DE19916305A1 - Anordnung zur räumlichen Bild- und Meßdatengewinnung - Google Patents

Abstract

Photogrammetrische Abbildungen sollen gemeinsam mit den Abständen der abgebildeten Objektpunkte zum Aufnahmestandort in einem praktisch unbegrenzten Horizontal- und Vertikalwinkelbereich bei großer Genauigkeit der reproduzierbaren Winkel- und Tiefenzuordnungen gewonnen werden. Erfindungsgemäß befindet sich in einem definierten Winkel zum objektseitigen Strahlengang eines Projektionsobjektives die Drehachse eines drehbaren Aufsatzes, in dem eine optische Umlenkeinrichtung so befestigt ist, daß der Strahlengang des Objektives in eine von der Drehachse verschiedene Richtung auf eine zweite optische Umlenkeinrichtung, die ihrerseits mit der Welle eines im Aufsatz befestigten Drehantriebes verbunden ist, abgelenkt wird, so daß der Strahlengang insgesamt in zwei voneinander unabhängigen, sich überlagernden Präzessionsbahnen abgelenkt wird. Im bildseitigen Strahlengang des gleichen Projektionsobjektives ist eine optoelektronische Funktionseinheit, bestehend aus einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, deren Strahlengänge über einen Strahlteiler auf einen gemeinsamen Hauptstrahlengang münden, angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Gewinnung geometrischer Meßdaten des drei­ dimensionalen Raumes bei dessen gleichzeitiger photogrammetrisch auswertbarer Abbildung.

Die photogrammetrische Aufnahme und Analyse räumlicher Szenen erfolgt nach dem allgemei­ nen technischen Stand mit Hilfe von photogrammetrischen Meßkammern, die photoelektrische Abbildungen der Meßobjekte aus unterschiedlichen Standorten durchführen, welche an­ schließend mit spezialisierten analytischen Methoden auf ihre geometrischen Informationen hin ausgewertet werden. Das Hauptproblem besteht dabei einerseits in der genauen Einhaltung der vorgeschriebenen Aufnahmestandorte und -winkel und andererseits in der punktgenauen Erkennung und Zuordnung identischer Objektpunkte in unterschiedlichen Abbildungen.

Weiterhin sind Vermessungsgeräte bekannt, bei denen ein optisches Entfernungsmeßgerät mit einem Theodolitenkopf so verbunden ist, daß nach dem Anpeilen eines Objektpunktes über das Einstellfernrohr sowohl dessen räumliche Polarkoordinatenwinkel per Theodolit, wie auch dessen Abstand per Entfernungsmesser meßbar sind. In einer Modifikation dieser Geräte wird anstelle des gesamten Entfernungsmeßgerätes nur dessen Lichtstrahl über ein Spiegelsystem ausgelenkt, wobei eine methodisch bedingte Winkelbegrenzung auftritt.

Photogrammetrische Abbildungsanordnungen und -verfahren haben generell den Nachteil, daß sich jeder Standort- und Winkelfehler mit geometrischen Faktoren multipliziert in das Meßer­ gebnis fortpflanzt. Auf den Aufnahmestandort bezogene Abstandsmessungen sind dabei beson­ ders problematisch. Weiterhin sind die photogrammetrischen Auswertungen nach den Aufnah­ men sehr arbeitsintensiv, besonders dann, wenn die gewonnenen Meßdaten anschließend in räumliche Drahtgitter- oder Vektormodelle übernommen werden sollen, wie das bei bekannten grafischen Datenverarbeitungsverfahren üblich ist.

Theodolitenmeßgeräte wiederum können zwar äußerst genaue Meßwerte, jedoch keine photo­ grammetrischen Abbildungen liefern.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, eine photogrammetrisch auswert­ bare Abbildung des Objektes zu erhalten, die neben genauen Polarwinkelzuordnungen der Objektpunkte auch deren Abstände zum Aufnahmestandort als Information enthält, ohne daß hierzu weitere Messungen erforderlich sind. Dabei sollen keine methodisch bedingten Bildfeld­ begrenzungen auftreten.

Das Problem wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem feststehenden Untersatz mit einer opto­ elektronischen Funktionseinheit und einem mittels erstem Drehantrieb drehbaren Aufsatz, in dem eine erste optische Umlenkeinrichtung fest angeordnet ist und eine zweite solche Umlenkein­ richtung auf der Antriebswelle eines zweiten Drehantriebes befestigt ist.

Eine der optoelektronischen Funktionseinheit vorgelagerte Projektionsoptik ist entweder im Untersatz oder im drehbaren Aufsatz befestigt oder kann auf beide Baugruppen entlang des Strahlenganges verteilt sein.

Die optoelektronische Funktionseinheit besteht aus einem Strahlteiler, der den Objektivstrah­ lengang zwischen einem elektrisch steuerbaren Lichtsender und einem Lichtempfänger mit einem vorschaltbaren, auf das Farbspektrum des Senders optimierten, Spektralfilter so aufteilt, daß die Lichtstrahlung des Senders das Objektiv zuerst in eine Richtung und nach Reflexion in der Objektebene in umgekehrter Richtung durchläuft und danach auf den Lichtempfänger fällt. Eine Modifikation sieht vor, das Objektiv nur zum Teil vom gesendeten und empfangenen Strahlenbündel gemeinsam durchlaufen zu lassen und individuelle Strahlformungssysteme vor Sender und Empfänger anzuordnen.

Der objektseitige gebündelte Strahlengang des Objektivs wird zunächst von der ersten Um­ lenkeinrichtung so abgelenkt, daß dieser eine kreisende Bewegung auf einer ebenen oder ko­ nischen Fläche ausführt, während die zweite Umlenkeinrichtung der Richtung des Strahlen­ ganges in einem festliegenden Abstand folgt und diesen erneut in kreisender Bewegung um dessen Einfallsrichtung herum ablenkt. Im Ergebnis wird eine Abtastung der Umgebung in einer Vielzahl kreisförmiger Einzelbahnen erreicht, die nur in einem kurzen Abschnitt an der unver­ meidlichen Befestigungsstelle der Anordnung unterbrochen sind, und die gegeneinander um be­ stimmte Winkelschritte verdreht sind. Während dieser Abtastbewegung, die schließlich die ge­ samte Umgebung erfaßt, werden die Objektpunkte nacheinander von der Lichtquelle impulsweise beleuchtet und das reflektierte Licht vom Lichtempfänger in elektrische Impulse umgewandelt. Eine Steuer- und Auswerteelektronik ist in bekannter Weise so mit Lichtsender und -empfänger verbunden, daß die Zeit zwischen der Aussendung eines Lichtimpulses bis zum Empfang von dessen Reflexionssignal in einen zur Laufweite adäquaten Meßwert umgewandelt wird, der dann nach Umrechnung über die Lichtgeschwindigkeit die jeweilige Entfernung des Objektpunktes repräsentiert. Auf diese Weise wird jedem polaren Winkelkoordinatenpaar ein Abstandswert zugeordnet und mit diesem gespeichert.

Zur Energieübertragung an den drehbaren Aufsatz ist ein geteilter elektromagnetischer Scha­ lentransformator so angeordnet, daß der zu übertragende Strahlengang durch dessen Mittelöff­ nung gelangt, und die Stoßstelle zwischen festem und drehbarem Teil durch einen Luftspalt zwischen den Kernhälften gebildet wird. Die zur Energieübertragung benutzte Wechselspannung dient dabei gleichzeitig als Referenzsignal zur Antriebssynchronisation der zweiten Umlenkein­ richtung.

Ist die spektrale Charakteristik des Lichtempfängers und ihm vorgelagerter Filter veränderlich, so ist bei abgeschalteter Lichtquelle auch eine natürliche Abbildung der Objekte mit zugehörigen Helligkeits- oder Farbwerten möglich, ohne die Anordnung zusätzlich ergänzen zu müssen.

Befindet sich die zweite Umlenkeinrichtung in einem zur Drehachse des drehbaren Aufsatzes exzentrischen Ort, so wird jeder zugängliche Objektpunkt aus zwei zueinander in definiertem Abstand angeordneten Beobachtungsorten, einmal von der vorderseitigen und einmal von der rückseitigen Bahn des einfallenden Strahlenganges, erfaßt. Die zu den vorder- und rückseitigen Bahnen gehörenden elektrischen Signale werden im Steuerrechner zu zwei Einzelbildern zu­ sammengesetzt, die die gesamte Umgebung ohne eine Einschränkung des Bildwinkels stereo­ skopisch abbilden. Diese Modifikation ermöglicht eine mathematisch überbestimmte Meßwert­ gewinnung zur Verringerung systematischer Meßfehler, sowie eine photorealistische stereosko­ pische Aufnahme für jeden beliebigen Bildwinkel im Raum.

Die Anordnung kann auch so modifiziert sein, daß sich die zweite Umlenkeinrichtung unmittelbar in der Drehachse des drehbaren Aufsatzes befindet, so daß zwar keine stereoskopi­ sche Information mehr ableitbar ist, dafür aber die Bildaufnahme exakt als Zentralprojektion erfolgt.

Die optischen Umlenkeinrichtungen können insgesamt oder teilweise zur Abbildungsgeometrie beitragen, zum Beispiel in der Ausführung als Hohlspiegel.

Zum Schutze der Präzisionsmechanik des drehbaren Aufsatzes kann dieser eine Abdeckung mit mechanischen Durchbrüchen für den umlaufenden Strahlengang aufweisen, die eine eigene Drehlagerung besitzt und vom drehbaren Aufsatz mit angetrieben wird. Zur Vermeidung me­ chanischer Überlastungen des Präzisionsantriebes erfolgt die Übertragung der Drehbewegung auf die Abdeckung über eine drehmomentbegrenzende Magnetkupplung.

Zur Erfassung der Orientierung der Meßkammer können schwerkraftverstellbare Markengeber im optischen Abtastbereich angeordnet sein, die sich in der Lotrechten ausrichten und ihre Winkelposition während der Aufnahme markieren.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung nachstehend erläutert werden. Fig. 1 zeigt eine Anordnung in einer erfindungsgemäßen Ausführung, bei der in einen feststehenden Untersatz 1 ein photoelektrischer Sensor 2 mit einem Abbildungsobjektiv 3 befestigt ist. Im Strahlengang des Abbildungsobjektives befindet sich ein Strahlteilerprisma 4, welches das Licht einer monochromatischen, gepulsten Lichtquelle 5 mit vorgesetzter Projektionsoptik in den objektseitigen Strahlengang einspiegelt. Ein zwischen dem Strahlteilerprisma und dem Objektiv angeordnetes Farbfilter 19 filtert den interessierenden Spektralbereich des Lichtsenders aus dem übrigen Umgebungslicht heraus. Auf dem Untersatz ist ein Aufsatz 6 drehbar so angeordnet, daß die Drehachse 18 mit der optischen Achse des Abbildungsobjektives übereinstimmt.

Konzentrisch zu dieser Achse an der Schnittstelle zwischen Unter- und Aufsatz befindet sich ein zweigeteilter Transformator 17 für die Energieversorgung und Drehzahlsynchronisation des Spiegelantriebsmotors 7. Ein weiterer Antriebsmotor 8 im Untersatz ist über ein Getriebe 9 mit dem Aufsatz verbunden. Während ein Spiegel 10 fest mit dem Aufsatz verbunden ist, befindet sich ein weiterer Spiegel 11 auf der Welle des Spiegelantriebsmotors und lenkt so die optische Achse kreisförmig in vertikaler Richtung aus. Der Aufsatz wird von einer drehbaren Abdeckung 12 geschützt, die über eine Magnetkupplung 13 vom Aufsatz mit angetrieben wird und in Betriebspausen zum Verschluß des Aufnahmespaltes 14 um eine Halbdrehung verdreht werden kann. Mit Hilfe einer Steuer- und Auswerteelektronik 15, die mit allen elektrischen Funktionselementen der Anordnung verbunden ist, werden die Antriebsmotoren so gesteuert, daß der Motor 7 ein genau definiertes Vielfaches der Drehzahl des Aufsatzes ausführt, so daß die Umgebung in vertikalen Zeilen bei horizontalem Zeilenvorschub kontinuierlich abgetastet wird. Jeder von der Lichtquelle ausgesandte Einzelimpuls durchläuft nach dem Austreten aus der An­ ordnung im jeweils eingestellten Winkel den Weg bis zum angetasteten Objektpunkt, wird dort reflektiert und gelangt nach einer dem Abstand proportionalen Laufzeit in die Anordnung zu­ rück, wo er vom photoelektrischen Sensor empfangen wird. Die Laufzeit zwischen Aussenden und Empfangen des Impulses wird in eine Abstandsinformation umgewandelt. Die den jeweiligen Horizontal- und Vertikalwinkeln zugehörigen Abstandsinformationen werden von der Steuerelektronik über die Datenschnittstelle 16 an den Steuerrechner übertragen.

Claims (8)

1. Anordnung zur räumlichen Bild- und Vermessungsdatengewinnung, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Strahlengang eines Projektionsobjektives die Drehachse eines mit einem ersten Drehantrieb verbundenen Aufsatzes befindet, in dem eine erste optische Umlenkeinrichtung so befestigt ist, daß der Strahlengang des Objektives in eine von der Drehachse verschiedene Richtung auf eine zweite optische Umlenkeinrichtung, die ihrerseits mit der Welle eines im Aufsatz befestigten zweiten Drehantriebes verbunden ist, abgelenkt wird, so daß der Strahlengang insgesamt in zwei voneinander unabhängigen, sich überlagernden Präzes­ sionsbahnen abgelenkt wird, daß in bildseitiger Richtung des gleichen Projektionsobjektives eine optoelektronische Funktionseinheit, bestehend aus einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, deren Strahlengänge über einen Strahlenteiler auf einen gemeinsamen Hauptstrahlengang münden, angeordnet ist, und daß die optoelektronische Funktionseinheit und die beiden Drehantriebe mit einer Steuer- und Auswerteelektronik verbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben den beiden beschriebenen optischen Umlenkeinrichtungen weitere optische Umlenkeinrichtungen im Strahlengang angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite optische Umlenkeinrichtung eine im Vergleich zu den Abmessungen des abzubildenden Raumes nicht unerhebliche Exzentrizität zur Drehachse des Aufsatzes besitzt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen der optischen Umlenkeinrichtungen so geformt sind, daß sie funktionell zum Bestandteil des Projektions­ objektives werden.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung der Antriebs­ energie und des Synchronisationssignales für die zweite optische Umlenkeinrichtung im drehbaren Aufsatz der Anordnung ein schalenförmiger elektromagnetischer Transformator mit einer Mittelöffnung koaxial zur optischen Achse so angeordnet ist, daß dessen Primär­ seite im feststehenden und die Sekundärseite im beweglichen Teil befestigt sind, und zwischen beiden Kernhälften ein Luftspalt besteht.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Projektionsoptik und Lichtempfänger ein festes oder umschaltbares Spektralfiltersystem angebracht ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr drehbarer Aufsatz eine zu­ sätzliche Abdeckung zum Schutz vor Umwelteinflüssen besitzt, die ebenfalls drehbar gelagert ist, und die einen Mitnehmer in Form eines Dauermagneten aufweist, der drehmoment­ begrenzend die Drehbewegung des Aufsatzes auf dessen Abdeckung überträgt.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese mechanisch bewegliche Bauglieder aufweist, die sich nach der Lotrechten ausrichten und als optische Marke zur räumlichen Orientierung des erhaltenen Abbildes mit aufgezeichnet werden.