DE102017212371B4

DE102017212371B4 - Bestimmung einer Marke in einem Datensatz mit mittels zumindest eines Laserscanners erfassten dreidimensionalen Oberflächen-Koordinaten einer Szene

Info

Publication number: DE102017212371B4
Application number: DE102017212371.0A
Authority: DE
Inventors: Florian Seeleitner
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2037-07-20
Also published as: US10282845B2; US20190026899A1; DE102017212371A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer Marke (4), die zumindest eine durch einen geschlossen umlaufenden Rand (8) berandete erste Marken-Oberfläche (6) aufweist, in einem Datensatz mit dreidimensionalen Oberflächen-Koordinaten einer Szene (2), wobei die Oberflächen-Koordinaten der Szene (2) mittels zumindest eines Laserscanners (1) erfasst werden oder wurden und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:- Ermitteln eines ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) in einem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatz, wobei jeder der Randpunkte des ersten Satzes (36) durch entsprechende dreidimensionale Oberflächen-Koordinaten des Datensatzes definiert ist und wobei die Randpunkte des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) Stützstellen einer ersten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand (8) der ersten Marken-Oberfläche (6) entspricht,- Einpassen einer Ausgleichsfläche in zumindest eine Teilmenge der Randpunkte des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35), sodass die Randpunkte in dem dreidimensionalen Koordinatensystem teilweise auf einer ersten Seite der Ausgleichsfläche und teilweise auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Ausgleichsfläche positioniert sind, wobei die Ausgleichsfläche einen Bereich aufweist, der näherungsweise der ersten Marken-Oberfläche (6) entspricht, oder die Ausgleichsfläche insgesamt näherungsweise der ersten Marken-Oberfläche (6) entspricht,- Verschieben von Randpunkten (35) des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) in die Ausgleichsfläche, sodass ein korrigierter Satz von Randpunkten entsteht, wobei die Randpunkte des korrigierten Satzes von Randpunkten Stützstellen einer korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand (8) der ersten Marken-Oberfläche (6) entspricht, und wobei die korrigierte geschlossen umlaufenden Randlinie im Vergleich zu geschlossen umlaufenden Randlinie eine größere Anzahl von Stützstellen in der Ausgleichsfläche aufweist, und- Bestimmen der Marke (4) in dem dreidimensionalen Koordinatensystem anhand des korrigierten Satzes von Randpunkten oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Bestimmen einer Marke, die zumindest eine durch einen geschlossen umlaufenden Rand berandete Marken-Oberfläche aufweist, in einem Datensatz mit dreidimensionalen Oberflächen-Koordinaten einer Szene. Die Oberflächen-Koordinaten der Szene werden oder wurden mittels zumindest eines Laserscanners erfasst.
Es ist bekannt, Szenen mittels Laserstrahlung zu scannen, d.h. abzutasten. Dabei wird elektromagnetische Strahlung aus zumindest einem Laser auf die Szene eingestrahlt. Je nach Ausgestaltung der Abtastung können entsprechende Teilbereiche der Szene zu einem bestimmten Zeitpunkt z.B. punktförmig oder linienförmig mit der Laserstrahlung bestrahlt werden. Um größere Teilbereiche der Szene zu erfassen, werden nacheinander viele kleinere Teilbereiche der Szene bestrahlt, wird die von der Szene reflektierte Strahlung erfasst und wird die darin enthaltene Information verarbeitet. Die Erfassung und Verarbeitung der Information kann in unterschiedlicher Weise ausgeführt werden. Z.B. können Pulslaufzeiten der auf die Szene eingestrahlten und reflektierten Laserstrahlung erfasst werden, Phasendifferenzen der eingestrahlten und reflektierten Laserstrahlung zu einer Referenzstrahlung erfasst werden und/oder die von der Szene reflektierte Laserstrahlung gemäß dem Triangulationsprinzip erfasst. In allen Fällen wird Tiefeninformation, d.h. Information über den Abstand des Scanners von der Szene, erhalten.
DE 10 2015 214 857 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erstellen eines dreidimensionalen Modells einer Umgebung mittels Laserscanning. Dabei entsteht eine diskrete Menge von Abtastpunkten, die als Punktwolke bezeichnet wird. Die Koordinaten der gemessenen Punkte werden aus den Winkeln und der Entfernung in Bezug zu einem Ursprung, z.B. dem Standort des Laserscanners, ermittelt. Bei diesem Laserscanner handelt es sich daher um einen ortsfesten, an dem Standort platzierten Laserscanner. Typischerweise weisen solche Laserscanner eine bewegliche Optik auf, die die Laserstrahlung insbesondere über bewegliche Spiegel nacheinander in unterschiedliche Richtungen ablenkt, sodass die Szene abgetastet wird.
Es sind jedoch auch hand- oder maschinengeführt bewegliche Laserscanner bekannt. Die Hand oder das bewegliche Maschinenteil, an dem der Laserscanner befestigt ist, bewegen den gesamten Laserscanner einschließlich des zumindest einen darin enthaltenen Lasers und verändern damit den Ort oder den Ortsbereich innerhalb der Szene, auf den die Laserstrahlung eingestrahlt wird. Selbstverständlich können auch bei handgeführten oder maschinengeführten Laserscannern bewegliche Optiken zum Verändern des Ortes und/oder der Richtung der auf die Szene eingestrahlten Laserstrahlung vorkommen.
Bei hand- oder maschinengeführten Laserscannern ohne bewegliche Optik reicht es jedoch aus, die Bewegung des Laserscanners im Raum mittels einer Verfolgungseinrichtung, d.h. einer Trackingeinrichtung, zu verfolgen und so festzustellen, an welchem Ort und bei welcher Ausrichtung sich der Laserscanner zu jedem Zeitpunkt der Erfassung der von der Szene reflektierten Strahlung befindet.
Durch die Verarbeitung der Informationen, die durch Erfassung der von der Szene reflektierten Strahlung erhalten werden, entsteht z.B. im Fall der DE 10 2015 214 857 A1 eine dreidimensionale Punktwolke, d.h. die in einem dreidimensionalen Koordinatensystem enthaltenen Punkte der Punktwolke entsprechen von dem Laserscanner abgetasteten und damit erfassten Oberflächenpunkten der Szene. Die Punktwolke kann durch einen entsprechenden Datensatz, insbesondere durch einen Satz digitaler und/oder computerverarbeitbarer Daten eindeutig beschrieben werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen solchen Datensatz, wobei es bevorzugt wird, dass der Datensatz insbesondere in bekannter Weise außer der Punktwolke auch eine Vernetzung von Punkten der Punktwolke beschreibt. Insbesondere können viele Punkttripel der Punktwolke über geradlinige Verbindungen zu Dreiecken vernetzt sein, wobei einzelne Punkte Eckpunkte nicht nur eines einzigen Dreiecks, sondern auch weiterer Dreiecke sein können und im Allgemeinen auch sind. Die Vernetzung ist jedoch nicht auf eine solche Dreiecksvernetzung beschränkt. Vielmehr können auch entsprechende Gruppen von Punkten der Punktwolke zu Vierecken oder Polygonen mit einer höheren Anzahl von Eckpunkten vernetzt sein, wobei insbesondere jedes Polygon eine ebene Fläche berandet. Durch diese ebenen Flächen können Oberflächenbereiche der abgetasteten Szene in dem Datensatz näherungsweise beschrieben werden, d.h. jede ebene Fläche des Datensatzes entspricht im Allgemeinen lediglich näherungsweise dem tatsächlichen Oberflächenverlauf der Szene.
Die Erfindung betrifft insbesondere Szenen mit zumindest einem handwerklich oder industriell hergestellten Gegenstand, einem Werkstück. Der Begriff der Szene ist jedoch nicht auf ein einzelnes Werkstück beschränkt. Vielmehr können verschiedene Werkstücke zu einer Szene angeordnet sein, wobei einzelne Werkstücke optional aneinander angrenzen können und ferner optional miteinander verbunden sein können. Beispiele für Szenen, die mittels Laserscanner erfasst werden können, sind Teile von Maschinen, Karosserien von Automobilen oder anderen Fahrzeugen, aber auch Gebäudeteile, Gebäude oder Gebäudegruppen. Der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird jedoch durch diese Beispiele nicht beschränkt.
Aus DE 10 2008 034 198 A1 ist es bekannt, ein Target an einem zu scannenden Objekt anzubringen. Das Target hat ein einen Targetreferenzpunkt bestimmendes Muster und eine Kennung zur Unterscheidung mehrerer Targets untereinander. Zur automatischen Targeterkennung sind zumindest zwei von einem Laserscanner erfassbare Marker in einer vorbestimmten Relativposition zueinander und zum Targetreferenzpunkt angebracht. Beim Scannen des Objektes erfasst der Scanner diese Marker, so dass das Target automatisch durch Datenverarbeitung aufgefunden werden kann.
DE 10 2010 060 942 A1 beschreibt eine Sensoranordnung zur Objekterkennung in einem Überwachungsbereich mit mindestens zwei entfernungsmessenden Sensoren.
WO 01/88471 A1 offenbart die Bestimmung der 3D-Form eines Objektes, bei dem mehrere Bereiche des Objektes gemessen werden, wobei bei mindestens einer Messung mindestens ein Referenzobjekt gemessen wird, und bei dem die gemessenen Bereiche des Objekts miteinander verknüpft werden.
In DE 101 37 241 A1 werden das Erfassen und das Vermessen eines Objektes durch Registrierung von Teilansichten des Objektes in einem globalen Koordinatensystem beschrieben. Eine entsprechende Vorrichtung weist ein Aufnahmesystem zur Aufnahme der Teilansichten des Objektes, mindestens eine Ortungskamera und eine Recheneinheit auf. Marken werden auf das Objekt projiziert und von der Ortungskamera erfasst. Das Aufnahmesystem liefert die Teilansichten und die Ortungskamera liefert die durch das Erfassen der Marken gewonnenen Informationen an die Recheneinheit, welche unter Verwendung der Informationen über die erfassten Marken die Teilansichten des Objektes in das globale Koordinatensystem registriert.
WO 2014/032661 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erkennen von Abweichungen einer Oberfläche eines Objektes anhand eines Vergleichs von Messdaten der Oberfläche und vorgegebenen Referenzdaten.
Aus DE 10 2011 113 138 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung und Vermessung von lokalen Formabweichungen in ebenen, gekrümmten oder gewölbten Oberflächen eines Prüfobjekts bekannt, wobei dreidimensionale Messdaten der Oberflächen mit einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden.
Bereits erwähnt wurde, dass Laserscanner nicht nur handgeführt bewegt werden können, sondern auch maschinell bewegt werden können. Beispiele für Geräte bzw. Maschinen, die Laserscanner zum Zweck der Erfassung einer Szene bewegen können, sind Koordinatenmessgeräte (z.B. in Portal- oder Gantrybauweise), Roboter (insbesondere bei der Fertigung von Werkstücken eingesetzte Roboter) und/oder ein Gerät mit einem Gelenkarm, an dessen freiem Ende der Laserscanner befestigt ist. Die Maschinen/Geräte können zumindest einen Antrieb zum Antreiben einer Bewegung des Laserscanners aufweisen.
Insbesondere bei komplexen und großen Szenen, vor allem Szenen, die von verschiedenen Seiten aus erfasst werden sollen, kann es vorkommen oder ist es sogar in der Regel der Fall, dass mit dem Laserscanner verschiedene Teilbereiche der Szene separat erfasst werden, d.h. jeweils ein entsprechender Datensatz der Oberflächenpunkte des jeweiligen Teilbereichs erzeugt wird. Um die Datensätze miteinander zu kombinieren, kann im Fall einander überlappender erfasster Teilbereiche der Szene die in den überlappenden Bereichen enthaltene gemeinsame Information verwendet werden. Es ist jedoch in manchen Situationen aufwendig oder nicht möglich, ausreichend große gemeinsame Bereiche durch mehrere Scans mit dem Laserscanner zu erfassen. Zwar ist es grundsätzlich auch möglich, die Position und Ausrichtung des Laserscanners relativ zu der Szene über den Gesamtzeitraum aller Scans von Teilbereichen der Szene mittels eines Trackingsystems lückenlos zu verfolgen. Jedoch setzt dies voraus, dass der Laserscanner an jedem Einsatzort und lückenlos während der Bewegung zwischen den verschiedenen Einsatzorten oder Einsatzbereichen vom Trackingsystem erfasst wird. Dies erhöht den Aufwand für das Tracking und/oder verringert die Genauigkeit des Tracking.
Es ist daher bekannt, Marken, auch als Marker oder Targets bezeichnet, in der Szene zu verteilen. Dabei können die Marken an dem zu erfassenden Werkstück oder den zu erfassenden Werkstücken und/oder separat davon angeordnet sein/werden. Als Marken kommen insbesondere flächige, speziell zweidimensionale, ebene Marken als auch dreidimensionale Marken (d.h. Körper mit Abmessungen in drei Dimensionen) infrage. Flächige Marken, insbesondere ebene Marken, haben den Vorteil, dass sie auf einfache Weise und bei geringer Veränderung der Szene unmittelbar an dem Werkstück oder den Werkstücken oder Hilfsgegenständen wie Ständern angebracht werden können.
Marken erleichtern bei einander überlappenden Scans deren Datensätze miteinander zu kombinieren, ermöglichen es bei Zusatzinformation über den Ort und/oder die Ausrichtung der jeweiligen Marke innerhalb der Szene aber auch die Kombination von Datensätzen aus nicht einander überlappenden Scans.
Für jegliche Auswertung von Datensätzen, auch einzelnen Datensätzen, aus Laserscanner-Abtastungen, mit denen auch Marken in der Szene erfasst wurden, ist es von Bedeutung, die jeweilige Marke zuverlässig und genau aus dem Datensatz zu bestimmen. Die Bestimmung einer Marke in dem Datensatz, d.h. der örtlichen Bereiche in dem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatzes, die den erfassten Oberflächenbereichen der realen Marke in der Szene entsprechen, soll möglichst zuverlässig und genau erfolgen. Bei der Bestimmung einer Marke kann insbesondere vorab bekannte Information über die Marke und optional über die Position und/oder Ausrichtung der Marke in der Szene verwendet werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und/oder eine Anordnung zum Bestimmen einer Marke in einem Datensatz mit mittels zumindest eines Laserscanners erfassten dreidimensionalen Oberflächen-Koordinaten einer Szene anzugeben.
Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird zumindest eine Marke in dem Datensatz bestimmt, die zumindest eine durch einen geschlossen umlaufenden Rand berandete Marken-Oberfläche aufweist. Beispiele dafür sind bekannte Marken mit einer kreisförmigen, ebenen Oberfläche oder einem kreisförmigen ebenen Oberflächenbereich. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Bestimmung solcher Marken beschränkt. Z.B. kann die zumindest eine durch einen geschlossen umlaufenden Rand berandete Marken-Oberfläche auch eine andere Form haben. Beispielsweise sind Marken mit mehreren polygonalen Oberflächenbereichen, z.B. Dreiecken, Quadraten, Rechtecken oder Kombinationen von Polygonen mit unterschiedlichen Anzahlen von Eckpunkten bekannt. Jedes dieser Polygone bildet eine Marken-Oberfläche, die für sich genommen durch einen geschlossen umlaufenden Rand berandet ist. Insbesondere können jeweils zwei einander benachbarte Oberflächen-Bereiche derselben Marke einen gemeinsamen Randabschnitt aufweisen, d.h. ein Randabschnitt des Randes des einen Oberflächen-Bereiches ist auch ein Randabschnitt des Randes des anderen Oberflächen-Bereichs. Marken mit mehreren OberflächenBereichen, die mittels eines Laserscanners z.B. aufgrund unterschiedlicher Reflexionsgrade für Laserstrahlung unterschieden werden können, können aber nicht nur polygonale und/oder durch runde, insbesondere kreisförmige Ränder berandete Oberflächen-Bereiche aufweisen, die nebeneinander angeordnet sind. Vielmehr kann alternativ oder zusätzlich ein erster Oberflächen-Bereich ganz oder teilweise innerhalb eines anderen Oberflächenbereichs angeordnet sein.
Aufgrund des geschlossen umlaufenden Randes der zumindest einen Marken-Oberfläche der Marke ist es möglich, die Marken-Oberfläche zuverlässig in dem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatzes eines Scans der Szene zu bestimmen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass an Rändern solcher Marken-Oberflächen, an denen sich der Reflexionsgrad für die Laserstrahlung des Laserscanners sprungartig ändert, im Datensatz Fehler der Positionen der entsprechenden erfassten Randpunkte auftreten können. Solche Fehler können die Randpunkte im dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatzes systematisch in eine Richtung, weg vom korrekten Verlauf der Randlinie verschieben.
Ein Grund für solche systematischen Fehler kann insbesondere in der Geometrie des Ortes oder des Ortsbereichs, an dem die Laserstrahlung von dem Laserscanner in Richtung Szene abgestrahlt wird, und des Ortes oder Ortsbereichs, an dem die von der Szene reflektierte Laserstrahlung empfangen wird, liegen. Insbesondere wenn nach dem Prinzip der Triangulation Tiefeninformation (d.h. Information über den Abstand des Laserscanners zum abgetasteten Oberflächenbereich der Szene) erfasst wird, kann abhängig von der räumlichen Orientierung eines Übergangs am Rand eines Oberflächen-Bereichs einer Marke von höheren Reflexionsgraden für Laserstrahlung zu niedrigeren Reflexionsgraden für die Laserstrahlung ein Fehler bezüglich der vom Laserscanner erfassten Tiefeninformation entstehen, sodass sich abhängig von der genannten Orientierung Randpunkte im dreidimensionalen Koordinatensystem des erfassten Datensatzes fehlerhaft zu größeren Tiefenwerten oder zu kleineren Tiefenwerten verschieben können.
Es wird daher vorgeschlagen, in dem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatzes, der durch einen Laserscan der Szene erfasst wurde, einen Rand zu ermitteln, der durch erfasste Randpunkte entsprechend dem geschlossen umlaufenden Rand der erfassten Marken-Oberfläche als Stützstellen gebildet ist/wird. Diese Randpunkte in dem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatzes stimmen im Allgemeinen insbesondere wegen der beschriebenen systematischen Fehler genauer und weniger genau mit auf einem idealen Erfassungsbild des Marken-Randes liegenden Randpunkten überein, d.h. das mit dem Datensatz erfasste Bild des Randes ist typischerweise stellenweise stärker und schwächer verformt.
Ferner wird vorgeschlagen, eine Ausgleichsfläche in die erfassten Randpunkte einzupassen, wobei die Ausgleichsfläche näherungsweise der Marken-Oberfläche entspricht, die durch den geschlossen umlaufenden Rand der Marke berandet ist. Bei der Ausgleichsfläche kann es sich insbesondere um eine nicht oder lediglich durch die Außengrenzen des Datensatzes berandete Ebene oder um eine kleinere ebene Fläche innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems des Datensatzes handeln. Die Ausgleichsfläche kann jedoch auch lediglich durch eine Ausgleichs-Randlinie repräsentiert werden, die näherungsweise dem geschlossen umlaufenden Rand der Marken-Oberfläche der Marke entspricht. In diesem Fall definiert die Ausgleichslinie eine Fläche, in der sie vollständig enthalten ist. Wenn z.B. die Marken-Oberfläche eine ebene Marken-Oberfläche ist, kann die Ausgleichslinie eine ebene Ausgleichsfläche definieren. Wenn dagegen die Marken-Oberfläche eine gekrümmte Oberfläche ist (z.B. ein Segment einer Kugeloberfläche), dann kann die Ausgleichslinie eine entsprechend gekrümmte oder anders geformte nicht ebene Oberfläche definieren. Wenn die Ausgleichslinie innerhalb einer Ebene verläuft, kann optional vorab festgelegt sein, dass eine solche Ausgleichslinie die entsprechende Ebene oder ebene Fläche definiert, in der sie verläuft.
Durch das Einpassen der Ausgleichsfläche in die aus dem Datensatz ermittelte Randlinie entsteht eine Anordnung, bei der die Randpunkte, die die Stützstellen der in dem dreidimensionalen Koordinatensystem ermittelten Randlinie bilden, teilweise auf einer ersten Seite der Ausgleichsfläche und teilweise auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Ausgleichsfläche positioniert sind. Im Fall der erwähnten systematischen Fehler liegen Gruppen einander benachbarter Randpunkte vollständig auf einer Seite der Ausgleichsfläche, sodass die Randlinie in diesem Ortsbereich systematisch von der Ausgleichsfläche abweicht, wenn zumindest eine weitere Gruppe von Randpunkten auf der gegenüberliegenden Seite der Ausgleichsfläche liegt.
Insbesondere um die oben erwähnten systematischen Fehler zu korrigieren, werden Randpunkte der ermittelten Randlinie in die Ausgleichsfläche verschoben. Z.B. abhängig von einer etwaig vorhandenen Rasterung der Koordinaten des Datensatzes kann es dabei vorkommen, dass die verschobenen Randpunkte nicht exakt in der Ausgleichsfläche liegen. In jedem Fall wird durch das Verschieben der Randpunkte in die Ausgleichsfläche ein korrigierter Satz von Randpunkten erhalten und somit eine korrigierte geschlossen umlaufende Randlinie gebildet, welche dem geschlossen umlaufenden Rand der Marken-Oberfläche entspricht, die durch die ermittelten Randpunkte in dem Datensatz abgebildet ist.
Nun kann die Marken-Oberfläche in dem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatzes anhand des korrigierten Satzes von Randpunkten oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie bestimmt werden. Bei der Bestimmung der Marken-Oberfläche und optional auch der Marke kann es sich insbesondere um den Vorgang der Identifizierung der Marken-Oberfläche und/oder um den Vorgang der Bestimmung zumindest eines ausgezeichneten, durch die Marken-Oberfläche und/oder die Marke eindeutig definierten Punktes handeln, wie z.B. des Kreismittelpunktes einer kreisförmigen Marken-Oberfläche oder eines gemeinsamen Eckpunktes aneinander grenzender polygonaler Marken-Oberflächen handeln. Wenn es sich bei dem Vorgang um die Identifizierung der Marke handelt, kann insbesondere das beschriebene Verfahren der Ermittlung von Randpunkten und Verschieben von Randpunkten zur Korrektur für verschiedene Marken-Oberflächen derselben Marke durchgeführt werden, sodass anhand der bestimmten verschiedenen Marken-Oberflächen eine z.B. eindeutig dadurch identifizierbare Marke identifiziert wird.
Insbesondere wird vorgeschlagen: Ein Verfahren zum Bestimmen einer Marke, die zumindest eine durch einen geschlossen umlaufenden Rand berandete erste Marken-Oberfläche aufweist, in einem Datensatz mit dreidimensionalen Oberflächen-Koordinaten einer Szene, wobei die Oberflächen-Koordinaten der Szene mittels zumindest eines Laserscanners erfasst werden oder wurden und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

- Ermitteln eines ersten Satzes von Randpunkten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatz, wobei jeder der Randpunkte des ersten Satzes durch entsprechende dreidimensionale Oberflächen-Koordinaten des Datensatzes definiert ist und wobei die Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten Stützstellen einer ersten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand der ersten Marken-Oberfläche entspricht,
- Einpassen einer Ausgleichsfläche in zumindest eine Teilmenge der Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten, sodass die Randpunkte in dem dreidimensionalen Koordinatensystem teilweise auf einer ersten Seite der Ausgleichsfläche und teilweise auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Ausgleichsfläche positioniert sind, wobei die Ausgleichsfläche einen Bereich aufweist, der näherungsweise der ersten Marken-Oberfläche entspricht, oder die Ausgleichsfläche insgesamt näherungsweise der ersten Marken-Oberfläche entspricht,
- Verschieben von Randpunkten des ersten Satzes von Randpunkten in die Ausgleichsfläche, sodass ein korrigierter Satz von Randpunkten entsteht, wobei die Randpunkte des korrigierten Satzes von Randpunkten Stützstellen einer korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand der ersten Marken-Oberfläche entspricht, und wobei die korrigierte geschlossen umlaufenden Randlinie im Vergleich zu geschlossen umlaufenden Randlinie eine größere Anzahl von Stützstellen in der Ausgleichsfläche aufweist, und
- Bestimmen der Marke in dem dreidimensionalen Koordinatensystem anhand des korrigierten Satzes von Randpunkten oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie.

Ferner wird eine Anordnung vorgeschlagen zum Bestimmen einer Marke, die zumindest eine durch einen geschlossen umlaufenden Rand berandete erste Marken-Oberfläche aufweist, in einem Datensatz mit dreidimensionalen Oberflächen-Koordinaten einer Szene, wobei die Oberflächen-Koordinaten der Szene mittels zumindest eines Laserscanners erfasst werden oder wurden und wobei die Anordnung Folgendes aufweist:

- eine Ermittlungseinrichtung, die ausgestaltet ist, einen ersten Satz von Randpunkten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatz zu ermitteln, wobei jeder der Randpunkte des ersten Satzes durch entsprechende dreidimensionale Oberflächen-Koordinaten des Datensatzes definiert ist und wobei die Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten Stützstellen einer ersten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand der ersten Marken-Oberfläche entspricht,
- eine Ausgleichseinrichtung, die ausgestaltet ist, eine Ausgleichsfläche in zumindest eine Teilmenge der Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten einzupassen, sodass die Randpunkte in dem dreidimensionalen Koordinatensystem teilweise auf einer ersten Seite der Ausgleichsfläche und teilweise auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Ausgleichsfläche positioniert sind, wobei die Ausgleichsfläche einen Bereich aufweist, der näherungsweise der ersten Marken-Oberfläche entspricht, oder die Ausgleichsfläche insgesamt näherungsweise der ersten Marken-Oberfläche entspricht,
- eine Verschiebungseinrichtung, die ausgestaltet ist, Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten in die Ausgleichsfläche zu verschieben, sodass ein korrigierter Satz von Randpunkten entsteht, wobei die Randpunkte des korrigierten Satzes von Randpunkten Stützstellen einer korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand der ersten Marken-Oberfläche entspricht, und wobei die korrigierte geschlossen umlaufenden Randlinie im Vergleich zu geschlossen umlaufenden Randlinie eine größere Anzahl von Stützstellen in der Ausgleichsfläche aufweist, und
- eine Bestimmungseinrichtung, die ausgestaltet ist, die Marke in dem dreidimensionalen Koordinatensystem anhand des korrigierten Satzes von Randpunkten oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie zu bestimmen.

Insbesondere ist die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in einer der in dieser Beschreibung beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens ausgestaltet. Die Anordnung kann insbesondere durch einen Computer oder durch ein Computersystem realisiert werden, wobei Einrichtungen der Anordnung optional örtlich verteilt sind und über Datenübertragungsverbindungen miteinander verbunden sind. Ferner optional gehört der zumindest eine Laserscanner mit zu der Anordnung. In diesem Fall ist der Laserscanner zumindest vorübergehend mit einem Datenspeicher oder einem örtlich verteilten Datenspeicher verbunden, um die zur Erzeugung des Datensatzes erforderlichen Daten und/oder die Daten des Datensatzes in den Datenspeicher oder örtlich verteilten Datenspeicher zu übertragen. Ferner ist der Computer oder das Computersystem in diesem Fall mit dem Datenspeicher oder dem örtlich verteilten Datenspeicher verbunden, sodass er/es Zugriff auf den darin gespeicherten Datensatz hat. Wenn der zumindest eine Laserscanner Daten liefert, aus denen der Datensatz noch erzeugt werden muss, dann kann optional der Computer oder das Computersystem ausgestaltet sein, die vom Laserscanner gelieferten Daten zu verarbeiten und den Datensatz zu erzeugen.
Nicht nur wie erwähnt beim Einpassen der Ausgleichsfläche, sondern alternativ oder zusätzlich auch beim Ermitteln des ersten Satzes von Randpunkten in dem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatzes kann vorab bekannte Information über die Marke und insbesondere die Geometrie (Größe und/oder Form) des Randes der Marken-Oberfläche und/oder der durch den Rand umrandeten Marken-Oberfläche genutzt werden. Insbesondere können hinsichtlich der Form dem Rand ähnliche Sätze von Randpunkten in dem Datensatz als mögliche dem Rand entsprechende Sätze ausgeschlossen werden, wenn die Größe der durch sie definierten Randlinie nicht dem Rand der Marken-Oberfläche entspricht. Es kann aber auch zunächst die Größe als Ausschlusskriterium geprüft werden und dann bei verbleibenden potentiellen Randlinien in dem Datensatz geprüft werden, ob die Form der Randlinie in dem Datensatz ausreichend genau mit der Form des Randes der Marken-Oberfläche übereinstimmt. Insbesondere kann hinsichtlich der Größe ein Maximalwert für den Unterschied vorgegeben sein. Wenn der Maximalwert überschritten wird, wird entschieden, dass es sich nicht um eine Übereinstimmung zwischen den entsprechenden Daten im Datensatz und der Marken-Oberfläche bzw. deren Rand handelt. Bezüglich der Form kann z.B. eine Randlinie, deren Form gleich dem Rand der Marken-Oberfläche ist, in den Satz von Randpunkten des Datensatzes eingepasst werden. Insbesondere durch statistische Betrachtungen kann entschieden werden, ob der Satz von Randpunkten dem Rand der Marken-Oberfläche entspricht oder nicht.
Beim Einpassen der Ausgleichsfläche können alle Randpunkte des Satzes von Randpunkten verwendet werden oder lediglich eine Teilmenge der Randpunkte verwendet werden. Z.B. kann vor dem Einpassen der Ausgleichsfläche zumindest ein Randpunkt aus dem Satz von Randpunkten eliminiert werden, wenn er eine zu große Distanz zu einer Randlinie aufweist, die die Form des geschlossen umlaufenden Randes der Marken-Oberfläche hat.
Der Vorgang des Einpassens einer Ausgleichsfläche in einen Satz von Punkten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem ist an sich bekannt und wird in dieser Beschreibung daher nicht detailliert beschrieben. Z.B. können beim Einpassen statistische Methoden angewendet werden. Beispielsweise kann der mittlere Abstand der Punkte des Satzes von Randpunkten zu der Ausgleichsfläche z.B. durch iterative Verfahrensweisen minimiert werden. Als Ergebnis wird eine Ausgleichsfläche erhalten, bezüglich der der mittlere Abstand oder die Summe der Quadrate der Abstände der Randpunkte des Satzes minimal ist. Alternative statistische Verfahrensweisen sind bekannt und können angewendet werden. Auch die Verfahrensweisen zur Bestimmung des globalen Minimums sind bekannt und werden daher hier nicht beschrieben.
Um den korrigierten Satz von Randpunkten und die entsprechende korrigierte geschlossen umlaufende Randlinie in dem Datensatz zu ermitteln, werden die Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten in die Ausgleichsfläche verschoben. Insbesondere wenn die Ausgleichsfläche durch eine Ausgleichslinie repräsentiert wird, deren Form und/oder Größe insbesondere dem Rand der Marken-Oberfläche entspricht und die in einer Ebene verläuft, dann werden die Randpunkte vorzugsweise in Richtung jeweils einer Oberflächennormalen der Ebene in die Ebene verschoben. Die Ausgleichsfläche kann daher insbesondere eine ebene Ausgleichsfläche sein und ist dies vorzugsweise auch. Dies entspricht insbesondere Marken mit einer ebenen Marken-Oberfläche. Jedoch auch bei einer gekrümmten Marken-Oberfläche wie z.B. dem oben erwähnten Kugeloberflächensegment kann eine ebene Ausgleichsfläche verwendet werden.
Nicht nur wie bei dem erwähnten Fall der Ausgleichsfläche, die durch eine Ausgleichslinie definiert ist, sondern auch bei Verwendung einer ebenen Ausgleichsfläche, die anders als durch eine Ausgleichslinie definiert ist, wird bevorzugt, dass die Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten durch Verschieben in Richtung jeweils einer Oberflächennormalen der Ausgleichsfläche in die Ausgleichsfläche verschoben werden. Grundsätzlich ist es sogar bei gekrümmten Ausgleichsflächen möglich, die Randpunkte in Richtung jeweils einer Oberflächennormale der Ausgleichsfläche in diese zu verschieben. In diesem Fall kann es jedoch vorkommen, dass die Verschiebung in verschiedenen Richtungen in die Ausgleichsfläche möglich ist. Es kann dann z.B. ein weiteres Kriterium herangezogen werden, um festzulegen, in welche Richtung der Randpunkt verschoben wird. Z.B. kann es ausreichen festzulegen, dass der Randpunkt zu dem ihm nächstliegenden Punkt in der Ausgleichsfläche verschoben wird. Wenn erforderlich, können weitere oder andere Kriterien für das Verschieben der Randpunkte in die Ausgleichsfläche herangezogen werden.
Insbesondere kann die Marke oder die erste Marken-Oberfläche, wie bereits bekannt, zumindest einen Marken-Punkt eindeutig definieren. In diesem Fall wird es bevorzugt, dass der Marken-Punkt anhand des korrigierten Satzes von Randpunkten oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie in dem dreidimensionalen Koordinatensystem bestimmt wird. Ein solcher Marken-Punkt ist insbesondere der oben bereits erwähnte, durch die Marken-Oberfläche und/oder die Marke eindeutig definierte Punkt. Alternativ oder zusätzlich kann der Marken-Punkt später, nach Ausführung der im Folgenden beschriebenen zusätzlichen Verfahrensschritte bestimmt werden. Dies ermöglicht eine noch genauere Bestimmung des Marken-Punktes.
Gemäß einem dieser bevorzugten Verfahrensschritte wird anhand des korrigierten Satzes von Randpunkten oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie in dem Datensatz eine Menge von Punkten mit Oberflächen-Koordinaten der Szene ermittelt, die entlang der Ausgleichsfläche innerhalb der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie liegen, die jedoch nicht auf der ersten geschlossen umlaufenden Randlinie oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie liegen. Es wird eine zweite Ausgleichsfläche in die Menge von Punkten eingepasst, sodass die Punkte der Menge von Punkten in dem dreidimensionalen Koordinatensystem teilweise auf einer ersten Seite der zweiten Ausgleichsfläche und teilweise auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der zweiten Ausgleichsfläche positioniert sind.
Der korrigierte Satz von Randpunkten oder die korrigierte geschlossen umlaufende Randlinie ermöglichen es, die Menge von Punkten des Datensatzes zu ermitteln, die der Marken-Oberfläche entsprechen. Grundsätzlich, wenn auch nicht bevorzugt, ermöglicht es bereits der ersten Satz von Randpunkten oder eine dem ersten Satz von Randpunkten entsprechender Randlinie, die Menge von Datenpunkten des Datensatzes zu ermitteln, die der Marken-Oberfläche entsprechen.
Bevorzugt wird, dass die Menge von Punkten, in die die zweite Ausgleichsfläche eingepasst wird, lediglich eine Teilmenge der Punkte ist, die unter Verwendung des korrigierten Satzes von Randpunkten, der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie, des ersten Satzes von Randpunkten oder der dem ersten Satz von Randpunkten entsprechenden Randlinie als der Marken-Oberfläche entsprechende Punkte identifiziert werden. Insbesondere kann die Teilmenge dadurch ermittelt werden, dass Punkte und insbesondere alle Punkte ermittelt werden, die - bezogen auf die zweite Ausgleichsfläche (z.B. wenn senkrecht in die zweite Ausgleichsfläche projiziert) - einen Mindestabstand von den Randpunkten oder der Randlinie haben oder von einem eindeutig definierten Marken-Punkt (z.B. Kreismittelpunkt) einer kreisförmigen Marken-Oberfläche einen maximalen Abstand aufweisen oder innerhalb eines Bereichs vorgegebener Form und Größe liegen (insbesondere in Bezug auf den Marken-Punkt, wie z. B. innerhalb eines Rechtecks oder anderen Polygons mit dem Marken-Punkt im Zentrum. Im Fall des Kreismittelpunktes kann der maximale Abstand z.B. im Bereich von 70% bis 80 % des Kreisradius liegen. Der eindeutig definierte Marken-Punkt und weitere, für die Ermittlung der Teilmenge erforderliche Größen (wie z.B. der Kreisradius) können durch Auswertung des korrigierten Satzes von Randpunkten, der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie, des ersten Satzes von Randpunkten und/oder der dem ersten Satz von Randpunkten entsprechenden Randlinie ermittelt werden. Es werden daher z.B. ein vorläufig gültiger Kreismittelpunkt und ein vorläufig gültiger Kreisradius ermittelt, um die Teilmenge zu bestimmen.
Die in die Menge von Punkten eingepasste zweite Ausgleichsfläche kann eine bessere Näherung der Marken-Oberfläche bilden als die erste Ausgleichsfläche, da die bisher bestimmten Randpunkte und/oder die bisher bestimmte Randlinie nicht zu der Menge von Punkten gehören und am Rand des Oberflächenbereichs liegende Ausreißer, auch wenn sie durch Verschieben in die erste Ausgleichsfläche korrigiert wurden, in der Regel zu einer größeren Abweichung der Ausgleichsfläche von der tatsächlichen Marken-Oberfläche führen. Durch die Einschränkung der Menge von Punkten auf eine Teilmenge, die in einem zentralen Bereich der Menge von Punkten liegen, wie im Beispiel innerhalb von einem Umkreis mit 75 % des vorläufig bestimmten Kreisradius, kann die zweite Ausgleichsfläche in der Regel noch besser an die Marken-Oberfläche angepasst werden.
Insbesondere können nach dem Einpassen der zweiten Ausgleichfläche Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten oder Randpunkte des korrigierten Satz von Randpunkten in die zweite Ausgleichsfläche verschoben werden, sodass ein zweiter korrigierter Satz von Randpunkten entsteht, wobei die Randpunkte des zweiten korrigierten Satzes von Randpunkten Stützstellen einer zweiten korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand der ersten Marken-Oberfläche entspricht.
Wenn die Menge von Punkten, in die die zweite Ausgleichsfläche eingepasst wurde, lediglich unter Verwendung des ersten Satzes von Randpunkten und/oder der dem ersten Satz von Randpunkten entsprechenden Randlinie ermittelt wurde, dann kann auf das Einpassen der ersten Ausgleichsfläche verzichtet werden. In jedem Fall können sämtliche Details, die bezüglich der ersten Ausgleichsfläche in dieser Beschreibung beschrieben sind, auch auf die zweite Ausgleichsfläche zutreffen. Z.B. kann auch die zweite Ausgleichsfläche eine ebene Ausgleichsfläche sein und/oder kann beim Einpassen der zweiten Ausgleichsfläche vorab bekannte Information über die Marke und insbesondere die Geometrie (Größe und/oder Form) des Randes der Marken-Oberfläche und/oder der durch den Rand umrandeten Markenoberfläche genutzt werden. Während jedoch die erste Ausgleichsfläche gegebenenfalls in zumindest eine Teilmenge der Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten eingepasst wird, wird die zweite Ausgleichsfläche in die Menge von Punkten eingepasst, die der Marken-Oberfläche nicht am Rand, sondern in einem innerhalb des Randes liegenden Bereichs entsprechen.
Durch Verschieben des ersten Satzes von Randpunkten oder von Randpunkten des korrigierten Satzes von Randpunkten in die zweite Ausgleichsfläche, die insbesondere entsprechend wie das Verschieben von Randpunkten des ersten Satzes von Randpunkten in die erste Ausgleichsfläche ausgeführt werden kann, wird eine in der Regel verbesserte Näherung für den Rand erhalten.
Optional kann unter Anwendung statistischer Verfahren eine Verteilung des Abstandes der Menge von Punkten, in die die zweite Ausgleichsfläche eingepasst wird, von der Ausgleichsfläche ermittelt werden. Nun kann ein statistisches Kriterium angewendet werden um festzustellen, ob dieser Abstand statistisch betrachtet zu groß ist. Ein Beispiel für ein statistisches Kriterium ist die Breite bzw. Standardabweichung einer gaußschen Verteilung der Abstände der Punkte. Ist die statistische Abweichung zu groß, kann entschieden werden, dass die Ausgleichsfläche keine geeignete Fläche zur Näherung der Marken-Oberfläche ist und insbesondere durch eine Menge von Punkten ermittelt wurde, die nicht der zu bestimmenden Marke oder der zu bestimmenden Marken-Oberfläche entsprechen.
Insbesondere kann wie oben erwähnt die Marke oder die erste Marken-Oberfläche zumindest einen Marken-Punkt eindeutig definieren und kann der Marken-Punkt anhand des zweiten korrigierten Satzes von Randpunkten oder der zweiten korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie in dem dreidimensionalen Koordinatensystem bestimmt werden.
Oben erwähnte Details zu der Bestimmung des Marken-Punktes anhand des ersten korrigierten Satzes von Randpunkten können entsprechend auch auf die Bestimmung des Marken-Punktes anhand des zweiten korrigierten Satzes von Randpunkten zutreffen.
Bei der Marke kann es sich insbesondere um eine solche Marke handeln, deren durch einen geschlossen umlaufenden Rand berandete erste Marken-Oberfläche eine Oberfläche mit einem höheren Reflexionsgrad für eine Laserstrahlung des Laserscanners ist als zumindest eine bezüglich der ersten Marken-Oberfläche jenseits des geschlossen umlaufenden Randes liegende, sich an den geschlossen umlaufenden Rand anschließende, zweite Marken-Oberfläche, die somit einen niedrigeren Reflexionsgrad für die Laserstrahlung aufweist. Dies ermöglicht es, die Marken-Oberfläche mittels des Laserscanners in einer Weise abzutasten und einen entsprechenden Datensatz zu erzeugen, der zuverlässig und genau auswertbar ist.
Insbesondere kann eine Beleuchtung der Szene durch den Laserscanner so schwach eingestellt werden, dass der Laserscanner von der zweiten Marken-Oberfläche keine Oberflächenpunkte erfasst, wobei die Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten ermittelt werden, indem berücksichtigt wird, dass in dem Datensatz keine unmittelbar benachbarten Oberflächenpunkte vorhanden sind, die in einem Bereich des dreidimensionalen Koordinatensystems liegen, der der zweiten Marken-Oberfläche entspricht. Insbesondere bei einer Vernetzung der Punkte des Datensatzes in der oben erwähnten Weise, wobei Verbindungslinien zwischen Punkten des Netzes eine Nachbarschaft der miteinander verbundenen Punkte bedeuten, können die Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten besonders zuverlässig und auf besonders einfache Weise ermittelt werden. Die Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten sind dadurch gegenüber Punkten innerhalb einer Oberfläche ausgezeichnet, dass Nachbarpunkte fehlen, die der zweiten Marken-Oberfläche entsprechen.
Alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen schwachen Beleuchtung der Szene durch den Laserscanner kann der Laserscanner zwar Oberflächenpunkte der zweiten Marken-Oberfläche erfassen. Bei der Verarbeitung der durch den Laserscanner von der Szene erfassten Information kann aber anhand der geringen Intensität der von der zweiten Marken-Oberfläche reflektierten Strahlung festgestellt werden, dass die Oberflächenpunkte der zweiten Marken-Oberfläche nicht zur ersten Marken-Oberfläche gehören. Auch dies ermöglicht eine besonders zuverlässige Bestimmung des Randes der ersten Marken-Oberfläche.
Das Beleuchten der Szene durch den Laserscanner mit so schwacher Beleuchtung, dass der Laserscanner von der zweiten Marken-Oberfläche keine Oberflächenpunkte erfasst, kann auch dann ausgeführt werden und es können entsprechende Daten von der Szene erzeugt werden, wenn das in dieser Beschreibung beschriebene Verfahren zur Auswertung des Datensatzes nicht ausgeführt wird und stattdessen z.B. ein anderes Verfahren ausgeführt wird, um die Marke zu bestimmen oder die Daten auf andere Weise auszuwerten.
Eine schwache Beleuchtung der Szene durch den Laserscanner kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die für die Aufnahme eines einzelnen Punktes oder mehrerer gleichzeitig aufgenommener Punkte der Szene auf die Szene eingestrahlte Beleuchtung (d.h. Laserstrahlung) auf ein entsprechend kurzes Beleuchtungszeitintervall beschränkt wird. Danach wird erneut beleuchtet, um einen weiteren Punkt oder gleichzeitig mehrere weitere Punkte der Szene aufzunehmen. Alternativ oder zusätzlich kann die Dauer des Zeitintervalls, über das hinweg eine Aufnahmeeinrichtung des Laserscanners (insbesondere eine Kamera) von der Szene reflektierte Laserstrahlung aufnimmt und die während des Zeitintervalls einfallende Strahlungsmenge aufintegriert wird, so kurz sein, dass die berücksichtigte Beleuchtung der Szene durch den Laserscanner schwach ist. Auch wenn es nicht bevorzugt wird, kann eine schwache Beleuchtung der Szene durch den Laserscanner auch dadurch erzielt werden, dass die von dem eigentlichen Laser, d.h. der Strahlungsquelle des Laserscanners, ausgehende Strahlungsintensität, die Strahlungsflussdichte, schwach eingestellt wird. In jedem Fall kann eine schwache Beleuchtung der Szene so erreicht werden, dass die Beleuchtung stufenweise oder kontinuierlich immer schwächer eingestellt wird, bis der Laserscanner von der zweiten Marken-Oberfläche keine Oberflächenpunkte mehr erfasst. Ein entsprechender Wert der Einstellung kann bei weiteren Abtastungen der Szene zum Zweck der Markenbestimmung auch später wieder eingestellt werden.
Insbesondere kann die Szene bei der Erfassung der Oberflächen-Koordinaten der Szene nacheinander durch jeweils einen Raumbereich hindurch gleichzeitig mit Laserstrahlung bestrahlt werden, wobei die Raumbereiche mit ihren Querschnittsflächen geradlinige Schnittlinien aufweisen, sodass von dem Laserscanner gleichzeitig Messpunkte der Oberflächen-Koordinaten der Szene aufgenommen werden, die entlang einem linienartigen Verlauf des jeweils gleichzeitig beleuchteten Oberflächenbereichs der Szene aufeinander folgend angeordnet sind. Eine derartige Abtastung ist grundsätzlich bereits bekannt.
Beim Ermitteln eines Satzes von Randpunkten, insbesondere des ersten Satzes von Randpunkten, in dem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatz und/oder bei dem Einpassen der ersten und/oder zweiten Ausgleichsfläche in zumindest eine Teilmenge der Randpunkte des ersten Satzes von Randpunkten kann in diesem Fall berücksichtigt werden, dass der geschlossen umlaufende Rand der ersten Marken-Oberfläche aufgrund des linienartigen Verlaufs vom Laserscanner genauer erfasst wird, wenn der geschlossen umlaufende Rand den linienartigen Verlauf unter einem weniger von 90 Grad abweichenden Schnittwinkel schneidet, als wenn der geschlossen umlaufende Rand den linienartigen Verlauf unter einem mehr von 90 Grad abweichenden Schnittwinkel schneidet oder tangential zu dem linienartigen Verlauf ist.
Insbesondere kann zunächst ein Satz von Randpunkten ermittelt werden und dann insbesondere unter Berücksichtigung vorab bekannter Informationen über die Form und/oder Größe des Randes ermittelt werden, unter welchem Winkel der linienartige Verlauf den Rand schneidet. Vorzugsweise werden für zumindest einen weiteren Schritt der Verarbeitung des Satzes von Randpunkten solche Randpunkte aus dem Satz ausgeschlossen, an deren Position der linienartige Verlauf die Randlinie unter einem Schnittwinkel schneidet, der mehr als um einen vorgegebenen Betrag von 90° abweicht.
In jedem Fall ermöglicht es die Berücksichtigung der Abweichung des Schnittwinkels von 90° die weitere Auswertung des Satzes von Randpunkten in einer Weise durchzuführen, die zu genaueren Ergebnissen bei der Bestimmung der Marke führt. Eine Alternative zum Ausschluss von Randpunkten aus dem Satz von Randpunkten für die weitere Verarbeitung besteht darin, die Punkte des Satzes von Randpunkten bei der weiteren Verarbeitung unterschiedlich stark zu gewichten. Dies betrifft z.B. das Einpassen der ersten Ausgleichsfläche, das Ermitteln der innerhalb der Randlinie liegenden Punkte, die der Marken-Oberfläche entsprechen, das Bestimmen des eindeutig definierten Marken-Punktes und/oder das Bestimmen der Marken-Oberfläche, insbesondere hinsichtlich Form und/oder Größe.
Wie auch das oben beschriebene Verfahren der Abtastung einer Szene durch den Laserscanner mit schwacher Beleuchtung kann das im Folgenden beschriebene Verfahren der Abtastung der Szene vor der in dieser Beschreibung beschriebenen Auswertung des erhaltenen Datensatzes ausgeführt werden. Sie kann jedoch auch dann ausgeführt werden, wenn die in dieser Beschreibung beschriebene Auswertung des Datensatzes nicht oder in anderer Weise ausgeführt wird.
Das im Folgenden beschriebene Verfahren bei der Abtastung der Szene durch den Laserscanner geht davon aus, dass Oberflächen-Koordinaten der Szene nacheinander in einem ersten und in einem zweiten Erfassungsprozess erfasst werden, wobei der zweite Erfassungsprozess vor oder nach dem ersten Erfassungsprozess ausgeführt wird und wobei durch den ersten Erfassungsprozess der Datensatz erhalten wird, der zur Bestimmung einer Marke genutzt wird, und durch den zweiten Erfassungsprozess ein Datensatz erhalten wird, aus dem Oberflächen der Szene außerhalb der in der Szene angeordneten Marke oder der in der Szene angeordneten Marken bestimmt werden. In dem zweiten Erfassungsprozess wird daher die eigentliche Oberflächeninformation der Szene ermittelt. Es wird nun vorgeschlagen, dass

- der Laserscanner reflektierte Strahlung der Szene in dem ersten Erfassungsprozess mit geringerer Strahlungsmenge pro erfasstem Raumwinkel erfasst als in dem zweiten Erfassungsprozess,
- eine Frequenz einer wiederholten Bestrahlung der Szene mit Laserstrahlung und Erfassung der von der Szene reflektierten Strahlung durch den Laserscanner in dem ersten Erfassungsprozess größer ist als in dem zweiten Erfassungsprozess,
- eine Aufnahmeeinrichtung des Laserscanners in dem ersten Erfassungsprozess reflektierte Laserstrahlung aus einem kleineren Raumwinkelbereich empfängt und aufnimmt als in dem zweiten Erfassungsprozess und/oder
- eine örtliche Auflösung bei einer gleichzeitigen Erfassung der von der Szene reflektierten Strahlung durch den Laserscanner in dem ersten Erfassungsprozess kleiner ist als in dem zweiten Erfassungsprozess.

In all diesen Fällen, die auch miteinander kombiniert werden können, unterscheiden sich der erste und der zweite Erfassungsprozess und ist der erste Erfassungsprozess auf diese Weise an die Erfassung von Marken angepasst. Der erstgenannte Fall, bei dem der Laserscanner reflektierte Strahlung mit geringerer Strahlungsmenge erfasst als in dem zweiten Erfassungsprozess, ist insbesondere der oben beschriebene Fall, bei der der Laserscanner die Szene mit schwacher Beleuchtung erfasst. Insbesondere bei Marken mit einer stark reflektierenden Marken-Oberfläche, die einen höheren Reflexionsgrad für Laserstrahlung als zumindest eine andere Marken-Oberfläche und/oder als ein angrenzender Bereich der Szene hat, kann die Marken-Oberfläche wie oben beschrieben gut erfasst und ausgewertet werden.
Gemäß dem zweiten Fall der höheren Frequenz der wiederholten Bestrahlung der Szene im ersten Erfassungsprozess kann insbesondere bei handgeführten oder maschinengeführten, d.h. bewegten Laserscannern, das durch die Bewegung erzeugte Raster der Abtastung geringere Abstände zwischen nacheinander erfassten Oberflächenbereichen der Szene aufweisen. Dadurch kann die Marke oder können die Marken genauer abgetastet werden.
Im dritten Fall des kleineren Raumwinkelbereichs, kann zumindest eine Marke innerhalb des Raumwinkelbereichs erfasst werden, können jedoch Oberflächenbereiche außerhalb des kleineren Raumwinkelbereichs außer Acht gelassen werden. Die Auswertung der erfassten Daten wird dadurch beschleunigt.
Im vierten Fall der kleineren örtlichen Auflösung bei der gleichzeitigen Erfassung von Oberflächenbereichen der Szene wird die Datenmenge für die Bestimmung der Marken-Oberfläche verringert. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass insbesondere bei den oben beschriebenen Abtastungen der Szene mit linienartigem Verlauf der vom Laserscanner auf die Szene eingestrahlten Beleuchtung der Abstand der gleichzeitig erfassten Punkte in der Regel so klein ist, dass die örtliche Auflösung für die Erfassung der Szene außerhalb der Marken sehr gut ist. Bei der Erfassung der Marken wird aber die hohe örtliche Auflösung entlang der linienartigen Beleuchtung nicht benötigt und kann reduziert werden. Die örtliche Auflösung entlang des linienartigen Verlaufs weicht dann insbesondere weniger stark von der örtlichen Auflösung quer zum linienartigen Verlauf ab, wenn der Laserscanner ein handgeführt oder maschinengeführt bewegter Laserscanner ist.
Ein weiterer Aspekt, der insbesondere, jedoch nicht zwingend in Kombination mit dem in dieser Beschreibung beschriebenen Verfahren der Auswertung des Datensatzes angewendet werden muss, betrifft Informationen über die Szene aus anderen Quellen. Unter Quellen wird hier insbesondere die Erfassung mittels anderer Verfahren als durch Laserscan verstanden. Bekannt ist es z.B., Szenen mittels Photogrammetrie zu erfassen. Dabei werden zunächst Informationen über die Szene in einem zweidimensionalen Koordinatensystem erfasst und aufgenommen. Das Ziel der Erfassung ist die Gewinnung von dreidimensionalen Informationen über die Szene. Unter den Begriff der Photogrammetrie fallen verschiedene Messmethoden und Auswerteverfahren. Insbesondere können Stereobildverfahren, d.h. die Nutzung von ein- oder zweidimensionalen Bildern aus verschiedenen Blickwinkeln auf die Szene, und/oder Projektionsverfahren eingesetzt werden, bei denen Beleuchtungsmuster auf die Szene eingestrahlt werden. Allen Verfahren der Photogrammetrie ist es gemeinsam, dass in Bezug auf ein- oder zweidimensionale Bilder der Szene zusätzliche Tiefeninformation gewonnen wird, d.h. Information über den Abstand der Kamera zu dem jeweiligen Oberflächenpunkt der Szene.
Es ist auch bereits bekannt, mittels Photogrammetrie Marken zu erfassen, die in der Szene an und/oder neben den eigentlichen zu untersuchenden Objekten der Szene angebracht sind. Z.B. im Fall einer kreisförmigen Marken-Oberfläche ist das zweidimensionale Abbild in der Regel eine Ellipse, aus der jedoch der Mittelpunkt des Kreises mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Z.B. gegenüber der Erfassung der Marken mittels handgeführter Laserscanner ist heutzutage eine genauere Bestimmung der Position eines eindeutig durch die jeweilige Marke definierten Marken-Punktes möglich. Bezogen auf eine Kamera, die zur Erfassung der Szene bei der Photogrammetrie eingesetzt wird, gelingt die Bestimmung solcher Marken-Punkte mit einer örtlichen Auflösung, die größer ist als die Abmessungen der Kamerapixel der digitalen Kamera.
Zwischen bzw. außerhalb der Marken in der Szene ist jedoch die örtliche Auflösung bei der Bestimmung von Tiefeninformation im Fall von Laserscannern größer als bei der Photogrammetrie. Es wird daher vorgeschlagen, das in dieser Beschreibung beschriebene Verfahren zur Auswertung von Datensätzen, die mittels eines Laserscanners erzeugt werden oder wurden, mit der Auswertung von Photogrammetriedaten zu kombinieren. Insbesondere wird zumindest eine Marke in einer Szene, die durch den Laserscan erfasst wurde, in dem Datensatz des Laserscans bestimmt und wird das dreidimensionale Koordinatensystem des Datensatzes mit einem Photogrammetrie-Koordinatensystem registriert, d.h. die erforderliche Transformation zwischen den Koordinatensystemen wird ermittelt und optional auch ausgeführt. Insbesondere kann dadurch Information aus dem Koordinatensystem der Photogrammetriedaten über die Marke und vorzugsweise über eine Mehrzahl von Marken in der Szene in dem dreidimensionalen Koordinatensystem der Laserscannerdaten verfügbar gemacht werden und/oder kann die Information des Datensatzes aus dem Laserscan in dem Koordinatensystem der Photogrammetriedaten verfügbar gemacht werden. Auf diese Weise kann insbesondere die unter Umständen in Bezug auf die Position der Marken in der Szene genauere Information aus der Photogrammetrie mit der unter Umständen in Bezug auf die höher aufgelöste Tiefeninformation aus dem Laserscan der Szene kombiniert werden. Alternativ oder zusätzlich kann Information aus verschiedenen Laserscanner-Abtastungen von insbesondere einander nicht überlappenden Oberflächenbereichen der Szene mittels der durch Auswertung der Photogrammetriedaten bestimmten Marken in der Szene in einem für die verschiedenen Laserscanner-Abtastungen gemeinsamen Koordinatensystem (zum Beispiel einem Koordinatensystem der Szene, d. h. das Koordinatensystem ist ortsfest in Bezug auf die Szene) verfügbar gemacht werden.
Z.B. wird die gesamte Szene oder ein Großteil der Oberfläche der Szene mittels Photogrammetrie erfasst und ausgewertet, sodass die Position und/oder Ausrichtung von einer Mehrzahl von Marken in der Szene aus der Photogrammetrie in einem ersten dreidimensionalen Koordinatensystem der Szene bekannt ist. Durch Bestimmen der Position und/oder Ausrichtung zumindest teilweise derselben Marken, die auch mittels der Photogrammetrie bestimmt werden, aus der jeweiligen Laserscanner-Abtastung kann ermittelt werden, an welcher Position und/oder bei welcher Ausrichtung sich die von dem Laserscanner erfassten Marken in dem ersten dreidimensionalen Koordinatensystem befinden. Dabei kann insbesondere für jede Laserscanner-Abtastung jeweils ein zweites dreidimensionales Koordinatensystem definiert werden, auf das bezogen der jeweilige Datensatz als Ergebnis des Laserscanner-Abtastvorganges vorliegt. Diese Datensätze können jeweils zur Bestimmung der Marke in der in dieser Beschreibung beschriebenen Verfahrensweise ausgewertet werden. Anschließend kann die Registrierung des ersten dreidimensionalen Koordinatensystems der Szene mit den einzelnen zweidimensionalen Koordinatensystemen der Laserscanner-Abtastungen durchgeführt werden, d.h. können die entsprechenden Transformationen ermittelt werden. Als Ergebnis davon werden die Informationen aus den verschiedenen Laserscanner-Abtastungen in dem ersten dreidimensionalen Koordinatensystem der Szene verfügbar gemacht.
Der Vorschlag ist nicht auf diese Verwendung von Koordinatensystemen beschränkt. Vielmehr können z.B. die Photogrammetriedaten und die Daten aus den verschiedenen Laserscanner-Abtastungen alternativ alle in ein drittes dreidimensionales Koordinatensystem transformiert werden. In diesem Fall liegen die Ergebnisse der Photogrammetrie und der verschiedenen Laserscanner-Abtastungen zunächst jeweils bezogen auf ein anderes Koordinatensystem vor, das nicht das dritte dreidimensionale Koordinatensystem ist. Bei diesen anderen Koordinatensystemen kann es sich z.B. um Koordinatensysteme handeln, die auf die jeweilige Abtastvorrichtung (z.B. Kamera oder Kameraanordnung der Photogrammetrie und des Laserscanners) bezogen sind.
Ferner ist es insbesondere möglich, aus der Photogrammetrie erhaltene Farbinformation, d.h. Information über die spektrale Verteilung der von der Szene reflektierten und/oder abgestrahlten Strahlung, gemeinsam mit der Information aus dem Laserscan oder den verschiedenen Laserscanner-Abtastungen verfügbar zu machen, z.B. in dem ersten dreidimensionalen Koordinatensystem der Szene oder dem dritten dreidimensionalen Koordinatensystem.
Nicht nur in dem Fall, dass die Ergebnisse zumindest einer Laserscanner-Abtastung mit Photogrammetriedaten kombiniert werden, kann der zumindest eine Laserscanner handgeführt und/oder maschinengeführt relativ zur Szene bewegt werden und kann die Bewegung mittels eines Trackingsystems verfolgt werden. Insbesondere kann das Tracking durch Triangulation, z.B. mittels zweier Kameras, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind und die jeweils fortlaufend Bilder des Laserscanners aufnehmen, realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Laserscanner ein Signal zu dem Trackingsystem aussenden, anhand dessen das Trackingsystem die Position und/oder Ausrichtung des Laserscanners insbesondere in einem dreidimensionalen Koordinatensystem der Szene fortlaufend ermittelt. Im Fall eines durch ein Koordinatenmessgerät, einen Roboter oder eine Werkzeugmaschine bewegten Laserscanners können die Position und/oder Ausrichtung des Laserscanners aus dem Positionsmesssystem des Gerätes bzw. der Maschine ermittelt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:

1 schematisch eine Draufsicht auf eine Szene, wobei nacheinander verschiedene Oberflächenbereiche der Szene mittels eines Laserscanners abgetastet werden,
2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Marke mit einer kreisförmigen stärker reflektierenden Fläche und einer kreisringförmigen, konzentrischen schwächer reflektierenden Oberfläche,
3 schematisch eine Anordnung mit einem Laserscanner, einer Auswertungseinrichtung zur Auswertung der vom Laserscanner erzeugten Signale aus der Abtastung einer Szene und mit einem Datenspeicher,
4 eine Ausführungsform der in 3 dargestellten Auswertungseinrichtung,
5 ein Flussdiagramm mit Verfahrensschritten bei der Bestimmung einer Marke aus einem Laserscanner-Datensatz
6 eine zweidimensionale Darstellung eines Ausschnitts eines Datensatzes mit Oberflächenpunkten einer Szene, wobei die Oberflächenpunkte mit benachbarten Oberflächenpunkten durch geradlinige Verbindungen verbunden sind, sodass ein Netz entsteht,
7 zwei Sätze von Randpunkten aus einem Laserscanner-Datensatz, die dem Außenrand der Kreisfläche und dem Außenrand des Kreisrings der in 2 dargestellten Marke entsprechen,
8 den Satz von Randpunkten aus 7, der dem Außenrand der Kreisfläche der in 2 dargestellten Marke entspricht, und eine Menge von Oberflächenpunkten der Kreisfläche, die sich in einem zentralen Bereich der Kreisfläche befinden,
9 eine Mehrzahl von geraden Linien, entlang denen jeweils eine Mehrzahl von aufgenommenen Oberflächenpunkten einer Szene angeordnet sind, wobei einige der geraden Linien die in 2 dargestellte Marke schneiden,
10 Abschnitte von vier der geraden Linien, die sich in der Darstellung der 9 innerhalb der Kreisfläche der Marke befinden, und
11 für die vier in 10 dargestellten Abschnitte der geraden Linien eine erste geschlossen umlaufende Randlinie, die einer ersten Näherung einer Kreislinie entspricht, die den Außenrand der Kreisfläche des Markers bildet.

1 zeigt schematisch eine Szene 2, die beispielsweise wie dargestellt zwei miteinander verbundene Werkstückteile 2a, 2b aufweist. Die schematische Darstellung in 2 ist als zweidimensionale Ansicht der Szene und weiterer Einrichtungen zu verstehen, d.h. die Szene 2 nimmt einen dreidimensionalen Raumbereich ein.
Die Oberfläche der Szene 2 wird mittels eines Laserscanners 1 in verschiedenen Relativpositionen und relativen Orientierungen des Laserscanners 1 zur Szene 2 abgetastet. Beim Abtasten wird die vom Laserscanner 1 auf die Szene 2 eingestrahlte Laserstrahlung über die Oberfläche der Szene 2 bewegt. Dabei wird reflektierte Laserstrahlung von einer Vielzahl von Oberflächenpunkten der Szene 2 vom Laserscanner 1 erfasst und für jeden der erfassten Oberflächenpunkte werden die Koordinaten des Oberflächenpunkts in einem dreidimensionalen Koordinatensystem des Laserscanners 1 ermittelt.
Bei dem Laserscanner 1 handelt es sich insbesondere um einen handgeführten Laserscanner, der z.B. zu jedem Zeitpunkt der Abtastung einen Raumbereich ausleuchtet, welcher im Querschnitt, d.h. etwa senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung der Laserstrahlung geradlinig ist. Die gleichzeitig vom Laserscanner erfassbaren Oberflächenpunkte der Szene befinden sich daher ausgehend vom Laserscanner auf Geraden, die eine solche gerade Querschnittslinie entsprechend der örtlichen Auflösung des Laserscanners in Abständen zu ihren Nachbarschnittpunkten schneiden. Entsprechende Verteilungen von erfassten Oberflächenpunkten sind in den 9 bis 11 schematisch dargestellt, welche noch näher beschrieben werden.
Im Fall eines Laserscanners, der die Tiefeninformation der Oberfläche der Szene mittels Triangulation erfasst, schneiden die Verbindungslinien der gleichzeitig erfassten Oberflächenpunkte zu der Empfangseinrichtung des Laserscanners für die reflektierte Laserstrahlung im Allgemeinen nicht mehr geradlinige Querschnittslinien. Dies ist nur bei ebenen Oberflächenbereichen der Szene der Fall. Gekrümmte und abgewinkelte Oberflächenbereiche verzerren den Querschnitt in Bezug auf die reflektierte Strahlung.
Die Erfassung der in 1 dargestellten Szene 2 mittels des Laserscanners 1 ist jedoch nicht auf solche Linienscanner mit Triangulation beschränkt, sondern es können beliebige Laserscanner eingesetzt werden. Auch kann die Szene nicht nur nacheinander mit demselben Laserscanner 1 abgetastet werden, sondern gleichzeitig und/oder nacheinander mit mehreren Laserscannern und/oder mittels einer Optik, die die auf die Szene eingestrahlte Laserstrahlung gleichzeitig und/oder nacheinander auf verschiedene Oberflächenbereiche der Szene 2 lenkt.
Im Ausführungsbeispiel, das in 1 dargestellt ist, werden die Position und die Ausrichtung des Laserscanners 1 von einem Trackingsystem 3 ermittelt. Angedeutet in 1 ist die Ausführung des Trackingsystems 3 mit zumindest einer Einrichtung, die die Position und Ausrichtung des Laserscanners 1 mittels Triangulation bestimmt. Insbesondere können weitere solche Einrichtungen als Teil desselben Trackingsystems vorhanden sein, um z.B. den Laserscanner 1 in der unten in 1 dargestellten Position zu erfassen.
Außerdem sind in 1 zwei Kameras 12 schematisch dargestellt, mit denen die Szene 2 optional zusätzlich zu dem zumindest einen Laserscanner erfasst wird. Aus den von den Kameras 12 aufgenommenen Bildern der Szene 2 können durch Photogrammetrie ebenfalls dreidimensionale Informationen über den Oberflächenverlauf der Szene 2 ermittelt werden. Die Darstellung zweier Kameras 12 oder derselben Kamera 12 in verschiedenen Relativpositionen und relativen Ausrichtungen zur Szene 2 ist schematisch zu verstehen. Es können mehr oder weniger Kameras verwendet werden als dargestellt.
Um die Erfassung der Szene 2 durch den zumindest einen Laserscanner 1 zu ermöglichen oder zu erleichtern, sind in der Szene 2 mehrere Marken 4 platziert. Die Marken 4 können unmittelbar an der Oberfläche des Werkstücks oder der Werkstücke 2a, 2b befestigt sein, deren Oberfläche durch den Laserscanner abgetastet wird. Wie durch zwei der Marken 4, die nicht in Kontakt mit den Werkstücken 2a, 2b sind, angedeutet ist, können jedoch zusätzliche Marken 4 in der Szene 2 platziert sein. In der Praxis kann eine sehr viel größere Anzahl von Marken in der Szene platziert sein als in 1 dargestellt. Vorzugsweise befinden sich in jedem Oberflächenbereich, der während einer Laserscanner-Abtastung erfasst wird, zumindest drei Marken und vorzugsweise eine weitaus größere Anzahl von Marken, z.B. zwölf oder mehr Marken. Bei den Marken 4 kann es sich sowohl um gleich ausgestaltete Marken handeln, deren Bilder ohne Zusatzinformation nicht voneinander unterschieden werden können, als auch um Marken mit Identifikationsmerkmalen handeln, die eindeutig aus den Daten ermittelt werden können, die mittels des zumindest einen Laserscanners erfasst werden.
Z.B. handelt es sich bei den Marken um solche mit einer zweidimensionalen, ebenen Oberfläche. Ein Beispiel einer solchen Marke ist in 2 schematisch dargestellt. Die Marke 4 in 2 weist eine zentrale kreisförmige Marken-Oberfläche 6 auf, die demgemäß einen geschlossen umlaufenden Rand 8 in Form einer Kreislinie hat. Der Kreismittelpunkt 5 ist in 2 lediglich zur Veranschaulichung der Marke 4 dargestellt. Die Marke 4 weist in ihren konkreten Ausführungsformen im Kreiszentrum kein besonderes Merkmal auf, das auf den Ort des Kreismittelpunktes 5 hinweist.
Umgeben ist die kreisförmige Marken-Oberfläche 6 von einem bezüglich des Kreismittelpunktes 5 konzentrischen Kreisring 7, welcher wiederum einen geschlossen umlaufenden Rand 9 in Form einer Kreislinie hat. Die Marken-Oberfläche 6 weist über ihre gesamte Oberfläche einen höheren Reflexionsgrad für Laserstrahlung des Laserscanners auf als jeder Oberflächenpunkt innerhalb des Kreisrings 7, welcher als eine zweite Marken-Oberfläche aufgefasst werden kann. Insbesondere ist die erste Marken-Oberfläche 6, die Kreisfläche, „weiß“, d.h. weist einen durchgehend sehr hohen Reflexionsgrad von mehr als 90 %, vorzugsweise mehr als 95 % auf. Dagegen ist die zweite Marken-Oberfläche 7, der Kreisring, vorzugsweise „schwarz“, d.h. weist durchgehend einen sehr niedrigen Reflexionsgrad von weniger als 10 %, vorzugsweise weniger als 5 % auf.
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung der in 2 dargestellten Marke 4 und deren Bestimmung beschränkt. Beispiele für andere Marken wurden bereits beschrieben.
Die schematische Darstellung in 3 zeigt, dass derjenige Teil 11 des Laserscanners, der die von der Szene reflektierte Laserstrahlung empfängt, mit einer Auswertungseinrichtung 21 verbunden ist, welche in den z.B. beweglich ausgeführten Laserscanner integriert sein kann, teilweise darin integriert sein kann oder separat angeordnet sein kann. Die Auswertungseinrichtung 21 wertet die von der Empfangseinrichtung des Laserscanners empfangene Laserstrahlung und/oder die daraus extrahierte Information über die Oberfläche der abgetasteten Szene aus und erzeugt den Datensatz mit dreidimensionalen Oberflächen-Koordinaten der Szene. Selbstverständlich befinden sich die durch die dreidimensionalen Oberflächen-Koordinaten definierten Oberflächenpunkte der Szene ausschließlich in dem durch die Laserscanner-Abtastung erfassten Oberflächenbereich der Szene. Dies schließt es nicht aus, dass nacheinander und/oder durch verschiedene Laserscanner unterschiedliche Oberflächenbereiche der Szene abgetastet werden und jeweils ein solcher Datensatz erzeugt wird oder dass die Ergebnisse aus verschiedenen Laserscanner-Abtastungen zu einem gemeinsamen Datensatz kombiniert werden. Der Datensatz oder die Datensätze können insbesondere in dem in 3 schematisch dargestellten Datenspeicher 22 gespeichert werden, mit dem die Auswertungseinrichtung 21 verbunden ist. Die Auswertungseinrichtung 21 kann daher das Ergebnis ihrer Auswertung in dem Datenspeicher 22 abspeichern und insbesondere für die Bestimmung einer oder mehrerer Marken, die Teil der Szene sind, wieder darauf zugreifen.
Optional kann auch zumindest eine Kamera 12 eines Photogrammetriesystems mit der Auswertungseinrichtung 21 verbunden sein, sodass die Auswertungseinrichtung 21 Ergebnisse einer Photogrammetrie der Szene erzeugen oder empfangen kann und mit Ergebnissen der Laserscanner-Abtastung(en) kombinieren kann.
4 zeigt schematisch eine Anordnung 27 zum Bestimmen einer Marke. Insbesondere kann es sich bei der Anordnung 27 um einen Teil der Auswertungseinrichtung 21 aus 3 handeln. Die Auswertungseinrichtung 21 und die Anordnung 27 können insbesondere durch einen Computer oder ein Computersystem realisiert werden.
Die Anordnung 27 weist eine Ermittlungseinrichtung 23 zur Ermittlung zumindest eines Satzes von Randpunkten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem eines Datensatzes auf, welcher die durch den oder die Laserscanner erfassten dreidimensionalen Oberflächen-Koordinaten einer Szene enthält. Jeder der ermittelten Randpunkte des Satzes ist durch entsprechende dreidimensionale Oberflächen-Koordinaten des Datensatzes definiert, wobei die Randpunkte Stützstellen einer geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand einer Marken-Oberfläche einer Marke in der Szene entspricht. Wie 4 durch Verbindungslinien andeutet, ist die Ermittlungseinrichtung 23 mit einem Datenspeicher 22 verbunden, um auf einen oder mehrere in dem Datenspeicher 22 gespeicherte Datensätze zugreifen zu können. Bei den in 3 und 4 dargestellten Datenspeichern 22 kann es sich um denselben Datenspeicher handeln.
Ferner weist die Anordnung 27 eine Ausgleichseinrichtung 25 auf, die ausgestaltet ist, eine Ausgleichsfläche in zumindest eine Teilmenge der Randpunkte einzupassen, die als Satz von Randpunkten von der Ermittlungseinrichtung 23 ermittelt wurden. Die Ausgleichsfläche weist einen Bereich auf, der näherungsweise der Marken-Oberfläche der Marke in der Szene entspricht, oder die Ausgleichsfläche entspricht insgesamt näherungsweise der Marken-Oberfläche. Die Ausgleichseinrichtung 25 ist mit der Ermittlungseinrichtung 23 verbunden, z.B. wie in 4 angedeutet über einen Datenbus. Alternativ können nicht nur die Ermittlungseinrichtung 23 und die Ausgleichseinrichtung 25, sondern auch weitere Einrichtungen der Anordnung 27, die in 4 dargestellt sind, als Computerprogramm, als Teile eines gemeinsamen Computerprogramms und/oder durch ein oder mehrere Datenprozessoren realisiert werden, wobei zumindest ein Datenprozessor mehr als eine der Einrichtungen realisieren kann.
Die Anordnung 27 weist ferner eine Verschiebungseinrichtung 28 auf, die Randpunkte des ermittelten Satzes von Randpunkten in die Ausgleichsfläche verschiebt, sodass ein korrigierter Satz von Randpunkten entsteht, welche Stützstellen einer korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden. Die Verschiebungseinrichtung 28 ist mit der Ermittlungseinrichtung 23 und/oder der Ausgleichseinrichtung 25 verbunden, zumindest um Informationen über die Randpunkte und die Ausgleichsfläche zu erhalten.
Ferner weist die Anordnung 27 eine Bestimmungseinrichtung 29 zur Bestimmung der Marke in dem dreidimensionalen Koordinatensystem auf. Insbesondere bestimmt die Bestimmungseinrichtung die Marke anhand des korrigierten Satzes von Randpunkten oder einer dem korrigierten Satz von Randpunkten entsprechenden geschlossen umlaufenden Randlinie. Das Bestimmen der Marke besteht insbesondere darin, die Position und Ausrichtung der Marke in dem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatzes zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein Marken-Punkt, der durch die Marke oder die Markenoberfläche eindeutig definiert ist, anhand des korrigierten Satzes von Randpunkten oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie bestimmt werden.
5 zeigt ein einfaches Flussdiagramm aufeinanderfolgender Verfahrensschritte. Jeder dieser Schritte kann nach jeweils dem vorangehend dargestellten und vor dem nachfolgend dargestellten Verfahrensschritt ausgeführt werden. Es gibt jedoch Verfahrensschritte, die lediglich optional ausgeführt werden können, d.h. wegfallen können. Auch ist es möglich, im Verfahrensablauf zu einem früheren Schritt zurückzukehren und den Schritt in Bezug auf denselben Datensatz oder in Bezug auf dieselbe Marken-Oberfläche, deren Oberflächenpunkte durch Punkte in dem Datensatz erfasst sind, zu wiederholen. Auch können zumindest einzelne Folgen der Schritte in Bezug auf zumindest eine zweite Marken-Oberfläche derselben Marke oder einer anderen Marke gleichzeitig mit den Schritten bezüglich der ersten Marken-Oberfläche oder danach ausgeführt werden. Insbesondere enthält ein durch eine Laserscanner-Abtastung erhaltener Datensatz eine Mehrzahl von Sätzen von Randpunkten, von denen nicht vorab bekannt ist, ob es sich um Randpunkte entsprechend dem Rand einer Marken-Oberfläche handelt. Es ist daher ein Ziel einer bevorzugten Verfahrensweise mit in 5 schematisch dargestellten Schritten, Randpunkte oder Gruppen von Randpunkten als nicht einem geschlossen umlaufenden Rand einer Marken-Oberfläche entsprechende Punkte zu erkennen und insbesondere von der Bearbeitung in folgenden Verfahrensschritten auszuschließen.
Ein Beispiel für eine zweidimensionale Darstellung einer Teilmenge von Oberflächenpunkten, deren Koordinaten in dem Datensatz enthalten sind, welcher durch das anhand von 5 noch zu beschreibende Verfahren ausgewertet wird, ist in 6 dargestellt. Der zweidimensionale Ausschnitt 31 des Datensatzes betrifft eine senkrechte Projektion von Oberflächenpunkten in dem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatzes in die Bildebene der 6. Dabei handelt es sich lediglich um solche Punkte, die sich in der Nähe zu der Bildebene, d.h. der Projektionsebene, befinden und die durch eine Vorverarbeitung der vom Laserscanner erzeugten Informationen über die Oberfläche der Szene als einander benachbarte Punkte erkannt wurden. Die in 6 erkennbare Dreiecks-Netzstruktur weist an jedem Eckpunkt eines der dargestellten Dreiecke einen der in dem Datensatz enthaltenen Oberflächenpunkte der Szene auf, d.h. ein Ergebnis der Erfassung des Oberflächenpunkts durch den Laserscanner. Über jeweils eine gerade Linie, die einen Rand eines Dreiecks bildet, sind unmittelbar benachbarte Oberflächenpunkte miteinander verbunden. In dem Ausführungsbeispiel befinden sich alle erfassten Oberflächenpunkte auf einer der annähernd parallel zueinander verlaufenden und in der Darstellung der 6 etwa horizontal verlaufenden Linien. Diese Linien entsprechen der im Querschnitt geradlinigen Beleuchtung der Szene, die oben bereits beschrieben wurde.
Im linken Teil des Ausschnitts 31 enden die annähernd horizontal verlaufenden Linien jeweils in einem Endpunkt, der zwar zwei unmittelbar benachbarte Nachbarpunkte auf den nächstbenachbarten annähernd horizontal verlaufenden Linien hat, jedoch nur einen unmittelbaren Nachbarn auf derselben annähernd horizontal verlaufenden Linie wie er selbst. Diese Endpunkte sind im Verlauf der horizontal verlaufenden Linie der letzte Punkt innerhalb derselben Marken-Oberfläche. Entlang einer Fortsetzung der annähernd horizontal verlaufenden Linien in der Darstellung der 6 nach links können sich zwar Oberflächenpunkte der Szene befinden, die jedoch nicht zu derselben Oberfläche der Szene wie die Endpunkte gehören. Alternativ können sich dort Punkte eines Hintergrundes der Szene oder eines weit entfernten Teils der Oberfläche der Szene befinden. Grundsätzlich kann ein Ende der Linie auch durch einen Erfassungsfehler des Laserscanners oder durch einen Auswertungsfehler entstehen. Bei einem Erfassungsergebnis wie in dem Ausschnitt 31 der 6 dargestellt ist dies jedoch unwahrscheinlich, weil es mehrere Endpunkte gibt, die alle unmittelbar benachbarte Endpunkte auf etwa parallel verlaufenden Linien haben. Die Endpunkte können daher als Randpunkte einer potentiell zu einer Marken-Oberfläche gehörenden Randlinie ermittelt werden. Insbesondere indem die annähernd parallel und in der Darstellung der 6 auch annähernd horizontal verlaufenden Linien bis zu ihren Endpunkten verfolgt werden, können die Endpunkte und somit potentiellen Randpunkte entsprechend einem geschlossenen umlaufenden Rand schnell und zuverlässig ermittelt werden. Wenn nicht nur wie in 6 ein Ausschnitt 31 des Datensatzes betrachtet wird, kann in analoger Weise auch ein vollständiger Satz von Randpunkten entsprechend einem geschlossen umlaufenden Rand ermittelt werden.
7 zeigt zwei Sätze 34, 36 von solchen Randpunkten 33, 35. Lediglich drei der Randpunkte des Satzes 34 sind in 7 mit dem Bezugszeichen 33 bezeichnet. Ebenfalls lediglich drei Randpunkte des Satzes 36 sind mit dem Bezugszeichen 35 bezeichnet. Beide Sätze 34, 26 kommen als potentielle Stützstellen einer geschlossen umlaufenden Randlinie, nämlich im Beispiel jeweils einer Kreislinie, infrage. Aus verschiedenen Gründen liegen nicht alle Punkte des Satzes 34, 36 genau auf einer Kreislinie. Zum einen führt eine diskrete örtliche Auflösung aufgrund der diskreten Abtastung der Szenenoberfläche durch den Laserscanner zu einem Versatz der potentiellen Randpunkte relativ zu den Punkten auf einem idealen Abbild des Randes, d.h. einer idealen Kreislinie. Außerdem können die oben bereits beschriebenen systematischen Abweichungen der im Datensatz enthaltenen Punkte von den Randpunkten einer Marken-Oberfläche entstehen, wenn sich der Reflexionsgrad für die Laserstrahlung am Rand der Marken-Oberfläche sprungartig ändert.
Der in 5 dargestellte Verfahrensablauf beginnt in Schritt S1 mit dem Laden des Datensatzes. Im folgenden Schritt S2 wird insbesondere von der in 4 dargestellten Ermittlungseinrichtung 23 ein erster Satz von Randpunkten in dem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatzes ermittelt. Dieser erste Satz von Randpunkten enthält potentiell Stützstellen einer ersten geschlossen umlaufenden Randlinie, welche dem geschlossen umlaufenden Rand einer Marken-Oberfläche entspricht. Beispiele für solche Sätze 34, 36 von Randpunkten sind in 7 dargestellt.
Insbesondere können in Schritt S2 mehrere oder alle Sätze von Randpunkten aus dem Datensatz ermittelt werden. Alternativ kann Schritt S2 später nochmals ausgeführt werden. Es können auch Sätze mit Randpunkten in Schritt S2 ermittelt werden, die eine geringe Anzahl von Randpunkten haben, z.B. lediglich drei oder vier Randpunkte, und dennoch scheinbar einer geschlossen umlaufenden Randlinie entsprechen. Solche Sätze von Randpunkten mit wenigen Randpunkten entstehen insbesondere aufgrund von Erfassungs- und/oder Auswertungsfehlern. Es wird bevorzugt, eine Mindestanzahl von Randpunkten vorzugeben. Wenn die Mindestanzahl durch einen in Schritt S2 ermittelten Satz nicht erreicht wird, dann wird der Satz von der weiteren Bearbeitung zum Zweck der Bestimmung einer Marke ausgeschlossen. Diese optionale Identifizierung solcher Sätze von Randpunkten und deren Ausschluss für die weitere Verarbeitung ist Gegenstand des optionalen Schritts S3.
In Schritt S4 wird insbesondere von der in 4 dargestellten Ausgleichseinrichtung 25 in jedem in Schritt S2 ermittelten Satz von Randpunkten eine Ausgleichsfläche eingepasst, insbesondere eine Ebene. Insbesondere kann die Ebene dadurch als optimal eingepasste Ebene definiert sein, dass die Summe der Quadrate der Abstände sämtlicher Randpunkte des Satzes von Randpunkten zu der Ebene minimal ist.
In dem folgenden Schritt S5 wird insbesondere durch die in 4 dargestellte Verschiebungseinrichtung 28 jeder nicht in der Ausgleichsfläche liegende Randpunkt des Satzes von Randpunkten in die Ausgleichsfläche verschoben, und zwar vorzugsweise entlang einer Normalen zu der Ausgleichsfläche, insbesondere der Ebene. Auf diese Weise liegen nun alle Punkte des so erhaltenen korrigierten Satzes von Randpunkten in der Ausgleichsfläche oder falls vorhanden entsprechend einer örtlichen Rasterung der Koordinaten annähernd in der Ausgleichsfläche. Wenn die ebene Ausgleichsfläche parallel zu zwei der Koordinatenachsen eines kartesischen Koordinatensystems verläuft, können für jeden Randpunkt des Satzes von Randpunkten lediglich die Koordinaten bezüglich dieser zwei Koordinatenachsen weiter betrachtet werden und die dritte Koordinate, die bezüglich der dritten, senkrecht zur ebenen Ausgleichsfläche verlaufenden Koordinatenachse definiert ist, kann auf den entsprechenden Koordinatenwert der Ebene gesetzt werden oder für die weitere Auswertung nicht mehr betrachtet werden.
Im folgenden Schritt S6, der ein bevorzugter, jedoch optionaler Schritt ist, wird die Geometrie der durch den korrigierten Satz von Randpunkten definierten Marken-Oberfläche bestimmt. Dabei kann es sich um einen Schritt handeln, den die Bestimmungseinrichtung 29 aus 4 ausführt und der zur einer Bestimmung oder einer vorläufigen Bestimmung der Marke führt. Insbesondere kann eine Randlinie einer Form in den Satz von korrigierten Randpunkten eingepasst werden, die dem Rand der Marken-Oberfläche der zu bestimmenden Marke entspricht. Im Fall der Marke, die in 2 dargestellt ist, ist dies eine Kreislinie. Optional kann dabei auch der bekannte Kreisradius der Marken-Fläche verwendet werden (z.B. um einen Startwert für die Einpassung zu erhalten) bzw. im Fall einer anders geformten Marke eine andere Information über die Größe der Marken-Oberfläche. Dies setzt voraus, dass der Maßstab der durch die Laserscanner-Abtastung erzeugten Informationen im Verhältnis zu der Szene bekannt ist. Im Fall einer kreisförmigen Marken-Oberfläche wie z.B. im Fall der 2 kann der Kreismittelpunkt bestimmt werden, indem z.B. durch statistische Verfahren optional unter zusätzlicher Berücksichtigung von Vorwissen über mögliche systematische Fehler der Laserscanner-Abtastung der Abstand bzw. das Quadrat des Abstandes der bei der Einpassung berücksichtigten Randpunkte minimiert wird.
In dem folgenden, ebenfalls wie Schritt S6 optionalen Schritt S7 kann ermittelt werden, ob das Ergebnis von Schritt S6 der zu bestimmenden Marke oder der zu bestimmenden Marken-Oberfläche entspricht. Insbesondere muss der eindeutig durch die Marke oder die Marken-Oberfläche definierte Marken-Punkt wie z.B. der Kreismittelpunkt innerhalb eines bis zur Randlinie der Marken-Oberfläche durchgehend etwa gleichmäßig verteilten Feldes von Oberflächenpunkten des Datensatzes liegen. Andernfalls, wie z.B. im Fall der 7 in Bezug auf den äußeren Satz 34 von Randpunkten, der der äußeren Randlinie 9 der in 2 dargestellten Marke 4 entspricht, gehört der Marken-Punkt nicht zu der Marken-Oberfläche, deren Randlinie durch die Randpunkte definiert ist. Alternativ oder zusätzlich können unter Verwendung von Vorwissen über die zu bestimmende Marke oder Marken-Oberfläche geometrische Überprüfungen vorgenommen werden. Insbesondere kann geprüft werden, ob die Größe der durch die Randlinie definierten Marken-Oberfläche innerhalb eines vorgegebenen Längenbereichs oder Flächenbereichs liegt. Im Fall eines Kreises kann z.B. geprüft werden, ob der Kreisradius größer als ein Mindestwert und/oder kleiner als ein Höchstwert ist.
Ferner alternativ oder zusätzlich kann in Schritt S7 geprüft werden, ob die mittlere Abweichung der Positionen des korrigierten Satzes von Randpunkten oder ein anderes statistisches Verteilungsmaß darauf hinweist, dass die korrigierten Randpunkte des korrigierten Satzes von Randpunkten zu der potentiell durch sie definierten Randlinie gehören.
In allen Fällen, die zu Schritt S7 erwähnt wurden, kann bei nicht erfolgreicher Überprüfung des korrigierten Satzes von Randpunkten entschieden werden, dass dieser Satz von Randpunkten nicht der zu bestimmenden Marke oder Marken-Oberfläche entspricht, und dieser Satz von Randpunkten kann von der weiteren Bearbeitung ausgeschlossen werden.
Im folgenden, ebenfalls optionalen Schritt S8 kann im Fall von Marken, die mehrere Marken-Oberflächen und daher auch mehrere geschlossen umlaufende Ränder aufweisen, einer dieser Ränder als der dem korrigierten Satz von Randpunkten zugeordnete Rand ermittelt werden bzw. umgekehrt kann zumindest ein Satz von Randpunkten von der weiteren Bearbeitung zumindest vorläufig ausgeschlossen werden, wenn er nicht zu der zu bestimmenden Marken-Oberfläche gehört. Im Fall der in 2 dargestellten Marke 4 kann ein Satz von Randpunkten, der dem äußeren Rand 9 entspricht, von der weiteren Bearbeitung ausgeschlossen werden, da der Satz von Randpunkten, der dem inneren Rand 8 entspricht, bei der Bestimmung des Kreismittelpunkts 5 die Randlinie der zugeordneten Marken-Oberfläche 6 definiert und besser für die Bestimmung des Kreismittelpunkts 5 geeignet ist.
In Schritt S9 wird eine Menge von Punkten ermittelt, die der zu bestimmenden Marken-Oberfläche innerhalb des Randes entsprechen. Insbesondere im Fall der vernetzten Oberflächenpunkte (wie z. B. in 6) können zunächst alle Punkte als potentielle Mengenelemente ermittelt werden, die über die Verbindungslinien zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Punkten direkt oder indirekt mit Randpunkten verbunden sind. Die Randpunkte selbst können zu der Menge gehören. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Randpunkte nicht zu der Menge gehören. Außerdem wird bevorzugt, dass unabhängig davon, ob der ausgewertete Datensatz miteinander vernetzte Punkte enthält oder nicht, lediglich solche Punkte als Elemente der Menge zugelassen werden, die in einem Abstand zu den Randpunkten positioniert sind. Dadurch kann verhindert werden, dass Punkte, die aufgrund systematischer Fehler im Randbereich der Markenoberfläche versetzt angeordnet sind, zu der Menge gehören und die Ergebnisse der weiteren Verarbeitung verschlechtern. Auf verschiedene Möglichkeiten, wie gewährleistet wird, dass die zur Menge gehörenden Punkte einen Abstand zum Rand haben, wurde bereits eingegangen. In Bezug auf das konkrete Beispiel der in 2 dargestellten Marke wird insbesondere von dem in den vorangegangenen Schritten vorläufig bestimmten Markenmittelpunkt ausgegangen. Ferner ist ein Maximalwert für den Abstand der Punkte von diesem vorläufigen Markenmittelpunkt vorgegeben, z.B. als Bruchteil oder Prozentwert des vorläufig ermittelten Radius. Dieser vorläufig ermittelte Radius kann z.B. der mittlere Abstand der Randpunkte zum vorläufig ermittelten Markenmittelpunkt sein. Z.B. werden alle Punkte aus dem Datensatz Elemente der Menge von Punkten, die sich innerhalb eines Prozentwertes von 75 % des vorläufig ermittelten Radius um den vorläufig ermittelten Kreismittelpunkt befinden.
8 zeigt ein vereinfachtes Beispiel für einen Satz 36 von Randpunkten 35 wie in 7, wobei sich in einem zentralen Bereich innerhalb der durch die Randpunkte 35 definierten Randlinie (nicht in 7 und 8 dargestellt) eine Menge 38 von Oberflächenpunkten befindet. Innerhalb der durch diese Menge 38 definierten Teil-Marken-Oberfläche befindet sich auch der vorläufig ermittelte Kreismittelpunkt 39. Zwischen der Menge 38 von Oberflächenpunkten und den Randpunkten 35 befindet sich ein ringförmiger Oberflächenbereich, in dem sich zwar Punkte des Datensatzes befinden. Diese Punkte sind jedoch nicht dargestellt, da sie weder zu den Randpunkten 35 noch zu der Menge 38 von Oberflächenpunkten gehören.
Im folgenden Schritt S10 wird eine Ausgleichsfläche, insbesondere eine Ebene, in die Menge von Oberflächenpunkten, im Ausführungsbeispiel der 8 in die Menge 38 von Oberflächenpunkten, eingepasst, z.B. von der Ausgleichseinrichtung 25 in 4. Da es sich bei 8 wie bei 6 und 7 um eine zweidimensionale Draufsicht auf die jeweils dargestellten Punkte des Datensatzes handelt, liegen die Punkte der Menge 38 in 8 nicht in der Bildebene und führt das Einpassen einer ebenen Ausgleichsfläche zu einer Näherung für die ebene Marken-Oberfläche. Die Oberflächenpunkte der Menge 38 werden nach dem Einpassen der Ausgleichsfläche teilweise auf der einen Seite der Ausgleichsfläche und teilweise auf der anderen Seite der Ausgleichsfläche liegen. Beispielsweise ist die Bildebene eine durch Einpassen erhaltene Ausgleichsebene. Für das Einpassen der Ausgleichsfläche können an sich bekannte Optimierungsverfahren auf Basis statistischer Bewertungsgrößen verwendet werden. Z.B. kann die Summe der Quadrate der Abstände der Oberflächenpunkte der Menge 38 zu der Ausgleichsfläche minimiert werden. Optional kann z.B. durch Bilden der Standardabweichung oder eines anderen statistischen Maßes ermittelt werden, ob die Verteilung der Abstände der Oberflächenpunkte der Menge 38 zur Ausgleichsfläche nahelegt, dass es sich um Oberflächenpunkte entsprechend der zu bestimmenden Marken-Oberfläche handelt. Ist die Streuung bzw. Standardabweichung zu groß, kann entschieden werden, dass die Menge von Oberflächenpunkten, in die die Ausgleichsfläche eingepasst wurde, nicht der zu bestimmenden Marken-Oberfläche entspricht.
Im folgenden Schritt S11 werden die Randpunkte des zuerst ermittelten Satzes von Randpunkten oder die bereits verschobenen Randpunkte des bereits früher korrigierten Satzes von Randpunkten in die Ausgleichsfläche oder in eine Fortsetzung der Ausgleichsfläche verschoben, z.B. von der Verschiebungseinrichtung 28 in 4. Eine Fortsetzung der Ausgleichsfläche, insbesondere innerhalb derselben Ebene, wenn es sich um eine ebene Ausgleichsfläche handelt, ist z.B. dann erforderlich, wenn in die in 8 dargestellte Menge 38 von Oberflächenpunkten lediglich eine kleine Kreisfläche eingepasst wurde, deren Außenrand im Bereich der äußeren Oberflächenpunkte der Menge 38 liegt. In jedem Fall wird durch das Verschieben der Randpunkte des Satzes von Randpunkten oder des korrigierten Satzes von Randpunkten in die Ausgleichsfläche oder die fortgesetzte Ausgleichsfläche ein verbesserter Satz von Randpunkten erzielt, da die Menge von Oberflächenpunkten zu einer verbesserten Näherung der Marken-Oberfläche geführt hat. Andererseits stellt der (erneut) durch Verschieben der Randpunkte veränderte Satz von Randpunkten eine verbesserte Näherung des tatsächlichen Randes der Marken-Oberfläche dar.
Im folgenden Schritt S12 wird in die verschobenen Randpunkte eine Randlinie eingepasst, die dem Rand der zu bestimmenden Marken-Oberfläche entspricht. Im Ausführungsbeispiel der 2 ist dies eine Kreislinie. Daher kann insbesondere Vorwissen über die Form der Randlinie verwendet werden.
Im folgenden Schritt S13 wird insbesondere durch die Bestimmungseinrichtung 29 aus der Randlinie und/oder der zuletzt eingepassten Ausgleichsfläche die Marke bestimmt. Im Fall einer kreisförmigen Marken-Oberfläche mit deshalb kreisförmiger Randlinie kann insbesondere der zugehörige Kreismittelpunkt bestimmt werden. Insbesondere im Fall der in 2 dargestellten Marke ist der Kreismittelpunkt, d.h. die durch die dreidimensionalen Koordinaten des Kreismittelpunktes in dem Koordinatensystem des Datensatzes definierte Position das Ziel der Bestimmung der Marke. Dieser Kreismittelpunkt oder im Allgemeinen der jeweilige eindeutig durch die Marke definierte Marken-Punkt kann nicht nur im Koordinatensystem des durch Laserscanner-Abtastung erzeugten Datensatzes bestimmt werden, sondern z.B. auch in einem weiteren Datensatz aus einer anderen Laserscanner-Abtastung, wenn die durch die verschiedenen Laserscanner-Abtastungen abgetasteten Oberflächenbereiche einander überlappen. Wenn zumindest drei Marken in dem überlappenden Bereich liegen, können die Koordinatensysteme der überlappenden Datensätze anhand der Marken-Punkte miteinander registriert werden. Entsprechendes gilt für einen Datensatz, der nicht durch eine Laserscanner-Abtastung erhalten wurde, sondern z.B. durch Photogrammetrie.
Das beschriebene Verfahren zur Bestimmung einer Marke hat den Vorteil, dass es schnell und präzise ausgeführt werden kann. Insbesondere bei handgeführten Laserscannern kann das Ergebnis der Markenbestimmung daher in angemessener Zeit dem Benutzer dargestellt werden und kann der Benutzer erkennen, welche Marken bestimmt wurden.
9 zeigt schematisch eine Marke 4 wie in 2 mit einer inneren, stark reflektierenden Kreisfläche 6, die von einer Kreislinie 8 berandet ist, und mit einem äußeren, konzentrischen Kreisring 7, der ebenfalls einen kreisförmigen Außenrand 9 aufweist. Ferner sind mehrere annähernd parallel zueinander verlaufende Linien 41 dargestellt, die aus einzelnen Punkten zusammengesetzt sind. Diese Punkte stellen diejenigen Oberflächenpunkte des Oberflächenbereichs der Szene dar, in dem sich die Marke 4 befindet und die durch Laserscanner-Abtastung erfasst werden. Für jede Linie 41 gilt, dass die auf ihr liegenden Punkte gleichzeitig von dem Laserscanner erfasst werden.
Sieben der Linien 41 schneiden die Fläche des kreisförmigen Markers 4, jedoch nur vier der Linien 41 schneiden die innere, stark reflektierende Kreisfläche 6 an deren Außenrand 8.
10 zeigt diejenigen Abschnitte dieser vier Linien 41, die sich auf dem Außenrand 8 und in der Kreisfläche 6, d.h. der zu bestimmenden Marken-Oberfläche, befinden. 11 zeigt eine erste Näherung eines geschlossen umlaufenden Außenrandes, der aus den in 10 dargestellten Oberflächenpunkten erhalten werden kann.
Wenn jedoch Vorwissen mitberücksichtigt wird, kann eine wesentlich bessere Randlinie als in 11 dargestellt ermittelt werden. Insbesondere kann die Form der Randlinie, z.B. eine Kreislinie, bekannt sein und kann daher eine Kreislinie um die in 10 dargestellten Oberflächenpunkte herum eingepasst werden. Ferner kann dabei berücksichtigt werden, dass die Endpunkte der vier Randlinien 41, die in 10 und 11 dargestellt sind, nahe bei der Randlinie liegen, während die Punkte zwischen den Endpunkten der obersten und untersten in 10 und 11 dargestellten Linie 41 weiter entfernt von der zu bestimmenden Randlinie positioniert sind. Zur Bestimmung der Randlinie können daher z.B. lediglich die Endpunkte der Linien 41 verwendet werden. Bezogen auf das bereits beschriebene Verfahren bedeutet dies, dass für den Satz von Randpunkten lediglich die Endpunkte der Linien ausgewählt werden. 9 bis 11 stellen die Situation sehr vereinfacht dar, da in der Praxis die Abstände zwischen den Linien 41 sehr viel geringer sind. Die innere Kreisfläche des Markers 4 wird daher von einer sehr viel größeren Anzahl von Linien durchkreuzt.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Marke (4), die zumindest eine durch einen geschlossen umlaufenden Rand (8) berandete erste Marken-Oberfläche (6) aufweist, in einem Datensatz mit dreidimensionalen Oberflächen-Koordinaten einer Szene (2), wobei die Oberflächen-Koordinaten der Szene (2) mittels zumindest eines Laserscanners (1) erfasst werden oder wurden und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Ermitteln eines ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) in einem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatz, wobei jeder der Randpunkte des ersten Satzes (36) durch entsprechende dreidimensionale Oberflächen-Koordinaten des Datensatzes definiert ist und wobei die Randpunkte des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) Stützstellen einer ersten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand (8) der ersten Marken-Oberfläche (6) entspricht, - Einpassen einer Ausgleichsfläche in zumindest eine Teilmenge der Randpunkte des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35), sodass die Randpunkte in dem dreidimensionalen Koordinatensystem teilweise auf einer ersten Seite der Ausgleichsfläche und teilweise auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Ausgleichsfläche positioniert sind, wobei die Ausgleichsfläche einen Bereich aufweist, der näherungsweise der ersten Marken-Oberfläche (6) entspricht, oder die Ausgleichsfläche insgesamt näherungsweise der ersten Marken-Oberfläche (6) entspricht, - Verschieben von Randpunkten (35) des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) in die Ausgleichsfläche, sodass ein korrigierter Satz von Randpunkten entsteht, wobei die Randpunkte des korrigierten Satzes von Randpunkten Stützstellen einer korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand (8) der ersten Marken-Oberfläche (6) entspricht, und wobei die korrigierte geschlossen umlaufenden Randlinie im Vergleich zu geschlossen umlaufenden Randlinie eine größere Anzahl von Stützstellen in der Ausgleichsfläche aufweist, und - Bestimmen der Marke (4) in dem dreidimensionalen Koordinatensystem anhand des korrigierten Satzes von Randpunkten oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausgleichsfläche eine ebene Ausgleichsfläche ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Randpunkte des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) durch Verschieben in Richtung jeweils einer Oberflächennormalen der Ausgleichsfläche in die Ausgleichsfläche verschoben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Marke (4) oder die erste Marken-Oberfläche (6) zumindest einen Marken-Punkt eindeutig definiert, und wobei der Marken-Punkt anhand des korrigierten Satzes von Randpunkten oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie in dem dreidimensionalen Koordinatensystem bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand des korrigierten Satzes von Randpunkten oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie in dem Datensatz eine Menge von Punkten mit Oberflächen-Koordinaten der Szene (2) ermittelt wird, die entlang der Ausgleichsfläche innerhalb der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie liegen, die jedoch nicht auf der ersten geschlossen umlaufenden Randlinie oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie liegen, und wobei eine zweite Ausgleichsfläche in die Menge von Punkten eingepasst wird, sodass die Punkte der Menge von Punkten in dem dreidimensionalen Koordinatensystem teilweise auf einer ersten Seite der zweiten Ausgleichsfläche und teilweise auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der zweiten Ausgleichsfläche positioniert sind.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei Randpunkte des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) oder Randpunkte des korrigierten Satz von Randpunkten in die zweite Ausgleichsfläche verschoben werden, sodass ein zweiter korrigierter Satz von Randpunkten entsteht, wobei die Randpunkte des zweiten korrigierten Satzes von Randpunkten Stützstellen einer zweiten korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand (8) der ersten Marken-Oberfläche (6) entspricht.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Marke (4) oder die erste Marken-Oberfläche (6) zumindest einen Marken-Punkt eindeutig definiert, und wobei der Marken-Punkt anhand des zweiten korrigierten Satzes von Randpunkten oder der zweiten korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie in dem dreidimensionalen Koordinatensystem bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die durch einen geschlossen umlaufenden Rand (8) berandete erste Marken-Oberfläche (6) eine Oberfläche mit einem höheren Reflexionsgrad für eine Laserstrahlung des Laserscanners (1) ist als zumindest eine bezüglich der ersten Marken-Oberfläche (6) jenseits des geschlossen umlaufenden Randes liegende, sich an den geschlossen umlaufenden Rand (8) anschließende, zweite Marken-Oberfläche (7), die somit einen niedrigeren Reflexionsgrad für die Laserstrahlung aufweist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Beleuchtung der Szene (2) durch den Laserscanner (1) so schwach eingestellt wird, dass der Laserscanner (1) von der zweiten Marken-Oberfläche (7) keine Oberflächenpunkte erfasst, und wobei die Randpunkte des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) ermittelt werden, indem berücksichtigt wird, dass in dem Datensatz keine unmittelbar benachbarten Oberflächenpunkte vorhanden sind, die in einem Bereich des dreidimensionalen Koordinatensystems liegen, der der zweiten Marken-Oberfläche (7) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Szene (2) bei der Erfassung der Oberflächen-Koordinaten der Szene (2) nacheinander durch jeweils einen Raumbereich hindurch gleichzeitig mit Laserstrahlung bestrahlt wird, wobei die Raumbereiche mit ihren Querschnittsflächen geradlinige Schnittlinien aufweisen, sodass von dem Laserscanner (1) gleichzeitig Messpunkte der Oberflächen-Koordinaten der Szene (2) aufgenommen werden, die entlang einem linienartigen Verlauf des jeweils gleichzeitig beleuchteten Oberflächenbereichs der Szene (2) aufeinander folgend angeordnet sind, und wobei beim Ermitteln des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) in dem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatz und/oder bei dem Einpassen der Ausgleichsfläche in zumindest eine Teilmenge der Randpunkte des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) berücksichtigt wird, dass der geschlossen umlaufende Rand (8) der ersten Marken-Oberfläche (6) aufgrund des linienartigen Verlaufs vom Laserscanner (1) genauer erfasst wird, wenn der geschlossen umlaufende Rand (8) den linienartigen Verlauf unter einem weniger von 90 Grad abweichenden Schnittwinkel schneidet, als wenn der geschlossen umlaufende Rand (8) den linienartigen Verlauf unter einem mehr von 90 Grad abweichenden Schnittwinkel schneidet oder tangential zu dem linienartigen Verlauf ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Oberflächen-Koordinaten der Szene (2) nacheinander in einem ersten und in einem zweiten Erfassungsprozess erfasst werden, wobei der zweite Erfassungsprozess vor oder nach dem ersten Erfassungsprozess ausgeführt wird, wobei durch den ersten Erfassungsprozess der Datensatz erhalten wird, der gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung einer Marke (4) genutzt wird, und wobei durch den zweiten Erfassungsprozess ein zweiter Datensatz erhalten wird, aus dem Oberflächen der Szene (2) außerhalb der in der Szene (2) angeordneten Marke (4) oder der in der Szene (2) angeordneten Marken bestimmt werden, wobei - der Laserscanner (1) reflektierte Strahlung der Szene (2) in dem ersten Erfassungsprozess mit geringerer Strahlungsmenge pro erfasstem Raumwinkel erfasst als in dem zweiten Erfassungsprozess, - eine Frequenz einer wiederholten Bestrahlung der Szene (2) mit Laserstrahlung und Erfassung der von der Szene (2) reflektierten Strahlung durch den Laserscanner (1) in dem ersten Erfassungsprozess größer ist als in dem zweiten Erfassungsprozess, - eine Aufnahmeeinrichtung des Laserscanners (1) in dem ersten Erfassungsprozess reflektierte Laserstrahlung aus einem kleineren Raumwinkelbereich empfängt und aufnimmt als in dem zweiten Erfassungsprozess und/oder - eine örtliche Auflösung bei einer gleichzeitigen Erfassung der von der Szene (2) reflektierten Strahlung durch den Laserscanner (1) in dem ersten Erfassungsprozess kleiner ist als in dem zweiten Erfassungsprozess.
Anordnung zum Bestimmen einer Marke (4), die zumindest eine durch einen geschlossen umlaufenden Rand berandete erste Marken-Oberfläche aufweist, in einem Datensatz mit dreidimensionalen Oberflächen-Koordinaten einer Szene (2), wobei die Oberflächen-Koordinaten der Szene (2) mittels zumindest eines Laserscanners (1) erfasst werden oder wurden, wobei die Anordnung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist und wobei die Anordnung Folgendes aufweist: - eine Ermittlungseinrichtung (23), die ausgestaltet ist, einen ersten Satz (36) von Randpunkten (35) in einem dreidimensionalen Koordinatensystem des Datensatz zu ermitteln, wobei jeder der Randpunkte des ersten Satzes (36) durch entsprechende dreidimensionale Oberflächen-Koordinaten des Datensatzes definiert ist und wobei die Randpunkte des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) Stützstellen einer ersten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand der ersten Marken-Oberfläche entspricht, - eine Ausgleichseinrichtung (25), die ausgestaltet ist, eine Ausgleichsfläche in zumindest eine Teilmenge der Randpunkte des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) einzupassen, sodass die Randpunkte in dem dreidimensionalen Koordinatensystem teilweise auf einer ersten Seite der Ausgleichsfläche und teilweise auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Ausgleichsfläche positioniert sind, wobei die Ausgleichsfläche einen Bereich aufweist, der näherungsweise der ersten Marken-Oberfläche entspricht, oder die Ausgleichsfläche insgesamt näherungsweise der ersten Marken-Oberfläche entspricht, - eine Verschiebungseinrichtung (28), die ausgestaltet ist, Randpunkte des ersten Satzes (36) von Randpunkten (35) in die Ausgleichsfläche zu verschieben, sodass ein korrigierter Satz von Randpunkten entsteht, wobei die Randpunkte des korrigierten Satzes von Randpunkten Stützstellen einer korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie bilden, welche dem geschlossen umlaufenden Rand der ersten Marken-Oberfläche entspricht, und wobei die korrigierte geschlossen umlaufenden Randlinie im Vergleich zu geschlossen umlaufenden Randlinie eine größere Anzahl von Stützstellen in der Ausgleichsfläche aufweist, und - eine Bestimmungseinrichtung (29), die ausgestaltet ist, die Marke (4) in dem dreidimensionalen Koordinatensystem anhand des korrigierten Satzes von Randpunkten oder der korrigierten geschlossen umlaufenden Randlinie zu bestimmen.