DE19852908A1

DE19852908A1 - Verfahren zur Aufnahme von Böden, Decken und Räumen

Info

Publication number: DE19852908A1
Application number: DE1998152908
Authority: DE
Inventors: Mertin Scheele; Ralf Reulke; Lorenz Wiest
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1998-11-09
Filing date: 1998-11-09
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2018-11-10
Also published as: DE19852908B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme von Böden, Decken und Räumen, mittels einer CCD-Kamera (2), die auf einem Drehtisch befestigt (3) und über mindestens zwei Drehachsen (5, 6) schwenkbar gelagert ist, umfassend folgende Verfahrensschritte: DOLLAR A a) Ausrichten der optischen Achse (7) der CCD-Kamera (2) über die erste Drehachse (5) derart, daß die optische Achse (7) die aufzunehmende Boden-, Decken- oder Wandfläche (8) durchstößt, der größtmögliche Boden-, Decken- oder Wandbereich abgedeckt und die geometrische Auflösung der zu erstellenden Abbildung eingehalten wird, DOLLAR A b) Schwenken der CCD-Kamera (2) um die zweite Drehachse (6) um 360 DEG , wobei die Schwenkung definiert synchronisiert zur Taktung der CCD-Zeilen oder -Matrix der CCD-Kamera (2) erfolgt, DOLLAR A c) Transformieren der mittels Verfahrensschritt b) erzeugten digitalen Datenbasis in eine gewünschte Betrachtungsperspektive mit nachfolgender Transformationsvorschrift: DOLLAR F1 DOLLAR A d) Abspeichern der gemäß Verfahrensschritt b) und/oder c) erzeugten Daten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme von Böden, Decken und Räumen.

Speziell in der Architektur und in der Nahbereichsphotogrammetrie werden Boden- und Deckenflächen auf photographischem Wege dokumentiert und vermessen. Aus Gründen einer einfachen Archivierung und Nachbearbeitung werden dabei die Bildinformationen bevorzugt digital abgelegt. Die vorhandenen digitalen Kameras mit CCD-Matrix weisen jedoch eine zu geringe Anzahl von Bildpunkten auf, so daß diese für eine direkte derartige Anwendung nicht geeignet sind.

Daher ist es Stand der Technik die gewünschten Aufnahmen von Böden mittels einer großformatigen Filmkamera vorzunehmen. Diese weisen einen sehr großen Öffnungswinkel von bis zu 100° auf und werden an der Decke oder einer Hebebühne angeordnet und auf den Boden ausgerichtet. In sehr großen Räumen von beispielsweise 20 m × 20 m, wie sie in Schlössern recht häufig anzutreffen sind, ist dann jedoch die zur Verfügung stehende Höhe nicht mehr ausreichend, um mit einer einzigen Aufnahme den gesamten Boden aufzunehmen. Entsprechendes gilt dann auch für die Decke. Deshalb wird der Boden mittels mehrerer Schrägaufnahmen aufgenommen. Die derart aufgenommenen Teilbilder werden anschließend digitalisiert und transformiert, um die Schrägaufnahmen zentralperspektivisch zu entzeichnen. Anschließend werden die mosaikartigen Einzelaufnahmen zu einem einzigen Großbild zusammengesetzt. Dazu werden mittels Entfernungsmessungen Paßpunkte bestimmt, die dann übereinander gelegt werden müssen. Zur genaueren Darstellung dieses Standes der Technik sei auf "Manual of Photogrammetry, S. 785- 838, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing; Vol. XXXI, Part B1, Krauss Lehrbuch der Photogrammetrie" verwiesen. Insbesondere durch den notwendigen Aufbau von Hebebühnen und Gerüsten ist dieses Verfahren sehr aufwendig, da entsprechend lange die Räumlichkeiten gesperrt werden müssen. Des weiteren ist die Zusammensetzung mittels der Paßpunkte sehr zeitaufwendig und mühselig.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Aufnahme von Böden, Decken und Räumen zu schaffen, mittels dessen einfacher ein vollständiger digitaler Datensatz geschaffen werden kann.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die patentgemäßen Verfahrensschritte entfällt einerseits ein nachträgliches Digitalisieren und Zusammensetzen der Einzelbilder. Ebenso sind keine aufwendigen konstruktiven Vorhaltungen notwendig.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figur zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur digitalen Aufnahme von Böden, Decken und Räumen,

Fig. 2 eine Darstellung einer Datenbasis einer Decke nach dem Scanvorgang und

Fig. 3 eine Darstellung der Datenbasis gemäß Fig. 2 nach einer Transformation für eine senkrechte Blickrichtung.

Die Vorrichtung 1 zur Durchführung des Verfahrens zur digitalen Aufnahme von Böden, Decken und Räumen umfaßt eine CCD-Kamera 2, einen Drehtisch 3 und eine Datenverarbeitungsanlage 4. Die CCD-Kamera 2 ist auf dem Drehtisch 3 befestigt. Der Drehtisch 3 ist mit ersten Drehachse 5 und einer zweiten Drehachse 6 ausgebildet, über die die CCD-Kamera schwenkbar ist.

In einem ersten Schritt wird die CCD-Kamera 2 mittels der ersten Drehachse 5 derart geschwenkt, daß die optische Achse 7 der CCD-Kamera 2 eine aufzunehmende Bodenfläche 8 durchstößt. Der durch den Öffnungswinkel der CCD- Kamera 2 erfaßte Bereich für eine feste Winkeleinstellung liegt zwischen den beiden Begrenzungspunkten 9. Hierbei wird die Scheimpflugbedingung durch die Wahl der Optik und der Kameraposition eingehalten. Die CCD-Kamera 2 wird um die Drehachse 5 so geneigt, daß sowohl die Bodenfläche 8 größtmöglich abgedeckt wird und die erforderliche geometrische Auflösung, die vom Betrachter gewünscht oder gefordert wird, eingehalten wird. Anschließend wird die CCD-Kamera 2 um die zweite Drehachse 6 um 360° geschwenkt, wobei die Drehbewegung mit dem oder den CCD-Bauelementen der CCD-Kamera 2 synchronisiert ist, wodurch eine definierte Abbildung eines Kreisringes um den Drehtisch 3 entsteht. Prinzipiell kann die Schwenkbewegung um die zweite Drehachse 6 kontinuierlich oder diskret erfolgen. Erfolgt die Schwenkbewegung kontinuierlich, so bewegt sich das CCD- Bauelement während der Integrationszeit relativ zur Bodenfläche 8, was zu einer Bildverschmierung führen würde. Diese Bildverschmierung kann durch eine geeignete Gegenbewegung der Fokalebene der CCD-Kamera 2 kompensiert werden. Hinsichtlich der Wirkungsweise und des konkreten schaltungstechnischen Aufbaus einer derartigen Stelleinrichtung sei beispielsweise auf die DE 195 02 045 verwiesen. Des weiteren ist der CCD-Kamera 2 ein Entfernungssensor zugeordnet, so daß für jede Aufnahme ein Paßpunkt zur Verfügung steht.

Zur Aufnahme ganzer Räume wird das Verfahren einerseits für die Bodenfläche 8 und analog nach Schwenkung der CCD-Kamera 2 um die erste Drehachse 5 für die Deckenfläche durchgeführt. Des weiteren wird die CCD-Kamera 2 beispielsweise in eine horizontale Position geschwenkt und eine Aufnahme der Wandflächen durchgeführt. Anschließend werden die Einzelaufnahmen mittels der Paßpunkte zu einer einzigen Aufnahme zusammengefügt.

In der Fig. 2 ist beispielhaft die Datenbasis einer Deckenfläche nach der 360°- Drehung dargestellt. Diese Art der Darstellung ist jedoch nicht sehr aussagekräftig für einen Beobachter. Daher ist die Aufnahme mittels einer Transformation in eine Darstellungsform zu überführen, die einer gewöhnlichen Betrachtungsperspektive entspricht. Diese Transformation läßt sich allgemein mathematisch wie folgt beschreiben:

= ₀ + t.A(j.Dfi).B(tet0).r

Dabei ist R der Ortsvektor eines Raumpunktes, R₀ der Ort der Kamera, t der Maßstabsfaktor des abgebildeten Punktes R, A(j.Dfi) die Drehmatrix des Winkels j.Dfi um die zweite Drehachse 6. Dabei ist j die Bildzeile des Ausgangsbildes und Dfi das Winkelinkrement. B(tet0) ist die Drehmatrix des Kippwinkels tet0 um die Kippachse und rb der Vektor der Bildkoordinate, mit:

r = (0,i.dy,-f)

wobei i die Spaltenzahl, dy die Pixelgröße der CCD-Zeile f die Brennweite des Objektivs ist.

Unter der Voraussetzung, daß die Koordinaten R in einer Ebene liegen, können aus den Bildkoordinaten die Ortskoordinaten berechnet werden. Diese können ihrerseits, wie in der linearen Algebra üblich, mittels Translation und Rotation in ein beliebiges Koordinatensystem überführt werden. Eine daran anschließende Maßstabstransformation in das Bildkoordinatensystem simuliert ein Bild von einem ausgewählten Kameraort unter einem frei gewählten Betrachtungswinkel. Für den Spezialfall der senkrechten Sicht ergibt sich aus der allgemeinen Transformationsvorschrift für die Koordinaten j' und i' des transformierten Bildes:

j' = sin(j.Dfi).(-sin(tet0).i.dy-cos(tet0).f)/(sin(tet0).f-cos(tet0).i.dy)/NP

i' = cos(j.Dfi).(-sin(tet0).i.dy-cos(tet0).f)/(sin(tet0).f-cos(tet0).i.dy)/NP,

wobei NP die vorzugebende Größe des Normpixels auf der Ebene ist.

Das Ergebnis dieser Transformation ist für die Deckendarstellung gemäß Fig. 2 in Fig. 3 dargestellt.

Claims

1. Verfahren zur Aufnahme von Böden, Decken und Räumen, mittels einer CCD-Kamera (2), die auf einem Drehtisch (3) befestigt und über mindestens zwei Drehachsen (5, 6) schwenkbar gelagert ist, umfassend folgende Verfahrensschritte:

a) Ausrichten der optischen Achse (7) der CCD-Kamera (2) über die erste Drehachse (5) derart, daß die optische Achse (7) die aufzunehmende Boden-, Decken- oder Wandfläche (8) durchstößt, der größtmögliche Boden-, Decken- oder Wandbereich abgedeckt und die geometrische Auflösung der zu erstellenden Abbildung eingehalten wird,
b) Schwenken der CCD-Kamera (2) um die zweite Drehachse (6) um 360°, wobei die Schwenkung definiert synchronisiert zur Taktung der CCD-Zeilen oder -Matrix der CCD-Kamera (2) erfolgt,
c) Transformieren der mittels Verfahrensschritt b) erzeugten digitalen Datenbasis in eine gewünschte Betrachtungsperspektive mit nachfolgender Transformationsvorschrift:
= ₀ + t.A(j.Dfi).B(tet0).r
d) Abspeichern der gemäß Verfahrensschritt b) und/oder c) erzeugten Daten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drehachse (5) senkrecht zur optischen Achse (7) der CCD-Kamera (2) gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der CCD- Kamera (2) ein Entfernungssenor zugeordnet ist, über den für jede Bildzeile ein Paßpunkt ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkbewegung gemäß Verfahrensschritt b) kontinuierlich erfolgt und einer Fokalebene der CCD-Kamera (2) ein Piezo- Stellelement zugeordnet ist, mittels dessen die Fokalebene zur Kompensation der Bildverwaschung aufgrund der Schwenkbewegung nachgeführt wird.

5. Verwendung einer auf einem Drehtisch in zwei Achsen schwenkbaren CCD- Kamera (2) zur Durchführung des Verfahrens zur digitalen Aufnahme von Böden, Decken Räumen nach einem der vorangegangenen Ansprüche.

6. CCD-Kamera nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der CCD- Kamera (2) ein Entfernungssensor angeordnet ist.

7. CCD-Kamera nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer Fokalebene der CCD-Kamera (2) ein piezoelektrisches Stellglied zur gesteuerten Bewegung der Fokalebene zugeordnet ist.