CN106871878A - 利用手持测距装置创建空间模型的方法 - Google Patents

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Abstract

利用手持测距装置创建空间模型的方法。手持测距装置包括激光测距仪、摄像机、计算单元及数据存储装置，该方法包括：利用激光测距仪从不同位置测量至目标物体的一个或更多个距离；将测量的距离存储在数据存储装置中；利用摄像机捕捉目标物体的多个图像，测量的各个距离与捕捉的图像中的一个关联；利用计算单元确定多个图像的相对摄像机姿势；以及基于多个图像并基于确定的相对摄像机姿势，利用计算单元计算目标物体的三维几何结构，其特征在于，在计算三维几何结构后，该方法还包括：从数据存储装置检索测量的距离中的至少一个；向三维几何结构添加比例以获取目标物体的空间模型，其中，基于检索的至少一个距离来计算比例。

Description

利用手持测距装置创建空间模型的方法
技术领域
本发明涉及用于创建环境的空间模型的方法和具有测距单元以及至少一个摄像机的手持测距装置。该环境中的空间点之间的距离可以基于空间模型来确定，而不必直接测量这些距离。
背景技术
在许多应用中使用了用于测距的方法和系统。测距的方法和系统的示例不仅是大地测量应用中的极精确的测量，而且还是建筑安装或用于工业生产控制器领域中的测量任务。对于这些任务来说，使用固定的、可移动的或者还有手持的测距装置，这些测距装置执行针对选择目标点的光学距离测量。为此，通常发射激光束并且在目标上反射之后被再次接收和分析。各种测量原理可用于确定距离，在这种情况下，例如，相位测量或飞行时间测量。
具体来说，在建筑安装或建筑拆除领域，使用要手持的便携式装置，其与要测量的结构有关地应用，并接着执行针对表面的距离测量。例如，在EP 0 738 899和EP 0 701 702中描述了适于这种应用的一种典型手持测距装置。
因为在要测量的表面上可见的目标点对于大部分应用来说是有利的，所以通常将红色激光器用作距离测量的辐射源。降低至毫米范围的精度由此可利用现有技术的测距仪而以极大的操纵舒适性来实现。利用当前可用的手持测距装置，可以执行从存在可视连接的一个点至另一点的测量。如果目标被遮蔽，则还可以通过倾斜传感器确定水平或垂直尺度。
在现有技术中描述了利用具有激光测距仪的手持测距装置的各种解决方案，通过其，可以间接测量距离。
可以在手中自由握持的测距装置的方法对于用户更加舒适：在EP 1 517 117 A1中公开了用于确定测距装置的当前位置的方法。在这种情况下，测距装置的激光扫描仪扫描空间区段，并且检测其中的多个先前接合的点状参照装置，基于点状参照装置，可以确定测距装置的当前位置。另一方面，通过在测量环境中分布用于该测量方法的可检测参照装置而按耗时方式准备该测量环境的必要性是不利的。
EP 2 669 707 A1公开了利用手持测距装置来间接确定距离的另一方法，其中，借助于测距装置的摄像机所记录的全景图像来确定距离。为执行该方法，与通过图像获取单元测量至两个空间点的距离同时地，记录空间点的环境的图像，例如通过图像缝合将所述图像连接在一起以形成单个全景图像，使得两个空间点之间的像素数量可以根据彼此链接的图像来确定。可以根据像素的这个数量来确定角。两个空间点之间的希望距离可以利用余弦定律来计算。根据EP 2 669 707 A1的手持测距装置为此包含具有至少一个摄像机的图像获取单元以及用于将图像接合在一起并且确定像素数量的图像分析单元。然而，该方法基本上仅可应用于同一平面上(例如，同一墙壁上)的点之间的距离。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种创建目标物体的空间模型的改进方法。
特殊目的是提供这样一种方法，该方法允许利用移动测距装置来创建空间模型。具体来说，本发明的一个目的是，提供这样一种方法，在该方法中，在整个过程期间，测距装置可以在用户手中自由地可移动地握持。
另一目的是提供这样一种方法，该方法不需要后处理步骤并且允许用户现场查看结果。
而且，本发明的一个目的是提供这样一种方法，该方法不需要准备测量环境就可以应用，特别是不需要接合可获取的参照装置，并由此可更快速地执行。
本发明的另一目的是提供一种用于执行这种方法的手持测距装置。
这些目的中的至少一个通过实现独立权利要求书的特征化特征来实现。在这种情况下，本发明的有利实施方式在相应所附权利要求书中找到。
一种用于利用手持测距装置来创建目标物体的空间模型的方法，所述手持测距装置包括激光测距仪、摄像机、计算单元以及数据存储装置，根据本发明，所述方法包括以下步骤：
利用所述激光测距仪测量至所述目标物体的一个或更多个距离；
将所述一个或更多个距离存储在所述数据存储装置中；
利用所述摄像机从不同位置捕捉所述目标物体的多个图像，其中，所述一个或更多个距离中的每一个距离都与所捕捉的图像中的一个相关联；
利用所述计算单元针对所述多个图像来确定相对摄像机姿势；以及
基于所述多个图像并且基于所确定的相对摄像机姿势，利用所述计算单元计算所述目标物体的三维几何结构，
在计算出所述三维几何结构之后，根据本发明的方法还包括以下步骤：
从所述数据存储装置检索所测量的距离中的至少一个距离；以及
向所述三维几何结构添加比例(scale)，以获得所述目标物体的所述空间模型，其中，所述比例是基于所检索的至少一个距离计算出的。
在根据本发明的方法的一个实施方式中，计算所述三维几何结构借助于所述计算单元的从运动恢复结构(Structure-from-Motion(SfM))算法或同时定位与地图构建(SLAM)算法来执行。
在根据本发明的方法的另一实施方式中，所述空间模型包括所述图像的图像数据以及借助于所述图像(60、61、62)中的特征提取和由此获取的三维几何结构而获取的大量空间坐标，特别是三维点云或表面模型。
根据又一实施方式，在没有比例的情况下计算所述三维几何结构，或者利用预备比例来计算。针对预备比例的情况，添加所述(最终)比例的步骤包括以下步骤：利用基于检索的所述至少一个距离的所述比例来替换所述预备比例。
在所述方法的另一优选实施方式中，计算所述比例的步骤包括以下步骤：识别一个或更多个图像中的测量点，所述激光测距仪测量了至所述测量点的距离，所述一个或更多个图像不与相应距离相关联；以及借助前方交会确定所述测量点的三维坐标。
根据一个实施方式，与捕捉所述多个图像中的第一图像同时地或基本同时地测量至所述目标物体的所述一个或更多个距离中的第一距离，其中，所述第一距离与所述第一图像相关联，特别是其中，与捕捉所述多个图像中的图像同时或基本同时地测量至所述目标物体的所述一个或更多个距离中的各个距离。
根据另一实施方式，根据本发明的方法包括利用所述摄像机从多个不同位置捕捉所述目标物体的平坦或大致平坦表面的多个图像，并且利用所述激光测距仪测量至所述平坦表面的一个或更多个距离，其中，所测量的至所述平坦表面的所述距离中的各个距离都与所捕捉的平坦表面的图像相关联。特别地，可以通过所述装置引导所述装置的用户来执行人工步骤。
在一个实施方式中，为了计算所述比例，识别所述三维几何结构(例如，密集或稀疏点云)的具有至激光测距发射方向最小正交距离的点，特别是其中，在图像中识别在至少一个距离测量的过程期间由所述激光测距仪生成的激光斑点。
在另一实施方式中，为了计算所述比例，所述激光测距发射方向与根据所述三维几何结构的至少三个点所描述的平面相交，或者与特别是通过网格化(meshing)稀疏或密集点云而获取的物体表面模型相交。
在另一实施方式中，为了计算所述比例，使用特别是半全局匹配(SGM)算法的密集匹配算法来获取不与所述激光距离测量相关联的至少一个图像中的激光距离测量的像素位置。
在特定实施方式中，利用所述发射方向与所述物体表面模型的相交来获取对所述比例的粗略估计，并且利用所述密集匹配算法来改善(refine)对所述比例的所述粗略估计。
根据另一实施方式，捕捉所述多个图像的步骤包括以下步骤：捕捉至少三个图像，捕捉最多50个图像，和/或记录图像流，特别是视频流。
一种用于创建目标物体的空间模型的手持测距装置包括激光测距仪、摄像机、计算单元以及数据存储装置。所述激光测距仪适于在由发射轴限定的方向测量至所述目标物体的距离，所述摄像机适于捕捉所述目标物体的图像，其中，所测量的各个距离与所捕捉的图像相关联，所述数据存储装置适于存储所测量的距离，并且所述计算单元适于确定所述图像的相对姿势，并且适于基于所述图像并且基于所确定的相对姿势来计算所述目标物体的三维几何结构。根据本发明，所述计算单元适于在计算出所述三维几何结构之后从所述数据存储装置检索所测量的距离中的至少一个距离，并且向所述三维几何结构添加比例以获取所述目标物体的所述空间模型，其中，所述比例基于所检索的至少一个距离。
根据一个实施方式，所述摄像机是具有至少80°、特别是至少100°的摄像机角度的广角摄像机。
根据另一实施方式，所述手持测距装置包括多个摄像机，特别是至少三个摄像机，其中，所述图像是从所述多个摄像机的单个图像组合成的广角图像，并且通过各个图像获取的角范围包括至少80°，特别是至少120°、至少150°或至少180°。在特定实施方式中，所述摄像机(40-44)按与所述发射轴正交的直线设置。在另一特定实施方式中，所述摄像机采用半球形式设置。
在又一实施方式中，所述手持测距装置包括多个激光测距仪，所述多个激光测距仪用于同时测量至所述目标物体的不同点的多个距离。
在另一实施方式中，所述装置包括惯性和/或位置传感器，特别是包括惯性测量单元、陀螺仪、倾斜传感器、GNSS传感器和/或罗盘，以提供所述测距装置的惯性和/或位置数据，其中，所述计算单元适于还基于所述惯性和/或位置数据来确定所述相对姿势。另选的是，所述计算单元适于在后处理步骤中，根据所述位置数据来定位所述相对姿势。
根据另一实施方式，所述手持测距装置包括显示装置，该显示装置用于向用户显示所述空间模型和/或用于按特定姿势来定位所述装置的指令，特别是其中，所述显示装置被具体实施为触摸屏。
本发明还涉及一种具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码被存储在机器可读载体上，特别是存储在根据本发明的测距装置的数据存储装置上，该计算机程序产品用于执行根据本发明的方法的下列步骤中的至少一个步骤：
利用所述激光测距仪测量至所述目标物体的一个或更多个距离；
将所测量的一个或更多个距离存储在所述数据存储装置中；
利用所述摄像机从不同位置捕捉所述目标物体的多个图像，其中，每一个测量的所述距离与所捕捉的图像中的一个相关联；
确定所述多个图像的相对摄像机姿势；
基于所述多个图像并且基于所确定的相对摄像机姿势，计算所述目标物体的三维几何结构；
从所述数据存储装置检索所测量的距离中的至少一个距离；以及
向所述三维几何结构添加比例，其中，所述比例基于所检索的至少一个距离。
附图说明
下面，基于在附图中示意性地例示的具体示例性实施方式，仅对作为示例的根据本发明的手持测距装置和根据本发明的方法进行更详细描述，其中，还将讨论本发明的进一步优点。在具体图中：
图1示出了具有激光测距仪的手持测距装置；
图2以纵向截面图示出了根据本发明的手持测距装置的示例性实施方式；
图3a、图3b和图3c示出了根据本发明的具有不同的摄像机布置的手持测距装置的三个示例性实施方式；
图4a、图4b和图4c示出了根据本发明的具有另一示例性摄像机布置的手持测距装置的第四示例性实施方式；
图5a、图5b和图5c示出了根据本发明的、具有另一示例性摄像机布置的手持测距装置的第五示例性实施方式；
图6a和图6b示出了测量至目标物体的距离并且同时捕捉该目标物体的图像；
图7示出了根据本发明的方法的示例性实施方式的流程图；以及
图8示出了根据本发明的手持测距装置的、显示目标物体的空间模型的示例性实施方式。
具体实施方式
图1示出了用于测量距离的手持测距装置1。手持测距装置1具有外壳，其中设置了所需的电子组件。该外壳在这种情况下实现，使得测距装置1可以被握持在手中，并且还可以按限定的方式应用或装配至要测量的点。为此，可以将可以折叠或插上的对应应用边缘或装配部件接合至该外壳，例如在WO 02/50564中所描述的那样。测距装置1在其正面包含有激光测距仪(LDM)，该LDM包括在外壳中具有光学开口的激光发射单元21和激光接收单元22。屏幕形式的显示装置23和小键盘形式的输入装置24位于装置1的上侧。另外，可以设置具有缩放(scaling)功能的取景器摄像机(在此未示出)，以沿发射方向的方向记录图像，所述图像可以显示在显示装置23上。
根据本发明，激光发射单元21朝着墙壁上的目标点10发射激光束7。该墙壁具有自然的粗糙表面，光束从该表面按分散方式反射。激光束7的分散反射光束7'的一部分被激光接收单元22收集、检测并转换成电信号。该信号由电子电路按本身已知方式分析，以确定距离13的数字值。例如，可以将相位测量或飞行时间测量用于距离确定。在这种情况下，还考虑激光接收单元22与测量装配之间的扩展。然后，通过分析以数字方式确定的测量距离13的值通过显示装置23提供给用户。
图2示出了贯穿根据本发明的手持测距装置1的示例性实施方式的纵向截面。测距装置1包括用于借助于沿发射轴8所限定的方向发射的激光束7来测量距离的激光测距仪20。而且，示出了显示屏23和输入装置24。
手持测距装置1另外具有图像获取单元，该图像获取单元具有用于获取环境的图像的至少一个摄像机。
计算单元25、数据存储装置26以及倾斜和加速度传感器27被示出为内部组件。计算单元25包含用于执行基于测量的距离和所获取的环境的图像来准备空间模型的功能的程序代码。数据存储装置26例如可以包括随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器(HDD)和/或闪存驱动器。另外，在测距装置1中包含能量源(在此未示出)，特别是电池或蓄电池，该能量源向测距装置1的电气操作组件提供电能。
以数字方式提供的距离值(如当前在光学测量距离的情况下典型的那样)可以由手持测距装置1的数据存储装置26存储并且由计算单元25进一步处理或发送，并且在显示屏23上显示给用户。
图3a、图3b和3c示出了根据本发明的、具有图像获取单元的三个示例性实施方式的手持测距装置1的三个示例性实施方式。具体来说，图3a、图3b和图3c中示出的图像获取单元中的摄像机40-43被具体实施成，使得这些摄像机可以通过同时记录图像来创建广角图像。
图3a示出了具有单一摄像机40的手持测距装置1，该单一摄像机与激光测距仪20的激光发射单元21和激光接收单元22相邻地设置。优选的是，该单一摄像机适于作为具有至少80°的摄像机角度(camera angle)的广角摄像机。
图3b示出了具有设置在激光发射单元21和激光接收单元22的一侧上的第一摄像机40和设置在另一侧上的第二摄像机41的手持测距装置1。两个摄像机40、41布置在于发射轴8正交的线9上。可选的是，可以将三个或更多个摄像机设置在线9上。这些摄像机捕捉的图像是从设置在线9上的两个或更多个摄像机40、41的单个图像组合的广角图像。通过各个组合图像获取的角范围(angle range)包括至少80°，特别是至少120°、至少150°或者至少180°。
图3c示出了具有设置在激光测距仪的同一侧上的三个摄像机40、42、43的手持测距装置1。可实现多种多样的更多摄像机布置，具体来说，在所有情况下，可以将多个摄像机设置在激光测距仪20的两侧上，或者另外或另选地，可以将摄像机设置在激光测距仪20之上和/或之下。
图4a、图4b和图4c以及图5a、图5b和图5c示出了根据本发明的手持测距装置1的另两个示例性实施方式，每一个都具有根据本发明的图像获取单元45、46的另一示例性形式。
图4a、图4b和图4c所示的图像获取单元45具有用于记录测量区域的图像的第一摄像机40，该第一摄像机沿激光测距仪20的发射方向对准。另外，图像获取单元45具有多个其它摄像机44(所示示例中，十个摄像机44)，这些摄像机按照环绕第一摄像机40的圆形设置并且按不同瞄准方向对准。由此，可以从单个图像组合广角图像。
图5a、图5b和图5c所示的图像获取单元46按半球形式具体实施，在其表面上，设置了多个摄像机44，例如，18个摄像机。还可以使用该实施方式，以从多个同时记录的单个图像来组合广角图像，其中，记录角(recording angle)可以直至180°甚或更大。
具有两个半球的实施方式也是可能的，所述两个半球横向接合至测距装置1，例如，一个半球在装置上方，而一个半球在装置下面。
所有上述实施方式的摄像机40-44可以被有利地具体实施为晶片级摄像机(WLC)。WLC具有图像传感器(例如，CMOS图像传感器)、透镜以及间隔体，它们按晶片级制作、堆叠并结合在一起，以形成单一部件。接着，该摄像机作为集成总体系统被容纳在半导体板的表面上。WLC机械上特别稳定，并且仅在制造期间校准一次。
具体来说，还可以使用具有所谓背侧照明的摄像机，例如，基于来自的OmniBSI-2TM。
所有上述实施方式的摄像机40-44可以B有利地具体实施成记录高对比度图像(或高动态范围图像(HDRI))。具体来说，针对该目的，这些摄像机包括具有高动态范围的数字图像传感器，并且例如配备有来自的chip OV10626或可兼容产品。该技术(其迄今例如从摄像机系统已知以供用作机动车辆中的辅助系统)使能同时获取多个照明级(illumination stage)，并由此适于同时成像日照区和位于阴影中的具有高对比度的区域，即，避免过度曝光和曝光不足。即使在困难的光照条件下，特征识别和特征提取由此可以有利地在整个图像区中最优化。
另选的是，摄像机40-44还可以被具体实施成快速记录曝光系列(exposureseries)，或者图像获取单元具有用于记录亮区域的图像的至少一个摄像机和用于记录暗区域的图像的至少一个摄像机。
图6a和图6b例示了同时测量至目标物体(房子3)的距离50、51、52和捕捉目标物体3的图像60、61、62。图6a示出了第一测量，而图6b示出了连续测量。
所描绘的手持测量装置1具有激光测距仪(LDM)和可以用于执行摄影测量(photogrammetric measurement)的广角摄像机。来自广角摄像机的图像60、61、62与各个距离测量50、51、52相关联。可选的是，可以使用多个激光测距仪来增强该解决方案，使其更鲁棒和准确。
图像与距离测量的关联可以通过同时拍摄图像和测量距离来实现。可选的是，该装置可以包括各个观察都可以涉及的时钟或限定共同时间范围(time frame)的另一装置。
在每一个测量50、51、52期间，使用计算机视觉算法来确定装置1的相对姿势70、71、72。使用LDM测量50、51、52来向无比例(scale-free)计算机视觉解决方案提供缩放。针对图像中的每一个选定点，可以找到与姿势70、71、72相对的三维(3D)位置，其可以在至少一个第二图像中被识别(通过人工或自动匹配)。
用户可以使用装置1来对关注物体测量距离或者借助于内建的惯性测量单元(IMU)来测量倾度。IMU是测量作用于其上的物理力的电子装置。其通常通过加速度计对线性加速度敏感并且通过陀螺仪对角速度敏感。可选的是，还包括罗盘。在记录后直接在该装置上执行被用作控制测量的简单现场测量，可以利用合适办公软件来执行更复杂的分析。
如图6b所示，用户拍摄单个目标物体3的多个图像，例如，在两个至20个图像之间，在此示例中，三个图像60、61、62。可选的是，用户可以记录图像流(例如，视频流)，而不是单独的图像。在记录了图像60、61、62时，在装置1上开始处理。可选的是，可以通过装置1主动引导用户添加附加位置，以便改进准确度。只要记录了最后图像62，就在装置1上开始最终处理，以使较短时间后，该场景和其中的目标物体3的(未缩放的(unscaled))3D几何结构(不与缩放的(scaled)3D模型搞混)在装置1上可用。这意指，在这时，已知图像60、61、62的相对取向和相对比例，即，相对姿势70、71、72。这是从运动恢复结构(SfM)或同时定位与地图构建(SLAM)算法的输出。
用户现在可以使用所计算的3D几何结构对来自图像的单个点进行摄影测量。该用户还可以利用附加的加速度计执行简单的组合测量，诸如线性距离或斜率确定。可以针对用户进行的每一个测量指出准确度。在利用一个或更多个激光距离测量缩放了三维几何结构之后，按物理单位来指示用户测量。
可选的是，通过添加“G-矢量”，即，来自该装置的加速度计或倾斜仪的信息，所生成的模型可以针对地平线取向。通过添加位置信息，例如，来自该装置的内部接收器或者经由连接的智能电话或平板PC，可选的是，可以地理参照(地理标注(geo-tag))该模型和/或其航向改变角(heading angle)。
可选的是，用户可稍后添加在任何点处附加捕捉的同一场景以进一步增强模型。
在办公室的台式PC上，用户可以在图像中执行进一步的或更复杂的测量。可选的是，在用户可以用于进行3D视觉化或执行附加测量的台式PC上，计算物体模型。可以使密集点云(密集匹配算法的输出)或者纹理化、网格化(meshed)或简化的模型可用。
在LDM测量50、51、52可以被用于导出基于图像的重建的比例之前，为了优化性能，LDM模块需要针对摄像机进行校准，即，需要确定摄像机坐标系统中的LDM模块的位置和取向。LDM至摄像机校准是本领域公知的。例如，这种校准可以包括首先校准摄像机。然后，在适度照明房间中，拍摄平坦的墙壁的近距离图像，其中，该平坦墙壁上具有在图像中可见的激光斑点。对于同一装置位置来说，还记录LDM测量。在该图像中寻找该激光斑点位置，并且求解非线性方程组，以获取LDM校准。可选的是，可以将图像中记录的、该墙壁上的已知位置处的摄影测量标记用于以摄影测量方式验证该校准。
如果校准了LDM激光器和摄像机，则容易识别同时记录的图像60、61、62中的激光斑点10、11、12的位置(即使激光斑点10、11、12本身不可见(例如，由于明亮户外条件))。当前图像60、61、62中的激光斑点10、11、12的位置可以利用某类图像标记(例如，十字线)来向用户指示。挑战在于识别第一激光斑点10在其它图像61、62中的一个或更多个图像中或者等同地在3D模型中击中的物体点。通常，如果激光斑点10未击中显著的图像特征，即，本身可以在其它图像之一中容易发现的特征，则这不是容易任务。下面对根据本发明的执行该任务的三个示例性方法进一步描述。
如果选定的方法导致在其它图像61、62中的一个或更多个中而非在3D模型中识别出激光斑点10，则使用前方交会来寻找该激光斑点的3D坐标。接着，通过从运动恢复结构生成的3D重建被缩放，使得从LDM模块至激光斑点10的3D坐标的距离对应于LDM所测量的距离。为增加鲁棒性和准确度，有意义的是，针对不同LDM测量和潜在地针对其它图像重复上述过程。如果这在计算上可行(还取决于上面选定变型)，则针对不同参数重复该过程，并且将该结果组合成单个缩放因子。
第一方法包括“局部半全局匹配”(SGM：Semi-Global Matching)。请求用户将平坦或基本平坦(平整)的表面区域保持在第一图像的中心。在记录该第一图像的同时，利用LDM测量至该平坦表面的距离。为了在第二图像61中寻找第一图像60的激光斑点10，首先选择第二图像61的相关部分。这里，使用了这样的事实，即，第一图像60的激光斑点10必须处于第二图像61中的同一核线(epipolar line)上。而且，可以将一些约束施加在两个摄像机位置70、71之间的距离上(例如，1米至25米之间)，以限制沿该核线的搜索空间，因为已经从LDM获知至该第一图像中的激光斑点的距离。
接着，选择并调整(rectification)图像60、61的相关部分。选择核线的相关部分和其下方与其上方的几个(例如，直至1000)图像行来帮助匹配。调整意指核线现在是水平的，并且来自第一图像60的激光斑点10必须与第二图像61位于同一行中。接下来，使用SGM或类似算法来寻找第一图像的激光斑点10在第二图像61中的精确位置。重要的是，使用(半)全局匹配算法，因而使用周围的显著特征以在第二图像61中寻找第一图像60的激光斑点10的匹配位置。接着，对重建进行缩放，使得来自第一图像60的激光斑点距离匹配LDM测量的距离50。
为改进匹配的鲁棒性，可以请求用户在朝着物体3向前移动之后，拍摄第二图像61并进行距离测量51。这样，因为两个图像60、61之间的图像内容比针对物体3向一边正常移动更相似，所以这两个图像60、61之间的密集匹配通常工作得更好。这允许改进比例估计的鲁棒性。
激光斑点10、11、12在其它图像60、61、62中的位置和比例估计的鲁棒性和准确度可以可选地通过添加斑点10、11、12所在的目标区的更多图像来改进。以增加用户工作和计算时间为代价，这使目标物体3的密集重建更鲁棒且更准确。可选的是，可以通过与摄影测量摄像机相比具有增加的缩放倍率的附加取景器摄像机来同时记录附加图像。
第二方法包括“从运动恢复结构三角测量”。请求用户将(至少近似的)平坦表面区域保持在各个图像60、61、62的中心。在记录各个图像60、61、62期间，还借助LDM测量距离50、51、52。在完成从运动恢复结构(SfM)算法之后，来自各个重建的LDM位置70、71、72的光线与SfM点云相交。这通过使LDM光线与通过接近LDM光线的至少三个SfM点所描述的平面相交来进行。这里，假定物体3上的激光斑点10、11、12位于该平面中。下面，可以将SfM重建缩放，使得至该物体的距离匹配LDM测量的距离50、51、52。
与第一方法相比，尽管利用上述过程对比例进行单一测量不太可靠(假定该激光斑点位于由被选择成构建通常不被实现的平面的三个SfM点10、11、12所形成的平面中)，但对于利用该方法执行该缩放来说，在计算上十分便宜。因此，在第二缩放方法中，有利的是，记录该物体的视频。这意味着大量图像和LDM测量可用。由此可以滤出异常值(Outlier)，并且可以借助于统计来计算平均值。
代替在3D中对特征点插值来获取激光斑点的3D坐标，另选的是，可以首先根据2D特征之间的几何关系在其它图像中找到激光斑点10、11、12(例如，利用单应性(homography))。接着，利用在总计至少两个图像中所获取的对应2D图像坐标的前方交会来计算激光斑点的3D坐标。
该过程可以针对周围SfM点的不同选择来重复。这针对每个LDM测量生成多个缩放因子。可以使用统计方法，以按鲁棒方式检索单一缩放因子。
另选的是，在装置1上使用(半)密集3D重建算法来计算无比例几何结构。各个LDM目标位置的3D坐标可以被选择为最接近LDM与该几何结构的相交的重建点。可选的是，物体3上的激光斑点10、11、12的3D坐标可以利用上述网格化方法来改善，其中，代替SfM稀疏点，已经使用了(半)密集点。
第三方法将第一方法和第二方法组合起来。首先，粗略比例估计利用SfM三角测量方法来获取。接着，使用该结果来运行本地SGM方法的缩减版本，以改善该比例估计。SGM问题可以在所考虑的图像区域方面和/或在所考虑的深度范围方面减小。两者都提供SGM计算的显著加速。
第四方法包括以下步骤：通过从稀疏或密集的物体点云选择具有至LDM发射光线的最小正交距离的点(“最近邻”)来获取针对比例的初始或最终估计。所述点通过关联图像中的物体上的相应激光斑点来识别，并且该激光斑点在至少一个其它图像中的位置根据对所述物体点的图像观察来获取。
通过在该摄像机的视野中放置尺寸已知和适合的几何结构的物体，可以逆向使用缩放SfM几何结构的方法来验证对缩放的校准。
从两个或更多个图像取得的比例估计可以可选地通过分析预测位置处的图像分块(image patch)而在其它图像中验证。
图7示出了用于例示根据本发明的方法100的示例性实施方式的流程图。根据所描绘的实施方式，方法100在用户将装置指向目标物体并且触发第一测量110时开始，接着，第一测量110由该装置执行，同时测量至该目标物体的第一距离50并捕捉该目标物体的第一图像60。在将第一距离50保存在数据存储装置中以供稍后检索时(步骤130)，方法100继续，用户触发第二测量120(并且随后进行其它测量)。其它距离51、52被测量，并且保存在数据存储装置中，并且与各个距离测量同时地捕捉其它图像61、62。另选的是，仅测量第一距离50，并且在没有同时的距离测量的情况下捕捉其它图像61、62。
在捕捉其它图像期间，该装置的计算单元确定图像60-62的相对姿势(步骤140)。在捕捉结束之后，计算单元基于图像(60-62)并且基于所述相对姿势，计算该目标物体的未缩放的3D几何结构(步骤150)。
当完成对该目标物体的未缩放的3D几何结构的计算150时，从数据存储装置检索所保存的距离50-52中的一个或更多个。如上进一步描述的，在其它图像中识别该目标物体上的已被测量了至其距离的点的位置，以便计算比例160。接着，将比例添加至前面的未缩放的3D几何结构(步骤170)，以使获得180目标物体的缩放的空间模型。
图8示出了显示在根据本发明的手持测距装置1的示例性实施方式的触摸屏28上的、根据图6a和图6b的目标物体的空间模型30。所述装置1具有如图5a、图5b和图5c所述的半球状图像获取单元46，而且还具有用于利用无线连接29(例如，Bluetooth或Wi-Fi连接)向诸如个人计算机2的外部装置发送空间模型数据的单元。
空间模型30包括缩放的几何结构(例如，3D点云或网格)和来自图像的纹理。另选的是，可以仅显示没有特殊纹理的几何结构。在两者情况下可以进行放大和缩小，同样可以旋转视图。
可以执行空间模型30的另一些测量，例如，距离或面积计算。例如，通过在测距装置1的触摸屏28上或者利用计算机2的鼠标来标记空间模型30中的两个点，用户可以计算并显示这两个点之间的距离。可选的是，来自惯性传感器或罗盘的数据可以被用于确定3D模型中的表面的斜率或取向。
显见的是，这些例示图仅示意性地例示了可能示例性实施方式。不同方法还可以彼此组合和与根据现有技术的方法和装置相组合。

Claims (15)

1.一种利用手持测距装置(1)来创建目标物体(3)的空间模型(30)的方法(100)，所述手持测距装置包括激光测距仪(20)、摄像机(40)、计算单元(25)以及数据存储装置(26)，该方法包括以下步骤：
利用所述激光测距仪(20)测量至所述目标物体(3)的一个或更多个距离(50、51、52)；
将所测量的一个或更多个距离(50、51、52)存储(130)在所述数据存储装置(26)中；
利用所述摄像机(40)从不同位置捕捉所述目标物体(3)的多个图像(60、61、62)，其中，所测量的距离(50、51、52)中的每一个与所捕捉的图像(60、61、62)中的一个图像相关联；
利用所述计算单元(25)确定(140)所述多个图像(60、61、62)的相对摄像机姿势(70、71、72)；以及
基于所述多个图像(60、61、62)并且基于所确定的相对摄像机姿势(70、71、72)，利用所述计算单元(25)计算(150)所述目标物体(3)的三维几何结构，
其特征在于，
在计算(150)出所述三维几何结构之后，该方法(100)还包括以下步骤：
从所述数据存储装置(26)检索所测量的距离(50、51、52)中的至少一个距离；以及
向所述三维几何结构添加比例，以获取(180)所述目标物体(3)的所述空间模型(30)，其中，基于所检索的至少一个距离，计算(160)所述比例。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，
其特征在于，
计算所述三维几何结构是借助于所述计算单元的从运动恢复结构算法或同时定位与地图构建算法来执行的。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法(100)，
其特征在于，
所述空间模型(30)包括所述图像(60、61、62)的图像数据以及借助于所述图像(60、61、62)中的特征提取并且利用所述三维几何结构而获取的大量空间坐标，特别是三维点云或表面模型。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
在没有比例的情况下计算所述三维几何结构，或者
利用预备比例来计算所述三维几何结构，并且添加(170)所述比例的步骤包括以下步骤：利用基于所检索的至少一个距离的所述比例来替换所述预备比例。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
计算(160)所述比例的步骤包括以下步骤：
识别一个或更多个图像(60、61、62)中的这样的测量点(10、11、12)，即，已通过所述激光测距仪(20)测量了至该测量点(10、11、12)的距离(50、51、52)，所述一个或更多个图像(60、61、62)不与相应的所述距离(50、51、52)相关联；以及
借助于前方交会来确定所述测量点(10、11、12)的三维坐标。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
与捕捉所述多个图像中的第一图像(60)同时地或基本同时地，测量至所述目标物体(3)的所述多个距离中的第一距离(50)，其中，所述第一距离(50)与所述第一图像(60)相关联，特别是其中，与捕捉所述多个图像中的图像(60、61、62)同时地或基本同时地测量至所述目标物体(3)的所述多个距离中的各个距离(50、51、52)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法(100)，
其特征在于包括：
利用所述摄像机(40)从多个不同位置捕捉所述目标物体(3)的平坦或大致平坦表面的多个图像，并且
利用所述激光测距仪(20)测量至所述平坦表面的一个或更多个距离，其中，所测量的至所述平坦表面的各个距离与所捕捉的平坦表面的图像相关联，
特别是其中，所述装置(1)的用户由所述装置(1)引导来执行这些步骤。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
为了计算(160)所述比例，
识别所述三维几何结构的、具有至所述激光测距发射方向(8)的最小正交距离的点，特别是其中，在图像(60、61、62)中识别在所述至少一个距离测量的过程期间由所述激光测距仪(20)生成的激光斑点(10、11、12)；和/或
所述激光测距发射方向(8)与由所述三维几何结构的至少三个点描述的平面相交，或者与物体表面模型相交，所述物体表面模型特别是通过将稀疏或密集点云网格化而获取的；和/或
使用密集匹配算法来获取激光距离测量在至少一个图像(60、61、62)中的像素位置，所述至少一个图像(60、61、62)不与同一激光距离测量相关联，所述密集匹配算法特别是半全局匹配算法，
特别是其中，通过识别最接近的点或者通过利用所述激光测距发射方向(8)与所述物体表面模型的相交来获取对所述比例的粗略估计，并且利用所述密集匹配算法来改善对所述比例的所述粗略估计。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
捕捉所述多个图像(60、61、62)的步骤包括以下步骤：
捕捉至少三个图像；
捕捉多达50个图像；和/或
记录图像流，所述图像流特别是视频流。
10.一种手持测距装置(1)，所述手持测距装置(1)用于创建目标物体(3)的空间模型(30)，所述手持测距装置(1)包括激光测距仪(20)、摄像机(40)、计算单元(25)以及数据存储装置(26)，其中，
所述激光测距仪(20)适于沿发射轴(8)限定的方向测量至所述目标物体(3)的距离(50、51、52)，
所述摄像机(40)适于捕捉所述目标物体(3)的图像(60、61、62)，其中，所测量的各个距离(50、51、52)与所捕捉的图像(60、61、62)相关联，
所述数据存储装置(26)适于存储所测量的距离(50、51、52)，并且
所述计算单元(25)适于确定所述图像(60、61、62)的相对姿势(70、71、72)，并且基于所述图像(60、61、62)并且基于所确定的相对姿势(70、71、72)来计算所述目标物体(3)的三维几何结构，
其特征在于，
其中，所述计算单元(25)适于在计算出所述三维几何结构之后：
从所述数据存储装置(26)检索所测量的距离(50、51、52)中的至少一个距离，并且
向所述三维几何结构添加比例，以获取所述目标物体(3)的所述空间模型(30)，其中，所述比例基于所检索的至少一个距离。
11.根据权利要求10所述的手持测距装置(1)，
其特征在于，
所述摄像机(40)是具有至少80°、特别是至少100°的摄像机角度的广角摄像机。
12.根据权利要求10或11所述的手持测距装置(1)，
其特征在于包括：
多个摄像机(40-44)，特别是至少三个摄像机，其中，所述图像(50、51、52)是从所述多个摄像机(40-44)的单独图像组合而成的广角图像，其中，通过各个图像(50、51、52)获取的角度范围包括至少80°，特别是至少120°、至少150°或者至少180°，特别是其中，所述摄像机(40-44)被设置在与所述发射轴(8)正交的直线(9)上，或者采用半球(46)的形式设置。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的手持测距装置(1)，
其特征在于包括：
用于同时测量至所述目标物体(3)的不同点的多个距离的多个激光测距仪(20)，和/或
用于提供所述测距装置(1)的惯性和/或位置数据的惯性和/或位置传感器(26)，特别是包括惯性测量单元、陀螺仪、倾斜传感器、GNSS传感器和/或罗盘，其中，所述计算单元(27)适于还基于所述惯性和/或位置数据来确定所述相对姿势(70、71、72)。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的手持测距装置(1)，
其特征在于包括：
显示装置(23)，该显示装置用于向用户显示所述空间模型(30)和/或将所述装置(1)设置为特定姿势(70、71、72)的指令，特别是其中，所述显示装置被具体实施为触摸屏(28)。
15.一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有存储在机器可读载体上的程序代码，所述程序代码特别是存储在根据权利要求10至14中一项所述的测距装置(1)的数据存储装置(26)上，所述程序代码用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法(100)的下列步骤中的至少一个步骤：
利用所述激光测距仪(20)从不同位置测量至所述目标物体(3)的一个或更多个距离(50、51、52)；
将所测量的距离(50、51、52)存储(130)在所述数据存储装置(26)中；
利用所述摄像机(40)捕捉所述目标物体(3)的多个图像(60、61、62)，其中，所测量的各个距离(50、51、52)与所拍摄的图像(60、61、62)中的一个图像相关联；
确定(140)所述多个图像(60、61、62)的相对摄像机姿势(70、71、72)；以及
基于所述多个图像(60、61、62)并且基于所确定的相对摄像机姿势(70、71、72)，计算(150)所述目标物体(3)的三维几何结构；
从所述数据存储装置(26)检索所测量的距离(50、51、52)中的至少一个距离；以及
向所述三维几何结构添加比例，以获取(180)所述目标物体(3)的所述空间模型(30)，其中，所述比例基于所检索的至少一个距离。
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