DE10203851A1

DE10203851A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE10203851A1
Application number: DE10203851A
Authority: DE
Inventors: David Neil Slatter
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2002-08-22
Also published as: GB2371866A; US20020101594A1; GB0102413D0; US6760117B2; GB2371867B; JP2002310619A; GB0129925D0; GB2371867A

Abstract

Meßvorrichtung zum Messen von mindestens entweder der Länge des Oberflächenbereichs oder des Volumens eines Objekts (oder eines Abschnitts desselben) oder eines Bereichs (22) (oder eines Abschnitts desselben). Die Vorrichtung umfaßt eine Einrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Abbildung eines zu messenden Objekts oder Bereichs und einen berührungsempfindlichen Bildschirm (16) zum Anzeigen des abgebildeten Bildes des Objekts oder des Bereichs. Der Benutzer kann den Bereich (22) von Interesse durch Zeichnen um denselben auf dem Bildschirm auswählen, um einen Umriß von der Form desselben zu erzeugen und die Vorrichtung erzeugt dann eine virtuelle Form (20), die mit dem Umriß übereinstimmt und denselben auf das Bild abbildet. Der Benutzer kann die Größe, den Winkel, den Abstand etc. der virtuellen Form (20) ändern, bis dieselbe mit dem Bereich (22) genau übereinstimmt, und die Vorrichtung bestimmt dann die Länge, den Oberflächenbereich und/oder das Volumen des Bereichs (22), je nach Bedarf.

Description

Beschreibung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Messen von Länge, Oberflächenbereich, Volumen und ähnlichem von dreidimensio nalen Objekten.

Bei vielen verschiedenen Anwendungen ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, die Länge, den Oberflächenbereich oder das Volumen für z. B. ein Objekt oder eine Einfassung genau zu messen. Insbesondere ist es z. B. oft wünschenswert, in der Lage zu sein, die Menge von Farbe oder Tapete zu schät zen, die man benötigen würde, um einen Raum zu dekorieren, oder die Anzahl von Ziegeln, die erforderlich sein würde, um ein Dach zu decken. Es ist jedoch oft unpraktisch, schwierig oder einfach unmöglich, die erforderliche Abmes sung per Hand unter Verwendung eines Bandmaßes oder ähnli chem zu messen.

Das US-Patent Nr. 4,730,190 beschreibt eine Hand- Meßeinrichtung, die effektiv als ein Fernbandmaß arbeitet. Somit mißt der Benutzer die drei Abmessungen von z. B. ei nem Raum, und die Einrichtung multipliziert die drei Abmes sungen, um das Volumen des Raums anzugeben.

Dieser Typ von Einrichtung ist jedoch zeitaufwendig zu be nutzen und neigt zu Fehlern. Sie ist ferner nur wirklich geeignet zum Angeben von genauen Volumenmessungen von im wesentlichen einheitlichen, rechteckigen Bereichen. Sie würde keine genaue Messung für einen Bereich angeben, der z. B. gebogene oder ungleichmäßige Seiten aufweist, und die Näherungen für gerade Linien sind für viele Anwendungen nicht genau genug. Ferner muß der zu messende Bereich für den Benutzer zugänglich sein, damit die relevanten Längen gemessen werden können. Somit wäre es z. B. für einen Be nutzer schwierig, das Volumen oder den Oberflächenbereich eines Daches zu messen, ohne auf das Dach steigen zu müs sen, um die relevanten Messungen durchzuführen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vor richtung und ein Verfahren zum vereinfachten Messen von zu mindest Länge, Oberflächenbereich oder Volumen eines Be reichs oder eines Objekts mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.

Es wurde nun eine Anordnung entwickelt, die die oben ausge führten Probleme überwindet. Gemäß der vorliegenden Erfin dung wird eine Meßvorrichtung geschaffen, die eine Bilder zeugungseinrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Abbildung und zum Anzeigen eines Bildes eines zu messenden Objektes oder Bereichs aufweist, eine Einrichtung zum Ab bilden einer virtuellen Form auf das Bild und das weitge hende Anpassen der Form auf das zu messende Objekt oder den zu messenden Bereich und eine Einrichtung zum Bestimmen von mindestens entweder einer Länge, einem Oberflächenbereich oder eines Volumens des Objekts oder des Bereichs.

Die vorliegende Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Verfahren zum Messen eines Objekts oder eines Bereichs, wo bei das Verfahren die Schritte des Erzeugens einer dreidi mensionalen Abbildung und des Anzeigens eines Bildes eines zu messenden Objektes oder eines zu messenden Bereiches, das Abbilden einer virtuellen Form auf das Bild, das weit gehende Anpassen der virtuellen Form auf das zu messende Objekt oder den zu messenden Bereich und das Bestimmen von mindestens entweder einer Länge, einem Oberflächenbereich oder eines Volumens des Objekts oder des Bereichs aufweist.

Es wird darauf hingewiesen, daß das Anpassen der Vorrich tungsform in einem zweidimensionalen Bildraum stattfindet, und daß die Vorrichtung der Erfindung angeordnet sein kann, um jegliche (ausgewählte oder sonstige) zweidimensionale perspektivische Form aus der dreidimensionalen Abbildung zu erzeugen, wodurch es einem Benutzer ermöglicht wird, die Perspektive auszuwählen, in der das Anpassen stattfindet, was in dem Fall besonders wichtig sein kann, in dem wichti ge Anpassungspunkte aus einer bestimmten Perspektive nicht gesehen werden können.

Die Vorrichtung umfaßt vorzugsweise eine Einrichtung zum Markieren oder zum anderweitigen Auswählen des zu messenden Objekts oder Bereichs innerhalb eines Bildes durch Definie ren eines Umrisses der Form des Objekts oder des Bereichs. Die Vorrichtung erzeugt dann vorzugsweise eine virtuelle Form, die im wesentlichen mit dem Umriß übereinstimmt. Die Vorrichtung umfaßt vorteilhafterweise eine Einrichtung, um es dem Benutzer zu ermöglichen, Größe, Winkel und/oder Ab stand der virtuellen Form zu ändern.

Somit verwendet die vorliegende Erfindung eine Bilderzeu gungstechnik, die Tiefe sowie Azimuth und Höhe wiedergewin nen kann. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist besonders (aber nicht ausschließlich) nützlich für schnel les und genaues Schätzen der Mengen von z. B. Anstrich, Ta pete, Ziegeln oder Teppich, die für einen bestimmten Be reich erforderlich sind. In der Tat kann die Vorrichtung eine Einrichtung zum Liefern eines Schätzwerts der Menge solcher Materialien liefern, die erforderlich ist. Sie kann ferner eine Einrichtung zum berücksichtigen von Breiten, Längen und Volumina etc. von Standardmaterial umfassen, wenn die Mengen eines Materials, das erhalten werden soll, geschätzt werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm zum Darstellen der "Korrespondenz"- und Triangulations-Techniken, die in einigen bekannten Bilderzeugungseinrich tungen verwendet werden, um eine dreidimensionale Abbildung eines Objekts, eines Bereichs oder ei ner Umgebung herzustellen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines exemplari schen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Er findung, bei der ein Benutzer ein Objekt oder ei nen Bereich von Interesse markiert oder umrissen hat;

Fig. 3 die Vorrichtung von Fig. 2, bei der eine virtuel le Form erzeugt wurde und die demonstriert, daß der Benutzer die Form mit einer Mehrzahl von Freiheitsgraden ändern kann, um dieselbe im we sentlichen an das Objekt oder den Bereich von In teresse anzupassen; und

Fig. 4 die Vorrichtung von Fig. 3, bei der der Oberflä chenbereich des Objektes oder des Bereichs von Interesse berechnet und angezeigt wird.

Es gibt verschiedene Bilderzeugungseinrichtungen gemäß dem Stand der Technik, die eine dreidimensionale Abbildung ei nes Objekts, eines Bereichs oder einer Umgebung von Inter esse herstellen können. Im allgemeinen sind in diesen Ein richtungen zwei oder mehr Bilderzeugungseinrichtungen, wie z. B. Kameras, räumlich getrennt und angeordnet, um ein je weiliges Bild des Objekts, des Bereichs oder der Umgebung von Interesse zu erfassen.

Bezug nehmend nun auf Fig. 1 der Zeichnungen sind zwei Bil derzeugungseinrichtungen 10, 12 in einer beabstandeten Re lation relativ zu einem Objekt 14 von Interesse angeordnet. Der Trenngrad d der Bilderzeugungseinrichtungen 10, 12 ist bekannt oder kann gemessen werden.

Die Korrespondenz zwischen den Bildpunkten für jeden Punkt auf dem Objekt 14, wie durch die Bilderzeugungseinrichtun gen 10, 12 erfaßt wurde, wird durch einen Musteranpassungs algorithmus eingerichtet. Stereo (Zweibild-)- anpassungsfähiges Übereinstimmen kleinster Quadrate, wie in Kapitel 8 von Close Range Photogrammetry and Machine Vision beschrieben wurde, herausgegeben von K. B. Atkinson (Whitt les Publishing 1996). Die Position eines Bildpunktes in der Bildebene einer Kamera zusammen mit der Kenntnis deren Brennweite ergibt direkt den Azimuth- und Höhenwinkel des Objektpunktes relativ zu der Kamera.

Die Tiefe des Punktes auf Objekt 14 kann nun durch "Trian gulation" errichtet werden, wobei ein imaginäres Dreieck zwischen dem Punkt auf Objekt 14 und den jeweiligen Punkten auf den Bildern (wie in Fig. 1 gezeigt) gezogen wird. In dem einfachsten Fall, wenn der Höhenwinkel 0 ist, weist das imaginäre Dreieck eine Basislinienlänge d auf, und die zwei Winkel an der Basis des Dreieckes sind die Azimuthwinkel des Objektpunktes gesehen von jeder Kamera. Die Distanz des Objektes von der Basislinie kann nun unter Verwendung von Standard-trigonometrischen Formeln berechnet werden. Siehe Three Dimensional Computer Vision von Oliver Faugeras (MIT Press 1993) für eine umfassende, mathematische Behandlung.

Das Ergebnis ist ein Bild des Objekts 14, das aus einer Mehrzahl von Pixeln besteht, wobei jedes der Pixel einen Tiefenwert (d. h. Informationen, die sich auf die Tiefe be ziehen) für alle Punkte auf dem Objekt 14 enthält (oder zu geordnet hat). Anders ausgedrückt ein Bild des Objektes 14, bei dem die dreidimensionale Position jedes Pixels bekannt ist.

Bezug nehmend nun auf Fig. 2 der Zeichnungen ist in der Vorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung solch ein dreidimensionales, ab gebildetes Bild einer Umgebung von Interesse erzeugt und auf einem Bildschirm 16 angezeigt. Der Benutzer kann den Bereich 22 des Bildes markieren, der gemessen werden soll, unter Verwendung von z. B. jeglicher, bekannter Videoanzei ge-Stiftmarkierungsverfahren auf einem berührungsempfindli chen Bildschirm, durch ungefähres Zeichnen um die ersicht lichen Kanten des Bereichs 22.

Die Vorrichtung weist ferner ein Menü 18 auf (ebenfalls auf dem Bildschirm 16 angezeigt), das dem Benutzer die Option gibt, eine aus einer Anzahl vorbestimmter Messungen auszu wählen, wie z. B. Länge, Oberflächenbereich, Volumen etc. Der Benutzer wählt eine gewünschte Messung für den markier ten Bereich 22 aus.

Die Vorrichtung erzeugt dann eine virtuelle Form 20, um mit dem ausgewählten Bereich 22 übereinzustimmen, und legt die se auf das Bild. Der Benutzer kann die Größe, den Stei gungswinkel etc. der virtuellen Form 20 entsprechend än dern, um diese so nah wie möglich an den Bereich von Inter esse (siehe Fig. 3) anzupassen. Es ist beabsichtigt, dem Benutzer bis zu sechs Freiheitsgrade für eine Änderung der virtuellen Form 20 bereitzustellen, um diese an den Bereich 22 von Interesse anzupassen.

Sobald die virtuelle Form 20 so nahe wie möglich angepaßt ist, wählt der Benutzer die Option Berechnen aus. Da die θ-, ϕ- und r-Werte aller Koordinaten des Bereichs 22 bekannt sind sind die gleichen Werte aller Koordinaten der virtuel len Form 20 ebenfalls bekannt. Ferner ist die Brennweite der Bilderzeugungseinrichtungen 10, 20 bekannt (oder können bestimmt werden), so daß Messungen, wie z. B. Oberflächen bereich, Volumen etc. des Bereichs 22 von Interesse genau berechnet werden können (siehe Fig. 4).

Somit können Schätzungen von Länge, Oberflächenbereich, Vo lumen etc. schnell und effektiv erhalten werden.

Es ist beabsichtigt, daß die Vorrichtung bei einem alterna tiven Ausführungsbeispiel der Erfindung angeordnet sein kann, um die virtuelle, dreidimensionale Form automatisch an den Bereich von Interesse anzupassen. Ferner ist beab sichtigt, daß die Vorrichtung außerdem eine Mehrzahl vorde finierter, virtueller Formen zum Auswählen durch den Benut zer bereitstellen kann, die dann in den Bildraum gezogen werden können.

Ein Algorithmus zum Anpassen von Standardmaterialbreiten an unregelmäßigen Bereichen könnte ebenfalls verwendet werden.

Claims

1. Meßvorrichtung mit folgenden Merkmalen: einer Bilder zeugungseinrichtung (10, 12) zum Erzeugen einer drei dimensionalen Abbildung und einer Einrichtung (16) zum Anzeigen eines Bildes eines zu messenden Objektes (14) oder Bereichs (22);
einer Einrichtung zum Abbilden einer virtuellen Form (20) auf das Bild und zum weitgehenden Anpassen der Form (20) an das zu messende Objekt (14) oder den Be reich (22); und
einer Einrichtung zum Bestimmen von mindestens entwe der einer Länge, eines Oberflächenbereichs oder eines Volumens des Objekts oder des Bereichs aufweist.

2. Meßvorrichtung gemäß Anspruch 1, die eine Einrichtung zum Markieren oder anderweitigen Auswählen des zu mes senden Objekts (14) oder Bereichs (22) innerhalb eines Bildes aufweist, einschließlich einer Einrichtung zum Definieren eines Umrisses der Form des Objekts (14) oder des Bereichs (22).

3. Meßvorrichtung gemäß Anspruch 2, die eine Einrichtung zum Erzeugen einer virtuellen Form (20), die mit dem Umriß im wesentlichen übereinstimmt und zum Abbilden der virtuellen Form (20) auf das Bild des zu messenden Objekts (14) oder Bereichs (22) aufweist.

4. Meßvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprü che, die ferner eine Einrichtung zum Ändern von Größe, Winkel und/oder Abstand der virtuellen Form umfaßt, um diese im wesentlichen an das Bild des zu messenden Ob jekts (14) oder Bereichs (22) anzupassen.

5. Meßvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Einrich tung zum Ändern von Größe, Winkel und/oder Abstand der virtuellen Form vom Benutzer steuerbar ist.

6. Meßvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprü che, die eine Einrichtung zum Berechnen und Anzeigen einer Schätzung von Materialien umfaßt, die zum Abdec ken des Objekts (14) oder des Bereichs (22) erforder lich sind, wobei die Berechnungseinrichtung vorzugs weise angeordnet ist, um Standardmaterial-Werte und/oder -Mengen beim Berechnen der Schätzung zu be rücksichtigen.

7. Verfahren des Messens eines Objekts (14) oder Bereichs (22), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Erzeugen einer dreidimensionalen Abbildung und das An zeigen eines Bildes eines zu messenden Objekts oder Bereichs;
Abbilden einer virtuellen Form (20) auf das Bild;
weitgehendes Anpassen der virtuellen Form (20) an das zu messenden Objekt (14) oder den Bereich (22); und
Bestimmen von mindestens entweder einer Länge, eines Oberflächenbereichs oder eines Volumens des Objekts oder des Bereichs.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner den Schritt des Markierens oder des anderweitigen Auswählens eines Ob jekts (14) oder eines Bereichs (22) durch Definieren eines Umrisses der Form des Objekts (14) oder des Be reichs (22) aufweist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, das ferner den Schritt des Erzeugens einer virtuellen Form (20), die im wesentli chen mit dem Umriß übereinstimmt, und des Abbildens der virtuellen Form (20) auf das Bild des zu messenden Objektes (14) oder des Bereichs (22) aufweist.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, das fer ner den Schritt des Änderns von Größe, Winkel und/oder Abstand der virtuellen Form (20) aufweist, um dieselbe im wesentlichen an das Bild des zu messenden Objekts (14) oder Bereichs (22) anzupassen.