专利名称：用于获取空间区域的三维数据的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于获取空间区域的三维数据的方法，所述方法包括以下
步骤
-提供具有发射机和接收机的激光扫描仪，
-通过所述发射机向所述空间区域中的多个测量点发出多个测量光
束，
-接收由所述测量点反射的多个反射光束，以及
-基于所述反射光束确定距所述多个测量点的多个距离。
本发明还涉及用于获取空间区域的三维数据的设备，所述设备包括具 有发射机和接收机的激光扫描仪，所^L射M配置用于向所述空间区域 中的多个测量点发出多个测量光束，所述接il^M^配置用于接收由所述测 量点反射的多个反射光束以及基于所述反射光束确定距所述多个测量点 的多个多巨离。
背景技术：
此种方法和设备可从例如DE 103 61 870中获知。
该文献公开了 一种包括测量头的激光扫描仪，所述测量头保持有以可 可转动方式被支撑的转子。该转子被绕着水平轴转动，同时发出多个激光 束。由于该转子的转动，所述激光束被发送到空间中的覆盖了 270°或更 大的竖角(vertical angle)的多个方向上。此外，所述测量头被绕着垂 直轴转动，使得所发出的激光束几乎完全扫描周围的空间区域。在该测量 头中设置有接收机，该接收机接收从所述空间区域中的目标点反射的反射 光束，并通过所发出的光束与所接收的光束之间的延迟时间差来确定距所 述目标点的距离。此外，所述接收机针对每个测量点产生取决于所反射的 测量光束的强度的^JL值。总之，所述已知的激光扫描仪可以用于记录空 间区域的三维图像，并且所述多个^jl值产生可与对空间区域的黑/白记 录相比的全面图像。此外，针对每个测量点提供距离信息项，使得可以更精确地检查、勘测、和/或稍后借助于所记录的数据而对该空间区域进行 文档记录。这种激光扫描仪的典型应用是对例如要在其中设计和建立新的 生产线的工厂车间的勘测。在另一已知的应用中，这种激光扫描仪被移动 穿过隧道管路(如必要的话，而非绕垂直轴转动)，以检查例如该隧道的 状况以及确定该隧道中每一点处的净宽。
原则上，这种激光扫描仪适合于获取由诸如墙壁或自然障碍物之类的 目标所界定的任何空间区域的三维数据。包括全视野空间区域的"光学图 像"的相对快且广泛的数据釆集还使得这种激光扫描仪有利于法医学应
用，即，对犯罪现场的法医学覆盖(forensic coverage)和文档记录。但 是，对犯罪现场的法医学覆盖需要迄今已知的激光扫描仪所无法提供的进 一步的信息。所述信息主要包括与射弹穿入墙壁或另一障碍物时所产生的 弹道的位置和路线相关的信息。
对于对弹道的法医学覆盖，目前使用标记有颜色的杆，所述杆以其近 端从弹道的入口伸出的方式被插入弹道中。这些杆可以用于识别所述弹道 的方位。适当的杆例如由Lightning Power Company, Inc., 13386 International Parway， Jacksonville, FL 32218, USA提供。
发明内容
针对该背景，本发明的目的是改善上述提及的类型的方法和设备，以 开发新的应用。具体地，本发明的目的是便利于空间区域的法医学数据获 取。
才艮据本发明的一个方面，该目的是通过上述提及的类型的方法来实现 的，其中所述空间区域包括至少一个包含具有可见入口的隐蔽通道的目 标，杆状元件以自由端从该入口伸出的方式被插入到该通道中，确定距该 自由端处的第一测量点的第一距离以及距该自由端处的第二测量点的至 少一个第二距离，以及基于所述第一和第二距离来确定所述隐蔽通道的方位。
根据本发明的另一方面，该目的通过之前提及的类型的设备来实现， 其中所述接收机还被配置用于通过确定距杆状元件的自由端处的第一测
量点的距离以;sj巨该自由端处的第二测量点的至少一个第二距离，来确定 所述杆状元件的方位，其中，所述杆状元件的自由端从在空间区域中的目 标处的隐蔽通道的入口伸出。本发明可用于根据借助于所述激光扫描仪采集的数据来确定弹道或其它隐蔽在目标中的通道的方位。由于该激光扫描仪能够借助于该杆状元件以某种方式来"窥视"该目标，由此扩展了已知的激光扫描仪的能力。容易理解，该新颖方法和新颖设备特别适用于对其中使用了枪械的犯罪现场的法医学数据获取。当然，该新颖方法和新颖设备还可用于对隐蔽在目标中的通道的方位进行记录和勘测的其它目的，例如用于对建筑墙壁中的钻孔进行记录。
该新颖方法和新颖设备具有以下优点可以非常快速且高精确性地确定通道的方位，在对"其余的"空间区域进行三维测量的同时釆集用于确定方位的数据。特别有利的是，可以在空间区域的"光学图像"中对通道的方位进行标记，这l更利于记录和之后的分析。
由此完全实现了上述的目的。
在本发明的优选实施例中，该杆状元件具有杆状远端区域和近端区域，所述杆状远端区域被配置用于插入到隐蔽通道中，所述近端区域具有至少一个扩大体，在所述扩大体处设置有第一测量点和第二测量点。所述第一测量点和第二测量点优选地被沿着该杆状元件设置在杆状元件彼此的相对距离处，所i^目对距离优选为大约10cm或以上。该远端区域优选地具有在约0.2 cm与1 cm之间的外径。所述扩大体的外径优选地在约2cm与15 cm之间，进一步优选地在约5 cm与10 cm之间。
使所述杆状元件具有相对薄的远端区域和加厚的近端区域便利于对所述方位的精确且明确的确定。相对薄的远端区域使得能够将杆状元件插入到窄的弹道、钻孔等中。另一方面，在近端区域中的扩大体^t利于对杆状元件的确切的识别以及由此便利于可靠且精确地确定方位。由于测量精确性的提高通常是通过"精细的(fine)"测量器具来实现的，因此起初并未预料到这个效果。而在本实施方式中，在优选实施例中使用超过隐蔽通道的尺寸10至20倍的扩大体。但是，已经发现，由于对空间区域的三维覆盖，可以在扩大体自身的维度上对所述扩大体进行勘测，这继而使得能够以提高的精确性来^地确定所述方位。
在另一实施例中，所述远端区域限定了纵轴，并且所述至少一个体具有基本上位于该纵轴上的中心点。
在该实施例中，相对于杆状元件的远端区域而近似同轴地设置所述体。这有利于精确地确定所述方位。此外，在该实施例中，所述杆状元件
6绕其纵轴的旋转位置不重要的，以便可以以更简单和更快的方式将杆状元 件定位在所述通道中。
在另 一实施例中，确定距所述至少一个体处的多个测量点的多个体距 离，并基于所述多个体距离确定所述中心点。
在该实施例中，所述体自身被勘测以尽可能精确地确定其中心点。可 用来确定所述体的中心点的精确度越高，则可用来确定所述隐蔽通道的方 位的精确度就越高。
在对该实施例的优选的改进中，所述体具有限定的几何形状，且该几 何形状的理想图像与表示多个体距离的点云相匹配。所述匹配例如可以根 据最小二乘法来进行。该实施例使得即使在对所述体的勘测具有高测量噪 声时也能够精确地确定所述隐蔽通道的方位。
在另一实施例中，每个反射光束具有光束强度，且所述方位还基于所 述光束强度来确定。
在该实施例中，不似巨离信息，而且光束强度也被用于确定所述至少 一个体的位置和对准。由于确定所述方位的精确度取决于对所述体进行勘 测的精确度，因此该实施例使得能够进一步改善测量精确度。
在另一实施例中，所述至少一个体具有伸长的形状，特别地为圆柱形。
在该实施例中，所述体具有所限定的主方向，有利的是，该主方向与 所寻找的方位同轴。使用这种体便利于确定所述方位和提高测量精确度。 所述伸长的形状越长，则越可能检测到由激光扫描仪进一步分开的测量 点。远离着的测量点降低了由于 >差和/或测量噪声而可能产生的测量误 差。
在另 一 实施例中，杆状元件包括被设置在彼此相对距离处的至少两个体。
该实施例也是针对杆状元件上的远离着的测量点而提供的，并且由此 提供了测量误差的降低。该实施例在所述至少两个体具有相同形状的情况 下是特别有利的，这是因为，那样就可以使用相同的算法来确定所述中心
点。与单个伸长的体相比，该实施例具有以下优点自由的近端负荷有较 轻的重量，这减少了杆状元件的弯曲。
在另一实施例中，所述至少两个体为球体。作为替换方案，所述至少 两个体可以为立方体或其它几何要素。球体使得能够以相对简单和精确的方式来确定在很大程度上独立于 激光扫描仪的视向或视角的中心点。因此，通常优选球体作为所述体。相
比而言，立方体具有以下优点杆状元件不会滚走，这有利于实际^Mt和 运输。
在另一实施例中，所述隐蔽通道是弹道，且基于所述方位来确定空间 区域内的假定的枪手位置。有利的是，通过沿着所述方位查找近似地与枪 手大小相对应的位置，自动地对该假定位置进行确定。
由于该实施例简化并加快了对犯罪现场的法医学数据获取，因此该实 施例代表了所述新颖方法和新颖设备的特别优选的应用。
在另一实施例中，杆状元件包括在远端区域中的标记，该标记具有较 强反射部分和较弱反射部分。
利用该实施例，由于具有不同^Jt性的部分分别导致了所>^射光束的 不同的光束强度，因此可以以非常简单的方式对所述隐蔽通道的深度进行 记录。由此，在所述光学图4象中，这种标记是明显可见的，并且可以以相 对快和简单的方式在所记录的数据中识别这种标记。
不用说，在不背离本发明的范围的情况下，上述特征以及下面将要说 明的特征不仅可以用于在每种情况下所指定的组合中，而且可以用于其它 组合中，或者可以使用这些特征自身。
在附图中示出了本发明的示例性实施例，并且将在以下的描述中更详 细地说明本发明的示例性实施例。
图1示出了根据本发明的优选示例性实施例的简化的表示；
图2以部分切除侧视图示出了在根据图1的示例性实施例中使用的激 光扫描仪；
图3至5示出了根据本发明的杆状元件的各个示例性实施例；以及
图6示出了用于说明根据本发明的方法的示例性实施例的简化的流 程图。
具体实施例方式
8在图1中，用附图标记10来整体表示根据本发明实施例的激光扫描 仪。在这种情况下，激光扫描仪10具有设置于三脚架14上的测量头12。 测量头12可以在三脚架14上绕由箭头18所指示的垂直轴16转动。
测量头12具有近似为U形的壳体。在两个壳体腿之间设置有可绕由 箭头24指示的水平轴22转动的转子20。转子20具有出射窗，测量光束 Ls可以从所述出射窗中射出。测量光束Ls沿光束轴26延续到目标30上 的测量点28。所述测量光束被从测量点28反射，并作为反射光束Lr传 回到测量头12,这里，所述反射光束Lr遭遇转子20且^L检测器(这里 未示出)进行检测。根据测量光束Ls的发送与^Jt光束Lr的接收之间 的时间差，可以确定激光扫描仪10与测量点28之间的距离d。有利的是， 可对测量光束Ls进行调制以用于确定延迟时间。
根据本发明的优选实施例，测量点28在此位于隐蔽在目标30中的通 道(这里未示出)的入口或出口的区域中.为了确定通道的方位，该新颖 设备包括被以杆状远端插入到通道的开口中的杆状元件32。在所述杆状 元件32的自由的近端处，形状为球体34的体^L设置于此处。
附图标记36表示站在空间区域38中的某位置处的可能已经开枪的 人，其射弹产生了目标30中的隐蔽通道。可以借助于所述新颖方法及新 颖设^^根据该隐蔽通道的方位来确定该位置。
图2更详细地示出了激光扫描仪10和杆状元件32。如前所述，相同 的附图标记表示相同的元件。
测量头12具有基部40，在基部40上垂直地设置有两个支撑壁42、 44。所述支撑壁42连同壳体部分46—起形成了内部空间，在该内部空间 中设置有M射器48和检测器50。这里，M射器48为激光二极管， 检测器50包括以矩阵型布置的多个光敏元件。
附图标记52表示评估和控制单元，在优选实施例中，所述评估和控 制单元包含基于PC的计算单元。评估和控制单元52驱动itJC射器48， 使其产生经调制的测量光束Ls。此外，评估和控制单元52对检测器50 进M取以用于确定距离d和反射光束Lr的光强度。
这里，转子20承载镜54，所述镜54被设置成与发射机348和检测 器50相对，并且相对于所述检测器倾斜45。。转子20与驱动器56相连 接，驱动器56引起镜54绕水平轴22的转动。由于该转动，测量光束Ls 被沿着空间区域38中的竖向的圆形区域而偏转。如已参照图1提及的，本实施例的激光扫描仪10具有另 一驱动器58, 驱动器58提供了测量头12绕垂直轴16的转动。这允许借助于要在空间 区域38内转动的测量光束Ls跨过的"垂直扇"，以使得测量光束Ls可以 实质上照亮激光扫描仪10的环境下的所有目标点。为了能够将所iO巨离 和强度信息与各个测量点28相关联，驱动器56、 58被提供有编码器60、 62，借助于所述编码器60， 62来确定测量光束Ls的相应的对准。
附图标记66表示目标30 (例如墙壁)中的隐蔽通道。根据本发明的 示例性实施例，杆状元件32的远端68被推送到通道66中。杆状元件32 的近端70从通道66的入口或出口 72伸出。在该近端70处，两个球体 34a、 34b被设置在此处，在下文中将借助于图3进行更详细的描述。
杆状元件32限定了与隐蔽通道66的方位相对应的纵轴74。可以通 过借助于激光扫描仪10确定两个球体34a， 34b的位置，来借助于所述两 个球体34a、 34b以自动的方式确定所述方位。所述球体的位置可以用于 确定表示该方位74的矢量。
图3示出了杆状元件32的优选实施例。元件32具有被配置用于插入 隐蔽通道中的远端68。在近端70处，两个球体34a、 34b被布置处于限 定的距离dss处。这里，所述杆的外径为大约0.5 mm。相比而言，球体 34a、 34b的外径的大小大约为5至10cm。当然，珎/本34a、 34b还可以 更小或更大，而且在激光扫描仪IO的测量数据中，具有更大直径的球体 更易于被识别。另一方面，具有更小的直径的球体有利于对元件32的操 作，并且保证了在自由的近端处的较轻的重量。
在一个示例性实施例中，球体34a、 34b由聚苯乙烯制成，并^C推到 杆状元件32的杆上。所述球体34a、 34b可以在该杆上移动或者可以例如 通过粘接被固定在其相应的位置上。
每个球体34a、 34b具有在所述新颖方法的优选示例性实施例中确定 的该球体的中心点76a、 76b。如图3所示，这里，所述球体的中心点76a、 76b位于纵轴74上，即，杆状元件32的杆在中心地穿过所*体的中心 点76a、 76b。
图4示出了杆状元件82的另一示例性实施例，该杆状元件82大体上 与图3的元件32相对应。然而，元件82具有立方体84a、 84b，而不是 球体34a， 34b。
图5示出了与前面两个示例性实施例相对照的、仅具有单个圆柱88的杆状元件86的另一示例性实施例。
在下文中，借助于图6来描述所述新颖方法的优选示例性实施例。在 所有部件均已设定好并开始工作时，根据步骤94，对镜54进行定位。根 据步骤96，发出测量光束Ls。根据步骤98，接收反射光束Lr。根据步 猓100，随后使用评估和控制单元52来根据延迟时间差而确定距测量点 28的距离。此外，根据步驟102，根据反射光束Lr的强度来确定A^值。 根据步骤104,针对可以借助于两个驱动器56， 58来调整的镜子54的所 有位置而重复所述过程，以获得对空间区域38的三维(3D)记录。
一旦已经记录了所有的测量数据，则根据步骤106，识别杆状元件上 的体或多个体(例如，球体34a、 34b)。然后，才艮据步骤108,确定中心 点76a、 76b的坐标。在优选的实施例中，这是通过将理想的球体拟合于 由激光扫描仪10记录的"点云"来完成的。例如，所述拟合可以根据最 小二乘法来进行。然后，计算所拟合的球体的中心点坐标。
根据步骤IIO，基于所计算出的中心点坐标来确定方位74。然后，根 据步骤112，确定已发射了形成(子弹)通道66的射弹的枪手的假定位 置。为此，沿着方位74寻找一位置或位置范围，在该位置或位置范围中， 地面上的"典型高度"与方位74相交。该典型高度在约lm与1.8m之间 的范围内。此外或作为替换方案，可以通过沿着方位74将个人的图像插 入(根据反射光束的强度)借助于激光扫描仪10记录的空间区域的图像 中，来确定枪手的假定位置。在另外的示例性实施例中，在对空间区域 38的扫描期间可以对人36进行记录，以使得可以将人36的坐标与方位 74进行比较。
权利要求
1. 一种用于获取空间区域(38)的三维数据的方法，包括以下步骤-提供包括发射机(48)和接收机(50，52)的激光扫描仪(10)，-借助于所述发射机(48)向空间区域(38)中的多个测量点(28)发出多个测量光束(Ls)，-接收由所述测量点(28)反射的多个反射光束(Lr)，以及-基于所述反射光束(Lr)确定距所述多个测量点(28)的多个距离，其特征在于，所述空间区域(38)包括至少一个目标(30)，所述目标包含具有可见入口(72)的隐蔽通道(66)，杆状元件(32)以自由端(70)从所述入口(72)伸出的方式被插入到通道(66)中，确定距自由端(70)处的第一测量点(34a)的第一距离以及距自由端(70)处的第二测量点(34b)的至少一个第二距离，并且基于所述第一和第二距离确定所述隐蔽通道(66)的方位(74)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述杆状元件(32) 具有杆状远端区域(68 )和近端区域(70 )，所述杆状远端区域(68 )被 配置用于插入到隐蔽通道(66)中，所述近端区域(70 )具有至少一个扩 大体(34; 84; 88),所述第一测量点和第二测量点祐i殳置在所述扩大体 处。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述远端区域(68) 限定了纵轴(74)，并且所述至少一个体(34a， 34b)具有基本上位于所 述纵轴(74 )上的中心点(76a， 76b )。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定距所述至少一个 体(34; 84; 88)处的多个测量点(28)的多个体距离，以及基于所述多 个体距离来确定所述中心点(76)。
5. 根据权利要求l-4中任一项所述的方法，其特征在于，每个反射光 束(Lr)具有光束强度，且所述方位(74)也基于所述光束强度被确定。
6. 根据权利要求l-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一 个体(88)具有伸长的形状，特别为圆柱形。
7. 根据权利要求l-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述杆状元 件(32 )包括在距彼此的相对距离(dss )处设置的至少两个体(34a、 34b;84a 、 84b )。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少两个体(34a， 34b)为球体。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少两个体(84a， 84b)为立方体。
10. 根据权利要求l-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述隐蔽 通道(66)是弹道，并且基于所述方位(74)来确定所述空间区域(38) 内的枪手(36)的假定位置。
11. 根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述杆状 元件(32)包括所述远端区域(68)中的标记，所述标记具有较强>^射部 分和较弱反射部分(78、 80)。
12. —种用于获取空间区域(38)的三维数据的i殳备，包括具有发射 机(48 )和接收机(50， 52 )的激光扫描仪(10 ),所iL t射机(48 )被 配置用于向空间区域(38)中的多个测量点(28 )发出多个测量光束(Ls )， 所述接收机(50， 52 )被配置用于接收由测量点(28)反射的多个反射光 束(Lr)以及用于基于所述反射光束(Lr)来确定距所述多个测量点(28) 的多个距离，其特征在于，所述接收M被设置用于通过确定距杆状元件(32)的自由端处的第一测量点(34a)的第一距离以;O巨所述自由端处 的第二测量点(34b)的至少一个第二距离，来确定所述杆状元件(32) 的方位(74)，所述杆状元件的自由端从在所述空间区域(38)中的目标(30)处的隐蔽通道(66)的开口 (72)伸出。
13. —种用于在根据权利要求1-12中任一项所述的方法或设备中使 用的杆状元件(32 )，包括杆状远端区域(68)和近端区域(70 )，所述杆 状远端区域(68 )被配置用于插入到隐蔽通道(66)中，所述近端区域(70 ) 包括提供彼此不同的至少两个测量点(28)的至少一个扩大体(34; 84; 88 )。
全文摘要
在用于获取空间区域的三维数据的方法中，向多个测量点发出多个测量光束(Ls)。检测器(50)接收由所述测量点(34a)反射的多个反射光束(Lr)。基于所述反射光束(Lr)确定距测量点(34a、34b)的多个距离。根据本发明的一方面，至少一个目标(30)位于该空间区域中，所述目标包括具有可见入口(72)的隐蔽通道(66)。杆状元件(32)以自由端(70)从入口(72)伸出的方式被插入到通道(66)中。确定距第一测量点(34a)的第一距离以及距第二测量点(34b)的第二距离。基于第一和第二距离来确定隐蔽通道(66)的方位(74)。
文档编号G01S17/08GK101484828SQ200780024804
公开日2009年7月15日 申请日期2007年6月29日 优先权日2006年7月3日
发明者于尔根·吉廷格, 莱因哈德·贝克, 贝恩德-迪特马尔·贝克 申请人:法罗技术股份有限公司