DE4433197A1

DE4433197A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erstellen einer Dokumentation

Info

Publication number: DE4433197A1
Application number: DE4433197A
Authority: DE
Inventors: Norbert Rutzen; Erhard Franke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-02-02
Filing date: 1994-09-17
Publication date: 1995-08-03

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erstellen einer Dokumentation von ei nem Gegenstand wie einer Wandfläche eines Innenrau mes, der Außenfassade eines Gebäudes und derglei chen mittels einer Abbildung durch eine Kamera. Die Erfindung ist vorzugsweise zur Dokumentation des Verlaufs von Installationen, insbesondere von Elektro-, Heizungs-, und Sanitärinstallationen in Räumen sowie an Außenfassaden von Gebäuden ge eignet. Die Erstellung von Dokumentationen, die während des Bauvorganges den Rohbauzustand erfas sen, ist insbesondere im Bauwesen von wachsender Bedeutung. Die Erarbeitung exakter Dokumentationen wird dabei dadurch erschwert, daß mit der Realisie rung von Bauvorhaben bereits begonnen wird, obwohl die Projektierungsphase noch nicht vollständig ab geschlossen ist oder daß gegenüber den vorhandenen Bauzeichnungen nachträgliche Änderungen vorgenommen werden.

Durch den wachsenden Umfang der Installation von Anlagen, wie Telefon, Alarmanlagen, Computernetze, Brandmeldeanlagen, Antennenanlagen, Elektroinstal lationen, Heizungsinstallationen, Sanitärinstalla tionen und dergleichen, ist es für die spätere War tung und die Verwaltung der Gebäude unerläßlich, die endgültige Installation genau zu dokumentieren. Dies geschieht gegenwärtig dadurch, daß nach Ab schluß der Arbeit aufgrund von Angaben der an der Bauausführung Beteiligten zeichnerischen Dokumenta tionen angefertigt werden. Diese Verfahrensweise ist sehr zeitaufwendig und verursacht erhebliche Kosten. Weiterhin ist nachteilig, daß dabei viel fältige Fehlermöglichkeiten bestehen, so daß die erstellten Dokumentationen häufig unkorrekte Anga ben enthalten.

Nach dem deutschen Gebrauchsmuster G 91 04 735.8 ist eine Vorrichtung zur Dokumentation der Anord nung und/oder des Verlaufs der Installationen in einem Raum und/oder an einer Außenfassade eines Ge bäudes im Rohzustand angegeben, bei dem eine Kamera zum Aufnehmen und Speichern der zu dokumentierenden Einzelheiten vorgeschlagen wird.

Bei dieser Anordnung können zwar Bilddokumente des jeweiligen Installationszustandes geschaffen wer den, nachteilig ist jedoch, daß eine Bemaßung der installierten Einrichtungen aus der Dokumentation nicht entnommen werden kann. Da die Aufnahmen in der Regel durch Schrägstellen der Kamera verzerrt sind, ist auch dann, wenn durch Gegenstände deren Einzelmaße bekannt sind eine exakte Maßentnahme durch Rückrechnung nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine fehlerfreie Dokumentation eines Gegenstandes mit gleichzeitiger Erfassung der Bemaßung erstellt werden kann.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe da durch, daß

- der Gegenstand mit einer Videokamera aufgenommen wird und daß während der Aufnahme mindestens drei Lichtpunkte an die Wand projiziert werden, wobei diese Lichtpunkte von Strahlern erzeugt werden, die in der Nähe der Kamera angeordnet sind und parallel zur optischen Achse der Kamera gerichtet sind,
- die Videoaufnahmen an einem Wiedergabegerät aus gewertet und dabei einzelne Bilder ausgewählt wer den,
- die ausgewählten Bilder zur Verwaltung in einer Bilddatenbank gespeichert werden,
- die ausgewählten Bilder nacheinander auf einem Auswertegerät dargestellt werden und dabei die Lichtpunkte erfaßt werden

und daß die ausgewerteten Bilder dokumentiert wer den.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält ein Ge stell, an dem eine Kamera und mindestens drei ge richtete Lichtquellen angeordnet sind, wobei die Lichtquellen parallel zur optischen Achse der Ka mera ausgerichtet sind.

Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den An sprüchen 2 bis 11 angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegen über bekannten Verfahren zur Erstellung einer Doku mentation durch eine wesentliche Senkung des Ar beits-, Zeit- und Kostenaufwandes aus. Weiterhin ist vorteilhaft, daß eine große Menge an Informa tionen entstehen, die leicht gespeichert werden können. Bei Einsatz einer Videokamera entstehen da bei sowohl Bild- als auch Toninformationen, so daß auch gesprochene Erläuterungen, Anweisungen und dergleichen, dokumentiert werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, den Standort der Kamera zur vollständigen Erfassung der Installationen auch während der Aufnahme zu verän dern. Dies kann erforderlichenfalls auch mehrmals zur Erfassung verschiedener Installationsabschnitte durchgeführt werden.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, daß maßstabsge treue Bilder ausgedruckt werden können, so daß eine manuelle Maßentnahme von dem ausgedruckten Bild möglich ist. Dabei ist der Originalverlauf der In stallation in einer Form sichtbar zu sehen, die gleichzeitig das Entnehmen von wahren Maßen ermög licht.

Durch die einblendbaren, maßlichen Informationen können neben der manuellen Entnahme von Informatio nen und Maßen die Daten auch in einfacher Weise elektronisch verarbeitet werden, beispielsweise ist es möglich, mit einfachen Mitteln eine Grundriß zeichnung durch ein CAD-Programm zu erstellen.

Es ist ferner möglich, die Ermittlung der wahren Größen nicht aus auf den Gegenstand projizierten Lichtpunkten, sondern aus bekannten Abmessungen am Gegenstand zu ermitteln.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden, bei dem eine Dokumentation der an den Wänden eines In nenraumes vorhandenen Elektroinstallation vor dem Verputzen erstellt werden soll. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Vorderansicht,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die erfindungsge mäße Anordnung,

Fig. 3 eine Darstellung der Verhältnisse bei der Projektion von Bildpunkten und

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Entfernungsmeßgerät.

Im Ausführungsbeispiel wird als Kamera eine Video kamera mit Timercode verwendet. Die Kamera ist mit mehreren Laserstrahlern verbunden, mit welchen wäh rend der Videoaufnahme Rasterpunkte an die Wand projiziert werden.

Die Laserstrahler sind dabei so angeordnet, daß auf die auszumessende Wand sowohl Rasterpunkte proji ziert werden, die die Abstände relevanter Bild punkte definieren als auch Rasterpunkte, die zur Ermittlung der Verzerrung benötigt werden, die in folge von unvermeidbaren Schrägstellungen der Auf nahmekamera gegenüber der Wand auftreten.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist an der Video kamera ein Gestell befestigt, an dem acht Laser strahler angeordnet sind. Davon strahlen vier par allel zur optischen Achse der Kamera und vier unter einer Neigung dazu. Die Laserstrahler X1 . . . X4 sind so montiert, daß die Strahlen parallel zur op tischen Achse der Kamera verlaufen. Die Kamera be findet sich im Schnittpunkt der Diagonalen zwischen den in einem Quadrat angeordneten parallel strah lenden Lasern, deren Abstand bekannt ist und als Bezugsgröße zur Ermittlung der Größen auf der auszumessenden Wand verwendet wird.

Die geneigt angeordneten Laserstrahler Y1 . . . Y4 sind jeweils in der Mitte der Achsen zweier paral lel strahlender Laserpaare so angebracht, daß sich ihre optischen Achsen sich in einem gemeinsamen, virtuellen Ursprungspunkt hinter der Kamera schnei den.

Alle acht Laserstrahlen projizieren Lichtpunkte auf die auszumessende Wand. Diese Lichtpunkte sind auf der Videoaufnahme als Markierungen ersichtlich. Da bei definieren die Markierungen X1′ . . . X4′ auf der Wand die jeweiligen realen Punkte. Da die Abstände auf der Wand zwischen den Markierungen X1′ . . . X4′ der parallelen Laserstrahler nur dann mit dem Wert des Abstandes zwischen den parallelen Laserstrah lern übereinstimmen, wenn die Laserstrahlen senk recht auf die Wand auftreffen, muß im allgemeinen Fall eine Entzerrung erfolgen. Dies wird ermöglicht durch Auswertung der von den Winkellasern Y1 . . . Y4 erzeugten Bildpunkte.

Fig. 3 erläutert die geometrischen Beziehungen zur Ermittlung der wahren Größen.

Die Abstrahlpunkte der parallelen Laser sind mit

X₁, X₂, X₃, X₄

bezeichnet.

Die parallelen Laserquellen befinden sich im Abstand a vom Schnittpunkt der Winkellaser X_M.

Damit gelten die Beziehungen:

e₁ = (X₂ - X_M)/a; e₂ = (X₃ - X_M)/a
e₃ = e₁ × e₂; e₁ e₂ = 0
X₁ = X_M - a e₁; X₂ = X_M + a e₁
X₃ = X_M - a e₂; X₄ = X_M + a e₂

Die Laserpunkte auf der Wand sind:

X′₁, X′₂, X′₃, X′₄.

Die Bildpunkte in der Kamera sind:

X′′₁, X′′₂, X′′₃, X′′₄.

Diese Bildpunkte können aus der Bildvermessung berechnet werden.

Der Brennpunkt des Objekts liegt bei X₀.

Für den Strahlengang gilt:

X′₁ = X_M - a e₁ + λ′₁ e₃ = X′′₁ + μ′₁ (X′′₁ - X₀)
X′₂ = X_M - a e₁ + λ′₂ e₃ = X′′₂ + μ′₂ (X′′₂ - X₀)
X′₃ = X_M - a e₂ + λ′₃ e₃ = X′′₃ + μ′₃ (X′′₃ - X₀)
X′₄ = X_M - a e₁ + λ′₁ e₃ = X′′₁ + μ′₁ (X′′₁ - X₀)

Bei einer unverzerrten Abbildung ist aufgrund der vorhandenen Proportionen je Gleichung eine der daraus entstehenden Koordinatengleichungen linear abhängig. Bei bekannter Brennweite entstehen dann acht linear unabhängige lineare Gleichungen mit den acht Unbekannten λ′_i; μ′_i (i = 1, 2, 3, 4).

Nach deren Lösung erhält man X′′₁, X′′₂, X′′₃, X′′₄ und damit die Wandebene:

X′₁ + σ (X′₂ - X′₁) + ω (X′₄ - X′₃).

Zur Elimination der Brennweite werden die zusätzlichen Winkellaser benutzt. Hierfür gilt:

theoretischer Abstrahlpunkt der Winkellaser: Y_m
Abstand der Winkellaser von X_M: b
Aus der Figur ergibt sich: Y_M = X_M - b e₃

Abstrahlrichtung: α = tan β

Y_M = <Y′₁ : e₃ - αe₁; Y_M = < Y′₂ : e₃ - αe₁
Y_M = <Y′₃ : e₃ - αe₂; Y_M = < Y′₄ : e₃ - αe₂

Die Laserpunkte auf der Wand sind:

Y′₁, Y′₂, Y′₃, Y′₄.

Die Bildpunkte in der Kamera sind:

Y′′₁, Y′′₂, Y′′₃, Y′′₄

(Y′′₁, Y′′₂, Y′′₃, Y′′₄ sind durch die Bild-Koordinaten bekannt.

Die zugehörigen Gleichungen ergeben sich analog.

Strahlengang:
Y′₁ = X_M-b e₃ + η′₁ (e₃ - αe₁) = Y′′₁ + τ′₁ (Y′′₁ - X₀)
Y′₂ = X_M-b e₃ + η′₂ (e₃ - αe₁) = Y′′₂ + τ′₂ (Y′′₂ - X₀)
Y′₃ = X_M-b e₃ + η′₃ (e₃ - αe₂) = Y′′₂ + τ′₃ (Y′′₃ - X₀)
Y′₄ = X_M-b e₃ + η′₄ (e₃ - αe₁) = Y′′₄ + τ′₄ (Y′′₄ - X₀)

Die Laserpunkte auf der Wand liegen nach Konstruktion auf der Geraden:

Y′₁ = X′₁ + σ′₁ (X′₂ - X′₁)
Y′₂ = X′₁ + σ′₂ (X′₂ - X′₁)
Y′₃ = X′₁ + ω′₃ (X′₄ - X′₃)
Y′₄ = X′₁ + ω′₄ (X′₄ - X′₃)

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf die Wand projizierten Rasterpunkte ermöglichen eine Auswertung der Aufnahmen zur Ermittlung der wahren Maße, die für die Bemaßung der zu dokumentierenden Installationsgegenstände an der Wand benötigt werden. Die jeweiligen Abstände der Laserpunkte gegeneinander werden dabei zur Entzerrung der einzelnen Videobilder genutzt. Die Berechnung der Entzerrung erfolgt nach den oben angegebenen Beziehungen. Die entzerrten Bilddokumente werden einerseits zur visuellen Darstellung der vorhandenen Installationen genutzt, andererseits dienen sie zu deren Vermessung am Computerbildschirm.

Die so gewonnenen Informationen, insbesondere die entnommenen Maße werden anschließend an ein CAD- Programm zur Zeichnungserstellung übergeben.

Sollten die Laserpunkte durch ungünstiger Umgebungsbedingungen (Sonneneinstrahlung, stark lichtabsorbierende Oberflächen/Materialien) schlecht auf dem Bild zu erkennen sein, wird vor das Objektiv der Kamera ein speziell auf die Wel lenlänge der Laser abgestimmtes Farbfilter mon tiert. Dies bewirkt, daß zwar keine vollständigen Farbinformationen mehr zur Verfügung stehen, aber dafür die für die Entzerrung der einzelnen Bilder notwendigen Laserpunkte deutlicher zu erkennen sind. Diese auf die Wand projizierten Punkte sind auf jedem Videobild zu sehen. Das Videoband wird nun am Computer ausgewertet, um zum einen die aku stischen Informationen, die während der Aufnahme von den Bearbeitern gegeben wurden, auszuwerten und zum anderen, um einzelne Bilder auszuwählen auf denen die Installation und die Laserpunkte enthal ten sind. Die ausgewählten Bilder werden in einer Bilddatenbank gespeichert. Zur Auswertung werden die Bilder nacheinander auf einem Computerbild schirm dargestellt und die darin sichtbaren Laser punkte beispielsweise mit einer Maus markiert. Da bei werden unterschiedliche Markierungen für die Bilder der parallelen Laserstrahler und für die Bilder der Winkellaser verwendet. Die so regi strierten Markierungen stehen in den oben beschrie benen Verhältnissen zueinander, so daß unter Ver wendung der bekannten Maße und Winkel mit einem speziellen Rechenprogramm die einzelnen Videobil der maßstabgerecht entzerrt werden.

Die so erhaltenen maßstabsgetreuen Bilder können ausgedruckt werden, so daß auch eine manuelle Maßentnahme von dem ausgedruckten und entzerrten Bild möglich ist. Dies ermöglicht es auch Laien sich anschauliche Informationen über die vorhandene Installation zu verschaffen ohne daß Kenntnisse von technischen Zeichnungen und deren Symbolen benötigt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung können die ent zerrten Bilder am Computer weiter bearbeitet wer den, indem mit einem CAD-Programm ein 3-D-Grundriß des aufgenommenen Gebäudes erstellt wird. Die benö tigten Informationen können hierzu von vorhandenen Zeichnungen, aus bemaßten Skizzen oder aus vorhan denen digitaler CAD-Zeichnung übernommen werden. Die entzerrten Bilder können aus der Bilddatenbank nach Bedarf aufgerufen und auf dem Bildschirm dargestellt werden. In dem entzerrten Bild werden nun Bezugskanten bzw. -punkte markiert die als Ursprungskoordinaten für die Vermessung der abge bildeten Installationen dienen. Vorzugsweise werden hierzu Kanten und Ecken zu benutzen, die auch in dem im CAD-Programm vorhandenen Grundriß leicht zu definieren sind, da die definierten Bezugskanten bzw. -punkte im Bild und im 3-D CAD-Grundriß iden tisch sein müssen. Jetzt werden im Bild, ausgehend von den definierten Bezugskanten, die Punkte der Installation markiert, die später in der 3-D-CAD- Zeichnung mit Hilfe von Symbolen die Installation darstellen und die Abstände der Punkte zu den Be zugskanten bzw. -punkten ermittelt. Dabei handelt es sich um Abstände der X- und Z- Achse in der 3-D- CAD-Zeichnung, wobei die Y-Achse (Tiefe des Rau mes) hier entfällt, weil es sich bei der zu ver messenden Wand um eine 2-D-Fläche handelt. Die Po sition auf der Y-Achse und die Rotation der Wand fläche in der 3-D-CAD-Zeichnung wird festgelegt bei der Definition der gemeinsamen und identischen Bezugskanten und Punkte im Videobild und in der Zeichnung. Die ermittelten Maße werden in der Zeichnung ausgehend von den identischen Be zugskanten bzw. -punkten als Punktmarkierungen ein gefügt. Diese Punkte werden dazu genutzt, um an diesen (mit der realen Position der Installation im Gebäude übereinstimmenden) Positionen die entspre chenden Zeichnungssymbole einzusetzen.

Damit wird durch Maßentnahme aus den zweidimensio nalen, maßstabgerechten entzerrten Videobildern eine vollständige dreidimensionale Erfassung der vorhandenen Installationen ermöglicht.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich an der Videokamera ein Laserentfernungs meßgerät angebracht. Dieses Meßgerät dient zur Be stimmung der Entfernung zwischen dem Kamerastand punkt und den Wänden, wobei der Meßpunkt durch einen Laserpunkt markiert wird. Die Kamera ist auf einem Stativ angebracht, dessen Standpunkt während der Messung in einem Raum nicht verändert werden darf. Der Nullpunkt der Entfernungsmessung liegt in der vertikalen Rotationsachse des Kamerastativs, so daß sich bei einer 180°-Schwenkung durch Addition des ersten mit dem letzten Meßwert die Entfernung der gegenüberliegenden Wände ergibt. Während der laufenden Aufnahme läuft die Entfernungsmessung ständig mit. Um jedem Videobild den Meßwert der Entfernung zwischen dem den Meßpunkt markierenden Laserpunkt und der vertikalen Schwenkachse der Ka mera zuzuordnen, wird über eine Dateneinblendung der Meßwert in das Videoband eingeblendet. Dies ge schieht, indem das Videosignal von der Kamera ab gegriffen und in die Dateneinblendung eingespeist wird. Der Meßwert wird über eine Schnittstelle an die Dateneinblendung übergeben. Das Ausgangssignal mit der eingeblendeten Entfernung wird von einem zweiten Recorder aufgezeichnet. Nach einer 360°-Ka meraschwenkung um die vertikale Achse sind alle Entfernungsmaße die für spätere Auswertung am Com puter notwendig sind, auf dem Videoband erfaßt. Das Aufzeichnungsmaterial beinhaltet zusätzlich noch die oben beschriebenen Laserbildpunkte.

Durch die eingeblendeten, maßlichen Informationen ist es möglich, eine Grundrißzeichnung von diesem Raum anzufertigen, indem die Scheitelwerte der ein geblendeten Entfernungsmaße für die Berechnung der Wandlängen genutzt werden. Die minimalen Scheitel werte kennzeichnen, daß die Linie Kamerastand punkt/Wand rechtwinklig zu der Wand verläuft, zu der die Entfernung gemessen wird. Da der Meßstrahl durch einen Laserpunkt markiert ist, können die zur Berechnung erforderlichen Maße entnommen werden, wenn sich der Markierungslaserpunkt an der erfor derlichen Position befindet bzw. ein Scheitelwert erreicht wird, der für die Berechnung genutzt wird. Mit den so entnommenen Werten kann man über Winkel funktionen die Wandlängen und Winkel der Raumecken berechnen. Eventuelle Hindernisse im Raum werden durch entsprechende Auswahl der Bilder einfach um gangen, indem man auf die Auswertung von Bildern zurückgreift, auf denen der Meßpunkt sich auf der messenden Wandebene befindet.

Claims

1. Vorrichtung zum Erstellen einer Dokumentation von einem Gegenstand wie einer Wandfläche eines In nenraumes, der Außenfassade eines Gebäudes und der gleichen mittels einer Abbildung durch eine Kamera, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Ge stell enthält, an dem die Kamera und mindestens drei gerichtete Lichtquellen angeordnet sind, wobei die Lichtquellen parallel zur optischen Achse der Kamera ausgerichtet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß als Kamera eine Videokamera angeord net ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als gerichtete Lichtquelle ein Laserstrahler verwendet wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Gestell zusätzlich mindestens drei gerichtete Lichtquellen angeordnet sind, deren Strahlungsrichtung ausgehend von einem gemeinsamen Schnittpunkt hinter der Kamera diver gierend angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Objektiv der Kamera ein Farbfilter angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Vorrichtung ein Entfernungsmesser angebracht ist.

7. Verfahren zur Erstellung einer Dokumentation von einem Gegenstand wie einer Wandfläche eines Innen raumes, der Außenfassade eines Gebäudes und der gleichen mittels einer Abbildung durch eine Kamera, dadurch gekennzeichnet, daß

und daß die ausgewerteten Bilder dokumentiert wer den.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß neben den Lichtpunkten, die von parallel zur Kamera gerichteten Strahlern erzeugt werden, noch mindestens drei weitere Lichtpunkte auf dem auszumessenden Objekt erzeugt werden, die von Strahlern ausgehen, welche so geneigt sind, daß alle zusätzlichen Strahler ausgehend von einem vir tuellen Schnittpunkt hinter der Kamera auf das Ob jekt gestrahlt werden und daß diese Lichtpunkte in gleicher Weise ausgewertet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Videobilder an einem Auswertegerät mit einem CAD-Programm entzerrt und danach gespeichert werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß mittels eines an der Vi deokamera angebrachten Leserentfernungsmeßgerätes die Entfernung zwischen dem Kamerastandpunkt und dem Objekt ermittelt wird, wobei der Meßpunkt am Objekt durch einen Laserpunkt markiert wird, die Kamera auf einem Stativ angebracht ist, dessen Standpunkt während der Messung nicht verändert wird, die Ergebnisse der Entfernungsmessung über eine Dateneinblendung mit dem Videosignal zusammen geführt und in einem zweiten Recorder aufgezeichnet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß aus den gespeicherten Informationen und aus den ermittelten Scheitelwer ten der eingeblendeten Entfernungsmaße die Wandlän gen berechnet werden und mittels einer CAD-Einrich tung eine dreidimensionale zeichnerische Erfassung des Gegenstandes erfolgt.