NL1006476C2 - Werkwijze en inrichting voor het vervaardigen van driedimensionale fysieke reproducties. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Werkwijze en inrichting voor het vervaardigen van driedimensionale fysieke reproducties.

Het vervaardigen van driedimensionale fysieke reproduc-5 ties wordt in de praktijk onder meer toegepast om door middel van CAD-technieken ("Computer Aided Design") ontworpen objecten in een driedimensionale reële fysieke reproductie om te zetten. Voor dit doel geschikte bewerkingsmachines bewerken daartoe op basis van de CAD-informatie een uitgangsmateriaal zoals hout, kunststof of metaal door het verspanen 10 hiervan of het hieraan toevoegen van materiaal zodanig, dat een driedimensionale fysiek replica van het ontworpen object wordt verkregen.

Maquettebouw is een techniek waarmee driedimensionale fysieke reproducties worden gemaakt van bebouwde en onbebouwde omgevingen, in het algemeen topografische en geografische structuren. Gebouwen worden 15 hierin bijvoorbeeld door het mechanisch bewerken van een uitgangsmateriaal zoals hout aan de hand van bouwtekeningen en/of foto’s zo nauwkeurig mogelijk op schaal nagemaakt. Een gebouw kan daarbij uit een aantal afzonderl ijk nagemaakte delen bestaan, terwijl de maquette als geheel wordt vervaardigd door het bij elkaar rangschikken van de afzonderlijk 20 vervaardigde gebouwen, wegen, straatmeubilair, bomen, landschappen en dergelijke. Het spreekt voor zich dat voor het vervaardigen van maquettes een hoge mate van vakmanschap is vereist en dat het vervaardigen hiervan in het algemeen een tijdrovende opgave is.

In de praktijk blijkt er bij overheids- en semi-25 overheidsinstanties, beheerders van landinrichtingen (waterschappen, staatsbosbeheer, hoogheemraadschappen), grootschalige bouwbedrijven, architecten, planologen, stads- en projectontwikkelaars maar bijvoorbeeld ook bij musea en in de toeristische industrie behoefte te bestaan aan reële driedimensionale fysieke reproducties van topografische en geografische 30 structuren, zoals stadshorizons, kustlijnen, bergen, eilanden, vulkanen, riviergebieden, en dergelijke in de vorm van bijvoorbeeld een replica op verkleinde schaal van deze gebieden of objecten.

In het bijzonder voor de toeristische industrie is maquettebouw een te dure en ongeschikte techniek voor serieproductie, 35 terwijl de mate van realiteit c.q. gelijkenis van de driedimensionale reproducties vaak ontoereikend is en waarbij alleen met een onverantwoord 1006476 2 hoge inspanning een (emotioneel) voldoende herkenbare reproductie kan worden verkregen.

Aan de uitvinding ligt daarom de opgave ten grondslag een werkwijze aan te geven waarmee, desgewenst op grote schaal, 5 driedimensionale fysieke reproducties kunnen worden vervaardigd van topografische en/of geografische structuren. De uitvinding voorziet daartoe in een werkwijze welke wordt gekenmerkt door de stappen van: - het door middel van "remote sensing" verschaffen van een aftastdataverzameling die een driedimensionale representatie van een 10 afgetast gebied of object omvat; - het verwerken van aftastdata van de aftastdataverzame-ling in voor het sturen van een processorgestuurde bewerkingsmachine geschikte stuurdata, voor het vervaardigen van een met het afgetaste gebied of object verband houdende driedimensionale reproductie; en 15 - het met de bewerkingsmachine in een driedimensionale fysieke vorm verschaffen van de reproductie.

Aan de uitvinding ligt het inzicht ten grondslag dat met de huidige "remote sensing"-technieken, waarmee hoogteresoluties in de orde grootte van 15 cm kunnen worden behaald, een aftastdataverzamel ing 20 kan worden verkregen welke geschikt kan worden gemaakt voor het sturen van een bewerkingsmachine waarmee fysieke driedimensionale reproducties kunnen worden geproduceerd.

De werkwijze volgens de uitvinding opent de weg voor het zo nodig in serieproductie vervaardigen van replica’s van beroemde 25 stadshorizons, zoals Hong Kong, New York, bekende kustlijnen, zoals Dover, Copacabana, avontuurlijke bergen, zoals Eiger, Matterhorn, Fujiyama, Mont BIanc, elitaire stranden, zoals St. Tropez, Monte Carlo, rustieke eilanden, zoals Hawai, Catalina, Bali, Mont St. Michel, Grand Canaria, ski-oorden, zoals St. Moritz, Aspen, Zermatt, beruchte vulkanen waaronder de Vesuvius, 30 Etna, St. Helens maar ook pittoreske plaatsen en nationaal bekende objecten zoals de Chinese muur, de Niagara watervallen, de Grand Canyon en dergelijke. Deze gebieden of objecten kunnen in de vorm van miniaturen worden verschaft, al dan niet op een voet of sokkel, waarbij de voet of sokkel en de betreffende reproductie als één geheel kunnen zijn 35 vervaardigd.

1006476 3

Naast deze toeristische toepassing, is de werkwijze volgens de uitvinding uitermate geschikt voor het vervaardigen van fysieke reproducties van topografische en/of geografische structuren zoals bebouwde en onbebouwde omgevingen, riviergebieden, kust- en duingebieden, waterwin-5 gebieden, landschappen voor gebruik door overheids- en semi-overheidsin-stanties, landschapsbeheerders, architecten, planologen, stads- en projectontwikkelaars etc. Deze fysieke reproducties kunnen dan met voordeel worden toegepast voor het informeren over en het plannen van stadsvernieuwing, stadsuitbreiding, landschapsveranderingen etc. maar ook voor 10 bewegwijzering en kadastrale toepassingen.

Voor de uitvinding geschikte "remote sensing"-technieken zijn onder andere bekend onder de benamingen zoals "3D-aerial laser scanning", "3D-aerial radar scanning", "3D-satel 1 ite scanning" of "airborn scanning", waarbij een aftastdataverzameling in de vorm van een digitale 15 "puntenwolk" wordt verschaft. De punten in deze puntenwolk omvatten driedimensionale informatie. In een cartesisch x, y, z-coördinatenstelsel representeren de punten van een puntenwolk een positie in het horizontale vlak plus de bijbehorende hoogte van de betreffende positie ten opzichte van het aardoppervlak. Alle punten tezamen vertegenwoordigen het 20 bijvoorbeeld afgetaste aardoppervlak met eventueel daarop staande bebouwing en andere (natuurlijke) objecten. Voor het doel van de uitvinding kunnen uiteraard ook andere geschikte "remote sensing"-technieken worden toegepast, mits er driedimensionale informatie van het afgetaste object en/of gebied wordt verschaft.

25 De werkwijze volgens de uitvinding is in het bijzonder geschikt voor het produceren van bewerkte driedimensionale reproducties door het bewerken van aftastdata van de verkregen aftastdataverzamel ing, zoals filteren, schalen en/of het toevoegen van data. Hiermee kunnen dan driedimensionale fysieke reproducties worden vervaardigd waarbij door 30 ongelijke schaling een opzettelijke vertekening mogelijk is, waarbij bestaande objecten zijn weggehaald of vervangen door andere etc. Het zal duidelijk zijn dat op deze wijze vervaardigde fysieke reproducties in het bijzonder voor professionele doeleinden zoals de genoemde stadsvernieuwing, stadsuitbreiding, landschapsvernieuwing, 1andschapsuitbreiding en 35 dergelijke geschikt zijn. Echter ook voor toeristische en commerciële doeleinden kunnen bijvoorbeeld replica worden verschaft waarbij bepaalde 1006476 4 gebouwen of landschapselementen geprononceerd dan wel opzettelijk vertekend zijn weergegeven.

In plaats van of in aanvulling op de aftastdata kunnen ook de stuurdata voor het sturen van de bewerkingsmachine aan databewerkin-5 gen zoals filteren, schaling en/of het toevoegen van data worden onderworpen.

De fysieke reproductie kan zowel als positieve als negatieve reproductie worden verschaft, vergelijkbaar met de fotografie, waarbij een negatieve fysieke reproductie in het bijzonder voor toepassing 10 als matrijs voor het vervaardigen van afgietsels kan worden ingezet.

De betreffende fysieke reproductie kan uit vrijwel elk geschikt materiaal worden vervaardigd of een combinatie van materialen zoals kunststof, hout, keramiek, glas, steen en metaal waaronder messing, roestvrij staal, koper, brons, aluminium al dan niet in verschillende 15 kleuren.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het vervaardigen van driedimensionale fysieke reproducties, omvattende processormiddelen en door de processormiddelen gestuurde mechanische bewerkingsmiddelen, omvattende verwerkingsmiddelen voor het tot stuurdata 20 voor de processormiddelen verwerken van door "remote sensing" verkregen aftastdata voor het vervaardigen van een driedimensionale fysieke reproductie van een door de aftastdata gerepresenteerd afgetast gebied of object.

In een verdere uitvoeringsvorm van de inrichting volgens 25 de uitvinding, kunnen de verwerkingsmiddelen zijn ingericht voor het filteren, schalen en/of toevoegen van data voor het verschaffen van bewerkte aftastdata en/of bewerkte stuurdata. Met voordeel bestaan de verwerkingsmiddelen uit geschikt geprogrammeerde processormiddelen, waaronder de processormiddelen voor het sturen van de mechanische 30 bewerkingsmiddelen.

De uitvinding zal nu aan de hand van in de tekening weergegeven figuren nader worden verklaard. Hierbij tonen:

Fig. 1 schematisch een voor het doel van de uitvinding geschikte "remote sensing"-techniek.

35 Fig. 2 een stroomschema met de stappen volgens de uitvinding.

1006476 5

Fig. 3 de voornaamste componenten van een bewerkingsma-chine volgens de uitvinding in blokschemavorm.

Fig. 4 een schematisch zijaanzicht van een met de werkwijze volgens de uitvinding verkregen topografisch miniatuur.

5 Fig. 1 toont schematisch het principe van "remote sensing", in het bijzonder "3D-aerial laser scanning", waarbij een gebied 1 vanuit de lucht door een vliegtuig 2 wordt afgetast. Het vliegtuig 2 vliegt boven het gebied 1 in de richting van de pijl 3. Door middel van een laserstraal 4 wordt het gebied 1 puntsgewijs afgetast, zoals aangegeven 10 door stippen 5. De laserstraal 4 beweegt zich hierbij in breedterichting B terwijl het vliegtuig zich in lengterichting L van het gebied 1 verplaatst.

Een in het vliegtuig 2 aangebrachte laserscanner (niet getoond) registreert het tijdsverschil tussen het uitzenden van een 15 laserstraal 4 en het door objecten in het gebied 1 naar het vliegtuig 2 gereflecteerde lasersignaal. Het tijdsverschil is een maat voor de relatieve hoogte van de objecten in het gebied 1. Voor een nauwkeurige plaatsbepaling van de stippen 5 wordt gebruik gemaakt van het bekende GPS ("Global Positioning System"), middels een GPS-grondstation 6 en GPS-20 satellieten 7 , 8 en 9.

De positie-informatie alsmede de hoogte-informatie van de stippen 5 vormt een aftastdataverzameling die een driedimensionale representatie van het afgetaste gebied 1 omvat.

Met deze vorm van "3D-aerial laser scanning" of ook 25 wel "Airborn Laser Scanning" genoemd, kan een hoogtenauwkeurigheid van 10 tot 15 cm worden bereikt, waarbij het vliegtuig 2 op een hoogte van ongeveer 900 meter boven het gebied 1 vliegt. De afgetaste data worden in de vorm van een digitale "puntenwolk" afgegeven waarbij een gebied met een lengte L en breedte B van 1 km bij 1 km door 40.000 of meer 30 aftastpunten kan worden gerepresenteerd, overeenkomende met één meting per 20-25 m2.

Voor meer gedetailleerde informatie omtrent deze vorm van "remote sensing" wordt verwezen naar een publicatie "Airborn Laser Scanning for Elevation Mapping", door Chung Han San in GIM, november 1995, 35 vol. 9, biz. 24-26.

1006476 6

In plaats van de beschreven laseraftasting kan voor het doel van de uitvinding ook gebruik worden gemaakt van de zogeheten "3D-aerial radar scanning", waarbij in plaats van een laserstraal 4 een radarstraal voor aftastdoeleinden wordt gebruikt en de zogeheten "3D-5 satellite scanning" waarbij in plaats vanuit een vliegtuig 2 het gebied 1 vanuit een satelliet wordt afgetast. De uitvinding is niet beperkt tot deze soorten "remote sensing". In wezen kan elke overeenkomstige techniek worden toegepast waarbij aftastdata in bijvoorbeeld de vorm van een digitale puntenwolk worden geproduceerd, waarbij elk punt driedimensionale 10 informatie omvat met betrekking tot de positie 5 in het gebied 1 en de (relatieve) hoogte op de betreffende locatie, bijvoorbeeld in de vorm van een x, y, z-coördinatenstelsel.

Fig. 2 toont een stroomschema dat achtereenvolgens de stappen van de werkwijze volgens de uitvinding illustreert.

15 Blok 10 "remote sensing" representeert de stap van het aftasten van een beoogd gebied of object in een gebied en het vormen van een aftastdataverzameling die een driedimensionale representatie van het afgetaste gebied of object omvat, bijvoorbeeld in de vorm van een digitale puntenwolk zoals beschreven aan de hand van fig. 1.

20 De verkregen aftastdata kan in zijn geheel of gedeeltelijk tot stuurdata worden verwerkt, aangegeven met blok 11, voor het sturen van een processorgestuurde bewerkingsmachine voor het vervaardigen van een driedimensionale fysieke vorm of model.

De verwerkte aftastdata c.q. de stuurdata kunnen naar 25 keuze verder worden onderworpen aan een of meer databewerkingen zoals filteren (gedeeltelijke) schaling en/of het toevoegen van data, zoals geïllustreerd in blok 12.

Door het op deze wijze bewerken van aftast- en/of stuurdata kunnen van de werkelijkheid afwijkende fysieke reproducties 30 worden vervaardigd, bijvoorbeeld om bepaalde objecten te prononceren of om een reproductie te verkrijgen waarbij objecten zijn weggelaten en/of vervangen door nieuwe objecten.

De verkregen stuurdata of de bewerkte stuurdata worden vervolgens aan een bewerkingsmachine toegevoerd, zoals geïllustreerd met 35 blok 13, voor het vervaardigen van driedimensionale fysieke reproducties.

1006476 7

Voor dit doel geschikte bewerkingsmachines zijn in de praktijk bekend, bijvoorbeeld een bewerkingsmachine van het type Benchman (TM), VMC 5000 Machining Centers, of een bewerkingsmachine van het type hyperMILL (TM). Geschikte programmatuur voor het verwerken van aftastdata 5 tot stuurdata is eveneens in de praktijk bekend, bijvoorbeeld onder de naam hyperDIGIT (TM). Voor databewerkingen zoals filtering, schaling en het verwijderen c.q. substitueren van data zijn geschikte analoge en/of digitale bewerkingstechnieken in de praktijk bekend en behoeven voor een deskundige geen toelichting.

10 Naast de genoemde bewerkingsmachines en programmatuur kunnen uiteraard andere voor het uit stuurdata vervaardigen van driedimensionale fysieke reproducties geschikte machines en/of inrichtingen worden toegepast.

Fig. 3 toont in blokschemavorm een uitvoeringsvorm van 15 een inrichting voor het vervaardigen van driedimensionale fysieke reproducties overeenkomstig de onderhavige werkwijze. De inrichting 15 omvat een processor 16, zoals een microprocessor en hiermee gekoppelde geheugenmiddelen, zoals een ROM-programmageheugen ("Read Only Memory") en een RAM-werkgeheugen 18 ("Random Access Memory"). De microprocessor 20 16 stuurt bewerkingsmiddelen 19, welke de vorm van mechanische verspanings- middelen zoals frezen, zagen, boren en dergelijke kunnen hebben of middelen voor het op een uitgangsmateriaal aanbrengen of doen groeien van materiaal voor het vervaardigen van de driedimensionale fysieke reproductie, bijvoorbeeld een stereolithografiemachine.

25 Overeenkomstig de uitvinding zijn middelen 20 toegevoegd, voor het verwerken van de uit "remote sensing" verkregen aftastdataverzameling, welke aftastdataverzameling via een interface I 21 aan de middelen 20 wordt toegevoerd. De middelen 20 voor het verwerken van de aftastdata kunnen een processor, zoals een microprocessor omvatten. 30 In een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding zijn de verwerkingsmiddelen 20 in de processormiddelen 16 geïntegreerd, middels in het programmageheugen 17 opgeslagen geschikte programmatuur.

Voor een deskundige zal het duidelijk zijn dat in fig. 3 slechts de voor het begrijpen van de uitvinding noodzakelijke componenten 35 zijn weergegeven. De inrichting 15 kan verdere componenten omvatten, zoals bewakings- en verdere stuurmiddelen (niet getoond).

1006476 δ

Fig. 4 toont een zijaanzicht van een volgens de uitvinding verschafte driedimensionale fysieke reproductie die als één geheel uit een uitgangsmateriaal zoals kunststof, hout, keramiek, glas, steen en metaal waaronder messing, roestvrij staal, koper, brons, aluminium 5 of elk ander geschikt materiaal kan zijn vervaardigd.

De betreffende fysieke reproductie is verschaft in de vorm van een miniatuur 22 waarbij op een sokkel 23 de, uit de aftastdata gereproduceerde gebieden en/of objecten 24 zijn gelegen.

In fig. 4 is een zogeheten "positieve" reproductie 10 getoond, waarbij het gebied en/of de objecten 24 overeenkomstig de werkelijkheid zijn afgebeeld. Het is echter ook mogel i jk om het betreffende gebied en/of de objecten 24 "negatief" te reproduceren, bijvoorbeeld in de vorm van een matrijs voor het maken van gietstukken.

Zoals in de inleiding reeds beschreven, is de werkwijze 15 volgens de uitvinding inzetbaar op een breed toepassingsgebied, zowel voor professionele doeleinden zoals stads- en landschapsplanning, projectontwikkeling en dergelijke maar ook voor het op commerciële wijze vervaardigen van fysieke reproducties van bijvoorbeeld toeristische attracties en dergelijke. Een op de wijze volgens de uitvinding vervaardigde fysieke 20 reproductie kan naar behoefte aan verdere bewerkingen zoals beschilderen, etsen, dompelen in een verfbad en dergelijke worden onderworpen.

1006476

Claims (17)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van driedimensionale fysieke reproducties, gekenmerkt door de stappen van: 5. het door middel van "remote sensing" verschaffen van een aftastdataverzameling die een driedimensionale representatie van een afgetast gebied of object omvat; - het verwerken van aftastdata van de aftastdataverzame-ling in voor het sturen van een processorgestuurde bewerkingsmachine 10 geschikte stuurdata, voor het vervaardigen van een met het afgetaste gebied of object verband houdende driedimensionale reproductie; en - het met de bewerkingsmachine in een driedimensionale fysieke vorm verschaffen van de reproductie.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 15 de aftastdataverzameling in de vorm van een digitale "puntenwolk" wordt verkregen via een "remote sensing"-techniek zoals "3D-aerial laser scanning", "3D-aerial radar scanning", "3D-satellite scanning" of een andere voor "remote aerial sensing"-doeleinden toegepaste techniek, waarbij punten in de puntenwolk driedimensionale informatie omvatten.

3. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat aftastdata van de aftastdataverzameling worden onderworpen aan een of meer databewerkingen zoals filteren, schal ing en/of het toevoegen van data voor het verschaffen van bewerkte aftastdata, welke bewerkte aftastdata tot stuurdata voor het sturen van de bewerkings-25 machine worden verwerkt.

4. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat stuurdata worden onderworpen aan een of meer databewerkingen zoals filteren, schal ing en/of het toevoegen van data voor het verschaffen van bewerkte stuurdata, welke bewerkte stuurdata voor 30 het sturen van de bewerkingsmachine worden toegepast.

5. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de driedimensionale fysieke reproductie wordt verkregen door het verspanen van een uitgangsmateriaal.

6. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1 tot 35 en met 4, met het kenmerk, dat de driedimensionale fysieke reproductie 1006476 wordt verkregen door het op een uitgangsmateriaal aanbrengen van verder materiaal.

7. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een positieve fysieke reproductie wordt 5 verschaft.

8. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1 tot en met 6, met het kenmerk, dat een negatieve fysieke reproductie wordt verschaft.

9. Werkwijze volgens een of meer van de voorgaande 10 conclusies, met het kenmerk, dat de fysieke reproductie wordt vervaardigd uit één of een combinatie van materialen zoals kunststof, hout, keramiek, glas, steen en metaal waaronder messing, roestvrij staal, koper, brons, aluminium.

10. Fysieke driedimensionale reproductie vervaardigd 15 overeenkomstig de werkwijze volgens één of meer van de voorgaande conclusies.

11. Fysieke driedimensionale reproductie volgens conclusie 10, gekenmerkt door een voet of sokkel welke de betreffende reproductie draagt.

12. Fysieke driedimensionale reproductie volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de voet of sokkel en de betreffende reproductie als één geheel zijn vervaardigd.

13. Fysieke driedimensionale reproductie volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de reproductie 25 de vorm van een matrijs heeft.

14. Fysieke driedimensionale reproductie volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de betreffende reproductie in de vorm van een topografisch en/of geografisch miniatuur is verschaft.

15. Inrichting voor het vervaardigen van driedimensionale fysieke reproducties, omvattende processormiddelen en door de processormid-delen gestuurde mechanische bewerkingsmiddelen, gekenmerkt door verwerkingsmiddelen voor het tot stuurdata voor de processormiddelen verwerken van door "remote sensing" verkregen aftastdata voor het 35 vervaardigen van een driedimensionale fysieke reproductie van een door de aftastdata gerepresenteerd afgetast gebied of object. 1006476

16. Inrichting volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat de verwerkingsmiddelen zijn ingericht voor het filteren, schalen en/of het toevoegen van data voor het verschaffen van bewerkte aftastdata en/of bewerkte stuurdata.

17. Inrichting volgens conclusie 15 of 16. met het kenmerk, dat de verwerkingsmiddelen uit geschikt geprogrammeerde processormiddelen bestaan. 1006476