DE102016116572A1 - Alignment of point clouds to the modeling of interiors - Google Patents

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Anas Al-Nuaimi
Eckehard Steinbach
Adrian Garcea
Christoph Bachhuber
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Technische Universitaet Muenchen
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Ausrichtung einer Sourcepunktwolke im Verhältnis zu einer Targetpunktwolke, wobei die Source- und die Targetpunktwolke jeweils Teilmodelle von Innenräumen einer Baustruktur darstellen und jeweils bezüglich einer Gravitationsachse ausgerichtet sind und zumindest eine kleine Überlappung bezüglich der tatsächlichen Gebäudegeometrie aufweisen. In einem ersten Schritt wird ein Sourcesignaturhistogramm der Sourcepunktwolke mit einem Targetsignaturhistogramm der Targetpunktwolke kreuzkorreliert, um eine Rotation der Sourcepunktwolke zu ermitteln. In einem zweiten Schritt wird anhand von Punktpaaren ein Translationshistogramm berechnet, wobei jedes Punktpaar einen Sourcepunkt aus der Sourcepunktwolke und einen Targetpunkt aus der Targetpunktwolke umfasst, um eine Verschiebung der Sourcepunktwolke zu ermitteln.The present invention relates to a method for determining an orientation of a source point cloud relative to a target point cloud, wherein the source and the target point cloud each represent partial models of interiors of a building structure and each aligned with respect to a gravitational axis and at least have a small overlap with respect to the actual building geometry. In a first step, a source signature histogram of the source point cloud is cross-correlated with a target signature histogram of the target point cloud to determine rotation of the source point cloud. In a second step, a translation histogram is calculated based on pairs of points, each point pair comprising a source point from the source point cloud and a target point from the target point cloud, in order to determine a displacement of the source point cloud.

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausrichten zweier zumindest teilweise überlappender Punktwolken. The present invention relates to a method for aligning two at least partially overlapping point clouds.

Die Digitalisierung von Innenräumen in Form von dreidimensionalen (3D) Scanaufnahmen hat in den letzten Jahren viele Fortschritte gemacht, insbesondere dank der Entwicklung von akkuraten 3D-Raumscanner und 3D-Bildverarbeitungapparaten sowie der Konzeption effizienter Algorithmen für das Zusammenfügen mehrerer einzelner Scanaufnahmen in ein umfassendes 3D-Modell. Solche 3D-Modelle von Innenräumen werden in mehreren neuen Technologien eingesetzt, beispielsweise bei der Navigation von Innenräumen oder bei der Orientierung verschiedener Serviceroboter. Ebenso werden bestehende Arbeitsgebiete, wie beispielsweise die Gebäudewartung, davon profitieren, akkurate 3D-Modelle in kurzer Zeit aufnehmen zu können. In Hinblick auf diese Vorteile eignen sich insbesondere größere Innenräume sowie Einkaufszentren, Museen und Firmengebäude für die 3D-Kartierung. Derartige Innenräume weisen Raumelemente, wie zum Beispiel Decken, Böden, Wände bzw. Gänge, auf. The digitization of interiors in the form of three-dimensional (3D) scan recordings has made much progress in recent years, in particular thanks to the development of accurate 3D space scanners and 3D image processing apparatus, as well as the design of efficient algorithms for merging multiple individual scan scans into a comprehensive 3D scan. Model. Such 3D interior models are used in several new technologies, for example, in the navigation of interiors or in the orientation of various service robots. Similarly, existing work areas, such as building maintenance, will benefit from being able to record accurate 3D models in a short time. In view of these advantages, in particular larger interiors as well as shopping centers, museums and company buildings are suitable for 3D mapping. Such interiors have room elements, such as ceilings, floors, walls or corridors, on.

Solche großen Baustrukturen werden normalerweise nicht mit einer einzigen Aufnahme gescannt. Beim Einscannen gibt es technische Beschränkungen, wie Drifts (kleine Rechnungsfehler, die sich mit der Zeit anhäufen), begrenzte Speicherkapazität und begrenzte Rechenleistung. Es bestehen außerdem physikalische Beschränkungen, die die Bewegungseinschränkungen der Scaneinrichtung umfassen; beispielsweise können auf Räder montierte Scaneinrichtungen keine Treppen bzw. Stufen steigen. Zusätzlich können zeitliche Einschränkungen bestehen, beispielsweise Zugangseinschränkungen, die erfordern, dass das Scannen in Abschnitten während bestimmten Zeitfenstern erfolgt, in denen Zugang zu dem Innenraum gewährt wird. Ferner müssen Scanupdates regelmäßig durchgeführt werden, wobei es sehr umständlich wäre, wenn dabei das gesamte Bauwerk erneut eingescannt werden müsste. Such large structures are usually not scanned with a single shot. When scanning, there are technical limitations, such as drifts (small billing errors that accumulate over time), limited storage capacity and limited processing power. There are also physical constraints that include the movement constraints of the scanner; For example, wheel-mounted scanning devices can not climb stairs or steps. In addition, there may be time constraints, such as access restrictions, which require scanning to take place in sections during certain windows of time in which access to the interior is granted. Furthermore, scan updates must be performed regularly, and it would be very cumbersome if the entire structure would have to be scanned again.

Diese Beschränkungen beim Einscannen führen dazu, dass mehrere, an Schnittstellen überlappende Teilmodelle zusammengefügt werden müssen, um durch deren Ausrichtung ein einziges, umfassendes 3D-Modell zu erstellen. Somit wird die Ausrichtung mehrerer, überlappender Punktwolken in einem oder mehreren Nachverarbeitungsschritten durchgeführt. Bei Punktwolken kann es sich hierbei und im Folgenden insbesondere um Bauwerkmodelle, insbesondere Modelle von Strukturen von Innenräumen von Bauwerken, handeln. These scanning limitations mean that multiple, overlapping sub-models need to be merged to create a single, comprehensive 3D model by aligning them. Thus, the alignment of multiple, overlapping point clouds is performed in one or more post-processing steps. In the case of point clouds, these and in the following may be in particular structural models, in particular models of structures of interior spaces of buildings.

Stand der Technik State of the art

Es existiert bereits ein Forschungszweig, der sich mit der Ausrichtung von 3D-Modellen befasst, die oft in Form von Gitter oder Punktwolken abgespeichert sind. Genannt wird das Problem „Punktwolkenausrichtung“ (Englisch: point cloud alignment), Point Set Registration, oder Scan Registration. There is already a branch of research that deals with the alignment of 3D models, which are often stored in the form of grids or point clouds. The problem is called "point cloud alignment", point set registration, or scan registration.

Hierbei können die Punktwolken, mit denen Innenräume von Bauwerken modelliert werden, mehrere Tausende oder Millionen von Punkten beinhalten. Dabei wird jeder Punkt als Datenstruktur erfasst, welche die kartesischen Koordinaten des Punktes in 3D beinhaltet. Wahlweise können zusätzliche Informationen zu Flächen oder Strukturen, auf denen der Punkt liegt, in der Datenstruktur erfasst werden. Beispielsweise kann ein Punkt einer Punktwolke Informationen aufweisen, die zu erkennen geben, dass der Punkt auf einer Fläche, beispielsweise einer Wandfläche, oder auf einer Struktur, beispielsweise einer Säule, einem Balken oder einem Pfosten, angeordnet ist. In einem zweiten Beispiel kann ein Punkt einer Punktwolke auf dem Durchschnitt zweier Flächen (beispielsweise Wände, Böden oder Decken) oder auf dem Schnittpunkt dreier Flächen, nämlich auf einer Ecke angeordnet werden. Gemäß diesen Beispielen umfasst der jeweilige Punkt Informationen bezüglich seinen zugehörigen Flächen oder dreidimensionalen Strukturen, beispielsweise indem ein Flächennormalvektor und/oder ein Flächenkrümmungsindex in der Datenstruktur erfasst werden, der auf das Bestehen einer Kante oder Ecke des Innenraums an dem Punkt hinweisen kann. Here, the point clouds, with which interior spaces of buildings are modeled, can contain several thousands or millions of points. Each point is captured as a data structure that contains the Cartesian coordinates of the point in 3D. Optionally, additional information about areas or structures on which the point is located may be captured in the data structure. For example, a point of a point cloud may include information indicating that the point is located on a surface, such as a wall surface, or on a structure, such as a pillar, a beam, or a pillar. In a second example, a point of a point cloud may be placed on the intersection of two surfaces (eg walls, floors or ceilings) or on the intersection of three surfaces, namely on a corner. According to these examples, the particular point includes information regarding its associated areas or three-dimensional structures, for example, by detecting a surface normal vector and / or a surface curvature index in the data structure that may indicate the existence of an edge or corner of the interior at the point.

Fortschritte im Bereich des 3D-Kartierung und Rekonstruktion wurden durch die Entwicklung von akkuraten Raumscannern gefördert, die sogar als Handscanner implementiert wurden. Zu den existierenden Kartierungssystemen gehören Scaneinrichtungen mit einem auf Räder gestützten Unterbau, Rucksack-montierte Scaneinrichtungen und Handscanner. Solche Systeme sind in der Lage, Innen- und Außenräume sehr detailliert in Punktwolken zu erfassen. Advances in 3D mapping and reconstruction have been promoted by the development of accurate space scanners, which have even been implemented as hand-held scanners. Existing mapping systems include wheel base based scanners, backpack mounted scanners, and handheld scanners. Such systems are capable of capturing interior and exterior spaces in point clouds in great detail.

Auch wurden viele Rekonstruktionsalgorithmen entwickelt, die auf zweidimensionalen Kameraaufnahmen basieren. Ein Beispiel ist das System von Akbarzadeh et al. „Towards Urban 3D Reconstruction from Video” in Third International Symposium on 3D Data Processing, Visualization, and Transmission; 2006 , das basierend auf Videoaufnahmen urbane Außenräume rekonstruiert. Ein weiteres Beispiel ist das System von Agarwal et al. „Building Rome in a Day”, Communications of the ACM, Vol. 54 No. 10, Seiten 105–112 , das basierend auf vielen Kameraaufnahmen urbane Außenräume rekonstruiert. Also, many reconstruction algorithms based on two-dimensional camera images have been developed. An example is the system of Akbarzadeh et al. "Towards Urban 3D Reconstruction from Video" at Third International Symposium on 3D Data Processing, Visualization, and Transmission; 2006 , which reconstructs urban exterior spaces based on video recordings. Another example is the system of Agarwal et al. "Building Rome in a Day," Communications of the ACM, Vol. 10, pages 105-112 , which reconstructs urban exterior spaces based on many camera shots.

Die Problemstellung der Ausrichtung zweier Punktwolken bezieht sich auf zwei Datensätze, auch Punktsätze oder Punktwolken genannt, nämlich das Target (zu Deutsch „Ziel“; auch Szene genannt) das als Referenz dient und bewegungslos bleibt, und die Source (zu Deutsch „Quelle“; auch Modell genannt), bezüglich derer eine räumliche Transformation gesucht wird, nach der die Source im Verhältnis zu dem Target ausgerichtet wird. Theoretisch sind die Sourcepunktwolke und Targetpunktwolke bei der Anwendung des Ausrichtungsalgorithmus untereinander austauschbar. The problem of aligning two point clouds refers to two sets of data, also called point sets or point clouds, namely the target (also called a scene in German) which serves as a reference and remains motionless, and the source (in German "source"; also referred to as a model), with respect to which a spatial transformation is sought after which the source is oriented in relation to the target. Theoretically, the source point cloud and the target point cloud are interchangeable in the application of the alignment algorithm.

Generell kann die Problemstellung der Punktwolkenausrichtung in zwei Vorgänge unterteilt werden, nämlich die Grobausrichtung und die Feinausrichtung. Bei der Grobausrichtung werden keine Einschränkungen bezüglich der Initialausrichtung erhoben, und das Ausrichtungsergebnis ist im Wesentlichen korrekt. Die Feinausrichtung setzt eine gute Vorausrichtung voraus und liefert eine sehr genaue Ausrichtung zwischen Source und Target. Dabei wird der Iterative Closest Point(ICP)-Algorithmus standardmäßig für die Feinausrichtung gewählt. Im Folgenden wird auf die Problemstellung der Grobausrichtung näher eingegangen. Dabei ist jede Initialausrichtung der Source- und Targetpunktwolke möglich, sofern die Punktwolken bereits bezüglich der Gravitationsachse bzw. der Gravitationsrichtung der Erde ausgerichtet sind, d.h. eine gemeinsame lokale Z-Achse aufweisen. In general, the problem of the point cloud alignment can be divided into two operations, namely the coarse alignment and the fine alignment. In the coarse alignment, there are no restrictions on the initial alignment, and the alignment result is substantially correct. Fine alignment requires good pre-alignment and provides very accurate alignment between source and target. The Iterative Closest Point (ICP) algorithm is selected by default for fine alignment. The following section deals with the problem of coarse alignment. In this case, any initial alignment of the source and target point cloud is possible, provided that the point clouds are already aligned with respect to the gravitational axis or the gravitational direction of the earth, i. have a common local Z axis.

Für die Aufgabenstellung der Grobausrichtung verschiedener Punktwolken wurden einige Ansätze entwickelt. Dabei sind verschiedene Ansätze für verschiedene Ausrichtungsaufgaben besonders gut geeignet, wie in der folgenden Diskussion näher beschrieben. Several approaches have been developed for the task of coarse alignment of different point clouds. Various approaches for different alignment tasks are particularly well suited, as described in more detail in the following discussion.

Ansätze für die Grobausrichtung zweier Punktwolken wurden bisher zwei Kategorien zugeteilt. Die erste Kategorie umfasst Algorithmen basierend auf einem Wahlverfahren, wobei der Parameterraum mit sechs Freiheitsgraden quantisiert und eine Ausrichtung jedes Punkt-Tripletts als Wahlverfahren in dem Parameterraum eingesetzt wird. Bei diesen Verfahren wird garantiert die korrekte Ausrichtung ermittelt, allerdings setzen diese Verfahren voraus, dass die Punktwolken sich großflächig bzw. vorzugsweise sogar vollständig überlappen. Ferner sind diese Verfahren aufgrund einer vollständigen Fallunterscheidung sowie der hohen Anzahl der Freiheitsgrade teils ineffizient. Vor allem leiden solche Verfahren an dem sogenannten „Curse of Dimensioning“-Problem (zu Deutsch: Fluch der Dimensionierung). Selbst bei der vereinfachten Problemstellung, gemäß derer es lediglich eine X-Y-Verschiebung und einen Rotationswinkel θ zu ermitteln gilt (wobei die Z-Achse entlang der Gravitationsrichtung zeigt), sind diese Algorithmen immer noch nicht für die Registrierung großer Punktwolkendatensätze geeignet. In der zweiten Kategorie sind Verfahren zur Berechnung von Punktkorrespondenzen enthalten, die im Anschluss zur Abschätzung einer Transformation herangezogen werden, gemäß derer die bestmögliche Zuordnung der Sourcepunkte zu den Targetpunkten ermittelt wird. Bei Punktwolken mit lediglich einem kleinen Überlappungsbereich kann allerdings ein hierbei eingesetztes sogenanntes Featurematching, das für die Ermittlung von Korrespondenzen essenziell ist, zu vielen falschen Korrespondenzen führen, sodass das Ausrichtungsergebnis nicht zuverlässig korrekt ermittelt wird. Ferner erfordern bestimmte Schritte, wie das sogenannte Keypoint-Detection und das sogenannte Descriptor-Computation, einen hohen Rechenaufwand, da die nächstbenachbarten Punkte innerhalb einer großen, ungeordneten Punktwolke ermittelt werden müssen. Approaches for the coarse alignment of two point clouds have so far been assigned to two categories. The first category includes algorithms based on a voting method wherein the parameter space is quantized with six degrees of freedom and an alignment of each dot triplet is used as the voting method in the parameter space. These methods are guaranteed to determine the correct orientation, however, these methods require that the point clouds over a large area or preferably even completely overlap. Furthermore, these methods are partly inefficient due to a complete case distinction and the high number of degrees of freedom. Above all, such methods suffer from the so-called "Curse of Dimensioning" problem. Even with the simplified problem, according to which there is only an X-Y displacement and a rotation angle θ to be determined (the Z axis being along the gravitational direction), these algorithms are still not suitable for registration of large point cloud data sets. The second category contains methods for calculating point correspondences, which are then used to estimate a transformation according to which the best possible assignment of the source points to the target points is determined. For point clouds with only a small overlap area, however, so-called feature matching, which is essential for the determination of correspondences, can lead to many incorrect correspondences, so that the alignment result is not reliably determined correctly. Furthermore, certain steps, such as the so-called keypoint detection and the so-called descriptor computation require a high computational effort, since the next adjacent points within a large, disordered point cloud must be determined.

Der vergleichsweise neue Ansatz des Four-Point Congruent Sets (4PCS) gehört zu beiden der oben genannten Kategorien. Dabei werden nach Übereinstimmungen in den Merkmalsmengen der beiden Punktwolken in Sätzen mit jeweils vier Punkten gesucht. Eine einzige Korrespondenz ist dabei ausreichend, um eine Transformation mit sechs Freiheitsgraden zu bestimmen. Gemäß diesem Ansatz wird die Ausrichtung durch den größten gemeinsamen Punktsatz (Englisch: Largest Common Point set, oder LCP) ermittelt, wobei die größte Teilmenge der Sourcepunktwolke gesucht wird, die nach erfolgter Transformation einen maximalen Abstand δ entfernt vom Target ist. Mit anderen Worten: die Lösungen, die den Überlappungsbereich maximieren sind bevorzugt. Dies ist aber besonders ungelegen bei Datensätzen, die viele ähnliche Gänge eines eingescannten Gebäudes enthalten. The comparatively new approach of the Four-Point Congruent Set (4PCS) belongs to both of the above categories. It searches for matches in the feature sets of the two point clouds in sets of four points each. A single correspondence is sufficient to determine a transformation with six degrees of freedom. According to this approach, the alignment is determined by the Largest Common Point Set, or LCP, looking for the largest subset of the source point cloud which, after transformation, is a maximum distance δ away from the target. In other words, the solutions that maximize the overlap area are preferred. However, this is particularly inconvenient for records containing many similar passages of a scanned building.

Eine weitere, vergleichsweise neue Kategorie von Algorithmen zur Ausrichtung von Punktwolken umfasst die wahrscheinlichkeitstheoretischen Verfahren. Bei solchen Wahrscheinlichkeitsverfahren werden keine genauen Korrespondenzen ausgerechnet, sondern es werden „weiche“ Zusammenhänge zwischen Punktpaaren mittels Wahrscheinlichkeitswerten beschrieben. Another, relatively new category of point cloud alignment algorithms involves probabilistic methods. In such probability methods, no exact correspondences are calculated, but "soft" relationships between pairs of points are described by means of probability values.

Ein Beispiel eines wahrscheinlichkeitstheoretischen Ausrichtungsverfahrens ist von B. Jian und B.C. Vemuri in dem Artikel „Robust point set registration using Gaussian mixture models,” beschrieben, das in Pattern analysis and machine intelligence, IEEE Transactions on 33 (8) (2011), Seiten 1633–1648 veröffentlicht wurde und hier GMMREG benannt wird. Gemäß diesem Verfahren wird ein sogenanntes Gaussian Mixture Model (GMM) der Source- bzw. der Targetpunktwolke angepasst. Die Ausrichtungsproblemstellung wird dabei als Minimierungsproblem der Histogramm-Distanzen aufgefasst, wobei das GMM-Modell der Source auf die Transformationsparameter parametrisiert wird. Anschließend verwendet GMMREG einen iterativen Lösungsansatz um die Transformationsparameter zu ermitteln. An example of a probabilistic alignment technique is described by B. Jian and BC Vemuri in the article "Robust point set registration using Gaussian mixture models," which is described in Pattern analysis and machine intelligence, IEEE Transactions on 33 (8) (2011), pages 1633-1648 was published and GMMREG is named here. According to this method, a so-called Gaussian Mixture Model (GMM) is adapted to the source or target point cloud. The alignment problem is considered as a minimization problem of the histogram distances, with the GMM model of the source on the Transformation parameter is parameterized. Then GMMREG uses an iterative approach to determine the transformation parameters.

Ein weiteres Beispiel der wahrscheinlichkeitstheoretischen Ausrichtung ist das „Coherent Point Drift“ von A. Myronenko and X. Song beschrieben in „Point set registration: Coherent point drift,” und veröffentlicht in Pattern analysis and machine intelligence, IEEE Transactions on 32(12) (2010), Seiten 2262–2275 . Dieses Verfahren verwendet auch GMM, allerdings wird das GMM-Modell ledig-lich der Targetpunktwolke angepasst, wobei jeder Targetpunkt eine Komponente der Mischung darstellt. Jeder Sourcepunkt wird als Probe des GMM-Modells betrachtet mit einer bedingten Wahrscheinlichkeit, die durch eine Gauß‘sche Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion beschrieben wird. Die Transformationsparameter werden anhand von einer maximalen Wahrscheinlichkeitsmethode (Englisch: Maximum Likelihood, oder ML) mittels des Expectation-Maximization-Algorithmus (EM) geschätzt. Another example of the probabilistic orientation is this "Coherent Point Drift" by A. Myronenko and X. Song described in "Point set registration: Coherent point drift," and published in Pattern analysis and machine intelligence, IEEE Transactions on 32 (12) (2010), pages 2262-2275 , This method also uses GMM, however, the GMM model is adjusted only to the target point cloud, with each target point representing one component of the mixture. Each source point is considered a sample of the GMM model with a conditional probability described by a Gaussian probability density function. Transformation parameters are estimated using a Maximum Likelihood (ML) using the Expectation Maximization algorithm (EM).

Wahrscheinlichkeitstheoretische Ansätze haben den Vorteil, dass sogenannte „Outliers“ explizit berücksichtigt werden. Ferner bieten die wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansätze viel Flexibilität bei verschiedenen Transformationsarten wie Spiegelungen, affinen Transformationen und Skalierungen. Allerdings bietet diese Flexibilität bezüglich der Transformationsarten keinen Vorteil bei Starrkörpertransformationen im zwei- oder dreidimensionalen Raum. Ferner führt der iterative Charakter dieser Verfahren dazu, dass sie nicht ganz unempfindlich bezüglich der Initialausrichtung sind. Außerdem weisen diese Verfahren eine hohe Berechnungskomplexität auf, sodass die Berechnungen teils sehr zeitaufwändig sind, insbesondere bei größeren Datensätzen. Probabilistic approaches have the advantage that so-called "outliers" are explicitly taken into account. Furthermore, the probabilistic approaches offer a great deal of flexibility in various types of transformations, such as mirroring, affine transformations, and scaling. However, this flexibility with respect to the transformation types offers no advantage in rigid body transformations in two- or three-dimensional space. Furthermore, the iterative nature of these methods makes them not quite insensitive to initial alignment. In addition, these methods have a high computational complexity, so that the calculations are sometimes very time-consuming, especially for larger data sets.

Nach der vorangegangenen Diskussion ist es ersichtlich, dass die Wirksamkeit der bekannten Verfahren beeinträchtigt wird, wenn sie für die Ausrichtung von Punktwolken mit einem kleineren Überlappungsbereich eingesetzt werden. Ferner sind einige bekannte Ansätze bezüglich der Initialausrichtung der Punktwolken empfindlich, sodass deren Ergebnisse nicht zuverlässig auf die korrekte Ausrichtung schließen lassen. Schließlich sind viele bekannte Algorithmen bei sehr großen Punktwolken nicht anwendbar, es sei denn, eine drastische Abtastung der Punkte in einem Vorarbeitungsschritt erfolgt. Allerdings ist eine solche Abtastung nicht wünschenswert, weil dadurch wichtige Information über die Geometrie (Form) der Gebäudeteile verloren werden. From the foregoing discussion, it can be seen that the effectiveness of the known methods is compromised when used for the alignment of point clouds with a smaller overlap area. Furthermore, some known approaches to the initial alignment of the point clouds are sensitive, so that their results do not reliably indicate the correct orientation. Finally, many known algorithms are not applicable to very large point clouds unless there is a drastic scan of the points in a preprocessing step. However, such a scan is not desirable because it will lose important information about the geometry (shape) of the parts of the building.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln einer Ausrichtung einer Sourcepunktwolke im Verhältnis zu einer Targetpunktwolke bereitzustellen. Starting from the known state of the art, it is an object of the present invention to provide an improved method for determining alignment of a source point cloud relative to a target point cloud.

Die oben gestellte Aufgabe wird durch ein hier beschriebenes Verfahren zum Ermitteln einer Ausrichtung einer Sourcepunktwolke im Verhältnis zu einer Targetpunktwolke gelöst, wobei die Source- und die Targetpunktwolke jeweils ein Teilmodell von Innenräumen einer Baustruktur darstellen und jeweils bezüglich einer Gravitationsachse ausgerichtet sind. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird ein Sourcesignaturhistogramm der Sourcepunktwolke mit einem Targetsignaturhistogramm der Targetpunktwolke kreuzkorreliert, um eine Rotation der Sourcepunktwolke zu ermitteln. In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird anhand von Punktpaaren ein Translationshistogramm berechnet, wobei jedes Punktpaar einen Sourcepunkt aus der Sourcepunktwolke und einen Targetpunkt aus der Targetpunktwolke umfasst, um eine Verschiebung der Sourcepunktwolke zu ermitteln. The above object is achieved by a method described herein for determining an alignment of a source point cloud relative to a target point cloud, wherein the source and the target point cloud each represent a partial model of interiors of a building structure and each aligned with respect to a gravitational axis. In a first step of the method, a source signature histogram of the source point cloud is cross-correlated with a target signature histogram of the target point cloud to determine rotation of the source point cloud. In a second step of the method, a translation histogram is calculated based on pairs of points, wherein each pair of points comprises a source point from the source point cloud and a target point from the target point cloud to determine a displacement of the source point cloud.

Dabei ist die Ermittlung der richtigen Rotation und Verschiebung (im Folgenden auch Rotations- und Verschiebungswerte genannt) bezüglich der Initialausrichtung der Source- und Targetpunktwolke unempfindlich. Soweit die Source und Target bereits entlang der Gravitationsachse ausgerichtet sind, wird das Verfahren eine korrekte Ausrichtung ergeben, und zwar unabhängig von dem initialen Rotationswinkel zwischen Source und Target sowie unabhängig von dem Abstand zwischen den Punktwolken. Insbesondere können sich die Punktwolken anfangs sogar in demselben Raum befinden. Ferner kann gemäß dem Verfahren eine Ausrichtung großer Punktwolken mit Millionen von Punkten effizient berechnet werden. Diese Vorteile werden durch das Einsetzen von Erkenntnissen über Innenräume ermöglicht. Ferner wird ein Auflockern der in bisherigen Verfahren verwendeten starren Kopplung zwischen der Ermittlung der Translation und der Rotation ausgenutzt. Diese partielle Entkopplung der Rotationsauswertung von der Translationsauswertung führt dazu, dass die Komplexität der Gesamtauswertung erheblich reduziert wird. Schließlich hat der vorgeschlagene Ansatz den Vorteil, dass Punktwolken die einen kleinen Überlappungsbereich, mit beispielsweise weniger als 30% Überlappung zwischen Source und Target, und sogar Punktwolken mit einem besonders kleinen Überlappungsbereich, mit beispielsweise weniger als 10% Überlappung, mit dem Verfahren ausgerichtet werden können. In this case, the determination of the correct rotation and displacement (hereinafter also referred to as rotation and displacement values) with respect to the initial alignment of the source and target point cloud is insensitive. Insofar as the source and target are already aligned along the gravitational axis, the method will give a correct orientation regardless of the initial rotation angle between source and target and independent of the distance between the point clouds. In particular, the point clouds may initially be in the same room. Further, according to the method, alignment of large point clouds with millions of points can be calculated efficiently. These benefits are made possible by the adoption of insights into interior spaces. Furthermore, a relaxation of the rigid coupling used in previous methods between the determination of the translation and the rotation is exploited. This partial decoupling of the rotation evaluation from the translation evaluation leads to the complexity of the overall evaluation being considerably reduced. Finally, the proposed approach has the advantage that point clouds that have a small overlap area, with, for example, less than 30% overlap between source and target, and even point clouds with a particularly small overlap area, with, for example, less than 10% overlap, can be aligned with the method ,

Das Verfahren kann mit einer Scaneinrichtung durchgeführt werden. Bei einer Scaneinrichtung kann es sich beispielsweise um einen auf Räder gestützten bzw. montierten Unterbau, Rucksackmontierte Scaneinrichtungen und/oder Handscanner handeln. Eine Scaneinrichtung kann eine Rechenvorrichtung, wie beispielsweise einen Mikrocontroller bzw. einen Computer, zur Durchführung des Verfahrens aufweisen. Ferner kann eine Scaneinrichtung optische und/oder elektronische Komponenten zum Scannen eines Innenraums eines Gebäudes aufweisen. Alternativ dazu kann das Verfahren mit einer stationären Rechenvorrichtung, wie beispielsweise einen Desktop- oder Laptop-Computer, durchgeführt werden. The method can be carried out with a scanning device. By way of example, a scanning device may be a wheeled or mounted substructure, backpack-mounted scanning devices and / or hand-held scanners. A scanning device may include a computing device, such as a microcontroller or a computer for carrying out the method. Furthermore, a scanning device can have optical and / or electronic components for scanning an interior of a building. Alternatively, the method may be performed with a stationary computing device, such as a desktop or laptop computer.

Für die Berechnung des Sourcesignaturhistogramms kann eine Sourcesignatur mit einem Satz Flächennormalvektoren gebildet werden, wobei jeder Flächennormalvektor der Sourcesignatur jeweils mit einem Sourcepunkt assoziiert ist. Auf ähnliche Weise kann für die Berechnung des Targesignaturthistogramms eine Targetsignatur mit einem Satz Flächennormalvektoren gebildet werden, wobei jeder Flächennormalvektor der Targetsignatur jeweils mit einem Targetpunkt assoziiert ist. Indem Source- bzw. Targetsignatur jeweils aus einem Satz Flächennormalvektoren gebildet werden, die jeweils mit Sourcepunkten bzw. Targetpunkten assoziiert sind, wird die Unterscheidbarkeit der rotatorischen Ausrichtung der Teilmodelle erhöht, sodass die korrekte Ausrichtungsrotation der Sourcepunktwolke zuverlässig ermittelt werden kann. For the calculation of the source signature histogram, a source signature can be formed with a set of surface normal vectors, wherein each surface normal vector of the source signature is associated with a respective source point. Similarly, for the calculation of the target signature histogram, a target signature may be formed with a set of surface normal vectors, each surface normal vector of the target signature being associated with a target point, respectively. By forming source or target signatures each from a set of surface normal vectors respectively associated with source points and target points, the distinctness of the rotational orientation of the submodels is increased, so that the correct orientation rotation of the source point cloud can be reliably determined.

Ferner können die Sourcesignatur und Targetsignatur jeweils nur anhand von denjenigen Punkten berechnet werden, deren jeweils assoziierter Flächennormalvektor im Wesentlichen parallel zu einer Bodenebene ausgerichtet ist. Beispielsweise verläuft die Bodenebene entlang bzw. parallel zu einem Boden des zu scannenden Gebäudes. Hierbei und im Folgenden sind mathematische Begriffe wie „parallel“ und/oder „senkrecht“ nicht im mathematisch strengen Sinne, sondern insbesondere im Rahmen der Mess- bzw. Ausrichtungstoleranzen zu interpretieren. Beispielsweise können auch zwei Ebenen, deren Flächennormalvektoren einen Winkel von höchstens bzw. mindestens 5°, bevorzugst höchstens bzw. mindestens 3° und besonders bevorzugt höchstens bzw. mindestens 1°, einschließen, als parallel bzw. senkrecht zueinander verlaufend angesehen werden. Durch die Reduktion in der Größe der Signaturen wird die Komplexität der Berechnung der Rotation reduziert, sodass eine Ausrichtung der Punktwolken mit weniger (Rechen-)Operationen durchgeführt werden kann. Gleichzeitig wird der Berechnungszeitaufwand reduziert. Furthermore, the source signature and target signature can each be calculated only on the basis of those points whose respectively associated surface normal vector is aligned substantially parallel to a ground plane. For example, the ground plane runs along or parallel to a floor of the building to be scanned. Here and below, mathematical terms such as "parallel" and / or "vertical" are not to be interpreted in the mathematically strict sense, but in particular within the scope of the measurement or alignment tolerances. For example, two planes whose surface normal vectors include an angle of at most or at least 5 °, preferably at most or at least 3 ° and particularly preferably at most or at least 1 °, can be regarded as parallel or perpendicular to each other. The reduction in the size of the signatures reduces the complexity of calculating the rotation, so that alignment of the point clouds can be performed with fewer (arithmetic) operations. At the same time, the calculation time is reduced.

Ein Ergebnis des Kreuzkorrelierens des Sourcesignaturhistogramms mit dem Targetsignaturhistogramm kann eine Anzahl von Spitzen aufweisen, die mit einer Anzahl von dominanten Richtungen der Innenräume der Baustruktur übereinstimmen. Die dominanten Richtungen können beispielsweise durch die Ausrichtung der Wände der Innenräume vorgegeben sein. Hierbei kann ein weiterer Schritt des Berechnens eines rotationsbedingten Translationshistogramms für jede dominante Richtung vorgesehen sein. Ferner kann ein Schritt des Vergleichens der berechneten rotationsbedingten Translationshistogramme vorgesehen sein, um die Rotation der Sourcepunktwolke zu ermitteln. Dabei wird sichergestellt, dass die richtige Rotation der Sourcepunktwolke ermittelt wird, unabhängig von der Initialausrichtung der Punktwolken. Insbesondere wird sichergestellt, dass bei Baustrukturen, die eine ausgeprägte Symmetrie zwischen den dominanten Richtungen aufweisen keine falsche Rotation gewählt wird, die einer der in der Regel drei anderen, „falschen“ dominanten Richtungen entspricht. A result of cross-correlating the source signature histogram with the target signature histogram may include a number of peaks that coincide with a number of dominant directions of the interiors of the building structure. The dominant directions may be dictated by the orientation of the walls of the interiors, for example. In this case, a further step of calculating a rotation-dependent translation histogram for each dominant direction may be provided. Further, a step of comparing the calculated rotation-related translation histograms may be provided to determine the rotation of the source point cloud. This ensures that the correct rotation of the source point cloud is determined, regardless of the initial orientation of the point clouds. In particular, it is ensured that in the case of building structures that exhibit a pronounced symmetry between the dominant directions, no false rotation is chosen, which corresponds to one of the usually three other "wrong" dominant directions.

Das Vergleichen der berechneten rotationsbedingten Translationshistogramme kann einen Schritt des Vergleichens der Maximalwerte jedes der rotationsbedingten Translationshistogramme umfassen. Ferner kann das Vergleichen einen Schritt des Auswählens desjenigen rotationsbedingten Translationshistogramms umfassen, das den größten Maximalwert aufweist, wobei die dazugehörige Rotation die Rotation der Sourcepunktwolke bildet. Die Bestimmung der Rotation der Sourcepunktwolke ermöglicht eine Invarianz bezüglich der Initialausrichtung, da den unzutreffenden Rotationen korrespondierende Punktpaare nicht derselben Klasse zugeordnet werden. Deshalb dienen die Maximalwerte der rotationsbedingten Translationshistogramme als weiterer zuverlässiger Indikator der korrekten Rotation. The comparing of the calculated rotation-related translation histograms may comprise a step of comparing the maximum values of each of the rotation-related translation histograms. Further, the comparing may comprise a step of selecting the rotational translation translational histogram having the largest maximum value, the associated rotation forming the rotation of the source point cloud. The determination of the rotation of the source point cloud allows an invariance with respect to the initial orientation, since the corresponding pairs of points corresponding to the incorrect rotations are not assigned to the same class. Therefore, the maximum values of rotation-dependent translational histograms serve as another reliable indicator of correct rotation.

Bei der Berechnung des Translationshistogramms können primitive Eigenschaften der Source- bzw. der Targetpunkte herangezogen werden, wie deren jeweiliger Flächennormalvektor, Flächenkrümmungsindex und/oder Z-Wert, um eine diskriminierende Klassenzuordnung zu ermöglichen, wie im Folgenden auch näher beschrieben. In the calculation of the translation histogram, primitive properties of the source or target points can be used, such as their respective surface normal vector, surface curvature index and / or Z value, to allow discriminating class assignment, as described in more detail below.

Insbesondere können die zur Berechnung des Translationshistogramms herangezogenen Punktpaare lediglich diejenigen Sourcepunkte und Targetpunkte umfassen, deren jeweils assoziierten Flächennormalvektoren sich im Wesentlichen von jeder der dominanten Richtungen der Innenräume der Baustruktur unterscheidet. Somit kann die Anzahl der im Translationshistogramm berücksichtigten Punkte drastisch reduziert werden, da alle Punkte, die auf Innenflächen wie Innenwände liegen, sowie alle Punkte die auf den Kanten zwischen Wand und Boden oder zwischen Wand und Decke liegen, bei der Berechnung nicht berücksichtigt werden müssen. In particular, the pairs of points used to calculate the translation histogram may only include those source points and target points whose respective associated surface normal vectors differ substantially from each of the dominant directions of the interiors of the building structure. Thus, the number of points taken into account in the translation histogram can be drastically reduced be reduced, since all points that lie on inner surfaces such as interior walls, as well as all points that lie on the edges between wall and floor or between wall and ceiling, must not be taken into account in the calculation.

Alternativ oder zusätzlich dazu können die zur Berechnung des Translationshistogramms herangezogenen Punktpaare lediglich diejenigen Sourcepunkte und Targetpunkte umfassen, deren jeweils assoziiertes Flächenkrümmungsindex einen hohen Absolutwert hat. Somit kann die Anzahl der im Translationshistogramm berücksichtigten Punkte drastisch reduziert werden, da alle Punkte, die sich auf einer flachen Innenfläche, wie einer Wand, einem Boden und/oder einer Decke, befinden, bei der Berechnung nicht berücksichtigt werden müssen. Diese Maßnahme reduziert nicht nur den Rechenaufwand, sondern trägt maßgeblich dazu bei, dass bessere Translationshistogramme berechnet werden. Alternatively or additionally, the pairs of points used to calculate the translation histogram can only include those source points and target points whose respective associated surface curvature index has a high absolute value. Thus, the number of points taken into account in the translation histogram can be drastically reduced since all points located on a flat interior surface, such as a wall, floor and / or ceiling, need not be taken into account in the calculation. This measure not only reduces the computational effort, but also significantly contributes to the calculation of better translation histograms.

Alternativ oder zusätzlich dazu können die zur Berechnung des Translationshistogramms herangezogenen Punktpaare lediglich diejenigen Punktpaare umfassen, die einen Sourcepunkt und einen Targetpunkt umfassen, deren jeweils assoziierten Flächennnormalvektoren im Wesentlichen parallel zueinander sind. Eine derartige Selektion lässt sich damit begründen, dass die Rotationsausrichtung zwischen der Source- und Targetpunktwolke bereits berechnet wurde, sodass die Flächennormalvektoren von zueinander korrespondierenden Source- und Targetpunkten ebenfalls korrespondierende Richtungen aufweisen müssen. Somit kann die Anzahl der im Translationshistogramm berücksichtigten Punkte drastisch reduziert werden, da lediglich diejenigen Punktpaare, deren jeweils dazugehörigen Flächennnormalvektoren im Wesentlichen parallel zueinander sind, bei der Berechnung berücksichtigt werden müssen. Alternatively or additionally, the pairs of points used to calculate the translation histogram may only include those pairs of points that comprise a source point and a target point whose associated normal normal vectors are substantially parallel to each other. Such a selection can be justified by the fact that the rotational alignment between the source and target point clouds has already been calculated so that the surface normal vectors of corresponding source and target points must also have corresponding directions. Thus, the number of points taken into account in the translation histogram can be drastically reduced since only those pairs of points whose respective surface normal vectors are substantially parallel to one another must be taken into account in the calculation.

Die Sourcepunktwolke und Targetpunktwolke können jeweils in Scheiben unterteilt sein, die alle Source- bzw. Targetpunkte beinhalten, die innerhalb eines Schwellenwerts von einer parallel zur Bodenebene angeordneten Referenzebene entfernt liegen. Die Referenzebene kann von der Bodenebene und insbesondere vom Boden beabstandet angeordnet sein. Ferner ist es möglich, dass die Referenzebene beabstandet von einer entlang der Decke verlaufenden Deckenebene angeordnet ist. Es ist möglich, dass zwei oder mehrere scheibenbezogene Translationshistogramme berechnet werden, wobei die Berechnung anhand von Punktpaaren, die sich in derselben Scheibe befinden, erfolgt. Schließlich können die zwei oder mehreren scheibenbezogenen Translationshistogramme aufsummiert werden, um das Translationshistogramm zu bilden. Die Scheiben können aneinandergrenzend angeordnet sein. Ferner können alle Scheiben die gleiche Stärke aufweisen. Alternativ dazu können die Scheiben zumindest teilweise unterschiedliche Stärken aufweisen. Somit wird die Komplexität der Berechnung jedes der scheibenbezogenen Translationshistogramme erheblich reduziert, sodass das aufsummierte Translationshistogramm im Ergebnis mit weniger Operationen berechnet werden kann. Gleichzeitig wird der Berechnungszeitaufwand reduziert. The source point cloud and target point cloud may each be divided into slices that include all source points that are within a threshold of a reference plane parallel to the ground plane. The reference plane can be arranged at a distance from the ground plane and in particular from the ground. Furthermore, it is possible that the reference plane is arranged at a distance from a ceiling plane running along the ceiling. It is possible to compute two or more slice-related translation histograms, where the calculation is based on pairs of points that are in the same slice. Finally, the two or more slice-related translation histograms can be summed up to form the translation histogram. The discs may be arranged adjacent to each other. Furthermore, all disks can have the same thickness. Alternatively, the discs may at least partially have different thicknesses. Thus, the complexity of calculating each of the slice-related translation histograms is significantly reduced, so that the summed translation histogram can be calculated as a result with fewer operations. At the same time, the calculation time is reduced.

Jede der oben aufgelisteten Maßnahmen zur diskriminierenden Klassenzuordnung trägt individuell dazu bei, dass das Translationshistogramm effizient berechnet werden kann. Somit kann die Ausrichtungsverschiebung der Sourcepunktwolke bezüglich der Targetpunktwolke in weniger Rechenschritte durchgeführt werden. Gleichzeitig wird der Berechnungszeitaufwand reduziert. Each of the above-listed discriminatory class assignment measures individually contributes to efficiently calculating the translation histogram. Thus, the orientation shift of the source point cloud with respect to the target point cloud can be performed in fewer steps. At the same time, the calculation time is reduced.

Sollten die Source- und/oder Targetpunktwolke jeweils in einer Initialausrichtung noch nicht bezüglich der Gravitationsachse ausgerichtet sein, können sie in einem Vorverarbeitungsschritt bezüglich der Gravitationsachse ausgerichtet werden. Demgemäß erfolgt vorab eine Rotation der Source- und/oder Targetpunktwolke zur Ausrichtung bezüglich der Gravitationsachse mithilfe einer Hauptkomponentenanalyse. Anschließend wird eine Anpassung der lokalen Z-Koordinaten der Sourcepunktwolke anhand eines Vergleichsergebnisses zwischen der Bodenhöhe der Targetpunktwolke mit der Bodenhöhe der Sourcepunktwolke durchgeführt. So können Innenräume, die in jeder denkbare Initialausrichtung gespeichert sind, effizient entlang der Gravitationsachse vorab ausgerichtet werden und im Anschluss, sozusagen in einem Hauptausrichtungsschritt, bezüglich einander ausgerichtet werden, um ein umfassendes Modell eines Innenraums zu erstellen. If the source and / or target point cloud are each not already aligned with respect to the gravitational axis in an initial orientation, they can be aligned in a preprocessing step with respect to the gravitational axis. Accordingly, a rotation of the source and / or target point cloud for orientation with respect to the axis of gravity takes place beforehand by means of a principal component analysis. Subsequently, an adaptation of the local Z coordinates of the source point cloud is carried out on the basis of a comparison result between the ground level of the target point cloud and the ground level of the source point cloud. Thus, interiors stored in any conceivable initial orientation can be efficiently pre-aligned along the gravitational axis and subsequently aligned with each other, so to speak in a main alignment step, to create a comprehensive interior model.

Gemäß dieser Ausführungsform kann der Rotationsschritt nach der Haupkomponentenanalyse einen weiteren Adjustierungsschritt umfassen. Hierbei werden alle Punkte der Source- bzw. Targetpunktwolke mit einer im Wesentlichen entlang der Gravitationsachse zeigenden Flächennormale selektiert. Im Anschluss wird der Medianwert der Flächennormalen dieser Punkte ermittelt und eine Feinrotation durchgeführt, sodass der Medianwert einer adjustierten Gravitationsachse entspricht. According to this embodiment, the rotation step after the main component analysis may comprise a further adjustment step. In this case, all points of the source or target point cloud are selected with a surface normal pointing essentially along the gravitational axis. Subsequently, the median value of the surface normals of these points is determined and a fine rotation is performed so that the median value corresponds to an adjusted gravitational axis.

Nach erfolgter Ermittlung der Rotations- und Verschiebungswerte, mit deren Hilfe die Sourcepunktwolke bezüglich der Targetpunktwolke ausgerichtet werden kann, kann das Verfahren einen weiteren Schritt des Ausrichtens der Sourcepunktwolke im Verhältnis zur Targetpunktwolke umfassen. Hierbei werden die Punkte der Sourcepunktwolke anhand von der ermittelten Rotation und der ermittelten Verschiebung ausgerichtet. After determining the rotation and displacement values that can be used to align the source point cloud with respect to the target point cloud, the method may include a further step of aligning the source point cloud relative to the target point cloud. In this case, the points of the source point cloud are aligned on the basis of the determined rotation and the determined displacement.

Das Verfahren kann einen weiteren Schritt der Anwendung eines Algorithmus zur Ermittlung der Feinausrichtung, beispielsweise des Iterative Closest Point(ICP)-Algorithmus, umfassen. Nachdem eine die Rotation und die Verschiebung umfassende Grobausrichtung der Punktwolken ermittelt wurde, wird hierbei eine Feinausrichtung der Sourcepunktwolke im Verhältnis zu der Targetpunktwolke berechnet und auf alle Punkte der Sourcepunktwolke angewandt. The method may include a further step of applying a fine-alignment algorithm, such as the Iterative Closest Point (ICP) algorithm. After a coarse alignment of the point clouds comprising the rotation and the displacement has been determined, a fine alignment of the source point cloud relative to the target point cloud is calculated and applied to all points of the source point cloud.

Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures

Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Preferred further embodiments of the invention are explained in more detail by the following description of the figures. Showing:

1 eine perspektivische Ansicht einer Sourcepunktwolke und einer Targetpunktwolke, die noch nicht in Bezug zueinander ausgerichtet wurden. 1 a perspective view of a source point cloud and a target point cloud, which have not yet been aligned with respect to each other.

2A eine perspektivische Ansicht der Punktwolken gemäß 1, die ausgerichtet wurden, um eine umfassende Darstellung der den Punktwolken zugrundeliegenden Baustruktur zu gewähren; 2A a perspective view of the point clouds according to 1 that have been aligned to provide a comprehensive representation of the building structure underlying the point clouds;

2B eine weitere perspektivische Ansicht der Punktwolken gemäß 1, die (nicht gemäß der Erfindung) entlang einer der „falschen“ dominanten Richtungen ausgerichtet wurden, sodass keine umfassende Darstellung der den Punktwolken zugrundeliegenden Baustruktur gewährt wird; 2 B another perspective view of the point clouds according to 1 that have been aligned along one of the "wrong" dominant directions (not according to the invention), so that no comprehensive representation of the building structure underlying the point clouds is granted;

3 eine perspektivische Ansicht einer vereinfachten Ausführungsform mit einer Sourcepunktwolke und einer Targetpunktwolke in einer Initialausrichtung; 3 a perspective view of a simplified embodiment with a source point cloud and a target point cloud in an initial orientation;

3A eine auf 3 basierende, modifizierte Ausführungsform, bei der die Source- und Targetpunktwolke eine überlappende Region aufweisen, die ein dreidimensionales Volumen umfasst, die allerdings nicht oder zumindest nicht komplett mit Baustrukturen gefüllt sein soll; 3A one on 3 based, modified embodiment in which the source and target point clouds have an overlapping region comprising a three-dimensional volume, which should not be or at least not completely filled with building structures;

4 eine perspektivische Ansicht der in 3 dargestellten Ausführungsform nach erfolgter Rotationsausrichtung; 4 a perspective view of in 3 illustrated embodiment after rotation alignment;

4A einen Querschnitt der in 3 dargestellten Ausführungsform mit den zugehörigen Flächennormalvektoren der Source- und Targetpunkten; 4A a cross section of in 3 illustrated embodiment with the associated surface normal vectors of the source and target points;

5A eine Grafik eines Sourcesignaturhistogramms einer beispielhaften Sourcesignatur überlagert mit einem Targetsignaturhistogramm einer beispielhaften Targetsignatur; 5A a graph of a source signature histogram of an example source signature overlaid with a target signature histogram of an example target signature;

5B eine Grafik der zyklischen Kreuzkorrelation des Sourcesignaturhistogramms mit dem Targetsignaturhistogramm, jeweils gemäß 5A; 5B a graph of the cyclic cross-correlation of the source signature histogram with the target signature histogram, respectively according to 5A ;

6 eine perspektivische Ansicht der in 3 dargestellten Ausführungsform nach erfolgter Translationsausrichtung; 6 a perspective view of in 3 illustrated embodiment after translation alignment;

7A bis 7C eine bildliche Erläuterung der Berechnung eines Translationshistogramms in der X-Richtung gemäß einem vereinfachten Beispiel, anhand von Source/Target-Punktpaaren; 7A to 7C a pictorial explanation of the calculation of a translation histogram in the X direction according to a simplified example, based on source / target point pairs;

8 ein Teil einer Punktwolke, mittels derer Strukturen im Gebäudeinnenraum aufgezeichnet bzw. wiedergeben werden; und 8th a part of a point cloud, by means of which structures in the building interior are recorded or reproduced; and

9 ein Flussdiagramm der Verfahrensschritte einer Ausführungsform, gemäß derer die Source- und Targetpunktwolken anfangs beliebig, d.h. nicht bezüglich der globalen Gravitationsachse ausgerichtet sind. 9 a flowchart of the steps of an embodiment, according to which the source and target point clouds initially arbitrary, ie not aligned with respect to the global axis of gravitation.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele Detailed description of preferred embodiments

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden. In the following, preferred embodiments will be described with reference to the figures. In this case, identical, similar or equivalent elements in the different figures are provided with identical reference numerals, and a repeated description of these elements is partially omitted in order to avoid redundancies.

Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Where applicable, all individual features illustrated in the embodiments may be combined and / or interchanged without departing from the scope of the invention.

1 zeigt eine erste Ausführungsform zweier großer Punktwolken, nämlich einer Targetpunktwolke 100 und einer Sourcepunktwolke 200. Die Punktwolken 100, 200 bilden eine diskrete Darstellung eines Innenraums einer Baustruktur 10, auch ‚Bauwerk‘ genannt, wobei der Innenraum zumindest teilweise durch die Targetpunktwolke 100 und zumindest teilweise durch die Sourcepunktwolke 200 modelliert ist. Dabei stellen die Targetpunktwolke 100 und die Sourcepunktwolke 200 normalerweise unterschiedliche Teile des Innenraums der Baustruktur 10 dar. Es ist aber auch möglich, dass die Targetpunktwolke 100 und die Sourcepunktwolke 200 den gleichen Teil der Baustruktur 10 darstellen, beispielsweise in dem Fall, dass dieser Teil neu gescannt oder aktualisiert werden soll. 1 shows a first embodiment of two large point clouds, namely a target point cloud 100 and a source point cloud 200 , The point clouds 100 . 200 form a discrete representation of an interior of a building structure 10 , also called 'building', wherein the interior at least partially by the target point cloud 100 and at least partially through the source point cloud 200 is modeled. It represents the target point cloud 100 and the source point cloud 200 usually different parts of the interior of the building structure 10 But it is also possible that the target point cloud 100 and the source point cloud 200 the same part of the building structure 10 in the event that this part is to be rescanned or updated.

Die Target- und Sourcepunktwolke 100, 200 sind ursprünglich bezüglich einer Gravitationsachse (Z-Richtung) ausgerichtet, jedoch noch nicht in Bezug zueinander. Tatsächlich können die Target- und Sourcepunktwolke 100, 200 anfangs in jeder denkbaren Anordnung platziert sein, solange sie bezüglich derselben Z-Achse ausgerichtet sind. Dabei können die Punktwolken 100, 200 anfangs unterschiedliche Räume, oder aber den gleichen Raum ausfüllen, d.h. überlappend angeordnet sein. In diesem Fall sind die Punktwolken 100, 200 zwar überlappend, jedoch nicht in Bezug zueinander ausgerichtet, sodass deren Zusammensetzung nicht als Wiedergabe des Innenraums der Baustruktur 10 verstanden werden kann, was allerdings wünschenswert wäre. The target and source point cloud 100 . 200 are originally aligned with respect to a gravitational axis (Z-direction), but not yet in relation to each other. In fact, the target and source point clouds can 100 . 200 initially placed in any conceivable arrangement, as long as they are aligned with respect to the same Z-axis. The point clouds can 100 . 200 initially different rooms, or fill but the same space, ie be arranged overlapping. In this case, the point clouds are 100 . 200 Although overlapping, but not aligned with respect to each other, so that their composition is not as a representation of the interior of the building structure 10 can be understood, which would be desirable.

Die Punktwolken 100, 200 weisen lediglich einen kleinen Überlappungsbereich auf, welcher mit der Region 110 der Targetpunktwolke 100 bzw. der Region 210 der Sourcepunktwolke 200 grob angedeutet wird. The point clouds 100 . 200 have only a small overlap area, which with the region 110 the target point cloud 100 or the region 210 the source point cloud 200 roughly indicated.

2A zeigt das Ergebnis der korrekten Ausrichtung zwischen der Target- und der Sourcepunktwolken 100, 200. Insbesondere wird gezeigt, dass die Sourcepunktwolke 200 bezüglich der stationären Targetpunktwolke 200 gedreht und verschoben wurde, sodass die Zusammensetzung der Punktwolken 100, 200 alle aufgenommenen Formen im Innenraum der Baustruktur 10 akkurat wiedergibt. Dabei wurden die überlappende Regionen 110, 210 zueinander ausgerichtet, sodass in der jeweiligen Region 110, 210 zumindest einige Targetpunkte der Targetpunktwolke 100 im Wesentlichen überlappend mit korrespondierenden Sourcepunkten der Sourcepunktwolke 200 angeordnet sind. 2A shows the result of correct alignment between the target and source point clouds 100 . 200 , In particular, it is shown that the source point cloud 200 with respect to the stationary target point cloud 200 was rotated and shifted, so the composition of the point clouds 100 . 200 all recorded forms in the interior of the building structure 10 accurately reproduces. In the process, the overlapping regions became 110 . 210 aligned with each other so that in each region 110 . 210 at least some target points of the target point cloud 100 essentially overlapping with corresponding source points of the source point cloud 200 are arranged.

In einer zweiten, vereinfachten Ausführungsform gemäß 3 sind die Targetpunktwolke 100 sowie die Sourcepunktwolke 200 als Innenräume einer Baustruktur 10 dargestellt, die mittels eines 3D-Gitters diskretisiert wurden. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel sind die Target- und die Sourcepunktwolke 100, 200 bezüglich einer lokalen Z-Achse bereits ausgerichtet, d.h. sie sind ausgerichtet bezüglich der Gravitationsachse 17 der Erde, die senkrecht zu einer Bodenebene 15 mit einem Z-Wert gleich Null steht. Bei dieser vereinfachten Ausführungsform umfassen die Punktwolken 100, 200 mehrere in einem rechteckigen Gitter angeordnete Punkte, die zusammen eine Außenfläche der modellierten Innenräume bilden. Ferner können Punkte entlang der äußeren Kanten sowie auf jeder der äußeren Ecken der modellierten Innenräume angeordnet sein. In a second, simplified embodiment according to 3 are the target point cloud 100 as well as the source point cloud 200 as interiors of a building structure 10 represented, which were discretized by means of a 3D lattice. As in the first embodiment, the target and source point clouds are 100 . 200 Already aligned with respect to a local Z-axis, ie they are aligned with respect to the axis of gravity 17 the earth, perpendicular to a ground plane 15 with a Z value equal to zero. In this simplified embodiment, the point clouds include 100 . 200 a plurality of points arranged in a rectangular grid, which together form an outer surface of the modeled interiors. Further, dots may be disposed along the outer edges as well as on each of the outer corners of the modeled interiors.

Innerhalb dieser Punktwolken 100, 200 (in der 3 nicht dargestellt) können verschiedene aneinandergrenzende Strukturen angeordnet sein. Wie in 8 dargestellt können sowohl Boden-/Deckenflächen die im Wesentlichen parallel zur Bodenebene 15 angeordnet, als auch Wandflächen 20 die im Wesentlichen senkrecht zur Bodenebene 15 angeordnet sein. Ferner können Säulen, Balken oder sonstige Innenstrukturen 22 in jeder denkbaren Ausrichtung vorhanden sein. Ähnlich wie bei den äußeren Strukturen der Punktwolken 100, 200, werden die Strukturen am Inneren der Punktwolken 100, 200 mittels Punkten modelliert, die beispielsweise in einem Gitter auf der Oberfläche der besagten Strukturen angeordnet sind. Ferner können entlang der Kanten der inneren Strukturen sowie an Ecken bzw. Schnittpunkten zweier oder mehrerer innerer Strukturen Punkte angeordnet sein. Dabei stellen die leeren Räume zwischen den mit Punkten modellierten Strukturen beispielsweise die Räume, Säle und Gänge des Bauwerks 10 dar. Within these point clouds 100 . 200 (in the 3 not shown), various adjoining structures may be arranged. As in 8th Both floor and ceiling surfaces can be shown essentially parallel to the floor level 15 arranged, as well as wall surfaces 20 which is essentially perpendicular to the ground plane 15 be arranged. Furthermore, columns, beams or other internal structures 22 be present in every conceivable orientation. Similar to the outer structures of the point clouds 100 . 200 , the structures become at the inside of the point clouds 100 . 200 modeled by points, for example, arranged in a grid on the surface of said structures. Furthermore, points may be arranged along the edges of the inner structures as well as at corners or intersections of two or more inner structures. For example, the empty spaces between the structures modeled with dots represent the rooms, halls and corridors of the building 10 represents.

Aus 3 ist ersichtlich, dass die Sourcepunktwolke 200 bezüglich der Targetpunktwolke 100 ursprünglich nicht ausgerichtet ist. Ferner sind die Punktwolken 100, 200 gemäß diesem idealisierten Ausführungsbeispiel durch einen kleinen Überlappungsbereich gekennzeichnet. Insbesondere weist die Targetpunktwolke 100 einen Ausschnitt 105 mit einem Ausschnittsrand 110 auf. Analog dazu weist die Sourcepunktwolke 200 eine Verzahnung 205 mit einem Verzahnungsrand 210 auf, wobei der Ausschnitt 105 und die Verzahnung 205 derart ausgebildet sind, dass sie bei einer korrekten Ausrichtung ineinandergreifen. In diesem Ausführungsbeispiel weisen der Ausschnittsrand 110 und der Verzahnungsrand 210 jeweils komplementäre Ebenen auf, die jeweils den Innenraum der Baustruktur 10 durchschneiden und im Wesentlichen senkrecht zur Bodenebene 15 ausgerichtet sind. Out 3 it can be seen that the source point cloud 200 with respect to the target point cloud 100 originally not aligned. Further, the point clouds 100 . 200 characterized in this idealized embodiment by a small overlap area. In particular, the target point cloud has 100 a section 105 with a cutting edge 110 on. Similarly, the source point cloud points 200 a gearing 205 with a gearing edge 210 on, with the cutout 105 and the gearing 205 are formed so that they engage in a correct orientation. In this embodiment, the cut edge 110 and the gearing edge 210 each complementary levels, each containing the interior of the building structure 10 cut through and essentially perpendicular to the ground plane 15 are aligned.

Wenn die Punktwolken 100, 200 wie in der Darstellung in 6 aufeinander ausgerichtet sind, werden die auf dem Verzahnungsrand 210 angeordneten Sourcepunkte mit den auf dem Ausschnittsrand 110 angeordneten Targetpunkten im Wesentlichen überlappen. Mit anderen Worten: der Ausschnittsrand 110 des ineinandergreifenden Ausschnitts 105 weist mehrere aneinandergrenzende Ebenen auf, die mit mehreren aneinandergrenzenden Ebenen des Verzahnungsrands 210 der ineinandergreifenden Verzahnung 205 korrespondieren. Somit werden jene Sourcepunkte bezüglich korrespondierender Targetpunkte ausgerichtet, die jeweils auf verschiedenen Innen- und Außenflächen des durch die Punktwolken 100, 200 diskretisierten Innenraums des Bauwerks 10 angeordnet sind. Insbesondere werden jene Sourcepunkte bezüglich korrespondierender Targetpunkte ausgerichtet, die jeweils auf verschiedenen Strukturen der Punktwolken 100, 200 angeordnet sind, die sich mit den jeweiligen Punktwolkenrändern 110, 210 überschneiden. When the point clouds 100 . 200 as in the illustration in 6 aligned with each other, those on the toothed edge 210 arranged sources with the on the cutting edge 110 substantially overlap arranged target points. In other words: the cutting edge 110 of the interlocking clipping 105 has several contiguous levels, with multiple contiguous levels of the gearing edge 210 the interlocking interlocking 205 correspond. Thus, those source points are aligned with respect to corresponding target points, each on different inner and outer surfaces of the through the point clouds 100 . 200 discretized interior of the building 10 are arranged. In particular, those source points are aligned with respect to corresponding target points, each on different structures of the point clouds 100 . 200 are arranged, which coincide with the respective point cloud edges 110 . 210 overlap.

Im Gegensatz zu dem in 3 dargestellten, idealisierten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die überlappende Region der Source- und der Targetpunktwolke 100, 200 nicht auf einen aus aneinandergrenzenden Ebenen bestehenden Randbereich beschränkt ist, sondern vielmehr ein Volumen im dreidimensionalen Raum umfassen kann. Im Standardfall umfasst der überlappende Bereich ein Volumen 110, das einmal als Teil der Targetpunktwolke 100 gescannt wurde, wobei das gleiche Volumen 210 ebenfalls als Teil der Sourcepunktwolke 200 einmal gescannt wurde. Unlike the in 3 illustrated, idealized embodiment, it is possible that the overlapping region of the source and the target point cloud 100 . 200 is not limited to an edge region consisting of adjoining planes, but rather may comprise a volume in three-dimensional space. In the standard case, the overlapping area comprises one volume 110 once as part of the target point cloud 100 was scanned, with the same volume 210 also as part of the source point cloud 200 was scanned once.

Dies ist aus 3A ersichtlich, welche eine überlappende Region 110 der Targetpunktwolke 100 als dreidimensionales Volumen zeigt, dessen obere Fläche mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet ist. Dabei korrespondiert das Volumen 110 zu einer überlappenden Region 210 der Sourcepunktwolke 200, in Form der Verzahnung 205. Mit anderen Worten: das Volumen 110 stellt eine Region des Gebäude-Innenraums dar, das einmal als Teil der Targetpunktwolke 100 gescannt wurde, wobei das gleiche Volumen auch einmal während der Erzeugung der Sourcepunktwolke 200 eingescannt wurde, und zwar um die Verzahnung 205 zu bilden. Wenn die Source- und die Targetpunktwolken 100, 200 gemäß der Darstellung in 6 ausgerichtet sind, werden auf der überlappenden Region 210 angeordneten Punkte der Sourcepunktwolke 200 bezüglich korrespondierender Punkte der Targetpunktwolke 100, die in dem Volumen 110 angeordnet sind, ausgerichtet werden. This is off 3A it can be seen which an overlapping region 110 the target point cloud 100 as a three-dimensional volume whose upper surface is indicated by a dashed line. The volume corresponds to this 110 to an overlapping region 210 the source point cloud 200 , in the form of toothing 205 , In other words: the volume 110 represents a region of the building interior that once as part of the target point cloud 100 was scanned, with the same volume once during generation of the source point cloud 200 was scanned, and indeed around the gearing 205 to build. When the source and the target point clouds 100 . 200 as shown in 6 are aligned on the overlapping region 210 arranged points of the source point cloud 200 with respect to corresponding points of the target point cloud 100 that in the volume 110 are arranged to be aligned.

Im Gegensatz zu den in den 3 und 3A dargestellten, idealisierten Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die überlappenden Regionen 110, 210 im Allgemeinen nicht auf eine einzige Fläche oder auf ein einziges Volumen der Gebäude-Innenräume beschränkt sind. Vielmehr können die überlappenden Regionen 110, 210 zwei oder mehr voneinander abgetrennte Flächen innerhalb der Punktwolken umfassen, die jeweils miteinander korrespondieren. Ähnlich können die überlappenden Regionen 110, 210 zwei oder mehr voneinander abgetrennte Volumen im dreidimensionalen Raum umfassen, innerhalb derer die Source- und die Targetpunktwolken 100, 200 nach der Ausrichtung miteinander überlappen. Allgemein ausgedrückt, können die überlappende Regionen 110, 210 eine Kombination von einem oder mehreren überlappenden Ebenen und einem oder mehreren überlappenden Volumen umfassen. Unlike in the 3 and 3A illustrated, idealized embodiments, it is possible that the overlapping regions 110 . 210 are generally not confined to a single area or to a single volume of building interiors. Rather, the overlapping regions 110 . 210 comprise two or more separated areas within the point clouds, each corresponding to each other. Similarly, the overlapping regions 110 . 210 include two or more separate volumes in three-dimensional space, within which the source and target point clouds 100 . 200 overlap with each other after alignment. Generally speaking, the overlapping regions 110 . 210 comprise a combination of one or more overlapping levels and one or more overlapping volumes.

Der erste Schritt bei der Ausrichtung der Sourcepunktwolke 200 bezüglich der Targetpunktwolke 100 umfasst die Ermittlung eines Rotationswinkels der Sourcepunktwolke 200 in Bezug auf die Targetpunktwolke 200. Dabei ist das Ergebnis der korrekten Rotationsausrichtung der zweiten Ausführungsform in 4 gezeigt. The first step in aligning the source point cloud 200 with respect to the target point cloud 100 includes the determination of a rotation angle of the source point cloud 200 with respect to the target point cloud 200 , Incidentally, the result of correct rotational alignment of the second embodiment is shown in FIG 4 shown.

Um zu verdeutlichen, wie die korrekte Rotationsausrichtung der Sourcepunktwolke 200 im Verhältnis zu der Targetpunktwolke 100 ermittelt wird, zeigt 4A einen parallel zur Bodenebene 15 ausgerichteten Querschnitt der Source- und der Targetpunktwolken 100, 200. Die Umrisse des durch die Source- und die Targetpunktwolke 100, 200 modellierten Innenraums 10 sind dabei mit gestrichelten Linien markiert. Hierbei ist zu beachten, dass in 4A ein Beispiel dargestellt ist, das lediglich die Punkte auf dem Außenrand der Punktwolken 100, 200 und auf deren inneren, überlappenden Rändern 110, 210 zeigt. Allerdings bestehen die wenigsten Gebäude-Innenräume lediglich aus einem Außenrand ohne jegliche Innenstrukturen. In der Praxis beinhalten die Punktwolken 100, 200 mehrere Punkte, die nicht nur am Außenrand der Punktwolken, sondern auch entlang der inneren Strukturen des durch die Punktwolken 100, 200 modellierten Innenraums 10 angeordnet sind, beispielsweise um innere Strukturen des Bauwerks 10 wie Innenwände, Böden, Decken, Säulen oder Balken darzustellen. To clarify how the correct rotation orientation of the source point cloud 200 in relation to the target point cloud 100 is determined, shows 4A one parallel to the ground level 15 oriented cross-section of the source and target point clouds 100 . 200 , The outlines of the through the source and the target point cloud 100 . 200 modeled interior 10 are marked with dashed lines. It should be noted that in 4A an example is shown that only the points on the outer edge of the point clouds 100 . 200 and on their inner, overlapping edges 110 . 210 shows. However, the fewest building interiors only consist of an outer edge without any internal structures. In practice, the point clouds include 100 . 200 several points, not only at the outer edge of the point clouds, but also along the inner structures of the point clouds 100 . 200 modeled interior 10 are arranged, for example, to internal structures of the building 10 like interior walls, floors, ceilings, columns or beams.

Die Ermittlung der Rotationsausrichtung basiert auf einer primitiven, punktbezogenen Eigenschaft, nämlich der Flächennormalen, auch Flächennormalvektor genannt. Nachdem die zu einer Punktwolke gehörenden Punkte auf verschiedenen Strukturen im Innenraum des durch die Punktwolken dargestellten Bauwerks 10 angeordnet sind, ist jeder Punkt mit einer oder mehreren Flächen der jeweiligen Struktur oder der jeweiligen Strukturen assoziiert. Bezüglich jeder Fläche können diejenigen Flächennormalen berechnet werden, die mit den einzelnen, auf der jeweiligen Fläche angeordneten Punkten assoziiert sind. Der mit einem Punkt assoziierte Flächennormalvektor kann somit berechnet werden indem die Flächennormale aller mit dem Punkt assoziierten Flächen kombiniert werden. The determination of the rotational orientation is based on a primitive, point-related property, namely the surface normal, also called the surface normal vector. After points belonging to a point cloud on different structures in the interior of the structure represented by the point clouds 10 are arranged, each point is associated with one or more surfaces of the respective structure or structures. With respect to each surface, those surface normals associated with the individual points arranged on the respective surface can be calculated. The surface normal vector associated with a point can thus be calculated by combining the surface normals of all surfaces associated with the point.

In der in der 4A dargestellten vereinfachten Ausführungsform sind die in dem Querschnitt angeordneten Punkten der Punktwolken 100, 200 jeweils mit deren assoziierten Flächennormalvektoren dargestellt, die hier in zwei Dimensionen gezeigt sind. Die Normalvektoren in 4A können in 2D gezeigt werden, weil die Wände der in den 3, 4 und 6 gezeigten Ausführungsformen im Wesentlichen quer zur Bodenebene ausgerichtet sind, sodass die Normalvektoren der Wände des Bauwerks 10 komplett in der parallel zur Bodenebene liegenden Querschnittsebene gemäß 4A liegen. In the in the 4A illustrated simplified embodiment are arranged in the cross section points of the point clouds 100 . 200 each represented with their associated surface normal vectors, shown here in two dimensions. The normal vectors in 4A can in 2D be shown because the walls of the in the 3 . 4 and 6 shown embodiments are aligned substantially transverse to the ground plane, so that the normal vectors of the walls of the building 10 completely in the plane parallel to the ground plane cross-sectional plane according to 4A lie.

Bei Punktwolken, die Teilmodelle von Bauwerken darstellen, wobei die Teilmodelle bezüglich der Gravitationsachse bereits ausgerichtet sind, stellen die Wände die dominanten Strukturen der Innenräume dar, sodass die Ausrichtung der Wände als eine verlässliche Referenz bezüglich der Rotationsausrichtung betrachtet werden kann. Um die Rotationsausrichtung der Sourcepunktwolke 200 zu ermitteln werden zunächst diejenigen Punkte der Sourcepunktwolke 200 und der Targetpunktwolke 100 selektiert die mit einer hinreichenden Wahrscheinlichkeit auf einer Wand liegen, weil deren jeweiligen Flächennormale nk = [nk(x), nk(y), nk(z)]T im Wesentlichen parallel zur Bodenebene 15 ausgerichtet, oder mit anderen Worten weil deren abs(nk(z)) ≈ 0 ist. Somit werden lediglich diejenigen Punkte selektiert, deren zugehörigen Flächennormalvektor fast parallel zur Bodenebene liegt. Im Folgenden werden lediglich relevante Punkte betrachtet. For point clouds representing submodels of structures with the sub-models already aligned with respect to the axis of gravity, the walls represent the dominant structures of the interiors so that the orientation of the walls can be considered as a reliable reference with respect to rotational orientation. To the rotation orientation of the source point cloud 200 First, those points of the source point cloud are to be determined 200 and the target point cloud 100 which are lying on a wall with a sufficient probability because their respective surface normals nk = [ nk (x), nk (y), nk (z)] T are substantially parallel to the ground plane 15 aligned, or in other words because its abs (n k (z)) ≈ 0. Thus, only those points are selected whose associated surface normal vector is almost parallel to the ground plane. In the following, only relevant points are considered.

Als nächstes wird für jeden relevanten Punkt k der Winkel Φk in der Bodenebene wie folgt berechnet: Φk = atan(nk(y)/nk(x)). Next, for each relevant point k, the angle φ k in the ground plane is calculated as follows: Φ k = atan (n k (y) / n k (x)).

Demzufolge wird eine Sourcesignatur der Sourcepunktwolke aus den Winkeln Φk derjenigen Sourcepunkten gebildet, die einen hinreichend kleinen Wert abs(nk(z)) aufweisen. Ähnlich wird eine Targetsignatur der Targetpunktwolke aus den Winkeln Φk derjenigen Targetpunkten gebildet, die einen hinreichend kleinen Wert abs(nk(z)) aufweisen. Accordingly, a source signature of the source point cloud is formed from the angles φ k of those source points having a sufficiently small value abs (n k (z)). Similarly, a target signature of the target point cloud is formed from the angles φ k of those target points having a sufficiently small value abs (n k (z)).

In dem in 4A dargestellten Beispiel werden in die Sourcesignatur bzw. Targetsignatur alle in der Figur dargestellten Normalvektoren aufgenommen, weil sie alle im Wesentlichen parallel zur Bodenebene 15 ausgerichtet sind. Dies ist insbesondere nur der Fall, weil die in 4A dargestellten Punkte alle auf im Wesentlich parallel zur Gravitationsachse 17 ausgerichteten Wandstrukturen angeordnet sind, sodass die Flächennormalvektoren dieser Punkte im Wesentlichen parallel zur Bodenebene 15 ausgerichtet sind. Dies wäre aber nicht der Fall bei Punkten, die auf den unteren oder oberen Flächen der in den 3 und 3A dargestellten viereckigen Punktwolken angeordnet sind. Solche Punkte befinden sich nämlich auf einer Boden- bzw. Deckenstruktur der modellierten Innenräume, und werden bei der Ermittlung der Rotation der Sourcepunktwolke 200 nicht berücksichtigt. In the in 4A In the example shown, all the normal vectors shown in the figure are taken into the source signature or target signature because they are all substantially parallel to the ground plane 15 are aligned. This is especially true only because the in 4A points all on essentially parallel to the axis of gravity 17 aligned wall structures are arranged so that the surface normal vectors of these points substantially parallel to the ground plane 15 are aligned. But this would not be the case for points on the lower or upper surfaces of the 3 and 3A arranged square point clouds are arranged. Namely, such points are located on a floor or ceiling structure of the modeled interiors, and are used in determining the rotation of the source point cloud 200 not considered.

Als Nächstes wird ein Sourcesignaturhistogramm der Sourcesignatur aus den berechneten Winkeln Φk mit einer Klassenbreite (Englisch: bin size) von 0,5° über den gesamten Häufigkeitsbereich von 360°, umfassend alle mögliche Rotationen in der XY-Ebene, berechnet. Das Ergebnis ist ein Sourcesignaturhistogramm hs mit 360·0.5 = 720 Klassen. Dieser Schritt wird für die Targetsignatur der Targetpunktwolke wiederholt, um ein Targetsignaturhistogramm ht zu berechnen. Ein Histogramm, insbesondere das Sourcesignaturhistogramm und/oder das Targetsignaturhistogramm, kann hierbei eine Häufigkeitsverteilung sein. Die Ergebnisse dieser Berechnungen (angewandt auf einen anderen Datensatz, d.h. nicht bezüglich der in den 3, 4 und 6 dargestellten Ausführungsformen) sind in 5A dargestellt. Sollte eine größere Genauigkeit erforderlich sein, kann das sogenannte Kernel Density Estimation(KDE)-Verfahren angewandt werden, um eine feinere Unterteilung der Klassen zu realisieren. Next, a source signature histogram of the source signature is calculated from the calculated angles φ k with a bin size of 0.5 ° over the entire frequency range of 360 °, including all possible rotations in the XY plane. The result is a source signature histogram h s with 360 x 0.5 = 720 classes. This step is repeated for the target point cloud target signature to calculate a target signature histogram h t . A histogram, in particular the source signature histogram and / or the target signature histogram, can be a frequency distribution here. The results of these calculations (applied to another dataset, ie not in the 3 . 4 and 6 illustrated embodiments) are in 5A shown. Should greater accuracy be required, the so-called Kernel Density Estimation (KDE) method can be used to achieve a finer subdivision of the classes.

Somit werden die Flächennormalvektoren der relevanten Punkte der Targetpunktwolke 100 bzw. der Sourcepunktewolke 200 verwendet, um jeweils ein Signaturhistogramm wie in 5A dargestellt zu bilden. Dann werden die Source- und die Targetsignaturhistogramme hs, ht zyklisch miteinander kreuzkorreliert. Das Ergebnis ist ein rotationsabhängiges Signal, wie in 5B dargestellt, dessen Maximalwert die richtige Rotation θ ^ der Sourcepunktwolke 200 um die Gravitationsachse oder Z-Achse 17 kennzeichnet. Mit der Anwendung von diesem Ergebnis werden die Punkte der Sourcepunktwolke 200 um die Gravitationsachse 17 um den Winkel θ ^ gedreht. Thus, the area normal vectors of the relevant points become the target point cloud 100 or the source point cloud 200 used to create a signature histogram as in each case 5A shown to form. Then, the source and target signature histograms h s , h t are cyclically cross-correlated with each other. The result is a rotation-dependent signal, as in 5B whose maximum value is the correct rotation θ ^ of the source point cloud 200 around the gravitational axis or Z-axis 17 features. With the application of this result, the points of the source point cloud become 200 around the gravitational axis 17 rotated by the angle θ ^.

Um die Sourcepunktwolke 200 im Verhältnis zu der Targetpunktwolke 100 auszurichten, wird im folgenden Schritt eine Verschiebung der Sourcepunktwolke 200 in den X- und Y-Richtungen ermittelt. Das Ergebnis einer korrekten Translationsausrichtung der zweiten Ausführungsform ist in 6 dargestellt. To the source point cloud 200 in relation to the target point cloud 100 to align, in the following step, a shift of the source point cloud 200 determined in the X and Y directions. The result of correct translation alignment of the second embodiment is in 6 shown.

Nachdem die Rotation bereits berechnet wurde, ist die Verschiebung oder sogenannte Translation in den X- und Y-Richtungen für korrespondierende Punktpaare (also Punkte im Source und Target, die den gleichen physikalischen Punkt darstellen) konstant. Die korrekte Translation der Sourcepunktwolke 200 entlang der X- bzw. Y-Achse kann daher mittels eines bivariaten Translationshistogramms (auch Verschiebungshistogramm genannt) ermittelt werden. Dabei kann das Translationshistogramm Verschiebungswerte in der X- und Y-Richtung für alle Source/Target-Punktpaare enthalten, wobei ein Source/Target-Punktpaar genau einen Punkt aus der Sourcepunktwolke 200 und genau einen Punkt aus der Targetpunktwolke 100 umfasst. Dabei kennzeichnet der Höchstwert unter den Histogrammklassen die richtige Verschiebung, weil sich in der zu der richtigen Verschiebung korrespondierenden Klasse so viele Treffer ansammeln, wie es tatsächlich korrespondierende Source/Target-Punktpaare gibt. Dagegen verteilen sich alle nicht-korrespondierenden Punktpaare über den gesamten Verschiebungsraum und versammeln sich somit recht unwahrscheinlich in einer bestimmten, unrichtigen Klasse. After the rotation has already been calculated, the displacement or so-called translation in the X and Y directions is constant for corresponding point pairs (ie points in the source and target that represent the same physical point). The correct translation of the source point cloud 200 along the X or Y axis can therefore be determined by means of a bivariate translation histogram (also called displacement histogram). The translation histogram may include displacement values in the X and Y directions for all source / target point pairs, with one source / target point pair being exactly one point from the source point cloud 200 and exactly one point from the target point cloud 100 includes. The maximum value among the histogram classes characterizes the correct shift, because in the class corresponding to the correct shift, as many hits accumulate as there are actually corresponding source / target pairs of points. By contrast, all non-corresponding pairs of points are distributed over the entire displacement space and thus quite unlikely to gather in a particular, incorrect class.

Die Berechnung des Translationshistogramms der Punktpaare ist in den 7A bis 7C dargestellt. Dabei zeigt 7A wie eine Verschiebung eines ausgewählten Sourcepunkts 200E der Sourcepunktwolke 200 zu verschiedenen Targetpunkten 100A, 100B, 100C, 100D und 100E berechnet wird und die jeweiligen Verschiebungen einer Klasse des Histogramms 300 zugeordnet werden. Dieser Schritt wird für die Sourcepunkte 200D, 200B wiederholt, wie die 7B und 7C zeigen. Dabei werden die Verschiebungen zwischen korrespondierenden Punktpaaren, die in 7 mit durchgezogenen Linien gekennzeichnet sind, derselben Klasse 302 zugeordnet, sodass bei dieser Klasse ein Höchstwert bzw. Maximum entsteht. Ein normalisiertes Translationshistogramm der Punktpaare stellt dabei eine Wahrscheinlichkeitsdichte der korrekten Verschiebung dar. Bei dem in den 7A bis 7C dargestellten Beispiel stellt somit die Klasse 302 die wahrscheinlichste X-Verschiebung dar. Hierbei soll beachtet werden, dass das Beispiel gemäß 7 lediglich ein Translationshistogramm der X-Verschiebung darstellt. In der Praxis wird ein bivariates Translationshistogramm bezüglich beider Richtungen, nämlich X und Y, nach diesem Prinzip berechnet. The calculation of the translation histogram of the pairs of points is in the 7A to 7C shown. It shows 7A like a shift of a selected source point 200E the source point cloud 200 to different target points 100A . 100B . 100C . 100D and 100E is calculated and the respective shifts of a class of the histogram 300 be assigned. This step is for the source points 200D . 200B repeated, like that 7B and 7C demonstrate. The shifts between corresponding pairs of points, which are in 7 marked with solid lines of the same class 302 assigned, so that this class is a maximum or maximum. A normalized translational histogram of the pairs of points represents a probability density of the correct displacement 7A to 7C The example shown thus represents the class 302 the most likely X shift. It should be noted that the example according to 7 represents only a translation histogram of the X-shift. In practice, a bivariate translational histogram with respect to both Directions, namely X and Y, calculated according to this principle.

Dieser Ansatz hat einige Vorteile in Vergleich zu den bekannten Algorithmen, die auf einem Wahlverfahren basieren. Nachdem die Rotationsausrichtung bereits in einem vorherigen Schritt ermittelt wurde, ist es für die Ermittlung der Translationsausrichtung nicht mehr erforderlich, alle Punkt-Triplett-Paare der Source- und der Targetpunktwolke auszuwerten, was zu einer Berechnungskomplexität von |S|3·|T|3-Operationen führen würde, wobei S und T jeweils die Source- bzw. der Targetpunktsätze darstellen. Stattdessen führt die Entkopplung der Rotationsermittlung von der Verschiebungsermittlung dazu, dass jedes einzelne Source/Target-Punktpaar für sich ‚wählen‘ kann, sodass maximal |S|·|T| Berechnungsschritte erforderlich sind. This approach has some advantages over known algorithms based on a voting technique. After the rotation alignment has already been determined in a previous step, it is no longer necessary to evaluate all point-triplet pairs of the source and target point clouds for the determination of the translation orientation, resulting in a computation complexity of | S | 3 · | T | 3 operations, where S and T represent respectively the source and target point sets. Instead, the decoupling of the rotation determination from the displacement determination means that each individual source / target pair of points can 'choose' for itself so that a maximum of | S | · | T | Calculation steps are required.

Um die Berechnungskomplexität weiter zu verringern und gleichzeitig die Kennzeichnungskraft des Translationshistogramms zu erhöhen gibt es einige zusätzlichen Maßnahmen, die allein oder in Kombination angewendet werden können. Insbesondere werden gemäß einem Ausführungsbeispiel nicht alle Punkte der Targetpunktwolke 100 bzw. der Sourcepunktwolke 200 in Betracht gezogen. Anders ausgedrückt können bestimmte Punkte bei der Berechnung des Translationshistogramms außer Betracht gelassen werden, um das Wahlverfahren diskriminativ zu gestalten. Dabei wird das Translationshistogramm lediglich aufgrund jener Source/Target-Paare gebildet, dessen Punkte einzeln für sich und/oder in Kombination miteinander bestimmte Kriterien erfüllen. Diese Maßnahmen, die gemeinsames diskriminatives Wählen (Englisch: discriminative voting) genannt werden, sind im Folgenden näher erläutert. To further reduce computational complexity while increasing the distinctiveness of the translation histogram, there are some additional measures that can be used alone or in combination. In particular, according to one embodiment, not all points of the target point cloud become 100 or the source point cloud 200 taken into consideration. In other words, certain points in the calculation of the translation histogram may be disregarded to make the voting procedure discriminative. In this case, the translation histogram is formed only on the basis of those source / target pairs whose points individually meet for themselves and / or in combination with certain criteria. These measures, called common discriminative voting, are explained in more detail below.

Im Gegensatz zu der Rotationsermittlung sind für die Translationsermittlung die Eckpunkte wichtiger als diejenigen Punkte, die sich auf Innenwände befinden. Dies lässt sich damit begründen, dass eine Ambiguität entsteht, wenn ein Sourcepunkt mit einer Vielzahl von an einer Wand angeordneten Targetpunkten verglichen wird. Als erste Maßnahme zur Reduzierung der Berechnungskomplexität bei der Translationsermittlung können daher anhand des Flächenkrümmungsindex (der sowieso bei der Flächennormalberechnung entsteht) alle Punkte mit einem zu niedrigen Krümmungswert herausgefiltert werden. Anders ausgedrückt werden alle auf im Wesentlichen flachen Ebenen liegenden Punkte bei der Berechnung des Translationshistogramms nicht berücksichtigt, sodass lediglich diejenigen Punkte, die einen hohen Krümmungswert haben, weil sie beispielsweise auf einer Ecke oder Kante liegen, mit einbezogen werden. Somit kann die Anzahl der in dem Translationshistogramm berücksichtigten Punkte drastisch reduziert werden. In contrast to the rotation determination, the corner points are more important for the determination of the translation than those points which are located on interior walls. This can be explained by the fact that an ambiguity arises when a source point is compared with a plurality of target points arranged on a wall. As a first measure for reducing the computation complexity in the translation determination, it is therefore possible to filter out all points with too low a curvature value on the basis of the surface curvature index (which arises anyway in the surface normal calculation). In other words, all points lying on essentially flat planes are not taken into account in the calculation of the translation histogram, so that only those points which have a high curvature value, for example because they lie on a corner or edge, are included. Thus, the number of points taken into account in the translation histogram can be drastically reduced.

Punkte mit einem hohen Krümmungswert sind nicht nur Eckpunkte, sondern auch Punkte, die auf den Kanten zwischen Innenwänden und Decken oder zwischen Innenwänden und Böden liegen. Diese Punkte können zu störenden Spitzen in dem Translationshistogramm führen. Somit lässt sich das Verfahren dadurch verbessern, dass Flächennormalen verwendet werden, die die zwei weiteren, im Folgenden beschriebenen Auswahlverfahren ermöglichen: Erstens, lediglich diejenigen Punkte, deren Flächennormale sich im Wesentlichen von jeder der vier dominanten Richtungen der Innenwände unterscheiden, dürfen Source/Target-Paare bilden. Somit werden auch die Punkte auf einer Kante zwischen einer Wandfläche und einer Deckenfläche oder auf einer Kante zwischen einer Wandfläche und einer Bodenfläche eliminiert, weil bei diesen Punkten die Flächennormale einer der vier dominanten Richtungen zu sehr ähnelt. Zweitens können nur diejenigen Source/Target-Punktpaare berücksichtigt werden, deren zugehörigen Flächennormale einen kleinen V-Winkel aufweisen, beispielsweise weniger als 45°, 30°, 10°, 5°, 2°, 1°, 0.5° oder 0.1°. Anders ausgedrückt dürfen Punktpaare nur dann gebildet werden, wenn deren Flächennormale im Wesentlichen parallel zueinander sind. Diese Selektionsmechanismen führen zu einer dramatischen Verbesserung des Translationshistogramms, mit einer entsprechenden Erhöhung des Höchstwertes bei den richtigen X, Y-Verschiebungswerte und somit eine verbesserte Eindeutigkeit des Ergebnisses. Points with a high curvature value are not only corner points, but also points that lie on the edges between inner walls and ceilings or between inner walls and floors. These points can lead to spurious peaks in the translation histogram. Thus, the method can be improved by using surface normals which enable the two further selection methods described below: Firstly, only those points whose surface normals essentially differ from each of the four dominant directions of the inner walls may be exposed to source / target Make up a couple. Thus, the points on an edge between a wall surface and a ceiling surface or on an edge between a wall surface and a bottom surface are also eliminated, because at these points the surface normal resembles one of the four dominant directions too much. Second, only those source / target pairs of points may be considered whose associated surface normals have a small V-angle, for example less than 45 °, 30 °, 10 °, 5 °, 2 °, 1 °, 0.5 ° or 0.1 °. In other words, point pairs may only be formed if their surface normals are essentially parallel to one another. These selection mechanisms lead to a dramatic improvement in the translation histogram, with a corresponding increase in the maximum value at the correct X, Y shift values and thus an improved uniqueness of the result.

Um das Wahlverfahren noch diskriminativer zu gestalten kann eine weitere primitive Punkteigenschaft genutzt werden, nämlich der Höhenwert bzw. die Z-Koordinate. Nachdem die Source- und die Targetpunktwolken bezüglich der Gravitationsachse bereits ausgerichtet sind, werden korrespondierende Punkte der Source- und der Targetpunktwolke ähnliche Höhenwerte haben. Dabei kann es vorteilhaft sein, eine Fehlertoleranz für die Z-Werte der Punktpaare einzubauen, da beispielsweise Rampen, wie Rollstuhlrampen, im Innenraum der Baustruktur 10 dazu führen können, dass sich die Räume eines Stockwerkes nicht genau auf derselben Höhe befinden. Die Source- und die Targetpunktwolken 200, 100 werden jeweils in Scheiben unterteilt, die alle Source- bzw. Targetpunkte beinhalten, die innerhalb eines Schwellenwerts von einer parallel zur Bodenebene angeordneten Referenzebene entfernt liegen. Dabei können zwei Punkte nur dann ein Punktpaar bilden, wenn sie sich in derselben Scheibe befinden. Dies ist dann gegeben, wenn sich deren Z-Werte um weniger als eine bestimmte Fehlertoleranz, die im Wesentlichen der Maximalhöhe jeglicher im Innenraum vorhandenen Rampen entspricht, unterscheiden. Für jede Scheibe wird ein assoziiertes, scheibenbezogenes Translationshistogramm berechnet, wobei die Berechnungen in einem Mehrkernsystem parallel oder gleichzeitig erfolgen können. Nachdem die mit jeder Scheibe assoziierten scheibenbezogenen Translationshistogramme berechnet wurden, können sie summiert werden, um das Translationshistogramm zu bilden. Somit kann die Effizienz der Berechnung des Translationshistogramms gesteigert werden. In order to make the voting process even more discriminative, another primitive point feature can be used, namely the height value or the Z coordinate. After the source and target point clouds are already aligned with respect to the gravitational axis, corresponding points of the source and target point clouds will have similar height values. It may be advantageous to incorporate an error tolerance for the Z-values of the pairs of points, since, for example, ramps, such as wheelchair ramps, in the interior of the building structure 10 can lead to the rooms of a floor not being exactly at the same height. The source and target point clouds 200 . 100 are each divided into slices, all of which include source points located within a threshold of a reference plane parallel to the ground plane. Two points can only form a pair of points if they are in the same disk. This is the case if their Z-values differ by less than a certain fault tolerance, which essentially corresponds to the maximum height of any ramps present in the interior. For each slice, an associated slice-referenced translation histogram is calculated, with the calculations in a multi-kernel system running concurrently or simultaneously can be done. After calculating the disc-associated translational histograms associated with each disc, they can be summed to form the translation histogram. Thus, the efficiency of calculating the translation histogram can be increased.

Die oben beschriebenen diskriminativen Wahlverfahren können dabei vereinzelt oder in Kombination bei der Berechnung des Translationshistogramms angewandt werden. Bei der Anwendung von all diesen diskriminativen Wahlverfahren kann eine Reduktion des Berechnungszeitaufwands von über 95% sowie eine Steigerung der Qualität des resultierenden Translationshistogramms erreicht werden. The discriminative selection methods described above can be used singly or in combination in the calculation of the translation histogram. Using all these discriminative voting techniques, a reduction in computation time of over 95% and an increase in the quality of the resulting translation histogram can be achieved.

Nachdem die Innenwände der meisten Baustrukturen quer zueinander in vier dominante Richtungen ausgerichtet sind, weist das Ergebnis der Kreuzkorrelation des Source- und Targetsignaturhistogramms normalerweise vier Spitzen auf, die beispielsweise in 5B zu sehen sind. Anders ausgedrückt, besteht bei den meisten Bauwerken eine gewisse Ambiguität bei Vielfachen von 90° bei der Berechnung der Rotationsausrichtung der Sourcepunktwolke im Verhältnis zu der Targetpunktwolke. Wie in der 2B gezeigt, kann dies dazu führen, dass eine Rotationsausrichtung von einem Ausrichtungsverfahren als „korrekt“ bewertet wird, obwohl es zu einer der „falschen“ dominanten Richtungen gehört und somit falsch ist. Bei einer falschen Rotationsausrichtung würden bei der anschließenden Berechnung des Translationshistogramms alle tatsächlich korrespondierenden Punktpaare nicht derselben Klasse zugeordnet werden. Demzufolge werden Translationshistogramme, die aufgrund einer der drei ‚falschen‘ dominanten Richtungen berechnet werden, keine so hohen Höchstwerte aufweisen, wie bei der ‚richtigen‘ dominante Richtung. Since the interior walls of most building structures are oriented transversely in four dominant directions, the result of the cross-correlation of the source and target signature histograms normally has four peaks, e.g. 5B you can see. In other words, for most structures, there is some ambiguity at multiples of 90 ° in calculating the rotational orientation of the source point cloud relative to the target point cloud. Like in the 2 B This may result in a rotational orientation being judged to be "correct" by an alignment procedure, even though it belongs to one of the "wrong" dominant directions and thus is false. In the case of a wrong rotation orientation, in the subsequent calculation of the translation histogram, all actually corresponding pairs of points would not be assigned to the same class. As a result, translational histograms, which are calculated from one of the three 'wrong' dominant directions, will not have as high a peak as the 'right' dominant direction.

Deshalb wird eine weitere Ausführungsform beschrieben, die besonders geeignet ist bei der Ausrichtung von Innenraummodellen von Bauwerken 10, deren Kreuzkorrelation der Source- und der Targetsignaturhistogramme vier ähnlich große Spitzen aufweist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden im Anschluss zu der Rotationsermittlung vier rotationsbedingten Translationshistogramme berechnet, nämlich für je eine Rotation, die mit einer Spitze gekennzeichnet ist und somit zu einer der vier dominanten Richtungen korrespondiert. Die Höchstwerte der vier rotationsbedingten Translationshistogramme werden dann verglichen, und die dazugehörige Rotation wird als Ausrichtungsrotation der Sourcepunktwolke identifiziert. Ferner kann aus dem rotationsbedingten Translationshistogramm, das zu der richtigen dominanten Richtung korrespondiert, die X- und Y-Koordinate des Höchstwertes herausgelesen werden, welche die Verschiebungswerte für die Ausrichtung der Sourcepunktwolke darstellen. Therefore, another embodiment will be described, which is particularly suitable in the alignment of interior models of buildings 10 whose cross-correlation of the source and target signature histograms has four similarly sized peaks. According to this exemplary embodiment, four rotation-dependent translational histograms are calculated following the rotation determination, namely one rotation each, which is marked with a peak and thus corresponds to one of the four dominant directions. The maximum values of the four rotation-related translation histograms are then compared, and the associated rotation is identified as orientation rotation of the source point cloud. Further, from the rotation-related translation histogram corresponding to the proper dominant direction, the X and Y coordinates of the peak representing the shift values for the alignment of the source point cloud can be read out.

Sollte das Gebäude mehr oder weniger als vier dominante Richtungen haben, sodass das Kreuzkorrelieren der Source- und Targetsignaturhistogramme eine Anzahl von mehr oder weniger als vier Spitzen ergibt, kann die obige Ausführungsform dahingehend angepasst werden, dass genau so vielen rotationsbedingte Translationshistogramme berechnet werden, wie das Ergebnis des Kreuzkorrelierens Spitzen aufweist (d.h. wie die Anzahl der dominanten Richtungen des Gebäudes). Should the building have more or fewer than four dominant directions such that the cross-correlation of the source and target signature histograms yields a number of more or less than four peaks, the above embodiment can be adapted to compute as many rotational translational histograms as that Result of cross-correlation peaks (ie, how the number of dominant directions of the building).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können zwei Punktwolken mit einer beliebigen Initialausrichtung, d.h. die anfangs nicht entlang der Gravitationsachse 17 ausgerichtet sind, ausgerichtet und aneinandergefügt werden. Wie in 9 dargestellt, werden in einem Vorverarbeitungsschritt 530 die Source- und Targetpunktwolken jeweils entlang der Gravitationsachse ausgerichtet. Dies wird erreicht indem eine Hauptkomponentenanalyse auf jeder der Punktwolken 200, 100 durchgeführt wird. Mit der Annahme, dass die Teilmodelle des Gebäudeinnenraums vergleichsweise flache Profile aufweisen, d.h. dass der modellierte Gebäudeinnenraum sich weiter in der X- und Y-Richtung erstreckt als in der Z-Richtung, kann mit überschaubarem Rechenaufwand die dritte Hauptkomponente der Hauptkomponentenanalyse als Gravitationsrichtung identifiziert werden. Es erfolgt dann vorab jeweils eine Rotation 510 der Source- und der Targetpunktwolke zur Ausrichtung bezüglich der Gravitationsachse 17. According to another embodiment, two point clouds may have any initial orientation, ie, not initially along the axis of gravitation 17 are aligned, aligned and joined together. As in 9 are shown in a preprocessing step 530 the source and target point clouds are each aligned along the axis of gravity. This is accomplished by performing a principal component analysis on each of the point clouds 200 . 100 is carried out. Assuming that the sub-models of the building interior have comparatively flat profiles, ie that the modeled building interior extends farther in the X and Y directions than in the Z direction, the third main component of the principal component analysis can be identified as a gravitational direction with reasonable computation effort , It then takes place in advance in each case one rotation 510 the source and the target point cloud for alignment with respect to the axis of gravity 17 ,

In einem weiteren Teil 520 der Vorverarbeitung 530 werden die lokalen Z-Koordinaten der Sourcepunktwolke angepasst. Insbesondere werden diejenigen Punkte selektiert, die nicht auf einer Wand liegen. Mit anderen Worten, alle Punkte, deren Flächennormale eine geringe Z-Komponente aufweist, d.h. bei denen abs(nk(z)) ≈ 0 ist, werden in diesem Vorgang außer Acht gelassen. Aus den restlichen Punkten, d.h. allen Punkten, die auf einer Boden- oder Deckenfläche liegen, wird anhand deren Z-Koordinaten jeweils für die Source- und für die Targetpunktwolke ein Histogramm gebildet. Schließlich werden die Histogramme der Source- und Targetpunktwolke miteinander kreuzkorreliert, um eine Verschiebung der Sourcepunktwolke 200 in der Z-Richtung zu ermitteln. Die Sourcepunktwolke wird dementsprechend entlang ihrer Z-Achse verschoben, sodass die lokale Z-Achse der Sourcepunktwolke der lokalen Z-Achse der Targetpunktwolke entspricht. In another part 520 the preprocessing 530 the local Z-coordinates of the source point cloud are adjusted. In particular, those points are selected that are not on a wall. In other words, all points whose surface normal has a low Z component, ie, where abs (n k (z)) ≈ 0, are disregarded in this process. From the remaining points, ie all points that lie on a floor or ceiling surface, a histogram is formed on the basis of their Z coordinates for the source and for the target point cloud. Finally, the histograms of the source and target point clouds are cross-correlated with each other to shift the source point cloud 200 in the Z direction. The source point cloud is accordingly shifted along its Z-axis so that the local Z-axis of the source point cloud corresponds to the local Z-axis of the target point cloud.

Nach Abschluss des oben beschriebenen Vorverarbeitungsschrittes können die Source- und Targetpunktwolke gemäß jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen, die eine gemeinsame lokale Gravitationsachse der Punktwolken voraussetzt, ausgerichtet werden. Insbesondere erfolgt dann eine Ermittlung der Rotation 610 um die Z-Achse 17 und eine Ermittlung der Verschiebung 620 in die X-Y Richtungen gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Upon completion of the preprocessing step described above, the source and target point clouds may be aligned according to any of the above-described embodiments, which assumes a common local axis of gravity of the point clouds. In particular, a determination of the rotation then takes place 610 around the Z axis 17 and a determination of the displacement 620 into the XY Directions according to one of the embodiments described above.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Rotationsschritt 510 nach der Haupkomponentenanalyse einen weiteren Adjustierungsschritt. Dabei werden alle Punkte der Source- bzw. Targetpunktwolke selektiert, die auf einer Boden- oder Deckenfläche des modellierten Innenraums liegen. Dies wird erreicht, indem nur diejenigen Punkte mit einer im Wesentlichen entlang der Gravitationsachse zeigenden Flächennormale selektiert werden. Eine Flächennormale gilt dabei als im Wesentlichen entlang der Gravitationsachse zeigend, wenn sie mit der bereits ermittelten Z-Achse einen Winkel von weniger als 15°, 10°, 7,5°, 5°, 4°, 3°, 2°, 1°, oder 0,5° bildet. Aus den Flächennormalen der selektierten Punkte wird ein Medianwert ermittelt, der auf die genaue Gravitationsachse zeigt. Eine weitere Feinrotation der Source- und Targetpunktwolken kann dementsprechend durchgeführt werden. In a further embodiment, the rotation step comprises 510 after the main component analysis a further adjustment step. In this case, all points of the source or target point cloud are selected, which lie on a floor or ceiling surface of the modeled interior. This is achieved by selecting only those points with a surface normal pointing essentially along the gravitational axis. A surface normal is considered to be pointing essentially along the gravitational axis if it makes an angle of less than 15 °, 10 °, 7.5 °, 5 °, 4 °, 3 °, 2 °, 1 with the already determined Z-axis °, or 0.5 ° forms. From the surface normals of the selected points a median value is determined which points to the exact axis of gravity. A further fine rotation of the source and target point clouds can be carried out accordingly.

In den hier beschriebenen Ausführungsformen mit zwei mittels rechteckiger Gitter diskretisierten Punktwolken 100, 200, welche die Außenkonturen und/oder Innenräume der Baustruktur 10 darstellen, kann die Diskretisierung der Punktwolken 100, 200 anders erfolgen, beispielsweise mittels eines nicht-rechteckigen Gitters, eines dreieckförmigen Gitters, einer randomisierten, regelmäßigen Verteilung der Punkte, einer dreidimensionalen regelmäßigen oder unregelmäßigen Gitterstruktur oder jeder anderen geeigneten Diskretisierung. In the embodiments described here with two point clouds discretized by means of rectangular grids 100 . 200 which the outer contours and / or interiors of the building structure 10 represent the discretization of point clouds 100 . 200 be done differently, for example by means of a non-rectangular grid, a triangular grid, a randomized, regular distribution of the points, a three-dimensional regular or irregular grid structure or any other suitable discretization.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10
Baustruktur oder Bauwerk Building structure or structure
15 15
Bodenebene (XY-Ebene) Ground level (XY level)
17 17
Gravitationsachse (Z-Achse) Gravity axis (Z-axis)
20 20
Wandfläche wall surface
22 22
modellierten Strukturen im Gebäudeinnenraum modeled structures in the building interior
100 100
Targetpunktwolke Target point cloud
105 105
ineinandergreifender Ausschnitt interlocking clipping
110 110
überlappende Region des Targets overlapping region of the target
200 200
Sourcepunktwolke Source point cloud
205 205
ineinandergreifende Verzahnung interlocking interlocking
210 210
überlappende Region der Source overlapping region of the source
300 300
Translationshistogramm Translation histogram
302 302
wahrscheinlichste X-Verschiebung most likely X-shift
500 500
Einstieg bei noch nicht bezüglich der Gravitationsachse ausgerichteten Punktwolken Entry at point clouds not yet aligned with respect to the gravitational axis
510 510
Rotationsausrichtung bezüglich Z-Achse Rotation orientation with respect to Z-axis
520 520
Bodenausrichtung bottom alignment
530 530
Vorverarbeitungsschritte preprocessing
600 600
Einstieg bei bereits bezüglich der Gravitationsachse ausgerichteten Punktwolken Entry into point clouds already aligned with respect to the gravitational axis
610 610
Ermittlung der Rotation der Sourcepunktwolke bezüglich der Targetpunktwolke Determination of the rotation of the source point cloud with respect to the target point cloud
620 620
Ermittlung der Verschiebung der Sourcepunktwolke bezüglich der Targetpunktwolke Determination of the shift of the source point cloud with respect to the target point cloud

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (14)

Verfahren zum Ermitteln einer Ausrichtung einer Sourcepunktwolke (200) im Verhältnis zu einer Targetpunktwolke (100), wobei die Source- und Targetpunktwolken (200, 100) jeweils Teilmodelle von Innenräumen einer Baustruktur (10) darstellen und jeweils bezüglich einer Gravitationsachse (17) ausgerichtet sind, mit den Schritten: Kreuzkorrelieren (5B) eines Sourcesignaturhistogramms (5A) der Sourcepunktwolke (200) mit einem Targetsignaturhistogramm (5A) der Targetpunktwolke (100), um eine Rotation der Sourcepunktwolke zu ermitteln (610); und Berechnen eines Translationshistogramms (300) anhand von Punktpaaren (100A-E, 200A–E), wobei jedes Punktpaar einen Sourcepunkt aus der Sourcepunktwolke und einen Targetpunkt aus der Targetpunktwolke umfasst, um eine Verschiebung der Sourcepunktwolke (200) zu ermitteln (620). Method for determining an alignment of a source point cloud ( 200 ) relative to a target point cloud ( 100 ), the source and target point clouds ( 200 . 100 ) partial models of interiors of a building structure ( 10 ) and in each case with respect to a gravitational axis ( 17 ), with the steps: cross-correlation ( 5B ) of a source signature histogram ( 5A ) the source point cloud ( 200 ) with a target signature histogram ( 5A ) of the target point cloud ( 100 ) to determine a rotation of the source point cloud ( 610 ); and calculating a translation histogram ( 300 ) based on pairs of points ( 100A -E, 200A -E), wherein each pair of points comprises a source point from the source point cloud and a target point from the target point cloud, in order to determine a displacement of the source point cloud (FIG. 200 ) to investigate ( 620 ). Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei für die Berechnung des Sourcesignaturhistogramms eine Sourcesignatur mit einem Satz Flächennormalvektoren gebildet wird, die jeweils mit einem Sourcepunkt assoziiert sind, und für die Berechnung des Targesignaturthistogramms eine Targetsignatur mit einem Satz Flächennormalvektoren gebildet wird, die jeweils mit einem Targetpunkt assoziiert sind. The method of claim 1, wherein for the calculation of the source signature histogram, a source signature is formed with a set of surface normal vectors each associated with a source point, and for the calculation of the target signature histogram a target signature is formed with a set of surface normal vectors each associated with a target point , Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Sourcesignatur und Targetsignatur jeweils nur anhand von denjenigen Punkten berechnet werden, deren jeweils assoziierten Flächennormalvektor im Wesentlichen parallel zu einer Bodenebene ausgerichtet ist. Method according to claim 2, wherein the source signature and target signature are each calculated only on the basis of those points whose respectively associated surface normal vector is aligned substantially parallel to a ground plane. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Ergebnis des Kreuzkorrelierens (5B) eine Anzahl von Spitzen aufweist, die mit einer Anzahl von dominanten Richtungen der Baustruktur (10) übereinstimmen, mit den weiteren Schritten: Berechnen eines rotationsbedingten Translationshistogramms für jede zu einer der Spitzen korrespondierenden Rotation, und Vergleichen der berechneten rotationsbedingten Translationshistogramme, um die Rotation der Sourcepunktwolke zu ermitteln. Method according to one of the preceding claims, wherein a result of the cross-correlation ( 5B ) has a number of peaks associated with a number of dominant directions of the building structure ( 10 ), comprising the further steps of: calculating a rotation-related translation histogram for each rotation corresponding to one of the peaks, and comparing the calculated rotation-related translation histograms to determine the rotation of the source point cloud. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Vergleichen der berechneten rotationsbedingten Translationshistogramme ferner umfasst: Vergleichen der Maximalwerte jedes der rotationsbedingten Translationshistogramme miteinander und Auswählen desjenigen rotationsbedingten Translationshistogramms, das den größten Maximalwert aufweist, sodass die dazugehörige Rotation die Rotation der Sourcepunktwolke bildet. The method of claim 4, wherein comparing the calculated rotation-related translation histograms further comprises: Comparing the maximum values of each of the rotation-related translation histograms with each other and Select the rotational translation translational histogram that has the largest maximum value so that the associated rotation forms the rotation of the source point cloud. Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die zur Berechnung des Translationshistogramms herangezogenen Punktpaare lediglich diejenigen Sourcepunkte und Targetpunkte umfassen, deren jeweiliger Flächennormalvektor sich im Wesentlichen von jeder der dominanten Richtungen unterscheidet. Method according to claim 4 or 5, wherein the pairs of points used to calculate the translation histogram comprise only those source points and target points whose respective surface normal vector differs substantially from each of the dominant directions. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zur Berechnung des Translationshistogramms herangezogenen Punktpaare lediglich diejenigen Sourcepunkte und Targetpunkte umfassen, deren jeweils assoziierter Flächenkrümmungsindex einen hohen Absolutwert hat. Method according to one of the preceding claims, wherein the pairs of points used to calculate the translation histogram comprise only those source points and target points whose respective associated surface curvature index has a high absolute value. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zur Berechnung des Translationshistogramms herangezogenen Punktpaare lediglich diejenigen Punktpaare umfassen, die einen Sourcepunkt und einen Targetpunkt umfassen, deren jeweils assoziierten Flächennormalvektoren im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Method according to one of the preceding claims, wherein the pairs of points used to calculate the translation histogram comprise only those pairs of points which comprise a source point and a target point, whose respectively associated surface normal vectors extend substantially parallel to one another. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sourcepunktwolke und die Targetpunktwolke jeweils in Scheiben unterteilt sind, die alle Source- bzw. Targetpunkte beinhalten, die innerhalb eines Schwellenwerts von einer parallel zur Bodenebene angeordneten Referenzebene entfernt liegen, wobei zwei oder mehrere scheibenbezogene Translationshistogramme anhand von Punktpaaren, die sich in derselben Scheibe befinden, berechnet werden, und wobei die zwei oder mehrere scheibenbezogenen Translationshistogramme schließlich summiert werden, um das Translationshistogramm zu bilden. The method of claim 1, wherein the source point cloud and the target point cloud are each divided into slices that include all source points that are within a threshold distance from a reference plane parallel to the ground plane, wherein two or more slice-related translation histograms are based on Point pairs that are in the same slice can be calculated and the two or more slice-related translation histograms are finally summed to form the translation histogram. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Scheiben aneinandergrenzend angeordnet sind, und/oder wobei alle Scheiben die gleiche Stärke aufweisen. A method according to claim 9, wherein the discs are arranged adjacent to each other and / or wherein all discs have the same thickness. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Source- und/oder Targetpunktwolke jeweils in einer Initialausrichtung noch nicht bezüglich der Gravitationsachse ausgerichtet ist/sind, mit einem Vorverarbeitungsschritt (530) zur Ausrichtung der Punktwolken bezüglich der Gravitationsachse, umfassend: Rotation (510) der Source- und/oder Targetpunktwolke zur Ausrichtung bezüglich der Gravitationsachse mithilfe einer Hauptkomponentenanalyse, und Anpassung (520) der lokalen Z-Koordinaten der Sourcepunktwolke anhand eines Vergleichsergebnisses zwischen der Bodenhöhe der Targetpunktwolke mit der Bodenhöhe der Sourcepunktwolke. Method according to one of the preceding claims, wherein the source and / or target point cloud in each case in an initial orientation is not yet oriented with respect to the gravitational axis, with a preprocessing step ( 530 ) for aligning the point clouds with respect to the axis of gravitation, comprising: rotation ( 510 ) of the source and / or target point cloud for alignment with respect to the axis of gravity using a principal component analysis, and fitting ( 520 ) of the local Z coordinates of the source point cloud based on a comparison result between the ground level of the target point cloud with the ground level of the source point cloud. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Rotationsschritt (510) nach der Haupkomponentenanalyse einen weiteren Adjustierungsschritt umfasst, wobei alle Punkte der Source- bzw. Targetpunktwolke mit einer im Wesentlichen entlang der Gravitationsachse zeigenden Flächennormale selektiert werden, und wobei eine Feinrotation durchgeführt wird, sodass der Medianwert dieser Flächennormalen einer adjustierten Gravitationsachse entspricht. The method of claim 11, wherein the rotation step ( 510 ) comprises, according to the principal component analysis, a further adjustment step, wherein all points of the source or target point cloud have a substantially along the Gravity axis pointing surface normal are selected, and wherein a fine rotation is performed so that the median value of this surface normal corresponds to an adjusted gravitational axis. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, mit einem weiteren Schritt des Ausrichtens der Sourcepunktwolke im Verhältnis zur Targetpunktwolke, wobei die Sourcepunkte der Sourcepunktwolke anhand der ermittelten Rotation und der ermittelten Verschiebung ausgerichtet werden. Method according to one of the preceding claims, with a further step of aligning the source point cloud in relation to the target point cloud, wherein the source points of the source point cloud are aligned on the basis of the determined rotation and the determined displacement. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, mit einem weiteren Schritt der Anwendung eines Algorithmus, beispielsweise des Iterative Closest Point(ICP)-Algorithmus, zur Ermittlung der Feinausrichtung der Sourcepunktwolke im Verhältnis zu der Targetpunktwolke, nachdem eine die Rotation und die Verschiebung umfassende Grobausrichtung der Punktwolken ermittelt wurde. Method according to one of the preceding claims, comprising a further step of using an algorithm, for example the Iterative Closest Point (ICP) algorithm, for determining the fine alignment of the source point cloud relative to the target point cloud after a coarse alignment of the point clouds comprising the rotation and the displacement was determined.
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