CZ2009354A3

CZ2009354A3 - Acquisition method of vector 3D data of body surface and apparatus for making the same

Info

Publication number: CZ2009354A3
Application number: CZ20090354A
Authority: CZ
Inventors: Rapant@Petr; Sojka@Eduard
Original assignee: Vysoká škola bánská - Technická univerzita Ostrava
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2010-12-15

Abstract

Zpusob využívá nejméne jeden svetelný paprsek emitovaný laserem, který se vychyluje v prostoru a vede po povrchu promenovaného telesa, pricemž se videokamerou zaznamenávají body predstavující prusecík tohoto laserového paprsku s povrchem telesa v reálném case. Následne se ze znalosti smeru nejméne jednoho laserového paprsku, ze znalosti nejméne jednoho prusecíku laserového paprsku a povrchu telesa na snímaném obrazu a ze znalosti polohy videokamery a polohy nejméne jednoho zdroje laserového paprsku vyhodnocují souradnice jednotlivých bodu nacházejících se na povrchu telesa. Alternativne jsou známy polohy nekolika bodu v merené scéne, z jejichž zamerení se odvodí poloha a orientace digitální kamery i zdroje laserového paprsku. Prostorový úhel laserového paprsku se muže menit na základe vizuálního pozorování prusecíku laserového paprsku s povrchem telesa. Nejméne dva laserové paprsky mohou mít vzájemne odlišnou barvu a/nebo vzájemne odlišný tvar svetelné znacky a/nebo vzájemne odlišný okamžik svícení. Svetelný paprsek se muže vést po hrane predem detekované zpracováním digitalizovaného obrazu. Zarízení obsahuje nejméne jeden zdroj laserového paprsku, videokameru a vyhodnocovací jednotku, pricemž vyhodnocovací jednotka je spojena jak s videokamerou, tak se zdrojem laserového paprsku pomocí prostredku pro prenos dat. Zdroj laserového paprsku muže být opatren prostredky pro zmenu smeru a/nebo zmenu polohy zdroje laserového paprsku nebo muže být opatren zarízením pro vychýlení smeru laserového paprsku.The method utilizes at least one light beam emitted by a laser that deflects in space and extends across the surface of the object, recording the points representing the laser beam with the body surface in real time. Subsequently, from the knowledge of the direction of the at least one laser beam, from the knowledge of at least one laser beam intersection and the body surface on the scanned image and from the knowledge of the video camera position and the position of at least one laser beam source, the coordinates of the individual points on the body surface are evaluated. Alternatively, the positions of several points in the measured scene are known, from which the position and orientation of the digital camera and the laser beam source are derived. The spatial angle of the laser beam can be varied by visual observation of the laser beam intersection with the body surface. The at least two laser beams may have a different color and / or the shape of the light marker and / or the moment of illumination. The light beam can be guided by a pre-detected edge by processing the digitized image. The device comprises at least one laser beam source, a video camera and an evaluation unit, wherein the evaluation unit is connected to both the video camera and the laser beam source by means of a data transmission means. The laser beam source may be provided with means for changing the direction and / or positioning of the laser beam source, or may be provided with a laser beam deflection device.

Description

Způsob pořizováni vektorových 3D dat povrchu tělesa a zařízení k provádění tohoto způsobuA method for producing vector 3D data of a body surface and apparatus for performing the method

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká způsobu pořizování vektorových 3D dat a zařízení k provádění tohoto způsobu a řeší získávání dat popisujících tvar a rozměry tělesa, například stavby, za účelem vytvoření 3D digitálního modelu tohoto tělesa, například pro posouzení důsledků zamýšlené změny okolí nebo pro potřeby navrhování rekonstrukce budovy.The invention relates to a method for acquiring vector 3D data and apparatus for performing the method and to obtaining data describing the shape and dimensions of a body, for example a building, to create a 3D digital model of the body, for example to assess the consequences of an intended change of environment or to design a building.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Je známo, že za účelem získání dat popisujících v prostoru umístěné těleso se využívají fotogrammetrické metody, které jsou založeny na srovnávání dvou fotografií téhož tělesa, pořízených ze dvou míst, vůči sobě posunutých. Při vizuálním vyhodnocování pozoruje obsluha každým okem jiný obraz, přičemž díky stereoskopickému vjemu vnímá fotografie jako prostorový obraz, ve kterém zjišťuje souřadnice měřených bodů na základě jejich srovnávání s prostorově vnímaným obrazem současně pozorované značky a zaznamenává prostorové souřadnice měřených bodů. Při počítačovém vyhodnocování jsou zjišťovány souřadnice totožných bodů v rovině obou snímků a z jejich odchylek se vypočítávají souřadnice takového bodu v prostoru.It is known that photogrammetric methods are used to obtain data describing a space placed in a space, which are based on comparing two photographs of the same body taken from two locations offset from one another. During visual evaluation, the operator observes a different image with each eye, and thanks to stereoscopic perception, he perceives the photograph as a spatial image, in which he finds the coordinates of the measured points by comparing them with the spatially perceived image of the currently observed marker. In computer evaluation, the coordinates of identical points in the plane of both frames are obtained and the coordinates of such a point in space are calculated from their deviations.

Nevýhodou této metody je, že na povrch proměřovaného tělesa se musí manuálně umístit zaměřovači body. Nevýhodou je i to, že se vyhodnocování provádí až následně po zhotovení snímků. V případě, že nebyl předmět vyfotografován z optimálního místa, je nutné fotografování opakovat, což v případě, že se předmět nenachází v blízkosti vyhodnocovacího pracoviště zvyšuje nejen náklady, ale též celkovou dobu měření.The disadvantage of this method is that the aiming points must be manually placed on the surface of the measured object. Another disadvantage is that the evaluation is performed only after the pictures are taken. If the object has not been photographed from the optimum location, it is necessary to repeat the shooting.

Dále je známo, že pro zaznamenávání informací o velikosti a tvaru tělesa lze použít geodetická měření, při kterých se měří souřadnice jednotlivých, vizuálně zaměřovaných bodů, nacházejících se na povrchu proměřovaného tělesa, vůči referenčnímu bodu nebo vůči několika bodům, jejichž poloha je známa.Furthermore, it is known that geodetic measurements can be used to record information about the size and shape of a body, in which the coordinates of individual, visually-oriented points located on the surface of the body to be measured are measured against a reference point or several known locations.

« ·♦·· • · · • · ♦.«· ♦ ··.

Nevýhodou této metody je vysoký podíl ruční práce, neboť body se vybírají individuálně a zaměřují se ručně. Další nevýhodou je to, že zaměřování komplikovaných prostorových útvarů není touto metodou možné. Potíže rovněž činí přiřazení naměřených hodnot k lokalizaci na povrchu proměřovaného tělesa, neboť se neobejde bez vyznačení změřeného bodu na orientačním nákresu nebo zpracování obsáhlého slovního popisu.The disadvantage of this method is the high proportion of manual work, as the points are selected individually and are manually targeted. Another disadvantage is that targeting of complicated spatial formations is not possible with this method. Assigning the measured values to the localization on the surface of the measured body is also a problem because it is not possible to mark the measured point in the orientation drawing or to process a comprehensive verbal description.

Je rovněž známa metoda zjišťování tvaru tělesa, která využívá laserového skenování. Při této metodě se laserový paprsek vede po povrchu tělesa v souřadnicovém rastru a na základě sledování času, potřebného k návratu odraženého paprsku do blízkosti zdroje v jednotlivých bodech se v závislosti na prostorovém úhlu paprsku a na vzdálenosti bodu jeho dopadu na povrch proměřovaného tělesa zjišťují souřadnice bodů na povrchu tělesa vůči referenčnímu bodu, zdroji laserového paprsku nebo přijímači odraženého světla. Získané hodnoty se zavádějí do počítače, kde se zpracují na virtuální obraz povrchu. Nevýhodami této metody jsou vysoké pořizovací náklady na zařízení, výkonný počítač a software a dále to, že výsledná 3D data nejsou vektorová, ale pouze rastrová. Vektorová data lze z nich odvodit až při následném zpracování a ne se zcela 100% úspěšností.A method of detecting the shape of a body that uses laser scanning is also known. In this method, the laser beam is guided along the surface of the body in a coordinate grid and, based on the time taken to return the reflected beam to the source near the source at each point, the coordinates of the points are determined depending on the spatial angle of the beam and its distance. on the surface of the body relative to a reference point, a laser beam source or a reflected light receiver. The obtained values are fed to a computer where they are processed into a virtual surface image. The disadvantages of this method are the high cost of equipment, high performance computer and software, as well as the fact that the resulting 3D data is not vector, but only raster. The vector data can be derived from them only after subsequent processing and not with 100% success.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedené nevýhody řeší způsob pořizování vektorových 3D dat povrchu tělesa a zařízení k provádění tohoto způsobu. Podstatou způsobu je, že se nejméně jeden světelný paprsek emitovaný laserem vychyluje v prostoru a vede po povrchu proměřovaného tělesa, přičemž se videokamerou zaznamenávají body představující průsečík nejméně jednoho laserového paprsku s povrchem tělesa v reálném čase. Dále se ze znalosti směru nejméně jednoho laserového paprsku, ze znalosti nejméně jednoho průsečíku laserového paprsku a povrchu tělesa na snímaném obrazu a ze znalosti polohy videokamery a polohy nejméně jednoho zdroje laserového paprsku vyhodnocují souřadnice jednotlivých bodů, nacházejících se na povrchu tělesa. Alternativně jsou známy polohy několika bodů v měřené scéně, z jejichž zaměření se odvodí poloha a orientace digitální kamery i zdroje laserového paprsku. Dle dalších alternativ je podstatou, že se prostorový úhel laserového paprsku mění na základě vizuálního pozorování průsečíku laserového paprsku s povrchem tělesa, že nejméně dva laserové paprsky mají vzájemně odlišnou barvu a/nebo vzájemně odlišný tvar ·♦»· Said disadvantages are solved by the method of acquiring vector 3D data of the surface of the body and of the device for performing this method. The essence of the method is that at least one laser beam emitted by the beam deflects in space and extends over the surface of the body to be measured, whereby the points representing the intersection of the at least one laser beam with the body surface are recorded in real time. Further, the coordinates of at least one laser beam, the knowledge of at least one intersection of the laser beam and the surface of the body in the scanned image and the knowledge of the position of the video camera and the position of the at least one laser beam are evaluated. Alternatively, the positions of several points in the measured scene are known from which the position and orientation of the digital camera and the laser beam source are derived. According to other alternatives, the spatial angle of the laser beam varies based on visual observation of the intersection of the laser beam with the body surface that at least two laser beams have a different color and / or different shape from each other.

* toto* světelné značky a/nebo svítí v přesně definovaných časových okamžicích nebo že se nejméně jeden světelný paprsek vede po hraně předem detekované zpracováním digitalizovaného obrazu. Podstatou zařízení pro pořizování vektorových 3D dat povrchu tělesa obsahujícího nejméně jeden zdroj laserového paprsku je, že dále obsahuje videokameru a vyhodnocovací jednotku, přičemž vyhodnocovací jednotka je spojena jak s videokamerou, tak se zdrojem laserového paprsku pomocí prostředků pro přenos dat. Alternativně je podstatou, že zdroj laserového paprsku je opatřen prostředky pro změnu směru a/nebo změnu polohy zdroje laserového paprsku nebo že je zdroj laserového paprsku opatřen zařízením pro vychýlení směru laserového paprsku.* this * light marks and / or lights at precisely defined time points or that at least one light beam is guided along the edge previously detected by the digitized image processing. The device for acquiring vector 3D data of a body surface comprising at least one laser beam source further comprises a video camera and an evaluation unit, wherein the evaluation unit is connected to both the video camera and the laser beam source by means of data transmission. Alternatively, the laser beam source is provided with means for changing the direction and / or the position of the laser beam source, or that the laser beam source is provided with a laser beam deflection device.

Výhodou způsobu a zařízení podle vynálezu je možnost provádět proměřování těles přímo v terénu a v reálném čase, průběžně porovnávat pořízená vektorová 3D data se skutečnou scénou a eliminovat tak jednak čas potřebný na přípravu měření v laboratoři a jednak i potenciální chyby a nepřesnosti, ke kterým by při laboratorním zpracování mohlo dojít.The advantage of the method and the device according to the invention is the possibility to perform measurements of objects directly in the field and in real time, continuously compare the acquired vector 3D data with the real scene and eliminate both the time needed to prepare measurements in the laboratory and potential errors and inaccuracies during laboratory processing could occur.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Příklad 1Example 1

K zaměření geometrie kamenného mostu byla použita digitálná kamera, zařízení vysílající laserový paprsek a vyhodnocovací jednotka. Vyhodnocovací jednotka je spojena prostředky pro přenos dat, příkladně kabely, jednak s digitální kamerou a jednak se zařízením vysílajícím laserový paprsek. Zařízení vysílající laserový paprsek je opatřeno prostředky pro snímání směru laserového paprsku a prostředky pro nastavování orientace zdroje laserového paprsku v prostoru, které je opatřeno ovládacím prvkem umožňujícím ručně nastavovat směr laserového paprsku. Vyhodnocovací jednotka registruje směr laserového paprsku a bodu, představujícího průsečík povrchu budovy a laserového paprsku na obrazu z digitální kamery. Za použití známé hodnoty polohy digitální kamery a zdroje laserového paprsku, které byly alternativně odvozeny zaměřením známých bodů signalizovaných na mostní konstrukci, vyhodnocuje vyhodnocovací jednotka souřadnice jednotlivých bodů, nacházejících se na povrchu zaměřovaného mostu. Při pořizování záznamu obsluha mění manuálně směr laserového paprsku, čímž umísťuje průsečík laserového • · paprsku a povrchu mostu do vybraných bodů, jejichž souřadnice se mají zjistit, případěně na základě vizuálního pozorování sleduje laserovým paprskem tvarové linie mostu. Vidokamera snímá proměřovanou část scény. Vyhodnocovací jednotka zaznamenává snímaný obraz a zjišťuje údaje o průsečíku laserového paprsku s povrchem snímaného mostu na obraze z digitální kamery a dále sleduje úhly laserového paprsku odpovídající jednotlivým bodům, přičemž ze známé polohy videokamery a zdroje laserového paprsku vyhodnocuje souřadnice jednotlivých bodů na povrchu mostu, případně průběžné vyhodnocuje sérii bodů sledujících pohybující se paprsek.A digital camera, a laser beam emitting device and an evaluation unit were used to measure the geometry of the stone bridge. The evaluation unit is connected by means of data transmission, for example cables, on the one hand to a digital camera and on the other hand to a device emitting a laser beam. The laser beam emitting device is provided with means for sensing the direction of the laser beam and means for adjusting the orientation of the laser beam source in the space, which is provided with a control element for manually adjusting the direction of the laser beam. The evaluation unit registers the direction of the laser beam and the point representing the intersection of the building surface and the laser beam in the image from the digital camera. Using the known position value of the digital camera and the laser beam source, which were alternatively derived by locating the known points signaled on the bridge structure, the evaluation unit evaluates the coordinates of the individual points located on the surface of the targeted bridge. When recording, the operator manually changes the direction of the laser beam, thereby positioning the intersection of the laser beam and the bridge surface at selected points whose coordinates are to be determined, possibly following the laser beam shape lines based on visual observation. The camcorder records the measured part of the scene. The evaluation unit records the scanned image and detects the intersection of the laser beam with the surface of the scanned bridge in the image from a digital camera, and monitors the laser beam angles corresponding to each point, assessing the coordinates of individual points on the bridge surface evaluates a series of points following a moving beam.

Příklad 2Example 2

Zařízení se od příkladu 1 liší tím, že měření se povádí na historické budově, tím, že se použijí dva zdroje laserového paprsku s různou barvou světla a vyhodnocovací jednotka je dále opatřena prostředkem pro dálkové ovládání směru nebo polohy zdroje laserového paprsku. Obsluha mění směr laserového paprsku pomocí pokynů zadávaných počítači myší.The apparatus differs from Example 1 in that the measurements are carried out on a historical building in that two laser light sources with different light colors are used and the evaluation unit is further provided with means for remote control of the direction or position of the laser light source. The operator changes the direction of the laser beam using the instructions given by the mouse.

Příklad 3Example 3

Zařízení je dále opatřeno prostředky pro automatické vychylování laserového paprsku. Vyhodnocovací jednotka vytváří drátový model a navádí laserový paprsek po hranách tělesa, detekovaných v obraze digitální kamery, obsluha sleduje pohyb světelného bodu po snímaném tělese a koriguje výsledek přidáváním dalších zaměřovaných bodů.The device is further provided with means for automatically deflecting the laser beam. The evaluation unit creates a wireframe and guides the laser beam along the edges of the body detected in the digital camera image, the operator monitors the movement of the light point on the scanned body and corrects the result by adding additional survey points.

Příklad 4Example 4

Zařízení je opatřeno prostředky pro synchronizované rozsvěcování více laserových paprsků tak, aby v daný okamžik svítila jen požadovaná podmnožina paprsků. Vyhodnocovací jednotka řídí rozsvěcování paprsků a s ním synchronní snímání scény a následné vyhodnocení získaných obrazů videokamery.The device is provided with means for synchronizing the illumination of a plurality of laser beams so that only a desired subset of the beams are illuminated at a time. The evaluation unit controls the lighting of the beams and with it the synchronous recording of the scene and subsequent evaluation of the acquired images of the camcorder.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Vynálezu je možné využít k mapování prostorových objektů, jako jsou například historické budovy s komplikovanými fasádami nebo proměřování nebezpečných prostor za účelem zjišťování úzkých profilů pro záchrannou techniku. Dále je možno vynálezu využít k mapování archeologických vykopávek nebo k automatickému mapování scény pro potřeby navigace autonomních robotů a pod.The invention can be used to map spatial objects, such as historic buildings with complicated facades, or to measure hazardous areas to detect narrow profiles for rescue equipment. Furthermore, the invention can be used to map archaeological excavations or to automatically map a scene for navigation purposes by autonomous robots and the like.

Claims

PATENT CLAIMS

CLAIMS 1. A method for producing vector 3D data of a surface of a body, wherein the at least one light beam emitted by the laser is guided by deflection in space over the body surface and simultaneously imaging an image of the intersection of the at least one light beam with the body surface. after recording, they evaluate the coordinates of the individual points located on the body surface by knowing the position of the intersection of the laser beam with the body surface in the scanned image, knowing the direction of at least one laser beam and knowing at least one of the group: the laser beam, the coordinates of several points located on the surface of the body.

Method according to claim 1, characterized in that the spatial angle of the laser beam varies by visual observation of the intersection of the laser beam with the body surface.

Method according to claim 1, characterized in that the at least two laser beams have a different color and / or a different shape of the light sign and / or are switched on at a different point in time, synchronized by the evaluation unit.

The method of claim 1, wherein the at least one light beam is guided along an edge previously detected by processing the digitized image.

5. A device for capturing vector 3D data of a body surface comprising at least one laser beam source, further comprising a video camera and an evaluation unit, wherein the evaluation unit is connected to both the video camera and the laser beam source by data transmission means.

• e ····

Device according to claim 5, characterized in that the laser beam source is provided with means for changing the direction and / or changing the position of the laser beam source.

Device according to claim 5 or 6, characterized in that the laser beam source is provided with a device for deflecting the direction of the laser beam.

Device according to claim 5, 6 or 7, characterized in that the laser beam source is provided with means for synchronized switching on and off of the laser beam.