DE102011103510A1 - Method for creating three-dimensional CAD representation of e.g. workshop, involves detecting coherent surface elements in scatter-plot representation, and creating three-dimensional CAD representation of object arrangement - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen einer dreidimensionalen Repräsentation einer Objektanordnung, insbesondere einer Werkshalle und der darin enthaltenen Fertigungsanlagen.The invention relates to a method for creating a three-dimensional representation of an object arrangement, in particular a workshop and the production equipment contained therein.
Zum Erfassen von dreidimensionalen Objekten und zum Erzeugen von computerbasierten Repräsentationen dieser Objekte ist die Laserabtastung ein allgemein bekanntes Verfahren. Ein Beispiel für diese Vermessungsmethode findet sich in der
Bei der Planung von Fertigungsanlagen oder dergleichen ergibt sich nun oftmals das Problem, dass bestehende Anlagen zum Zweck der Planung von Erweiterungen oder dergleichen zunächst in einem Computermodell erfasst werden müssen. Dies erfolgt heutzutage in der Regel in aufwendiger Handarbeit, also durch manuelle Erstellung eines CAD-Modells. Auf Grund des hohen Aufwandes bei der Modellerstellung führt dies zu besonders langen Planungszeiten und erhöht die Planungs- bzw. Erweiterungskosten beträchtlich.In the planning of manufacturing equipment or the like, the problem now often arises that existing equipment for the purpose of planning extensions or the like must first be recorded in a computer model. This is done nowadays usually in elaborate manual work, ie by manual creation of a CAD model. Due to the high cost of model creation, this leads to particularly long planning times and increases the planning and expansion costs considerably.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine besonders schnelle und kostengünstige Erfassung bestehender Fertigungsanlagen bzw. Werkshallen ermöglicht und so die Planungszeiten und die Planungskosten senkt.The present invention is therefore based on the object to provide a method of the type mentioned above, which allows a particularly fast and cost-effective detection of existing manufacturing plants or workshops and thus reduces the planning times and planning costs.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1.
Bei einem derartigen Verfahren zum Erstellen einer dreidimensionalen Repräsentation einer Objektanordnung, insbesondere einer Werkhalle werden zunächst die dreidimensionalen Koordinaten einer Mehrzahl von Punkten der Objektanordnung bzgl. eines vorgegebenen Koordinatenursprungs ermittelt. Aus den so ermittelten Koordinaten lässt sich bereits eine das Objekt im Wesentlichen vollständig beschreibende Punktwolkenrepräsentation erstellen, eine derartige Repräsentation ist auf Grund der hohen Anzahl von einzelnen Punkten jedoch sehr speicherplatzaufwendig und zur Weiterverarbeitung in einem CAD-System nur bedingt geeignet. Zur Optimierung der Repräsentation werden daher im Folgenden zusammenhängende Flächenelemente in der Punktwolkenrepräsentation ermittelt. Dies kann beispielsweise durch die Erkennung zusammenhängender Dreiecke, Polygonzüge oder auch komplexer geformter Flächen, wie beispielsweise nicht-uniformer rationaler B-Splines (NURBS) erfolgen. Anhand der so ermittelten Flächenelemente wird schließlich die endgültige dreidimensionale Repräsentation der Objektanordnung erstellt. Dies ermöglicht die Weiterbearbeitung der räumlichen Konfiguration der Objektanordnung beispielsweise in CAD Programmen oder dergleichen, um weitere Planungen bzgl. Erweiterungen oder Umkonfigurationen der Objektanordnung durchführen zu können, ohne diese aufwendig manuell auffassen zu müssen. Hierdurch lassen sich Planungszeiten deutlich verkürzen und Planungskosten deutlich senken.In such a method for producing a three-dimensional representation of an object arrangement, in particular a workshop, the three-dimensional coordinates of a plurality of points of the object arrangement with respect to a predetermined coordinate origin are first determined. From the coordinates determined in this way, it is already possible to create a point cloud representation which essentially completely describes the object, but because of the large number of individual points, such a representation is very space-consuming and only conditionally suitable for further processing in a CAD system. To optimize the representation, coherent surface elements in the point cloud representation are therefore determined below. This can be done, for example, by detecting contiguous triangles, polygons or even more complex shaped surfaces such as non-uniform rational B-splines (NURBS). On the basis of the surface elements thus determined, the final three-dimensional representation of the object arrangement is finally created. This makes it possible to further process the spatial configuration of the object arrangement, for example in CAD programs or the like, in order to be able to carry out further planning with regard to extensions or reconfigurations of the object arrangement without having to comprehend them manually. This significantly reduces planning times and significantly reduces planning costs.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden nach dem Erkennen der zusammenhängenden Flächenelemente zu dem Regelgeometrieelemente erkannt. Hierbei handelt es sich um zusammenhängende Flächen beliebiger, jedoch regulärer Geometrien, wie beispielsweise Ebenen, Zylinder, Quader oder dergleichen, wodurch die anfallende Datenmenge nochmals deutlich verringert werden kann. Beispielsweise kann eine Rohrleitung in der Repräsentation durch Flächenelemente nur durch eine hohe Anzahl von Polygonen dargestellt werden. Wird jedoch erkannt, dass es sich bei diesen Polygonen um einen regulären, die Rohrleitung bildenden Zylinder handelt, so genügt lediglich die räumliche Lage der Mittelachse, der Radius und die Länge des Zylinders zur vollständigen Beschreibung des Objektes. Hierdurch kann eine besonders gute Datenreduktion erzielt werden.In a preferred embodiment of the invention, after the recognition of the contiguous surface elements to the rule geometry elements are recognized. These are contiguous surfaces of arbitrary, but regular geometries, such as planes, cylinders, cuboids or the like, whereby the accumulated amount of data can be significantly reduced again. For example, a pipeline in the representation by area elements can only be represented by a high number of polygons. However, if it is recognized that these polygons are a regular cylinder forming the pipeline, then only the spatial position of the central axis, the radius and the length of the cylinder are sufficient for the complete description of the object. As a result, a particularly good data reduction can be achieved.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Aufnahme der dreidimensionalen Koordinaten zu jedem Punkt eine zugeordnete Farbinformation ermittelt. Auch Intensitäten bzw. Helligkeiten können in die Datenerfassung mit eingehen. Dies ermöglicht zum einen das Erstellen einer besonders realistischen Repräsentation der Objektanordnung und erleichtert zum anderen das Erkennen zusammenhängender Objekte, die oftmals gleich gefärbt sind. Die Farbinformationen können in einem folgenden Bearbeitungsschritt auch zur Klassifizierung von Objekttypen eingesetzt werden. Beispielsweise sind Rohrleitungen im Fabrikumfeld in der Regel farblich markiert (gemäß
Die Bestimmung der Koordinaten wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mittels eines Laserscanners und einer zugeordneten Digitalkamera, beispielsweise eine High Definition Range(HDR)-Kamera, durchgeführt. Dies ermöglicht eine besonders schnelle Datenerfassung.The determination of the coordinates is carried out in a preferred embodiment of the invention by means of a laser scanner and an associated digital camera, for example a high definition range (HDR) camera. This enables a particularly fast data acquisition.
Um auch besonders komplexe Objektanordnungen, wie beispielsweise Werkshallen, Fertigungsanlagen oder dergleichen, vollständig erfassen zu können, erfolgt die Bestimmung der Koordinaten im ersten Schritt des Verfahrens von wenigstens zwei unterschiedlichen Positionen der Objektanordnung aus. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass Flächenelemente, die von einer ersten Position aus verdeckt sind, von einer zweiten Position aufgenommen werden können. Um die Integration der so gewonnenen Punktdaten in ein gemeinsames Koordinatensystem zu erleichtern, kann es dabei zweckmäßig sein, vorher Markerpunkte anzubringen, die mit klassischen Methoden, beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Tachymeters, vermessen werden. Alternativ können die Positionen der Markerpunkte mit Hilfe von Theodoliten erfasst werden. Die Überführung der so von unterschiedlichen Positionen aus ermittelten Punktwolken in eine gemeinsame, auf einem gemeinsamen Koordinatensystem basierende Punktwolkenrepräsentation, erfolgt vorzugsweise mittels eines fotogrammetrischen Verfahrens. Hierbei handelt es sich um an sich bekannte Methoden, die besonders gut geeignet sind, aus mehreren Einzelbilder ein Gesamtbild zu synthetisieren. Üblicherweise bedient man sich hierbei der grundlegenden Gleichung der projektiven Geometrie, insbesondere der Kollinearitätsgleichungen. Bei langgestreckten Objekten kann die Referenzierung unmittelbar durch das Tachymeter erfolgen. In order to be able to completely detect even particularly complex object arrangements, such as, for example, production halls, production facilities or the like, the determination of the coordinates in the first step of the method is carried out from at least two different positions of the object arrangement. This makes it possible to ensure that surface elements that are hidden from a first position can be picked up from a second position. In order to facilitate the integration of the point data thus obtained into a common coordinate system, it may be expedient to attach marker points beforehand, which are measured using classical methods, for example with the aid of a tachymeter. Alternatively, the positions of the marker points can be detected using theodolites. The transfer of the point clouds thus determined from different positions into a common point cloud representation based on a common coordinate system is preferably carried out by means of a photogrammetric method. These are methods which are known per se and which are particularly well suited for synthesizing an overall image from a plurality of individual images. Usually, one uses the basic equation of projective geometry, in particular the collinearity equations. For elongated objects, referencing can be done directly by the tachymeter.
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:In the following the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Um eine komplexe, in der
Da von einem einzigen Scannerstandpunkt aus in der Regel nicht die gesamte Werkshalle erfassbar ist, ist es zweckmäßig, mehrere Messpunkte vorzusehen, so dass keine Objekte im toten Winkel der Gesamtaufnahme liegen. Um die so gewonnenen Einzelbilder bzw. die jeweiligen Bildpunktinformationen zu einem Gesamtbild zusammen zu setzen, müssen alle aufgenommenen Punktkoordinaten in das gleiche Koordinatensystem überführt werden. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn vorgegebenen Punkte der Fertigungsanlage
Nach dem Überführen der aufgenommenen Bildpunkte in ein gemeinsames Koordinatensystem ergibt sich somit eine im Ganzen mit
Dieser Prozess, nämlich die Überführung der Punktwolke
Durch die Triangulation kann bereits eine erste Datenreduktion erreicht werden. Um die handzuhabende Datenmenge weiter zu verkleinern, können in der Folge Approximationsflächen erstellt werden, die mehrere bei der Triangulation erstellte Dreiecke umfassen. Um die Datenmenge weiter zu reduzieren werden für solche Approximationsflächen in der Folge Krümmungswerte bestimmt und benachbarte Punkte gleicher Krümmungseigenschaften kombiniert. Benachbarte Approximationsflächen gleicher Parametrisierung können in der Folge vereinigt werden, um die Datenmenge weiter zu reduzieren.Triangulation can already achieve a first data reduction. In order to further reduce the amount of data to be handled, approximate areas can be created that include several triangles created in the triangulation. In order to further reduce the amount of data, curvature values are determined for such approximation areas and adjacent points of equal curvature properties are combined. Adjacent approximation areas of the same parameterization can be combined in order to further reduce the amount of data.
Es ist ferner zweckmäßig, die so erhaltenen Approximationsflächen auf das Vorliegen sogenannter Regelgeometrien zu analysieren. Beispielsweise kann geprüft werden, ob ebene, parabolische, hyperbolische oder elliptische Flächen vorliegen, die in der Regel einen einzigen Körper begrenzen. Auf diese Weise können z. B. die in
Der so erhaltene Datensatz kann schließlich in einem Dateiformat exportiert werden, welches von gängigen CAD Programmen lesbar ist. Hierdurch wird schließlich die in
Insgesamt ermöglicht das beschriebene Verfahren eine schnelle und einfache Erstellung von CAD Modellen von komplexen Objektanordnungen wie Fertigungsanlagen, Werkshallen oder dergleichen, so dass Planungs- und Entwicklungskosten für derartige Objekte gesenkt werden können.Overall, the method described allows a quick and easy creation of CAD models of complex object arrangements such as manufacturing plants, workshops or the like, so that planning and development costs for such objects can be reduced.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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