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 Bild-elemente (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 3 424 806, EP 576 004 und DE 19 723 654 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 19 504 039 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 50-25 413 ist ein Digitalnivellier mit einem Bildwandler als Empfänger und einer Bildschirm-anzeige 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 19 833 996 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 im ersten Anspruch dargelegten Mitteln gelöst. In den abhängigen Ansprüchen 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 Verfahren 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 Sensor-elementen 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 19 833 996 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 ist, 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 19 833 996 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 2 um 180 DEG gedreht. Die Anzeige der Dosenlibelle 7 wird dann zur Hälfte mit dem Dreifuss 2 und zur Hälfte mit den Justierschrauben der Dosenlibelle 7 zurückgestellt. 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 DEG 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 19 833 996 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 19 833 996 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 mu s, was der Länge einer Zeile im Videosignal einer CCD-Zeile entspricht. Nachdem 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 Mikrocontroller 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 mu s (eine Zeile im Videosignal) betragen kann. Auch die Anforderungen an den Mikrocontroller sind dadurch weniger hoch. Nachteil dieser Anordnung ist, dass das Lesen der Kodierung so lange 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 Mikrocontroller 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 Mikrocontrollers 14, dass jetzt der Inhalt der betreffenden Zeile über den AD-Wandler 11 pixelweise an den Mikrocontroller 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 Mikrocontroller 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 Mikrocontrollers 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 Mikrocontrollers 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 Mikrocontrollers auf einander abgestimmt werden und die Anforderungen an das Zeitverhalten des Mikrocontrollers 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. Eine 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.
The invention relates to a method and a device for signal processing, in particular for a digital level, which is equipped with a surface image sensor, such as CCD matrix or CMOS sensor, which resolves the image signal into individual image elements (pixels).
It is known to use sensor lines as receivers in digital leveling. Thus, from the magazine for "Surveying and Spatial Planning", April 1995, pages 65 to 78, the construction of a digital level with a CCD line known.
DE 3 424 806, EP 576 004 and DE 19 723 654 likewise disclose digital levels with linear sensors. These digital levels are all equipped with a beam splitter in which part of the light is diverted from the telescope beam path of the level to the linear sensor. For the visual aiming, focusing and viewing of the measurement image, such devices require an image reversing prism, a line cross and a focusable eyepiece. The image reversal prism is usually realized in the tilt compensator.
However, this digital leveling has the disadvantage that all the optical components that an optical leveling unit must have are also to be provided here, as well as a beam splitter.
In DE 19 504 039 it is disclosed to perform the imaging on one or more CCD lines by at least two imaging optics for different distance ranges. This makes it possible to build a digital level without focusing and without eyepiece, but viewing the telescope image is then, without having to arrange further optical elements, no longer possible.
From JP 50-25413 a digital level with an image converter as a receiver and a screen display is known. The leveling staff is coded horizontally so that the image content must be evaluated horizontally to obtain a reading. An active light source is provided which sends a horizontal beam of light to the crossbar via a compensator. The code hit by the light beam is read. This solution has the disadvantage that no interpolation between the codewords is possible and thus only a low accuracy can be achieved.
From JP 5-272 970 it is known to image the slat image onto a CCD matrix. The measured values are displayed on an LCD screen. The measurement is carried out with a conventionally numbered and painted lath. The imaging scale is determined from the line spacing. The calculator has stored the pixel patterns of numbers 0 through 9. Image processing reads the bar. This solution simulates an optical level with electronic means.
In DE 19 833 996 an electronic level with Videoanzielung, electronic evaluation, autofocus and registration is described without moving optics.
All these solutions with surface image sensors have the disadvantage that, in comparison to a digital level with linear sensor, a large amount of data accumulates, the processing of which requires appropriate computing technology in the device or a longer computing time.
It is therefore an object of the invention to eliminate the disadvantages of the prior art, to reduce the amount of data to be processed, without giving up the advantages of a planar image sensor, and to dispense with an eyepiece on the device by displaying the video information on a screen.
According to the invention this object is achieved with the means set out in the first claim. Details and further embodiments of the invention are described in the dependent claims.
Thus, it is advantageous if the determination (dimensioning) of this area to the right and to the left of a center pixel takes place such that the crossing error of the level does not exist or the influence of the crossing error on the measurement results is eliminated.
The method can be carried out with a device in the form of a digital level, which is equipped with area-type image sensors in the image plane of an objective. These image sensors are composed of sensor elements arranged in rows and columns, such that the rows or the columns of the image sensor are aligned in the measuring direction. It is thus also advantageous if, during the adjustment of the digital level, an area of the image sensor consisting of a few lines or a few columns is provided symmetrically (uniformly) to the right and left of the transmission point of the optical axis by the image sensor such that only the pixel data of sensor elements this area will continue to be used for measurement. The image sensor is connected to a downstream transmitter.
Advantageously, the transmitter comprises a counter and a video-analog-to-digital converter, which are connected downstream of the image sensor and connected to a microcontroller.
The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. 1 shows a digital level with image sensor, FIG. 2 shows a circuit arrangement for a CCD matrix, and FIG. 3 shows a circuit arrangement for a CMOS image sensor.
Fig. 1 shows a digital level 1, as it is known for example from DE 19 833 996. The level can be leveled by means of a tribrach 2 after the indication of a circular level 7. The telescope of the digital level consists of an objective 4 and an image sensor 5 arranged in its focal point or image plane, for example a CCD matrix or a matrix of CMOS elements. The pixels of this matrix are arranged in rows and columns. The telescope also has known focusing means, which is not shown here, since they are not required for understanding the invention.
Thus, instead of an eyepiece, a screen 6 is provided, for example an LCD screen on which the image of the image sensor 5 as well as measured and calculated values can be displayed.
For fine adjustment of the target line in the vertical, a inclinometer 8 is provided, whose function is described in this context in DE 19 833 996.
The axes of the level are the vertical axis StA, the target axis ZA, which coincides with the optical axis of the objective, and the axis NMA of the inclinometer. The axis NMA is here defined as a rotation about this axis is detected by the inclinometer and leads to readjusting the target axis ZA corresponding to the longitudinal inclination of the level 1. All three axes StA, ZA and NMA are perpendicular to each other.
In conventional leveling, a tube level is used instead of an electronic grade meter. The dragonfly longitudinal axis is usually defined as the dragonfly axis LA. In this case, instead of the condition: "Axis NMA is perpendicular to the target axis ZA" the condition is: "Dragonfly axis LA is parallel to the target axis ZA". The conditions are identical and it is a question of defining the axis of the inclinometer, which is used by both. In the literature, for example in the book: Deumlich: "Instrumentation of Surveying Technology", Verlag für Bauwesen, Berlin 1974, sixth edition, page 207, the non-observance of the condition: vertical plane of the dragonfly axis LA and the target axis parallel to each other is called a crossing error.
Failure to comply with this condition will cause the reading of a level to change as it is placed laterally, ie, inclined transversely to the target axis ZA.
To adjust the level 1 analogous to Deumlich this is leveled in a known manner with the tribrach 2 after specifying the circular level. Thereafter, the level 1 is then rotated about the standing axis StA on the tribrach 2 by 180 °. The display of the circular level 7 is then reset in half with the tribrach 2 and half with the adjusting screws of the circular level 7. The method is known and the adjustment screws for the circular level 7 are therefore not shown.
This adjustment is the prerequisite to bring the inclinometer 8 in his workspace. By turning the device by 180 ° around the standing axis StA, the zero error of the inclinometer 8 is determined in a manner analogous to that of the level 7 of the can. The zero point of the inclinometer 8 is calibrated, as is common in electro-optic tachymeters, i. stored in the device computer.
The adjustment condition of a level that the horizontal line of the reticule (not shown) is horizontal (or the vertical thread is aligned to the Lot), is achieved by rotating the image sensor 5 around its center, the image sensor 5 is approximately to the optical axis of Focused telescope, which as can be seen from Fig. 1, coincides with the target axis ZA. In Fig. 1, the lines 9 of the CCD matrix are shown in vertical alignment (measuring direction). This can be done by aligning with a targeted plumb line or with a crossed collimator, the evaluation can be done visually by observing a generated by the computer on the screen 6 bar, in which the vertical bar along the lines and the horizontal bar along the columns of the image sensor. 5 or the screen 6 run.
The image sensor 5 is rotated until both line crosses (the targeted and the level generated in the level 1) have no recognizable rotation to each other. Alternatively, an electronic measurement by evaluating the image content of the image sensor 5 with a computer is possible.
The essential for the inventive idea adjustment step is the elimination of the crossing error. Level 1 is used to target a code disc at a greater distance or a collimator with a code plate pitch on the reticle (code collimator). The level 1 is electronically put into operation so far that a bar reading with the aid of the image sensor 1 is possible and this is corrected with the device longitudinal inclination measured by the inclinometer 8, as described in DE 19 833 996. In this case, each line 9 of the image sensor 5 delivers a height value corrected by the pitch.
The level 1 is now tilted slightly laterally, by about 10 'to 20' (arc minutes). This can be done for example with the tripod 2 or with a tilt table. The line 9 of the image sensor 5 whose height value remains constant defines the target axis ZA in the lateral direction. Furthermore, the number of this line is stored in the computer. For the determination of the height value only a few (for example four or five) lines 9 are used around this line. The remaining lines are only to be displayed as an image on the screen 6 to achieve the targeting.
The further adjustment of the target line with respect to the exact position of the target axis in the vertical by means of leveling (leveling from the middle, Förstner method) or after a collimator, in particular a code collimator, is carried out according to known methods. Practically, the target axis ZA in the vertical direction by setting a "center pixel" i. in this case, a column of the CCD matrix defined.
Also, the longitudinal course of the inclinometer is calibrated by tilting the level 1 in the longitudinal direction in such a way that the measured value does not change during tilting. The required corrections to the height value are known from DE 19 833 996. With two to three measurements with different angles of inclination, enough measurement values are available to determine the device constant required for correcting the height value, essentially the product of inclination angle and focal length.
If the image sensor 5 is a CCD matrix, as described in FIG. 1, the rows of the matrix can be oriented vertically.
This type of orientation means that the image of the digital coding is displayed on at least one matrix line. The advantage of this arrangement is that the relevant information can be read one behind the other pixel by pixel. The reading time is about 64 μs, which is the length of one line in the video signal of a CCD line. After the line or lines with the coding have been read, the evaluation of the coding can already be started during the output of the remaining video lines. Disadvantage of this arrangement is that a fast analog-to-digital converter (AD converter) is required and that the microcontroller also has to accept the data from the AD converter with a cycle time of 70 ns corresponding to one pixel.
On the other hand, if the matrix row is oriented horizontally in space, the image of the digital coding is distributed over all the rows of the matrix, namely in a specific column. The advantage of this arrangement is that although the AD converter must have a sample time of <70 ns (one pixel), the conversion time can be up to 64 μs (one line in the video signal). The requirements for the microcontroller are therefore less high. Disadvantage of this arrangement is that the reading of the coding lasts as long as the output of a video image lasts (20 ms).
Fig. 2 shows a circuit arrangement for a CCD matrix, which allows in principle both orientations.
The interface of the CCD camera 5 is here designed such that the camera provides a video signal (video), a pixel clock (PCLK), a line pulse (HD) and an image pulse (VD).
About the signals in Fig. 2 as a black box 15 illustrated CCD camera is connected as an image sensor with a video AD converter 11 (video ADC) and a counter 12 (counter). In addition, a register 13 and a microcontroller 14 are provided, wherein the microcontroller 14 takes over the data evaluation and control. The counter 12 may also be part of the microcontroller 14.
The arrangement works in the vertical orientation of the matrix line 9 in the following manner:
The counter 12 is loaded with an image pulse VD having the content of the register 13 and counts back the line pulses HD. The register 13 is in turn loaded by the microcontroller 14 before the beginning of an image with the "line number -1" (lines are numbered). When the selected line has been reached, the zero crossing of the counter 12 "zero-count" (FIG. 2) sends a signal to an input of the microcontroller 14, that now the content of the respective line via the AD converter 11 pixel by pixel to the microcontroller 14 is given. This arrangement can also be extended to several lines.
In the case of the horizontal orientation of the line, the counter 12 correspondingly counts the columns, in the simplest case the pixel clock PCLK. The counter 12 is loaded at the beginning of each line with the "column number -1" (columns are numbered). The zero crossing of the counter tells the microcontroller 14 when to retrieve data from the AD converter 11.
FIG. 3 shows a circuit arrangement for a CMOS image sensor. CMOS image sensors have the advantage over the CCD matrix that specific specific pixels can be read out. They are offered with integrated AD converters, which significantly reduces the circuit complexity. A direct coupling of the image sensor used as a CMOS image sensor 21 to the bus of a microcontroller 14 is thus possible. The pixel section to be read is determined by programming horizontal start and horizontal end registers and vertical start and vertical end registers. The pixel clock synchronizes the data acquisition of the microcontroller or processor with the provision of valid pixel data by the AD converter of the CMOS image sensor.
Since the refresh rate and the pixel output frequency are programmable with CMOS image sensors, the timing of the image sensor and the microcontroller can be tuned to each other and the timing requirements of the microcontroller are not as high as in the CCD array circuit.
The invention is not limited to the above embodiment. Thus, the inventive concept can be realized in the same way if the digital level is equipped with a conventional compensator, which engages in the imaging beam path between the telescope objective and the image sensor. The adjustment of the crossing error by lateral tilting is given here only as the skilled worker sufficiently well known example. An adjustment of the squareness of target axis A and inclinometer axis NMA can also be done in other ways, as shown in the example. The circuits for selecting the rows or columns of the image sensor to be evaluated by the computer for obtaining the slat reading may be modified according to the respective state of the art.
In an analogous manner, the invention can also be applied to a biaxial measurement in a theodolite or tachymeter using only a few columns around the optical axes for measurement in one axis and some lines around the optical axis for measurement in the other, perpendicular thereto Axis find use.