JP2015017992A - 環境を光学的に走査および測定する方法ならびにデバイス - Google Patents

環境を光学的に走査および測定する方法ならびにデバイス Download PDF

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Abstract

【課題】レーザスキャナを用いて環境を光学的に走査および測定することができる方法を提供する。【解決手段】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C10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をリンクさせる。【選択図】図1

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。
本発明は、レーザスキャナ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が、走査中心を有し、走査を行うために、光ビーム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前記環境を評価し、画像取り込み中心を有するカラーカメラが、前記走査とリンクさせなければならない前記環境の着色画像を取り込み、前記カラーカメラが接続された前記レーザスキャナの前記制御および評価ユニットが、共通の基準表面上への前記着色画像の投影および前記走査の投影が最善の可能な形で互いと適合するまで、各着色画像に対して繰り返し前記カラーカメラ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の少なくとも一部を変形することによって、前記走査と前記着色画像をリンクさせ、前記走査中心からの前記カラーカメラの前記画像取り込み中心および/もしくは向き、ならびに/または前記レーザスキャナの向きの偏差を補正し、 前記着色画像の輝度および/または色の変化に基づいて、前記着色画像内で少なくとも1つの当該領域が画定され、前記基準表面上の前記走査の投影の対応する当該領域と比較されることを特徴とする。
また、本発明は、レーザスキャナ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が、走査中心を有し、走査を行うために、光ビーム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前記環境を評価し、画像取り込み中心を有するカラーカメラが、前記走査とリンクさせなければならない前記環境の着色画像を取り込み、前記カラーカメラが接続された前記レーザスキャナの前記制御および評価ユニットが、共通の基準表面上への前記着色画像の投影および前記走査の投影が最善の可能な形で互いと適合するまで、各着色画像に対して繰り返し前記カラーカメラ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の少なくとも一部を変形することによって、前記走査と前記着色画像をリンクさせ、前記走査中心からの前記カラーカメラの前記画像取り込み中心および/もしくは向き、ならびに/または前記レーザスキャナの向きの偏差を補正し、前記着色画像内で少なくとも1つの当該領域が画定され、前記基準表面上の前記走査の投影の対応する当該領域と比較され、前記方法は、スペクトルに対する排除の基準を使用して特定の当該領域および/または前記カラーカメラの特定の仮想位置および/または向きを除去することを特徴とする。
本発明の一実施形態は、レーザスキャナ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が、走査中心を有し、光ビームを用いてその環境を前記走査中心を中心として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前記環境を評価し、画像取り込み中心を有するカラーカメラが、前記画像取り込み中心から見た前記環境の着色画像を取り込み、前記カラーカメラが接続された前記レーザスキャナの前記制御および評価ユニットが、共通の基準表面上への前記着色画像の投影および前記走査の投影が適合するまで、各着色画像に対して繰り返し前記カラーカメラを仮想的に動かすことによって、さらに前記カラーカメラの新しい仮想位置および向きのうち少なくとも1つに対して前記着色画像の少なくとも一部を変形することによって、前記走査と前記着色画像をリンクさせ、前記走査中心に対する前記画像取り込み中心の位置、前記カラーカメラの向き、および、前記レーザスキャナの向きのうち少なくとも1つの偏差を補正することを特徴とする。
望ましくは、前記着色画像内で少なくとも1つの当該領域が画定され、前記基準表面上における前記走査の投影と、前記基準表面上における前記当該領域の投影とが比較される。
また、望ましくは、物体の輪郭の隅部、縁部、または別の部分が前記当該領域として画定される。
また、望ましくは、前記カラーカメラの各仮想の動き後、前記着色画像の前記当該領域が変形され、前記基準表面上へ投影される。
また、望ましくは、前記基準表面上における前記当該領域の投影と、前記当該領域の投影に対応する、前記基準表面上における前記走査の投影との間の変位ベクトルが判定される。
また、望ましくは、前記着色画像の投影および前記走査の投影が最善の可能な形で互いと適合するまで、前記カラーカメラの前記仮想の動き、前記当該領域の変形、および前記変位ベクトルの判定が反復される。
また、望ましくは、前記カラーカメラの異なる仮想位置で複数の反復が開始される。
また、望ましくは、排除の基準を使用して特定の前記当該領域および前記カラーカメラのうち少なくとも1つの特定の仮想位置および向きを除去する。
また、本発明は、前記方法を実施するデバイスであって、前記レーザスキャナと、前記カラーカメラとを備えることを特徴とする。
また、望ましくは、前記カラーカメラが、ホルダを用いて、前記レーザスキャナに取り付けられ、前記レーザスキャナの回転部分に取り付けられる。
また、望ましくは、前記走査中心および前記画像取り込み中心は、互いに対して特定の距離を有し、または走査を行う前に、互いに対して特定の距離で設定される。
望ましくは、前記カラーカメラがCCDカメラまたはCMOSカメラである。
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iと呼ぶ。カラーカメラ33の中心C33は、カラー画像i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i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i(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i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i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i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iの投影をiと呼ぶ。すべての着色画像iに対して、着色画像iおよび走査s(より正確には、基準表面上への着色画像i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i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i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iに対してこの方法が繰り返される。
対応する着色画像iを走査sと比較するために、関連する領域が着色画像i内に画定される。この領域を当該領域rと呼ぶ。これらの当該領域r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が発見される。マッピングでは、例示的に当該領域rが使用される。
着色画像iのすべての単一の当該領域rに対して、当該領域r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の投影をr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の投影r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i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i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i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、i カラー画像、i 着色画像の投影、O 物体、r 着色画像の当該領域、r 着色画像の当該領域の投影、r 走査の当該領域、s 走査、v 変位ベクトル、X 測定点。

Claims (11)

  1. レーザスキャナ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が、走査中心を有し、走査を行うために、光ビーム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前記環境を評価し、画像取り込み中心を有するカラーカメラが、前記走査とリンクさせなければならない前記環境の着色画像を取り込み、前記カラーカメラが接続された前記レーザスキャナの前記制御および評価ユニットが、共通の基準表面上への前記着色画像の投影および前記走査の投影が最善の可能な形で互いと適合するまで、各着色画像に対して繰り返し前記カラーカメラ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の少なくとも一部を変形することによって、前記走査と前記着色画像をリンクさせ、前記走査中心からの前記カラーカメラの前記画像取り込み中心および/もしくは向き、ならびに/または前記レーザスキャナの向きの偏差を補正し、
    前記着色画像の輝度および/または色の変化に基づいて、前記着色画像内で少なくとも1つの当該領域が画定され、前記基準表面上の前記走査の投影の対応する当該領域と比較されることを特徴とする方法。
  2. レーザスキャナ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が、走査中心を有し、走査を行うために、光ビーム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前記環境を評価し、画像取り込み中心を有するカラーカメラが、前記走査とリンクさせなければならない前記環境の着色画像を取り込み、前記カラーカメラが接続された前記レーザスキャナの前記制御および評価ユニットが、共通の基準表面上への前記着色画像の投影および前記走査の投影が最善の可能な形で互いと適合するまで、各着色画像に対して繰り返し前記カラーカメラ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の少なくとも一部を変形することによって、前記走査と前記着色画像をリンクさせ、前記走査中心からの前記カラーカメラの前記画像取り込み中心および/もしくは向き、ならびに/または前記レーザスキャナの向きの偏差を補正し、
    前記着色画像内で少なくとも1つの当該領域が画定され、前記基準表面上の前記走査の投影の対応する当該領域と比較され、
    前記方法は、
    スペクトルに対する排除の基準を使用して特定の当該領域および/または前記カラーカメラの特定の仮想位置および/または向きを除去することを特徴とする方法。
  3. 請求項1または2に記載の方法であって、物体の輪郭の隅部、縁部、または別の部分が当該領域として画定されることを特徴とする方法。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載の方法であって、前記カラーカメラの各仮想の動き後、前記着色画像の前記当該領域が変形され、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の投影の前記対応する当該領域上の前記着色画像の前記当該領域の投影の変位ベクトル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、前記着色画像の投影および前記走査の投影が最善の可能な形で互いと適合するまで、前記カラーカメラの前記仮想の動き、前記当該領域の変形、および前記変位ベクトル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1から7のいずれか1項に記載の方法を実施するデバイスであって、前記レーザスキャナと、前記カラーカメラとを備えることを特徴とするデバイス。
  9. 請求項8に記載のデバイスであって、前記カラーカメラが、ホルダを用いて、前記レーザスキャナに取り付けられ、具体的には前記レーザスキャナの回転部分に取り付けられることを特徴とするデバイス。
  10. 請求項8または9に記載のデバイスであって、前記レーザスキャナの前記走査中心と前記カラーカメラの前記画像取り込み中心は、互いに対して特定の距離を有し、または走査を行う前に、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。
  11. 請求項8から10のいずれか1項に記載のデバイスであって、前記カラーカメラが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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