CN107024199A - 通过移动运载工具进行测绘 - Google Patents

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Abstract

通过移动运载工具进行测绘。本发明涉及用于表面三维测绘的系统和方法。系统包括：具有至少一个摄像头单元的至少一个第一移动运载工具，该摄像头单元具有至少部分指向表面的视场以对表面成像。系统还包括计算机视觉单元，其被构建为基于来自摄像头单元的图像执行视觉测绘算法以确定表面的形貌和/或相对于表面的位置。根据本发明，存在至少一个第二移动运载工具，其包括被构建为将所限定的结构化光图案发射到表面上的光投射单元。第一移动运载工具的摄像头单元至少部分对从第二移动运载工具投射到表面的结构化光图案成像，并且计算机视觉单元至少部分用第一移动运载工具的从第二移动运载工具发射的结构化光图案的图像的评价来执行视觉测绘算法。

Description

通过移动运载工具进行测绘
技术领域
本发明总体涉及用于三维测绘的系统和用于三维测绘的方法。
背景技术
通常的做法是针对测绘目的使用移动运载工具来获得三维信息，或者换言之来测绘作为目标表面的环境或其部分的形貌。特别感兴趣的是装配有测绘设备的无人移动运载工具的使用。例如，无人空中运载工具(还称为UAV或靶机)、无人地面运载工具(还称为UGV或探测车)、无人水面运载工具(还称为USV或无人船舶)、无人水下运载工具(还称为UUV或水下靶机)等。
在许多情况下，想到使用至少部分或优选地为完全自主的移动测绘运载工具。这种至少部分或完全自主使用意味着例如运载工具可以受像“运动至该位置”、“测绘该房间或区域”、“跟随该目标”、“测绘该轨迹”等的高级命令控制，其中，移动运载工具能够自动完成该任务并避开障碍和碰撞，甚至在区域部分或完全未知时在区域中自动导航，自动补充已经获得的测绘信息中的差等。换言之，不需要人工操作员控制移动运载工具的运动的每一个细节，而只需要提供大致的指示。
例如，EP2511656示出了用于确定在工业产品上的测绘点的3D坐标的测量系统。无人的可控机动飞机中所携带的扫描设备确定内扫描坐标系中的测量点。基准结构提供扫描设备的基准信息用于在外目标坐标系中参考内测量点坐标。评价单元确定测量点在外目标坐标系中的3D坐标，使得内测量点坐标在外目标坐标系中为3D坐标的形式。
作为另一个示例，EP2511659示出了利用自推进无人远程可控瞄准单元来标记已知目标点的大地标记系统，该瞄准单元具有用于确定瞄准单元的实际位置的大地位置确定结构。瞄准单元可以被定位为至少临时大致固定的悬停方式。瞄准单元承载用于标记目标点的标记单元和控制单元，使得瞄准单元可以随着外部实际位置的变化相对于目标点位置被定位到定义的期望位置。控制单元将实际位置、期望位置以及从标记单元至目标点的定义标记方向考虑在内，使得可以以大地测绘精度来标记目标点。
专利申请EP13162632.7示出了一种用于利用包括摄像头的无人的可控飞机捕获空中图像的方法。
EP0251178示出了具有大地测量单元的大地测量系统的示例，该大地测绘单元包括具有用于准直光束的至少一个辐射源的发射单元。该测量系统还具有自推进、无人的可控空中运载工具，该空中运载工具具有光学模块，该空中运载工具可以在控制下运动且可以被定位在大致固定的位置。评价根据光束与光学模块的相互作用由坐标系中的位置、对齐和/位置的变化来确定空中运载工具的实际状态。该测量系统具有用于以以下这种方式控制空中运载工具的控制单元：控制数据可以由随着实际状态和限定的期望状态而变化的算法产生，且自动控制可以使空中运载工具进入期望状态。
EP2811255、IL193486、US2010/139995、KR101431383、KR20030069709、JP2002307340、CN104080579或CN102819263示出了类似的无人的地面运载工具的示例，KR20090069535、KR20110052102、WO2010/123380或US6,802,236示出了类似的无人的水上运载工具的示例。这种空中、地面和/或水上运载工具可以全部都是根据本发明的移动运载工具。
上述相关技术的问题是通过来自摄像头的视觉信息进行的测绘和/或导航依赖于摄像头图像内的自动可检测且可区分的视觉特征，该测绘或导航例如包括运动中恢复结构和/或即时定位和地图构建算法等。如果这种特征稀少、缺失或模糊，则视觉测绘算法具有困难，变得不准确甚至产生错误的测绘结果。
因此，本发明的目的在于改进由移动运载工具进行的测绘，具体是鉴于待测绘目标表面的不利条件。
本发明的另外目的在于获得基于摄像头视觉系统的三维测绘系统的更多灵活性，具体是鉴于使得该测绘系统更自主且适应于其环境。
特别目的在于提高由无人移动运载工具得到的测绘结果，运载工具导航至少部分穿过表面必须被测绘以获得三维信息的至少部分未知地区。
本发明的另一个特别目的在于提供由可以通过移动运载工具进行的方法和测绘系统，其利用一个或更多个摄像头成像来测绘光学上均匀的表面的形貌，其中，移动运载工具优选地至少部分自主运动。
这些目的通过实现独立权利要求的特征来实现。以另选或有利方式进一步发展本发明的特征在从属专利权利要求中描述。
发明内容
本发明涉及一种用于表面三维测绘的系统，该系统包括：至少一个第一移动运载工具，该至少一个第一移动运载工具具有至少一个摄像头单元，该摄像头单元的视场至少部分指向表面以对该表面成像。系统还包括计算机视觉单元，该计算机视觉单元被构建为基于来自摄像头单元的图像执行视觉测绘算法以确定表面的形貌和/或相对于表面的位置，具体以点云的形式。
根据本发明，系统还包括至少一个第二移动运载工具，该第二移动运载工具包括光投射单元，该光投射单元被构建为将限定的结构化光图案发射到表面上。
从而，第一移动运载工具的摄像头单元至少部分对从第二移动运载工具投射到表面的结构化光图案成像。计算机视觉单元利用结构化光图案的评价，具体用第一移动运载工具图像对从第二运载工具发射的结构化光图案的评价来执行视觉测绘算法。换言之，这意味着视觉测绘至少部分基于摄像头单元对所投射图案成像的事实，该图案根据待确定表面的形貌起伏而变形并且可以确定表面的三维信息。
第一移动运载工具和第二移动运载工具是彼此分开的，这意味着从第一移动运载工具中的至少一个相对于第二移动运载工具中的至少一个的相对位置可以变化，并且受第一移动运载工具中的至少一个控制。因此，根据本发明，在第二移动运载工具处的投射的原点可以相对于表面和/或相对于第一移动运载工具处的测绘摄像头自由运动。换言之，摄像头单元和投射单元不相对于彼此机械固定。
视觉测绘算法可以包括确定表面的形貌的运动中恢复结构(structure frommotion，SFM)算法。视觉测绘算法还可以另选或另外地包括确定表面的形貌和相对于表面的位置的即时定位和地图构建(simultaneous location and mapping,SLAM)算法。
第一移动运载工具和第二移动运载工具可以为无人移动运载工具，具体地可以被构建为基于所确定的表面的形貌和/或移动运载工具相对于表面的位置、在所包括的计算单元控制下自主运动。
在本发明的实施方式中，第一和/或第二移动运载工具中的至少一个可以为无人空中运载工具(UAV)。具体地，第一移动运载工具中的至少一个和第二移动运载工具中的至少一个可以为UAV，或者全部移动运载工具可以为UAV。
第一和/或第二移动运载工具中的至少一个可以包括位置基准单元，该位置基准单元被构建为提供移动运载工具的位置信息，具体地为相对于另一个移动运载工具的相对位置信息和/或相对于大地坐标的绝对位置信息。例如，激光测距仪、导航卫星接收器等。测绘系统从而可以由诸如GPS或Glonas的导航卫星接收器的GNSS定位和导航系统或基于类似原理的另一个无线电导航系统来帮助。技术实施细节例如可以与上面列举的相关技术或其组合中所述类似的来处理。
第一和/或第二移动运载工具中的至少一个还可以发射引导光束，该引导光束用于引导对引导光束或其在表面上的投射进行评价的其余移动运载工具中的一个或更多个，具体地其中，该引导光束可以通过调制来编码以传输用于评价移动运载工具的远程控制数据。
所发射的结构化光图案可以由光投射单元来建立。光投射单元因此可以包括光投射的固定和/或动态遮蔽，例如固定遮罩、全息板、衍射光栅、LCD或DLP投影仪等。另选或另外地，可以使用运动光束来建立图案，这可以通过在运动期间在调制和/或不调制运动光束的强度的情况下沿着期望路径扫描束来进行。
结构化光图案内部可以在图案发射到的表面上包括多个不同光强度的光斑。结构化光图案可以随着时间变化，例如，结构化光图案可以包括为视觉测绘算法已知的预定义图案或子图案的预定义序列，或者其中，结构化光图案可以包括随机或伪随机结构化光图案的序列。
所投射的图案可以包括框标(fiducial marker)，具体地为均匀撒布的棋盘(checkboard)标记，该框标可以被包括在随机或伪随机光斑图案中或经编码的光图案中。从而，在评价中确定并考虑所投射图案与所恢复图案之间的对应性。
本发明还涉及一种用于表面三维测绘的相应方法，该方法包括以下步骤：由第一移动运载工具处的摄像头单元对表面的至少一部分成像，摄像头视场至少部分指向该表面；以及由计算机视觉单元基于来自摄像头单元的图像来计算视觉测绘算法并由该视觉测绘算法来确定表面的形貌和/或相对于表面的位置，具体以点云的形式。
根据本发明，还由由至少一个单独第二移动运载工具的光投射单元进行限定的结构化光图案到表面上的发射。其中，第一移动运载工具的成像至少部分感知该表面上的从第二移动运载工具发射的结构化光图案。视觉测绘算法至少部分评价结构化光图案。根据本发明的方法具体在如本文中所描述的根据发明的系统中执行。
第一和/或第二移动运载工具中的至少一个可以为用于执行该方法而在空中的无人空中运载工具(UAV)，具体地其中，第一和/或第二移动运载工具至少部分自主运动且根据至少部分基于视觉测绘算法的结果的三维信息由所包括的计算单元控制。
视觉测绘算法可以包括确定表面的形貌的运动中恢复结构(SFM)算法，和/或确定表面的形貌和相对于地面的位置的即时定位和地图构建(SLAM)算法。第一和第二移动运载工具可以相对于彼此运动。该运动可以至少部分基于视觉测绘算法的结果来控制。
明显地，关于系统描述的、这里提及的另外发展也适用于对应方法的形式，具体为基于上面列举的方法。
根据本发明的方法或至少该方法涉及计算的那些部分还可以被具体实施为计算机程序产品，具体地被实施为存储在机器可读介质上的计算机程序产品或计算机数据信号，计算机数据信号具体实施为电磁波，诸如有线或无线数据信号。计算机程序产品实施视觉测绘算法，该视觉测绘算法至少部分评价来自第一移动运载工具处的摄像头的数字图像，并且评价由单独的第二移动运载工具的投射产生的数字图像中的光图案，该第二移动运载工具将限定的结构化光图案至少部分发射到第一移动运载工具处的摄像头的视场中。从而，计算机程序产品计算表面的三维空间测绘信息。计算机程序产品内部可以包括实施运动中恢复结构(SFM)和/或即时定位和地图构建(SLAM)算法的代码，该代码具体地类似于领域中已知的代码，但由单独运载工具的灵活移动投射和成像给出的边缘条件和限制根据本发明来补充，优选地其中，数字图像内的投射的检测所给出的条件解决了所确定三维测绘数据的模糊。在具体实施方式中，该计算机程序产品可以实施对第一和/或第二移动运载工具的运动的控制。在高级实施方式中，计算机程序产品可以包括实施第一和/或第二移动运载工具的自主或半自主控制的代码。
因此，本发明还涉及一种计算装置，该计算装置被构建为具体地如果被包括在如这里所述的具有多个移动运载工具的三维测绘系统中，则在实际加载或不加载计算机程序的情况下运行提供根据本发明的功能的计算机程序。
附图说明
下面参照附图中示意性示出的工作示例仅用示例的方式更详细地描述或说明根据本发明的装置、方法以及设置。具体地，
图1示出了室外应用中的、具有两个移动空中运载工具的、根据本发明的三维测绘系统的第一实施方式的示例；
图2示出了室外应用中的、具有两个移动地面运载工具的、根据本发明的三维测绘系统的第二实施方式的示例；
图3示出了室内应用中的、具有两个移动地面运载工具和两个移动空中运载工具的、根据本发明的三维测绘系统的第三实施方式的示例；
图4示出了根据本发明的三维测绘系统的第四实施方式的示例；
图5示出了根据本发明的三维测绘系统的第五实施方式的示例；
图6示出了根据本发明的三维测绘方法的简化框图的示例；以及
图7示出了根据本发明的光图案的实施方式的示例。
具体实施方式
以下附图中的图不应被认为是等比例绘制。在适当情况下，相同附图标记用于相同特征或用于具有相同功能的特征。到不同附图标记的不同标号用于对特征在不同实施方式之间区分。
图1例示了根据本发明的测绘系统1的实施方式的示例。存在还称为无人空中运载工具(UAV)的第一移动运载工具，这里被示出为无人空中靶机。所示出的第一移动运载工具2被构建为在空中移动，例如包括一个或更多个旋翼叶片20和主体21，该主体21包括传感器和计算单元，第一移动运载工具2例如是能够在半空中浮到任意期望方向的四轴飞行器或另一空中运载工具。第一移动运载工具2装配有根据本发明用于测绘目的的摄像头单元3。测绘至少部分基于来自摄像头单元3的图像来进行，该图像由计算机视觉算法来评价。该评价优选地由之前提及的第一移动运载工具2的机载计算单元来进行，但在另一个实施方式中还可以至少部分由远程计算单元，例如，地基计算单元，来进行。摄像头单元3的视场24的示例由粗虚线来示出。视场24在这里被示例性地示出为大致锥形，而在另一个实施方式中，视场24可以被不同地成形，例如，大致为方锥的形式等。视场24不仅可以是固定的，还可以在相对于第一移动运载工具2的方向上和/或其尺寸上可变。因为地面为期望以三维测绘的表面5，所以摄像头单元3的视场24在这里指向地面，这具体意味着确定表面5的三维数据形式的形貌。例如，可以是针对坑洼、沉降等来测绘道路6或捕获房屋7的、山丘8的、植被9的或表面形貌被关注的其他目标的形貌的任务。因为移动运载工具是可运动的，所以待测绘表面5不是静态的，而是可变的，例如，还将可以为了监视目的等而跟随汽车10或另一个目标。对于这种测绘任务，同时可以使用这种第一移动运载工具2中的一个或更多个。
表面形貌借助于视觉测绘算法根据来自摄像头单元3的图像来测绘。这意味着，基于来自摄像头单元3的图像，摄像头单元3的视场24中关于表面5的一部分或该视场24的一部分的三维信息由计算机视觉单元来计算。计算机视觉单元优选地被包括在移动运载工具2中，但还可以至少部分远离移动运载工具2。随着第一移动运载工具2运动，表面5在摄像头单元3的视场24中的部分变化，并且关于该运动的信息可以被提供给计算机视觉单元，以被并入视觉测绘算法计算中。
这种视觉测绘算法的实例例如称为“运动中恢复结构”(SFM)算法，该算法粗略地意味着由于第一移动运载工具2运动期间的摄像头单元3的不同视角，算法提取关于摄像头单元3视场24内的一个或更多个表面5的三维信息。存在许多不同种类的这种SFM算法，这些算法在它们的实施细节上变化，并且可以在相符的背景文献、文件或软件方案，像SFMToolkit或VisualSFM等，中找到。这种视觉测绘算法的另一个实例例如称为“即时定位和地图构建”(SLAM)算法，该算法被粗略描述为不仅基于来自摄像头单元3的图像确定表面形貌(＝映射)，同时还基于这些图像确定摄像头单元3的位置(＝定位)(承载摄像头单元3的第一移动运载工具2的相应位置)。再次，存在已知为实施(SLAM)算法的多个方案，这些方案也可以在相符的背景文献、文件或软件方案，如openslam.org等，中找到。
根据本发明，测绘系统1包括至少一个另外且单独的第二移动运载工具12。在该附图中，第二移动运载工具12也具体实施为UAV(例如，像上面讨论的)。在根据本发明的另一个实施方式中，第一移动运载工具2以及第二移动运载工具12还可以包括空中、地面和/或水上运载工具的随机混合。
该第二UAV 12包括光投射单元4，该光投射单元4被构建为将限定的结构化光图案25发射到待测绘表面5或待测绘表面5的至少一部分上。在这里所示的实施方式中，光图案被投射到的表面5的一部分粗略地大约为与摄像头单元3的视场24尺寸相同。在其他实施方式中，具体地，因为离开测绘摄像头视野24的所发射图案不能有助于测绘，所以投射优选地被保持为大致包括在第一UAV的摄像头单元3的视场24内。具体地，光图案25的发射大致被指向到待测绘表面5的一部分上，其中，由第一移动运载工具的摄像头单元3进行的测绘在光图案不存在时提供不满意或模糊的结果。
换言之，本发明可以被描述为涉及通过用第一运载工具处的摄像头单元对表面成像来测绘目标表面，该表面受到来自第二运载工具处的投射单元的光图案投射，其中，第二运载工具与第一运载工具分开，并且第一和第二运载工具这两者可以相对于彼此自由独立运动。在本发明中，在摄像头单元和投射单元之间没有物理联系。
第一移动运载工具2和/或第二移动运载工具12可以在测绘期间运动。例如，在第一例示实施方式中，第一UAV 2和第二UAV 12这两者可以沿着期望的轨道例如道路6前进，或者可以在测绘期间扫描期望的区域。具体地，第一和/或第二运载工具2、12中的至少一个可以为主运载工具，在它们的运动中命令剩余移动运载工具中的一个或更多个。例如，处理测绘的计算单元可以被具体实施为也向第一运载工具2和/或第二运载工具12提供导航信息。第一运载工具2和/或第二运载工具12可以包括通信接口，通信优选地为无线，以彼此间通信和/或与一个或更多个远程站通信。
如上所述，第一移动运载工具2的摄像头单元3至少部分对来自第二移动运载工具12的在表面5上或该表面5的一部分上的发射光25成像。依赖于待测绘表面5的形貌，而且依赖于光投射单元4的原点和光特性并依赖于摄像头单元3的位置和光学特性，由摄像头单元3拍摄的、表面上的来自第二移动运载工具12的投射光图案25的图像可以变化。其中，计算机视觉单元执行视觉测绘算法，该算法被配置为至少部分估计表面5的三维测绘或形貌。
在该文中所提出的全部实施方式中，可以总是存在超过一个第一移动运载工具2和/或第二移动运载工具12。
图2示出了根据本发明的、用于表面三维测绘的系统1的实施方式的另一个示例。这里，移动运载工具2、12被具体实施为在地面上运动的探测车单元，例如轮式车辆或履带车辆的形式。在该示例中，系统1具有测绘所示管道30的任务。任务例如可以包括通过测绘管道30的外表面的形状、尺寸和/或位置来检查运动、损坏、变形、位移等，测绘结果可以与期望值或之前测量值进行比较。在测绘数据中还可以检测非法开掘、植被生长过度等。移动运载工具2、12例如可以沿着维护和应急轨道运动，该轨道沿着管道30延伸。在另选实施方式中，移动运载工具2、12例如还可以在管道30的内部运行，和/或可以另外或另选地使用空中移动运载工具2、20。在实施方式中，移动运载工具2、12可以为自主或半自主的，这意味着例如它们可以被提供有跟随管道30的总任务，借此，移动运载工具2、12将自主执行该任务并自动计算它们必须如何运动来完成该任务。
因为管道30均匀涂色的外表面难以由根据相关技术的图像处理来测绘，因为在没有根据本发明进行的用所发射的照明图案指向它的情况下，对于传统视觉测绘算法而言包括太少的视觉特征。
在另一个示例中，系统1可以具有从外部和/或内部测绘在灾难后或在战争背景中对于人类工作者潜在太危险的建筑物32(例如，工厂或电厂)的任务。根据本发明，其由系统1来进行，系统1具有包括摄像头单元3的至少一个第一移动运载工具2和包括用于以限定的结构化图案发射光的投射单元4的至少一个第二移动运载工具12。第一移动运载工具2和第二移动运载工具12优选地自主地在建筑物32的内部和/或外部运动，但另选地还可以由人工操作员经由有线或无线数据链接来帮助或导航。计算机视觉单元然后基于来自摄像头单元的图像执行视觉测绘算法，并且确定三维信息，其中，至少部分包括在摄像头单元3的视场24中的、由第二移动运载工具12发射的光图案25由视觉测绘算法来评价。其中，视觉测绘算法可以基于表面上所投射图案的图像获得附加信息，并且基于该附加信息，可以确定空间测绘信息，和/或可以以其他方式解决存在的模糊，这两者都可以产生较快较准确的三维测绘结果。
摄像头单元3的视场和/或投射单元4的发射场可以分别相对于对应的移动运载工具2、12而固定，但还可以例如通过倾斜、旋转和/或缩放单元而在其方向、尺寸和/或形状上可变。
图3示出了室内应用中的、根据本发明的三维测绘系统1的实施方式的另一个示例。存在多个移动运载工具2a、2b、12a、12b，其中，根据上面所用的术语，移动运载工具2a和2b是以包括用于测绘的至少一个摄像头单元3为特征的第一移动运载工具，并且其中，移动运载工具12a、12b是以包括至少一个投射单元4的第二移动运载工具。在所示的实施方式的示例中，移动运载工具2a和12a是空中运载工具，而移动运载工具2b和12b是地面运载工具。根据本发明，这些移动运载工具2a、2b、12a、12b在测绘系统和过程中合作。在该示例中，存在具有所示的桌子5b、家具5c、柱5d、墙壁5e以及走廊5f的房间5a，该房间5a的外壳形成三维环境，可以被认为是作为目标而被测绘的表面。系统1从而将测绘房间或其一部分的3D模型，优选地用基于来自摄像头单元3的图像的信息的颜色纹理进行。空中移动运载工具2a、12a具体地被预限定以测绘顶视图和侧视图，但可能不利于从下面观察，如桌子下面的地板、桌子、天花板的底面等。由这里所示的地面运载工具2b、12b和空中运载工具2a、12a的合作，可以克服这些缺点，并且可以测绘房间的大致完整的3D模型。
作为第二移动运载工具的飞行靶机12a包括用于发射如由符号化的发射锥体25a指示的光图案的投射单元4。光图案25a可以为通过投射不同光强度的光斑而产生的被照亮和未被照亮的区域的结构。这例如可以通过遮蔽所发射光(像在LCD投影仪中)、通过引导光(像在DLP投影仪中)、通过独立控制多个准直光源(像激光投影仪)、通过控制光束沿着期望路径的偏斜(像在激光扫描投影仪中)来实现，其中，在后者中，光源可以连续发射，并且偏斜路径定义图案，或者其中，在偏斜期间在强度上调节光源(分别打开和关闭)。附图示出了以发射锥25a发射的光斑图案的简单示例，这不被认为在独特性上限制。可选地，投射单元4的光轴可相对于承载它的移动运载工具12a运动，使得发射可以独立于移动运载工具12a的姿势和/或运动而指向期望的目标区域。投射单元4的光轴和/或投射尺寸还可以通过相对于目标表面5运动包括投射单元4在内的移动运载工具12来运动。
以类似的方式，作为另一个第二移动运载工具的探测车单元12b也包括用于发射由25b指示的光图案的投射单元4。
作为第一移动运载工具的飞行靶机2a包括摄像头单元3，该摄像头单元3被配置为捕获电子图像或视频序列，例如包括具有光敏像素阵列的CCD或CMOS传感器和成像光学器件。摄像头单元的图像可以为单色的，或者包括多个颜色通道，除了可见光谱，附加地或另选地还可以包括红外和/或紫外范围。摄像头单元3具有沿其光轴方向的视场24a，该视场24a将被引导为大致包括至少部分待测绘目标。该引导可以通过使具有摄像头单元3的移动运载工具2a运动和/或通过使摄像头单元3的光轴相对于移动运载工具2a运动来实现。
移动运载工具可以被配置为定位和/或识别彼此。例如，移动运载工具可以包括标签27，该标签27可以被光学地读出，例如通过摄像头单元3，并且通过标签27可以建立移动运载工具的识别和/或定位。借助于无线信号来对移动运载工具相对于彼此识别和/或定位是另一个选项。
图4示出了根据本发明的移动运载工具测绘系统1的实施方式的示例。
移动运载工具2a和2b包括摄像头单元3，该摄像头单元3用于基于来自摄像头单元3的图像由视觉测绘算法测绘表面5的形貌。
对于移动运载工具2a、2b、12中的每个且对于表面5，符号化了对应的坐标系17，具体地其中，针对目标表面5的坐标系17可以被定义为期望测绘坐标系的原点。这些坐标系17相对于彼此的相对和/或绝对位置由所示的尺寸线来示例性指示。这些位置例如可以由移动运载工具2a、2b、12中的一个或更多个处的绝对和/或相对位置追踪单元所知。另选地或另外地，这些位置还可以依照根据本发明的系统1的测绘能力来确定，这些能力具体地包括使用作为用于移动运载工具的导航的视觉测绘算法的SLAM算法，和/或对摄像头单元3视野内的另一个移动运载工具上的一个或更多个标记的图像处理可以用于确定位置。
移动运载工具12包括投射单元4，该投射单元4被配置为向表面5发射光图案，如由表面5上的纹理化区域25和来自第二移动运载工具12的对应发射锥体所指示。
这里示出的是由移动运载工具2a发射的引导束18被引导向地面5的实施方式，并且由第二移动运载工具12和/或第一移动运载工具2b跟随地面上产生的光斑19。引导束18可以包括用于数据传输的调制信息，借此可以传输命令，例如相对于引导束的期望位置。跟随引导束的移动运载工具12和/或2b可以接收并评价经调制的数据，例如通过其摄像头单元。从而，例如可以由发射移动运载工具远程地控制接收移动运载工具的位置和/或运动。例如，跟随的移动运载工具可以被命令为以以下这种方式自动运动：保持光斑19在其摄像头视场的特定区域内或特定斑点处和/或以在其摄像头视场的图像中的定义形状和/或尺寸来保持光斑19。引导束可以由可见和/或不可见光形成，并且可以通过例如颜色、调制、偏振性、形状、尺寸等来编码，以对一个特定移动客户运载工具定址。其中，发射引导束的移动运载工具可以被认为是主运载工具，该运载工具命令一个或更多个从运载工具。主运载工具和从运载工具的角色可以分别与根据本发明的第一移动运载工具或第二移动运载工具关联。
另选地或另外地，还可以存在建立在移动客户装置2a、2b、12之间的无线广播通信链接，其中，无线电信号可以唯一或另外地用于确定移动运载工具相对于彼此的位置，如如从WIFI或GSM网络已知的多点定位。
在图5中，示出了具有三个移动运载工具2a、2b、12的、根据本发明的实施方式的示例。第二移动运载工具12包括朝向要被三维测绘的表面5发射限定的光图案25的投射单元。
第一移动运载工具2a、2b各包括摄像头单元。在所示示例中，在各第一移动运载工具2a、2b处，以及可选地在第二移动运载工具12处，存在两个摄像头单元。在所示实施方式中，分别由锥体24a1和24a2、24b1和24b2、24c1和24c2指示的运载工具摄像头单元的视场至少部分交叠。视场的交叠可以用于计算立体视觉算法，在有或没有作为立体基础的相对于彼此的位置的确切知识的情况下，基于仅单个移动运载工具的摄像头的图像和/或基于来自移动运载工具中的多个的摄像头的图像。该立体视觉算法还可以包括在根据本发明的视觉测绘算法中，具体地其中，来自第二移动运载工具12的投射图案25包含在三维测绘的计算中。如所述的，在其他实施方式中，摄像头单元仅可以包括单个视场，或者摄像头的视场可以大致无交叠。
在该实施方式中，存在朝向移动运载工具12中的至少一个发射引导束43的基站41，并且接收移动运载工具被配置为跟随该引导束43。引导束还可以用于测绘目标移动运载工具相对于基站31的位置或被转换到另一个坐标系，例如包括束43方向上的电光距离测量和确定束43的发射方向的角坐标。束43还可以被调制并包括如下面讨论的信息。空间信息和/或测绘算法的计算至少一部分例如还可以由计算单元42来进行。
还示出了导航卫星40，其中，移动运载工具2a、2b、12中的一个或更多个可以被配置为基于来自这些卫星40的电磁信号确定其位置。这例如可以作为由基站41进行的引导的附加或另选方案来进行。
作为移动运载工具的定位的另一个另选方案和/或对于移动运载工具的定位的精细参考，可以存在从一个移动运载工具12至移动运载工具2b中的另一个的引导光束，反之亦然。例如，移动运载工具12沿移动客户装置2b应处于的方向发射束44。移动运载工具2b包括针对该束44的接收器，并且被构建为例如通过将束保持在定义的容差范围内打击点和/或方向来跟随该束。该束44可以被调制且包括信息，例如除了一般数据之外，还有用于在运载工具2b的运动中控制移动运载工具2b的数据，具体地沿着光束的轴线(该轴线不是由发射方向单独定义)对移动运载工具2b进行导航的信息。在这种实施方式中，移动运载工具12可以被认为处于引导性主装置的角色，并且移动运载工具2b处于跟随性从装置的角色。引导束还可以具体实施电光测距仪，其基于飞行时间或相位测量来确定移动运载工具之间的距离。
在另选实施方式中，作为第一和第二移动运载工具的移动运载工具12和2a、2b的角色还可以倒过来。
在图6中，示出了本发明的实施方式的框图的示例。表面5的三维测绘包括在块71中由第一移动运载工具2a、2b处的摄像头单元3对作为待测绘目标的表面5的至少一部分成像，摄像头单元3的视场24至少部分指向表面5。
根据本发明，如由块72所指示的，从至少一个第二移动运载工具12由光投射单元4将限定的结构化光图案25发射到表面5上。其中，第二移动运载工具12为相对于第一移动运载工具2a、2b分开的且可自由运动。
在块73中，由计算机视觉单元基于来自摄像头单元3的图像计算视觉测绘算法，以确定表面5的形貌和/或相对于表面5的位置，这例如产生表示表面5的三维形貌的点云。
其中，如块74中所指示的，第一移动运载工具2a、2b的成像至少部分感知来自第二移动运载工具12的结构化光图案25，并且如块75中所指示的，视觉测绘算法至少部分评价结构化光图案25，以确定视觉测绘算法中目标的三维信息。
可选地，如由块76和块77所指示的，可以命令第一移动运载工具2a、2b和/或第二移动运载工具12的运动。
这种系统更灵活，例如图案的投射可以专门命中在视觉测绘算法中困难或模糊的表面5的目标区域，所投射图案的方向和/或尺寸可以通过使第二移动运载工具运动以适合表面5的形状来改变，在图案本身为静态的同时，但通过第二移动运载工具的运动等，所投射的图案可以在图像内变化以获得附加信息。
在图7中，示出了根据本发明的实施方式的示例，在该示例中，示例性结构化图案25c由第二移动运载工具12c来发射。第二移动运载工具12c也包括适于具有视场24c的摄像头单元。结构化图案25c包括视觉框标50和/或棋盘格图案，该框标50和/或棋盘格图案可以由视觉测绘算法在摄像头图像中无模糊地识别并测绘，优选地还在所投射的图案25c由不平的投射表面变形时。根据本发明，该视觉测绘由包括分别具有所示视场24b和视场24a的摄像头单元的移动运载工具2a和/或移动运载工具2b来进行。可选地，第二移动运载工具12c也可以包括摄像头，如由视场24c指示。
所投射的图案25c可以为静态的，或者可以根据限定图案的限定序列动态变化或是随机或伪随机地动态变化。移动运载工具在测绘期间可以以期望形式和/或沿着期望路径运动。在另一个实施方式中，各个运载工具的运动形式和/或路径可以动态适应，优选地由计算单元所计算的自主或半自主控制，具体地其中，控制以改进和/或完成测绘结果的方式来构建。
技术人员意识到，这里关于不同实施方式示出并说明的细节在本发明的意义内还可以以其他排列来组合。

Claims (15)

1.一种用于表面(5)的三维测绘的系统(1)，该系统(1)包括：
至少一个第一移动运载工具(2)，该至少一个第一移动运载工具(2)具有
о至少一个摄像头单元(3)，该至少一个摄像头单元(3)的视场至少部分指向所述表面(5)以对所述表面(5)成像，和
о计算机视觉单元，该计算机视觉单元被构建为基于来自所述摄像头单元(3)的图像执行视觉测绘算法以确定所述表面(5)的形貌和/或相对于所述表面(5)的位置，具体以点云的形式，
所述系统(1)的特征在于
至少一个第二移动运载工具(12)，该至少一个第二移动运载工具(12)包括光投射单元(4)，该光投射单元(4)被构建为将限定的结构化光图案(25)发射到所述表面(5)上，
其中，所述第一移动运载工具(2)的所述摄像头单元(3)至少部分对从所述第二移动运载工具(12)投射到所述表面(5)的所述结构化光图案(25)成像，并且
其中，所述计算机视觉单元至少部分用所述第一移动运载工具的从所述第二移动运载工具(12)发射的所述结构化光图案(25)的图像的评价来执行视觉测绘算法。
2.根据权利要求1所述的系统(1)，所述系统(1)的特征在于：所述视觉测绘算法包括确定所述表面(5)的所述形貌的运动中恢复结构SFM算法。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统(1)，所述系统(1)的特征在于：所述视觉测绘算法包括确定所述表面的所述形貌和相对于所述表面(5)的位置的即时定位和地图构建SLAM算法。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的系统(1)，所述系统(1)的特征在于：所述第一移动运载工具(2)和所述第二移动运载工具(12)为无人移动运载工具，具体地其中，这些无人移动运载工具被构建为基于所确定的所述表面(5)的形貌和/或相对于所述表面(5)的位置在所包括的计算单元的控制下自主运动。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的系统(1)，所述系统(1)的特征在于：所述第一移动运载工具(2)和/或所述第二移动运载工具(12)中的至少一个为无人空中运载工具UAV，具体地其中，所述第一移动运载工具(2)中的至少一个和所述第二移动运载工具(12)中的至少一个为UAV，优选地其中，全部移动运载工具为UAV。
6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的系统(1)，所述系统(1)的特征在于：所述第一移动运载工具(2)中的至少一个相对于所述第二移动运载工具(12)中的至少一个的相对位置能够变化且由所述第一移动运载工具(2)中的至少一个来控制。
7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的系统(1)，所述系统(1)的特征在于：所述第一移动运载工具(2)和/或所述第二移动运载工具(12)中的至少一个包括位置基准单元，该位置基准单元被构建为提供所述移动运载工具的位置信息，该位置信息具体地为相对于另一移动运载工具(2、12)的相对位置信息和/或相对于大地坐标的绝对位置信息。
8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的系统(1)，所述系统(1)的特征在于：所述第一移动运载工具(2)和/或所述第二移动运载工具(12)中的至少一个发射引导光束，该引导光束用于引导对所述引导光束或其投射进行评价的其余移动运载工具(2、12)中的一个或更多个，具体地其中，所述引导光束通过调制来编码以传输远程控制数据。
9.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的系统(1)，所述系统(1)的特征在于：所发射的结构化光图案(25)由具有光投射的固定和/或动态遮蔽和/或具有运动光束的所述光投射单元(4)来建立，具体地，在运动期间调制和/或不调制所述运动光束的强度的情况下。
10.根据权利要求9所述的系统(1)，所述系统(1)的特征在于：所述结构化光图案(25)包括多个不同光强度的光斑，具体地其中，所述结构化光图案随着时间变化，
优选地其中，所述结构化光图案(25)包括为所述视觉测绘算法已知的预定义图案或子图案的预定义序列，或者其中，所述结构化光图案(25)包括随机或伪随机结构化光图案的序列。
11.一种用于表面(5)的三维测绘的方法，该方法包括以下步骤：
由第一移动运载工具(2)处的摄像头单元(3)对所述表面的至少一部分成像，该摄像头单元(3)的视场至少部分指向所述表面(5)；以及由计算机视觉单元基于来自所述摄像头单元(3)的图像计算视觉测绘算法以确定所述表面(5)的形貌和/或相对于所述表面(5)的位置，具体以点云的形式，
所述方法特征在于：
由至少一个第二移动运载工具(12)的光投射单元(4)将限定的结构化光图案(25)发射到所述表面上，
其中，所述第一移动运载工具(2)的所述成像的步骤至少部分感知来自所述第二移动运载工具(12)的所述结构化光图案(25)，并且
其中，所述视觉测绘算法至少部分评价所述结构化光图案(25)，
具体地其中，所述方法在根据权利要求1至权利要求10中任一项所述的系统(1)中执行。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法的特征在于：所述第一移动运载工具(2)和/或所述第二移动运载工具(12)中的至少一个为在空中用于所述方法的无人空中运载工具(UAV)，具体地其中，所述第一移动运载工具(2)和/或所述第二移动运载工具(12)至少部分自主运动且至少部分基于所述视觉测绘算法的结果由所包括的计算单元来控制。
13.根据权利要求11至权利要求12中任一项所述的方法，所述方法的特征在于：所述视觉测绘算法包括确定所述表面(5)的所述形貌的运动中恢复结构SFM算法和/或确定所述表面的所述形貌和相对于所述表面(5)的位置的即时定位和地图构建SLAM算法。
14.根据权利要求11至权利要求13中任一项所述的方法，所述方法的特征在于：所述第一移动运载工具(2)和所述第二移动运载工具(12)相对于彼此运动，具体地其中，所述运动至少部分基于所述视觉测绘算法的结果来控制。
15.一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在机器可读介质上的程序代码或计算机数据信号，该计算机数据信号具体实施为电磁波，其中，所述程序代码实施视觉测绘算法，该视觉测绘算法至少部分评价来自第一移动运载工具(2)处的摄像头(3)的数字图像，并且评价由单独的第二移动运载工具(12)的投射产生的所述数字图像中的光图案(25)，该第二移动运载工具(12)将所述结构化光图案(25)至少部分发射到所述第一移动运载工具(2)处的所述摄像头单元(3)的所述视场中，该视觉测绘算法具体地用于计算根据权利要求11至权利要求14所述的方法，该方法具体地在根据权利要求1至权利要求10中任一项所述的移动运载工具的计算单元中执行。
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