DE10050892A1

DE10050892A1 - Vorrichtung und Verfahren zur automatisierten Registrierung topometrischer Mehrfachaufnahmen

Info

Publication number: DE10050892A1
Application number: DE2000150892
Authority: DE
Inventors: Dieter Dirksen; Zoltan Boeroecz; Carsten Thomas; Gert Von Bally; Friedhelm Bollmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2002-05-08

Abstract

In der optischen Topometrie besteht ein häufig auftretendes Problem darin, daß die Oberfläche eines Meßobjekts aufgrund dessen Komplexität oder Ausdehnung nicht durch eine Einzelmessung vollständig erfaßt werden kann, weshalb in der Regel Zielmarken im Meßvolumen positioniert werden, die bei der paßgenauen rechnerischen Zusammenführung der Einzelmessungen als Koordinaten-Referenzpunkte dienen. Sollen beispielsweise gegenüberliegende Seiten eines Objektes vermessen werden, sind hierfür häufig sehr viele Einzelmessungen erforderlich, um eine geschlossene Kette von Referenzpunkten zu erhalten, was zu einem erheblichen Zeitaufwand und - durch die Fortpflanzung der Meßfehler bei jeder Teilmessung - insgesamt auch zu einer größeren Meßunsicherheit führt. DOLLAR A Zur Automatisierung und Vereinfachung dieses Vorgangs wird ein Referenzkörper in Gestalt eines Polyeders in das Meßvolumen eingebracht, dessen Seitenflächen als Referenzfelder mit Zielmarken und einer maschinenlesbaren Kennzahl versehen sind. Dieser Referenzkörper wird einmalig vollständig topometrisch gemessen, so daß während der Meßsequenz die Erfassung eines beliebigen Referenzfeldes ausreicht, um die gemessenen Raumkoordinaten in einem gemeinsamen Koordinatensystem zu orientieren. Durch zusätzliche, auf den Seitenflächen angebrachte, verkleinerte Referenzfelder ist es darüber hinaus möglich, Detailaufnahmen mit höherer Auflösung in die Gesamtmessung zu integrieren. DOLLAR A Die Vorrichtung und das Verfahren eignen sich ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatisierten Registrierung von mittels optischer Topometrie erfaßter 3D-Koordinatensätze und bezieht sich auf einen Referenzkörper in Gestalt eines Polyeders, dessen Seitenflächen mit einem maschinenlesbaren Muster versehen sind, sowie auf das Verfahren mit dem anhand des Referenzkörpers mehrere Einzelmessungen eines Objektes automatisiert registriert werden können.

Aktive optische topometrische Verfahren wie z. B. die phasenmessende Profilometrie ermöglichen mittels Projektion von Lichtmustern auf einem Objekt zusammen mit einer rechnergestützten photogrammetrischen Auswertung der digitalisierten Kamerabilder die Erfassung großer dreidimensionaler Datenmengen in kürzester Zeit, die als digitales Abbild des Objektes für die unterschiedlichsten Anwendungen zur Verfügung stehen. Mit einer Messung kann allerdings bei komplexeren Objekten jeweils nur ein Teil der Oberfläche erfaßt werden. Soll das Objekt vollständig erfaßt werden, so sind mehrere Teilmessungen nötig, die registriert, d. h. deren Koordinatensätze im Rechner passend zueinander orientiert werden müssen. Hierzu werden im Meßvolumen mindestens drei Referenzpunkte - in der Regel Zielmarken in der Form von Kreisscheiben - so positioniert, daß sie sich bei Messungen aus unterschiedlichen Perspektiven im Meßfeld befinden und bei der anschließenden Auswertung als Koordinatenfixpunkte herangezogen werden können, anhand derer ein paßgenaues Zusammenfügen der Datensätze möglich ist.

Derzeitige Verfahren verwenden hierzu Zielmarken, die einzeln auf dem Objekt angeordnet werden. Für die Registrierung jeweils zweier Messungen müssen aus beiden Perspektiven mindestens drei dieser Marken gleichzeitig sichtbar sein. Während dies für Objekte, deren Oberfläche aus einem großen Winkelbereich einsehbar ist, kein Problem darstellt, erfordert zum Beispiel die paßgenaue Erfassung der Vorder- und Rückseite eines Objektes zusätzliche Meßperspektiven, um eine durchgehende Sequenz von Referenzpunkten und Meßansichten zu erhalten, die eine Orientierung von Vorder- und Rückansicht ermöglichen. Bei ausgedehnten oder komplexen Meßobjekten oder Objekten, bei denen Vorder- und Rückseiten zu vermessen sind, ergibt sich somit durch das herkömmliche Verfahren ein erheblicher Zeitaufwand.

Um ein Objekt vollständig zu vermessen, muß es aus vielen unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen werden. Können aus einer bestimmten Perspektive die bereits am Objekt angebrachten Referenzpunkte nicht erfaßt werden, so müssen dem Auswertungsalgorithmus neue Referenzpunkte in jenen Perspektiven beigebracht werden, in denen einerseits die bereits erlernten Referenzpunkte zu sehen sind, die andererseits zu einer fortgeführten Schließung der Oberfläche führen. Aufgrund der manuellen Vorgehensweise bei dieser Identifikation ist die vollständige Aufnahme eines Objekte sehr zeitaufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Registrierung von mittels optischer Topometrie erfaßter 3D-Koordinatensätze zu automatisieren und den Meßvorgang zu vereinfachen und zu beschleunigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Referenzkörper in Form eines Polyeders mit einer Standfläche und mindestens drei weiteren Flächen mit entweder einem Referenzfeld oder zwei Referenzfeldern, von denen das eine die maßstäbliche Verkleinerung des anderen mit einer anderen Kennzahl darstellt und aus einem ebenen Muster aus drei farblich vom Hintergrund abgehobenen Zielmarken in Form von Kreisscheiben, einer Kennzahl und derselben Kennzahl codiert in Form einer binären Balkensequenz besteht. Dabei wird der Referenzkörper vor Beginn der Messung, bei der er innerhalb des Meßvolumens zu positionieren ist, einmalig selber topometrisch vollständig vermessen, so daß die Raumkoordinaten aller Zielmarken in einem gemeinsamen Koordinatensystem erfaßt sind und anhand der Kennzahl eindeutig identifiziert werden können.

Die Erfindung erlaubt demnach, jede Messung, bei der ein beliebiges Referenzfeld auf dem Referenzkörper topometrisch bzw. photogrammetrisch erfaßt werden kann, eindeutig innerhalb des durch den Referenzkörper definierten Koordinatensystems zu orientieren und damit die entsprechende Oberflächenanteile des Meßobjektes zu registrieren. Durch die Ausgestaltung der Zielmarken und des Balkencodes auf den Referenzfeldern kann diese Zuordnung sowohl photogrammetrisch anhand von Meßbildern als auch allein auf der Basis der topometrisch gemessenen Koordinatensätze dieser Elemente erfolgen. Dabei können bei Verwendung zweier unterschiedlich großer Referenzfelder auf den Seitenflächen des Referenzkörpers auch höher aufgelöste Detailaufnahmen des Meßfeldes in den Gesamtdatensatz integriert werden.

Diese Erfindung, die für die Registrierung von Teilflächen aller topometrisch erfaßbaren Objekte eingesetzt werden kann, bei denen sich der Referenzkörper im Meßvolumen positionieren läßt, eignet sich insbesondere für die topometrische Vermessung archäologischer Grabungsschnitte, bei denen es sich in der Regel um ausgedehnte Meßfelder handelt, innerhalb derer sich einzelne Fundstücke befinden, die als Detailaufnahmen sowohl mit höherer Auflösung als auch unter Einbeziehung der Vorder- und Rückseiten zu vermessen sind. Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aber auch auf anderen Gebieten, in denen Objekte mit komplexen Oberflächen vollständig zu erfassen sind, beispielsweise bei der Vermessung von Kiefermodellen in der Zahnmedizin oder im industriellen Bereich bei der Formbestimmung von Werkstücken.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 Einen Referenzkörper in Form eines Würfels mit einer Detailzeichnung, die exemplarisch eine Seitenfläche des Referenzkörpers mit zwei unterschiedlich großen Referenzfeldern wiedergibt.

Zu Fig. 1:
(1) zeigt den Referenzkörper in Form eines Würfels. Dessen Seitenflächen sind jeweils mit zwei Referenzfeldern unterschiedlicher Größe versehen (2 + 3). Ein Referenzfeld besteht aus jeweils drei Zielmarken (4) einer Kennzahl (5) und derselben Kennzahl in Form eines Balkencodes (6).

Claims

1. Vorrichtung zur automatisierten Registrierung von mittels optischer Topometrie erfaßter 3D- Koordinatensätze gekennzeichnet durch einen im folgenden als Referenzkörper bezeichneten Polyeder mit einer Standfläche und mindestens drei weiteren Flächen, die versehen sind mit jeweils entweder einem im folgenden als Referenzfeld bezeichneten Muster aus photogrammetrischen Zielmarken und einer maschinenlesbaren Kennung oder zwei Referenzfeldern, von denen das eine die maßstäbliche Verkleinerung des anderen mit einer anderen Kennung darstellt.

2. Vorrichtung zur automatisierten Registrierung von mittels optischer Topometrie erfaßter 3D- Koordinatensätze nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch Referenzfelder bestehend aus jeweils einem ebenen Muster aus mindestens drei farblich vom Hintergrund abgehobenen Zielmarken in Form von Kreisscheiben, die mathematisch eindeutig eine Ebene festlegen, einer Kennung in Form einer Kennzahl und derselben Kennzahl maschinenlesbar codiert in Form einer binären Balkensequenz.

3. Verfahren zur automatisierten Registrierung von mittels optischer Topometrie erfaßter 3D- Koordinatensätze mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzkörper allseitig topometrisch vermessen wird, so daß die räumlichen Koordinaten der Kreismarken aller Referenzfelder in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorliegen und den jeweiligen Kennzahlen zugeordnet sind.

4. Verfahren zur automatisierten Registrierung von mittels optischer Topometrie erfaßter 3D- Koordinatensätze mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 und einem Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß während einer topometrischen Messung aus mehreren Perspektiven ein zuvor eingemessener Referenzkörper so plaziert wird, daß sich während jedes Meßvorganges mindestens ein durch die maschinenlesbare Kennung identifiziertes Referenzfeld im Messfeld befindet, und anhand der bekannten Koordinaten der Zielmarken eine Registrierung der gemessenen Objektkoordinaten vorgenommen wird.