WO2019200422A1 - Vorrichtung und verfahren zur erfassung von oberflächen - Google Patents

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WO2019200422A1
WO2019200422A1 PCT/AT2019/060135 AT2019060135W WO2019200422A1 WO 2019200422 A1 WO2019200422 A1 WO 2019200422A1 AT 2019060135 W AT2019060135 W AT 2019060135W WO 2019200422 A1 WO2019200422 A1 WO 2019200422A1
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cameras
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flash device
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Heiner Kontrus
Ralph KARTNALLER
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DIBIT MESSTECHNIK GmbH
Original Assignee
DIBIT MESSTECHNIK GmbH
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • G01C11/02—Picture taking arrangements specially adapted for photogrammetry or photographic surveying, e.g. controlling overlapping of pictures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
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    • G01B11/245—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using a plurality of fixed, simultaneously operating transducers
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B37/00—Panoramic or wide-screen photography; Photographing extended surfaces, e.g. for surveying; Photographing internal surfaces, e.g. of pipe
    • G03B37/005—Photographing internal surfaces, e.g. of pipe
    • G—PHYSICS
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    • G03B37/04—Panoramic or wide-screen photography; Photographing extended surfaces, e.g. for surveying; Photographing internal surfaces, e.g. of pipe with cameras or projectors providing touching or overlapping fields of view

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring surfaces, in particular tunnels, comprising a plurality of cameras. Furthermore, the invention relates to a method for measuring and evaluating surfaces with a device according to the invention.
  • the determination of the geometry of a tunnel construction is also of great importance, e.g. to monitor the implementation of a construction project, to record changes in the geometry of a tunnel, to inspect the building stock and to log changes to the surface. Measurements of the tunnel geometry are also used by the clearance control, which makes statements as to whether vehicles with a certain spatial extent can pass the structure without damage.
  • the measurement of tunnel geometry at different stages of construction also enables the calculation of material volumes and the determination of under- and over-profiles with reference to a defined tunnel cross-section. Also, geological and structural deformations of the tunnel structure can be detected and quantified.
  • DE 10 2005 012 107 A1 describes, for example, a measuring system and a method for geodetic surveying of objects, in particular of tunnels.
  • the measuring system comprises a measuring vehicle and at least one laser scanner arranged on the measuring vehicle as well as a position measuring device independent of the laser scanner. The measurement takes place sequentially, wherein the scanning device scans a section of the tunnel lining in each sequence. This leads to long surveying times at a maximum measuring vehicle speed of 20 cm / s.
  • the optical measuring system has at least two measuring heads, which each contain a laser and at least one CCD video camera.
  • the laser serves as a light source, with the beam strongly diverging in one axis, forming a laser light fan.
  • the lighting and recording takes place continuously.
  • the measuring speed can be up to 300 km / h.
  • a maximum resolution of 1 cm can be achieved.
  • a major disadvantage of this method is that also only a limited sector can be measured. Another significant disadvantage is that the texture of the surface to be measured is not detected.
  • CN 102721365 B describes, as the closest prior art, a measuring method and a measuring device which enables a measurement of tunnel sections.
  • the measuring device comprises a plurality of line lasers and a plurality of high-speed cameras, wherein the cameras synchronously record the sections illuminated by the line lasers.
  • the measuring system has two distance measuring units based on laser scanning. The coarse tunnel profile can be measured with the distance measuring units. Details of the surface can be recorded with the photogrammetry unit.
  • the measuring device can also be attached to a measuring vehicle and driven through a tunnel. In this case, a measured distance can be determined with a deviation of 10 mm.
  • the cameras of the measuring device are mounted on rotatable elements, which leads to parallax errors. Moreover, a true to color representation with a Laser-based illumination is not possible because the lasers used emit only monochromatic light.
  • the present invention has for its object to improve a device of the type mentioned in such a way that a measurement of the largest possible surface portion with high surface resolution and simultaneously high survey speeds is possible.
  • An axis between viewing direction of the camera Kt and the motif or camera motif rri j is designated as the camera axis k t .
  • the camera axis is congruent with the optical axis of the lens.
  • the camera axes are offset relative to one another by a distance along the longitudinal axis z s .
  • a described rotation and displacement of the camera axes relative to one another results in the camera axes being arranged circularly along the longitudinal axis.
  • Circular arrangement of the camera axes along the longitudinal axis is understood to mean that the shortest connecting lines between imaginary points Hi on each camera axis k t (which have the same distance to the longitudinal axis for all i) have a total screw or helix shape.
  • the sum of the angles, which are included by the camera axes k t > 180 °, preferably> 270 °, more preferably about 360 °.
  • an image section ß j is receivable, wherein the image sections B i i + 1 of two adjacent cameras K i i + 1 in the projected area to at least 20%, preferably at least 30% overlap, in the direction of travel however, in about 60% - 70% overlap.
  • the cameras are preferably high-resolution, digital color image cameras. Particularly preferred are industrial cameras with low noise, which in addition to the properties mentioned have a high frame rate, a high data transfer rate, short exposure times and a low tripping delay.
  • At least one illumination device and / or one flash device is provided.
  • the at least one illumination device and / or at least one flash device is arranged substantially outside the angle of view of a camera.
  • the angle of view ßi a camera K t is that angle in the subject space, which is limited by the edges of the recording format.
  • the illumination center of gravity S j is the point of an extended light source which is equivalent to the (geometric) center of gravity of the respective geometric shape of the corresponding light source.
  • the axis of an illumination centroid S j is the imaginary straight line which connects an illumination centroid S j to a light centroid.
  • the light center of gravity corresponds to the (geometric) center of gravity of the intensity distribution caused by an extended light source at a certain distance from the light source.
  • the at least one illumination device and / or a flash device preferably has at least one LED.
  • the at least one LED can be provided in an embodiment variant with an optic, in particular a converging lens, for collimating the emitted light.
  • At least one flash device can be provided that a control is provided with which the multiple cameras Kt are triggered substantially simultaneously and wherein the at least one flash device is also triggered simultaneously with the plurality of cameras K t . Furthermore, the at least one flash device can be aligned such that each image section ß j of each camera K t can be illuminated. The cameras and the at least one flash device thus trigger synchronously. In addition, each image section from each camera is illuminated (simultaneously) by the at least one flash device.
  • Collimation is generally understood in optics to mean the parallel direction of divergent light rays.
  • the term is a general bundling with a converging lens, which counteracts a divergence of light rays. It does not necessarily have to be an exact parallel direction of the light.
  • the device according to the invention is particularly preferably formed from individual segments e, wherein the individual segments act as a receptacle for at least one camera Kt as well as a receptacle of at least one illumination device and / or at least one flash device L j .
  • the individual segments are designed to be connected to each other.
  • at least one laser system may additionally be provided.
  • a 3D laser measuring system or a laser scanning device can be provided.
  • the above objects are also achieved by a method for measuring surfaces with a device according to the invention.
  • the method according to the invention is particularly suitable for the geometric measurement of tunnels.
  • Such a method is particularly suitable for measuring the structure geometry for the detection or analysis of building deformations, cracks and damaged areas in general.
  • the method can also be carried out for the measurement of tunnels, shafts, caverns, canals, embankments, house facades, etc., this list is not exhaustive.
  • a preferred variant of a method according to the invention enables a simultaneous 360 ° recording of the surface to be measured, in particular about the longitudinal axis z s of the device of the aforementioned type.
  • the cameras Kt are arranged so that in one pass a recording of subjects m j within an angle of 360 ° is possible. In one pass, this means that all cameras K t are triggered substantially simultaneously.
  • one or more flash devices are triggered simultaneously with all cameras K t .
  • the flash device is preferably oriented such that each image section ß j of each camera Kt is illuminated.
  • a plurality of images with image detail ß j of several cameras K t are made by the multiple cameras K t are triggered substantially simultaneously, wherein substantially simultaneously with all cameras K t and at least one flash device is triggered, wherein the at least one flash device is oriented such that each image section B t is illuminated by each camera K t.
  • the cameras and the at least one flash device trigger synchronously.
  • each image section from each camera is illuminated (simultaneously) by the at least one flash device.
  • a surface measurement can take place statically, wherein measurements can be carried out with a device according to the invention without time-dependent change of location. More preferably, the measurement of surfaces during a time-dependent displacement, wherein a device according to the invention is mounted on a vehicle and / or a watercraft, wherein the measurement at relatively high speeds, for example up to 28 m / s or higher, can be performed.
  • the triggering of the cameras Kt is synchronized with the illumination device and / or the flash device L t .
  • the contour or shape of a surface to be measured is determined, whereby the 3D geometry of the corresponding surface can be determined.
  • a tunnel profile or the curvature of a tunnel reveal can be determined.
  • the detailed texture of a 3D geometry can be determined metric with a device according to the invention photogram.
  • a device comprising a laser scanning device, the determination of the geometry, in particular of a tunnel construction, and the recording of the texture of a surface, in particular a tunnel lining, is simultaneously possible.
  • Fig. 1a shows an inventive device 10 in perspective, composed of individual segments e t and the two end segments eencL
  • Fig. 1 b shows such a device 10 with on the lateral surface M tot or to the
  • Fig. 1c also shows a said device 10, wherein the boards 12 are equipped with LED 13. All boards 12 with LEDs 13 on a single segment e t form the illumination device and / or flash device L j .
  • Fig. 2a shows the side view of a device 10 according to the invention with attached
  • FIG. 2 b shows a sectional view of such a device 10.
  • FIG. 3 a shows the perspective of a single segment e t with recesses 14.
  • Fig. 3b shows a single segment e t with attached boards 12 and a camera K t .
  • FIGS. 4a, 4b each show an end segment e end with a recess 14 ' , without and with
  • Fig. 5 shows an example of a schematic representation of an inventive
  • Device 10 with a laser scanning device 20 which is secured by means of support arm 30 to a vehicle 40.
  • the vehicle 40 moves in the direction of the arrow, with cameras K t image sections B t of the tunnels 50 are recorded.
  • a device 10 according to the invention is constructed from a plurality of substantially identical individual segments e t .
  • Each of the individual segments e t functions as a carrier for a high-speed camera K t and a lighting device and / or flash device Li.
  • This description is exemplary of a preferred embodiment of a device 10 according to the invention, but such is in no way limited thereto, ie, a single segment e may have a plurality of cameras and a plurality of illumination devices and / or flash devices in other embodiments.
  • the individual segments e are characterized by high stability and low weight. They are preferably made of plastic, but also composites such as fiberglass and carbon fiber and metals such as aluminum or aluminum alloys are conceivable.
  • An inexpensive method of producing a single segment e t is the 3 D printing process. Further possible production methods are casting or injection molding, laser sintering, machining processes or combinations thereof.
  • the individual segments e are designed such that a device 10 according to the invention is formed by stringing together a plurality of individual segments e.
  • the components can be screwed, glued, welded or connected to each other by means of clamping systems.
  • the device 10 according to the invention can thus be associated with a longitudinal axis z s .
  • a device 10 according to the invention can also be made of one piece, without individual segments e.
  • Each of the segments e t has substantially the shape of a circular cylinder, wherein at least a part of a circular cylinder sector is recessed.
  • the recess 14 is formed such that no area of the individual segment e itself in the opening angle of Camera or more precisely of the corresponding camera lens protrudes.
  • Each individual segment e t thus has a lateral surface M e , wherein the surface formed by the recess 14 is not part of the lateral surface M e .
  • a device 10 according to the invention has in its entirety a lateral surface M tot . In the case that such a device consists of one piece, this also has a lateral surface M ges .
  • a camera K t is mounted in a single segment e t such that the camera axis k t is congruent with the bisector of the missing part of the circular sector.
  • the cameras Kt are provided with a lens, but preferably with an adapted optics.
  • the focal plane of each camera lens or of each adapted optics lies on the longitudinal axis z s of the device according to the invention.
  • the longitudinal axis z s lies on each focal plane of the corresponding camera lenses, the axis of rotation of the focal planes of the individual camera lenses being formed by the longitudinal axis z s .
  • end segments e end are provided immediately at the two ends of a device 10 according to the invention. They differ from the individual segments e t in such a way that they do not have a receptacle for a camera. Rather, the end segments e end a smaller, similar recess 14 ' , which serves for fastening a lighting device and / or flash device.
  • an end segment e end preferably has handles or hand hangers, whereby the transportation and the safe parking of a device 10 according to the invention is made possible.
  • the individual segments e t are relative to each other by an angle a i i + 1 for ie (1, 1 ⁇ twisted together. Accordingly, the camera axes k t of the individual cameras K t are also at the same angle a i i + 1 for ie (1, - 1 ⁇ twisted each other.
  • the lateral surface M e of a single segment e is equipped with at least one illumination device and / or flash device L j .
  • the lateral surface M e of a single segment e is equipped with specially made boards 12, comprising a plurality of LEDs 13, substantially nationwide.
  • the entire lateral surface M ges with said boards 12, comprising a plurality of LEDs 13, is equipped.
  • the individual segments e and the end segments e end are provided with receptacles for said boards 12 in the region of the lateral surface M e .
  • the receptacles are preferably formed by pocket or groove-shaped recesses with clamping elements, so that the boards can be fixed by means of clamping or snap connections on the lateral surface M e of the individual segments and end segments or on the lateral surface M tot of the device according to the invention.
  • the boards 12 can be secured by screw or adhesive joints on the lateral surface.
  • a device 10 according to the invention is fastened by means of support arm 30 to a vehicle or measuring vehicle or to a trailer 40.
  • a vehicle may be for example a car or a train.
  • a device according to the invention can in principle be attached to any means of transport which is suitable in terms of load capacity and strength.
  • a device may be mounted on a boat or a ship, for example.
  • the attachment of a laser scanning unit 20 may be provided.
  • a support arm 30 makes it possible to mount a device 10 according to the invention and / or a laser scanning device 20 at a certain distance from the corresponding vehicle 40, so that a 360 ° recording is possible without receiving the vehicle 40 itself or parts of the vehicle 40.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Vermessung von Oberflächen (50), insbesondere von Tunnelleibungen, umfassend Kameras (Ki) (i = 1,...,n), wobei jede Kamera (Ki) eine Kameraachse (Ki) aufweist, wobei die Kameras um eine Längsachse (zs) der Vorrichtung ortsfest angeordnet sind und die Kameraachsen (Ki) relativ zueinander um einen Winkel (αi,i+1) verdreht sind. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur geometrischen Vermessung bzw. Bestimmung der Textur von Oberflächen (50), insbesondere von Tunnelleibungen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (10).

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERFASSUNG VON OBERFLÄCHEN
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung von Oberflächen, insbesondere von Tunnelleibungen, umfassend mehrere Kameras. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vermessung und Beurteilung von Oberflächen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
H INTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
Für den Bereich des Tiefbaus, zum Beispiel für den Tunnelbau, sind zur Beurteilung und Analyse von Geometrie- und Oberflächeneigenschaften bei bestehenden Werken wie einem Tunnel zur Bestandsaufnahme, zur Inspektion und in weitere Folge zur Planung von Sanierungen, zahlreiche Vermessungssysteme entwickelt worden. Neben laserbasierten Scanmethoden kommen auch fotogrammetrische Methoden und Kombinationen daraus zum Einsatz. Zur Einschränkung von Rissbildung und Verformung generell im Betonbau werden hohe Anforderungen an Festigkeitsklassen sowie Expositionsklassen gestellt. Demensprechend werden gleichermaßen hohe Anforderungen an die zu erreichende Messgenauigkeit bzw. an das Auflösungsvermögen von entsprechenden Vermessungssystemen gestellt.
Die Bestimmung der Geometrie eines T unnelbauwerks ist ebenfalls von großer Bedeutung um z.B. die Umsetzung eines Bauvorhabens zu kontrollieren, Geometrieänderungen eines Tunnels zu erfassen, den Baubestand zu begutachten und Veränderungen der Oberfläche zu protokollieren. Vermessungen der Tunnelgeometrie dienen auch der Lichtraumkontrolle, die Aussagen darüber trifft, ob Fahrzeuge mit einer gewissen räumlichen Ausdehnung das Bauwerk schadlos passieren können. Die Messung der T unnelgeometrie zu unterschiedlichen Bauphasen ermöglicht weiterhin die Berechnung von Materialvolumen und die Bestimmung von Unter- und Überprofilen bezogen auf einen definierten Tunnelquerschnitt. Auch können geologisch- und konstruktionsbedingte Deformationen des Tunnelbauwerks erkannt und quantifiziert werden.
Zur umfangreicheren Bewertung eines Schadensausmaßes muss im Allgemeinen neben der Geometrie auch die Beschaffenheit der Rissbildung analysiert werden. Aus diesem Grund müssen Aufnahmen hoher Auflösung der zu begutachtenden Oberfläche bereitgestellt werden. Form und Verlauf bestehender Risse lassen dann unter anderem Rückschlüsse auf die Rissursache zu, wodurch neben einer Sanierungsplanung die Planung der Ursachenbehebung ermöglicht wird. Eine weitere Anforderung an das Vermessungssystem ist eine hohe Messgeschwindigkeit. Insbesondere im Rahmen von Inspektionen von Straßentunnel und Eisenbahntunnel ist eine hohe Messgeschwindigkeit, einhergehend mit kurzen Inspektions- und Stillstandzeiten, von großer Bedeutung hinsichtlich Verkehrssicherheit und Mobilität.
Im Stand der Technik werden Vermessungssysteme beschrieben, welche den genannten Anforderung gar nicht oder nur teilweise gerecht werden. Die DE 10 2005 012 107 A1 beschreibt beispielsweise ein Messsystem und ein Verfahren zur geodätischen Vermessung von Objekten, insbesondere von Tunnelleibungen. Das Messsystem umfasst ein Messfahrzeug und zumindest einen auf dem Messfahrzeug angeordneten Laserscanner sowie eine vom Laserscanner unabhängige Positionsmesseinrichtung. Die Messung findet sequentiell statt, wobei die Scaneinrichtung in jeder Sequenz einen Ausschnitt der Tunnelleibung scannt. Dies führt zu langen Vermessungszeiten bei einer Messfahrzeuggeschwindigkeit von maximal 20 cm/s.
Die DE 195 13 116 A1 beschreibt ein Lichtschnittverfahren zum berührungsfreien Vermessen von Tunnelprofilen oder Straßenoberflächen. Das optische Messsystem weist zumindest zwei Messköpfe auf, welche jeweils einen Laser und zumindest eine CCD- Videokamera enthalten. Der Laser dient als Lichtquelle, wobei der Strahl in einer Achse stark divergiert, sodass ein Laserlicht-Fächer gebildet wird. Die Beleuchtung und Aufnahme erfolgt kontinuierlich. Die Messgeschwindigkeit kann bis zu 300 km/h betragen. Dabei kann eine Auflösung von maximal 1 cm erreicht werden. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, dass ebenfalls lediglich ein begrenzter Sektor vermessen werden kann. Ein weiterer wesentlicher Nachteil ist, dass die Textur der zu vermessenden Oberfläche nicht erfasst wird.
Die CN 102721365 B beschreibt als nächstliegender Stand der Technik eine Messmethode und eine Messvorrichtung, welche eine Vermessung von Tunnelabschnitten ermöglicht. Die Messvorrichtung umfasst mehrere Linienlaser sowie mehrere Hochgeschwindigkeitskameras, wobei die Kameras die von den Linienlasern beleuchteten Abschnitte synchron aufnehmen. Zusätzlich weist das Messsystem zwei Abstandsmesseinheiten auf, welche auf Laserscan basieren. Mit den Abstandsmesseinheiten kann das grobe Tunnelprofil vermessen werden. Mit der Photogrammetrieeinheit können Details der Oberfläche aufgenommen werden. Die Messvorrichtung kann ebenfalls an einem Messfahrzeug angebracht und durch einen Tunnel gefahren werden. Dabei kann eine gemessenen Distanz mit einer Abweichung von 10 mm bestimmt werden. Die Kameras der Messvorrichtung sind auf drehbaren Elementen angebracht, was zu Parallaxenfehlern führt. Überdies ist eine farbgetreue Darstellung mit einer laserbasierten Beleuchtung nicht möglich, da die verwendeten Laser nur monochromatisches Licht emittieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass eine Vermessung eines möglichst großen Oberflächenabschnitts mit hohem Oberflächenauflösungsvermögen bei gleichzeitig hohen Vermessungsgeschwindigkeiten ermöglicht wird.
Diese Aufgaben wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Vermessung von Oberflächen, insbesondere von Tunnelleibungen, umfassend mehrere Kameras Kt ( i = 1,
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wobei jede Kamera Kt eine Kameraachse kt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameras um eine Längsachse zs der Vorrichtung ortsfest angeordnet sind, wobei die Kameraachsen relativ zueinander um einen Winkel verdreht sind.
Als Kameraachse kt wird dabei eine Achse zwischen Blickrichtung der Kamera Kt und dem Motiv bzw. Kameramotiv rrij bezeichnet. Im Falle, dass die Kamera ein Objektiv aufweist, ist die Kameraachse mit der optischen Achse des Objektivs deckungsgleich.
Mit einer Verdrehung der Kameraachsen kt der jeweiligen Kameras Kt um einen Winkel relativ zueinander ist gemeint, dass für i e (1, ... , n - 1} zwei Kameraachsen kt und ki+1 um einen Winkel ai i+1 relativ zueinander verdreht sind und für i = n zwei Kameraachsen kn und / um einen Winkel an l relativ zueinander verdreht sind, wobei die Rotationsachse der Längsachse zs der erfindungsgemäßen Vorrichtung entspricht.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Kameraachsen entlang der Längsachse zs relativ zueinander um einen Abstand versetzt sind.
Mit einer Versetzung der Kameraachsen kt der jeweiligen Kameras Kt entlang der Längsachse zs um einen Abstand relativ zueinander ist gemeint, dass für i e (1, ... , n - 1} zwei Kameraachsen kt und ki+1 um einen Abstand ai i+1 relativ zueinander versetzt sind.
Eine beschriebe Verdrehung und Versetzung der Kameraachsen relativ zueinander führt dazu, dass die Kameraachsen entlang der Längsachse zirkular angeordnet sind.
Zirkulare Anordnung der Kameraachsen entlang der Längsachse ist dabei so zu verstehen, dass die kürzesten Verbindungslinien zwischen gedachten Punkten Hi auf jeder Kameraachse kt (welche für alle i denselben Abstand zur Längsachse aufweisen) insgesamt Schrauben- bzw. Helix-Form aufweisen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Summe der Winkel, welche von den Kameraachsen kt eingeschlossen werden, > 180°, vorzugsweise > 270° aufweist, besonders bevorzugt etwa 360° aufweist.
Als die Summe der Winkel, welcher von den Kameraachsen eingeschlossen wird, wird in diesem Kontext die Summe der Winkel ai i+1 für i e (1, ... , n - 1} einschließlich des Winkels an l, wobei der Winkel an l bevorzugt etwa 360 °/n aufweist. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Winkel an l « 360° - i=i i,i+1 aufweist.
Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass mit jeder Kamera Kt ein Bildausschnitt ßj aufnehmbar ist, wobei die Bildausschnitte Bi i+1 zweier benachbarter Kameras Ki i+1 in der projizierten Fläche zu mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 30% überlappen, in Fahrtrichtung jedoch in etwa zu 60% - 70% überlappen.
Bei den Kameras handelt es sich bevorzugt um hochauflösende, digitale Farbbildkameras. Besonders bevorzugt sind Industriekameras mit geringem Rauschen, welche neben den genannten Eigenschaften eine hohe Bildfrequenz, eine hohe Datenübertragungsrate, kurze Belichtungszeiten und eine geringe Auslöseverzögerung aufweisen.
Um eine Vorrichtung der eingangs genannten Art weiter zu verbessern, ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante zumindest eine Beleuchtungseinrichtung und/oder eine Blitzeinrichtung vorgesehen. Dabei ist die zumindest eine Beleuchtungseinrichtung und/oder zumindest eine Blitzeinrichtung im Wesentlichen außerhalb des Bildwinkels einer Kamera angeordnet.
Der Bildwinkel ßi einer Kamera Kt ist dabei jener Winkel im Gegenstandsraum, welcher durch die Ränder des Aufnahmeformats begrenzt wird.
Besonders bevorzugt ist, dass jede Kamera Kt eine Beleuchtungseinrichtung und/oder eine Blitzeinrichtung Lj (j = l, ..., n) aufweist, wobei diese derart angeordnet ist, dass die Beleuchtungseinrichtung und/oder Blitzeinrichtung L; die Beleuchtung für eine Kamera Kt bereitstellt, wobei i j. Genauer kann vorgesehen sein, dass die Achse eines Beleuchtungsschwerpunktes St einer Beleuchtungseinrichtung und/oder Blitzeinrichtung Lj mit der Kameraachse Lj deckungsgleich ist, wobei die Kamera Kt und die Beleuchtungseinrichtung und/oder Blitzeinrichtung Lj derart um die Längsachse ausgerichtet ist, sodass ein Kameramotiv rrij dem Beleuchtungsschwerpunkt St gegenüber liegt.
Als Beleuchtungsschwerpunkt Sj wird in diesem Zusammenhang jener Punkt einer ausgedehnten Lichtquelle bezeichnet, welcher äquivalent zum (geometrischen) Schwerpunkt der jeweiligen geometrischen Form der entsprechenden Lichtquelle ist. Als Achse eines Beleuchtungsschwerpunktes Sj wird in diesem Zusammenhang jene gedachte Gerade bezeichnet, welche einen Beleuchtungsschwerpunkt Sj mit einem Lichtschwerpunkt verbindet. Der Lichtschwerpunkt entspricht dabei dem (geometrischen) Schwerpunkt der von einer ausgedehnten Lichtquelle verursachten Intensitätsverteilung in einem bestimmten Abstand zur Lichtquelle.
Die zumindest eine Beleuchtungseinrichtung und/oder eine Blitzeinrichtung weist dabei vorzugsweise zumindest eine LED auf. Die zumindest eine LED kann in einer Ausführungsvariante mit einer Optik, insbesondere einer Sammellinse, zur Kollimation des emittierten Lichts, versehen sein.
Im Falle zumindest einer Blitzeinrichtung kann vorgesehen sein, dass eine Steuerung vorgesehen ist, mit welcher die mehreren Kameras Kt im Wesentlichen gleichzeitig ausgelöst werden und wobei die zumindest eine Blitzeinrichtung ebenfalls gleichzeitig mit den mehreren Kameras Kt ausgelöst wird. Weiters kann die zumindest eine Blitzeinrichtung so ausgerichtet sein, dass jeder Bildausschnitt ßj jeder Kamera Kt beleuchtbar ist. Die Kameras und die zumindest eine Blitzeinrichtung lösen also synchron aus. Außerdem wird jeder Bildausschnitt von jeder Kamera durch die zumindest eine Blitzeinrichtung (gleichzeitig) beleuchtet.
Unter Kollimation wird in der Optik im allgemeinen die Parallelrichtung divergierender Lichtstrahlen verstanden. In diesem Zusammenhang fällt unter den Begriff eine allgemeine Bündelung mit einer Sammellinse, welche einer Divergenz von Lichtstrahlen entgegenwirkt. Dabei muss nicht zwingend eine exakte Parallelrichtung des Lichts geschehen.
Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Einzelsegmenten e gebildet, wobei die Einzelsegmente als Aufnahme für zumindest eine Kamera Kt sowie als Aufnahme zumindest einer Beleuchtungseinrichtung und/oder zumindest einer Blitzeinrichtung Lj fungiert. Die Einzelsegmente sind entsprechend miteinander verbindbar ausgeführt. In einer alternativen Ausführungsvariante kann zusätzlich zumindest ein Lasersystem vorgesehen sein. Vorzugsweise kann ein 3D-Lasermesssystem bzw. eine Laserscaneinrichtung vorgesehen sein.
Oben genannte Aufgaben werden ebenso durch ein Verfahren zur Vermessung von Oberflächen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur geometrischen Vermessung von Tunnelleibungen geeignet. Besonders geeignet ist ein solches Verfahren zur Vermessung der Bauwerksgeometrie zur Erkennung bzw. zur Analyse von Bauwerksdeformationen, Rissen und Schadstellen im Allgemeinen. Das Verfahren kann auch zur Vermessung von Stollen, Schächten, Kavernen, Kanälen, Böschungen, Hausfassaden, etc. ausgeführt werden, wobei diese Aufzählung nicht erschöpfend ist.
Eine bevorzugte Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht eine gleichzeitige 360°-Aufnahme der zu vermessenden Oberfläche, insbesondere um die Längsachse zs der Vorrichtung der vorgenannten Art.
Mit einer 360°-Aufnahme einer zu vermessenden Oberfläche um die Längsachse zs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in diesem Zusammenhang die Aufnahme von Bildmotiven bzw. Motiven rrij in radialer Richtung von der Längsachse weg zu verstehen, wobei die Kameras Kt derart angeordnet sind, sodass in einem Durchgang eine Aufnahme von Motiven mj innerhalb eines Winkels von 360° verteilt möglich ist. In einem Durchgang heißt dabei, dass alle Kameras Kt im Wesentlichen gleichzeitig ausgelöst werden. Vorzugsweise wird gleichzeitig mit allen Kameras Kt auch eine oder mehrere Blitzeinrichtungen ausgelöst. Die Blitzeinrichtung ist bevorzugt so ausgerichtet, dass jeder Bildausschnitt ßj jeder Kamera Kt beleuchtet wird.
In einer Ausführungsvariante ist daher vorgesehen, dass in einem Durchgang mehrere Aufnahmen mit Bildausschnitt ßj von mehreren Kameras Kt gemacht werden, indem die mehreren Kameras Kt im Wesentlichen gleichzeitig ausgelöst werden, wobei im Wesentlichen gleichzeitig mit allen Kameras Kt auch zumindest eine Blitzeinrichtung ausgelöst wird, wobei die zumindest eine Blitzeinrichtung so ausgerichtet ist, dass jeder Bildausschnitt Bt von jeder Kamera Kt beleuchtet wird. Die Kameras und die zumindest eine Blitzeinrichtung lösen damit synchron aus. Außerdem wird jeder Bildausschnitt von jeder Kamera durch die zumindest eine Blitzeinrichtung (gleichzeitig) beleuchtet. In einem Durchgang kann auch bedeuten, dass die Kameras Kt innerhalb eine bestimmten Zeitintervalls sequentiell ausgelöst werden.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Oberflächenvermessung statisch erfolgen, wobei mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne zeitabhängige Ortsveränderung Messungen durchgeführt werden können. Mehr bevorzugt ist die Vermessung von Oberflächen während einer zeitabhängigen Ortsveränderung, wobei eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf einem Fahrzeug und/oder einem Wasserfahrzeug befestigt wird, wobei die Messung bei vergleichsweise hohen Geschwindigkeiten, beispielsweise bis zu 28 m/s oder höher, durchgeführt werden kann.
Besonders bevorzugt wird die Auslösung der Kameras Kt mit der Beleuchtungseinrichtung und/oder Blitzeinrichtung Lt synchronisiert.
Mit einem 3D-Lasermesssystem bzw. einer Laserscaneinrichtung wird die Kontur bzw. Form einer zu vermessenden Oberfläche bestimmt, wodurch die 3D-Geometrie der entsprechenden Oberfläche ermittelt werden kann. Beispielsweise kann ein Tunnelprofil bzw. die Krümmung einer Tunnelleibung bestimmt werden. Die detaillierte Textur einer 3D-Geometrie kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Fotogram metrisch bestimmt werden.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend eine Laserscaneinrichtung, ist die Bestimmung der Geometrie insbesondere eines Tunnelbauwerks und die Aufnahme der Textur einer Oberfläche, insbesondere einer Tunnelleibung, gleichzeitig möglich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1a zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 in der Perspektive, zusammengesetzt aus Einzelsegmenten et sowie den beiden Endsegmenten eencL
Fig. 1 b zeigt eine solche Vorrichtung 10 mit an der Mantelfläche Mges bzw. an den
Mantelflächen Me befestigten Platinen.
Fig. 1c zeigt ebenfalls eine besagte Vorrichtung 10, wobei die Platinen 12 mit LED 13 bestückt sind. Alle Platinen 12 mit LEDs 13 auf einem Einzelsegment et bilden die Beleuchtungseinrichtung und/oder Blitzeinrichtung Lj.
Fig. 2a zeigt die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 mit befestigten
Platinen 12.
Fig. 2b zeigt eine Schnittansicht einer solchen Vorrichtung 10.
Fig. 3a zeigt die Perspektive eines Einzelsegmentes et mit Aussparungen 14. Fig. 3b zeigt ein Einzelsegment et mit angebrachten Platinen 12 und einer Kamera Kt. Fig. 4a, 4b zeigen jeweils ein Endsegment eend mit einer Aussparung 14', ohne und mit
Platinen.
Fig. 5 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 10 mit einer Laserscaneinrichtung 20, welche mittels Tragarm 30 an einem Fahrzeug 40 befestigt ist. Zur Vermessung einer Oberfläche 50 bewegt sich das Fahrzeug 40 in Pfeilrichtung, wobei mit Kameras Kt Bildausschnitte Bt der Tunnelleibung 50 aufgenommen werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist aus mehreren im Wesentlichen baugleichen Einzelsegmenten et aufgebaut. Jedes der Einzelsegmente et fungiert als Träger für eine Hochgeschwindigkeitskamera Kt und eine Beleuchtungseinrichtung und/oder Blitzeinrichtung Li . Der Index i = 1 , . . , h impliziert, dass für jedes Einzelsegment jeweils eine Kamera und jeweils eine Beleuchtungseinrichtung und/oder Blitzeinrichtung Lj vorgesehen ist. Diese Beschreibung ist beispielhaft für eine bevorzugte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, jedoch ist eine solche in keiner Weise darauf einzuschränken, d.h. ein Einzelsegment e kann in anderen Ausführungsformen mehrere Kameras und mehrere Beleuchtungseinrichtungen und/oder Blitzeinrichtungen aufweisen.
Die Einzelsegmente e zeichnen sich durch hohe Stabilität bei geringem Gewicht aus. Sie bestehen bevorzugt aus Kunststoff, aber auch Verbundstoffe wie GFK und CFK sowie Metalle wie Aluminium oder Aluminiumlegierungen sind denkbar. Eine kostengünstige Methode zur Herstellung eines Einzelsegments et ist das 3 D- Druckverfahren. Weitere mögliche Herstellungsverfahren sind Gießen bzw. Spritzgießen, Lasersintern, zerspanende Verfahren oder Kombinationen daraus.
Die Einzelsegmente e sind derart konzipiert, sodass eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 durch Aneinanderreihung mehrerer Einzelsegmente e gebildet wird. Die Bauteile können dabei durch verschrauben, verkleben, verschweißen oder mittels Klemmsysteme miteinander verbunden werden. Der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 kann somit eine Längsachse zs zugeordnet werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 kann auch aus einem Stück, ohne Einzelsegmente e gefertigt sein.
Jedes der Segmente et weist im Wesentlichen die Form eines Kreiszylinders auf, wobei zumindest ein Teil eines Kreiszylindersektors ausgespart ist. Die Aussparung 14 ist dabei derart ausgebildet, dass kein Bereich des Einzelsegments e selbst in den Öffnungswinkel der Kamera oder exakter des entsprechenden Kameraobjektivs ragt. Jedes Einzelsegment et weist somit eine Mantelfläche Me auf, wobei die durch die Aussparung 14 gebildete Fläche nicht Teil der Mantelfläche Me ist.
Folglich weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 in Ihrer Gesamtheit eine Mantelfläche Mges auf. Im Falle, dass eine solche Vorrichtung aus einem Stück besteht, weist diese ebenso eine Mantelfläche Mges auf.
Eine Kamera Kt ist in einem Einzelsegment et derart angebracht, dass die Kameraachse kt mit der Winkelhalbierenden des fehlenden Teils des Kreissektors deckungsgleich ist. Die Kameras Kt sind mit einem Objektiv, jedoch bevorzugt mit einer angepassten Optik, versehen. Die Brennebene eines jeden Kameraobjektivs bzw. der einer jeden angepassten Optik liegt auf der Längsachse zs der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Anders ausgedrückt liegt die Längsachse zs auf jeder Brennebene der entsprechenden Kameraobjektive, wobei die Rotationsachse der Brennebenen der einzelnen Kameraobjektive durch die Längsachse zs gebildet wird.
In einer Ausführungsvariante sind Endsegmente eend unmittelbar an den beiden Enden einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 vorgesehen. Sie unterscheiden sich zu den Einzelsegmenten et in der Weise, dass diese keine Aufnahme für eine Kamera aufweisen. Vielmehr weisen die Endsegmente eend eine kleinere, gleichartige Aussparung 14' auf, welche zur Befestigung einer Beleuchtungseinrichtung und/oder Blitzeinrichtung dient.
Weiters weist ein Endsegment eend bevorzugt Griffe bzw. Handbügel auf, wodurch der T ransport und das sichere Abstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ermöglicht wird.
Die Einzelsegmente et werden relativ zueinander um einen Winkel ai i+1 für i e (1,
Figure imgf000011_0001
1} verdreht miteinander befestigt. Dementsprechend sind die Kameraachsen kt der einzelnen Kameras Kt ebenso um denselben Winkel ai i+ 1 für i e (1,
Figure imgf000011_0002
— 1} zueinander verdreht.
Bevorzugt ist die Mantelfläche Me eines Einzelsegmentes e mit zumindest einer Beleuchtungseinrichtung und/oder Blitzeinrichtung Lj bestückt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Mantelfläche Me eines Einzelsegments e mit speziell angefertigten Platinen12, umfassend eine Vielzahl von LEDs 13, im Wesentlichen flächendeckend bestückt ist. Zur Bündelung bzw. Kollimation des von den einzelnen LEDs emittierte Licht sind Sammellinsen vorgesehen. Somit ist vorgesehen, dass die gesamte Mantelfläche Mges mit genannten Platinen 12, umfassend eine Vielzahl von LEDs 13, bestückt ist. Die Einzelsegmente e sowie die Endsegmente eend sind im Bereich der Mantelfläche Me mit Aufnahmen für besagte Platinen 12 versehen. Die Aufnahmen sind bevorzugt durch taschen- oder nutförmige Ausnehmungen mit Klemmelementen gebildet, sodass die Platinen mittels Klemm- oder Schnappverbindungen an der Mantelfläche Me der Einzelsegmente und Endsegmente bzw. an der Mantelfläche Mges der erfindungsgemäßen Vorrichtung befestigt werden können. In anderen Ausführungsvarianten können die Platinen 12 durch Schraub- oder Klebeverbindungen an der Mantelfläche befestigt werden.
Zur Vermessung einer Oberfläche 50, insbesondere einer Tunnelleibung, wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 mittels Tragarm 30 an einem Fahrzeug bzw. Messfahrzeug oder an einem Hänger 40 befestigt. Ein solches Fahrzeug kann beispielsweise ein PKW oder ein Zug sein. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann prinzipiell an jedem Fortbewegungsmittel angebracht werden, welches hinsichtlich Belastbarkeit und Festigkeit dafür geeignet ist. Zur Inspektion von Kanälen kann eine solche Vorrichtung beispielsweise auf einem Boot oder einem Schiff angebracht sein. Zusätzlich kann die Anbringung einer Laserscaneinheit 20 vorgesehen sein. Ein Tragarm 30 ermöglicht die Montage einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 und/oder einer Laserscaneinrichtung 20 in einem gewissen Abstand zum entsprechenden Fahrzeug 40 derart, sodass eine 360°-Aufnahme möglich ist, ohne dabei das Fahrzeug 40 selbst bzw. Teile des Fahrzeugs 40 Aufzunehmen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (10) zur Vermessung von Oberflächen (50), insbesondere von Tunnelleibungen, umfassend Kameras ( Kt ) (i = l, ..., n), wobei jede Kamera ( Kt ) eine Kameraachse (Lj) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameras um eine Längsachse ( zs ) der Vorrichtung ortsfest angeordnet sind, wobei die Kameraachsen (Lj) relativ zueinander um einen Winkel (ai i+1) verdreht sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kameraachsen (Lj) entlang der Längsachse ( zs ) relativ zueinander um einen Abstand (au + I) versetzt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameraachsen (Lj) entlang der Längsachse ( zs ) zirkular angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Winkel (aί ί+1, ah 1), welche von den Kameraachsen (Lj) eingeschlossen werden, > 270° aufweist, vorzugsweise 360° aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch zumindest eine Beleuchtungseinrichtung und/oder eine Blitzeinrichtung (Lj).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beleuchtungseinrichtung und/oder zumindest eine Blitzeinrichtung (Lj) im Wesentlichen außerhalb des Bildwinkels einer Kamera (Ki) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kamera (Ki) eine Beleuchtungseinrichtung und/oder eine Blitzeinrichtung (Lj) (j = l, ..., ri) aufweist, wobei diese derart angeordnet ist, dass die Beleuchtungseinrichtung und/oder Blitzeinrichtung (L,) die Beleuchtung für eine Kamera (Kt) bereitstellt, wobei i j.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse eines Beleuchtungsschwerpunktes (Sj) einer Beleuchtungseinrichtung und/oder Blitzeinrichtung (Lj) mit der Kameraachse (Lj) deckungsgleich ist, wobei die Kamera (Kt) und die Beleuchtungseinrichtung und/oder Blitzeinrichtung (Lj) derart um die Längsachse ( zs ) ausgerichtet ist, sodass ein Kameramotiv (rrij) dem Beleuchtungsschwerpunkt (Sj) gegenüber liegt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Einzelsegmente (ej), wobei die Einzelsegmente (e ) als Aufnahme für zumindest eine Kamera ( Kt ) sowie als Aufnahme für zumindest eine Beleuchtungseinrichtung und/oder zumindest eine Blitzeinrichtung (Lj) fungiert, wobei vorzugsweise die Einzelsegmente (bέ), miteinander verbindbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Blitzeinrichtung und eine Steuerung vorgesehen sind, wobei die Steuerung die mehreren Kameras Kt im Wesentlichen gleichzeitig auslöst und wobei die Steuerung die zumindest eine Blitzeinrichtung gleichzeitig mit den mehreren Kameras Kt auslöst.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch zumindest eine Laserscaneinrichtung (20).
12. Verfahren zur Vermessung von Oberflächen (50), insbesondere von Tunnelleibungen, mit einer Vorrichtung 10 nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine gleichzeitige 360°-Aufnahme der zu vermessenden Oberfläche (50), insbesondere um die Längsachse ( zs ) der Vorrichtung 10 nach Anspruch 1 bis 11.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Vorrichtung (10) nach Anspruch 11 die Bestimmung der Geometrieinsbesondere eines Tunnelbauwerks und die Aufnahme der Textur einer Oberfläche 50, insbesondere einer Tunnelleibung, gleichzeitig erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Durchgang mehrere Aufnahmen mit Bildausschnitt ßj von mehreren Kameras Kt gemacht werden, indem die mehreren Kameras Kt im Wesentlichen gleichzeitig ausgelöst werden, wobei im Wesentlichen gleichzeitig mit allen Kameras Kt auch zumindest eine Blitzeinrichtung ausgelöst wird, wobei die zumindest eine Blitzeinrichtung so ausgerichtet ist, dass jeder Bildausschnitt ßj von jeder Kamera Kt beleuchtet wird.
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