CN102232176B - 用于光学地扫描和测量环境的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于借助于激光扫描器(10)对周围环境进行光学地扫描和测量的方法，激光扫描器(10)具有中心(C10)，并且为了进行扫描，激光扫描器(10)借助于光束(18、20)来光学地扫描和测量其周围环境并借助于控制和评估单元对周围环境进行评估，其中，具有中心(C33)的彩色照相机(33)获取必须与扫描(s)联系的周围环境的彩色图像(i0)，与彩色照相机(33)连接的、激光扫描器(10)的控制和评估单元(22)通过针对每个彩色图像(i0)迭代地虚拟地移动彩色照相机(33)，以及通过针对彩色照相机(33)的这个新的虚拟位置和/或方位将彩色图像(i0)的至少部分进行变换，将彩色图像(i0)与扫描(s)联系起来，并且校正彩色照相机(33)的中心(C33)和/或方位相对于激光扫描器(10)的中心(C10)和/或方位的偏差，直至扫描(s)在公用参考面上的投影与彩色图像(i0)在公用参考面上的投影(i1)以最佳可能的方式彼此一致为止。

Description

用于光学地扫描和测量环境的方法
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1的通用术语的特征的方法。
背景技术
借助于诸如例如从DE 20 2006 005643 U1已知的激光扫描器，依靠激光扫描器可以光学地扫描和测量激光扫描器的周围环境。为了获得额外的信息，在激光扫描器上安装采用RGB信号的照相机，使得扫描的测量点可以以彩色信息来完成。照相机支架是可旋转的。为避免视差，使用于获取其记录的照相机转到激光扫描器的垂直旋转轴线上，并降低激光扫描器，直至照相机到达水平旋转轴线处为止。该方法要求高精度的部件。
发明内容
本发明的目的是建立背景技术中提到的类型的方法的替代方法。根据本发明，借助于一种包括权利要求1的特征的方法实现了该目的。从属权利要求涉及有利的配置。
在大致了解照相机位置和方位、优选地是相对于激光扫描器的中心和方位的照相机位置和方位——而这种了解不足以建立直接联系——的情况下，根据本发明的方法可以借助于控制和评估单元来校正中心及它们的方位的偏差，以及可以将扫描和彩色图像联系起来。彩色照相机只是进行虚拟移动，即彩色图像变换，而不用进行很大程度上依赖于机械精度的真实移动。对于每个单彩色图像迭代地进行校正。在取为基准面的公用投影屏上进行扫描与彩色图像之间的比较。假设照相机是可安装(mounted)且可拆卸的(dismounted)，即在进行扫描之前确立至激光扫描器的特定距离，或假设照相机借助于可调节的支架进行移动，根据本发明的方法校正因而产生的位置和方位的改变。
首先，优选地仅对于相应的彩色图像的所关心的区域与扫描的所关心的相应区域提供一致性，由此提高性能。所关心的区域应该是那些在短距离上显示大的变化的区域，并且优选地是例如借助于梯度自动找到的。或者，可以使用标靶，即检查标记，然而检查标记却具有覆盖它们后面的区域的缺点。
在迭代循环中，在每次虚拟移动之后计算所关心的区域的位移矢量，该位移矢量对使得彩色图像和扫描的所关心的区域的投影相一致是必需的。概念“位移”也表示其中附加地需要所关心的区域的旋转的情况。
在本方法的每个步骤中，存在如下问题：由于噪声等而不存在彩色图像和扫描的严格的一致性，特别是没有像素到像素的一致性。然而，可以确定用于辨别和限定精度的阈值和/或间隔。也可以应用统计学方法。
因为本方法在不同的虚拟照相机位置处开始迭代，并且因为本方法定义了排除(exclusion)准则，所以本方法不信任简单的基于梯度的动力学(虽然根据已知方法使用简单的基于梯度的动力学)。由此本方法甚至在出现次级极小值时也起作用。因此，即使在激光扫描器与彩色照相机之间的距离大的情况下，本方法也是稳健的。使用所关心的区域导致更好的性能和更成功地找到相应的对应部分。(通过所述排除准则)排除很难或不可能找到相应区域的区域，例如，当激光扫描器与彩色照相机看到不同图像时(归因于不同的波长)。有鉴于此，对所关心的区域进行分类是有帮助的。
本方法也可以用于在将彩色照相机安装在激光扫描器上之后进行的标定。
附图说明
下面基于附图中示出的示例性实施例，更详细地说明本发明，其中：
图1示出借助于激光扫描器和彩色照相机的光学扫描和测量的示意图，
图2示出不带有彩色照相机的激光扫描器的示意图，
图3示出带有彩色照相机的激光扫描器的部分截面图。
具体实施方式
激光扫描器10被提供为用于光学地扫描和测量该激光扫描器10的周围环境的装置。激光扫描器10具有测量头12和基座14。测量头12安装在基座14上，作为可以绕垂直轴线旋转的单元。测量头12具有可以绕水平轴线旋转的反射镜(mirror)16。将两个旋转轴线的交点称为激光扫描器10的中心C10。
测量头12还设置有用于发射光束18的发射的光发射器17。发射光束18优选地是波长在大约300nm至1000nm的可见范围的激光束，诸如790nm的激光束。原则上，也可以使用具有例如更长波长的其他电磁波。发射光束18例如采用正弦或方形波形调制信号进行幅度调制。发射光束18由光发射器17发射到反射镜16上，在反射镜16上发射光束18被偏转并发射到周围环境。在周围环境中被目标物O反射或者被散射的接收光束20被反射镜16捕获、偏转和导向光接收器21。发射光束18和接收光束20的方向由反射镜16和测量头12的角度位置产生，反射镜16和测量头12的角度位置取决于它们相应的旋转驱动装置的位置，每个相应的旋转驱动装置的位置又由一个编码器记录。控制和评估单元22具有至测量头12中的光发射器17和光接收器21的数据连接，由此也可以在测量头12的外面布置部分控制和评估单元22，该部分例如为连接到基座14的计算机。对于多个测量点X，控制和评估单元22根据发射光束18和接收光束20的传播时间来确定激光扫描器10(即，中心C10)和目标物O(上的照射点)之间的距离d。为此目的，确定和评估两个光束18和20之间的相移。
扫描借助于反射镜16的(快速)旋转沿着圆周进行。由于测量头12相对于基座14的(慢速)旋转，以圆周逐步地扫描整个空间。这种测量的测量点X的整体被称为扫描s。对于这样的扫描s，激光扫描器10的中心C10限定了其中基座14静止的激光扫描器的静止参考系。例如在US7,430,068 B2和DE 20 2006 005 643 U1中描述了关于激光扫描器10尤其是测量头12的设计的进一步细节，其相应的公开文本被参引并入本文中。
除了至激光扫描器10的中心C10的距离d外，每个测量点还包括由控制和评估单元22确定的亮度。亮度即灰调值，该亮度例如由测量点X产生的、光接收器21的经过带通滤波和放大的信号在测量周期上的积分来确定。
对于特定的应用，会期望除了灰调值之外色彩信息也可用。根据本发明，用于光学地扫描和测量周围环境的装置包括彩色照相机33，该彩色照相机33也被连接到激光扫描器10的控制和评估单元。彩色照相机33优选地设置有可以在广角范围内捕获图像的鱼眼镜头。彩色照相机33例如是CCD照相机或CMOS照相机，且为真实空间中的二维图像提供在彩色空间中为三维的信号，优选地为RGB信号，实空间中的二维图像在下文中被称为彩色图像i0。彩色照相机33的中心C33被取为看上去将要获取彩色图像i0的点，例如光圈的中心。
在该示例性实施例中，彩色照相机33借助于支架35被安装在测量头12上，使得彩色照相机33可以绕垂直轴线旋转，以便获取若干彩色图像i0且由此覆盖整个角度范围。可以由编码器对关于这种旋转的、由其来获取图像的方向进行记录。在DE 20 2006 005 643 U1中，对于获取彩色图像的线传感器，也描述了类似的布置，该线传感器借助于可调节的支架可以被垂直移位，使得其中心可以与激光扫描器10的中心C10一致。对于根据本发明的解决方案，上述是不需要的，并因此是不期望的，这是因为在不精确的移位机构的情况下可能产生视差。知道两个中心C10与C33的大致的相对位置就足够了，如果安装了刚性支架35，则该大致的相对位置就可以被很好地估计，这是因为在这种情况下，中心C10与C33彼此之间具有确定的距离。然而，也可以使用例如使彩色照相机33转动的可调节的支架35。
控制和评估单元22将激光扫描器10的扫描s(其在真实空间中是三维的)和彩色照相机33的彩色图像i0(其在真实空间中是二维的)联系起来，这种处理被称为“映射”。由此校正中心C10与C33的偏差、以及当适用时中心C10与C33的方位的偏差。对于每个彩色图像i0，一个图像接着一个图像地进行联系，以对扫描s的每个测量点X(以RGB份额(share))给定色彩，即，使扫描s色彩化。在预处理的步骤中，从彩色图像i0中消除已知的照相机失真。根据本发明，开始进行映射，将扫描s和每个彩色图像i0投影到公用参考面上，优选地投影到球面上。由于扫描s可以完全地投影在参考面上，所以附图没有在扫描s和参考面之间进行区分。
彩色图像i0在参考面上的投影被称为i1。对于每个彩色图像i0，虚拟地移动彩色照机33，针对彩色照相机33的这个新的虚拟位置(以及当适用时的新的虚拟方位)(至少部分地)变换彩色图像i0(包括在参考面上的投射i1)，直到彩色图像i0和扫描s(更确切地说它们在参考面上的投影)获得最佳可能的一致性为止。然后对所有其他的彩色图像i0重复该方法。
为了将相应的彩色图像i0与扫描s进行比较，在彩色图像i0中定义了相关的区域，称作所关心的区域ri。这些所关心的区域ri应该是示出相当大的变化(在亮度和/或色彩方面)的、诸如目标物O的轮廓的边和角或其他部分的区域。例如通过形成梯度并查找极值可以自动地找到这样的区域。例如，如果存在角，则梯度在多于一个方向上变化。在扫描s在参考面上的投影中，找到相应的所关心的区域rs。对于映射，以示例性的方式使用所关心的区域ri。
对于彩色图像i0的每个单个的所关心的区域ri，所关心的区域ri在循环中相对于彩色照相机33的相应虚拟位置进行变换且被投影到参考面上。所关心的区域ri的投影被称为r1。然后确定参考面上的位移矢量v，即所关心的区域ri的投影r1必须被位移(以及旋转)多少，以便在扫描s在参考面上的投影中命中(hit)相应的所关心的区域rs。虚拟地移动彩色照相机33、即，改变其中心C33，以及视需要改变其方位，并再次计算位移矢量v。当位移矢量v显示极小值时中止迭代。
由于之后已被检测到的彩色照相机33的虚拟位置以及当适用时的虚拟方位，完整彩色图像在参考面上的的投影i1与扫描s在参考面上的投影在各个方面彼此一致。可选地，这可以借助于完整彩色图像的投影i1与扫描s的投影来检查。
对于不同的比较，确定用于辨别和定义精度的阈值和/或间隔。甚至扫描s和彩色图像i0的最佳可能的一致性也仅在这种限制中给出。可以借助于具有高斯分布的变形(distortion)消除导致次级极小值的数字化效应。
为了避免具有次级极小值的问题的简单的基于梯度的动力学的不利因素(虽然根据已知方法使用简单的基于梯度的动力学)，本方法可以使用两处改进：
第一，进行对于虚拟地移动彩色照相机33的多次迭代，每次迭代在不同的点处开始。如果找到不同(次级)极小值，则导致最低极小值的位移矢量v表示彩色照相机33的最佳虚拟位置(以及方位)。
第二，将排除准则用于排除彩色照相机33的某些所关心的区域ri或某些虚拟位置(以及方位)。一个准则可以是谱阈值。使所关心的区域ri经过傅里叶变换，并且定义阈值频率。如果谱低于阈值频率的部分明显多于谱超出阈值频率的部分，那么所关心的区域ri具有有用的纹理(texture)。如果谱低于阈值频率的部分与谱超出阈值频率的部分大致相同，那么所关心的区域ri由噪声主导并因此被排除。另一准则可以是平均阈值。如果多个所关心的区域ri的每一个都导致彩色照相机33的不同的虚拟位置，那么生成虚拟位置的分布。根据这种分布计算出平均位置。排除其虚拟位置针对基于该分布的预期位置超过了阈值的所关心的区域ri，并因此将其看作是异常值。
参考符号列表
10 激光扫描器
12 测量头
14 基座
16 反射镜
17 光发射器
18 发射光束
20 接收光束
21 光接收器
22 控制和评估单元
33 彩色照相机
35 支架
C10 激光扫描器的中心
C33 彩色照相机的中心
d 距离
i0 彩色图像
i1 彩色图像的投影
O 标物
ri 彩色图像的所关心的区域
r1 彩色图像的所关心的区域的投影
rs 扫描的所关心的区域
s 扫描
v 位移矢量
X 测量点

Claims (11)

1.一种用于借助于激光扫描器(10)对周围环境进行光学地扫描和测量的方法，所述激光扫描器(10)具有中心(C10)，并且为了进行扫描(s)，所述激光扫描器(10)借助于光束(18、20)来光学地扫描和测量所述激光扫描器的周围环境，并借助于控制和评估单元(22)对所述周围环境进行评估，其中具有中心(C33)的彩色照相机(33)获取必须与所述扫描(s)相联系的所述周围环境的彩色图像(i0)，其特征在于，与所述彩色照相机(33)连接的、所述激光扫描器(10)的所述控制和评估单元(22)通过针对每个彩色图像(i0)迭代地虚拟地移动所述彩色照相机(33)，以及通过针对所述彩色照相机(33)的这个新的虚拟位置和/或方位将所述彩色图像(i0)的至少部分进行变换，将所述彩色图像(i0)与所述扫描(s)联系起来，并且校正所述彩色照相机(33)的中心(C33)和/或方位与所述激光扫描器(10)的中心(C10)和/或方位的偏差，直至所述扫描(s)在公用参考面上的投影与所述彩色图像(i0)在公用参考面的投影(i1)以最佳可能的方式彼此一致为止，
其中，在所述彩色图像(i0)中定义至少一个在亮度和/或色彩方面示出相当大变化的所关心的区域(ri)，所述所关心的区域(ri)与所述扫描(s)在所述公用参考面上的投影的相应的所关心的区域(rs)进行比较，
其中，自动地找到所述彩色图像(i0)的所述所关心的区域(ri)，并且
其中，使用排除准则排除所述彩色照相机(33)的所述彩色图像(i0)的某些所关心的区域(ri)和/或某些虚拟位置以及方位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排除准则包括使用谱阈值作为一个准则。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将目标物(O)的轮廓的角、边或另外的部分定义为所述彩色图像(i0)的所关心的区域(ri)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述彩色照相机(33)的每次虚拟移动之后，所述彩色图像(i0)的所关心的区域(ri)被变换且被投影到所述公用参考面上。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定所述彩色图像(i0)的所关心的区域(ri)的投影(r1)关于所述扫描(s)在所述公用参考面上的投影的相应所关心的区域(rs)的位移矢量(v)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，迭代地进行所述彩色照相机(33)的虚拟移动、所述彩色图像(i0)的所述所关心的区域(ri)的变换、以及所述位移矢量(v)的确定，直至所述扫描(s)的投影与所述彩色图像(i0)的投影(i1)以最佳可能的方式彼此一致为止。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述彩色照相机(33)的不同的虚拟位置处开始多次迭代。
8.一种用于执行根据前述权利要求中任一项的方法的装置，其特征在于，所述装置包括：激光扫描器(10)，其设置有控制和评估单元；以及彩色照相机(33)，其被连接到所述激光扫描器(10)的所述控制和评估单元。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，借助于支架(35)，所述彩色照相机(33)被安装到所述激光扫描器(10)上，具体地被安装到所述激光扫描器(10)的旋转部分(12)上。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，在进行扫描(s)之前，所述激光扫描器(10)的中心(C10)与所述彩色照相机(33)的中心(C33)彼此之间具有确定的距离或被使得彼此之间具有确定的距离。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述彩色照相机(33)是电荷耦合器件CCD照相机或互补型金属氧化物半导体CMOS照相机。
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