CZ29764U1 - Sestava pro automatický sběr třírozměrných vektorových dat - Google Patents

Description

Oblast techniky

Sestava spadá do oblasti optických zařízení, zejména kamer, fotografických přístrojů, zaměřovačích a měřících přístrojů vhodných pro vytváření 3D digitálních modelů těles v terénu, např. budov.

Dosavadní stav techniky

V současnosti jsou za účelem získání třírozměrných vektorových dat popisujících v prostoru umístěné těleso využívány 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.

Nevýhodou této metody je, že na stereoskopický vjem povrchu 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 zájmu nenachází v blízkosti vyhodnocovacího pracoviště, zvyšuje nejen náklady, ale též celkovou dobu měření.

Pro zaznamenávání informací o poloze, velikosti a tvaru tělesa lze v současnosti použít geodetická měření, při kterých se měří souřadnice jednotlivých, vizuálně zaměřovaných bodů, nacházejících se na povrchu přeměřováného tělesa vůči referenčnímu bodu nebo vůči několika bodům, jejichž poloha v prostoru je známá.

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 polohy zaměřeného bodu na orientačním nákresu nebo zpracování obsáhlého slovního popisu.

Známou je i metoda zjišťování tvaru tělesa, která využívá laserové 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 (tzv. mračna bodů) se zavádějí do počítače, kde se zpracují na virtuální obraz povrchu. Nevýhodou této metody je 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.

Alternativou k laserovému skenování je automatické generování mračna bodů zpracováním fotogrammetrických snímků pomocí automatické korelace. Výsledná třírozměrná data opět nejsou vektorová, ale pouze rastrová. Vektorová data lze z nich odvodit až při následném zpracování a také ne se zcela 100% úspěšností.

Podstata technického řešení

Sestava je tvořena jednou, dvěma nebo i více platformami, na kterých je umístěno jedno nebo více digitálních snímacích zařízení a jeden nebo více zdrojů světelných značek. Platformy (a tím i digitální snímací zařízení a zdroje světelných značek) jsou lokalizovány a orientovány v prostoru a umožňují měnit směr snímání scény digitálním snímacím zařízením a měnit a případně i měřit směrové úhly vysílání světelných značek.

- 1 CZ 29764 UI

Dále sestavu tvoří řídicí jednotka, vyhodnocovací jednotka, vstupní jednotka a detektor hran. Digitální snímací zařízení je nastaveno tak, aby snímalo proměřovanou oblast pozorované scény. Řídicí jednotka detekuje v obraze digitálního snímacího zařízení, prostřednictvím detektoru hran, hrany, automaticky na ně nastavuje jednu nebo více světelných značek ve scéně a tím označuje body, jejichž prostorové souřadnice se mají automaticky vyhodnotit. Vyhodnocovací jednotka identifikuje značky v obraze snímaném digitálním snímacím zařízením, odečítá úhly ze zdrojů světelných značek a na základě geometrických vztahů určí polohu označených bodů v prostoru. Buďto automaticky, nebo podle pokynů obsluhy zadávaných prostřednictvím vstupní jednotky, může dále například dvojici bodů spojit úsečkou, nebo více body proložit zadaný obrazec (čtverec, obdélník, kružnici, lomenou čáru, mnohoúhelník apod.). Plochy, které leží mezi detekovanými hranami, umožňuje systém automaticky pokrýt sítí bodů a tím zachytit i prostorový průběh těchto ploch.

Alternativně je možné světelné značky do scény umísťovat na základě pokynů obsluhy zadávaných prostřednictvím vstupní jednotky (tj. dle pokynů operátora) a automaticky vyhodnocovat jen souřadnice světelnými značkami označených bodů. Data tak mohou být pořizována v poloautomatickém módu.

Podstatou ochrany je tedy sestava, které umožňuje získávat třírozměrná vektorová data přímo v terénu zcela automatickým nebo poloautomatickým měřením na pozorované scéně při použití alespoň jednoho digitálního snímacího zařízení a jednoho nebo více zdrojů světelných značek, schopných odměřovat úhly, pod kterými jsou světelné značky vysílány. Získávaná třírozměrná vektorová data lze průběžně porovnávat s digitálním obrazem pozorované scény a zjišťovat rozdíly mezi skutečností a vytvářeným digitálním modelem pozorovaných objektů ve scéně.

Pro účely této přihlášky je platformou myšlen - podstavec např. monopod, tripod apod. Propojení jednotlivých částí sestavy je realizováno pomocí prostředků umožňujících přenos dat - např. kabely, bezdrátový přenos. Vstupní jednotku pak představuje např. počítač, notebook, tablet, chytrý telefon apod.

Výhodou navrhovaného řešení je možnost provádět měření přímo v terénu, v reálném čase pořizovat nativní třírozměrná vektorová data, průběžně je porovnávat se skutečnou scénou a eliminovat tak jednak čas potřebný na přípravu měření v laboratoři a jednak i potenciální chyby a nepřesnosti, k nimž může pri měření dojít, ale i chyby a nepřesnosti, k nimž může dojít pri následném laboratorním zpracování fotogrammetrickou nebo jinou metodou.

Objasnění výkresu

Na obrázku 1 je schematicky znázorněna sestava umožňující automatický sběr třírozměrných vektorových dat popsaná v příkladu 4.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Sestava pro automatický sběr třírozměrných vektorových dat se skládá z řídící jednotky 4 propojené s platformou I nesoucí digitální snímací zařízení 2, dále s druhou platformou I nesoucí zdroj světelné značky 3, vyhodnocovací jednotkou 5 a vstupní jednotkou 6.

Příklad 2

K zaměření geometrie kamenného mostu je použito digitální snímací zařízení 2, zařízení emitující světelnou značku 3 (příkladně laserový paprsek), řídicí jednotka 4 a vyhodnocovací jednotka 5. Řídicí jednotka 4 i vyhodnocovací jednotka 5 jsou spojeny prostředky pro přenos dat, příkladně kabely, jednak s digitální snímací jednotkou 2 a jednak se zařízením emitujícím světelnou značku 3. Zařízení, emitující světelnou značku 3, je opatřeno prostředky pro snímání směru vysílání světelné značky 3 a prostředky pro nastavování orientace zdroje světelné značky 3 v prostoru. Toto zařízení je opatřeno ovládacím prvkem umožňujícím ručně nastavovat směr světelné značky 3. Vyhodnocovací jednotka 5 registruje směr vysílání světelné značky 3 a polohu bodu, představujícího průsečík povrchu budovy a paprsku světelné značky 3 na obrazu z digitál-2CZ 29764 Ul ního snímacího zařízení 2. Za použití známé hodnoty polohy digitálního snímacího zařízení 2 a zdroje světelné značky 3 vyhodnocuje vyhodnocovací jednotka 4 souřadnice jednotlivých bodů, nacházejících se na povrchu zaměřovaného mostu. Při pořizování záznamu obsluha mění manuálně směr vysíláni světelné značky 3, čímž umisťuje průsečík paprsku světelné značky 3 a povrchu mostu do vybraných bodů, jejichž souřadnice mají být zjištěny, případně na základě vizuálního pozorování mostu sleduje světelnou značkou 3 linie konstrukce mostu. Digitální snímací zařízení 2 snímá proměřovanou část scény. Vyhodnocovací jednotka 4 zaznamenává snímaný obraz a zjišťuje údaje o poloze průsečíku paprsku světelné značky 3 s povrchem snímaného mostu na obraze z digitálního snímacího zařízení 2 a dále sleduje úhly paprsku světelné značky 3 odpovídající jednotlivým bodům, přičemž ze známé polohy digitálního snímacího zařízení 2 a zdroje světelné značky 3 vyhodnocuje souřadnice jednotlivých bodů na povrchu mostu, případně průběžně vyhodnocuje sérii bodů sledujících pohybující se paprsek.

Příklad 3

Příklad 3 se od přikladu 2 liší tím, že řídicí jednotka 4 i platforma I zdroje světelné značky 3 jsou dále opatřeny prostředky umožňujícími ovládání směru nebo polohy zdroje světelné značky 3 podle pokynů zadávaných obsluhou řídicí jednotce 4 prostřednictvím vstupní jednotky 6, čímž je umisťován průsečík paprsku světelné značky 3 a povrchu mostu do vybraných bodů, jejichž souřadnice mají být zaměřeny, případně na základě vizuálního pozorování digitálního obrazu sleduje světelnou značkou 3 linie konstrukce mostu. Digitální snímací zařízení 2 snímá proměřovanou část scény. Vyhodnocovací jednotka 4 zaznamenává snímaný obraz a zjišťuje údaje o poloze průsečíku paprsku světelné značky 3 s povrchem snímaného mostu na obraze z digitálního snímacího zařízení 2 a dále sleduje úhly paprsku světelné značky 3 odpovídající jednotlivým bodům, přičemž ze známé polohy digitálního snímacího zařízení 2 a zdroje světelné značky 3 vyhodnocuje souřadnice jednotlivých bodů na povrchu mostu, případně průběžně vyhodnocuje sérii bodů sledujících pohybující se paprsek.

Příklad 4

Příklad 4 se od předchozích příkladů liší tím, že je v detekčním systému umístěn detektor 7 hran pro automatickou detekci hran a význačných bodů na proměřovaném objektu, kteiý následně automaticky řídí směr vysílání paprsku světelné značky 3 tak, že navádí světelnou značku 3 po hranách a význačných bodech měřeného tělesa mostu, detekovaných v obraze digitálního snímacího zařízení 2, aby postupně označovala proměřované body v pozorované scéně. Digitální snímací zařízení 2 snímá proměřovanou část scény. Vyhodnocovací jednotka 4 zaznamenává snímaný obraz a zjišťuje údaje o poloze průsečíku paprsku světelné značky 3 s povrchem snímaného mostu na obraze z digitálního snímacího zařízení 2 a dále sleduje úhly paprsku světelné značky 3 odpovídající jednotlivým bodům, přičemž ze známé polohy a orientace digitálního snímacího zařízení 2 a zdroje světelné značky 3 vyhodnocuje souřadnice jednotlivých bodů na povrchu mostu. Vyhodnocovací jednotka 4 postupně vytváří „drátěný“ model mostu. Obsluha sleduje pohyb světelného bodu po snímaném tělese a v případě potřeby koriguje výsledek přidáváním dalších zaměřovaných bodů prostřednictvím pokynů zadávaných s využitím vstupní jednotky 6. Příklad 5

Sestava popsaná v příkladu 1 se od příkladu 4 liší tím, že je opatřena dalšími platformami 1 (druhou, třetí ...) a osazena dalším digitálním snímacím zařízením 2. Dvě a více digitálních snímacích zařízení 2 snímá proměřovanou část scény. Vyhodnocovací jednotka 4 zaznamenává snímané obrazy a zjišťuje údaje o poloze průsečíku paprsku světelné značky 3 s povrchem snímaného mostu na obrazech z digitálních snímacích zařízení 2, přičemž ze známé polohy a orientace digitálních snímacích zařízení 2 vyhodnocuje souřadnice jednotlivých bodů na povrchu mostu. Vyhodnocovací jednotka 4 postupně vytváří „drátěný“ model mostu. Obsluha sleduje pohyb světelného bodu po snímaném tělese a v případě potřeby koriguje výsledek přidáváním dalších zaměřovaných bodů prostřednictvím pokynů zadávaných s využitím vstupní jednotky 6.

-3CZ 29764 Ul

Příklad 6

Sestava uvedená v tomto příkladu se od příkladu 5 liší tím, že dále sleduje úhly paprsku světelné značky 3 odpovídající jednotlivým bodům, přičemž ze známé polohy a orientace nejméně dvou digitálních snímacích zařízení 2 a zdroje světelné značky 3 vyhodnocuje souřadnice jednotlivých bodů na povrchu mostu. Vyhodnocovací jednotka 4 postupně vytváří „drátěný“ model mostu. Obsluha sleduje pohyb světelného bodu po snímaném tělese a v případě potřeby koriguje výsledek přidáváním dalších zaměřovaných bodů prostřednictvím pokynů zadávaných s využitím vstupní jednotky 6.

Příklad 7

Příklad 7 se od předchozích příkladů odlišuje tím, že sestava obsahuje více platforem I nesoucích další zdroje světelných značek 3.

Příklad 8

Sestava popsaná v tomto příkladu sdružuje některé části do funkčních celků. Řídicí jednotka 4, vyhodnocovací jednotka 5 a detektor 7 hran jsou realizovány do jednoho celku a nejméně jedna platforma 1 současně nese jak digitální snímací zařízení 2, tak i zdroj světelné značky 3. Průmyslová využitelnost

Sestávaje využitelná např. v oblasti památkové ochrany architektury - pro konzervátory a restaurátory historických budov a soch. Dále je sestava využitelná pro proměřování nebezpečných prostor za účelem zjišťování úzkých profilů pro záchrannou techniku, pro mapování archeologických vykopávek nebo pro automatické mapování scény pro potřeby navigace autonomních robotů.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (2)

1. Sestava pro automatický sběr třírozměrných vektorových dat, vyznačující se tím, že je složena z řídící jednotky (4) propojené s digitálním snímacím zařízením (2) a zdrojem světelné značky (3), které jsou umístěné nejméně na jedné platformě (1) a dále je propojena s vyhodnocovací jednotkou (5) a vstupní jednotkou (6).

2. Sestava pro automatický sběr třírozměrných vektorových dat podle nároku 1, vyznačující se tím, že je řídící jednotka (4) propojena s detektorem (7) hran.