DE202013001538U1 - Arrangement for recording geometric and photometric object data in space - Google Patents

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Abstract

Aufnahmeanordnung zur Gewinnung geometrischer und photometrischer Objektdaten im Raum, bestehend aus einem Laserscanner, einer elektronischen Bildaufnahmekamera und Schwenk-Neige-Antrieben, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Nodalpunktes der Bildaufnahmekamera mit dem gemeinsamen Schnittpunkt aller Drehachsen der Schwenk-Neige-Antriebe übereinstimmt.Recording arrangement for obtaining geometric and photometric object data in space, consisting of a laser scanner, an electronic image recording camera and pan-tilt drives, characterized in that the position of the nodal point of the image pickup camera coincides with the common intersection of all axes of rotation of the pan-tilt drives.

Description

Einsatzgebiet und technischer HintergrundField of application and technical background

Die Erfindung betrifft die Übernahme von Merkmalen realer Objekte und Szenen, wie deren Abbild und deren räumliche Abmessungen, in ein dreidimensionales Computermodell mit Hilfe von Laserscannern. Das Ziel besteht dabei in der korrekten Gewinnung von räumlichen und photometrischen Objektmerkmale mit einem Aufnahmegerät.The invention relates to the adoption of features of real objects and scenes, such as their image and their spatial dimensions, in a three-dimensional computer model using laser scanners. The goal is the correct acquisition of spatial and photometric object features with a recording device.

Stand der TechnikState of the art

Es sind Laserscanner bekannt, die eine Punktwolke rund um den Beobachtungspunkt in Polarkoordinaten aufzeichnen. Dabei bildet jeder aufgezeichnete Punkt einen Datensatz aus Horizontal- und Vertikalwinkel, sowie dessen Abstand zum Beobachtungspunkt. Zusätzlich wird auch das Reflexionsverhalten der Oberfläche für die Wellenlänge des Lasers als Remissionsbild mit gespeichert.Laser scanners are known which record a point cloud around the observation point in polar coordinates. Each recorded point forms a data set of horizontal and vertical angles, as well as its distance to the observation point. In addition, the reflection behavior of the surface for the wavelength of the laser is also stored as a remission image.

Insbesondere sind so genannte Panorama-Scanner mit übereinstimmendem Grundaufbau bekannt, bei denen die Lasereinheit mit einem Drehspiegel oder Drehprisma ausgestattet ist, das den Strahlverlauf durch kontinuierliche schnelle Drehung in einer Ebene ablenkt, während die Lasereinheit selbst, zusammen mit dieser Strahlablenkung liegend auf eine Alhidade montiert ist, die sich mit kleinerer Geschwindigkeit um eine Stehachse dreht. Dabei befindet sich die Stehachse stets genau in der Drehebene der Strahlachse, so dass unabhängig von der Winkelposition ein Strahlursprung in einem festen Punkt, dem Beobachtungspunkt, entsteht. Dieser Beobachtungspunkt bildet wiederum den Koordinatenursprung des lokalen Koordinatensystems. Weiterhin sind Anordnungen mit vergleichbarer Funktion, z. B. aus der Klasse der Tachymeter, bekannt, bei denen die optische Strahlablenkung nicht mit kontinuierlicher Drehbewegung sondern durch zielgerichtete Positionierung erfolgt. Solche Anordnungen werden im Folgenden den Panorama-Scannern gleichgestellt.In particular, so-called panoramic scanner with the same basic structure are known in which the laser unit is equipped with a rotating mirror or rotary prism, which deflects the beam path by continuous rapid rotation in a plane, while the laser unit itself, mounted together with this beam deflection lying on an Alhidade is, which rotates at a lower speed around a standing axis. In this case, the vertical axis is always exactly in the plane of rotation of the beam axis, so that regardless of the angular position, a beam origin in a fixed point, the observation point arises. This observation point in turn forms the coordinate origin of the local coordinate system. Furthermore, arrangements with comparable function, eg. B. from the class of tacheometers, known in which the optical beam deflection is not carried out with continuous rotation but by targeted positioning. Such arrangements will hereinafter be deemed equivalent to the panoramic scanners.

Es sind manuelle oder motorische Nodalpunktadapter bekannt, die eine Bildaufnahmekamera genau in ihrem Nodalpunkt schwenken und neigen, um eine aufgenommene Bildfolge zu einem Panorama-Bild zusammenfügen zu können. Unter dem Begriff Nodalpunkt wird, wie im Sprachgebrauch der Panorama-Bildaufnahmetechnik verbreitet, der angenommene Projektionsmittelpunkt auf der optischen Achse der Kamera verstanden, durch den idealisiert alle Projektionsstrahlen verlaufen. Dieser Nodalpunkt befindet sich bei vielen optischen Konstruktionen innerhalb des Objektivs. Unter einem Panorama-Bild wird die weitwinklige Abbildung der Umgebung eines Beobachtungspunktes bezeichnet, die nicht auf die Abbildungsgrenzen der planaren Zentralprojektion von 180° begrenzt sein muss, sondern prinzipiell den gesamten Definitionsbereich eines Polarkoordinatensystems von bis zu horizontal 0...360° und vertikal –90... +90° als gedachte Projektion auf eine Vollsphäre erreichen kann. Im Sonderfall, bei engeren Grenzen des interessierenden Sichtwinkelbereichs, kann ein Panoramabild auch mittels einer einzigen Aufnahme einer herkömmlichen Bildkamera entstehen.Manual or motor nodal point adapters are known which pivot and tilt an imaging camera at precisely its nodal point in order to be able to combine a recorded image sequence into a panorama image. The term Nodalpunkt is, as is common in the linguistic usage of the panoramic image recording technique, understood the assumed projection center on the optical axis of the camera, run through the idealized all projection beams. This nodal point is in many optical constructions within the lens. A panoramic image is the wide-angle image of the surroundings of an observation point, which need not be limited to the imaging limits of the 180 ° central projection, but in principle the entire domain of a polar coordinate system of up to horizontal 0 ... 360 ° and vertical - 90 ... + 90 ° can reach as imaginary projection on a full sphere. In the special case, with narrower limits of the viewing angle range of interest, a panoramic image can also be produced by means of a single image of a conventional image camera.

Stellvertretend sei auf die Schrift DE 103 59 361 A1 verwiesen. Die Aufnahme aus einem unveränderlichen Nodalpunkt heraus ist zwingend notwendig, um die Forderung der Parallaxefreiheit zu erfüllen.Representing the Scriptures DE 103 59 361 A1 directed. The inclusion of an invariable nodal point is imperative to meet the requirement of parallax freedom.

Es sind Modelle von Laserscannern bekannt, die zusätzlich mit an- oder eingebauten Bildaufnahmekameras ausgestattet sind. Hierzu gehören unter anderen die Modelle VZ-400 des Herstellers RIEGL Laser Measurement Systems GmbH, Horn (Österreich) mit aufgesetzter Standard-Spiegelreflexkamera und die Serie Focus 3D des Herstellers FARO Europe GmbH & Co. KG, Stuttgart sowie HDS3000 des Herstellers Leica Geosystems AG, Heerbrugg (Schweiz), mit integrierter Farbkamera. In allen Fällen sollen diese Bildkameras, bewegt mit den Antrieben der Laserscanner, die Funktion einer Panoramakamera übernehmen. Bedingt durch den Umstand, dass Laserscanner ihr für die Vermessung erforderliches Projektionszentrum – bei Kamerascannern in der Regel der rotierende Ablenkspiegel – selbst im Drehzentrum haben, ist kein Produkt bekannt, welches die genannte Voraussetzung der parallaxefreien Panorama-Bildaufnahme erfüllt.There are known models of laser scanners that are additionally equipped with built-in or built-in imaging cameras. These include among others the models VZ-400 of the manufacturer RIEGL Laser Measurement Systems GmbH, Horn (Austria) with attached standard SLR camera and the series Focus 3D of the manufacturer FARO Europe GmbH & Co. KG, Stuttgart and HDS3000 of the manufacturer Leica Geosystems AG, Heerbrugg (Switzerland), with integrated color camera. In all cases, these image cameras, moved with the drives of the laser scanner, take over the function of a panoramic camera. Due to the fact that laser scanners have their projection center required for the measurement - in the case of camera scanners usually the rotating deflection mirror - even in the center of rotation, no product is known which fulfills the stated requirement of parallax-free panorama image acquisition.

Technische AufgabenstellungTechnical task

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, Laserscanner bekannter Bauart als Panorama-Scanner in Verbindung mit einer Bildaufnahmekamera so zu einer gemeinsamen Aufnahmeanordnung umzugestalten, dass gleichzeitig mit dem Laserscan eine parallaxefreie Panorama-Bildaufnahme erfolgen kann.The invention is based on the technical object of reshaping laser scanners of known design as a panoramic scanner in conjunction with an image recording camera to form a common recording arrangement so that a parallax-free panorama image recording can take place simultaneously with the laser scan.

Problemlösung, Beschreibung der ErfindungProblem solving, description of the invention

Das Problem wird mit der im Hauptanspruch gekennzeichneten Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.The problem is solved with the invention characterized in the main claim. Advantageous embodiments are specified in the further claims.

Wie bereits ausgeführt wurde, ist für eine korrekte Panorama-Bildaufnahme unbedingt zu gewährleisten, dass sich der Nodalpunkt stets an gleicher Position im Raum befindet. Dies kann nur erreicht werden, wenn er im Schnittpunkt der Drehachsen der Aufnahmeanordnung, also im Beobachtungspunkt, liegt. Dies ist in der erfindungsgemäßen Anordnung der Fall.As already stated, it is essential to ensure that the nodal point is always in the same position in the room for a correct panoramic image acquisition. This can only be achieved if it is at the intersection of the axes of rotation of the receiving arrangement, ie in the observation point, lies. This is the case in the arrangement according to the invention.

Im Gegensatz dazu ist es keinesfalls erforderlich, dass die Laserscan-Daten aus dem Beobachtungspunkt heraus erfasst werden, bzw. die Strahlachsen durch einen festen Punkt in den Drehachsen verlaufen. Die einzige Bedingung ist, dass der Bezugspunkt der Lasereinheit stets in einer bekannten geometrischen Beziehung zum Beobachtungspunkt der Aufnahmeanordnung, also zum Koordinatenursprung, steht. Damit können alle erfassten Koordinaten jederzeit mit einfachen mathematischen Korrekturen auf den Beobachtungspunkt umgerechnet werden, auch wenn sie mit einer bestimmten Parallaxe gemessen wurden. Es resultieren hieraus also keinerlei systematische Fehler. Somit verläuft die Strahlachse der Lasereinheit erfindungsgemäß nicht durch den Beobachtungspunkt.In contrast, it is by no means necessary for the laser scan data to be detected from the observation point or for the beam axes to pass through a fixed point in the axes of rotation. The only condition is that the reference point of the laser unit is always in a known geometric relationship to the observation point of the recording arrangement, ie to the origin of coordinates. Thus, all detected coordinates can be converted to the observation point at any time with simple mathematical corrections, even if they were measured with a specific parallax. This does not result in any systematic errors. Thus, the beam axis of the laser unit according to the invention does not extend through the observation point.

Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die Parallaxe in der Umgebung von Objektkanten dazu führt, dass in einer Richtung Objektbereiche abgeschattet werden, während in anderer Richtung an eine Hinterschneidung des Gesichtsfeldes erfolgt. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass der Laserscan von beiden koaxialen Richtungen aus erfolgt und beide Punktwolken anschließend miteinander vereinigt werden.However, it has to be taken into account that the parallax in the vicinity of object edges leads to shading of object areas in one direction, while an undercut of the field of view takes place in another direction. This problem is solved by laser scanning from both coaxial directions and then combining both point clouds together.

1 und 2 zeigen beispielhaft eine typische erfindungsgemäße Ausführung der Aufnahmeanordnung als Panorama-Scanner. Man erkennt den Grundrahmen 1, der mittels Horizontalantrieb 2 um eine Stehachse 3 schwenkbar ist. Ein Vertikalantrieb 4, der am Grundrahmen befestigt ist, neigt die Aufnahmekamera 5 um die Neigeachse 6. Steh- und Neigeachse bilden einen gemeinsamen Schnittpunkt, der mit dem Kamera-Nodalpunkt übereinstimmt. Die bis hierhin beschriebenen Elemente bilden also einen motorisch angetriebenen Nodalpunktadapter, wie er in der Panorama-Bildaufnahme bekannt ist. Der Grundrahmen trägt weiterhin eine Laserscanner-Einheit 7, deren Ablenkspiegel, bzw. -prisma, 8 um eine Drehachse 9, die vorzugsweise mit der Neigeachse 6 deckungsgleich ist, rotiert. Die Laserscanner-Einheit rotiert ihrerseits um die Stehachse, so dass diese, gemeinsam mit dem Grundrahmen und dem Horizontalantrieb annähernd einen Panorama-Scanner bekannter Bauart repräsentiert. Der entscheidende Unterschied besteht aber darin, dass die Stehachse nicht in der Strahlebene 10 liegt, die vom Laserscanner aufgefächert wird, sondern um einen Abstand 11 verschoben ist. Dieser Abstand ist dadurch bedingt, dass der Ort des Schnittpunkts aus Steh- und Neigeachse bereits von der Kamera besetzt ist. 1 and 2 show by way of example a typical embodiment of the recording arrangement according to the invention as a panoramic scanner. One recognizes the basic frame 1 that by horizontal drive 2 around a standing axis 3 is pivotable. A vertical drive 4 , which is attached to the base frame, tends the recording camera 5 around the tilt axis 6 , Standing and tilting axes form a common point of intersection, which coincides with the camera nodal point. The elements described so far thus form a motor-driven Nodalpunktadapter, as is known in the panoramic image recording. The base frame also carries a laser scanner unit 7 whose deflecting mirror, or prism, 8th around a rotation axis 9 , preferably with the tilt axis 6 is congruent, rotated. The laser scanner unit in turn rotates about the vertical axis, so that this, together with the base frame and the horizontal drive approximately represents a panoramic scanner of known design. The key difference is that the standing axis is not in the plane plane 10 lies, which is fanned out by the laser scanner, but by a distance 11 is moved. This distance is due to the fact that the location of the intersection of standing and tilting axis is already occupied by the camera.

In den beiden Abbildungen sind weiterhin vier Zielmarken 12, eine Dosenlibelle 13 zur Horizontierung, Schnellwechselakkumulatoren 14 und Griffe 15 zur Handhabung bezeichnet.The two illustrations still have four targets 12 , a circular level 13 for leveling, quick change accumulators 14 and handles 15 referred to handling.

Wie am Ausführungsbeispiel zu sehen ist, schafft die Verschiebung der Laserstrahlachse aus dem Beobachtungspunkt heraus viel Freiraum für die Aufnahmekamera, deren separaten Antrieb und Objektiv. Hierdurch wird der Einsatz größerer Kameras und Objektive mit besseren Bildaufnahme-Eigenschaften möglich, als dies bei bisher bekannten Lösungen der Fall war. Auch der Einsatz von Blitzleuchten 16 wird damit als besonders vorteilhafte Ausgestaltung möglich. Solche Blitzleuchten können gemeinsam mit der Kamera geneigt werden und werden mit ihr synchronisiert, so dass besonders in Innenräumen stets eine optimale Ausleuchtung der aufzunehmenden Objekte für die Bildaufnahme gewährleistet ist und die erforderliche Aufnahmezeit verkürzt werden kann.As can be seen in the embodiment, the displacement of the laser beam axis out of the observation point creates a lot of free space for the recording camera, its separate drive and lens. As a result, the use of larger cameras and lenses with better image capture properties is possible than was the case with previously known solutions. Also the use of flashing lights 16 is thus possible as a particularly advantageous embodiment. Such flashing lights can be tilted together with the camera and are synchronized with it, so that, especially in indoor always optimal illumination of the objects to be recorded for the image recording is guaranteed and the required recording time can be shortened.

Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt auch eine gleichzeitige Aufnahme der Bilder während des Laserscans.The arrangement according to the invention also allows a simultaneous recording of the images during the laser scan.

Da die Lasereinheit mit ihrer rotierenden Ablenkeinheit in alle Richtungen scannen kann, entsteht ein „Halbscan” vor und einer hinter der Aufnahmeeinheit. Erfolgen nun beide über den Vollwinkel von 360°, so betrachtet einer alle Objekte „leicht von links” und der andere „leicht von rechts”. Werden anschließend beide entstandenen Punktwolken koordinatengerecht vereinigt, so werden Abschattungen an Körperkanten ausgeschlossen. Mehrdeutigkeiten durch Hinterschneidungen können bei einer anschließenden Texturierung mit den Kameradaten dadurch aufgelöst werden, dass jeweils die radial näher liegenden Objektbereiche die sichtbaren sind.Since the laser unit can scan in all directions with its rotating deflection unit, a "half scan" is produced in front of and behind the receiving unit. Now, both succeed over the full angle of 360 °, so one considers all objects "slightly from the left" and the other "slightly from the right". If both of the resulting point clouds are subsequently combined in a coordinated manner, shadowing of the edges of the body is ruled out. Ambiguities caused by undercuts can be resolved in a subsequent texturing with the camera data in that each of the radially closer object areas are the visible.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10359361 A1 [0005] DE 10359361 A1 [0005]

Claims (4)

Aufnahmeanordnung zur Gewinnung geometrischer und photometrischer Objektdaten im Raum, bestehend aus einem Laserscanner, einer elektronischen Bildaufnahmekamera und Schwenk-Neige-Antrieben, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Nodalpunktes der Bildaufnahmekamera mit dem gemeinsamen Schnittpunkt aller Drehachsen der Schwenk-Neige-Antriebe übereinstimmt.Recording arrangement for obtaining geometric and photometric object data in space, consisting of a laser scanner, an electronic image recording camera and pan-tilt drives, characterized in that the position of the nodal point of the image pickup camera coincides with the common intersection of all axes of rotation of the pan-tilt drives. Aufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die während der Bewegung veränderlichen Strahlachsen des Laserscanners nicht durch das Drehzentrum der für Laserscanner und Bildaufnahme gemeinsam genutzten Achse – meist Stehachse – verlaufen.Recording system according to claim 1, characterized in that the variable during movement beam axes of the laser scanner not through the center of rotation of the laser scanner and image acquisition commonly used axis - usually standing axis - run. Aufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Grundrahmen 1 besteht, der mittels Horizontalantrieb 2 um eine Stehachse 3 schwenkbar ist, an dem ein Vertikalantrieb 4 befestigt ist, der seinerseits die Aufnahmekamera 5 um die Neigeachse 6 neigt, wobei Steh- und Neigeachse einen gemeinsamen Schnittpunkt bilden, der mit dem Kamera-Nodalpunkt übereinstimmt, und dass der Grundrahmen weiterhin eine Lasereinheit 7 trägt, deren Ablenkspiegel, bzw. -prisma, 8 eine Drehachse 9 besitzt, deren Lage vorzugsweise mit der Neigeachse 6 deckungsgleich ist, wobei die Stehachse nicht in der Strahlebene 10 liegt, die von der Lasereinheit aufgefächert wird, sondern von dieser einen Abstand 11 aufweist.Recording system according to claim 1, characterized in that it consists of a base frame 1 consists, by means of horizontal drive 2 around a standing axis 3 is pivotable, on which a vertical drive 4 attached, which in turn is the recording camera 5 around the tilt axis 6 tilts, where standing and tilting axis form a common point of intersection, which coincides with the camera nodal point, and that the base frame further comprises a laser unit 7 carries, whose deflection mirror, or prism, 8th a rotation axis 9 owns, whose position preferably with the tilt axis 6 is congruent, with the standing axis not in the beam plane 10 which fanned out by the laser unit, but from this one distance 11 having. Aufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Kamera Leuchten 16, insbesondere Blitzleuchten, mittel- oder unmittelbar so verbunden sind, dass diese deren Sichtfeld beleuchten.Recording system according to claim 1, characterized in that with the camera lights 16 , in particular flashing lights, are medium or directly connected so that they illuminate their field of view.
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