專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)掃描、測(cè)量和顯示環(huán)境的方法
光學(xué)掃描、測(cè)量和顯示環(huán)境的方法本發(fā)明涉及具有作為總括項(xiàng)的權(quán)利要求I的特征的方法。借助于這種類(lèi)型的已知方法，三維掃描被記錄，然后被以二維的方式顯示。假設(shè)測(cè)量點(diǎn)的密度和范圍比顯示的像素小，那么，如果在測(cè)量點(diǎn)之間進(jìn)行空隙填充，即，如果根據(jù)單個(gè)測(cè)量點(diǎn)來(lái)生成表面，則將產(chǎn)生更好的視覺(jué)效果。因此，所有的測(cè)量點(diǎn)可被投影到一個(gè)平面內(nèi)并且被分配給單個(gè)像素。然后平面的中間像素被填充，例如，通過(guò)內(nèi)插來(lái)填充。本發(fā)明基于改善在背景部分中提到的那類(lèi)方法的目的。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)包括權(quán)利要求I的特征的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所述目的。從屬權(quán)利要求涉及有益的配置。根據(jù)本發(fā)明，像素填充幾乎以三維的方式進(jìn)行，因此，相比于二維填充，可用的深度信息可被用于更好的表示。被選擇像素的填充依賴(lài)于深度(即到對(duì)應(yīng)于屏幕的平面的距離)而進(jìn)行。除了考慮被分配給各個(gè)被選擇像素的深度以外，還考慮被分配給各個(gè)相鄰像素的深度。因此，尤其因已經(jīng)被填充的且與被選擇像素相鄰的像素被分配給測(cè)量點(diǎn)而因此對(duì) 所述已經(jīng)被填充的且與被選擇像素相鄰的像素進(jìn)行搜尋，以便將被選擇像素合并到被分配給測(cè)量點(diǎn)的這些像素的表面中，或者借助于邊緣來(lái)分離被選擇像素。因此，隱藏的表面和隱藏的邊緣保持不可見(jiàn)。選擇、搜尋和填充的整個(gè)過(guò)程優(yōu)選地在圖形卡上并行執(zhí)行，即對(duì)于所有的像素同時(shí)執(zhí)行，從而節(jié)省計(jì)算時(shí)間。下面基于在附圖
中說(shuō)明的示例性實(shí)施例詳細(xì)解釋本發(fā)明，在附圖中圖I示出了在平面內(nèi)觀察時(shí)分配和填充像素的示意圖，其中相鄰像素在相同的表面上；圖2示出了在平面上方觀察時(shí)根據(jù)圖I的分配和填充像素的示意圖；圖3示出了在平面上方觀察時(shí)分配和填充像素的示意圖，其中相鄰的像素在不同的表面上；圖4示出了在平面上方觀察時(shí)根據(jù)圖3的分配和填充像素的示意圖；圖5示出了在包括顯示設(shè)備的環(huán)境中的激光掃描器的示意圖；以及圖6示出了激光掃描器的局部剖視圖。激光掃描器10被設(shè)置作為對(duì)激光掃描器10的環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的設(shè)備。激光掃描器10具有測(cè)量頭12和底部14。測(cè)量頭12作為可以圍繞豎直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的單元被安裝到底部14上。測(cè)量頭12具有可圍繞水平軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)鏡16。在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線之間的交叉點(diǎn)被指定為激光掃描器10的中心Cltl。測(cè)量頭12還具有用于發(fā)射發(fā)射光束18的光發(fā)射器17。優(yōu)選地，發(fā)射光束18是在大約300nm到1600nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的激光束，例如波長(zhǎng)為790nm、905nm或小于400nm的激光束，但是原則上還可以使用例如具有更高波長(zhǎng)的其他電磁波。發(fā)射光束18利用例如正弦或矩形波形調(diào)制信號(hào)來(lái)進(jìn)行幅度調(diào)制。發(fā)射光束18從光發(fā)射器17傳輸?shù)叫D(zhuǎn)鏡16上，在此被偏轉(zhuǎn)，并且被發(fā)射進(jìn)入環(huán)境。從物體O反射或散射的接收光束20被旋轉(zhuǎn)鏡16捕獲，被偏轉(zhuǎn)并且傳輸?shù)焦饨邮掌?1。發(fā)射光束18的方向和接收光束20的方向由旋轉(zhuǎn)鏡16和測(cè)量頭12的角度位置決定，旋轉(zhuǎn)鏡16和測(cè)量頭12的角度位置取決于其各自的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的位置，而旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的位置又被各自的編碼器所檢測(cè)。
在測(cè)量頭12中，控制和評(píng)估設(shè)備22具有到光發(fā)射器17和光接收器21的數(shù)據(jù)鏈路連接，數(shù)據(jù)鏈接連接的一部分還被安排在測(cè)量頭12的外部，例如，作為連接到底部4的計(jì)算機(jī)?？刂坪驮u(píng)估設(shè)備22被設(shè)計(jì)成，根據(jù)發(fā)射光束18和接收光束20的傳播時(shí)間為多個(gè)測(cè)量點(diǎn)X確定從物體O (其上的被照明點(diǎn))到激光掃描器10的距離d。為此，可確定和計(jì)算在兩個(gè)光束18和20之間的相移。借助于鏡16的(快速)旋轉(zhuǎn)，沿圓形線執(zhí)行掃描。借助于測(cè)量頭12相對(duì)于底部14的(慢速)旋轉(zhuǎn)，以圓形線逐漸掃描整個(gè)空間。所述測(cè)量的測(cè)量點(diǎn)X的全體應(yīng)被指定為掃描。激光掃描器10的中心Cltl定義為所述掃描的局部靜止參考系的原點(diǎn)。底部14在所述局部靜止參考系統(tǒng)中是靜止的。除了到激光掃描器10的中心Cltl的距離d，每一測(cè)量點(diǎn)X還包括由控制和評(píng)估設(shè)備22確定的亮度值。亮度是例如在分配給測(cè)量點(diǎn)X的測(cè)量時(shí)間段內(nèi)通過(guò)對(duì)光接收器21的帶通濾波和放大后的信號(hào)進(jìn)行積分所確定的灰度值(gray-tone value)。可選地,可借助于彩色攝影機(jī)來(lái)產(chǎn)生圖片，借助于該圖片可將顏色(R，G，B)作為值分配給測(cè)量點(diǎn)X (以及亮度 或具有亮度的測(cè)量點(diǎn)X)。顯示設(shè)備30被連接到控制和評(píng)估設(shè)備22。顯示設(shè)備30可被集成到激光掃描器10中,例如集成到測(cè)量頭12內(nèi)或集成到底部14內(nèi)，或者該顯示設(shè)備可以是外部單元,例如，可以是連接到底部14的計(jì)算機(jī)的一部分。顯示設(shè)備30具有圖形卡32和屏幕34，圖形卡和屏幕可被彼此分開(kāi)布置或作為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元來(lái)布置?？刂坪驮u(píng)估設(shè)備22提供掃描的3D數(shù)據(jù)。圖形卡32將3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成2D數(shù)據(jù)(渲染)，所述2D數(shù)據(jù)在屏幕34上顯示。3D數(shù)據(jù)是測(cè)量點(diǎn)X，其中，若干個(gè)掃描(從激光掃描器10的不同位置)可被組合成一個(gè)畫(huà)面。為了表示2D數(shù)據(jù)，一方面存在像素P，即相鄰的、小的多邊形表面(例如，正方形或六邊形)，其被布置在(二維)平面E (其對(duì)應(yīng)于屏幕34)中。開(kāi)始點(diǎn)是在觀察器(眼睛，攝像機(jī))處于某一觀察點(diǎn)V時(shí)測(cè)量點(diǎn)X在平面E上的投影。投影可以是透射(觀察點(diǎn)V有限)或正射的(觀察點(diǎn)V無(wú)限)。投影測(cè)量點(diǎn)X被分配給單個(gè)像素P。另一方面，Z緩沖區(qū)用于表示2D數(shù)據(jù)，即，像素P的二維輔助字段。在所述Z緩沖區(qū)中，字段元素(深度z)被分配給每一像素P。每一個(gè)投影測(cè)量點(diǎn)X的深度z對(duì)應(yīng)于測(cè)量點(diǎn)X到平面E的距離(關(guān)于觀察點(diǎn)V)。像素P的字段和Z緩沖區(qū)優(yōu)選地以相同的方式作為圖像處理。觀察點(diǎn)V本身是任意的，并且當(dāng)考慮到掃描和/或畫(huà)面時(shí)，通常被改變多次。由于測(cè)量點(diǎn)X是中間有間隙的點(diǎn)，并且在平面E中的像素P通常(在物體O附近的情況下)具有比測(cè)量點(diǎn)X的投影更高的密度，因此執(zhí)行所謂的空隙填充，以填充盡可能多的像素P，從而獲得改進(jìn)的表示。圖形卡32使用3D數(shù)據(jù)和觀察點(diǎn)V的指示(和平面E)來(lái)并行地執(zhí)行所述過(guò)程。最初，只對(duì)分配有測(cè)量點(diǎn)的投影的像素P (即準(zhǔn)確地被測(cè)量點(diǎn)X所覆蓋的像素P)進(jìn)行填充。這些像素P由所分配的測(cè)量點(diǎn)X的值(即亮度，在可適用的情形下以及顏色)所填充。與測(cè)量點(diǎn)X的投影未準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)的所有其他的像素P，即“在中間”的像素P起初是空的，例如，被設(shè)置為O。分配給(最初)被填充的像素P的每一個(gè)深度Z，即Z緩沖區(qū)的字段元素被設(shè)置為深度，其對(duì)應(yīng)于被分配的測(cè)量點(diǎn)X到平面E的距離。Z緩沖區(qū)的所有其他字段元素(深度Z)被設(shè)置為極限值，例如，無(wú)限大。當(dāng)對(duì)測(cè)量點(diǎn)X進(jìn)行投影時(shí)，如果出現(xiàn)一個(gè)像素P可得到兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)X，則選擇具有更小深度Z的測(cè)量點(diǎn)，而排除另一個(gè)，這樣隱藏的表面和隱藏的邊緣就不可見(jiàn)了。根據(jù)本發(fā)明，空隙填充依賴(lài)于深度Zc^ZpZ2,即依賴(lài)于到平面E的距離而發(fā)生。圖形卡32并行地選擇所有的像素P (關(guān)于時(shí)間)。舉例來(lái)說(shuō)，下面考慮一個(gè)被選擇像素匕。被分配的深度z (即Z緩沖區(qū)的字段元素)包括深度Z(l。對(duì)于每一個(gè)被選擇像素Ptl，連續(xù)地搜尋相鄰像素P1;P2...，即向左和向右(以及向上和向下)搜索。如果相鄰的像素P1還沒(méi)有被填充，或如果其深度z比被選擇像素Ptl的深度Ztl大，則其被跳過(guò)，并且將第二個(gè)接下來(lái)的像素P作為相鄰像素P1,必要時(shí)重復(fù)該操作。如果在一個(gè)方向上發(fā)現(xiàn)深度Z1小于被選擇像素P。的深度Ztl的相鄰像素P1，則改變到下一個(gè)方向，并且搜尋相鄰像素P2 (其深度22比被選擇像素Ptl的深度Ztl小)。可以定義被跳過(guò)像素的最大數(shù)量，即如果在跳過(guò)所述最大數(shù)目的被跳過(guò)像素之后還沒(méi)發(fā)現(xiàn)相鄰像素P1 (或P2)，對(duì)P1 (或P2)的搜尋將中止。如果已經(jīng)在相反方向上發(fā)現(xiàn)被選擇像素Ptl的相鄰像素P1和P2,所述相鄰像素P1和P2的深度Z1和Z2小于深度Ztl,則檢查P1和P2是否在同一平面上，即Z2和Z1的差值是否低 于深度的門(mén)限值Zrait,即I Z2-Z11 <zcrit在該情況下，用內(nèi)插在P1和P2之間的值(即亮度、在可適用的情形下以及顏色)來(lái)填充被選擇像素Po。Z緩沖區(qū)的被分配字段元素同樣被設(shè)置為在ZiwZ2之間的內(nèi)插深度。內(nèi)插取決于在平面E中從P1和P2到被選擇像素Ptl的距離。如果深度之差非常大，即，滿(mǎn)足以下條件I Z2-Z11 >zcrit則假定P1和P2 “位于不同的平面上”。然后用例如更遠(yuǎn)的像素P1或P2和具有更大深度Z1或Z2的Z緩沖區(qū)的被分配字段元素的值(即亮度、在可適用的情形下以及顏色)來(lái)填充被選擇像素P。。替代地，具有更小深度Z1或Z2的像素P1或P2的值和深度被轉(zhuǎn)移。在多于兩個(gè)相鄰像素PpP2……的情況下，位于相同表面的大多數(shù)像素，即相鄰像素PpP2……的(平均)值可被轉(zhuǎn)移。優(yōu)選地，已經(jīng)用測(cè)量點(diǎn)的值填充的被選擇像素P。由相鄰像素P1和P2的內(nèi)插值重寫(xiě)。替代地，已經(jīng)被填充的被選擇像素Ptl保持不變。當(dāng)查找像素P1和P2時(shí)，如果像素P因其未被填充或因其深度z過(guò)大而被跳過(guò)，則
其相鄰像素PpP2......與被選擇像素P。相同，這樣，在并行執(zhí)行選擇的方案中，被跳過(guò)像素P
和Z緩沖區(qū)的被分配字段元素，同樣用內(nèi)插在像素P1和P2之間和/或深度Z1和Z2之間的值(取決于平面E中從P1和P2到被選擇像素P。的距離)或用像素P1或P2中更遠(yuǎn)的那個(gè)的值和/或深度Z1或Z2 (或用大多數(shù)像素的平均值)進(jìn)行填充。由于選擇并行執(zhí)行，基于過(guò)大的深度差而用像素P1或P2中更遠(yuǎn)的像素的值和/或深度Z1或Z2進(jìn)行填充，將導(dǎo)致在像素P1或P2附近形成邊緣。即使由于被選擇像素Ptl在(屏幕34的)一側(cè)而導(dǎo)致沒(méi)有發(fā)現(xiàn)深度Z1或Z2比被選擇像素Ptl的深度Ztl小的相鄰像素P1或P2,由于這些被選擇像素Ptl (在邊緣處)還未被填充，也會(huì)生成邊緣?？障短畛鋬?yōu)選地再次發(fā)生，以填充另外的像素，即以便改善(再次)表示?？障短畛淇稍诳刂坪驮u(píng)估設(shè)備22中進(jìn)行，或者借助于在外部計(jì)算機(jī)上的軟件而進(jìn)行。由于并行選擇節(jié)省時(shí)間，在圖形卡32上進(jìn)行基于硬件的空隙填充是優(yōu)選的，優(yōu)選地使用圖形卡的編程接口來(lái)進(jìn)行所述基于硬件的空隙填充。附圖標(biāo)記列表10激光掃描器12測(cè)量頭14 底部16 鏡17光發(fā)射器18發(fā)射光束
20接收光束21光接收器22控制和評(píng)估設(shè)備30顯示設(shè)備32圖形卡34 屏幕C10激光掃描器的中心d 距離E 平面O 物體P，P。，P1, P2 像素V觀察點(diǎn)X測(cè)量點(diǎn)z0, Z1, Z2 深度Zcrit深度的門(mén)限值
權(quán)利要求
1.一種用于光學(xué)掃描和測(cè)量環(huán)境的方法，在該方法中，激光掃描器(10)借助于光發(fā)射器(17)發(fā)射發(fā)射光束(18)，借助于光接收器(21)接收接收光束(20)，激光掃描器(10)的環(huán)境中的物體(O)反射或散射反射光束，并且對(duì)于多個(gè)測(cè)量點(diǎn)(X)，借助于控制和評(píng)估設(shè)備(22)確定至少?gòu)奈矬w(O)到激光掃描器(10)的中心(Cltl)的距離(d)，并且其中，至少一些測(cè)量點(diǎn)(X)被顯示在顯示設(shè)備(30)上，為此，測(cè)量點(diǎn)(X)被分配給平面(E)的像素(P)，并且測(cè)量點(diǎn)(X)到平面的距離被分配給各個(gè)深度( , Z1, Z2……)，并且用值填充至少在被分配給測(cè)量點(diǎn)(X)的像素(P)之間的像素(P)，特征在于，根據(jù)深度(Z(l，Z1, Z2……)，通過(guò)選擇像素(Ptl),通過(guò)搜尋與被選擇像素(Ptl)相鄰并且具有更小的深度(Z1, Z2……)的像素(P1,P2……)，依賴(lài)于相鄰像素(P1, P2……)的值和相鄰像素(P1, P2……)的深度(Zl，Z2……)，來(lái)填充要被填充的像素(P)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，特征在于，每個(gè)將被顯示的測(cè)量點(diǎn)(X)被分配給與測(cè)量點(diǎn)(X)在平面(E)上的投影對(duì)應(yīng)的像素(P)，并且所述像素(P)最初用被分配測(cè)量點(diǎn)(X)的值進(jìn)行填充，并且分配給最初被填充的像素(P)的深度設(shè)置為被分配測(cè)量點(diǎn)(X)到平面(E)的距離。
3.如權(quán)利要求I或2所述的方法，特征在于，已被填充的被選擇像素(Ptl)保持不變。
4.如前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，特征在于，對(duì)于任何被選擇像素(Ptl),連續(xù)地搜尋相鄰像素(P1, P2,......)，其中，未被填充和/或深度(Z1, ζ2,......)比被選擇像素(P0)的深度(Ztl)大的像素(P)被跳過(guò)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，特征在于，如果在任意的搜尋方向上搜到已被填充并且深度(Z1)小于被選擇像素(Ptl)的深度(Ztl)的相鄰像素(P1 )，則將方向改變到還未被搜尋的方向。
6.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的方法，特征在于，在搜到被選擇像素(Ptl)的相鄰像素(P1, P2)之后，檢查相鄰像素(P1, P2)的深度(Zl，Z2)之間的差值是否低于深度的門(mén)限值(Zrait),其中所述相鄰像素已被填充并且其深度(Z1, Z2)小于被選擇像素(Ptl)的深度(Ζ。)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，特征在于，如果所搜到的相鄰像素(P1,P2)的深度(Zl，Z2)之間的差值小于深度的門(mén)限值(Zrait),則被選擇像素(Po)用在相鄰像素(P1, P2)的值之間內(nèi)插的值進(jìn)行填充，并且被選擇像素(P。)的深度(Ztl)被設(shè)置為內(nèi)插在所搜到的相鄰像素(P1, P2)的深度(Z1, Z2)之間的深度(Z)。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，特征在于，如果所搜到的相鄰像素(PpP2)的深度(Z1, Z2)之間的差值低于深度的門(mén)限值(Zrait),則被選擇像素(Ptl)用具有更大深度(Zl，Z2)的相鄰像素(PpP2)的值進(jìn)行填充，并且被選擇像素(Po)的深度(Ztl)被設(shè)置為具有更大深度(Z1, Z2)的相鄰像素(PpP2)的深度(Ζ)。
9.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的方法，特征在于，在時(shí)間上并行地選擇要被選擇的像素(Po)，和/或至少兩次進(jìn)行填充。
10.一種用于執(zhí)行如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的方法的設(shè)備，該設(shè)備具有激光掃描器(10)，所述激光掃描器具有光發(fā)射器(17)、優(yōu)選地旋轉(zhuǎn)鏡(16)、光接收器(21)以及控制和評(píng)估設(shè)備(22);并具有顯示設(shè)備(30)，特征在于，所述顯示設(shè)備(30)具有連接到控制和評(píng)估設(shè)備(22)的圖形卡(32)以及屏幕(34)，其中圖形卡(32)用于選擇像素(Ptl),搜尋被選擇像素(Po)的相鄰像素(PpP2,……)，所述相鄰像素具有更小的深度(Zl，Z2,……)，并且依賴(lài)于相鄰像素(P1, P2,……)的值和相鄰像素(P1, P2,……)的深度(Z1, Z2,……) 來(lái)填充被選擇像素(P。)。
全文摘要
在光學(xué)掃描和測(cè)量環(huán)境的方法中，其中，激光掃描器借助于光發(fā)射器發(fā)射發(fā)射光束，借助于光接收器接收接收光束，接收光束從在激光掃描器的環(huán)境中的物體反射或散射，并且，借助于控制和評(píng)估設(shè)備，為多個(gè)測(cè)量點(diǎn)至少確定每一情況下物體到激光掃描器的中心的距離，并且其中至少一些測(cè)量點(diǎn)(X)被顯示在顯示設(shè)備上，為此，測(cè)量點(diǎn)(X)被分配給平面(E)的像素，并且測(cè)量點(diǎn)(X)到平面(E)的距離被分配給各個(gè)深度，根據(jù)深度(z0，z1，z2……)，通過(guò)選擇像素(P0)、搜尋與被選擇像素(P0)相鄰并且具有更小的深度(z1，z2……)的像素(P1，P2……)并通過(guò)根據(jù)相鄰像素(P1，P2……)的值和相鄰像素(P1，P2……)的深度(z1，z2……)填充被選擇像素(P0)，來(lái)用值填充至少在被分配給測(cè)量點(diǎn)(X)的像素之間的像素。
文檔編號(hào)G01S17/89GK102893174SQ201180023026
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者馬丁·奧西格, 達(dá)格·弗羅姆霍爾德, 丹尼爾·弗洛爾 申請(qǐng)人:法羅技術(shù)股份有限公司