Title:
Zweidimensionales Zwischenscannen mit einem dreidimensionalen Scanner zur Beschleunigung der Registrierung
Kind Code:
T5


Abstract:

Ein Verfahren zum Messen und Registrieren von 3D-Koordinaten veranlasst einen 3D-Scanner zum Messen einer ersten Ansammlung von 3D-Koordinaten von Punkten aus einer ersten Registrierungsposition. Der 3D-Scanner erfasst 2D-Scansätze, während die 3D-Messvorrichtung von der ersten zur zweiten Registrierungsposition verfährt. Ein Prozessor bestimmt anhand erfasster 2D-Scansätze einen ersten und einen zweiten Translationswert und einen ersten Rotationswert. Der 3D-Scanner misst eine zweite Ansammlung von 3D-Koordinaten von Punkten aus der zweiten Registrierungsposition. Der Prozessor stellt die zweite Ansammlung von Punkten im Verhältnis zur ersten Ansammlung von Punkten wenigstens teilweise anhand des ersten und zweiten Translationswertes sowie ersten Rotationswertes ein. Der Prozessor identifiziert eine Entsprechung (Korrespondenz) von Registrierungszielen in der ersten und zweiten Ansammlung von 3D-Koordinaten und verwendet diese Korrespondenz zur weiteren Anpassung der relativen Position und Orientierung der ersten und zweiten Ansammlung von 3D-Koordinaten.




Inventors:
Zweigle, Oliver (70374, Stuttgart, DE)
Becker, Bernd-Dietmar (71640, Ludwigsburg, DE)
Becker, Reinhard (71642, Ludwigsburg, DE)
Application Number:
DE112014007236T
Publication Date:
02/08/2018
Filing Date:
12/09/2014
Assignee:
FARO TECHNOLOGIES INC. (Fla., Lake Mary, US)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
OFFICE FREYLINGER S.A., Strassen, LU
Claims:
1. Dreidimensionale (3D) Messvorrichtung umfassend:
ein Prozessorsystem, das wenigstens eines der Elemente 3D-Scanner-Controller, externer Computer und auf Netzwerk-Fernzugriff ausgelegter Cloud-Computer umfasst;
einen 3D-Scanner, der eine erste Lichtquelle, eine erste strahllenkende Einheit, eine erste Winkelmessvorrichtung, eine zweite Winkelmessvorrichtung und einen ersten Lichtempfänger aufweist, wobei die erste Lichtquelle ausgelegt ist zum Emittieren eines ersten Lichtstrahls, die erste strahllenkende Einheit ausgelegt ist zum Lenken des ersten Lichtstrahls in eine erste Richtung auf einen ersten Objektpunkt, wobei die erste Richtung durch einen ersten Rotationswinkel um eine erste Achse und einen zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse bestimmt ist, die erste Winkelmessvorrichtung ausgelegt ist zum Messen des ersten Rotationswinkels und die zweite Winkelmessvorrichtung ausgelegt ist zum Messen des zweiten Rotationswinkels, der erste Lichtempfänger ausgelegt ist zum Empfangen eines ersten reflektierten Lichts, wobei das erste reflektierte Licht ein Teil des vom ersten Objektpunkt reflektierten ersten Lichtstrahls ist, wobei der erste Lichtempfänger ausgelegt ist zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals in Reaktion auf das erste reflektierte Licht, wobei der erste Lichtempfänger ausgelegt ist zum Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem, um einen ersten Abstand zum ersten Objektpunkt wenigstens teilweise anhand des ersten elektrischen Signals zu bestimmen, wobei der 3D-Scanner ausgelegt ist zum Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem, um 3D-Koordinaten des ersten Objektpunkts wenigstens teilweise anhand des ersten Abstands, des ersten Rotationswinkels und des zweiten Rotationswinkels zu bestimmen;
eine verfahrbare Plattform ausgelegt zum Tragen des 3D-Scanners;
wobei das Prozessorsystem auf ausführbare Anweisungen reagiert und, wenn diese durch das Prozessorsystem ausgeführt werden, betreibbar ist zum:
Bewirken, dass der 3D-Scanner, während er sich stationär an einer ersten Registrierungsposition befindet, mit dem Prozessorsystem zusammenwirkt, um 3D-Koordinaten einer ersten Ansammlung von Punkten auf einer Objektoberfläche zu bestimmen;
Bewirken, dass der 3D-Scanner, während er von der ersten Registrierungsposition zu einer zweiten Registrierungsposition verfährt, mit dem Prozessorsystem zusammenwirkt, um mehrere zweidimensionale (2D) Scansätze zu erzeugen, wobei jeder der mehreren 2D-Scansätze ein Satz von 2D-Koordinaten von Punkten der Objektoberfläche ist, wobei jeder der mehreren 2D-Scansätze durch den 3D-Scanner an einer von der ersten Registrierungsposition abweichenden Position erfasst wird;
Bestimmen eines ersten Translationswertes, der einer ersten Translationsrichtung entspricht, eines zweiten Translationswertes, der einer zweiten Translationsrichtung entspricht, und eines ersten Rotationswertes, der einer ersten Schwenkachse entspricht, wobei der erste Translationswert, der zweite Translationswert und der erste Rotationswert wenigstens teilweise anhand einer gemäß einem ersten mathematischen Kriterium erfolgenden Einpassung der mehreren 2D-Scansätze bestimmt werden;
Bewirken, dass der 3D-Scanner, während er sich stationär an der zweiten Registrierungsposition befindet, mit dem Prozessorsystem zusammenwirkt, um 3D-Koordinaten einer zweiten Ansammlung von Punkten auf einer Objektoberfläche zu bestimmen;
Identifizieren einer Korrespondenz von Registrierungszielen, die sowohl in der ersten Ansammlung von Punkten als auch in der zweiten Ansammlung von Punkten vorliegen, wobei die Korrespondenz wenigstens teilweise auf dem ersten Translationswert, dem zweiten Translationswert und dem ersten Rotationswert beruht; und
Bestimmen von 3D-Koordinaten einer registrierten 3D-Ansammlung von Punkten wenigstens teilweise anhand eines zweiten mathematischen Kriteriums, der bestimmten Korrespondenz der Registrierungsziele, der 3D-Koordinaten der ersten Ansammlung von Punkten und der 3D-Koordinaten der zweiten Ansammlung von Punkten.

2. 3D-Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die 3D-Messvorrichtung ferner einen Positions-/Orientierungssensor umfasst, wobei der Positions-/Orientierungssensor wenigstens einen Sensor gewählt aus der Gruppe bestehend aus Neigungsmesser, Gyroskop, Magnetometer und Höhenmesser umfasst.

3. 3D-Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die verfahrbare Plattform ein Stativ mit Rädern und Bremse ist.

4. 3D-Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste strahllenkende Einheit einen ersten Spiegel ausgelegt zum Drehen um eine horizontale Achse und einen den ersten Spiegel halternden Wagen ausgelegt zum Drehen um eine vertikale Achse umfasst, wobei die Drehung um die horizontale Achse durch einen ersten Motor angetrieben wird und die Drehung um die vertikale Achse durch einen zweiten Motor angetrieben wird.

5. 3D-Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Prozessor ferner ausgelegt ist zum Reagieren auf ein Stoppsignal zum Bewirken, dass der 3D-Scanner, während er sich stationär an der zweiten Registrierungsposition befindet, automatisch mit dem Prozessorsystem zusammenzuwirken beginnt, um 3D-Koordinaten einer zweiten Ansammlung von Punkten auf der Objektoberfläche zu bestimmen.

6. 3D-Messvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Stoppsignal in Reaktion auf ein Signal, das das Prozessorsystem vom Positions-/Orientierungssensor empfängt, erzeugt wird.

7. 3D-Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Registrierungszielen um natürliche Merkmale der Objektoberfläche handelt.

8. Verfahren zum Messen und Registrieren von dreidimensionalen (3D) Koordinaten, umfassend:
Bereitstellen einer 3D-Messvorrichtung, die ein Prozessorsystem, einen 3D-Scanner und eine verfahrbare Plattform umfasst,
wobei das Prozessorsystem wenigstens eines der Elemente 3D-Scanner-Controller, externer Computer und auf Netzwerk-Fernzugriff ausgelegter Cloud-Computer umfasst,
wobei der 3D-Scanner eine erste Lichtquelle, eine erste strahllenkende Einheit, eine erste Winkelmessvorrichtung, eine zweite Winkelmessvorrichtung und einen ersten Lichtempfänger aufweist, wobei die erste Lichtquelle ausgelegt ist zum Emittieren eines ersten Lichtstrahls, die erste strahllenkende Einheit ausgelegt ist zum Lenken des ersten Lichtstrahls in eine erste Richtung auf einen ersten Objektpunkt, wobei die erste Richtung durch einen ersten Rotationswinkel um eine erste Achse und einen zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse bestimmt ist, die erste Winkelmessvorrichtung ausgelegt ist zum Messen des ersten Rotationswinkels und die zweite Winkelmessvorrichtung ausgelegt ist zum Messen des zweiten Rotationswinkels, der erste Lichtempfänger ausgelegt ist zum Empfangen eines ersten reflektierten Lichts, wobei das erste reflektierte Licht ein Teil des vom ersten Objektpunkt reflektierten ersten Lichtstrahls ist, wobei der erste Lichtempfänger ausgelegt ist zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals in Reaktion auf das erste reflektierte Licht, wobei der erste Lichtempfänger ausgelegt ist zum Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem, um einen ersten Abstand zum ersten Objektpunkt wenigstens teilweise anhand des ersten elektrischen Signals zu bestimmen, wobei der 3D-Scanner ausgelegt ist zum Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem, um 3D-Koordinaten des ersten Objektpunkts wenigstens teilweise anhand des ersten Abstands, des ersten Rotationswinkels und des zweiten Rotationswinkels zu bestimmen;
wobei die verfahrbare Plattform ausgelegt ist zum Tragen des 3D-Scanners;
Bestimmen von 3D-Koordinaten einer ersten Ansammlung von Punkten auf einer Objektoberfläche mit dem Prozessorsystem im Zusammenwirken mit dem 3D-Scanner, während sich der 3D-Scanner stationär an einer ersten Registrierungsposition befindet;
Erzeugen mehrerer zweidimensionaler (2D) Scansätze durch den Scanner im Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem, wobei jeder der mehreren 2D-Scansätze ein Satz von 2D-Koordinaten von Punkten der Objektoberfläche ist, der erfasst wird, während der 3D-Scanner von der ersten Registrierungsposition zu einer zweiten Registrierungsposition verfährt, wobei jeder der mehreren 2D-Scansätze durch den 3D-Scanner an einer von der ersten Registrierungsposition abweichenden Position erfasst wird;
Bestimmen eines ersten Translationswertes, der einer ersten Translationsrichtung entspricht, eines zweiten Translationswertes, der einer zweiten Translationsrichtung entspricht, und eines ersten Rotationswertes, der einer ersten Schwenkachse entspricht, durch das Prozessorsystem, wobei der erste Translationswert, der zweite Translationswert und der erste Rotationswert wenigstens teilweise anhand einer gemäß einem ersten mathematischen Kriterium erfolgenden Einpassung der mehreren 2D-Scansätze bestimmt werden;
Bestimmen von 3D-Koordinaten einer zweiten Ansammlung von Punkten auf der Objektoberfläche mit dem Prozessorsystem im Zusammenwirken mit dem 3D-Scanner, während sich der 3D-Scanner stationär an der zweiten Registrierungsposition befindet;
Identifizieren einer Korrespondenz von Registrierungszielen, die sowohl in der ersten Ansammlung von Punkten als auch in der zweiten Ansammlung von Punkten vorliegen, durch das Prozessorsystem, wobei die Korrespondenz wenigstens teilweise auf dem ersten Translationswert, dem zweiten Translationswert und dem ersten Rotationswert beruht;
Bestimmen von 3D-Koordinaten einer registrierten 3D-Ansammlung von Punkten wenigstens teilweise anhand eines zweiten mathematischen Kriteriums, der Korrespondenz von Registrierungszielen, der 3D-Koordinaten der ersten Ansammlung von Punkten und der 3D-Koordinaten der zweiten Ansammlung von Punkten; und
Speichern der 3D-Koordinaten der registrierten 3D-Ansammlung von Punkten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Element des Bereitstellens einer 3D-Messvorrichtung, die ein Prozessorsystem, einen 3D-Scanner und eine verfahrbare Plattform umfasst, die 3D-Messvorrichtung ferner einen Positions-/Orientierungssensor umfasst, wobei der Positions-/Orientierungssensor wenigstens einen Sensor gewählt aus der Gruppe bestehend aus Neigungsmesser, Gyroskop, Magnetometer und Höhenmesser umfasst.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Element des Bereitstellens einer 3D-Messvorrichtung, die ein Prozessorsystem, einen 3D-Scanner und eine verfahrbare Plattform umfasst, die verfahrbare Plattform ein Stativ mit Rädern und Bremse ist.

11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei:
im Element des Bereitstellens einer 3D-Messvorrichtung, die ein Prozessorsystem, einen 3D-Scanner und eine verfahrbare Plattform umfasst, die verfahrbare Plattform ferner dazu ausgelegt ist, sich über eine horizontale Ebene zu bewegen; und
im Element des Erzeugens mehrerer 2D-Scansätze durch den 3D-Scanner im Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem die 2D-Scansätze in einer Ebene liegen, die parallel zur horizontalen Ebene ist, über die sich die verfahrbare Plattform bewegt.

12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Element des Bereitstellens einer 3D-Messvorrichtung, die ein Prozessorsystem, einen 3D-Scanner und eine verfahrbare Plattform umfasst, die erste strahllenkende Einheit einen ersten Spiegel ausgelegt zum Drehen um eine horizontale Achse und einen den ersten Spiegel halternden Wagen umfasst, wobei der Wagen zum Drehen um eine vertikale Achse ausgelegt ist, wobei die Drehung um die horizontale Achse durch einen ersten Motor angetrieben wird und die Drehung um die vertikale Achse durch einen zweiten Motor angetrieben wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei im Element des Erzeugens mehrerer 2D-Scansätze durch den 3D-Scanner im Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem der erste Spiegel sich um die vertikale Achse dreht, während die horizontale Achse fixiert gehalten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Element des Bestimmens von 3D-Koordinaten einer zweiten Ansammlung von Punkten am Objekt mit dem Prozessorsystem im Zusammenwirken mit dem 3D-Scanner der Prozessor ferner ausgelegt ist zum Reagieren auf ein Stoppsignal, um zu bewirken, dass der 3D-Scanner automatisch mit der Messung der zweiten Ansammlung von Punkten beginnt.

15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei im Element des Bestimmens von 3D-Koordinaten einer zweiten Ansammlung von Punkten am Objekt mit dem Prozessorsystem im Zusammenwirken mit dem 3D-Scanner das Stoppsignal in Reaktion auf ein Signal, das das Prozessorsystem vom Positions-/Orientierungssensor empfängt, erzeugt wird.

Description:
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 27. September 2013 eingereichten internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/IB2013/003082, die den Vorteil der am 5. Oktober 2012 eingereichten deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2012 109 481.0 und der am 22. Oktober 2012 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 61/716845 beansprucht, die sämtlich hier vollumfänglich in Bezug genommen werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

US-Patent Nr. 8705016 (’016) beschreibt einen Laserscanner, der durch Verwendung eines drehbaren Spiegels einen Lichtstrahl in seine Umgebung emittiert, um eine dreidimensionale Abtastung (3D-Scan) zu erzeugen. Der Inhalt dieses Patents wird hier vollumfänglich in Bezug genommen.

Der hier offenbarte Gegenstand bezieht sich auf die Verwendung einer 3D-Laserscanner-Time-of-Flight(TOF)-Koordinatenmessvorrichtung. Ein 3D-Lasercanner dieser Art lenkt einen Lichtstrahl zu einem nichtkooperativen Ziel wie zu einer diffus streuenden Oberfläche eines Objekts. Ein Distanzmesser in der Vorrichtung misst einen Abstand zum Objekt, und Winkelgeber messen die Rotationswinkel von zwei Achsen in der Vorrichtung. Der gemessene Abstand und die beiden gemessenen Winkel ermöglichen einem Prozessor in der Vorrichtung das Bestimmen der 3D-Koordinaten des Ziels.

Ein TOF-Laserscanner ist ein Scanner, in dem der Abstand zu einem Zielpunkt anhand der Lichtgeschwindigkeit in der Luft zwischen dem Scanner und einem Zielpunkt bestimmt wird. Laserscanner werden typischerweise zum Abscannen von geschlossenen oder offenen Räumen wie Innenbereichen von Gebäuden, Industrieanlagen und Tunneln verwendet. Sie können zum Beispiel in industriellen Anwendungen und in Anwendungen zur Unfallrekonstruktion verwendet werden. Durch einen Laserscanner erfolgt eine optische Abtastung und Messung von Objekten in einem den Scanner umgebenden Volumen durch das Erfassen von Datenpunkten, die Objektoberflächen innerhalb des Volumens darstellen. Derartige Datenpunkte werden durch Senden eines Lichtstrahls zu den Objekten und Erfassen des reflektierten oder gestreuten Lichts erhalten, um den Abstand, zwei Winkel (d. h. einen Azimut- und einen Zenitwinkel) und optional einen Graustufenwert zu bestimmen. Diese Scanrohdaten werden erfasst, gespeichert und an einen oder mehrere Prozessoren gesendet, um ein 3D-Bild zu erzeugen, das den gescannten Bereich oder das gescannte Objekt darstellt.

Zum Erzeugen eines Bildes sind mindestens drei Werte je Datenpunkt erforderlich. Diese drei Werte können den Abstand und zwei Winkel umfassen oder können transformierte Werte sein, wie die Koordinaten x, y, z. In einer Ausführungsform basiert ein Bild zudem auf einem vierten, einem Graustufenwert, der ein Wert bezogen auf die Beleuchtungsstärke eines zum Scanner zurückkehrendem Streulichts ist.

Bei den meisten TOF-Scannern erfolgt die Ausrichtung des Lichtstrahls im Messvolumen durch Lenkung des Lichts mit meinem Strahllenkungsmechanismus. Der Strahllenkungsmechanismus umfasst einen ersten Motor, der den Lichtstrahl in einem ersten Winkel, der von einem ersten Winkelgeber (oder anderen Winkelmessumformer) gemessen wird, um eine erste Achse lenkt. Der Strahllenkungsmechanismus umfasst auch einen zweiten Motor, der den Lichtstrahl in einem zweiten Winkel, der von einem zweiten Winkelgeber (oder anderen Winkelmessumformer) gemessen wird, um eine zweite Achse lenkt.

Viele derzeitige Laserscanner umfassen eine am Laserscanner befestigte Kamera zur Erfassung von digitalen Kamerabildern der Umgebung und zur Darstellung der digitalen Kamerabilder für einen Bediener des Laserscanners. Durch Betrachten der Kamerabilder kann der Bediener des Scanners das Sichtfeld des gemessenen Volumens bestimmen und Einstellungen am Laserscanner verändern, um eine größere oder kleinere Raumregion zu vermessen. Darüber hinaus können die digitalen Kamerabilder an einen Prozessor gesendet werden, um dem Scannerbild Farbe hinzuzufügen. Zur Erzeugung eines Scannerfarbbildes werden mindestens drei Positionskoordinaten (wie x, y, z) und drei Farbwerte (wie rot, grün, blau „RGB“) je Datenpunkt erfasst.

Für ein 3D-Bild einer Szene kann es erforderlich sein, mehrere Scans aus unterschiedlichen Registrierungspositionen durchzuführen. Die überlappenden Scans werden in einem gemeinsamen Koordinatensystem registriert, zum Beispiel wie in der veröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. 2012/0069352 (’352) beschrieben, deren Inhalte hierdurch in Bezug genommen werden. Diese Registrierung erfolgt durch den Abgleich (Matching) von Zielen in überlappenden Regionen der mehreren Scans. Die Ziele können künstliche Ziele wie Kugeln oder Schachbrettelemente sein oder können natürliche Merkmale wie Ecken oder Kanten von Wänden sein. Zu einigen Registrierungsverfahren gehören relativ zeitaufwändige manuelle Arbeitsgänge wie das Identifizieren jedes einzelnen Ziels durch einen Nutzer und das Matching der Ziele, die vom Scanner in den verschiedenen Registrierungspositionen jeweils aufgenommen werden. Einige Registrierungsverfahren erfordern auch die Errichtung eines externen „Kontrollnetzes“ von Registrierungszielen, die durch eine externe Einrichtung wie eine Totalstation vermessen werden. Das in ’352 offenbarte Registrierungsverfahren eliminiert die Notwendigkeit des Matching von Registrierungszielen durch einen Nutzer und der Herstellung eines Kontrollnetzes.

Aber auch mit den durch die Verfahren von ’352 bereitgestellten Vereinfachungen ist es nach wie vor schwierig, auf einen Nutzer zur Ausführung der manuellen Registrierungsschritte, wie oben beschrieben, zu verzichten. In einem typischen Fall können nur 30 % der 3D-Scans automatisch in Bezug zu aus anderen Registrierungspositionen aufgenommenen Scans registriert werden. Heute wird eine derartige Registrierung selten am Ort der 3D-Messung ausgeführt, sondern in einem Büro im Anschluss an das Scanverfahren. Ein Projekt, für das eine Woche gescannt werden muss, erfordert typischerweise zwei bis fünf Tage für die manuelle Registrierung der mehreren Scans. Das kommt zu den Kosten des Scanning-Projektes hinzu. Außerdem zeigt sich manchmal beim manuellen Registrierungsvorgang, dass die Überlappung benachbarter Scans für eine sachgerechte Registrierung nicht ausreichend war. In anderen Fällen kann es sich beim manuellen Registrierungsprozess erweisen, dass bestimmte Abschnitte der Scan-Umgebung ausgelassen wurden. Bei Auftreten derartiger Probleme muss der Bediener an den Standort zurück, um zusätzliche Scans aufzunehmen. In einigen Fällen ist eine Rückkehr zu einem Standort nicht möglich. So kann es sein, dass das Betreten eines Gebäudes, das zu einem bestimmten Zeitpunkt für das Scannen zugänglich war, zu einem späteren Zeitpunkt unmöglich ist. Ein forensischer Schauplatz eines Verkehrsunfalls oder Tatort eines Tötungsverbrechens steht oft nur für eine kurze Zeitdauer nach dem Vorfall für die Durchführung von Scans zur Verfügung.

Obwohl bestehende 3D-Scanner für ihren bestimmungsgemäßen Gebrauch durchaus geeignet sind, fehlt es also an einem 3D-Scanner mit bestimmten Ausführungsmerkmalen der vorliegenden Erfindung.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine dreidimensionale (3D) Messvorrichtung bereitgestellt, umfassend: ein Prozessorsystem, das wenigstens eines der Elemente 3D-Scanner-Controller, externer Computer und auf Netzwerk-Fernzugriff ausgelegter Cloud-Computer umfasst; einen 3D-Scanner, der eine erste Lichtquelle, eine erste strahllenkende Einheit, eine erste Winkelmessvorrichtung, eine zweite Winkelmessvorrichtung und einen ersten Lichtempfänger aufweist, wobei die erste Lichtquelle ausgelegt ist zum Emittieren eines ersten Lichtstrahls, die erste strahllenkende Einheit ausgelegt ist zum Lenken des ersten Lichtstrahls in eine erste Richtung auf einen ersten Objektpunkt, wobei die erste Richtung durch einen ersten Rotationswinkel um eine erste Achse und einen zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse bestimmt ist, die erste Winkelmessvorrichtung ausgelegt ist zum Messen des ersten Rotationswinkels und die zweite Winkelmessvorrichtung ausgelegt ist zum Messen des zweiten Rotationswinkels, der erste Lichtempfänger ausgelegt ist zum Empfangen eines ersten reflektierten Lichts, wobei das erste reflektierte Licht ein Teil des vom ersten Objektpunkt reflektierten ersten Lichtstrahls ist, wobei der erste Lichtempfänger ausgelegt ist zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals in Reaktion auf das erste reflektierte Licht, wobei der erste Lichtempfänger ausgelegt ist zum Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem, um einen ersten Abstand zum ersten Objektpunkt wenigstens teilweise anhand des ersten elektrischen Signals zu bestimmen, wobei der 3D-Scanner ausgelegt ist zum Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem, um 3D-Koordinaten des ersten Objektpunkts wenigstens teilweise anhand des ersten Abstands, des ersten Rotationswinkels und des zweiten Rotationswinkels zu bestimmen; eine verfahrbare Plattform ausgelegt zum Tragen des 3D-Scanners; wobei das Prozessorsystem auf ausführbare Anweisungen reagiert und, wenn diese durch das Prozessorsystem ausgeführt werden, betreibbar ist zum: Bewirken, dass der 3D-Scanner, während er sich stationär an einer ersten Registrierungsposition befindet, mit dem Prozessorsystem zusammenwirkt, um 3D-Koordinaten einer ersten Ansammlung von Punkten auf einer Objektoberfläche zu bestimmen; Bewirken, dass der 3D-Scanner, während er von der ersten Registrierungsposition zu einer zweiten Registrierungsposition verfährt, mit dem Prozessorsystem zusammenwirkt, um mehrere zweidimensionale (2D) Scansätze zu erzeugen, wobei jeder der mehreren 2D-Scansätze ein Satz von 2D-Koordinaten von Punkten der Objektoberfläche ist, wobei jeder der mehreren 2D-Scansätze durch den 3D-Scanner an einer von der ersten Registrierungsposition abweichenden Position erfasst wird; Bestimmen eines ersten Translationswertes, der einer ersten Translationsrichtung entspricht, eines zweiten Translationswertes, der einer zweiten Translationsrichtung entspricht, und eines ersten Rotationswertes, der einer ersten Schwenkachse entspricht, wobei der erste Translationswert, der zweite Translationswert und der erste Rotationswert wenigstens teilweise anhand einer gemäß einem ersten mathematischen Kriterium erfolgenden Einpassung der mehreren 2D-Scansätze bestimmt werden; Bewirken, dass der 3D-Scanner, während er sich stationär an der zweiten Registrierungsposition befindet, mit dem Prozessorsystem zusammenwirkt, um 3D-Koordinaten einer zweiten Ansammlung von Punkten auf einer Objektoberfläche zu bestimmen; Identifizieren einer Korrespondenz von Registrierungszielen, die sowohl in der ersten Ansammlung von Punkten als auch in der zweiten Ansammlung von Punkten vorliegen, wobei die Korrespondenz wenigstens teilweise auf dem ersten Translationswert, dem zweiten Translationswert und dem ersten Rotationswert beruht; und Bestimmen von 3D-Koordinaten einer registrierten 3D-Ansammlung von Punkten wenigstens teilweise anhand eines zweiten mathematischen Kriteriums, der bestimmten Korrespondenz der Registrierungsziele, der 3D-Koordinaten der ersten Ansammlung von Punkten und der 3D-Koordinaten der zweiten Ansammlung von Punkten.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen und Registrieren von dreidimensionalen (3D) Koordinaten bereitgestellt, umfassend: Bereitstellen einer 3D-Messvorrichtung, die ein Prozessorsystem, einen 3D-Scanner und eine verfahrbare Plattform umfasst, wobei das Prozessorsystem wenigstens eines der Elemente 3D-Scanner-Controller, externer Computer und auf Netzwerk-Fernzugriff ausgelegter Cloud-Computer umfasst, wobei der 3D-Scanner eine erste Lichtquelle, eine erste strahllenkende Einheit, eine erste Winkelmessvorrichtung, eine zweite Winkelmessvorrichtung und einen ersten Lichtempfänger aufweist, wobei die erste Lichtquelle ausgelegt ist zum Emittieren eines ersten Lichtstrahls, die erste strahllenkende Einheit ausgelegt ist zum Lenken des ersten Lichtstrahls in eine erste Richtung auf einen ersten Objektpunkt, wobei die erste Richtung durch einen ersten Rotationswinkel um eine erste Achse und einen zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse bestimmt ist, die erste Winkelmessvorrichtung ausgelegt ist zum Messen des ersten Rotationswinkels und die zweite Winkelmessvorrichtung ausgelegt ist zum Messen des zweiten Rotationswinkels, der erste Lichtempfänger ausgelegt ist zum Empfangen eines ersten reflektierten Lichts, wobei das erste reflektierte Licht ein Teil des vom ersten Objektpunkt reflektierten ersten Lichtstrahls ist, wobei der erste Lichtempfänger ausgelegt ist zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals in Reaktion auf das erste reflektierte Licht, wobei der erste Lichtempfänger ausgelegt ist zum Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem, um einen ersten Abstand zum ersten Objektpunkt wenigstens teilweise anhand des ersten elektrischen Signals zu bestimmen, wobei der 3D-Scanner ausgelegt ist zum Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem, um 3D-Koordinaten des ersten Objektpunkts wenigstens teilweise anhand des ersten Abstands, des ersten Rotationswinkels und des zweiten Rotationswinkels zu bestimmen; wobei die verfahrbare Plattform ausgelegt ist zum Tragen des 3D-Scanners; Bestimmen von 3D-Koordinaten einer ersten Ansammlung von Punkten auf einer Objektoberfläche mit dem Prozessorsystem im Zusammenwirken mit dem 3D-Scanner, während sich der 3D-Scanner stationär an einer ersten Registrierungsposition befindet; Erzeugen mehrerer zweidimensionaler (2D) Scansätze durch den Scanner im Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem, wobei jeder der mehreren 2D-Scansätze ein Satz von 2D-Koordinaten von Punkten der Objektoberfläche ist, der erfasst wird, während der 3D-Scanner von der ersten Registrierungsposition zu einer zweiten Registrierungsposition verfährt, wobei jeder der mehreren 2D-Scansätze durch den 3D-Scanner an einer von der ersten Registrierungsposition abweichenden Position erfasst wird; Bestimmen eines ersten Translationswertes, der einer ersten Translationsrichtung entspricht, eines zweiten Translationswertes, der einer zweiten Translationsrichtung entspricht, und eines ersten Rotationswertes, der einer ersten Schwenkachse entspricht, durch das Prozessorsystem, wobei der erste Translationswert, der zweite Translationswert und der erste Rotationswert wenigstens teilweise anhand einer gemäß einem ersten mathematischen Kriterium erfolgenden Einpassung der mehreren 2D-Scansätze bestimmt werden; Bestimmen von 3D-Koordinaten einer zweiten Ansammlung von Punkten auf der Objektoberfläche mit dem Prozessorsystem im Zusammenwirken mit dem 3D-Scanner, während sich der 3D-Scanner stationär an der zweiten Registrierungsposition befindet; Identifizieren einer Korrespondenz von Registrierungszielen, die sowohl in der ersten Ansammlung von Punkten als auch in der zweiten Ansammlung von Punkten vorliegen, durch das Prozessorsystem, wobei die Korrespondenz wenigstens teilweise auf dem ersten Translationswert, dem zweiten Translationswert und dem ersten Rotationswert beruht; Bestimmen von 3D-Koordinaten einer registrierten 3D-Ansammlung von Punkten wenigstens teilweise anhand eines zweiten mathematischen Kriteriums, der Korrespondenz von Registrierungszielen, der 3D-Koordinaten der ersten Ansammlung von Punkten und der 3D-Koordinaten der zweiten Ansammlung von Punkten; und Speichern der 3D-Koordinaten der registrierten 3D-Ansammlung von Punkten.

Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in zusammenhängender Betrachtung mit den Figuren deutlicher.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Der als Erfindung betrachtete Gegenstand wird in den Ansprüchen im Anschluss an die Beschreibung besonders herausgestellt und eindeutig beansprucht. Die vorgenannten und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in zusammenhängender Betrachtung mit den begleitenden Figuren deutlich, wobei gilt:

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Laserscanners gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

2 ist eine Seitenansicht des Laserscanners zur Veranschaulichung eines Messverfahrens;

3 ist eine schematische Darstellung der optischen, mechanischen und elektrischen Bauteile des Laserscanners;

4 zeigt eine Flächenansicht eines 3D-Scanbildes;

5 zeigt eine Ausführungsform einer durch Abbildung einer Flächenansicht auf eine Kugel erzeugte Panoramaansicht eines 3D-Scanbildes;

Die 6A, 6B und 6C zeigen Ausführungsformen einer 3D-Ansicht eines 3D-Scanbildes;

7 zeigt eine Ausführungsform einer aus einem Bild des Objekts von 6B bestehenden, aber aus einer unterschiedlichen Perspektive betrachteten und nur teilweise dargestellten 3D-Ansicht;

8A ist eine perspektivische Ansicht einer 3D-Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;

8B ist eine Vorderansicht eines zum Erfassen von 3D-Koordinatendaten verwendeten 3D-Scanners während des Scannens entlang einer horizontalen Ebene gemäß einer Ausführungsform;

9 ist ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Prozessorsystems gemäß einer Ausführungsform;

10 ist eine schematische Darstellung eines 3D-Scanners, der ein Objekt aus zwei Registrierungspositionen misst, gemäß einer Ausführungsform;

11 ist eine schematische Darstellung eines 3D-Scanners beim Messen eines Objekts aus mehreren Zwischenpositionen durch Scannen entlang einer horizontalen Ebene gemäß einer Ausführungsform;

12 zeigt einen 3D-Scanner beim Erfassen von Teilabschnitten des Objekts aus mehreren Positionen durch Scannen entlang einer horizontalen Ebene gemäß einer Ausführungsform;

13 zeigt den 3D-Scanner beim Erfassen von Teilabschnitten des Objekts aus mehreren Positionen durch Scannen entlang einer horizontalen Ebene, aus Sicht eines Bezugsrahmens des 3D-Scanners, gemäß einer Ausführungsform;

Die 14A und 14B veranschaulicht ein Verfahren zum Feststellen zeitabhängiger Änderungen von Position und Ausrichtung des 3D-Scanners gemäß einer Ausführungsform; und

15 umfasst Schritte in einem Verfahren zum Messen und Registrieren von 3D-Koordinaten mit einer 3D-Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.

Die detaillierte Beschreibung erläutert beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Vorteilen und Merkmalen unter Verweis auf die Figuren.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die einen 3D-Scanner umfasst, der in zwei Betriebsarten verwendet wird, in einer ersten Betriebsart, bei der 3D-Koordinaten einer Objektoberfläche über Punkte einer 3D-Raumregion erzeugt werden, und einer zweiten Betriebsart, bei der 3D-Koordinaten einer Objektoberfläche entlang einer horizontalen Ebene erfasst werden, wobei die zwei Betriebsarten des 3D-Scanners zusammen verwendet werden, um eine automatische Registrierung von 3D-Scans über eine 3D-Raumregion bereitzustellen, worin mehr als ein Scan von 3D-Raumregionen erfasst sind.

Unter Verweis auf die 1 bis 3 wird ein Laserscanner 20 für das optische Abtasten und Messen der Umgebung des Laserscanners 20 dargestellt. Der Laserscanner 20 verfügt über einen Messkopf 22 und einen Sockel 24. Der Messkopf 22 ist am Sockel 24 so befestigt, dass der Laserscanner 20 um eine vertikale Achse 23 gedreht werden kann. In einer Ausführungsform umfasst der Messkopf 22 einen Schwenkpunkt 27, der ein Drehzentrum um die vertikale Achse 23 und eine horizontale Achse 25 ist. Der Messkopf 22 weist einen Rotationsspiegel 26 auf, der um die horizontale Achse 25 gedreht werden kann. Die Rotation um die vertikale Achse kann um den Mittelpunkt des Sockels 24 erfolgen. Die Begriffe vertikale Achse und horizontale Achse beziehen sich auf den Scanner in seiner aufrechten Normalstellung. Eine 3D-Koordinatenmessvorrichtung lässt sich in Seitenlage oder kopfüber betreiben, und zur Vermeidung von Verwechslungen sei angemerkt, dass die Begriffe Azimutachse und Zenitachse ersatzweise für die Begriffe vertikale Achse bzw. horizontale Achse stehen können. Als Alternativbezeichnung der vertikalen Achse kann auch Schwenkachse oder stehende Achse verwendet werden.

Der Messkopf 22 ist weiterhin versehen mit einem elektromagnetischen Strahlungsemitter wie zum Beispiel einem Lichtsender 28, der einen emittierten Lichtstrahl 30 sendet. In einer Ausführungsform ist der emittierte Lichtstrahl 30 ein kohärenter Lichtstrahl wie ein Laserstrahl. Der Laserstrahl kann einen Wellenlängenbereich von ca. 300 bis 1600 Nanometer, zum Beispiel 790 Nanometer, 905 Nanometer, 1550 nm oder unter 400 Nanometer aufweisen. Es ist darauf hinzuweisen, dass auch andere elektromagnetische Strahlen mit größeren oder kleineren Wellenlängen verwendet werden können. Der emittierte Lichtstrahl 30 wird amplituden- oder intensitätsmoduliert, zum Beispiel mit einer sinusförmigen Wellenform oder mit einer rechteckigen Wellenform. Der emittierte Lichtstrahl 30 wird vom Lichtsender 28 zum Rotationsspiegel 26 abgestrahlt, wo er in die Umgebung abgelenkt wird. Ein reflektierter Lichtstrahl 32 wird aus der Umgebung von einem Objekt 34 reflektiert. Das reflektierte oder gestreute Licht wird vom Rotationsspiegel 26 aufgefangen und in einen Lichtempfänger 36 gelenkt. Die Richtungen des emittierten Lichtstrahls 30 und des reflektierten Lichtstrahls 32 ergeben sich aus den Winkelpositionen des Rotationsspiegels 26 und des Messkopfs 22 an den Achsen 25 bzw. 23. Diese Winkelpositionen hängen ihrerseits von den entsprechenden Drehantrieben oder Motoren ab.

Mit dem Lichtsender 28 und dem Lichtempfänger 36 ist ein Steuergerät (Controller) 35 gekoppelt. Der Controller 38 bestimmt für eine Mehrzahl von Messpunkten X eine entsprechende Anzahl von Abständen d zwischen dem Laserscanner 20 und den Punkten X am Objekt 34. Der Abstand zu einem speziellen Punkt X wird, zumindest teilweise, durch die Geschwindigkeit des Lichts in der Luft bestimmt, durch die sich elektromagnetische Strahlung von der Vorrichtung zum Objektpunkt X ausbreitet. In einer Ausführungsform wird die Phasenverschiebung der Modulation im vom Laserscanner 20 emittierten Licht und Punkt X bestimmt und ausgewertet, um einen gemessenen Abstand d zu ermitteln.

Die Geschwindigkeit des Lichts in der Luft ist abhängig von den Eigenschaften der Luft wie der Lufttemperatur, dem Luftdruck, der relativen Feuchtigkeit und der Konzentration an Kohlenstoffdioxid. Diese Lufteigenschaften beeinflussen den Brechungsindex n der Luft. Die Geschwindigkeit des Lichts in der Luft ist gleich der Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum c dividiert durch den Brechungsindex. Das heißt: cLuft = c/n. Ein Laserscanner der hier erörterten Art basiert auf der Laufzeit (time-of-flight, kurz TOF) des Lichts in der Luft (Gesamtlaufzeit des Lichts für die Strecke von der Vorrichtung zum Objekt und zurück zur Vorrichtung). Beispiele für TOF-Scanner sind Scanner, welche die Gesamtlaufzeit mit Hilfe des Zeitintervalls zwischen emittierten und zurückkehrenden Impulsen verwenden (gepulste TOF-Scanner), Scanner, die Licht sinusförmig modulieren und die Phasenverschiebung des zurückkehrenden Lichts messen (phasenbasierte Scanner), sowie viele andere Arten. Ein Verfahren der Abstandsmessung anhand der Lichtlaufzeit hängt von der Lichtgeschwindigkeit in der Luft ab und unterscheidet sich dadurch grundsätzlich von Verfahren der Abstandsmessung durch Triangulation. Triangulationsbasierte Verfahren arbeiten damit, dass Licht aus einer Lichtquelle entlang einer speziellen Richtung projiziert wird und das Licht dann entlang einer speziellen Richtung an einem Kamerapixel aufgefangen wird. Durch Kenntnis des Abstands zwischen Kamera und Projektor und Matching-Abgleich eines projizierten Winkels mit einem empfangenen Winkel gestattet das Triangulationsverfahren die Bestimmung des Abstands zum Objekt ausgehend von einer bekannten Länge und zwei bekannten Winkeln eines Dreiecks. Das Triangulationsverfahren ist deshalb nicht unmittelbar abhängig von der Lichtgeschwindigkeit in der Luft.

In einer Betriebsart erfolgt das Scannen des den Laserscanner 20 umgebenden Volumens durch relativ schnelles Drehen des Rotationsspiegels 26 um die Achse 25 bei gleichzeitigem relativ langsamen Drehen des Messkopfs 22 um Achse 23, wodurch die Anordnung in einem spiralen Muster bewegt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform dreht sich der Rotationsspiegel mit einer maximalen Drehzahl von 5820 Umdrehungen pro Minute. Für einen derartigen Scan definiert der Schwenkpunkt 27 den Ursprung des örtlichen stationären Referenzsystems. Der Sockel 24 verbleibt in diesem örtlichen stationären Referenzsystem.

Zusätzlich zum Messen eines Abstands d vom Schwenkpunkt 27 zu einem Objektpunkt X kann der Scanner 20 auch Graustufeninformation in Bezug auf die empfangene optische Leistung (entspricht dem Begriff der „Helligkeit“) erfassen. Der Graustufenwert kann wenigstens zum Teil beispielsweise durch Integration des bandpassgefilterten verstärkten Signals im Lichtempfänger 36 über eine dem Objektpunkt X zugewiesene Messperiode bestimmt werden.

Der Messkopf 22 kann eine in den Laserscanner 20 integrierte Anzeigevorrichtung 40 umfassen. Die Anzeigevorrichtung 40 kann, wie in 1 dargestellt, einen grafischen Tastbildschirm (Touchscreen) 41 umfassen, der dem Bediener das Einstellen der Parameter bzw. das Auslösen des Betriebs des Laserscanners 20 ermöglicht. Der Bildschirm 41 kann zum Beispiel eine Nutzerschnittstelle aufweisen, durch die der Bediener die Vorrichtung mit Messanweisungen versorgen kann, und der Bildschirm kann auch Messergebnisse anzeigen.

Der Laserscanner 20 umfasst eine Tragstruktur 42, die einen Rahmen für den Messkopf 22 und eine Plattform für die Anbringung der Bauteile des Laserscanners 20 bereitstellt. In einer Ausführungsform ist die Tragstruktur 42 aus einem Metall wie Aluminium gefertigt. Die Tragstruktur 42 umfasst ein Querelement (Traverse) 44, das paarige Wände 46, 48 an entgegengesetzten Enden aufweist. Die Wände 46, 48 sind parallel zueinander und erstrecken sich in eine Richtung entgegengesetzt zum Sockel 24. Gehäuseschalen 50, 52 sind mit den Wänden 46, 48 verbunden und decken die Bauteile des Laserscanners 20 ab. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Gehäuseschalen 50, 52 aus einem Kunststoff wie zum Beispiel Polycarbonat oder Polyethylen gefertigt. Die Gehäuseschalen 50, 52 wirken mit den Wänden 46, 48 zusammen und bilden so eine Umhausung für den Laserscanner 20.

An einem Ende der Gehäuseschalen 50, 52 sind entgegengesetzt zu den Wänden 46, 48 paarige Bügel 54, 56 angeordnet, welche die jeweiligen Gehäuseschalen 50, 52 teilweise abdecken. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Bügel 54, 56 aus einem geeignet haltbaren Material wie beispielsweise Aluminium gefertigt, das zum Schutz der Schalengehäuse 50, 52 während des Transports und Betriebs beiträgt. Die Bügel 54, 56 umfassen jeweils einen ersten Armabschnitt 58, der an der Traverse 44 angrenzend zum Sockel 24 angebracht ist, beispielsweise mit einem Verbinder. Der Armabschnitt 58 des jeweiligen Bügels 54, 56 verläuft ausgehend von der Traverse 44 schräg zu einer Außenecke der jeweiligen Gehäuseschale 50, 54. Von der Außenecke der Gehäuseschale aus verlaufen die Bügel 54, 56 an der Seitenkante der Gehäuseschale entlang zu einer entgegengesetzten Außenecke der Gehäuseschale. Jeder Bügel 54, 56 weist ferner einen zweiten Armabschnitt auf, der sich schräg zu den Wänden 46, 48 erstreckt. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Bügel 54, 56 mit der Traverse 42, den Wänden 46, 48 und den Gehäuseschalen 50, 54 an mehreren Stellen verbunden sein können.

Die paarigen Bügel 54, 56 umspannen im Zusammenwirken einen konvexen Raum, in dem die beiden Gehäuseschalen 50, 52 angeordnet sind. In der beispielhaften Ausführungsform wirken die Bügel 54, 56 so zusammen, dass sie sämtliche Außenkanten der Gehäuseschalen 50, 54 abdecken, während die oberen und unteren Armabschnitte mindestens teilweise über die oberen und unteren Kanten der Gehäuseschalen 50, 52 überstehen. Dies gewährleistet Vorteile beim Schutz der Gehäuseschalen 50, 52 und des Messkopfes 22 vor Beschädigungen im Transport und Betrieb. In anderen Ausführungsformen können die Bügel 54, 56 zusätzliche Merkmale aufweisen, wie Griffe zur besseren Tragbarkeit des Laserscanners 20 oder Befestigungspunkte zum Beispiel für Zubehör.

Auf der Oberseite der Traverse 44 ist ein Prisma 60 vorgesehen. Das Prisma verläuft parallel zu den Wänden 46, 48. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Prisma 60 als integraler Teil der Tragstruktur 42 ausgebildet. In anderen Ausführungsformen ist das Prisma 60 als separates Bauteil an der Traverse 44 angebracht. Wenn sich der Spiegel 26 dreht, richtet der Spiegel 26 bei jeder Umdrehung den emittierten Lichtstrahl 30 auf die Traverse 44 und das Prisma 60 aus. Aufgrund von Nichtlinearitäten in den elektronischen Bauteilen, zum Beispiel im Lichtempfänger 36, können die gemessenen Abstände d von einer Signalstärke abhängen, die zum Beispiel als in den Scanner eintretende optische Leistung oder als in optische Detektoren des Lichtempfängers 36 eintretende optische Leistung gemessen werden können. In einer Ausführungsform wird im Scanner eine Abstandskorrektur in Abhängigkeit (möglicherweise nichtlinearer Abhängigkeit) vom Abstand zu einem Messpunkt und von einer vom Messpunkt zurückkommenden und an einen optischen Detektor im Lichtempfänger 36 gesendeten optischen Leistung (im Allgemeinen eine unskalierte Lichtleistungsgröße, die mitunter als „Helligkeit“ bezeichnet wird) gespeichert. Da das Prisma 60 sich in einem bekannten Abstand zum Schwenkpunkt 27 befindet, kann der gemessene optische Leistungspegel des vom Prisma 60 reflektierten Lichts zur Korrektur von Abstandsmessungen für andere Messpunkte verwendet werden und ermöglicht dadurch eine Korrektur zur Kompensation der Einflüsse von Umweltgrößen wie der Temperatur. In der beispielhaften Ausführungsform wird die sich ergebende Abstandskorrektur vom Controller 38 ausgeführt.

In einer Ausführungsform ist der Sockel 24 versehen mit einer Schwenkanordnung (nicht dargestellt) wie der Schwenkanordnung, die im hier in Bezug genommenen, in gemeinsamem Besitz befindlichen US-Patent Nr. 8705012 (’012) beschrieben ist. Die Schwenkanordnung ist in der Tragstruktur 42 untergebracht und umfasst einen Motor, der so ausgelegt ist, dass er den Messkopf 22 um die Achse 23 dreht.

Eine zusätzliche Bilderfassungsvorrichtung 66 kann eine Vorrichtung sein, die einen mit dem gescannten Raumvolumen oder dem gescannten Objekt assoziierten Parameter erfasst und misst und ein Signal bereitstellt, das die Messgrößen über einen Bilderfassungsbereich darstellt. Die zusätzliche Bilderfassungsvorrichtung 66 kann, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein Pyrometer, ein Wärmebildgerät, ein Ionisierungsstrahlungsdetektor oder ein Millimeterwellensensor sein. In einer Ausführungsform ist die zusätzliche Bilderfassungsvorrichtung 66 eine Farbkamera.

In einer Ausführungsform ist eine zentrale Farbkamera (erste Bilderfassungsvorrichtung) 112 intern im Scanner vorgesehen und kann die gleiche optische Achse wie die 3D-Scannervorrichtung aufweisen. In dieser Ausführungsform ist die erste Bilderfassungsvorrichtung 112 im Messkopf 22 integriert und so angeordnet, dass die Bilderfassung auf dem gleichen optischen Pfad wie beim emittierten Lichtstrahl 30 und reflektierten Lichtstrahl 32 erfolgt. In dieser Ausführungsform wird das aus dem Lichtsender 28 kommende Licht von einem feststehenden Spiegel 116 reflektiert und zum dichroitischen Lichtteiler 118 geführt, der das vom Lichtsender 28 kommende Licht 117 zum Rotationsspiegel 26 reflektiert. Der dichroitische Lichtteiler 118 gestattet den Lichtdurchgang bei Wellenlängen, die sich von der Wellenlänge des Lichts 117 unterscheiden. Der Lichtsender 28 kann zum Beispiel vom Typ Nahinfrarot-Laserlicht (zum Beispiel Licht mit Wellenlängen von 780 nm oder 1150 nm) sein, wobei der dichroitische Lichtteiler 118 so ausgelegt ist, dass er das Infrarotlaserlicht reflektiert und sichtbares Licht (z. B. Wellenlängen von 400 bis 700 nm) passieren lässt. In anderen Ausführungsformen kann die Bestimmung, ob das Licht den Lichtteiler 118 passiert oder von diesem reflektiert wird, von der Polarisierung des Lichts abhängen. Die digitale Kamera 112 nimmt fotografische 2D-Bilder des gescannten Bereichs auf, um hinzuzufügende Farbdaten für das gescannte Bild zu erfassen. Für den Fall einer eingebauten Farbkamera, deren optische Achse mit der optischen Achse der 3D-Scanvorrichtung zusammenfällt, lässt sich die Betrachtungsrichtung der Kamera durch einfache Verstellung der Lenkmechanismen des Scanners leicht herstellen, beispielsweise indem der Azimutwinkel an Achse 23 verstellt wird und der Spiegel 26 um die Achse 25 gelenkt wird.

4 zeigt ein Beispiel einer Flächenansicht eines gescannten 3D-Bildes 400. Die in 4 dargestellte Flächenansicht ist eine Darstellung auf Grundlage einer Direktabbildung (Direct Mapping) der vom Scanner erfassten Daten. Der Scanner erfasst Daten nach einem kugelförmigen Muster, wobei Datenpunkte, die in Nähe der Pole erfasst werden, stärker komprimiert sind als Daten, die näher am Horizont erfasst werden. Mit anderen Worten stellt jeder in Polnähe erfasste Punkt einen kleineren Raumwinkel dar als jeder in größerer Horizontnähe erfasste Punkt. Da vom Scanner kommende Daten direkt in Zeilen und Spalten dargestellt werden, wird ein ebenflächiges Abbild praktischerweise in einem rechtwinkligen Format präsentiert, wie in 4 gezeigt. Beim oben beschrieben Flächenabbild erscheinen gerade Linien gekrümmt, wie zum Beispiel die geraden Querriegel der Zäune 420, die in der flächigen Darstellung des 3D-Bildes gekrümmt erscheinen. Die Flächenansicht kann ein unbearbeitetes 3D-Scanbild sein, das nur die vom Abstandssensor kommenden, in Spalten und Zeilen angeordneten Graustufenwerte anzeigt, so wie diese aufgenommen wurden. Darüber hinaus kann das unbearbeitete 3D-Scanbild der Flächenansicht je nach Systemeigenschaften (z. B. Anzeigevorrichtung, Speicher, Prozessor) in voller Auflösung oder in verminderter Auflösung sein. Die Flächenansicht kann ein bearbeitetes 3D-Scanbild sein, das entweder Graustufenwerte (ausgehend von der vom Abstandssensor für jedes Pixel gemessenen Lichtbestrahlungsstärke) oder Farbwerte (ausgehend von Kamerabildern, die auf den Scan gemappt wurden) darstellt. Obwohl die aus dem 3D-Scanner extrahierte Flächenansicht gewöhnlich ein Graustufen- oder Farbbild ist, ist 4 zum Zwecke einer verlustfreien Vervielfältigung des Dokuments als Linienzeichnung dargestellt. Die der Anzeigeeinheit zugeordnete Nutzerschnittstelle, die integraler Bestandteil des Laserscanners sein kann, kann einen Mechanismus zur Punktanwahl bereitstellen, der in 4 der Cursor 410 ist. Der Punktanwahlmechanismus kann verwendet werden, um Maßangaben über das vom Laserscanner vermessene Raumvolumen einzusehen. In 4 sind Zeile und Spalte des Cursorstandorts auf der Anzeige unter 430 angegeben. Die beiden gemessenen Winkel und der eine gemessene Abstand (die 3D-Koordinaten im sphärischen Koordinatensystem) am Cursorstandort sind am Bildschirm unter 440 angegeben. Die kartesischen XYZ-Koordinatendarstellungen des Cursorstandorts sind auf dem Bildschirm unter 450 angegeben.

5 zeigt ein Beispiel einer Panoramaansicht eines 3D-Scanbildes, die erzeugt wurde, indem eine Flächenansicht auf eine Kugel, oder in einigen Fällen auf einen Zylinder, abgebildet wurde. Eine Panoramaansicht kann ein bearbeitetes 3D-Scanbild (wie in 5 dargestellt) sein, in dem 3D-Informationen (z. B. 3D-Koordinaten) vorliegen. Die Panoramaansicht kann eine volle Auflösung oder eine reduzierte Auflösung aufweisen, je nach Systemeigenschaften. Es ist darauf hinzuweisen, dass ein Bild wie 5 ein 2D-Bild ist, das eine 3D-Szene darstellt, wenn aus einer besonderen Perspektive betrachtet. In diesem Sinne ähnelt das Bild von 5 stark einem Bild, wie es von einer 2D-Kamera oder von einem menschlichen Auge aufgenommen werden könnte. Obwohl die aus dem 3D-Scanner extrahierte Panoramaansicht gewöhnlich ein Graustufen- oder Farbbild ist, ist 5 zum Zwecke einer verlustfreien Vervielfältigung des Dokuments als Linienzeichnung dargestellt.

Der Begriff Panaromaansicht bezieht sich auf eine Anzeige, in der eine Winkelbewegung um einen Raumpunkt generell möglich ist, aber eine Translationsbewegung (für ein einzelnes Panoramabild) nicht möglich ist. Im Gegensatz dazu bezieht sich der Ausdruck 3D-Ansicht nach vorliegendem Sprachgebrauch allgemein auf eine Anzeige, in der vorgesehen ist (über Bedienhandlungen des Nutzers), nicht nur eine Rotation um einen Fixpunkt, sondern auch eine Translationsbewegung von Punkt zu Punkt im Raum zu ermöglichen.

Die 6A, 6B und 6C zeigen ein Beispiel einer 3D-Ansicht eines gescannten 3D-Bildes. In der 3D-Ansicht kann ein Nutzer den Ausgangspunkt des Scans verlassen und sich die Scanpunkte aus unterschiedlichen Blickpunkten und Blickwinkeln heraus ansehen. Die 3D-Ansicht ist ein Beispiel eines bearbeiteten 3D-Scanbildes. Die 3D-Ansicht kann eine volle Auflösung oder eine reduzierte Auflösung aufweisen, je nach Systemeigenschaften. Darüber hinaus gestattet die 3D-Ansicht die Anzeige mehrerer registrierter Scans in einer einzigen Ansicht. 6A ist eine 3D-Ansicht 710, die von einem Nutzer mit einer Auswahlmaske 730 überlagert wurde. 6B ist eine 3D-Ansicht 740, in der nur derjenige Teil der 3D-Ansicht 710 übernommen wurde, der von der Auswahlmaske 730 bedeckt ist. 6C zeigt die gleichen 3D-Messdaten wie in 6B, allerdings gedreht zur Erzeugung einer anderen Ansicht. 7 zeigt eine andere Ansicht von 6B, wobei die Ansicht in diesem Fall durch eine Translation und Rotation des Blickpunkts des Beobachters sowie durch eine Reduzierung des beobachteten Bereichs erhalten wird. Obwohl die aus dem 3D-Scanner extrahierten 3D-Ansichten gewöhnlich ein Graustufen- oder Farbbild sind, sind die 6A–C und 7 zum Zwecke einer verlustfreien Vervielfältigung des Dokuments als Linienzeichnung dargestellt.

Die 8A, 8B und 9 zeigen eine Ausführungsform einer 3D-Messvorrichtung 800, die einen 3D-Scanner 20, ein Prozessorsystem 950 und eine optionale verfahrbare Plattform 820 umfasst. Die 3D-Messvorrichtung 800 kann ein 3D-TOF-Scanner 20 sein, wie unter Verweis auf 1 beschrieben.

Das Prozessorsystem 950 umfasst einen oder mehrere Verarbeitungselemente, die einen 3D-Scanner-Prozessor (Controller) 38, einen externen Computer 970 und einen Cloud-Computer 980 aufweisen können. Die Prozessoren können Mikroprozessoren, feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs), digitale Signalprozessoren (DSPs) und generell jegliche zur Ausführung von Rechenfunktionen fähige Vorrichtung sein. Der eine oder die mehreren Prozessoren haben Speicherzugriff zur Ablage von Informationen. In einer in 9 dargestellten Ausführungsform stellt der Controller 38 einen oder mehrere Prozessoren dar, die im gesamten 3D-Scanner verteilt sind. In der Ausführungsform von 9 ebenfalls enthalten sind ein externer Computer 970 und ein oder mehrere Cloud-Computer 980 zwecks Fernrechenfähigkeit. In einer alternativen Ausführungsform ist/sind im Prozessorsystem nur ein oder zwei Prozessoren 38, 970 und 980, vorgesehen. Die Kommunikation der Prozessoren untereinander kann über drahtgebundene Verbindungen, drahtlose Verbindungen oder eine Kombination von drahtgbundenen und drahtlosen Verbindungen erfolgen. In einer Ausführungsform werden die Scan-Ergebnisse nach jeder Scansitzung zwecks Speicherung und zukünftiger Verwendung in die Cloud (Fernnetzwerk) hochgeladen.

In einer Betriebsart misst der 3D-Scanner 20 2D-Koordinaten in einer horizontalen Ebene. Er vollzieht dies in den meisten Fällen durch Lenken von Licht innerhalb einer horizontalen Ebene zur Beleuchtung von Objektpunkten in der Umgebung. Er erfasst das reflektierte (gestreute) Licht von den Objektpunkten, um 2D-Koordinaten der Objektpunkte in der horizontalen Ebene zu bestimmen. In einer Ausführungsform tastet der 3D-Scanner einen Lichtfleck ab und misst den Rotationswinkel um die Achse 23 mit einem Winkelgeber, während er gleichzeitig einen entsprechenden Abstandswert zu jedem beleuchteten Objektpunkt in der horizontalen Ebene misst. Der 3D-Scanner 23 kann mit relativ hoher Geschwindigkeit um die Achse 23 rotieren, während er keine Drehung um die Achse 25 ausführt. In einer Ausführungsform wird die Laserleistung so eingestellt, dass sie innerhalb der Augensicherheitsgrenzen liegt.

Ein optionaler Positions-/Orientierungssensor 920 im 3D-Scanner 20 kann Neigungsmesser (Beschleunigungsmesser), Gyroskope, Magnetometer und Höhenmesser umfassen. Vorrichtungen, die einen oder mehrere Neigungsmesser und/oder Gyroskope umfassen, werden gewöhnlich als inertiale Messeinheit (IMU, inertial measurement unit) bezeichnet. In einigen Fällen ist der Begriff IMU im Sprachgebrauch weiter gefasst und umfasst verschiedenste zusätzliche Vorrichtungen, die eine Position und/oder Orientierung anzeigen, zum Beispiel Magnetometer, die anhand von Änderungen der Magnetfeldrichtung relativ zum magnetischen Nordpol der Erde einen Kurs anzeigen, und Höhenmesser zum Anzeigen der Höhe (Altimeter). Ein Beispiel eines weithin verwendeten Höhenmessers ist ein Drucksensor. Durch Kombinieren der Messwerte aus einer Kombination von Positions-/Orientierungssensoren mit einem Fusionsalgorithmus, der ein Kalman-Filter umfassen kann, lassen sich mit Hilfe relativ kostengünstiger Sensorik relativ genaue Positions- und Orientierungsmessungen erzielen.

Die optionale verfahrbare Plattform 820 ermöglicht ein Verfahren der 3D-Messvorrichtung von Ort zu Ort, typischerweise entlang eines annähernd horizontalen Bodens. In einer Ausführungsform ist die optionale verfahrbare Plattform 820 ein Stativ, das Räder 822 aufweist. In einer Ausführungsform können die Räder 822 mit Hilfe von Radbremsen 824 festgestellt werden. In einer anderen Ausführungsform sind die Räder 822 einfahrbar, was einen stabilen Stand des Stativs auf drei am Stativ angebrachten Beinen erlaubt. In einer anderen Ausführungsform weist das Stativ keine Räder auf, sondern wird einfach über eine annähernd horizontale Oberfläche, zum Beispiel einen Boden, geschoben oder gezogen. In einer anderen Ausführungsform ist die optionale verfahrbare Plattform 820 ein Rollwagen, der handgezogen/handgeschoben oder motorisiert sein kann.

In einer Ausführungsform ist in einer Betriebsart der 3D-Scanner 20 ausgelegt zum Abtasten eines Lichtstrahls über einen Winkelbereich in einer horizontalen Ebene. Zu bestimmten Zeiten sendet der 3D-Scanner 20 einen Winkelmesswert und einen entsprechenden Abstandsmesswert zurück, um 2D-Koordinaten von Objektpunkten in der horizontalen Ebene bereitzustellen. Beim Vollzug eines Scans über den kompletten Winkelbereich sendet der 3D-Scanner 20 eine Sammlung von paarigen Winkel- und Abstandsmesswerten zurück. Während die 3D-Messvorrichtung 800 von Ort zu Ort verfährt, sendet sie weiterhin 2D-Koordinatenwerte einer horizontalen Ebene. Diese 2D-Koordinatenwerte werden verwendet, um die Position des 3D-Scanners 20 an jeder stationären Registrierungsposition zu lokalisieren und dadurch eine genauere Registrierung zu ermöglichen.

10 zeigt die 3D-Messvorrichtung 800 nach dem Verfahren in eine erste Registrierungsposition 1112 vor einem zu messenden Objekt 1102. Das Objekt 1102 könnte zum Beispiel eine Wand in einem Raum sein. In einer Ausführungsform wird die 3D-Messvorrichtung 800 zum Halten gebracht und mit Bremsen festgestellt, die in einer Ausführungsform Bremsen 824 an Rädern 822 sind. Der 3D-Scanner 20 in der 3D-Messvorrichtung 800 vollzieht einen ersten 3D-Scan des Objekts 1102. In einer Ausführungsform kann der 3D-Scanner, wenn gewünscht, 3D-Messungen in allen Richtungen vollführen, außer in Abwärtsrichtungen, die durch den Aufbau der 3D-Messvorrichtung 800 blockiert sind. Im Beispiel von 10, in welcher der 3D-Scanner 20 eine lange, überwiegend flache Struktur 1102 misst, kann ein kleines effektives Sichtfeld 1130 ausgewählt werden, um eine frontalere Ansicht von auf der Struktur befindlichen Merkmalen bereitzustellen.

Nach Beendigung des ersten 3D-Scans bewirkt das Prozessorsystem 950 ein Umschalten des 3D-Scanners 20 von der Betriebsart 3D-Scannen zur Betriebsart 2D-Scannen. In einer Ausführungsform erfolgt dies durch Feststellen des Spiegels 26, um den ausgehenden Strahl 30 auf eine horizontale Ebene auszurichten. Der Spiegel empfängt reflektiertes Licht 32, das sich in Rückwärtsrichtung ausbreitet. In einer Ausführungsform beginnt der Scanner mit dem 2D-Scan, sobald das 3D-Scannen endet. In einer anderen Ausführungsform startet der 2D-Scan, wenn der Prozessor ein Signal empfängt, wie ein Signal vom Positions-/Orientierungssensor 920, ein Signal vom Bremslüftsensor oder ein Signal, das in Reaktion auf einen Bedienerbefehl gesendet wird. Der 3D-Scanner 20 kann mit dem Erfassen von 2D-Scandaten beginnen, wenn die 3D-Messvorrichtung 800 zu verfahren beginnt. In einer Ausführungsform werden die 2D-Scandaten zum Prozessorsystem 950 gesendet, während sie erfasst werden.

In einer Ausführungsform werden die 2D-Scandaten erfasst, während die 3D-Messvorrichtung 800 zur zweiten Registrierungsposition 1114 verfahren wird. In einer Ausführungsform werden 2D-Scandaten erfasst und bearbeitet, während der 3D-Scanner 20 eine Mehrzahl von 2D-Messpositionen 1120 passiert. Der 3D-Scanner erfasst an jeder Messposition 1120 2D-Koordinatendaten über ein effektives Sichtfeld 1140. Mit Hilfe nachstehend näher beschriebener Verfahren nutzt das Prozessorsystem 950 2D-Scandaten aus den mehreren 2D-Scans der Positionen 1120 zur Bestimmung einer Position und Orientierung des 3D-Scanners 20 an der zweiten Registrierungsposition 1114 im Verhältnis zur ersten Registrierungsposition 1112, wobei die erste Registrierungsposition und die zweite Registrierungsposition in einem für beide gemeinsamen 3D-Koordinatensystem bekannt sind. In einer Ausführungsform wird das gemeinsame Koordinatensystem durch kartesische 2D-Koordinaten x, y und einen Rotationswinkel θ relativ zur x- bzw. y-Achse dargestellt. In einer Ausführungsform liegen die x- und y-Achse in der horizontalen x-y-Ebene des 3D-Scanners 20 und können ferner von der Ausrichtung einer „Frontseite“ des 3D-Scanners 20 ausgehen. Ein Beispiel für ein derartiges Koordinatensystem (x, y, θ) ist das Koordinatensystem 1410 von 14A.

Auf dem Objekt 1102 befindet sich eine Region der Überlappung 1150 des ersten 3D-Scans (erfasst an der ersten Registrierungsposition 1112) mit dem zweitem 3D-Scan (erfasst an der zweiten Registrierungsposition 1114). In der Überlappungsregion 1150 gibt es Registrierungsziele (welche Beschaffenheitsmerkmale des Objekts 1102 sein können), die sowohl im ersten 3D-Scan als auch im zweiten 3D-Scan zu sehen sind. In der Praxis tritt häufig das Problem auf, dass beim Verfahren des 3D-Scanners 20 aus der ersten Registrierungsposition 1112 hin zur zweiten Registrierungsposition 1114 das Prozessorsystem 950 die Position und Orientierung des 3D-Scanners 20 verliert und damit nicht in der Lage ist, die Registrierungsziele in den Überlappungsregionen richtig zuzuordnen, um eine zuverlässige Durchführung des Registrierungsvorgangs zu gewährleisten. Durch Nutzung der aufeinander folgenden 2D-Scans kann das Prozessorsystem 950 die Position und Orientierung des 3D-Scanners 20 an der zweiten Registrierungsposition 1114 im Verhältnis zur ersten Registrierungsposition 1112 bestimmen. Diese Information gewährleistet, dass das Prozessorsystem 950 einen korrekten Abgleich von Registrierungszielen in der Überlappungsregion 1150 durchführen kann und dadurch eine ordnungsgemäße Ausführung des Registrierungsvorgangs sicherstellt.

12 zeigt den 3D-Scanner 20 beim Erfassen von 2D-Scandaten an ausgewählten Positionen 1120 über ein effektives Sichtfeld 1140. Der 3D-Scanner erfasst 2D-Scandaten über einen Teilbereich des Objekts 1102 an unterschiedlichen Positionen 1120, bezeichnet mit A, B, C, D und E. 12 zeigt den 3D-Scanner 20 bei einer Zeitfahrt im Verhältnis zu einem festen Bezugsrahmen des Objekts 1102.

13 umfasst die gleichen Informationen wie 12, zeigt diese aber ausgehend vom Bezugsrahmen des 3D-Scanners 20 während der Aufnahme von 2D-Scans und nicht vom Bezugsrahmen des Objekts 1102 aus. Diese Abbildung verdeutlicht, dass sich im Scanner-Bezugsrahmen die Position von Merkmalen des Objekts zeitabhängig ändert. Damit wird deutlich, dass sich die vom 3D-Scanner 20 zwischen Registrierungsposition 1 und Registrierungsposition 2 zurückgelegte Strecke ausgehend von den 2D-Scandaten bestimmen lässt, die vom 3D-Scanner 20 zum Prozessorsystem 950 gesendet werden.

14A zeigt ein Koordinatensystem, das in den 14B und 14C verwendet werden kann. In einer Ausführungsform sind die 2D-Koordinaten x und y so ausgewählt, dass sie auf der Ebene liegen, in der die 2D-Scans aufgenommen werden, was gewöhnlich die horizontalen Ebene ist. Der Winkel θ wird als ein Rotationswinkel in der Ebene ausgewählt, als Rotationswinkel im Verhältnis zu einer Achse wie x oder y. Die 14B, 14C stellen einen realistischen Fall dar, in dem der 3D-Scanner 20 nicht exakt geradlinig, zum Beispiel nominell parallel, zum Objekt 1102 bewegt wird, sondern auch zur Seite. Darüber hinaus kann es sein, dass der 3D-Scanner 20 während der Verfahrbewegung gedreht wird.

14B zeigt die Bewegung des Objekts 1102, wie ausgehend vom Bezugsrahmen des 3D-Scanners 20 betrachtet, während der Fahrt von der ersten Registrierungsposition zur zweiten Registrierungsposition. Im Scanner-Bezugsrahmen (das heißt, wenn aus dem Blickpunkt des Scanners betrachtet) bewegt sich das Objekt 1102, während der 3D-Scanner 20 ortsfest ist. In diesem Bezugsrahmen scheinen die vom 3D-Scanner 20 gesehenen Teilbereiche des Objekts 1102 einer zeitabhängigen Translation und Rotation zu unterliegen. Der 3D-Scanner 20 liefert eine Folge derartiger translations- und rotationsbehafteten Kamerabilder zum Prozessorsystem 950. Im dargestellten Beispiel der 14A, B bewegt sich der Scanner translatorisch über eine in 14B dargestellte Strecke 1420 in die Richtung +y und rotatorisch um einen Winkel 1430, der in diesem Beispiel +5 Grad beträgt. Der Scanner könnte sich natürlich ebenso durchaus um einen geringen Betrag in die Richtung +x oder –x bewegt haben. Wie in 14B dargestellt, verwendet das Prozessorsystem 950 die in aufeinander folgenden horizontalen Scans aufgezeichneten Daten, wie sie im Bezugsrahmen des Scanners 20 zu sehen sind, zur Bestimmung der Bewegung des 3D-Scanners 20 in den Richtungen x, y, θ. In einer Ausführungsform führt das Prozessorsystem 950 mit Hilfe von Verfahren, die der Fachwelt allgemein bekannt sind, eine Best-fit-Berechnung durch, um die beiden Scans oder Merkmale in den beiden Scans so eng wie möglich in Übereinstimmung zu bringen.

Während der 3D-Scanner 20 aufeinander folgende 2D-Messwerte aufnimmt und Best-fit-Berechnungen durchführt, verfolgt das Prozessorsystem 950 die Translation und Rotation des 3D-Scanners 20. Auf diese Weise ist das Prozessorsystem 950 in der Lage, die Änderung der Werte x, y, θ genau zu bestimmen, während die Messvorrichtung 800 von der ersten Registrierungsposition 1112 zur zweiten Registrierungsposition 1114 verfährt.

Es ist hier wichtig zu verstehen, dass das Prozessorsystem 950 die Position und Orientierung der 3D-Messvorrichtung 800 anhand eines Vergleichs der aufeinander folgenden 2D-Scans bestimmt und nicht anhand einer Fusion der 2D-Scandaten mit 3D-Scandaten, die vom 3D-Scanner 20 an der ersten Registrierungsposition 1112 bzw. an der zweiten Registrierungsposition 1114 bereitgestellt werden.

Statt dessen ist das Prozessorsystem 950 dazu ausgelegt, einen ersten Translationswert, einen zweiten Translationswert und einen ersten Rotationswert zu bestimmen, die, wenn auf eine Kombination der ersten 2D-Scandaten und zweiten 2D-Scandaten angewendet, zu transformierten ersten 2D-Daten führen, die transformierten zweiten 2D-Daten gemäß einem objektiven mathematischen Kriterium so eng wie möglich entsprechen. Im Allgemeinen können die Translation und die Rotation auf die ersten Scandaten, die zweiten Scandaten oder eine Kombination der beiden angewendet werden. Beispielsweise entspricht eine an den ersten Datensatz angelegte Translation einem Negativen der an den zweiten Datensatz angelegten Translation in dem Sinne, dass beide Maßnahmen die gleiche Übereinstimmung (Match) in den transformierten Datensätzen erzeugen. Ein Beispiel von „objektivem mathematischen Kriterium“ ist die Minimierung der Summe der quadratischen Restfehler für diejenigen Teile der Scandaten, bei denen von einer Überlappung ausgegangen wird. Eine andere Art von objektivem mathematischen Kriterium kann mit einem Abgleich (Matching) von mehreren am Objekt identifizierten Merkmalen arbeiten. Derartige Merkmale können beispielsweise die in 11B dargestellten Kantenübergänge 1103, 1104 und 1105 sein. Das mathematische Kriterium kann auf eine Bearbeitung der vom 3D-Scanner 20 an das Prozessorsystem 950 gelieferten rohen 2D-Scandaten hinauslaufen oder auf eine Zwischenbearbeitungsstufe, in der Merkmale mit Hilfe von vorbekannten Verfahren, zum Beispiel Verfahren auf Grundlage des ICP-Algorithmus (Iterative Closest Point), als eine Ansammlung von Liniensegmenten dargestellt werden. Ein derartiges ICP-basiertes Verfahren ist beschrieben in Censi, A., "An ICP variant using a point-to-line metric," IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2008.

In einer Ausführungsform ist der erste Translationswert dx, der zweite Translationswert dy und der erste Rotationswert dθ. Falls die ersten 2D-Scandaten translatorische und rotatorische Koordinaten (in einem Bezugskoordinatensystem) von (x1, y1, θ1) aufweisen, dann weisen die an einem zweiten Ort erfassten zweiten 2D-Scandaten Koordinaten wie folgt auf: (x2, y2, θ2) = (x1+ dx, y1+ dy, θ1+ dθ). In einer Ausführungsform ist das Prozessorsystem 950 ferner ausgelegt zum Bestimmen eines dritten Translationswertes (zum Beispiel dz) und eines zweiten und dritten Rotationswertes (zum Beispiel Nicken und Wanken). Der dritte Translationswert, zweite Rotationswert und dritte Rotationswert können wenigstens zum Teil anhand von Messwerten des Positions-/Orientierungssensors 920 bestimmt werden.

Der 3D-Scanner 20 erfasst 2D-Scandaten an der ersten Registrierungsposition 1112 und weitere 2D-Scandaten an der zweiten Registrierungsposition 1114. In einigen Fällen können diese 2D-Scans ausreichen, um die Position und Orientierung der 3D-Messvorrichtung an der zweiten Registrierungsposition 1114 im Verhältnis zur ersten Registrierungsposition 1112 zu bestimmen. In anderen Fällen sind die beiden 2D-Scan-Datensätze für das Prozessorsystem 950 nicht ausreichend, um den ersten Translationswert, den zweiten Translationswert und den ersten Rotationswert genau zu bestimmen. Dieses Problem lässt sich durch die Erfassung von 2D-Scandaten an zwischenliegenden Scanpositionen 1120 vermeiden. In einer Ausführungsform erfolgt die Erfassung und Bearbeitung der 2D-Scandaten in regelmäßigen Intervallen, beispielsweise ein Mal pro Sekunde. Auf diese Weise lassen sich Merkmale in aufeinander folgenden 2D-Scans 1120 problemlos identifizieren. Falls mehr als zwei 2D-Scans erzeugt werden, kann das Prozessorsystem 950 sich dafür entscheiden, alle aufeinander folgenden 2D-Scans zur Bestimmung der Translations- und Rotationswerte auf dem Weg von der ersten Registrierungsposition 1112 zur zweiten Registrierungsposition 1114 heranzuziehen. Alternativ kann der Prozessor sich dafür entscheiden, in der abschließenden Berechnung lediglich den ersten und den letzten 2D-Scan zu verwenden und die 2D-Zwischenscans einfach nur zur Sicherstellung der ordnungsgemäßen Korrespondenz übereinstimmender Merkmale heranzuziehen. In den meisten Fällen wird durch die Einbeziehung von Informationen aus mehreren aufeinander folgenden 2D-Scans die Abgleichsgenauigkeit im Matching erhöht.

Die 3D-Messvorrichtung 800 wird zur zweiten Registrierungsposition 1114 verfahren. In einer Ausführungsform wird die 3D-Messvorrichtung 800 angehalten und Bremsen werden verriegelt, um den 3D-Scanner ortsfest zu halten. In einer alternativen Ausführungsform startet das Prozessorsystem 950 den 3D-Scan automatisch, wenn die verfahrbare Plattform angehalten wird, zum Beispiel wenn der Positions-/Orientierungssensor 920 den bewegungslosen Zustand erkennt. Der 3D-Scanner 20 in der 3D-Messvorrichtung 800 vollzieht einen 3D-Scan des Objekts 1102. Dieser 3D-Scan wird als zweiter 3D-Scan bezeichnet, um ihn vom ersten 3D-Scan zu unterscheiden, der an der ersten Registrierungsposition aufgezeichnet wird.

Das Prozessorsystem 950 nutzt den bereits berechneten ersten Translationswert, den zweiten Translationswert und den ersten Rotationswert zum Verstellen der Position und der Orientierung des zweiten 3D-Scans im Verhältnis zum ersten 3D-Scan. Diese Verstellung, die auch als eine „erste Ausrichtung“ betrachtet werden kann, bringt die Registrierungsziele (zum Beispiel natürliche Merkmale in der Überlappungsregion 1150) in unmittelbare Nähe. Das Prozessorsystem 950 vollführt eine Feinregistrierung, in der es an den sechs Freiheitsgraden des zweiten 3D-Scans Feinverstellungen im Verhältnis zum ersten 3D-Scan vornimmt. Es vollzieht die Feinvorstellung anhand eines objektiven mathematischen Kriteriums, das mit dem an die 2D-Scandaten angelegten mathematischen Kriterium identisch sein oder sich von diesem unterscheiden kann. Das objektive mathematische Kriterium kann beispielsweise das Kriterium der Minimierung der Summe der quadratischen Restfehler für diejenigen Teile der Scandaten sein, bei denen von einer Überlappung ausgegangen wird. Alternativ kann das objektive mathematische Kriterium auf mehrere Merkmale in der Überlappungsregion angewendet werden. Die mathematischen Berechnungen in der Registrierung können auf 3D-Scanrohdaten oder auf geometrische Darstellungen der 3D-Scandaten, zum Beispiel durch eine Ansammlung von Liniensegmenten, angewendet werden.

Außerhalb der Überlappungsregion 1150 werden die ausgerichteten Werte des ersten 3D-Scans und des zweiten 3D-Scans in einem registrierten 3D-Datensatz kombiniert. Innerhalb der Überlappungsregion beruhen die im registrierten 3D-Datensatz enthaltenen 3D-Scanwerte auf einer gewissen Kombination von 3D-Scannerdaten aus den ausgerichteten Werten des ersten 3D-Scans und des zweiten 3D-Scans.

15 zeigt Elemente eines Verfahrens 1500 zum Messen und Registrieren von 3D-Koordinaten.

Ein Element 1505 umfasst das Bereitstellen einer 3D-Messvorrichtung, die ein Prozessorsystem, einen 3D-Scanner und eine verfahrbare Plattform umfasst. Das Prozessorsystem weist wenigstens eines der Elemente 3D-Scanner-Controller, externer Computer und auf Netzwerk-Fernzugriff ausgelegter Cloud-Computer auf. Alle diese Bearbeitungselemente im Prozessorsystem können jeweils einen einzelnen Prozessor oder mehrere verteilte Prozessorelemente umfassen, wobei es sich bei den Prozessorelementen um einen Mikroprozessor, einen digitalen Signalprozessor, ein FPGA oder eine andere Art von Recheneinrichtung handeln kann. Die Prozessorelemente haben Zugriff auf den Computerspeicher. Der 3D-Scanner weist eine erste Lichtquelle, eine erste strahllenkende Einheit, eine erste Winkelmessvorrichtung, eine zweite Winkelmessvorrichtung und einen ersten Lichtempfänger auf. Die erste Lichtquelle ist ausgelegt zum Emittieren eines ersten Lichtstrahls, der in einer Ausführungsform ein Laserlichtstrahl ist. Die erste strahllenkende Einheit ist dazu vorgesehen, den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung auf einen ersten Objektpunkt zu lenken. Die strahllenkende Einheit kann ein Drehspiegel wie der Spiegel 26 oder eine andere Art von Strahllenkungsmechanismus sein. Der 3D-Scanner kann beispielsweise einen Sockel umfassen, auf den eine erste Struktur platziert wird, die sich um eine vertikale Achse dreht, und auf diese Struktur kann eine zweite Struktur platziert werden, die sich um eine horizontale Achse dreht. Mit dieser Art von mechanischer Anordnung kann der Lichtstrahl direkt von der zweiten Struktur emittiert werden und in eine gewünschte Richtung weisen. Viele andere Arten von strahllenkenden Mechanismen sind möglich. In den meisten Fällen umfasst ein Strahllenkungsmechanismus einen oder zwei Motore. Die erste Richtung wird durch einen ersten Rotationswinkel um eine erste Achse und einen zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse bestimmt. Die erste Winkelmessvorrichtung ist zum Messen des ersten Rotationswinkels ausgelegt, und die zweite Winkelmessvorrichtung ist zum Messen des zweiten Rotationswinkels ausgelegt. Der erste Lichtempfänger ist zum Empfangen eines ersten reflektierten Lichts ausgelegt, wobei das erste reflektierte Licht ein Teil des vom ersten Objektpunkt reflektierten ersten Lichtstrahls ist. Der erste Lichtempfänger ist ferner ausgelegt zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals in Reaktion auf das erste reflektierte Licht. Der erste Lichtempfänger ist ferner ausgelegt zum Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem zur Bestimmung eines ersten Abstands zum ersten Objektpunkt wenigstens teilweise anhand des ersten elektrischen Signals, und der 3D-Scanner ist ausgelegt zum Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem zur Bestimmung von 3D-Koordinaten des ersten Objektpunkts wenigstens teilweise anhand des ersten Abstands, des ersten Rotationswinkels und des zweiten Rotationswinkels. Die verfahrbare Plattform ist ausgelegt zum Tragen des 3D-Scanners.

Ein Element 1510 umfasst das Bestimmen von 3D-Koordinaten einer ersten Ansammlung von Punkten auf einer Objektoberfläche mit dem Prozessorsystem im Zusammenwirken mit dem 3D-Scanner, während sich der 3D-Scanner stationär an einer ersten Registrierungsposition befindet.

Ein Element 1515 umfasst das Erzeugen mehrerer 2D-Scansätze durch den 3D-Scanner im Zusammenwirken mit dem Prozessorsystem. Jeder dieser mehreren 2D-Scansätze ist ein Satz 2D-Koordinaten von Punkten der Objektoberfläche, die erfasst werden, während der 3D-Scanner von der ersten Registrierungsposition zu einer zweiten Registrierungsposition verfährt. Jeder der mehreren 2D-Scansätze wird vom 3D-Scanner an einer von der ersten Registrierungsposition abweichenden Position erfasst. In einer Ausführungsform liegt jeder 2D-Scan in einer horizontalen Ebene.

Ein Element 1520 umfasst das Bestimmen eines ersten Translationswertes, der einer ersten Translationsrichtung entspricht, eines zweiten Translationswertes, der einer zweiten Translationsrichtung entspricht, und eines ersten Rotationswertes, der einer ersten Schwenkachse entspricht, durch das Prozessorsystem, wobei der erste Translationswert, der zweite Translationswert und der erste Rotationswert wenigstens teilweise anhand einer gemäß einem ersten mathematischen Kriterium erfolgenden Einpassung der mehreren 2D-Scansätze bestimmt werden. In einer Ausführungsform ist die erste Schwenkachse eine vertikale Achse, die senkrecht zu den Ebenen steht, in denen die 2D-Scansätze erfasst werden.

Ein Element 1525 umfasst das Bestimmen von 3D-Koordinaten einer zweiten Ansammlung von Punkten auf der Objektoberfläche mit dem Prozessorsystem im Zusammenwirken mit dem 3D-Scanner, während sich der 3D-Scanner stationär an der zweiten Registrierungsposition befindet.

Ein Element 1535 umfasst das Identifizieren einer Korrespondenz von Registrierungszielen, die sowohl in der ersten Ansammlung von Punkten als auch in der zweiten Ansammlung von Punkten vorliegen, durch das Prozessorsystem, wobei die Korrespondenz wenigstens teilweise auf dem ersten Translationswert, dem zweiten Translationswert und dem ersten Rotationswert beruht.

Ein Element 1545 umfasst das Bestimmen von 3D-Koordinaten einer registrierten 3D-Ansammlung von Punkten wenigstens teilweise anhand eines zweiten mathematischen Kriteriums, der Korrespondenz von Registrierungszielen, der 3D-Koordinaten der ersten Ansammlung von Punkten und der 3D-Koordinaten der zweiten Ansammlung von Punkten. Ein Element 1550 umfasst das Speichern der 3D-Koordinaten der registrierten 3D-Ansammlung von Punkten.

Begriffe wie Prozessor, Controller, Computer, DSP, FPGA sind in diesem Dokument als ein Rechengerät zu verstehen, das in einem Instrument angeordnet sein kann, in mehreren Elementen eines gleichen Instruments verteilt sein kann oder außerhalb eines Instruments angeordnet sein kann.

Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einer beschränkten Anzahl von Ausführungsformen detailliert beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Die Erfindung kann stattdessen so geändert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von hier nicht beschriebenen Variationen, Abwandlungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen in sich aufnimmt, die dennoch dem Wesen und Umfang der Erfindung entsprechen. Während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich außerdem, dass Aspekte der Erfindung nur einen Teil der beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Dementsprechend ist davon auszugehen, dass die Erfindung durch die vorstehende Beschreibung nicht eingeschränkt wird, sondern nur durch den Umfang der angehängten Ansprüche beschränkt ist.