DE102014101587B4

DE102014101587B4 - Registrierung einer Szene mit Konsistenzprüfung

Info

Publication number: DE102014101587B4
Application number: DE102014101587.8A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Becker; Martin Ossig
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2014-02-09
Filing date: 2014-02-09
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2034-02-10
Also published as: WO2015119797A1; GB201615133D0; US20150226840A1; US9869755B2; GB2537793A; GB2537793B; DE102014101587A1

Abstract

Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen einer Szene mittels eines Laserscanners (10), der wenigstens einen ersten Scan ({X(1)}) der Szene mit ersten Messpunkten (X(1)) erzeugt, wobei der wenigstens eine erste Scan ({X(1)}) in einem gemeinsamen Koordinatensystem (XYZ) der Szene registriert wird, und wobei jeder weitere, zweite Scan ({X(2)}) mit einem Zentrum (C(2)) und zweiten Messpunkten (X(2)) auch im gemeinsamen Koordinatensystem (XYZ) registriert wird, wobei die Registrierung des zweiten Scans ({X(2)}) provisorisch erfolgt und einer Konsistenzprüfung unterzogen wird, wobei die Konsistenzprüfung wenigstens einen Teil der ersten Messpunkte (X(1)) und wenigstens einen Teil der zweiten Messpunkte (X(2)) einbezieht, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsistenzprüfung das Zentrum (C(2)) des zweiten Scans ({X(2)}) einbezieht, indem die virtuellen Distanzen (d*) wenigstens einiger erster Messpunkte (X(1)) zum Zentrum (C(2)) des zweiten Scans ({X(2)}) mit realen Distanzen (d) von einigen zweiten Messpunkten (X(2)) zum Zentrum (C(2)) des zweiten Scans ({X(2)}) verglichen werden, wobei die virtuellen Distanzen (d*) und realen Distanzen (d) jeweils Vektoren sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
In der DE 10 2009 015 922 A1 ist ein Verfahren dieser Art beschrieben, bei welchem eine Szene mit mehreren Scans erfasst wird. Hierzu wird der Laserscanner nach einem Scan an einen neuen Standort gebracht, um einen weiteren Scan zu erzeugen. Die erzeugten Scans werden mit ihren Messpunkten in einem gemeinsamen Koordinatensystem registriert, wobei die Gesamtheit der Messpunkte eine dreidimensionale Punktwolke bildet. Für eine provisorische Testregistrierung werden aus Targets Korrespondenz-Kandidaten gesucht, die in einer ähnlichen Geometrie eingebettet sind. Wenn die statistisch ermittelten Übereinstimmungen einen bestimmten Schwellwert übersteigen, wird die Testregistrierung für die Registrierung übernommen. Eine Registrierung mit GPS ist in der EP 1 662 228 A1 offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert die automatische Registrierung im Sinne einer Konsistenzprüfung. Bei dieser Konsistenzprüfung wird ausgegangen von einem registrierten ersten Scan und etwaigen vorhergehenden Scans, welche zusammen die als Referenz dienende dreidimensionale Punktwolke definieren. Einbezogen wird ein weiterer, zweiter Scan, der relativ zur Referenz provisiorisch registriert ist. Ein virtueller Scan der registrierten dreidimensionalen Punktwolke (also der ersten Messpunkte), welcher vom Zentrum des zweiten Scans aus erfolgt, wird mit dem realen zweiten Scan (und seinen zweiten Messpunkten) verglichen. Vorzugsweise erfolgt der Vergleich mittels der Distanzen von Messpunkten innerhalb bestimmter Raumwinkelbereiche. Gegebenenfalls sind Interpolationen zu verwenden. Eine Inkonsistenz tritt auf, wenn eine naheliegende Formation der ersten Messpunkte nicht im zweiten Scan erkannt wurde.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematisierte Draufsicht auf zwei Scans bei einer konsistenten provisorische Registrierung des zweiten Scans,
2 eine schematisierte Draufsicht auf zwei Scans bei einer inkonsistenten provisorische Registrierung des zweiten Scans,
3 eine schematisiertes Flussdiagramm der Konsistenzprüfung,
4 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung eines Laserscanners im Betrieb, und
5 eine perspektivische Ansicht eines Laserscanners.
Ein Laserscanner 10 ist als Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung des Laserscanners 10 vorgesehen. Der Laserscanner 10 weist einen Messkopf 12 und einen Fuß 14 auf. Der Messkopf 12 ist als eine um eine vertikale Achse drehbare Einheit auf dem Fuß 14 montiert. Der Messkopf 12 weist einen um eine horizontale Achse drehbaren Spiegel 16 auf. Der Schnittpunkt der beiden Drehachsen sei als Zentrum C₁₀ des Laserscanners 10 bezeichnet.
Der Messkopf 12 weist ferner einen Lichtsender 17 zum Aussenden eines Sendelichtstrahls 18 auf. Der Sendelichtstrahl 18 ist vorzugsweise ein Laserstrahl im Bereich von ca. 300 bis 1600 nm Wellenlänge, beispielsweise 790 nm, 905 nm oder weniger als 400 nm, jedoch sind prinzipiell auch andere elektromagnetische Wellen mit beispielsweise größerer Wellenlänge verwendbar. Der Sendelichtstrahl 18 ist mit einem Modulationssignal amplitudenmoduliert. Der Sendelichtstrahl 18 wird vom Lichtsender 17 auf den Spiegel 16 gegeben, dort umgelenkt und in die Umgebung ausgesandt. Ein von einem Objekt O in der Umgebung reflektierter oder sonst irgendwie gestreuter Empfangslichtstrahl 20 wird vom Spiegel 16 wieder eingefangen, umgelenkt und auf einen Lichtempfänger 21 gegeben. Die Richtung des Sendelichtstrahls 18 und des Empfangslichtstrahls 20 ergibt sich aus den Winkelstellungen des Spiegels 16 und des Messkopfes 12, welche von den Stellungen ihrer jeweiligen Drehantriebe abhängen, die wiederum von jeweils einem Encoder erfasst werden.
Eine Steuer- und Auswertevorrichtung 22 steht mit dem Lichtsender 17 und dem Lichtempfänger 21 im Messkopf 12 in Datenverbindung, wobei Teile derselben auch außerhalb des Messkopfes 12 angeordnet sein können, beispielsweise als ein am Fuß 14 angeschlossener Computer. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 ist dazu ausgebildet, für eine Vielzahl von Messpunkten X die Distanz d des Laserscanners 10 zu dem (beleuchteten Punkt am) Objekt O aus der Laufzeit des Sendelichtstrahls 18 und des Empfangslichtstrahls 20 zu ermitteln. Hierzu kann beispielsweise die Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtstrahlen 18, 20 bestimmt und ausgewertet werden.
An die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 ist eine Anzeigevorrichtung 24 angeschlossen. Die Anzeigevorrichtung 24 ist vorliegend ein Display am Laserscanner 10, sie kann aber alternativ auch das Display eines am Fuß 14 angeschlossenen Computers sein.
Mittels der (schnellen) Drehung des Spiegels 16 wird entlang einer Kreislinie abgetastet. Mittels der (langsamen) Drehung des Messkopfes 12 relativ zum Fuß 14 wird mit den Kreislinien nach und nach der gesamte Raum abgetastet. Die Gesamtheit der Messpunkte X einer solchen Messung sei als Scan bezeichnet. Das Zentrum C₁₀ des Laserscanners 10 definiert für einen solchen Scan den Ursprung des lokalen stationären Bezugssystems. In diesem lokalen stationären Bezugssystem ruht der Fuß 14.
Jeder Messpunkt X umfasst außer der Distanz d zum Zentrums C₁₀ des Laserscanners 10 als Wert noch eine Helligkeit, welche ebenfalls von der Steuer- und Auswertevorrichtung 22 ermittelt wird. Die Helligkeit ist ein Graustufenwert, welcher beispielsweise durch Integration des bandpass-gefilterten und verstärkten Signals des Lichtempfängers 21 über eine dem Messpunkt X zugeordnete Messperiode ermittelt wird. Optional können mittels einer Farbkamera 25 noch Bilder erzeugt werden, mittels derer den Messpunkten noch Farben (R, G, B) als Wert zugeordnet werden können.
Um eine Szene aus verschiedenen Richtungen oder einen ausgedehnten Raum erfassen zu können, werden mehrere Scans von unterschiedlichen Standorten (entsprechend einer Menge unterschiedlicher Zentren) aus erzeugt und danach registriert in einem gemeinsamen Koordinatensystem XYZ der Szene. Der Laserscanner 10 hat dafür seinen Standort zu wechseln, womit dann jeweils das Zentrum C₁₀ des Laserscanners 10 innerhalb des gemeinsamen Koordinatensystems XYZ bewegt wird zu einem neuem Zentrum aus besagter Menge. Um den Standort einfach wechseln zu können, ist der Laserscanner 10 vorzugsweise auf einem Trolley montiert, wie er in der DE 10 2010 033 561 B3 beschrieben ist, so dass der Laserscanner 10 von einem Standort mit einem Zentrum zum anderen Standort mit einem neuen Zentrum gefahren werden kann und zugleich die Relativposition der Zentren erfasst wird. Alternativ ist der Laserscanner 10 auf einem Dreibein montiert.
Um die Scans zu registrieren, werden vorzugsweise Targets verwendet, die in überlappenden Bereichen der Scans lokalisiert und identifiziert werden. Als Targets eignen sich sowohl ”natürliche” Targets, d. h. bestimmte Formationen des Objekts O, als auch ”künstliche” Targets, d. h. speziell für den Scanvorgang am Objekt O oder in der Umgebung angebrachte Targets, beispielsweise Schachbrettmuster. Vorzugsweise wird, wie es in der DE 10 2009 015 922 A1 beschrieben ist, für jedes Target die Geometrie ermittelt, in welche es eingebettet ist und welche mittels der benachbarten Targets definiert ist. Die einbettenden Geometrien können dann miteinander verglichen werden, um automatisch die bestmögliche Zuordnung des Scans zu finden. Wenn alle Scans im gemeinsamen Koordinatensystem XYZ der Szene registriert sind, bildet die Gesamtheit aller Messpunkte X aller Scans eine dreidimensionale Punktwolke 3DP.
Erfindungsgemäß erfolgt die Registrierung jedes weiteren Scans zunächst nur provisorisch und wird einem Verfahren zur Konsistenzprüfung unterworfen. Als Referenz für die Konsistenzprüfung dient die bereits im gemeinsamen Koordinatensystem XYZ registrierte dreidimensionale Punktwolke 3DP. Im Folgenden seien diese Referenz als erster Scan {X⁽¹⁾} und die darin enthaltenen Messpunkte als erste Messpunkte X⁽¹⁾ bezeichnet, obgleich dieser erste Scan {X⁽¹⁾} nicht nur den räumlich und/oder zeitlich benachbarten Scan, sondern auch vorhergehende Scans umfassen kann. Entsprechend seien der weitere Scan, dessen provisorische Registrierung zu prüfen ist, als zweiter Scan {X⁽²⁾} und die darin enthaltenen Messpunkte als zweite Messpunkte X⁽²⁾ bezeichnet. Das Zentrum C⁽²⁾ des zweiten Scans {X⁽²⁾} entspricht dem Zentrum C₁₀ des Laserscanners 10 während der Erzeugung des zweiten Scans {X⁽²⁾}. 1 zeigt eine konsistente provisorische Registrierung, 2 eine inkonsistente provisorische Registrierung, und 3 ein schematisiertes Flussdiagramm zur Konsistenzprüfung, wobei die Teilschritte der Verfahrensschritte sequenziell (wie durch Schleifen angedeutet) oder parallel durchgeführt werden können.
In einem ersten Schritt 101 werden, ausgehend vom Zentrum C⁽²⁾ des zweiten Scans {X⁽²⁾} im Koordinatensystem des ersten Scans {X⁽¹⁾}, also im gemeinsamen Koordinatensystem XYZ, die (virtuellen) Distanzen d* der ersten Messpunkten X⁽¹⁾ zu diesem Zentrum C⁽²⁾ ermittelt, beispielsweise mittels einer geeigneten Filtervorrichtung. In 3 ist diese Ermittlung symbolisch durch d* = X⁽¹⁾ – C⁽²⁾ angedeutet. In der Regel genügt es, nur einen Teil der ersten Messpunkte X⁽¹⁾, nämlich die nächstgelegenen ersten Messpunkte X⁽¹⁾, einzubeziehen und für die Ermittlung der virtuellen Distanzen d* zu berücksichtigen, beispielsweise mittels eines Schwellwertes oder mittels Intervallgrenzen im gemeinsamen Koordinatensystem XYZ. Je nach Anforderung können auch entferntere erste Messpunkte X⁽¹⁾ berücksichtigt werden. Dieser erste Schritt entspricht einem virtuellen Scan, d. h. die virtuellen Distanzen d* sind Vektoren und enthalten nicht nur einen skalaren Wert, sondern auch Winkelwerte der virtuellen Winkelstellungen eines Messkopfes und eines Spiegels.
In einem zweiten Schritt 102 werden die virtuellen Distanzen d* mit den realen (d. h. gemessenen) Distanzen d der zweiten Messpunkte X⁽²⁾ verglichen, welche ebenfalls Vektoren sind. Da die Winkelwerte der virtuellen Distanzen d* und der realen Distanzen d der zweiten Messpunkte X⁽²⁾ allenfalls zufällig übereinstimmen werden, sind Hilfskonstruktionen sinnvoll, beispielsweise eine Hilfsebene aus den drei (bezüglich der Winkelwerte) nächstgelegenen zweiten Messpunkten X⁽²⁾ oder andere Interpolationen, so dass gegebenenfalls auch nur ein Teil der zweiten Messpunkten X⁽²⁾ einbezogen wird. Der Begriff ”reale Distanz” soll auch diese interpolierten Distanzen umfassen. Bei diesem Vergleich wird jeweils geprüft, ob die virtuelle Distanz d* im Rahmen der Messgenauigkeit gleich groß oder größer als die reale Distanz d aufgrund der zu berücksichtigenden zweiten Messpunkte X⁽²⁾ ist. In 3 ist dieser Vergleich symbolisch durch d* ≈ d? angedeutet.
Ist die Antwort ”ja”, so besteht Konsistenz in diesem Bereich der provisorischen Registrierung, also im Bereich der bezüglich der Distanzen d* und d verglichenen ersten Messpunkte X⁽¹⁾ und zweiten Messpunkte X⁽²⁾. In 3 ist die Konsistenz symbolisch durch einen Haken angedeutet. Eine größere virtuelle Distanz d* kann beispielsweise bei einem Hinterschnitt entstehen, welcher im zweiten Scan {X⁽²⁾} nicht erkennbar ist. In 1 sind einige derartige erste Messpunkte X⁽¹⁾ eingezeichnet, welche vom Zentrum C⁽²⁾ aus nicht sichtbar sind, weil sie in einer Nische hinter einer Wand gelegen sind.
Ist die Antwort ”nein”, d. h. die virtuelle Distanz d* ist merklich kleiner als die reale Distanz, besteht eine Inkonsistenz. In 3 ist die Inkonsistenz symbolisch durch ein Ausrufezeichen angedeutet. Der Sendelichtstrahl 18 hätte für den zweiten Scan {X⁽²⁾} auf das Hindernis im ersten Scan {X⁽¹⁾} treffen müssen, welches der kleineren virtuellen Distanz d* entspricht. In 2 besteht dieses Hindernis aus der vorspringenden Wand, welche aufgrund einer angenommenen, fehlerhaften Verschiebung bei der provisorischen Registrierung erst an anderer Stelle im zweiten Scan X⁽²⁾ sichtbar ist.
In einem dritten Schritt 103 besteht die provisorische Registrierung die Konsistenzprüfung und wird bestätigt, wenn im zweiten Schritt nur Konsistenzen gefunden wurden. Gegebenenfalls kann – nach geeignet definierten Kriterien, beispielsweise eines Schwellwertes, – auch eine kleine Anzahl an Inkonsistenzen zugelassen werden, die ebenfalls noch zu einer Bestätigung der provisorischen Registrierung führen. Andernfalls besteht die provisorische Registrierung die Konsistenzprüfung nicht und wird verworfen, so dass der zweite Scan {X⁽²⁾} erneut registriert werden muss. Sofern die Inkonsistenzen als systematisch erkennbar sind, kann die provisorische Registrierung gegebenenfalls korrigiert werden. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 wäre diese Korrektur eine Verschiebung des zweiten Scans.
Bezugszeichenliste

10: Laserscanner
12: Messkopf
14: Fuß
16: Spiegel
17: Lichtsender
18: Sendelichtstrahl
20: Empfangslichtstrahl
21: Lichtempfänger
22: Steuer- und Auswertevorrichtung
24: Anzeigevorrichtung
25: Farbkamera
101: erster Verfahrensschritt
102: zweiter Verfahrensschritt
103: dritter Verfahrensschritt
3DP: Punktwolke
C₁₀: Zentrum des Laserscanners
C⁽²⁾: Zentrum des zweiten Scans
d: (reale) Distanz
d*: virtuelle Distanz
O: Objekt
{X⁽¹⁾}: erster Scan
{X⁽²⁾}: zweiter Scan
X: Messpunkt
X⁽¹⁾: Messpunkt des ersten Scans
X⁽²⁾: Messpunkt des zweiten Scans
XYZ: Koordinatensystem

Claims

Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen einer Szene mittels eines Laserscanners (10), der wenigstens einen ersten Scan ({X⁽¹⁾}) der Szene mit ersten Messpunkten (X⁽¹⁾) erzeugt, wobei der wenigstens eine erste Scan ({X⁽¹⁾}) in einem gemeinsamen Koordinatensystem (XYZ) der Szene registriert wird, und wobei jeder weitere, zweite Scan ({X⁽²⁾}) mit einem Zentrum (C⁽²⁾) und zweiten Messpunkten (X⁽²⁾) auch im gemeinsamen Koordinatensystem (XYZ) registriert wird, wobei die Registrierung des zweiten Scans ({X⁽²⁾}) provisorisch erfolgt und einer Konsistenzprüfung unterzogen wird, wobei die Konsistenzprüfung wenigstens einen Teil der ersten Messpunkte (X⁽¹⁾) und wenigstens einen Teil der zweiten Messpunkte (X⁽²⁾) einbezieht, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsistenzprüfung das Zentrum (C⁽²⁾) des zweiten Scans ({X⁽²⁾}) einbezieht, indem die virtuellen Distanzen (d*) wenigstens einiger erster Messpunkte (X⁽¹⁾) zum Zentrum (C⁽²⁾) des zweiten Scans ({X⁽²⁾}) mit realen Distanzen (d) von einigen zweiten Messpunkten (X⁽²⁾) zum Zentrum (C⁽²⁾) des zweiten Scans ({X⁽²⁾}) verglichen werden, wobei die virtuellen Distanzen (d*) und realen Distanzen (d) jeweils Vektoren sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleich der die virtuellen Distanzen (d*) und realen Distanzen (d) mit ihren Winkelwerten die realen Distanzen (d) aus mehreren zweiten Messpunkten (X⁽²⁾) interpoliert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Konsistenz im Bereich der bezüglich der Distanzen verglichenen ersten und zweiten Messpunkte (X⁽¹⁾, X⁽²⁾) besteht, wenn die virtuellen Distanzen (d*) – im Rahmen der Messgenauigkeit – gleich groß oder größer als die realen Distanzen (d) sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Inkonsistenz im Bereich der bezüglich der Distanzen verglichenen ersten und zweiten Messpunkte (X⁽¹⁾, X⁽²⁾) besteht, wenn die virtuellen Distanzen (d*) – im Rahmen der Messgenauigkeit – kleiner als die realen Distanzen (d) sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Schritt die provisorische Registrierung die Konsistenzprüfung besteht und bestätigt wird, wenn sich nur Konsistenzen oder – nach definierten Kriterien – eine geringe Anzahl von Inkonsistenzen ergeben, und andernfalls die provisorische Registrierung die Konsistenzprüfung nicht besteht und verworfen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierungen automatisch erfolgen unter Verwendung von Targets in überlappenden Bereichen der bereits registrierten ersten Scans ({X⁽¹⁾}) und des zweiten Scans ({X⁽²⁾}).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner (10) zwischen dem ersten Scan ({X⁽¹⁾}) und dem zweiten Scan ({X⁽²⁾}) seinen Standort wechselt.
Laserscanner (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend – einen Fuß (14) und einen relativ zum Fuß (14) drehbaren Messkopf (12) mit einem Lichtsender (17), der einen Sendelichtstrahl (18) aussendet, einem Lichtempfänger (21), der einen von einem Objekt (O) in der Umgebung des Laserscanners (10) reflektierten oder sonst irgendwie gestreuten Empfangslichtstrahl (20) empfängt, und – eine Steuer- und Auswertevorrichtung (22), die – für eine Vielzahl von Messpunkten (X) wenigstens zweier Scans ({X⁽¹⁾}, {X⁽²⁾}) jeweils wenigstens die Distanz (d) vom Zentrum (C₁₀) des Laserscanners (10) zum Objekt (O) ermittelt, – die erzeugten Scans ({X⁽¹⁾}, {X⁽²⁾}) in einen gemeinsamen Koordinatensystem (XYZ) der Szene registriert für solche Scans ({X⁽¹⁾}, {X⁽²⁾}), bei denen das Zentrum (C₁₀) des Laserscanners (10) während der Erzeugung eines Scans ({X⁽¹⁾}, {X⁽²⁾}) ruhte und zwischen den Scans ({X⁽¹⁾}, {X⁽²⁾}) bewegt wurde, – wobei die Registrierung des zweiten Scans ({X⁽²⁾}) provisorisch erfolgt und einer Konsistenzprüfung unterzogen wird, die wenigstens einen Teil der ersten Messpunkte (X⁽¹⁾) und wenigstens einen Teil der zweiten Messpunkte (X⁽²⁾) sowie das Zentrum (C⁽²⁾) des zweiten Scans ({X⁽²⁾}) einbezieht, indem die virtuellen Distanzen (d*) wenigstens einiger erster Messpunkte (X⁽¹⁾) zum Zentrum (C⁽²⁾) des zweiten Scans ({X⁽²⁾}) mit realen Distanzen (d) von einigen zweiten Messpunkten (X⁽²⁾) zum Zentrum (C⁽²⁾) des zweiten Scans ({X⁽²⁾}) verglichen werden, wobei die virtuellen Distanzen (d*) und realen Distanzen (d) jeweils Vektoren sind.