專利名稱：用于測量至少一個目標的方法和測地裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1的前序部分的用于對至少一個目標
進行測量的方法， 一種根據權利要求12的測地裝置以及一種計算機程序
產品。
背景技術：
一直以來，已經公知多種用于在測量環境中對確定點的性質(具體 為空間數據)進行記錄的測量設備。測量裝置的位置與所呈現的任何基 準點，以及至目標和測量點的方向、距離和角度一起作為標準空間數據
被記錄。
這種測量設備的一公知示例為經緯儀。在R. Joeckel和M. Stober的 "Elektronische Entfernungs- und Richtungsmessung，， [Electronic distance and direction measurement]，第四版，Verlag Konrad Wittwer Stuttgart 1999 以及 J". M. R ii eger 的"Electronic Distance Measurement", 第四版，Springer Verlag Berlin, Heidelberg 1996 中提供了對現有技術的經緯測量設備的概述。
為了控制所述測量過程，除了具有目鏡的系統之外，也日益使用具 有相機/屏幕組合的裝置，這樣的裝置具有人體工程學的使用優點。此 夕卜，通過記錄光學圖像能實現目標辨識或目標跟蹤，并因此便于測量過 程，實現測量過程的自動化。
因此，例如EP 1 314 959以及WO 2004/036145公開了具有電子顯 示器和控制設備的允許基于屏幕的操作的測地測量裝置。
在對光學圖像的二維表示中，可指定要進行測量(即，確定距離和/ 或角度)的點。在圖像的基礎上，可通過圖像處理方法來對目標進行識 別和跟蹤，從而可在此基礎上實現自動化的測量。
然而，該圖像根本沒有深度信息，從而圖像處理方法依賴于合適的 初步信息、圖像處理條件(例如，目標板預先校準)或者圖像性質(例 如，亮度和對比度)。目標辨識和跟蹤的可能性受到純視覺捕捉的限制。 具體而言，例如在不能分辨彎曲表面的情況下產生光學模糊。因此，在 不利光線條件下進行正面記錄時，盤和球均呈現為相同的圖像。
因此，就環境條件和目標幾何形狀而言，純視覺圖像的記錄限制了 測量過程的控制和自動化。
為了將地形產生為具有深度信息的靜態圖像，應在航拍或記錄運動 的過程中，在航空照相測量法中從至少兩個不同角度來記錄地球表面或 天體的圖像，這樣能基于共線性關系來計算例如用于制備地圖材料的圖 像高度信息。在該方法的現代實現方式中，通過掃描對相片進行數字化， 以用于進一步的電子處理，或者就在航拍中對相片進行數字化的記錄。
EP 1 418 401公開了用于航空或空間照相測量法的方法和設備，其
中，在通過飛行器進行航拍以記錄能在照相測量法中使用的圖像的過程 中，利用激光測距儀的激光束來附加地進行至采樣點的距離測量。分別 針對一組圖像點來記錄該距離測量，而且這些距離測量以后將用作制備 表面的地形的約束。所記錄的距離測量還能用于優化記錄和飛行參數。 在產生航空圖像的過程中，還優選利用多線傳感器相機來在此附加 地進行至采樣點的距離測量用于記錄圖像點，所述采樣點分別與一組至 少一個圖像點相配合。用激光測距儀來實現這些距離測量。
通過基于激光的距離測量(LIDAR)對從飛行器至各點進行直接距離 測量，從而產生了傳統照相測量法的一種替代方式。然而，該方法不能 例如在不同的譜范圍內提供可用于比較的進一步信息。此外，圖像記錄 是通過掃描實現的，即，其因而不適于極需快速獲得圖像信息的應用。
而且，具有掃描束的LIDAR系統具有由機械設計帶來的不利之處。 或者整個裝置必須在待記錄可視范圍內移動，或者光束引導必須設計成 在原本不可變的設備中是可變的。除了這些機械和/或光學要求的成本 或復雜解決方案之外，它們還通常僅僅具有較低的掃描速度，此外還具 有相對高的能量消耗。
基于次序捕捉額外的深度或距離信息的系統還具有機械穩定性的問 題。由于掃描運動和(例如由于振動引起的)機械載荷，不能確保或只 有在額外費用的情況下才能確保距離測量與視覺圖像的圖像點的相關 性。
發明內容
本發明的目的在于提供一種用于測地測量的可以改進目標識別的方 法和設備。
另一目的在于改進對一般類型的測地裝置的測量過程的控制。
根據本發明，通過權利要求1至12的特征并通過從屬權利要求的特 性特征實現這些目的，或者進一步研發解決方案。
本發明基于這樣的原理，即，通過記錄系統和表面之間的附加距離 測量來獲得視覺圖像的捕捉區域內的進一步深度信息，該進一步的深度 信息能用于控制測量過程并用于目標識別。
在更廣泛的意義上，本發明涉及通過視覺對準部件或支持這種對準 而與測量點光學對準的所有測地裝置。在此意義上，術語"測地裝置" 通常用來指一種具有用于測量或檢驗空間數據的設備的測量儀器。具體 而言，這涉及到對至基準點或測量點的距離和/或方向或角度的測量。然 而，除此之外，也可以是能用于補充測量或數據記錄的例如用于衛星支
持定位(例如GPS、 GL0NASS或GALILEO)部件的其他設備。具體而言， 這種測地測量裝置在這里應理解為經緯儀，以及諸如具有電子角度測量 和電光測距儀的所謂總站。
同樣地，本發明適于在具有類似功能的專門化設備中使用，例如在 軍事瞄準環或在對工業結構或處理的監控中使用；從而術語"測地裝置" 也同樣涵蓋這些系統。
根據本發明，在具有相機的測地裝置中集成有另一部件，該部件形 成為用于記錄至選定點的距離測量，或者具有位于視覺通道的捕捉區域 內的確定取向。該部件記錄的距離與視覺通道的圖像內的點相關，從而 可通過在視覺圖像中的可視結構來推導信息。
對具有多個圖像點的圖像進行捕捉的合適設備例如為CCD或CMOS相 機，而且CCD或CMOS相機可用作視覺圖像的記錄部件。
可釆用多種可選部件用作記錄距離的部件。首先，可通過多個單獨 測距儀同時針對所述捕捉區域內所有的點或(作為時間的函數而聚合 (cohesion)成組的)多個點進行測量，即，直接相繼地，這樣就必須 相對于圖像點調節各個測距儀。其次，也可利用集成解決方案，例如， 作為二維布置的各傳感器的具有集成距離測量功能的芯片。這種范圍成 像模塊(RIM)例如具有呈矩陣布置的32X32傳感器。通過這一矩陣， 可將距離圖像記錄為所述捕捉區域內的離散距離點的空間分布。顯然， 通過這一數量的傳感器點以及距離圖像點，橫向分辨率不足以僅僅在距 離圖像的基礎上執行精確的控制和分辨任務。然而，通過與所述視覺圖 像的組合，可獲得用于此的所需深度信息。例如所述視覺和距離圖像可 邏輯或光學疊加，從而對各個圖像點或圖像點組而言，也可知道它們的 間距或它們至所述裝置的平均距離。
這里，距離圖像應理解為指所測距離值的二維布置，所述距離值通 過用于控制或目標識別所需的聚合而覆蓋所述相機的所述捕捉區域的至 少一部分。也可采用不同水平的聚合，例如，通過遞增的精度進行目標 識別的連續步驟。在對一圖像點或一組圖像點僅僅記錄單一距離值的情 況下，這是足夠的。然而，在許多情況下，所述距離圖像中的可識別聚 合結構允許與所述視覺圖像的結構相匹配，從而所述捕捉區域內的物體 能被識別，而且能相對于所述捕捉區域內的距離或次序被分類。
可通過使用單獨的用于距離測量以及圖像記錄的部件和通過兩種功 能集中在各個部件來實現在設備側實施本方法。通過距離測量點進行的 從裝置內的預定基準點至所述捕捉區域內的距離點的距離測量必須能與 所述視覺圖像記錄相關，從而只要滿足該條件，就存在不同部件的各種 取向和布置。限定所述距離測量的所述基準點通常由所述裝置中的記錄 所述距離圖像的部件的設計和布置決定。
在所述視覺圖像的捕捉區域中，由用于記錄距離圖像或所述距離測 量的軸線取向的部件記錄的距離點可隨機分布，或者以具體的圖案分布。
因為通常只有部分捕捉區域必須進行更加精細地分辨以進行目標識別和 /或測量控制，所以距離點的位置和密度也是可變的。因此，分步方法也 是可行的，在該分步方法中，首先進行基于視覺或距離圖像的稀疏搜索 運行或稀疏觀測，隨后在較小的區域中進行較高的分辨。為此目的，可 將例如微透鏡或全息儀陣列的光束改變部件引入到例如光束路徑中位于 用于記錄距離圖像的部件之前。然而，可選或附加的是，所述部件本身
可在所述光束路徑中移動。在W0 2004/036145中描述了用于實現部件在 所述裝置內相對于所述光束路徑移動或用于改變光學系統的原本不變化 的捕捉區域中的發射和接收方向的實例。
也可基于距離信息來控制待記錄的距離點的布置選擇。因此，例如 在第一步中，可記錄整個捕捉區域的距離圖像。在該距離圖像中，具有 特別大變化的記錄距離的區域隨后被識別，并通過較高的分辨率來記錄， 且在第二步驟中加以分析。
以下參考附圖中示意性示出的工作實施例僅僅以實施例方式更加詳 細地描述或說明根據本發明的方法和根據本發明的裝置。具體而言， 圖1示出了根據本發明的測地裝置的部件的示意圖； 圖2示出了捕捉區域內的將要被捕捉的距離點的第一分布的示意
圖3a—d示出了捕捉區域內將要被捕捉的距離點的其他分布的示意
圖4示出了根據本發明的方法或測地裝置的使用實施例； 圖5示出了視覺圖像和距離圖像的示意圖6示出了視覺圖像和距離測量分配至距離圖像的記錄；而且 圖7示出了用于距離圖像的實施例的示意圖。
具體實施例方式
圖1示出了根據本發明的測地裝置的部件的示意圖。整個系統包括
前光學系統l、自動聚焦和縮放組2、無限平臺3和有限平臺4以及可選
的目鏡單元6等組件。無限平臺3承載有用于測量至目標物體的距離的 發射器9和接收器10、用于自動目標識別的照明激光器8和接收器單元 ll等部件。可通過微掃描元件12—起改變照明激光器8、發射器9和接 收器10的光束路徑，從而可在捕捉區域內進行目標的測量或自動目標識 別。這里，目標的識別是基于合作目標相對于背景的較大反射率而進行 的。根據本發明，通過將RIM傳感器陣列7集成到有限平臺4內，使得 可改進控制，并改進目標識別。該R頂傳感器陣列7與相機6利用共同 的光束路徑。兩個部件都利用自動聚焦和縮放組2，之后，這兩個部件被 集成到光束路徑中。在該工作實施例中，相機6以及RIM傳感器陣列7 在位置上彼此相對固定，從而將要被記錄的距離點或者至捕捉區域內的 點的距離測量的方位分別與相機6的各圖像點或圖像點組相配合。
在可選的工作實施例中，可以改變與圖像點的分配關系，或RIM傳 感器陣列7的傳感器點的布置的幾何形狀。為此目的，或者RIM傳感器 陣列7能在光束路徑中移動，并且/或者能例如通過將微透鏡陣列或全息 元件引入到光束路徑而改變光束引導。例如通過可旋轉的支承盤或可移 位的線性布置(這里未示出)而使這一引入成為可能。
圖2示出了捕捉區域14a內的將要被捕捉的距離點16的第一分布的 示意圖。通過諸如測地裝置13的總站，在捕捉區域14a內記錄待測量的 地面部分。在捕捉區域Ma內，實際上利用測地裝置13對所選擇的測量 點15進行角度和距離測量。與通過相機對捕捉區域14a進行記錄相并行 的，對距離點16進行距離測量，所述距離點16在本實施例中具有呈規 則圖案的第一分布，該圖案基本覆蓋了整個捕捉區域14a。可例如通過多 個單獨的距離測量單元或通過傳感器陣列(其具有用于光束引導或發散 或光束軸線與傳感器點對準的預先光學元件)而實現這樣的第一分布。 從而即使僅通過少數傳感器點或距離測量單元也可覆蓋相對較大的捕捉 區域14a。至少針對兩個距離點16同時實現至距離點16的距離測量，但 是優選同時且在一個過程中對距離點16的整個分布進行距離測量。然而， 如果合適，例如在要利用僅具有幾個傳感器的傳感器陣列來測量相對大
量的距離點16時，也可順序記錄多組至少兩個距離點16。通過距至少兩
個距離點16 (具體而言為多個距離點16或大量距離點16)的同時距離 測量，可實時將視覺圖像與距離信息相組合。測量的同時性至少是指對 距至少兩個距離點16的距離測量在時間上的重疊。
如果以與視覺圖像的光學記錄率相對應或者與和利用視覺圖像交互 的用戶相對應的速率來提供距離信息，則對該視覺控制過程而言沒有不 利的延遲。尤其是在同時進行至距離點16的距離測量和捕捉視覺圖像的 情況下更是如此，同時性(除了物理同時性)還由視覺圖像的捕捉率或 用戶動作(其從而確定了就時間而言所需的分辨率)確定。
同時性防止了至距離點16的距離測量中的方位與視覺圖像捕捉之 間的任何可能偏差和差別。從而能有利地(具體是利用至少部分共同的 光束路徑或共同使用的部件)同時實現這兩個過程。距離測量和視覺圖 像的這一同步或同時記錄由于相對于時間的聚合而確保了測量的兩種方 法的相關性，因而，對應用過程的控制而言，能另外采用距離信息用于 視覺圖像的結構識別。同時性允許無延遲地執行經由視覺圖像控制的過 程(其例如在通過對點的掃描記錄距離測量過程中不能通過此方式實 現)。
圖3a—d示出了捕捉區域內將要被捕捉的距離點的其他分布的示意 圖。在這些圖3a—d，如還在圖2中的那樣，僅通過實施例的方式示出了 僅僅幾個待捕捉的距離點。然而，待使用的點的數量或相配合的傳感器 點或距離測量單元的數量可以相當大(例如，為322 = 1024)或更小。
圖3a示出了捕捉區域內距離點的統計或隨機分布。
圖3b示出了例如在RIM傳感器陣列中實現的具有等距行和等距列的 規則圖案的情況。這一圖案盡可能均勻地填充捕捉區域。
在圖3c中示出了距離點的另一六邊形布置。該圖案近似為圓形區域 而不是矩形。這里，示出了捕捉區域的最常用中心內的距離點的集中。 如果將六邊形的尺寸選擇為較大，則圖案將比圖3d中的更加均勻地填充 捕捉區域。
最后，圖3d示出了可在捕捉區域內移動并可定位在較大相關性區域
內的圖案。在該實施例中，測量的目標為建筑物，從而天空或樹林對該 測量是不相關的。為了提高分辨率，例如通過改變光束軸線的取向使得 所有的距離點能在一部分捕捉區域內移動。
圖4說明了基于自動目標識別的使用實施例的根據本發明的方法或 者根據本發明的測地裝置13。通過諸如測地裝置13的總站，在多建筑物
地形中對具有作為協作目標的反射器的鉛垂物體17進行檢測和自動觀 測。出現在捕捉區域14b內的建筑物18窗口可能導致反射，這些反射可 能導致僅基于其較高反照率辨識鉛垂物體17變得復雜。例如，當太陽在 空中較低或者在具有反射車輛表面的道路交通情況下，也可能產生類似 的不利結構。具體對不協作目標而言，不能在這樣的情況下進行自動化 的目標識別。
對鉛垂物體17的自動檢測而言，如圖5所示，通過總站的相機將鉛 垂物體17記錄在視覺圖像VB中。該視覺圖像VB同樣含有具有反射表面 的建筑物18的一些部分。與該捕捉相并行地記錄距離圖像，該距離圖像 的記錄傳感器陣列由用于距離點DP的測量的傳感器點的陣列構成。在本 實施例中，通過距離點DP的陣列所實現的覆蓋對應于視覺圖像VB，并從 而對應于裝置的捕捉區域，視覺圖像VB的多個圖像點分別與每個距離點 DP相協作。
通過傳感器點，以圖6所示的分辨率對距離點DP進行測量。在圖6 中，在上方圖的距離點DP內著重示出了鉛垂物體17以及建筑物18的位 置。在下方圖中針對一行距離點DP示出了對各個距離點測量的距離。在 該純示例性實施例中，繪出了測量距離d和假定的最大距離D之間的差。 例如，對不可確定的距離值(例如，在向著天空的測量中)，可將預定值 取為位置保持值。對每個象素Nij而言，給定針對D—d的相關值，從而形 成距離曲線，在該距離曲線中可將鉛垂物體17以及建筑物18識別為捕 捉區域中的結構。
圖7示出了根據圖6記錄的距離圖像的示意圖，作為結構辨識和圖 像點分配的實施例。示出了具有相應距離值D—d的距離點的陣列。在該 陣列中，可識別距離值的可與視覺圖像的結構相配合的聚合區域。因此，
在距離圖像中，可將第一區域辨識為鉛垂物體的圖像17a，而將第二區域 18a辨識為建筑物的圖像。可例如通過已知的圖像處理方法對區域進行辨
識并將區域指定給視覺圖像中的物體。原則上，這里可分別針對視覺圖 像和距離圖像單獨地對結構(在隨后的步驟中組合該結構)進行識別， 或者可直接進行圖像和距離點的分配，而無需在所述兩個圖像(從所述 兩個圖像的聚集中可識別目標或結構)中進行獨立的結構識別。
所示出的實施例和附圖僅表示根據本發明的說明性實施實例，從而 不應理解為限定性和限制性的。具體而言，所示出的圖像點和距離點的 數量是僅為了示出的目的而選擇的。
權利要求
1、一種用于通過測地裝置(13)對至少一個目標(17)進行測量的方法，該方法包括●通過所述裝置(13)的相機(6)對捕捉區域(14a，14b)的視覺圖像(VB)進行捕捉，所述相機(6)具有多個圖像點，以及●執行至所述目標(17)的測地角度和/或距離測量，通過所述視覺圖像(VB)支持或控制所述角度和/或距離測量，所述方法的特征在于，同時、具體而言在捕捉所述視覺圖像(VB)的同時記錄至少兩個離散的距離點(DP)，用于提供作為所述捕捉區域(14a，14b)中離散距離點(DP)的空間分布的距離圖像。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，通過至所述距離點(DP) 的距離測量實現對所述距離圖像的記錄，所述距離點(DP)的數量小于 圖像點的數量，而且至少一個圖像點與至少一個距離點(DP)相配合。
3、 根據權利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述捕捉區域(14a， 14b)中的距離測量的取向優選作為所測距離值的函數而變化，具體地作 為所述距離值的分布的函數而變化。
4、 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述捕捉區域(14a， 14b)內的距離測量的取向根據隨機圖案產生。
5、 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述捕捉區域(14a， 14b)內的距離測量的取向根據規則圖案產生。
6、 根據以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在所述距 離圖像內對距離點的聚合區域(17a， 18a)進行識別。
7、 根據以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述視覺 圖像(VB)和所述距離圖像被疊加。
8、 根據權利要求6和7所述的方法，其特征在于，在所述視覺圖像 (VB)中，基于所述視覺圖像(VB)的聚合區域和特征的相關性來識別物體。
9、 根據以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，從所述距 離圖像推導所述捕捉區域(14a， 14b)內的物體、具體地為目標(17) 的空間位置。
10、 根據以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，從所述 距離圖像推導所述捕捉區域(14a， 14b)內的多個物體的空間次序。
11、 根據以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，物體的 識別、具體為目標辨識是基于所述距離圖像實現的。
12、 一種用于執行根據權利要求1至11中任一項所述的方法的測地 裝置(13)、具體地為準距儀，該測地裝置至少包括一相機(6)，具體地為CCD或CMOS相機，其用于對捕捉區域(14a， 14b)的視覺圖像(VB)進行捕捉，所述相機(6)具有多個圖像點， 一角度和/或距離測量部件，—控制單元，該控制單元用于控制所述角度和/或距離測量部件，具 體地通過所述視覺圖像(VB)來控制所述角度和/或距離測量部件，所述測地裝置的特征在于用來同時記錄至少兩個離散距離點(DP) 以提供作為所述捕捉區域(14a， 14b)內的離散距離點(DP)的空間分 布的距離圖像的部件。
13、 根據權利要求12所述的測地裝置(13)，其特征在于，通過用 于記錄距離圖像的所述部件記錄的距離點(DP)的數量小于圖像點的數 量，至少一個圖像點與至少一個距離點(DP)相配合。
14、 根據權利要求12或13所述的測地裝置(13)，其特征在于至所 述相機(6)的光束路徑中的聚焦元件(2)，用于記錄距離圖像的所述部 件布置在所述光束路徑中的所述聚焦元件(2)之后。
15、 根據權利要求14所述的測地裝置(13)，其特征在于這樣的部 件，該部件具體與可旋轉或可移動的支承元件一起可引入到所述光束路 徑中，用于所述捕捉區域(14a， 14b)內的距離測量的定向，所述部件 具體具有微透鏡或全息元件。
16、 一種特別是在計算機中執行程序的情況下用于執行根據權利要 求1至11中任一項所述的方法的計算機程序產品，該計算機程序產品具 有存儲在可機讀介質內或由電磁波實施的程序代碼。
全文摘要
本發明提供一種利用測地裝置(13)對至少一個目標(17)進行測量的方法。根據所述方法，所述裝置(13)的相機捕捉視覺圖像，并以測地精度測量至所述目標的角度和/或距離，所述角度和/或距離監測由所述視覺圖像支持或控制。在捕捉視覺圖像的同時，將距離圖像的至少兩個距離點捕捉作為所述檢測區域(14b)中的離散距離點的空間分布。在所述視覺圖像和所述距離圖像彼此相關時，就識別了所述目標或者控制了所述測量過程。
文檔編號G01C15/00GK101103248SQ200680002341
公開日2008年1月9日 申請日期2006年1月12日 優先權日2005年1月14日
發明者伯恩哈德·布勞內克, 馬塞爾·羅納 申請人:萊卡地球系統公開股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
