可能な形状についての情報を含む。このような形状の例は、図11の1102〜1105の形状である。一実施形態では、第1の位置合せ位置と第2の位置合せ位置との間で移動する距離の決定は、もっぱら、第1の位置合せ位置と第2の位置合せ位置との間で収集された第1の2Dスキャンセットに基づく。別の実施形態では、移動する距離の決定は、複数の第1の2Dスキャンセットに基づき、この移動する距離の決定は、第1の位置合せ位置と第2の位置合せ位置との間を移動中になされる。
In one embodiment, the scanner determines the distance by which the
一実施形態では、コンピューティング装置1640は、ラップトップコンピュータまたはノートブックコンピュータであり、これが、スキャンデータの高度な処理および表示を可能にするコンピュータプログラムへのインターフェースをユーザに提供する。一実施形態では、コンピューティング装置1640を使用することは任意選択であり、単に操作者により多くの解析ツールを与えるために提示される。別の実施形態では、コンピューティング装置1640を使用して、本明細書で先に述べた対応関係の計算を実行するか、または他の3D処理ステップを実行する。
In one embodiment,
一実施形態では、コンピューティング装置1630は、少なくとも一部には2Dスキャナからのデータに基づいて、また任意選択で、位置/方位センサによって提供されるデータに基づいて、測定装置1600の位置を連続的に計算する。このセンサには、進行方向の情報を提供するための多軸傾斜計、多軸ジャイロスコープ、および磁力計(電子コンパス)が含まれ得る。一実施形態では、2Dスキャナからのデータは、10Hzの速度で取得される。一実施形態では、各スキャンの後、これまでに得られた1つまたは複数の2Dスキャンに対して差が計算される。一実施形態では、この情報がカルマンフィルタに提供され、このフィルタは、移動幾何形状によって生じる制約条件内の雑音を平滑化する「知的平均化」計算を実行する。
In one embodiment, the
一実施形態では、アプリケーションソフトウェアが、ノートブックコンピュータ1640または同様の装置で実行される。一実施形態では、ユーザは、アプリケーションソフトウェアのユーザインターフェース上のボタンを選択して、収集されたデータの処理を開始する。一実施形態では、第2の位置合せ位置で3Dスキャンデータを収集した後、ソフトウェアが、処理済みの2Dスキャンデータから2D位置情報を要求し、このデータは、たとえばコンピューティング装置1630から得てもよい。処理済みの2Dスキャンデータは、3Dスキャンへのメタデータとして提供してもよい。ソフトウェアは、位置合せアルゴリズムを使用して、第1の位置合せ位置と第2の位置合せ位置との間のオーバラップ領域での位置合せターゲット間の対応関係を決定する。ソフトウェアは、第1および第2の位置合せ位置で得られる3D座標を組み合わせることによって、3D位置合せを完了する。
In one embodiment, application software is executed on a
他の実施形態では、ノートブックコンピュータ1640上で走っているアプリケーションプログラムのユーザインターフェース上のボタンをユーザが押すことを必要とせずに計算が実行される。一実施形態では、操作者の支援を必要とせずに、統合化された自動方式で測定が実行される。一実施形態では、位置合せされた3Dデータを組み合わせることなど追加の数学演算を含むこと、および位置合せされた3Dデータにテクスチャを付加することを必要としてもよい追加の計算を、位置合せステップの後に実行してもよい。一実施形態では、これらの後の処理ステップは、たとえば、ネットワークコンピュータによって並列に実行されて、測定装置1600によるデータ収集の最後に、完成した3Dスキャンを提供してもよい。
In other embodiments, the calculation is performed without requiring the user to press a button on the user interface of an application program running on the
図17は、本明細書で先に述べた説明に従って実行してもよい、方法1700の流れ図である。要素1705では、測定装置1600が、図10の位置1112など、第1の位置合せ位置に固定配置される。測定装置は、3Dスキャンモードと2D平面スキャナモードの両方で動作するように構成された3Dスキャナ20を備える。3Dスキャナ20は、移動可能なプラットフォーム1605に取り付けられており、このプラットフォームは、図16では3つの車輪を有するプラットフォームに取り付けられた三脚である。一実施形態では、その平面スキャンモードでは、3Dスキャナは、水平面1622内の様々な方向に掃引される光のビームを放出する。
FIG. 17 is a flow diagram of a
要素1710では、3Dスキャナは、第1の位置合せ位置にあるときは、物体上の点の第1の集合の3D座標を得る。図10および図11に示した実施形態では、この物体は建物の側部である。一実施形態では、3DスキャナはTOFスキャナであり、これは様々なタイプでもよい。実現可能なTOFスキャナの一例は、図1〜図3を参照しながら論じたスキャナ20である。
At
要素1715では、3Dスキャナが、その平面スキャンモードで動作して、第1の複数の2Dスキャンセットを取得し、第1の測定装置が、第1の位置合せ位置から第2の位置合せ位置まで移動する。第1の複数の2Dスキャンセットのそれぞれは、物体上の点の1組の2D座標を含む。物体上の各点の2D座標は、たとえばx−y値として、または距離値および角度値として、任意の座標系で与えてもよい。第1の複数の2Dスキャンセットのそれぞれは、第1の位置合せ位置に対して異なる位置で、3Dスキャナによって収集される。
At
要素1720では、測定装置は、第1の並進方向に対応する第1の並進値、第2の並進方向に対応する第2の並進値、および第1の配向軸に対応する第1の回転値を決定する。第1の並進方向および第2の並進方向は、たとえば、物体が測定されるのに関して確立された座標系でのx−y座標でもよい。たとえば、x−y座標は、測定装置が移動する床に沿った座標に対応してもよい。あるいは、他の座標系を使用して、第1の並進方向および第2の並進方向を表してもよい。第1の配向軸は、第1および第2の並進方向に対して所与の方向を有する。第1の配向軸にとって好都合な選択は、第1および第2の並進方向に沿ったベクトルを含む平面に垂直な方向である。第1の並進値、第2の並進値、および第1の回転角は、第1の位置合せ位置でのスキャナの姿勢に対する、第2の位置合せ位置でのスキャナの姿勢の良好な初期推定を得るのに必要となる情報を提供する。これにより、自然なターゲットであろうと人工的なターゲットであろうと、第1および第2の位置合せ位置から見える位置合せターゲットをマッチさせるための良好な基礎が実現する。第1の並進値、第2の並進値、および第1の回転角の決定が、第1の数学的基準に従って実行される。このような数学的基準は、客観的な数学的基準とも呼ばれる。通常使用されるこうした数学的基準は、最小2乗基準である。この場合、この基準では、2Dスキャンセットの第1の集合において観察される2D形状は、形状のマッチングでの残余誤差の2乗の合計を最小限に抑えるように位置合せされる。
At
要素1725では、3Dスキャナは、第2の位置合せ位置にあるとき、物体上の点の第2の集合の3D座標を得る。一般に、第1の位置合せ位置において3Dスキャナによって測定された点の第1の集合は、第2の位置合せ位置において3Dスキャナによって測定された点の第2の集合と必ずしも同じではない。しかし、各点は、ターゲットの形状を識別するのに必要となる情報を提供し、この形状は、自然な形状でも人工的な形状でもよい。
At
要素1730では、測定装置は、第2の位置合せ位置から第3の位置合せ位置まで移動するとき、第1の位置合せ位置において観察される3D点の第1の集合で見られる位置合せターゲットと、第2の位置合せ位置において観察される3D点の第2の集合で見られる位置合せターゲットとの間の対応関係を決定する。この位置合せは、少なくとも一部には、第1の並進値、第2の並進値、および第1の回転値に基づいており、これらにより、3D形状の数学的マッチングが実行される初期条件が提供される。
At
要素1735では、第1の並進値、第2の並進値、および第1の回転値が記憶される。
In
プロセッサ、制御装置、コンピュータ、DSP、FPGAなどの用語は、この文書内では、機器内に配置してもよく、機器全体を通して複数の要素内に分散してもよく、または機器の外部に配置してもよいコンピューティング装置を意味するものと理解される。 Terms such as processor, controller, computer, DSP, FPGA, etc. may be located within the document, within the device, distributed within multiple elements throughout the device, or located outside the device. It is understood to mean a computing device that may be.
限定された数の実施形態だけに関連して本発明を詳細に説明してきたが、本発明は、こうして開示された実施形態に限定されないことを容易に理解されたい。むしろ、本発明を修正して、任意の数の変形、改変、置換え、またはこれまでに説明しなかった同等な構成を組み込むことができるが、これらは、本発明の精神および範囲と同じである。さらに、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の各態様は、説明した実施形態のほんのいくらかを含んでいるに過ぎないことを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるものと理解すべきではなく、添付の特許請求の範囲に記載の範囲によってのみ限定されるものである。 Although the invention has been described in detail in connection with only a limited number of embodiments, it should be readily understood that the invention is not limited to the embodiments thus disclosed. Rather, the invention can be modified to incorporate any number of variations, alterations, substitutions, or equivalent arrangements not previously described, which are within the spirit and scope of the invention. . Furthermore, while various embodiments of the invention have been described, it should be understood that each aspect of the invention includes only some of the described embodiments. Accordingly, the invention is not to be seen as limited by the foregoing description, but is only limited by the scope described in the appended claims.
20 レーザスキャナ、3Dスキャナ、22 測定ヘッド、23 垂直軸、24 基台、25 水平軸、26 回転ミラー、27 ジンバル点、28 発光体、30 放出された光ビーム、送出ビーム、32 反射された光ビーム、反射光、34 物体、36 受光器、38 制御装置、40 表示装置、41 グラフィカルタッチスクリーン、42 支持構造体、44 横部材、46 壁、48 壁、50 外ケース、52 外ケース、54 枠、56 枠、58 第1のアーム部分、60 プリズム、66 画像取得装置、112 第1の画像取得装置、116 固定ミラー、117 光、118 ダイクロイックビームスプリッタ、400 画像、410 カーソル、420 手すり、430 横列および縦列、440 測定された2つの角度および測定された1つの距離、450 直交XYZ座標表現、710 3D表示、730 選択マスク、740 3D表示、800 3D測定装置、820 移動可能プラットフォーム、822 車輪、824 車輪ブレーキ、920 位置/方位センサ、950 プロセッサシステム、960 プロセッサ、970 外部コンピュータ、980 クラウドコンピュータ、1102 物体、1112 第1の位置合せ位置、1114 第2の位置合せ位置、1120 2D測定位置、1130 有効な視野(FOV)、1140 有効な視野(FOV)、1150 オーバラップの領域、1410 座標系、1500 方法、1505 要素、1510 要素、1515 要素、1520 要素、1525 要素、1535 要素、1545 要素、1550 要素、1600 3D測定装置、1605 移動可能なプラットフォーム、1610 2Dスキャナ、3Dスキャナ、1622 水平面、1620 組立体、1630 コンピューティング装置、1640 コンピュータ、1650 外部コンピュータ、1660 通信チャネル、1700 方法、1705 要素、1710 要素、1715 要素、1720 要素、1725 要素、1730 要素、1735 要素。 20 laser scanner, 3D scanner, 22 measuring head, 23 vertical axis, 24 base, 25 horizontal axis, 26 rotating mirror, 27 gimbal point, 28 illuminant, 30 emitted light beam, outgoing beam, 32 reflected light Beam, reflected light, 34 object, 36 light receiver, 38 control device, 40 display device, 41 graphical touch screen, 42 support structure, 44 lateral member, 46 wall, 48 wall, 50 outer case, 52 outer case, 54 frame , 56 frame, 58 first arm portion, 60 prism, 66 image acquisition device, 112 first image acquisition device, 116 fixed mirror, 117 light, 118 dichroic beam splitter, 400 image, 410 cursor, 420 handrail, 430 rows And column, 440 two angles measured and measured 1 distance, 450 Cartesian XYZ coordinate representation, 710 3D display, 730 selection mask, 740 3D display, 800 3D measuring device, 820 movable platform, 822 wheel, 824 wheel brake, 920 position / orientation sensor, 950 processor system, 960 Processor, 970 external computer, 980 cloud computer, 1102 object, 1112 first alignment position, 1114 second alignment position, 1120 2D measurement position, 1130 effective field of view (FOV), 1140 effective field of view (FOV), 1150 overlap region, 1410 coordinate system, 1500 method, 1505 elements, 1510 elements, 1515 elements, 1520 elements, 1525 elements, 1535 elements, 1545 elements, 1550 elements, 1600 3 Measuring device, 1605 movable platform, 1610 2D scanner, 3D scanner, 1622 horizontal plane, 1620 assembly, 1630 computing device, 1640 computer, 1650 external computer, 1660 communication channel, 1700 method, 1705 element, 1710 element, 1715 element , 1720 elements, 1725 elements, 1730 elements, 1735 elements.
Claims (16)
第1の位置合せ位置に測定装置を固定配置するステップであって、前記測定装置が、移動可能なプラットフォームに3Dスキャナを備えるステップと、
前記第1の位置合せ位置にあるとき、物体上の点の第1の集合の3D座標を前記3Dスキャナを用いて取得するステップであって、前記3Dスキャナが、光のビームを前記物体に投射し、それに応じて、前記点の第1の集合内の各点について距離および2つの角度を取得することによって、前記点の第1の集合の前記3D座標を決定するように構成され、前記距離が少なくとも一部には空気中の光の速度に基づくステップと、
前記第1の位置合せ位置から第2の位置合せ位置まで前記測定装置が移動するとき、第1の複数の2Dスキャンセットを前記3Dスキャナによって取得するステップであって、前記第1の複数の2Dスキャンセットのそれぞれが、前記物体上の各点の2D座標のセットであり、前記第1の複数の2Dスキャンセットのそれぞれが、前記第1の位置合せ位置に対して異なる位置で前記3Dスキャナによって収集されるステップと、
第1の並進方向に対応する第1の並進値、第2の並進方向に対応する第2の並進値、および第1の配向軸に対応する第1の回転値を、前記測定装置について決定するステップであって、前記第1の並進値、前記第2の並進値、および前記第1の回転値が、少なくとも一部には、第1の数学的基準に従って前記第1の複数の2Dスキャンセットのフィッティングに基づいて決定されるステップと、
前記第2の位置合せ位置にあるとき、前記物体上の点の第2の集合の3D座標を前記3Dスキャナを用いて取得するステップと、
前記第2の位置合せ位置から第3の位置合せ位置まで前記測定装置が移動するとき、前記点の第1の集合と前記点の第2の集合の両方に存在する位置合せターゲット間の対応関係を前記測定装置によって決定するステップであって、前記対応関係が、少なくとも一部には、前記第1の並進値、前記第2の並進値、および前記第1の回転値に基づくステップと、
前記第1の並進値、前記第2の並進値、および前記第1の回転値を記憶するステップと
を含むことを特徴とする方法。 A method for measuring and aligning three-dimensional (3D) coordinates, comprising:
Fixing the measuring device at a first alignment position, the measuring device comprising a 3D scanner on a movable platform;
Using the 3D scanner to obtain 3D coordinates of a first set of points on the object when in the first alignment position, wherein the 3D scanner projects a beam of light onto the object And correspondingly configured to determine the 3D coordinates of the first set of points by obtaining a distance and two angles for each point in the first set of points, the distance A step based at least in part on the speed of light in the air;
Acquiring a first plurality of 2D scan sets by the 3D scanner when the measuring device moves from the first alignment position to a second alignment position, the first plurality of 2Ds; Each of the scan sets is a set of 2D coordinates of each point on the object, and each of the first plurality of 2D scan sets is by the 3D scanner at a different position with respect to the first alignment position. Collected steps;
A first translation value corresponding to the first translation direction, a second translation value corresponding to the second translation direction, and a first rotation value corresponding to the first orientation axis are determined for the measuring device. Said first translation value, said second translation value, and said first rotation value, at least in part, according to a first mathematical criterion, said first plurality of 2D scan sets Steps determined based on the fitting of
Using the 3D scanner to obtain 3D coordinates of a second set of points on the object when in the second alignment position;
Correspondence between alignment targets present in both the first set of points and the second set of points when the measuring device moves from the second alignment position to a third alignment position. Wherein the correspondence is based at least in part on the first translation value, the second translation value, and the first rotation value;
Storing the first translation value, the second translation value, and the first rotation value.
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2016
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