DE102009015922B4

DE102009015922B4 - Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen einer Szene

Info

Publication number: DE102009015922B4
Application number: DE102009015922.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ossig Martin; Alexander Kramer; Dr. Becker Reinhard
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: GB2483000A; GB201118129D0; US20120069352A1; CN102232173A; WO2010108644A1; DE102009015922A1; GB2483000B; JP2012521546A; CN102232173B

Abstract

Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen einer Szene mittels eines Laserscanners (10), der zur Erstellung eines Scans, welcher jeweils ein bestimmtes Zentrum (Ci) aufweist, seine mit Targets (T1, T2, ...) versehene Umgebung optisch abtastet und vermisst, wobei zwei benachbarte, verschiedene Zentren (C1, C2, ...) aufweisenden, die gleiche Szene erfassende Scans in einem Bereich von Messpunkten (X) so überlappen, dass einige Targets (T1, T2, ...) von jeweils beiden Scans erfasst werden, wobei zur Registrierung der zwei benachbarten Scans a) in einem ersten Schritt die Targets (T1, T2, ...) in den Messpunkten (X) der Scans automatisch lokalisiert werden, b) in einem zweiten Schritt Korrespondenz-Kandidaten unter den lokalisierten Targets (T1, T2, ...) der zwei benachbarten Scans gesucht werden, indem b1) in jedem der beiden Scans zu wenigstens einem lokalisierten Target (Ti) die Geometrie ermittelt wird, in welche das Target (Ti) eingebettet ist, und welche sich durch die nächstgelegenen Targets (T1, T2, ...) aus ermittelten Abständen und/oder Winkeln des lokalisierten Targets (Ti) zu den nächstgelegenen Targets (T1, T2, ...) ergibt, b2) unter den die lokalisierten Targets (T1, T2, ...) einbettenden Geometrien der beiden benachbarten Scans nach Geometrieähnlichkeiten gesucht wird, b3) und ein Paar von Korrespondenz-Kandidaten gefunden ist, sobald zwei Targets (Ti), die aus verschiedenen der beiden benachbarten Scans stammen, in eine ähnliche Geometrie eingebettet ist, c) und in einem dritten Schritt eine Testregistierung der zwei benachbarten Scans vorgenommen wird, welche bei einer ausreichenden Übereinstimmung der Messpunkte (X) im überlappenden Bereich für die Registrierung übernommen wird, womit die Targets (T1, T2, ...) automatisch identifiziert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen einer Szene mittels eines Laserscanners.
Mittels eines Laserscanners, wie er beispielsweise aus der US 7,430 068 B2 bekannt ist, kann die Umgebung des Laserscanners optisch abgetastet und vermessen werden. Zur Erfassung einer größeren Szene kann es notwendig sein, mehrere Scans von verschiedenen Positionen aus, also mit unterschiedlichen Zentren, zu erstellen. Zuvor angebrachte Targets, die in überlappenden Bereichen zweier benachbarter Scans vorhanden sind, werden von einem Benutzer lokalisiert und in den beiden benachbarten Scans identifiziert.
Die US 7,242,460 B2 und der Artikel von Williams, J. A., Bennamoun, M.: ”Evaluation of a novel multiple point set registration algorithm”, in: 15th International Conference on Pattern Recognition, 2000. Proceedings Vol. 1, Seiten 1007 bis 1010, beschreiben eine Registrierung mittels des ”Iterative Closest Point” Verfahrens, während der Artikel von Godin, G., Laurendeau, D., Bergevin, R.: ”A method for registration of attributed range image”, in: Third International Conference an 3-D-Digital Imaging and Modeling, 2001, Proceedings Seiten 179 bis 186, für eine Registrierung das auf dem ”Iterative Closest Point” Verfahren aufbauende ”Iterative Closest Compatible Point” Verfahren verwendet. Dabei wird vorausgesetzt, dass die beiden in Übereinstimmung zu bringenden Scans der Szene bereits näherungsweise aufeinander ausgerichtet sind.
Der Artikel von Horn, B. K. P.: ”Close-form solution of absolute orientation using unit quarternions”, in: J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 4, 1987, No. 4, Seiten 629 bis 642, beschreibt, wie die Abbildung zweier Sätze von bekannten Punkten aufeinander berechnet werden kann, was anwendbar ist für die Registrierung zweier Sätze von lokalisierten und identifizierten Targets in einem gemeinsamen Koordinatensystem.
Die US 2005/0190384 A1 verwendet Targets, um mehrere Scans einer Szene registrieren zu können. Dabei werden drei Vorgehensweisen angeboten: In einem manuellen Verfahren lokalisiert und identifiziert der Benutzer die einzelnen Targets. In einem halbautomatischen Verfahren werden die Targets automatisch lokalisiert. Anschließend werden erst einige Targets vom Benutzer identifiziert, so dass dann die übrigen mittels geometrischer Betrachtungen automatisch identifiziert werden können. Anstelle der üblichen ununterscheidbaren Targets werden in einem dritten Verfahren unterscheidbare Targets verwendet, welche einen lokalisierbaren Bereich, beispielsweise ein Schachbrettmuster, und einen eindeutig identifizierbaren Bereich, beispielsweise einen Alphanumerischen Code, aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Targets automatisch zu lokalisieren und zu identifizieren, um die benachbarten, überlappenden Scans der Szene gemeinsam zu registrieren. Um die Anzahl der Kombinationsmöglichkeiten zu reduzieren, werden ähnliche Geometrien gesucht, in welche die Targets jeweils eingebettet sind und welche vorzugsweise durch wenige weitere Targets definiert werden, beispielsweise durch die drei nächstgelegenen Targets, so dass sich Vierecke ergeben. Ein Paar von Korrespondenz-Kandidaten ist gefunden, wenn zwei Targets aus verschiedenen, benachbarten Scans in ähnliche Geometrien eingebettet sind. Mit der Testregistrierung werden die beiden Scans versuchsweise überlagert.
Es ist auch möglich, zusätzlich zu den Scans Daten von weiteren Messgeräten zu verwenden, die dann mit den Scans verknüpft werden. Dies kann ein eingebautes (integriertes) Messgerät sein, beispielsweise ein Neigungssensor oder ein Kompass, oder ein externes Messgerät, welches beispielsweise eine konventionelle Vermessung vornimmt. Damit können die Ergebnisse der Registrierung verbessert und/oder die Anzahl der benötigten Targets reduziert werden. Es ist beispielsweise auch möglich, dass die Position eines oder mehrerer Targets durch solche Messgeräte bestimmt wird. Dies erleichtert die Lokalisierierung der Targets in den Scans oder gibt diese Lokalisierung vor.
Bei allen Schritten wird das Problem bestehen, dass durch Rauschen oder Ähnliches keine exakte Übereinstimmung der Messpunkte vorliegt. Dafür können jeweils Schwellwerte und/oder Intervalle bestimmt werden, welche der Diskriminierung und der Definition der Genauigkeit dienen. Gradientenbildungen, die Suche nach Extrema und statistische Methoden können ebenso Anwendung finden.
Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung der Erfassung einer Szene mit mehreren Scans,
2 eine schematische Darstellung eines Laserscanners, und
3 eine teilweise geschnittene Darstellung des Laserscanners.
Ein Laserscanner 10 ist als Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung des Laserscanners 10 vorgesehen. Der Laserscanner 10 weist einen Messkopf 12 und ein Stativ 14 auf. Der Messkopf 12 ist als eine um eine vertikale Achse drehbare Einheit auf dem Stativ 14 montiert. Der Messkopf 12 weist einen um eine horizontale Achse drehbaren Spiegel 16 auf. Der Schnittpunkt der beiden Drehachsen sei als Zentrum C_i des Laserscanners 10 bezeichnet.
Der Messkopf 12, wie er in 3 dargestellt ist, weist ferner einen Lichtsender 17 zum Aussenden eines Sendelichtstrahls 18 auf. Der Sendelichtstrahl 18 ist vorzugsweise ein Laserstrahl im sichtbaren Bereich von ca. 300 bis 1000 nm Wellenlänge, beispielsweise 790 nm, jedoch sind prinzipiell auch andere elektromagnetische Wellen mit beispielsweise größerer Wellenlänge verwendbar. Der Sendelichtstrahl 18 ist mit einem – beispielsweise sinusförmigen oder rechteckförmigen – Modulationssignal amplitudenmoduliert. Der Sendelichtstrahl 18 wird vom Lichtsender 17 auf den Spiegel 16 gegeben, dort umgelenkt und in die Umgebung ausgesandt. Ein von einem Objekt O in der Umgebung reflektierter oder sonst irgendwie gestreuter Empfangslichtstrahl 20 wird vom Spiegel 16 wieder eingefangen, umgelenkt und auf einen Lichtempfänger 21 gegeben. Die Richtung des Sendelichtstrahls 18 und des Empfangslichtstrahls 20 ergibt sich aus den Winkelstellungen des Spiegels 16 und des Messkopfes 12, welche von den Stellungen ihrer jeweiligen Drehantriebe abhängen, die wiederum von jeweils einem Encoder erfasst werden. Eine Steuer- und Auswertevorrichtung 22 steht mit dem Lichtsender 17 und dem Lichtempfänger 21 im Messkopf 12 in Datenverbindung, wobei Teile derselben auch außerhalb des Messkopfes 12 angeordnet sein können, beispielsweise als ein am Stativ 14 angeschlossener Computer. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 ist dazu ausgebildet, für eine Vielzahl von Messpunkten X die Distanz d des Laserscanners 10 zu dem (beleuchteten Punkt am) Objekt O aus der Laufzeit des Sendelichtstrahls 18 und des Empfangslichtstrahls 20 zu ermitteln. Hierzu wird die Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtstrahlen 18, 20 bestimmt und ausgewertet.
Mittels der (schnellen) Drehung des Spiegels 16 wird entlang einer Kreislinie abgetastet. Mittels der (langsamen) Drehung des Messkopfes 12 relativ zum Stativ 14 wird mit den Kreislinien nach und nach der gesamte Raum abgetastet. Die Gesamtheit der Messpunkte X einer solchen Messung sei als Scan bezeichnet. Das Zentrum C_i des Laserscanners 10 definiert für einen solchen Scan das stationäre Bezugssystem des Laserscanners 10, in welchem das Stativ 14 ruht. Nähere Einzelheiten des Laserscanners 10, insbesondere des Aufbaus des Messkopfes 12, sind beispielsweise in der US 7,430,068 B2 und der DE 20 2006 005 643 U1 beschrieben, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt ausdrücklich einbezogen wird.
Mittels des optischen Abtastens und Vermessens der Umgebung des Laserscanners 10 wird jeweils ein Scan einer bestimmten Szene erstellt. Es sind Szenen möglich, die sich nicht mit einem einzigen Scan erfassen lassen, beispielsweise verwinkelte Raumstrukturen oder Objekte O mit vielen Hinterschnitten. Hierfür wird der Laserscanner 10 an verschiedenen Positionen aufgestellt, und das Abtasten und Vermessen wiederholt, d. h. jeweils ein Scan mit einem bestimmten Zentrum C_i erstellt, der jeweils die gleiche Szene erfasst, aber aus verschiedener ”Blickrichtung”. Die verschiedenen Scans der gleichen Szene sind in ein gemeinsames Koordinatensystem einzuordnen, was als Registrierung (Bildregistrierung) bezeichnet wird.
Vor dem Erstellen der Scans werden in der Umgebung mehrere Targets T₁, T₂, ... aufgehängt, d. h. spezielle Objekte O. Anschließend wird mehrmals hintereinander der Laserscanner 10 an einer neuen Position aufgestellt, d. h. ein neues Zentrum C_i definiert, und jeweils ein Scan erstellt. Die ganze Szene ist dann durch mehrere Scans mit jeweils verschiedenen Zentren C₁, C₂, erfasst. Benachbarte Scans überlappen so, dass jeweils einige (vorzugsweise wenigstens drei) Targets T₁, T₂, ... von jeweils zwei benachbarten Scans erfasst werden. Als besonders geeignete (und daher bevorzugte) Targets T₁, T₂, ... haben sich Kugeln und Schachbrett-Muster erwiesen.
Bislang wurden die Targets T₁, T₂, ... in den Scans manuell lokalisiert und identifiziert, um die Messungen zu registrieren. Erfindungsgemäß erfolgt eine automatische Registrierung.
Hierzu werden in einem ersten Schritt die Targets T₁, T₂, ... in den Scans lokalisiert. Im Falle einer Kugel kann diese Information aus den Distanzen d gewonnen werden, welche sich zu einer gleichmäßig gekrümmten, runden Form zusammenfügen, nämlich zu einer Halbkugel. Im Falle des Schachbrett-Musters sind in zwei Richtungen Gradienten zu erkennen. Sinnvollerweise sind für jedes Target T_i mehrere Messpunkte X vorhanden, beispielsweise mindestens 50–100, um Fehler bei der Lokalisierung der Targets T₁, T₂, ... zu vermeiden. Filter mit Schwellwerten können weitere Lokalisierungsfehler vermeiden. Zusätzlich können Daten von weiteren, in den Laserscanner 10 integrierten oder externen Messgeräten verwendet werden, welche für ein oder mehrere Targets T₁, T₂, ... die Lokalisierung in den Scans erleichtern oder vorgeben.
In einem zweiten Schritt werden Korrespondenz-Kandidaten gesucht. Für jeden Scan werden für mehrere lokalisierte Targets T_i aus den Distanzen d die Abstände (oder alternativ Winkel) des jeweiligen Targets T_i zu den anderen (oder wenigstens zu den nächstgelegenen) Targets T₁, T₂, ... ermittelt, woraus sich bestimmte Geometrien ergeben, in welche die jeweiligen Targets T_i eingebettet sind, beispielsweise räumliche Vierecke mit den drei nächstgelegenen Targets T₁, T₂, ... zusammen. Im Vergleich mit den jeweils benachbarten Scans wird nach Geometrieähnlichkeiten gesucht. Sobald zwei Targets T_i, die aus zwei verschiedenen, benachbarten Scans stammen, in eine ähnliche Geometrie eingebettet ist, d. h. die Abstände wenigstens zu den nächstgelegenen Targets T₁, T₂, ... innerhalb eines gewissen Genauigkeitsintervalls übereinstimmen, ist ein Paar von Korrespondenz-Kandidaten gefunden.
In einem dritten Schritt wird eine Testregistrierung vorgenommen, d. h. die benachbarten Scans werden durch Translation und Rotation so relativ zueinander transformiert, dass die Korrespondenz-Kandidaten und die Geometrien, in die sie eingebettet sind, einen minimalen Abstand aufweisen. Dann werden alle Messpunkte X, die in beiden Scans vorhanden sein müssten, also im überlappenden Bereich der beiden Scans liegen, miteinander mittels statistischer Methoden verglichen. Beispielsweise könnten die Abstände ermittelt werden, und die Summe der Abstände ein Maß für die (fehlende) Übereinstimmung sein. Übersteigt die statistisch gewonnene Übereinstimmung einen bestimmten Schwellwert, sind die Targets T₁, T₂, ... identifiziert, und die Testregistrierung wird für die Registrierung übernommen. Reicht die Übereinstimmung nicht aus, wird das Paar von Korrespondenz-Kandidaten verworfen, und die Identifizierung der Targets T₁, T₂, ... mittels des zweiten und dritten Schritts wird erneut durchgeführt.
Da die Suche nach Korrespondenz-Kandidaten, insbesondere bei vielen Targets T₁, T₂, ..., aufgrund der entstehenden Nichtlinearitäten, Schwierigkeiten aufwerfen kann, ist es sinnvoll, für die Suche nach Korrespondenz-Kandidaten nur wenige Targets T₁, T₂, ..., d. h. kleine einbettende Geometrien, zu verwenden, und dafür die Testregistrierung mit allen Targets T₁, T₂, ... vorzunehmen. Dies steigert die Performance des gesamten Verfahrens.
Bezugszeichenliste

10: Laserscanner
12: Messkopf
14: Stativ
16: Spiegel
18: Sendelichtstrahl
20: Empfangslichtstrahl
C_i: Zentrum
d: Distanz
O: Objekt
T_i: Target
X: Messpunkt

Claims

Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen einer Szene mittels eines Laserscanners (10), der zur Erstellung eines Scans, welcher jeweils ein bestimmtes Zentrum (C_i) aufweist, seine mit Targets (T₁, T₂, ...) versehene Umgebung optisch abtastet und vermisst, wobei zwei benachbarte, verschiedene Zentren (C₁, C₂, ...) aufweisenden, die gleiche Szene erfassende Scans in einem Bereich von Messpunkten (X) so überlappen, dass einige Targets (T₁, T₂, ...) von jeweils beiden Scans erfasst werden, wobei zur Registrierung der zwei benachbarten Scans a) in einem ersten Schritt die Targets (T₁, T₂, ...) in den Messpunkten (X) der Scans automatisch lokalisiert werden, b) in einem zweiten Schritt Korrespondenz-Kandidaten unter den lokalisierten Targets (T₁, T₂, ...) der zwei benachbarten Scans gesucht werden, indem b1) in jedem der beiden Scans zu wenigstens einem lokalisierten Target (T_i) die Geometrie ermittelt wird, in welche das Target (T_i) eingebettet ist, und welche sich durch die nächstgelegenen Targets (T₁, T₂, ...) aus ermittelten Abständen und/oder Winkeln des lokalisierten Targets (T_i) zu den nächstgelegenen Targets (T₁, T₂, ...) ergibt, b2) unter den die lokalisierten Targets (T₁, T₂, ...) einbettenden Geometrien der beiden benachbarten Scans nach Geometrieähnlichkeiten gesucht wird, b3) und ein Paar von Korrespondenz-Kandidaten gefunden ist, sobald zwei Targets (T_i), die aus verschiedenen der beiden benachbarten Scans stammen, in eine ähnliche Geometrie eingebettet ist, c) und in einem dritten Schritt eine Testregistierung der zwei benachbarten Scans vorgenommen wird, welche bei einer ausreichenden Übereinstimmung der Messpunkte (X) im überlappenden Bereich für die Registrierung übernommen wird, womit die Targets (T₁, T₂, ...) automatisch identifiziert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt die Targets (T₁, T₂, ...) mittels ihrer Form und/oder ihrer Gradienten lokalisiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einbettenden Geometrien ähnlich sind, wenn die Abstände des lokalisierten Targets (T_i) zu den nächstgelegenen Targets (T₁, T₂, ...) innerhalb eines gewissen Genauigkeitsintervalls übereinstimmen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Schritt bei der Testregistrierung die zwei benachbarten Scan so relativ zueinander transformiert werden, dass die Korrespondenz-Kandidaten einen minimalen Abstand aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Korrespondenz-Kandidaten einen minimalen Abstand aufweisen, die Messpunkte (X) im überlappenden Bereich mittels statistischer Methoden verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner (10) zum optischen Abtasten und Vermessen der Szene nacheinander an verschiedenen Positionen aufgestellt wird, um jeweils einen Scan zu erstellen, wobei der Laserscanner (10) an jeder Position das jeweilige Zentrum (C_i) des Scans definiert.
Laserscanner (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.