DE19539470A1

DE19539470A1 - Solid object measuring method e.g. for large buildings

Info

Publication number: DE19539470A1
Application number: DE1995139470
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl Ing Rempe; Torsten Dipl Ing Schreiber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-10-24
Filing date: 1995-10-24
Publication date: 1997-04-30

Abstract

The method involves movement of an image sensor (e.g. CCD camera) (3) along a known or measured spatial curve while short- and long-range images of the object (4) are recorded. The short-range image is enlarged so that image points are shifted towards the edges, and object points outstanding from the background are shifted further. The viewing angle of the camera remains approximately unaltered during the measurement. Homologous image and object points are correlated by an image-processing system which recalculates the central projection and compares it with a pattern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtung zum Vermessen von dreidimensionalen Objekten gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a method and device for measuring three-dimensional Objects according to the preamble of the main claim.

Es sind viele Verfahren bekannt, welche z. B. zur Vermessung von Gebäuden, zum automatischen Vermessen der Topologie von Landschaften, zur Navigation bewegter Fahr- oder Flugzeuge, zur Hinderniserkennung in der Umgebung bewegter Flug- oder Fahrzeuge bzw. zur Geschwindigkeitsmessung von Objekten dienen. Z.B. beim Verfahren der Herstellung von vertikalen Einzelbildern (Luftaufnahmen) werden hohe, vertikale Objekte, meist Gebäude, Türme, Hochhäuser etc. vermessen. Dabei wird das Luftbild manuell ausgewertet. Aus der Geometrie der Aufnahmekamera, dem Displacement und der Flughöhe über Grund (d. h. über einem der Punkte) wird die Objekthöhe berechnet. Die zur Vermessung benutzten Objektpunkte müssen vertikal übereinanderliegen. Dies macht ein Vorwissen über diesbezügliche Eigenschaften des zu vermessenden Objektes erforderlich. Des weiteren muß einer der Objektpunkte in einer bekannten Bezugsebene liegen. Die beiden zu vermessenden Punkte müssen außerdem sichtbar sein. Ein weiteres Verfahren zur Vermessung von Landschaften und Gebäuden ist die sogenannte Stereophotogrammetrie. Mit zwei Kameras, die seitlich um einen Basisabstand versetzt und parallel ausgerichtet sind, werden dabei zwei Bilder aufgenommen. Die Bilder werden vom menschlichen Betrachter mit speziellen Sichtgeräten oder in digitalisierter Form manuell-interaktiv mit dem Computer ausgewertet. Das Verfahren liefert relative Koordinaten der Objekte. Die Bilder werden anhand bekannter Paßpunkte im Umfeld der Objekte in absolute Koordinaten umgesetzt. Bei diesem Verfahren werden Bilder aus zwei Blickwinkel aufgenommen und enthalten so unterschiedliche Ansichten und auch gerade Schatten. Durch die verschiedenen Blickwinkel der Aufnahmen können die Umgebungen korrespondierender Blickpunkte stark voneinander abweichen. Für das Erreichen einer großen Genauigkeit ist ein großer Abstand der Blickwinkel der Kameras erforderlich. Damit verstärkt sich das Problem der Abschattung. Mit Hilfe eines nächsten Verfahrens, der sogenannten Mehrbildtriangulation werden Orientierung und Objektmaße aus mehreren Bildern rechnerisch rekonstruiert. Es werden aus verschiedenen Blickrichtungen oder Perspektiven Bilder von einem Objekt aufgenommen. Die Bilder müssen eine gewisse Überlappung aufweisen, d. h. es müssen in der Praxis pro Bild 10 bis 20 homologe Punkte in jeweils drei oder mehr Bildern identifizierbar sein. Durch die unterschiedlichen Blickrichtungen ist die Mehrfachidentifikation der homologen Punkte, ebenso wie bei der Stereophotogrammetrie nur mit dem menschlichen Auge vorzunehmen bzw. sie erfordert die Verwendung spezieller Marken. Bei dem sogenannten Lichtschnittverfahren ist es notwendig, neben einem Bildverarbeitungssystem eine Lichtquelle, z. B. einen Bildprojektor vorzusehen. Damit werden optische Marken auf die zu vermessenden Objekte projiziert und dann mit einem Bildverarbeitungssystem ausgewertet. Das Lichtschnittverfahren verwendet einen Projektor und eine Kamera in einer definierten mechanischen Anordnung. Die mechanische Justierung der beiden Komponenten muß ausreichend stabil sein.Many methods are known, which e.g. B. for measuring buildings, for automatic measurement of the topology of landscapes, for the navigation of moving driving or aircraft, for obstacle detection in the vicinity of moving aircraft or vehicles or to measure the speed of objects. E.g. in the manufacturing process vertical single images (aerial photography) become high, vertical objects, mostly buildings, Measure towers, high-rise buildings etc. The aerial photo is evaluated manually. From the Geometry of the camera, displacement, and flight altitude above ground (i.e. over one of the points) the object height is calculated. The used for the measurement Object points must lie vertically one above the other. This makes prior knowledge about relevant properties of the object to be measured are required. Furthermore, must one of the object points lies in a known reference plane. The two to be measured Points must also be visible. Another method of measuring Landscapes and buildings is so-called stereophotogrammetry. With two cameras, which are laterally offset by a basic distance and aligned parallel, become two Pictures taken. The images are used by human viewers with special Visual display devices or in digitized form, manually interactively evaluated with the computer. The method provides relative coordinates of the objects. The images become known based on Control points around the objects are converted into absolute coordinates. With this procedure pictures are taken from two angles and contain different views and also just shadows. Due to the different perspectives of the recordings, the Environments of corresponding points of view differ greatly from one another. For the Achieving great accuracy is a great distance between the cameras' viewing angles required. This increases the problem of shadowing. With the help of another Method, the so-called multi-image triangulation, orientation and object dimensions from mathematically reconstructed several images. There are different perspectives or perspective pictures taken from an object. The pictures need a certain Overlap, i. H. In practice, 10 to 20 homologous points must be in each picture three or more images can be identified. Because of the different perspectives is the multiple identification of the homologous points, just like the Stereophotogrammetry only with the human eye or it requires Use of special brands. With the so-called light section process, it is necessary in addition to an image processing system, a light source, e.g. B. to provide an image projector. Optical marks are thus projected onto the objects to be measured and then with evaluated in an image processing system. The light section method uses one Projector and a camera in a defined mechanical arrangement. The mechanical Adjustment of the two components must be sufficiently stable.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches einfach und gebrauchsvorteilhaft ist und die Vermessung von dreidimensionalen Objekten erlaubt.The object of the present invention is to provide a method which is simple and is advantageous in use and allows the measurement of three-dimensional objects.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Anspruch 5 gibt eine Einrichtung an, die zur Durchführung dieses Verfahrens dient.This object is solved by the features of claim 1. Claim 5 gives one Establishment that is used to carry out this procedure.

Das Verfahren wird so durchgeführt, daß eine Kamera, z. B. eine CCD-Kamera über eine Ver fahreinheit um eine Raumkurve so verfahren wird, daß der Blickwinkel der Kamera im wesent lichen unverändert bleibt. Dies ist z. B. bei einer translatorischen Bewegung in Richtung der op tischen Achse der Fall. Die durch den Sensor zu verfahrende Raumkurve ist bekannt, z. B. durch deren Vermessung oder durch die bekannte Kinematik der Führungseinrichtung. Wäh rend des Verfahrens des Bildsensors werden zwei Bilder aufgenommen. Durch die Zentralprojektion aus unterschiedlichem Abstand (und Blickwinkel), erscheint das Objekt durch die Annäherung vergrößert, bei gleichzeitig reduziertem Bildausschnitt.The method is carried out so that a camera, e.g. B. a CCD camera via a Ver unit is moved around a space curve so that the viewing angle of the camera essentially remains unchanged. This is e.g. B. with a translatory movement in the direction of the op table axis the case. The space curve to be traversed by the sensor is known, e.g. B. by measuring them or by the known kinematics of the guide device. Wuh Two images are recorded using the image sensor method. Through the Central projection from different distances (and viewing angles), the object appears through the approximation is enlarged, while the image section is reduced at the same time.

Bei einer ausschließlich translatorischen Bewegung in der optischen Achse der Kamera, erscheinen die Bild- und Objektpunkte ausschließlich in radialer Richtung, also von der optischen Achse fort, verschoben. Bei einer Bewegung nicht nur in der optischen Achse erscheint das gesamte Bild, damit auch alle Objektpunkte zusätzlich transversal verschoben. Diese "virtuelle Verschiebung" ist abhängig vom Abstand a zwischen der optischen Achse der Kamera und dem Objekt, dessen Höhe h, und der durch die Verfahrbewegung bedingten unterschiedlichen Zentralprojektionen. Ein Mustervergleich zwischen allen Bildausschnitten von Nah- und Fernbild berechnet diese Verschiebung, weist also jedem Punkt (x, y) des Nahbildes einen Verschiebungsvektor V (x, y) zu.With only translatory movement in the optical axis of the camera, the image and object points appear only in the radial direction, i.e. from the optical axis, shifted. When moving, not only in the optical axis the entire image appears, so that all object points are also shifted transversely. This "virtual displacement" depends on the distance a between the optical axis of the Camera and the object, its height h, and that caused by the movement different central projections. A pattern comparison between all image sections This shift of the near and far image calculates and points to each point (x, y) of the Close-up image a displacement vector V (x, y).

Der Verschiebungsvektor V (x, y) ist also eine Funktion f von Objekthöhe h und Abstand a: V (x, y) = f (h, a). Die Funktion f ergibt sich durch die Zentralprojektionen des Objektes auf die beiden Orte der Bildaufnahme. Anschließend wird mittels Geometrie des Strahlensatzes/Zentralprojektion das Verschiebungsfeld in die Raumkoordinaten zurückgerechnet. The displacement vector V (x, y) is therefore a function f of the object height h and the distance a: V (x, y) = f (h, a). The function f results from the central projections of the object onto the two locations of image acquisition. Then the geometry of the Ray set / central projection the displacement field into the spatial coordinates calculated back.

Das Verfahren ist mit nur einem Bildsensor, d. h. mit nur einer Kamera durchführbar. Durch die bekannte Geometrie der Raumkurve muß die Kameraorientierung im Gegensatz zu den bekannten Verfahren nicht errechnet werden.The method is with only one image sensor, i. H. feasible with just one camera. Through the Known geometry of the space curve must be the camera orientation in contrast to the known methods can not be calculated.

Es werden zwei oder mehrere Bilder eines Objektes entlang einer Raumkurve aufgenommen. Die Raumkurve kann so gewählt werden, daß der Blickwinkel auf die Objekte ähnlich bleibt. Damit sind die Umgebungen der Objektpunkte ebenfalls ähnlich, so daß der Mustervergleich zum Identifizieren der homologen Punkte einfach und automatisierbar, z. B. mit einem Bildverarbeitungssystem mit Distanz-Klassifikatoren, wird.Two or more images of an object are taken along a space curve. The space curve can be chosen so that the perspective on the objects remains similar. The surroundings of the object points are also similar, so that the pattern comparison easy and automatable to identify the homologous points, e.g. B. with a Image processing system with distance classifiers.

Insbesondere sind keine speziellen Marken erforderlich, da die Bildpunkte der natürlichen Objektpunkte durch das spezielle Aufnahmeverfahren hinreichende Ähnlichkeit aufweisen.In particular, no special marks are required because the pixels are natural Object points have sufficient similarity due to the special recording process.

Durch die Bildaufnahme in Objektnähe (Nahbild) und aus der Ferne (Fernbild) ergeben sich keine Abschattungen durch angrenzende Objekte, da alle Punkte des Nahbildes im Fernbild sichtbar sind. Für den Meßvorgang reichen zwei Bildaufnahmen aus, jedoch kann die Auswertung mehrerer Einzelbilder zur Steigerung der Auflösung herangezogen werden.The image acquisition in the vicinity of the object (close-up image) and from a distance (distant image) result no shadowing from adjacent objects, since all points of the close-up image in the distant image are visible. Two images are sufficient for the measurement process, but the Evaluation of several individual images can be used to increase the resolution.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Abgrenzung auch so durchgeführt werden, daß mehrere Bildsensoren vorgesehen sind, sei es daß optische Bildverarbeitungsrechner verwendet werden; es können auch Roboter zur Erzeugung der Bahnkurve eingesetzt werden und der eingesetzte Bildsensor mit nicht rechteckig, sondern z. B. mit radial angeordneten Bildpunkten arbeiten, welches das Rückrechnen der Zentralprojektion ersetzt.The method according to the invention can also be carried out in such a way that Several image sensors are provided, be it that optical image processing computers be used; robots can also be used to generate the trajectory and the image sensor used with not rectangular, but z. B. with radially arranged Pixels work, which replaces the back calculation of the central projection.

Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles ist in Fig. 1 wiedergegeben. Fig. 2 zeigt ein Nahbild, Fig. 3 ein Fernbild des Objektes. In Fig. 4 ist ein Verschiebungsfeld dargestellt.A schematic representation of an exemplary embodiment is shown in FIG. 1. Fig. 2 shows a close-up image, Fig. 3 shows a distant image of the object. In FIG. 4 a displacement field is shown.

An einem Stativ 1 ist an einem Tragarm 2 eine 2D-Kamera 3, die vertikal verfahrbar ist, angeordnet. Ein Objekt 4 soll vermessen werden. Bei der Vermessung ergibt sich ein Fernbild und ein Nahbild des zu vermessenden Objektes 4, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Bilder ergeben sich bei einer Bewegung der Kamera entlang ihrer optischen Achse.A 2D camera 3 , which can be moved vertically, is arranged on a stand 1 on a support arm 2 . An object 4 is to be measured. During the measurement, a distant image and a close-up image of the object 4 to be measured are obtained, as shown in FIG. 2. The images result when the camera moves along its optical axis.

Claims

1. A method for measuring three-dimensional objects, the spatial coordinates of which are determined relative to the image sensor position by using the principle of central projection, characterized in that an image sensor ( 3 ) is moved along a space curve and at least one near image and at least one distant image are recorded, the close-up image is shown enlarged and the image points shift towards the image edge, and the object points with a smaller distance to the image sensor than the background of the scene experience a greater displacement, the displacement is evaluated on the basis of these values, and the spatial coordinates of the object are determined.

2. The method according to claim 1, characterized in that around the space curve determine, this is measured.

3. The method according to claim 1, characterized in that the space curve is known is.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the viewing angle of the image sensor ( 3 ) remains approximately unchanged during the measurement.

5. Device for performing the method according to one of claims 1 to 3 with an image sensor ( 3 ), a displacement unit ( 1 , 2 ) with a known kinematics, which defines the space curve, the space curve being chosen so that the angle of view of the Objects ( 4 ) remain largely the same, with a downstream image processing system for the back calculation of the central projection and the pattern comparison for the assignment of the homologous image and object points.

6. Device according to claim 5, characterized in that the image sensor ( 3 ) is an electronic camera.

7. Device according to claim 4, characterized in that the image sensor has a flat arrangement of its individual sensors oriented towards rows and columns, or has a radial arrangement of its individual sensors.