DE4119180A1 - Verfahren und vorrichtung zur vermessung und dokumentation der geometrie, struktur- und materialbeschaffenheit von dreidimensionalen objekten, wie fassaden und raeume sowie deren waende, einrichtungen und installationen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur vermessung und dokumentation der geometrie, struktur- und materialbeschaffenheit von dreidimensionalen objekten, wie fassaden und raeume sowie deren waende, einrichtungen und installationen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung und Dokumentation der Geometrie, Struktur- und Materialbeschaffenheit von dreidimensionalen Objekten, wie Fassaden und Räume sowie deren Wände, Einrichtungen und Installationen.
Im Zuge der Einführung von Objektmanagementsystemen gibt es Anforderungen, bestehende Gebäude auf dem Rechner in geeigneter Form zur Verfügung zu haben. Oft liegen die Planunterlagen, soweit überhaupt vorhanden, nicht in der Qualität vor, um sie als Grundlage für die Gebäudeaufnahme heranzuziehen.
Es bleibt dann nur die Möglichkeit, die Gebäude auszumessen. Dazu werden heute im wesentlichen die klassischen Aufmaßmethoden benutzt.
Die direkte Übernahme der Maße in digitaler Form ist Stand der Technik. Dabei handelt es sich allerdings nur um eine unwesentliche Vereinfachung im organisatorischen Bereich. Die Aufbereitung der Meßpunkte zu verwendbaren Zeichnungen muß nach wie vor von Hand erfolgen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Methode ist, daß von vornherein festgelegt werden muß, was in die Messung einbezogen werden soll. Erweiterungen der Unterlagen bedürfen einer neuen Begehung und Messung. Dies ist insofern problematisch, da bestimmte Räume nur unter aufwendigen Vorbereitungen und intensiven Nacharbeiten zugänglich gemacht werden können, wie dies zum Beispiel ein Operationssaal einer Klinik darstellt.
Ansätze, Meßdaten automatisch in 3 D-Modelle umzuwandeln, und diese auf einem Computer vorort zu überprüfen bringt keine spürbaren Verbesserungen.
Fotogrammetrische Aufnahmeverfahren werden heute für die Vermessung von komplexen Fassaden oder Anlagen eingesetzt. Die Umwandlung der Fotos in digitale Informationen macht große Schwierigkeiten und bedarf einer Menge Handarbeit. Die automatische dreidimensionale Verarbeitung konnte bisher noch nicht verwirklicht werden.
Die Aufwands- und Kostensituation verhindert ein großflächiges Aufmessen und digitales Archivieren bestehender Gebäude.
Der Informationsgehalt ist gering, es sind in der Regel nur die Rohbaudaten erfaßt. Materialien, Farben, Beläge, Einbauten, Haustechnik und Möblierung ist im genannten finanziellen Spielraum nicht erfaßbar.
Grundsätzlich kann man davon ausgehen, daß die komplette digitale Erfassung eines Gebäudes, soweit dies überhaupt noch möglich ist, in Kostengrößenordnungen kommt, wie die ursprüngliche Planung.
Aus der DE 36 32 450 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Abmessungen eines Gegenstandes auf fotografischem Wege bekannt, bei der eine Fotografie des Gegenstandes zusammen mit einem Maßraster hergestellt, und während der Aufnahme ein schräg von oben einfallendes Muster aus horizontal verlaufenden Linien auf den Gegenstand projiziert wird, bei der das Maßraster mittels eines Projektors und eines das Maßraster aufweisenden Diapositivs direkt auf die Bildebene bzw. den Film projiziert wird.
Dieses Maßraster ist immer abhängig von einem Maß, das unmittelbar an dem zu vermittelten Gegenstand angebracht wird, so daß eine individuelle Messung im dreidimensionalen Bereich nicht möglich ist.
Aus der DE 36 42 051 A1 ist ein Verfahren zur dreidimensionalen Informationsverarbeitung und Vorrichtung zum Erhalten einer dreidimensionalen Information über ein Objekt bekannt. Es wird hier beschrieben, daß eine Vorrichtung, die ein dreidimensionales Verfahren zur Informationsverarbeitung anwendet, ein erstes optisches System umfaßt, eine Projektionseinrichtung, ein zweites optisches System und einen Bildempfänger. Bei dieser Vorrichtung werden Bildmusterstrahlen in einer Vielzahl durch das erste optische System auf ein Objekt geworfen. Von den Bildmusterstrahlen am Objekt erzeugte optische Bilder werden durch das zweite optische System hindurch vom Bildempfänger empfangen, um die Orte der empfangenen optischen Bilder zu erfassen. Die Abstände von den erfaßten Stellen der optischen Bilder zu einer Vielzahl von Stellen am Objekt werden gemessen, womit man eine dreidimensionale Information über das Objekt erhält.
Es soll mit dieser Vorrichtung eine genaue Messung ohne Rücksicht auf die Art der Objekte durchgeführt werden und eine dreidimensionale Information über ein Objekt sowie ein Abstand zu einer willkürlichen Stelle eines Objekts in einer relativ kurzen Zeitspanne erhalten werden. Auch bei dieser Verfahrensweise wird stets eine Lichtquelle benötigt, die das Objekt bestrahlt.
Ebenso wird hier eine Vielzahl von Bildmusterstrahlen auf ein Objekt gerichtet, was wie eingangs schon erläutert, als nachteilig anzusehen ist.
Aus der DE 28 33 069 A1 ist ein Lasermeßsystem bekannt, das zur Messung der Oberflächenkonturen eines Objektes mit einer, einem schmalen Lichtstrahl erzeugenden Lichtquelle darstellt, welches ein Abtastmittel aufweist, um einen sich über das Objekt bewegenden Abtaststrahl zu erzeugen, eine Linse zum Licht des vom Artikel reflektierten Abtaststrahls zu sammeln und das gesammelte Licht auf ein optisches Gitter zu fokussieren, welches abwechselnd durchsichtige und undurchsichtige Streifen besitzt und einen Lichtfühler zum Empfang gesammelten durch die transparenten Streifen des optischen; Gitters gelaufenen Lichts und zur Erzeugung einer Ausgangsgröße, die sich dementsprechend ändert, aufweist.
Dieses Lasermeßsystem stellt eine an sich bekannte konventionelle Vermessungstechnik dar, mit der ein Objekt bei langsamer Geschwindigkeit, verglichen mit der Abtastrate bewegt wird, so daß eine dreidimensionale Messung der Kontur der Oberfläche des Artikels erhalten werden kann.
Aus der DE 31 24 945 A1 ist ein Registriertheodolit beschrieben der als Aufzeichnungseinrichtung eine Videokamera aufweist, an die ein Videorecorder mit Zeitlupe und Standbildwiedergabemöglichkeit angeschlossen ist. Mit einem derartigen Theodoliten ist es möglich sofort nach der Messung eine Aussage über ihre Güte zu treffen oder eventuelle Fehler jederzeit an einem Kontrollmonitor sichtbar zu machen, so daß bei der Auswertung zu jedem Zeitpunkt eine Korrektur erfolgen kann, jedoch ist auch hier lediglich das Problem behoben, eventuell vorhandene Nachführfehler bei der Auswertung zu jedem Zeitpunkt korrigieren zu können, so daß die herkömmlichen Wachspapiere zur Aufzeichnung entfallen können. Eine dreidimensionale Vermessung nebst Dokumentation des Meßergebnisses kann mit dieser Verfahrensweise nicht vollzogen werden.
Der aufgezeigte Stand der Technik weist die Gemeinsamkeit auf, daß eine effiziente dreidimensionale IST-Aufzeichnung und eine Dokumentation des vermessenden Objektes nicht möglich ist, da den digital erfaßten Meßwerten keine visuell erfaßten Informationsgehalte zugeordnet werden können, so daß gegebenenfalls nicht erfaßte Formgebungen, was eventuell später erst erkannt wird, nur durch erneute Ortsbegehung und Vermessung erfaßt werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das auf dem Konzept der Kopplung einer laserunterstützten Entfernungsmeßmethode z. B. (Laserscann-Methode) mit Videobildaufzeichnungen beruht. Dadurch wird der digital gespeicherte Meßpunkt (Entfernung und Winkel) auf dem Videobild als Lichtpunkt sichtbar. Die Auswahl der Videobilder, die den Raum dokumentieren erfolgt schematisch durch Drehen der Kamera um den vorgegebenen Winkel, die Auswahl der Bildsegmente, in deren Mitte je ein Meßpunkt liegt, erfolgt intelligent (programmgesteuert) in Abhängigkeit von Material und Geometrie (Topologie). Aus diesen Daten wird mit Hilfe eines Computerprogrammes ein räumliches Rastermodell, das sowohl die Raumgeometrie, als auch die Materialien beinhaltet, berechnet. Dieses Rastermodell ist mit einem weiteren Computerprogramm in ein Vektormodell zu überführen.
Alle Daten werden an einem CAD-Programm angebunden. Zur Unterstützung der Dokumentation sind den Bildern zugeordnete Sprachaufzeichnungen vorgesehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens beschreibt ein Vermessungskonzept, das mit geeigneter Hardware die visuellen Informationen ergänzt um offensichtliche Tatsachen in Sprachform bei der Dokumentation von Räumen, Fassaden und Gebäuden aufzeichnet. Diese visuellen Daten werden, in später beschriebener Art und Weise, digitalen Meßwerten, wie Entfernungen und Winkeldifferenzen zum Standpunkt zugeordnet.
Das so entstandene hybride (digital und analog) Informationskonglomerat beschreibt Räume, Fassaden und Gebäude in der gleichen vollständigen Form, wie sie ein Betrachter erlebt.
Mit geeigneter Software ist es möglich, die hybriden Daten so zu bearbeiten, daß für die Planung verwertbare, reine digitale Modelle entstehen. Viele Anwendungen im Bereich des raum- oder fassadenbezogenen Objektmanagementes benötigen derzeit keine digitalen Modelle, es reichen als Entscheidungsgrundlage definierte Abbilder (analog) der Räume oder Fassaden.
Gegenüber den herkömmlichen Vermessungskonzepten werden mit der vorliegenden Erfindung folgende Vorteile erzielt:
Es ist eine komplette Erfassung des gesamten Raumes mit allen sichtbaren Objekten möglich.
Es erfolgt eine Erfassung der Farben und Materialien (soweit sichtbar).
Es ist keine vorherige Bestimmung des Vermessungsumfanges nötig.
Es muß keine Nachmessung vorgenommen werden.
Es ist die direkte Zuordnung von nicht optisch erfaßbaren Informationen durch Sprachkommentare möglich.
Es ist eine automatische Rundumerfassung mit sofortiger Erfolgskontrolle gewährleistet.
Gegenüber der herkömmlichen Vermessungskonzepte liegt eine Finanzielle- und Arbeitsintensitätseffizienz vor.
Es wird eine vollständige Dokumentation großer und komplexer Gebäude mit realisierbarem Aufwand ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung kann grundsätzlich bei allen Gebäuden und Anlagen für die Innenraum- und Außenaufnahmen eingesetzt werden.
Es bietet sich aber ganz besonders bei großen und größten Objekten an, bei denen die vorhandenen Pläne in einem unbrauchbaren Zustand bzw. nicht mehr vorhanden sind. Komplexe Raumsituationen und umfangreiche Einbauten in Form von Haustechnik, Anlagen oder Maschinen sind genauso wirtschaftlich dokumentierbar wie hochwertig ausgestattete oder denkmalgeschützte Gebäude. Beispielhafte Einsatzmöglichkeiten sind zum Beispiel die Vermessung und Dokumentation von Kliniken, allgemeine Industrieanlagen, chemische Anlagen, Kraftwerke, Bürogebäude, Kaufhäuser, Banken und Ingenieurbauwerke (Brücken, Tunnels, Dämme).
Das Aufnahmeequipment setzt sich aus fünf Hauptkomponenten zusammen.
Diese sind das Meßsystem, das Aufzeichnungssystem, das Justiersystem, die Steuereinheit und das fahrbare Trägersystem.
Das Meßsystem besteht aus einer Videokamera, einem Entfernungs- und Winkelmeßgerät mit Ziellaser oder Laserscanner, einem Mikrofon für Sprachaufnahme sowie Spektral- und Reflexionssensor für Farb- und Materialerkennung.
Das Aufzeichnungssystem besteht aus einer Bildplatte oder Videorecorder für Fernsehstandbilder, einen Computer für Maß, Winkel-, Farb- und Koordinationsinformationen sowie einen DAT- oder Audio-Recorder für Sprachkommentar.
Das Justiersystem wird aus einem Kompaß oder Navigationsgerät für die Richtung des ersten Bildes, einer automatischen Horizontalausrichtung und einer Dreh- und Neigungsvorrichtung mit automatischen Winkelgeber gebildet.
Die Steuereinheit besteht bevorzugterweise aus einem Computer mit Steuersoftware (Echtzeitverarbeitung) und Steuerungen für Kamera, Ziellaser und Bildaufnahmen.
Das fahrbare Trägersystem wird bevorzugterweise aus einem Rollwagen, einem Stativ mit Hubvorrichtung, einer Ablage, einer autarken Stromversorgung sowie einer Treppengangvorrichtung gebildet.
Ohne Berücksichtigung intelligenter Meßpunktauswahl durch Entfernungsvergleich oder Spektral- und Reflexionsanalyse läuft die Innenraumaufnahme nach folgendem Schema ab:
  • a) Der Rollwagen wird vom Bediener in den zu vermessenden Raum geschoben, an einen Platz gestellt, von dem aus möglichst der ganze Raum in Rundumsicht eingesehen werden kann und grob nach Norden (Anzeige über Hilfskompaß) ausgerichtet.
  • b) Das Meßsystem richtet sich automatisch für das erste Bild horizontal und exakt nach Norden aus.
  • c) Der Ziellaser fixiert den Mittelpunkt des ersten Bildsegmentes aus seiner Bildsegmentmatrix.
  • d) Die Videokamera stellt sich auf diesen Punkt scharf und nimmt ein Bild auf, das auch den Zielpunkt (Lichtpunkt) des Ziellasers für die Entfernungsmessung bzw. Laserscanners enthält.
  • e) Entfernungs-, Horizontal- und Vertikalwinkel werden gemessen und vom Computer gemeinsam mit der Bildkennung (laufende Nummer) aufgezeichnet.
  • f) Der Ziellaser fixiert den Mittelpunkt des nächsten Bildsegmentes an, dann laufen die Operationen g und e ab. Die Operation f wiederholt sich für jedes Bildsegment der Bildsegmentmatrix.
  • g) Die Kamera mit aufgesetzten Entfernungs- und Winkelmeßsystem dreht um einen bestimmten, einstellbaren Winkel horizontal weiter. Für jeden Winkel laufen die Operationen c bis f wie beschrieben ab.
  • h) Zur Ermittlung der relativen Lage zweier Räume zueinander wird im Durchgang eine Reflexionskugel so angebracht, daß sie von beiden Standpunkten aus sichtbar ist. Diese Kugel wird mit dem Ziellaser fixiert, Entfernung und Winkel gemessen und ein Videobild aufgenommen.
Jede Bildeinstellung (Winkel der Videokamera) wird in eine Anzahl von Bildsegmenten zerlegt (Bildsegment Matrix).
Der Zielpunkt für die Entfernungsmessung ist der Mittelpunkt eines Bildsegmentes.
Die Entfernungseinstellung der Kamera wird mit dem Entfernungslaser gekoppelt, so daß das jeweils betrachtete Bildsegment im aufgenommenen Gesamtbild immer am Meßpunkt (Mittelpunktbildsegment) scharf ist.
Je kleiner die Bildsegmente gewählt werden d. h. je mehr Bildsegmente und damit Meßpunkte vorhanden sind, um so höher ist die Wahrscheinlichkeit, daß alle für die spätere digitale Auswertung notwendigen Maße aufgenommen worden sind.
Die Entscheidung, in wieviele Bildsegmente ein Gesamtbild zu zerlegen ist, kann von der Steuersoftware für jedes Bild einzeln getroffen werden.
Ein Kriterium ist die Anzahl der unterschiedlichen ermittelten Entfernungen. Je mehr unterschiedliche Entfernungen ermittelt wurden und je größer die Differenz zwischen den einzelnen Entfernungswerten ist, um so mehr Segmente und damit Meßpunkte sind einzubeziehen.
Eine weitere Möglichkeit für die Steuerung für die Segmentaufteilung ist die Spektral- und Reflexionsanalyse der im Bildbereich liegenden Materialien. Mit dieser Methode sind leicht unterschiedliche Materialien zu erkennen. Die Segmenteinteilung kann dann so gestaltet werden, daß Flächen gleichen Materials in unterschiedliche Segmente eingeteilt werden. Drei Meßpunkte auf einer Fläche ergeben die Lage im Raum.
Weiterhin kann eine Segmentaufteilung an Materialgrenzen erfolgen, da Materialgrenzen in der Regel auf geometrische Übergänge hindeuten.
Die Spektral- und Reflexionskennwerte werden zu den Meßpunkten gespeichert und dienen später zur Unterstützung der Bildauswertung.
Für die spätere Auswertung müssen bei der Aufnahme soviel Meßinformationen wie nur möglich ermittelt werden. Dazu werden bei der einfachsten Anwendungsform an die zu vermessenden Objekte (Fenster, Türen, Möbel, sonstige Einbauten) gut sichtbar, horizontale und vertikale Meßlatten angelegt. Diese werden mit aufgenommen und lassen sich später visuell oder automatisch auswerten.
Für die automatische Auswertung ist es wichtig, daß diese Meßlatten markante Farben haben, um von den Bildverarbeitungsprogrammen automatisch erkannt zu werden.
Eine weitere Möglichkeit mit einer Aufnahme mehr Maße zu erhalten, ist die Einblendung eines Meßgitters. Das Meßgitter kann sowohl in einer analogen Form, so daß es im Videobild sichtbar ist, als auch in digitaler Form aufgezeichnet werden. Bei der letzten Möglichkeit genügt das Speichern der Aufnahmebrandbedingungen wie Objektivbrennweite und Öffnungswinkel. Aus diesen Maßen läßt sich dann nachträglich für die Bildebene des Meßpunktes ein senkrecht zum Kameraobjektiv stehendes Meßraster zurückrechnen und auch in das analoge Bild einblenden. Zur automatischen Auswertung eignen sich die digitalen Aufnahmerandbedingungen besser als analoge Meßgitter.
Mit der vorliegenden Erfindung werden also Farbvideobilder, Bildkennung (Nummer), Richtungswinkel der Videokamera, Bildsegmentkennung, Abstand zum Bildsegmentmittelpunkt (Meßpunkt), Winkel zum Meßpunkt, Spektral- und Reflexionswert am Meßpunkt (Materialerkennung), Objektivbrennweite und Öffnungswinkel (Meßgitterberechnung) Raumkennzeichnungen und beliebige Texte in Sprache (Audioaufzeichnungen) als Daten erfaßt.
Bevorzugterweise sind alle Daten mit Ausnahme der Farbvideobilder digital aufgezeichnet.
Die Zuordnung der digitalen Daten zu den Videobildern erfolgt über die Bildsegmentkennung.
Die mit der vorliegenden Erfindung geschaffene Gerätekombination die die Vorrichtung darstellt, aufgenommenen Daten (analog und digital) eignen sich ohne Bearbeitung im Sinne der Bildverarbeitung schon im Rohzustand hervorragend für die Dokumentation von Räumen und Gebäuden.
Aufgrund der Trennung der Videobilder von den digitalen Informationen, aber in Kenntnis der gegenseitigen Abhängigkeit, ist eine Verarbeitung mit herkömmlichen CAD Systemen ohne aufwendige Zusatzprogrammierung möglich.
Die mit der vorliegenden Erfindung aufgenommenen Videobilder der Räume oder Fassaden eignen sich unter Ausnutzung des Aufnahmerichtungswinkels sehr gut für einen über- bzw. Rundumblick. Der Standpunkt der Kamera im Raum ist im einfachsten Fall auf einer Grundrißskizze mit einem Pfeil in die Richtung des ersten Bildes (Norden) gekennzeichnet. Durch Identifizieren und Drehen des Pfeiles wird das Bildplattensystem veranlaßt, die entsprechende Raumansicht zu zeigen. Pfeilrichtung und Videobild stimmen überein. Für diese Anwendung ist nicht die komplette Gerätekonfiguration notwendig, die Laserentfernungsmessung, die Bildsegmentierung und die Spektral- und Reflexionsmessung einschließlich der Steuereinheiten können entfallen.
Durch die Einbeziehung von Vektordaten in die Rasterdaten- oder Analogdatenverarbeitung, der hybriden Datenverarbeitung, werden bei der vorliegenden Anwendung die ermittelten Entfernungen und Winkel gleichzeitig mit den Bildern ausgewertet. Mit dieser Methode können die Korrektur der Grundrißskizze, die Erzeugung räumlicher Raum- Innenflächenmodelle und die Identifikation, Lage und Größenerkennung von Einbauteilen, als Operationen in Vektordatenbereich vorgenommen werden.
Im Gegensatz zur Bildverarbeitung wird hier davon ausgegangen, daß der Anwender aufgrund des Videobildes und des dort eingeblendeten Mischpunktes der Lasermessung, über die Brauchbarkeit des Maßes entscheidet.
Die für den Abruf der analogen Videobilder verwendete Grundrißskizze läßt sich mit den Meßwerten für Entfernung und Winkel zu einer maßstäblichen Grundrißzeichnung korrigieren. Der Richtungspfeil für das Abrufen der Videobilder wird nacheinander auf jede Wand in der Grundrißskizze gerichtet. Für jede Wand sind zwei möglichst weit auseinanderliegende Meßpunkte auszuwählen. Mit Hilfe dieser Meßpunkte ist die Richtung und der Abstand der Wand zum Kamerastandpunkt bestimmbar. Eine Wandecke erhält man durch Verschneidung zweier benachbarter Wände.
Wie zuvor erläutert, wird die Brauchbarkeit eines Meßpunktes visuell, aufgrund der Videobilder entschieden. Die Übernahme der zugeordneten Daten und die Korrektur der Grundrißskizze erfolgen automatisch.
Für die Berechnung der exakten Lage von Fenstern und Türen sind zusätzlich zu den automatisch gesetzten Meßpunkten weitere von Hand bestimmte Punkte an den Fenster- und Türecken notwendig.
Falls man sich mit einer geringeren Genauigkeit zufrieden geben kann lassen sich durch Interpolation weitere Punkte zwischen den automatischen Meßpunkten nachträglich ermitteln.
Während bei einer Grundrißzeichnung die Zuordnung der pauschalen Wandhöhe genügt, müssen beim Raum- Innenflächenmodell alle Innenflächen in ihrer vollständigen Geometrie bestimmt werden. Prinzipiell läuft die Auswertung wie zuvor beschrieben ab, es sind allerdings pro Wand drei Meßpunkte zu berücksichtigen, um eine räumlich liegende Fläche zu erhalten. Schon bei der Aufnahme müssen Decken und Fußböden mitgemessen werden, da ohne Meßpunkte eine spätere räumliche Zuordnung nicht möglich ist.
Die Erkennung der Einbau- und Ausstattungsteile erfolgt visuell über das Videobild. Größe und Lage der Teile werden, wie oben beschrieben, aufgrund der Meßpunkte bzw. der Interpolation zwischen den Meßpunkten zugeordnet.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Aufnahme von Vergleichsmaßstäben der visuellen Auswertung und Zuordnung zu den Einbau-Ausstattungsteilen.
Das Ziel für dieses Meß- und Dokumentationsverfahren ist die vollständige Ist-Aufnahme von Gebäuden. Dazu zählen, wie schon zuvor erwähnt, nicht nur die Wände, sondern alle sichtbaren Objekte, einschließlich Materialien, Farben und Oberflächen. In der ersten Stufe liefern die Videobilder ebene, farbige Rasterdatenbilder. Hierbei wird in bekannter Weise von der Umsetzung von Videobilder in Rasterdaten Gebrauch gemacht.
Unter anderem werden für die geplanten Auswertungen, die räumliche Darstellung von Rasterdaten, die Segmentierung von Rasterdaten zu objektorientierten Systemen, die Strukturierung und Erkennung der Rasterobjekte, die Ausblendung von räumlichen Rasterobjekten (Hintergrund sichtbar machen) und der Übergang zum Vektorensystem vorgenommen.
Durch die Kopplung der Entfernungs- und Winkelmessung mit dem Farbvideobild erhält man die exakte, räumliche Lage (Koordinaten) eines Materialbereiches (Bildsegment) innerhalb der gesamten Bildsegmentmatrix.
Unterstützt wird die Materialzuordnung zu einem Bildsegment durch die Ergebnisse der Spektral- und Reflexionsanalyse. Da nicht davon ausgegangen werden kann, daß die Oberfläche oder das Material innerhalb eines Bildsegmentes homogen ist, gelten die Verhältnisse um den Meßpunkt.
Anhand der beigefügten Zeichnungen, die besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, werden diese nun näher beschrieben.
Dabei zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Meßaufbaus,
Fig. 2 ein Systemschaltbild der Erfindung.
Anhand der Fig. 1 und 2 wird die Erfindung nun beschrieben.
Mit dem Bezugszeichen 1 ist die gesamte Vorrichtung gekennzeichnet. Die besteht aus den Hauptkomponenten, Meßsystem 2, Aufzeichnungssystem 3, Justier- und Winkeleinstellungssystem 4, der Steuereinheit 5 und dem Trägersystem 6.
Das Meßsystem 2 zeigt beispielsweise die Komponenten Spektral- und Reflexionssensor 2d, der starr mit dem Laserentfernungsmeßgerät 2c verbunden ist, für das alternativ auch ein Theodolit mit Ziellaser eingesetzt werden kann.
Es schließt sich eine Dreh- und Neigungsvorrichtung 4d für das Entfernungsmeßgerät (Rechner gesteuert) an.
Mit dem Bezugszeichen 2e ist das Winkelmeßgerät für 2c (horizontal und vertikal, relative Werte zur Videokamera) gekennzeichnet. Hieran schließt sich mit einer starren Verbindung die Videokamera 2a an, die wiederum mittels einer Dreh- und Neigungsvorrichtung sowie Messung 4c, mit dem Winkelmeßgerät 2b für die Videokamera verbunden ist. Die Dreh- und Neigungsvorrichtung 4c ist hier für das gesamte Meßsystem (rechner- oder handgesteuert) eingesetzt.
Es folgt eine starre Verbindung mit der Montageplatte 6d, die auf einem ausfahrbaren Stativ für das Meßsystem aufsitzt und sich hier wiederum eine Montageplatte 6d anschließt. Es folgt sodann eine automatische Horizontalausrichtung 4b mit einer Dreh-Vorrichtung und -Messung 4a, also einem Navigationsgerät oder Kompaß für automatischen Nordausrichtung. Im Rollwagen 6a, auf dem die zuvor beschriebenen Vorrichtungselemente starr verbunden sind befindet sich der Videorecorder 3a (alternativ) ein Bildplattensystem für Einzelbildaufzeichnung, der Rechner mit Speichereinheit (z. B. Magnetplatte oder Optical Disc). Ferner ist mit dem Bezugszeichen 6c die Stromversorgung (Akku und Ladegerät), mit dem Bezugszeichen 5a ein Rechner und Wandler (erhält Daten von 3b) und mit dem Bezugszeichen 3c ein Audiorecorder oder DAT-Tape mit Mikrofon 3d für Sprachaufzeichnung gekennzeichnet.
Der Informationsfluß kann aus dem Systemschaltbild der Fig. 2 ohne weitere Erklärung entnommen werden.
Bezugszeichenliste
 1 Vorrichtung
 2 Meßsystem
 2a Videokamera
 2b Winkelmeßgerät für Videokamera
 2c Laserentfernungsmeßgerät/Theodolit mit Ziellaser
 2d Spektral- und Reflexionssensor (starr mit 2c verbunden)
 2e Winkelmeßgerät für 2c (horizontal und vertikal, relative Werte zur Videokamera)
 3 Aufzeichnungssystem
 3a Videorecorder
 3b Rechner mit Speichereinheit (z. B. Magnetplatte oder Optical Disc)
 3c Audiorecorder
 3d Mikrofon
 4 Justiersystem
 4a Navigationsgerät
 4b Horizontalausrichtung (automatisch)
 4c Dreh- und Neigungsvorrichtung für gesamtes Meßsystem (rechner- oder handgesteuert)
 4d Dreh- und Neigungsvorrichtung für Entfernungsmeßgerät 2c und 2d (rechnergesteuert)
 5 Steuereinheit
 5a Rechner + Wandler
 6 Trägersystem
 6a Rollwagen
 6b Stativ
 6c Stromversorgung
 6d Montageplatte

Claims (38)

1. Verfahren zur Vermessung und Dokumentation der Geometrie, Struktur-und Materialbeschaffenheit von dreidimensionalen Objekten, wie Fassaden und Räume sowie deren Wände, Einrichtungen und Installationen, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Geometrie, Struktur sowie Materialbeschaffenheit des zu vermessenden und zu dokumentierenden Objektes visuell erfaßt wird und den visuell erfaßten Informationen auditive Informationen und digitale Meßwerte zugeordnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die visuelle Datenerfassung mittels einer Videokamera erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die visuelle Datenerfassung mittels spektral- und oder Reflexionssensor erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auditive Datenerfassung mittels Sprachinformation erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Datenerfassung mittels Winkelmeßgerät und Entfernungsmeßgerät erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Entfernungsmeßgerät ein Laserentfernungsmeßgerät verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Winkelmeßgerät ein Theodolit mit Ziellaser verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenerfassungsmittel innerhalb des zu vermessenden Raumes positioniert und nach Norden ausgerichtet werden, der Ziellaser jeweils den Mittelpunkt der einzelnen Bildsegmente auf seiner Bildsegmentmatrix fixiert, die Videokamera auf diesen Punkt scharf eingestellt wird oder sich einstellt und ein Bild aufgenommen wird, das den durch einen Lichtpunkt gebildeten Zielpunkt des Ziellasers für die Entfernungsmessung bzw. Laserscanners enthält und die Entfernung mit einem Horizontal- und Vertikalwinkel gemessen und von einem Rechner gemeinsam mit der Bilderkennung aufgezeichnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach Aufnahme der visuellen, auditiven und digitalen Informationen des ersten Bildsegmentes der Ziellaser den Mittelpunkt des nächsten Bildsegmentes fixiert und die Datenerfassung vollzogen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenerfassungsmittel bzw. die Videokamera um einen bestimmten, einstellbaren Winkel horizontal oder vertikal verdreht und die Datenerfassung vollzogen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der relativen Lage zweier Räume zueinander im Durchgang eine Reflexionskugel derart angebracht wird, daß diese von beiden Standpunkten aus sichtbar ist und mit dem Ziellaser fixiert, Entfernung und Winkel gemessen und ein Videobild aufgenommen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bildeinstellung in eine Anzahl von Bildsegmenten zerlegt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt eines Bildsegmentes als Zielpunkt für die Entfernungsmessung herangezogen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer konstanten Scharfeinstellung am Meßpunkt des jeweils betrachteten Bildsegmentes im aufgenommenen Gesamtbild die Entfernungseinstellung der Videokamera mit dem Entfernungslaser gekoppelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der unterschiedlichen Entfernungen zwischen Objekt und Kamera bzw. Entfernungslaser erfaßt und nach diesen Werten das Gesamtbild in die Bildsegmente zerlegt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Segmentaufteilung mittels der Spektral- und Reflexionsanalyse der im Bildbereich liegenden Materialien erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen gleichen Materials in unterschiedliche Segmente eingeteilt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16 und mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentaufteilung an den Materialgrenzen vorgenommen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektral- und Reflexionskennwerte zu den Meßpunkten gespeichert werden.
20. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den zu vermessenden Objekten bzw. Einrichtungen oder Installationen gut sichtbar, horizontale und vertikale Meßlatten zugeordnet werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßlatten mitaufgenommen visuell oder automatisch ausgewertet werden.
22. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das Videobild ein Meßgitter eingeblendet wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgitter in analoger Form vorliegt.
24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgitter in digitaler Form vorliegt.
25. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmerandbedingungen wie Objektivbrennweite und Öffnungswinkel gespeichert werden und aus diesen Daten bzw. Maßen ein, für die Bildebene des Meßpunktes, senkrecht zum Kameraobjektiv stehendes Meßraster errechnet und in das analoge Bild eingeblendet wird.
26. Verfahren nach Anspruch 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Meßeinrichtung folgende Daten erfaßt werden:
  • a) Farbvideobild,
  • b) Bildkennung (Nummer),
  • c) Richtungswinkel der Videokamera,
  • d) Bildsegmenterkennung,
  • e) Abstand zum Bildsegmentmittelpunkt (Meßpunkt),
  • f) Winkel zum Meßpunkt,
  • g) Spektral- und Reflexionswert am Meßpunkt (Materialerkennung),
  • h) Objektivbrennweite und Öffnungswinkel (Meßgitterberechnung),
  • i) Raumkennzeichnungen,
  • j) Beliebige Texte in Sprache (Audioaufzeichnung).
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten gemäß Merkmalen b bis j digital aufgezeichnet werden.
28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnung der digitalen Daten zu den Videobildern über die Bild- bzw. Bildsegmentkennung folgt.
29. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß analog erfaßte Informationen und Meßdaten digitalisiert werden.
30. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vektordaten in die Rasterdaten- und Analogdatenverarbeitung einbezogen werden und die ermittelten Entfernungen und Winkel gleichzeitig mit den Bildern ausgewertet werden.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der hybriden Datenverarbeitung die Korrektur der Grundrißskizze, die Erzeugung räumlicher Raum-Innenflächenmodelle und die Identifikation, Lage- und Größenerkennung von Einbauteilen als Operationen im Vektordatenbereich vorgenommen werden.
32. Verfahren nach Anspruch 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß dieses mittels einer Software betrieben wird.
33. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einem Meßsystem (2), einem Aufzeichnungssystem (3), einem Justiersystem (4), einer Steuereinheit (5) und einem fahrbaren Trägersystem (6) besteht.
34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem (2) aus einer Videokamera (2a), einem Winkelmeßgerät (2b) für die Videokamera, einem Laserentfernungsmeßgerät bzw. Theodolit mit Ziellaser (2c), einem Spektral- und Reflexionssensor (2d) und einem Winkelmeßgerät (2e) besteht.
35. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufzeichnungssystem (3) aus einer Bildplatte oder Videorecorder (3a) für Fernsehstandbilder, einen Computer (3b) für Maß-, Winkel-, Farb-, Material- und Koordinationsinformationen und einem DAT- oder Audio- Recorder (3c) nebst Mikrofon (3d) für Sprachkommentar besteht.
36. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Justiersystem (4) aus einem Kompaß- oder Navigationsgerät (4a) für Richtung des ersten Bildes, einer automatischen Horizontalausrichtung (4b) und einer Dreh- und Neigungsvorrichtung (4c) für das gesamte Meßsystem und einer Dreh- und Neigungsvorrichtung für das Entfernungsmeßgerät (2c und 2d) besteht.
37. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (5) aus einem Rechner + Wandler (5a) mit Steuersoftware (Echtzeitverarbeitung) und Steuerungen von Kamera, Ziellaser und Bildaufnahme besteht.
38. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das fahrbare Trägersystem (6) aus einem Rollwagen (6a), einem Stativ (6b) mit Hubeinrichtung, Montageplatten (6d) und einer autarken Stromversorgung (6c) sowie einer Treppengangvorrichtung besteht.
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