DE102008002241A1

DE102008002241A1 - Verfahren und Messsystem zur bildbasierten Vermessung eines Raumes

Info

Publication number: DE102008002241A1
Application number: DE200810002241
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Niem; Matthias Roland; Sebastian Jackisch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur bildbasierten Vermessung eines Raums oder eines Teilbereiches eines Raums, das die Schritte aufweist: Erzeugen von mehreren Einzelaufnahmen eines Raums unter Verwendung eines eine Kamera (16) aufweisenden Messsystems (10; 60; 70); Erfassen zumindest eines Abstandes zwischen dem Messsystem (10; 60; 70) und einem Raumpunkt des Raums, wobei der erfasste Abstand einer Einzelaufnahme zugeordnet wird; und Modellieren eines virtuellen 3-D-Modells des Raums mithilfe einer Bildverarbeitungsmethode unter Berücksichtigung des erfassten Abstands. Ferner betrifft die Erfindung ein Messsystem zur bildbasierten Vermessung eines Raums oder eines Teilbereiches eines Raums.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur bildbasierten Vermessung eines Raumes oder eines Teilbereiches eines Raumes sowie ein Messsystem zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
Eine automatische dreidimensionale Vermessung von Räumen ist für Handwerker und Architekten von großem Interesse, da auf diese Weise ein Ist-Zustand von Räumen schnell erfasst und anstehende Arbeiten geplant werden können. Mit einer derartigen Vermessung kann ein Aufbau von Küchen, ein Einbau von Fenstern, eine Planung von Malerarbeiten, eine Erstellung von CAD-Daten und dergleichen unterstützt werden.
Derzeit verfügbare Systeme gliedern sich in handgehaltene, einpunktmessende Geräte, wie beispielsweise das BOSCH DLE 150, in stationäre 3D-Scanner und in stationäre halbautomatische Foto-Tachymeter, mit denen eine Fotogrammetrie durchführbar ist.
Bei den handgehaltenen Geräten ist ein Abtragen von vorgegebenen Maßen, eine Minimum-Messung zur Ermittlung einer kürzesten Entfernung, z. B. einer Waagerechten von Wand zu Wand, eine Maximum-Messung zur Ermittlung einer größten Entfernung, z. B. einer Diagonalen eines Raumes, und eine indirekte Längenmessung zur Messung von Entfernungen, die nicht direkt gemessen werden können, z. B. eine Höhe einer Hauswand, möglich.
Ferner sind bildbasierte Verfahren (”Structure-From-Motion” oder VSLAM) bekannt, die Ansätze zur gleichzeitigen Bestimmung von Form und Kameraposition aus Kamerabildern erlauben. Die erreich baren Rekonstruktionsgenauigkeiten sind hierbei aber nicht ausreichend.
Bei einem weiteren bildbasierten Verfahren kann eine virtuelle zusammenhängende Gesamtaufnahme eines Raumes basierend auf mit einer Kamera erstellten, einander teilweise überdeckenden Einzelaufnahmen von Teilbereichen des Raumes modelliert werden, indem die Einzelaufnahmen miteinander kombiniert werden. Zur Kombination der Einzelaufnahmen werden automatisch lokale markante Merkmalspunkte in jeder Einzelaufnahme definiert, die unempfindlich gegen perspektivische Verzerrung sind und nachfolgend als Landmarken bezeichnet werden. Markant sind Raumpunkte, deren Eigenschaften von ihrem Hintergrund abweichen, so beispielsweise Vorsprünge und Aussparungen von Strukturelementen wie Bilder, Türen, Fenster oder dergleichen. Anschließend wird in den Einzelaufnahmen nach identischen Landmarken gesucht, um die überlappenden Abschnitte der Einzelaufnahmen ausfindig zu machen und um die Einzelaufnahmen zueinander auszurichten und zusammenzufügen. Auf diese Weise kann eine zusammenhängende virtuelle Gesamtaufnahme eines Raumes erzielt werden. Eine Skalierung von Strukturelementen, wie beispielsweise Höhen-, Breiten- und Tiefenmaße einer Tür, ist hingegen nicht vorgesehen. Diese kann aber nachträglich vorgenommen werden, indem zumindest ein Maß eines Strukturelementes, wie beispielsweise die Breite eines Türrahmens manuell erfasst und in einen entsprechenden Rechenalgorithmus eingegeben wird. Alle weiteren Abmessungen lassen sich dann berechnen. Allerdings ist eine nachträgliche Skalierung mit zusätzlichem Aufwand verbunden, was als nachteilig angesehen wird. Ferner können weitere Einzelaufnahmen nicht problemlos nachträglich in die virtuelle Gesamtaufnahme integriert werden. Werden also Abschattungen, wie beispielsweise Vorsprünge oder Aussparungen von Raumwänden, nicht sorgfältig anhand der Einzelaufnahmen dokumentiert, so ist die modellierte virtuelle Gesamtaufnahme lückenhaft. Schließlich ist es ohne großen Aufwand nicht möglich, Messergebnisse von anderen Messgeräten in die virtuelle Gesamtaufnahme zu integrie ren, wie beispielsweise den Feuchtigkeitszustand von Wänden, die Lage elektrischer Leitungen, etc.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren und Messsystem zur bildbasierten Vermessung eines Raumes oder eines Teilbereiches eines Raumes zu schaffen.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Messsystem nach Anspruch 17. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf individuelle Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur bildbasierten Vermessung eines Raumes oder eines Teilbereiches eines Raumes wird zunächst eine Einzelaufnahme eines Raumes unter Verwendung eines eine Kamera aufweisenden Messsystems erzeugt. Ferner wird bevorzugt synchron mit der Einzelaufnahme zumindest ein Abstand zwischen dem Messsystem und dem Raumpunkt des Raumes erfasst, wobei der erfasste Abstand der Einzelaufnahme zugeordnet wird. Anhand dieser Zuordnung kann eine Skalierung von Strukturelementen des Raumes erfolgen, die auf der Einzelaufnahme zu erkennen sind. So kann beispielsweise die tatsächliche Länge der Bilddiagonalen der Einzelaufnahme in Kenntnis des Abstands des Messsystems von einem Raumpunkt des Raumes berechnet werden. Ist die tatsächliche Abmessung der Bilddiagonalen bekannt, so können darauf basierend auch Abmessungen einzelner Strukturelemente des Raumes berechnet werden, wie beispielsweise die Breite, Höhe und Tiefe eines Türrahmens oder dergleichen.
Ferner werden weitere, einander teilweise überschneidende Einzelaufnahmen des Raumes bzw. von Raumbereichen unter Verwendung des eine Kamera aufweisenden Messsystems erzeugt, woraufhin ein vir tuelles 3D-Modell des Raums mithilfe einer Bildverarbeitungsmethode unter Berücksichtigung des erfassten Abstands anhand der Mehrzahl von Einzelaufnahmen modelliert wird. Die Modellierung kann beispielsweise erfolgen, indem einzelne natürliche Landmarken, die in den jeweiligen Einzelaufnahmen identifiziert wurden, miteinander in Einklang gebracht werden, um die jeweiligen Einzelaufnahmen miteinander zu kombinieren. Nach der Fertigstellung des 3D-Modells können natürlich optional die Bilddaten der Einzelaufnahmen in dieses integriert werden. Es sollte klar sein, dass die Skalierung der ersten Einzelaufnahme auch auf die anderen Einzelaufnahmen und somit auf das gesamte virtuelle 3D-Modell des Raumes übertragen werden kann.
Basierend auf der Abstandsmessung erfolgt demnach im Gegensatz zum Stand der Technik eine automatische Skalierung, wodurch das Verfahren benutzerfreundlicher gestaltet und der Zeitaufwand zur Durchführung des Verfahrens reduziert wird.
Bevorzugt werden Abstände zu mehreren Raumpunkten erfasst und einer oder mehreren Einzelaufnahmen zugeordnet. Auf diese Weise kann die Genauigkeit des virtuellen 3D-Modells des Raums wesentlich verbessert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jeweils ein Abstand zwischen dem Messsystem und drei verschiedenen Raumpunkten ermittelt, wobei die drei Raumpunkte ein Dreieck aufspannen. Unter der Annahme, dass die drei Raumpunkte auf einer gemeinsamen Fläche des Raumes liegen, kann entsprechend die Form der Fläche berechnet werden. Vorteilhaft wird ferner ein weiterer Abstand zwischen dem Messsystem und einem vierten Raumpunkt ermittelt, wobei sich der vierte Raumpunkt innerhalb des von den drei anderen Raumpunkten aufgespannten Dreiecks befindet. Dies ist zum einen dahingehend vorteilhaft, dass die Erstreckung der Fläche, auf der sich die vier Raumpunkte befinden, noch genauer erfasst werden kann. Zum anderen kann zu Be ginn der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Koordinatensystem festgelegt werden, indem die vier Raumpunkte, zu denen die Abstände ermittelt werden, derart ausgerichtet werden, dass der vierte Raumpunkt als Koordinatenursprung auf eine Ecke des Raumes ausgerichtet ist, und dass die anderen drei Raumpunkte jeweils auf eine die Ecke bildende Fläche ausgerichtet sind, beispielsweise auf zwei Wände und den Boden eines Raumes. Die Messung der Abstände zu derart gewählten vier Raumpunkten gestattet die Berechnung eines Koordinatensystems, auf dem basierend das virtuelle 3D-Modell des Raumes modelliert werden kann. Auf diese Weise kann auch das Definieren eines Koordinatensystems benutzerfreundlich und zeitsparend gestaltet werden.
Bevorzugt wird bzw. werden zudem die Position und/oder die Ausrichtung des Messsystems und/oder eine Änderung der Position und/oder Ausrichtung des Messsystems mithilfe wenigstens eines weiteren Sensors erfasst, wie beispielsweise mithilfe eines Neigungssensors und/oder eines kinematischen Sensors. Auf diese Weise kann eine ungefähre Lagebeziehung mehrerer Einzelaufnahmen relativ zueinander bestimmt werden, wodurch der Rechenaufwand verringert werden kann, der zum Kombinieren von Einzelaufnahmen erforderlich ist. Ist beispielsweise die ungefähre Änderung der Position und Ausrichtung des Messsystems zwischen zwei Einzelaufnahmen bekannt, so kann der Parameterraum für das Matchen der Landmarken entsprechend minimiert werden. Hieraus resultieren ein erheblich verringerter Rechenaufwand sowie eine Verkürzung der Berechnungsdauer.
Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das modellierte virtuelle 3D-Modell des Raumes durch zumindest eine weitere Einzelaufnahme und/oder Videoaufnahme und/oder Abstandsmessung ergänzt. Eine derartige Ergänzung kann beispielsweise erforderlich sein, wenn bestimmte Strukturelemente, wie zum Beispiel Vorsprünge oder Aussparungen einer Raumwand, anhand der erstellten Einzelaufnahmen nicht genau erfasst und berechnet werden konnten.
Hierzu werden mit Hilfe des Messsystems weitere Messdaten des zu ergänzenden Raumbereiches erfasst und die Ist-Position und die Ist-Ausrichtung des Messsystems innerhalb des virtuellen 3D-Modells zum Zeitpunkt der Erfassung der weiteren Messdaten bestimmt. Diese Bestimmung kann beispielsweise erfolgen, indem zum Zeitpunkt der Erfassung der weiteren Messdaten eine Teilaufnahme generiert wird, deren Landmarken mit denjenigen des virtuellen 3D-Modells verglichen und in Übereinstimmung gebracht werden. Anschließend können die neu erfassten Messwerte an entsprechender Position innerhalb des virtuellen 3D-Modells ergänzt werden. Auf diese Weise ist ein Ergänzen und Verfeinern des virtuellen 3D-Modells möglich.
Bevorzugt wird eine Soll-Position und/oder Soll-Ausrichtung des Messsystems zum Erfassen der zumindest einen zu ergänzenden Einzelaufnahme und/oder Videoaufnahme und/oder Abstandsmessung automatisch ermittelt und vorgegeben, wenn im Rahmen des Modellierens des virtuellen 3D-Modells festgestellt wird, dass zusätzliche Messdaten erforderlich sind. Die ermittelte Soll-Position und/oder Soll-Ausrichtung des Messsystems wird dem Benutzer dann vorteilhaft über ein Display angezeigt, beispielsweise in Form einer generierten virtuellen Teilaufnahme, so dass der Benutzer das Messsystem problemlos in der gewünschten Soll-Position und Soll-Ausrichtung anordnen kann. Besonders vorteilhaft wird der Benutzer zu der ermittelten Soll-Position und/oder Soll-Ausrichtung des Messsystems navigiert. Eine derartige Navigation kann beispielsweise im Rahmen eines Vergleiches der Ist- und Soll-Position bzw. Ausrichtung der Messsystems erfolgen, wobei der Benutzer z. B. über auf dem Display dargestellte Pfeile von der Ist-Position zur Soll-Position navigiert wird. Die Ist-Position bzw. Ist-Ausrichtung des Messsystems kann dabei beispielsweise anhand des aktuellen Sucherbildes der Kamera erfasst werden, indem Landmarken des aktuellen Sucherbildes mit denjenigen des virtuellen 3D-Modells verglichen werden, bis eine Übereinstimmung festgestellt wird. Eine Fein-Navigation kann dann beispielsweise mithilfe einer virtuellen, teiltransparenten Einzelabbildung auf dem Display erfolgen, die mit dem aktuellen Kamerabild in Deckung gebracht werden muss, was nachfolgend unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel noch näher erläutert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden den Einzelaufnahmen und/oder dem virtuellen 3D-Modell weiteren Messdaten zugeordnet, die unter Verwendung zumindest eines weiteren Sensors erfasst werden.
Bei diesen zusätzlichen Messdaten kann es sich beispielsweise um Thermografiedaten und/oder um solche Daten handeln, die mithilfe eines digitalen Röntgensensors und/oder eines Radarsensors und/oder eines UWB-Sensors und/oder eines THz-Sensors und/oder eines Wallscanners oder dergleichen aufgenommen werden. Die Zuordnung solcher weiteren Messdaten zu den Einzelaufnahmen oder zu dem virtuellen 3D-Modell ermöglicht beispielsweise die Darstellung des Feuchtigkeitszustands von Raumbereichen, von elektrischen Leitungen, die in Wänden des Raumes verlegt sind, von unterschiedlichen Materialien, die in Raumwänden verarbeitet sind, etc., wobei die Messdaten der zusätzlichen Sensoren direkt eine räumliche Zuordnung erhalten.
Die grafische Darstellung von Messergebnissen erfolgt vorteilhaft durch eine Überlagerung von halbtransparenten Abbildungen von Messergebnissen. So kann beispielsweise ein Wärmebild, das mithilfe einer Wärmebildkamera aufgenommen wurde, dem Kamerabild einer Einzelaufnahme überlagert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können Strukturelemente automatisch identifiziert und/oder klassifiziert werden. So können Identifizierungen und Klassifizierungen beispielsweise basierend auf einer Bibliothekdatenbank vorgenommen werden, in der eine Vielzahl von Strukturelementen mit ihren Merkmalen hinterlegt ist. Anhand einer Punktwolke von Landmarken, anhand von Bilddaten der Einzelaufnahmen oder in sonstiger Weise erfasste Strukturelemente können mit den in der Bibliotheksdatenbank hinterlegten Merkmalen verglichen und identifiziert bzw. klassifiziert werden. Auch können Abstandsmessdaten die Identifikation oder Klassifikation von Strukturelementen unterstützen. Wird beispielsweise zum Durchführen der Abstandsmessungen ein Laserabstandsmesser verwendet, so wird dieser beim Vermessen von Wanddurchbrüchen oder Fenstern für gewöhnlich keine oder stark von sonstigen Messungen abweichende Messergebnisse erzielen. Entsprechend können Wanddurchbrüche oder Fenster anhand der fehlenden oder stark abweichenden Messergebnisse des Abstandsmessers von Bildern oder dergleichen unterschieden werden.
Zudem werden Abmessungen von Strukturelementen, insbesondere von Türen, Fenstern, Schränken oder dergleichen, vorteilhaft automatisch in dem virtuellen 3D-Modell und/oder in den Einzelansichten angezeigt. Ferner ist es möglich, virtuelle Objekte, wie beispielsweise Möbel oder dergleichen, in das virtuelle 3D-Modell zu integrieren.
Ferner können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt virtuelle Strukturelemente in ein aktuelles Videobild eingeblendet werden. So können beispielsweise virtuelle Möbel in das Display des Messsystems, das eine aktuelle Videoaufnahme eines Raumes wiedergibt, eingeblendet werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Messsystem zur bildbasierten Vermessung eines Raumes oder eines Teilbereiches eines Raumes, das insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Das Messsystem umfasst eine Kamera, die derart ausgebildet ist, dass sie Einzelaufnahmen eines Raums erstellen kann, wenigstens eine Einrichtung zum Erfassen von Abständen zwischen dem Messsystem und Raumpunkten im Raum und eine Auswerteeinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie zumindest einer Einzelaufnahme einen erfassten Abstand zuordnen und ein virtuelles 3D-Modell des Raums basierend auf Einzelaufnahmen und zumindest einer Abstandsmessung modellieren kann.
Bei der Kamera handelt es sich bevorzugt um eine Videokamera, mit der sowohl Einzel- als auch Videoaufnahmen erstellt werden können.
Zudem weist das Messsystem vorteilhaft wenigstens einen weiteren Sensor auf, beispielsweise eine Wärmebildkamera und/oder einen digitalen Röntgensensor und/oder einen Radarsensor und/oder einen UWB-Sensor und/oder einen THz-Sensor und/oder einen Wallscanner oder dergleichen. Dabei sind die Kamera und der zumindest eine weitere Sensor vorteilhaft relativ zueinander kalibriert. Umfasst das Messsystem beispielsweise eine Wärmebildkamera, so sollte diese relativ zu der Kamera derart kalibriert sein, dass die Wärmebildkamera und die Kamera den gleichen Raumbereich erfassen.
Ferner weist die Einrichtung zum Erfassen von Abständen zwischen dem Messsystem und Raumpunkten eines Raumes bevorzugt zumindest einen, besser noch mehrere Entfernungsmesser auf, wobei es sich bei dem Entfernungsmesser vorteilhaft um einen Laserentfernungsmesser handelt.
Zudem umfasst das Messsystem bevorzugt einen Neigungssensor und/oder einen kinematischen Sensor, so dass die aktuelle Position und/oder Ausrichtung und/oder eine Änderung der Position und/oder Ausrichtung des Messsystems erfasst werden kann/können.
Ferner weist das Messsystem vorteilhaft ein Display als Ausgabeeinheit auf, über das beispielsweise das aktuelle Bild der Kamera oder dergleichen ausgegeben werden kann.
Vorteilhaft ist das Messsystem ferner derart ausgebildet, dass es handgeführt ist. Dies ermöglicht einen sehr flexiblen Einsatz des Messsystems.
Schließlich ist die Auswerteeinheit vorteilhaft derart ausgebildet, dass sie die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gestattet.
Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben. Darin ist
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Messsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Raumes zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, das mit dem in 1 dargestellten Messsystem durchgeführt werden kann;
3 eine vergrößerte Ansicht einer unteren Ecke des in 2 dargestellten Raumes;
4 eine schematische Draufsicht eines Raumes zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 eine schematische Ansicht einer Displayanzeige des in 1 dargestellten Messsystems;
6 eine weitere schematische Ansicht einer Displayanzeige des in 1 dargestellten Messsystems;
7 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Messsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Draufsicht eines Raumes zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, das mit einem erfindungsgemäßen Messsystem gemäß einer dritten Ausführungsform durchgeführt werden kann;
9 eine schematische Ansicht eines Ausschnitts eines virtuellen 3D-Modells, das basierend auf Messwerten erstellt wurde, die mit dem in 8 dargestellten Messsystem erfasst wurden; und
10 eine schematische Ansicht eines Raumes, die zur Erläuterung eines bekannten Verfahrens zur bildbasierten Vermessung eines Raumes dient.
Gleiche Bezugsziffern beziehen sich nachfolgend auf gleiche oder gleichartige Elemente.
10 zeigt eine schematische Ansicht eines Raumes 100, die zur Erläuterung eines bekannten Verfahrens zur bildbasierten Vermessung eines Raumes dient. Der Raum 100 umfasst zwei Wände 102 und 104, einen Boden 106 und eine Decke 108, wobei an den Wänden 102 und 104 Fenster 110, 112 und 114, eine Tür 116 und ein Heizkörper 118 angeordnet sind.
Zur virtuellen Darstellung eines solchen Raumes 100 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine virtuelle zusammenhängende Gesamtaufnahme des Raumes 100 basierend auf mit einer Kamera erstell ten, einander teilweise überlappenden Einzelaufnahmen 120, 122 und 124 von Teilbereichen des Raumes 100 modelliert wird, indem die Einzelaufnahmen 120, 122 und 124 miteinander kombiniert werden. Zur Kombination der Einzelaufnahmen 120, 122 und 124 wird zunächst manuell ein Koordinatensystem 126 festgelegt. Anschließend werden automatisch lokale markante Merkmalspunkte in jeder Einzelaufnahme 120, 122 und 124 definiert, die unempfindlich gegenüber perspektivische Verzerrungen sind und nachfolgend als Landmarken bezeichnet werden. Markant sind Raumpunkte, deren Eigenschaften von ihrem Hintergrund abweichen, wie vorliegend beispielsweise die Rahmen der Fenster 110, 112 und 114 sowie der Tür 116 und die Geometrie des Heizkörpers 118, wobei natürlich auch weniger hervorstechende Merkmalspunkte als Landmarken dienen können. Anschließend wird in den Einzelaufnahmen 120, 122 und 124 nach identischen Landmarken gesucht, um die Überlappungsbereiche der Einzelaufnahmen 120, 122 und 124 zu identifizieren. Anhand der miteinander übereinstimmenden Landmarken können die Einzelaufnahmen 120, 122 und 124 dann zueinander ausgerichtet und zu einer zusammenhängenden virtuellen Gesamtaufnahme des Raumes 100 zusammengefügt werden. Um Abmessungen einzelner Strukturelemente zu erhalten, wie beispielsweise die Abmessungen der Fenster 110, 112 und 114, der Tür 116, des Heizkörpers 118 oder die Dimensionen des Raumes 100, muss die virtuelle Gesamtaufnahme in einem weiteren Schritt skaliert werden. Hierzu muss lediglich eine tatsächliche Abmessung ausgemessen werden, wie beispielsweise die Höhe h des Fensters 110. Anhand dieser einen Abmessung können dann grundsätzlich alle anderen Abmessungen mithilfe eines Rechenalgorithmus berechnet werden.
Wie es eingangs bereits beschrieben wurde, besteht ein Nachteil dieses Verfahrens darin, dass sowohl das Festlegen eines Koordinatensystems 126 als auch die Skalierung mit zusätzlichen manuellen Schritten verbunden sind. Ferner ist das Verfahren nicht dazu ausgelegt, dass weitere Einzelaufnahmen problemlos nachträglich in die Gesamtaufnahme integriert werden können. Werden also Ab schattungen, wie beispielsweise Vorsprünge oder Aussparungen von Raumwänden nicht sorgfältig anhand der Einzelaufnahmen 120, 122, 124 dokumentiert, so ist die modellierte Gesamtaufnahme lückenhaft und nur schwer zu ergänzen. Schließlich ist es ohne großen Aufwand nicht möglich, Messergebnisse von anderen Messgeräten in die Gesamtaufnahme zu integrieren, wie beispielsweise einen mit einem Feuchtigkeitssensor erfassten Feuchtigkeitsgrad von Wänden, die Lage von elektrischen Leitungen oder dergleichen.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Messsystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Messsystem 10 umfasst ein Messgerät 12 mit einem Gehäuse 14, in dem eine Videokamera 16, vier Laserabstandsmesser 18a, 18b, 18c und 18d und ein kinematischer Sensor 20 aufgenommen sind. An dem Gehäuse 14 ist ferner ein Display 22 schwenkbar gehalten, auf dem beispielsweise das aktuelle Kamerabild ausgegeben wird. Ferner umfasst das Messgerät 12 eine drahtlose Schnittstelle 24, mit deren Hilfe das Messgerät 12 mit einem Laptop 26 datentechnisch kommunizieren kann. Der Laptop 26 beinhaltet eine Auswerteeinheit mit einem Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Alternativ kann die Auswerteeinheit natürlich auch in das Messgerät 12 integriert werden.
Die Videokamera 16 dient dazu, Einzelaufnahmen und/oder Videoaufnahmen eines Raumes zu erstellen. Die Laserabstandsmesser 18a, 18b, 18c und 18d erfassen Abstände zu Raumpunkten des zu vermessenden Raumes. Der kinematische Sensor 20 ist dazu ausgebildet, bei einer Änderung der Position des Messgerätes 12 eine Beschleunigung, Drehrate sowie die Ausrichtung des Messgeräts 12 zu bestimmen. Zum Halten des Messgerätes 12 umfasst dieses ferner einen Griff 28, mit dem das Messgerät 12 bequem gehandhabt werden kann.
Das Messsystem 10 dient zur Durchführung eines Verfahrens zur bildbasierten Vermessung von Räumen oder Teilbereichen von Räumen gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es nachfolgend anhand den 2 bis 6 näher erläutert wird.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Raumes 100, der, ähnlich wie es in 10 dargestellt ist, Wände 102 und 104, einen Boden 106, eine Decke 108, Fenster 110, 112 und 114, eine Tür 116 sowie einen Heizkörper 118 aufweist.
Zum Vermessen des Raumes 100 wird, wie es in 3 dargestellt wird, die eine vergrößerte Ansicht der in 2 dargestellten Raumecke 128 zeigt, in einem ersten Schritt ein Koordinatensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens festgelegt. Die Festlegung des Koordinatensystems erfolgt mithilfe der Laserabstandsmesser 18a, 18b, 18c und 18d. Diese Laserabstandsmesser 18a, 18b, 18c und 18d sind derart zueinander ausgerichtet, dass die von den Laserabstandsmessern 18a, 18b und 18c ausgesendeten Laserstrahlen in einem Dreieck angeordnete Laserpunkte 19a, 19b und 19c definieren, wenn diese auf ein Objekt fallen, wie beispielsweise auf eine Raumwand oder dergleichen. Der Laserabstandsmesser 18d ist in Bezug auf die Laserabstandsmesser 18a, 18b und 18c derart ausgerichtet, dass sein Laserpunkt 19d etwa in die Mitte des von den Laserpunkten 19a, 19b und 19c definierten Dreiecks fällt. Zum Festlegen eines Koordinatensystems werden die Laserpunkte 19a, 19b, 19c und 19d derart ausgerichtet, dass der Laserpunkt 19d des Laserabstandsmessers 18d als Koordinatenursprung genau in die Raumecke 128 fällt, während die von den Laserabstandsmesser 18a, 18b und 18c ausgesandten Laserstrahlen Laserpunkte 19a, 19b und 19c auf der Wand 102, der Wand 104 und dem Boden 106 abbilden, wie es in 3 dargestellt ist. Die Abstandsmesswerte, die mit derart ausgerichteten Laserabstandsmessern 18a, 18b, 18c und 18d erzielt werden, ermöglichen die Berechnung und Skalierung eines Koordinatensystems 30, auf dem basierend das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
In einem darauf folgenden Schritt wird, wie es in 2 dargestellt ist, nunmehr eine Einzelaufnahme 32 eines Bereiches des Raumes 100 mithilfe der Videokamera 16 erstellt, wobei die Laserabstandsmesser 18a, 18b, 18c und 18d Entfernungen zur Wand 102 messen. Anhand der gemessenen Abstände zur Wand 102 können nunmehr die metrischen 3D-Koordinaten der Raumpunkte bestimmt und innerhalb der Einzelaufnahme 32 auf der Wand 102 berechnet werden.
Anschließend werden weitere, einander überlappende Einzelaufnahmen des Raumes 100 erstellt, indem der Benutzer den Raum 100 mit dem Messgerät 12 beispielsweise kreisförmig abschreitet.
Anschließend werden automatisch lokale Landmarken in jeder Einzelaufnahme definiert, woraufhin in den Einzelaufnahmen nach identischen Landmarken gesucht wird, um die Überlappungsbereiche der Einzelaufnahmen erfassen und um die Einzelaufnahmen zueinander ausrichten und zusammenfügen zu können, wie es zuvor unter Bezugnahme auf 10 bereits beschrieben wurde. Auf diese Weise wird ein virtuelles 3D-Modell des Raumes 100 erzielt, wobei sämtliche Einzelabmessungen von Strukturelementen des Raumes 100 anhand der vorab erfolgten Skalierung berechnet werden können.
Im Gegensatz zu dem unter Bezugnahme auf 10 beschriebenen bekannten Verfahren erfolgen gemäß dem soeben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren sowohl die Festlegung des Koordinatensystems 30 als auch die Skalierung automatisch, wodurch die Handhabung des Messsystems 10 und die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich vereinfacht werden.
Wechselt der Benutzer seinen Standort von einer Position, von der aus er eine erste Einzelaufnahme eines Bereiches des Raumes 100 aufgenommen hat, zu einem zweiten Standort, von dem aus er eine weitere Einzelaufnahme eines Bereiches des Raumes 100 erstellen will, so registriert der kinematische Sensor 20, der in das Mess gerät 12 integriert ist, die Veränderung der Position und der Ausrichtung des Messgeräts 12 beim Wechsel von einem Standort zum nächsten. Anhand der von dem kinematischen Sensor 20 erfassten Messdaten kann der neue Standort des Messgerätes 12 zumindest annäherungsweise bestimmt werden, so dass eine ungefähre Lagebeziehung der beiden Einzelaufnahmen relativ zueinander berechnet werden kann. Mithilfe dieser berechneten Lagebeziehung kann der Parameterraum, in dem nach übereinstimmenden Landmarken der Einzelaufnahmen gesucht wird, erheblich eingeschränkt werden, wodurch der Rechenaufwand sowie die Zeitdauer für die Kombination der Einzelaufnahmen erheblich verringert werden kann.
4 ist eine schematische Ansicht eines Raumes 40, der mithilfe des in 1 dargestellten Messsystems 10 vermessen werden soll. Hierzu wird zunächst in der zuvor beschriebenen Weise ein Koordinatensystem 30 definiert, auf dem basierend das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden soll. Anschließend werden Einzelaufnahmen des Raumes 40 erstellt, indem der Benutzer beispielsweise den in 4 gestrichelt dargestellten Weg 41 abschreitet, woraufhin aus den kombinierten Einzelaufnahmen und den Abstandsmessungen ein virtuelles 3D-Modell des Raumes 40 erstellt wird. Bei der Berechnung des virtuellen 3D-Modells wird nun festgestellt, dass der Raumabschnitt 42 messtechnisch nicht vollständig von dem Messgerät 12 erfasst werden konnte, da die Raumecke 44 ausgehend von dem in 4 dargestellten Standort des Messsystems 10 einen Teil des Raumabschnitts 42 optisch verdeckt hat. Entsprechend wurde eine Einzelaufnahme 46 mit einer Abschattung 48 aufgenommen, die keine vollständige Vermessung des Raumabschnittes 42 zulässt. Zur Vervollständigung des virtuellen 3D-Modells wird nunmehr automatisch ein neuer Standort 50 berechnet, von dem ausgehend der Raumabschnitt 42 vollständig von dem Messgerät 12 erfasst werden kann. Zu diesem neuen Standort 50, der durch eine Soll-Position und Soll-Ausrichtung des Messsystems 10 definiert ist, wird der Benutzer über das Display 22 des Mess gerätes 12 navigiert, was nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5 und 6 genauer erläutert wird.
Zunächst wird anhand des virtuellen 3D-Modells eine virtuelle Soll-Einzelansicht erzeugt, die ausgehend von der Soll-Position und der Soll-Ausrichtung des Messgeräts 12 von der Videokamera 16 des Messgeräts 12 erfasst wird. Anschließend wird die aktuelle Ist-Position und Ist-Ausrichtung des Messgeräts 12 erfasst, indem Landmarken in dem aktuellen Videobild 49 der Videokamera 16 bestimmt werden, das auf dem Display 22 angezeigt wird, woraufhin diese Landmarken mit denjenigen des virtuellen 3D-Modells verglichen werden. Anhand übereinstimmender Landmarken kann dann die aktuelle Ist-Position und Ist-Ausrichtung des Messgeräts 12 bestimmt werden. Um den Benutzer ausgehend von der aktuellen Ist-Position und Ist-Ausrichtung des Messgeräts 12 zu dem Standort 50 zu navigieren, werden auf dem Display 22 nun entsprechende Pfeile 52 in das aktuelle Videobild 49 der Videokamera 16 eingeblendet, wie es in 5 beispielhaft dargestellt ist. Sobald die Ist-Position und Ist-Ausrichtung und die Soll-Position und Soll-Ausrichtung des Messgeräts 12 nah genug beieinander liegen, wird der Navigationsmodus dahingehend geändert, dass nunmehr die virtuelle Soll-Einzelansicht, die basierend auf dem virtuellen 3D-Modell in Bezug auf den Standort 50 berechnet wurde, als (gestrichelt dargestellte) teiltransparente Abbildung 53 auf dem Display 22 des Messgeräts 12 eingeblendet wird, wie es in 6 gezeigt ist. Nunmehr kann der Benutzer das aktuelle Videobild 49, das auf dem Display 22 angezeigt wird, mit der teiltransparenten Abbildung 53 der virtuellen Soll-Einzelansicht in Deckung bringen, woraufhin das Messgerät 12 den Standort 50 erreicht hat und die erforderlichen ergänzenden Messungen durchführt werden können. Die neuen Messwerte können dann wiederum in das virtuelle 3D-Modell integriert werden.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messsystems 60, dass sich lediglich dahingehend von dem in
1 dargestellten Messsystem 10 unterscheidet, dass zusätzlich eine Wärmebildkamera 62 in das Gehäuse 14 des Messgeräts 12 integriert ist. Die Videokamera 16 und die Wärmebildkamera 62 sind dabei derart relativ zueinander kalibriert, dass sie den gleichen Bildbereich erfassen. Mithilfe des in 7 dargestellten Messsystems 60 können demnach sowohl Foto- bzw. Videoaufnahmen als auch Wärmebildaufnahmen von Teilbereichen eines Raumes generiert werden. Die von der Wärmebildkamera 62 erstellten Einzelaufnahmen können dann in Form halbtransparenter Abbildungen oder dergleichen in die Einzelaufnahmen der Videokamera 16 und/oder in das virtuelle 3D-Modell integriert werden, so dass die von der Wärmebildkamera 62 aufgezeichneten Temperaturdaten direkt eine räumliche Zuordnung erhalten.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Messsystems 70, das in 8 dargestellt ist, ist das Messgerät 12 an seiner Rückseite mit einem Wallscanner 72 ausgerüstet, der elektrische Leitungen 74 orten kann, die beispielsweise in Raumwänden verlegt sind. Bei dieser Ausgestaltung wird das Messgerät 12, wie es in 8 veranschaulicht ist, entlang der Raumwände eines zu vermessenden Raumes 40 bewegt, wobei gleichzeitig Abstandsmessungen, Foto- bzw. Videoaufnahmen und Messungen des Wallscanners 72 durchgeführt werden. Nachdem der Raum 40 vollständig abgeschritten wurde, kann in der zuvor beschriebenen Weise ein virtuelles 3D-Modell generiert werden. Daraufhin können dann die von dem Wallscanner 72 ermittelten Messdaten in das virtuelle 3D-Modell integriert und somit räumlich zugeordnet werden. Entsprechend wird ein virtuelles 3D-Modell 73 erzielt, in dem der Verlauf der elektrischen Leitungen 74 dargestellt ist, wie es in 9 beispielhaft gezeigt ist.
Es sollte klar sein, dass die zuvor beschriebene Ausführungsformen der Erfindung nur als Beispiel dienen und in keinerlei Hinsicht einschränkend sind. Vielmehr sind Modifikationen und Ände rungen möglich, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, der durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist.
Insbesondere können zusätzlich oder alternativ zu der Wärmebildkamera 62 oder des Wallscanners 72 alternative oder zusätzliche Sensoren in das erfindungsgemäße Messsystem integriert werden.
Ferner sollte klar sein, dass die in dem Laptop integrierte Auswerteeinheit auch eine Bibliothekdatenbank zum Identifizieren und/oder Klassifizieren von Strukturelementen aufweisen kann, wie es eingangs beschrieben wurde.
Zudem können in ein virtuelles 3D-Modell, das mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens modelliert wird, nach seiner Fertigstellung auch virtuelle Strukturelemente in Form von virtuellen Möbeln oder dergleichen eingefügt werden. Diese können dann beispielsweise auch in das aktuelle Videobild der Videokamera 16, das auf dem Display 22 angezeigt wird, eingeblendet werden. So kann ein Benutzer beispielsweise einen möbellosen Raum mit dem Messgerät 12 durchschreiten, wobei diejenigen Möbel, die in dem Raum aufgestellt werden sollen, auf dem Display 22 an ihren geplanten Standpunkten zusammen mit dem aktuellen Videobild eingeblendet werden. Diese Variante ist beispielsweise sehr interessant für Architekten, die ihren Kunden eine geplante Inneneinrichtung beim Besichtigen eines Rohbaus demonstrieren wollen.

Claims

Verfahren zur bildbasierten Vermessung eines Raums oder eines Teilbereiches eines Raums, das die Schritte aufweist: – Erzeugen von mehreren Einzelaufnahmen eines Raums unter Verwendung eines eine Kamera (16) aufweisenden Messsystems (10; 60; 70); – Erfassen zumindest eines Abstandes zwischen dem Messsystem (10; 60; 70) und einem Raumpunkt des Raumes, wobei der erfasste Abstand einer Einzelaufnahme zugeordnet wird; und – Modellieren eines virtuellen 3D-Modells des Raums mithilfe einer Bildverarbeitungsmethode unter Berücksichtigung des erfassten Abstands.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Erzeugen einer Einzelaufnahme und das Erfassen eines der Einzelaufnahme zuzuordnenden Abstandes synchron erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Abstände zu mehreren Raumpunkten erfasst und einer oder mehreren Einzelaufnahmen zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem jeweils ein Abstand zwischen dem Messsystem (10; 60; 70) und drei verschiedenen Raumpunkten ermittelt wird, wobei die drei Raumpunkte ein Dreieck aufspannen.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem ein weiterer Abstand zwischen dem Messsystem (10; 60; 70) und einem vierten Raumpunkt ermittelt wird, wobei sich der vierte Raumpunkt innerhalb des von den drei anderen Raumpunkten aufgespannten Dreiecks befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Position und/oder Ausrichtung des Messsystems (10; 60; 70) und/oder eine Änderung der Position und/oder Ausrichtung des Messsystems (10; 60; 70) mithilfe wenigstens eines weiteren Sensors erfasst wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das virtuelle 3D-Modell des Raumes durch zumindest eine weitere Einzelaufnahme und/oder Videoaufnahme und/oder Abstandsmessung ergänzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine aktuelle Ausrichtung des Messsystems (10; 60; 70) innerhalb des virtuellen 3D-Modells bestimmt und eine aktuell von dem Messsystem erfasste Einzelaufnahme und/oder Videoaufnahme und/oder Abstandsmessung in dem virtuellen 3D-Modell ergänzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem eine Soll-Position und/oder Soll-Ausrichtung des Messsystems (10; 60; 70) zum Erfassen der zumindest einen zu ergänzenden Einzelaufnahme und/oder Videoaufnahme und/oder Abstandsmessung automatisch ermittelt und vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die ermittelte Soll-Position und/oder Soll-Ausrichtung des Messsystems (10; 60; 70) dem Benutzer angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Benutzer zu der ermittelten Soll-Position und/oder Soll-Ausrichtung des Messsystems (10; 60; 70) navigiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem den Einzelaufnahmen und/oder dem virtuellen 3D-Modell weitere Messdaten zugeordnet werden, die unter Verwendung zumindest eines weiteren Sensors erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem es sich bei den zusätzlichen Messdaten um Thermographiedaten und/oder um solche Daten handelt, die mithilfe eines digitalen Röntgensensors und/oder eines Radarsensors und/oder eines UWB-Sensors und/oder eines THz-Sensors und/oder eines Wallscanners (72) aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem eine graphische Darstellung von Messergebnissen durch eine Überlagerung von halbtransparenten Abbildungen von Messergebnissen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Strukturelemente automatisch identifiziert und/oder klassifiziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Abmessungen von Strukturelementen automatisch angezeigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem virtuelle Strukturelemente in ein aktuelles Videobild eingeblendet werden.
Messsystem (10; 60; 70) zur bildbasierten Vermessung eines Raumes oder eines Teilbereiches eines Raums, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messsystem (10; 60; 70) aufweist: – eine Kamera (16), die derart ausgebildet ist, dass sie Einzelaufnahmen eines Raums erstellen kann, – wenigstens eine Einrichtung zum Erfassen von Abständen zwischen dem Messsystem (10; 60; 70) und Raumpunkten im Raum, und – eine Auswerteeinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie zumindest einer Einzelaufnahme einen erfassten Abstand zuordnen und ein virtuelles 3D-Modell des Raums basierend auf den Einzelaufnahmen und zumindest einer Abstandsmessung modellieren kann.
Messsystem (10; 60; 70) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (16) eine Videokamera ist, mit der sowohl Einzel- als auch Videoaufnahmen erstellt werden können.
Messsystem (10; 60; 70) nach Anspruch 18 oder 19 dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens einen weiteren Sensor aufweist.
Messsystem (10; 60; 70) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine weitere Sensor eine Wärmebildkamera (62) und/oder ein digitaler Röntgensensor und/oder ein Radarsensor und/oder ein UWB-Sensor und/oder ein THz-Sensor und/oder ein Wallscanner (72) ist.
Messsystem (10; 60; 70) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (16) und der zumindest eine weitere Sensor relativ zueinander kalibriert sind.
Messsystem (10; 60; 70) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erfassen von Abständen zwischen dem Messsystem (10; 60; 70) und Raumpunkten eines Raumes zumindest einen Entfernungsmesser aufweist.
Messsystem (10; 60; 70) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Entfernungsmesser ein Laserentfernungsmesser (18a, 18b, 18c, 18d) ist.
Messsystem (10; 60; 70) nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Neigungssensor und/oder einen kinematischen Sensor (20) aufweist.
Messsystem (10; 60; 70) nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Display (22) aufweist.
Messsystem (10; 60; 70) nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass dieses handgeführt ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass sie die Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 gestattet.