DE102019201600A1 - Method for generating a virtual, three-dimensional model of a real object, system for generating a virtual, three-dimensional model, computer program product and data carrier - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines virtuellen, dreidimensionalen Modells (10) eines sich in einer Umgebung (12) befindenden realen Objekts (14), mit den Schritten (S1-S4):
- Bereitstellen von Kameradaten (16), bei welchen zumindest ein Teil des Objekts (14) und/oder ein Teil der Umgebung (12) mittels einer Kameraeinrichtung (18) erfasst wird beziehungsweise werden (S1);
- Erzeugen eines virtuellen Vormodells (20) anhand der Kameradaten (16) (S2);
- Bereitstellen wenigstens eines Scandatensatzes (22), bei welchen zumindest ein Teil des Objekts (14) und/oder ein Teil der Umgebung (12) mittels einer Scannereinrichtung (24) erfasst wird beziehungsweise werden (S3); und
- Erzeugen des virtuellen, dreidimensionalen Modells (10) des Objekts (14) zumindest durch Anordnen des wenigstens einen Scandatensatzes (22) an das Vormodell (20) (S4).
Ferner betrifft die Erfindung ein System (33), ein Computerprogrammprodukt und einen Datenträger.
The invention relates to a method for generating a virtual, three-dimensional model (10) of a real object (14) located in an environment (12), with the steps (S1-S4):
- Provision of camera data (16) in which at least part of the object (14) and / or part of the surroundings (12) is or are recorded (S1) by means of a camera device (18);
- Generating a virtual pre-model (20) on the basis of the camera data (16) (S2);
- Provision of at least one scan data set (22) in which at least part of the object (14) and / or part of the surroundings (12) is or will be detected by means of a scanner device (24) (S3); and
- Generating the virtual, three-dimensional model (10) of the object (14) at least by arranging the at least one scan data set (22) on the previous model (20) (S4).
The invention also relates to a system (33), a computer program product and a data carrier.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines virtuellen, dreidimensionalen Modells eines sich in einer Umgebung befindenden realen Objekts. Ferner betrifft die Erfindung ein System zum Erzeugen eines virtuellen, dreidimensionalen Modells eines realen Objekts. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, durch welches ein Verfahren zum Erzeugen eines Modells ausführbar ist. Schließlich betrifft die Erfindung einen computerlesbaren Datenträger, welcher insbesondere das Computerprogrammprodukt beinhaltet.The invention relates to a method for generating a virtual, three-dimensional model of a real object located in an environment. The invention also relates to a system for generating a virtual, three-dimensional model of a real object. The invention also relates to a computer program product by means of which a method for generating a model can be carried out. Finally, the invention relates to a computer-readable data carrier which in particular contains the computer program product.
Heutzutage gibt es aufgrund der Digitalisierung ein weites Anwendungsgebiet, bei welchem es nützlich ist, von realen Objekten eine, insbesondere dreidimensionale, Digitalkopie und somit ein virtuelles, dreidimensionales Modell des realen Objekts zur Verfügung zu haben. Beispielsweise kann solch ein virtuelles Modell sinnvoll sein bei Inspektionsaufgaben, bei der Navigation, allgemein bei Planungen, bei einem Reverse Engineering, im Bereich des Asset Managements und darüber hinaus in weiteren Bereichen. Dabei kann die Art der Objekte quasi beliebig sein und von besonders kleinen bis zu besonders großen Objekten reichen. Je nach Art des Objekts, von welchem das Modell erstellt werden soll, kann bereits auf unterschiedliche Technologie, sowohl hardware- als auch softwareseitig, zurückgegriffen werden.Nowadays, due to digitization, there is a wide field of application in which it is useful to have a, in particular three-dimensional, digital copy of real objects and thus a virtual, three-dimensional model of the real object. For example, such a virtual model can be useful for inspection tasks, for navigation, in general for planning, for reverse engineering, in the area of asset management and beyond in other areas. The type of objects can be virtually any and range from particularly small to particularly large objects. Depending on the type of object from which the model is to be created, different technologies, both hardware and software, can be used.
So existiert bereits eine Vielzahl unterschiedlicher 3D-Scanner, welche bereits reale Objekte erfassen können, so dass von diesen jeweils ein virtuelles Modell erzeugbar ist. Zu den Scannern existiert Software, durch welche ein manuelles oder halbautomatisches Zusammenfügen der Scans möglich ist. Einige Hersteller von Scannern bieten automatische Digitalisierungslösungen an, welche aber auf begrenzte Raumvolumina für das Objekt beschränkt sind. So ist es bereits möglich, eine automatisierte Lösung zu erhalten, welche jedoch auf kontrollierte Situationen in einer Umgebung des Objekts beschränkt ist und konzeptionell dazu neigt, in allgemeinen Anwendungsszenarien zu versagen. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Arten an 3D-Scannern, wie beispielsweise Laserscanner, strukturierte Lichtsensoren, welche durch unterschiedliche Verfahren die Scans erfassen. Dabei werden die Scans, beziehungsweise einzelne Scandatensätze, in der Regel als eine dreidimensionale Punktwolke des Objekts und/oder eine dreidimensionale Punktwolke der Umgebung des Objekts erfasst.There is already a large number of different 3D scanners that can already capture real objects, so that a virtual model can be generated from each of them. There is software for the scanners that enables manual or semi-automatic assembly of the scans. Some scanner manufacturers offer automatic digitization solutions, but these are limited to limited space for the object. It is thus already possible to obtain an automated solution which, however, is limited to controlled situations in an environment of the object and conceptually tends to fail in general application scenarios. There are a number of different types of 3D scanners, such as laser scanners, structured light sensors, which record the scans using different methods. The scans or individual scan data records are generally recorded as a three-dimensional point cloud of the object and / or a three-dimensional point cloud of the surroundings of the object.
Häufig tritt das Problem auf, dass, insbesondere in Abhängigkeit einer Objektgröße des Objekts, mehrere Scans notwendig sind, insbesondere aus verschiedenen Positionen. Um eine 3D-Rekonstruktion, also das Modell, aus dieser Mehrzahl, häufig insbesondere unorganisierter, Scans zu erhalten, insbesondere durch ein sogenanntes automatisches Stitching der 3D-Scans, gibt es bereits eine Anzahl von Lösungen, welche versuchen die verschiedenen Scans zusammenzufügen, um so dass Modell zu erhalten. Dabei existieren unterschiedliche Lösungen sowohl für den industriellen als auch den akademischen Anwendungsfall.The problem often arises that, in particular as a function of an object size of the object, several scans are necessary, in particular from different positions. In order to obtain a 3D reconstruction, that is to say the model, from this plurality, often in particular unorganized, scans, in particular through what is known as automatic stitching of the 3D scans, there are already a number of solutions which attempt to combine the various scans, and so on to get that model. There are different solutions for both industrial and academic applications.
Eine vollautomatische Industrielösung erfordert einen übermäßigen Einsatz von Photogrammetriemarkern. So gibt es von einem Hersteller ein integriertes System zum Scannen von 3D-Objekten mit begrenzter Größe, bei welchem Marker, welche an dem Objekt befestigt werden, die Photogrammetriemarker, benötigt werden und ein Roboterarm zum Bewegen einer Kamera verwendet wird.A fully automated industrial solution requires excessive use of photogrammetry markers. For example, one manufacturer has an integrated system for scanning 3D objects with a limited size, in which markers that are attached to the object, the photogrammetry markers, are required and a robot arm is used to move a camera.
Ein Nachteil dieses Systems ist, dass es nicht geeignet ist, große Umgebungen, wie beispielsweise Fabriken oder andere große Objekte, zu scannen. Ferner ist es sehr teuer. A disadvantage of this system is that it is not suitable for scanning large environments such as factories or other large objects. It is also very expensive.
Softwareseitig gibt es Lösungen, bei denen ein Zusammenfügen von 3D-Punktwolken ermöglicht wird, wobei dies insbesondere für eine kleine Anzahl von Scans funktioniert, wobei aber eine besonders große Überlappung der Scans und somit der Punktwolken gegeben sein muss. Ferner ist diese Software empfindlich gegenüber dynamischen Szenen oder Umgebungen, bei welchen sich beispielsweise ein Objekt bewegt.On the software side, there are solutions in which a merging of 3D point clouds is made possible, whereby this works in particular for a small number of scans, but there must be a particularly large overlap of the scans and thus of the point clouds. Furthermore, this software is sensitive to dynamic scenes or environments in which, for example, an object is moving.
Es existiert die Möglichkeit Punktwolken zusammenzuführen, wobei das Zusammenführen anhand der in der Szene beziehungsweise Umgebung beziehungsweise an dem Objekt platzierten Markern erfolgt. Dabei wird quasi eine Vielzahl an kommerziell erhältlichen Scannern, wie beispielsweise Laserscanner oder strukturierte Lichtscanner, bereits mit einer Software ausgeliefert, welche die Punktwolken erfassen oder generieren kann.There is the possibility of merging point clouds, the merging taking place using the markers placed in the scene or environment or on the object. A large number of commercially available scanners, such as laser scanners or structured light scanners, are already supplied with software that can capture or generate the point clouds.
Dabei basieren die genannten Lösungen alle auf dem von Huber et al publizierten Paper „Fully automatic registration of multiple 3D-datasets“ in Image and Vision Computing Issue (
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, ein System, ein Computerprogrammprodukt und einen Datenträger bereitzustellen, durch welche jeweils eine Möglichkeit gegeben ist, eine vollständig automatisierte, generische, einfach zu bedienende Methode anzubieten, durch welche unabhängig von der Art eines 3D-Scanners, insbesondere dessen Auflösung oder Sichtfeld, die durch den Scanner gewonnenen Scandaten zu einem einheitlichen digitalen beziehungsweise virtuellen, dreidimensionalen Modell eines realen Objekts besonders effizient zusammenzuführen.The object of the present invention is to provide a method, a system, a computer program product and a data carrier, each of which gives the possibility of offering a completely automated, generic, easy-to-use method that is independent of the type of 3D scanner , in particular its resolution or field of view, to combine the scan data obtained by the scanner into a uniform digital or virtual, three-dimensional model of a real object in a particularly efficient manner.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen sowie in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.According to the invention, this object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the dependent claims as well as in the description and in the drawing.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines virtuellen, dreidimensionalen Modells eines sich in einer Umgebung befindenden realen Objekts. Um mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens das Modell besonders vorteilhaft und somit insbesondere beispielsweise besonders exakt erzeugen zu können, umfasst das Verfahren mehrere Schritte:
- In einem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen von Kameradaten, bei welchen zumindest ein Teil des Objekts und/oder ein Teil der Umgebung mittels einer Kameraeinrichtung, welche insbesondere beispielsweise als RGB-Kameraeinrichtung und somit sensitiv für den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums ausgebildet ist, erfasst wird beziehungsweise werden. Die Kameradaten umfassen somit insbesondere Bilder in Form von insbesondere Filmaufnahmen und/oder mehreren, einzelne Aufnahmen, auf welchen insbesondere zumindest ein Teil des Objekts, dessen Modell erstellt werden soll, abgebildet ist.
- In a first step of the method, camera data is provided, in which at least part of the object and / or part of the environment is made by means of a camera device, which is designed in particular, for example, as an RGB camera device and thus sensitive to the visible range of the electromagnetic spectrum, is or will be recorded. The camera data thus include, in particular, images in the form of, in particular, film recordings and / or several, individual recordings, on which in particular at least part of the object whose model is to be created is mapped.
In einem zweiten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Erzeugen eines virtuellen Vormodells anhand der Kameradaten. Mit anderen Worten wird aus Informationen über das Objekt, welche in den Kameradaten enthalten sind, anhand der Informationen beispielsweise durch ein Verfahren wie die Photogrammetrie, bei welcher die Informationen aus den Kameradaten beispielsweise durch Messen gewonnen werden können, das virtuelle Vormodell gebildet. Dabei bildet das Vormodell das Objekt zumindest in Teilbereichen, welcher von den Kameradaten erfasst worden sind beziehungsweise in den Kameradaten enthalten sind, bereits zumindest im Wesentlichen dreidimensional ab.In a second step of the method, a virtual pre-model is generated using the camera data. In other words, information about the object contained in the camera data is used to form the virtual model using the information, for example by a method such as photogrammetry, in which the information can be obtained from the camera data, for example by measuring. In this case, the pre-model maps the object at least essentially three-dimensionally, at least in partial areas that have been captured by the camera data or are contained in the camera data.
In einem dritten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen wenigstens eines Scandatensatzes, das heißt es wird also genau ein Datensatz oder vorteilhafterweise mehrere Scandatensätze bereitgestellt, bei welchen zumindest ein Teil des Objekts und/oder ein Teil der Umgebung mittels einer Scannereinrichtung, welche insbesondere als 3D-Scanner ausgebildet sein kann, erfasst wird beziehungsweise werden. Dabei kann der erfasste Teil des Objekts und/oder der erfasste Teil der Umgebung gleich dem durch die Kameraeinrichtung erfassten Teil des Objekts und/oder den durch die Kameraeinrichtung erfassten Teil der Umgebung sein oder von diesen unterschiedlich. Die Scannereinrichtung erfasst beispielsweise insbesondere dreidimensionale Punktwolken des Teils des Objekts und/oder seiner Umgebung, welche jeweils pro durchgeführtem Scan, insbesondere jeweils als einer der Scandatensätze, abgelegt beziehungsweise ausgebildet sein können.In a third step of the method, at least one scan data set is provided, that is to say exactly one data set or, advantageously, several scan data sets are provided in which at least part of the object and / or part of the environment is provided by means of a scanner device, which in particular is a 3D Scanner can be designed, is or are detected. The captured part of the object and / or the captured part of the environment can be the same as or different from the part of the object captured by the camera device and / or the part of the environment captured by the camera device. The scanner device detects, for example, in particular three-dimensional point clouds of the part of the object and / or its surroundings, which can be stored or formed for each scan carried out, in particular as one of the scan data records.
In einem vierten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Erzeugen des virtuellen, dreidimensionalen Modells des Objekts zumindest durch Anordnen des wenigstens einen Scandatensatzes an das Vormodell. Das heißt, dass an dem anhand der Kameradaten erzeugten Vormodell eine jeweilige Orientierung des jeweiligen Scandatensatzes, welcher insbesondere Punktwolkeninformationen zumindest eines Teils des Objekts erfasst, ausgerichtet werden, wodurch für den Fall, dass mehr als ein Scandatensatz erfasst wurde, die in den Scandatensätzen enthaltenen räumlichen Informationen über das Objekt, insbesondere in Form der Punktwolken, relativ zueinander angeordnet werden. Dabei können die Punktwolken beziehungsweise Scandatensätze insbesondere so ausgebildet sein, dass beispielsweise keine überlappenden Bereiche zwischen den Scandatensätzen vorhanden sein brauchen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist trotz Nichtüberlappung eine Anordnung relativ zueinander möglich, insbesondere aufgrund des Vormodells. Nach dem Anordnen oder während des Anordnens kann somit insbesondere für den Fall mehrerer Scandatensätze beispielsweise mittels einer Variante eines iterativen nächsten Punktverfahrens (iterative closest point algorithm, ICP), insbesondere den sogenannten Levenberg-Marquardt-ICP (LM-ICP), noch eine Verfeinerung der angeordneten Scandatensätze zueinander durchgeführt werden. So kann es sich bei dem Erzeugen des virtuellen, dreidimensionalen Modells des Objekts beispielsweise im Wesentlichen auch um einen zweistufigen Schritt handeln, wobei in der ersten Stufe das Anordnen des jeweiligen Scandatensatzes beziehungsweise insbesondere der darin enthaltenen Punktwolken oder zu Punktwolken analogen Rauminformationen über das Objekt, geschieht. Dabei werden die Scandatensätze zueinander insbesondere auf ein gemeinsames Koordinatensystem gebracht. In der zweiten Stufe erfolgt eine Verfeinerung beziehungsweise Glättung der somit bereits angeordneten Scandatensätze zueinander, sodass das erzeugte Modell das reale Objekt besonders gut beschreibt.In a fourth step of the method, the virtual, three-dimensional model of the object is generated at least by arranging the at least one scan data set on the previous model. This means that a respective orientation of the respective scan data set, which in particular captures point cloud information of at least a part of the object, is aligned on the pre-model generated using the camera data, whereby the spatial contained in the scan data sets in the event that more than one scan data set was captured Information about the object, in particular in the form of point clouds, are arranged relative to one another. The point clouds or scan data records can in particular be designed in such a way that, for example, there need not be any overlapping areas between the scan data records. With the method according to the invention, an arrangement relative to one another is possible in spite of the non-overlapping, in particular because of the preliminary model. After the arrangement or during the arrangement, a further refinement of the arranged scan data sets are carried out to each other. For example, generating the virtual, three-dimensional model of the object can essentially also be a two-stage step, with the arrangement of the respective scan data set or, in particular, of the point clouds contained therein or spatial information about the object analogous to point clouds taking place in the first stage . The scan data sets become one another in particular brought to a common coordinate system. In the second stage, the scan data records that have already been arranged are refined or smoothed relative to one another, so that the model generated describes the real object particularly well.
Das Bereitstellen der Kameradaten sowie das Bereitstellen des wenigstens einen Scandatensatzes kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise durch die Kameraeinrichtung beziehungsweise die Scannereinrichtung erfolgen, insbesondere derart, dass durch die jeweilige Einrichtung die erfassten Daten, also die Kameradaten beziehungsweise die Scandaten beziehungsweise der jeweilige Scandatensatz, beispielsweise über eine Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden, in welcher die jeweiligen Daten abgerufen werden können. So können in dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise die Kameradaten, insbesondere live, zur Verfügung gestellt und somit bereitgestellt werden. Alternativ können die Kameradaten beziehungsweise der wenigstens eine Scandatensatz beispielsweise bereits auf einer Speichereinrichtung einer elektronischen Recheneinrichtung abgelegt und somit durch diese bereitgestellt werden, sodass das Erfassen der jeweiligen Daten beziehungsweise des Datensatzes unabhängig von dem Verfahren erfolgen könnte. Das Verfahren ist somit insbesondere computerimplementierbar.The provision of the camera data and the provision of the at least one scan data record can be carried out in the method according to the invention, for example, by the camera device or the scanner device, in particular in such a way that the recorded data, i.e. the camera data or the scan data or the respective scan data record, for example via an interface can be made available in which the respective data can be called up. In the method according to the invention, for example, the camera data, in particular live, can be made available and thus made available. Alternatively, the camera data or the at least one scan data record can, for example, already be stored on a storage device of an electronic computing device and thus made available by it, so that the respective data or the data record can be recorded independently of the method. The method can therefore in particular be implemented by computer.
Durch das Verfahren ist auf besonders vorteilhafte Weise eine, insbesondere automatisierte, Möglichkeit geschaffen, ein sogenanntes Stitching, also das Aneinanderfügen mehrerer Scandatensätze, welche insbesondere jeweils einen Scan mit besonders hoher Qualität umfasst, zu schaffen, sodass ein virtuelles Modell von besonders hoher Qualität erzeugt werden kann. Dabei ist die Art der Scannereinrichtung, und somit das Verfahren, durch welches die Scannereinrichtung das Objekt und/oder die Umgebung erfasst, quasi frei wählbar. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf eine Art von Scannereinrichtung eingeschränkt. Jedoch hat eine Qualität des wenigstens einen Scandatensatzes Einfluss auf die Qualität des virtuellen, dreidimensionalen Modells.The method provides a particularly advantageous, in particular automated, possibility of creating what is known as stitching, that is, the joining together of several scan data sets, which in particular each comprise a scan of particularly high quality, so that a virtual model of particularly high quality is generated can. The type of scanner device, and thus the method by which the scanner device detects the object and / or the surroundings, can be selected virtually freely. The method according to the invention is not restricted to one type of scanner device. However, the quality of the at least one scan data set has an influence on the quality of the virtual, three-dimensional model.
Mit anderen Worten werden bei dem Verfahren durch die Scannereinrichtung, insbesondere voneinander unabhängige, Scandatensätze erfasst, welche somit keinen Zusammenhang und/oder eine Ordnung zueinander aufweisen müssen. Des Weiteren wird in dem Verfahren mit einer Kameraeinrichtung, welche insbesondere beispielsweise eine gewöhnliche RGB-Videokamera sein kann, welche das Filmen in der Umgebung und somit das Filmen des Objekts erlaubt, verwendet. Dabei wird das Objekt gefilmt, von welchem das virtuelle, dreidimensionale Modell erzeugt werden soll. Dabei könnte als die Kameraeinrichtung beispielsweise eine Kamera von einem tragbaren Gerät, wie beispielsweise einem Mobiltelefon oder einem Tablet verwendet werden.In other words, in the method, the scanner device captures, in particular mutually independent, scan data records which therefore do not have to be related and / or ordered to one another. Furthermore, the method uses a camera device, which can in particular be, for example, an ordinary RGB video camera, which allows filming in the surroundings and thus filming of the object. The object from which the virtual, three-dimensional model is to be generated is filmed. A camera from a portable device, such as a mobile phone or a tablet, for example, could be used as the camera device.
So werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Informationen, insbesondere in Form der Kameradaten sowie des wenigstens einen Scandatensatzes, welche aus zwei unterschiedlichen Quellen, nämlich einmal der Kameraeinrichtung und das andere Mal der Scannereinrichtung, stammen, vorteilhaft kombiniert. Durch das Verfahren kann somit auf besonders vorteilhafte Weise das dreidimensionale Modell generiert beziehungsweise erzeugt werden. Dazu werden die Kameradaten, insbesondere in Form eines Videos beziehungsweise Videofilms des Objekts und/oder der Umgebung, insbesondere dann, wenn die Umgebung miterfasst werden soll, zum Erzeugen des Vormodells beispielsweise mittels eines Struktur-aus-Bewegung-Verfahrens (Structure-from-Motion, SfM) bearbeitet. Das SfM-Verfahren ist im Wesentlichen eine Form der photogrammetrischen Entfernungsabbildungstechnik, durch welche es möglich sein kann dreidimensionale Strukturen aus zweidimensionalen Bildsequenzen zu erzeugen und somit aus dem Video das Vormodell des Objekts entstehen kann.In the method according to the invention, information, in particular in the form of the camera data and the at least one scan data set, which originate from two different sources, namely one from the camera device and the other from the scanner device, is advantageously combined. The three-dimensional model can thus be generated or created in a particularly advantageous manner by the method. For this purpose, the camera data, in particular in the form of a video or video film of the object and / or the environment, in particular if the environment is also to be recorded, are used to generate the pre-model, for example by means of a structure-from-motion method , SfM). The SfM method is essentially a form of photogrammetric distance mapping technology, which can be used to generate three-dimensional structures from two-dimensional image sequences and thus the video can be used to create the model of the object.
Dabei ist es vorteilhaft, dass sich während des Erzeugens des Videos durch die Kameraeinrichtung das Objekt, welches als Vorlage des Modells dient, relativ zur Kamera bewegt wird. Dabei kann die Bewegung translatorisch und/oder rotatorisch sein. Im einfachsten Fall wird die Kamera, insbesondere auf einem bekannten Pfad, bewegt. Dabei kann das SfM-Verfahren auch durch das sogenannte SLAM-Verfahren (Simultaneous Localisation And Mapping, zu Deutsch simultane Positionsbestimmung mit Kartenerstellung) ergänzt oder alternativ durchgeführt werden. Bei dem SLAM-Verfahren werden die Umgebung und somit das Objekt kartographiert und gleichzeitig eine Relativbewegung zwischen Kameraeinrichtung und Objekt bestimmt. Möglichkeiten, das SLAM-Verfahren und/oder das SfM-Verfahren durchzuführen, sind bereits bekannt und beispielsweise als Software beziehbar. Das daraus gewonnene virtuelle Vormodell wird in einem weiteren Schritt des Verfahrens nun dazu verwendet, die Gesamtheit der 3D-Scans, also die Scandatensätze, welche jeweils zumindest einen Scan insbesondere in Form einer Punktwolke umfassen, auf das gleiche Koordinatensystem zu bringen. Dabei werden nicht, wie bisher im Stand der Technik üblich, zwei Scandatensätze jeweils paarweise aneinander gefügt, sondern erfindungsgemäß erfolgt das Anordnen der Scandatensätze und somit das Erzeugen des gemeinsamen Koordinatensystems an dem Vormodell. Dabei kann das Anordnen der Scandatensätze und somit das Erzeugen des virtuellen, dreidimensionalen Modells vorteilhafterweise durch statistische Methoden wie probabilistic voting und/oder beispielsweise durch ein Punkt-Paar-Merkmalsverfahren, wie dem point per features durchgeführt werden. Dabei hat sich in Vorarbeiten, welche der Erfindung zugrunde liegen, gezeigt, dass sich für eine Anpassung beziehungsweise Anordnung der Scandatensätze an ein CAD-Modell verlässliche Wahlsysteme (probabilistic voting) entwickeln lassen. Somit wäre auch die Möglichkeit gegeben, das anhand der Kameradaten erzeugte virtuelle Vormodell mit einem bereits, insbesondere zumindest grob vorliegenden, CAD-Modell des Objekts als alternatives Vormodell zu kombinieren oder zu ersetzen, um somit das Anordnen der Scandatensätze durchzuführen.It is advantageous that the object, which serves as a template for the model, is moved relative to the camera while the video is being generated by the camera device. The movement can be translatory and / or rotary. In the simplest case, the camera is moved, in particular on a known path. The SfM process can also be supplemented or alternatively carried out by the so-called SLAM process (Simultaneous Localization And Mapping, in German simultaneous position determination with map creation). With the SLAM method, the environment and thus the object are mapped and, at the same time, a relative movement between the camera device and the object is determined. Options for carrying out the SLAM process and / or the SfM process are already known and can be obtained, for example, as software. The virtual pre-model obtained therefrom is now used in a further step of the method to bring the entirety of the 3D scans, that is to say the scan data sets, which each include at least one scan, in particular in the form of a point cloud, to the same coordinate system. In this case, two scan data sets are not joined to one another in pairs, as was customary in the prior art, but according to the invention the scan data sets are arranged and thus the common coordinate system is generated on the pre-model. The arrangement of the scan data records and thus the generation of the virtual, three-dimensional model can advantageously be carried out using statistical methods such as probabilistic voting and / or, for example, using a point-pair feature method, such as the point using features. In this context, preliminary work on which the invention is based has shown that reliable voting systems (probabilistic voting) can be developed for an adaptation or arrangement of the scan data records to a CAD model. Thus, the possibility would also be given of combining or replacing the virtual pre-model generated using the camera data with an already, in particular at least roughly present, CAD model of the object as an alternative pre-model, in order to carry out the arrangement of the scan data records.
Dabei kann das anhand der Kameradaten erzeugte Vormodell grob sein, also nicht besonders exakt, da es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren genügt, dass die Scandatensätze zuerst nur grob an dem Vormodell ausgerichtet beziehungsweise angeordnet sind. Schlägt solch eine Ausrichtung beziehungsweise die Anordnung eines Scandatensatzes fehl, ist dies beispielsweise für einen Benutzer des Verfahrens sichtbar, wenn beispielsweise das Vormodell und/oder das Modell von einer Anzeigevorrichtung, wie beispielsweise einem Bildschirm, angezeigt werden. So können durch einen Benutzer beispielsweise andere Parameter bei dem propabilistic voting-Verfahren verwendet werden und/oder ein Scandatensatz, welcher sich nicht in das Modell einfügen lässt, beispielsweise bei einer Verfeinerung des Modells ignoriert werden. Bei dem Verfahrensschritt des Erzeugens des Modells ist, wie bereits erwähnt, die Möglichkeit gegeben, eine weitere Stufe durchzuführen, bei welcher die, insbesondere grob beziehungsweise einfach, ausgerichteten Scandatensätze, welche jeweils einzeln an dem Vormodell ausgerichtet werden, mittels beispielsweise einer ICP-Methode global ausgerichtet werden. Dabei kann das Vormodell vollständig entfernt werden und somit werden nur noch die in der Regel räumlich exakter erfassten Scandatensätze für eine weitere Ausrichtung, insbesondere aneinander, verwendet. Dabei ist die Verwendung der Ausrichtungsmethode, welche insbesondere eine Optimierungsmethode darstellt, für die globale Ausrichtung der Scandatensätze aneinander beliebig wählbar.The pre-model generated on the basis of the camera data can be coarse, that is to say not particularly exact, since in the method according to the invention it is sufficient that the scan data sets are initially only roughly aligned or arranged on the pre-model. If such an alignment or the arrangement of a scan data record fails, this is visible to a user of the method, for example, if, for example, the preliminary model and / or the model are displayed by a display device, such as a screen. For example, a user can use other parameters in the propabilistic voting process and / or a scan data set which cannot be inserted into the model can be ignored, for example, when the model is refined. In the process step of generating the model, as already mentioned, there is the possibility of carrying out a further stage in which the, in particular roughly or simply, aligned scan data sets, which are each individually aligned with the pre-model, using an ICP method, for example be aligned. The pre-model can be completely removed and thus only the scan data sets, which are usually more precisely recorded in space, are used for further alignment, in particular with one another. The use of the alignment method, which in particular represents an optimization method, can be selected as desired for the global alignment of the scan data records with one another.
Durch das erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich zum einen der Vorteil, dass das Verfahren, insbesondere aufgrund seiner Automatisierbarkeit, von einem Benutzer besonders einfach durchgeführt werden kann, wodurch eine Benutzerfreundlichkeit des Verfahrens besonders groß ist. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass die Art der zum Erzeugen der Scandatensätze verwendeten Scannereinrichtung quasi beliebig wählbar ist und darüber hinaus sogar Scandatensätze unterschiedlicher Scannereinrichtungen kombiniert werden können. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass diese Scandatensätze, insbesondere die in ihnen enthaltenen Punktwolken, nicht überlappen müssen, um so jeweils aneinander anordenbar zu sein, wodurch es durch das erfindungsgemäßen Verfahren auch in besonders vorteilhafter Weise möglich ist, die Scandatensätze unabhängig voneinander zu erzeugen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es auf besonders vorteilhafte Art und Weise möglich, Kameradaten mit, insbesondere hochwertigen, 3D-Scans in Form der Scandatensätze derart zu kombinieren, dass automatisch eine Zusammenstellung beziehungsweise Erzeugung des virtuellen, dreidimensionalen Modells des realen Objekts, welches erfasst werden soll, geschaffen werden kann. Dabei sind einzelne Zwischenschritte in dem Verfahren austauschbar und können jeweils nach den besten zur Verfügung stehenden Methoden beziehungsweise der besten Leistung ausgewählt werden. Somit ist durch das Verfahren auf besonders vorteilhafte Weise möglich, einen gesamten Scanvorgang, also das Erfassen und Erzeugen des virtuellen, dreidimensionalen Objekts, vollständig automatisiert durchführen zu können und darüber hinaus eine vollständige und intuitive Steuerung des Verfahrens zu ermöglichen. Durch das Verfahren ist ferner die Möglichkeit gegeben, das Objekt besonders vorteilhaft von der Umgebung zu trennen, sodass das Modell eine besonders geringe Anzahl an Artefakten aufweist, welche beispielsweise durch eine Miterfassung der Umgebung in sonst üblichen Verfahren auftreten können.The method according to the invention has the advantage, on the one hand, that the method can be carried out particularly easily by a user, in particular because it can be automated, whereby the method is particularly user-friendly. Another advantage of the method is that the type of scanner device used to generate the scan data sets can be selected as desired and, moreover, even scan data sets from different scanner devices can be combined. An additional advantage is that these scan data sets, in particular the point clouds contained in them, do not have to overlap in order to be able to be arranged next to one another, whereby the method according to the invention also makes it possible in a particularly advantageous manner to generate the scan data sets independently of one another. The method according to the invention makes it possible in a particularly advantageous manner to combine camera data with, in particular, high-quality 3D scans in the form of the scan data records in such a way that a compilation or generation of the virtual, three-dimensional model of the real object that is to be recorded is automatically performed , can be created. Individual intermediate steps in the process are interchangeable and can be selected according to the best available methods or the best performance. Thus, the method makes it possible in a particularly advantageous manner to be able to carry out an entire scanning process, that is to say the acquisition and generation of the virtual, three-dimensional object, in a completely automated manner and, moreover, to enable complete and intuitive control of the method. The method also provides the possibility of separating the object from the surroundings in a particularly advantageous manner, so that the model has a particularly small number of artifacts which can occur, for example, when the surroundings are also recorded in otherwise customary methods.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Kameradaten einen Film, insbesondere einen Videofilm, und/oder mehrere Aufnahmen des Objekts, beziehungsweise insbesondere zumindest eines Teils des Objekts, und/oder wenigstens einen Teil der Umgebung. Dabei wird eine Position der Kameraeinrichtung während des Filmens und/oder zwischen den Aufnahmen relativ zu dem Objekt variiert. Mit anderen Worten wird beziehungsweise werden das Objekt und/oder der Teil der Umgebung aus mehreren Blickwinkeln erfasst. Ein Film umfasst mehrere, einzelne Aufnahmen, welche zueinander einen festen zeitlichen Abstand aufweisen. Die Aufnahmen können alternativ ohne festen zeitlichen Bezug zueinander aufgenommen werden. Handelt es sich bei den Kameradaten um mehrere, einzelne Aufnahmen, insbesondere ohne feste zeitliche Abfolge, wird die Kameraeinrichtung vorzugsweise zwischen den Aufnahmen relativ zu dem Objekt bewegt, beziehungsweise kann eine Bewegung des Objekts relativ zur Kamera erfolgen. Werden als die Kameradaten ein Film erfasst, kann die Kameraeinrichtung relativ zu dem Objekt beispielsweise mittels eines Kameraarms und/oder dergleichen relativ zu dem Objekt verfahren werden, wodurch somit das Objekt aus mehreren Blickwinkeln erfassbar ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Objekt aus mehreren Perspektiven erfasst in den Kameradaten repräsentiert ist, wodurch aus den Kameradaten beim Erzeugen des virtuellen Vormodells vorteilhafterweise Informationen aus den Kameradaten gewonnen werden können, um das Vormodell besonders gut, das heißt beispielsweise besonders präzise, erstellen zu können.In an advantageous embodiment of the invention, the camera data include a film, in particular a video film, and / or several recordings of the object, or in particular at least part of the object and / or at least part of the surroundings. A position of the camera device is varied relative to the object during the filming and / or between the recordings. In other words, the object and / or the part of the environment is or are recorded from several angles. A film comprises several, individual recordings, which have a fixed time interval between them. Alternatively, the recordings can be recorded without a fixed temporal reference to one another. If the camera data is a number of individual recordings, in particular without a fixed time sequence, the camera device is preferably moved between the recordings relative to the object, or the object can be moved relative to the camera. If a film is captured as the camera data, the camera device can be moved relative to the object, for example by means of a camera arm and / or the like, relative to the object, whereby the object can thus be captured from several angles. This has the advantage that the object is represented in the camera data captured from several perspectives, whereby information is advantageously obtained from the camera data from the camera data when the virtual pre-model is generated in order to be able to create the previous model particularly well, i.e. particularly precisely, for example.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Kameradaten ein Positionsprofil, insbesondere ein Bewegungsprofil, der Kameraeinrichtung. Das heißt, die Kameraeinrichtung weist beispielsweise eine Positionserfassungseinrichtung auf, welche eine jeweilige Position beziehungsweise eine jeweilige Bewegung der Kameraeinrichtung umfasst. Dabei kann insbesondere eine Lage der Kameraeinrichtung im Raum beziehungsweise relativ zur Umgebung erfasst werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass beim Erzeugen des virtuellen Vormodells aufgrund der zu den Aufnahmen oder Film erfassten Bewegung die Kameradaten besonders vorteilhaft verwendet werden können, um das virtuelle Vormodell zu erstellen, da ein Bezug zwischen den jeweiligen Aufnahmen, insbesondere des Films, und der jeweiligen Position der Kameraeinrichtung bei der Aufnahmen besonders exakt herstellbar ist, wodurch sich Verfahren wie beispielsweise die Photogrammetrie besonders vorteilhaft anwenden lassen.In a further advantageous embodiment of the invention, the camera data include a position profile, in particular a movement profile, of the camera device. That is, the camera device has, for example, a position detection device which comprises a respective position or a respective movement of the camera device. In particular, a position of the camera device in space or relative to the surroundings can be recorded. This has the advantage that when generating the virtual pre-model based on the movement recorded for the recordings or film, the camera data can be used particularly advantageously to create the virtual pre-model, since there is a relationship between the respective recordings, in particular the film, and the particular position of the camera device can be produced particularly precisely during the recording, whereby methods such as photogrammetry can be used particularly advantageously.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird einer in den Kameradaten erfassten Oberfläche des realen Objekts eine lambertianische Reflexionseigenschaft zugewiesen. Das reale Objekt umfasst in der Regel wenigstens eine Fläche, insbesondere eine Oberfläche, durch welche es sich insbesondere zur Umgebung abgrenzt. Diese Oberfläche kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen und dementsprechend unterschiedliche Reflexionseigenschaften aufweisen. Dabei kann je nach Beschaffenheit der Oberfläche eine Variation des Blickwinkels auf das Objekt richtungsabhängig sein, so können in Aufnahmen des Objekts aus unterschiedlichen Positionen, insbesondere in Abhängigkeit von Lichtverhältnissen in der Umgebung des Objekts, die Farbe und/oder Helligkeit der Oberfläche des Objekts in den Kameradaten variieren. Dies kann bei dem Erzeugen beziehungsweise Rekonstruieren des Vormodells aus den Kameradaten zu unerwünschten Effekten führen, da die Oberfläche beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen Reflexionseigenschaften in einer ersten Aufnahme und in einer unter einem anderen Blickwinkel gemachten zweiten Aufnahme bei dem Erzeugen des Vormodells, beispielsweise durch eine Software, nicht korrekt als identisch erkannt werden können. Die lambertianische Reflexionseigenschaft weist jeder Fläche eine diffuse Reflexionseigenschaft zu, sodass unabhängig vom Blickwinkel die Oberfläche die gleiche Helligkeit und/oder Farbe aufweist. Erfolgt nun die Zuweisung der Reflexionseigenschaft auf den von den Kameradaten erfassten Oberflächen, kann dadurch eine Erzeugung des virtuellen Vormodells besonders vorteilhaft durchgeführt werden.In a further advantageous embodiment of the invention, a Lambertian reflection property is assigned to a surface of the real object recorded in the camera data. As a rule, the real object comprises at least one area, in particular a surface, by means of which it is in particular delimited from the surroundings. This surface can consist of different materials and accordingly have different reflective properties. Depending on the nature of the surface, a variation of the angle of view of the object can be direction-dependent, so the color and / or brightness of the surface of the object can be shown in recordings of the object from different positions, in particular depending on the light conditions in the vicinity of the object Camera data vary. This can lead to undesirable effects when generating or reconstructing the pre-model from the camera data, since the surface, for example due to different reflection properties in a first recording and in a second recording made from a different perspective, when generating the pre-model, for example by software, cannot be correctly recognized as identical. The Lambertian reflection property assigns a diffuse reflection property to each surface, so that the surface has the same brightness and / or color regardless of the viewing angle. If the reflection property is now assigned to the surfaces recorded by the camera data, the virtual pre-model can thereby be generated in a particularly advantageous manner.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Erzeugen des Vormodells aus den Kameradaten zumindest teilweise durch Photogrammetrie und/oder eines Struktur-aus-Bewegung-Verfahrens, dem Structure-from-Motion-Verfahren (SfM-Verfahren) und/oder mittels einer simultanen Positionsbestimmung mit Kartenerstellung, dem SLAM-Verfahren und/oder durch ein Multiansicht-Stereoverfahren (ein sogenannten Multi-View-Stereo-Verfahren, dem MVS-Verfahren). Dabei handelt es sich bei dem MVS-Verfahren, analog der Photogrammetrie um ein Verfahren, bei welchem aus mehreren, insbesondere in den Kameradaten, enthaltenen Aufnahmen ein in den Aufnahmen, insbesondere zweidimensional, erfasstes Objekt, in ein dreidimensionales Vormodell überführt werden kann. Dabei kann das MVS-Verfahren im Gegensatz beispielsweise zu einer üblichen Photogrammetrie derart verwendet werden, dass an dem Objekt keine gesonderten Marker angebracht werden brauchen, anhand deren beispielsweise für die Photogrammetrie eine Orientierung für das Zusammenfügen der Aufnahmen zum Erzeugen des Vormodells gegeben ist. Die hier gemachte Aufzählung der Möglichkeiten der Erzeugung des Vormodells ist nicht als abgeschlossen zu betrachten, sondern es sind mehrere Möglichkeiten zur Erzeugung des Vormodells gezeigt. Dabei kann beispielsweise eine Auswahl, welches der Verfahren angewandt wird, in Abhängigkeit der Positionen der Kameraeinrichtung relativ zum Objekt erfolgen. Des Weiteren kann die Auswahl für eines der Verfahren oder eine Kombination der Verfahren anhand beispielsweise der Größe des zu erfassenden Objekts erfolgen. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren besonders flexibel ausgebildet werden kann, sodass eine möglichst große Anzahl unterschiedlicher Arten des realen Objekts in ein virtuelles, dreidimensionales Modell überführt werden könnenIn a further advantageous embodiment of the invention, the pre-model is generated from the camera data at least partially by photogrammetry and / or a structure-from-motion method, the structure-from-motion method (SfM method) and / or by means of simultaneous position determination with map creation, the SLAM process and / or a multi-view stereo process (a so-called multi-view stereo process, the MVS process). The MVS method, analogous to photogrammetry, is a method in which an object recorded in the recordings, in particular two-dimensionally, can be converted into a three-dimensional model from several recordings contained in the camera data. In contrast to conventional photogrammetry, for example, the MVS method can be used in such a way that no separate markers need to be attached to the object, which are used, for example, for photogrammetry to provide an orientation for joining the recordings to create the pre-model. The list made here of the possibilities for generating the pre-model is not to be regarded as complete, but several possibilities for generating the pre-model are shown. In this case, for example, which of the methods is used can be selected as a function of the positions of the camera device relative to the object. Furthermore, the selection for one of the methods or a combination of the methods can be made on the basis of, for example, the size of the object to be detected. This results in the advantage that the method according to the invention can be designed to be particularly flexible, so that the greatest possible number of different types of the real object can be converted into a virtual, three-dimensional model
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Anordnen des wenigstens einen Scandatensatzes mittels statistischer Methoden, insbesondere den genannten propabilistic voting und/oder eines Punkt-Paar-Merkmalsverfahren, dem sogenannten point per features-Verfahren. Durch die Verwendung zumindest eines der Verfahren kann auf besonders vorteilhafte Weise ein Anordnen und somit Ausrichten des Scandatensatzes insbesondere an dem Koordinatensystem des Vormodells erfolgen. Mit anderen Worten sind die einzelnen Scandatensätze auf ein gemeinsames Koordinatensystem transformierbar, wodurch das virtuelle, dreidimensionale Modell besonders vorteilhaft erzeugt werden kann.In a further advantageous embodiment of the invention, the at least one scan data set is arranged by means of statistical methods, in particular the aforementioned propabilistic voting and / or a point-pair feature method, the so-called point per features method. By using at least one of the methods, the scan data set can be arranged and thus aligned in a particularly advantageous manner, in particular on the coordinate system of the pre-model. In other words, the individual scan data records can be transformed to a common coordinate system, as a result of which the virtual, three-dimensional model can be generated particularly advantageously.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Erzeugen des dreidimensionalen Modells mittels eines iterativen-nächster-Punkt-Verfahrens. Das iterativen-nächster-Punkt-Verfahren wird im Englischen als Iterative-Closest-Point-Verfahren bezeichnet, kurz ICP-Verfahren. Das ICP-Verfahren ist im Wesentlichen ein Algorithmus, der es ermöglicht, Punktwolken, also Scandatensätze, aneinander anzupassen. Für die Anwendung des ICP-Verfahrens sollten die Punktwolken bereits vorab näherungsweise aufeinander ausgerichtet sein, was in dem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Erzeugen des virtuellen Modells, insbesondere durch die oben genannten statistischen Methoden und/oder das Punkt-Paar-Merkmalsverfahren erfolgt. Mit anderen Worten eignet sich das ICP-Verfahren zum Verfeinern des Modells nachdem die Scandatensätze an einem gemeinsamen Koordinatensystem, insbesondere beispielsweise dem Koordinatensystem des Vormodells, ausgerichtet worden sind. Durch das ICP-Verfahren ist es somit auf besonders vorteilhafte Weise möglich, das Modell weiter zu verfeinern beziehungsweise anzupassen, sodass beispielsweise ebene Flächen, welche das reale Objekt aufweist, auch tatsächlich im virtuellen Modell als ebene Flächen vorhanden sind. Eine bevorzugte Form des ICP-Verfahrens ist das sogenannte Levenberg-Marquardt-ICP-Verfahren, kurz LM-ICP.In a further advantageous embodiment of the invention, the three-dimensional model is generated by means of an iterative next point method. The iterative next point procedure is referred to in English as the Iterative Closest Point method, or ICP method for short. The ICP process is essentially an algorithm that makes it possible to adapt point clouds, i.e. scan data sets, to one another. For the application of the ICP method, the point clouds should already be approximately aligned with one another, which is done in the fourth step of the method according to the invention when generating the virtual model, in particular using the above-mentioned statistical methods and / or the point-pair feature method. In other words, the ICP method is suitable for refining the model after the scan data records have been aligned on a common coordinate system, in particular, for example, the coordinate system of the pre-model. The ICP method thus makes it possible, in a particularly advantageous manner, to further refine or adapt the model so that, for example, flat surfaces that the real object has are actually present as flat surfaces in the virtual model. A preferred form of the ICP process is the so-called Levenberg-Marquardt-ICP process, or LM-ICP for short.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein System zum Erzeugen eines virtuellen, dreidimensionalen Modells eines sich in einer Umgebung befindenden realen Objekts. Um das Modell durch das System besonders vorteilhaft zu erzeugen, umfasst das System eine Kameraeinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des Objekts und/oder ein Teil der Umgebung erfassbar ist beziehungsweise sind und anhand der Erfassung beziehungsweise anhand des Erfassten Kameradaten erzeugbar sind. Ferner umfasst das System eine Scannereinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des Objekts und/oder ein Teil der Umgebung erfassbar ist beziehungsweise sind und anhand der Erfassung beziehungsweise anhand des Erfassten wenigstens ein Scandatensatz erzeugbar ist. Ferner umfasst das System eine elektronische Recheneinrichtung, durch welche anhand der Kameradaten ein virtuelles Vormodell erzeugbar ist, durch welches zumindest anhand einer Anordnung des Scandatensatzes an dem Vormodell das virtuelle, dreidimensionale Modell des Objekts erzeugbar ist.A second aspect of the invention relates to a system for generating a virtual, three-dimensional model of a real object located in an environment. In order to generate the model particularly advantageously by the system, the system comprises a camera device, by means of which at least part of the object and / or part of the surroundings can be detected and can be generated on the basis of the detection or on the basis of the captured camera data. The system further comprises a scanner device by means of which at least part of the object and / or part of the surroundings can be detected and at least one scan data set can be generated on the basis of the detection or on the basis of the detected. The system further comprises an electronic computing device, by means of which a virtual pre-model can be generated using the camera data, by means of which the virtual, three-dimensional model of the object can be generated at least on the basis of an arrangement of the scan data set on the pre-model.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Kameraeinrichtung dazu ausgebildet, Licht in wenigstens einen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, insbesondere im RGB-Bereich (RGB: Rot, Grün, Blau), also im für das menschliche Auge sichtbaren Bereich, zu erfassen. Darüber hinaus kann die Kameraeinrichtung auch derart ausgebildet sein, dass sie Licht beispielsweise in einem Multispektralbereich erfasst und somit als Multispektralkamera verwendet werden kann. Zusätzlich oder alternativ könnte die Kameraeinrichtung beispielsweise Licht im infraroten Bereich und/oder im UV-Bereich erfassen. Dadurch ist es auf besonders vorteilhafte Weise möglich, die Kameradaten bereitzustellen.In an advantageous embodiment of the invention, the camera device is designed to capture light in at least one area of the electromagnetic spectrum, in particular in the RGB area (RGB: red, green, blue), that is to say in the area visible to the human eye. In addition, the camera device can also be designed in such a way that it captures light, for example, in a multispectral range and can thus be used as a multispectral camera. Additionally or alternatively, the camera device could, for example, capture light in the infrared range and / or in the UV range. This makes it possible in a particularly advantageous manner to provide the camera data.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Scannereinrichtung als 3D-Scanner ausgebildet, durch welchen für den Scandatensatz insbesondere Punktwolkeninformationen erfassbar sind. Mit anderen Worten ist die Scannereinrichtung zumindest im Wesentlichen als 3D-Scanner ausgebildet, welcher dazu geeignet ist, die räumliche, also dreidimensionale Struktur des Objekts zu erfassen.In a further advantageous embodiment of the invention, the scanner device is designed as a 3D scanner, by means of which point cloud information in particular can be recorded for the scan data set. In other words, the scanner device is designed at least essentially as a 3D scanner which is suitable for capturing the spatial, that is to say three-dimensional, structure of the object.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Scannereinrichtung einen Laserscanner und/oder ein Koordinatenmessgerät und/oder eine Flugzeitkamera (Time of Flight-Kamera) und/oder eine Triangulationseinheit, mittels welcher eine Triangulation durchgeführt werden kann und/oder ein konoskopisches System, bei welchem Interferenzen von Lichtwellen genutzt werden, um die räumliche Struktur eines Objekts zu erfassen und/oder eine Streifenlichttopometrieeinrichtung, bei welcher Muster bestimmter geometrischer Form mittels Licht auf das Objekt gezeichnet beziehungsweise projiziert werden. Je nach Form des Objekts tritt dabei eine Verzerrung der Muster auf, durch welche die räumliche Beschaffenheit und somit die dreidimensionale Struktur des Objekts ermittelbar sind. Ferner umfasst die Scannereinrichtung in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung zusätzlich oder alternativ einen moduliertes Licht 3D-Scanner (Modulated-Light-3D-Scanner) und/oder eine Tomographieeinrichtung, mittels welcher eine Tomographie des Objekts durchgeführt werden kann. Diese Auswahl ist ebenfalls nicht abschließend und soll zeigen, dass das System beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft mit einer Scannereinrichtung beziehungsweise einem 3D-Scanner betrieben werden kann, welcher auf unterschiedlichste Arten dazu ausgebildet ist, das Objekt zu erfassen. Insbesondere erfolgt eine Auswahl der Scannereinrichtung anhand der Größe des zu erfassenden Objekts beziehungsweise der Umgebung, insbesondere beispielsweise derart, ob es sich bei der Umgebung um einen Innen- oder einen Außenbereich handelt. Darüber hinaus kann eine Kombination der Scannereinrichtungen möglich sein. Somit kann auf besonders vorteilhafte Weise der wenigstens eine Scandatensatz erzeugt werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the scanner device comprises a laser scanner and / or a coordinate measuring device and / or a time of flight camera and / or a triangulation unit by means of which a triangulation can be carried out and / or a conoscopic system in which Interferences from light waves are used to detect the spatial structure of an object and / or a strip light topometry device, in which patterns of certain geometric shapes are drawn or projected onto the object by means of light. Depending on the shape of the object, a distortion of the pattern occurs, through which the spatial quality and thus the three-dimensional structure of the object can be determined. Furthermore, in a further advantageous embodiment, the scanner device additionally or alternatively comprises a modulated light 3D scanner (modulated light 3D scanner) and / or a tomography device, by means of which a tomography of the object can be carried out. This selection is also not conclusive and is intended to show that the system or the method according to the invention can be operated particularly advantageously with a scanner device or a 3D scanner which is designed in a wide variety of ways to detect the object. In particular, the scanner device is selected on the basis of the size of the object to be detected or the surroundings, in particular, for example, such as whether the surroundings are an indoor or an outdoor area. In addition, a combination of the scanner devices can be possible. The at least one scan data set can thus be generated in a particularly advantageous manner.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein erfindungsgemä-ßes Computerprogrammprodukt, welches ein erfindungsgemäßes Verfahren auf einer elektronischen Recheneinrichtung implementiert. Dabei kann das Computerprogrammprodukt insbesondere in der Form vorliegen, in welcher es direkt in einen Speicher beziehungsweise einen Speicherbereich der elektronischen Recheneinrichtung ladbar ist. Das Computerprogrammprodukt weist Programmmittel, insbesondere in Form von Befehlen, auf, die beim Ausführen auf der elektronischen Recheneinrichtung diese veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. A third aspect of the invention relates to a computer program product according to the invention, which implements a method according to the invention on an electronic computing device. The computer program product can in particular be in the form in which it can be loaded directly into a memory or a memory area of the electronic computing device. The computer program product has Program means, in particular in the form of commands, which, when executed on the electronic computing device, cause the latter to carry out the method according to the invention.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft einen computerlesbaren Datenträger. Dabei umfasst der erfindungsgemäße Datenträger auf ihm gespeicherte Steuerinformationen, welche zumindest das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfassen und/oder derart ausgestaltet sind, dass bei Verwendung des Datenträgers in einer elektronischen Recheneinrichtung ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt wird.A fourth aspect of the invention relates to a computer-readable data carrier. The data carrier according to the invention comprises control information stored on it, which at least include the computer program product according to the invention and / or are designed such that a method according to the invention is carried out when the data carrier is used in an electronic computing device.
Die bisher und im Folgenden angegebenen Eigenschaften und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die entsprechenden Vorteile sind jeweils sinngemäß auf das erfindungsgemäße System, das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt und/oder den computerlesbaren Datenträger anzuwenden und umgekehrt. Aus diesem Grund wird vorliegend auf eine jeweilige explizite Ausformulierung der jeweils einzelnen genannten Merkmale sowohl für das erfindungsgemäße Verfahren als auch für das erfindungsgemäße System, das Computerprogrammprodukt sowie den Datenträger verzichtet.The properties and developments of the method according to the invention specified so far and below, as well as the corresponding advantages, are to be applied mutatis mutandis to the system according to the invention, the computer program product according to the invention and / or the computer-readable data carrier and vice versa. For this reason, a respective explicit formulation of the respective individually named features is dispensed with both for the method according to the invention and for the system according to the invention, the computer program product and the data carrier.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of a preferred exemplary embodiment and with reference to the drawings.
Dabei zeigt:
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1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines virtuellen, dreidimensionalen Modells eines realen Objekts; und -
2 eine schematische Ansicht eines Systems zum Erzeugen des virtuellen, dreidimensionalen Modells des realen Objekts.
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1 a schematic flow diagram of a method for generating a virtual, three-dimensional model of a real object; and -
2 a schematic view of a system for generating the virtual, three-dimensional model of the real object.
- In einem ersten Schritt
S1 des Verfahrens erfolgt einBereitstellen von Kameradaten 16 , bei welchen zumindest ein Teil des Objekts14 und/oder ein Teil der Umgebung12 mittels einerKameraeinrichtung 18 erfasst wird beziehungsweise werden. In einem zweiten SchrittS2 des Verfahrens erfolgt ein Erzeugen eines virtuellen Vormodells20 anhand derKameradaten 16 . In einem dritten SchrittS3 des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen wenigstens eines Scandatensatzes22 , bei welchem zumindest ein Teil des Objekts14 und/oder ein Teil der Umgebung12 mittels einerScannereinrichtung 24 erfasst wird beziehungsweise werden. Schließlich erfolgt in einem vierten SchrittS4 des Verfahrens ein Erzeugen des virtuellen,dreidimensionalen Modells 10 des Objekts14 zumindest durch Anordnen des wenigstens einen Scandatensatzes22 andas Vormodell 20 .
- In a first step
S1 camera data is provided during theprocess 16 , in which at least part of the object14th and / or part of the environment12th by means of a camera device18th is or will be recorded. In a second stepS2 During the process, a virtual pre-model is generated20th based on thecamera data 16 . In a third stepS3 During the process, at least one scan data set is provided22nd , in which at least part of the object14th and / or part of the environment12th by means of ascanner device 24 is or will be recorded. Finally, in a fourth stepS4 of the method is generating the virtual, three-dimensional model 10 of the object14th at least by arranging the at least one scan data set22nd to the previous model20th .
Durch das Verfahren ist auf besonders vorteilhafte Weise die Möglichkeit geschaffen, den wenigstens einen Scandatensatz
Damit das Verfahren besonders vorteilhaft durchgeführt werden kann, werden als die Kameradaten
Das Erzeugen des virtuellen Vormodells
Zusätzlich oder alternativ kann dazu zusätzlich das SLAM-Verfahren angewandt werden (SLAM Simultaneous Localisation And Mapping, Deutsch: simultane Positionsbestimmung und Kartenerstellung). Das SLAM-Verfahren kommt insbesondere in der Robotik beziehungsweise bei dem sich Zurechtfinden eines Roboters in einer unbekannten Umgebung zur Verwendung, kann aber auch auf besonders vorteilhafte Weise zur Erzeugung des Vormodells
Je exakter eine Kameratrajektorie bekannt ist und insbesondere zusätzlich oder darüber hinaus die inneren Geometrien der Kameraeinrichtung
Dabei wird vorteilhafterweise die Beleuchtung als konstant angenommen und darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass die Oberfläche des Objekts
Das so, insbesondere vorteilhafte durch das MVS-Verfahren, erhaltene Vormodell
Dadurch ist der Schritt
Dabei ist die Kameraeinrichtung
Vorteilhafterweise ist die Scannereinrichtung
Dabei ist die Scannereinrichtung
Das vorgestellte Verfahren ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass es computerimplementierbar, beispielsweise insbesondere auf der elektronischen Recheneinrichtung
Durch das vorgestellte Verfahren beziehungsweise das vorgestellte System
Das hierin beschriebene Verfahren kann auch in Form eines Computerprogramms beziehungsweise eines Computerprogrammprodukts vorliegen, welches das Verfahren innerhalb beispielsweise der elektronischen Recheneinrichtung
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- Modellmodel
- 1212th
- UmgebungSurroundings
- 1414th
- Objektobject
- 1616
- KameradatenCamera data
- 1818th
- KameraeinrichtungCamera setup
- 2020th
- VormodellPrevious model
- 2222nd
- ScandatensatzScan data set
- 2424
- ScannereinrichtungScanner setup
- 2626th
- elektronische Recheneinrichtungelectronic computing device
- 2828
- Pfeilarrow
- 3030th
- TrägheitssensorInertial sensor
- 3333
- Systemsystem
Claims (13)
Priority Applications (1)
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DE102019201600.6A DE102019201600A1 (en) | 2019-02-07 | 2019-02-07 | Method for generating a virtual, three-dimensional model of a real object, system for generating a virtual, three-dimensional model, computer program product and data carrier |
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DE102019201600.6A DE102019201600A1 (en) | 2019-02-07 | 2019-02-07 | Method for generating a virtual, three-dimensional model of a real object, system for generating a virtual, three-dimensional model, computer program product and data carrier |
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ID=71739199
Family Applications (1)
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Country Status (1)
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DE (1) | DE102019201600A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102020127797A1 (en) | 2020-10-22 | 2022-04-28 | Markus Garcia | Sensor method for the physical, in particular for the optical, detection of at least one object of use, in particular for the detection of an environment for generating, in particular a safety distance between objects |
-
2019
- 2019-02-07 DE DE102019201600.6A patent/DE102019201600A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102020127797A1 (en) | 2020-10-22 | 2022-04-28 | Markus Garcia | Sensor method for the physical, in particular for the optical, detection of at least one object of use, in particular for the detection of an environment for generating, in particular a safety distance between objects |
DE102020127797B4 (en) | 2020-10-22 | 2024-03-14 | Markus Garcia | Sensor method for optically detecting objects of use to detect a safety distance between objects |
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