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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine automatische Kollimationsvorrichtung
für ein
Vermessungsgerät,
die eine Abbildungsvorrichtung, wie beispielsweise einen CCD-Flächensensor,
aufweist, so dass ein Ziel basierend auf einem von der Abbildungsvorrichtung
erhaltenen Bild automatisch kollimierbar ist.
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Seit
kurzem findet ein Vermessungsgerät Verwendung,
das derart aufgebaut ist, dass ein Ziel basierend auf einem von
der Abbildungsvorrichtung erhaltenen Bild automatisch kollimierbar
ist. Diese Art von Vermessungsgerät ist aus dem Japanischen Patent
3621123 bekannt und in den 11 und 12 dargestellt.
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Das
bekannte Vermessungsgerät
weist, wie in 11 dargestellt,
ein Teleskop, bestehend aus einer Objektivlinse 1, einem
dichroitischen Spiegel 2, einem Kondensor 3 und
einer Festzustandsbilderfassungsvorrichtung 4 auf einer
Kollimationsachse (optische Achse) O. Licht, das die Objektivlinse 1,
den dichroitischen Spiegel 2 und den Kondensor 3 passiert
hat, wird auf die Festzustandsbilderfassungsvorrichtung 4 fokussiert.
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Darüber hinaus
weist das bekannte Vermessungsgerät eine Lichtemittiereinheit 6 auf,
wobei von der Lichtemittiereinheit 6 emittiertes moduliertes Licht
entlang der Kollimationsachse O durch einen Kondensor 7,
einen Dreieckspiegel 5, den dichroitischen Spiegel 2 und
die Objektivlinse 1 gerichtet wird. Das entlang der Kollimationsachse
O gesendete modulierte Licht kehrt infolge der Reflexion durch ein
an einem Messpunkt angeordnetes Zielprisma (im folgenden als Ziel
bezeichnet) entlang der Kollimationsachse O zurück, durchdringt die Objektivlinse 1,
den dichroitischen Spiegel 2 und den Kondensor 3 und
fällt schließlich auf
die Festzustandsbilderfassungsvorrichtung 4. Ein Teil des
modulierten Lichts wird von dem dichroitischen Spiegel 2 und
dem Dreieckspiegel 4 reflektieret und fällt durch einen Kondensor 9 auf
eine Lichtempfangseinheit 8.
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Bei
dem bekannten Vermessungsgerät
wird die Phasendifferenz zwischen dem von der Lichtemittiereinheit 6 emittierten
modulierten Licht und dem in die Lichtempfangseinheit 8 einfallenden
modulierten Licht durch einen nicht dargestellten Phasenmesser bestimmt
und basierend auf der Phasendifferenz wird die Entfernung zu dem
Ziel durch eine nicht dargestellte arithmetische Steuereinheit berechnet.
Zu diesem Zeitpunkt werden der Horizontalwinkel sowie der Vertikalwinkel
des Teleskops (Kollimationsachse) mittels einer nicht dargestellten
Horizontalwinkelmesseinheit (Horizontalcodierer) und einer Vertikalwinkelmesseinheit
(Vertikalcodierer) gemessen.
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Während des
Messens der Entfernung und der Winkel muss das Ziel kollimiert werden,
so dass es exakt auf der Kollimationsachse O positioniert ist. Diese
Kollimation wird wie im folgenden beschrieben automatisch durchgeführt.
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Zunächst wird
das Teleskop auf ein Ziel 11 gerichtet und, um ein das
Ziel 11 enthaltendes Bild gemäß 12(A) zu
erhalten, wird ein beleuchtetes Bild, bei dem die Lichtemittiereinheit 6 Licht
emittiert, und ein unbeleuchtetes Bild bei abgeschalteter Lichtemittiereinheit 6 durch
die Festzustandsbilderfassungsvorrichtung 4 gewonnen. Mittels
der nicht dargestellten arithmetischen Steuereinheit wird sodann die
Differenz zwischen beiden Bildern bestimmt. Aus der Differenz zwischen
beiden Bildern wird, wie in 12(B) dargestellt,
ein Bild ausschließlich
des Ziels 11 erhalten. Dies ermöglicht die Bestimmung einer
horizontalen Abweichung H und einer vertikalen Abweichung V des
Ziels 11 von dem Mittelpunkt eines Rasters, das die Richtung
der Kollimationsachse O angibt. Durch Drehen des Teleskops mittels
einer nicht dargestellten Horizontalantriebseinheit (Horizontal-Servomotor)
und einer Vertikalantriebseinheit (Vertikal-Servomotor) bis die
horizontale Abweichung H und die vertikale Abweichung V null sind,
kann das Ziel 11 automatisch kollimiert werden.
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Zwar
wird die zuvor beschriebene Kollimation bei still stehendem Teleskop
durchgeführt,
aber die automatische Kollimation kann auch bei sich drehendem Teleskop
durchgeführt
werden. Der Drehwinkel des Teleskops wird durch Zählen der
Ausgangsimpulse der nicht dargestellten Horizontalwinkelmesseinheit
und der Vertikalwinkelmesseinheit bestimmt. Wenn beispielsweise
bei sich horizontal drehendem Vermessungsgerät eine Differenz des Teleskopwinkels
zwischen dem Zeitraum, in dem die Lichtemittiereinheit 6 zum
Erhalten eines beleuchteten Bildes Licht emittiert, und dem Zeitraum,
in dem die Lichtemittiereinheit 6 zum Erhalten eines nicht
beleuchteten Bildes abgeschaltet ist, festgestellt wird, kann der
Verschiebungsbetrag X (Winkeldifferenz) zwischen dem beleuchteten
Bild und dem nicht beleuchteten Bild, wie in 12(C) dargestellt,
einfach berechnet werden. Wenn der Verschiebungsbetrag X zwischen
den Bildern bestimmt ist, können
die horizontale Abweichung H und die vertikale Abweichung V leicht
berechnet werden, indem die Differenz zwischen beiden Bildern durch
Verschieben entweder des beleuchteten Bildes oder des nicht beleuchteten Bildes
um den Verschiebungsbetrag X bestimmt wird, und das Ziel 11 kann
automatisch kollimiert werden.
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Da
das aus dem Japanischen Patent 3621123 bekannte Vermessungsgerät nur unter
Verwendung von Winkeldetektoren in der Lage ist, eine automatische
Kollimation ungeachtet der Tatsache durchzuführen, dass das Teleskop sich
dreht oder still steht, ist eine automatische Kollimation zu jeder Zeit
nur mit Winkeldetektoren einfach möglich.
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Das
zuvor beschriebene bekannte Vermessungsgerät bestimmt den Verschiebungsbetrag
X zwischen dem durch das Licht der Lichtemittiereinheit
6 beleuchteten
Bild und dem aufgrund der abgeschalteten Lichtemittiereinheit
6 nicht
beleuchteten Bild unter Verwendung von Winkeldetektoren, wie beispielsweise
einem Horizontalcodierer und einem Vertikalcodierer. Jedoch weisen
einige Vermessungsgeräte,
wie Nivellierungsgeräte,
keine Winkeldetektoren wie Codierer auf. Das in
JP 3621123 beschriebene Vermessungsgerät weist
den Nachteil auf, dass ohne Winkeldetektoren eine automatische Kollimation
bei sich drehendem Teleskop nicht durchgeführt werden kann.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Vermessungsgerät, das in
der Lage ist, basierend auf einem von einer Abbildungsvorrichtung erhaltenen Bild,
eine automatische Kollimation durchzuführen, derart weiterzubilden,
dass es eine automatische Kollimation ohne Verwendung von Winkeldetektoren
selbst bei drehendem Teleskop durchführen kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
einer automatischen Kollimationsvorrichtung für ein Vermessungsgerät, die aufweist:
eine Abbildungsvorrichtung, die ein von einem Teleskop erfasstes
Ziel und die Umgebung des Ziels abbildet; eine das Teleskop drehende
Antriebseinheit; eine Lichtemittiereinheit, die Licht in Richtung
des Ziels leitet; und eine arithmetische Steuereinheit, welche die
Position des Ziels basierend auf der Differenz zwischen einem beleuchteten
Bild, das infolge der Abbildung durch die Abbildungsvorrichtung
bei eingeschalteter Lichtemittiereinheit erhalten wird, und einem
nicht beleuchteten Bild, das infolge der Abbildung durch die Abbildungsvorrichtung
bei abgeschalteter Lichtemittiereinheit erhalten wird, bestimmt
und die Antriebseinheit steuert, um das Ziel automatisch zu kollimieren,
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
die arithmetische Steuereinheit eine Korrelationsoperation zwischen
dem beleuchteten Bild und dem unbeleuchteten Bild durchführt, um
eine Position zu bestimmen, in der die Bilder die größte Koinzidenz
aufweisen, und die Position des Ziels basierend auf der Differenz
zwischen den beiden Bildern an dieser Koinzidenzposition bestimmt.
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Die
Erfindung sieht ferner vor, dass die Position der größten Koinzidenz
der Bilder als erreicht gilt, wenn im Verlauf einer zur Bestimmung
der Korrelation bezüglich
einander überlappender
Pixel beider Bilder durchgeführten
Korrelationsoperation zwischen dem beleuchteten Bild und dem unbeleuchteten
Bild die maximale Korrelation erreicht ist.
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Die
Erfindung sieht des weiteren vor, dass die Position der größten Koinzidenz
der Bilder als erreicht gilt, wenn im Verlauf einer in Querrichtung durchgeführ ten Korrelationsoperation
zwischen dem beleuchteten Bild und dem unbeleuchteten Bild, welche
dazu dient, in überlappenden
Bereichen der beiden Bilder eine Korrelation bezüglich des Gesamtwerts der Helligkeit überlappender
Pixel auf einer geraden Linie in Längsrichtung zwischen beiden
Bildern zu bestimmen, die maximale Korrelation erreicht ist.
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Alternativ
gilt die Position der größten Koinzidenz
der Bilder erfindungsgemäß als erreicht,
wenn im Verlauf einer in Längsrichtung
durchgeführten Korrelationsoperation
zwischen dem beleuchteten Bild und dem unbeleuchteten Bild, welche
dazu dient, in überlappenden
Bereichen der beiden Bilder eine Korrelation bezüglich des Gesamtwerts der Helligkeit überlappender
Pixel auf einer geraden Linie in Querrichtung zwischen beiden Bildern
zu bestimmen, die maximale Korrelation erreicht ist.
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Gemäß der Erfindung
wird die Korrelationsoperation während
des Verschiebens entweder des beleuchteten oder des unbeleuchteten
Bildes durchgeführt,
und der zu diesem Zeitpunkt verschiebbare Bereich ist auf einen
Bereich begrenzt, der anhand eines von der arithmetischen Steuereinheit
an die Antriebseinheit gesendeten Steuersignals geschätzt wird.
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Durch
die Korrelation zwischen dem beleuchteten und dem nicht beleuchteten
Bild und die Bestimmung der Position der größten Koinzidenz beider Bilder
sowie die Bestimmung der Position eines Ziels anhand der Differenz
zwischen den Bildern an der Koinzidenzposition ist es möglich, ohne
Winkeldetektoren eine automatische Kollimation selbst bei drehendem
Teleskop durchzuführen.
Da ferner die Position der größten Koinzidenz
als erreicht gilt, wenn die maximale Korrelation zwischen überlappenden
Bereichen der Bilder erreicht ist, ist die Position der größten Koinzidenz
der Bilder leicht und zuverlässig
bestimmbar.
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Mittels
einer richtungsbezogenen und durch den Gesamthelligkeitswert bestimmten
Korrelation der beiden Bilder lassen sich, wie zuvor beschrieben, die
Positionen der größten Koinzidenz
sowohl in Querrichtung, als auch in Längs richtung mit weniger Rechenaufwand
als bei der vorgenannten nicht richtungsbezogenen Korrelation bestimmen,
wodurch die automatische Kollimation schneller durchgeführt werden
kann.
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Da
die Korrelationsoperation während
des Verschiebens eines der beiden Bilder erfolgt und der jeweilige
Verschiebungsbereich auf einen anhand eines Steuersignals geschätzten Bereich
begrenzt ist, ist die zum Bestimmen der Korrelation zwischen beiden
Bildern erforderliche Zeit verkürzt,
und die Position der größten Koinzidenz
der beiden Bilder kann zum Zweck einer beschleunigten Durchführung der automatischen
Kollimation bestimmt werden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die zugehörigen
Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer automatischen Kollimationsvorrichtung für ein Vermessungsgerät gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 ein
Diagramm zur Erläuterung
eines optischen Systems der automatischen Kollimationsvorrichtung;
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3 eine
Draufsicht auf einen in der automatischen Kollimationsvorrichtung
verwendeten Flächensensor;
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4 ein
optisches System, bei dem die automatische Kollimationsvorrichtung
in eine Totalstation integriert ist;
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5 Darstellungen
zur Erläuterung
von Prinzipien der automatischen Kollimationsvorrichtung;
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6 ein
Diagramm zur Erläuterung
einer Korrelation;
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7 Darstellungen
zur Erläuterung
eines Verfahrens zur Bestimmung eines Bereichs, um den ein beleuchtetes
und ein nicht beleuchtetes Bild bei einer Operation zur Korrelation
beider Bildern verschoben werden;
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8 Darstellungen
zur Erläuterung
von Prinzipien einer automatischen Korrelationsvorrichtung für ein Vermessungsgerät nach einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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9 ein
optisches System, bei dem eine automatische Kollimationsvorrichtung
nach einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in ein automatisches Nivellierungsgerät integriert
ist;
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10 ein
optisches System, bei dem eine automatische Kollimationsvorrichtung
nach einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in ein elektronisches Nivellierungsgerät integriert
ist;
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11 ein
Diagramm zur Erläuterung
eines optischen Systems eines herkömmlichen Vermessungsgeräts mit einer
Abbildungsvorrichtung;
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12 Darstellungen
zur Erläuterung
der Prinzipien einer automatischen Kollimationsvorrichtung für ein herkömmliches
Vermessungsgerät
mit einer Abbildungsvorrichtung.
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Zunächst wird
anhand der 1 bis 7 ein erstes
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer
automatischen Kollimationsvorrichtung für ein Vermessungsgerät beschrieben.
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Wie
in 1 dargestellt, weist die erfindungsgemäße automatische
Kollimationsvorrichtung auf: eine Lichtemittiereinheit 24,
welche Kollimationslicht emittiert, einen Flächensensor 20, beispielsweise
einen CCD, der eine Abbildungsvorrichtung darstellt, welche das
von einem Ziel reflektierte Kollimationslicht empfängt, einen
Bildprozessor 21, der das von dem Flächensensor 20 erhalte ne
Bild verarbeitet, und eine Horizontalantriebseinheit 28 sowie
eine Vertikalantriebseinheit 30, die ein Teleskop drehen, wobei
diese mit einem Mikrocomputer (arithmetische Steuereinheit) 32 verbunden
sind. Der Mikrocomputer 32 steuert die Horizontalantriebseinheit 28 und
die Vertikalantriebseinheit 30 basierend auf einem von dem
Bildprozessor 21 verarbeiteten Zielbild, um das Ziel in
genaue Übereinstimmung
mit dem Ursprung der Koordinaten des Flächensensors 20 zu
bringen. Der Mikrocomputer 32 ist ferner mit einer Anzeigeeinheit 22 verbunden,
und ein Messwert, ein von dem Flächensensor 20 erhaltenes
Bild und dergleichen werden auf der Anzeigeeinheit 22 angezeigt.
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Gemäß 2 besteht
das Teleskop (kollimierendes optisches System) des Vermessungsgeräts aus einer
Objektivlinse 41, einer Fokussierlinse 43, einem
Umkehrprisma 44, einem Strichplattenglas 47 und
einer Okularlinse 48, die auf einer Kollimationsachse (optischen
Achse) O angeordnet sind. Das optische System der automatischen
Kollimationsvorrichtung 40 besteht aus der Lichtemittiereinheit 24, welche
Kollimationslicht emittiert, einer Kollimatorlinse 26,
welche das Kollimationslicht in parallele Lichtstrahlen kollimiert,
einem reflektierenden Spiegel 45 und einem reflektierenden
Prisma 46, welche das Kollimationslicht rechtwinklig in
Richtung der Objektivlinse 41, eines dichroitischen Spiegels 42 und
des Flächensensors 20 reflektieren.
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Da
von der Objektivlinse 41 kondensiertes natürliches
Licht durch das dichroitische Prisma 42 dringt, wird das
Zielbild auf das Strichplattenglas 47 fokussiert. Der Benutzer
kann das Zielbild durch die Okularlinse 48 betrachten und
anschließend
auch eine manuelle Kollimation vornehmen. Andererseits passiert
von der Lichtemittiereinheit 24 emittiertes Kollimationslicht
die Kollimatorlinse 26, wobei der Lichtweg rechtwinklig
durch den reflektierenden Spiegel 45 und das reflektierende
Prisma 46 umgelenkt und anschließend entlang einer Kollimationsachse
O gerichtet wird. Das gerichtete Kollimationslicht kehrt infolge
der Reflexion durch ein Ziel entlang der Kollimationsachse O zurück, wird
von der Objektivlinse 41 kondensiert, durch das dichroitische
Prisma 42 rechtwinklig reflektiert und fällt auf
den Flächensensor 20.
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Der
Flächensensor 20 ist,
wie in 3 dargestellt, durch das Anordnen von Pixeln 50 in
einem Gittermuster und durch Bestimmen einer Zeile i auf einer in
Querrichtung verlaufenden Geraden I und einer Spalte j auf einer
in Längsrichtung
verlaufenden Geraden J gebildet, so dass die von jedem einzelnen der
Pixel 50 empfangene Lichtmenge, d.h. die Helligkeit, an
den Mikrocomputer 32 ausgegeben werden kann. Das von dem
Flächensensor 20 erhaltene
Bild, welches das Ziel und einen Hintergrund umfasst, kann über den
Mikrocomputer 32 auf der Anzeigeeinheit 22 angezeigt
werden.
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4 ist
ein Beispiel für
ein optisches System, bei dem die automatische Kollimationsvorrichtung 40 in
eine Totalstation integriert ist. Zusätzlich zu dem optischen System
der automatischen Kollimationsvorrichtung 40 und dem zuvor
beschriebenen optischen System des Teleskops ist in einer Totalstation ein
optisches System eines elektrischen Entfernungsmessers vorgesehen.
Das optische System des elektrischen Entfernungsmessers besteht
aus einer Lichtemittiereinheit 60 zum Messen der Entfernung,
einem Strahlteiler 62, einem dichroitischen Prisma 64,
der Objektivlinse 41, einem Lichtempfangselement 66 und
einem Referenzlichtweg 68, der das für die Entfernungsmessung emittierte
Licht von der Lichtemittiereinheit 60 zur Entfernungsmessung
direkt an das Lichtempfangselement 66 leitet. Zwar sind
die Kollimationsachsen O dieser optischen Systeme sämtlich als
eine identische Achse ausgebildet, jedoch kann der elektrische Entfernungsmesser
von der automatischen Kollimationsvorrichtung und dem optischen
Kollimationssystem getrennt sein, und die Kollimationsachsen derselben
können parallel
oberhalb und unterhalb vorgesehen sein. Da der elektrische Entfernungsmesser
im vorliegenden Fall gleich denjenigen des Standes der Technik ist, erfolgt
hier keine ausführliche
Beschreibung.
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Bei
der automatischen Kollimationsvorrichtung 40 gelten bei
still stehendem Teleskop die gleichen Prinzipien wie bei der bekannten
Vorrichtung nach dem Japanischen Patent 3621123, d.h., der Mikrocomputer 32 erkennt
eine Zielposition und führt eine
automatische Kollimation durch. Anhand der 5 werden
für die
automatische Kollimationsvorrichtung 40 im folgenden das
Erken nen der Zielposition durch den Mikrocomputer 32 und
das Durchführen
der automatischen Kollimation bei drehendem Teleskop beschrieben.
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Zunächst werden
bei Licht emittierender Lichtemittiereinheit 24 ein beleuchtetes
Bild a (siehe 5(A)) und bei ausgeschalteter
Lichtemittiereinheit 24 ein nicht beleuchtetes Bild b (siehe 5(B)) von der Abbildungsvorrichtung 20 erhalten.
Da sich das Vermessungsgerät
dreht, liegt ein Versatz zwischen den Bildern a und b vor. Während eines
schrittweisen Verschiebens eines der beiden Bilder a und b, wie
in der 5(C) dargestellt, wird hinsichtlich
der jeweiligen Helligkeit An und Bn (wobei n die Anzahl der Pixel
ist) der einander überlappenden
Pixel 50 der beiden Bilder a und b in einer Korrelationsoperation
eine Korrelation bestimmt. Wenn die Helligkeiten An und Bn über die
Längs- bzw. die Querachse
aufgetragen werden, ergibt sich das Korrelationsdiagramm gemäß 6.
Wie aus dem Korrelationsdiagramm ersichtlich, ist die Konzentration
der die Helligkeiten An und Bn angebenden Punkte in der Nähe einer
nach rechts ansteigenden Linie 52 mit zunehmender Korrelation
größer. Die
Korrelation ist maximal, wenn beide Bilder a und b koinzidieren,
wie in 5(D) dargestellt.
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Um
die Korrelation automatisch zu bestimmen, wird ein Korrelationskoeffizient
verwendet. Für beide
Bilder a und b, in denen die mittlere Helligkeit der überlappenden
Pixel 50 der beiden Bilder a und b mit Am und Bm angegeben
ist, die Standardabweichungen der überlappenden Pixel 50 beider
Bilder a und b mit As und Bs bezeichnet ist, und die Gesamtzahl
der überlappenden
Pixel 50 der beiden Bilder a und b mit N angegeben ist,
wird ein Korrelationskoeffizient r mittels des folgenden Ausdrucks
bestimmt. r = Σ{(An – Am)(Bn – Bm)}/N ÷ (As·Bs)
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In 5(C) wird eines der beiden Bilder a und
b nur in eine Richtung (hier in Querrichtung) verschoben. Tatsächlich jedoch
wird, nachdem durch Verschieben eines der beiden Bilder in Längs- oder Querrichtung
eine Position ermittelt wurde, in welcher der Korrelationskoeffizient
zwischen den Bildern a und b maximal ist, wird durch Verschieben
eines der beiden Bilder a und b auch in die jeweils andere Richtung
eine Position ermittelt, in welcher der Korrelationskoeffizient
zwischen den Bildern a und b ebenfalls maximal ist.
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Wenn
der Korrelationskoeffizient zwischen den beiden Bildern auf diese
Weise maximiert wurde, kann durch Bestimmen der Differenz zwischen
den beiden Bildern a und b an dieser Position, das Ziel 11 allein
extrahiert werden, wie in 5(E) dargestellt. Danach
wird, wie bei der genannten bekannten Vorrichtung, die horizontale
Abweichung H und die vertikale Abweichung V von dem Mittelpunkt
der Anzeigeeinheit 22, der die Richtung der Kollimationsachse
O angibt, bestimmt, und das Ziel 11 kann automatisch kollimiert
werden.
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Jedoch
ist es für
die Bestimmung der Position des maximalen Korrelationskoeffizienten
nicht erforderlich, den Korrelationskoeffizienten über einen Bereich
von einem Punkt, an dem beide Bilder a und b vollständig überlappen,
bis hin zu einer vollständigen
Nichtüberlappung
der Bilder zu bestimmen. Da die (durch die Pixelanzahl des Flächensensors 20 angegebenen)
Drehzahlen der jeweiligen Servomotoren der Horizontalantriebseinheit 28 und
der Vertikalantriebseinheit 30 einem Steuersignal des Mikrocomputers 32 angepasst
sind, kann der Verschiebungsbetrag zwischen den beiden Bildern a
und b aus der Zeitdifferenz T zwischen dem Erhalten des belichteten
Bildes a, das durch Emittieren von Licht von der Lichtemittiereinheit 24 erzeugt
wurde, und des bei abgeschalteter Lichtemittiereinheit 24 erhaltenen
Bildes b und Drehzahlsollwerten der Servomotoren geschätzt werden.
Es ist daher ausreichend, den Korrelationskoeffizienten zwischen
beiden Bildern a und b während
des Verschiebens eines derselben innerhalb eines begrenzten Bereichs
zu bestimmen, wobei der Verschiebungsbetrag zwischen den beiden
Bildern a und b geschätzt
ist.
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Wenn
die Drehzahlsollwerte der Servomotoren von 0 (Stop) auf eine maximale
positive Drehzahl +Vf erhöht
werden, liegt der Verschiebungsbetrag X bei maximalem Korrelationskoeffizient
zwischen beiden Bildern a und b zwischen 0 und +Vf·T. Wie
in 7(A) dargestellt, ist es daher
ausreichend, während des
Verschiebens eines der beiden Bilder a und b in Quer- und in Längsrichtung,
den Korrelationskoeffizienten in einem begrenzten Bereich zu bestimmen,
wobei der Verschiebungsbetrag X zwischen den Bildern zwischen 0
und +Vm·T
liegt.
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Wenn
die Drehzahlsollwerte der Servomotoren von einer mittleren negativen
Geschwindigkeit –Vm
bis 0 (Stop) reichen, liegt der Verschiebungsbetrag X bei maximalem
Korrelationskoeffizient zwischen den Bildern a und b zwischen –Vm·T und
0. Wie in 7(B) dargestellt, reicht
es daher aus, während
des Verschiebens eines der beiden Bilder a und b sowohl in Quer-
und Längsrichtung,
den Korrelationskoeffizienten in einem begrenzten Bereich zu bestimmen,
wobei der Verschiebungsbetrag X zwischen den Bildern zwischen –Vf·T und
0 liegt.
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Reichen
die Drehzahlsollwerte der Servomotoren von der maximalen positiven
Drehzahl +Vf bis zu der mittleren negativen Drehzahl –Vm, beträgt der Verschiebungsbetrag
X bei maximalem Korrelationskoeffizient zwischen den Bildern a und
b zwischen –Vm·T und
+Vf·T.
Wie in 7(C) dargestellt, reicht es
daher aus, während
des Verschiebens eines der beiden Bilder a und b sowohl in Quer-
und Längsrichtung,
den Korrelationskoeffizienten in einem begrenzten Bereich zu bestimmen,
wobei der Verschiebungsbetrag X zwischen den Bildern zwischen –Vm·T und
+Vf·T
liegt.
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Wenn
die Drehzahlsollwerte der Servomotoren in einem bestimmten Zeitraum
auf komplizierte Weise verändert
werden, und die maximale Drehzahl sowie die minimale Drehzahl während dieses
Zeitraums +Vf bzw. Vs ist, liegt der Verschiebungsbetrag X bei maximalem
Korrelationskoeffizient zwischen den Bildern a und b zwischen +Vs·T und
+Vf·T.
Wie in 7(D) dargestellt, reicht es
daher aus, während des
Verschiebens eines der beiden Bilder a und b sowohl in Quer- und
Längsrichtung,
den Korrelationskoeffizienten in einem begrenzten Bereich zu bestimmen,
wobei der Verschiebungsbetrag X zwischen den Bildern zwischen +Vs·T und
+Vf·T
liegt.
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Da
es, wie zuvor beschrieben, bei der erfindungsgemäßen automatischen Kollimationsvorrichtung 40 selbst
bei Vermessungsgeräten
ohne Winkeldetektoren, wie Winkelcodierer, nicht erforderlich ist,
den Drehwinkel des Teleskops zu bestimmen, wenn beide Bilder a und
b erhalten wurden, ist es durch Vorsehen der automatischen Kollimationsvorrichtung 40 möglich, selbst
bei drehendem Teleskop eine automatische Kollimation durchzuführen. Da
ferner der Korrelationskoeffizient in einem begrenzten Bereich bestimmt
wird, wobei der Verschiebungsbetrag X zwischen beiden Bildern a
und b geschätzt wird,
kann die Position des maximalen Korrelationskoeffizienten innerhalb
kurzer Zeit bestimmt werden, so dass auch eine schnelle automatische
Kollimation möglich
ist.
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Anhand
der 8 wird im folgenden ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. 8 zeigt
ansichten zur Erläuterung
der Prinzipien der erfindungsgemäßen automatischen
Kollimationsvorrichtung gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel.
Die automatische Kollimationsvorrichtung weist den gleichen Aufbau
wie das Vermessungsgerät
nach dem ersten Ausführungsbeispiel auf,
und der Ablauf bis zum Erhalten eines durch die Licht emittierende
Lichtemittiereinheit 24 beleuchteten Bildes a (s. 8(A)) und eines bei abgeschalteter Lichtemittiereinheit 24 erhaltenen
nicht beleuchteten Bildes b, welche jeweils mittels der Abbildungsvorrichtung 20 gewonnen
werden, entspricht dem in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen
Ablauf. Wie im folgenden beschrieben, unterscheidet sich das zweite
Ausführungsbeispiel
von dem ersten Ausführungsbeispiel
jedoch hinsichtlich des Verfahrens der Korrelationsoperation zur
Bestimmung einer Position, in der die größte Koinzidenz beider Bilder
a und b vorliegt.
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Nachdem
beide Bilder a und b wie in den 8(A) und 8(B) gezeigt erhalten wurden, werden in überlappenden
Bereichen der beiden Bilder a und b jeweils die Gesamtsummen Ax
und Bx der Helligkeit sämtlicher
Pixel in bezug auf jede Spalte j entlang einer Geraden J in Längsrichtung
sowie die Gesamtsummen Ay und By der Helligkeit sämtlicher
Pixel in bezug auf jede Zeile i entlang einer Geraden I in Querrichtung
ermittelt.
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Anschließend wird,
wie in 8(C) dargestellt, während des
schrittweisen Verschiebens eines der beiden Bilder a und b in Querrichtung
ein Korrelationskoeffizient in bezug auf die Gesamtsummen Ax und
Bx der Helligkeit jeder überlappenden
Spalte j der beiden Bilder a und b bestimmt. Wenn der Korrelationskoeffizient
der Gesamtsummen Ax und Bx der Helligkeit maximal ist, gilt die
größte Koinzidenz der
beiden Bilder a und b in Querrichtung als erreicht.
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Danach
wird, wie in 8(D) dargestellt, während des
schrittweisen Verschiebens eines der Bilder a und b in Längsrichtung
ein Korrelationskoeffizient in bezug auf die Gesamtsummen Ay und
By der Helligkeit jeder überlappenden
Zeile i zwischen beiden Bildern a und b bestimmt. Wenn der Korrelationskoeffizient
der Gesamtsummen Ay und By der Helligkeit maximal ist, gilt die
größte Koinzidenz
der beiden Bilder a und b in Längsrichtung
als erreicht. Anschließend
kann das Ziel 11 wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel
automatisch kollimiert werden.
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Da
die Korrelationskoeffizienten für
die Gesamtsummen der Helligkeit der Pixel 50 jeder Zeile
i und jeder Spalte j bestimmt wurden, kann bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
ein Punkt, an dem die größte Koinzidenz
der beiden Bilder a und b vorliegt, mit einem geringeren Rechenaufwand
als bei dem ersten Ausführungsbeispiel
bestimmt werden, bei dem der Korrelationskoeffizient in bezug auf
alle Pixel 50 bestimmt wird. Daher kann die automatische Kollimation
schneller durchgeführt
werden.
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Im
folgenden wird eine automatische Kollimationsvorrichtung eines Vermessungsgeräts gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. 9 ist ein
Diagramm zur Erläuterung
eines optischen Systems, bei dem die automatische Kollimationsvorrichtung
in ein automatisches Nivellierungsgerät integriert ist. 10 ist
ein Diagramm zur Erläuterung
eines optischen Systems, bei dem die automatische Kollimationsvorrichtung
in ein elektronisches Nivellierungsgerät integriert ist.
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Wenn
die automatische Kollimationsvorrichtung 40A, wie in 9 gezeigt,
in einem automatischen Nivellierungsgerät integriert ist, ist zusätzlich ein
automatischer Horizontalkompensationsmechanismus 49 vorgesehen,
welcher die Ebenheit der Kollimationsachse O kompensiert. Da es
jedoch nicht erforderlich ist, das Teleskop nach oben und unten
zu drehen, entfällt
die Vertikalantriebseinheit 30. Die anderen Bauteile sind
gleich denjenigen der automatischen Kollimationsvorrichtung 40 der 2.
Dies ermöglicht
selbst bei drehendem Teleskop ein automatisches Kollimieren einer
Nivellierstange bei gleichzeitigem Kompensieren der Ebenheit der
Kollimationsachse O, ohne dass weder Horizontal-, noch Vertikalcodierer
erforderlich sind.
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Wenn
die automatische Kollimationsvorrichtung 40A in ein elektronisches
Nivellierungsgerät
gemäß 10 integriert
ist, sind im Vergleich mit den Bauteilen gemäß 9 ein mit
dem Mikrocomputer 32 verbundener Zeilensensor 70 und
ein dichroitisches Prisma 72, welches Licht entlang der
Kollimationsachse O in Richtung des Zeilensensors 70 reflektiert,
zusätzlich
vorgesehen. Die übrigen
Bauteile entsprechen denjenigen der Darstellung in 9. Dies
ermöglicht
das automatische Kollimieren einer Nivellierungsstange bei gleichzeitigem
Kompensieren der Ebenheit der Kollimationsachse O und ermöglicht des
weiteren das Fokussieren eines Bildes der an einem Vermessungspunkt
angeordneten Stange auf den Zeilensensor 70 und das Ablesen
einer Skala der Stange durch den Mikrocomputer 32.
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Das
dritte Ausführungsbeispiel
der automatischen Kollimationsvorrichtung 40A weist wie
zuvor keine Winkeldetektoren, wie Codierer, auf, sondern ist mit
dem automatischen Horizontalkompensationsmechanismus 49 versehen
und wird ausschließlich für ein automatisches
oder elektronisches Nivellierungsgerät verwendet, bei welchem das
Teleskop nicht auf- und abwärts
gedreht werden muss. Ähnlich den
zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist auch die automatische Kollimationsvorrichtung 40A gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
in der Lage, eine automatische Kollimation durchzuführen, selbst wenn
das Teleskop sich dreht.
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Die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt und
kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. Bei den zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispielen
wurde bei der Korrelationsoperation zur Bestimmung des Punkts der
größten Koinzidenz
der Bilder a und b dieser Punkt mittels des Korrelationskoeffizienten
zwischen den beiden Bildern a und b bestimmt, jedoch kann dieser
Punkt mittels jedes anderen geeigneten Verfahrens bestimmt werden.
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Beispielsweise
kann die Position der größten Koinzidenz
beider Bilder a und b basierend auf einer Position bestimmt werden,
an der das Verhältnis
der die jeweilige Helligkeit An und Bn der überlappenden Pixel 50 angebenden
Punkte in dem Bereich C des Korrelationsdiagramms der 6 maximal
ist. Darüber
hinaus kann ein Restkorrelationsverfahren verwendet werden, um die
Restkorrelation auf der Basis einer Position zu bestimmen, an der
die Summe von Quadraten einer Differenz zwischen den Helligkeiten An
und Bn den geringsten Wert hat. Ferner kann ein Nur-Phasenkorrelationsverfahren
(Fourier-Phasenkorrelationsverfahren)
verwendet werden, um dieselbe anhand einer Position zu bestimmen,
an welcher infolge einer Frequenzanalyse der Helligkeiten von An
und Bn der Grad der Ähnlichkeit
in einem Phasenteil maximal ist.
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- 11
- Ziel
- 20
- Flächensensor
- 25
- Lichtemittiereinheit
- 28
- Horizontalantriebseinheit
(Antriebseinheit)
- 30
- Vertikalantriebseinheit
(Antriebseinheit)
- 32
- Mikrocomputer
(arithmetische Steuereinheit)
- 40,
40A
- automatische
Kollimationsvorrichtung
- 50
- Pixel
- a
- beleuchtetes
Bild
- b
- nicht
beleuchtetes Bild