專利名稱：用于測量空間和/或對象的測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量空間和/或對象的測量系統，包括至少一個手持的無接觸測量的間距測量設備、尤其是激光距離測量儀和至少一個分析單元。
背景技術：
對空間的三維測量尤其是對于手工藝者和建筑師是具有非常大的興趣的，以便能夠盡可能快地檢測空間的實際狀態和基于該所檢測的實際狀態來規劃有待處理的工作，例如廚房的建造、窗戶的安裝、空間的內部布置等。為了對空間執行這樣的三維測量，目前大多使用手持的無接觸測量的間距測量設備、尤其是激光距離測量儀。所述激光距離測量儀相對于常規的機械測量裝置(例如帶尺和折尺)的特征尤其在于，利用所述激光距離測量儀可以便利和快速地執行間距測量。此外， 激光距離測量儀通常包括整體的分析單元，該分析單元使得能夠對所檢測的測量數據進行繼續處理。因此，分析單元可以這樣被提供，使得所述分析單元能夠實現對單個間距測量的計算上的關聯。換句話說，可以將單個間距測量相加，以便從大量所檢測的子間距中確定總間距，可以將所述單個間距測量彼此相乘，以便計算面積或體積，可以對所述單個間距測量進行存儲，等等。此外，許多分析單元使得能夠通過所采用的直角或集成的慣性傳感器技術執行間接長度測量。不過，能夠實現這種間接長度測量的這樣的系統的缺點在于，該間接長度測量基于假設，即間距測量設備在從中間接地計算長度的測量之間不經歷平移運動。因此使用者被強制將間距測量設備固定地保持在一個位置處并且在測量點之間僅執行旋轉運動，所通過的方式是例如從手腕轉動該間距測量設備。這使得這種間接長度測量非常容易出錯。如果應借助激光距離測量儀例如檢測空間的平面圖，則通常首先手動地或借助相應的計算機程序草擬該空間的平面圖。然后借助激光距離測量儀相繼檢測空間的單個尺寸，其中所檢測的測量數據被錄入到事先創建的草稿中。一旦存在確切的測量數據，就可以手動地或自動地在使用計算機的情況下對草稿進行準確化。即使通過這種方式獲得的結果完全令人滿意，之前描述的實施方式與大的時間耗費相聯系。

發明內容
從該現有技術出發，本發明的任務是，實現一種開頭所述類型的替代測量系統，利用該測量系統例如可以快速和準確地創建空間和/或對象的平面圖或CAD模型。此外該測量系統應該能夠實現間接長度測量，在該間接的長度測量時，使用者可以在對于間接長度測量所需的單個間距測量之間不僅旋轉地而且平移地移動間距測量設備，而不因此影響測
量結果。該任務根據本發明通過根據權利要求1的測量系統和通過根據權利要求14的測量方法解決。從屬權利要求涉及本發明的各個擴展方案。用于測量空間和/或對象的根據本發明的測量系統包括至少一個手持的無接觸測量的間距測量設備、優選激光距離測量儀形式的間距測量設備、和至少一個用于繼續處理由間距測量設備所檢測的測量數據的分析單元。根據本發明，測量系統包括布置在間距測量設備處的全向攝像機、也就是能夠不僅水平地而且垂直地拍攝來自約270°至360° 的區域內的所有方向的圖像的攝像機。可替代地，還可以使用覆蓋該圖像區域的多個攝像機。該分析單元這里被設立，使得其基于由攝像機所記錄的圖像信息確定間距測量設備在間距測量時刻的位置和定向(Ausrichtimg)，生成相應的位置和定向數據以及將這些位置和定向數據分配給間距測量。換句話說，對于每個間距測量確定間距測量設備在空間中的位置和定向，從而可以生成分別由測量數據、位置數據和定向數據組成的數據組。如果將這些數據組轉換到虛擬的三維坐標系中，則得出明確的、彼此相關的向量，所述向量的起點通過位置數據定義，所述向量的方向通過定向數據定義并且所述向量的長度通過測量數據定義。相應地可以在使用相應算法的情況下無問題地計算兩個測量點之間的間距，其中測量設備在兩個單個測量之間的運動完全不重要。也可以將大量單個測量彼此關聯，使得可以在使用相應算法的情況下容易地創建空間和/或對象的CAD模型。有利地這樣提供間距測量設備，使得其能夠實施單個間距測量和/或連續的間距測量。有利地也將攝像機構造為有視頻能力的。如果以連續模式運行間距測量設備和攝像機，則可以獲得非常高的測量密度，由此相應地提高測量結果的精度。優選這樣設立分析單元，使得能夠根據在圖像信息中存在的地面標志 (Landmarke)確定間距測量設備在間距測量時刻的位置和定向。地面標志是局部顯著的特征點，所述特征點對于透視失真不敏感。其特性不同于其背景的空間點是顯著的。這些地面標志可以是自然地面標志，例如門框、窗框或類似物，也即是已經在空間中存在的顯著的空間點。但是可替代地也可以使用人工地面標志。根據本發明的一個擴展方案，測量系統為了產生這種人工地面標志包括與間距測量設備分開地設置的投影單元，該投影單元這樣被提供，使得其可以發出產生人工地面標志的電磁輻射，其中攝像機這樣被提供，使得其可以檢測該人工地面標志。因此可以借助該投影單元例如將由光點組成的圖案投向空間的天花板上，該圖案然后由攝像機檢測。但是可替代地同樣好地可能的是，在空間的墻壁處或天花板處固定對象，例如由彩色紙板剪出的幾何圖或類似物，據此可以明確識別間距測量設備的所在地。分析單元還有利地這樣被設立，使得其能夠基于由間距測量設備執行的間距測量并且基于分配給所述間距測量的位置和定向數據來創建空間和/或對象的CAD模型，其中所述創建優選自動進行。因此間距、位置和定向數據可以逐漸地被傳輸給分析單元并且在那里彼此關聯以產生CAD模型。當然也可以首先采集單個數據并且在測量結束之后傳送給分析單元用于繼續處理。此處應當指出，分析單元可以是集成到間距測量設備中的單元和/ 或專門構造的單獨的單元和/或常規的膝上型電腦、PDA ；固網計算機、移動電話或類似物。 為了數據傳輸設置相應的有線或無線接口，例如藍牙、UffB, WLAN等。分析單元有利地這樣被設立，使得其能夠基于由攝像機所拍攝的圖像信息對CAD 模型的表面進行織構化(texturieren)。因此例如可以首先僅選擇在相應測量點周圍的小的織構區域。對整個對象和/或空間的織構化于是事后通過將所測量的空間點互相結合成多邊形網(例如三角形)并且用所采集的織構片段占據所形成的空間多邊形來進行，其中所述織構片段從圖像信息中提取。通過這種方式可以例如事后將壁櫥詳細地補入CAD模型的已經粗糙建模的墻壁中。此外分析單元這樣有利地被設立，使得其能夠根據所述圖像信息和/或間距測量對用攝像機所拍攝的和/或用間距測量設備所測量的對象進行自動分類。這種對空間內的對象的分類尤其是可以以測量系統的連續測量模式得到大大簡化。因此例如可以設想用間距測量設備對確定的對象定輪廓。可通過優選設置的語音識別單元實現的附加的語音識別可以在對對象分類時提供附加的信息。因此例如可以用激光距離測量儀的連續激光標記門或窗的范圍并且同時通過語音識別記下該對象的類型。對被定輪廓的對象的精細定位于是可以同步地或在稍后時刻根據所記錄的圖像信息來執行。此外，間距測量設備包括優選至少一個慣性測量單元，該慣性測量單元簡化了跟蹤、也就是對間距測量設備的位置和定向的追蹤。間距測量設備還可以具有照明單元，該照明單元在執行測量的時刻均勻地照亮攝像機的拍攝區域。相應地可以改善用攝像機拍攝的區域的織構化。間距測量設備優選具有顯示器作為與使用者的通信接口。在這種顯示器上可以圖解地顯示在使用根據本發明的系統的情況下已經成功地測量的空間和/或對象區域。相應地，使用者可以直接看出，還需要哪些測量以使CAD模型完整。本發明還實現一種在使用之前描述的類型的測量系統的情況下測量空間和/或對象的方法。在單個測量模式中，該方法優選具有步驟在使用間距測量設備的情況下執行一系列對于測量空間和/或對象所需的單個間距測量；在使用攝像機的情況下分別在執行單個間距測量的時刻拍攝攝像機圖像；基于由攝像機所記錄的圖像信息確定間距測量設備在每個間距測量的時刻的位置和定向；生成相應的位置和定向數據；將所述位置和定向數據分配給相應的間距測量；以及基于具有所分配的位置和定位數據的單個間距測量在使用預先確定的算法的情況下生成空間和/或對象的CAD模型，其中所述CAD模型可以是二維或三維模型，也即例如是空間的平面圖或空間的三維線表示。在連續模式中，該方法優選具有步驟在使用間距測量設備的情況下執行至少一個對于測量空間和/或對象所需的連續間距測量；在使用攝像機的情況下在如下時間間隔上拍攝視頻圖像，其中在所述時間間隔期間執行連續間距測量；基于由攝像機記錄的圖像信息確定間距測量設備在連續間距測量時刻的位置和定向；生成相應的位置和定向數據； 將所述位置和定向數據分配給相應的間距測量，所述間距測量在相應的時刻被執行；以及基于具有所屬的位置和定位數據的間距測量在使用預先確定的算法的情況下生成空間和/ 或對象的CAD模型。應當清楚的是，以單個測量模式和以連續模式創建的CAD模型事后也可以通過添加具有所分配的位置和定向數據的另外的間距測量任意地被精細化和補充。間距測量設備在間距測量時刻的位置和定向優選根據在圖像信息中存在的自然地面標志和/或借助投影單元所產生的人工地面標志來確定。使用人工地面標志在如下方面是有利的所產生的人工地面標志產生對于測量系統已知的圖案(例如編碼的圓形測量標志或類似物)。相應地與使用自然地面標志不同地，不需要在每個測量之前執行短的初始化階段，在該初始化階段中探測、追蹤自然地面標志并且換算成3D坐標，所述3D坐標然后在測量階段作為自然地面標志被重新找到并且被用作關聯(Verknilpfimg-)或配合點(Passpunkte)0優選地由初始測量單元的測量結果支持地確定間距測量設備在間距測量時刻的位置和定向。還優選基于由攝像機所拍攝的圖像信息對CAD模型的表面進行織構化，如這是所希望的那樣。此外，根據所述圖像信息有利地自動地對用攝像機拍攝的對象進行分類，如之前已經描述的那樣。這種分類可以通過由使用者輸入的語音命令來支持，所述語音命令由語音識別單元自動地繼續處理。此外，在圖像信息的拍攝期間優選地借助照明單元照亮攝像機的圖像檢測區域， 以便能夠實現與環境光無關的織構化。


下面根據示例性實施方式參照附圖更詳細地解釋本發明。其中
圖1是根據本發明實施方式的測量系統的具有集成全向攝像機的間距測量設備的示意圖2是示出用在圖1中所示的全向攝像機所拍攝的攝像機圖像的示意圖； 圖3是空間的示意圖，根據該示意圖解釋測量系統的定位原理； 圖4是空間的示意圖，根據該示意圖解釋在使用該測量系統的情況下對間接長度測量的執行；
圖5是空間的示意俯視圖，根據該示意俯視圖解釋在使用該測量系統的情況下對空間的測量；
圖6是空間的示意圖，根據該示意圖解釋在使用該測量系統的情況下對空間的平面和輪廓掃描的空間表示；以及
圖7是空間的示意圖，根據該示意圖解釋在使用該測量系統的情況下的對象分類。
具體實施例方式相同的附圖標記在下面涉及相同的元素。用于測量空間和/或對象的測量系統10包括手持的無接觸測量的間距測量設備 12、布置在該間距測量設備12處的有視頻能力的攝像機14、與該間距測量設備12隔開設置的投影單元16以及膝上型電腦形式的分析單元18，該膝上型電腦可以通過未進一步示出的有線或無線接口與該間距測量設備12交換數據。間距測量設備12以激光距離測量儀的形式被設置，該激光距離測量儀可以選擇地執行單個測量或連續間距測量。還可以將該激光距離測量儀作為激光指示器使用。攝像機14是全向攝像機，該攝像機能夠不僅水平地而且垂直地拍攝來自約270° 至360°的區域內所有方向的圖像。可替代地，當然也可以使用多個攝像機，這些攝像機覆蓋該圖像區域。圖2示例性示出微長的走廊的照片，在該照片上可以看到走廊的墻壁20以及天花板22和此外門24、門牌26、圖畫觀、燈30等。攝像機14不僅可以拍攝單個照片而且可以拍攝視頻序列。在攝像機14和間距測量設備12之間在準備階段執行校準。所述校準可以被實現為工廠校準(Werkskalibrierimg)。這種校準的結果是描述激光距離測量儀相對于攝像機投影中心的確切位置和取向的參數組。投影單元16包括四個未進一步示出的、例如LED或類似物形式的光源，這些光源分別發出成束的光線。投影單元16可以利用未進一步示出的裝置被固定在空間的墻壁處。 因此投影單元16可以例如具有用于插入到在墻壁處存在的插座中的插頭，由此同時保證該投影單元16的能量供給。當然也可以利用其他裝置將投影單元16固定在墻壁處。此外投影單元16可以可替代地或附加地具有自給自足的能量源，例如以電池組、蓄電池或類似物的形式。應當清楚的是，該投影單元16替代于四個光源也可以具有其他數量的光源，例如三個或五個。攝像機14首先用于確定間距測量設備12在間距測量時刻的位置和定向，這在后面參照圖3進一步解釋。圖3示出具有墻壁34、36、38、地板40和天花板42的空間32的示意圖。為了在使用測量系統10的情況下執行測量，在空間32的墻壁34處布置投影單元 16。該投影單元16這樣被定向，使得其光源在空間32的天花板42的方向上發出在圖3中以虛線示出和用附圖標記44、46、48和50標明的光線，從而在天花板42處產生光點52、54、 56和58，這些光點形成預先確定的光點圖案。如果現在由在空間32中站立的使用者持有具有在其處布置的攝像機14的間距測量設備12，如在圖3中示意性示出的那樣，則由攝像機14所記錄的圖像信息此外包含由投影單元16向空間32的天花板42投影的光點52、54、 56和58。在使用圖像信息中所包含的光點52、54、56和58作為人工地面標志的情況下，現在可以借助保存在分析單元18中的合適的算法在計算上確定間距測量設備相對于虛擬坐標系60的位置和定向，因為由光點52、54、56和58所產生的光點圖案是已知的。如果現在對于每個用間距測量設備12執行的間距測量確定該間距測量設備12的所屬的位置和定向數據并且分配給相應的間距測量，則可以在計算上確定向量62，其中通過位置數據定義向量62的起點，通過定向數據定義向量62的方向以及通過間距測量定義向量62的長度。通過這種方式，大量測量可以在以虛擬坐標系62為基礎的情況下相互分配，從而可以在使用分析單元18的情況下基于大量單個測量或基于一個或多個連續測量在使用合適的算法的情況下自動創建空間32的CAD模型。該CAD模型可以是二維或三維模型。因此例如可以生成空間32的平面圖、空間32的三維線模型等。應當清楚的是，替代于由光點52、54、56和58產生的虛擬地面標志，也可以基于攝像機14的圖像信息使用自然地面標志來確定位置和定向數據。對此必須在每次測量空間之前執行短的初始化階段，以便探測、追蹤自然地面標志并且換算成虛擬坐標系的3D坐標。在測量階段中，基于攝像機14的圖像信息重新找到這些自然地面標志并且用作為關聯或配合點。如果在空間32內僅使用這樣的自然地面標志來檢測間距測量設備12的位置和定向，則可以相應地放棄投影單元16。下面參照圖4描述可以如何在使用之前描述的測量系統10的情況下執行間接長度測量。如果例如(如在圖4中所示的那樣)在使用間距測量設備12的情況下在確定間距測量設備12在每個測量的時刻的所屬的位置和定向數據的情況下執行到墻壁38處的三個測量點64、66和68的間距，則獲得相對于虛擬坐標系62的三個向量70、72和74。因為向量70、72和74的端點和從而測量點64、66和68的位置是已知的，所以確定相應測量點64、 66和68之間的長度Ip I2和I3在計算上沒有問題。在該間接長度測量方法中尤其有利的是，間距測量設備12在單個間距測量之間以什么形式運動是完全不重要的。與已知的間接長度測量方法不同，平移運動可以相應地不影響測量結果。為了測量整個空間，如在圖5中示意性示出的那樣，使用者與間距測量設備12和保持在其處的攝像機14 一起運動穿過空間76，其中該使用者利用該間距測量設備12或者執行大量單個間距測量或者執行一個或多個連續間距測量，如在圖6中示例性地根據水平的連續測量線78和垂直的連續測量線80示出的那樣。然后基于如此所記錄的測量、位置和定向數據可以自動創建空間76的CAD模型，如之前已經描述的那樣。在連續間距測量模式中，除了空間的3D測量之外，空間內對象的分類也可以被大大簡化，如示意性地在圖7中示出的那樣。因此例如可設想對確定的對象(當前為門82)定輪廓(Umreifien)。可以在分類時附加地使用附加的語音識別。因此例如可以用間距測量設備12的連續激光來標記門82的范圍并且同時記下語音識別的對象的類型，例如對門82定輪廓，如根據測量線84示出的那樣，以及使用者的宣布“門”。然后例如可以在稍后時刻根據用攝像機14記錄的圖像信息對被定輪廓的對象執行精細定位。另外，分析單元18這樣被提供，使得其除了對象分類以外還允許織構化。墻壁的粗糙織構化例如可以通過首先基于對三個墻壁點的間距測量虛擬地撐開墻壁來進行。然后可以用攝像機14同步地拍攝相應的織構并且在稍后時刻通過投影補入CAD模型中。通過以連續間距測量模式使用間距測量設備12，可以以任意詳細度來掃描復雜的結構。可以再次從同步的攝像機圖像中提取相應的織構。在此首先只選擇相應測量點周圍的小的織構區域。對整個對象的織構化事后通過將所測量的空間點互相結合成多邊形網(例如三角形)并且用所采集的織構片段占據所形成的多邊形來進行。通過這種方式可以在CAD模型中例如事后將壁櫥詳細地補入已經粗糙建模的墻壁中。應當清楚的是，根據本發明的測量系統10的之前描述的實施方式絕不受到限制。 更確切地說，修改和更改是可能的，而不會脫離本發明的通過所附權利要求定義的保護范圍。
權利要求
1.一種用于測量空間(32)和/或對象的測量系統(10)，包括至少一個手持的無接觸測量的間距測量設備(12)和至少一個分析單元(18)，其特征在于，所述測量系統(10)具有布置在間距測量設備(12)處的全向攝像機(14)，和所述分析單元(18)被設立，使得其基于由攝像機(14)所記錄的圖像信息確定間距測量設備(12)在間距測量時刻的位置和定向， 生成相應的位置和定向數據以及將所述位置和定向數據分配給間距測量。
2.根據權利要求1所述的測量系統(10)，其特征在于，所述間距測量設備(12)是激光距離測量儀。
3.根據前述權利要求之一所述的測量系統(10)，其特征在于，所述間距測量設備 (12)被提供，使得其能夠實施單個間距測量和/或連續間距測量。
4.根據前述權利要求之一所述的測量系統(10)，其特征在于，所述攝像機(14)是有視頻能力的。
5.根據前述權利要求之一所述的測量系統(10)，其特征在于，所述分析單元(18)被設立，使得根據在所述圖像信息中存在的地面標志能夠確定間距測量設備(12)在間距測量時刻的位置和定向。
6.根據前述權利要求之一所述的測量系統(10)，其特征在于，所述測量系統具有與所述間距測量設備(12)分開設置的投影單元(16)，所述投影單元(16)被提供，使得其能夠發出產生人工地面標志的電磁輻射，其中所述攝像機(14)被提供，使得其能夠檢測所述人工地面標志。
7.根據前述權利要求之一所述的測量系統(10)，其特征在于，所述分析單元(12)被設立，使得其能夠基于由間距測量設備(12)執行的間距測量和基于分配給所述間距測量的位置和定向數據來創建空間(32)和/或對象的CAD模型。
8.根據權利要求7所述的測量系統(10)，其特征在于，所述分析單元(18)被設立，使得其能夠基于由攝像機(14)所拍攝的圖像信息對CAD模型的表面進行織構化。
9.根據前述權利要求之一所述的測量系統(10)，其特征在于，所述分析單元(18)被設立，使得其能夠根據所述圖像信息和/或間距測量對用攝像機(14)所拍攝的和/或用間距測量設備(12)所測量的對象進行自動分類。
10.根據前述權利要求之一所述的測量系統(10)，其特征在于，所述測量系統具有語音識別單元。
11.根據前述權利要求之一所述的測量系統(10)，其特征在于，所述間距測量設備 (12)具有至少一個慣性測量單元。
12.根據前述權利要求之一所述的測量系統(10)，其特征在于，在間距測量設備(12) 處布置照明單元。
13.根據前述權利要求之一所述的測量系統(10)，其特征在于，在間距測量設備(12) 處布置顯示器。
14.一種用于在使用根據前述權利要求之一所述的測量系統(10)的情況下測量空間 (32)和/或對象的方法。
15.根據權利要求14所述的方法，該方法具有步驟-在使用間距測量設備(12)的情況下執行一系列對于測量空間(32)和/或對象所需的單個間距測量；-在使用攝像機(14)的情況下分別在執行單個間距測量的時刻拍攝攝像機圖像；-基于由攝像機(14)所記錄的圖像信息確定間距測量設備(12)在每個間距測量的時刻的位置和定向；-生成相應的位置和定向數據；-將所述位置和定向數據分配給相應的間距測量；以及-基于具有所分配的位置和定位數據的單個間距測量在使用預先確定的算法的情況下生成空間(32)和/或對象的CAD模型。
16.根據權利要求15所述的方法，該方法具有步驟-在使用間距測量設備(12)的情況下執行至少一個對于測量空間(32)和/或對象所需的連續間距測量；-在使用攝像機(14)的情況下在如下時間間隔上拍攝視頻圖像在所述時間間隔期間執行連續間距測量；-基于由攝像機(14)所記錄的圖像信息確定間距測量設備(12)在連續間距測量的時刻的位置和定向；-生成相應的位置和定向數據；-將所述位置和定向數據分配給相應的間距測量，所述間距測量在相應的時刻被執行；以及-基于具有所分配的位置和定位數據的間距測量在使用預先確定的算法的情況下生成空間(32)和/或對象的CAD模型。
17.根據權利要求15或16之一所述的方法，其中根據在所述圖像信息中存在的自然地面標志和/或借助投影單元(16)產生的人工地面標志來確定間距測量設備(12)在間距測量時刻的位置和定向。
18.根據權利要求15至17之一所述的方法，其中由慣性測量單元的測量結果支持地確定間距測量設備(12)在間距測量時刻的位置和定向。
19.根據權利要求15至18之一所述的方法，其中基于由攝像機(14)所拍攝的圖像信息對CAD模型的表面進行織構化。
20.根據權利要求15至19之一所述的方法，其中根據所述圖像信息對用攝像機(14) 拍攝的對象進行自動分類。
21.根據權利要求15至20之一所述的方法，其中語音命令由使用者輸入并且由所述語音識別單元自動地繼續處理。
22.根據權利要求15至21之一所述的方法，其中在拍攝圖像信息期間借助照明單元照亮攝像機(14)的圖像檢測區域。
全文摘要
本發明涉及用于測量空間(32)和/或對象的測量系統(10)，包括至少一個手持的無接觸測量的間距測量設備(12)和至少一個分析單元(18)，其中該測量系統(10)具有布置在間距測量設備(12)處的全向攝像機(14)，和該分析單元(18)被設立，使得其基于由攝像機(14)所記錄的圖像信息確定間距測量設備(12)在間距測量時刻的位置和定向，生成相應的位置和定向數據以及將所述位置和定向數據分配給間距測量。
文檔編號G01C11/00GK102246002SQ200980149430
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月8日 優先權日2008年12月10日
發明者菲茨 A., 羅蘭 M., 雅基施 S. 申請人:羅伯特·博世有限公司