Querverweis auf verwandte AnmeldungenCross-reference to related applications
Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführung der am 3. Dezember 2014 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 14/559,311, welche den Vorteil der am 27. September 2013 eingereichten internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/IB2013/003082 beansprucht, welche den Vorteil der am 5. Oktober 2012 eingereichten deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2012 109 481.0 und der am 22. Oktober 2012 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 61/716,845 beansprucht, deren aller Inhalte durch Verweis hierin einbezogen werden.The present application is a continuation-in-part of US Patent Application No. 14 / 559,311, filed on Dec. 3, 2014, which has the advantage of filed September 27, 2013 International Patent Application No. PCT / IB2013 / 003082 claiming the benefit of filed on October 5, 2012 German Patent Application No. 10 2012 109 481.0 and U.S. Patent Application No. 61 / 716,845 filed on Oct. 22, 2012, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Das US-Patent Nr. 8,705,016 (’016) beschreibt einen Laserscanner, der durch die Nutzung eines drehbaren Spiegels einen Lichtstrahl in seine Umgebung emittiert, um eine dreidimensionale (3D) Abtastung zu erzeugen. Die Inhalte dieses Patents werden durch Verweis hierin einbezogen.U.S. Patent No. 8,705,016 ('016) describes a laser scanner that emits a beam of light into its surroundings through the use of a rotatable mirror to produce a three-dimensional (3D) scan. The contents of this patent are incorporated herein by reference.
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft die Verwendung eines Koordinatenmessgeräts mit einem 3D-Laufzeit-Laserscanner (TOF-Laserscanner; ti-me-of-flight laser scanner). Ein 3D-Laserscanner dieses Typs lenkt einen Lichtstrahl zu einem nicht zusammenwirkenden Ziel wie beispielsweise einer diffus streuenden Oberfläche eines Objekts. Ein Distanzmesser in dem Gerät misst einen Abstand zum Objekt und Winkelkodierer messen die Drehwinkel von zwei Achsen in dem Gerät. Der gemessene Abstand und die gemessenen zwei Winkel ermöglichen einem Prozessor im Gerät die Ermittlung der 3D-Koordinaten des Ziels.The subject matter disclosed herein relates to the use of a coordinate measuring machine with a 3D runtime (TOF) laser scanner. A 3D laser scanner of this type directs a beam of light to an uncooperative target, such as a diffusely scattering surface of an object. A distance meter in the device measures a distance to the object and angle encoders measure the rotation angles of two axes in the device. The measured distance and the measured two angles allow a processor in the device to determine the 3D coordinates of the target.
Ein Laufzeit-Laserscanner ist ein Scanner, bei dem der Abstand zu einem Zielpunkt auf Basis der Lichtgeschwindigkeit in Luft zwischen dem Scanner und einem Zielpunkt ermittelt wird. Laserscanner werden normalerweise zum Abtasten von geschlossenen oder offenen Räumen wie beispielsweise Innenbereichen von Gebäuden, Industrieanlagen und Tunneln eingesetzt. Sie können zum Beispiel bei industriellen Anwendungen und Anwendungen der Unfallrekonstruktion benutzt werden. Ein Laserscanner tastet Objekte optisch ab und misst sie in einem Raum rings um den Scanner durch die Erfassung von Datenpunkten, die Objektoberflächen in dem Raum repräsentieren. Solche Datenpunkte werden erhalten, indem ein Lichtstrahl auf die Objekte ausgesendet wird und das reflektierte bzw. gestreute Licht erfasst wird, um den Abstand, zwei Winkel (d. h. einen Azimutwinkel und einen Zenitwinkel) und gegebenenfalls einen Grauwert zu ermitteln. Diese unverarbeiteten Abtastungsdaten werden erfasst, gespeichert und an einen oder mehrere Prozessoren gesendet, um ein 3D-Bild zu erzeugen, das den abgetasteten Bereich oder das abgetastete Objekt wiedergibt.A transit time laser scanner is a scanner in which the distance to a target point is determined based on the speed of light in air between the scanner and a target point. Laser scanners are typically used to scan closed or open spaces such as indoor areas of buildings, industrial facilities and tunnels. They can be used, for example, in industrial applications and accident reconstruction applications. A laser scanner optically scans objects and measures them in a space around the scanner by capturing data points that represent object surfaces in the room. Such data points are obtained by emitting a beam of light onto the objects and detecting the reflected light to determine the distance, two angles (i.e., an azimuth angle and a zenith angle), and optionally a gray level. This unprocessed sample data is captured, stored, and sent to one or more processors to produce a 3D image that represents the scanned area or object.
Die Erzeugung eines Bilds macht mindestens drei Werte für jeden Datenpunkt erforderlich. Diese drei Werte können den Abstand und zwei Winkel umfassen oder können transformierte Werte wie beispielsweise die x-, y-, z-Koordinaten sein. Bei einer Ausgestaltung basiert ein Bild auch auf einem vierten Grauwert, der ein Wert ist, der sich auf die Bestrahlungsstärke von gestreutem Licht bezieht, das zum Scanner zurückkehrt.Creating an image requires at least three values for each data point. These three values may include the distance and two angles, or may be transformed values such as the x, y, z coordinates. In one embodiment, an image is also based on a fourth gray level, which is a value related to the irradiance of scattered light returning to the scanner.
Die meisten Laufzeitscanner richten den Lichtstrahl im Messvolumen, indem sie das Licht mit einem Strahllenkungsmechanismus lenken. Der Strahllenkungsmechanismus umfasst einen ersten Motor, der den Lichtstrahl um einen ersten Winkel, der durch einen ersten Winkelkodierer (oder ein anderes Winkelmessgerät) gemessen wird, um eine erste Achse lenkt. Der Strahllenkungsmechanismus umfasst auch einen zweiten Motor, der den Lichtstrahl um einen zweiten Winkel, der durch einen zweiten Winkelkodierer (oder ein anderes Winkelmessgerät) gemessen wird, um eine zweite Achse lenkt.Most runtime scanners direct the light beam in the measurement volume by directing the light with a beam steering mechanism. The beam steering mechanism includes a first motor that directs the light beam about a first angle through a first angle measured by a first angle encoder (or other angle encoder) about a first axis. The beam steering mechanism also includes a second motor which directs the light beam about a second axis at a second angle measured by a second angular encoder (or other angular encoder) about a second axis.
Viele heutige Laserscanner umfassen eine Kamera, die auf dem Laserscanner angebracht ist, um digitale Kamerabilder der Umgebung zu erfassen und die digitalen Kamerabilder einem Bediener des Laserscanners darzustellen. Der Bediener des Scanners kann durch Betrachten der Kamerabilder das Sichtfeld des Messvolumens ermitteln und Einstellungen des Laserscanners anpassen, um über eine größere oder kleinere Raumregion zu messen. Die digitalen Kamerabilder können zusätzlich dazu an einen Prozessor übertragen werden, um dem Scannerbild Farbe hinzuzufügen. Zur Erzeugung eines Scannerfarbbilds werden für jeden Datenpunkt mindestens drei Positionskoordinaten (zum Beispiel x, y, z) und drei Farbwerte (zum Beispiel rot, grün, blau; „RGB“) erfasst.Many current laser scanners include a camera mounted on the laser scanner for capturing digital camera images of the environment and displaying the digital camera images to an operator of the laser scanner. By viewing the camera images, the operator of the scanner can determine the field of view of the measurement volume and adjust settings of the laser scanner to measure over a larger or smaller region of space. The digital camera images may additionally be transmitted to a processor to add color to the scanner image. To generate a scanner color image, at least three position coordinates (for example x, y, z) and three color values (for example red, green, blue, "RGB") are acquired for each data point.
Ein 3D-Bild einer Szene kann mehrere Abtastungen von verschiedenen Registrierungspositionen aus erforderlich machen. Die sich überlappenden Abtastungen werden in einem gemeinsamen Koordinatensystem registriert, wie es beispielsweise in der veröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. 2012/0069352 (’352) beschrieben wird, deren Inhalte durch Verweis hierin einbezogen werden. Eine solche Registrierung wird durchgeführt, indem Ziele in Überlappungsregionen der mehreren Abtastungen aneinander angepasst werden. Die Ziele können künstliche Ziele wie beispielsweise Kugeln oder Schachbretter sein oder sie können natürliche Merkmale wie beispielsweise Ecken oder Kanten von Wänden sein. Einige Registrierungsverfahren beinhalten relativ zeitaufwändige manuelle Verfahren wie beispielsweise die Identifizierung jedes Ziels durch einen Benutzer und die Anpassung der Ziele, die durch den Scanner in jeder der unterschiedlichen Registrierungspositionen erhalten werden. Einige Registrierungsverfahren machen außerdem die Einrichtung eines externen „Steuerungsnetzes“ von Registrierungszielen erforderlich, die mit einem externen Gerät wie z. B. einer Totalstation gemessen wurden. Bei dem in ’352 offenbarten Registrierungsverfahren entfällt die Anforderung, dass ein Benutzer Registrierungsziele anpassen und ein Steuerungsnetz einrichten muss.A 3D image of a scene may require multiple scans from different registration locations. The overlapping scans are registered in a common coordinate system, as described, for example, in US Published Patent Application No. 2012/0069352 ('352), the contents of which are incorporated herein by reference. Such registration is performed by matching targets in overlapping regions of the multiple scans. The targets may be artificial targets such as bullets or chess boards, or they may be natural features such as corners or edges of walls. Some registration methods involve relatively time-consuming manual procedures, such as the identification of each destination by a user and the adaptation of the targets obtained by the scanner in each of the different registration positions. Some registration procedures also require the establishment of an external "control network" of registration destinations that can be used with an external device such as a computer. B. a total station were measured. The registration process disclosed in '352 removes the requirement for a user to customize registration goals and set up a control network.
Es ist aber sogar mit den durch die Verfahren von ’352 bereitgestellten Vereinfachungen heute noch schwierig, die Notwendigkeit entfallen zu lassen, dass ein Benutzer die oben beschriebenen manuellen Registrierungsschritte durchführt. In einem typischen Fall können lediglich 30 % von 3D-Abtastungen automatisch an Abtastungen registriert werden, die von anderen Registrierungspositionen aus vorgenommen wurden. Heute wird eine solche Registrierung selten am Ort der 3D-Messung und statt dessen in einem Büro im Anschluss an das Abtastverfahren durchgeführt. In einem typischen Fall benötigt ein Projekt, für das eine Woche lang Abtastungen erforderlich sind, zwei bis fünf Tage für die manuelle Registrierung der vielfachen Abtastungen. Dies kommt zu den Kosten des Abtastprojekts hinzu. Darüber hinaus zeigt das manuelle Registrierungsverfahren manchmal, dass die Überlappung zwischen benachbarten Abtastungen nicht ausreichte, um eine korrekte Registrierung bereitzustellen. In anderen Fällen zeigt das manuelle Registrierungsverfahren möglicherweise, dass bestimmte Abschnitte der Abtastumgebung ausgelassen wurden. Wenn solche Probleme auftauchen, muss der Bediener an den Ort zurückkehren, um zusätzliche Abtastungen zu erhalten. In einigen Fällen ist es nicht möglich, an einen Ort zurückzukehren. Ein Gebäude, das zu einem Zeitpunkt für Abtastungen zur Verfügung stand, ist eventuell an einem späteren Zeitpunkt nicht mehr zugänglich. Ein Tatort eines Autounfalls oder Mords steht nach dem Vorfall meist nicht länger als einen kurzen Zeitraum für die Durchführung von Abtastungen zur Verfügung.However, even with the simplifications provided by the methods of '352, it is still difficult to eliminate the need for a user to perform the manual registration steps described above. In a typical case, only 30% of 3D scans can be automatically registered to scans made from other registration locations. Today, such registration is rarely performed at the location of the 3D measurement and instead in an office following the scanning process. In a typical case, a project that requires one week of scanning takes two to five days to manually register the multiple scans. This adds to the cost of the scanning project. In addition, the manual registration procedure sometimes shows that the overlap between adjacent scans was insufficient to provide correct registration. In other cases, the manual registration process may indicate that certain portions of the scanning environment have been skipped. If such problems arise, the operator must return to the site to obtain additional scans. In some cases it is not possible to return to a location. A building that was available for sampling at one time may not be accessible at a later date. A crime scene of a car accident or murder is usually no longer than a short period after the incident for the execution of scans available.
Obwohl bereits existierende 3D-Scanner für ihre beabsichtigten Zwecke geeignet sind, besteht demzufolge Bedarf an einem 3D-Scanner mit bestimmten Merkmalen von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.Thus, although existing 3D scanners are suitable for their intended purposes, there is a need for a 3D scanner with certain features of embodiments of the present invention.
Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Messung und Registrierung dreidimensionaler (3D) Koordinaten Folgendes: festes Anordnen eines Messgeräts in einer ersten Registrierungsposition, wobei das Messgerät einen 3D-Scanner auf einer beweglichen Plattform umfasst; Erhalten von 3D-Koordinaten einer ersten Sammlung von Punkten auf einem Objekt mit dem 3D-Scanner, während er sich in der ersten Registrierungsposition befindet, wobei der 3D-Scanner dafür konfiguriert ist, die 3D-Koordinaten der ersten Sammlung von Punkten durch Projizieren eines Lichtstrahls auf das Objekt zu ermitteln und als Reaktion für jeden Punkt in der ersten Sammlung von Punkten einen Abstand und zwei Winkel zu erhalten, wobei der Abstand zumindest teilweise auf einer Lichtgeschwindigkeit in Luft basiert; Erhalten einer ersten Vielzahl von 2D-Abtastsätzen durch den 3D-Scanner, während das Messgerät sich von der ersten Registrierungsposition zu einer zweiten Registrierungsposition bewegt, wobei jeder der ersten Vielzahl von 2D-Abtastsätzen ein Satz von 2D-Koordinaten von Punkten auf dem Objekt ist, wobei jeder der ersten Vielzahl von 2D-Abtastsätzen durch den 3D-Scanner an einer anderen Position relativ zur ersten Registrierungsposition erfasst wird; Ermitteln eines einer ersten Translationsrichtung entsprechenden ersten Translationswerts, eines einer zweiten Translationsrichtung entsprechenden zweiten Translationswerts und eines einer ersten Orientierungsachse entsprechenden ersten Rotationswerts für das Messgerät, wobei der erste Translationswert, der zweite Translationswert und der erste Rotationswert basierend zumindest teilweise auf einer Anpassung der ersten Vielzahl von 2D-Abtastsätzen gemäß einem ersten mathematischen Kriterium ermittelt werden; Erhalten von 3D-Koordinaten einer zweiten Sammlung von Punkten auf dem Objekt mit dem 3D-Scanner, während er sich in der zweiten Registrierungsposition befindet; Ermitteln einer Entsprechung zwischen sowohl in der ersten Sammlung von Punkten als auch in der zweiten Sammlung von Punkten vorhandenen Registrierungszielen durch das Messgerät, während es sich von der zweiten Registrierungsposition zu einer dritten Registrierungsposition bewegt, wobei die Entsprechung zumindest teilweise auf dem ersten Translationswert, dem zweiten Translationswert und dem ersten Rotationswert basiert; und Speichern des ersten Translationswerts, des zweiten Translationswerts und des ersten Rotationswerts. Diese und andere Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher hervor.According to one aspect of the invention, a method for measuring and registering three-dimensional (3D) coordinates comprises: fixedly placing a measuring device in a first registration position, the measuring device comprising a 3D scanner on a movable platform; Obtaining 3D coordinates of a first collection of points on an object with the 3D scanner while in the first registration position, the 3D scanner being configured to project the 3D coordinates of the first collection of points by projecting a light beam to determine the object and to obtain, in response to each point in the first collection of points, a distance and two angles, the distance being based, at least in part, on a speed of light in air; Obtaining a first plurality of 2D sample sets by the 3D scanner as the meter moves from the first registration position to a second registration position, each of the first plurality of 2D sample sets being a set of 2D coordinates of points on the object, wherein each of the first plurality of 2D scanning sets is detected by the 3D scanner at a different position relative to the first registration position; Determining a first translation value corresponding to a first translation direction, a second translation value corresponding to a second translation direction, and a first rotation value corresponding to a first orientation axis for the measurement device, wherein the first translation value, the second translation value, and the first rotation value are based at least in part on an adaptation of the first plurality of 2D sample sets are determined according to a first mathematical criterion; Obtaining 3D coordinates of a second collection of points on the object with the 3D scanner while in the second registration position; Determining a correspondence between registration destinations existing in both the first collection of points and in the second collection of points as it moves from the second registration position to a third registration position, the correspondence being at least partially on the first translation value, the second Translation value and the first rotation value based; and storing the first translation value, the second translation value, and the first rotation value. These and other advantages and features will become more apparent from the following description taken in conjunction with the drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird in den Ansprüchen am Ende der Patentbeschreibung besonders hervorgehoben und eindeutig beansprucht. Die vorangehenden und anderen Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:The subject matter contemplated as being the invention is particularly pointed out and clearly claimed in the claims at the end of the specification. The foregoing and other features and advantages of the invention will be apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. Show it:
1: eine perspektivische Ansicht eines Laserscanners gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung; 1 a perspective view of a laser scanner according to an embodiment of the invention;
2: eine Seitenansicht des Laserscanners, die ein Messverfahren veranschaulicht; 2 : A side view of the laser scanner illustrating a measuring method;
3: eine schematische Darstellung der optischen, mechanischen und elektrischen Komponenten des Laserscanners; 3 a schematic representation of the optical, mechanical and electrical components of the laser scanner;
4: eine planare Ansicht eines abgetasteten 3D-Bilds; 4 : a planar view of a scanned 3D image;
5: eine Ausgestaltung einer Panoramaansicht eines abgetasteten 3D-Bilds, die durch Abbilden einer planaren Ansicht auf einer Kugel erzeugt wurde; 5 : an embodiment of a panoramic view of a scanned 3D image created by imaging a planar view on a sphere;
6A, 6B und 6C: Ausgestaltungen einer 3D-Ansicht eines abgetasteten 3D-Bilds; 6A . 6B and 6C Embodiments of a 3D View of a Scanned 3D Image;
7: eine Ausgestaltung einer 3D-Ansicht, die aus einem Bild des Objekts von 6B besteht, aber aus einer anderen Perspektive betrachtet und nur partiell dargestellt ist; 7 : an embodiment of a 3D view, which consists of an image of the object of 6B exists, but viewed from a different perspective and only partially represented;
8A: eine perspektivische Ansicht eines 3D-Messgeräts gemäß einer Ausgestaltung; 8A a perspective view of a 3D measuring device according to an embodiment;
8B: eine Vorderansicht eines 3D-Scanners, der zur Erfassung von 3D-Koordinatendaten verwendet wird, während er gemäß einer Ausgestaltung entlang einer horizontalen Ebene abtastet; 8B : A front view of a 3D scanner used to acquire 3D coordinate data while scanning along a horizontal plane, according to one embodiment;
9: einen Blockschaltplan, der ein Prozessorsystem gemäß einer Ausgestaltung zeigt; 9 1 is a block diagram showing a processor system according to an embodiment;
10: eine schematische Darstellung eines 3D-Scanners, der gemäß einer Ausgestaltung ein Objekt von zwei Registrierungspositionen aus misst; 10 3 is a schematic illustration of a 3D scanner that measures an object from two registration positions according to one embodiment;
11: eine schematische Darstellung eines 3D-Scanners, der gemäß einer Ausgestaltung das Objekt durch Abtasten entlang einer horizontalen Ebene von einer Vielzahl von Zwischenpositionen aus misst; 11 Fig. 3 is a schematic illustration of a 3D scanner which, in one embodiment, measures the object by scanning along a horizontal plane from a plurality of intermediate positions;
12: einen 3D-Scanner, der gemäß einer Ausgestaltung Abschnitte des Objekts durch Abtasten entlang einer horizontalen Ebene von einer Vielzahl von Positionen aus aufnimmt; 12 a 3D scanner that, according to one embodiment, captures portions of the object by scanning along a horizontal plane from a plurality of positions;
13: den 3D-Scanner, der, aus der Sicht eines Bezugssystems des 3D-Scanners, gemäß einer Ausgestaltung Abschnitte des Objekts durch Abtasten entlang einer horizontalen Ebene von einer Vielzahl von Positionen aus aufnimmt; 13 The 3D scanner, which, as viewed from a reference frame of the 3D scanner, captures, according to an embodiment, portions of the object by scanning along a horizontal plane from a plurality of positions;
14A, 14B und 14C: ein Verfahren zur Ermittlung von Änderungen der Position und Orientierung des 3D-Scanners im Zeitverlauf gemäß einer Ausgestaltung; 14A . 14B and 14C A method of determining changes in the position and orientation of the 3D scanner over time in accordance with an embodiment;
15: Schritte in einem Verfahren zur Messung und Registrierung von 3D-Koordinaten mit einem 3D-Messgerät gemäß einer Ausgestaltung; 15 : Steps in a method for measuring and registering 3D coordinates with a 3D measuring device according to an embodiment;
16: eine perspektivische Ansicht eines 3D-Messgeräts, das gemäß einer Ausgestaltung einen 3D-Scanner, einen 2D-Scanner, Rechengeräte und eine bewegliche Plattform umfasst; und 16 Fig. 3 is a perspective view of a 3D measuring device, which according to one embodiment comprises a 3D scanner, a 2D scanner, computing devices, and a movable platform; and
17: Schritte in einem Verfahren zur Messung und Registrierung von 3D-Koordinaten mit einem 3D-Messgerät gemäß einer Ausgestaltung. 17 : Steps in a method for measuring and registering 3D coordinates with a 3D measuring device according to one embodiment.
Die ausführliche Beschreibung erläutert Ausgestaltungen der Erfindung zusammen mit den Vorteilen und Merkmalen beispielhaft anhand der Zeichnungen.The detailed description explains embodiments of the invention together with the advantages and features by way of example with reference to the drawings.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät, das einen 3D-Scanner umfasst, der in zwei Modi verwendet wird, nämlich einem ersten Modus, bei dem 3D-Koordinaten einer Objektoberfläche über Punkte über einen 3D-Raumbereich erhalten werden, und einen zweiten Modus, bei dem 3D-Koordinaten einer Objektoberfläche entlang einer horizontalen Ebene erfasst werden, wobei die zwei Modi des 3D-Scanners zusammen benutzt werden, um eine automatische Registrierung von 3D-Abtastungen über einen 3D-Raumbereich bereitzustellen, die mehr als eine Abtastung von 3D-Raumbereichen umfasst.The present invention relates to an apparatus comprising a 3D scanner used in two modes, a first mode in which 3D coordinates of an object surface are obtained via points over a 3D space area, and a second mode in which 3D coordinates of an object surface along a horizontal plane, the two modes of the 3D scanner being used together to provide automatic registration of 3D scans over a 3D space area that includes more than one scan of 3D space areas.
Nun Bezug nehmend auf 1–3, ist dort ein Laserscanner 20 für die optische Abtastung und Messung der Umgebung dargestellt, die den Laserscanner 20 umgibt. Der Laserscanner 20 hat einen Messkopf 22 und einen Sockel 24. Der Messkopf 22 ist derart auf dem Sockel 24 angebracht, dass der Laserscanner 20 um eine vertikale Achse 23 gedreht werden kann. Bei einer Ausgestaltung umfasst der Messkopf 22 einen Kardanpunkt 27, der ein Drehpunkt um die vertikale Achse 23 und eine horizontale Achse 25 ist. Der Messkopf 22 hat einen Drehspiegel 26, der um die horizontale Achse 25 gedreht werden kann. Die Drehung um die vertikale Achse kann um den Mittelpunkt des Sockels 24 erfolgen. Die Begriffe „vertikale Achse“ und „horizontale Achse“ beziehen sich auf den Scanner in seiner normalen aufrechten Position. Ein 3D-Koordinatenmessgerät kann auf seiner Seite oder umgedreht arbeiten, und so können zur Vermeidung von Verwechslungen die Begriffe „Azimutachse“ und „Zenitachse“ die Begriffe „vertikale Achse“ bzw. „horizontale Achse“ ersetzen. Als Alternative zu „vertikaler Achse“ kann auch der Begriff „Schwenkachse“ oder „Standachse“ gebraucht werden.Now referring to 1 - 3 , there is a laser scanner 20 shown for the optical scanning and environmental measurement, the laser scanner 20 surrounds. The laser scanner 20 has a measuring head 22 and a pedestal 24 , The measuring head 22 is so on the pedestal 24 attached that the laser scanner 20 around a vertical axis 23 can be turned. In one embodiment, the measuring head comprises 22 a gimbal 27 , which is a pivot about the vertical axis 23 and a horizontal axis 25 is. The measuring head 22 has a rotating mirror 26 that is about the horizontal axis 25 can be turned. The rotation about the vertical axis can be around the center of the pedestal 24 respectively. The terms "vertical axis" and "horizontal axis" refer to the scanner in its normal upright position. A 3D coordinate measuring machine can work on its side or vice versa, and so the terms "azimuth axis" and "zenith axis" can replace the terms "vertical axis" and "horizontal axis" to avoid confusion. As an alternative to "vertical axis" can also Term "pivot axis" or "stand axis" are used.
Der Messkopf 22 ist ferner mit einem Emitter elektromagnetischer Strahlung wie beispielsweise einem Lichtemitter 28 versehen, der einen emittierten Lichtstrahl 30 emittiert. Der emittierte Lichtstrahl 30 ist bei einer Ausgestaltung ein kohärenter Lichtstrahl wie beispielsweise ein Laserstrahl. Der Laserstrahl kann einen Wellenlängenbereich von ungefähr 300 bis 1600 Nanometern wie zum Beispiel 790 Nanometern, 905 Nanometern, 1550 Nanometern oder unter 400 Nanometern aufweisen. Es versteht sich, dass auch andere elektromagnetische Strahlen mit größeren oder kleineren Wellenlängen verwendet werden können. Der emittierte Lichtstrahl 30 wird amplituden- oder intensitätsmoduliert, beispielsweise mit einer sinusförmigen Wellenform oder mit einer rechteckigen Wellenform. Der emittierte Lichtstrahl 30 wird vom Lichtemitter 28 auf den Drehspiegel 26 emittiert, wo er in die Umgebung abgelenkt wird. Ein reflektierter Lichtstrahl 32 wird aus der Umgebung durch ein Objekt 34 reflektiert. Das reflektierte oder gestreute Licht wird vom Drehspiegel 26 aufgefangen und in einen Lichtempfänger 36 gerichtet. Die Richtungen des emittierten Lichtstrahls 30 und des reflektierten Lichtstrahls 32 ergeben sich aus den Winkelstellungen des Drehspiegels 26 und des Messkopfs 22 um die Achse 25 bzw. 23. Diese Winkelstellungen wiederum hängen von den entsprechenden Drehantrieben bzw. Motoren ab.The measuring head 22 is further provided with an emitter of electromagnetic radiation such as a light emitter 28 provided, the one emitted light beam 30 emitted. The emitted light beam 30 In one embodiment, it is a coherent light beam, such as a laser beam. The laser beam may have a wavelength range of about 300 to 1600 nanometers such as 790 nanometers, 905 nanometers, 1550 nanometers or below 400 nanometers. It is understood that other electromagnetic radiation with larger or smaller wavelengths can be used. The emitted light beam 30 is amplitude or intensity modulated, for example with a sinusoidal waveform or with a rectangular waveform. The emitted light beam 30 is from the light emitter 28 on the rotating mirror 26 emitted, where it is deflected into the environment. A reflected light beam 32 gets out of the environment through an object 34 reflected. The reflected or scattered light is from the rotating mirror 26 caught and into a light receiver 36 directed. The directions of the emitted light beam 30 and the reflected light beam 32 arise from the angular positions of the rotating mirror 26 and the measuring head 22 around the axis 25 respectively. 23 , These angular positions in turn depend on the corresponding rotary drives or motors.
An den Lichtemitter 28 und den Lichtempfänger 36 ist eine Steuerung 38 gekoppelt. Die Steuerung 38 ermittelt für eine Vielzahl von Messpunkten X eine entsprechende Anzahl von Abständen d zwischen dem Laserscanner 20 und den Punkten X auf dem Objekt 34. Der Abstand zu einem bestimmten Punkt X wird basierend zumindest teilweise auf der Lichtgeschwindigkeit in der Luft ermittelt, durch welche sich die elektromagnetische Strahlung vom Gerät aus zum Objektpunkt X ausbreitet. Bei einer Ausgestaltung werden die Phasenverschiebung der Modulation im vom Laserscanner 20 emittierten Licht und der Punkt X ermittelt und ausgewertet, um einen gemessenen Abstand d zu erhalten.To the light emitter 28 and the light receiver 36 is a controller 38 coupled. The control 38 determines for a plurality of measuring points X a corresponding number of distances d between the laser scanner 20 and the points X on the object 34 , The distance to a certain point X is determined based at least in part on the speed of light in the air, through which the electromagnetic radiation propagates from the device to the object point X. In one embodiment, the phase shift of the modulation in the laser scanner 20 emitted light and the point X is determined and evaluated to obtain a measured distance d.
Die Lichtgeschwindigkeit in Luft hängt von den Eigenschaften der Luft wie beispielsweise der Lufttemperatur, dem Atmosphärendruck, der relativen Feuchtigkeit und dem Kohlendioxidgehalt ab. Solche Lufteigenschaften beeinflussen den Brechungsindex n der Luft. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist gleich der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c dividiert durch den Brechungsindex. Dies bedeutet mit anderen Worten: cLuft = c/n. Ein Laserscanner des hierin besprochenen Typs beruht auf der Laufzeit (TOF; time-of-flight) des Lichts in Luft (der Hin- und Rücklaufzeit, die das Licht benötigt, um sich vom Gerät zum Objekt und zurück zum Gerät zu bewegen). Zu den Beispielen für Laufzeitscanner gehören Scanner, die die Hin- und Rücklaufzeit mittels des Zeitintervalls zwischen emittierten und zurückkehrenden Impulsen messen (Impulslaufzeitscanner), Scanner, die Licht sinusförmig modulieren und die Phasenverschiebung des zurückkehrenden Lichts messen (phasenbasierte Scanner), sowie zahlreiche andere Typen. Ein Verfahren zur Messung des Abstands basierend auf der Laufzeit von Licht hängt von der Lichtgeschwindigkeit in Luft ab und lässt sich demzufolge leicht von Verfahren zur Messung des Abstands auf Basis der Triangulation unterscheiden. Verfahren auf Basis der Triangulation beinhalten das Projizieren von Licht aus einer Lichtquelle entlang einer bestimmten Richtung und anschließend das Auffangen des Lichts auf einem Kamerapixel entlang einer bestimmten Richtung. Wenn der Abstand zwischen der Kamera und dem Projektor bekannt ist und wenn ein projizierter Winkel an einen Auffangwinkel angepasst wird, ermöglicht das Triangulationsverfahren die Ermittlung des Abstands zum Objekt auf Basis einer bekannten Länge und zweier bekannter Winkel eines Dreiecks. Das Triangulationsverfahren hängt deshalb nicht direkt von der Lichtgeschwindigkeit in Luft ab.The speed of light in air depends on the properties of the air such as the air temperature, the atmospheric pressure, the relative humidity and the carbon dioxide content. Such air properties affect the refractive index n of the air. The speed of light in air is equal to the speed of light in vacuum c divided by the refractive index. In other words, this means: c air = c / n. A laser scanner of the type discussed herein relies on the time-of-flight (TOF) of light in air (the round trip time the light takes to travel from the device to the object and back to the device). Examples of runtime scanners include scanners that measure the round-trip time using the time interval between emitted and returning pulses (pulse transit time scanners), sinusoidal-modulated light modulators, and the phase shift of the returning light (phase-based scanners), as well as many other types. A method of measuring the distance based on the transit time of light depends on the speed of light in air, and thus can be easily distinguished from triangulation-based distance measuring methods. Triangulation based methods involve projecting light from a light source along a particular direction and then capturing the light on a camera pixel along a particular direction. If the distance between the camera and the projector is known and if a projected angle is matched to a capture angle, the triangulation method allows the distance to the object to be determined based on a known length and two known angles of a triangle. The triangulation method therefore does not depend directly on the speed of light in air.
Bei einem Betriebsmodus erfolgt die Abtastung des Raums rings um den Laserscanner 20 durch relativ schnelles Drehen des Drehspiegels 26 um die Achse 25, während der Messkopf 22 relativ langsam um die Achse 23 gedreht wird und die Baugruppe dadurch in einem spiralförmigen Muster bewegt wird. Der Drehspiegel dreht sich bei einer beispielhaften Ausgestaltung mit einer maximalen Geschwindigkeit von 5820 Umdrehungen pro Minute. Für eine solche Abtastung definiert der Kardanpunkt 27 den Ursprung des lokalen, feststehenden Bezugssystems. In diesem lokalen, feststehenden Bezugssystem ruht der Sockel 24.In one mode of operation, the space is scanned around the laser scanner 20 by relatively fast turning of the rotating mirror 26 around the axis 25 while the measuring head 22 relatively slow around the axis 23 is rotated and the assembly is thereby moved in a spiral pattern. The rotating mirror rotates in an exemplary embodiment with a maximum speed of 5820 revolutions per minute. For such a scan, the gimbal defines 27 the origin of the local, fixed frame of reference. In this local, fixed frame of reference rests the pedestal 24 ,
Der Scanner 20 kann zusätzlich zum Messen eines Abstands d vom Kardanpunkt 27 zu einem Objektpunkt X auch die Grauwertinformation erfassen, die mit der aufgefangenen optischen Energie (entspricht dem Begriff „Helligkeit“) verbunden ist. Der Grauwert kann zumindest teilweise zum Beispiel durch die Integration des bandpassgefilterten und verstärkten Signals im Lichtempfänger 36 über eine dem Objektpunkt X zugewiesene Messdauer ermittelt werden.The scanner 20 in addition to measuring a distance d from the gimbal point 27 to an object point X also capture the gray value information, which is connected to the collected optical energy (corresponds to the term "brightness"). The gray value can be at least partially, for example, by the integration of the bandpass filtered and amplified signal in the light receiver 36 be determined via a measurement time assigned to the object point X.
Der Messkopf 22 kann ein Anzeigegerät 40 umfassen, das in den Laserscanner 20 integriert ist. Das Anzeigegerät 40 kann einen grafischen Berührungsbildschirm 41 wie den in 1 dargestellten umfassen, der dem Bediener die Einstellung der Parameter oder den Start des Betriebs des Laserscanners 20 ermöglicht. Der Bildschirm 41 kann beispielsweise eine Benutzerschnittstelle aufweisen, die dem Bediener die Bereitstellung von Messanweisungen an das Gerät gestattet, und der Bildschirm kann auch Messergebnisse anzeigen.The measuring head 22 can be a display device 40 include that in the laser scanner 20 is integrated. The display device 40 can have a graphical touch screen 41 like the one in 1 shown to the operator, the setting of the parameters or the start of the operation of the laser scanner 20 allows. The screen 41 For example, it may include a user interface that provides the operator with the provision of measurement instructions to the device, and the screen can also display measurement results.
Der Laserscanner 20 umfasst eine Tragstruktur 42, die einen Rahmen für den Messkopf 22 und eine Plattform zum Befestigen der Komponenten des Laserscanners 20 zur Verfügung stellt. Bei einer Ausgestaltung besteht die Tragstruktur 42 aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium. Die Tragstruktur 42 umfasst ein Traversenelement 44 mit einem Paar Wänden 46, 48 an einander gegenüberliegenden Enden. Die Wände 46, 48 sind parallel zueinander und erstrecken sich in einer Richtung, die dem Sockel entgegengesetzt ist. Schalen 50, 52 sind an die Wände 46, 48 gekoppelt und decken die Komponenten des Laserscanners 20 ab. Die Schalen 50, 52 bestehen bei der beispielhaften Ausgestaltung aus einem Kunststoffmaterial wie beispielsweise Polycarbonat oder Polyethylen. Die Schalen 50, 52 wirken mit den Wänden 46, 48 zusammen und bilden dabei ein Gehäuse für den Laserscanner 20.The laser scanner 20 includes a support structure 42 which is a frame for the measuring head 22 and a platform for mounting the components of the laser scanner 20 provides. In one embodiment, the support structure 42 made of a metal such as aluminum. The supporting structure 42 includes a truss element 44 with a pair of walls 46 . 48 at opposite ends. The walls 46 . 48 are parallel to each other and extend in a direction opposite to the base. Peel 50 . 52 are on the walls 46 . 48 coupled and cover the components of the laser scanner 20 from. The bowls 50 . 52 consist in the exemplary embodiment of a plastic material such as polycarbonate or polyethylene. The bowls 50 . 52 work with the walls 46 . 48 together and form a housing for the laser scanner 20 ,
An einem Ende der Schalen 50, 52 gegenüber den Wänden 46, 48 ist ein Paar Haltebügel 54, 56 angeordnet, die derart angeordnet sind, dass sie die jeweiligen Schalen 50, 52 teilweise abdecken. Die Haltebügel 54, 56 bestehen bei der beispielhaften Ausgestaltung aus einem entsprechend widerstandsfähigen Material wie beispielsweise Aluminium, das den Schutz der Schalen 50, 52 beim Transport und Betrieb unterstützt. Die Haltebügel 54, 56 umfassen jeweils einen ersten Armabschnitt 58, der beispielsweise mit einer Befestigungsvorrichtung an die Traverse 44 angrenzend an den Sockel 24 gekoppelt ist. Der Armabschnitt 58 für jeden Haltebügel 54, 56 erstreckt sich von der Traverse 44 schräg zu einer äußeren Ecke der jeweiligen Schale 50, 52. Die Haltebügel 54, 56 erstrecken sich von der äußeren Ecke der Schale entlang der Seitenkante der Schale zu einer gegenüberliegenden äußeren Ecke der Schale. Jeder Haltebügel 54, 56 umfasst ferner einen zweiten Armabschnitt, der sich schräg zu den Wänden 46, 48 erstreckt. Es versteht sich, dass die Haltebügel 54, 56 an mehreren Stellen an die Traverse 42, die Wände 46, 48 und die Schalen 50, 52 gekoppelt sein können.At one end of the bowls 50 . 52 opposite the walls 46 . 48 is a pair of headband 54 . 56 arranged, which are arranged so that they the respective shells 50 . 52 partially cover. The headband 54 . 56 consist in the exemplary embodiment of a suitably resistant material such as aluminum, the protection of the shells 50 . 52 supported during transport and operation. The headband 54 . 56 each comprise a first arm portion 58 , for example, with a fastening device to the traverse 44 adjacent to the pedestal 24 is coupled. The arm section 58 for each headband 54 . 56 extends from the crossbar 44 obliquely to an outer corner of the respective shell 50 . 52 , The headband 54 . 56 extend from the outer corner of the shell along the side edge of the shell to an opposite outer corner of the shell. Each headband 54 . 56 further comprises a second arm portion which slopes towards the walls 46 . 48 extends. It is understood that the headband 54 . 56 in several places to the traverse 42 , the walls 46 . 48 and the bowls 50 . 52 can be coupled.
Das Paar Haltebügel 54, 56 wirkt derart zusammen, dass es einen konvexen Raum umschreibt, in welchem die zwei Schalen 50, 52 angeordnet sind. Die Haltebügel 54, 56 wirken bei der beispielhaften Ausgestaltung derart zusammen, dass sie alle Außenkanten der Schalen 50, 54 abdecken, während der obere und der untere Armabschnitt über zumindest einen Abschnitt der oberen und unteren Kanten der Schalen 50, 52 überstehen. Dies bietet Vorteile für den Schutz der Schalen 50, 52 und des Messkopfs 22 vor Beschädigung beim Transport und Betrieb. Bei anderen Ausgestaltungen können die Haltebügel 54, 56 zusätzliche Merkmale wie beispielsweise Griffe, die das Tragen des Laserscanners 20 erleichtern, oder Befestigungspunkte für Zusatzteile umfassen.The pair of headband 54 . 56 works in such a way that it circumscribes a convex space in which the two shells 50 . 52 are arranged. The headband 54 . 56 in the exemplary embodiment cooperate to cover all outer edges of the shells 50 . 54 cover while the upper and lower arm portions over at least a portion of the upper and lower edges of the shells 50 . 52 survive. This offers advantages for the protection of the shells 50 . 52 and the measuring head 22 from damage during transport and operation. In other embodiments, the headband 54 . 56 additional features such as handles that carry the laser scanner 20 facilitate or attach attachment points for additional parts.
Oben auf der Traverse 44 ist ein Prisma 60 vorgesehen. Das Prisma erstreckt sich parallel zu den Wänden 46, 48. Das Prisma 60 ist bei der bei- spielhaften Ausgestaltung einstückig als Teil der Tragstruktur 42 ausgebildet. Bei anderen Ausgestaltungen ist das Prisma 60 eine separate Komponente, die an die Traverse 44 gekoppelt ist. Wenn sich der Spiegel 26 dreht, richtet er bei jeder Drehung den emittierten Lichtstrahl 30 auf die Traverse 44 und das Prisma 60. Die gemessenen Abstände d können bedingt durch Nichtlinearitäten in den elektronischen Komponenten wie beispielsweise im Lichtempfänger 36 von der Signalstärke abhängen, die beispielsweise als die in den Scanner eintretende optische Energie oder als die in optische Detektoren im Lichtempfänger 36 eintretende optische Energie gemessen werden kann. Bei einer Ausgestaltung wird eine Abstandskorrektur im Scanner als eine Funktion (möglicherweise nichtlineare Funktion) des Abstands zu einem gemessenen Punkt sowie der optischen Energie (einer generell unskalierten Größe der Lichtenergie, die manchmal als „Helligkeit“ bezeichnet wird), die vom gemessenen Punkt zurückkehrt und zu einem optischen Detektor im Lichtempfänger 36 gesendet wird, gespeichert. Da sich das Prisma 60 in einem bekannten Abstand vom Kardanpunkt 27 befindet, kann der gemessene, die optische Energie betreffende Pegel des vom Prisma 60 reflektierten Lichts dazu verwendet werden, Abstandsmessungen für andere gemessene Punkte zu korrigieren, wodurch eine Kompensation zur Korrektur der Auswirkungen von Umgebungsvariablen wie beispielsweise der Temperatur ermöglicht wird. Die sich daraus ergebende Abstandskorrektur wird bei der beispielhaften Ausgestaltung durch die Steuerung 38 durchgeführt.At the top of the crossbar 44 is a prism 60 intended. The prism extends parallel to the walls 46 . 48 , The prism 60 is in the exemplary embodiment in one piece as part of the support structure 42 educated. In other embodiments, the prism is 60 a separate component attached to the crossbeam 44 is coupled. If the mirror 26 turns, it directs the emitted light beam with each rotation 30 on the crossbar 44 and the prism 60 , The measured distances d may be due to nonlinearities in the electronic components such as in the light receiver 36 Depending on the signal strength, for example, as the entering into the scanner optical energy or as in optical detectors in the light receiver 36 entering optical energy can be measured. In one embodiment, a distance correction in the scanner is a function (possibly non-linear function) of the distance to a measured point and the optical energy (a generally unscaled amount of light energy, sometimes referred to as "brightness") that returns from the measured point to an optical detector in the light receiver 36 is sent, stored. Because the prism 60 at a known distance from the gimbal point 27 is the measured, the optical energy level of the prism 60 reflected light can be used to correct distance measurements for other measured points, thereby enabling compensation to correct the effects of environmental variables such as temperature. The resulting distance correction becomes in the exemplary embodiment by the controller 38 carried out.
Bei einer Ausgestaltung ist der Sockel 24 an eine Schwenkbaugruppe (nicht dargestellt) wie beispielsweise diejenige gekoppelt, die in dem US-Patent Nr. 8,705,012 (’012) des gleichen Inhabers beschrieben wird, das durch Verweis hierin einbezogen wird. Die Schwenkbaugruppe ist in der Tragstruktur 42 untergebracht und umfasst einen Motor, der dafür konfiguriert ist, den Messkopf 22 um die Achse 23 zu drehen.In one embodiment, the socket 24 coupled to a pivot assembly (not shown) such as the one shown in FIG U.S. Patent No. 8,705,012 ('012) of the same assignee, which is incorporated herein by reference. The pivot assembly is in the support structure 42 housed and includes a motor that is configured to the measuring head 22 around the axis 23 to turn.
Ein zusätzliches Bilderfassungsgerät 66 kann ein Gerät sein, das einen dem abgetasteten Raum oder dem abgetasteten Objekt zugeordneten Parameter aufnimmt und misst und ein Signal bereitstellt, das die gemessenen Größen über einen Bilderfassungsbereich repräsentiert. Das zusätzliche Bilderfas- sungsgerät 66 kann ein Pyrometer, ein Wärmebildgerät, ein Detektor ionisierender Strahlung oder ein Millimeterwellendetektor sein, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Das zusätzliche Bilderfassungsgerät 66 ist bei einer Ausgestaltung eine Farbkamera.An additional image capture device 66 may be a device that captures and measures a parameter associated with the scanned space or the scanned object and provides a signal representing the measured quantities over an image capture area. The additional image capture device 66 may be a pyrometer, a thermal imager, an ionizing radiation detector, or a millimeter wave detector, but is not limited thereto. The additional image capture device 66 in one embodiment is a color camera.
Eine mittlere Farbkamera (erstes Bilderfassungsgerät) 112 ist bei einer Ausgestaltung innen im Scanner angeordnet und kann dieselbe optische Achse wie das 3D-Scannergerät haben. Bei dieser Ausgestaltung ist das erste Bilderfassungsgerät 112 in den Messkopf 22 integriert und derart angeordnet, dass es Bilder entlang desselben Lichtwegs wie der emittierte Lichtstrahl 30 und der reflektierte Lichtstrahl 32 aufnimmt. Das Licht des Lichtemitters 28 wird bei dieser Ausgestaltung von einem festen Spiegel 116 reflektiert und bewegt sich zu einem dichroitischen Strahlteiler 118, der das Licht 117 des Lichtemitters 28 auf den Drehspiegel 26 reflektiert. Der dichroitische Strahlteiler 118 lässt Licht bei Wellenlängen durch, die von der Wellenlänge des Lichts 117 verschieden sind. Der Lichtemitter 28 kann beispielsweise ein Laserlicht im nahen Infrarot (zum Beispiel Licht bei Wellenlängen von 780 nm oder 1150 nm) sein, wobei der dichroitische Strahlteiler 118 dafür konfiguriert ist, das infrarote Laserlicht zu reflektieren, sichtbares Licht (z. B. Wellenlängen von 400 bis 700 nm) jedoch durchzulassen. Bei anderen Ausgestaltungen hängt die Ermittlung, ob das Licht durch den Strahlteiler 118 durchgeht oder reflektiert wird, von der Polarisation des Lichts ab. Die Digitalkamera 112 nimmt fotografische 2D-Bilder des abgetasteten Bereichs auf, um Farbdaten zu erfassen, die dem abgetasteten Bild hinzuzufügen sind. Im Falle einer eingebauten Farbkamera mit einer optischen Achse, die mit der des 3D-Scannergeräts zusammenfällt, kann man die Richtung der Kamerasicht ohne Weiteres erhalten, indem man die Lenkungsmechanismen des Scanners einstellt – beispielsweise indem man den Azimutwinkel um die Achse 23 einstellt und den Spiegel 26 um die Achse 25 lenkt. A medium color camera (first image capture device) 112 In one embodiment, it is arranged inside the scanner and can have the same optical axis as the 3D scanner device. In this embodiment, the first image capture device 112 into the measuring head 22 integrated and arranged such that there are images along the same light path as the emitted light beam 30 and the reflected light beam 32 receives. The light of the light emitter 28 becomes in this embodiment of a fixed mirror 116 reflects and moves to a dichroic beam splitter 118 that's the light 117 of the light emitter 28 on the rotating mirror 26 reflected. The dichroic beam splitter 118 lets light pass through at wavelengths different from the wavelength of light 117 are different. The light emitter 28 For example, laser light may be in the near infrared (for example, light at wavelengths of 780 nm or 1150 nm) with the dichroic beam splitter 118 is configured to reflect the infrared laser light, but to transmit visible light (eg, wavelengths of 400 to 700 nm). In other embodiments, the determination of whether the light passes through the beam splitter depends 118 passes or reflects off the polarization of the light. The digital camera 112 takes 2D photographic images of the scanned area to capture color data to be added to the scanned image. In the case of a built-in color camera with an optical axis coincident with that of the 3D scanner, one can easily obtain the direction of the camera by adjusting the scanner's steering mechanisms - for example, by adjusting the azimuth angle about the axis 23 and the mirror 26 around the axis 25 directs.
4 zeigt ein Beispiel für eine planare Ansicht eines abgetasteten 3D-Bilds 400. Die in 4 dargestellte planare Ansicht bildet ein Bild auf Basis einer direkten Abbildung von Daten ab, die vom Scanner erfasst wurden. Der Scanner erfasst Daten in einem kugelförmigen Muster, wobei Datenpunkte, die nahe den Polen erfasst werden, aber stärker komprimiert werden als die näher am Horizont erfassten. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass jeder nahe einem Pol erfasste Punkt einen kleineren Raumwinkel repräsentiert als jeder nahe dem Horizont erfasste Punkt. Da Daten des Scanners direkt in Zeilen und Spalten dargestellt werden können, werden Daten in einem planaren Bild zweckmäßigerweise in einem geradlinigen Format wie in 4 dargestellt. Bei der vorstehend beschriebenen planaren Abbildung scheinen gerade Linien gekrümmt zu sein wie beispielsweise die geraden Zaungeländer 420, die in der planaren Ansicht des 3D-Bilds gekrümmt aussehen. Die planare Ansicht kann ein unverarbeitetes abgetastetes 3D-Bild sein, das nur die Grauwerte anzeigt, die von dem Abstandssensor in Spalten und Zeilen angeordnet empfangen wurden, während sie aufgezeichnet wurden. Außerdem kann das unverarbeitete abgetastete 3D-Bild der planaren Ansicht je nach den Systemmerkmalen (z. B. Anzeigegerät, Speicher, Prozessor) in voller oder reduzierter Auflösung vorliegen. Die planare Ansicht kann ein verarbeitetes abgetastetes 3D-Bild sein, das entweder Grauwerte (die sich aus der vom Abstandssensor für jedes Pixel gemessenen Bestrahlungsstärke des Lichts ergeben) oder Farbwerte (die sich aus Kamerabildern ergeben, die auf der Abtastung abgebildet wurden) darstellt. Obwohl die aus dem 3D-Scanner extrahierte planare Ansicht gewöhnlich ein Grauwert- oder Farbbild ist, ist 4 der Klarheit bei der Vervielfältigung der Druckschrift halber als Linienzeichnung abgebildet. Die Benutzerschnittstelle, die dem Anzeigegerät zugeordnet ist und einstückig mit dem Laserscanner ausgebildet sein kann, kann einen Punktauswahlmechanismus zur Verfügung stellen, der in 4 der Cursor 410 ist. Der Punktauswahlmechanismus kann dazu benutzt werden, die Dimensionsinformation über das Raumvolumen zu zeigen, das vom Laserscanner gemessen wird. In 4 sind die Zeile und die Spalte an der Stelle des Cursors auf der Anzeigevorrichtung bei 430 angegeben. Die zwei gemessenen Winkel und ein gemessener Abstand (die 3D-Koordinaten in einem Kugelkoordinatensystem) an der Cursorposition sind auf der Anzeigevorrichtung bei 440 angegeben. Die kartesischen XYZ-Koordinatendarstellungen der Cursorposition sind auf der Anzeigevorrichtung bei 450 angegeben. 4 shows an example of a planar view of a scanned 3D image 400 , In the 4 The illustrated planar view maps an image based on a direct map of data captured by the scanner. The scanner captures data in a spherical pattern, compressing data points that are detected near the poles, but more strongly than those closer to the horizon. In other words, each point detected near a pole represents a smaller solid angle than any point detected near the horizon. Because data from the scanner can be displayed directly in rows and columns, data in a planar image will conveniently be in a straightforward format, such as 4 shown. In the planar image described above, straight lines appear to be curved, such as the straight fence edges 420 that look crooked in the planar view of the 3D image. The planar view may be an unprocessed scanned 3D image that displays only the gray levels received by the proximity sensor in columns and rows while they were being recorded. Additionally, the unprocessed scanned 3D image of the planar view may be in full or reduced resolution depending on the system features (eg, display device, memory, processor). The planar view may be a processed 3D scanned image representing either gray levels (resulting from the irradiance of the light measured by the proximity sensor for each pixel) or color values (resulting from camera images imaged on the scan). Although the planar view extracted from the 3D scanner is usually a grayscale or color image 4 The clarity of the duplication of the publication half shown as a line drawing. The user interface associated with the display device and which may be integrally formed with the laser scanner may provide a point selection mechanism incorporated in 4 the cursor 410 is. The point selection mechanism can be used to show the dimension information about the volume of space that is measured by the laser scanner. In 4 Both the row and the column are at the location of the cursor on the display device 430 specified. The two measured angles and a measured distance (the 3D coordinates in a sphere coordinate system) at the cursor position are included on the display device 440 specified. The Cartesian XYZ coordinate representations of the cursor position are included on the display device 450 specified.
5 zeigt ein Beispiel für eine Panoramaansicht eines abgetasteten 3D-Bilds 600, die durch Abbilden einer planaren Ansicht auf einer Kugel oder in einigen Fällen einem Zylinder erzeugt wurde. Eine Panoramaansicht kann ein verarbeitetes abgetastetes 3D-Bild (wie das in 5 dargestellte) sein, bei dem die 3D-Information (z. B. 3D-Koordinaten) zur Verfügung stehen. Die Panoramaansicht kann je nach den Systemeigenschaften in voller oder reduzierter Auflösung vorliegen. Es ist hervorzuheben, dass ein Bild wie 5 ein 2D-Bild ist, das eine 3D-Szene darstellt, wenn sie aus einer bestimmten Perspektive gesehen wird. In diesem Sinn ist das Bild von 5 fast wie ein Bild, das mit einer 2D-Kamera oder einem menschlichen Auge erfasst würde. Obwohl die aus dem 3D-Scanner extrahierte Panoramaansicht gewöhnlich ein Grauwertoder Farbbild ist, ist 5 der Klarheit bei der Vervielfältigung der Druckschrift halber als Linienzeichnung abgebildet. 5 shows an example of a panoramic view of a scanned 3D image 600 produced by imaging a planar view on a sphere or, in some cases, a cylinder. A panoramic view can be a processed scanned 3D image (such as the one in FIG 5 shown) in which the 3D information (eg, 3D coordinates) are available. The panorama view can be in full or reduced resolution depending on system properties. It should be emphasized that a picture like 5 is a 2D image that represents a 3D scene when seen from a particular perspective. In this sense, the picture is of 5 almost like an image captured with a 2D camera or a human eye. Although the panoramic view extracted from the 3D scanner is usually a gray scale or color image 5 The clarity of the duplication of the publication half shown as a line drawing.
Der Begriff „Panoramaansicht“ bezieht sich auf eine Anzeige, bei der eine Winkelbewegung um einen Punkt im Raum generell möglich ist, eine Translationsbewegung jedoch nicht (für ein einziges Panoramabild). Im Gegensatz dazu bezieht sich der hierin gebrauchte Begriff „3D-Ansicht“ allgemein auf eine Anzeige, bei der eine Vorkehrung getroffen wird (durch Steuerungsmaßnahmen des Benutzers), die nicht nur die Drehung um einen festen Punkt, sondern auch eine Translationsbewegung von Punkt zu Punkt im Raum ermöglicht.The term "panoramic view" refers to a display in which angular movement about one point in space is generally possible, but translational motion is not (for a single panoramic image). In contrast, the term "3D view" as used herein generally refers to a display in which provision is made (by the user's control actions) that not only rotation about a fixed point, but also allows a translational movement from point to point in space.
6A, 6B und 6C zeigen ein Beispiel für eine 3D-Ansicht eines abgetasteten 3D-Bilds. In der 3D-Ansicht kann ein Benutzer den Ursprung der Abtastung verlassen und die Abtastungspunkte aus verschiedenen Blickpunkten und Winkeln betrachten. Die 3D-Ansicht ist ein Beispiel für ein verarbeitetes abgetastetes 3D-Bild. Die 3D-Ansicht kann je nach den Systemmerkmalen in voller oder reduzierter Auflösung vorliegen. Des Weiteren ermöglicht die 3D-Ansicht mehrere in einer Ansicht anzuzeigende registrierte Abtastungen. 6A ist eine 3D-Ansicht 710, über die von einem Benutzer eine Auswahlmaske 730 gelegt wurde. 6B ist eine 3D-Ansicht 740, bei der nur derjenige Teil der 3D-Ansicht 710 behalten wurde, der durch die Auswahlmaske 730 erfasst wurde. 6C zeigt die gleichen 3D-Messdaten wie in 6B, außer dass sie zur Erzielung einer verschiedenen Ansicht gedreht wurden. 7 zeigt eine andere Ansicht von 6B, wobei die Ansicht in diesem Fall aus einer Translation und Rotation des Blickpunkts des Betrachters sowie auch als Verkleinerung des beobachteten Bereichs erhalten wird. Obwohl die aus dem 3D-Scanner extrahierten 3D-Ansichten gewöhnlich ein Grauwert- oder Farbbild sind, sind der Klarheit bei der Vervielfältigung der Druckschrift halber 6A–C und 7 als Linienzeichnungen dargestellt. 6A . 6B and 6C show an example of a 3D view of a scanned 3D image. In the 3D view, a user can exit the origin of the scan and view the scan points from different viewpoints and angles. The 3D view is an example of a processed scanned 3D image. The 3D view may be in full or reduced resolution depending on the system features. Furthermore, the 3D view allows multiple registered scans to be displayed in a view. 6A is a 3D view 710 , about which by a user a selection mask 730 was laid. 6B is a 3D view 740 in which only the part of the 3D view 710 was retained by the selection mask 730 was recorded. 6C shows the same 3D measurement data as in 6B except that they were shot to get a different view. 7 shows another view of 6B In this case, the view is obtained from translation and rotation of the viewpoint of the observer as well as reduction of the observed area. Although the 3-D views extracted from the 3-D scanner are usually a halftone or color image, the clarity of duplication of the document is half 6A -C and 7 shown as line drawings.
8A, 8B und 9 zeigen eine Ausgestaltung eines 3D-Messgeräts 800, das einen 3D-Scanner 20, ein Prozessorsystem 950 und eine optionale bewegliche Plattform 820 umfasst. Das 3D-Messgerät 800 kann ein 3D-Laufzeitscanner 20 wie der anhand von 1 beschriebene sein. 8A . 8B and 9 show an embodiment of a 3D measuring device 800 that has a 3D scanner 20 , a processor system 950 and an optional mobile platform 820 includes. The 3D measuring device 800 can be a 3D runtime scanner 20 like the one from 1 be described.
Das Prozessorsystem 950 umfasst ein oder mehrere Verarbeitungselemente, die einen 3D-Scanner-Prozessor (Steuerung) 38, einen externen Computer 970 und einen Cloud-Computer 980 umfassen können. Die Prozessoren können Mikroprozessoren, feldprogrammierbare Anordnungen von Logik-Gattern (FPGAs; field-programmable gate arrays), digitale Signalprozessoren (DSPs) und allgemein ein beliebiges Gerät, das Rechenfunktionen durchführen kann, sein. Der eine oder die mehreren Prozessoren haben zum Speichern von Informationen Zugriff auf einen Speicher. Bei einer in 9 dargestellten Ausgestaltung repräsentiert die Steuerung 38 einen oder mehrere Prozessoren, die überall im 3D-Scanner verteilt sind. Die Ausgestaltung von 9 umfasst auch einen externen Computer 970 und einen oder mehrere Cloud-Computer 980 für die Möglichkeit zur Datenfernverarbeitung. Bei einer alternativen Ausgestaltung sind nur einer oder zwei der Prozessoren 38, 970 und 980 im Prozessorsystem vorgesehen. Die Kommunikation zwischen den Prozessoren kann durch drahtgebundene Verbindungen, drahtlose Verbindungen oder eine Kombination aus drahtgebundenen und drahtlosen Verbindungen erfolgen. Bei einer Ausgestaltung werden Abtastungsergebnisse für die Speicherung und zukünftige Verwendung nach jeder Abtastungsreihe an die Cloud (Datenfernverarbeitungsnetzwerk) hochgeladen.The processor system 950 includes one or more processing elements using a 3D scanner processor (controller) 38 , an external computer 970 and a cloud computer 980 may include. The processors may be microprocessors, field programmable gate arrays (FPGAs), digital signal processors (DSPs), and generally any device capable of performing computational functions. The one or more processors have access to a memory for storing information. At an in 9 illustrated embodiment represents the controller 38 one or more processors distributed throughout the 3D scanner. The design of 9 also includes an external computer 970 and one or more cloud computers 980 for the possibility of remote data processing. In an alternative embodiment, only one or two of the processors are 38 . 970 and 980 provided in the processor system. Interprocessor communication may be through wired connections, wireless connections, or a combination of wired and wireless connections. In one embodiment, scan results for storage and future use are uploaded to the cloud (remote data communications network) after each scan series.
Bei einem Betriebsmodus misst der 3D-Scanner 20 2D-Koordinaten in einer horizontalen Ebene. Er führt dies in den meisten Fällen durch, indem er Licht derart in einer horizontalen Ebene lenkt, dass es Objektpunkte in der Umgebung beleuchtet. Er erfasst das von den Objektpunkten reflektierte (gestreute) Licht, um 2D-Koordinaten der Objektpunkte in der horizontalen Ebene zu ermitteln. Der 3D-Scanner bewegt bei einer Ausgestaltung abtastend einen Lichtpunkt und misst den Drehwinkel um die Achse 23 mit einem Winkelkodierer, während er gleichzeitig einen entsprechenden Abstandswert zu jedem beleuchteten Objektpunkt in der horizontalen Ebene misst. Der 3D-Scanner 23 kann sich mit relativ hoher Geschwindigkeit um die Achse 23 drehen, während er keine Drehung um die Achse 25 durchführt. Bei einer Ausgestaltung wird die Laserenergie derart eingestellt, dass sie innerhalb der Grenzwerte für den Augenschutz liegen.In an operating mode, the 3D scanner measures 20 2D coordinates in a horizontal plane. He does this in most cases by directing light in a horizontal plane so that it illuminates object points in the environment. It detects the (scattered) light reflected from the object points to find 2D coordinates of the object points in the horizontal plane. In one embodiment, the 3D scanner scans a light spot and measures the angle of rotation about the axis 23 with an angle encoder while simultaneously measuring a corresponding distance value to each illuminated object point in the horizontal plane. The 3D scanner 23 can move around the axis at a relatively high speed 23 rotate while not rotating around the axis 25 performs. In one embodiment, the laser energy is adjusted to be within the limits of eye protection.
Ein optionaler Positions-/Orientierungssensor 920 im 3D-Scanner 20 kann Neigungsmesser (Beschleunigungsmesser), Gyroskope, Magnetometer und Höhenmesser umfassen. Üblicherweise werden Geräte, die ein(en) oder mehrere von einem Neigungsmesser und Gyroskop umfassen, als Inertialmesseinheit (IMU; inertial measurement unit) bezeichnet. Der Begriff „IMU“ wird in einigen Fällen in weiterem Sinne gebraucht und umfasst dann eine Vielzahl zusätzlicher Geräte, die die Position und/oder Orientierung anzeigen – beispielsweise Magnetometer, die die Bewegungsrichtung basierend auf Veränderungen der Richtung des Magnetfelds relativ zum magnetischen Nordpol der Erde anzeigen, und Höhenmesser, die die Aufstellhöhe (Höhe) anzeigen. Ein Beispiel für einen überall benutzten Höhenmesser ist ein Drucksensor. Relativ genaue Positions- und Orientierungsmessungen lassen sich mit relativ preiswerten Sensorgeräten erzielen, indem man Messwerte einer Kombination von Positions-/Orientierungssensoren mit einem Fusionsalgorithmus, der einen Kalman-Filter umfassen kann, kombiniert.An optional position / orientation sensor 920 in the 3D scanner 20 may include inclinometers (accelerometers), gyroscopes, magnetometers and altimeters. Typically, devices that include one or more of an inclinometer and gyroscope are referred to as an inertial measurement unit (IMU). The term "IMU" is used in a broader sense in some instances and then includes a variety of additional devices that indicate position and / or orientation - for example, magnetometers that indicate the direction of motion based on changes in the direction of the magnetic field relative to the magnetic north pole of the earth , and altimeters that show the altitude (altitude). An example of a widely used altimeter is a pressure sensor. Relatively accurate position and orientation measurements can be achieved with relatively inexpensive sensor devices by combining measurements from a combination of position / orientation sensors with a fusion algorithm that may include a Kalman filter.
Die optionale bewegliche Plattform 820 ermöglicht das Bewegen des 3D-Messgeräts 20 von Ort zu Ort, und zwar typisch entlang einem Boden, der ungefähr horizontal ist. Die optionale bewegliche Plattform 820 ist bei einer Ausgestaltung ein Stativ, das Räder 822 umfasst. Bei einer Ausgestaltung können die Räder 822 mittels Radbremsen 824 am Ort arretiert werden. Bei einer anderen Ausgestaltung sind die Räder 822 einziehbar, damit das Stativ standfest auf drei an ihm befestigten Füßen stehen kann. Das Stativ hat bei einer anderen Ausgestaltung keine Räder, wird aber einfach entlang einer Oberfläche geschoben oder gezogen, die ungefähr horizontal wie beispielsweise ein Boden ist. Bei einer anderen Ausgestaltung ist die optionale bewegliche Plattform 820 ein Wagen mit Rädern, der mit der Hand geschoben/gezogen oder mit einem Motor betätigt werden kann.The optional mobile platform 820 allows you to move the 3D meter 20 from place to place, typically along a floor that is roughly horizontal. The optional mobile platform 820 is in one embodiment, a tripod, the wheels 822 includes. In one embodiment, the wheels 822 by means of wheel brakes 824 to be locked in place. In another embodiment, the wheels 822 Retractable, so that the tripod stand steadily on three feet attached to it can. The tripod has no wheels in another embodiment, but is simply pushed or pulled along a surface that is approximately horizontal, such as a floor. In another embodiment, the optional movable platform 820 a cart with wheels that can be pushed / pulled by hand or operated by a motor.
Der 3D-Scanner 20 ist bei einer Ausgestaltung in einem Betriebsmodus dafür konfiguriert, einen Lichtstrahl abtastend über einen Winkelbereich in einer horizontalen Ebene zu bewegen. An bestimmten Zeitpunkten gibt der 3D-Scanner 20 einen Winkelmesswert und einen entsprechenden Abstandsmesswert zurück, um 2D-Koordinaten von Objektpunkten in der horizontalen Ebene zur Verfügung zu stellen. Bei der Beendigung einer Abtastung über den gesamten Winkelbereich gibt der 3D-Scanner 20 eine Sammlung von gepaarten Winkel- und Abstandsmesswerten zurück. Während das 3D-Messgerät 800 von Ort zu Ort bewegt wird, fährt es damit fort, 2D-Koordinatenwerte in einer horizontalen Ebene zurückzugeben. Diese 2D-Koordinatenwerte werden dazu verwendet, die Position des 3D-Scanners 20 an jeder festen Registrierungsposition zu lokalisieren, wodurch eine genauere Registrierung ermöglicht wird.The 3D scanner 20 in one embodiment in an operating mode is configured to scan a light beam over an angular range in a horizontal plane. At certain times, the 3D scanner gives 20 returns an angle reading and a corresponding distance measurement to provide 2D coordinates of object points in the horizontal plane. When completing a scan over the entire angular range, the 3D scanner gives 20 a collection of paired angle and distance measurements back. While the 3D measuring device 800 moved from place to place, it continues to return 2D coordinate values in a horizontal plane. These 2D coordinate values are used to determine the position of the 3D scanner 20 at each fixed registration location, allowing more accurate registration.
10 zeigt das 3D-Messgerät 800, das zu einer ersten Registrierungsposition 1112 vor einem zu messenden Objekt 1102 bewegt wurde. Das Objekt 1102 könnte beispielsweise eine Wand in einem Raum sein. Bei einer Ausgestaltung wird das 3D-Messgerät 800 mit Bremsen gestoppt und festgehalten, die bei einer Ausgestaltung Bremsen 824 an Rädern 822 sind. Der 3D-Scanner 20 im 3D-Messgerät 800 führt eine erste 3D-Abtastung des Objekts 1102 durch. Der 3D-Scanner 20 kann bei einer Ausgestaltung erforderlichenfalls 3D-Messungen in allen Richtungen außer in Abwärtsrichtungen erzielen, die durch die Struktur des 3D-Messgeräts 800 blockiert werden. Bei dem Beispiel von 10, bei dem der 3D-Scanner 20 eine lange, größtenteils flache Struktur 1102 misst, kann allerdings ein kleineres effektives Sichtfeld 1130 ausgewählt werden, um eine bessere Frontansicht von Merkmalen auf der Struktur zur Verfügung zu stellen. 10 shows the 3D measuring device 800 which is the first registration position 1112 in front of an object to be measured 1102 was moved. The object 1102 For example, it could be a wall in a room. In one embodiment, the 3D measuring device 800 stopped with brakes and detained, the brakes in one embodiment 824 on wheels 822 are. The 3D scanner 20 in the 3D measuring device 800 performs an initial 3D scan of the object 1102 by. The 3D scanner 20 For example, in one embodiment, if required, 3D measurements can be made in all directions except in down directions, which may be due to the structure of the 3D measuring device 800 be blocked. In the example of 10 in which the 3D scanner 20 a long, mostly flat structure 1102 can, however, have a smaller effective field of view 1130 be selected to provide a better front view of features on the structure.
Sobald die erste 3D-Abtastung vollendet ist, veranlasst das Prozessorsystem 950 den 3D-Scanner 20 dazu, vom 3D-Abtastmodus in den 2D-Abtastmodus zu wechseln. Es führt dies bei einer Ausgestaltung durch, indem es den Spiegel 26 derart arretiert, dass er den austretenden Strahl 30 auf eine horizontale Ebene richtet. Der Spiegel fängt reflektiertes Licht 32 auf, das sich in umgekehrter Richtung bewegt. Der Scanner beginnt bei einer Ausgestaltung mit der 2D-Abtastung, sobald die 3D-Abtastung stoppt. Bei einer anderen Ausgestaltung beginnt die 2D-Abtastung, wenn der Prozessor ein Signal wie beispielsweise ein Signal vom Positions-/Orientierungssensor 920, ein Signal von einem Bremslösesensor oder ein als Reaktion auf einen Befehl von einem Bediener gesendetes Signal empfängt. Der 3D-Scanner 20 kann die Erfassung von 2D-Abtastungsdaten starten, wenn das 3D-Messgerät 800 sich zu bewegen beginnt. Die 2D-Abtastungsdaten werden bei einer Ausgestaltung an das Prozessorsystem 950 gesendet, während sie erfasst werden.Once the first 3D scan is completed, the processor system causes it 950 the 3D scanner 20 to switch from the 3D scan mode to the 2D scan mode. It accomplishes this in one embodiment by having the mirror 26 locked in such a way that it blocks the exiting jet 30 directed to a horizontal plane. The mirror catches reflected light 32 on, which moves in the opposite direction. The scanner will begin 2D scan design as soon as the 3D scan stops. In another embodiment, the 2D scan begins when the processor receives a signal, such as a signal from the position / orientation sensor 920 , receives a signal from a brake release sensor or a signal sent by an operator in response to a command. The 3D scanner 20 can start the capture of 2D scan data when the 3D gauge 800 begins to move. The 2D scan data, in one embodiment, is sent to the processor system 950 sent while being captured.
Bei einer Ausgestaltung werden die 2D-Abtastungsdaten erfasst, während das 3D-Messgerät 800 zu der zweiten Registrierungsposition 1114 bewegt wird. Bei einer Ausgestaltung werden 2D-Abtastungsdaten erfasst und verarbeitet, während der 3D-Scanner 20 eine Vielzahl von 2D-Messpositionen 1120 durchfährt. An jeder Messposition 1120 erfasst der 3D-Scanner 2D-Koordinatendaten über ein effektives Sichtfeld 1140. Das Prozessorsystem 950 verwendet mittels der nachfolgend ausführlicher beschriebenen Verfahren 2D-Abtastungsdaten der Vielzahl von 2D-Abtastungen an den Positionen 1120, um eine Position und Orientierung des 3D-Scanners 20 an der zweiten Registrierungsposition 1114 relativ zu der ersten Registrierungsposition 1112 zu ermitteln, wobei die erste Registrierungsposition und die zweite Registrierungsposition in einem 3D-Koordinatensystem bekannt sind, das beiden gemeinsam ist. Das gemeinsame Koordinatensystem wird bei einer Ausgestaltung durch die kartesischen 2D-Koordinaten x, y und durch einen Drehwinkel θ relativ zur x-oder y-Achse dargestellt. Die x- und y-Achse liegen bei einer Ausgestaltung in der horizontalen x-y-Ebene des 3D-Scanners 20 und können ferner auf einer Richtung einer „Front“ des 3D-Scanners 20 basieren. Ein Beispiel für ein solches Koordinatensystem (x, y, θ) ist das Koordinatensystem 1410 von 14A.In one embodiment, the 2D scan data is captured while the 3D gauge 800 to the second registration position 1114 is moved. In one embodiment, 2D scan data is captured and processed while the 3D scanner 20 a variety of 2D measurement positions 1120 traverses. At every measuring position 1120 The 3D scanner captures 2D coordinate data over an effective field of view 1140 , The processor system 950 uses 2D sample data of the plurality of 2D samples at the positions by the methods described in more detail below 1120 to a position and orientation of the 3D scanner 20 at the second registration position 1114 relative to the first registration position 1112 where the first registration position and the second registration position are known in a 3D coordinate system that is common to both. The common coordinate system is represented in one embodiment by the Cartesian 2D coordinates x, y and by a rotation angle θ relative to the x or y axis. In one embodiment, the x and y axes lie in the horizontal xy plane of the 3D scanner 20 and may further be on a direction of a "front" of the 3D scanner 20 based. An example of such a coordinate system (x, y, θ) is the coordinate system 1410 from 14A ,
Es gibt auf dem Objekt 1102 eine Überlappungsregion 1150 zwischen der ersten 3D-Abtastung (die an der ersten Registrierungsposition 1112 erfasst wurde) und der zweiten 3D-Abtastung (die an der zweiten Registrierungsposition 1114 erfasst wurde). In der Überlappungsregion 1150 befinden sich Registrierungsziele (die natürliche Merkmale des Objekts 1102 sein können), die sowohl bei der ersten 3D-Abtastung als auch bei der zweiten 3D-Abtastung zu sehen sind. Ein Problem, das in der Praxis häufig auftritt, besteht darin, dass das Prozessorsystem 950 bei der Bewegung des 3D-Scanners 20 von der ersten Registrierungsposition 1112 zur zweiten Registrierungsposition 1114 die Position und Orientierung des 3D-Scanners 20 verliert und deshalb nicht in der Lage ist, die Registrierungsziele in den Überlappungsregionen korrekt zuzuordnen, um eine zuverlässige Durchführung des Registrierungsverfahrens zu ermöglichen. Das Prozessorsystem 950 ist mittels der Folgen von 2D-Abtastungen in der Lage, die Position und Orientierung des 3D-Scanners 20 an der zweiten Registrierungsposition 1114 relativ zu der ersten Registrierungsposition 1112 zu ermitteln. Diese Information gibt dem Prozessorsystem 950 die Möglichkeit, Registrierungsziele in der Überlappungsregion 1150 korrekt anzupassen, wodurch die richtige Vollendung des Registrierungsverfahrens gestattet wird.There are on the object 1102 an overlapping region 1150 between the first 3D scan (the one at the first registration position 1112 was detected) and the second 3D scan (the at the second registration position 1114 was recorded). In the overlapping region 1150 There are registration destinations (the natural features of the object 1102 which can be seen in both the first 3D scan and the second 3D scan. One problem that often occurs in practice is that the processor system 950 during the movement of the 3D scanner 20 from the first registration position 1112 to the second registration position 1114 the position and orientation of the 3D scanner 20 is therefore unable to properly allocate the registration objectives in the overlap regions to allow for a reliable implementation of the registration process. The processor system 950 is able by the consequences of 2D scans, the position and orientation of the 3D scanner 20 at the second registration position 1114 relative to the first registration position 1112 to investigate. This information gives the processor system 950 the possibility of registration goals in the overlapping region 1150 correct, allowing the correct completion of the registration process.
12 zeigt den 3D-Scanner 20 bei der Erfassung von 2D-Abtastungsdaten an ausgewählten Positionen 1120 über ein effektives Sichtfeld 1140. Der 3D-Scanner nimmt an verschiedenen Positionen 1120 2D-Abtastungsdaten über einen Abschnitt des Objekts 1102 auf, der als A, B, C, D und E gekennzeichnet ist. 12 zeigt, wie sich der 3D-Scanner 20 zeitlich relativ zu einem festen Bezugssystem des Objekts 1102 bewegt. 12 shows the 3D scanner 20 when capturing 2D scan data at selected locations 1120 over an effective field of vision 1140 , The 3D scanner takes on different positions 1120 2D scan data over a section of the object 1102 labeled as A, B, C, D and E. 12 shows how the 3D scanner 20 temporally relative to a fixed frame of reference of the object 1102 emotional.
13 umfasst die gleiche Information wie 12, zeigt diese jedoch vom Bezugssystem des 3D-Scanners 20 während der 2D-Abtastungen aus statt das Bezugssystem des Objekts 1102. Diese Figur macht deutlich, dass sich die Position von Merkmalen auf dem Objekt im Scannerbezugssystem im Zeitverlauf ändert. Es ist somit klar, dass die vom 3D-Scanner 20 zwischen der Registrierungsposition 1 und der Registrierungsposition 2 zurückgelegte Strecke aus den 2D-Abtastungsdaten ermittelt werden kann, die vom 3D-Scanner 20 an das Prozessorsystem 950 gesendet wurden. 13 includes the same information as 12 but shows it from the frame of reference of the 3D scanner 20 during the 2D scans instead of the object's reference system 1102 , This figure makes it clear that the position of features on the object in the scanner reference system changes over time. It is therefore clear that the 3D scanner 20 between the registration position 1 and the registration position 2 distance covered from the 2D scan data can be determined by the 3D scanner 20 to the processor system 950 were sent.
14A zeigt ein Koordinatensystem, das in 14B und 14C verwendet werden kann. Bei einer Ausgestaltung werden die 2D-Koordinaten x und y so ausgewählt, dass sie auf der Ebene liegen, in welcher die 2D-Abtastungen durchgeführt werden, also normalerweise der horizontalen Ebene. Der Winkel θ wird als ein Drehwinkel in der Ebene ausgewählt, der der Drehwinkel relativ zu einer Achse wie beispielsweise x oder y ist. 14B, 14C stellen einen realistischen Fall dar, in welchem der 3D-Scanner 20 nicht genau auf einer geraden Linie wie beispielsweise nominell parallel zum Objekt 1102 bewegt wird, sondern auch zur Seite. Darüber hinaus kann der 3D-Scanner 20 gedreht werden, während er bewegt wird. 14A shows a coordinate system that is in 14B and 14C can be used. In one embodiment, the 2D coordinates x and y are selected to lie on the plane in which the 2D scans are performed, that is normally the horizontal plane. The angle θ is selected as a rotation angle in the plane which is the rotation angle relative to an axis such as x or y. 14B . 14C represent a realistic case in which the 3D scanner 20 not exactly on a straight line such as nominally parallel to the object 1102 is moved, but also aside. In addition, the 3D scanner can 20 to be turned while being moved.
14B zeigt die Bewegung des Objekts 1102 aus der Sicht des Bezugssystems des 3D-Scanners 20 bei dessen Bewegung von der ersten Registrierungsposition zur zweiten Registrierungsposition. Im Scannerbezugssystem (d. h. vom Blickpunkt des Scanners aus gesehen) bewegt sich das Objekt 1102, während der 3D-Scanner 20 an seinem Platz feststehend ist. In diesem Bezugssystem scheinen sich die vom 3D-Scanner 20 gesehenen Abschnitte des Objekts 1102 zeitlich zu verschieben und zu drehen. Der 3D-Scanner 20 stellt dem Prozessorsystem 950 eine Folge solcher verschobener und gedrehter 2D-Abtastungen zur Verfügung. Der Scanner verschiebt sich in dem in 14A, B dargestellten Beispiel in der +y-Richtung um eine in 14B dargestellte Strecke 1420 und dreht sich um einen Winkel 1430, der in diesem Beispiel +5 Grad beträgt. Selbstverständlich hätte sich der Scanner ebenso um einen kleinen Betrag in der +x- oder –x-Richtung bewegen können. Zur Ermittlung der Bewegung des 3D-Scanners 20 in den Richtungen x, y, θ nutzt das Prozessorsystem 950 die Daten, die, im Bezugssystem des Scanners 20 gesehen und wie in 14B dargestellt, in aufeinanderfolgenden horizontalen Abtastungen aufgezeichnet wurden. Das Prozessorsystem 950 führt bei einer Ausgestaltung eine Best-Fit-Berechnung unter Einsatz von in der Technik weithin bekannten Verfahren durch, um die zwei Abtastungen oder Merkmale in den zwei Abtastungen so nahe wie möglich aneinander anzupassen. 14B shows the movement of the object 1102 from the perspective of the reference system of the 3D scanner 20 as it moves from the first registration position to the second registration position. In the scanner reference system (ie, as seen from the viewpoint of the scanner), the object moves 1102 while the 3D scanner 20 is fixed in place. In this frame of reference, those of the 3D scanner seem to be 20 seen sections of the object 1102 time to shift and rotate. The 3D scanner 20 puts the processor system 950 a sequence of such shifted and rotated 2D scans are available. The scanner shifts to the in 14A Example shown in the + y direction by an in 14B shown route 1420 and turns around an angle 1430 which is +5 degrees in this example. Of course, the scanner could also have moved a small amount in the + x or -x direction. To determine the movement of the 3D scanner 20 in the directions x, y, θ uses the processor system 950 the data that, in the frame of reference of the scanner 20 seen and how in 14B represented in successive horizontal scans. The processor system 950 In one embodiment, performs a best-fit calculation using techniques well known in the art to match the two scans or features in the two scans as closely as possible to each other.
Während der 3D-Scanner 20 aufeinanderfolgende 2D-Messwerte nimmt und Best-Fit-Berechnungen durchführt, verfolgt das Prozessorsystem 950 die Translation und Rotation des 3D-Scanners 20. Das Prozessorsystem 950 ist auf diese Weise in der Lage, die Veränderung der Werte x, y, θ genau zu ermitteln, während sich das Messgerät 800 von der ersten Registrierungsposition 1112 zur zweiten Registrierungsposition 1114 bewegt.While the 3D scanner 20 takes consecutive 2D readings and performs best-fit calculations, keeps track of the processor system 950 the translation and rotation of the 3D scanner 20 , The processor system 950 In this way, it is able to accurately determine the variation of the values x, y, θ while the meter is 800 from the first registration position 1112 to the second registration position 1114 emotional.
Es ist von Bedeutung, dass man versteht, dass das Prozessorsystem 950 die Position und Orientierung des 3D-Messgeräts 800 auf Basis eines Vergleichs der Folge von 2D-Abtastungen und nicht auf Basis einer Fusion der 2D-Abtastungsdaten mit den 3D-Abtastungsdaten, die vom 3D-Scanner 20 an der ersten Registrierungsposition 1112 oder der zweiten Registrierungsposition 1114 bereitgestellt wurden, ermittelt.It is important to understand that the processor system 950 the position and orientation of the 3D measuring device 800 based on a comparison of the sequence of 2D scans and not based on a fusion of the 2D scanned data with the 3D scanned data from the 3D scanner 20 at the first registration position 1112 or the second registration position 1114 provided.
Statt dessen ist das Prozessorsystem 950 dafür konfiguriert, Folgendes zu ermitteln: einen ersten Translationswert, einen zweiten Translationswert und einen ersten Rotationswert, der, wenn er auf eine Kombination der ersten 2D-Abtastungsdaten und zweiten 2D-Abtastungsdaten angewandt wird, zu transformierten ersten 2D-Daten führt, die nach einem objektiven mathematischen Kriterium so nahe wie möglich zu transformierten zweiten 2D-Daten passen. Im Allgemeinen können die Translation und die Rotation auf die ersten Abtastungsdaten, die zweiten Abtastungsdaten oder auf eine Kombination beider angewandt werden. Beispielsweise entspricht eine auf den ersten Datensatz angewandte Translation einer negativen Zahl der auf den zweiten Datensatz angewandten Translation in dem Sinne, dass beide Vorgänge die gleiche Anpassung in den transformierten Datensätzen ergeben. Ein Beispiel für ein „objektives mathematisches Kriterium“ ist das der Minimierung der Summe quadratischer Restfehler bei denjenigen Teilen der Abtastungsdaten, die als Überlappung bewertet werden. Ein anderer Typ eines objektiven mathematischen Kriteriums kann eine Anpassung mehrerer auf dem Objekt identifizierter Merkmale beinhalten. Solche Merkmale könnten beispielsweise die Kantenübergänge 1103, 1104 und 1105 sein, die in 11B dargestellt sind. Das mathematische Kriterium kann die Verarbeitung der unverarbeiteten 2D-Abtastungsdaten beinhalten, die dem Prozessorsystem 950 vom 3D-Scanner 20 bereitgestellt wurden, oder es kann eine erste Zwischenverarbeitungsebene beinhalten, in welcher Merkmale als eine Sammlung von Liniensegmenten dargestellt werden, wobei Verfahren zum Einsatz kommen, die in der Technik bekannt sind wie beispielsweise Verfahren, die auf dem iterativen nächsten Punkt (ICP; iterative closest point) basieren. Ein solches Verfahren auf Basis des ICP wird bei Censi, A.: „An ICP variant using a point-to-line metric“, IEEE International Conference on Robotics and Automatics (ICRA) 2008 , beschrieben.Instead, the processor system 950 configured to determine: a first translation value, a second translation value, and a first rotation value that, when applied to a combination of the first 2D sample data and second 2D sample data, results in transformed first 2D data subsequent to a first objective mathematical criterion to fit as closely as possible to transformed second 2D data. In general, translation and rotation may be applied to the first sample data, the second sample data, or a combination of both. For example, a translation applied to the first data set corresponds to a negative number of the translation applied to the second data set in the sense that both processes result in the same fit in the transformed data sets. An example of an "objective mathematical criterion" is that of minimizing the sum of quadratic residual errors in those portions of the sample data that are evaluated as overlapping. Another type of objective mathematical Criteria may include an adaptation of multiple features identified on the object. Such features could be, for example, the edge transitions 1103 . 1104 and 1105 be in 11B are shown. The mathematical criterion may include the processing of the raw 2D sample data associated with the processor system 950 from the 3D scanner 20 or may include a first intermediate processing level in which features are represented as a collection of line segments using methods known in the art, such as methods based on the iterative closest point (ICP) ). Such a procedure based on the ICP is included Censi, A .: "To ICP variant using a point-to-line metric", IEEE International Conference on Robotics and Automatics (ICRA) 2008 , described.
Bei einer Ausgestaltung sind der erste Translationswert dx, der zweite Translationswert dy und der erste Rotationswert dθ. Wenn erste 2D-Abtastungsdaten Translations- und Rotationskoordinaten (in einem Bezugskoordinatensystem) von (x1, y1, θ1) aufweisen, dann haben die zweiten 2D-Abtastungsdaten, die an einer zweiten Position erfasst wurden, die Koordinaten, die gegeben sind durch (x2, y2, θ2) = (x1 + dx, y1 + dy, θ1 + dθ). Das Prozessorsystem 950 ist bei einer Ausgestaltung ferner dafür konfiguriert, einen dritten Translationswert (zum Beispiel dz) und einen zweiten und dritten Rotationswert (zum Beispiel Nick- und Rollbewegung) zu ermitteln. Der dritte Translationswert, der zweite Rotationswert und der dritte Rotationswert können basierend zumindest teilweise auf Messwerten des Positions-/Orientierungssensors 920 ermittelt werden.In one embodiment, the first translational value dx, the second translational value dy and the first rotational value dθ. If first 2D scan data has translation and rotation coordinates (in a reference coordinate system) of (x 1 , y 1 , θ 1 ), then the second 2D scan data acquired at a second position has the coordinates given by (x 2 , y 2 , θ 2 ) = (x 1 + dx, y 1 + dy, θ 1 + dθ). The processor system 950 In one embodiment, it is further configured to determine a third translation value (eg dz) and a second and third rotation value (eg, pitch and roll). The third translational value, the second rotational value and the third rotational value may be based at least in part on measured values of the position / orientation sensor 920 be determined.
Der 3D-Scanner 20 erfasst 2D-Abtastungsdaten an der ersten Registrierungsposition 1112 und weitere 2D-Abtastungsdaten an der zweiten Registrierungsposition 1114. In einigen Fällen können diese 2D-Abtastungen ausreichen, um die Position und Orientierung des 3D-Messgeräts an der zweiten Registrierungsposition 1114 relativ zur ersten Registrierungsposition 1112 zu ermitteln. In anderen Fällen reichen die zwei Sätze der 2D-Abtastungsdaten nicht aus, um dem Prozessorsystem 950 die genaue Ermittlung des ersten Translationswerts, des zweiten Translationswerts und des ersten Rotationswerts zu ermöglichen. Dieses Problem lässt sich vermeiden, indem 2D-Abtastungsdaten an Abtastungs-Zwischenpositionen 1120 erfasst werden. Die 2D-Abtastungsdaten werden bei einer Ausgestaltung in regelmäßigen Intervallen wie beispielsweise einmal pro Sekunde erfasst und verarbeitet. Auf diese Weise werden Merkmale ohne Weiteres in aufeinanderfolgenden 2D-Abtastungen 1120 identifiziert. Falls mehr als zwei 2D-Abtastungen erhalten werden, hat das Prozessorsystem 950 die Wahl, die Information aller aufeinanderfolgenden 2D-Abtastungen bei der Ermittlung der Translations- und Rotationswerte beim Bewegen von der ersten Registrierungsposition 1112 zur zweiten Registrierungsposition 1114 zu verwenden. Alternativ dazu hat der Prozessor die Wahl, nur die erste und die letzte Abtastung bei der Endberechnung zu benutzen, indem einfach die 2D-Zwischenabtastungen verwendet werden, um die richtige Entsprechung von passenden Merkmalen zu gewährleisten. In den meisten Fällen wird die Anpassungsgenauigkeit durch Einbeziehen der Information aus mehreren aufeinanderfolgenden 2D-Abtastungen verbessert.The 3D scanner 20 acquires 2D sample data at the first registration position 1112 and further 2D scan data at the second registration position 1114 , In some cases, these 2D scans may be sufficient to determine the position and orientation of the 3D measuring device at the second registration position 1114 relative to the first registration position 1112 to investigate. In other cases, the two sets of 2D sample data are insufficient for the processor system 950 to allow the exact determination of the first translation value, the second translation value and the first rotation value. This problem can be avoided by taking 2D sample data at sampling intermediate positions 1120 be recorded. The 2D sample data, in one embodiment, is acquired and processed at regular intervals, such as once per second. In this way, features readily become consecutive 2D scans 1120 identified. If more than two 2D scans are obtained, the processor system has 950 the choice of informing all successive 2D scans in determining the translational and rotational values when moving from the first registration position 1112 to the second registration position 1114 to use. Alternatively, the processor has the choice of using only the first and last scans in the final computation simply by using the 2D intermediate scans to ensure the proper correspondence of appropriate features. In most cases, the matching accuracy is improved by incorporating the information from multiple consecutive 2D scans.
Das 3D-Messgerät 800 wird zur zweiten Registrierungsposition 1114 bewegt. Bei einer Ausgestaltung wird das 3D-Messgerät 800 angehalten und werden die Bremsen arretiert, um den 3D-Scanner feststehend zu halten. Bei einer alternativen Ausgestaltung beginnt das Prozessorsystem 950 automatisch mit der 3D-Abtastung, wenn die bewegliche Plattform beispielsweise dadurch angehalten wird, dass der Positions-/Orientierungssensor 920 eine fehlende Bewegung feststellt. Der 3D-Scanner 20 im 3D-Messgerät 800 führt eine 3D-Abtastung des Objekts 1102 durch. Diese 3D-Abtastung wird als „zweite 3D-Abtastung“ bezeichnet, um sie von der ersten 3D-Abtastung zu unterscheiden, die an der ersten Registrierungsposition durchgeführt wurde.The 3D measuring device 800 becomes the second registration position 1114 emotional. In one embodiment, the 3D measuring device 800 stopped and the brakes are locked to hold the 3D scanner stationary. In an alternative embodiment, the processor system begins 950 automatically with the 3D scan, for example, when the movable platform is stopped by the position / orientation sensor 920 detects a missing movement. The 3D scanner 20 in the 3D measuring device 800 performs a 3D scan of the object 1102 by. This 3D scan is referred to as a "second 3D scan" to distinguish it from the first 3D scan performed at the first registration position.
Das Prozessorsystem 950 wendet den bereits berechneten ersten Translationswert, den zweiten Translationswert und den ersten Rotationswert an, um die Position und Orientierung der zweiten 3D-Abtastung relativ zu der ersten 3D-Abtastung anzupassen. Diese Anpassung, die man als Bereitstellung einer „ersten Ausrichtung“ ansehen kann, bringt die Registrierungsziele (die natürliche Merkmale in der Überlappungsregion 1150 sein können) in unmittelbare Nähe. Das Prozessorsystem 950 führt eine Feinregistrierung durch, bei der es Feinanpassungen an die sechs Freiheitsgrade der zweiten 3D-Abtastung relativ zur ersten 3D-Abtastung vornimmt. Es führt die Feinanpassung auf Basis eines objektiven mathematischen Kriteriums durch, das gleich wie oder anders als das mathematische Kriterium sein kann, das auf die 2D-Abtastungsdaten angewendet wurde. Das objektive mathematische Kriterium kann beispielsweise das der Minimierung der Summe quadratischer Restfehler bei denjenigen Teilen der Abtastungsdaten sein, die als Überlappung bewertet werden. Alternativ dazu kann das objektive mathematische Kriterium auf eine Vielzahl von Merkmalen in der Überlappungsregion angewendet werden. Die mathematischen Berechnungen bei der Registrierung können auf unverarbeitete 3D-Abtastungsdaten oder auf geometrische Darstellungen der 3D-Abtastungsdaten zum Beispiel durch eine Sammlung von Liniensegmenten angewendet werden.The processor system 950 applies the already calculated first translation value, the second translation value, and the first rotation value to adjust the position and orientation of the second 3D scan relative to the first 3D scan. This adaptation, which can be seen as providing a "first alignment", brings the registration goals (the natural features in the overlap region 1150 can be) in the immediate vicinity. The processor system 950 performs a fine registration where it makes fine adjustments to the six degrees of freedom of the second 3D scan relative to the first 3D scan. It performs the fine-tuning based on an objective mathematical criterion that can be the same as or different than the mathematical criterion applied to the 2D sample data. The objective mathematical criterion may be, for example, that of minimizing the sum of quadratic residual errors in those portions of the sample data that are evaluated as overlapping. Alternatively, the objective mathematical criterion may be applied to a variety of features in the overlapping region. The mathematical calculations at registration may be applied to unprocessed 3D scan data or to geometric representations of the 3D scan data, for example, through a collection of line segments.
Außerhalb der Überlappungsregion 1150 werden die ausgerichteten Werte der ersten 3D-Abtastung und der zweiten 3D-Abtastung zu einem registrierten 3D-Datensatz kombiniert. Innerhalb der Überlappungsregion basieren die im registrierten 3D-Datensatz enthaltenen 3D-Abtastungswerte auf einer Kombination von 3D-Scannerdaten aus den ausgerichteten Werten der ersten 3D-Abtastung und der zweiten 3D-Abtastung. Outside the overlap region 1150 For example, the aligned values of the first 3D scan and the second 3D scan are combined into a registered 3D data set. Within the overlap region, the 3D sample values contained in the registered 3D dataset are based on a combination of 3D scanner data from the aligned values of the first 3D sample and the second 3D sample.
15 zeigt Elemente eines Verfahrens 1500 zur Messung und Registrierung von 3D-Koordinaten. 15 shows elements of a procedure 1500 for measuring and registering 3D coordinates.
Ein Element 1505 umfasst das Bereitstellen eines 3D-Messgeräts, das ein Prozessorsystem, einen 3D-Scanner und eine bewegliche Plattform umfasst. Das Prozessorsystem hat mindestens eines von einer 3D-Scannersteuerung, einem externen Computer und einem für den Fernzugriff auf ein Netzwerk konfigurierten Cloud-Computer. Jedwedes dieser Verarbeitungselemente innerhalb des Prozessorsystems kann einen einzigen Prozessor oder mehrere verteilte Verarbeitungselemente umfassen, wobei die Verarbeitungselemente ein Mikroprozessor, ein digitaler Signalprozessor, eine FPGA oder eine beliebige andere Art eines Rechengeräts sein. Die Verarbeitungselemente haben Zugriff auf den Computerspeicher. Der 3D-Scanner hat eine erste Lichtquelle, eine erste Strahllenkeinheit, ein erstes Winkelmessgerät, ein zweites Winkelmessgerät und einen ersten Lichtempfänger. Die erste Lichtquelle ist dafür konfiguriert, einen ersten Lichtstrahl zu emittieren, der bei einer Ausgestaltung ein Laserlichtstrahl ist. Die erste Strahllenkeinheit ist derart vorgesehen, dass sie den ersten Lichtstrahl in einer ersten Richtung auf einen ersten Objektpunkt lenkt. Die Strahllenkeinheit kann ein Drehspiegel wie beispielsweise der Spiegel 26 oder eine andere Art eines Strahllenkungsmechanismus sein. Der 3D-Scanner kann zum Beispiel einen Sockel enthalten, auf dem eine erste Struktur angeordnet ist, die sich um eine vertikale Achse dreht, und auf dieser Struktur kann eine zweite Struktur angeordnet sein, die sich um eine horizontale Achse dreht. Mit dieser Art einer mechanischen Baugruppe kann der Lichtstrahl direkt von der zweiten Struktur emittiert werden und in eine gewünschte Richtung zeigen. Es sind viele andere Arten von Strahllenkungsmechanismen möglich. In den meisten Fällen umfasst ein Strahllenkungsmechanismus einen oder zwei Motoren. Die erste Richtung wird durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt. Das erste Winkelmessgerät ist dafür konfiguriert, den ersten Drehwinkel zu messen, und das zweite Winkelmessgerät ist dafür konfiguriert, den zweiten Drehwinkel zu messen. Der erste Lichtempfänger ist dafür konfiguriert, ein erstes reflektiertes Licht zu empfangen, wobei das erste reflektierte Licht ein Teil des ersten Lichtstrahls ist, der vom ersten Objektpunkt reflektiert wird. Der erste Lichtempfänger ist ferner dafür konfiguriert, ein erstes elektrisches Signal als Reaktion auf das erste reflektierte Licht zu erzeugen. Der erste Lichtempfänger ist ferner dafür konfiguriert, mit dem Prozessorsystem zusammenzuwirken, um einen ersten Abstand zum ersten Objektpunkt basierend zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal zu ermitteln, und der 3D-Scanner ist dafür konfiguriert, mit dem Prozessorsystem zusammenzuwirken, um 3D-Koordinaten des ersten Objektpunkts basierend zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel zu ermitteln. Die bewegliche Plattform ist dafür konfiguriert, den 3D-Scanner zu tragen.An element 1505 includes providing a 3D measuring device that includes a processor system, a 3D scanner and a movable platform. The processor system has at least one of a 3D scanner controller, an external computer, and a cloud computer configured for remote access to a network. Any one of these processing elements within the processor system may comprise a single processor or multiple distributed processing elements, the processing elements being a microprocessor, a digital signal processor, an FPGA, or any other type of computing device. The processing elements have access to the computer memory. The 3D scanner has a first light source, a first beam steering unit, a first angle measuring device, a second angle measuring device and a first light receiver. The first light source is configured to emit a first light beam, which in one embodiment is a laser light beam. The first beam steering unit is provided such that it directs the first light beam in a first direction to a first object point. The beam steering unit may be a rotating mirror such as the mirror 26 or another type of beam steering mechanism. For example, the 3D scanner may include a pedestal on which a first structure is disposed that rotates about a vertical axis, and on this structure may be disposed a second structure that rotates about a horizontal axis. With this type of mechanical assembly, the light beam can be emitted directly from the second structure and point in a desired direction. Many other types of beam steering mechanisms are possible. In most cases, a beam steering mechanism includes one or two motors. The first direction is determined by a first angle of rotation about a first axis and a second angle of rotation about a second axis. The first angle encoder is configured to measure the first rotation angle, and the second angle measurement device is configured to measure the second rotation angle. The first light receiver is configured to receive a first reflected light, wherein the first reflected light is a portion of the first light beam reflected from the first object point. The first light receiver is further configured to generate a first electrical signal in response to the first reflected light. The first light receiver is further configured to cooperate with the processor system to determine a first distance to the first object point based at least in part on the first electrical signal, and the 3D scanner is configured to cooperate with the processor system to obtain 3D coordinates of the first first object point based at least partially on the first distance, the first rotation angle and the second rotation angle to determine. The mobile platform is configured to carry the 3D scanner.
Ein Element 1510 umfasst das Ermitteln von 3D-Koordinaten einer ersten Sammlung von Punkten auf einer Objektoberfläche mit dem Prozessorsystem in Zusammenwirkung mit dem 3D-Scanner, während der 3D-Scanner fest an einer ersten Registrierungsposition angeordnet ist.An element 1510 comprises determining 3D coordinates of a first collection of points on an object surface with the processor system in cooperation with the 3D scanner while the 3D scanner is fixedly disposed at a first registration position.
Ein Element 1515 umfasst das Erhalten einer Vielzahl von 2D-Abtastsätzen durch den 3D-Scanner in Zusammenwirkung mit dem Prozessorsystem. Jeder der Vielzahl von 2D-Abtastsätzen ist ein Satz von 2D-Koordinaten von Punkten auf der Objektoberfläche, die erfasst werden, während der 3D-Scanner sich von der ersten Registrierungsposition zu einer zweiten Registrierungsposition bewegt. Jeder der Vielzahl von 2D-Abtastsätzen wird durch den 3D-Scanner an einer anderen Position relativ zur ersten Registrierungsposition erfasst. Bei einer Ausgestaltung liegt jeder 2D-Abtastsatz in einer horizontalen Ebene.An element 1515 involves obtaining a plurality of 2D scan sets by the 3D scanner in cooperation with the processor system. Each of the plurality of 2D scan sets is a set of 2D coordinates of points on the object surface that are detected while the 3D scanner is moving from the first registration position to a second registration position. Each of the plurality of 2D scanning sets is detected by the 3D scanner at a different position relative to the first registration position. In one embodiment, each 2D sample set is in a horizontal plane.
Ein Element 1520 umfasst das Ermitteln eines einer ersten Translationsrichtung entsprechenden ersten Translationswerts, eines einer zweiten Translationsrichtung entsprechenden zweiten Translationswerts und eines einer ersten Orientierungsachse entsprechenden ersten Rotationswerts durch das Prozessorsystem, wobei der erste Translationswert, der zweite Translationswert und der erste Rotationswert basierend zumindest teilweise auf einer Anpassung der Vielzahl von 2D-Abtastsätzen gemäß einem ersten mathematischen Kriterium ermittelt werden. Die erste Orientierungsachse ist bei einer Ausgestaltung eine vertikale Achse, die senkrecht zu den Ebenen verläuft, in denen die 2D-Abtastsätze erfasst werden.An element 1520 comprising determining a first translation value corresponding to a first translation direction, a second translation value corresponding to a second translation direction and a first rotation value corresponding to a first orientation axis by the processor system, wherein the first translation value, the second translation value and the first rotation value are based at least in part on an adaptation of the plurality 2D scanning sets are determined according to a first mathematical criterion. The first orientation axis in one embodiment is a vertical axis that is perpendicular to the planes in which the 2D scanning sets are detected.
Ein Element 1525 umfasst das Ermitteln von 3D-Koordinaten einer zweiten Sammlung von Punkten auf der Objektoberfläche mit dem Prozessorsystem in Zusammenwirkung mit dem 3D-Scanner, während der 3D-Scanner fest an der zweiten Registrierungsposition angeordnet ist.An element 1525 includes determining 3D coordinates of a second collection of points on the object surface with the processor system in cooperation with the 3D scanner while the 3D scanner is fixedly located at the second registration position.
Ein Element 1535 umfasst das Identifizieren einer Entsprechung zwischen sowohl in der ersten Sammlung von Punkten als auch in der zweiten Sammlung von Punkten vorhandenen Registrierungszielen durch das Prozessorsystem, wobei die Entsprechung zumindest teilweise auf dem ersten Translationswert, dem zweiten Translationswert und dem ersten Rotationswert basiert. An element 1535 comprises identifying, by the processor system, a correspondence between registration objects existing in both the first collection of points and in the second collection of points, the correspondence being based, at least in part, on the first translation value, the second translation value, and the first rotation value.
Ein Element 1545 umfasst das Ermitteln von 3D-Koordinaten einer registrierten 3D-Sammlung von Punkten basierend zumindest teilweise auf einem zweiten mathematischen Kriterium, der Entsprechung zwischen Registrierungszielen, den 3D-Koordinaten der ersten Sammlung von Punkten und den 3D-Koordinaten der zweiten Sammlung von Punkten. Ein Element 1550 umfasst das Speichern der 3D-Koordinaten der registrierten 3D-Sammlung von Punkten.An element 1545 comprises determining 3D coordinates of a registered 3D collection of points based at least in part on a second mathematical criterion, the correspondence between registration targets, the 3D coordinates of the first collection of points, and the 3D coordinates of the second collection of points. An element 1550 includes storing the 3D coordinates of the registered 3D collection of points.
Bei den meisten heute eingesetzten Verfahren zur Abtastung großer Objekte (zum Beispiel großer Gebäude) werden Daten an jeder Registrierungsposition erfasst und wird die Qualität der Registrierung später ausgewertet. Ein Problem bei dieser Methode besteht darin, dass sie keinen Weg zur Erkennung eines Registrierungsfehlers bereitstellt, der leicht vor Ort korrigiert werden könnte, an einem späteren Zeitpunkt jedoch schwierig zu korrigieren ist, wenn der Zugang zum Abtastungsort nicht länger zur Verfügung steht. Des Weiteren besteht bei dieser Methode die Notwendigkeit, die mehreren Abtastungen in einer Software zu registrieren, die auf einem externen Computer läuft. In manchen Fällen können natürliche oder künstliche Ziele, die vom Scanner an aufeinanderfolgenden Registrierungspositionen betrachtet werden, automatisch erkannt und durch die Software angepasst werden, doch in vielen Fällen müssen die Abtastungen manuell registriert werden. In vielen Fällen sind die Zeit und der Aufwand bei der Registrierung und Verarbeitung von 3D-Abtastungsdaten weitaus größer als die für die Erfassung der Abtastungsdaten vor Ort erforderliche Zeit.Most methods used today to scan large objects (for example, large buildings) capture data at each registration location and later evaluate the quality of the registration. A problem with this approach is that it does not provide a way to detect a registration error that could easily be corrected on-site, but is difficult to correct at a later time when access to the sample location is no longer available. Furthermore, with this method, there is a need to register the multiple scans in software running on an external computer. In some cases, natural or artificial targets viewed by the scanner at successive registration positions can be automatically detected and adjusted by the software, but in many cases, the samples must be manually registered. In many cases, the time and effort involved in the registration and processing of 3D scan data is far greater than the time required to acquire on-the-spot scan data.
Die Verarbeitung von 2D- und 3D-Scannerdaten erfolgt bei einer hierin beschriebenen Ausgestaltung während der Durchführung der Messung, wodurch eine zeitaufwändige Nachbearbeitung entfällt und ferner gewährleistet wird, dass die erforderlichen Abtastungsdaten vor dem Verlassen des Orts erfasst werden.The processing of 2D and 3D scanner data, as described herein, occurs during the performance of the measurement, thereby eliminating the need for time-consuming post-processing and further ensuring that the required scan data is captured prior to leaving the location.
Ein Beispiel für ein Messgerät 800, das man zur Durchführung dieser Messung verwenden kann, wurde vorstehend anhand von 8 beschrieben. Es wird nun anhand von 16 ein anderes Beispiel für ein Messgerät 1600 beschrieben, das man zur Durchführung dieser Messung benutzen kann. In dem 3D-Messgerät 1600 ist ein 3D-Laufzeitscanner 20 enthalten, der den Abstand basierend zumindest teilweise auf einer Lichtgeschwindigkeit in Luft misst. Dieser Scannertyp misst mittels Winkelmessgeräten wie zum Beispiel Winkelkodierern auch zwei Winkel. Die zwei gemessenen Winkel und ein gemessener Abstand ergeben 3D-Koordinaten von Punkten auf einem Objekt. Der Scanner umfasst bei einer Ausgestaltung Motoren und ein Servosystem, um einen Lichtstrahl zu einem beliebigen gewünschten Punkt auf einem Objekt zu führen. Bei einer Ausgestaltung, die vorstehend anhand der 1–3 beschrieben wurde, kann der Scanner auch einen Modus zum schnellen Richten des Lichtstrahls über ein sich kontinuierlich veränderndes Muster umfassen, wodurch eine schnelle Erfassung von 3D-Koordinaten über einen großen Raum ermöglicht wird.An example of a measuring device 800 that can be used to perform this measurement has been described above with reference to 8th described. It will now be based on 16 another example of a meter 1600 described, which can be used to carry out this measurement. In the 3D measuring device 1600 is a 3D runtime scanner 20 which measures the distance based at least in part on a speed of light in air. This scanner type also measures two angles using angle encoders such as angle encoders. The two measured angles and a measured distance give 3D coordinates of points on an object. The scanner, in one embodiment, includes motors and a servo system for directing a beam of light to any desired point on an object. In one embodiment, the above based on the 1 - 3 has been described, the scanner may also include a mode for quickly directing the light beam across a continuously changing pattern, thereby enabling rapid acquisition of 3D coordinates over a large space.
Das 3D-Messgerät 20 ist ferner dafür konfiguriert, einen Lichtstrahl in einer Ebene 1622 zu emittieren, die eine horizontale Ebene sein könnte. Der Lichtstrahl wird bei einer Ausgestaltung bei einer Frequenz von 10 Hz über einen Winkel von 360 Grad hin- und herbewegt. Der 3D-Scanner 20 emittiert bei einer Ausgestaltung einen Lichtstrahl auf ein Objekt, fängt reflektiertes Licht vom Objekt auf und ermittelt auf der Grundlage des reflektierten Lichts eine Sammlung von Abständen zum Objekt. Bei einer Ausgestaltung misst der 3D-Scanner 1610 in seinem Modus mit flächiger Emission Abstände in Abhängigkeit vom Winkel der Hin- und Herbewegung. Das 3D-Messgerät umfasst bei einer Ausgestaltung ferner eine Baugruppe 1620 mit einem Rechengerät 1630, das die 2D-Abtastsätze und die 3D-Koordinatendaten vom 3D-Scanner 20 empfängt. Bei einer Ausgestaltung führt das Rechengerät 1630 außerdem eine Verarbeitung von 2D- und 3D-Abtastungsdaten durch, um eine Entsprechung zwischen Zielen zu ermitteln, die an der ersten Registrierungsposition und der zweiten Registrierungsposition gemessen wurden. Bei anderen Ausgestaltungen können andere Rechengeräte wie beispielsweise ein Computer 1640 oder ein nicht an das 3D-Messgerät angeschlossener externer Computer 1650 verwendet werden, um die Entsprechung zwischen Zielen zu ermitteln, die an der ersten und zweiten Registrierungsposition gemessen wurden. Bei einer anderen Ausgestaltung werden alle Verarbeitungen von 2D- und 3D-Daten durch einen internen Prozessor im 3D-Messgerät 20 durchgeführt.The 3D measuring device 20 is further configured to receive a light beam in a plane 1622 to emit, which could be a horizontal plane. The light beam is reciprocated in one embodiment at a frequency of 10 Hz over an angle of 360 degrees. The 3D scanner 20 In one embodiment, it emits a beam of light onto an object, captures reflected light from the object, and determines a collection of distances to the object based on the reflected light. In one embodiment, the 3D scanner measures 1610 in its flat emission mode, distances as a function of the angle of the reciprocation. The 3D measuring device further comprises an assembly in one embodiment 1620 with a computing device 1630 , the 2D scanning sets and the 3D coordinate data from the 3D scanner 20 receives. In one embodiment, the computing device performs 1630 also processing 2D and 3D scan data to determine correspondence between targets measured at the first registration position and the second registration position. In other embodiments, other computing devices such as a computer 1640 or an external computer not connected to the 3D meter 1650 can be used to determine the correspondence between targets measured at the first and second registration positions. In another embodiment, all processing of 2D and 3D data is done by an internal processor in the 3D measuring device 20 carried out.
Kommunikationskanäle zur Übertragung von Informationen zwischen 2D-Scanner, 3D-Scanner und Rechengeräten können drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationskanäle 1660 sein. Bei einer Ausgestaltung ist im 3D-Scanner 20 ein Wireless Access Point (AP; drahtloser Zugangspunkt) enthalten. Bei einer Ausgestaltung verbindet der AP drahtlose Geräte wie beispielsweise den 2D-Scanner 1610 und eines oder mehrere der Rechengeräte 1630, 1640 und 1650. Bei einer alternativen Ausgestaltung umfasst der 3D-Scanner 20 einen Automatisierungsadapter mit einer Ethernet-Schnittstelle und einem Switch. Der Automatisierungsadapter verbindet sich mit Ethernetkabeln des 2D-Scanners 1610 und Rechengeräten wie beispielsweise 1630, 1640 und 1650. Die Automatisierungsschnittstelle ermöglicht die drahtgebundene Kommunikation zwischen den Elementen des Messgeräts 1600 und externen Rechengeräten. Der 3D-Scanner 20 umfasst bei einer Ausgestaltung sowohl einen AP als auch einen Automatisierungsadapter, um die drahtlose und drahtgebundene Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten des Systems zur Verfügung zu stellen. Bei anderen Ausgestaltungen sind der AP und der Automatisierungsadapter nicht im 3D-Scanner 20, sondern anderswo im System enthalten.Communication channels for transmitting information between 2D scanners, 3D scanners, and computing devices may be wireless or wired communication channels 1660 be. In one embodiment is in the 3D scanner 20 a wireless access point (AP). In one embodiment, the AP connects wireless devices such as the 2D scanner 1610 and one or more of the computing devices 1630 . 1640 and 1650 , In an alternative embodiment, the 3D scanner comprises 20 one Automation adapter with an Ethernet interface and a switch. The automation adapter connects to Ethernet cables of the 2D scanner 1610 and computing devices such as 1630 . 1640 and 1650 , The automation interface enables wired communication between the elements of the meter 1600 and external computing devices. The 3D scanner 20 In one embodiment, it includes both an AP and an automation adapter to provide wireless and wired communication between various components of the system. In other embodiments, the AP and the automation adapter are not in the 3D scanner 20 but contained elsewhere in the system.
Das Messgerät umfasst ferner eine bewegliche Plattform 1605, die von einem Bediener geschoben oder unter Computersteuerung durch motorbetätigte Räder bewegt werden kann. Der 3D-Scanner ist auf der beweglichen Plattform 1605 angebracht.The meter also includes a movable platform 1605 , which can be pushed by an operator or moved under computer control by motor-operated wheels. The 3D scanner is on the moving platform 1605 appropriate.
Bei einer Ausgestaltung wird eine erste 3D-Abtastung an einer ersten Registrierungsposition durchgeführt. Der Scanner bewegt sich zwischen der ersten Registrierungsposition und der zweiten Registrierungsposition, und zwar entweder mit eigener Energie mittels motorbetätigter Räder oder er wird von einem Bediener geschoben. Während er sich zwischen der ersten und zweiten Registrierungsposition bewegt, erhält der 3D-Scanner 2D-Abtastungsdaten, die anschließend mathematisch ausgewertet werden, um wie vorstehend erläutert einen Bewegungsvektor (Abstand in jeder der beiden Richtungen) und einen Drehwinkel zu ermitteln. Der 3D-Scanner 20 führt an der zweiten Registrierungsposition eine zweite 3D-Abtastung durch. Wie vorstehend erläutert wurde, nutzt eines der Rechengeräte (d. h. Prozessoren) die Vielzahl erfasster 2D-Abtastsätze zur Ermittlung einer Entsprechung zwischen Registrierungszielen, die der 3D-Scanner in der ersten Registrierungsposition und der zweiten Registrierungsposition sieht. An einem späteren Zeitpunkt führt ein Rechengerät etwaige andere Schritte durch, die für die vollständige Kombinierung und Verarbeitung der 3D-Daten erforderlich sind, die an der ersten und zweiten Registrierungsposition erfasst wurden. Dieses Verfahren des Kombinierens kann ferner zusätzliche erfasste Daten wie beispielsweise Farbdaten umfassen, die von einer internen Farbkamera im Scanner erhalten wurden.In one embodiment, a first 3D scan is performed at a first registration position. The scanner moves between the first registration position and the second registration position, either with its own energy by means of motor-operated wheels or it is pushed by an operator. As it moves between the first and second registration positions, the 3D scanner obtains 2D scan data, which is then mathematically evaluated to determine a motion vector (distance in either direction) and a rotation angle, as discussed above. The 3D scanner 20 performs a second 3D scan at the second registration position. As discussed above, one of the computing devices (ie, processors) utilizes the plurality of acquired 2D sampling sets to determine a correspondence between registration targets that the 3D scanner sees in the first registration position and the second registration position. At a later time, a computing device performs any other steps required to fully combine and process the 3D data acquired at the first and second registration positions. This method of combining may further comprise additional acquired data, such as color data obtained from an internal color camera in the scanner.
Das Messgerät 1600 bewegt ich zu aufeinanderfolgenden Registrierungspositionen, wobei es eine 3D-Messung an jeder Registrierungsposition durchführt und 2D-Daten durch Emittieren von Licht im flächigen Modus zwischen den Registrierungspositionen erfasst. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Verarbeitung zwischen der zweiten und dritten Registrierungsposition durchgeführt wird, um die Entsprechung zwischen den Registrierungszielen zu ermitteln, die an der ersten und zweiten Registrierungsposition betrachtet wurden. Diese Verarbeitung nutzt die zwischen der ersten und zweiten Registrierungsposition erfassten 2D-Daten in Kombination mit 3D-Daten, die an der ersten und zweiten Registrierungsposition erhalten wurden.The measuring device 1600 I move to successive registration positions, performing a 3D measurement at each registration position and acquiring 2D data by emitting light in the area mode between the registration positions. One aspect of the present invention is that the processing between the second and third registration positions is performed to determine the correspondence between the registration destinations viewed at the first and second registration positions. This processing uses the 2D data acquired between the first and second registration positions in combination with 3D data obtained at the first and second registration positions.
Folglich hat das Rechengerät, wenn der Scanner die dritte Registrierungsposition erreicht, die Entsprechung zwischen den Zielen in der ersten und zweiten Registrierungsposition ermittelt (zumindest teilweise, wenn nicht vollständig). Falls das Rechengerät eine Entsprechung nicht erfolgreich feststellen konnte, wird eine Benachrichtigung ausgegeben, die anzeigt, dass ein Problem vorliegt. Dies kann zur Folge haben, dass ein Bediener benachrichtigt wird oder dass die Messung unterbrochen wird. Bei einer Ausgestaltung führt die fehlerhafte Registrierung der vom 3D-Scanner an der ersten und zweiten Registrierungsposition betrachteten Ziele dazu, dass der Scanner zu einem früheren Schritt zurückkehrt, um Messungen zu wiederholen.Thus, when the scanner reaches the third registration position, the computing device has determined (at least in part, if not completely) the correspondence between the targets in the first and second registration positions. If the computing device was unable to successfully detect a match, a notification is issued indicating that there is a problem. This may result in an operator being notified or the measurement being interrupted. In one embodiment, the erroneous registration of the targets viewed by the 3D scanner at the first and second registration positions results in the scanner returning to an earlier step to repeat measurements.
Wenn das Rechengerät bei einer Ausgestaltung die Entsprechung zwischen den Zielen in der Überlappungsregion der ersten und zweiten Registrierungsposition ermittelt hat, ermittelt das Messgerät außerdem eine Qualität der Entsprechung. Bei einer Ausgestaltung stellt das Messgerät eine Benachrichtigung bereit, wenn die Qualität der Entsprechung unter einem Qualitätsschwellenwert liegt. Die Benachrichtigung kann beispielsweise eine Benachrichtigung an den Benutzer, eine Computermeldung, ein ausgegebener Ton, ein emittiertes Licht oder ein Anhalten des Prüfverfahrens sein.In one embodiment, when the computing device has determined the correspondence between the targets in the overlap region of the first and second registration positions, the meter further determines a quality of the correspondence. In one embodiment, the meter provides a notification when the quality of the match is below a quality threshold. The notification may be, for example, a notification to the user, a computer message, an emitted sound, an emitted light or a stop of the test procedure.
Der Scanner kann bei einer Ausgestaltung die Strecke zum Fahren des Messgeräts 1600 zwischen der ersten Registrierungsposition und der zweiten Registrierungsposition basierend zumindest teilweise auf einem der 2D-Abtastsätze ermitteln. Bei einer Ausgestaltung umfasst jeder der 2D-Abtastsätze Informationen über in einer horizontalen 2D-Abtastung beobachtbare Merkmale. Beispiele für solche Merkmale sind die Merkmale 1102–1105 in 11. Bei einer Ausgestaltung beruht die Entscheidung über die zwischen der ersten Registrierungsposition und der zweiten Registrierungsposition zu fahrende Strecke ganz auf dem ersten 2D-Abtastsatz, der zwischen der ersten und zweiten Registrierungsposition erfasst wurde. Bei einer anderen Ausgestaltung beruht die Entscheidung über die zu fahrende Strecke auf einer Vielzahl der ersten 2D-Abtastsätze, wobei die Entscheidung über die zu fahrende Strecke während der Bewegung zwischen der ersten und zweiten Registrierungsposition erfolgt.In one embodiment, the scanner may track the distance to travel the meter 1600 between the first registration position and the second registration position based at least in part on one of the 2D sample sets. In one embodiment, each of the 2D sample sets includes information about features observable in a horizontal 2D sample. Examples of such features are the features 1102 - 1105 in 11 , In one embodiment, the decision about the distance to be traveled between the first registration position and the second registration position is based entirely on the first 2D sampling set acquired between the first and second registration positions. In another embodiment, the decision about the route to be traveled based on a plurality of the first 2D Abtastsätze, the decision on the route to be traveled during the movement between the first and second registration position.
Das Rechengerät 1640 ist bei einer Ausgestaltung ein Laptop- oder Notebook-Computer, der einem Benutzer eine Schnittstelle zu einem Computerprogramm bereitstellt, das eine weitergehende Verarbeitung und Betrachtung von Abtastungsdaten ermöglicht. Die Verwendung des Rechengeräts 1640 ist bei einer Ausgestaltung optional und wird einfach bereitgestellt, um dem Bediener mehr Analysewerkzeuge zur Verfügung zu stellen. Bei einer anderen Ausgestaltung wird das Rechengerät 1640 zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Entsprechungsberechnungen oder zur Durchführung anderer 3D-Verarbeitungsschritte verwendet.The computing device 1640 is in one embodiment, a laptop or notebook computer, the Providing a user with an interface to a computer program that enables further processing and viewing of sample data. The use of the computing device 1640 is optional in one embodiment and is simply provided to provide more analysis tools to the operator. In another embodiment, the computing device 1640 used to perform the correspondence calculations described above or to perform other 3D processing steps.
Bei einer Ausgestaltung berechnet ein Rechengerät 1630 fortwährend die Position des Messgeräts 1600 basierend zumindest teilweise auf Daten vom 2D-Scanner und gegebenenfalls auf Daten, die von einem Positions-/Orientierungssensor bereitgestellt werden, der einen Mehrachsen-Neigungsmesser, ein Mehrachsen-Gyroskop und ein Magnetometer (elektronischer Kompass) umfassen könnte, um eine Information über die Bewegungsrichtung zur Verfügung zu stellen. Bei einer Ausgestaltung werden Daten vom 2D-Scanner bei einer Frequenz von 10 Hz erfasst. Bei einer Ausgestaltung wird nach jeder Abtastung eine Differenz zu einer oder mehreren vorher erhaltenen 2D-Abtastungen berechnet. Diese Information wird bei einer Ausgestaltung einem Kalman-Filter bereitgestellt, der Berechnungen mit „intelligenter Mittelwertbildung“ durchführt, die das Rauschen in durch die Bewegungsgeometrie erzwungenen Begrenzungen glätten. In one embodiment, a computing device calculates 1630 continuously the position of the meter 1600 based at least in part on data from the 2D scanner and, where appropriate, on data provided by a position / orientation sensor that could include a multi-axis inclinometer, a multi-axis gyroscope, and a magnetometer (electronic compass) for information about the direction of movement to provide. In one embodiment, data from the 2D scanner is acquired at a frequency of 10 Hz. In one embodiment, a difference to one or more previously obtained 2D samples is calculated after each scan. This information is provided in one embodiment to a Kalman filter that performs "smart averaging" calculations that smooth the noise in constraints imposed by the geometry of motion.
Bei einer Ausgestaltung läuft eine Anwendungssoftware auf einem Notebook-Computer 1640 oder einem ähnlichen Gerät. Der Benutzer wählt bei einer Ausgestaltung eine Schaltfläche auf der Benutzerschnittstelle der Anwendungssoftware aus, um mit der Verarbeitung der erfassten Daten zu beginnen. Bei einer Ausgestaltung fordert die Software nach der Erfassung von 3D-Abtastungsdaten an der zweiten Registrierungsposition 2D-Positionsinformationen aus den verarbeiteten 2D-Abtastungsdaten an, die beispielsweise vom Rechengerät 1630 bereitgestellt werden könnten. Die verarbeiteten 2D-Abtastungsdaten können der 3D-Abtastung als Metadaten bereitgestellt werden. Die Software benutzt einen Registrierungsalgorithmus, um eine Entsprechung zwischen den Registrierungszielen in der Überlappungsregion zwischen der ersten und zweiten Registrierungsposition zu ermitteln. Die Software stellt die 3D-Registrierung fertig, indem sie die an der ersten und zweiten Registrierungsposition erhaltenen 3D-Koordinaten kombiniert.In one embodiment, application software runs on a notebook computer 1640 or a similar device. In one embodiment, the user selects a button on the user interface of the application software to begin processing the captured data. In one embodiment, upon acquiring 3D scan data at the second registration position, the software requests 2D position information from the processed 2D scan data, such as from the computing device 1630 could be provided. The processed 2D sample data may be provided to the 3D sample as metadata. The software uses a registration algorithm to determine a correspondence between the registration destinations in the overlap region between the first and second registration positions. The software completes the 3D registration by combining the 3D coordinates obtained at the first and second registration positions.
Bei anderen Ausgestaltungen werden die Berechnungen durchgeführt, ohne dass der Benutzer eine Schaltfläche auf der Benutzerschnittstelle eines Anwendungsprogramms betätigen muss, das auf einem Notebook-Computer 1640 läuft. Bei einer Ausgestaltung werden Messungen in einer integrierten und automatischen Weise durchgeführt, ohne dass die Unterstützung durch einen Bediener erforderlich ist. Bei einer Ausgestaltung können im Anschluss an den Registrierungsschritt weitere Berechnungen durchgeführt werden, die zusätzliche Rechenoperation wie beispielsweise das Aufeinanderabstimmen registrierter 3D-Daten und das Hinzufügen einer Textur zu registrierten 3D-Daten beinhalten können. Diese späteren Verarbeitungsschritte können bei einer Ausgestaltung beispielsweise durch Netzwerkcomputer parallel durchgeführt werden, um am Ende der Datenerfassung durch das Messgerät 1600 fertiggestellte 3D-Abtastungen zur Verfügung zu stellen.In other embodiments, the calculations are performed without the user having to press a button on the user interface of an application program that resides on a notebook computer 1640 running. In one embodiment, measurements are performed in an integrated and automated manner without the need for operator assistance. In one embodiment, subsequent to the registration step, further calculations may be performed that may include additional computational operations such as matching registered 3D data and adding a texture to registered 3D data. These later processing steps may, in one embodiment, be performed in parallel by network computers, for example, at the end of data acquisition by the meter 1600 to provide completed 3D scans.
17 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1700, das gemäß der vorstehend gegebenen Beschreibung durchgeführt werden kann. In dem Element 1705 wird das Messgerät 1600 fest in einer ersten Registrierungsposition wie beispielsweise der Position 1112 in 10 angeordnet. Das Messgerät umfasst einen 3D-Scanner 20, der dafür konfiguriert ist, sowohl in einem 3D-Abtastmodus als auch in einem flächigen 2D-Scannermodus zu arbeiten. Der 3D-Scanner 20 ist auf einer beweglichen Plattform 1605 angebracht, die in 16 ein Stativ ist, das auf einer Plattform mit drei Rädern angebracht ist. Bei einer Ausgestaltung emittiert der 3D-Scanner in seinem flächigen Abtastmodus einen Lichtstrahl, der in einer horizontalen Ebene 1622 in verschiedenen Richtungen hin- und herbewegt wird. 17 is a flowchart of a method 1700 , which can be carried out according to the description given above. In the element 1705 becomes the meter 1600 fixed in a first registration position such as the position 1112 in 10 arranged. The meter includes a 3D scanner 20 which is configured to operate in both a 3D scan mode and a 2D scanner planar mode. The 3D scanner 20 is on a mobile platform 1605 attached in 16 a tripod mounted on a platform with three wheels. In one embodiment, the 3D scanner emits a light beam in its two-dimensional scanning mode, which in a horizontal plane 1622 is moved back and forth in different directions.
In dem Element 1710 erhält der 3D-Scanner, während er sich in der ersten Registrierungsposition befindet, 3D-Koordinaten einer ersten Sammlung von Punkten auf einem Objekt, das bei einer in 10 und 11 dargestellten Ausgestaltung die Seite eines Gebäudes ist. Bei einer Ausgestaltung ist der 3D-Scanner ein Laufzeitscanner, der verschiedener Art sein kann. Ein Beispiel für einen möglichen Laufzeitscanner ist der Scanner 20, der anhand von 1–3 besprochen wurde.In the element 1710 For example, while the 3D scanner is in the first registration position, the 3D scanner obtains 3D coordinates of a first collection of points on an object that is at an in-position 10 and 11 illustrated embodiment is the side of a building. In one embodiment, the 3D scanner is a runtime scanner that can be of various types. An example of a possible runtime scanner is the scanner 20 that is based on 1 - 3 was discussed.
In dem Element 1715 arbeitet der 3D-Scanner in seinem flächigen Abtastmodus, um eine erste Vielzahl von 2D-Abtastsätzen zu erhalten, während sich das erste Messgerät von der ersten Registrierungsposition zur zweiten Registrierungsposition bewegt. Jeder der ersten Vielzahl von 2D-Abtastsätzen umfasst einen Satz von 2D-Koordinaten von Punkten auf dem Objekt. Die 2D-Koordinaten von Punkten auf dem Objekt können in einem beliebigen Koordinatensystem angegeben werden, also beispielsweise als x-y-Werte oder als Abstands- und Winkelwerte. Jeder der ersten Vielzahl von 2D-Abtastsätzen wird mittels des 3D-Scanners an einer anderen Position relativ zur ersten Registrierungsposition erfasst.In the element 1715 The 3D scanner operates in its area scan mode to obtain a first plurality of 2D scan sets as the first gauge moves from the first registration position to the second registration position. Each of the first plurality of 2D sample sets includes a set of 2D coordinates of points on the object. The 2D coordinates of points on the object can be specified in any coordinate system, for example as xy values or as distance and angle values. Each of the first plurality of 2D scanning sets is detected by the 3D scanner at a different position relative to the first registration position.
In dem Element 1720 ermittelt das Messgerät einen einer ersten Translationsrichtung entsprechenden ersten Translationswert, einen einer zweiten Translationsrichtung entsprechenden zweiten Translationswert und einen einer ersten Orientierungsachse entsprechenden ersten Rotationswert. Die erste Translationsrichtung und die zweite Translationsrichtung könnten beispielsweise x-y-Koordinaten in einem Koordinatensystem sein, das bezogen auf das zu messende Objekt eingerichtet wurde. Die x-y-Koordinaten könnten zum Beispiel Koordinaten entlang einem Boden entsprechen, auf dem sich das Messgerät bewegt. Alternativ dazu können andere Koordinatensysteme derart verwendet werden, dass sie die erste Translationsrichtung und die zweite Translationsrichtung repräsentieren. Die erste Orientierungsachse hat eine bestimmte Richtung in Bezug auf die erste und zweite Translationsrichtung. Eine zweckmäßige Wahl für die erste Orientierungsachse ist eine Richtung, die senkrecht zu der Ebene verläuft, die Vektoren entlang der ersten und zweiten Translationsrichtung enthält. Der erste Translationswert, der zweite Translationswert und der erste Rotationswinkel ergeben die Information, die für die Erzielung eines guten Anfangsschätzwerts der Pose des Scanners an der zweiten Registrierungsposition relativ zu der Pose des Scanners an der ersten Registrierungsposition notwendig ist. Dies bietet eine gute Grundlage für die Anpassung der Registrierungsziele (unabhängig davon, ob natürliche oder künstliche Ziele), die von der ersten und zweiten Registrierungsposition aus betrachtet werden. Die Ermittlung des ersten Translationswerts, der zweiten Translationswerts und des ersten Rotationswinkels wird gemäß einem ersten mathematischen Kriterium durchgeführt. Ein solches mathematisches Kriterium wird auch als „objektives mathematisches Kriterium“ bezeichnet. Das am häufigsten angewandte derartige mathematische Kriterium ist ein Kriterium der kleinsten Quadrate. In diesem Fall werden die bei der ersten Sammlung von 2D-Abtastsätzen betrachteten 2D-Merkmale für dieses Kriterium ausgerichtet, um die Summe der Quadrate von Restfehlern bei der Anpassung der Merkmale zu minimieren.In the element 1720 the measuring device determines a first translation value corresponding to a first translation direction, one of a second translation value Translation direction corresponding second translation value and a first orientation axis corresponding first rotation value. The first translation direction and the second translation direction could, for example, be xy coordinates in a coordinate system that was set up with respect to the object to be measured. For example, the xy coordinates could correspond to coordinates along a floor on which the gauge is moving. Alternatively, other coordinate systems may be used to represent the first translation direction and the second translation direction. The first orientation axis has a certain direction with respect to the first and second translation directions. A convenient choice for the first orientation axis is a direction that is perpendicular to the plane containing vectors along the first and second translation directions. The first translation value, the second translation value and the first rotation angle provide the information necessary to obtain a good initial estimate of the pose of the scanner at the second registration position relative to the pose of the scanner at the first registration position. This provides a good basis for customizing the registration objectives (whether natural or artificial targets) viewed from the first and second registration position. The determination of the first translation value, the second translation value and the first rotation angle is performed according to a first mathematical criterion. Such a mathematical criterion is also called an "objective mathematical criterion". The most commonly used such mathematical criterion is a least squares criterion. In this case, the 2D features considered in the first collection of 2D sample sets are aligned for this criterion to minimize the sum of the squares of residual errors in the feature fit.
In dem Element 1725 erhält der 3D-Scanner, während er sich in der zweiten Registrierungsposition befindet, 3D-Koordinaten einer zweiten Sammlung von Punkten auf dem Objekt. Im Allgemeinen hat die erste Sammlung von Punkten, die durch den 3D-Scanner an der ersten Registrierungsposition gemessen wurden, nicht genau die gleichen Punkte wie die zweite Sammlung von Punkten, die durch den 3D-Scanner an der zweiten Registrierungsposition gemessen wurden. Die Punkte liefern jedoch die Information, die für die Identifizierung der Zielmerkmale erforderlich ist, die natürliche Merkmale oder künstliche Merkmale sein könnten.In the element 1725 The 3D scanner, while in the second registration position, obtains 3D coordinates of a second collection of points on the object. In general, the first collection of points measured by the 3D scanner at the first registration position does not have exactly the same points as the second collection of points measured by the 3D scanner at the second registration position. However, the dots provide the information necessary to identify the target features, which could be natural features or artificial features.
In dem Element 1730 ermittelt das Messgerät, während es sich von der zweiten Registrierungsposition zu einer dritten Registrierungsposition bewegt, eine Entsprechung zwischen Registrierungszielen, die bei der ersten Sammlung von an der ersten Registrierungsposition betrachteten 3D-Punkten gesehen wurden, und den Registrierungszielen, die bei der zweiten Sammlung von an der zweiten Registrierungsposition betrachteten 3D-Punkten gesehen wurden. Diese Registrierung basiert zumindest teilweise auf dem ersten Translationswert, dem zweiten Translationswert und dem ersten Rotationswert, welche die Anfangsbedingungen ergeben, von welchen aus die mathematische Anpassung eines 3D-Merkmals durchgeführt wird.In the element 1730 When the meter moves from the second registration position to a third registration position, it determines a correspondence between registration destinations that were seen at the first collection of 3D points viewed at the first registration position and the registration destinations that were at the second collection of the second registration position viewed 3D points were seen. This registration is based, at least in part, on the first translation value, the second translation value and the first rotation value, which give the initial conditions from which the mathematical adaptation of a 3D feature is performed.
In dem Element 1735 werden der erste Translationswert, der zweite Translationswert und der erste Rotationswert gespeichert.In the element 1735 the first translation value, the second translation value and the first rotation value are stored.
Begriffe wie „Prozessor“, „Steuerung“, „Computer“, „DSP“, „FPGA“ sind in dieser Druckschrift so zu verstehen, dass sie ein Rechengerät bedeuten, das in einem Instrument angeordnet, in mehreren Elementen überall in einem Instrument verteilt oder außerhalb eines Instruments angeordnet werden kann.Terms such as "processor", "controller", "computer", "DSP", "FPGA" are understood in this document to mean a computing device that is arranged in an instrument, distributed in multiple elements throughout an instrument or can be arranged outside of an instrument.
Obwohl die Erfindung ausführlich in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausgestaltungen beschrieben wurde, versteht es sich ohne Weiteres, dass die Erfindung nicht auf solche offenbarte Ausgestaltungen beschränkt ist. Die Erfindung kann vielmehr derart modifiziert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Variationen, Änderungen, Ersetzungen oder gleichwertigen Anordnungen einbeziehen kann, die vorstehend nicht beschrieben sind, aber dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Es versteht sich ferner, dass, obwohl verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben wurden, Aspekte der Erfindung lediglich einige der beschriebenen Ausgestaltungen umfassen können. Die Erfindung ist demgemäß nicht als durch die vorangehende Beschreibung eingeschränkt aufzufassen, sondern nur durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche eingeschränkt.Although the invention has been described in detail in connection with only a limited number of embodiments, it will be readily understood that the invention is not limited to such disclosed embodiments. Rather, the invention may be modified to include any number of variations, changes, substitutions, or equivalent arrangements not previously described, but consistent with the spirit and scope of the invention. It should also be understood that while various embodiments of the invention have been described, aspects of the invention may include only some of the described embodiments. Accordingly, the invention should not be construed as limited by the foregoing description, but only by the scope of the appended claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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WO 2013/003082 [0001] WO 2013/003082 [0001]
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DE 102012109481 [0001] DE 102012109481 [0001]
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US 8705012 [0044] US 8705012 [0044]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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Censi, A.: „An ICP variant using a point-to-line metric“, IEEE International Conference on Robotics and Automatics (ICRA) 2008 [0067] Censi, A .: "To ICP variant using a point-to-line metric", IEEE International Conference on Robotics and Automatics (ICRA) 2008 [0067]
