JP2012521545A - 環境を光学的に走査および測定する方法 - Google Patents

Abstract

レーザスキャナ１０を用いて環境を光学的に走査および測定する方法であって、レーザスキャナ１０が、中心Ｃ₁₀を有し、走査を行うために、光ビーム１８、２０を用いてその環境を光学的に走査および測定し、制御および評価ユニットを用いてその環境を評価し、中心Ｃ₃₃を有するカラーカメラ３３が、走査ｓとリンクさせなければならない環境の着色画像ｉ₀を取り込み、カラーカメラ３３が接続されたレーザスキャナ１０の制御および評価ユニット２２が、共通の基準表面上への着色画像ｉ₀の投影ｉ₁および走査ｓの投影が最善の可能な形で互いと適合するまで、各着色画像ｉ₀に対して繰り返しカラーカメラ３３を仮想的に動かすことによって、そしてカラーカメラ３３のこの新しい仮想位置および／または向きに対して着色画像ｉ₀の少なくとも一部を変形することによって、走査ｓと着色画像ｉ₀をリンクさせ、中心Ｃ₁₀に対するカラーカメラ３３の中心Ｃ₃₃および／もしくは向き、ならびに／またはレーザスキャナ１０の向きの偏差を補正する方法が提供される。

Description

本発明は、請求項１の一般的な用語の特徴を有する方法に関する。

たとえば独国実用新案第２０２００６００５６４３号から周知のものなどのレーザスキャナを用いて、レーザスキャナを用いてレーザスキャナの環境（environment）を光学的に走査および測定することができる。追加の情報を入手するために、レーザスキャナ上には、ＲＧＢ信号を取り込むカメラが取り付けられ、したがって色情報によって走査の測定点を完成させることができる。カメラホルダは回転可能である。視誤差を回避するために、その記録を取り込むカメラは、レーザスキャナの垂直回転軸上へ旋回し、レーザスキャナは、カメラが水平回転軸に到達するまで下降する。この方法には、高い精度の構成要素が必要である。

米国特許第７，４３０，０６８号明細書 独国実用新案第２０２００６００５６４３号明細書

本発明は、導入で述べたタイプの方法に代わる方法を作るという目的に基づく。この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴を含む方法を用いて実現される。従属請求項は、有利な構成に関する。

直接リンクには十分ではないが、カメラの位置および向き、好ましくはレーザスキャナの中心および向きに関する大まかな知識によって、本発明による方法は、制御および評価ユニットを用いて中心およびそれらの向きの偏差を補正すること、そして走査とカラー画像をリンクさせることを可能にする。カラーカメラは、機械的な精度に強く依存する実際の動きを行う代わりに、単に仮想の動き、すなわちカラー画像の変形を実施する。すべての単一のカラー画像に対して、補正が繰り返し行われる。走査とカラー画像の比較は、基準表面と解釈される共通の投影スクリーン上で行われる。カラーカメラが着脱式であるという条件、すなわち走査を行う前にレーザスキャナへの特定の距離が確立されるという条件で、または調整可能なホルダを用いてカラーカメラが動かされるという条件で、本発明による方法は、その結果生じる位置および向きの変化を補正する。

第１に、対応するカラー画像の当該領域と走査の対応する当該領域に対してのみ、適合性が提供され、したがって性能を改善することが好ましい。当該領域は、短い距離で大きな変化を示す領域であるはずであり、好ましくは、たとえば勾配を用いて、自動的に発見される。別法として、標的を使用し、すなわちマークを確認することが可能であるが、これには、標的の後ろにある領域を覆うという欠点がある。

反復ループ内では、当該領域に対する変位ベクトルが演算される。変位ベクトルは、各仮想の動き後に、カラー画像と走査の当該領域の投影を適合させるのに必要である。「変位」という概念は、当該領域の回転がさらに必要である場合も指す。

この方法のすべてのステップ中、ノイズなどのため、カラー画像および走査の正確な適合性、具体的には画素対画素の適合性が得られないという問題がある。しかし、精度を区別および画定する働きをする閾値および／または間隔を決定することが可能である。同様に、統計的方法を適用することもできる。

本方法は、異なる仮想のカメラ位置で反復を開始するため、そして排除の基準を規定するため、簡単な勾配に基づく動力学（周知の方法によって使用される）に頼らない。したがって、本方法は、２次的な最小値が生じた場合にも機能する。したがって、本方法は、レーザスキャナとカラーカメラとの間の距離が大きい場合でも頑強である。当該領域を使用する結果、性能がより高くなり、かつ対応する相手側をうまく発見する可能性がより高くなる。領域は、（前記排除の基準によって）除去され、そのためたとえばレーザスキャナとカラーカメラが（異なる波長のため）異なる画像を見ているとき、対応する領域を発見するのは困難または不可能である。これに対して、当該領域の区分は役に立つ。

この方法はまた、レーザスキャナ上にカラーカメラを取り付けた後の較正に使用することができる。

本発明について、図面に示す例示的な実施形態に基づいて、より詳細に以下に説明する。

レーザスキャナおよびカラーカメラを用いた光学的走査および測定の概略図である。 カラーカメラをもたないレーザスキャナの概略図である。 カラーカメラをもつレーザスキャナの部分断面図である。

レーザスキャナ１０が、レーザスキャナ１０の環境を光学的に走査および測定するデバイスとして提供される。レーザスキャナ１０は、測定ヘッド１２および基部１４を有する。測定ヘッド１２は、垂直軸の周りを回転できるユニットとして、基部１４上に取り付けられる。測定ヘッド１２は鏡１６を有し、鏡１６は水平軸の周りを回転することができる。２つの回転軸の交差点を、レーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀と呼ぶ。

測定ヘッド１２は、発光ビーム１８を放射する発光器１７をさらに備える。発光ビーム１８は、波長７９０ｎｍなど、約３００〜１０００ｎｍの可視域内のレーザビームであることが好ましい。原則として、たとえばより大きい波長を有する他の電磁波を使用することもできる。発光ビーム１８は、たとえば正弦波または矩形波の波形変調信号によって振幅変調される。発光ビーム１８は発光器１７によって鏡１６上へ放射され、鏡１６で偏向されて環境へ放射される。物体Ｏによって環境内で反射され、または他の形で散乱される受光ビーム２０は、鏡１６によって捕獲され、偏向され、かつ受光器２１へ誘導される。発光ビーム１８および受光ビーム２０の方向は鏡１６および測定ヘッド１２の角度位置に起因し、これらの角度位置は対応する回転駆動装置の位置に依存し、回転駆動装置はそれぞれ１つのエンコーダによって位置合わせされる。制御および評価ユニット２２は、測定ヘッド１２内の発光器１７および受光器２１へのデータ接続を有し、それによってその部分は、測定ヘッド１２の外側に構成することもでき、たとえば基部１４に接続されたコンピュータとすることができる。制御および評価ユニット２２は、多数の測定点Ｘに対して、発光ビーム１８および受光ビーム２０の伝搬時間から、レーザスキャナ１０（すなわち、中心Ｃ₁₀）と物体Ｏ（の照らされた点）の間の距離ｄを判定する。この目的のため、２つの光ビーム１８および２０間の位相シフトが判定および評価される。

走査は、鏡１６の（急速）回転を用いて円に沿って行われる。基部１４に対する測定ヘッド１２の（低速）回転によって、円を用いて空間全体がステップごとに走査される。そのような測定の測定点Ｘのエンティティを走査ｓと呼ぶ。そのような走査ｓの場合、レーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀は、レーザスキャナの静止基準系を画定し、その中に基部１４が位置する。レーザスキャナ１０、特に測定ヘッド１２の設計に関するさらなる詳細は、たとえば米国特許第７，４３０，０６８号明細書および独国実用新案第２０２００６００５６４３号明細書に記載されている。それぞれの開示を引用して援用する。

レーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀への距離ｄに加えて、各測定点は、制御および評価ユニット２２によって同様に判定される輝度を含む。輝度は、たとえば、測定点Ｘに帰する測定期間にわたって、帯域フィルタにかけて増幅された受光器２１の信号の統合によって判定されるグレートーン値である。

特定の適用分野では、グレートーン値に加えて色情報も利用可能であれば望ましいであろう。本発明によれば、環境を光学的に走査および測定するデバイスは、同様にレーザスキャナ１０の制御および評価ユニットに接続されたカラーカメラ３３を備える。カラーカメラ３３は、広い角度範囲内で画像を取り込むことを可能にする魚眼レンズを備えることが好ましい。カラーカメラ３３は、たとえばＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラであり、実際の空間内で２次元の画像に対して、色空間内で３次元の信号、好ましくはＲＧＢ信号を提供する。以下、この２次元の画像を着色画像ｉ₀と呼ぶ。カラーカメラ３３の中心Ｃ₃₃は、カラー画像ｉ₀がそこから取り込まれるように見える点、たとえば開口の中心と解釈される。

例示的な実施形態では、カラーカメラ３３は、ホルダ３５を用いて測定ヘッド１２に取り付けられ、したがってカラーカメラ３３は、いくつかの着色画像ｉ₀を取り込み、したがって角度範囲全体をカバーするように、垂直軸の周りを回転することができる。この回転に対してこれらの画像が取り込まれる方向は、エンコーダによって位置合わせすることができる。独国実用新案第２０２００６００５６４３号では、線センサに対する類似の構成が記載されている。この線センサは、同じく着色画像を取り込み、その中心がレーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀と適合できるように、調整可能なホルダを用いて垂直にシフトさせることができる。本発明による解決策では、これは、精度の低いシフト機構によって視誤差が生じる可能性があるため、必ずしも必要ではなく、したがって望ましくない。２つの中心Ｃ₁₀およびＣ₃₃の大まかな相対位置がわかれば十分であり、大まかな相対位置は、固定のホルダ３５が取り付けられる場合、十分に予測することができる。そのような場合、中心Ｃ₁₀とＣ₃₃は、互いに対して特定の距離を有するためである。しかし、たとえばカラーカメラ３３を旋回させる調整可能なホルダ３５を使用することも可能である。

制御および評価ユニット２２は、レーザスキャナ１０の走査ｓ（実際の空間で３次元）をカラーカメラ３３の着色画像ｉ₀（実際の空間で２次元）とリンクさせる。そのようなプロセスを、「マッピング」と呼ぶ。したがって、中心Ｃ₁₀とＣ₃₃の偏差、および該当する場合、向きの偏差は、補正される。リンクは、走査ｓの各測定点Ｘに色（ＲＧＢ構成比）を与えるように、すなわち走査ｓを着色するように、着色画像ｉ₀のそれぞれに対して画像ごとに行われる。前処理ステップでは、既知のカメラの歪みが着色画像ｉ₀から除去される。本発明によれば、マッピングを開始すると、走査ｓおよびすべての着色画像ｉ₀が、共通の基準表面上へ、好ましくは球上へ投影される。走査ｓを基準表面上へ完全に投影できるため、図面は、走査ｓと基準表面を区別しない。

基準表面上への着色画像ｉ₀の投影をｉ₁と呼ぶ。すべての着色画像ｉ₀に対して、着色画像ｉ₀および走査ｓ（より正確には、基準表面上への着色画像ｉ₀および走査ｓの投影）が最善の可能な適合性を得るまで、カラーカメラ３３は仮想的に動かされ、着色画像ｉ₀は、カラーカメラ３３のこの新しい仮想位置（および該当する場合、向き）（基準表面上への投影ｉ₁を含む）に対して（少なくとも部分的に）変形される。次いで、すべての他の着色画像ｉ₀に対してこの方法が繰り返される。

対応する着色画像ｉ₀を走査ｓと比較するために、関連する領域が着色画像ｉ₀内に画定される。この領域を当該領域ｒ_iと呼ぶ。これらの当該領域ｒ_iは、物体Ｏの輪郭の縁部および隅部または他の部分など、相当な変化（輝度および／または色）を示す領域であるはずである。そのような領域は、たとえば勾配を形成して最大値を探すことによって、自動的に発見することができる。たとえば勾配は、隅部が存在する場合、２方向以上で変化する。走査ｓを基準表面上へ投影する際、対応する当該領域ｒ_sが発見される。マッピングでは、例示的に当該領域ｒ_iが使用される。

着色画像ｉ₀のすべての単一の当該領域ｒ_iに対して、当該領域ｒ_iは、カラーカメラ３３の対応する仮想位置に対してループ内で変形され、基準表面上へ投影される。当該領域ｒ_iの投影をｒ₁と呼ぶ。次いで、走査ｓを基準表面上へ投影する際に対応する当該領域ｒ_sに行き当たるように、基準表面上の変位ベクトルｖが判定され、すなわち当該領域ｒ_iの投影ｒ₁をどれだけ変位（および回転）させなければならないかが判定される。次いで、カラーカメラ３３は仮想的に動かされ、すなわちその中心Ｃ₃₃、および必要な場合その向きが変化され、変位ベクトルｖが再び演算される。変位ベクトルｖが最小値を示すとき、反復は中止される。

このとき検出されたカラーカメラ３３の仮想位置、および該当する場合、向きによって、完全な着色画像の投影ｉ₁と基準表面上への走査ｓの投影は、すべての点で互いに適合する。任意選択で、これは、完全な着色画像の投影ｉ₁および走査ｓの投影を用いて確認することができる。

様々な比較のために、精度を区別および画定する働きをする閾値および／または間隔が決定される。走査ｓおよび着色画像ｉ₀の最善の可能な適合性でも、そのような制限内だけで与えられる。２次的な最小値につながるデジタル化の影響は、ガウス分布との歪みを用いて除去することができる。

２次的な最小値にともなう問題がある簡単な勾配に基づく動力学（周知の方法によって使用される）の欠点を回避するために、本方法は、２つの改善形態を使用することができる。

第１に、カラーカメラ３３を仮想的に動かす複数の反復が実行され、各反復は異なる点で開始する。異なる（２次的な）最小値が発見された場合、変位ベクトルｖの結果最も低い最小値が得られることは、カラーカメラ３３の最善の仮想位置（および向き）を示す。

第２に、排除の基準を使用して、特定の当該領域ｒ_iおよび／またはカラーカメラ３３の特定の仮想位置（および向き）を除去する。１つの基準は、スペクトル閾値とすることができる。当該領域ｒ_iをフーリエ変換にかけ、閾値周波数を規定する。スペクトルのうち閾値周波数を下回る部分が、スペクトルのうち閾値周波数を超過する部分より著しく大きい場合、当該領域ｒ_iは有用なテクスチャを有する。スペクトルのうち閾値周波数を下回る部分が、スペクトルのうち閾値周波数を超過する部分とほぼ同じである場合、当該領域ｒ_iはノイズに優越され、したがって除去される。別の基準は、平均化閾値とすることができる。複数の当該領域ｒ_iのそれぞれの結果、カラーカメラ３３の異なる仮想位置が得られる場合、仮想位置の分布が生成される。この分布から、平均位置が計算される。仮想位置が分布に基づく予期の位置に対する閾値を超過する場合、当該領域ｒ_iは除去され、したがって異常値と見なされる。

１０ レーザスキャナ、１２ 測定ヘッド、１４ 基部、１６ 鏡、１７ 発光器、１８ 発光ビーム、２０ 受光ビーム、２１ 受光器、２２ 制御および評価デバイス、３３ カラーカメラ、３５ ホルダ、Ｃ₁₀ レーザスキャナの中心、Ｃ₃₃ カラーカメラの中心、ｄ 距離、ｉ₀ カラー画像、ｉ₁ 着色画像の投影、Ｏ 物体、ｒ_i 着色画像の当該領域、ｒ₁ 着色画像の当該領域の投影、ｒ_s 走査の当該領域、ｓ 走査、ｖ 変位ベクトル、Ｘ 測定点。

Claims (12)

1. レーザスキャナ（１０）を用いて環境を光学的に走査および測定する方法であって、前記レーザスキャナ（１０）が、中心（Ｃ₁₀）を有し、走査（ｓ）を行うために、光ビーム（１８、２０）を用いてその環境を光学的に走査および測定し、制御および評価ユニット（２２）を用いて前記環境を評価し、中心（Ｃ₃₃）を有するカラーカメラ（３３）が、前記走査（ｓ）とリンクさせなければならない前記環境の着色画像（ｉ₀）を取り込み、前記カラーカメラ（３３）が接続された前記レーザスキャナ（１０）の前記制御および評価ユニット（２２）が、共通の基準表面上への前記着色画像（ｉ₀）の投影（ｉ₁）および前記走査（ｓ）の投影が最善の可能な形で互いと適合するまで、各着色画像（ｉ₀）に対して繰り返し前記カラーカメラ（３３）を仮想的に動かすことによって、そして前記カラーカメラ（３３）のこの新しい仮想位置および／または向きに対して前記着色画像（ｉ₀）の少なくとも一部を変形することによって、前記走査（ｓ）と前記着色画像（ｉ₀）をリンクさせ、前記中心（Ｃ₁₀）からの前記カラーカメラ（３３）の前記中心（Ｃ₃₃）および／もしくは向き、ならびに／または前記レーザスキャナ（１０）の向きの偏差を補正することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記着色画像（ｉ₀）内で少なくとも１つの当該領域（ｒ_i）が画定され、前記基準表面上の前記走査（ｓ）の投影の対応する当該領域（ｒ_s）と比較されることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、物体（Ｏ）の輪郭の隅部、縁部、または別の部分が当該領域（ｒ_i）として画定されることを特徴とする方法。
4. 請求項２または３に記載の方法であって、前記カラーカメラ（３３）の各仮想の動き後、前記着色画像（ｉ₀）の前記当該領域（ｒ_i）が変形され、前記基準表面上へ投影されることを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、前記基準表面上の前記走査（ｓ）の投影の前記対応する当該領域（ｒ_s）上の前記着色画像（ｉ₀）の前記当該領域（ｒ_i）の投影（ｒ₁）の変位ベクトル（ｖ）が判定されることを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記着色画像（ｉ₀）の投影（ｉ₁）および前記走査（ｓ）の投影が最善の可能な形で互いと適合するまで、前記カラーカメラ（３３）の前記仮想の動き、前記当該領域（ｒ_i）の変形、および前記変位ベクトル（ｖ）の判定が反復されることを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、前記カラーカメラ（３３）の異なる仮想位置で複数の反復が開始されることを特徴とする方法。
8. 請求項２から７のいずれか一項に記載の方法であって、排除の基準を使用して特定の当該領域（ｒ_i）および／または前記カラーカメラ（３３）の特定の仮想位置（および向き）を除去することを特徴とする方法。
9. 前記請求項のいずれか一項に記載の方法を実施するデバイスであって、制御および評価ユニットを備えるレーザスキャナ（１０）と、前記レーザスキャナ（１０）の前記制御および評価ユニットに接続されるカラーカメラ（３３）とを特徴とするデバイス。
10. 請求項９に記載のデバイスであって、前記カラーカメラ（３３）が、ホルダ（３５）を用いて、前記レーザスキャナ（１０）に取り付けられ、具体的には前記レーザスキャナ（１０）の回転部分（１２）に取り付けられることを特徴とするデバイス。
11. 請求項９または１０に記載のデバイスであって、前記レーザスキャナ（１０）の前記中心（Ｃ₁₀）と前記カラーカメラ（３３）の前記中心（Ｃ₃₃）は、互いに対して特定の距離を有し、または走査（ｓ）を行う前に、互いに対して特定の距離で取り込まれることを特徴とするデバイス。
12. 請求項９から１１のいずれか一項に記載のデバイスであって、前記カラーカメラ（３３）がＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラであることを特徴とするデバイス。

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