用於獲取空間區域的三維數據的方法和設備的製作方法
2023-05-06 14:12:11
專利名稱：用於獲取空間區域的三維數據的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於獲取空間區域的三維數據的方法，所述方法包括以下
步驟
-提供具有發射機和接收機的雷射掃描儀，
-通過所述發射機向所述空間區域中的多個測量點發出多個測量光
束，
-接收由所述測量點反射的多個反射光束，以及
-基於所述反射光束確定距所述多個測量點的多個距離。
本發明還涉及用於獲取空間區域的三維數據的設備，所述設備包括具 有發射機和接收機的雷射掃描儀，所^L射M配置用於向所述空間區域 中的多個測量點發出多個測量光束，所述接il^M^配置用於接收由所述測 量點反射的多個反射光束以及基於所述反射光束確定距所述多個測量點 的多個多巨離。
背景技術：
此種方法和設備可從例如DE 103 61 870中獲知。
該文獻公開了 一種包括測量頭的雷射掃描儀，所述測量頭保持有以可 可轉動方式被支撐的轉子。該轉子被繞著水平軸轉動，同時發出多個雷射 束。由於該轉子的轉動，所述雷射束被發送到空間中的覆蓋了 270°或更 大的豎角(vertical angle)的多個方向上。此外，所述測量頭被繞著垂 直軸轉動，使得所發出的雷射束幾乎完全掃描周圍的空間區域。在該測量 頭中設置有接收機，該接收機接收從所述空間區域中的目標點反射的反射 光束，並通過所發出的光束與所接收的光束之間的延遲時間差來確定距所 述目標點的距離。此外，所述接收機針對每個測量點產生取決於所反射的 測量光束的強度的^JL值。總之，所述已知的雷射掃描儀可以用於記錄空 間區域的三維圖像，並且所述多個^jl值產生可與對空間區域的黑/白記 錄相比的全面圖像。此外，針對每個測量點提供距離信息項，使得可以更精確地檢查、勘測、和/或稍後藉助於所記錄的數據而對該空間區域進行 文檔記錄。這種雷射掃描儀的典型應用是對例如要在其中設計和建立新的 生產線的工廠車間的勘測。在另一已知的應用中，這種雷射掃描儀被移動 穿過隧道管路(如必要的話，而非繞垂直軸轉動)，以檢查例如該隧道的 狀況以及確定該隧道中每一點處的淨寬。
原則上，這種雷射掃描儀適合於獲取由諸如牆壁或自然障礙物之類的 目標所界定的任何空間區域的三維數據。包括全視野空間區域的"光學圖 像"的相對快且廣泛的數據釆集還使得這種雷射掃描儀有利於法醫學應
用，即，對犯罪現場的法醫學覆蓋(forensic coverage)和文檔記錄。但 是，對犯罪現場的法醫學覆蓋需要迄今已知的雷射掃描儀所無法提供的進 一步的信息。所述信息主要包括與射彈穿入牆壁或另一障礙物時所產生的 彈道的位置和路線相關的信息。
對於對彈道的法醫學覆蓋，目前使用標記有顏色的杆，所述杆以其近 端從彈道的入口伸出的方式被插入彈道中。這些杆可以用於識別所述彈道 的方位。適當的杆例如由Lightning Power Company, Inc., 13386 International Parway， Jacksonville, FL 32218, USA提供。
發明內容
針對該背景，本發明的目的是改善上述提及的類型的方法和設備，以 開發新的應用。具體地，本發明的目的是便利於空間區域的法醫學數據獲 取。
才艮據本發明的一個方面，該目的是通過上述提及的類型的方法來實現 的，其中所述空間區域包括至少一個包含具有可見入口的隱蔽通道的目 標，杆狀元件以自由端從該入口伸出的方式被插入到該通道中，確定距該 自由端處的第一測量點的第一距離以及距該自由端處的第二測量點的至 少一個第二距離，以及基於所述第一和第二距離來確定所述隱蔽通道的方位。
根據本發明的另一方面，該目的通過之前提及的類型的設備來實現， 其中所述接收機還被配置用於通過確定距杆狀元件的自由端處的第一測
量點的距離以;sj巨該自由端處的第二測量點的至少一個第二距離，來確定 所述杆狀元件的方位，其中，所述杆狀元件的自由端從在空間區域中的目 標處的隱蔽通道的入口伸出。本發明可用於根據藉助於所述雷射掃描儀採集的數據來確定彈道或其它隱蔽在目標中的通道的方位。由於該雷射掃描儀能夠藉助於該杆狀元件以某種方式來"窺視"該目標，由此擴展了已知的雷射掃描儀的能力。容易理解，該新穎方法和新穎設備特別適用於對其中使用了槍械的犯罪現場的法醫學數據獲取。當然，該新穎方法和新穎設備還可用於對隱蔽在目標中的通道的方位進行記錄和勘測的其它目的，例如用於對建築牆壁中的鑽孔進行記錄。
該新穎方法和新穎設備具有以下優點可以非常快速且高精確性地確定通道的方位，在對"其餘的"空間區域進行三維測量的同時釆集用於確定方位的數據。特別有利的是，可以在空間區域的"光學圖像"中對通道的方位進行標記，這l更利於記錄和之後的分析。
由此完全實現了上述的目的。
在本發明的優選實施例中，該杆狀元件具有杆狀遠端區域和近端區域，所述杆狀遠端區域被配置用於插入到隱蔽通道中，所述近端區域具有至少一個擴大體，在所述擴大體處設置有第一測量點和第二測量點。所述第一測量點和第二測量點優選地被沿著該杆狀元件設置在杆狀元件彼此的相對距離處，所i^目對距離優選為大約10cm或以上。該遠端區域優選地具有在約0.2 cm與1 cm之間的外徑。所述擴大體的外徑優選地在約2cm與15 cm之間，進一步優選地在約5 cm與10 cm之間。
使所述杆狀元件具有相對薄的遠端區域和加厚的近端區域便利於對所述方位的精確且明確的確定。相對薄的遠端區域使得能夠將杆狀元件插入到窄的彈道、鑽孔等中。另一方面，在近端區域中的擴大體^t利於對杆狀元件的確切的識別以及由此便利於可靠且精確地確定方位。由於測量精確性的提高通常是通過"精細的(fine)"測量器具來實現的，因此起初並未預料到這個效果。而在本實施方式中，在優選實施例中使用超過隱蔽通道的尺寸10至20倍的擴大體。但是，已經發現，由於對空間區域的三維覆蓋，可以在擴大體自身的維度上對所述擴大體進行勘測，這繼而使得能夠以提高的精確性來^地確定所述方位。
在另一實施例中，所述遠端區域限定了縱軸，並且所述至少一個體具有基本上位於該縱軸上的中心點。
在該實施例中，相對於杆狀元件的遠端區域而近似同軸地設置所述體。這有利於精確地確定所述方位。此外，在該實施例中，所述杆狀元件
6繞其縱軸的旋轉位置不重要的，以便可以以更簡單和更快的方式將杆狀元 件定位在所述通道中。
在另 一實施例中，確定距所述至少一個體處的多個測量點的多個體距 離，並基於所述多個體距離確定所述中心點。
在該實施例中，所述體自身被勘測以儘可能精確地確定其中心點。可 用來確定所述體的中心點的精確度越高，則可用來確定所述隱蔽通道的方 位的精確度就越高。
在對該實施例的優選的改進中，所述體具有限定的幾何形狀，且該幾 何形狀的理想圖像與表示多個體距離的點雲相匹配。所述匹配例如可以根 據最小二乘法來進行。該實施例使得即使在對所述體的勘測具有高測量噪 聲時也能夠精確地確定所述隱蔽通道的方位。
在另一實施例中，每個反射光束具有光束強度，且所述方位還基於所 述光束強度來確定。
在該實施例中，不似巨離信息，而且光束強度也被用於確定所述至少 一個體的位置和對準。由於確定所述方位的精確度取決於對所述體進行勘 測的精確度，因此該實施例使得能夠進一步改善測量精確度。
在另一實施例中，所述至少一個體具有伸長的形狀，特別地為圓柱形。
在該實施例中，所述體具有所限定的主方向，有利的是，該主方向與 所尋找的方位同軸。使用這種體便利於確定所述方位和提高測量精確度。 所述伸長的形狀越長，則越可能檢測到由雷射掃描儀進一步分開的測量 點。遠離著的測量點降低了由於 >差和/或測量噪聲而可能產生的測量誤 差。
在另 一 實施例中，杆狀元件包括被設置在彼此相對距離處的至少兩個體。
該實施例也是針對杆狀元件上的遠離著的測量點而提供的，並且由此 提供了測量誤差的降低。該實施例在所述至少兩個體具有相同形狀的情況 下是特別有利的，這是因為，那樣就可以使用相同的算法來確定所述中心
點。與單個伸長的體相比，該實施例具有以下優點自由的近端負荷有較 輕的重量，這減少了杆狀元件的彎曲。
在另一實施例中，所述至少兩個體為球體。作為替換方案，所述至少 兩個體可以為立方體或其它幾何要素。球體使得能夠以相對簡單和精確的方式來確定在很大程度上獨立於 雷射掃描儀的視向或視角的中心點。因此，通常優選球體作為所述體。相
比而言，立方體具有以下優點杆狀元件不會滾走，這有利於實際^Mt和 運輸。
在另一實施例中，所述隱蔽通道是彈道，且基於所述方位來確定空間 區域內的假定的槍手位置。有利的是，通過沿著所述方位查找近似地與槍 手大小相對應的位置，自動地對該假定位置進行確定。
由於該實施例簡化並加快了對犯罪現場的法醫學數據獲取，因此該實 施例代表了所述新穎方法和新穎設備的特別優選的應用。
在另一實施例中，杆狀元件包括在遠端區域中的標記，該標記具有較 強反射部分和較弱反射部分。
利用該實施例，由於具有不同^Jt性的部分分別導致了所>^射光束的 不同的光束強度，因此可以以非常簡單的方式對所述隱蔽通道的深度進行 記錄。由此，在所述光學圖4象中，這種標記是明顯可見的，並且可以以相 對快和簡單的方式在所記錄的數據中識別這種標記。
不用說，在不背離本發明的範圍的情況下，上述特徵以及下面將要說 明的特徵不僅可以用於在每種情況下所指定的組合中，而且可以用於其它 組合中，或者可以使用這些特徵自身。
在附圖中示出了本發明的示例性實施例，並且將在以下的描述中更詳 細地說明本發明的示例性實施例。
圖1示出了根據本發明的優選示例性實施例的簡化的表示；
圖2以部分切除側視圖示出了在根據圖1的示例性實施例中使用的激 光掃描儀；
圖3至5示出了根據本發明的杆狀元件的各個示例性實施例；以及
圖6示出了用於說明根據本發明的方法的示例性實施例的簡化的流 程圖。
具體實施例方式
8在圖1中，用附圖標記10來整體表示根據本發明實施例的雷射掃描 儀。在這種情況下，雷射掃描儀10具有設置於三腳架14上的測量頭12。 測量頭12可以在三腳架14上繞由箭頭18所指示的垂直軸16轉動。
測量頭12具有近似為U形的殼體。在兩個殼體腿之間設置有可繞由 箭頭24指示的水平軸22轉動的轉子20。轉子20具有出射窗，測量光束 Ls可以從所述出射窗中射出。測量光束Ls沿光束軸26延續到目標30上 的測量點28。所述測量光束被從測量點28反射，並作為反射光束Lr傳 回到測量頭12,這裡，所述反射光束Lr遭遇轉子20且^L檢測器(這裡 未示出)進行檢測。根據測量光束Ls的發送與^Jt光束Lr的接收之間 的時間差，可以確定雷射掃描儀10與測量點28之間的距離d。有利的是， 可對測量光束Ls進行調製以用於確定延遲時間。
根據本發明的優選實施例，測量點28在此位於隱蔽在目標30中的通 道(這裡未示出)的入口或出口的區域中.為了確定通道的方位，該新穎 設備包括被以杆狀遠端插入到通道的開口中的杆狀元件32。在所述杆狀 元件32的自由的近端處，形狀為球體34的體^L設置於此處。
附圖標記36表示站在空間區域38中的某位置處的可能已經開槍的 人，其射彈產生了目標30中的隱蔽通道。可以藉助於所述新穎方法及新 穎設^^根據該隱蔽通道的方位來確定該位置。
圖2更詳細地示出了雷射掃描儀10和杆狀元件32。如前所述，相同 的附圖標記表示相同的元件。
測量頭12具有基部40，在基部40上垂直地設置有兩個支撐壁42、 44。所述支撐壁42連同殼體部分46—起形成了內部空間，在該內部空間 中設置有M射器48和檢測器50。這裡，M射器48為雷射二極體， 檢測器50包括以矩陣型布置的多個光敏元件。
附圖標記52表示評估和控制單元，在優選實施例中，所述評估和控 制單元包含基於PC的計算單元。評估和控制單元52驅動itJC射器48， 使其產生經調製的測量光束Ls。此外，評估和控制單元52對檢測器50 進M取以用於確定距離d和反射光束Lr的光強度。
這裡，轉子20承載鏡54，所述鏡54被設置成與發射機348和檢測 器50相對，並且相對於所述檢測器傾斜45。。轉子20與驅動器56相連 接，驅動器56引起鏡54繞水平軸22的轉動。由於該轉動，測量光束Ls 被沿著空間區域38中的豎向的圓形區域而偏轉。如已參照圖1提及的，本實施例的雷射掃描儀10具有另 一驅動器58, 驅動器58提供了測量頭12繞垂直軸16的轉動。這允許藉助於要在空間 區域38內轉動的測量光束Ls跨過的"垂直扇"，以使得測量光束Ls可以 實質上照亮雷射掃描儀10的環境下的所有目標點。為了能夠將所iO巨離 和強度信息與各個測量點28相關聯，驅動器56、 58被提供有編碼器60、 62，藉助於所述編碼器60， 62來確定測量光束Ls的相應的對準。
附圖標記66表示目標30 (例如牆壁)中的隱蔽通道。根據本發明的 示例性實施例，杆狀元件32的遠端68被推送到通道66中。杆狀元件32 的近端70從通道66的入口或出口 72伸出。在該近端70處，兩個球體 34a、 34b被設置在此處，在下文中將藉助於圖3進行更詳細的描述。
杆狀元件32限定了與隱蔽通道66的方位相對應的縱軸74。可以通 過藉助於雷射掃描儀10確定兩個球體34a， 34b的位置，來藉助於所述兩 個球體34a、 34b以自動的方式確定所述方位。所述球體的位置可以用於 確定表示該方位74的矢量。
圖3示出了杆狀元件32的優選實施例。元件32具有被配置用於插入 隱蔽通道中的遠端68。在近端70處，兩個球體34a、 34b被布置處於限 定的距離dss處。這裡，所述杆的外徑為大約0.5 mm。相比而言，球體 34a、 34b的外徑的大小大約為5至10cm。當然，珎/本34a、 34b還可以 更小或更大，而且在雷射掃描儀IO的測量數據中，具有更大直徑的球體 更易於被識別。另一方面，具有更小的直徑的球體有利於對元件32的操 作，並且保證了在自由的近端處的較輕的重量。
在一個示例性實施例中，球體34a、 34b由聚苯乙烯製成，並^C推到 杆狀元件32的杆上。所述球體34a、 34b可以在該杆上移動或者可以例如 通過粘接被固定在其相應的位置上。
每個球體34a、 34b具有在所述新穎方法的優選示例性實施例中確定 的該球體的中心點76a、 76b。如圖3所示，這裡，所述球體的中心點76a、 76b位於縱軸74上，即，杆狀元件32的杆在中心地穿過所*體的中心 點76a、 76b。
圖4示出了杆狀元件82的另一示例性實施例，該杆狀元件82大體上 與圖3的元件32相對應。然而，元件82具有立方體84a、 84b，而不是 球體34a， 34b。
圖5示出了與前面兩個示例性實施例相對照的、僅具有單個圓柱88的杆狀元件86的另一示例性實施例。
在下文中，藉助於圖6來描述所述新穎方法的優選示例性實施例。在 所有部件均已設定好並開始工作時，根據步驟94，對鏡54進行定位。根 據步驟96，發出測量光束Ls。根據步驟98，接收反射光束Lr。根據步 猓100，隨後使用評估和控制單元52來根據延遲時間差而確定距測量點 28的距離。此外，根據步驟102，根據反射光束Lr的強度來確定A^值。 根據步驟104,針對可以藉助於兩個驅動器56， 58來調整的鏡子54的所 有位置而重複所述過程，以獲得對空間區域38的三維(3D)記錄。
一旦已經記錄了所有的測量數據，則根據步驟106，識別杆狀元件上 的體或多個體(例如，球體34a、 34b)。然後，才艮據步驟108,確定中心 點76a、 76b的坐標。在優選的實施例中，這是通過將理想的球體擬合於 由雷射掃描儀10記錄的"點雲"來完成的。例如，所述擬合可以根據最 小二乘法來進行。然後，計算所擬合的球體的中心點坐標。
根據步驟IIO，基於所計算出的中心點坐標來確定方位74。然後，根 據步驟112，確定已發射了形成(子彈)通道66的射彈的槍手的假定位 置。為此，沿著方位74尋找一位置或位置範圍，在該位置或位置範圍中， 地面上的"典型高度"與方位74相交。該典型高度在約lm與1.8m之間 的範圍內。此外或作為替換方案，可以通過沿著方位74將個人的圖像插 入(根據反射光束的強度)藉助於雷射掃描儀10記錄的空間區域的圖像 中，來確定槍手的假定位置。在另外的示例性實施例中，在對空間區域 38的掃描期間可以對人36進行記錄，以使得可以將人36的坐標與方位 74進行比較。
權利要求
1. 一種用於獲取空間區域(38)的三維數據的方法，包括以下步驟-提供包括發射機(48)和接收機(50，52)的雷射掃描儀(10)，-藉助於所述發射機(48)向空間區域(38)中的多個測量點(28)發出多個測量光束(Ls)，-接收由所述測量點(28)反射的多個反射光束(Lr)，以及-基於所述反射光束(Lr)確定距所述多個測量點(28)的多個距離，其特徵在於，所述空間區域(38)包括至少一個目標(30)，所述目標包含具有可見入口(72)的隱蔽通道(66)，杆狀元件(32)以自由端(70)從所述入口(72)伸出的方式被插入到通道(66)中，確定距自由端(70)處的第一測量點(34a)的第一距離以及距自由端(70)處的第二測量點(34b)的至少一個第二距離，並且基於所述第一和第二距離確定所述隱蔽通道(66)的方位(74)。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述杆狀元件(32) 具有杆狀遠端區域(68 )和近端區域(70 )，所述杆狀遠端區域(68 )被 配置用於插入到隱蔽通道(66)中，所述近端區域(70 )具有至少一個擴 大體(34; 84; 88),所述第一測量點和第二測量點祐i殳置在所述擴大體 處。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述遠端區域(68) 限定了縱軸(74)，並且所述至少一個體(34a， 34b)具有基本上位於所 述縱軸(74 )上的中心點(76a， 76b )。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，確定距所述至少一個 體(34; 84; 88)處的多個測量點(28)的多個體距離，以及基於所述多 個體距離來確定所述中心點(76)。
5. 根據權利要求l-4中任一項所述的方法，其特徵在於，每個反射光 束(Lr)具有光束強度，且所述方位(74)也基於所述光束強度被確定。
6. 根據權利要求l-5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述至少一 個體(88)具有伸長的形狀，特別為圓柱形。
7. 根據權利要求l-6中任一項所述的方法，其特徵在於，所述杆狀元 件(32 )包括在距彼此的相對距離(dss )處設置的至少兩個體(34a、 34b;84a 、 84b )。
8. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述至少兩個體(34a， 34b)為球體。
9. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述至少兩個體(84a， 84b)為立方體。
10. 根據權利要求l-9中任一項所述的方法，其特徵在於，所述隱蔽 通道(66)是彈道，並且基於所述方位(74)來確定所述空間區域(38) 內的槍手(36)的假定位置。
11. 根據權利要求1-10中任一項所述的方法，其特徵在於，所述杆狀 元件(32)包括所述遠端區域(68)中的標記，所述標記具有較強>^射部 分和較弱反射部分(78、 80)。
12. —種用於獲取空間區域(38)的三維數據的i殳備，包括具有發射 機(48 )和接收機(50， 52 )的雷射掃描儀(10 ),所iL t射機(48 )被 配置用於向空間區域(38)中的多個測量點(28 )發出多個測量光束(Ls )， 所述接收機(50， 52 )被配置用於接收由測量點(28)反射的多個反射光 束(Lr)以及用於基於所述反射光束(Lr)來確定距所述多個測量點(28) 的多個距離，其特徵在於，所述接收M被設置用於通過確定距杆狀元件(32)的自由端處的第一測量點(34a)的第一距離以;O巨所述自由端處 的第二測量點(34b)的至少一個第二距離，來確定所述杆狀元件(32) 的方位(74)，所述杆狀元件的自由端從在所述空間區域(38)中的目標(30)處的隱蔽通道(66)的開口 (72)伸出。
13. —種用於在根據權利要求1-12中任一項所述的方法或設備中使 用的杆狀元件(32 )，包括杆狀遠端區域(68)和近端區域(70 )，所述杆 狀遠端區域(68 )被配置用於插入到隱蔽通道(66)中，所述近端區域(70 ) 包括提供彼此不同的至少兩個測量點(28)的至少一個擴大體(34; 84; 88 )。
全文摘要
在用於獲取空間區域的三維數據的方法中，向多個測量點發出多個測量光束(Ls)。檢測器(50)接收由所述測量點(34a)反射的多個反射光束(Lr)。基於所述反射光束(Lr)確定距測量點(34a、34b)的多個距離。根據本發明的一方面，至少一個目標(30)位於該空間區域中，所述目標包括具有可見入口(72)的隱蔽通道(66)。杆狀元件(32)以自由端(70)從入口(72)伸出的方式被插入到通道(66)中。確定距第一測量點(34a)的第一距離以及距第二測量點(34b)的第二距離。基於第一和第二距離來確定隱蔽通道(66)的方位(74)。
文檔編號G01S17/08GK101484828SQ200780024804
公開日2009年7月15日 申請日期2007年6月29日 優先權日2006年7月3日
發明者于爾根·吉廷格, 萊因哈德·貝克, 貝恩德-迪特馬爾·貝克 申請人:法羅技術股份有限公司