CN102246002A - 用于测量空间和/或对象的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量空间（32）和/或对象的测量系统（10），包括至少一个手持的无接触测量的间距测量设备（12）和至少一个分析单元（18），其中该测量系统（10）具有布置在间距测量设备（12）处的全向摄像机（14），和该分析单元（18）被设立，使得其基于由摄像机（14）所记录的图像信息确定间距测量设备（12）在间距测量时刻的位置和定向，生成相应的位置和定向数据以及将所述位置和定向数据分配给间距测量。

Description

用于测量空间和/或对象的测量系统

技术领域

本发明涉及一种用于测量空间和/或对象的测量系统，包括至少一个手持的无接触测量的间距测量设备、尤其是激光距离测量仪和至少一个分析单元。

背景技术

对空间的三维测量尤其是对于手工艺者和建筑师是具有非常大的兴趣的，以便能够尽可能快地检测空间的实际状态和基于该所检测的实际状态来规划有待处理的工作，例如厨房的建造、窗户的安装、空间的内部布置等。

为了对空间执行这样的三维测量，目前大多使用手持的无接触测量的间距测量设备、尤其是激光距离测量仪。所述激光距离测量仪相对于常规的机械测量装置（例如带尺和折尺）的特征尤其在于，利用所述激光距离测量仪可以便利和快速地执行间距测量。此外，激光距离测量仪通常包括整体的分析单元，该分析单元使得能够对所检测的测量数据进行继续处理。因此，分析单元可以这样被提供，使得所述分析单元能够实现对单个间距测量的计算上的关联。换句话说，可以将单个间距测量相加，以便从大量所检测的子间距中确定总间距，可以将所述单个间距测量彼此相乘，以便计算面积或体积，可以对所述单个间距测量进行存储，等等。此外，许多分析单元使得能够通过所采用的直角或集成的惯性传感器技术执行间接长度测量。不过，能够实现这种间接长度测量的这样的系统的缺点在于，该间接长度测量基于假设，即间距测量设备在从中间接地计算长度的测量之间不经历平移运动。因此使用者被强制将间距测量设备固定地保持在一个位置处并且在测量点之间仅执行旋转运动，所通过的方式是例如从手腕转动该间距测量设备。这使得这种间接长度测量非常容易出错。

如果应借助激光距离测量仪例如检测空间的平面图，则通常首先手动地或借助相应的计算机程序草拟该空间的平面图。然后借助激光距离测量仪相继检测空间的单个尺寸，其中所检测的测量数据被录入到事先创建的草稿中。一旦存在确切的测量数据，就可以手动地或自动地在使用计算机的情况下对草稿进行准确化。即使通过这种方式获得的结果完全令人满意，之前描述的实施方式与大的时间耗费相联系。

发明内容

从该现有技术出发，本发明的任务是，实现一种开头所述类型的替代测量系统，利用该测量系统例如可以快速和准确地创建空间和/或对象的平面图或CAD模型。此外该测量系统应该能够实现间接长度测量，在该间接的长度测量时，使用者可以在对于间接长度测量所需的单个间距测量之间不仅旋转地而且平移地移动间距测量设备，而不因此影响测量结果。

该任务根据本发明通过根据权利要求1的测量系统和通过根据权利要求14的测量方法解决。从属权利要求涉及本发明的各个扩展方案。

用于测量空间和/或对象的根据本发明的测量系统包括至少一个手持的无接触测量的间距测量设备、优选激光距离测量仪形式的间距测量设备、和至少一个用于继续处理由间距测量设备所检测的测量数据的分析单元。根据本发明，测量系统包括布置在间距测量设备处的全向摄像机、也就是能够不仅水平地而且垂直地拍摄来自约270°至360°的区域内的所有方向的图像的摄像机。可替代地，还可以使用覆盖该图像区域的多个摄像机。该分析单元这里被设立，使得其基于由摄像机所记录的图像信息确定间距测量设备在间距测量时刻的位置和定向（Ausrichtung），生成相应的位置和定向数据以及将这些位置和定向数据分配给间距测量。换句话说，对于每个间距测量确定间距测量设备在空间中的位置和定向，从而可以生成分别由测量数据、位置数据和定向数据组成的数据组。如果将这些数据组转换到虚拟的三维坐标系中，则得出明确的、彼此相关的向量，所述向量的起点通过位置数据定义，所述向量的方向通过定向数据定义并且所述向量的长度通过测量数据定义。相应地可以在使用相应算法的情况下无问题地计算两个测量点之间的间距，其中测量设备在两个单个测量之间的运动完全不重要。也可以将大量单个测量彼此关联，使得可以在使用相应算法的情况下容易地创建空间和/或对象的CAD模型。

有利地这样提供间距测量设备，使得其能够实施单个间距测量和/或连续的间距测量。有利地也将摄像机构造为有视频能力的。如果以连续模式运行间距测量设备和摄像机，则可以获得非常高的测量密度，由此相应地提高测量结果的精度。

优选这样设立分析单元，使得能够根据在图像信息中存在的地面标志（Landmarke）确定间距测量设备在间距测量时刻的位置和定向。地面标志是局部显著的特征点，所述特征点对于透视失真不敏感。其特性不同于其背景的空间点是显著的。这些地面标志可以是自然地面标志，例如门框、窗框或类似物，也即是已经在空间中存在的显著的空间点。但是可替代地也可以使用人工地面标志。根据本发明的一个扩展方案，测量系统为了产生这种人工地面标志包括与间距测量设备分开地设置的投影单元，该投影单元这样被提供，使得其可以发出产生人工地面标志的电磁辐射，其中摄像机这样被提供，使得其可以检测该人工地面标志。因此可以借助该投影单元例如将由光点组成的图案投向空间的天花板上，该图案然后由摄像机检测。但是可替代地同样好地可能的是，在空间的墙壁处或天花板处固定对象，例如由彩色纸板剪出的几何图或类似物，据此可以明确识别间距测量设备的所在地。

分析单元还有利地这样被设立，使得其能够基于由间距测量设备执行的间距测量并且基于分配给所述间距测量的位置和定向数据来创建空间和/或对象的CAD模型，其中所述创建优选自动进行。因此间距、位置和定向数据可以逐渐地被传输给分析单元并且在那里彼此关联以产生CAD模型。当然也可以首先采集单个数据并且在测量结束之后传送给分析单元用于继续处理。此处应当指出，分析单元可以是集成到间距测量设备中的单元和/或专门构造的单独的单元和/或常规的膝上型电脑、PDA；固网计算机、移动电话或类似物。为了数据传输设置相应的有线或无线接口，例如蓝牙、UWB、WLAN等。

分析单元有利地这样被设立，使得其能够基于由摄像机所拍摄的图像信息对CAD模型的表面进行织构化（texturieren）。因此例如可以首先仅选择在相应测量点周围的小的织构区域。对整个对象和/或空间的织构化于是事后通过将所测量的空间点互相结合成多边形网（例如三角形）并且用所采集的织构片段占据所形成的空间多边形来进行，其中所述织构片段从图像信息中提取。通过这种方式可以例如事后将壁橱详细地补入CAD模型的已经粗糙建模的墙壁中。

此外分析单元这样有利地被设立，使得其能够根据所述图像信息和/或间距测量对用摄像机所拍摄的和/或用间距测量设备所测量的对象进行自动分类。这种对空间内的对象的分类尤其是可以以测量系统的连续测量模式得到大大简化。因此例如可以设想用间距测量设备对确定的对象定轮廓。可通过优选设置的语音识别单元实现的附加的语音识别可以在对对象分类时提供附加的信息。因此例如可以用激光距离测量仪的连续激光标记门或窗的范围并且同时通过语音识别记下该对象的类型。对被定轮廓的对象的精细定位于是可以同步地或在稍后时刻根据所记录的图像信息来执行。

此外，间距测量设备包括优选至少一个惯性测量单元，该惯性测量单元简化了跟踪、也就是对间距测量设备的位置和定向的追踪。

间距测量设备还可以具有照明单元，该照明单元在执行测量的时刻均匀地照亮摄像机的拍摄区域。相应地可以改善用摄像机拍摄的区域的织构化。

间距测量设备优选具有显示器作为与使用者的通信接口。在这种显示器上可以图解地显示在使用根据本发明的系统的情况下已经成功地测量的空间和/或对象区域。相应地，使用者可以直接看出，还需要哪些测量以使CAD模型完整。

本发明还实现一种在使用之前描述的类型的测量系统的情况下测量空间和/或对象的方法。

在单个测量模式中，该方法优选具有步骤：在使用间距测量设备的情况下执行一系列对于测量空间和/或对象所需的单个间距测量；在使用摄像机的情况下分别在执行单个间距测量的时刻拍摄摄像机图像；基于由摄像机所记录的图像信息确定间距测量设备在每个间距测量的时刻的位置和定向；生成相应的位置和定向数据；将所述位置和定向数据分配给相应的间距测量；以及基于具有所分配的位置和定位数据的单个间距测量在使用预先确定的算法的情况下生成空间和/或对象的CAD模型，其中所述CAD模型可以是二维或三维模型，也即例如是空间的平面图或空间的三维线表示。

在连续模式中，该方法优选具有步骤：在使用间距测量设备的情况下执行至少一个对于测量空间和/或对象所需的连续间距测量；在使用摄像机的情况下在如下时间间隔上拍摄视频图像，其中在所述时间间隔期间执行连续间距测量；基于由摄像机记录的图像信息确定间距测量设备在连续间距测量时刻的位置和定向；生成相应的位置和定向数据；将所述位置和定向数据分配给相应的间距测量，所述间距测量在相应的时刻被执行；以及基于具有所属的位置和定位数据的间距测量在使用预先确定的算法的情况下生成空间和/或对象的CAD模型。

应当清楚的是，以单个测量模式和以连续模式创建的CAD模型事后也可以通过添加具有所分配的位置和定向数据的另外的间距测量任意地被精细化和补充。

间距测量设备在间距测量时刻的位置和定向优选根据在图像信息中存在的自然地面标志和/或借助投影单元所产生的人工地面标志来确定。使用人工地面标志在如下方面是有利的：所产生的人工地面标志产生对于测量系统已知的图案（例如编码的圆形测量标志或类似物）。相应地与使用自然地面标志不同地，不需要在每个测量之前执行短的初始化阶段，在该初始化阶段中探测、追踪自然地面标志并且换算成3D坐标，所述3D坐标然后在测量阶段作为自然地面标志被重新找到并且被用作关联（Verknüpfung-）或配合点（Passpunkte）。

优选地由初始测量单元的测量结果支持地确定间距测量设备在间距测量时刻的位置和定向。

还优选基于由摄像机所拍摄的图像信息对CAD模型的表面进行织构化，如这是所希望的那样。

此外，根据所述图像信息有利地自动地对用摄像机拍摄的对象进行分类，如之前已经描述的那样。这种分类可以通过由使用者输入的语音命令来支持，所述语音命令由语音识别单元自动地继续处理。

此外，在图像信息的拍摄期间优选地借助照明单元照亮摄像机的图像检测区域，以便能够实现与环境光无关的织构化。

附图说明

下面根据示例性实施方式参照附图更详细地解释本发明。其中

图1是根据本发明实施方式的测量系统的具有集成全向摄像机的间距测量设备的示意图；

图2是示出用在图1中所示的全向摄像机所拍摄的摄像机图像的示意图；

图3是空间的示意图，根据该示意图解释测量系统的定位原理；

图4是空间的示意图，根据该示意图解释在使用该测量系统的情况下对间接长度测量的执行；

图5是空间的示意俯视图，根据该示意俯视图解释在使用该测量系统的情况下对空间的测量；

图6是空间的示意图，根据该示意图解释在使用该测量系统的情况下对空间的平面和轮廓扫描的空间表示；以及

图7是空间的示意图，根据该示意图解释在使用该测量系统的情况下的对象分类。

具体实施方式

相同的附图标记在下面涉及相同的元素。

用于测量空间和/或对象的测量系统10包括手持的无接触测量的间距测量设备12、布置在该间距测量设备12处的有视频能力的摄像机14、与该间距测量设备12隔开设置的投影单元16以及膝上型电脑形式的分析单元18，该膝上型电脑可以通过未进一步示出的有线或无线接口与该间距测量设备12交换数据。

间距测量设备12以激光距离测量仪的形式被设置，该激光距离测量仪可以选择地执行单个测量或连续间距测量。还可以将该激光距离测量仪作为激光指示器使用。

摄像机14是全向摄像机，该摄像机能够不仅水平地而且垂直地拍摄来自约270°至360°的区域内所有方向的图像。可替代地，当然也可以使用多个摄像机，这些摄像机覆盖该图像区域。图2示例性示出微长的走廊的照片，在该照片上可以看到走廊的墙壁20以及天花板22和此外门24、门牌26、图画28、灯30等。摄像机14不仅可以拍摄单个照片而且可以拍摄视频序列。在摄像机14和间距测量设备12之间在准备阶段执行校准。所述校准可以被实现为工厂校准（Werkskalibrierung）。这种校准的结果是描述激光距离测量仪相对于摄像机投影中心的确切位置和取向的参数组。

投影单元16包括四个未进一步示出的、例如LED或类似物形式的光源，这些光源分别发出成束的光线。投影单元16可以利用未进一步示出的装置被固定在空间的墙壁处。因此投影单元16可以例如具有用于插入到在墙壁处存在的插座中的插头，由此同时保证该投影单元16的能量供给。当然也可以利用其他装置将投影单元16固定在墙壁处。此外投影单元16可以可替代地或附加地具有自给自足的能量源，例如以电池组、蓄电池或类似物的形式。应当清楚的是，该投影单元16替代于四个光源也可以具有其他数量的光源，例如三个或五个。

摄像机14首先用于确定间距测量设备12在间距测量时刻的位置和定向，这在后面参照图3进一步解释。图3示出具有墙壁34、36、38、地板40和天花板42的空间32的示意图。为了在使用测量系统10的情况下执行测量，在空间32的墙壁34处布置投影单元16。该投影单元16这样被定向，使得其光源在空间32的天花板42的方向上发出在图3中以虚线示出和用附图标记44、46、48和50标明的光线，从而在天花板42处产生光点52、54、56和58，这些光点形成预先确定的光点图案。如果现在由在空间32中站立的使用者持有具有在其处布置的摄像机14的间距测量设备12，如在图3中示意性示出的那样，则由摄像机14所记录的图像信息此外包含由投影单元16向空间32的天花板42投影的光点52、54、56和58。在使用图像信息中所包含的光点52、54、56和58作为人工地面标志的情况下，现在可以借助保存在分析单元18中的合适的算法在计算上确定间距测量设备相对于虚拟坐标系60的位置和定向，因为由光点52、54、56和58所产生的光点图案是已知的。如果现在对于每个用间距测量设备12执行的间距测量确定该间距测量设备12的所属的位置和定向数据并且分配给相应的间距测量，则可以在计算上确定向量62，其中通过位置数据定义向量62的起点，通过定向数据定义向量62的方向以及通过间距测量定义向量62的长度。通过这种方式，大量测量可以在以虚拟坐标系62为基础的情况下相互分配，从而可以在使用分析单元18的情况下基于大量单个测量或基于一个或多个连续测量在使用合适的算法的情况下自动创建空间32的CAD模型。该CAD模型可以是二维或三维模型。因此例如可以生成空间32的平面图、空间32的三维线模型等。

应当清楚的是，替代于由光点52、54、56和58产生的虚拟地面标志，也可以基于摄像机14的图像信息使用自然地面标志来确定位置和定向数据。对此必须在每次测量空间之前执行短的初始化阶段，以便探测、追踪自然地面标志并且换算成虚拟坐标系的3D坐标。在测量阶段中，基于摄像机14的图像信息重新找到这些自然地面标志并且用作为关联或配合点。如果在空间32内仅使用这样的自然地面标志来检测间距测量设备12的位置和定向，则可以相应地放弃投影单元16。

下面参照图4描述可以如何在使用之前描述的测量系统10的情况下执行间接长度测量。如果例如（如在图4中所示的那样）在使用间距测量设备12的情况下在确定间距测量设备12在每个测量的时刻的所属的位置和定向数据的情况下执行到墙壁38处的三个测量点64、66和68的间距，则获得相对于虚拟坐标系62的三个向量70、72和74。因为向量70、72和74的端点和从而测量点64、66和68的位置是已知的，所以确定相应测量点64、66和68之间的长度l₁、l₂和l₃在计算上没有问题。在该间接长度测量方法中尤其有利的是，间距测量设备12在单个间距测量之间以什么形式运动是完全不重要的。与已知的间接长度测量方法不同，平移运动可以相应地不影响测量结果。

为了测量整个空间，如在图5中示意性示出的那样，使用者与间距测量设备12和保持在其处的摄像机14一起运动穿过空间76，其中该使用者利用该间距测量设备12或者执行大量单个间距测量或者执行一个或多个连续间距测量，如在图6中示例性地根据水平的连续测量线78和垂直的连续测量线80示出的那样。然后基于如此所记录的测量、位置和定向数据可以自动创建空间76的CAD模型，如之前已经描述的那样。

在连续间距测量模式中，除了空间的3D测量之外，空间内对象的分类也可以被大大简化，如示意性地在图7中示出的那样。因此例如可设想对确定的对象（当前为门82）定轮廓（Umreißen）。可以在分类时附加地使用附加的语音识别。因此例如可以用间距测量设备12的连续激光来标记门82的范围并且同时记下语音识别的对象的类型，例如对门82定轮廓，如根据测量线84示出的那样，以及使用者的宣布“门”。然后例如可以在稍后时刻根据用摄像机14记录的图像信息对被定轮廓的对象执行精细定位。

另外，分析单元18这样被提供，使得其除了对象分类以外还允许织构化。墙壁的粗糙织构化例如可以通过首先基于对三个墙壁点的间距测量虚拟地撑开墙壁来进行。然后可以用摄像机14同步地拍摄相应的织构并且在稍后时刻通过投影补入CAD模型中。通过以连续间距测量模式使用间距测量设备12，可以以任意详细度来扫描复杂的结构。可以再次从同步的摄像机图像中提取相应的织构。在此首先只选择相应测量点周围的小的织构区域。对整个对象的织构化事后通过将所测量的空间点互相结合成多边形网（例如三角形）并且用所采集的织构片段占据所形成的多边形来进行。通过这种方式可以在CAD模型中例如事后将壁橱详细地补入已经粗糙建模的墙壁中。

应当清楚的是，根据本发明的测量系统10的之前描述的实施方式绝不受到限制。更确切地说，修改和更改是可能的，而不会脱离本发明的通过所附权利要求定义的保护范围。

Claims (22)

1. 一种用于测量空间（32）和/或对象的测量系统（10），包括至少一个手持的无接触测量的间距测量设备（12）和至少一个分析单元（18），其特征在于，所述测量系统（10）具有布置在间距测量设备（12）处的全向摄像机（14），和所述分析单元（18）被设立，使得其基于由摄像机（14）所记录的图像信息确定间距测量设备（12）在间距测量时刻的位置和定向，生成相应的位置和定向数据以及将所述位置和定向数据分配给间距测量。

2. 根据权利要求1所述的测量系统（10），其特征在于，所述间距测量设备（12）是激光距离测量仪。

3. 根据前述权利要求之一所述的测量系统（10），其特征在于，所述间距测量设备（12）被提供，使得其能够实施单个间距测量和/或连续间距测量。

4. 根据前述权利要求之一所述的测量系统（10），其特征在于，所述摄像机（14）是有视频能力的。

5. 根据前述权利要求之一所述的测量系统（10），其特征在于，所述分析单元（18）被设立，使得根据在所述图像信息中存在的地面标志能够确定间距测量设备（12）在间距测量时刻的位置和定向。

6. 根据前述权利要求之一所述的测量系统（10），其特征在于，所述测量系统具有与所述间距测量设备（12）分开设置的投影单元（16），所述投影单元（16）被提供，使得其能够发出产生人工地面标志的电磁辐射，其中所述摄像机（14）被提供，使得其能够检测所述人工地面标志。

7. 根据前述权利要求之一所述的测量系统（10），其特征在于，所述分析单元（12）被设立，使得其能够基于由间距测量设备（12）执行的间距测量和基于分配给所述间距测量的位置和定向数据来创建空间（32）和/或对象的CAD模型。

8. 根据权利要求7所述的测量系统（10），其特征在于，所述分析单元（18）被设立，使得其能够基于由摄像机（14）所拍摄的图像信息对CAD模型的表面进行织构化。

9. 根据前述权利要求之一所述的测量系统（10），其特征在于，所述分析单元（18）被设立，使得其能够根据所述图像信息和/或间距测量对用摄像机（14）所拍摄的和/或用间距测量设备（12）所测量的对象进行自动分类。

10. 根据前述权利要求之一所述的测量系统（10），其特征在于，所述测量系统具有语音识别单元。

11. 根据前述权利要求之一所述的测量系统（10），其特征在于，所述间距测量设备（12）具有至少一个惯性测量单元。

12. 根据前述权利要求之一所述的测量系统（10），其特征在于，在间距测量设备（12）处布置照明单元。

13. 根据前述权利要求之一所述的测量系统（10），其特征在于，在间距测量设备（12）处布置显示器。

14. 一种用于在使用根据前述权利要求之一所述的测量系统（10）的情况下测量空间（32）和/或对象的方法。

15. 根据权利要求14所述的方法，该方法具有步骤：

-在使用间距测量设备（12）的情况下执行一系列对于测量空间（32）和/或对象所需的单个间距测量；

-在使用摄像机（14）的情况下分别在执行单个间距测量的时刻拍摄摄像机图像；

-基于由摄像机（14）所记录的图像信息确定间距测量设备（12）在每个间距测量的时刻的位置和定向；

-生成相应的位置和定向数据；

-将所述位置和定向数据分配给相应的间距测量；以及

-基于具有所分配的位置和定位数据的单个间距测量在使用预先确定的算法的情况下生成空间（32）和/或对象的CAD模型。

16. 根据权利要求15所述的方法，该方法具有步骤：

-在使用间距测量设备（12）的情况下执行至少一个对于测量空间（32）和/或对象所需的连续间距测量；

-在使用摄像机（14）的情况下在如下时间间隔上拍摄视频图像：在所述时间间隔期间执行连续间距测量；

-基于由摄像机（14）所记录的图像信息确定间距测量设备（12）在连续间距测量的时刻的位置和定向；

-生成相应的位置和定向数据；

-将所述位置和定向数据分配给相应的间距测量，所述间距测量在相应的时刻被执行；以及

-基于具有所分配的位置和定位数据的间距测量在使用预先确定的算法的情况下生成空间（32）和/或对象的CAD模型。

17. 根据权利要求15或16之一所述的方法，其中根据在所述图像信息中存在的自然地面标志和/或借助投影单元（16）产生的人工地面标志来确定间距测量设备（12）在间距测量时刻的位置和定向。

18. 根据权利要求15至17之一所述的方法，其中由惯性测量单元的测量结果支持地确定间距测量设备（12）在间距测量时刻的位置和定向。

19. 根据权利要求15至18之一所述的方法，其中基于由摄像机（14）所拍摄的图像信息对CAD模型的表面进行织构化。

20. 根据权利要求15至19之一所述的方法，其中根据所述图像信息对用摄像机（14）拍摄的对象进行自动分类。

21. 根据权利要求15至20之一所述的方法，其中语音命令由使用者输入并且由所述语音识别单元自动地继续处理。

22. 根据权利要求15至21之一所述的方法，其中在拍摄图像信息期间借助照明单元照亮摄像机（14）的图像检测区域。

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