ES2315083B2 - Cam-dist.sistema fotogrametrico para medicion 3d semi-automatica de objetos. - Google Patents

Cam-dist.sistema fotogrametrico para medicion 3d semi-automatica de objetos. Download PDF

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Abstract

CaM-DisT. Sistema fotogramétrico para medición 3D semi-automática de objetos.
El equipo que se patenta permitirá la medición semiautomática de superficies planas y de los elementos contenidos en éstas.
Para ello se fundamenta en los principios de la fotogrametría de objeto próximo y en la utilización conjunta de cámaras fotográficas digitales y distanciómetros láser. Una de las ventajas principales de la invención vendrá dada porque este equipo permitirá realizar las mediciones de los diferentes elementos sin necesidad de establecer contacto físico previo de ningún tipo entre el soporte especial y los objetos que se pretenden medir.
Este equipo aporta una solución sencilla y eficaz a una problemática existente en el sector de la edificación, como es la medición de fachadas o de elementos individuales como puertas y ventanas, en edificios de nueva construcción o rehabilitaciones.

Description

CaM-DisT. Sistema fotogramétrico para medición 3D semi-automática de objetos.
Sector de la técnica a que se refiere
El equipo que se describe permitirá la medición semiautomática de superficies planas y de los elementos contenidos por estas, para ello se fundamenta en los principios de la fotogrametría de objeto próximo y en la utilización conjunta de cámaras digitales y distanciómetros láser, todo ello sin necesidad de contacto físico previo entre este equipo y los objetos que se pretende medir. Este equipo aporta una solución sencilla y eficaz a una problemática existente en el sector de la edificación, concretamente en la medición de fachadas o de elementos individuales como puertas y ventanas, en edificios de nueva construcción o rehabilitaciones.
Estado de la técnica. Antecedentes
La fotogrametría es una técnica para obtener información acerca de la posición, tamaño y forma de un objeto midiendo sobre fotografías del mismo. Cuando la extensión del objeto a medir es inferior a unos 100 metros y las cámaras están cerca de él se habla de fotogrametría de objeto cercano.
Un caso particular de fotogrametría de objeto cercano es la de bajo coste que persigue acercar la fotogrametría a usuarios no especializados y carentes de pocos recursos para invertir en equipos. Principalmente se basan en el empleo de cámaras digitales de bajo coste y en la supresión de métodos y equipos topográficos para la toma de puntos de control.
La medida de objetos por métodos fotogramétricos simples utilizando una cámara fotográfica y un distanciómetro láser ha sido planteada por Tommaselli y Lópes (2005), que proponen una metodología válida para medir objetos planos de forma rectangular, orientada principalmente a la medición de paneles publicitarios.
El equipo que hemos diseñado permite mejorar la técnica propuesta por Tommaselli y Lópes, ya que integra la cámara y el distanciómetro en un soporte que permite girar este último en diferentes posiciones, de manera que su eje no tiene que ser paralelo al de la cámara, lo cual es muy útil para la medición de huecos en fachadas de edificios, como puertas y ventanas, en los que la distancia de la cámara al plano de la fachada debe medirse en la pared exterior al hueco. Además, el sistema incorpora una PDA para almacenar la distancia medida con el distanciómetro e introducir datos relativos al objeto fotografiado que pueden ser enviados por conexión remota a un ordenador mediante un sistema de comunicaciones bluetooth.
Referencia
Antonio María García Tommaselli and Mario Luis López Reiss (2005). A Photogrammetric Method for Single Image Orientation and Measurement. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 71 (6): 727-732.
Explicación de la invención
El sistema fotogramétrico para medición 3D semi-automática de objetos permite la utilización combinada de cámaras fotográficas y distanciómetros láser para la obtención por métodos indirectos de dimensiones de objetos. A partir de la información proporcionada por las cámaras y los distanciómetros es posible la medición sobre superficies planas, aplicando los principios de la fotogrametría de objeto próximo se eliminará la necesidad de realizar mediciones de referencia sobre estas superficies, evitándose el contacto físico con los objetos a medir, pues esta información conocida normalmente como "puntos de apoyo", necesaria para la realización del proceso denominado Orientación Absoluta, se obtendrá directamente de la medición realizada con el distanciómetro láser.
La técnica se fundamenta en la deformación conocida que sufre un objeto plano cuando es fotografiado de forma no perfectamente perpendicular al mismo. Conociendo puntos de la superficie y la distancia medida con el distanciómetro, que será asimilable a la distancia cámara-objeto, es posible determinar la posición relativa entre el soporte especial y el plano sobre el que se pretende medir, pudiendo evaluar la deformación y consecuentemente las dimensiones reales del objeto capturado.
El sistema fotogramétrico para medición 3D semi-automática de objetos posibilita el montaje conjunto de una cámara fotográfica y un distanciómetro láser de forma estable y perfectamente conocida, asegurando sus posiciones relativas y consecuentemente la precisión de las medidas del equipo. Así mismo se dispone de una serie de mecanismos necesarios para posibilitar la regulación del mismo en diferentes posiciones. Esta regulación consiste en la desviación de la dirección de medición del láser respecto de la dirección de la toma fotográfica (dirección normal desde el punto principal al plano de la película o sensor CCD). La justificación de estos ajustes se debe a la necesidad de evitar huecos, relieves u otros elementos que no se sitúan sobre el plano de interés; la finalidad es poder disponer en todo momento de la medida realizada sobre la superficie objeto de las mediciones.
El mecanismo permite la regulación de la posición relativa entre cámara y distanciómetro mediante la variación de la posición del último, manteniendo la cámara fija. Se dispone de una bandeja sobre la que se fija el láser y que puede girar sobre dos ejes perpendiculares entre si, simultánea o individualmente, así como anclar una determinada posición rígidamente para poder operar con el equipo. Con esto se consiguen dos movimientos del haz láser de medida: pan y tilt. La posición relativa entre los instrumentos para cada posición es conocida tras un proceso de calibración realizado previamente. Durante el proceso de calibración se determinarán en primer lugar, las componentes sobre los tres ejes (b_{x}, b_{y}, b_{Z}) que determinarán la posición del origen de la señal del distanciómetro respecto al punto principal de la cámara; y en segundo lugar los ángulos (\alpha y \beta) que forman entre si el haz del láser y el eje perpendicular desde el punto principal al plano imagen en la cámara fotográfica.
El equipo se complementa con un sistema de comunicaciones Bluetooth® y un microcontrolador. Para la toma de datos se realiza la toma fotográfica y automáticamente la captura de la distancia medida por el distanciómetro láser que se transmite mediante comunicación Bluetooth® a un equipo cercano (ordenador personal, PDA, etc.). Al realizar la fotografía se produce un cambio de estado en la señal de salida de la cámara dispuesta para el control de un flash externo. La función del microcontrolador será estar en todo momento a la escucha de esta señal, de tal manera que un cambio de estado en la misma se interpreta como una captura de la cámara, y a continuación enviar, también por Bluetooth®, al distanciómetro la orden para que capture la distancia y la envíe al equipo que recoge los datos. El microcontrolador a continuación volverá a ponerse a la escucha de una nueva señal. Las comunicaciones son de tipo asíncrono estándar RS-232 entre microcontrolador, distanciómetro y el equipo que recoge los datos. Para ello los distintos instrumentos deben de tener esta característica. El microcontrolador se combina con un transceptor de datos Buetooth® para disponer de esta facilidad.
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Descripción de los dibujos y/o esquemas explicativos
Para mayor comprensión de la invención descrita en el este documento se incluyen las siguientes figuras.
Figura 1
Representa el flujo de información así como la interrelación entre las diferentes partes que forman el conjunto durante su utilización.
Figura 2
Muestra el sistema de anclaje de las pletinas fijas a los instrumentos, en este caso la cámara fotográfica pero el sistema es aplicable de igual forma al distanciómetro láser.
Figura 3
Se muestra un detalle de cómo se montan los instrumentos sobre el resto del equipo; nótese la sección ficticia con la finalidad de facilitar la comprensión del montaje. Una vez colocada la pletina, ésta encaja en un hueco dispuesto en el soporte y se mantiene en su posición mediante los tornillos de apriete manual mostrados. Igualmente se muestra la cámara fotográfica pero con el distanciómetro se opera de igual forma.
Figura 4
Se muestra la secuencia de regulación para la modificación de la posición del distanciómetro sobre el eje vertical. En el primer fotograma se observa la posición inicial, en el siguiente la liberación al actuar sobre la palanca y separar el rodillo de la leva fija, y finalmente la posición deseada.
Figura 5
Esa figura muestra como se mantiene/fuerza el ajuste debido a la acción que el muelle ejerce sobre las palancas que soportan los cilindros (eje horizontal).
Figura 6
Vista del diseño final elegido para el conjunto de la invención.
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Modo de realización
La parte mecánica del sistema fotogramétrico para medición 3D semi-automática de objetos está compuesta por un brazo principal que mantiene solidarios la cámara fotográfica y el distanciómetro láser, y por una bandeja giratoria que permite la realización de los ajustes (según posiciones previamente establecidas) de la desviación entre los instrumentos.
El sistema de anclaje de los instrumentos, cámara y distanciómetro, se realiza de la misma forma. En ambos se coloca una pletina permanente en su base, fijada mediante el tornillo dispuesto para el trípode (Figura 2). Esta pletina tiene la función de encajar sobre la bandeja o el brazo, en el caso del distanciómetro y de la cámara respectivamente, permitiendo además su montaje y desmontaje del resto del equipo. El acople se realiza en un hueco con forma la de la pletina y se asegura mediante dos tornillos de apriete manual en cada una (Figura 3). Con este sistema se facilita el desmontaje para transporte de los instrumentos evitando tener que recalibrar el conjunto.
La posición relativa entre los instrumentos se regula mediante dos mecanismos iguales (uno por eje) que actúan sobre la bandeja que soporta el distanciómetro permitiendo el giro en dos ejes perpendiculares (Figuras 4 y 5). El principio de funcionamiento se basa en una leva con un número de hendiduras igual al de posiciones de regulación posibles en las que encaja un rodillo. El rodillo tiene la misión de mantener inalterable la posición de la leva ejerciendo una presión suficiente entre ambos elementos mediante la acción de un muelle. Esto se ve favorecido por la forma en "V" de la hendidura que además asegura la repetición de cada una de las posiciones en la bisectriz de su ángulo. El cambio de posición se realiza actuando sobre una palanca que separa el rodillo de la leva y permite el giro de la misma.
Aplicación industrial
El sistema fotogramétrico para medición 3D semi-automática de objetos está diseñado para realizar mediciones sobre objetos planos; ésta debe ser la principal característica de los elementos a medir para que su aplicación sea posible.
La medición de fachadas de edificios en construcción o rehabilitación será una de sus posibles aplicaciones. Al tratarse de elementos generalmente planos es posible conocer, utilizando este equipo, las dimensiones de los elementos que se sitúan sobre ella, totalmente de forma indirecta, lo que significa que no será, necesario contacto alguno con la misma. Se determinan de esta manera dimensiones de muros, huecos de fachada u otros elementos constructivos de interés facilitando la realización de mediciones para controlar, presupuestar o fabricar.
Un operario se coloca ante el objeto que se pretende medir en posición adecuada para la realización de una toma fotográfica. Se fija entonces la posición del distanciómetro respecto de la cámara de tal manera que el puntero del mismo se situé sobre el plano a capturar, evitando relieves o huecos. Una vez conseguido esto se puede capturar la información: primero se dispara la cámara que almacena el fotograma correspondiente, y automáticamente el equipo electrónico registra este evento enviando una orden para que el distanciómetro capture la distancia entre soporte y superficie a medir, a continuación será transmitida por Bluetooth® al equipo cercano dispuesto para su almacenaje (PDA o PC). Los datos recogidos se procesan posteriormente, conociéndose entonces las dimensiones reales del objeto.

Claims (3)

1. CaM-DisT, sistema fotogramétrico para medición 3D semi-automática de objetos permite la realización de mediciones de objetos de forma indirecta, está caracterizado esencialmente por la posibilidad de obtener las dimensiones reales de objetos desde fotogramas tomados de los mismos sin necesidad de realizar mediciones de referencia sobre estos elementos, evitando de esta forma cualquier tipo de contacto.
2. CaM-DisT, sistema fotogramétrico para medición 3D semi-automática de objetos, según la reivindicación 1, caracterizado por permitir el montaje conjunto de dos instrumentos de medición indirecta en un mismo soporte especial. Con esta invención es posible utilizar simultáneamente una cámara fotográfica y un distanciómetro láser y transmitir los datos capturados de forma automática a un equipo remoto mediante comunicación inalámbrica.
3. CaM-DisT, sistema fotogramétrico para medición 3D semi-automática de objetos, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por la posibilidad de poder desviar la dirección sobre la que se toman medidas y evitar elementos (huecos o salientes) que provocarían una medida de referencia errónea.
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