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Die Erfindung betrifft ein System zur optischen Abtastung eines dreidimensionalen Objekts mit den Merkmalen von Anspruch 1.
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Zur Überprüfung dreidimensionaler Objekte ist es vielfach üblich, eine Anzahl zweidimensionaler Bilder anzufertigen und die Bilder dann durch einen menschlichen Experten in Augenschein zu nehmen. Häufig ist eine nachfolgende Anfertigung weiterer Bilder nicht oder nur mit großem Aufwand möglich. Um eine aussagekräftige Untersuchung zu ermöglichen, ist es erforderlich, das Objekt aus allen relevanten Perspektiven fotografisch zu erfassen. Bei großen Objekten kann dies problematisch sein. Dies trifft sowohl für Gebäude wie etwa ein Baudenkmal oder eine Gewerbehalle, als auch für Infrastruktur-Objekte, wie eine Brücke oder einen Kanal, zu.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind Systeme bekannt, mit denen Abtastungen dreidimensionaler Objekte unterstützt werden können. Dabei ist es insbesondere bekannt, eine Ansicht des Objekts aus mehreren Bildern zusammenzusetzen, die unterschiedliche Ansichten des Objekts zeigen. Die Ansichten können Einzelbilder einer Videosequenz sein, die während einer Bewegung der Kamera bezüglich des Objekts erstellt wurde.
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Ein Problem bei bekannten Systemen zur optischen Abtastung von Objekten besteht darin, dass nicht immer bekannt ist, ob die Informationen, die den vorliegenden Bildern entnommen werden können, ausreichen, um das Objekt aus jeder erforderlichen Blickrichtung darzustellen. Ein besonderes Problem stellen hierbei Hinterschneidungen dar, die aus einigen Blickrichtungen nicht erkannt werden können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein System zur optischen Abtastung eines dreidimensionalen Objekts bereitzustellen, das sicherstellt, dass alle für eine spätere Begutachtung relevanten Bildinformationen vorliegen.
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Die Erfindung löst das Problem durch ein System mit den Merkmalen von Anspruch 1. Unter Ansprüche 2 und 3 geben bevorzugte Ausführungsformen des Systems an.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes System zur optischen Abtastung eines dreidimensionalen Objekts umfasst eine Kamera zur Erstellung von Bildern des Objekts, wobei die Kamera in unterschiedliche Positionen bezüglich des Objekts verbringbar ist, und eine Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung, ob mittels der Kamera aus den unterschiedlichen Positionen erstellte Bilder ausreichen, um eine dreidimensionale Repräsentation des Objekts zu erstellen.
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Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine Anzahl Bilder, die während eines Abtastvorgangs vom Objekt abgetastet wurden, ausreichen, um eine nachfolgende Begutachtung bzw. Bewertung des Objekts durchzuführen. Die Vorgänge des Abtastens und des Bewertens sind erfindungsgemäß entkoppelbar, wobei das Objekt während der Bewertung weiter bestimmungsgemäß verwendet werden kann, was eine ausführliche Bewertung auch großer und komplizierter Objekte erlauben kann.
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Bevorzugter Weise ist eine Bewegungsvorrichtung vorgesehen, um die Kamera in die unterschiedlichen Positionen zu verbringen, und die Verarbeitungseinrichtung ist dazu eingerichtet, die Kamera mittels der Bewegungsvorrichtung in eine Position zu verbringen, aus der ein Bild erstellbar ist, aus dem bezüglich eine Anzahl zuvor erstellter Bilder neue Informationen für die dreidimensionale Repräsentation ableitbar sind.
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Der Abtastvorgang zur Bereitstellung einer Anzahl von Bildern aus unterschiedlichen Positionen bezüglich des Objekts kann dadurch teilweise oder vollständig automatisiert ablaufen. Die Bewegungsvorrichtung kann das Objekt bezüglich einer Umgebung, welche die Kamera einschließt, bewegen oder die Kamera bezüglich einer Umgebung, welche das Objekt einschließt, bewegen. Kombinationen sind ebenfalls möglich. Das System kann somit flexibel an kleinen und großen Objekten eingesetzt werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, die dreidimensionale Repräsentation als Datenstruktur in einen Speicher eines programmierbaren Mikrocomputers zu erstellen. Mit anderen Worten, die Verarbeitungseinrichtung erstellt eine virtuelle dreidimensionales Repräsentation des Objekts, wobei die Repräsentation für eine spätere Bewertung bzw. Begutachtung des Objekts verwendet werden kann. In einer Ausführungsform wird die Bestimmung, ob die erstellten Bilder ausreichen, um die dreidimensionale Repräsentation des Objekts zu erstellen, anhand der solchermaßen erstellten Repräsentationen durchgeführt. Dies entspricht einer Konsistenzüberprüfung der erstellten Repräsentation.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 ein System zur optischen Abtastung eines Objekts; und
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2 ein Datenfluss-Modell des Systems von 1
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Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein System 100 zur optischen Abtastung eines dreidimensionalen Objekts 105. Das Objekt 105 ist auf einem Drehtisch 110 angeordnet. Der Drehtisch 110 ist dazu eingerichtet, das Objekt 105 um die Hochachse zu drehen. In anderen Ausführungsformen kann anstelle des Drehtischs 110 auch eine andere Bewegungseinrichtung vorgesehen sein, um das Objekt 105 bezüglich einer oder mehrere Raumachsen zu drehen und/oder zu verschieben.
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Im Bereich des Objekts 105 ist eine Kamera 115 angeordnet, um Bilder des Objekts 105 zu erstellen. In einer alternativen Ausführungsform wirkt der Drehtisch 110 bzw. die entsprechende Bewegungseinrichtung auf die Kamera 115 statt auf das Objekt 105. Es können auch sowohl das Objekt 105 als auch die Kamera 115 mittels einer Bewegungsreinrichtung wie dem Drehtisch 110 beweglich im Raum angeordnet sein.
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Von der Kamera 115 erstellte Bilder werden mittels einer entsprechenden Verbindung an eine Verarbeitungseinrichtung 120 weitergeleitet. Bevorzugter Weise ist die Verarbeitungseinrichtung 120 Teil eines Mikrocomputersystems.
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Die Verarbeitungseinrichtung 120 ist mit einem Datenspeicher 125 verbunden. Der Datenspeicher 125 ist dazu eingerichtet, eine Vielzahl von mittels der Kamera 115 erstellter Bildern zu speichern. Ferner ist die Verarbeitungseinrichtung 120 mit einer Benutzerschnittstelle 130 verbunden, welche einen Bildschirm 135 und eine Eingabeeinrichtung 140 umfasst.
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Die Verarbeitungseinrichtung 120 ist dazu eingerichtet, das Objekt 105 mittels des Drehtischs 110 bezüglich der Kamera 115 in unterschiedliche Positionen zu verbringen und von der Kamera 115 in den unterschiedlichen Positionen erstellte Bilder zu empfangen. Die empfangenen Bilder können zur späteren Verarbeitung im Datenspeicher 125 abgelegt werden.
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Ferner erstellt die Verarbeitungseinrichtung 120 auf der Basis der von der Kamera 115 empfangenen Bilder eine dreidimensionale Repräsentation des Objekts 105. Treten dabei Unstimmigkeiten zu Tage oder kann anderweitig darauf geschlossen werden, dass zur wirklichkeitsgetreuen Erstellung der dreidimensionalen Repräsentation zusätzliche Informationen in Form von weiteren Bildern des Objekts 105 aus anderen Positionen erforderlich sind, so steuert die Verarbeitungseinrichtung 120 den Drehtisch 110 derart an, das zwischen dem Objekt 105 und der Kamera 115 eine entsprechende Position besteht und veranlasst die Aufnahme eines weiteren Bildes. Das daraufhin von der Kamera 115 bereitgestellte Bild wird dazu benutzt, die bestehende Repräsentation des Objekts 105 zu verbessern bzw. an das tatsächliche Objekt 105 anzupassen.
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Die Repräsentation des Objekts 105 kann auf dem Bildschirm 135 der Benutzerschnittstelle 130 dargestellt werden. Mittels der Eingabeeinrichtung 140 kann ein Benutzer den Abtastungsprozess des Objekts 105 sowie den Erstellungsprozess der Repräsentation des Objekts 105 beeinflussen.
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Anhand der dreidimensionalen Repräsentation des Objekts 105 ist es möglich, Ansichten des Objekts 105 aus annähernd beliebigen Blickwinkeln zu erstellen, die möglicherweise gar nicht von der Kamera 115 bezüglich des Objekts 105 eingenommen wurden. Die Bildrekonstruktion der Repräsentation des Objekts 105 kann mittels bekannter Algorithmen wie 3D-Rekonstruktion, Structure and Motion, optischer Fluss, Super-Resolution erstellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, eine automatische Begutachtung der Repräsentation des Objekts 105 mittels der Verarbeitungseinrichtung 120 durchzuführen.
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Durch die erstellte dreidimensionale Repräsentation des Objekts 105 wird eine einfache Dokumentation und eine besser Planung von Instandsetzungsmaßnahmen am Objekt 105 ermöglicht. Eine automatische Klassifikation der durch die Kamera 115 aufgenommenen Bilder kann eine Auswertung beschleunigen und somit einem Benutzer des Systems 100 Kostenvorteile verschaffen.
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In weiteren Ausführungsformen sind unter anderem folgende Modifikationen des gezeigten Systems 100 möglich:
- 1. Die Kamera 115 ist mit einem zusätzlichen Entfernungsmesser (DLE) ausgerüstet. Dadurch wird der Abstand der Kamera 115 zum Objekt 105 erfasst und es ist möglich, einen Maßstab der Bilder und die physikalische Größe des Objekts 105 zu bestimmen.
- 2. Es sind zwei unterschiedliche Kameras 115 vorgesehen. Eine niedrig auflösende Weitwinkelkamera, die zur Ortsbestimmung des Aufnahmesystems 100 verwendet wird, sowie eine hochauflösende Kamera deren Bilder zur Rekonstruktion des Objekts 115 verwendet werden können.
- 3. Die Bilder werden verwendet, um eine Repräsentation des Objekts 105 zu berechnen, deren Auflösung höher ist, als die der durch die Kamera 115 gelieferten Bilder (Super-Resolution).
- 4. Die Benutzerschnittstelle 130 meldet einem Benutzer einen Zustand der Repräsentation des Objekts 105 in Echtzeit. Dabei kann eine Bewertung des Objekts 105 durchgeführt werden und mögliche Schadstellen des Objekts 105 können klassifiziert werden. Ein Benutzer des Systems 100 kann dazu aufgefordert werden, diese Schadstellen mit besonders vielen Bildern zu dokumentieren. In einer anderen Ausführungsform kann das System 100 in Echtzeit eine grobe Repräsentation des Objekts 105 erstellen und dem Benutzer melden, wenn das Objekt 105 in einem vorgegebenen Bereich vollständig aufgenommen wurde. Dabei kann das System 100 vor allem sicher stellen, dass keine Verdeckungen bzw. Hinterschneidungen auf den Bildern verbleiben, also alle relevanten Oberflächen des Objekts 105 aufgenommen wurden.
- 5. Das System 100 kann auf einem sich autonom bewegenden System wie einem Modellflugzeug oder einem wandkletterndernden Roboter angebracht sein. Die Position der Kamera 115 bezüglich des Objekts 105 kann als Regelgröße in eine Bewegungssteuerung des Modellflugzeugs bzw. Roboters eingespeist werden und derart erlauben, dass das Objekt 105 autonom, also ohne Benutzerinteraktion, erfasst, vermessen und/oder klassifiziert wird.
- 6. Das System 100 kann zwei zueinander kalibrierte Kameras 115 mit bekannter Basislänge (relativer Abstand und Orientierung) umfassen. Aus den von beiden Kameras 115 gelieferten Bildern kann mittels Stereo-Rekonstruktion ein dichtes metrisches Oberflächenmodell des Objekts 105 gewonnen werden.
- 7. Das System 100 kann um einen Projektor ergänzt werden, der eine genaue Oberflächenrekonstruktion auch bei schwach texturierten Oberflächen mittels Lichtschnittverfahren ermöglicht.
- 8. Das System 100 kann mit einer Wärmebildkamera verbunden werden. Die Wärmebilddaten können eine 3D-Objektthermografie ermöglichen. Üblicherweise haben Wärmebildkameras eine sehr kleine Auflösung, so dass durch eine Kamerafahrt die Kombination vieler Wärmebilder zur Auflösungssteigerung verbindet werden können.
- 9. Zur Stützung der Lokalisierungsfunktion kann Inertialsensorik verwendet werden. Die Inertialsensorik wird an der Kamera 115 angebracht, falls diese gegenüber einer Umgebung beweglich ist und alternativ oder zusätzlich am Objekt 105, wenn dieses bezüglich einer Umgebung beweglich ist.
- 10. Die erstellte dreidimensionale Repräsentation kann zur Vermessung beliebiger Distanzen, Flächen und Volumen des aufgenommenen Objekts 105 verwendet werden.
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2 zeigt ein Datenflussmodell des Aufnahme- und Auswertungssystem 100 aus 1.
