DE102012020922A1 - Laser scanner for panorama image pick-up application, has single-channels provided in optical receiving section, where spectral single sensitivities are adapted selectively to single-spectrums of laser light source - Google Patents

Laser scanner for panorama image pick-up application, has single-channels provided in optical receiving section, where spectral single sensitivities are adapted selectively to single-spectrums of laser light source Download PDF

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Abstract

The scanner has a laser source used as a laser light source for emitting multi-spectral bundled light. Single-channels are provided in an optical receiving section, where spectral single-sensitivities are adapted selectively to the single-spectrums of the laser light source. Single sources from the laser light source are provided in a red spectral region, a green spectral region and a blue spectral region. Spectral filters are provided in single-channels, which are tuned on spectrums of the laser light source.

Description

Einsatzgebiet und technischer HintergrundField of application and technical background

Die Erfindung betrifft die fotografische Aufnahme von Objekten im Raum, insbesondere die Aufnahme so genannter Kugelpanoramen und im erweiterten Sinne die Messung von Raumkoordinaten von Flächenpunkten in den abgebildeten Objekten. Für die fotografische Aufnahme zeigt die Erfindung eine Lösung auf, die ohne jede Fremdbeleuchtung der Objekte auskommt.The invention relates to the photographic recording of objects in space, in particular the recording of so-called spherical panoramas and in a broader sense the measurement of spatial coordinates of surface points in the imaged objects. For photographic recording, the invention shows a solution that manages without any external illumination of the objects.

Stand der TechnikState of the art

Für die elektronische fotografische Panorama-Aufnahme sind im Wesentlichen drei Verfahren bekannt:

  • – Panorama-Kamera nach dem Prinzip der rotierenden Zeilenkamera gemäß DE 44 28 055 A1 ,
  • – Segmentierte Bildaufnahme mit planar abbildender Kamera in aufeinander folgenden Einzelaufnahmen aus unterschiedlichen Winkeln und anschließender Montage der transformierten Einzelbilder, z. B. gemäß DE 103 41 822 A1 ,
  • – Punktscanner nach DE 197 46 319 A1 .
Essentially three methods are known for the electronic photographic panorama image:
  • - Panorama camera according to the principle of the rotating line camera according to DE 44 28 055 A1 .
  • - Segmented image recording with planar imaging camera in successive individual shots from different angles and subsequent assembly of the transformed frames, z. B. according to DE 103 41 822 A1 .
  • - Point scanner after DE 197 46 319 A1 ,

Allen Verfahren ist gemeinsam, dass, wie allgemein in der Fotografie üblich, eine Objektbeleuchtung erforderlich ist. Im einfachsten Fall wird die Beleuchtung vom Tageslicht oder von normaler Raumbeleuchtung bereitgestellt. Für die Panorama-Aufnahme mit ihren unbegrenzten Aufnahmewinkeln sind für die künstliche Objektausleuchtung besonders aufwändige Maßnahmen nötig. Beispielhaft sei auf das Gebrauchsmuster DE 202 08 555 verwiesen. Allen bekannten Lösungen ist gemeinsam, dass die Beleuchtungsstärke mit zunehmendem Objektabstand exponentiell sinkt und deshalb vorrangig nur im Nahbereich gearbeitet werden kann. Zwischen näheren und entfernteren Objekten im Bildbereich entsteht eine oft nicht beherrschbare Helligkeitsdynamik.All methods have in common that, as customary in photography, an object lighting is required. In the simplest case, the lighting is provided by daylight or normal room lighting. For panoramic photography with its unlimited exposure angles, particularly complex measures are required for artificial object illumination. An example is the utility model DE 202 08 555 directed. All known solutions have in common that the illuminance decreases exponentially with increasing object distance and, therefore, priority can only be worked at close range. Between nearer and farther objects in the image area arises an often uncontrollable brightness dynamics.

Für die Gewinnung von Raumkoordinaten-Tabellen, so genannten Punktwolken, sind Laserscanner bekannt, die mit modulierten, bzw. gepulsten Laserlichtquellen arbeiten und über die Phase oder Laufzeit des vom Objekt reflektierten Lichtes die Entfernung messen. Durch kontrolliertes Drehen des Messstrahls, meist mittels Spiegel oder Prisma in zwei zueinander rechtwinkligen Drehachsen, werden in schneller Folge Polarkoordinaten rund um den Beobachtungspunkt aufgezeichnet. Dabei bildet jeder aufgezeichnete Punkt einen Datensatz aus Horizontal- und Vertikalwinkel, sowie dessen Abstand zum Beobachtungspunkt. Jedem der so vermessenen Punkte werden also sofort die kompletten Koordinaten im Raum zugeordnet.For the acquisition of space coordinate tables, so-called point clouds, laser scanners are known that work with modulated or pulsed laser light sources and measure the distance over the phase or duration of the reflected light from the object. By controlled rotation of the measuring beam, usually by means of a mirror or prism in two mutually perpendicular axes of rotation, polar coordinates around the observation point are recorded in rapid succession. Each recorded point forms a data set of horizontal and vertical angles, as well as its distance to the observation point. Each of the points measured in this way are immediately assigned the complete coordinates in the room.

Zur praktischen Anwendung solcher Punktwolken gehört es inzwischen, den einzelnen Messpunkten ihre natürliche Farbe zuzuordnen, um sie beispielsweise für Visualisierungen einsetzen zu können. Das zusätzlich aufgezeichnete Reflexionsverhalten der Oberfläche für die Wellenlänge des Lasers ist dafür kaum geeignet, weil es nur eine orthochromatische Fotografie darstellt.For the practical application of such point clouds, it is now necessary to assign the individual measuring points their natural color in order to be able to use them for visualizations, for example. The additionally recorded reflection behavior of the surface for the wavelength of the laser is hardly suitable because it represents only an orthochromatic photograph.

Deshalb werden parallel zu den Daten dieser Laserscanner Bilddaten nach den oben genannten Aufnahmeverfahren der Panorama-Fotografie angefertigt und koordinatenrichtig, jedoch mit endlicher Passgenauigkeit, den vermessenen Punkten überlagert. Mit dem verwendeten Aufnahmeverfahren besteht aber auch das gleiche Beleuchtungs-Problem, wie bereits oben beschrieben.Therefore, parallel to the data of these laser scanners, image data are produced according to the above-mentioned recording method of panoramic photography and superimposed coordinate correctly, but with finely fitting accuracy, the measured points. But with the recording method used, there is also the same lighting problem as described above.

Technische AufgabenstellungTechnical task

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, Panorama-Bildaufnahmen unabhängig von jeder Fremdbeleuchtung zu fertigen. Gleichzeitig soll die Lösung prinzipiell auch zur Koordinatengewinnung der abgebildeten Objektpunkte geeignet sein.The invention is based on the technical task of producing panoramic image recordings independently of any external illumination. At the same time, the solution should in principle also be suitable for obtaining the coordinates of the imaged object points.

Problemlösung, Beschreibung der ErfindungProblem solving, description of the invention

Das Problem wird mit der im Hauptanspruch gekennzeichneten Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.The problem is solved with the invention characterized in the main claim. Advantageous embodiments are specified in the further claims.

Im Unterschied zu allgemeinen Lichtquellen haben Laser nur eine sehr kleine Strahldivergenz. Hierdurch verlieren sie auch bei größeren Abständen zum Objekt vergleichsweise wenig an Intensität. Andererseits sind sie somit nicht zur flächigen, sondern nur zur punktuellen Objektbeleuchtung geeignet. Erfolgt die photoelektrische Bildaufnahme in zeitlicher Abfolge von Einzelpunkten, die mittels einer Ablenkvorrichtung örtlich synchron mit dem Laserstrahl auf der Objektoberfläche abgetastet werden, so kann der gesamte den Aufnahmestandort umgebende Objektbereich als gerastertes Abbild gescannt werden. Wie eingangs erwähnt ist das bei bekannten Laserscannern bereits für eine einzelne Lichtwellenlänge der Fall.Unlike general light sources, lasers have only a very small beam divergence. As a result, they lose comparatively little intensity even at larger distances to the object. On the other hand, they are therefore not suitable for planar, but only for selective object lighting. If the photoelectric image recording takes place in temporal succession of individual points which are scanned locally synchronously with the laser beam on the object surface by means of a deflection device, then the entire object area surrounding the photographing location can be scanned as a rasterized image. As mentioned above, this is already the case with known laser scanners for a single wavelength of light.

Erfindungsgemäß wird dieser Vorgang für mehrere Lichtwellenlängen, insbesondere für sichtbares Rot, Grün und Blau durchgeführt. Ähnlich wie bei anderen bekannten Farbbild-Aufnahmeverfahren werden die Einzelspektren anschließend zu einem natürlich erscheinenden Farbbild zusammengesetzt.According to the invention, this process is carried out for several wavelengths of light, in particular for visible red, green and blue. Similar to other known color image recording methods, the individual spectra are subsequently assembled into a naturally occurring color image.

Für statische Objekte ist es dabei unwichtig, ob alle Spektralbereiche gleichzeitig oder zeitlich versetzt nacheinander aufgezeichnet werden. Ebenso können die Spektralbereiche zwar gleichzeitig aufgezeichnet werden, während sich aber die Abtastpunkte im Objekt in einem räumlichen Abstand zueinander befinden.For static objects, it is unimportant whether all spectral ranges are recorded simultaneously or offset in time. As well Although the spectral ranges can be recorded simultaneously, but the sampling points in the object are in a spatial distance from each other.

Um Störungen durch Fremdlicht, insbesondere die natürliche Objektbeleuchtung, auszuschließen erfolgt eine gepulste oder anderweitig modulierte Laserbeleuchtung, während die Sprungdifferenz aus Hell- und Dunkelsignal verarbeitet wird.In order to exclude interference by extraneous light, in particular the natural object illumination, there is a pulsed or otherwise modulated laser illumination, while the jump difference is processed from light and dark signal.

Gleichzeitg eignet sich das modulierte Laserlicht zur Laufzeit- oder Phasenmessung, so dass gemeinsam mit der Bildaufnahme auch die Entfernungsmessung zu den betreffenden Punkten erfolgt, womit die bereits von der Ablenkbewegung her definierten Winkelkoordinaten um den Objektabstand zur vollwertigen Raumkoordinate ergänzt wird. Dabei können entweder nur einer der Spektralbereiche oder auch mehrere Kanäle in die Abstandsmessung einbezogen werden.Simultaneously, the modulated laser light is suitable for transit time or phase measurement, so that together with the image acquisition the distance measurement to the relevant points takes place, whereby the angular coordinates already defined by the deflection movement are supplemented by the object distance to the full space coordinate. In this case, either only one of the spectral ranges or even several channels can be included in the distance measurement.

Hierzu kann es auch von Vorteil sein, weitere spektrale Kanäle, insbesondere im Infrarotbereich, zu ergänzen.For this purpose, it may also be advantageous to supplement other spectral channels, in particular in the infrared range.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachstehend erläutert werden. Hierzu zeigt 1 beispielhaft den schematisierten Gesamtaufbau einer Aufnahmeanordnung in erfindungsgemäßer Ausführung.Reference to an embodiment of the invention will be explained below. This shows 1 by way of example the schematic overall structure of a receiving arrangement in accordance with the invention.

Drei Laserdioden 1a ... 1c mit rotem, grünem und blauem Laserlicht strahlen in Richtung eines Ablenkspiegels 2 und werden von diesem in eine Hauptrichtung abgelenkt. Dabei besitzt jeder der drei Strahlen einen bestimmten Winkel zur Mittellinie. Die Linie 6a deutet die Richtung für die Laserdiode 1a an. Drei optoelektronische Empfangskanäle 4a ... 4c, bestehend aus je einer Photodiode mit vorgelagertem optischem Bandfilter, sind nebeneinander in der Projektionsebene einer Abbildungsoptik 3 angeordnet, wobei die von der jeweiligen Wellenlänge abhängige Brennweite berücksichtigt ist. Der Mittelpunktstrahl eines jeden Empfangskanals durch die Optik – im Beispiel 7a für den Empfangskanal 4a – beschreibt dessen Abbildungsrichtung, zu der der Strahlengang der zugehörigen Laserdiode 6a parallel ausgerichtet wird. Im Ergebnis entstehen drei unterschiedliche Strahlrichtungen für ausgehendes Laserlicht und den dazu parallel ausgerichteten Empfänger-Strahlengang. Ein Spiegelantrieb 8 dreht den Ablenkspiegel 2 in der Hauptachse 5 mit kontrollierter Winkelbewegung, so dass sich die abgelenkte Hauptachse 11 drehend in einer Hauptebene bewegt. Da die drei Strahlrichtungen einen Winkel zur Hauptachse bilden, beschreiben diese eine Präzessionsbewegung zur Hauptebene, die bei der Winkelmessung berücksichtigt wird. Alle bisher beschriebenen Elemente sind auf einer Bussole 9 befestigt, die von einem Horizontalantrieb 10 mit kontrollierter Winkelbewegung gedreht wird. Erfolgt für den gesamten Drehbereich des Ablenkspiegels eine Aufnahme von Bildpunkten, so genügt bereits eine Drehung der Bussole um insgesamt 180°, um eine Vollsphäre aufzunehmen.Three laser diodes 1a ... 1c with red, green and blue laser light radiate towards a deflecting mirror 2 and are distracted by this in a main direction. Each of the three rays has a certain angle to the center line. The line 6a indicates the direction for the laser diode 1a at. Three optoelectronic receiving channels 4a ... 4c , each consisting of a photodiode with upstream optical bandpass filter, are side by side in the projection plane of an imaging optics 3 arranged, wherein the focal length dependent on the respective wavelength is taken into account. The center beam of each receiving channel through the optics - in the example 7a for the receiving channel 4a - Describes its imaging direction, to which the beam path of the associated laser diode 6a is aligned in parallel. The result is three different beam directions for outgoing laser light and the receiver beam path aligned parallel thereto. A mirror drive 8th turns the deflecting mirror 2 in the main axis 5 with controlled angular movement, so that the deflected main axis 11 rotating in a main plane moves. Since the three beam directions form an angle to the main axis, these describe a precession movement to the main plane, which is taken into account in the angle measurement. All elements described so far are on a Bussole 9 attached by a horizontal drive 10 is rotated with controlled angular movement. If a recording of pixels takes place for the entire range of rotation of the deflection mirror, it is sufficient to rotate the buses by a total of 180 ° in order to take up a full sphere.

So wie die drei dargestellten Laserdioden und Empfangskanäle im gleichseitigen Dreieck angeordnet sind kann auch eine größere Anzahl von Kanälen rund um die Hauptachse angeordnet sein. In anderen Ausführungsbeispielen können die Kanäle auch linear zueinander liegen oder als Abbildungsoptik ein Hohlspiegel zum Einsatz kommen, der gleichzeitig die Ablenkung übernimmt. Schließlich ist es auch möglich, nicht den Strahlengang abzulenken, sondern die Laserdioden und Empfangskanäle selbst mitzudrehen.Just as the three illustrated laser diodes and receiving channels are arranged in the equilateral triangle, a larger number of channels can also be arranged around the main axis. In other embodiments, the channels can also be linear to each other or as imaging optics, a concave mirror are used, which simultaneously takes over the deflection. Finally, it is also possible not to divert the beam path, but also to turn the laser diodes and reception channels themselves.

Nicht speziell dargestellt sind die Ansteuerung der Laserdioden und der Antriebe, sowie die Signalverarbeitung der Empfangskanäle – einerseits zum Zwecke der Farbbilderzeugung, andererseits zum Zwecke der Entfernungsmessung, weil diese Details weitgehend bekannten Anordnungen bei Laserscannern und elektronischen Kameras entsprechen.Not specifically shown are the control of the laser diodes and the drives, as well as the signal processing of the receiving channels - on the one hand for the purpose of color imaging, on the other hand for the purpose of distance measurement, because these details largely correspond to known arrangements in laser scanners and electronic cameras.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 10341822 A1 [0002] DE 10341822 A1 [0002]
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  • DE 20208555 U [0003] DE 20208555 U [0003]

Claims (5)

Laserscanner, bestehend wenigstens aus einer steuerbaren Laserlichtquelle, einem optoelektronischen Empfangsteil und einer rotierenden oder oszillierenden Bewegungs- oder Ablenkvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass als Laserlichtquelle eine Laserquelle zum Einsatz kommt, die multispektrales gebündeltes Licht aussendet und dass das optische Empfangsteil aus Einzelkanälen besteht, deren spektrale Einzel-Empfindlichkeiten selektiv an die Einzelspektren der Laserlichtquelle angeglichen sind.Laser scanner, comprising at least one controllable laser light source, an optoelectronic receiver and a rotating or oscillating motion or deflection device, characterized in that a laser source is used as laser light source, the multispectral bundled light emits and that the optical receiving part consists of individual channels whose spectral Individual sensitivities are selectively matched to the individual spectra of the laser light source. Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle aus mehreren Einzelquellen, vorzugsweise im Spektralbereich roten, grünen und blauen sichtbaren, sowie infraroten Lichtes, besteht.Laser scanner according to Claim 1, characterized in that the laser light source consists of a plurality of individual sources, preferably in the spectral range of red, green and blue visible, as well as infrared light. Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkanäle des Empfangsteils Spektralfilter enthalten, die jeweils auf die Spektren der Laserlichtquelle abgestimmt sind.Laser scanner according to claim 1, characterized in that the individual channels of the receiving part contain spectral filters which are each tuned to the spectrums of the laser light source. Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse jeder einzelnen Laserlichtquelle zur optischen Achse des ihr jeweils spektral zugeordneten Empfangskanals parallel ausgerichtet ist.Laser scanner according to claim 1, characterized in that the optical axis of each individual laser light source is aligned parallel to the optical axis of the respective spectrally associated receiving channel. Laserscanner nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die optischen Achsen der verschiedenen Spektralbereiche in ihrem räumlichen Verlauf grundsätzlich unterscheiden, jedoch einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen.Laser scanner according to claims 1 and 4, characterized in that the optical axes of the different spectral regions basically differ in their spatial course, but have a common point of intersection.
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