Title:
Abtastvorrichtung zum Abtasten vom Grund von Gewässern und Verfahren zum Erzeugen von Unterwasserkarten
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zum Abtasten vom Grund von Gewässern zur automatischen Erzeugung von Unterwasserkarten. Die Abtastvorrichtung umfasst einen Tauchkörper, eine im Tauchkörper angeordnete Kamera zum Erzeugen von den Grund beschreibenden Bilddaten, eine Referenziereinrichtung, die Referenzierinformationen erzeugt, welche den Bilddaten zugeordnet werden, so dass die Position des in den jeweiligen Bilddaten dargestellten Ausschnittes des Grundes definiert ist.




Inventors:
Nemetz, Thomas, Dr. (Salzburg, AT)
Application Number:
DE102016111238A
Publication Date:
12/21/2017
Filing Date:
06/20/2016
Assignee:
Ocean Maps GmbH (Salzburg, AT)
Domestic Patent References:
DE102016106214A1N/A2017-10-05
DE102011116613A1N/A2013-04-25



Foreign References:
65906402003-07-08
200803008212008-12-04
201503011802015-10-22
WO2012129612A12012-10-04
WO2013192353A12013-12-27
54327121995-07-11
Other References:
KUNZ: Map Building Fusing Acoustic and Visual Information using Autonomous underwater Vehicles. In: Journal of Field Robotics, 2013, 30(5), S. 763–783
MASSOT-CAMPOS: Optical Sensors and Methods for Underwater 3D Reconstruction. In: Sensors, 2015, 15, S. 31525-31557
SEDLAZECK: 3D Reconstruction Based on Underwater Video from ROV Kiel 6000 Considering Underwater Imaging Conditions. In: OCEANS 2009 - EUROPE, 2009, S. 1-10.
Attorney, Agent or Firm:
PATRONUS IP Patent- & Rechtsanwälte Bernhard Ganahl, Jan Robert Naefe GbR, 81673, München, DE
Claims:
1. Abtastvorrichtung zum Abtasten vom Grund von Gewässern zur automatischen Erzeugung von Unterwasserkarten umfassend
– einen Tauchkörper,
– eine im Tauchkörper angeordnete Kamera zum Erzeugen von den Grund beschreibenden Bilddaten,
– eine Referenziereinrichtung, die Referenzierinformationen erzeugt, welche den Bilddaten zugeordnet werden, so dass die Position des in den jeweiligen Bilddaten dargestellten Ausschnittes des Grundes definiert ist.

2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenziereinrichtung eine Positionslogeinrichtung aufweist, mit welcher die Position und Blickrichtung der Kamera erfasst und den jeweiligen Bilddaten zuordbar abgespeichert wird.

3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenziereinrichtung eine Positionslogeinrichtung aufweist, mit welcher die Position der Kamera und/oder der Abtastvorrichtung im dreidimensionalen Raum erfasst wird.

4. Antastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionslogeinrichtung zum Erfassen der Größe des Sichtfeldes der Kamera ausgebildet ist.

5. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionslogeinrichtung einen am Tauchkörper angeordneten Drucksensor aufweist, um anhand des mit dem Drucksensor gemessenen Druckes die aktuelle Tiefe des Tauchkörpers unter der Wasseroberfläche zu bestimmen und diese als eine Komponente der Referenzinformationen zu berücksichtigen.

6. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionslogeinrichtung einen Schwimmkörper, wie z.B. eine Boje oder ein Boot, welcher an der Wasseroberfläche des Gewässers schwimmen kann und mit einer Funknavigationseinrichtung, wie z.B. einer Satellitennavigationseinrichtung oder einer Mobilfunknavigationseinrichtung, versehen ist, um die Position des Schwimmkörpers zu erfassen, und eine Relativpositionseinrichtung zum Erfassen der Relativposition zwischen dem Schwimmkörper und dem Tauchkörper aufweist.

7. Abtastvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Relativpositionseinrichtung eine oder mehrere der folgenden Einrichtungen umfasst:
– eine Schleppleine mit welcher der Tauchkörper am Schwimmkörper befestigt ist, wobei die Länge der Schleppleine den Abstand des Tauchkörpers vom Schwimmkörper bestimmt;
– eine Stange mit welcher der Tauchkörper am Schwimmkörper befestigt ist, wobei die Länge der Stange den Abstand des Tauchkörpers vom Schwimmkörper bestimmt,
– ein Sonar am Schwimmkörper zum Detektieren des Tauchkörpers,
– eine Positionsbestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Position des Tauchkörpers durch Austausch von Schallsignalen zwischen der Positionsbestimmungseinrichtung und dem Tauchkörper, wobei die Laufzeit der Schallsignale gemessen wird.

8. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauchkörper einen oder mehrere Inertialsensoren zum Detektieren seiner Position unter Wasser aufweist.

9. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauchkörper eine Uhr aufweist, um einen Zeitstempel zu erzeugen, der vorbestimmten Aktionen, wie z.B. dem Erfassen von Bilddaten zugeordnet werden kann.

10. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera eine Einzelbildkamera oder eine Filmkamera ist.

11. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera zum Detektieren von sichtbaren Licht, UV-Strahlung und/oder IR-Strahlung ausgebildet ist.

12. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastvorrichtung eine auf die Kamera abgestimmte Lichtquelle aufweist.

13. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauchkörper lenkbar ausgebildet ist.

14. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauchkörper als U-Boot ausgebildet ist.

15. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastvorrichtung sowohl eine 2D-Kamera als die Kamera zum Erzeugen von den Grund beschreibenden zweidimensionalen Bilddaten, als auch eine 3D-Abtasteinrichtung zum Erzeugen von dreidimensionalen den Grund beschreibenden Informationen aufweist.

16. Abtastvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die 2D-Kamera und die 3D-Abtasteinrichtung jeweils in einem Tauchkörper und vorzugsweise im selben Tauchkörper angeordnet sind.

17. Abtastvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei 3D-Abtasteinrichtungen derart vorgesehen sind, dass der Grund aus unterschiedlichen Richtungen abgetastet werden kann.

18. Verfahren zum Erzeugen von Unterwasserkarten, wobei folgende Schritte ausgeführt werden,
– Bereitstellen von zweidimensionalen Bilddaten des Grundes eines Gewässers zusammen mit Referenzinformationen,
– Bereitstellen einer dreidimensionalen Höhenkarte eines vorbestimmten Bereichs eines Grundes eines Gewässers, und
– Abbilden der zweidimensionalen Bilddaten als Textur auf die dreidimensionale Höhenkarte mittels der Referenzinformationen, wobei zum Bereitstellen der zweidimensionalen Bilddaten eine Abtastvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 verwendet wird, mit welcher die zweidimensionalen Bilddaten erzeugt werden.

19. Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Abbilden der zweidimensionalen Bilddaten als Textur auf die dreidimensionale Höhenkarte mittels der Referenzinformationen die zweidimensionalen Bilddaten in einen Textur-Raum transformiert werden,
die Zuordnung der Punkte im Textur-Raum zu den jeweiligen Punkten in der Höhenkarte mittels der Referenzinformationen bestimmt wird, und
Farbwerte von Punkten des Textur-Raumes auf die zugeordneten Punkte in der Höhenkarte abgebildet werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Farbwerte unterschiedlicher zweidimensionaler Bilddaten einem Punkt in der Höhenkarte zugeordnet werden, wobei die mehreren Farbwerte interpoliert oder gemittelt werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen einer dreidimensionalen Höhenkarte ein Grund eines Gewässers aus zwei unterschiedlichen Richtungen abgetastet wird, und die hierdurch gewonnen Informationen zum Erzeugen der dreidimensionalen Höhenkarte zusammengesetzt werden.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei unterschiedlichen Richtungen einen Winkel von zumindest 30° und vorzugsweise von zumindest 60° einschließen und insbesondere etwa orthogonal zueinander sind und/oder in horizontaler und in vertikaler Richtung zueinander ausgerichtet sind.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtasten aus zwei unterschiedlichen Richtungen mittels eines Verfahrens zum Erzeugen dreidimensionaler Informationen, wie z.B. einer Sonar-Abtastung, einer Abtastung mittels einer Stereokamera oder Laufzeitkamera, ausgeführt wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhenkarte erzeugt wird, bei der die einzelnen Punkte einen maximalen Abstand von 20 cm aufweisen.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhenkarte erzeugt wird, bei der die einzelnen Punkte eine Präzision von zumindest 20 cm aufweisen.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzinformationen die Blickrichtung mit welcher die zweidimensionalen Bilddaten erfasst worden sind, enthalten, und beim Abbilden der zweidimensionalen Bilddaten als Textur auf die dreidimensionale Höhenkarte werden die zweidimensionalen Bilddaten umgekehrt proportional zur Abweichung der Blickrichtung von der Normalen des Bereichs der dreidimensionalen Höhenkarte gewichtet, auf welchen die zweidimensionalen Bilddaten abgebildet werden.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zum Abtasten vom Grund von Gewässern zur automatischen Erzeugung von Unterwasserkarten und ein Verfahren zum Erzeugen von Unterwasserkarten. Von den meisten Gewässern existieren keine Unterwasserkarten, die eine Planung von Tauchvorgängen erlauben. Solche Karten sollten eine Auflösung von zumindest einem Meter und vorzugsweise eine höhere Auflösung besitzen. Diese Karten wären auch für die Wasserwirtschaft von Nutzen.

Für kleine Gebiete um Kalifornien sind solche Unterwasserkarten verfügbar, welche vom Sea Floor Mapping Lab (SFML) hergestellt worden sind.

Für andere Gebiete gibt es zwar eine Vielzahl von Unterwasserkarten, die aber aufgrund ihrer geringen Auflösung weder für für die Planung von Tauchvorgängen noch für die Wasserwirtschart von Nutzen sind.

Der Grund, weshalb Unterwasserkarten mit der gewünschten Auflösung in nur sehr geringem Umfang verfügbar sind, liegt darin, dass die Erzeugung derartiger Unterwasserkarten sehr aufwändig ist. Daten aus unterschiedlichen Datenquellen müssen zusammengefügt werden. Die Daten müssen ein Höhenprofil umfassen, das den Grund des Gewässers mit der notwendigen Auflösung korrekt beschreibt. Weiterhin sollten Texturinformationen vorhanden sein, die mit dem Höhenprofil verknüpft werden können.

Von über Wasser liegenden Landschaften liegen solche Daten in unterschiedlicher Form vor, die vor allem kostengünstig und in großer Menge aus Satellitenbildern extrahiert werden können. Zudem ist es heutzutage einfach möglich, von über Wasser liegenden Punkten den jeweiligen Ort exakt mit einem Satellitennavigationssystem, insbesondere dem GPS-System zu bestimmen, so dass die einzelnen Daten durch ihren Ort referenziert werden können und somit einfach und zuverlässig verknüpft werden können.

Ein unter Wasser liegender Grund ist nicht optisch mittels eines Satelliten abtastbar. Weiterhin funktionieren Satellitennavigationssysteme nicht unter Wasser, da hier kein Empfang der Satellitensignale möglich ist.

Von der Firma DeepVision AB, Schweden, ist ein Depth-Logger bekannt, mit welchem mittels eines an einem Boot angeordneten Sonar Tiefenkoordinaten vom Grund eines Gewässers zusammen mit entsprechenden Satellitenpositionsdaten (GPS-Daten) aufgezeichnet werden können. Weiterhin bietet DeepVision AB Side Scan Sonars an, bei welchen ein Sonar-Sensor in einem Tauchkörper angeordnet ist, der mit einer Schleppleitung mit einem über Wasser befindlichen Computer verbunden ist, um seitlich vom Tauchkörper angeordnete Gegenstände mittels Sonarwellen abzutasten.

Aus „Introduction to Photogrammetry“, T. Schenk, Department of Civil and Environmental Engineering and Geodetic Science, The Ohio State University, Autumn Quarter 2005 (GS 400.2) geht ein allgemeiner Überblick über die Photogrammetrie, ihre Theorie und ihre grundlegenden Funktionsprinzipien hervor. Mit der Photogrammetrie werden Informationen von Oberflächen erfasst, ohne dass die entsprechenden Objekte physikalisch kontaktiert werden.

Aus der US 5,432,712 geht ein Stereobildgebungsverfahren hervor, bei welchem Bilder, die mit unterschiedlichen Kameramodulen einer Stereokamera aufgenommen worden sind, bezüglich vorbestimmter Merkmale (hier: Kanten) verglichen und einander zugeordnet werden.

Weiterhin sind Verfahren zur geometrischen Modellierung (CAGD: Computer-Aided-Geometric-Design) bekannt, mit welchen die Form geometrischer Objekte beschrieben werden kann. Geometrische Objekte können beispielsweise mit Freiformkurven und – Flächen, wie zum Beispiel Hermite-Kurven, Bézierkurven, Splinekurven oder NURBS dargestellt werden. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren in der Computergrafik, welche vor allem oder ausschließlich mit Polygonnetzen arbeiten. Die Oberfläche eines Objektes wird hierbei durch Polygone dargestellt, welche oftmals Dreiecke sind. Verfahren zur Polygonisierung gehen beispielsweise aus Marching Cubes: A high resolution 3D surface construction algorithm W. E. Lorensen et al, Computer Graphics, Ausgabe 21, Nr. 4, July 1987, Seite 163–169 oder aus Two Algorithms for constructing a delauny triangulation, D. T. Lee et al, International Journal of Computer and Information Science, Ausgabe 9, Nr. 3, 1980, Seite 219–242 oder aus „Surface reconstruction from unorganized points“ from H. Hoppe, a dissertation, University of Washington, 1994, hervor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtastvorrichtung zum Abtasten vom Grund von Gewässern zur automatischen Erzeugung von Unterwasserkarten und ein Verfahren zum Erzeugen von Unterwasserkarten zu schaffen, mit welchen automatisch visualisierbare Unterwasserkarten in hoher Auflösung erzeugbar sind.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Die Erfindung gemäß der Abtastvorrichtung zum Abtasten vom Grund von Gewässern zur automatischen Erzeugung von Unterwasserkarten umfasst

  • – einen Tauchkörper,
  • – eine im Tauchkörper angeordnete Kamera zum Erzeugen von den Grund beschreibenden Bilddaten,
  • – eine Referenziereinrichtung, die Referenzierinformationen erzeugt, welche den Bilddaten zugeordnet werden, so dass die Position des in den jeweiligen Bilddaten dargestellten Ausschnittes des Grundes definiert ist.

Die Anordnung der Kamera in einem Tauchkörper erlaubt es, die Kamera nahe am Grund des Gewässers zu positionieren, so dass die Kamera mit geringem Abstand Bilddaten des Grundes erfassen kann. Hierdurch werden Bilddaten mit hoher Qualität erhalten, welche es erlauben, eine Unterwasserkarte mit hoher Auflösung zu erzeugen. Die Bilddaten können als Textur in eine dreidimensionale Höhenkarte eingefügt werden, so dass hierdurch eine visualisierbare Unterwasserkarte erzeugt wird.

Der Begriff der „Textur“ wird im Sinne der Computergrafik als Überzug für dreidimensionale Modelle verwendet, um deren Detailgrad zu erhöhen, ohne dabei jedoch den Datailgrad der Geometrie zu erhöhen. Eine Textur bezeichnet somit ein Bild, das auf der Oberfläche des dreidimensionalen Modells dargestellt wird. Ein Bildpunkt bzw. Pixel der Textur wird als „Texel“ bezeichnet.

Durch das Vorsehen der Referenziereinrichtung werden den Bilddaten Referenzinformationen zugeordnet, die die Position des in den jeweiligen Bilddaten dargestellten Ausschnittes des Grundes definieren. In der Regel sind diese Referenzinformationen die Position des Tauchkörpers bzw. der Kamera zum Zeitpunkt, an dem das jeweilige Bild erfasst worden ist, und die Blickrichtung der Kamera. Anhand dieser Referenzinformationen kann in Kombination mit einer dreidimensionalen Höhenkarte der Ausschnitt des Grundes bestimmt werden, der durch die Bilddaten beschrieben wird. Die Referenzierinformationen umfassen vorzugsweise auch noch die Größe des Sichtfeldes der Kamera, welches z.B. in Winkelbereichen angegeben ist. Bei einer Kamera mit Zoom-Objektiv kann das Sichtfeld verändert werden, so dass hier die Referenziereinrichtung auch das jeweilige Sichtfeld erfasst und den Bilddaten zuordnet. Bei Kameras mit nicht zoombaren Objektiven ist das Sichtfeld konstant und muss nicht jeweils von der Referenziereinrichtung individuell erfasst werden.

Die Referenziereinrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, um die Position der Kamera und/oder der Abtastvorrichtung im dreidimensionalen Raum zu erfassen. Diese Position kann bspw. mit kartesischen Koordinaten (X, Y, Z) oder auch mit Koordinaten aus einem anderen Koordinatensystem erfolgen.

Die Referenziereinrichtung kann eine Positions-Log-Einrichtung aufweisen, mit welcher die Position und die Blickrichtung der Kamera erfasst und den jeweiligen Bilddaten zuordbar abgespeichert wird. Die Position und die Blickrichtung der Kamera können im Tauchkörper zusammen mit den entsprechenden Bilddaten auf eine im Tauchkörper angeordnete Speichereinrichtung gespeichert werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die die Position und Blickrichtung der Kamera umfassenden Referenzierinformationen in einer außerhalb des Tauchkörpers befindlichen Steuereinrichtung abgespeichert werden. Dies ist vor allem dann zweckmäßig, wenn die Referenziereinrichtung oder ein Teil der Referenziereinrichtung sich außerhalb des Tauchkörpers befindet und/oder eine Datenverbindung zwischen dem Tauchkörper und der außerhalb des Tauchkörpers befindlichen Steuereinrichtung vorliegt, um bspw. über eine längere Zeitdauer eine große Datenmenge an Bilddaten zu erfassen und in einer Speichereinrichtung mit großer Speicherkapazität außerhalb des Tauchkörpers abzuspeichern.

Vorzugsweise weist die Positions-Log-Einrichtung einen am Tauchkörper angeordneten Drucksensor auf, um anhand des mit dem Drucksensor gemessenen Druckes die aktuelle Tiefe des Tauchkörpers unter der Wasseroberfläche zu bestimmen und diese als eine Komponente der Referenzinformation zu berücksichtigen. Mit einem solchen Drucksensor kann die Tiefe des Tauchkörpers im Wasser sehr genau bestimmt werden. Hierdurch wird eine Koordinate in vertikaler Richtung (Z-Richtung) des Tauchkörpers eindeutig festgelegt.

Die Positions-Log-Einrichtung kann zumindest einen Schwimmkörper, wie zum Beispiel eine Boje oder ein Boot, aufweisen, welcher an der Wasseroberfläche des Gewässers schwimmen kann. Der Schwimmkörper ist mit einer Funknavigationseinrichtung, wie zum Beispiel einer Satellitennavigationseinrichtung oder einer Mobilfunknavigationseinrichtung, versehen, um die Position des Schwimmkörpers zu erfassen, und weist eine Relativpositionseinrichtung zum Erfassen der Relativposition zwischen dem Schwimmkörper und dem Tauchkörper auf.

Die Relativpositionseinrichtung kann eine oder mehrere der folgenden Einrichtungen umfassen:

  • – eine Schleppleine mit welcher der Tauchkörper am Schwimmkörper befestigt ist, wobei die Länge der Schleppleine den Abstand des Tauchkörpers vom Schwimmkörper bestimmt;
  • – eine Stange mit welcher der Tauchkörper am Schwimmkörper befestigt ist, wobei die Länge der Stange den Abstand des Tauchkörpers vom Schwimmkörper bestimmt,
  • – ein Sonar am Schwimmkörper zum Detektieren des Tauchkörpers,
  • – eine Positionsbestimmungseinrichtung zum Austauschen von Schallsignalen zwischen der Positionsbestimmungseinrichtung und dem Tauchkörper, wobei die Laufzeit der Schallsignale gemessen wird.

Eine Schleppleine besitzt den Vorteil, dass sie sehr einfach und kostengünstig ist und zugleich zum Ziehen bzw. Positionieren des Tauchkörpers im Wasser dient. Wird der Tauchkörper mittels der Schleppleine von einem Boot gezogen, dann stellt sich bei einer bestimmten Wassergeschwindigkeit des Bootes je nach hydrodynamischer Ausbildung der Schleppleine und des Tauchkörpers eine bestimmte Relativposition des Tauchkörpers bezüglich des Bootes ein. Diese Relativpositionen werden einmal für unterschiedliche Wassergeschwindigkeiten des Bootes empirisch erfasst und gespeichert und erlauben so einfach und kostengünstig die Bestimmung der relativen Position des Tauchkörpers bezüglich des Schwimmkörpers im späteren Betrieb. Bestehen jedoch Unterwasserströmungen oder ändert das Boot seine Richtung und/oder seine Geschwindigkeit, dann kann die tatsächliche Relativposition erheblich von der berechneten abweichen. Weiterhin ist die Bestimmung der Relativposition anhand der Schleppleine schwierig, wenn der Tauchkörper lenkbar ausgebildet ist, so dass er in unterschiedliche Tiefen gelenkt werden kann. Grundsätzlich ist es auch möglich, empirische Daten für die Relativposition des Tauchkörpers zum Schwimmkörper in Abhängigkeit von der jeweiligen Tiefe des Tauchkörpers zu erstellen. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass je länger die Schleppleine ist, desto ungenauer ist die erfasste relative Position.

Mit einer Stange ist die Relativposition des Tauchkörpers sehr exakt zum Schwimmkörper festgelegt. Dies ist insbesondere für die Abtastung von Gewässern im Bereich bis zu einer Tiefe von ca. 10 m interessant. Dieser Bereich ist vor allem für die Schifffahrt von Bedeutung. Die Stangenlänge ist vorzugsweise so lang, dass der Tauchkörper sich ca. 5–7 m unter der Wasseroberfläche befindet. Der Schwimmköper ist typischerweise ein Boot. Bei allen Sensoren, die am Schwimmkörper bzw. Boot angeordnet sind, werden die Messwerte mit Hilfe der Orientierung des Schwimmkörpers korrigiert. Die Orientierung des Schwimmkörpers kann mit entsprechenden Sensoren (Sensoren zur Detektion der Neigung, des Stampfens und des Rollens) erfasst werden. Am Schwimmkörper können Messgeräte, insbesondere eine 2D-Kamera und eine 3D-Abtasteinrichtung, selbst auch so angeordnet bzw. aufgehängt werden, dass sie neigungsstabil sind.

Mit einem Sonar, das im Schwimmkörper vorgesehen ist, kann der Ort des Tauchkörpers erfasst werden. Insbesondere kann die Richtung, in welcher sich der Tauchkörper bezüglich des Schwimmkörpers befindet, sehr präzise detektiert werden. Die Detektion des Schwimmkörpers mittels des Sonars funktioniert gut, wenn der Tauchkörper eine gewisse Mindestgröße besitzt und nicht so weit entfernt vom Schwimmkörper angeordnet ist. Vorzugsweise wird mittels des Sonars lediglich die relative Richtung des Tauchkörpers bezüglich des Schwimmkörpers detektiert und der Abstand durch eine Schleppleine bestimmt.

Eine mit dem Austausch von Schallsignalen arbeitende Positionsbestimmungseinrichtung ist in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 106 214.6 beschrieben. Zwischen dem Schwimmkörper und dem Tauchkörper wird ein Schallsignal ausgetauscht, in dem zumindest der Zeitpunkt der Schallerzeugung codiert ist. Das Schallsignal wird vom Empfänger decodiert, wobei der Empfänger auch eine Uhr zum Erfassen des Zeitpunktes des Empfangs des Schallsignals aufweist. Aus dem Zeitpunkt der Erzeugung und dem Zeitpunkt des Empfangs des Schallsignals wird die Laufzeit des Schallsignals bestimmt. Die Laufzeit des Schallsignals entspricht dem Abstand des Tauchkörpers vom Schwimmkörper. Dieser Abstand kann mit einer Positionsbestimmung des Schwimmkörpers mittels eines Navigationssystems kombiniert werden. Vorzugsweise werden mehrere Abstandsmessungen des Tauchkörpers zu unterschiedlichen Schwimmkörpern, insbesondere zu zwei oder drei Schwimmkörpern, im Wesentlichen zeitgleich ausgeführt und miteinander kombiniert.

Die Positions-Log-Einrichtung kann auch unabhängig von einem an der Wasseroberfläche schwimmenden Schwimmkörper ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Positions-Log-Einrichtung einen oder mehrere Inertialsensoren zum Detektieren der Position des Tauchkörpers unter Wasser aufweisen. Mit solchen Inertialsensoren wird die Beschleunigung des Schwimmkörpers erfasst. Aus dem Integral der Beschleunigung wird die Position bestimmt. Vor dem Eintauchen des Tauchkörpers in das Wasser wird dieser vorzugsweise mittels einer Navigationseinrichtung kalibriert, d.h., der aktuelle Ort des Tauchkörpers bestimmt, so dass mittels dem oder der Inertialsensoren die Position des Tauchkörpers bezüglich der kalibrierten Position aufgezeichnet werden kann. Vorzugsweise werden der oder die Inertialsensoren kombiniert mit einem Drucksensor vorgesehen, wobei der Drucksensor zur Bestimmung der Tiefe verwendet wird, so dass die mittels der Inertialsensoren erfasste Tiefe während des Tauchvorganges korrigiert werden kann.

Vorzugsweise ist im Tauchkörper eine Uhr vorgesehen. Mit einer solchen Uhr können Zeitstempel erzeugt werden, um beispielsweise die erfassten Bilddaten mit einem Zeitstempel zu versehen, der den Zeitpunkt angibt, an dem die Bilddaten erzeugt worden sind.

Der Tauchkörper kann als bemanntes oder unbemanntes U-Boot ausgebildet sein mit einem eigenen Antrieb zur Fortbewegung unter Wasser. Ist der Tauchkörper ein unbemanntes U-Boot, dann ist er vorzugsweise fernsteuerbar ausgebildet. Die Fernsteuerung kann mittels einer Verbindungsleine erfolgen, in welcher zumindest eine Datenleitung zum Übertragen der Steuerdaten vorgesehen ist. Die Verbindungsleine kann auch eine Leitung zur Übertragung von elektrischer Energie zum U-Boot aufweisen. Die Fernsteuerung eines unbemannten U-Bootes kann auch mittels Schallsignalen erfolgen, auf welche die entsprechenden Steuersignale codiert sind.

Die Abtastvorrichtung kann sowohl eine 2D-Kamera als die Kamera zum Erzeugen von den Grund beschreibenden zweidimensionalen Bilddaten, als auch eine 3D-Abtasteinrichtung zum Erzeugen von dreidimensionalen den Grund beschreibenden Informationen aufweisen. Die mit der 2D-Kamera erzeugten zweidimensionalen Bilddaten werden vorzugsweise als Textur für eine Höhenkarte verwendet, wobei die dreidimensionalen den Grund beschreibenden Informationen zum Erzeugen der Höhenkarte verwendet werden können.

In einem Tauchkörper können jeweils die 2D-Kamera und die 3D-Abtasteinrichtung angeordnet sein. Sie können auch im selben Tauchkörper angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können auch in einem Schwimmkörper, insbesondere einem Boot, eine 2D-Kamera und/oder eine 3D-Abtasteinrichtung angeordnet sein.

Vorzugsweise sind zumindest zwei 3D-Abtasteinrichtungen derart vorgesehen sind, dass der Grund aus unterschiedlichen Richtungen abgetastet werden kann.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen von Unterwasserkarten vorgesehen, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden:

  • – Bereitstellen von zweidimensionalen Bilddaten des Grundes eines Gewässers zusammen mit Referenzinformationen,
  • – Bereitstellen einer dreidimensionalen Höhenkarte eines vorbestimmten Bereichs eines Grundes eines Gewässers, und
  • – Abbilden der zweidimensionalen Bilddaten als Textur auf die dreidimensionale Höhenkarte mittels der Referenzinformationen.

Erfindungsgemäß werden zweidimensionale Bilddaten eines Grundes eines Gewässers zusammen mit Referenzinformationen bereitgestellt, wodurch diese einfach und zuverlässig als Textur auf die dreidimensionale Höhenkarte abgebildet werden können. Hierdurch wird eine visualisierbare Unterwasserkarte erzeugt.

Die zweidimensionalen Bilddaten des Grundes des Gewässers können zusammen mit den Referenzinformationen mit einer Abtastvorrichtung, wie sie oben erläutert ist, hergestellt werden.

Zum Abbilden der zweidimensionalen Bilddaten als Textur auf die dreidimensionale Höhenkarte werden mittels der Referenzinformationen die zweidimensionalen Bilddaten in einen Textur-Raum transformiert,
wird die Zuordnung der Punkte im Textur-Raum zu den jeweiligen Punkten in der Höhenkarte mittels der Referenzinformationen bestimmt, und
werden Farbwerte von Punkten des Textur-Raumes auf die zugeordneten Punkte in der Höhenkarte abgebildet.

Es können auch mehrere Farbwerte unterschiedlicher zweidimensionaler Bilddaten einem Punkt der Höhenkarte zugeordnet werden, wobei die mehreren Farbwerte interpoliert oder gemittelt werden.

Zum Bereitstellen einer dreidimensionalen Höhenkarte kann ein Grund eines Gewässers aus zwei unterschiedlichen Richtungen abgetastet werden. Die hierdurch gewonnen Informationen werden zum Erzeugen der dreidimensionalen Höhenkarte zusammengesetzt.

Die zwei unterschiedlichen Richtungen schließen vorzugsweise einen Winkel von zumindest 30° bzw. von zumindest 60° ein und sind insbesondere etwa orthogonal zueinander. Die unterschiedlichen Winkel können auch in horizontaler und in vertikaler Richtung zueinander ausgerichtet sein.

Die Erfinder haben erkannt, dass beim Abtasten aus nur einer Richtung das Problem besteht, dass bei unterschiedlichen Neigungen des Grundes, die entsprechenden Flächen in einer Höhenkarte mit unterschiedlichen Auflösungen dargestellt werden. Eine steile Wand, die nur von oben abgetastet wird, wird lediglich von wenigen Abtastpunkten erfasst. Wird die steile Wand von der Seite abgetastet, dann wird sie mit vielen Punkten erfasst. Durch die Kombination von Abtastungen aus zwei unterschiedlichen Richtungen kann man eine dreidimensionale Höhenkarte erzeugen, bei der die Auflösung in allen Richtungen etwa gleich und unabhängig von der Neigung der abgetasteten Oberflächen ist.

Weiterhin besteht bei einer Abtastung des Grundes nur aus einer Richtung das Problem, dass, wenn die Auflösung der Höhenkarte zu grob ist, die Oberflächen hierdurch scheinbar geglättet werden, wobei eine hierauf dargestellte Textur, die feine Strukturen zeigt, sehr unrealistisch wirkt. Dieses Problem wird durch das Abtasten aus unterschiedlichen Richtungen beseitigt, denn hierdurch kann die Auflösung unabhängig von der Neigung des Grundes etwa gleich gehalten werden.

Das Abtasten aus zwei unterschiedlichen Richtungen kann mittels eines Verfahrens zum Erzeugen dreidimensionaler Informationen, wie z.B. einer Sonar-Abtastung, einer Abtastung mittels einer Stereokamera oder Laufzeitkamera, ausgeführt werden.

Bei der Beschreibung der Genauigkeit der Höhenkarte wird zwischen der Auflösung, d. h. dem Abstand der einzelnen Datenpunkte, und der Präzision der einzelnen Datenpunkte unterschieden. Die Höhenkarte sollte möglichst Punkte mit einem maximalen Abstand von 20 cm aufweisen. Vorzugsweise sind die Abstände kleiner, insbesondere 10 cm oder 5 cm. Die Präzision der einzelnen Punkte sollte zumindest 20 cm betragen.

Eine Höhenkarte kann durch eine dreidimensionale Datenwolke dargestellt werden. Die dreidimensionale Datenwolke ist eine Liste von Punkten im dreidimensionalen Raum, welche bspw. jeweils durch drei Koordinaten (X-, Y- und Z-Koordinate) angegeben werden. Diese Punkte stellen jeweils einen Punkt an der Oberfläche des Grundes des durch die Höhenkarte beschriebenen Gebietes dar. Mit einer solchen Datenwolke können Hinterschnitte, wie z.B. bei Höhlen, oder dgl. dargestellt werden. Alternativ können die Datenpunkte auch Werte, insbesondere Vektoren enthalten, welche auf die Oberfläche des Grundes zeigen. Diese Werte werden vorzugsweise nur bei benachbart zu der Oberfläche des Grundes angeordneten Datenpunkten vorgesehen.

Enthalten die Referenzinformationen die Blickrichtung mit welcher die zweidimensionalen Bilddaten erfasst worden sind, können beim Abbilden der zweidimensionalen Bilddaten als Textur auf die dreidimensionale Höhenkarte die zweidimensionalen Bilddaten umgekehrt proportional zur Abweichung der Blickrichtung von der Normalen des Bereichs der dreidimensionalen Höhenkarte gewichtet werden, auf welchen die zweidimensionalen Bilddaten abgebildet werden. Das heißt mit anderen Worten, je stärker die Blickrichtung von der Normalen der Oberfläche der Höhenkarte abweicht, desto weniger gewichtet werden die entsprechende zweidimensionalen Bilddaten als Textur übernommen. Vorzugsweise erfasst man den Grund mehrfach aus unterschiedlichen Richtungen zum Erzeugen von den Grund beschreibenden Bilddaten.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen schematisch in:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Abtastvorrichtung zum Abtasten vom Grund von Gewässern mit einem an einer Schleppleine befindlichen Tauchkörper,

2 den Tauchkörper aus 1 schematisch in einem Blockschaltbild,

3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Abtastvorrichtung, bei welcher der Tauchkörper mittels einer Stange an einem Boot befestigt ist,

4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Abtastvorrichtung mit einem Schwimmkörper und einem Tauchkörper, wobei die Positionsbestimmung des Tauchkörpers mittels Sonarsignale erfolgt,

5 schematisch die Anordnung zweier Schwimmkörper und eines Tauchkörpers im Wasser gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,

6 ein Verfahren zum Erzeugen von Unterwasserkarten in einem Flussdiagramm,

7 ein Verfahren zum Erzeugen einer Textur, und

8 das Verfahren nach 7 anhand einiger Beispielbilder..

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Unterwasserkarten. Ein erster Aspekt der Erfindung umfasst das Erzeugen von Informationen eines Grundes eines Gewässers mit einer entsprechenden Abtastvorrichtung 1. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft das Erzeugen der Unterwasserkarten, wobei hierzu die mit der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung 1 gewonnenen Informationen verwendet werden können. Die Unterwasserkarten können jedoch auch aus entsprechenden Informationen von anderen Informationsquellen erzeugt werden.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Abtastvorrichtung 1 umfasst einen Schwimmkörper 2 und einen Tauchkörper 3 (1). Der Schwimmkörper 2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Boot bzw. ein Schiff, das auf einer Wasseroberfläche 4 eines Gewässers schwimmt. Der Tauchkörper 3 ist mit einer Schleppleine 5 mit dem Schwimmkörper bzw. Boot 2 verbunden.

Die Schleppleine enthält ein zweidrahtiges Kabel 6 zur Versorgung des Tauchkörpers 3 mit elektrischer Leistung in Form von Gleichstrom (2). In 2 sind lediglich schematisch Abschnitte der zwei Drähte des Kabels 6 dargestellt. Dieses Kabel 6 ist mit allen elektrischen Einrichtungen des Tauchkörpers 3 verbunden, um diese mit Strom zu versorgen.

Dieses Kabel 6 wird auch als Datenleitung verwendet, indem ein Frequenzsignal auf das Kabel eingespeist bzw. abgezweigt wird. Der Tauchkörper 3 weist hierzu einen Bandpassfilter 7 auf, der an das Kabel 6 angeschlossen ist und als Frequenzweiche fungiert, so dass das Frequenzsignal über den Bandpassfilter 7 vom Kabel 6 abgekoppelt wird. An den Bandpassfilter 7 ist ein Demodulator 8 angeschlossen, der das Frequenzsignal demoduliert und ein analoges Datensignal erzeugt. Das analoge Datensignal wird mit einem A/D-Wandler 9 in ein digitales Datensignal gewandelt, das einer zentralen Steuereinrichtung 10 zugeleitet wird. Die zentrale Steuereinrichtung 10 ist mit einem D/A-Wandler 11 verbunden, welcher von der zentralen Steuereinrichtung 10 digitale Signal empfängt und diese in Analogsignale wandelt. An den D/A-Wandler ist ein Modulator 12 angeschlossen, der die analogen Signale des D/A-Wandlers auf eine vorbestimmte Frequenz bzw. einen vorbestimmten Frequenzbereich moduliert. Der Modulator 12 ist mit dem Kabel 6 verbunden, so dass das modulierte Signal auf das Kabel 6 eingespeist wird. Die zentrale Steuereinrichtung 10 kann somit über den D/A-Wandler 11 und den Modulator 12 Daten über das Kabel 6 versenden.

Der Tauchkörper 3 ist mit einer 2D-Kamera 13 versehen, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Kamera im sichtbaren Wellenlängenbereich ist. Im Rahmen der Erfindung kann die 2D-Kamera auch zum Empfangen anderer Wellenlängenbereiche, insbesondere eine Infrarotkamera, sein. Die 2D-Kamera kann auch als Sonar ausgebildet sein.

Mit der 2D-Kamera wird eine zweidimensionale Abbildung des Grundes 14 des Gewässers erzeugt.

Die 2D-Kamera 13 ist am Tauchkörper 3 mit ihrer Blickrichtung 15 nach unten gerichtet angeordnet. Die 2D-Kamera 13 kann jedoch auch schwenkbar am Tauchkörper 3 angeordnet sein, so dass ihre Blickrichtung vertikal nach unten oder horizontal zur Seite oder in eine beliebige Position dazwischen gerichtet werden kann. Der Tauchkörper 3 kann auch mehrere 2D-Kameras 13 aufweisen, die mit ihren Blickrichtungen in unterschiedlichen Richtungen angeordnete sind. Vorzugsweise weist der Tauchkörper 3 zumindest zwei 2D-Kameras 13 auf, deren Blickrichtungen 15 zueinander orthogonal ausgerichtet sind. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, eine Drehposition um eine horizontale Längsachse des Tauchkörpers 3 derart zu steuern, dass eine oder mehrere 2D-Kameras 13 mit unterschiedlichen Blickrichtungen 15 im Wasser angeordnet werden können.

Der Tauchkörper 3 kann auch eine Beleuchtungseinrichtung 16 aufweisen, welche Licht in einem an die Empfindlichkeit der 2D-Kamera angepassten Wellenlängenbereich aussendet. Eine solche Beleuchtungseinrichtung 16 ist dann zweckmäßig, wenn der Tauchkörper 3 in Tiefen verwendet werden soll, zu welchen wenig Tageslicht gelangt.

Die 2D-Kameras 13 sind mit der zentralen Steuereinrichtung 10 verbunden, so dass diese die mit der 2D-Kamera bzw. die mit den 2D-Kameras 13 erfassten Bilder empfangen und auf einer Speichereinrichtung 17 speichern und/oder gegebenenfalls weiterverarbeiten kann.

Der Schwimmkörper 2 weist eine erste 3D-Abtasteinrichtung 18 und eine zweite 3D-Abtasteinrichtung 19 auf. Die erste 3D-Abtasteinrichtung 18 ist mit ihrer Blickrichtung 20 nach unten gerichtet und die zweite 3D-Abtasteinrichtung 19 ist mit ihrer Blickrichtung horizontal zur Seite gerichtet (senkrecht zur Zeichenebene in 2). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die 3D-Abtasteinrichtungen 18, 19 jeweils als Sonar ausgebildet. Sie weisen somit jeweils einen Sender und Empfänger zum Senden und Empfangen von Sonarsignalen auf. Die 3D-Abtasteinrichtungen 18, 19 dienen zum Erzeugen von Informationen über eine dreidimensionale Oberflächenstruktur. Anstelle eines Sonars können auch andere Einrichtungen zum dreidimensionalen Abtasten von Oberflächen verwendet werden, wie zum Beispiel eine Stereokamera oder eine Laufzeitkamera. Mit Sonaren können unter Wasser sehr zuverlässig 3D-Informationen unabhängig von der Trübung des Wassers erzeugt werden, weshalb Sonare die bevorzugten 3D-Abtasteinrichtungen sind. Im Rahmen der Erfindung kann der Tauchkörper 3 jedoch auch lediglich eine einzige 3D-Abtasteinrichtung aufweisen, wobei unterschiedliche Blickrichtungen dann durch Schwenken der 3D-Abtasteinrichtung am Tauchkörper mittels einer entsprechenden Schwenkeinrichtung oder durch Steuern der Drehposition um eine horizontale Längsachse des Tauchkörpers 3 eingestellt werden können.

Der Tauchkörper 3 weist Steuerruder 21 auf, welche zum Steuern der Tauchtiefe und/oder der Drehposition um eine horizontale Längsachse des Tauchkörpers 3 ausgebildet sind. Zum Ansteuern der Steuerruder ist im Tauchkörper 3 eine Steuerruderstelleinrichtung 22 vorgesehen, welche mit entsprechenden Stellelementen 23 die einzelnen Steuerruder 21 ansteuert. Die Steuerruderstelleinrichtung 22 ist mit der zentralen Steuereinrichtung 10 verbunden und enthält von dieser entsprechende Signale, um die Position des Tauchkörpers 3 zu verändern.

Am Schwimmkörper bzw. Boot 2 ist eine 3D-Abtasteinrichtung 24 vorgesehen, um den Grund des Gewässers abzutasten und dreidimensionale Informationen über den Grund des Gewässers zu erzeugen. Die 3D-Abtastvorrichtung ist am Boot 2 mit ihrer Blickrichtung 25 nach unten ausgerichtet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die 3D-Abtastvorrichtung 24 ein Sonar. Sie kann jedoch auch eine andere zur Erzeugung von dreidimensionalen Informationen einer Oberfläche geeignete Einrichtung sein.

Das Boot 2 weist weiterhin eine Tauchkörper-Abtastvorrichtung 26 auf, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Sonar ist. Die Tauchkörper-Abtastvorrichtung 26 ist mit ihrer Blickrichtung vom Boot 2 aus gesehen nach hinten schräg unten angeordnet, so dass der Tauchkörper 3 beim Ziehen durch das Boot 2 mittels der Schleppleine 5 im Blickfeld der Tauchkörper-Abtastvorrichtung 26 liegt. Hierdurch wird die relative Position des Tauchkörpers 3 bezüglich des Schwimmkörpers bzw. Bootes 2 bestimmt. Die Tauchkörper-Abtastvorrichtung 26 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Sonar. Mit dem Sonar kann der exakte Ort des Tauchkörpers 3 bezüglich des Bootes 2 festgestellt werden. Es ist grundsätzlich auch möglich, eine andere Art von Abtastvorrichtung zu verwenden, wie zum Beispiel eine Kamera, mit welcher lediglich ein zweidimensionales Bild erzeugt werden kann. Aus dem zweidimensionalen Bild kann lediglich die Richtung bezüglich des Bootes 2, in welcher sich der Tauchkörper 3 befindet, festgestellt werden. In Verbindung mit der Länge der Schleppleine 5 kann dann der Ort des Tauchkörpers 3 relativ zum Boot 2 im dreidimensionalen Raum bestimmt werden.

Der Schwimmkörper bzw. das Boot 2 weist eine Satellitennavigationseinrichtung 28, wie zum Beispiel ein GPS-System, auf, das Ortungssignale vom Satelliten 29 empfangen kann, um so die Position des Schwimmkörpers bzw. des Bootes 2 zu bestimmen.

Mit Hilfe der Satellitennavigationseinrichtung 28 kann somit der Ort des Bootes 2 bestimmt werden. Mit Hilfe der Tauchkörper-Abtastvorrichtung 26 kann der relative Ort des Tauchkörpers 3 bezüglich des Bootes 2 bestimmt werden. Da der absolute Ort des Bootes 2 bekannt ist, kann aus der relativen Ortsbestimmung auch der absolute Ort des Tauchkörpers 3 bestimmt werden.

Beim Erfassen von zweidimensionalen Bilddaten des Grundes des Gewässers mittels der 2D-Kamera 13 des Tauchkörpers 3 bzw. des Erfassens von 3D-Informationen des Grundes des Gewässers mittels der 3D-Abtasteinrichtungen 18, 19 wird gleichzeitig jeweils der Ort des Tauchkörpers 3 im dreidimensionalen Raum bestimmt. Diese Ortsinformation wird den jeweils erfassten zweidimensionalen Bildern bzw. den jeweils erfassten 3D-Informationen als Referenzinformationen zugeordnet. Diese Zuordnung kann beispielsweise durch gleichzeitiges Erfassen der zweidimensionalen Bilder bzw. 3D-Informationen und gleichzeitiges Bestimmen des Ortes erfolgen, wobei die entsprechenden Daten dann miteinander verknüpft werden. Es ist jedoch auch möglich, sowohl die zweidimensionalen Bilder als auch die 3D-Informationen sowie die Ortsinformation mit einem Zeitstempel zu versehen, wobei hierzu jeweils entsprechende Uhren vorgesehen sind. Anhand der Zeitstempel ist es dann möglich, im Nachhinein die Ortsinformationen mit den zweidimensionalen Bildern bzw. mit den 3D-Informationen zu verknüpfen.

Die Mittel zur Bestimmung der Ortsinformation des Tauchkörpers 3 dienen somit als Referenziereinrichtung und der Ort des Tauchkörpers 3 als Referenzierinformation.

Der Tauchkörper 3 kann auch einen Neigungssensor und/oder Inertialsensor aufweisen, mit welchem die Neigung gegenüber der Vertikalen bestimmt werden kann. Anhand dieses Neigungswinkels kann in Verbindung mit der Fahrtrichtung des Bootes 2 und damit der Zugrichtung, mit welcher der Tauchkörper 3 im Wasser gezogen wird, die Ausrichtung des Tauchkörpers 3 im dreidimensionalen Raum und damit die Blickrichtungen der 2D-Kamera bzw. der 3D-Abtasteinrichtungen bestimmt werden. Diese Blickrichtungen können gleichermaßen als Referenzierinformationen verwendet werden.

Weiterhin kann die 2D-Kamera mit einem Zoom-Objektiv versehen sein. Hierdurch lässt sich das Sichtfeld der Kamera verändern. Die Einstellung des Zoom-Objektivs kann mittels eines Vergrößerungsmaßstabes oder das Sichtfeld kann mittels eines Winkelbereiches beschrieben werden. Werte, die das Sichtfeld beschreiben, können gleichermaßen als Referenzierinformation für die jeweilige Kamera 13 verwendet werden.

Mit der oben erläuterten Abtastvorrichtung 1 ist es somit möglich, den Grund eines Gewässers abzutasten und Bilddaten zu erzeugen, die den Grund des Gewässers beschreiben, wobei gleichzeitig Referenzierinformationen erzeugt werden, welche den Bilddaten zugeordnet werden, so dass die Position in den jeweiligen Bilddaten dargestellten Ausschnittes, definiert ist. Dies gilt vor allem für zweidimensionale Bilddaten. Jedoch können die 3D-Informationen gleichermaßen mittels der Referenzinformationen referenziert werden.

Die derart generierten zweidimensionalen Bilddaten können dann einfach in eine bestehende Höhenkarte integriert werden. Die 3D-Informationen können zum Erzeugen bzw. zum Optimieren (Refinement) einer bestehenden Höhenkarte verwendet werden.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung 1 ist der Tauchkörper 3 mittels einer Stange 30 am Schwimmkörper 2 befestigt (3). Der Schwimmkörper bzw. das Boot 2 entspricht in seiner Ausgestaltung im Wesentlichen dem Schwimmkörper bzw. dem Boot 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Auch der Tauchkörper 3 des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem Tauchkörper des ersten Ausführungsbeispiels. Das Kabel 6 wird hierbei jedoch entlang der Stange 30 geführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist keine Tauchkörper-Abtastvorrichtung notwendig, denn der relative Ort des Tauchkörpers 3 bezüglich des Schwimmkörpers 2 ist durch die steife Stange 30 eindeutig festgelegt. Es ist jedoch zweckmäßig, im Boot 2 Sensoren zur Detektion der Neigung, des Stampfens und des Rollens des Bootes zu integrieren, um so die Ausrichtung des Bootes im dreidimensionalen Raum bestimmen zu können. In Verbindung mit der Positionsbestimmung mittels der Satellitennavigationseinrichtung 28 kann anhand der Neigungswerte, die mittels der Sensoren zur Detektion der Neigung, des Stampfens und des Rollens erhalten werden, die exakte Position des Tauchkörpers 3 und dessen Ausrichtung bestimmt werden. Dementsprechend können Referenzierinformationen erzeugt werden, die mit den erzeugten Bilddaten und 3D-Informationen verknüpft werden.

Das zweite Ausführungsbeispiel ist vor allem zum Abtasten von flachen Gewässern mit einer Tiefe von maximal 20 m, insbesondere maximal 10 m oder zum Abtasten von Gewässern in Ufernähe zweckmäßig. Solche Gewässertiefen sind vor allem für die Schifffahrt von Interesse.

Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in den 4 und 5 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Tauchkörper 3 als ferngesteuertes U-Boot bzw. Drohne ausgebildet, welches von zwei Schwimmkörpern 2 Schallsignale erhält. anhand welcher der Tauchkörper 3 seine exakte Position im dreidimensionalen Raum bestimmen kann. Der Tauchkörper 3 ist mit einem Drucksensor 40 und einem Temperatursensor 41 versehen, welche mit einem ersten Sensorkontroller 42 verbunden sind. An den ersten Sensorkontroller 42 ist auch eine Uhr 43 angeschlossen. Der erste Sensorkontroller 42 kann am Drucksensor 40 und am Temperatursensor 41 entsprechende Sensorsignale abgreifen und sie in einer entsprechenden digitalen Druckwert bzw. Temperaturwert wandeln. Zudem kann der erste Sensorkontroller 42 die einzelnen Druckwerte und Temperaturwerte mit einem Zeitstempel versehen. Weiterhin weist der Tauchkörper 3 ein Hydrophon 44 auf, mit welchem Schallsignale empfangen und in elektrische Signale gewandelt werden. Das Hydrophon ist an einen zweiten Sensorkontroller 45 angeschlossen, der die vom Hydrophon erzeugten elektrischen Signale erfassen kann. Der zweite Sensorkontroller 45 ist zum Extrahieren einer Zeit- und Ortsinformation aus den empfangenen Schallsignalen ausgebildet.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erzeugt eine Sendeeinrichtung 46, welche unten näher erläutert wird, ein Schallsignal, auf welchem ein digitales Signal moduliert ist, wobei das digitale Signal die Orts- und Zeitinformation enthält. Dieses digitale Signal wird vom zweiten Sensorkontroller 45 extrahiert und die entsprechende Orts- und Zeitinformation wird bereitgestellt. Der zweite Sensorkontroller 45 ist auch mit der Uhr 43 verbunden und kann die empfangene Orts- und Zeitinformation mit einem Zeitstempel versehen, der den Zeitpunkt angibt, wann das entsprechende Schallsignal mittels des Hydrophons 44 empfangen worden ist.

Der erste Sensorkontroller 42 und der zweite Sensorkontroller 45 sind jeweils mit einem Mikrokontroller 47 verbunden. Der Mikrokontroller 47 weist eine Verbindung zu einer externen Schnittstelle 48 auf, an welche ein Computer angeschlossen werden kann. Der Tauchkörper 3 ist in einem wasserdichten Gehäuse 49 angeordnet. Die Sensoren 40, 41 und 44 erstrecken sich jeweils durch eine Öffnung des Gehäuses 49, wobei sie gegenüber der jeweiligen Öffnung wasserdicht abgedichtet sind.

Der Tauchkörper 3 weist einen Inertialsensor 50 auf, mit welchem die Bewegungsrichtung des Tauchkörpers 3 detektiert werden kann. Der Inertialsensor 50 ist mit dem Mikrokontroller 47 verbunden.

Die Sendeeinrichtung 46 weist einen GPS-Empfänger 51 auf, der mit einer Antenne 52 zum Empfangen von Satellitensignalen verbunden ist. Die Sendeeinrichtung 50 weist eine Uhr 53 auf. Der GPS-Empfänger 51 und die Uhr 53 sind jeweils an eine Sendeschaltung 54 angeschlossen, welche ein Sendesignal erzeugt, das mittels einer Hydroschallquelle 55 ausgegeben werden kann. Die Sendeschaltung 54 ist derart ausgebildet, dass sie auf das Sendesignal sowohl die Uhrzeit der Signalerzeugung als auch den mit dem GPS-Empfänger 51 festgestellten Ort moduliert. Das ausgesendete Schallsignal enthält somit die Orts- und Zeitinformation, wann und wo das Signal erzeugt worden ist. Die Uhr 43 des Tauchkörpers 3 und die Uhr 53 der Sendeeinrichtung 46 sind miteinander synchronisiert. Diese Uhren 43, 53 sind vorzugsweise Funkuhren, so dass sie mit einer zentralen Funkuhr regelmäßig synchronisiert werden. Es ist jedoch auch grundsätzlich möglich, den Tauchkörper mit einer Hydroschallquelle und die Sendeeinrichtung 46 mit einem Hydrophon auszubilden, so dass der Tauchkörper 3 und die Sendeeinrichtung 46 bidirektional Schallsignale austauschen können, um die jeweiligen Uhren 43, 53 miteinander zu synchronisieren.

Nachfolgend wir die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Tauchkörpers 3 zum Bestimmen der Position unter Wasser anhand der schematischen Zeichnung in 5 erläutert. Hierbei wird ein System mit zwei Sendeeinrichtungen 46/1 und 46/2 verwendet. Die Sendeeinrichtungen 46/1 und 46/2 empfangen mit ihren jeweiligen GPS-Empfängern 51 Satellitensignale von GPS-Satelliten 56. Anhand dieser Satellitensignale bestimmen die GPS-Empfänger 51 jeweils den Ort der jeweiligen Sendeeinrichtungen 46/1 und 46/2. Die beiden Sendeeinrichtungen 46/1 und 46/2 senden jeweils ein Schallsignal aus, in dem der Ort der jeweiligen Sendeeinrichtung 46/1 und 46/2 und der Zeitpunkt der Schallerzeugung codiert sind. Hierdurch enthält ein jedes dieser Schallsignale die Information über den Ort und den Zeitpunkt seiner Erzeugung. Mit den jeweiligen Hydroschallquellen 55 werden die Schallsignale in das Wasser abgestrahlt.

Die beiden Sendeeinrichtungen 46/1 und 46/2 sind jeweils an Bojen, Booten oder Schiffen angeordnet, welche frei auf einer Wasseroberfläche schwimmen. Die Sendeeinrichtungen 46/1 und 46/2 sind vorzugsweise mit einem Abstand von zumindest einigen Metern, vorzugsweise einigen zehn Metern, voneinander angeordnet.

Der Tauchkörper 3 empfängt mittels des Hydrophons 44 die Schallsignale der beiden Sendeeinrichtungen 46/1 und 46/2. Die Schallsignale werden vom zweiten Sensorkontroller 45 decodiert und mit dem Zeitstempel versehen, der den Zeitpunkt angibt, wann das jeweilige Schallsignal von dem Tauchkörper 3 empfangen worden ist. Diese Informationen werden vom zweiten Sensorkontroller 45 an den Mikrokontroller 47 weitergeleitet. Der Mikrokontroller 47 bestimmt aus dem Absendezeitpunkt des Schallsignals und dem Empfangszeitpunkt des Schallsignals die Laufzeit des Schallsignals. Anhand der Schallgeschwindigkeit im Wasser wird die Laufzeit in eine Entfernung umgerechnet. Dies ist die Entfernung d1 bzw. d2 von dem im Schallsignal codierten Ort. Somit sind in dem Tauchkörper 3 die Entfernungen d1 und d2 zu den jeweiligen Sendeeinrichtungen 46/1 und 46/2 bekannt.

Wie man in 5 erkennen kann, liegen alle Punkte mit der Entfernung d1 bzw. der Entfernung d2 auf einer Kugel um die jeweilige Sendeeinrichtung 46/1 und 46/2. Die beiden Kugeln schneiden sich in einem Kreis 57. Somit muss der Ort des Tauchkörpers 3 auf diesem Kreis 57 liegen.

Mit dem Drucksensor 40 wird der Wasserdruck gemessen. Aus dem Wasserdruck berechnet der Mikrokontroller 47 die Tiefe des Tauchkörpers 3 bezüglich der Wasseroberfläche. Diese Tiefe definiert ein bestimmtes Niveau bzw. eine bestimmte Ebene 58, die sich in zwei Punkten mit dem Kreis 57 schneidet. Da sich der Tauchkörper 3 in dieser Ebene 58 befinden muss, ist die Position des Tauchkörpers auf einem dieser beiden Schnittpunkte festgelegt. Diese beiden Schnittpunkte sind spiegelsymmetrisch zu einer vertikalen Symmetrieebene angeordnet, welche durch die beiden Sendeeinrichtungen 46/1 und 46/2 verläuft.

Wird der Tauchkörper 3 bezüglich dieser Symmetrieebene ein Stück auf die Symmetrieebene zu bzw. ein Stück von der Symmetrieebene weg bewegt, dann kann dies mit dem Inertialsensor 50 detektiert werden. Der Inertialsensor 50 gibt die Bewegungsrichtung an den Mikrokontroller 47 weiter. Der Mikrokontroller 47 bestimmt die Bewegungskomponente senkrecht zur Symmetrieebene.

Vor und nach dieser Bewegung werden zumindest zwei Positionen des Tauchkörpers 3 mit Hilfe der Schallsignale und des Drucksensors bestimmt. Diese Positionen sind noch zweideutig, da sie auf beiden Seiten der Symmetrieebene angeordnet sein können. Es werden auch die Zeitpunkte dieser beiden Positionen festgestellt, so dass die Bewegungsrichtung des Tauchkörpers 3 anhand dieser beiden Positionen ermittelt wird. Die Bewegungskomponente senkrecht zur Symmetrieebene ist bei den vorliegenden zwei Möglichkeiten auf beiden Seiten von der Symmetrieebene jeweils entgegengesetzt gerichtet. Diese Bewegungsrichtungen werden mit der mit dem Inertialsensor 50 erfassten Bewegungsrichtung verglichen, wobei die Positionen auf der Seite der Symmetrieebene als korrekt bewertet werden, die die gleiche Bewegungsrichtung wie der Inertialsensor 50 ergeben haben. Hierdurch kann die Position des Tauchkörpers 3 eindeutig bestimmt werden. Diese Position wird dann durch drei Koordinaten (X, Y, Z) bezüglich der beiden Sendeeinrichtungen 46/1 und 46/2 oder bezüglich eines durch das GPS-Satellitensystem vorgegebenen Koordinatensystems bestimmt. Die Koordinaten und der entsprechende Zeitstempel der jeweiligen Position des Tauchkörpers 3 werden in einer Speichereinrichtung 59 in einem vorbestimmten Log-Datensatz 60 abgespeichert.

Dieser Tauchkörper 3 hat genauso wie der Tauchkörper 3 des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 2 eine 2D-Kamera 13 und zwei 3D-Abtasteinrichtungen 18, 19. Die Abtasteinrichtungen 13, 18, 19 können genauso wie beim ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein, weshalb hierauf Bezug genommen wird.

Weiterhin sind am Tauchkörper 3 wiederum Steuerruder vorgesehen, welche zum Steuern der Tauchtiefe und/oder der Drehposition um eine horizontale und/oder vertikale Längsachse des Tauchkörpers 3 ausgebildet sind. Zum Ansteuern des Steuerruders ist im Tauchkörper 3 eine Steuerruderstelleinrichtung 22 vorgesehen, welche mit entsprechenden Steuerelementen 23 die einzelnen Steuerruder ansteuert. Die Steuerruderstelleinrichtung 22 ist mit der zentralen Steuereinrichtung 47 verbunden und enthält von dieser entsprechende Signale, um die Position des Tauchkörpers 3 zu verändern. Ist der Tauchkörper 3 ein autonom betriebener Tauchkörper, dann weist er noch eine Antriebseinrichtung auf (nicht dargestellt), mit welcher der Tauchkörper 3 im Wasser fortbewegt werden kann.

Die mit den Abtasteinrichtungen 13, 18 und 19 erzeugten Bilder werden vorzugsweise vom Mikrokontroller 47 mit einem Zeitstempel versehen und in der Speichereinrichtung 59 in einem Bild-Datensatz 61 gespeichert.

Der im Log-Datensatz 60 gespeicherte Ort dient als Referenzierinformation für die im Bild-Datensatz 61 enthaltenen Bilddaten. Die Referenzierinformation des Log-Datensatzes 60 sind mit den Bilddaten des Bild-Datensatzes 61 jeweils über den Zeitstempel verknüpft. Vorzugsweise ist neben dem Ort auch die Ausrichtung des Tauchkörpers 3 im Log-Datensatz 60 abgespeichert, so dass den im Bild-Datensatz 61 enthaltenen Bilddaten jeweils die Blickrichtung der Kamera 13 bzw. der Abtasteinrichtung 18 zugeordnet werden kann.

Nachfolgend wird anhand von 6 beispielhaft ein Verfahren zum Erzeugen von Unterwasserkarten erläutert.

In einem Schritt S1 werden zunächst Satellitendaten oder nautische Karten eingelesen und Uferlinien extrahiert. Sind die eingelesenen Daten Höhenkarten, dann werden alle Punkte mit der Höhe Null (Z = 0) extrahiert.

Mit den mit der am Boot 2 angeordneten 3D-Abtastvorrichtung 24 gewonnenen 3D-Informationen wird eine grobe 3D-Höhenkarte erzeugt (Schritt S2). Die Genauigkeit dieser 3D-Höhenkarte beträgt etwa 1 m.

Im Schritt S3 werden die mit den 3D-Abtasteinrichtungen 18, 19, welche am Tauchkörper 3 angeordnet sind, erfassten 3D-Informationen zusammengesetzt. Vorzugsweise tasten die 3D-Abtasteinrichtungen 18, 19 den Grund aus unterschiedlichen, insbesondere zueinander orthogonalen Richtungen ab, wodurch unabhängig von der Neigung der Oberfläche des Grundes eine etwa gleichmäßige Auflösung der 3D-Informationen erzielt wird. Diesen 3D-Informationen sind Referenzinformationen zugeordnet, welche den Ausschnitt des dargestellten Grundes beschreiben. Anhand dieser Referenzinformationen werden diese 3D-Informationen in die 3D-Höhenkarte aus dem Schritt S2 und die Uferlinien aus dem Schritt S1 hinzugefügt (Schritt S4), so dass eine 3D-Höhenkarte mit einer Auflösung kleiner als 1 m erzeugt wird.

Im Schritt S5 wird die 3D-Höhenkarte polygonalisiert. Dies kann beispielsweise mit dem Eingangs erläuterten Verfahren nach D. T. Lee et al. (Two algorithm for constructing a delaunay triangulation) ausgeführt werden.

Optional können Detailgeometriedaten aus unterschiedlichen Datenquellen ausgelesen werden (Schritt S6). Die Datenquellen können absolute Punktwolke-Daten, relative Punktwolke-Daten oder ein polygonisiertes Objekt enthalten. Solche Datenquellen sind zum Teil für Korallen, Wracks oder andere Objekte von großem Interesse vorhanden. Diese Daten können auch für derartige Objekte zusätzlich erfasst werden. Ein geeignetes Verfahren, um hochauflösende 3D-Informationen zu erhalten, ist die Photogrammetrie. Die Photogrametrie umfasst unterschiedliche Verfahren zur Erzeugung von 3D-Informationen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Objekte aus unterschiedlichen Richtungen mittels einer Kamera abgetastet. Die so erzeugten Bilder der Objekte werden einer Merkmalsanalyse unterzogen. Anhand der Merkmale erfolgt eine Zuordnung der einzelnen Merkmale in den unterschiedlichen Bildern, woraus der dreidimensionale Körper bzw. das dreidimensionale Objekt modelliert werden kann. Hiermit wird auf einfache Art und Weise eine sehr präzise Darstellung der dreidimensionalen Objekte geschaffen und das Abtasten eines Objektes aus unterschiedlichen Richtungen mittels einer Kamera ist auch unter Wasser ohne Weiteres möglich. Alternativ können die 3D-Informationen auch mittels einer Stereokamera und einem entsprechenden Verfahren zum Auswerten von Stereobildern erzeugt werden.

Diese Detail-Geometrie-Daten können im Schritt S7 der polygonisierten Höhenkarte hinzugefügt werden.

Im Schritt S8 werden zweidimensionale Bilddaten des Grundes eingelesen. Die zweidimensionalen Bilddaten enthalten Referenzinformationen, welche den durch die jeweiligen Bilddaten dargestellten Ausschnitt des Grundes beschreiben. Hierdurch können die zweidimensionalen Bilddaten als Textur der im Schritt S5 oder S7 erhaltenen dreidimensionalen Höhenkarte hinzugefügt werden (Schritt S8). Vorzugsweise enthalten die Referenzinformationen der zweidimensionalen Bilddaten jeweils die Blickrichtung der Kamera, mit welcher die Bilddaten aufgenommen worden sind. Beim Abbilden der zweidimensionalen Bilddaten als Textur auf die dreidimensionale Höhenkarte werden die zweidimensionalen Bilddaten umgekehrt proportional zur Abweichung der Blickrichtung von der Normalen des Bereiches der dreidimensionalen Höhenkarte gewichtet, auf welchen die zweidimensionalen Bilddaten abgebildet werden. Dies heißt mit anderen Worten, dass je stärker die Blickrichtung von der Normalen der Oberfläche der Höhenkarte abweicht, desto weniger werden die entsprechenden zweidimensionalen Bilddaten als Textur übernommen. Bilddaten, deren Blickrichtung der Normalen entspricht, werden umso stärker übernommen.

Im Schritt S9 wird somit die endgültige Unterwasserkarte erzeugt, welche im Schritt S10 ausgegeben wird.

Dieses Verfahren weist gegenüber herkömmlichen Verfahren folgende Vorteile auf:

  • 1. Die einzelnen Schritt sind vollautomatisch ausführbar. Die Verwendung der Referenzierinformationen, insbesondere für die im Schritt S3 verwendeten 3D-Informationen mit hoher Auflösung und/oder die im Schritt S8 verwendeten zweidimensionalen Bilddaten erlauben das automatische Integrieren dieser Informationen zu der jeweils vorhandenen 3D-Höhenkarte. Mit dem Schritt S3 und S4 wird eine grobe und einfach herzustellende 3D-Höhenkarte so weit verfeinert, dass deren Auflösung so hoch ist, dass die Integration von zweidimensionalen Bilddaten als Textur zu keinen unnatürlichen Eindrücken führt. Als natürlicher Eindruck wird die Erscheinung des Grundes beurteilt, die ein Taucher mit dem menschlichen Auge aus einer Entfernung von etwa 2–5 m sieht.
  • 2. Die Kombination von 3D-Informationen, welche aus zwei unterschiedlichen Richtungen erfasst worden sind, die vorzugsweise orthogonal zueinander sind, erlaubt die Erzeugung einer Höhenkarte mit im Wesentlichen gleichmäßiger Auflösung, unabhängig von der Neigung des Grundes, der dargestellt wird.
  • 3. Die Verwendung von zweidimensionalen Bilddaten als Textur für eine dreidimensionale Unterwasserkarte ergibt eine 3D-Karte, welche einerseits die Kontur des Grundes mit einer zum Tauchen oder für die Schifffahrt ausreichend präzisen Auflösung wiedergibt und andererseits das Erscheinungsbild des Grundes naturgetreu wiedergibt.
  • 4. Werden die zweidimensionalen Bilddaten aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommen und entsprechend der Abweichung zur Normalen des Grundes gewichtet, wie es oben erläutert ist, dann wird eine sehr naturgetreue Darstellung erzielt, da Verfälschungen aufgrund der Blickrichtung erheblich verringert werden.

Nachfolgend wird anhand von 7 und 8 ein Verfahren erläutert, wie die im Schritt S8 eingelesenen zweidimensionalen Bilddaten in eine Textur umgesetzt werden, welche auf die dreidimensionale Höhenkarte abgebildet werden kann.

Dieses Verfahren beginnt mit dem Schritt S11. Im Schritt S12 wird ein zweidimensionales Bild des Grundes eingelesen. Das zweidimensionale Bild ist ein Farbbild 31 (8).

Dieses zweidimensionale Bild enthält Referenzinformationen, aus welchen im Schritt S13 die Kameraposition, mit welcher das zweidimensionale Bild aufgenommen worden ist, und die Größe des Sichtfeldes der realen Kamera 32 ausgelesen werden.

Das virtuelle Objekt, das ein am Grund befindlicher Gegenstand sein kann, ist anhand der Detailgeometriedaten aus dem Schritt S6 bekannt oder das virtuelle Objekt ist ein Abschnitt des Grundes der durch die polygonalisierte 3D-Höhenkarte gemäß dem Schritt S5 beschrieben wird. Die Geometrie des dreidimensionalen Objektes liegt somit mit hoher Präzision vor. Lediglich die Oberflächenbeschaffenheit dieses dreidimensionalen Objektes geht weder aus der Höhenkarte noch aus den Detailgeometriedaten hervor.

Aufgrund der präzisen Darstellung des dreidimensionalen Objektes ist es nun möglich, ein virtuelles zweidimensionales Bild 33 des Objektes zu erzeugen (Schritt S14). Eine virtuelle Kamera 34 wird bezüglich des virtuellen dreidimensionalen Objektes an die gleiche Stelle, wie die reale Kamera 32 beim Aufnehmen des realen zweidimensionalen Bildes 31 positioniert und es wird das gleiche Sichtfeld, wie bei der Aufnahme des realen zweidimensionalen Bildes 31 mit der realen Kamera 32 eingestellt. Das so erzeugte virtuelle zweidimensionale Bild 33 ist bezüglich der perspektivischen Darstellung des dreidimensionalen Objektes im zweidimensionalen Bild im Wesentlichen identisch zu dem realen zweidimensionalen Bild 31.

Zur Erläuterung dieses Verfahrens sind in 8 Bilder einer Hütte 35 gezeigt, die das reale Objekt bildet, dargestellt.

Es ist ein Texturraum 36 vorgesehen, der auch als UV-Raum bezeichnet wird. Dieser Texturraum enthält Flächenelemente, welche Oberflächenabschnitten des Objektes entsprechen. Bei der Hütte sind dies z.B. die Dachflächen und die Seitenflächen der Hütte.

Das im Schritt S14 erzeugte virtuelle Bild wird im Schritt S15 dem Textur-Raum 36 zugeordnet. Da der Textur-Raum anhand der geometrischen Beschreibung des virtuellen Objektes erzeugt worden ist, besteht eine eindeutige Zuordnung der Punkte der Oberfläche des virtuellen Objektes zu den Punkten im Textur-Raum, welche als Texel bezeichnet werden. Da auch das virtuelle zweidimensionale Bild 31 anhand der geometrischen Beschreibung des virtuellen dreidimensionalen Objektes erzeugt worden ist, besteht auch zwischen den Bildpunkten des virtuellen zweidimensionalen Bildes und den Punkten der Oberfläche des virtuellen dreidimensionalen Objektes eine eindeutige Beziehung und somit auch eine eindeutige Beziehung zwischen den Bildpunkten des virtuellen zweidimensionalen Bildes und den Texels des Textur-Raums 36. Somit wird ein Bildpunkt 37 des realen zweidimensionalen Bildes 31 dem Textur-Raum 36 an dem Texel 38 zugeordnet, der dem Bildpunkt 39 im zweidimensionalen virtuellen Bild 33 entspricht. Das heißt mit anderen Worten, dass beim Zuordnen eines der Bildpunkte 37 des realen zweidimensionalen Bildes 31 zum Textur-Raum 36 zunächst der korrespondierende Bildpunkt 39 im virtuellen zweidimensionalen Bild 33 ermittelt wird. Der korrespondierende Bildpunkt 39 befindet sich im virtuellen zweidimensionalen Bild 33 an derselben Stelle wie der Bildpunkt 37 im realen zweidimensionalen Bild 31. Anhand des Bildpunktes 39 des virtuellen Bildes 33 steht die Zuordnung zu dem entsprechenden Texel 38 im Textur-Raum 36 fest, so dass der Bildpunkt 37 des realen Bildes 31 eindeutig dem Textur-Raum zugeordnet werden kann.

Beim Zuordnen des Bildpunktes 37 des realen Bildes 31 zu dem Textur-Raum 36 werden die Farbwerte des Bildpunktes 37 dem Texel 38 zugeordnet bzw. dort eingetragen. Diese Zuordnung erfolgt ehr schnell, da ähnlich wie bei einer look-up-Tabelle die Bildpunkte des realen Bildes den entsprechenden Texels zugeordnet werden können.

Im Schritt S16 wird geprüft, ob weitere reale zweidimensionale Bilder vorhanden sind. Ist dies der Fall, dann geht der Verfahrensablauf auf den Schritt S12 über und das weitere reale zweidimensionale Bild wird eingelesen. Es werden dann die Schritte S12 bis S15 in gleicher Weise, wie es oben erläutert ist, ausgeführt. Es kann sein, dass mehrere reale zweidimensionale Bilder Bildpunkte 37 enthalten, welche dem gleichen Texel im Textur-Raum 36 zuzuordnen sind. Hierbei werden vorzugsweise die Farbwerte der unterschiedlichen Bildpunkte gemittelt. Es kann auch zweckmäßig sein, bei der Mittelung die oben erläuterte Gewichtung in Abhängigkeit zur Abweichung der Blickrichtung der Kamera von einer Normalen zu der Oberfläche des Objektes, an dem sich der jeweilige Bildpunkt 37 bzw. 39 befindet. Je stärker die Blickrichtung der Kamera von dieser Normalen abweicht, desto geringer ist das Gewicht, mit welcher der jeweilige Bildpunkt im Textur-Raum 36 berücksichtigt wird.

Es ist zweckmäßig, die Textur für ein Objekt aus mehreren realen zweidimensionalen Bildern zu erzeugen, da normalerweise mit einem einzelnen realen zweidimensionalen Bild nur ein Teilbereich des Textur-Raums abgedeckt werden kann. In der Regel sind Teile eines Objektes bei einem zweidimensionalen Bild verdeckt. Dies gilt vor allem für Rückseiten, Hinterschnitte und Ausnehmungen. Durch die Berücksichtigung mehrerer zweidimensionaler Bilder aus möglichst unterschiedlichen Richtungen kann eine lückenlose Textur erzeugt werden.

Ergibt die Abfrage im Schritt S16, dass kein weiteres reales zweidimensionales Bild für das Objekt vorhanden ist, dann wird im Schritt S17 die mit den Schritten S12 bis S15 erzeugte Textur auf das Objekt bzw. die 3D-Höhenkarte abgebildet. Mit dem Schritt S18 ist das Verfahren beendet.

Bei dem oben erläuterten Verfahren werden somit die Referenzierinformationen Position der Kamera, Blickrichtung und Sichtfeld zum Transformieren der Bildpunkte der realen zweidimensionalen Bilder in den Textur-Raum verwendet.

Mit den oben erläuterten Ausführungsbeispielen kann eine Unterwasserkarte erzeugt werden, welche sehr präzise die Kontur des Grundes wiedergibt und zudem durch die Verwendung der Textur naturgetreu aussieht. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Erzeugung von Unterwasserkarten beschränkt. Die Erfindung kann überall dort vorteilhaft eingesetzt werden, wo 3D-Daten eines Objekts mit hoher Präzision vorliegen. Die oben erläuterten Verfahren können z. B. in unterschiedlichen medizinischen Anwendungen eingesetzt werden. Zum Modellieren von Zähnen und Zahnimplantaten können diese z. B. mit einem Laser vermessen werden. Zweidimensionale Farbbilder von den Zähnen können mit einer speziellen Kamera aufgenommen werden, die z. B. ein optisches Winkelelement aufweist, mit welcher auch die Rückseite der Zähne erfasst werden kann. Aus den zweidimensionalen Bilddaten wird eine Textur erzeugt und auf das dreidimensionale Modell abgebildet. Hierdurch werden 3D-Daten erhalten, welche sowohl die Kontur der Zähne als auch ihr farbliches Erscheinungsbild korrekt wiedergeben.

Bezugszeichenliste

1
Abtastvorrichtung
2
Schwimmkörper
3
Tauchkörper
4
Wasseroberfläche
5
Schleppleine
6
Kabel
7
Bandpassfilter
8
Demodulator
9
A/D-Wandler
10
zentrale Steuereinrichtung
11
D/A-Wandler
12
Modulator
13
2D-Kamera
14
Grund
15
Blickrichtung
16
Beleuchtungseinrichtung
17
Speichereinrichtung
18
3D-Abtasteinrichtung
19
3D-Abtasteinrichtung
20
Blickrichtung
21
Steuerruder
22
Steuerruderstelleinrichtung
23
Stellelement
24
3D-Abtastvorrichtung
25
Blickrichtung
26
Tauchkörper-Abtastvorrichtung
27
Blickrichtung
28
Satellitennavigationseinrichtung
29
Satellit
30
Stange
31
reales zweidimensionales Bild
32
reale Kamera
33
virtuelles zweidimensionales Bild
34
virtuelle Kamera
35
Hütte
36
Textur-Raum
37
Bildpunkt des realen zweidimensionalen Bildes
38
Texel
39
Bildpunkt des virtuellen zweidimensionalen Bildes
40
Drucksensor
41
Temperatursensor
42
erster Sensorkontroller
43
Uhr
44
Hydrophon
45
zweiter Sensorkontroller
46
Sendeeinrichtung
47
Mikrokontroller
48
Schnittstelle
49
Gehäuse
50
Inertialsensor
51
GPS-Empfänger
52
Antenne
53
Uhr
54
Sendeschaltung
55
Hydroschallquelle
56
GPS-Satellit
57
Kreis
58
Ebene
59
Speichereinrichtung
60
Log-Datensatz
61
Bild-Datensatz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 5432712 [0009]
  • DE 102016106214 [0025]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • „Introduction to Photogrammetry“, T. Schenk, Department of Civil and Environmental Engineering and Geodetic Science, The Ohio State University, Autumn Quarter 2005 [0008]
  • A high resolution 3D surface construction algorithm W. E. Lorensen et al, Computer Graphics, Ausgabe 21, Nr. 4, July 1987, Seite 163–169 [0010]
  • Two Algorithms for constructing a delauny triangulation, D. T. Lee et al, International Journal of Computer and Information Science, Ausgabe 9, Nr. 3, 1980, Seite 219–242 [0010]
  • „Surface reconstruction from unorganized points“ from H. Hoppe, a dissertation, University of Washington, 1994 [0010]
  • D. T. Lee et al. (Two algorithm for constructing a delaunay triangulation) [0097]