DE69733014T2

DE69733014T2 - Integriertes system zum abbilden und modellieren von dreidimensionalen objekten

Info

Publication number: DE69733014T2
Application number: DE69733014T
Authority: DE
Inventors: K. Ben KACYRA; Jerry Dimsdale; Mark Brunkhart; Apollo Jonathan KUNG; Robin Christopher THEWALT
Original assignee: Leica Geosystems HDS LLC
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2006-02-09
Also published as: US20040051711A1; US6512993B2; EP0895577B1; JP2000509150A; WO1997040342A2; US20020145607A1; WO1997040342A3; US6246468B1; US20020059042A1; DE69733014T8; US6330523B1; US6847462B1; US20020149585A1; US7215430B2; US20030001835A1; US7184036B2; US6734849B2; DE69733014D1; ATE293244T1; US5988862A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Systeme, die die Geometrie und weitere Attribute von Objekten in drei Dimensionen dokumentieren, und speziell auf ein System, das einen Lidar-Scanner (Laserentfernungsmesser) einsetzt, um schnell und genau die Position von ausgewählten Punkten auf der Oberfläche eines Objekts im dreidimensionalen Raum abzutasten und eine Punktwolke zu erzeugen, die die abgetasteten Positionen der ausgewählten Punkte darstellt; das die geometrischen Formen erkennt, die von Gruppen von Punkten in der Punktwolke dargestellt werden, und das ein Modell erzeugt, das diese geometrischen Formen darstellt. Das Modell kann in ein weiteres Modell umgewandelt werden, das von den Werkzeugen des computergestützten Entwerfens (CAD) einschliesslich der herkömmlichen CAD-Werkzeuge verwendet werden kann.
Hintergrund
Die topographische Aufnahme der Geometrie (Gestalt, Abmessungen und Ort) und anderer Attribute (z. B. Farbe, Textur und Reflexionsintensität) komplexer reeller Objekte (ob kleiner Komponenten wie kleiner mechanischer Teile oder grosser Objekte wie Gebäude und Gelände) ist herkömmlicherweise ein mühsamer und zeitschluckender Prozess gewesen. Solche Messungen sind nämlich herkömmlicherweise manuell durchgeführt worden. Die Umwandlung dieser Messungen in Zeichnungen oder Computermodelle hat ausserdem manuelles Zeichnen oder manuelle Eingabe in ein CAD-System erfordert, um die Zeichnung oder Computermodelle herzustellen.
In der letzten Zeit war es das Bestreben von Innovationen, diesen Prozess zu vereinfachen, aber sie alle haben keine volle Integration, Automatisierung, Präzision, Geschwindigkeit und Reichweite erreicht. Zum Beispiel verlangt die topographische Aufnahme einer Struktur in der Bauindustrie herkömmlicherweise die folgenden drei Grundschritte:

1. Felddatensammlung
2. Datenreduktion und -aufbereitung
3. Zeichnen und CAD

Der Schritt der Felddatensammlung wird von einer Gruppe von Vermessern ausgeführt, die manuell die Dimensionen von relevanten Komponenten der Struktur wie Wänden, Decken, Balken, Säulen, Toren, Fenstern, Armaturen, Rohren, Kanälen und Ausstattungen messen und aufzeichnen. Die Vermesser versuchen, die Geometrie der Komponenten wie auch die relative Lage der Komponenten in der Struktur zu bestimmen. Die Vermesser zeichneten die Daten in einem Feldnotizbuch auf. Die im Feld gesammelten Daten werden dann zu Tabellen und organisierten Skizzen geordnet und reduziert, und ein CAD-Bediener oder Zeichner verwendet diese Tabellen, um die endgültigen Zeichnungen oder Modelle zu erzeugen.
Dieser Prozess ist arbeitsintensiv, zeitschluckend und fehleranfällig. Ausserdem ist bei Verwendung herkömmlicher Vermessungsverfahren die Anzahl von Punkten, die tatsächlich gemessen werden kann, wegen der hohen Kosten für die Erfassung eines jeden Punktes für Zeit und Arbeitsaufwand sehr begrenzt. Wenn es darüber hinaus erwünscht ist, Daten zur Farbe, Textur oder weiteren Attributen zu sammeln, müssen zusätzliche Feldnotizen gemacht werden (zum Beispiel photographische Einzel- und Videoaufnahmen).
In letzter Zeit ist der Feldschritt durch Verwendung einer Laserentfernungsmessvorrichtung, die in einen elektronischen Theodoliten eingebaut oder auf diesen aufgesetzt wird, etwas automatisiert worden. Reflektierende Präzisionsziele (Retroreflektoren) werden an den Stellen des Objekts angebracht, für die Messungen gewünscht werden. Dann gewinnt die Laserentfernungsmessvorrichtung eine präzise Messung der Entfernung zwischen Instrument und Ziel, während der Theodolit genaue Anzeigen der horizontalen und vertikalen Winkeloffsets zu dem Punkt in einem gegebenen Koordinatensystem liefert. Die Entfernungs- und Winkeldaten werden entweder mit einer an das Instrument angeschlossenen magnetischen Vorrichtung automatisch aufgezeichnet oder im Instrument zu kartesischen Koordinaten bezüglich der Achsen des Instruments reduziert. Diese Prozedur kann dann so oft wie nötig wiederholt werden, um eine gewünschte Anzahl von Punkten des Objekts topographisch aufzunehmen. Die gesammelten Koordinatendaten können dann direkt mit einem CAD-System graphisch dargestellt werden.
Unglücklicherweise ist die Auftragung von geringem praktischem Nutzen, da sie die Objektgeometrie nicht andeutet. Wegen des Erfordernisses von Retroreflektoren, die manuell gesetzt werden müssen, und wegen der verhältnismässig langen Zeit, die je Ablesung mit der Laserentfernungsmessvorrichtung erforderlich ist, ist ausserdem die Sammlung einer Anzahl von Punkten, die dafür genügt, die meisten Objekte zu beschreiben, sehr arbeitsintensiv, zeitschluckend und fehleranfällig.
In einem anderen bekannten Verfahren der Sammlung von Felddaten werden Stereophotographie und Luftbildphotogrammetrie eingesetzt. Dabei werden von den Objekten stereoskopische Bilder aufgenommen, und die gewonnenen Stereophotographien werden entweder manuell oder mit Computerverfahren in Register gebracht, um die relative Position des Kamerabildflugzeuges zu der Zeit zu rekonstruieren, zu der jedes Bild aufgenommen wurde. Die Datenreduktion und -aufarbeitung wird manuell von einem speziell ausgebildeten Techniker ausgeführt. Konkret digitalisiert der Techniker die Koordinaten einer genügend grossen Anzahl von Punkten mit Hilfe von speziell montierten stereoskopischen Sucherobjektiven, um die Definition der Objekte unter Verwendung der Stereophotographien zu ermöglichen. Wiederum werden die digitalisierten Daten in ein CAD-System eingegeben oder manuell auf Papier gezeichnet.
Zusammenfassung
Die Erfindung wird in den Ansprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist ein Blockdiagramm eines Systems gemäss einer Ausführungsform der Erfindung.
1A zeigt den Gesamtablauf dafür, wie eine Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann, um ein Objekt zu scannen, die aufgenommenen Punkte zu organisieren, geometrische Formen an den organisierten Punkt anzupassen, die angepassten geometrischen Formen zu manipulieren und die sich ergebenden, manipulierten geometrischen Formen anzuzeigen.
2 ist ein detaillierteres Blockdiagramm des Systems der 1.
3A und 3B zeigen die physische Anordnung des FDV des Systems von 1 sowie auch, wie das FDV durch eine Gabellagerung mit dem Stativ gekoppelt wird.
4A und 4B zeigen ein auf das FDV von 1 bezogenes, beispielhaftes Koordinatensystem.
5 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen FDV.
6 ist ein Blockdiagramm des optischen Transceivers (Senders und Empfängers) des FDV von 5.
6A zeigt eine Doppelspiegelanordnung des in 6 gezeigten Scanners.
7 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform des Lasers zeigt.
7A ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des in 6 gezeigten Beamexpanders.
8 zeigt eine Ausführungsform des Duplexers.
8A zeigt einen partiell reflektierenden Duplexer.
9 zeigt eine Ausführungsform des Fensters des Duplexers von 8.
10 ist ein Ablaufdiagramm, das vom DSP des FDV durchgeführte Berechnungen zeigt.
11A und 11B zeigen ein einseitig gerichtetes Scanmuster bzw. ein zweiseitig gerichtetes Scanmuster.
12 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des FDV-Prozessors.
13 ist ein Blockdiagramm von beispielhaften Schaltungen zur Bestimmung einer erwünschten Position eines FDV-Spiegels.
14 ist ein Blockdiagramm von Beispielschaltungen für Signalformung und Energieintegration der in 12 gezeigten Zeitmessschaltung.
15 ist ein detailliertes Blockdiagramm des Systems von 1.
16A und 16B zeigen zwei Fenster, die verwendet werden, um die CGP zu betreiben.
17A und 17B zeigen eine Zielbox und eine Punktwolke.
18 zeigt eine Punktwolke von der Oberfläche einer Pferdeskulptur.
19 zeigt die Punktwolke von 18, die mit den Laserrücklaufintensitäten farbig abgebildet wurde.
20 zeigt eine Punktwolke von einer besonderen Ecke.
21 zeigt die Punktwolke von 20 und ein Polygon-Lasso, das für manuelle Segmentierung verwendet wird.
22 zeigt die Punktwolke von 20, in vier Untergruppen segmentiert, davon drei Untergruppen auf den Oberflächen von Ebenen und eine Untergruppe von Kantenpunkten, die nicht Teil der Ebene sind.
23 zeigt die Punktwolke von 20, als ein trianguliertes Mesh wiedergegeben.
24 zeigt die besondere Ecke von 20 mit den Gruppen von Wolkenpunkten angepassten Ebenen.
25 zeigt eine Punktwolke von der Oberfläche eines Zylinders.
26 zeigt ein Zylinderprimitiv, das den in 25 gezeigten Punkten angepasst wurde.
27 zeigt eine Punktwolke von den Oberflächen eines Rohrleitungssystems.
28 zeigt Zylinderprimitive, die den in 27 gezeigten Punkten angepasst wurden.
29 zeigt das vervollständigte Rohrleitungsmodell nach Verlängerung der Rohre und Hinzufügung von Knien.
30 zeigt das Ergebnis einer Eckenanpassung, die drei Ebenen, drei Linien und einen Scheitelpunkt ergibt.
31 zeigt ein Zylinderprimitiv in einer Szene.
32 zeigt den Zylinder von 31, zum Zusammentreffen mit benachbarten Objekten verlängert.
33 zeigt eine Wolke von Punkten von der Oberfläche verschiedener Objekte.
34 zeigt ein Modell, das Primitive enthält, die den in 33 gezeigten Punkten angepasst wurden.
35 zeigt die Konfiguration eines in seiner Frequenz einstellbaren Lasers.
36 zeigt ein Blockdiagramm eines herkömmlichen FM-chirped Lidars.
37 zeigt ein Blockdiagramm eines selbstkalibrierenden FM-chirped Lidars.
38 veranschaulicht die relativen Zeitpunkte, an denen ein grosser und ein kleiner Puls eine vorbestimmte Schwelle überschreiten.
39 veranschaulicht einen Schaltkreis für die Messung von Pulsenergie.
40 veranschaulicht einen weiteren Schaltkreis für die Messung von Pulsenergie.
Detaillierte Beschreibung
A. Überblick
1. Gesamtsystem
1 ist ein Blockdiagramm, das die Erfindung in ihrem breitesten Aspekt veranschaulicht. Auf 1 Bezug nehmend, enthält ein Field Digital Vision- (FDV: Digitales Feldsehvermögen) Modul 10 einen Scanfühler, um ein Objekt 20 zu scannen und die Position ausgewählter Punkte auf der Oberfläche des Objekts 20 im dreidimensionalen Raum abzutasten. Der FDV-Modul 10 erzeugt eine Punktwolke 30, die die abgetasteten Positionen der ausgewählten Punkte darstellt. Die Punktwolke 30 stellt auch weitere Attribute der abgetasteten Positionen wie Reflexionsvermögen, Oberflächenfarbe und Textur dar.
Ein Computer Graphics Perception- (CGP: Computergrafikwahrnehmung) Modul 40 steht in Wechselwirkung mit dem FDV, um Steuer- und Peilfunktionen für den Sensor des FDV-Moduls 10 zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich erkennt der CGP-Modul 40 aus der Punktwolke geometrische Formen, die durch Gruppen von Punkten in der Punktwolke 30 dargestellt werden, und der CGP-Modul erzeugt ein CGP-Modell 42, das diese geometrischen Formen darstellt. Vom CGP-Modell 42 erzeugt der CGP-Modul 40 ein weiteres Modell, das durch Werkzeuge 50 des computergestützten Entwerfens (CAD: computeraided design) verwendet werden kann. Die CAD-Werkzeuge können herkömmlich sein.
1A zeigt den Gesamtablauf dafür, wie eine Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann, um ein Objekt zu scannen, erfasste Punkte zu organisieren, geometrische Formen an den organisierten Punkt anzupassen, die angepassten geometri schen Formen zu manipulieren und die gewonnenen, manipulierten geometrischen Formen anzuzeigen.
2. Überblick über den FDV-Modul
Auf 2 Bezug nehmend, enthält das FDV 10 ein Laserscansystem (Lidar) 210, das Punkte des Objekts 20 scannt und ein Lidardatensignal erzeugt, das die Position jedes gescannten Punktes im dreidimensionalen Raum präzise darstellt. Das Lidardatensignal für Gruppen von gescannten Punkten ergibt kollektiv die Punktwolke 30. Zusätzlich steht ein Videosystem 220 zur Verfügung, das bevorzugt sowohl eine Weitwinkel- als auch eine Schmalwinkel-CCD-Kamera einschliesst. Die Weitwinkel-CCD-Kamera des Videosystems 220 erfasst ein Videobild des Objekts 20 und liefert über einen Steuer- und Schnittstellenmodul 230 des FDV 10 an die CGP 40 ein Signal, das das erfasste Videobild darstellt.
Auf Benutzereingaben bezüglich des Signals reagierend, das das erfasste Videobild darstellt, liefert die CGP 40 über den Steuer- und Schnittstellenmodul 230 ein Scansteuersignal an den Lidar 210, um zu kontrollieren, welche Punkte auf der Oberfläche des Objekts 20 vom Lidar 210 gescannt werden. Genauer steuert das von der CGP 40 gelieferte Scansteuersignal einen genauen und wiederholbaren Strahllenkmechanismus, um einen Laserstrahl des Lidars 210 zu lenken.
Zusätzlich erfasst die Schmalwinkel-CCD-Kamera des Videosystems 220 die Textur- und Farbdaten und liefert diese erfassten Daten an die CGP 40.
3. Überblick über den CGP-Modul
Noch auf 2 Bezug nehmend, besteht die CGP 40 aus einem Datenverarbeitungssystem (zum Beispiel einem Notebookcomputer oder einer Grafik-Workstation) und Spezialsoftware, die das Datenverarbeitungssystem der CGP 40 für die Ausführung der Steuer- und Zielfunktionen des FDV 10 und die Ausführung der Funktionen für die Erzeugung des CGP-Modells 42 konfiguriert.
a) FDV-Steuerung
Die CGP 40 steuert den Lidarscanner 210 des FDV 10 durch Lieferung eines Lidarsteuersignals an das FDV 10, das kontrolliert, welche Punkte des Objekts 20 vom FDV 10 gescannt werden. Benutzereingaben werden an die CGP 40 geliefert, durch die definiert wird, welche Abschnitte des Objekts 20 gescannt werden sollen und mit welcher Auflösung dies erfolgen soll.
b) Modellerzeugung
Jeder Datenpunkt in der vom FDV 10 erzeugten Punktwolke 30 stellt sowohl die Entfernung von einem FDV 10-„Ursprungspunkt" zu einem entsprechenden Laserauftreffpunkt als auch den Winkel vom Ursprungspunkt zum Laserauftreffpunkt dar. Die CGP-Software konfiguriert den CGP 40-Computer, die Datenpunkte der im Ergebnis des Scannens des Objekts 20 durch den Lidar 210 erzeugten Punktwolke 30 zu verarbeiten und die gescannten Abschnitte des Objekts 20 anzuzeigen und zu visualisieren. Genauer konfiguriert die CGP-Software den CGP 40-Computer, geometrische Formen im Objekt 20 zu erkennen („grafische Wahrnehmung") und unter Verwendung dieser erkannten geometrischen Formen Geometriekonstruktion, 3D-Modellkonstruktion, 3D-Visualisierung und Datenbankfunktionen für eine automatisierte Erfassung oder manuelle Eingabe von Objektattributen, die Erzeugung von Plänen, Schnitten und Abmessungen, die Datenabfrage sowie CAD-Schnittstellen und Vernetzungsoptionen auszuführen.
B. Einzelheiten
1. Einzelheiten des FDV-Moduls
5 ist ein Blockdiagramm einer erfindungsgemässen Ausführungsform eines FDV 10. Ein Lidar-Transceiver (Sender und -Empfänger) 502 enthält einen Laser, Sendeoptik, Empfangsoptik und einen Detektor zur Erzeugung von Entfernungsmess- und Intensitätsdaten. Ein Scansystem 504 enthält doppelte orthogonale Scanspiegel, Galvomotoren sowie Kodierer für die Lenkung des Laserstrahls und für die Bestimmung des Azimut- und Höhenwinkels des Laserstrahls aus den Spiegelpositionen. Ein Weitwinkel-Videosystem 506 erzeugt Videopeildaten, während ein Schmalwinkel-Videosystem 507 Farb- und Texturdaten erzeugt. Die Steuer- und Schnittstellenschaltkreise 230 betreuen den Datenaustausch zwischen dem FDV 10 und der CGP 40.
Der Laser wird gepulst, und die Entfernung bis zum Objekt 20 wird über die Laufzeit vom Sender und Empfänger 502 zum Objekt 20 und zurück gemessen.
Der Laser ist bevorzugt von dem Typ, der in den dem Massachusetts Institute of Technology erteilten US-Patenten Nr. 5 132 977, 5 386 427 und 5 381 431 offenbart wird. Insbesondere hat der durch einen solchen Laser erzeugte Strahl spezielle Eigenschaften wie die, Pulselängen von weniger als 1 ns erzeugen zu können.
Eine besondere Ausführungsform des Lasers, die benutzt worden ist, ist besonders gut für Präzisionslidar geeignet, da

1. die geringe Pulslänge eine hohe Genauigkeit liefert, da Radartheory zeigt, dass die Genauigkeit der umgekehrten Pulsdauer proportional ist.
2. der Laser selbst physisch ziemlich klein ist, was besonders für tragbare Anwendungen nützlich ist.
3. er einen beugungsbegrenzten Strahl hat, was bedeutet, dass die Fleckgrösse in einer bestimmten Entfernung nicht durch die Eigenschaften des Lichts, sondern nur durch die Qualität der Optik begrenzt wird, die zu seiner Kollimation oder Fokussierung benutzt wird.
4. der Strahl über ein grosses Intervall von Entfernungen klein gehalten werden kann, da die Wellenlänge ziemlich kurz (532 nm) und der Rayleigh-Schärfenbereich der Wellenlänge umgekehrt proportional ist. Mit einer 1-cm-Austrittsblendenöffnung bleibt der Strahl über 50 m unter 6 mm.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Laserstrahl durch die orthogonalen Scanspiegel auf einen Laserauftreffpunkt auf der Oberfläche des Objekts 20 gelenkt. In dieser Ausführungsform wird die „Laufzeit" eines Laserpulses bestimmt, um vom Laser zur Oberfläche des Objekts 20 und dann zurück zum Detektor zu laufen. Die Entfernung wird auf der Basis der konstanten Lichtgeschwindigkeit bestimmt, wobei geeignete Korrekturen für atmosphärische Faktoren angebracht werden.
Ein System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Entfernung kann bei hohen Erfassungsgeschwindigkeiten eine hohe Entfernungsmessgenauigkeit liefern. Zum Beispiel kann auf der Basis eines einzelnen Schusses bei Entfernungen im Bereich von 100 m eine Genauigkeit von 1 mm erreicht werden, wobei pro Sekunde 1000 bis 5000 Datenpunkte erfasst werden.
In anderen Ausführungsformen kann ein Chirp-Lidar eingesetzt werden. Die wesentliche Komponente eines Chirp-Lidars kann mit einer linearen zeitlichen Veränderung der Wellenlänge moduliert werden. So ist die Wellenlänge des vom Laser emittierten Lichtes gegeben durch λ(t) = k(t – t₀) + λ₀. In der Praxis wird ein solcher Laser gewöhnlich hergestellt, indem eine Zusammensetzung aus zwei Materialien erzeugt wird, und zwar aus einem typischen Laserverstärkungsmedium wie NdYAG (3510) und einer Substanz, deren Brechungsindex elektrisch verändert werden kann, wie Lithiumniobat (3520). (Siehe 35.) Dadurch wird effektiv die Länge des Laserresonators verändert, und daher ändert sich auch die emittierte Wellenlänge. Handelsübliche Laser können mit einer Modulationsspannung von etwa 1 kV bis hinauf zu etwa 100 GHz moduliert werden, so dass die Lichtfrequenz ungefähr f(t) = k(t – t₀) + f₀ beträgt.
Auf 36 Bezug nehmend, wird in einem typischen FM-Chirpsystem ein Anteil des durch den Laser 3610 emittierten Lichtes entnommen und am Beamsplitter 3630 mit dem vom Ziel 3620 zurückkehrenden Licht rekombiniert. Da das Licht um die Zeit, die für Berührung des Ziels und die Rückkehr benötigt wird, verzögert ist, hat das vom Ziel zurückkehrende Licht eine niedrigere Frequenz als das dem Laser entnommene Licht. Dieser Unterschied wird im Ausgang des Detektors 3610 offenbar, der die Intensität der kombinierten Strahlen misst. Wenn die Frequenzrampe des Lichtes genau linear ist und der Laser eine Kohärenzlänge besitzt, die viel grösser als die Entfernung vom Ziel ist, dann wird durch Kombination der Strahlen eine konstante gemessene Frequenz des Detektors erzeugt, die der Entfernung proportional ist: f = k₁·d + d₁. Chirped YAG-Laser, wie sie oben beschrieben wurden, haben eine Kohärenzlänge von etwa 20 km, aber der Chirp ist nicht linear, was die Genauigkeit existierender FM-Chirp-Lidars ernstlich eingeschränkt hat.
Auf 37 Bezug nehmend, kann eine sehr grosse Verbesserung der Genauigkeit realisiert werden, indem ein System hinzugefügt wird, das jede Entfernungsmessung kalibriert. Eine Faser wird vorbereitet, die an einem Ende einen partiellen Reflektor 3771 und am anderen Ende einen nahezu totalen Reflektor 3772 trägt. Nun wird ein Anteil des durch den Laser 3710 emittierten Lichtes entnommen und am Beamsplitter 3740 mit dem vom Ziel 3720 zurückkehrenden Licht rekombiniert, und die Intensität wird mit einem Detektor 3760 gemessen. Ein zusätzliches Muster des vom Laser emittierten Strahles wird durch den Beamsplitter 3730 entnommen und am partiell reflektierenden Ende 3771 in die Faser eingeführt. Der Strahl pflanzt sich über eine festgelegte Strecke durch die Faser fort, wird an der Endfläche reflektiert und mit dem Strahl rekombiniert, der von der partiell reflektierenden Fläche 3771 reflektiert worden ist, und mit einem zweiten Detektor 3750 gemessen. Die Linearität des Chirps wird dann gemessen, indem die Abweichung des Ausgangs des Detektors 3750 von einer konstanten Frequenz bestimmt wird, und diese Information wird dazu benutzt, um im Ausgang des Detektors 3760, der der Zielentfernungsmessung entspricht, eine Korrektur für die Effekte eines nichtlinearen Chirps anzubringen.
Auf 3A und 3B Bezug nehmend, ist das FDV 10 in der Ausführungsform physisch in einem aus Metall oder einem anderen geeigneten Gehäusematerial hergestellten Kasten 330 untergebracht. Der Kasten 330 ist mit seinen Seitenwänden an einem Gabellagermechanismus 310 aufgehängt. Das Gabellagersystem ruht auf einem Drehtisch 340, und der Drehtisch 340 kann auf ein Stativ 320 montiert werden. Unter Verwendung des Gabelmechanismus 310 kann das FDV 10 horizontal („Azimutdrehung") und vertikal („Höhenneigung" oder „Höhe") gedreht werden. Allgemein wird die Position des Stativs 320 als eine „Einstellung" oder „Positionierung" bezeichnet; die Drehung und Neigung des FDV 10 im Gabellager 310 wird als „Visieren" oder „Orientierung" bezeichnet. Ein „Blick" ist allgemein mit einer bestimmten Einstellung und Orientierung verbunden.
Das Gabellagersystem 310 enthält bevorzugt Azimut- und Höhen-Rotationsmessvorrichtungen hoher Genauigkeit (d.h. herkömmliche optische oder elektronische Kodierer vom Theodolitentyp), um präzise Drehungs- und Neigungsdaten des FDV 10 zu liefern. Diese besondere Eigenschaft kann die automatische Integration von Scans ermöglichen, die mit einer gleichen Einstellung des Stativs 320, aber bei einer unterschiedlichen Orientierung des FDV 10 gemacht wurden. In Fällen, in denen diese Vorrichtungen nicht verwendet werden, und bei Scans, die aus verschiedenen Einstellungen und Orientierungen heraus erfolgten, können diese Scans mit Verfahren integriert werden, die später in dieser Offenbarung beschrieben werden.
Es sollte an diesem Punkt bemerkt werden, dass zwar herkömmliche Vermessungsinstrumente vor der Inbetriebnahme eingepegelt werden sollten, um richtig zu funktionieren, aber dies für das FDV 10 kein Erfordernis ist. Dies ist auf die neuartigen, in dieser Erfindung verkörperten Verfahren zurückzuführen, da sein eigenes internes Koordinatensystem und die in seiner Software eingesetzten Prozeduren von ihrer Methode der Positionsdatenerfassung Nutzen ziehen. Das System hat aber die Fähigkeit, eingepegelt und in einer Weise verwendet zu werden, die einem herkömmlichen Theodoliten ähnlich ist. Die kartesischen Koordinaten des FDV 10 in der beispielhaften Ausführungsform werden in 4A und 4B gezeigt.
Noch auf 3A und 3B Bezug nehmend, liefern in einer Ausführungsform zwei orthogonale Spiegel des FDV 10 ein Gesichtsfeld von etwa 40° × 40° („Gesichtsfeld" oder „Blick" wird als die maximale Grösse der von den maximalen Laserauslenkungen des Strahls projizierten Fläche in Grad definiert). Dieses Gesichtsfeld kann vergrössert oder verkleinert werden, indem die Spiegel und bestimmte Teile der optischen Kette anders bemessen werden. Die oben beschriebene Gabellagerung wird eingesetzt, um ein Anvisieren des 40° × 40°-Gesichtsfeldes des FDV irgendwo auf einer projizierten Kugel zu ermöglichen, wodurch eine grosse Flexibilität bei der Abbildung grosser Objekte oder Gruppen von Objekten aus der gleichen Einstellung geboten wird. Andere Lagerungsmethoden können verwendet werden, um den gleichen Zweck zu erfüllen.
Die Drehwinkel der orthogonalen Spiegel werden von elektronischen Kodierern von hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit ausgelesen, und die Ablesungen der Spiegeldrehwinkel werden zeitlich genau dann vorgenommen, dass sie mit der Ablesung der Entfernung zusammenfallen. Bevorzugt ist das System augensicher nach der FDA-Klasse II. Eine erste Ausführungsform hat eine räumliche Genauigkeit von ±6 mm über einen Bereich von ±50 m. In einer anderen Ausführungsform sind Autofokussierung und 5- bis 6-Picosekunden-Elektronik vorhanden, was über ±50 m die Entfernungsgenauigkeit des Systems auf ±1 mm und seine räumliche Genauigkeit auf ±1 mm erhöht. Die Reichweite (und Genauigkeit) des Systems lassen sich signifikant durch die gewählte Augensicherheitsklassifizierung beeinflussen, aber diese Beschränkungen sind keine der Erfindung selbst innewohnenden Beschränkungen. Die Beschränkungen werden in den Ansprüchen angegeben.
Das Folgende ist eine Beschreibung der Schlüsselkomponenten einer bevorzugten Ausführungsform des FDV 10. Ein Blockdiagramm des optischen Senders und Empfängers 502 des FDV 10 wird in 6 gezeigt. Der optische Sender und Empfänger 502 sendet einen optischen Puls zu einem Fleck auf dem Objekt 20 und empfängt einen reflektierten optischen Puls vom Objekt 20. Über die konstante Lichtgeschwindigkeit kalibriert der optische Sender und Empfänger die Entfernung bis zum Lichtfleck auf dem Ziel.
Auf 6 Bezug nehmend, feuert der Laser 602, indem er auf einen externen Befehl reagiert, der von einem Lasersteuergerät 604 geliefert wird, einen optischen Puls, der weniger als 250 ps dauert. Der Laser 602 erzeugt einen Puls, bevorzugt bei einer Wellenlänge von 532 nm, innerhalb von 100 bis 300 μs nach Austritt eines externen Signals aus einem digitalen Signalprozessor, der eine zentrale Steuerung von Echtzeitereignissen liefert. Die zeitliche Verzögerung ist eine komplizierte Funktion der jüngsten Geschichte des Lasers und der Umweltbedingungen. Diese Funktion ist zur Zeit nicht vollkommen bekannt. Jedoch wird ein Softwarealgorithmus, der an anderer Stelle beschrieben wird, dafür eingesetzt, die zeitliche Verzögerung mit einer Genauigkeit abzuschätzen, die für die verlangten Messungen ausreicht.
Der Laserstrahlausgang des Lasers 602 läuft durch einen Beamexpander 606, der fokussiert wird, um die Grösse eines Lichtflecks anzupassen, der letztlich auf einen Punkt des Objekts 20 treffen wird. Der fokussierte optische Puls läuft dann durch einen Duplexer 608, der ein optisches System zur Ausrichtung des hinausgehenden optischen Pfades mit dem hereinkommenden optischen Pfad ist. Der Duplexer 608 leitet einen signifikanten ersten Anteil der Lichtenergie des hinausgehenden optischen Pulses über einen Scanner 614 auf einen Fleck auf dem Objekt 20, aber ein zweiter, viel kleinerer Anteil der Lichtenergie des hinausgehenden optischen Pulses wird auf ein Empfängerteleskop 610 geleitet. Der Anteil des hinausgehenden optischen Pulses, der zum Objekt 20 propagiert, trifft auf den Fleck auf dem Objekt 20, und etwas von der Energie des optischen Pulses wird vom Objekt 20 in einer Richtung zurück zum Duplexer 608 reflektiert. Der zurückkommende optische Puls wird vom Duplexer 608 zu einem Empfängerteleskop 610 geleitet, das die empfangene Energie auf einen Detektor 612 fokussiert. Der Detektor 612 wandelt die empfangene optische Pulsenergie in elektrische Energie um, und der Ausgang des Detektors 612 ist eine Reihe von elektrischen Pulsen, von denen der erste (der durch den Detektor 612 als Reaktion auf den zweiten, kleinen Anteil des gesendeten Pulses erzeugt wird, der nicht zum Objekt 20 geleitet wird) nach einer festgelegten, kurzen Zeit erscheint (d.h. einer Zeit, die durch die Länge des optischen Pfades durch den Beamexpander 606, den Duplexer 608 und das Empfängerteleskop festgelegt wird), und von denen der zweite erscheint, wenn Lichtenergie vom Objekt 20 zurückkehrt. Sowohl der zweite, kleine Anteil des gesendeten, aber nicht zum Objekt 20 geleiteten Pulses als auch der zurückgekehrte optische Puls, der vom Fleck auf dem Objekt 20 reflektiert wurde, werden an den Zeitmesskreis 616 geliefert, der die Laufzeit zum Fleck auf dem Objekt 20 berechnet. Die Entfernung zum Fleck auf dem Objekt 20 kann dann leicht aus der berechneten Laufzeit berechnet werden.
7 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform des Lasers 602 zeigt. Das Herz des Lasersystems 702 ist ein herkömmlicher Laserchip 702, der zwei gebondete Kristalle besitzt, die auf ihren Stirnseiten mit dielektrischen Antireflexbeschichtungen versehen sind. Der Laserchip 602 wird mit einer Festkörper-Diode 704 gepumpt, die bei 808,5 ± 3 nm betrieben wird. Die Ausgangsfrequenz der Diodenpumpe 704 wird angepasst, indem ihre Temperatur mit einem thermoelektrischen Kühler 706 verändert wird. Die Temperatur der Diodenpumpe 704 wird mit einem Thermistor 798 gemessen, und die gemessene Temperatur wird zur Energieversorgung 710 der Diode zurückgemeldet. Die benötigte Temperatur ist für jede einzelne Diode verschieden, aber reicht typischerweise von 20 bis 30°C.
Die Ausgangsleistung der Diodenpumpe 704 beträgt typischerweise ein Watt und wird in eine Glasfaser mit 100-μm-Kern eingespeist. Bei dauerndem Pumpen beträgt die Ausgangsleistung des Kristalllasers 602 durchschnittlich ungefähr 35 mW bei 1,064 μm, was Pulsen von 2,4 μJ entspricht, die bei einer Pulsfrequenz von 15 kHz etwa 280 ps dauern. Die Multimodenfaser wird bevorzugt durch einen massiven Messingkontakt SMA905 abgeschlossen, wobei der Kristall des Laserchips 702 mit einem optischen Harz auf das eine Ende des Kontakts geklebt wird. Dadurch wird eine genügende Wärmeableitung aus dem Kristall des Laserchips 702 gewährleistet, wodurch der Kristall 702 in dem für den wirksamsten Betrieb erforderlichen Temperaturbereich bleibt.
Ein Stück eines KTP-Frequenzverdopplungskristalls 712 wird in einer Entfernung von wenigen Millimetern von der Stirnseite des Laserchipkristalls 702 gehalten. Das ergibt einen schlussendlichen Ausgang des Lasers 602 mit einer Durchschnittsleistung von 12 mW bei 532 nm, was 0,8-μJ-Pulsen entspricht, die etwa 218 ps dauern. Dieser schlussendliche Ausgang des Lasers 602 ist nahezu beugungsbegrenzt (d.h. er hat die theoretisch minimale Divergenz bei einer konkreten Wellenlänge und einem konkreten Taillendurchmesser), wobei der scheinbare Taillendurchmesser 56 μm beträgt.
Ausführungsformen der Erfindung, die den Auslegungsvorschriften eines augensicheren Systems der FDA-Klasse II entsprechen, haben potenziell eine grössere wirtschaftliche Durchsetzbarkeit. Um diesen Vorschriften zu entsprechen, beträgt die maximale Energie je Puls, die bei 532 nm gesendet werden kann, 0,2 μJ. Daher ist die Erfindung, wie sie beansprucht wird, auf Pulse beschränkt, die eine Energie von weniger als 0,2 μJ besitzen. Bei dieser Beschränkung hängt die im Durchschnitt gesendete Leistung stark von der Pulsfrequenz ab und ist durch die Daten der folgenden Tabelle gegeben:
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Beamexpander 606 gänzlich herkömmlich (z.B. ein Melles-Griot, Modell Nr. 09LBM013, 10x Beamexpander). Der Sender und Empfänger 502 hat eine Querachsengenauigkeit, die der Grösse des Laserstrahls proportional ist, der auf das beabsichtigte Ziel trifft. Die Basisauslegung mit einer Genauigkeit von 6 mm besitzt einen einfachen Beamexpander. Der Laser 602 kann mit einem festen 10x-Beamexpander 606 kollimiert werden, der eine Apertur von < 1 cm besitzt, um einen Strahl zu erzeugen, dessen 1/e^2·Leistung-Strahlbreite über eine Entfernung von 50 m kleiner als 6 mm ist.
7A zeigt eine weitere Ausführungsform 750 des Beamexpanders 606, die Merkmale beinhaltet, die es dem System der Erfindung gestatten, Entfernungen mit einer Genauigkeit von etwa 1 mm bei 50 m zu messen. Das ist so, weil der Auftreffpunkt des durch einen herkömmlichen Beamexpander aufgeweiteten Laserstrahls auf dem Objekt 20 kollimiert wird, so dass über einen Bereich von 50 m ein Fleck von nicht mehr als 6 mm erzeugt wird. Ein Strahl kann aber durch eine 50-mm-Apertur auf einen Fleck von nicht mehr als 1 mm über eine Entfernung von 50 m fokussiert werden – aber bei anderen Entfernungen ist der Fleck viel grösser. Daher enthält der Beamexpander 750 eines Systems, das bei 50 m eine Genauigkeit von 1 mm besitzt, ein bewegliches optisches Element 752, das die Grösse des fokussierten Flecks verändern kann. Zusätzlich enthält der Beamexpander 750 eine einstellbare Apertur 755 sowie Mittel zur Steuerung der Einstellung, so dass die Entfernung vom Laser, über die der Strahl bei einem Durchmesser von 1 mm bleibt, ungefähr konstant bleibt. Der minimale Fleckdurchmesser, der mit einer beugungsbegrenzten Linse mit Brennweite f und Durchmesser D erzeugt wird, beträgt d₀ = 2fλ/D. Der Rayleigh-Schärfenbereich des fokussierten Flecks, der die Fokustiefe des Strahls ist, ist durch b = 2πω₀ ²/λ = 2πf²λ/D² gegeben. Wenn f/D konstant gehalten wird, ist daher die Tiefe des Fokus von der Entfernung des fokussierten Flecks, f, unabhängig.
Bei einer Änderung des Strahlfokus sollten die Elemente genügend gut ausgerichtet bleiben, mit zu verhindern, dass der Strahl seine Richtung um mehr als einen Bruchteil eines Millimeters bei 50 m ändert, weil dies sonst als ein Fehler in der Lage des Punktes im Raum erscheint. Um diese Strahlwanderung zu minimieren, wird ein linearer Servomotor 754 (siehe 7A) eingesetzt, um die Position des Fokussiermechanismus zu steuern, und ein Transducer liefert Positionsrückkopplung. Die Linse 752 ist in einen ringförmigen Ring 753 montiert, was sie daran hindert, sich während einer Translation zu drehen oder falsch auszurichten.
Duplexer
Eine Ausführungsform des Duplexers 608 ist in 8 gezeigt. Das optische System des Duplexers 608 ist so konfiguriert, dass der vom Beamexpander 606 zum Scanner 504 hinausgehende Strahl mit dem vom Objekt 20 reflektierten Rückstrahl koaxial ist. Somit braucht nur ein Scanner 504 vorgesehen werden. In der in 8 gezeigten Ausführungsform des Duplexers ist ein Window 802 vorgesehen, wobei ein 50-%iger Beamsplitter 804 über dem Fenster 802 angebracht ist. Wenn ein optischer Puls vom Laser 602 gesendet wird und durch den Beamexpander 606 geht, dann trifft der Puls auf den Beamsplitter 804. Die meiste Lichtenergie des Pulses wird vom Beamsplitter 804 reflektiert und zum Scanner 504 weitergeleitet, aber etwas vom optischen Puls läuft durch den Beamsplitter 804 und trifft auf einen Beamblock 806 von niedrigem Reflexions vermögen. Wegen des niedrigen (aber endlichen) Reflexionsvermögens des Beamblocks 806 kehrt ein kleiner Bruchteil des auf den Beamblock 806 treffenden optischen Pulses zum Beamsplitter 804 zurück und wird in den Empfänger 610 reflektiert.
Ausserdem findet das meiste des auf das Fenster 802 treffenden Lichtes seinen Weg zum Empfänger 610, da nur der zentrale Anteil des Rückpulses durch das Prisma 804 verdunkelt wird, wenn ein optischer Puls vom Objekt 20 zurückkehrt.
Teilweise reflektierender Duplexer
Nunmehr auf 8A Bezug nehmend, wird für die Ausführungsform mit 1 mm Genauigkeit ein teilweise reflektierender Duplexer 850 eingesetzt. Mit diesem Duplexer wird ein Bruchteil des vom Beamexpander gelieferten Lichtpulses in einen Beamstop 652 geleitet] und vom Duplexerfenster 850 zum Empfängerteleskop 610 zurückgeworfen. Der übrige Lichtpuls läuft zum Objekt 20 weiter. Das meiste des vom Objekt 20 zurückkehrenden Lichtpulses läuft weiter durch das Fenster 850 und wird durch das Empfängerteleskop 610 gesammelt. Das Fenster 850 ist auf der Empfängerseite antireflex-beschichtet und auf der Laserseite teilverspiegelt. Das ganze Fenster 850 wird verwendet, um den hinausgehenden Strahl zu steuern, da eine Apertur von 50 mm erforderlich ist, um den Fleck bei 50 m auf 1 mm zu fokussieren. Das teilweise Reflexionsvermögen wird unter Berücksichtigung der Lasersendeleistung und des anwendbaren Niveaus der augensicheren Klassifizierung gewählt. Wenn zum Beispiel die Lasersendeleistung das Vierfache des erlaubten Wertes des anwendbaren Augensicherheitsniveaus beträgt, dann wird die Teilverspiegelung so gewählt, dass 25% reflektiert und 75% absorbiert wird.
Nunmehr auf 9 Bezug nehmend, kann in der 6-mm-Ausführungsform ein verbesserter Wirkungsgrad bei der Sammlung des zurückkehrenden optischen Pulses erreicht werden, solange die Mitte des Fensters 802 beschichtet ist 904, um den hinausgehenden Puls zu reflektieren, während das übrige Fenster 802 antireflex-beschichtet ist 906. Auf diese Weise wird der zurückkehrende optische Puls nicht durch den Teil des Fensters 802, der antireflex-beschichtet ist 906, aus dem Empfänger herausreflektiert.
Bevorzugtermassen emittiert der Laser 602 einen stark polarisierten Strahl, so dass die reflektierende Beschichtung 904 so optimiert werden kann, dass sie geringfügig unterschiedliche Reflexionskoeffizienten für die beiden Polarisationsebenen besitzt (20% s, 30% p). In einer solchen Ausführungsform kann die Leistung des auf das Objekt 20 fallenden Strahls durch eine einfache physische Drehung des Laserkörpers fein abgestimmt werden.
Empfängerteleskop
Nunmehr wieder auf 6 Bezug nehmend, wird der zurückkehrende Puls, nachdem er durch den Duplexer 608 hindurchgegangen ist, durch das Empfängerteleskop 610 gesammelt, das die dem Detektor 612 gelieferte Signalmenge optimiert. Das Empfängerteleskop 610 kann eine einfache Linse mit einer Apertur von 50 mm sein. Die Linse wird bevorzugt so ausgewählt, dass die Variation der in den Detektor 612 eintretenden Pulsenergie sich nicht über den Bereich von Abständen, für den das Instrument ausgelegt ist, in Abhängigkeit vom Abstand des Objekts 20 ändert. Eine Mehrelementlinse kann so ausgelegt werden, dass die Variation der empfangenen Pulsenergie mit der Entfernung etwas wirkungsvoller minimiert wird als mit einer Einzelelementlinse. Das heisst, dass beim grössten erwarteten Abstand die Brennweite der Linse so ist, dass das gesamte hereinkommende Licht, das wirksam kollimiert wird, da es von einer Punktquelle im Fernfeld erzeugt wird, so fokussiert wird, dass es den Detektor 612 ganz ausfüllt. Wenn das Objekt 20 dem Teleskop 610 näher kommt, dann wird der Fleck des zurückkehrenden Lichtes grösser als der Detektor 612. Die am Detektor 612 einfallende Leistung steigt mit dem Quadrat der Entfernung zwischen dem Teleskop 610 und dem Objekt 20 bis zur grössten erwarteten Entfernung. Ausserdem sinkt die vom Objekt 20 zurückkehrende Leistung mit dem Quadrat der Entfernung zwischen dem Teleskop 610 und dem Objekt 20. Daher heben sich in der Praxis diese beiden Effekte gegenseitig ungefähr auf. Dadurch wird die Veränderung der auf den Detektor 612 auftreffenden optischen Leistung über den vorausgesehenen Nutzungsbereich minimiert. In der 1-mm-Option kann die Empfängeroptik in manchen Fällen durch Verwendung eines Zweielement-Newton-Teleskops mit einstellbarem Fokus verbessert werden (d.h. ähnlich wie beim 1-mm-Beamexpander).
Detektor
Der Detektor 612 wandelt optische Pulse in elektrische Pulse um, die durch die Messelektronik für die verstrichene Zeit (den Zeitmesskreis 616) verarbeitet werden können. In einer Ausführungsform ist der Detektor 612 eine Avalanche-Photodiode (APD) mit einer elektrischen Bandbreite von mehr als 1 GHz. Zusätzlich zur Zeit zwischen dem Startpuls und jeglichem Stopppuls werden die Intensitäten aller Pulse aufgezeichnet. Die Intensitätsdaten werden verwendet, um die aus den Zeitmessdaten abgeleitete Entfernungsmessung zu korrigieren.
Scanner
Der Scanner 504 kann herkömmlich sein. Der Scanner 504 leitet die hinausgehenden Pulse vom Duplexer 608 zu einem gewünschten Ort auf dem Objekt 20 und den hereinkommenden Rückpuls in das Empfängerteleskop 610. Der Scanner 504 leitet Licht zur Schmalfeld-CCD-Kamera 507, um Farbe und Textur in der unmittelbaren Umgebung der gescannten Laserpunkte zu sammeln, was eine genaues Register der gewonnenen Farbe und Textur mit der durch Lidar erworbenen Punktgeometrie liefert. In einer Ausführungsform enthält der Scanner 504 eine Doppelspiegelanordnung (siehe 6A) für die Strahllenkung, obwohl jeder herkömmliche Strahllenkmechanismus von hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit eingesetzt werden kann. Die Doppelspiegelanordnung schliesst zwei Spiegel ein, die durch Drehspulmotoren auf orthogonalen Achsen gedreht werden. Diese Motoren haben einen integrierten Positionsdekoder, der eine Winkelwiederholbarkeit von unter 1 Mikroradian besitzt. Die Lagerung für die Scanner ist mit den Trägern für den Laser und die übrige Optik integriert ausgebildet. Das System liefert bei mehreren Hertz 40 Grad optischer Bewegung sowohl in der Höhe als auch im Azimut.
Elektronik
A. Zeitmessschaltung
Eine weitere Ausführungsform des Mechanismus des Scanners 504 besteht aus einem einzelnen Spiegel, der sich um eine zentrale Achse dreht und auf einen Drehturm montiert ist. In dieser Konfiguration wäre das physische Koordinatensystem sphärisch, wobei (wegen der geringeren Trägheit) der schnellere Spiegel den Höhenwinkel, der sich langsamer drehende Turm die Azimutbewegung liefert. Ein System wie dieses könnte ein Gesichtsfeld von mehr als 90 Grad in einer senkrechten Ebene und volle 360 Grad in einer waagerechten Ebene liefern (beide Ebenen relativ zu einem gewählten Scannerkoordinatensystem).
Elektronik
Entfernungsmesselektronik
Die Funktion der Entfernungsmesselektronik besteht darin, auf der Basis des elektrischen Ausgangssignals des Detektors 612 den Abstand zwischen dem FDV 10 und dem Objekt 20 zu berechnen. Verschiedene mögliche Verfahren können verwendet werden. Bei der Ausführungsform für die Laufzeit misst ein Intervallmesser (Zeitmesskreis) das relative Zeitintervall zwischen einem anfänglichen (Start-) Puls, der vom Duplexer 608 direkt in den Empfänger 610 reflektiert wird, und dem vom Objekt 20 zum Empfänger 610 reflektierten Puls.
Elektronik für das Reflexionsvermögen
In vielen Fällen ist es nützlich, nicht nur die Raumlage eines Punktes auf dem Objekt 20 zu kennen, sondern auch das Reflexionsvermögen dieses Punktes (bei einer bestimmten Wellenlänge). Die Elektronik für das Reflexionsvermögen misst die vom Objekt 20 in den Empfänger 610 und den Detektor 612 reflektierte Lichtmenge. Diese Daten können nützlich sein, um Korrekturen an den Entfernungsdaten wie auch Daten über das Material und/oder den Oberflächenzustand des Objekts 20 zu liefern.
Digitaler Signalprozessor
Eine integrierte Schaltung als digitaler Signalprozessor steuert alle zeitkritischen Funktionen des FDV, nämlich die Scannersteuerung und das Laserfeuern. Sie liefert auch Möglichkeiten für schnelle Fliesskommaberechnungen bei Geometriekorrekturen, Kali brierungskorrekturen, Videolinsenkorrekturen und Videokompression. Der digitale Signalprozessor wird in regelmässigen Zeitabständen von typischerweise etwa 10 μs unterbrochen. Bei jedem dieser Zeitintervalle erfolgt eine Überprüfung, welche Echtzeitberechnungen noch fehlen.
Scannersteuerung
Die Elektronik für den Scanner ist ein einfaches Präzisions-PID-Steuergerät, das durch ein digitales Signal vom DSP angetrieben wird. Wenn dieses System rasch angetrieben wird, gibt es eine merkliche Verzögerung in der Fähigkeit des Scanners, dem Antriebssignal zu folgen. Der Steuerkreis besitzt jedoch keinen Fehlersignalausgang. Ein externer Präzisions-Analog-Differentialverstärker liefert ein Fehlersignal (die Differenz zwischen dem Befehlssignal und der tatsächlichen Bewegung), das mit geringer Auflösung durch den DSP abgetastet wird. Der DSP berechnet dann die genaue Scanposition, indem er die Summe aus Befehlssignal und Fehlersignal berechnet. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es nur einen A/D-Wandler geringer Auflösung und einen Präzisions-D/A-Wandler, nicht aber einen weit teureren Präzisions-A/D-Wandler erfordert.
Der digitale Signalprozessor erzeugt die Bahnen für das analoge Scannersteuergerät und führt Messungen der Differenz zwischen der erwünschten Bahn und der tatsächlichen Position aus. Er sagt die Zeit voraus, zu der die Laserpumpe eingeschaltet wird, damit der Laser bei dem gewünschten Winkel feuert. Diese Vorhersagen erfolgen in regelmässigen Zeitintervallen. 10 ist ein Ablaufdiagramm, das die in jedem Zeitintervall ausgeführten Berechnungen zeigt.
Bahnberechnung
Der Benutzer definiert Gebiete im Blickfeld des Scanners, die gescannt werden sollen, und bezeichnet die Dichte der innerhalb des gescannten Bereiches abzutastenden Punkte. Es gibt verschiedene Scanmuster, die verwendet werden können und die spezifische Muster der Spiegelbewegung verlangen, die als Bahn bekannt sind. Das Ziel bei der Auswahl einer guten Bahn besteht aus den widersprüchlichen Wünschen, die Bewegung rasch und genau auszuführen. Genaue Bewegungen verlangen ein minimales Drehmoment, durch das sonst das Gerät deformiert würde. Dadurch wird die Geschwindigkeit begrenzt, mit der Bewegungen ausgeführt werden können. Bei gleichen Zeitinkrementen wird eine Berechnung ausgeführt, um die derzeitige Position jedes Spiegels zu bestimmen. Die spezielle Berechnung, die verwendet wird, hängt vom Scantyp ab, der eingesetzt wird.
Rasterscannen
Wenn das gewünschte Scanfeld ein Polygon ist, werden eines von zwei Rasterscanmustern verwendet. Beim ersten erfolgt das Scannen in einer Richtung (d.h. immer von links nach rechts oder von rechts nach links in parallelen Linien). 11A zeigt ein solches einseitig gerichtetes Scanmuster. Zwischen den Scanlinien läuft der Scanspiegel zum Anfang der nächsten Linie zurück, ohne eine Entfernungsmessung zu machen. Der Rücklauf kann ziemlich schnell erfolgen, da während des Rücklaufs keine Messungen erfolgen.
Eine etwas wirkungsvollere Methode des Rasterscannens ist zweiseitig gerichtet, dabei erfolgt das Scannen auch beim Rücklauf. 11B zeigt ein solches zweiseitig gerichtetes Scanmuster. Dies ist nicht so effizient, wie es erscheinen könnte, weil die Rücklaufzeit für andere Berechnungen verwendet wird und weil das sich ergebende Scanmuster nicht ebenso regelmässig ist.
In beiden Rasterscanverfahren muss eine gerade Linie in der minimalen Zeit durchlaufen werden, und zwar mit der Geschwindigkeit null beginnend und mit der Geschwindigkeit null endend. Das am Spiegel anliegende Drehmoment ist der Winkelbeschleunigung proportional, die am Anfang und am Ende des Scans null sein muss, da sich der Spiegel in Ruhe befindet. Man kann zeigen, dass die Bahn, die durch eine solche Bewegung minimaler Energie zwischen zwei Punkten durchlaufen wird, durch die Summe einer Geraden und eines vollen Sinuszyklus gegeben ist. Dafür gibt es jedoch eine gute Näherung mit viel weniger Rechenaufwand durch das Polynom minimaler Ordnung mit den Randbedingungen: pt(0) = p0, p'(t0) = 0, p''(t0) = 0, p(t1) = p1, p'(t1) = 0 und p''(t1) = 0, das ein Polynom fünfter Ordnung ist: p(t) = (p₁ – p₀)t'³(6t'² – 15t' + 10) + p₀, wo t' = (t – t₀)/(t₁ – t₀).
Scannen in Spiralen
Rasterscannen hat den Nachteil, dass der Wirkungsgrad des Scannens nicht optimal ist, weil die Bahngeschwindigkeit veränderlich ist. Mit einem Scannen in Spiralen kann eine Bahn konstanter Geschwindigkeit erreicht werden, was eine gleichförmige Punkteverteilung ermöglicht.
Suchen
Zusätzlich zum Scannen eines Entfernungsbildes ist das System in der Lage, eine Anzahl von Funktionen zu erfüllen, die im Vermessen üblich sind. Der Scanner kann veranlasst werden, nach wichtigen Besonderheiten oder Orten hohen Reflexionsvermögens zu suchen. Dadurch kann das System normale Vermessungsfunktionen erfüllen, indem es ein Ziel auffindet, dessen Ort näherungsweise identifiziert worden ist, und seine genaue Position und Winkel meldet.
Winkelkalibrierung
Die kapazitiven Kodierer in den Drehspulmotoren besitzen eine enorme Wiederholbarkeit, aber verhältnismässig geringe Genauigkeit. Eine Anzahl von Kalibrieraktionen muss laufend ausgeführt werden, um die Genauigkeit des Systems sicher zu stellen.
Vor seiner Verwendung wird jeder Scanner über seinen vollen Winkelbereich kalibriert. Bei einer Anzahl von diskreten Temperaturen wird eine Karte der Messungen von scheinbaren Winkeln für Tausende von genau gemessenen Punkten erstellt und gespeichert, wobei ein externer Resolver verwendet wird, der auf NBS-Standards zurückführbar ist. Der DSP führt bei jeder Winkelmessung eine lineare Interpolation zwischen diesen gemessenen Punkten aus.
Bevorzugt wird die Genauigkeit der Winkelmessungen durch eine Bestimmung der Skalier- oder Offsetfehler während des Betriebes im Kodierer verbessert. Handelsübliche Scanner können bei Änderungen in ihrer Umgebung signifikant driften. Das führt zu einer Verschiebung der Effektivwerte der Winkelmessungen bei Null und beim vollen Skalenausschlag, während insgesamt die Gestalt der Kalibrationskurve, die durch sorgfältige Labormessungen erhalten wurde, ehe der Scanner in das System eingebaut wurde, erhalten bleibt. Der Umgebungseinfluss wird verringert, indem Mittel zur Verfügung gestellt werden, um festzustellen, wann der Scanner sich an einem bekannten und wiederholbaren Winkel befindet. In einer bevorzugten Ausführungsform eines solchen Systems werden zwei optische Bezugspunkte, die bezüglich der Instrumentenhülle fixiert sind, auf der Rückseite jedes Scanspiegelsangepeilt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um optische Bezugspunkte zur Verfügung zu stellen, aber in einer bevorzugten Ausführungsform wird mit einem Paar von Autokollimatoren eine reflektierende Oberfläche auf der Rückseite der Scanspiegel angepeilt, was eine hochgradig wiederholbare Messung der Situation erlaubt, wenn der Spiegel senkrecht zur Achse jedes Autokollimators ist. Jeder Autokollimator liefert einen Bezugswinkel, der auf etwa 10 μrad genau ist. Periodisch wird der Scanner computergesteuert zu der Position bewegt, in der der Spiegel so exakt wie möglich senkrecht zur Autokollimatorachse ist, und der scheinbare Winkel wird gemessen. Die Messungen werden mit denen verglichen, die gemacht wurden, als die Scanner kalibriert wurden, und eine lineare Korrektur wird berechnet und in jede nachfolgende Messung eingeführt.
In einer alternativen Ausführungsform wird ein Paar mechanischer Anschläge gleich ausserhalb des normalen Bewegungsbereichs des Scanspiegels angebracht. Periodisch wird der Spiegel angetrieben, bis er einen mechanischen Anschlag berührt. Dann wird der Scanspiegel mit einem bekannten Strom angetrieben, was einer bekannten Kraft entspricht. Der Spiegel kommt an einer sehr gut wiederholbaren Position ins Gleichgewicht, und diese wird benutzt, um eine lineare Korrektur für die Spiegelkalibrationskurven zu berechnen.
Kalibrationsfasern für die Entfernung
Die Zeitmesskreise haben eine bestimmte Menge an Offset und Skalendrift mit der Zeit und Temperatur, und Vorkehrungen sind einbezogen worden, um diese Änderungen zu kompensieren. Wenn vom Laser 602 ein optischer Puls emittiert wird, wird eine kleine Menge der Energie durch einen Beamsplitter 810 abgetastet und in eine optische Einzelmodenfaser 830 eingespeist, indem der Strahl mit einer Linse 833 auf das Faserende 831 fokussiert wird. Das andere Ende der Faser 832 ist so angeordnet, dass der Strahl, der aus ihm austritt, zu einem Strahl kollimiert wird, der in den Lidarempfänger 610 eintritt.
Die Faser kann entweder so hergestellt werden, dass sich ihre Länge nicht mit der Temperatur ändert, oder so, dass ihre Längenänderung mit der Temperatur genau gekennzeichnet werden kann. Wenn eine Einzelmodenfasser verwendet wird, beträgt die Änderung der Propagationsverzögerung weniger als einige Picosekunden, und die von der Faser ausgesendete Pulsform ist nahezu identisch mit der in die Faser hineingehenden. Periodisch werden die Zeitmesskreise verwendet, um die Propagationsverzögerung durch die Faser zu messen, und entsprechende Anpassungen werden an den Entfernungsmessungen angebracht, die an externen Oberflächen ausgeführt werden.
Die Fasern können so hergestellt werden, dass das Ende 833, an dem der Puls gestartet wird, und das Ende 834, aus dem der Puls emittiert wird, teilreflektierend sind. Wenn dies so gemacht wird, dann tritt der Puls bei 833 ein und wird zum entgegengesetzten Ende 834 propagiert, wo nur etwas von der Energie freigesetzt wird, während die übrige Energie zum ersten Ende 833 zurückkehrt. Wiederum wird ein Bruchteil des Lichts emittiert, während das übrige Licht reflektiert und schlussendlich in den Empfänger emittiert wird. Dieser Prozess wiederholt sich, bis die in der Faser verbleibende Energie auf vernachlässigbare Niveaus abgefallen ist. Das Ergebnis ist eine Folge von Pulsen, üblicherweise drei bis zehn, die an den Empfänger angelegt werden und die Verzögerungen aufweisen, die alle auf wenige Picosekunden genau wiederholbar sind. Periodisch werden die Zeitmesskreise verwendet, um diese Pulsfolgen aus der Faser zu messen, und entsprechende Anpassungen werden in den an externen Oberflächen ausgeführten Entfernungsmessungen angebracht.
Kalibrierung der Entfernungswanderung
Das Lidarsystem misst die Entfernung von Oberflächen, indem es die Verzögerung zwischen dem Laserpuls, der emittiert wird, und dem, der von der Oberfläche zurückkehrt, bestimmt. Diese Verzögerung wird elektronisch gemessen, indem ein Muster des hinausgehenden Pulses und der zurückkehrende Puls auf einen optisch empfindlichen elektronischen Detektor 612 aufgegeben werden, der in den Empfänger 610 eingebettet ist. In einer Ausführungsform misst der elektronische Zeitmesskreis die Zeit zwischen dem Zeitpunkt, an dem der hinausgehende Puls eine festgelegte Schwellenspannung überschreitet, und dem Zeitpunkt, an dem der zurückkehrende Puls die gleiche Spannung überschreitet. Der hinausgehende Puls wird innerhalb weniger Prozente die gleiche Intensität haben. Viele Oberflächen unterscheiden sich aber stark in der Lichtmenge, die reflektiert wird. Das führt dazu, dass die scheinbare relative Zeit für zwei Pulse, die bei der gleichen Entfernung auftreten, aber unterschiedliche Intensitäten besitzen, verschiedenen Entfernungen zuzugehören scheint. Die gemessene Zeit, zu der ein kleiner Puls 3810 zuerst die Schwelle überschreitet, ist später als die gemessene Zeit, zu der ein grosser Puls 3830 die gleiche Schwelle überschreitet, selbst wenn die Pulse von Objekten in der gleichen Entfernung zurückkommen. Somit scheinen hoch reflektierende Objekte oder Objekte an Entfernungen maximaler Empfindlichkeit des Senders und Empfängers etwas näher. Das führt zu einer scheinbaren „Entfernungswanderung" in Abhängigkeit von der Intensität. Die Entfernungswanderung kann korrigiert werden, wenn die Form der optischen Antwort immer die gleiche ist und die Energie der Antwort bekannt ist. Dies wird durch die extrem wiederholbare Gestalt der Pulse möglich, die von den passiv gütegeschalteten Mikrochiplasern erzeugt werden.
Ein Teil des Zeitmesskreises schätzt die Energie jedes erfassten Pulses ab. Eine Korrekturtabelle wird geführt, um die Entfernungsabschätzungen zu verbessern. Zwei verschiedene Schaltkreise sind eingesetzt worden, um eine Messung der Pulsenergie zu diesem Zweck auszuführen. Der erste ist ein mit Gatter versehener Integrator, wobei das Gatter am Anfang des Pulses offen, aber am Ende geschlossen ist. Das Signal wird an einen Komparator 3920 angelegt, der den Schalter 3930 schliesst, wenn das Signal ein ausgewähltes Niveau überschreitet, und ihn schliesst, wenn das Signal unter das gleiche Niveau absinkt. Das Signal wird ebenfalls an ein Verzögerungsglied 3910 angelegt, und der Ausgang des Verzögerungsgliedes läuft durch den Schalter 3930, wenn er geschlossen ist, und liegt am Integrator 3940 an, solange der Schalter geschlossen ist. Die Verzögerung ist so gewählt, dass sie die zeitliche Verzögerung im Komparator und im Schalter kompensiert. Wenn der Puls zu Ende ist, wird der Wert des Integrators durch einen Analog-Digital-Wandler 3950 abgetastet. Der zweite Schaltkreis besteht aus einem Integrator mit einer Zeitkonstante, die mit der Länge des Pulses 4010 skaliert, und darauffolgend einem Peakdetektor 4020 mit einer Zeitkonstante, die viel grösser als die Pulslänge ist. Das Ausgangssignal dieses Peakdetektors wird kurz nach Erfassung des Pulses abgetastet.
Periodisch wird der Zeitmesskreis verwendet, um eine Folge von Pulsen zu messen, die durch die Einzelmodenfasern 830 verzögert worden sind, mit denen die mit den Zeitmesskreisen verbundenen Offset- und Skalierfaktoren kalibriert werden. Ausserdem wird die Intensität dieser Pulse über einen weiten Bereich mit einem variablen Dämpfungsglied 820 variiert. Durch eine Änderung der in die Faser eingekoppelten Lichtmenge kann die Energie der erfassten Pulse bei einem gegebenen Wert der zeitlichen Verzögerung über den dynamischen Bereich des Empfängers variiert werden. Die Intensitätswerte und die Werte der gemessenen zeitlichen Verzögerung führen zu einer Karte der Entfernungswanderungskorrektur, die für jede Intensität benötigt wird, und diese Korrektur wird auf Folgemessungen angewendet. Diese Korrektur kann über den dynamischen Bereich des Instruments eine Genauigkeit von 1 mm liefern, und zwar insbesondere im Ergebnis der hohen Wiederholbarkeit der Laserpuls-Wellenform. Diese Funktion wird dann verwendet, um die gemessene Entfernung von externen Oberflächen in Abhängigkeit von der von diesen Oberflächen zurückkehrenden Lichtintensität zu korrigieren.
Geometrieberechnung
Das Ausgangssignal des FDV nach einem Entfernungsscan besteht aus Punkten in sphärischen Koordinaten bezüglich eines Koordinatensystems im Scanner. Die Rohdaten bestehen aber aus Spiegelwinkeln und Zeitintervallen. Der DSP berechnet die sphärischen Koordinaten der gescannten Punkte unter Berücksichtigung der Scannergeometrie (Spiegeldicke, optische Achsen, Spiegeloffsets usw.) und aller zutreffenden Kalibrierungsanpassungen.
Lasersteuerung
Vorhersage der Verzögerung
Der digitale Signalprozessor ist verantwortlich dafür, das Feuern des gepulsten Lasers zu steuern, aber kann dies nur indirekt tun. Der Prozessor hat Kontrolle über den Zeitpunkt, an dem die Pumpdiode gestartet wird, wodurch veranlasst wird, dass der passive Güteschalter feuert, nachdem Sättigung eingetreten ist. Es besteht jedoch eine variable Verzögerung zwischen dem Anschalten der Pumpe und dem Feuern des Lasers. Die Verzögerung ist von der Sperrschichttemperatur abhängig, die ihrerseits eine komplizierte Funktion der Umgebungstemperatur und jüngsten Vergangenheit des Laserfeuerns ist. Die Verzögerung liegt allgemein im Bereich von 100 bis 300 μs.
Glücklicherweise ist es primär erforderlich, den Scanspiegelwinkel genau zu dem Zeitpunkt zu kennen, zu dem der Laser feuert. Nachdem der Laser nur einige Male gefeuert hat, ändert sich die Pumpverzögerung nicht schnell, solange die Feuerfrequenz sich nicht schnell ändert. Im Ergebnis kann eine Genauigkeit von wenigen Mikrosekunden erreicht werden, wenn abgeschätzt wird, dass die nächste Pumpverzögerung die gleiche ist wie im vorhergehenden Feuerzyklus. Der digitale Signalprozessor misst die Pumpverzögerung durch Ablesen eines internen Zählers, wenn die Pumpe gestartet wird und wenn der Laser wirklich feuert, was eine Unterbrechung verursacht. Da die Unterbrechungslatenz geringer als eine Mikrosekunde ist, entsteht daraus die Genauigkeit der Zeitmessung, mit der die Pumpverzögerung gemessen werden kann.
Ein stärker verfeinertes dynamisches Modell der thermischen Eigenschaften des Lasers könnte zu einer geringfügig verbesserten Gleichförmigkeit des Scanmusters führen, ist aber wahrscheinlich gleichermassen durch die Zeitauflösung der Prozessorunterbrechungen begrenzt.
Feuersteuerung
Bei einer gegebenen Beziehung zwischen Zeit und Winkelbahn für eine Scanachse, w(t), einem gewünschten Winkel für das Feuern des Lasers und einem Unterbrechungsintervall Dt ist die Entscheidung, den Laser zu feuern, gleichbedeutend mit einer Berechnung der Zeit, zu der die Pumpdiode gestartet wird.
Computersteuerung
Das FDV ist für einen Betrieb unter der Kontrolle eines fernen Hostcomputers ausgelegt, der graphische Steuerungen enthält, damit ein Benutzer die zu scannenden Gebiete bezeichnen kann. Die ferne Maschine steuert das FDV über einen zweiseitig gerichteten seriellen Bytestrom, der über alle möglichen Medien: Ethernet, EPP-Parallelschnittstelle, serielle Schnittstelle, laufen kann. Ein Prozessor im FDV hat die Aufgabe, Nachrichten zu dekodieren und die erforderlichen Aktionen zu planen. 12 ist ein Blockdiagramm des FDV-Prozessors.
Host-Kommunikationsschnittstelle
Die Hostmaschine wirkt als Master, indem sie ein wohl definiertes Nachrichtenprotokoll übersendet, um das FDV zu steuern. Wenn die Aktionen erledigt sind, antwortet das FDV mit Daten und Statusinformation. Zu den Aktionen, die verlangt werden können, gehören:
Scanner richten
Distanz messen
Entfernungsscan einer Box
Laser n-mal feuern
Videobild aufnehmen
Scannersteuerung
Auf 13 Bezug nehmend, erfordert jeder Scanner im Doppelspiegelsystem, um die gewünschte Position einzustellen, im normalen Betrieb ein digitales 16- bis 18-Bitwort, das in einen Präzisions-Digital-Analog-Wandler eingegeben wird, um eine der gewünschten Position proportionale Spannung zu erzeugen. Jedoch wird ein gewisser Fehler zwischen der vom Ausgangssignal dieses Wandlers befohlenen Position und der tatsächlichen Scannerposition auftreten, der durch das Ausgangssignal des Positionskodierers widergespiegelt wird. Ein Präzisions-Differenzsignal wird erzeugt, und die Differenz wird mit 12-Bit-Genauigkeit gemessen. Dies liefert ein wirtschaftliches Verfahren, 18-Bit-Positionsmessungen zu machen und dabei nur einen billigen 12-Bit-Wandler zu verwenden.
Handelsübliche Galvo-Scanner besitzen Mikroradian-Wiederholbarkeit, aber eine verhältnismässig schlechte Skalier- und Offsetleistung, insbesondere bezüglich der Temperatur. Ein Kalibriermodus ist in das System eingebaut worden, um Messungen bei zwei präzisen Winkeln zu ermöglichen, so dass Offset und Skalendrift des Scanners berechnet werden können, indem die beiden gemessenen Datenpunkte verwendet werden.
Zwei Verfahren sind zu diesem Zweck entwickelt worden: ein optisches und ein mechanisches. Im mechanischen Verfahren wird die Scannerwelle sacht gegen einen von zwei mechanischen Anschlägen gefahren und der Strom im Scannersteuergerät auf einen konkreten Wert eingestellt, was eine bekannte Kraft liefert. Das Positionssignal wird nachreguliert, bis kein Positionsfehler vorliegt, was dann die kalibrierte Positionsmessung ergibt. Im optischen Verfahren werden zwei Autokollimatoren auf die Rückseite der Scanspiegel gerichtet, die ebenfalls poliert und spiegelbeschichtet worden sind. Wenn die Scanspiegel genau mit einem der Kollimatoren ausgerichtet sind, ist das Ausgangssignal des Spaltphotodetektors im Autokollimator abgeglichen. Indem der Scanner abwechselnd in jeden dieser präzisen Winkel gebracht wird, kann eine Offset- und Massstabkorrektur für den Scannerkodierer berechnet werden.
Zeitmesskreis
Der Zweck des Zeitmesskreises besteht darin, die relative Zeit zwischen dem Startpuls und dem Stopppuls in Picosekunden zu liefern. Im Zeitmesskreis gibt es zwei Untersysteme: einen Signalformungs- und Energieintegrationskreis (wovon eine Ausführungsform in 14 gezeigt ist) sowie einen Zeitintervallanalysator. Beide kommunizieren direkt mit dem DSP. Anfänglich sind Systeme mit einem handelsüblichen Zeitmessinstrument hergestellt worden, nämlich dem Stanford Research Systems Zeitintervallanalysator SR620. Die Schnittstelle zu diesem Instrument geht über eine IEEE488-Schnittstelle. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kommunikationsschnittstelle zum Stanford Research Systems-Zeitintervallanalysator SR620 eine IEEE488.
Ein spezieller Zeitintervall-Messkreis ist entwickelt worden, der eine getrennt patentierte Interpolationstechnik benutzt. Der Schaltkreis arbeitet mit einem Taktgeber, der typischerweise bei > 100 MHz arbeitet und dazu verwendet wird, eine grobe Zählung von 10-ns-Intervallen zwischen dem Stopp- und Startpuls durchzuführen. Ausserdem ist ein Interpolator vorhanden, der jede grobe 10-ns-Zählung in 1000 kleinere Inkremente zerlegt, was eine 10-ps-Auflösung ergibt. Dieses System hat einen Jitter von ungefähr 5 ps. Differentielle Zeitmessungen können mit weniger als 20 ps RMS-Fehler ausgeführt werden, was etwa 3 mm entspricht. Dieser Schaltkreis kommuniziert mit dem DSP über einen fest zugeordneten seriellen Bus und nutzt ein Paketprotokoll; der DSP aktiviert den Schaltkreis durch Übersendung eines einzelnen Bytes. Wenn der Zeitmesskreis seine Aufgabe beendet hat, sendet er eine Folge von Bytes, die sowohl die zeitliche Verzögerung zwischen Start- und Stopppuls als auch die Intensität jedes Pulses darstellen.
Laserfeuern
Der DSP besitzt drei Leitungen für Laserkontrolle. Eine startet die Laserpumpe, die zweite zeigt an, dass der Laser gefeuert hat, und die dritte zeigt an, dass der von einem Ziel zurückkehrende Puls erfasst worden ist. Wenn der Laser feuert, tastet der DSP das analoge Pulsamplitudensignal ab. Dies geschieht typischerweise innerhalb von 1 μs.
Video
Zum Zielen wird dem Benutzer auf dem Host eine Videodarstellung der Szene geliefert, aus der er einen Abschnitt aussuchen kann, in dem die Entfernungen gescannt werden sollen. In den meisten Fällen entspricht dies der in Umgebungsbeleuchtung wiedergegebenen Szene.
Aufnahme
Eine Möglichkeit der Videoaufnahme besteht darin, den Scanner zu verwenden, um einen einzelnen empfindlichen Detektor bei ausgeschaltetem Laser über die Szene laufen zu lassen. Dadurch kann ein Bild erfasst werden, das eine sehr genaue räumliche Ausrichtung mit den nachfolgenden Scans für die Entfernungsmessung besitzt. Jedoch kann die Bilderfassung im Vergleich zu handelsüblichen Kameras ziemlich langsam sein.
Ein zweiter Weg besteht darin, standardmässige handelsübliche CCD-Kameras einzusetzen, um ein Bild zu erfassen. Eine CCD-Kamera mit Weitwinkelobjektiv wird mit dem kleinstmöglichen Offset mit dem Entfernungsscanner ausgerichtet. Eine zweite Kamera mit einem Gesichtsfeld von 5 Grad wird so angeordnet, dass ihre optische Achse mit dem Sender und Empfänger koaxial ist. Daher ist ein viel kleineres Gesichtsfeld durch den Scanner zugänglich und kann mit der gleichen Auflösung wie die des Senders und Empfängers gescannt werden. Dadurch können kleine oder ferne Objekte angepeilt werden.
Ausrichtung
Das Weitwinkelobjektiv bringt einen Fischglaseffekt in das Bild, das durch die hinter dem Objektiv sitzende CCD-Kamera aufgefangen wird. Geraden in der Aussenwelt sind keine Geraden im Bild. Die Verzerrung steigt mit der Entfernung von der Mitte des Objektivs. Diese Verzerrung wird durch einen Vergleich mit dem Bild eliminiert, das die Kamera erzeugt, wenn sie auf ein sorgfältig ausgelegtes und gedrucktes Kalibrationszielbild gerichtet wird. Der Unterschied zwischen dem erwarteten und dem aufgezeichneten Bild liefert die Daten, die erforderlich sind, um danach erfasste Bilder zu warpen und die Verzerrung zu eliminieren.
Komprimierung
Jedes Videobild wird vor der Übertragung komprimiert. Zur Zeit verwenden wir eine JPEG-Standardbildkomprimierung. Sie ist verhältnismässig schnell und erzeugt vernünftig kleine komprimierte Bilder für die Kommunikation. Ein weiteres wünschenswertes Merkmal besteht darin, dass der Algorithmus auf Blöcke wirkt, wodurch die Bildaufnahme, die Ausrichtung, die Komprimierung und die Übertragung verschachtelt parallel erfolgen können, was den Durchsatz signifikant erhöht.
Punktvideo
Eine zweite Kamera mit einem schmalen Gesichtsfeld (zum Beispiel etwa 5°) wird so platziert, dass sie mit dem scannenden Laserstrahl koaxial ist. Das Gesichtsfeld wird so eingestellt, dass die Pixelauflösung etwa die gleiche wie die Voxelauflösung des Lidarsystems ist. Die Kamera kann arbeiten, während der Laser aktiviert ist. In diesem Fall wird eine kleine Gruppe von Pixeln durch den Laser beleuchtet, und das Zentroid dieser Pixel entspricht dem Punkt, der durch das Lidar gemessen würde. Wenn ein Videobild aufgenommen worden ist, kann es auf eine Oberfläche abgebildet werden, die durch einen Lidarscan abgeschätzt wurde.
Software der Computer Graphics Perception (GCP: Computergafikwahrnehmung)
Auf 15 Bezug nehmend, ist die CGP 40 ein Softwaresystem, das auf einem CGP-Computer 1500 läuft und mit dem FDV 10 kommuniziert. Die CGP 40 läuft auf vielen verschiedenen Computertypen, darunter Laptops und Workstations. Die CGP 40 läuft auf einem Computer 1500 mit einer geeigneten Anzeigevorrichtung 1510 wie einem Grafik-Farbbildschirm, einer geeigneten Zeicheneingabevorrichtung 1520 wie einer Tastatur und einer geeigneten Zeigevorrichtung 1530 wie einer Maus. Die Software kann eine beliebige Anzahl von Bibliotheken für die Wiedergabe von Standard-3D-Grafik verwenden, um die erfassten 3D-Daten interaktiv in einem Fenster auf dem Bildschirm darzustellen. Der Teil der CGP 40-Benutzerschnittfläche, der die 3D-Bildmanipulation und die Datenprojektion in ein Fenster betrifft, wird von der 3D-Bibliothek bedient.
Die CGP 40 führt Echtzeit-3D-Datenerfassung und -modellierung im Feld aus. Zu den Funktionen der CGP 40 gehören eine Steuerung, Peilung und Datenerfassung des FDV 10 auf hohem Niveau; Anzeige und Visualisierung der gescannten Punkte; Oberflächensegmentierung und -anpassung; manuelle 3D-Modellkonstruktion; 3D-Visualisierung; Wechselwirkung mit Teil- und Modell-Datenbanken; sowie die Fähigkeit, Daten in Standard-Datenaustauschformaten zur weiteren Verarbeitung in andere CAD-Systeme zu exportieren. Die Integration von Hard- und Software, wie sie hier beschrieben wird, ermöglicht wichtige Verbesserungen in der Produktivität und Qualität im gesamten Prozess des dreidimensionalen Modellierens der Wirklichkeit.
Unter Bezugnahme auf 1A wird der Datenerfassungs- und -modellierungsprozess in die folgenden Schritte unterteilt: FDV 10-Steuerung, Punkterfassung, Segmentierung, Geometrieanpassung, Modellierung durch Manipulation der Geometrie, Register von Szenen mit und ohne Warpen, Modellkommentierung sowie Geometrieanzeige und -abfrage.
Unter Bezugnahme auf 16A und 16B können die vorstehenden Operationen in zumindest zwei graphischen Anzeigefenstern durchgeführt werden. Ein Fenster 1610 (16A) zeigt ein Videobild der Zielszene, das dafür benutzt wird, um Bereiche zu definieren, die vom FDV 10 gescannt werden sollen, während das andere Fenster 1620 (16B) eine interaktive 2D-Projektion des 3D-Modells anzeigt, das aus den gescannten Punkten und konstruierter Oberflächengeometrie sowie weiterer Information über die Szene besteht. Weitere Fenster können verwendet werden, um Mehrfachansichten der Daten zu liefern. Ausserdem liefert die CGP 40 zusätzliche Fenster für die Steuerung der FDV 10-Hardware und zur Festlegung und Anzeige der Statusparameter des Systems.
Scansteuerung
Bezugnehmend auf 15, wird das FDV 10 vor Verwendung des integrierten Hardware/Software-Systems so aufgestellt, dass sie in die Richtung des interessierenden Objekts 20 zeigt.
Scansteuerung ist der Prozess, mit dem angezeigt wird, welche Anteile der Szene, die für den Scanner sichtbar sind, gescannt werden sollen. Verschiedene Teile der sichtbaren Szene können mit verschiedenen Dichten gescannt werden, weil einfache geometrische Objekte wie Ebenen, Zylinder und Kugeln mit einer ziemlich geringen Anzahl von Scanpunkten genau modelliert werden können. Daher wird der Bereich vor dem Scanner oft in einer Mehrzahl von Scans und nicht in einem einzigen hochauflösenden Scan erfasst. Nur Bereiche mit einem hohen Gehalt an Detail erfordern hoch auflösende Scans.
Auf 17A Bezug nehmend, besteht eines der Mittel für die Scansteuerung in der Verwendung eines Videobildes 1710 der vom FDV 10 erfassten Szene. Mit einer Zeigervorrichtung wie einer Maus kann man den zu scannenden Bereich mit allen möglichen Verfahren wie dem Herausziehen eines Rechtecks 1720 auf dem Videobild angeben. Die CGP 40 weist das FDV 10 an, die Entfernung irgendeines Objekts zu messen, das sich im Zentrum des durch den Benutzer bezeichneten Zielbereichs befindet, um bei der Festlegung der Scandichte zu helfen, da der Winkel zwischen Punkten sowohl durch die erwünschte Dichte auf der Oberfläche als auch durch die Entfernung vom Scanner betimmt wird. Ein Mittel zur Angabe der gewünschten Scanparameter wie zum Beispiel eine Dialogbox steht zur Verfügung und ermöglicht es dem Benutzer, die Scanparameter auf verschiedene Weise anzugeben, darunter Punktdichte, Punktabstand oder Gesamtzahl von Punkten in der vertikalen und in der horizontalen Richtung.
Die CGP 40 übersetzt dann die Bereichs- und Scanauflösungsdaten in einen Satz von Befehlen für das FDV 10. Diese Befehle werden dem FDV 10 über Kommunikationsmittel wie eine TCP/IP-Netzverbindung übermittelt, und die erfassten Daten werden zum CGP-Computer 1500 über die gleichen Kanäle zurück übermittelt.
Zusätzliche Scans mit unterschiedlichen Dichten können in der gleichen Weise veranlasst werden, man kann aber auch vorher gescannte Datenpunkte statt des Videobildes verwenden, um neue Scanbereiche zu bezeichnen. Wenn der Blick auf die gescannten Daten so orientiertet ist, dass er genau mit der Scannerrichtung ausgefluchtet ist, dann kann ein Scanbereich durch Verfahren wie das Herausziehen eines rechteckigen Kastens bezeichnet werden. Wenn die Daten in dieser Weise zum Scanner ausgerichtet sind, dann ist die meiste 3D-Information schwer zu sehen, weshalb die Software alle Punkte, wie im nächsten Abschnitt beschrieben, mit einer der Intensität des zurückkommenden Laserlichtes entsprechenden Farbkodierung anzeigen kann. Oft genügen die Intensitätsdaten, um Objekte im Datenfenster zu identifizieren, so dass neue Scanbereiche definiert werden können. Alternativ kann der Benutzer einige der Objekte in der Szene modellieren und/oder einfärben, um dabei zu helfen, interessante Bereiche im Fenster zu finden. Wenn das Datenfenster verwendet wird, um neue Scanbereiche zu definieren, werden Parallaxenfehler vermieden, da der Blick mit dem Scanner ausgerichtet ist.
Eine Scansteuerung kann auch erreicht werden, indem die Zeigevorrichtung verwendet wird, um den Laserstrahl zu verschieben und Punkte in der aktuellen Szene hervorzuheben. Alle möglichen Verfahren könnten benutzt werden, um den erwünschten Scanbereich durch Bewegung des Laserstrahls zu beschreiben und interessierende Punkte durch eine Benutzeraktion wie Anklicken einer Maustaste zu identifizieren. Die Verfahren könnten folgende Operationen einschliessen: Anzeige einer umhüllenden Box durch Bewegung des Lasers zu diagonal entgegengesetzten Ecken der gewünschten Scanbereiche; Anzeige der oberen, unteren, linken und rechten Grenze der Szene; Anzeige einer Folge von Punkten, die das umhüllende Polygon des Scanbereichs darstellen; Anzeige des Zentrums des Scanbereichs und Einsatz weiterer Mittel wie einer Dialogbox, um die Grösse des gewünschten Scanbereichs zu beschreiben.
Punkterfassung
Unter Bezugnahme auf 17B bestehen die vom FDV 10 zurückgelieferten Daten aus den Koordinaten der Punkte und ihren Intensitätswerten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Scannen so ausgeführt, dass die zurückgelieferten Daten in einem geordneten Netz dreidimensionaler Punkte 1730 liegen. Vom Scanner her gesehen erscheinen diese Punkte als ein regelmässiges Rechtecknetz sehr ähnlich einer Bitmap. Jeder Punkt besteht jedoch aus seinen Koordinaten im dreidimensionalen Raum wie auch aus der Intensität des reflektierten Laserpulses an diesem Ort.
Jeder zurückgelieferte Punkt wird so im Datenfenster 1620 angezeigt, wie er durch das FDV 10 übermittelt worden ist. Die CGP 40 erlaubt es dem Benutzer, den 3D-Blick auf die Daten interaktiv zu verändern, während sie ankommen, um sich ein besseres Bild von der räumlichen Anordnung der Daten zu machen. Als eine Hilfe für die Visualiserung verschiedener Besonderheiten in den Daten kann es die CGP 40 ferner ermöglichen, jeden Punkt über die Intensität des reflektierten Laserpulses an diesem Ort farbkodiert darzustellen. In 18 wird eine Scanwolke 1810 gezeigt, die die Oberfläche der Skulptur eines Pferdes darstellt. Statt alle Punkte in einer einzigen Farbe darzustellen, wie in 18 gezeigt, kann man verschiedene Intensitätswerte des zurückkehrenden Laserstrahls in verschiedene Farben umgesetzt darstellen und ein vielfarbiges Scanfeld 1910 erzeugen, wie in 19 gezeigt. Die Intensitätsfarbdarstellung liefert dem Benutzer beträchtliche zusätzliche Oberflächeninformation, was sowohl für das Anpeilen als auch für das Modellieren nützlich ist, wie später beschrieben.
Das erzeugte, geordnete Netz von Punkten wird als ein Scanfeld bezeichnet. Eine Mehrzahl möglicherweise überlappender Scanfelder kann erfasst und in der oben beschriebenen Weise gleichzeitig angezeigt werden. Die Datenstrukturen innerhalb der CGP 40 führen die Liste der Scanfelder, so dass jeder Datenpunkt immer mit einem Scanfeld assoziiert ist. Die Scanfelder enthalten gewöhnlich Datenpunkte von den Oberflächen vieler verschiedener Objekte, so dass sie in kleinere Gruppen von Punkten unterteilt werden müssen, wie im nächsten Abschnitt beschrieben.
Segmentierung
Segmentierung ist der Prozess, Punkte zu Gruppen zusammenzufassen, die von der Oberfläche ein und desselben Objekts gescannt worden sind. Die Punkte von einem einzelnen Objekt können ein kleiner Teil eines Scanfeldes sein oder über eine Mehrzahl von Scanfeldern hinweg vorliegen. Der Segmentierungsprozess kann manuell, wie unten beschrieben, oder automatisch, wie später im Abschnitt über Autosegmentierung beschrieben, erfolgen.
Auf 20 Bezug nehmend, besteht der erste Schritt des manuellen Segmentierungsprozesses darin, ein oder mehrere Scanfelder 2010 auszuwählen, die Scanpunkte des interessierenden Objekts enthalten. Die Auswahl eines oder mehrerer Scanfelder kann mit allen herkömmlichen Mitteln erfolgen, zum Beispiel unter Verwendung einer Zeigevorrichtung, möglicherweise zusammen mit Tasten einer Tastatur. Wenn ein Scanfeld ausgewählt wird, dann sind alle Punkte des Scanfeldes ausgewählt. Die Gruppe von Punkten, die aus diesem Schritt hervorgeht, bildet einen Vorrat von Kandidatenpunkten, der jetzt getrimmt werden kann, um Punkte auf anderen Objekten zu entfernen. Jeder Punkt des Vorrats wird anfänglich als ausgewählt markiert, und die unten beschriebenen Operationen können verwendet werden, um die Zustände der Punkte zwischen ausgewählt und abgewählt hin- und herzuschalten.
Auf 21 Bezug nehmend, können Scanpunkte 2010 von einer gewünschten Objektoberfläche unter Verwendung einer oder mehrerer Lasso-Operationen aus möglicherweise unterschiedlichen Ansichten ausgeschnitten werden. Der Benutzer kann die Blickrichtung wie erforderlich manipulieren, um ein deutliches Bild der erwünschten Teilmenge des Punktevorrats zu erhalten. Der Benutzer verwendet dann die Zeigevorrichtung, um einen polygonalen Lassobereich 2110 zu zeichnen, der den Bildschirm in zwei Bereiche unterteilt: die Innenseite und die Aussenseite des Lasso-Polygons. Die folgenden Operationen werden unterstützt: Markiere alle Punkte in einem Bereich als ausgewählt und alle anderen Punkte als abgewählt, markiere alle Punkte in einem Bereich als ausgewählt, ohne die anderen Punkte zu berühren, und markiere alle Punkte in einem Bereich als abgewählt, ohne die anderen Punkte zu berühren. Die Lasso-Operation kann so oft wie nötig wiederholt werden, um die Auswahl zu verfeinern, möglicherweise mit einem Wechsel der Ansicht der Szene zwischen den Lasso-Operationen. Der Benutzer kann die derzeit ausgewählte Menge von Punkten ausschneiden, um eine neue Punktemenge zu bilden. Die neue Punktemenge wirkt wie ein Scanfeld, insofern als sie ein Teil der im nächsten Abschnitt beschriebenen Anpassungsoperationen ist und daran teilnehmen kann. In 22 sind drei neue Gruppen von Punkten 2210, 2220 und 2230 mit dem hier beschriebenen manuellen Segmentierungsverfahren geschaffen worden, und einige Punkte in der Nähe der Schnittlinie der Ebenen sind von der ursprünglichen Punktwolke übrig.
Geometrieanpassung
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die CGP 40 viele geometrische Primitive enthalten, die verwendet werden können, um die wirklichen Oberflächen der gescannten Objekte zu simulieren. Zu den geometrischen Primitiven gehören alle möglichen Standard-Grafikprimitive wie triangulierte Geflechte (Meshes), Ebenen, Zylinder, Kugeln, Tori, Linien und Punkte. Die einfachste Form einer geometrischen Anpassung besteht darin, ein trianguliertes Mesh zu verwenden, um die Scanpunkte zu verbinden und Oberflächenmerkmale der gescannten Objekte zu zeigen. Die Scanwolke 1810 der 18 kann vermascht 2310 und wie in 23 gezeigt wiedergegeben werden. Da die Scandaten in einem regelmässigen Raster erfasst werden, ist es einfach, durch Verbinden benachbarter Punkte ein Dreiecks-Mesh zu schaffen. Der Benutzer kann auch Diskontinuitätstoleranzen in der Tiefe und im Winkel festlegen, um eine Vermaschung benachbarter Punkte zu vermeiden, die weiter als die bezeichnete Schwelle voneinander getrennt sind. Eine Unterbrechung des Meshes auf diese Weise schafft eine realistischer aussehende Oberfläche, die als Shrinkwrap-Oberfläche bezeichnet wird, weil künstliche Meshoberflächen an eingeschlossenen Kanten nicht auftreten. Eine grosse Vielfalt bekannter Vermaschungs-Operationen kann auf das sich ergebende Mesh angewendet werden, zum Beispiel Glättung (Rauschverringerung) und Meshvereinfachung (um die Maschendichte in glatten Bereichen zu verringern, die kein feinmaschiges Raster verlangen). Mascheneckpunkte können auch mit Daten wie der Intensität gefärbt werden.
Wie oben festgestellt, enthält die CGP 40 viele geometrische Standard-Primitive. Vor einer Anpassung der Punkte an solche Objekte müssen die Punktwolken segmentiert werden, wie oben beschrieben. Nach der Segmentierung stellt jede Gruppe von Punkten eine einzelne Oberfläche dar, die durch ein geometrisches Objekt angepasst werden kann. Die Anpassung kann durch den Benutzer geführt werden, der vielleicht den Formentyp für die Anpassung kennt. Nach dem Scannen der Ecke in einem Raum ist es zum Beispiel für den Benutzer klar, dass die Punkte auf einer Wand durch eine Ebene angepasst werden können, während die Punkte auf einem Rohr durch einen Zylinder angepasst werden können, so dass der Benutzer die Anpassung eines konkreten Objekts wünschen kann. Es ist auch möglich, diesen Prozess halbautomatisch zu gestalten, um die Form zu identifizieren, die sich am besten an eine besondere Punktegruppe anpasst.
Eine Ebene an eine Punktemenge anzupassen ist ein einfaches Problem, das viele wohlbekannte Lösungen hat. Die Ausdehnung des in der CGP 40 zur Darstellung der Ebene verwendeten Fleckens kann durch die konvexe Hülle der Punkte in der Ebene bestimmt werden. Zum Beispiel kann jede der drei in 22 gezeigten Punktegruppen 2210, 2220 und 2230 getrennt an die Ebenen 2410, 2420 und 2430 angepasst werden, wie in 24 gezeigt, indem irgendein verfügbarer Anpassungsalgorithmus verwendet wird.
Viele Standardverfahren sind für die Anpassung komplizierterer Formen verfügbar. In einer bevorzugten Ausführungsform gibt es zwei Phasen: eine Parameterschätzphase, um einen Anfangspunkt zu gewinnen, und eine Optimierungsphase, in der die Parameter variiert werden, um den Gesamtfehler zu minimieren. Der Gesamtfehler ist die Summe der Quadrate des Abstandes jedes Scanpunkts vom nächstliegenden Punkt auf der Oberfläche des Objekts, das angepasst wird. In der Optimierungsphase werden herkömmliche Optimierungsmethoden verwendet, um die Abweichung zwischen dem Objekt, wie es durch seine Parameter definiert wird, und den durch die Scanpunkte gegebenen Daten zu verringern.
Ein Zylinderanpasser kann eine Punktwolke 2510, wie sie in 25 gezeigt wird, in ein zylindrisches Objekt 2610 verwandeln, wie es in 26 gezeigt wird. Alle angepassten Objekte einschliesslich des Zylinders beziehen sich auf die ursprünglichen Punkte, die verwendet wurden, um das Objekt anzupassen. Der Benutzer kann jederzeit wählen, ob er den sich ergebenden Zylinder 2610 oder die ursprünglichen Punkte 2510 oder beides sehen will. Unter Verwendung manueller oder automatischer Segmentierungsverfahren ist es möglich, die Scanwolken 2710 in 27, die eine Vielzahl von Zylindern darstellen, in die am besten angepassten Zylinder 2810 umzuwandeln, die in 28 gezeigt sind. Nachdem der Durchmesser und die Achse jedes Zylinders festgestellt worden ist, können manuell oder automatisch Knie 2910 in 29 hinzugefügt werden, um den Modellierungsprozess zu vervollständigen.
Ein Zylinder wird durch fünf Parameter beschrieben: durch einen normalisierten Vektor, der die Zylinderachse beschreibt (zwei unabhängige Parameter), den Radius sowie zwei zusätzliche Parameter, die verwendet werden, um die Angriffslinie der Zylinderachse im Raum zu positionieren. Die Länge des sich ergebenden Zylinders kann durch Projektion der Scanpunkte auf die Zylinderachse und Erfassung der Extremwerte dieser Projektion bestimmt werden.
Zwei neuartige Methoden der Abschätzung von Zylinderparametern werden in einer bevorzugten Ausführungsform implementiert. Der erste Weg, anfängliche Parameterschätzwerte für einen Zylinder zu finden, besteht darin, genäherte Oberflächennormalen zu finden, wie im Autosegmentierungsabschnitt beschrieben. Wenn alle Normalen auf eine Einheitslänge festgelegt werden, dann können sie alle als Vektoren vom Ursprung bis zu einem Punkt auf der Oberfläche der Einheitskugel betrachtet werden. Wenn man alle normalen Vektoren und ihre [...] verwendet, um eine Gruppe von Punkten auf der Einheitskugel zu sammeln, dann kann eine Ebene durch die sich ergebende Punktegruppe hindurch angepasst werden. Die sich ergebende Ebenennormale verläuft grob parallel zur Zylinderachse. Mit der gegebenen Zylinderachse und der Ebene aus dem vorangehenden Schritt kann man die Scanpunkte auf die Ebene projizieren. Die projizierten Punkte lassen sich gut durch einen Kreis in dieser Ebene beschreiben, da die Ebene normal zur Zylinderachse verläuft. Ein bestangepasster Kreis kann unter Verwendung der auf die Ebene projizierten Punkte berechnet werden, um einen Schätzwert des Zylinderradius zu gewinnen. Der Mittelpunkt des Kreises auf der Ebene kann in einen 3D-Punkt umgewandelt werden, um einen Punkt auf der Zylinderachse zu ergeben.
Der zweite Weg, die Zylinderparameter abzuschätzen, besteht darin, die Punktemenge an eine quadrische Oberfläche anzupassen, die durch die implizite Gleichung beschrieben wird: F(p) = 0 = c1p1 2 + c2p2 2 + c3p3 2 + c4p1p2 + c5p1p3 + c6p2p3 + + c7p1 + c8p2 + c9p3 + c10 (1)wo p = {p₁, p₂, p₃} ein Punkt auf der quadrischen Oberfläche ist.
Man kann dann c₁₀ = –1 annehmen, da die Gleichung implizit ist, und eine Anpassung kleinster Quadrate mit allen Datenpunkten ausführen, um die anderen neun Parameter zu bestimmen. Nach Bestimmung der am besten angepassten quadrischen Oberfläche für eine gegebene Punktemenge besteht der nächste Schritt darin, einen Punkt aktuell auf der neuen Oberfläche (p_s) zu finden, der in der Nähe der anderen Punkte liegt.
Dies wird dadurch erreicht, dass das Zentroid der Scanpunkte (p_c) und sodann der nächstliegende Punkt auf der Oberfläche des Quadrics gefunden wird, um p_s zu erhalten. Die Oberflächennormale im Punkt p_s kann bestimmt werden mit Np = D1ps + D2 (2)wo
Zwei Einheitsvektoren, u₁ und u₂, werden dann so gefunden, dass sie sowohl zueinander als auch zu N_p normal sind. Diese Vektoren bilden eine Basis für die Oberfläche am betrachteten Punkt, und zusätzliche Vektoren können auf der Oberfläche aus vα = u1 cos α + u2 sin α, 0 ≤ α ≤ 2π (3)gefunden werden.
Die Einheitshauptvektoren v_α werden dann gefunden, indem die Rotation α bestimmt wird, die vα·(Np × D1vα) = 0 (4)befriedigt.
Es gibt zwei Lösungen für diese Gleichung, die die orthogonalen Einheitshauptvektoren v₁ und v₂ liefern. Die Oberflächenkrümmung κ in diesen beiden Hauptrichtungen ist dann gegeben durch
Eine der Hauptkrümmungen ist nahe null für zylindrische Oberflächen, während der Radius des Zylinders das Reziproke des absoluten Wertes der endlichen Krümmung ist. Ein Verfahren, um den Radius (r) und die Achse des Zylinders zu finden, ist beschrieben worden, und nur der Ort der Achse braucht bestimmt zu werden. Eine Einheits-Oberflächennormale kann als n ^ = N_p/||N_p|| berechnet werden. Die Richtung der Normalen kann so angepasst werden, dass sie ins Innere des Zylinders weist, indem gewährleistet wird, dass n ^·(p_c – p_s) > 0, da das Zentroid der Punkte auf der Innenseite des Zylinders liegt. Ein Punkt auf der Achse ist dann durch p_s + rn ^ gegeben. Diese Anfangsparameter können dann in einem Minimierungsprozess verwendet werden, um die besten Anpassungsparameter für den Zylinder zu finden.
Die oben beschriebene, neuartige Methode zur Abschätzung der Krümmung über die quadrische Oberflächenformulierung wird weiter in einer neuartigen Weise für eine automatische Bestimmung des Objekttyps verwendet. Wenn die anzupassenden Punkte gut durch eine Ebene dargestellt werden, dann werden die beiden Hauptkrümmungen nahe null sein. Wenn die anzupassenden Punkte von einer zylindrischen Oberfläche stammen, dann wird eine Krümmung nahe null sein, die andere endlich. Wenn die Punkte von einer Kugel stammen, dann werden beide Krümmungen endlich sein, und ihre Grössen werden in etwa gleich sein. Indem die automatische Erkennung des Objekttyps und der später beschriebene Autosegmentierungsalgorithmus kombiniert werden, ist es für die CGP 40 möglich, eine neuartige Methode für die automatische Anpassung vieler Objekte zu haben, die in typischen gescannten Szenen auftreten.
Eine weitere Verwendung der Krümmungsabschätzung ist die Kugelanpassung, die erreicht wird durch Verwendung quadrischer Oberflächen als Näherung für Radius und Ort des Mittelpunktes, gefolgt von einer Vier-Parameter-Minimierung (Mittelpunkt und Radius) zur Verringerung der Abweichung zwischen dem Kugelmodell und den gemessenen Punkten. Die oben beschriebene, neuartige Methode zum Auffinden eines Punktes auf der Achse eines Zylinders wird in der bevorzugten Ausführungsform ebenfalls dazu verwendet, um den Mittelpunkt einer Kugel zu finden.
Die oben offenbarten Segmentierungsverfahren können verwendet werden, um eine Vielfalt nützlicher Anpassungswerkzeuge zu schaffen, die auf Kombinationen der zuvor beschriebenen Formen beruhen. Zum Beispiel ist eine Ecke, die aus dem Schnitt punkt dreier Ebenen besteht, die orthogonal oder nicht orthogonal sein können, eine sehr häufig zu scannende Besonderheit. Mit dem Wissen, dass die angegebene Punktegruppe drei sich schneidende Ebenen wie zum Beispiel die Punkte 2010 in 20 enthält, werden die Punkte durch das später beschriebene Verfahren automatisch in drei Untergruppen von Punkten segmentiert, die in getrennten Ebenen liegen. Dann kann jeder verfügbare Algorithmus für die Anpassung von Ebenen verwendet werden, um die Ebenen an die Scanpunkte in jeder Gruppe anzupassen. Anders als in dem später beschriebenen, allgemeineren Autosegmentierungsalgorithmus braucht der Anpassungsalgorithmus nicht zu versuchen, Zylinder, Kugeln oder andere Objekte anzupassen und zu überprüfen, welches die beste Anpassung liefert, wenn man weiss, dass das Eckenobjekt aus drei Ebenen besteht; nur ebene Anpassungen sind nötig. Auf 30 Bezug nehmend, passt das Eckenanpassungswerkzeug nicht nur die Ebenen 3010, 3020, 3030 an, sondern kann sie auch schneiden, um die Ecke zu vervollständigen. Wie in 30 gezeigt, kann dem Benutzer nützliche zusätzliche Information gegeben werden, indem die Linien 3040, 3050, 3060 an den Schnittlinien von Paaren von Ebenen sowie ein Scheitelpunkt 3070, der den Ort der Ecke darstellt, eingeführt werden. Dieser Scheitelpunkt ist viel genauer als ein einzelner Scanpunkt, da jede Ebene unter Verwendung vieler Datenpunkte angepasst und der Scheitelpunkt durch Schneiden der Ebenen erzeugt worden ist. Die obige, neuartige Methode zur automatischen Schaffung einer Ecke mit ihren Schnittlinien und ihrem Scheitelpunkt kann als ein Werkzeug der CGP 40 verwendet werden.
Jedes Objekt speichert Daten zur Qualität der Anpassung, so dass der Benutzer das Objekt abfragen und die mittlere, Standardabweichung und grössten Fehler prüfen kann. Mit einer Kenntnis der Genauigkeit des FDV 10 können die CGP oder der Benutzer dann entscheiden, ob während der Anpassung ein Fehler begangen worden ist. Fehler können entstehen, wenn der falsche Primitivtyp angepasst wird oder wenn aussen liegende Punkte, die nicht wirklich von der gewünschten Oberfläche gescannt worden sind, in der Datenmenge verbleiben. Ausserdem speichern die Objekte ihre geometrischen Parameter, so dass der Benutzer den Radius, die Länge oder andere interessierende Werte abfragen kann.
Zusätzlich zur Klasse der allgemeinen Objektanpasser, denen nahezu keine Ausgangsinformation ausser den anzupassenden Punkten gegeben wird, gibt es eine Klasse von Anpassern, die aus Vorkenntnissen über Objekte in der Szene Vorteil ziehen können.
Ein Arbeitsgebiet, wo solche Vorkenntnisse existieren, ist die Konstruktionsindustrie, wo benutzte Teile standardisierte Abmessungen und Auslegung haben. Zum Beispiel kann der Aussendurchmesser von Rohren eines bestimmten Herstellers in fünf verschiedenen Grössen kommen: 4, 5, 6,5, 8 und 10 Zoll. Diese Information ist typischerweise in Tabellen vorhanden, die relevante Attribute dieser Teile beschreiben. Der Zylinderanpasser kann die Daten in diesen Tabellen nutzen, um den abzusuchenden Lösungsraum signifikant einzugrenzen; der Anpasser braucht nur nach Lösungen zu suchen, die Zylinder mit einem dieser Durchmesser enthalten. Eine andere Möglichkeit, solche Nachschlagtabellen zu verwenden, besteht darin, dass der Anpasser zunächst eine allgemeine Lösung vorschlägt und die Einträge in den Objekttabellen dann damit verglichen werden, um den Eintrag mit den am nächsten liegenden Parametern zu finden. Zum Beispiel würde ein durch einen Zylinder mit 7,8 Zoll Durchmesser angepasstes Rohr mit der 8-Zoll-Eintragung in der Tabelle des obigen Beispiels verglichen; der Benutzer (oder Anpasser) hat dann die Wahl, neu einen 8-Zoll-Zylinder an das Rohr anzupassen oder den 7,8-Zoll-Zylinder zu akzeptieren. Noch eine weitere Verwendung besteht für den Benutzer darin, manuell einen speziellen Eintrag (oder eine Sammlung von Einträgen) aus der Tabelle auszuwählen und dem Anpasser zu sagen, dass er dessen Parameter in der Anpassung verwenden soll, was ebenfalls den Lösungsraum des Anpassers (und damit möglicherweise die erforderliche Zeit) verringert.
Modellierung
Die Anpassung geometrischer Primitive, wie sie im vorangehenden Abschnitt beschrieben worden ist, stellt gewöhnlich nicht das Ende des Modellierungsprozesses dar. Es ist oft der Fall, dass nur ein Teil der Oberfläche des Objekts gescannt wird, zum Beispiel das eine Ende eines Zylinders oder ein Teil einer Wand, und weitere Operationen sind erforderlich, um das 3D-Modell zu vervollständigen. Modellierung ist der Prozess, die Konstruktion des 3D-Modells zu vervollständigen, wenn einige angepasste geometrische Primitive vorliegen.
Viele gewöhnliche CAD-Operationen wie Erweiterung, Schnittpunkt (gegenseitige Erweiterung) und Trimmen sind in der CGP 40 verfügbar. Zum Beispiel erstreckt sich der Zylinder 3110 in 31 anfänglich nicht bis zur Ebene des Bodens 3120. In 32 ist der Zylinder 3220 bis zur Ebene des Bodens 3120 verlängert worden. Diese einfachen Operationen ermöglichen eine rasche Vervollständigung von Teilen des Modells aus den durch geometrische Anpassung geschaffenen Objekten. Zum Beispiel ist es leicht, wenn drei ebene Flecken gegeben sind, die aus Scandaten nahe einer Ecke angepasst worden sind, die drei Ebenen gegenseitig auszudehnen, um die Ecke zu vervollständigen.
Objekterweiterungen können auf verschiedene Weise erreicht werden. Ein Weg besteht darin, das zu erweiternde geometrische Objekt auszuwählen und es anzuweisen, sich bis zu einem nachfolgend ausgewählten Objekt auszudehnen. Die Natur der Erweiterung wird sowohl durch den zu erweiternden Objekttyp als auch durch das zweite ausgewählte Objekt bestimmt. Zum Beispiel streckt ein Zylinder das näher beim zweiten Objekt liegende Ende entlang seiner Mittellinie, bis sein Ende die unendliche Ebene schneidet, die durch die Geometrie des zweiten Objekts definiert wird (im Falle eines ebenen Flecken ist die unendliche Ebene die Ebene des Fleckens, und bei einem Zylinder ist die unendliche Ebene die Ebene, die die Mittellinie enthält und so orthogonal wie möglich zu dem zu verlängernden Zylinder ist).
Ein weiterer Weg besteht in der Verwendung von Objektgriffen, die Netzknoten sind, die der Benutzer ergreifen kann. Diese Griffe sind an die Definition eines Objekts (Position, Orientierung, Grösse) gebunden, sofern zutreffend, und durch Bewegung eines Griffs ändert sich die Definition des Objekts entsprechend. Wiederum den Zylinder als ein Beispiel nehmend, kann die gleiche Verlängerung, wie oben beschrieben, erreicht werden, indem der Griff an dem zu verlängernden Ende ergriffen und dann zur gewünschten Position bewegt wird (wobei der Zylinder verlängert wird). Die Bewegung eines Griffs hängt von dem Teil des Objekts ab, an dem er angebracht ist; ein Griff an der Mittellinie des Zylinders ist gezwungen, sich nur dieser Mittellinie entlang zu bewegen, während ein Griff an der Grenze eines ebenen Fleckens gezwungen ist, sich nur innerhalb der Ebene des Fleckens zu bewegen. Bei einigen Objekten können Griffe eingesetzt und weggenommen werden, wodurch sich die Definition der Form des Objekts ändert (zum Beispiel haben Griffe an einem ebenen Flecken eine 1 : 1-Entsprechung mit Scheitelpunkten an der Grenze des ebenen Flecken). Andere Griffe können Kontrolle der Drehung eines Objekts liefern. Die Steuerung der Griffe ist interaktiv und wird dynamisch aktualisiert, so dass der Benutzer die unmittelbaren Ergebnisse der Neudefinition sehen kann.
Eine neue, Merging genannte Operation ist entwickelt worden, um es zu ermöglichen, dass verschiedene Teile einer einzigen Objektoberfläche zusammengefügt werden, um in der CGP 40 ein einziges Objekt zu bilden. Es passiert oft, dass die Sicht auf ein Objekt durch andere Objekte vor ihm blockiert wird. Zum Beispiel kann der Blick auf die hintere Wand in einem Raum durch eine Säule im Vordergrund in zwei Teile geteilt sein. Ein Scan dieses Bereichs ergibt verschiedene Gruppen von Punkten auf dem konkreten Objekt. Wenn statt der manuellen Methoden, wo ein Benutzer weiss, dass die Punkte zum gleichen Objekt gehören, Autosegmentierung verwendet wird, wie später beschrieben, dann werden getrennte Punktegruppen gebildet. Jede Punktegruppe würde dann an ein getrenntes Objekt angepasst, was zu einer Mehrzahl von Stücken der gleichen Oberfläche führt. Die beiden Objekte in der CGP 40, von denen bekannt ist, dass sie sich auf der Oberfläche der gleichen Sache befinden, wie zum Beispiel die beiden ebenen Flecken einer von einer Säule obstruierten Wand, können zu einem einzigen Objekt verschmolzen werden. Jedes Objekt speichert einen Bezug zu den Datenpunkten, durch die es definiert wird, so dass, wenn ein Merging gewünscht wird, eine neue geometrische Anpassung aller zugrunde liegender Datenpunkte erfolgt, die zu den Teilgeometrien gehörten, um die beste Gesamtanpassung zu erzielen. Diese neuartige Methode, die Genauigkeit der Anpassung eines Objekts zu erhöhen, wird in den Merging-Operationen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet. Die Eigenschaften der beiden primitiven Objekte, die verschmolzen wurden, haben keinen Einfluss auf das Ergebnis des Mergings, nur die zugrunde liegenden Punktepositionen werden in Betracht gezogen.
Unter Verwendung der manuellen oder automatischen Methoden kann der Benutzer eine Punktwolke 3320 von den Oberflächen vieler Objekte nehmen, zum Beispiel die Punkte auf der in 33 gezeigten Pyramide 3310, und sie in einen Satz geometrischer Objekte 3420 wie die ebene Seite der Pyramide 3410 in 34 umwandeln. Die in 34 gezeigte, modellierte Szene stellt die Merkmale der ursprünglichen, gescannten Objekte genau dar und ermöglicht es, Messungen zwischen irgendwelchen besonderen Stellen in der modellierten Szene zu machen.
Register von Szenen
Die Anfangsposition jedes Scanpunktes wird in einem lokalen Koordinatensystem beschrieben, dessen Ursprung der des FDV 10 ist und dessen Achsen relativ zum FDV 10 fixiert sind. Daher halten Scanfelder, die ohne Bewegung des FDV 10 aufgenommen werden, von Natur aus Register, indem alle Scanpunkte das gleiche Koordinatensystem verwenden. Wenn jedoch das FDV 10 zwischen Scanvorgängen bewegt wird, sind zusätzliche Anstrengungen erforderlich, um die Daten so umzuformen, dass ein gemeinsames Koordinatensystem verwendet wird. Dies ist eine Sechs-Parameter-Starrkörpertransformation eines Datensatzes mit drei Translations- und drei Rotationsparametern und lässt sich leicht auf die Daten anwenden, wenn die Transformation einmal bekannt ist.
Ein neuartiger Prozess wird verwendet, um die Scanfelder von unterschiedlichen Positionen des FDV 10 in Register zu bringen. Der neuartige Aufzeichnungsprozess verlangt vom Benutzer, Paare von Punkten, Linien oder Ebenen in zwei verschiedenen Szenen zu identifizieren, die das gleiche besondere Element darstellen. Es ist auch möglich, verschiedene Elemente wie zum Beispiel die Vorder- und Rückseite einer Wand zu verwenden, falls der Benutzer den Offset zwischen ihnen kennt. Die Ebenen und Linien werden in Punktepaare umgewandelt, wie unten beschrieben, und der Prozess funktioniert gänzlich mit Punktepaaren. Die für Register verwendeten Punkte können tatsächliche Scanpunkte oder konstruierte Punkte wie eine Ecke am Schnittpunkt dreier Ebenen sein.
Bei einem gegebenen Satz von Punktepaaren sucht der Registerprozess den Satz von Kandidatenpunkten für drei Paare, die nicht kolinear sind. Unter Verwendung der drei Punktepaare kann man die Transformation konstruieren, die erforderlich ist, um das Koordinatensystem in einem Blick zu dem in einem anderen Blick verwendeten umzuwandeln, was umgekehrt dazu verwendet werden kann, um die Scanpunkte so zu transformieren, dass sie alle gemeinsam ein einziges Koordinatensystem verwenden. Der Bequemlichkeit halber wird der Prozess in der Form beschrieben, dass der erste Datensatz fixiert bleibt, während der zweite Datensatz transformiert wird, um das Koordinatensystem des ersten Satzes zu verwenden. Der Prozess funktioniert gleich gut, wenn der Benutzer den zweiten Datensatz fixiert und den ersten transformiert.
Der erste Schritt besteht darin, eine Starrkörpertranslation auf den zweiten Datensatz anzuwenden, um zu veranlassen, dass das erste Punktepaar in seinen x-, y- und z-Komponenten zusammenfällt. Der zweite Schritt besteht darin, den zweiten Datensatz um seinen ersten Punkt rotieren zu lassen, bis die durch Punkte Eins und Zwei in beiden Datensätzen gebildeten Linien kolinear sind. Der dritte Schritt besteht darin, den zweiten Datensatz um die im vorangehenden Schritt etablierte Linie rotieren zu lassen, bis die durch Punkte Eins, Zwei und Drei in den beiden Datensätzen definierten Ebenen koplanar sind.
Nachdem eine anfängliche Abschätzung vorliegt, kann man dann alle Punktepaare und eine Fehlerminimierungsmethode verwenden, um die Summe der Quadrate der Abstände zwischen jedem Punktepaar zu verringern.
Um die oben beschriebene Methode, Punkte in Register zu bringen, verwenden zu können, wird in der CGP 40 eine neuartige Methode eingesetzt, um Linien, Ebenen und Ebenen mit Offsets in Sätze von Punktepaaren umzuwandeln. Immer dann, wenn ein endlicher Ebenenoffset vorhanden ist, werden die neuen eingeführten Punkte in der zweiten Szene zu einer Position verschoben, wo sie genau mit den entsprechenden Punkten in der ersten Szene zusammenpassen. Indem Ebenen und Linien durch Punkte ersetzt werden, wird es einfach, die Fehlerfunktion für eine Minimierung zu formulieren, da nur Punktfehler, aber keine gleichzeitigen Winkel- und Entfernungsfehler vorkommen.
Beim Ersatz der Ebenen und Linien können nur Punkte eingeführt werden, die sich an Orten mit Bezug zu durch den Benutzer bezeichneten Objekten befinden, da die Ursprünge der beiden Datensätze unterschiedlich sind. Zum Beispiel würde die Einführung eines neuen Punktepaares in einer Ebene an dem zum Ursprung nächsten Ort keine Punkte ergeben, die tatsächlich im Raum zusammenpassen, da der Ursprung willkürlich ist. Die Einführung eines Punktepaares am Schnittpunkt einer Ebene mit einer Linie ergibt jedoch zusammenpassende Punkte in den beiden Datensätzen. Einige Objektpaare wie parallele Linien sollten nicht dafür verwendet werden, neue Punkte einzuführen, deshalb wird eine Winkeltoleranz (unten als ATOL: angular tolerance, bezeichnet) verwendet, um schlechte Objektpaare zu ignorieren. ATOL wird anfänglich auf einen Wert von zehn Grad festgelegt, aber andere Werte können verwendet werden, um wie erforderlich weniger oder mehr künstliche Punktepaare zu erzeugen. Die Punktepaare werden in der folgenden Reihenfolge eingeführt:
Für alle Paare aus einer Ebene und einer Linie, bei denen der Winkel zwischen der Linie und der Ebene grösser als ATOL ist, werden zwei neue Punktepaare eingeführt. Der erste neue Punkt wird am Schnittpunkt der Linie mit der Ebene eingefügt, das zweite Punktepaar wird entlang der Angriffslinie in einem fixierten Abstand vom ersten Punkt eingefügt, hier als das Minimum der Linienlängen in den beiden Ansichten genommen.
Für alle Paare aus Ebenen und Punkten wird ein neues Punktepaar so in der Ebene eingeführt, dass die Ebenennormale durch den neuen Punkt und den spezifizierten Punkt hindurchgeht.
Für alle Paare von Ebenen, deren Normalen wenigstens ATOL auseinander verlaufen, wird ein neues Liniensegment entlang der Schnittlinie der Ebenen erzeugt und seine Länge gleich der minimalen Ausdehnung gemacht, die irgendeine Ebene entlang der Linie besitzt. Das neue Liniensegment besitzt keine Richtung, aber es hat sowohl Längen- als auch Positionsinformation. Nach diesem Schritt werden die Ebenen nicht mehr benötigt.
Für alle Paare von Linien und Punkten wird ein neuer Punkt auf der Linie an dem Ort eingeführt, an dem er dem spezifizierten Punkt am nächsten ist.
Für alle Paare von Linien, die durch einen Winkel grösser als ATOL voneinander getrennt sind, werden vier neue Punktepaare eingeführt. Die neuen Punkte sind die Enden von Liniensegmenten entlang der ursprünglichen Angriffslinie, aber zentriert auf den Ort der engsten Annäherung der beiden Linien. Der Abstand zwischen den neuen Linienpunkten ist gleich der minimalen Länge der Liniensegmentelängen entlang der Angriffslinie aus den beiden Datensätzen. Nach diesem Schritt werden die Linien nicht mehr benötigt.
Das Ergebnis der oben beschriebenen Ebenen- und Liniensubstitutionen ist ein Satz von Punktepaaren, der die mit den ursprünglichen Ebenen und Linien verbundene Richtungsinformation bewahrt. Der vergrösserte Satz von Punktepaaren kann dann für den oben beschriebenen Registerprozess verwendet werden.
Nachdem die beiden Szenen in Register gebracht worden sind, können Primitive aus den beiden individuellen Ansichten, die das gleiche physische Objekt darstellen, unter Verwendung der früher beschriebenen Mergingtechnik kombiniert werden. Insbesondere können zusammenpassende ebene Flecken, die die gleiche Oberfläche darstellen, zu einem einzigen erweiterten ebenen Flecken kombiniert werden. Ähnlich können Stücke zusammenpassender zylindrischer Oberflächen zu einem einzigen Zylinder verschmolzen werden.
Warping von Datensätzen
Der oben beschriebene Registerprozess ist eine Starrkörpertransformation, die die relativen Positionen der Objekte innerhalb der beiden Datensätze nicht abändert. Nach gewonnenem Register werden die meisten der Punkte-, Linien- oder Ebenenpaare, die identifiziert worden sind, noch kleine Abweichungen besitzen, da der Minimierungsprozess den gesamten mittleren quadratischen Fehler verringert. Eine neuartige Methode wird vorgestellt, die es dem Benutzer erlaubt, die identifizierten Paare durch Verformung der Szenenvolumina zu zwingen, genau übereinzustimmen.
Wie bei allen Messdaten ist mit jedem Scanpunkteort ein bestimmtes Fehlerniveau verbunden. Die Grössenordnung des Fehlers, der mit einem Punkteort verbunden ist, ändert sich mit der verwendeten Messtechnik, aber ein gewisser Fehler wird immer vorhanden sein. Da die hier betrachteten Daten Oberflächenmerkmale von Objekten beschreiben, treten Datenfehler als Oberflächenunregelmässigkeiten hervor. Zum Beispiel könnte ein Satz von Punkten, die von einer wirklichen ebenen Oberfläche gewonnen worden sind, nicht ganz in einer Ebene liegen, sondern eine bestimmte kleine Streuung weg vom wirklichen Ort der Ebene haben. Eine Berechnung einer besten angepassten Ebene durch den Satz gemessener Punkte könnte auf Grund von Fehlern im Punktdatensatz nicht den wirklichen Ort oder die wirkliche Orientierung der Ebene geben.
Die Fehler in den wiedergewonnenen Besonderheiten wie den Ebenen verursachen Fehler auch in den Beziehungen zwischen den wiedergewonnenen Objekten. Wenn zum Beispiel Daten von zwei Ebenen gesammelt werden, die einen Winkel von genau 90 Grad zwischen sich haben, dann könnten die am besten angepassten Ebenen, die aus den Datenpunkten erzeugt werden, nicht genau 90 Grad auseinander sein. Ähnlich könnten Zylinder, die in der wirklichen Szene parallel waren, nach Anpassung an die gescannten Punkte zu am besten angepassten Zylindern führen, die nicht parallel sind. Diese Widersprüche in den wiedergewonnenen Merkmalen, die auf Grund von Messfehlern auftreten, sind vorhanden, gleichviel ob die Datenpunkte von einer einzigen Scanposition aus gesammelt worden sind oder eine Zusammenfassung von Scans aus mehreren unterschiedlichen Positionen sind.
Das Problem mangelnder Anpassung könnte tatsächlich grösser werden, wenn mehrere unterschiedliche Sätze von Scandaten unter Verwendung eines relativen Systems in Register gebracht werden. Wenn Serien von aufeinander folgenden Scans gesammelt werden und jeder Scan bezüglich einer erkennbaren Folge von Datenpunkten in einem vorhergehenden Scan in Register gebracht wird, können die absoluten Fehler in jedem Scan grösser werden. Wenn am Ende der Folge von Scans die Orte der Merkmale genau bekannt sind, dann müssen die gescannten Datenpunkte so angepasst werden, dass sie mit den bekannten Orten übereinstimmen. Beim Vermessen sind sowohl das 2D-Abschlussproblem als auch die 3D-Benchmark-Vergleichsprobleme von ähnlicher Natur wie die oben beschriebenen Probleme. Bei der Anwendung im Abschluss von Vermessungen wird man, wenn man eine Folge von Orten vermisst und dann zum Anfangspunkt zurückkehrt, typischerweise finden, dass durch kumulative Messfehler der Anfangs- und Endort nicht genau am gleichen Ort liegen. Der Abschlussfehler, der die Entfernung zwischen dem Anfangs- und Endort ist, wird unter Verwendung wohlbekannter Vermessungsverfahren so über alle anderen gesammelten Datenpunkte verteilt, dass der erste und letzte Endpunkt zusammenfallen, nachdem die Korrekturen angebracht worden sind. Wenn Vermessungsbenchmarks an bekanntem Ort in einen Satz von Vermessungsdaten eingeführt werden, dann muss der Datensatz in ähnlicher Weise angepasst werden, um die bekannten Benchmarkorte zu berücksichtigen. Sowohl das Abschlussproblem als auch das Benchmarkvergleichsproblem kann mit der hier beschriebenen Methode gelöst werden, da beide mit Verschiebungsconstraints beschrieben werden können.
Die hier beschriebene, neuartige Methode für die Korrektur von Ortsfehlern in gemessenen 3D-Datensätzen verteilt die Fehler über die vollen Punktsätze, indem die Prinzipien der Festkörpermechanik auf ein die Datenpunkte umgebendes Volumen angewendet werden. Die Methode liefert eine Möglichkeit, eine grosse Vielfalt von Verschiebungsconstraints bei 3D-Datensätzen zu befriedigen, und verteilt auch die Messfehler über die vollen Datensätze. Der Prozess, Datensätze zu verformen, um diese Ziele zu erreichen, wird Warping genannt. Die Verschiebungsconstraints können als Kontrollpunkte, deren absolute Koordinaten im Raum bekannt sind und sich nicht verändern, und als Verbindungspunkte, die den gleichen Ort in zwei oder mehr Datensätzen darstellen, aber deren absolute Lage unbekannt ist, angegeben werden. Man kann Constraints bei komplizierteren Objekten beschreiben, zum Beispiel bei Liniensegmenten, indem zwei Punkte bezeichnet werden, und bei Ebenen, indem drei Punkte bezeichnet werden. Auf diese Weise kann eine ganze Familie von Constraints angegeben und auf Gruppen von Objekten wie Punkte, Linien und Ebenen angewendet werden.
Alle Constraints enthalten ein Offsetglied, das null oder endlich sein kann. Ein Offset von null zwischen Punkten deutet an, dass die Punkte den gleichen definitiven Ort einnehmen sollten, aber schreibt nicht vor, wo dieser Ort wäre. Wäre einer dieser Punkte ein Kontrollpunkt, dessen absolute Lage bekannt ist, dann würde er sich nicht bewegen, während der andere Punkt im Constraint gezwungen wäre, sich zum gleichen Ort zu bewegen, um den Constraint zu befriedigen. In allen Fällen wäre der definitive Ort das Ergebnis des Energieminimierungsprozesses, der mit einer Festkörpermechaniklösung verbunden ist. Ein endlicher Offset zwischen zwei Punkten deutet an, dass die Punkte einen bestimmten Abstand voneinander haben müssen, nachdem der Warpingprozess angewendet worden ist.
Wenn die Objekte des Constraints keine Punkte, sondern Linien und Ebenen sind, dann kann zusätzlich zum Offset noch ein Winkel zwischen den Objekten vorgeschrieben werden. Unter Verwendung dieser Familie von Constrainttypen könnte man eine grosse Anzahl von Beziehungen zwischen Merkmalen in einem oder mehreren Datensätzen vorgeben. Die Erfindung funktioniert, gleichviel ob ein einzelner 3D-Datensatz oder eine Mehrzahl von 3D-Datensätzen beteiligt sind, und die Constraints können zwischen Objekten im gleichen oder in verschiedenen Datensätzen vorliegen.
Die Lösung des Problems der Constraintbefriedigung beginnt damit, jeden der Datensätze wie im vorhergehenden Absatz beschrieben in Register zu bringen, so dass alle Daten ein einziges Koordinatensystem gemeinsam verwenden. Als Nächstes wird die Theorie der Festkörpermechanik auf ein die Punkte in jedem Datensatz umgebendes Volumen angewendet, um die Verschiebungsconstraints zu befriedigen. Die Warpingmethode wirkt auf ein oder mehrere Volumina, die so geschaffen worden sind, dass sie alle Punkte in einem gegebenen Datensatz umgeben. Jedes dieser Volumina wird als aus verformbaren Materialien bestehend angesehen, dessen Eigenschaften vorgegeben werden können. Ein isotropes Material kann mit einem Elastizitätsmodul von Eins und einem Poisson-Verhältnis von Null verwendet werden. Mit der Festkörpermechaniklösung wird das Verschiebungsmuster minimaler Energie gefunden, das die vorgegebenen Constraints befriedigt.
Man kann sich vorstellen, dass jedes dieser Volumina aus einem flexiblen Material besteht. Verankerte man ein Volumen, um Starrkörperbewegungen zu verhindern, und schriebe dann einen neuen Ort für einen Punkt in seinem Inneren vor, dann könnte man eine Verzerrung des Volumens voraussehen, das sich nicht nur auf den interessierenden Punkt, sondern auch auf das übrige Volumen erstreckt. In Wirklichkeit können die Constraints selbst dazu verwendet werden, eine Mehrzahl von Volumina miteinander zu verankern. Die Prinzipien der Mechanik erlauben die Verformung minimaler Energie des Volumens zu bestimmen, die die aufgestellten Constraints befriedigt, wodurch nachgeahmt wird, was tatsächlich mit einem wirklichen, verformbaren Objekt passieren würde, das den gleichen Constraints unterworfen wird.
In einer besonderen Ausführungsform verwendet die Warpingmethode die Prinzipien der Festkörpermechanik, um ein Volumen zu verformen, das interessierende Punkte enthält, um einen Satz von Constraints zu befriedigen, die auf die Datenpunkte angewendet werden. Dabei werden nicht nur die Constraints befriedigt, sondern die Auswirkungen der anfänglichen Lagefehler werden durch die gesamten so behandelten Volumina verteilt.
Die Methode der finiten Elemente wird verwendet, um die Prinzipien der Festkörpermechanik auf die Volumina anzuwenden, die die Punkte umschliessen. Das Volumen wird in einen Satz von Punkten oder Scheitelpunkten sowie einen Satz von Elementen diskretisiert, die mit den Scheitelpunkten verbunden sind. Tetraederelemente mit vier Schnittpunkten werden verwendet, um das Volumen zu diskretisieren.
Der erste Schritt des Prozesses besteht darin, den Satz von Constraints zu sammeln, die auf einen oder mehrere Datensätze zutreffen. In dieser Phase muss man die Constraints identifizieren, die durch den Warpingprozess befriedigt werden sollen. Zu diesen Constraints gehört die Identifizierung der Punkte, die den gleichen physischen Ort in verschiedenen Datensätzen (Verbindungspunkte) darstellen, wie die Ecke eines Würfels, und die am gleichen Ort erscheinen müssen, wenn der Warpingprozess beendet ist. Einige der Verbindungspunkte sind möglicherweise Punkte, die nicht im ursprünglichen Datensatz gescannt wurden, sondern aus Gruppen anderer Punkte konstruiert werden können. Hätte man zum Beispiel eine Reihe von Punkten, die drei sich an einer Ecke schneidende Ebenen darstellen, dann könnte man den Punkten drei Ebenen anpassen und den sich ergebenden Eckpunkt als Verbindungspunkt verwenden. Die Constraints werden als Paare von Objekten wie Punkten, Linien und Ebenen sowie als der erwünschte Offset und Winkel zwischen diesen vorgegeben. Die beiden im Constraint wirkenden Objekte können in einem einzelnen Datensatz enthalten sein oder in verschiedenen Datensätzen auftreten. Innerhalb eines einzelnen Datensatzes könnte vorgegeben werden, dass Linien oder Ebenen parallel bleiben oder dass die Entfernung zwischen zwei Punkten ein vorgegebener Betrag ist. Zwischen einer Mehrheit von Datensätzen könnte man ähnliche Constraints formulieren oder angeben, dass die in zwei Datensätzen gesehenen Besonderheiten das gleiche Objekt darstellen. Vielleicht weiss man auch den tatsächlichen Ort einiger Punkte sehr genau (Benchmarks) und kann Punkte im Datensatz zwingen, an den bekannten Orten zu liegen. Indem diese Benchmarkpunkte verwendet werden, um verschiedene Punkte in den Datensätzen zu verankern, wird das Abschlussproblem lösbar, da die Datensätze so gewarpt werden, dass die gemessenen Datenpunkte sich genau zu den gewünschten Kontrollpunktorten hin bewegen und die Fehler im Datensatz über alle Volumina geglättet werden.
Der zweite Schritt im Warpingprozess besteht darin, alle beteiligten Datensätze in Register zu bringen, wie im vorangehenden Abschnitt beschrieben.
Der dritte Schritt im Warpingprozess besteht darin, ein Volumen auszuwählen, das den interessierenden Bereich umgibt, und das Volumen durch einen Satz neuer Punkte zu beschreiben. Der Bereich, der mit dem FDV 10 gescannt werden kann, wird Blickvolumen genannt und hat die Gestalt einer Pyramide, wobei die Spitze der Pyramide am Ursprung der Scanvorrichtung liegt. Eine Pyramidengestalt kann verwendet werden, um den Blickbereich für die Zwecke des Warpings zu begrenzen, und die Pyramide lässt sich leicht durch fünf Punkte beschreiben, indem das gleiche Koordinatensystem wie für die Datenpunkte verwendet wird. Diese neuen Punkte werden kein Teil des Datensatzes, aber werden im Warpingprozess verwendet. Die konvexe Hülle dieser Punkte stellt die neue Volumenoberfläche dar und sollte alle Punkte auf der Innenseite umschliessen. Diese Operation wird für jeden Datensatz getrennt ausgeführt.
Der vierte Schritt besteht darin, jedes der Datenvolumina zu vermaschen. Vermaschung bedeutet, das Volumen mit finiten Elementen auszufüllen, die keine Lücken lassen und nicht überlappen. Die finiten Elemente überspannen die Strecke zwischen den Punkten oder Scheitelpunkten, die an der Volumenbegrenzung definiert worden sind, und denen, die an Constraints im Inneren beteiligt sind. Die Punkte im Datensatz brauchen nicht alle in den Warpingprozess einbezogen zu werden, nur diejenigen müssen vewendet werden, die in Constraintvorgaben verwendet werden, sowie diejenigen, die die Volumenbegrenzung definieren. Die Elemente im anfänglichen Mesh sind auf Grund ihrer Gestalt möglicherweise von schlechter Qualität. Es ist zum Beispiel von langen Splitterelementen bekannt, dass sie in der Analyse finiter Elemente schlechte Ergebnisse liefern. Daher ist der Vermaschungsprozess tatsächlich iterativ. Neue Punkte werden in das Mesh eingefügt, dann werden alte Elemente entfernt und neue Elemente eingeführt, so dass sich die Meshqualität verbessert. Dieser iterative Prozess wird fortgesetzt, bis man mit der allgemeinen Qualität des Meshes zufrieden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Tetraederelemente mit vier Schnittpunkten verwendet. Das anfängliche Mesh wird konstruiert, indem auf den Anfangspunktesatz eine 3D-Delaunay-Triangulierung angewendet wird. Der iterative Prozess identifiziert Elemente schlechter Gestalt durch ein Qualitätsmass der Elemente, führt neue Punkte ein und vermascht den Bereich neu. Der Prozess ist beendet, wenn alle Elemente minimalen Qualitätskriterien entsprechen. In der bevorzugten Implementierung wird die Halbierung der längsten Kanten verwendet, um neue Punkte einzuführen, die das Netz verbessern, aber andere Methoden können verwendet werden.
Im fünften Schritt werden die im ersten Schritt beschriebenen Constraints zu einem System linearer Constraints verarbeitet. In der bevorzugten Ausführungsform ist das schlussendliche System der Constraints bezüglich der nodalen Verschiebungen an den Scheitelpunkten der Tetraederelemente linear. Die gewünschte Form der Constraints ist Cu = q (6)
Die Matrix C enthält konstante Koeffizienten. Die Anzahl von Zeilen von C ist gleich der Anzahl von Constraints im System. Der Vektor u stellt die 3D-Verschiebungen der Scheitelpunkte der Tetraederelemente dar. Der Vektor q enthält konstante Koeffizienten. Wenn die Constraints homogen sind, dann ist jedes Element von q null. Die Form der in Gleichung (6) gegebenen Constraintbeschreibung ermöglicht willkürliche lineare Mehrpunktconstraints (die mehr als einen Scheitelpunkt betreffen).
Die Umwandlung der im ersten Schritt vorgegebenen Constraints in die oben gezeigte Form hängt vom Typ der beteiligten Constraints ab. Für zwei Punkte, die verbunden werden sollen, wäre der Constraint: p1 + u1 = p2 + u2 (7)oder u1 – u2 = p2 – p1 (8)
In diesen Gleichungen sind p₁ und p₂ Vektoren vom Ursprung zu den interessierenden Scheitelpunkten, während u₁ und u₂ die Verschiebungen der gleichen Scheitelpunkte während des Warpings sind. Gleichung (7) verlangt, dass der schlussendliche Ort jedes Scheitelpunktes, gegeben durch den Anfangspunkt plus die Verschiebung beim Warping, gleich dem schlussendlichen Ort des anderen Punktes ist. Gleichung (8) hat die Form der Gleichung (6) mit q = p₂ – p₁ und liefert drei lineare Constraints, ausgedrückt in den Komponenten x, y und z der nodalen Verschiebungen. Indem Gleichung (8) zu drei Gleichungen in der Form von Gleichung (6) aufgelöst wird, erhält man:
Weitere Constraints wie die Entfernung zwischen zwei Punkten sind in ihrer Natur nichtinear. In den nichtlinearen Constraints können die vorhandene Geometrie des Systems wie auch Annahmen über kleine Verformungen verwendet werden, um lineare Mehrpunktconstraints zu erzeugen. Um zum Beispiel den gewünschten Abstand zwischen zwei Punkten als einen vorgegebenen Wert x vorzugeben, könnte man den Vektor v₂₁ zwischen den schlussendlichen Punktorten bestimmen: v21 = (p2 + u2) – (p1 + u1) (10)und dann die gewünschte Länge des Vektors vorgeben: ||v21|| = x (11) oder unter Benutzung des skalaren Vektorprodukts: v21·v21 = x2 (12)
Beide Gleichungen (11) und (12) sind in den Verschiebungen der Schnittpunkte, u₁ und u₂, nichtlinear. Um den Constraint zu linearisieren, kann man vorgeben, dass die gewünschte Länge entlang der ursprünglichen Angriffslinie gleich dem gewünschten Offset ist:
v21·n21 = x (14)oder [(p2 + u2) – (p1 + u1)]·n21 = x (15) u2·n21 – u1·n21 = x – ||p2 – p1|| (16)
Das Glied auf der rechten Seite der Gleichung (16) ist der gewünschte Abstand zwischen den Punkten minus der derzeitige Abstand zwischen den Punkten. Die Komponenten x, y und z von n₂₁ sind Constraints. Gleichung (16) kann in der richtigen Form als ein einzelner Constraint wie folgt geschrieben werden:
Im Schritt 6 wird das schlussendliche System von linearen Gleichungen zusammengestellt. Dieser Schritt besteht aus zwei Teilen: erstens werden die Elementesteifigkeiten für jedes der Tetraederelemente zusammengestellt, und zweitens wird eine Con straintbehandlungstechnik ausgewählt und angewendet. Berechnung und Zusammenstellung der Elementesteifigkeiten folgen den Standardprozeduren finiter Elemente. Die Verwendung von Constraints in der Form von Gleichung (6) beinhaltet ein Constraintverarbeitungsverfahren. Die Technik Lagrangescher Multiplikatoren kann verwendet werden, um den Effekt der linearen Constraints einzuführen, aber alle anderen Verfahren wie die Straftechnik oder Transformationstechniken könnten ebenso wirksam verwendet werden.
Unter Verwendung von Lagrangeschen Multiplikatoren wird für jeden Constraint im System eine neue Variable in das schlussendliche Gleichungssystem eingeführt. Dann werden die statischen Gleichgewichtsgleichungen für das System ohne Constraint, die durch Ku = r (18)gegeben sind, modifiziert.
In Gleichung (18) ist K die Matrix der Systemsteifigkeit, die aus den Steifigkeitsbeiträgen der individuellen Elemente zusammengesetzt wird, u ist der Verschiebungsvektor, der die Lösung des Problems ist, und r ist ein Vektor von äusserlich anliegenden Belastungen. In dieser Ausführungsform der Erfindung gibt es keine von aussen anliegenden Belastungen, so dass der r-Vektor nur Nullen enthält. Gleichung (18) enthält keinen Effekt irgendwelcher Constraints, aber diese können unter Verwendung der Technik der Lagrangeschen Multiplikatoren einbezogen werden, wodurch sich das System von Gleichungen ergibt:
In Gleichung (19) sind K, C, u, r und q wie früher definiert, während u_L ein Vektor ist, der die zusätzlichen Lagrange-Multiplikatorvariablen enthält, die bei Verwendung dieser Methode eingeführt werden. Die Matrix C^T ist die Transponierte von C, und 0 ist eine Matrix von Nullen. Die Lösung der Gleichung (19) ergibt die Verschiebungen u, die die durch C und q beschriebenen linearen Constraints befriedigen. Man bemerke, dass diese Constraints Linearisierungen nichtlinearer Constaints sein können und dass die nichtlinearen Constraints durch die Lösung an diesem Punkt eventuell nicht befriedigt sind.
Bei Verwendung von Straf- oder Transformationsmethoden anstelle der Lagrangeschen Multiplikatoren würde ein System linearer Gleichungen erzeugt, das sich von dem in Gleichung (19) gezeigten unterscheidet, aber die Lösung des linearen Systems von Gleichungen ergibt ähnliche Werte für den Verschiebungsvektor u.
Im Schritt 7 wird Gleichung (19) gelöst, um u und u_L zu erhalten. Viele Methoden sind verfügbar, um grosse Systeme linearer Gleichungen zu lösen. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein symmetrischer Löser mit einem Profilspeicherschema verwendet. Die verschiedenen Lösertypen, die verwendet werden könnten, liefern im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse, aber optimieren die Geschwindigkeit und die Speichernutzung unterschiedlich.
In der bevorzugten Ausführungsform wird ein direkter Löser verwendet, aber iterative Sparse-Löser könnten ebenso gut verwendet werden. Das in Gleichung (19) gezeigte System von Gleichungen ist sparse, so dass bedeutende Geschwindigkeitsgewinne erzielt werden können, indem der zweckmässige Löser ausgewählt wird. Jedoch bleiben die Ergebnisse des Warpingprozesses allgemein von dieser Auswahl unbeeinflusst.
Im Schritt 8 muss überprüft werden, ob die aktuelle Verschiebung die Constraints auf dem gewünschten Genauigkeitsniveau befriedigt. Wenn die aktuelle verformte Gestalt den Offset oder den Winkel in irgendeinem der in Schritt 1 zusammengestellten Constraints um mehr als eine vom Benutzer vorgegebene Toleranz verletzt, dann müssen Schritte 5 bis 7 wiederholt werden, wobei mit der neuen verformten Gestalt begonnen wird. Die Gestaltlinearisierungen können nach jeder Iteration verändert sein, da sich die Geometrie des Volumens mit den kumulativen Verformungen ändert. Wenn alle Constraints innerhalb der gegebenen Toleranz befriedigt sind, dann kann man zu Schritt 9 weitergehen.
Im Schritt 9 werden die nodalen Verformungen u, die im Schritt 7 berechnet wurden, verwendet, um die Verformung jedes interessierenden Punktes innerhalb der Volumina zu bestimmen. Für jeden interessierenden Punkt muss man ein finites Element finden, das den Punkt auf seiner Oberfläche oder in seinem Inneren enthält. Wenn der Punkt sich innerhalb eines Elements befindet, so existiert nur ein solches Element. Wenn der Punkt sich auf der Oberfläche eines Elements oder auf der Kante eines Elements befindet, dann können mehrere Elemente in Betracht kommen, den Punkt zu enthalten. Jedes dieser Elemente kann ausgewählt werden, um zu bestimmen, wohin sich der interessierende Punkt bewegt. Wenn Elemente sich in den Punkt teilen, dann ergeben sich die gleichen Ergebnisse für die Verschiebung des Punktes, gleichviel welches der Elemente verwendet wird. Nachdem ein Element identifiziert worden ist, werden die Scheitelpunktverschiebungen dieses Elements aus u herausgezogen und verwendet, um mit einem Interpolationsprozess die Verschiebung jedes Punktes im Inneren zu bestimmen. In dieser Prozedur werden die Gestaltfunktionen der finiten Elemente verwendet, die in der bevorzugten Ausführungsform linear sind; sie ist eine übliche Operation in der Analyse finiter Elemente.
Autosegmentierung
Der unten dargestellte neuartige Autosegmentierungsprozess beinhaltet eine ähnliche Folge von Operationen wie der zuvor beschriebene manuelle Modellierungsprozess. Eine Punktwolke wird segmentiert, primitive geometrische Objekte werden an die Punktgruppen angepasst und Modellierungsoperationen wie Erweiterung und Schnittpunkt werden dann verwendet, um das Modell zu vervollständigen. In diesem neuartigen Prozess wird die Automatisierung auf jeden dieser Schritte wie auch auf den Gesamtprozess angewendet, wie unten beschrieben.
Unter Einsatz von Varianten üblicher maschineller Sehverfahren ist es möglich, die Scanpunkte automatisch in Gruppen zu unterteilen, die primitive geometrische Formen darstellen. Ein gerastertes Scanfeld wird etwa so wie eine reguläre Bitmap in einer zweidimensionalen Anordnung von Punkten gespeichert. Das Scanfeld unterscheidet sich von einer Bitmap insofern, als an jedem Ort mehr Information als nur eine Farbe gespeichert ist. An jedem Punkt ist dessen Raumlage, aus der die Entfernung vom Scanner berechnet werden kann, wie auch die Intensität des zurückkehrenden Laserpulses gespeichert. Die Tiefeninformation, die aus der an den Punkten gespeicherten dreidimensionalen Position berechnet werden kann, ist für den hier beschriebenen automatisierten Segmentierungsalgorithmus entscheidend, auch wenn viele Operationen wie Filtern, Rating, Thresholding (Schwellwertbildung) und Thinning üblicherweise eingesetzte Bildmanipulationsoperationen sind.
Die erste Stufe des Autosegmentierungsprozesses besteht darin, die Oberflächennormale an jedem Punkt im Raster zu schätzen. Dies kann unter Einsatz vieler verschiedener Verfahren erreicht werden; die derzeitige Ausführungsform der Software passt eine Ebene an die nächsten Nachbarn des Punktes in dem ihn umgebenden 3 × 3-Raster an. Die Normale der sich ergebenden Ebene wird als die Normale zum Mittelpunkt angenommen. Für jeden Punkt im Raster wird auf die gleiche Weise eine Normale berechnet, ausser dass bei Kanten- und Eckpunkten die fehlenden Nachbarn in der Normalen-Berechnung ignoriert werden. Die an jedem Punkt gespeicherte Normale ist ein dreidimensionaler Vektor, der auf Einheitslänge normalisiert ist.
Auf der zweiten Stufe werden zwei Ratingbilder geschaffen, indem Standard-Kantenerkennungsfilter über das Raster gerollt werden. Das erste Ratingbild wird geschaffen, indem die Tiefe des Rasterpunktes mit einem Kantenerkennungsfilter zusammengerollt wird, um Tiefendiskontinuitäten zu identifizieren, wie sie an einer eingeschlossenen Kante auftreten würden. Eine Vielzahl von Kantenerkennungsfiltern kann verwendet werden, aber das Filter verarbeitet nicht die Farbe oder Intensität, sondern die an jedem Rasterpunkt gespeicherte Tiefeninformation.
Das zweite Ratingbild wird geschaffen, indem die Normale mit einem Kantenerkennungsfilter zusammengerollt wird. Das Ratingbild der Normalen besteht eigentlich aus drei Unterbildern, die aus einem Zusammenrollen mit der x-, y- und z-Komponente der Normalen geschaffen wird. Die sich ergebenden drei Werte werden kombiniert, indem die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate gezogen wird, um je Punkt einen skalaren Wert zu gewinnen. Das zweite Ratingbild wird verwendet, um normale Diskontinuitäten wie die, die an der Kante zwischen einer Wand und einem Fussboden auftreten, zu identifizieren. Wiederum kann eine weite Auswahl von Kantenerkennungsfiltern verwendet werden, aber die verwendeten Werte sind nicht Farbe oder Intensität, sondern normale Koeffizienten.
Nachdem die zwei Ratingbilder erzeugt worden sind, müssen sie getrennt zu binären Bildern umgewandelt werden. Herkömmliche Algorithmen des maschinellen Sehens wie rekursives Thresholding können verwendet werden, um diese Aufgabe zu lösen. Jeder Punkt im Tiefen- und Normalenratingbild enthält eine Schätzung des Gradienten der Tiefe bzw. der Normalen. Rekursives Thresholding kann verwendet werden, um die Gebiete mit dem höchsten Gradienten zu isolieren. In den anfallenden binären Bildern sind die Punkte in den Bereichen mit dem höchsten Gradienten als Kantenpunkte markiert, während die übrigen Punkte als Nichtkantenpunkte markiert sind.
Ein endgültiges binäres Bild wird geschaffen, indem ein Punkt als ein Kantenpunkt markiert wird, sofern er in einem der durch das obige rekursive Thresholding geschaffenen binären Bilder oder in beiden als ein Kantenpunkt markiert ist. Alle anderen Punkte werden als Nichtkantenpunkte markiert. Dieses Bild enthält alle Kantenpunkte, die die Grenzen zwischen Gruppen von Punkten auf verschiedenen Flächen beschreiben.
Der letzte Schritt des Punktaufteilungsprozesses besteht darin, einen Algorithmus zusammenhängender Komponenten zu verwenden, um die Punkte zu Gruppen zusammenzuführen, die durch Kanten getrennt sind. Punkte werden nur dann als zusammenhängend betrachtet, wenn sie vertikal oder horizontal im Raster benachbart sind, während diagonale Nachbarschaft nicht verwendet wird. Sehr einfache Algorithmen können verwendet werden, um die einmaligen Gruppen von Nichtkantenpunkten im Bild zu identifizieren. Jede Gruppe zusammenhängender Punkte wird dann aus dem anfänglichen Punktesatz herausgeschnitten, um eine neue Gruppe von Punkten zu bilden. Das Ergebnis dieses Algorithmus besteht in der Aufteilung der Punktemenge in eine Vielzahl von Punktegruppen, die je eine einzelne Oberfläche darstellen. Jede der neuen Punktegruppen kann durch ein geometrisches Primitiv angepasst werden, wie im nächsten Abschnitt beschrieben.
Nachdem die Scanwolke in Gruppen von Scanpunkten aufgeteilt worden ist, die auf verschiedenen Oberflächen liegen, besteht der nächste Schritt darin, Objekte an die gewünschten Oberflächen anzupassen. Eine Vielzahl von Methoden kann für diese Aufgabe eingesetzt werden. Die derzeitige Ausführungsform der Software kann den Objektanpassungsprozess auf zwei verschiedene Weisen durchführen. In der ersten Methode wird eine Reihe von Objekten an jede Punktegruppe angepasst und diejenigen Objekte werden ausgewählt, die die kleinsten Abstandsfehler zwischen den gemessenen Punkten und den angepassten Objektoberflächen ergeben. In der zweiten Methode werden die zuvor beschriebene quadrische Flächenanpassung sowie die sich ergebenden Hauptkrümmungen verwendet, um festzustellen, ob eine Ebene, ein Zylinder oder eine Kugel an eine spezifische Punktegruppe angepasst werden sollte. Andere Varianten dieser Lösungswege könnten ebenfalls verwendet werden, zum Beispiel progressives Commitment, wobei die Objekte in der Reihenfolge von einfachst bis kompliziertest angepasst werden und der Prozess anhält, sobald die mit der konkreten Anpassung verbundenen Fehler auf ein annehmbares Niveau absinken.
Die letzte Stufe des Autosegmentierungsprozesses erweitert, wo dies möglich ist, primitive Objekte, um vollständige Objektschnittpunkte zu schaffen, anstatt bei Scanpunktgrenzen aufzuhören. Unter Verwendung der Rasternatur der ursprünglichen Daten und der Kanteninformation aus dem oben beschriebenen Algorithmus der Punkteaufteilung können Objekte erweitert und geschnitten werden. Für alle Kanten, die sich aus Oberflächenschnittpunkten ergeben, die die oben beschriebenen Diskontinuitätskanten der Oberflächennormalen sind, kann man die Objekte auf beiden Seiten der Kante erweitern, um Schnittpunkte zu bilden.
Modellkommentierung
Um ein semantisch reiches 3D-Modell zusammenzustellen, können einzelne Teile in dem obigen geometrischen Modell mit zusätzlicher, möglicherweise nicht geometrischer Information kommentiert werden, zum Beispiel mit Materialbezügen oder Teilenummern. Diese Information kann über ein spezielles Fenster für die Anzeige von Objektattributen manuell eingegeben werden.
Der Benutzer kann ein einzelnes Teil im geometrischen Modell anklicken und über weitere Fenster solche zusätzlichen Daten wiederfinden. In ähnlicher Weise kann der Benutzer erbitten, dass alle Teile, die bestimmte Auswahlkriterien erfüllen, hervorgehoben werden.
Eine neuartige Methode wird auch für eine automatische Modellkommentierung verwendet. Bei dieser Methode wird das FDV 10 verwendet, um Balkenkodes zu scannen, die relevante Daten für jeden gegebenen Gegenstand enthalten. Standardisierte Lese- und Dekodierungstechniken für Balkenkodes werden verwendet, um die optischen Daten in nützliche digitale Daten umzuwandeln, die mit einem gegebenen Objekt verbunden sind, das zur gleichen Zeit wie der Balkenkode gescannt worden ist. Die erfassten Daten können wie oben für das manuelle Verfahren beschrieben angezeigt werden.
Geometrieanzeige und -abfrage
Auf das Modell kann auf verschiedene Art und Weise zugegriffen werden, darunter Zugriff über das Datenfenster 1610, wo das Modell wiedergegeben wird. Viele standardisierte Grafikschnittstellenverfahren können verwendet werden, um den Blick auf das Modell zu manipulieren; in einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Crystal-Ball-Schnittstelle verwendet. Jedes sichtbare Objekt kann mit der Zeigevorrichtung ausgewählt werden; seine geometrischen Attribute können dann zusätzlich zu weiteren, an das Objekt angefügten Kommentaren angezeigt werden. Ein Durchschreiten des Datensatzes kann vereinfacht werden, indem Objekte in verschiedene Schichten gelegt und dann nur die interessierenden Schichten angezeigt werden. Indem die Anzahl wiedergegebener Objekte auf diese Weise verringert wird, erhöht sich die interaktive Leistungsfähigkeit des Programms. Zusätzlich zur Abfrage der geometrischen Eigenschaften der einzelnen Objekte können mehrere Standardwerkzeuge eingesetzt werden, um Abstände und Winkel zwischen Objekten zu messen. Weitere Standardtechniken können für Operationen wie Konturerzeugung, Ausschneiden von 2D-Schnitten und automatische Dimensionsbestimmung verwendet werden.
Das sich ergebende Modell kann für weiteres Editieren oder Entwerfen zu jeder beliebigen Anzahl von CAD-Programmen exportiert werden. In der bevorzugten Ausführungsform kann die CGP 40 eine CAD-Datei in einem Format erstellen, das mit verschiedenen handelsüblichen CAD-Programmen verträglich ist, und dann das CAD-Programm starten, indem es veranlasst wird, die erzeugte Datendatei zu laden. Bei laufendem CGP- und CAD-Programm kann der Benutzer dann das Modell ansehen und damit arbeiten, indem er beide Programme verwendet.
Die folgenden Dokumente bilden einen integrierenden Bestandteil dieser Beschreibung:

– Modulare Zerlegung
– Zusammenfassung der vorgeschlagenen CGP-Leistungsbeschreibung
– Cyrax-Software-Leistungsbeschreibung
– Produktübersicht
– Sammlung von Schaudias
– Einführung und Überblick

Benutzerschnittstellenmodul
Der Benutzerschnittstellenmodul umschliesst alle Teile des Kodes, die die direkte Wechselwirkung des Benutzers mit der Funktionalität des Systems handhaben. Die Funktionalität der Software wird von der Benutzerschnittstelle für diese Funktionalität getrennt implementiert. Dadurch wird die mögliche Implementierung einer API erleichtert und sichergestellt, dass die Anwendung nicht an einen speziellen Stil der Benutzerschittstelle gebunden ist.
Dieser Modul besteht aus Teilen wie:

– Fensterverwaltung
– Menü, Symbolleiste und Erzeugung des Szenenbetrachters
– Event-Dispatching
– Aussehen der Benutzerschnittstelle (Farben, Iconenanordnung usw.)

Der Benutzerschnittstellenmodul steht in enger Wechselwirkung mit dem Modellbetrachtungsmodul, der die Anzeige der Objektedatenbank verwaltet. Der Benutzerschnittstellenmodul befasst sich nicht mit der Anzeige oder Verwaltung von graphischen Szenendarstellungen oder einer Auslese aus diesen Darstellungen. Diese Funktionalität wird in den Modellbetrachtungsmodul einbezogen.
Dieser Modul wird auch stark auf den Finite-State-Machine-Modul abstellen, der die erforderlichen Grundwerkzeuge zur Verfügung stellt, um den sich verändernden Zustand und die Rückkopplung der Benutzerschnittstelle zu steuern und festzulegen, welche Funktionen des Systems für den Benutzer zu jeder gegebenen Zeit zur Verfügung stehen.
Modellbetrachtungsmodul
Der Modellbetrachtungsmodul umschliesst alle Funktionalität, die die Anzeige der Objektedatenbank und die Anzeige von Rückkopplung und Hilfsdaten in der Objektszene betrifft. Der grösste Teil der Grundfunktionalität steht durch Inventor zur Verfügung, aber eine starke Kapselung dieses Moduls soll eine Abhängigkeit von Inventor verhindern.
Die Auslese von Objekten in einer Szene sollte von einem separaten Modul aus erfolgen (der in einer vereinfachten Implementierung die Auslesefunktionalität dieses Moduls aufruft), um die Implementierung schneller Auslesemechanismen unter Verwendung einer Raumdatenbank zu ermöglichen.
Dieser Modul besteht aus Teilen wie:

– Konstruktion visueller Objektschnittstellen aus geometrischen Objekten
– Szenenwiedergabe
– Einstellung von Wiedergabeoptionen (Beleuchtung, Schattierung, Textur usw.
– Änderung des Standpunkts
– Hervorhebe- und Feedbackoperationen

Der Modellbetrachtungsmodul steht in enger Wechselwirkung mit dem Benutzerschnittstellenmodul, um eine interaktive Betrachtung zur Verfügung zu stellen. Wegen der interaktiven Betrachtungsfunktionalität, die durch den Inventor-Viewer zur Verfügung gestellt wird, kann eine Trennung von interaktiver Blickmanipulation (die typischerweise zum Benutzerschnittstellenmodul gehört) von der Szenenverwaltung schwierig oder möglicherweise unerwünscht sein. Der Benutzerschnittstellenmodul wird auf durch diesen Modul zur Verfügung gestellte Funktionalität zurückgreifen, um Rückkopplung innerhalb der Szene zu liefern, indem Operanden zu Werkzeugen, ausgewählten Objekten usw. angezeigt werden.
Der Modellbetrachtungsmodul ist eng mit dem Datenbankmodul und den darin enthaltenen geometrischen Objekten gekoppelt. Geometrische Objekte werden in der Datenbank und der Szene separat gespeichert, so dass Sorge getragen werden muss, die Konsistenz der Objektdatenbank mit der durch den Benutzer betrachteten Szene zu gewährleisten. Diese Trennung ermöglicht Operationen wie die Betrachtung von Untermengen der Datenbank, die Hervorhebung eines Objekts als Rückkopplung zu einem Werkzeug und die intuitive Verwendung räumlicher Hierarchien innerhalb der Datenbank.
Finite-State-Machine-Modul
Der Finite-State-Machine-Modul (FSM-Modul) umschliesst die Idee eines erweiterbaren Systems, um eine Sammlung von Zuständen, in diesen Zuständen ausgeführten Aktionen, erlaubten Übergängen zwischen Zuständen und Entsprechungen zwischen Ereignissen und Übergängen zu beschreiben. Der Benutzerschnittstellenmodul greift stark auf den FSM-Modul zurück, um festzustellen, welche Werkzeuge und Objekte zu jeder gegebenen Zeit zur Auswahl stehen.
Der Finite-State-Machine-Modul besteht aus Teilen wie:

– Event-Handling
– Werkzeuge als nicht zugänglich markieren (grau darstellen)
– Nach einem Fehler den richtigen Zustand einstellen
– Implementierung von Aufrufwerkzeugen
– Anzeige von Handling-Operanden

Der Finite-State-Machine-Modul ist wegen der Notwendigkeit einer exakten Vorgabe des Zustandes der Benutzerschnittstelle schwierig, obwohl diese erweiterbar ist. Daher können Menüteile für ein Werkzeug, das vielleicht nicht existiert, während ein anderes Werkzeug geschaffen wird, grau erscheinen, wenn dieses andere Werkzeug ausgewählt wird.
Datenbankmodul
Der Datenbankmodul umschliesst die Speicherung und Wiedergewinnung der durch die Anwendung erzeugten Daten. Er sollte in durchsichtiger Art und Weise einen raschen Zugriff auf diese Daten liefern, gleichviel ob sie auf Festplatte oder im Speicher gespeichert sind. Dieser Modul sollte so ausgelegt werden, dass ein Client-Server-Modul ermöglicht wird, in dem mehrere Clienten an der gleichen Datenbank tätig sind.
Ein Schema für die Herausnahme von Objekten zur Verwendung in einer Operation erscheint ebenso wie eine Möglichkeit des Lachens (unter der Annahme, dass Festplattenunterstützung für die Datenbank zur Verfügung steht) als notwendig. Die Datenbank sollte eine allgemeine Struktur liefern, der für einen effizienteren Betrieb eine räumliche Hierarchie auferlegt werden kann. Eine strukturelle Hierarchie und ein Instancing sollten ebenfalls zur Verfügung stehen.
Der Datenbankmodul besteht aus Teilen wie:

– Hinzufügen geometrischer Objekte und Bilder zur Datenbank
– Zurückgewinnung geometrischer Objekte und Bilder aus der Datenbank
– Festplattenspeicherung und Cachen
– Eingabe/Ausgabe von Objekten in die/aus der Datenbank für Editieroperationen

Der Datenbankmodul wird eng mit einem gossen Teil des Systems gekoppelt sein. Alle Moduln, die geometrische Objekte verarbeiten, sind mit diesem Modul gekoppelt.
Eingabe-Ausgabe-Modul
Der I/O-Modul umschliesst den Übergang der geometrischen Datenbank von einem Laufzustand in einen Ruhezustand und zurück. Der I/O-Modul umschliesst auch die Übersetzung einer geometrischen Datenbank in verschiedene CAD-Formate Dritter (DXF usw.) sowie den Aufbau einer internen geometrischen Datenbank aus solchen Formaten.
Der I/O-Modul besteht aus Teilen wie:

– Datenbank sichern/laden
– Sichern als ...
– Importieren aus ...

Der I/O-Modul ist eng mit dem Datenbankmodul und mit dem Modul geometrischer Objekte gekoppelt.
Modul geometrischer Objekte
Der Modul geometrischer Objekte umschliesst die verschiedenen geometrischen Primitive, die durch das System unterstützt werden. Der Modul wird Untermoduln für jeden der Primitiven enthalten und die Grundfunktionalität zur Verfügung stellen, die durch die verschiedenen Werkzeuge im Werkzeugmodul zugänglich ist. Die Primitiven sollten ein ziemlich kleiner, endlicher Satz von Objekten sein. Zusätzlich wird es ein Gruppenobjekt geben, das eine Sammlung primitiver Objekte ist. Es ist nicht wünschenswert, ein Primitiv für jedes mögliche interessierende Objekt (Rohrleitungsknie, Leiter uws.) zu haben.
Der Modul geometrischer Objekte wird eng mit dem Datenbankmodul wechselwirken, der die dauerhafte Speicherung von geometrischen Objekten und den Beziehungen zwischen ihnen liefert (siehe auch Abhängigkeitsmodul). Der Modul geometrischer Objekte wird auch eng mit dem Modellbetrachtungsmodul Wechselwirken, der eine parallele visuelle Darstellung von geometrischen Objekten speichert und anzeigt. Der grösste Teil der Systemfunktionalität für geometrische Objekte wird in Werkzeugen innerhalb des Werkzeugmoduls verkapselt sein, so dass zum Beispiel bei Vorgabe von zwei Ebenen ein Werkzeug für Linien aus zwei Ebenen einen Linienconstructoraufruf erzeugt, statt dass ein Constructor zu einem Linienobjekt hinzugefügt wird, um eine Linie aus zwei Ebenen zu erzeugen. Hier wird ein Modell befolgt, das eine Erweiterbarkeit nicht durch die Veränderung existierender primitiver Objekte, sondern durch das Hinzufügen neuer Werkzeuge unterstützt.
Der Modul geometrischer Objekte besteht aus Teilen wie:

– Facetten-, Punkt-, Kanten-, Linien- und Zylinderkonstruktion
– Erzeugung von Aufrufen an den Modellbetrachtungsmodul, um die Anzeige eines Objekts zu schaffen
– Veränderungen an einem Objekt wie Position, Ausrichtung, Farbe usw.
– Abfragen bezüglich der Geometrie eines Objekts wie zum Beispeil der Umgrenzungsbox

Abhängigkeitsmodul
Der Abhängigkeitsmodul umschliesst die Idee einer historischen Genese der geometrischen Datenbank. Objekte werden aus anderen Objekten erzeugt, und das System zeichnet diesen Erzeugungsprozess so auf, dass er automatisch wiederholt werden kann, wenn an den Vorfahren bestimmter Daten Änderungen oder Hinzufügungen angebracht werden.
Dieser Modul steht in enger Wechselwirkung mit dem Datenbankmodul und wird seine Daten darin speichern. Die Abhängigkeitsinformation ist ein Teil des geometrischen Moduls und muss dauerhaft gespeichert werden. Eine starke Verkapselung dieser Abhängigkeitsdaten ist wünschenswert, damit geometrische Primitive keine Daten über ihre Genealogie zu unterhalten brauchen.
Der Abhängigkeitsmodul besteht aus Teilen wie:

– Aufzeichnung der Operationen und Operanden, die für die Erzeugung eines geometrischen Objekts erforderlich sind
– Regeneration aller Nachkommen eines veränderten Objekts

Undo-Modul
Der Undo-Modul umschliesst die Laufzeitgeschichte eines Benutzers an einer geometrischen Datenbank. Der Undo-Modul zeichnet einen Stapel von Aktionen auf, die erforderlich sind, um Operationen in der umgekehrten Reihenfolge ihrer Ausführung durch einen Benutzer rückgängig zu machen. Jedes ein Undo ermöglichende Werkzeug im Werkzeugmodul wird einen Aufruf mit Operanden zur Verfügung stellen, die die Aktionen dieses Werkzeuges umkehren, wenn betätigt.
Der Undo-Modul liefert Funktionalität, um

– die Undo-Aufrufe und Operanden zu speichern
– diese Undo-Aufrufe auf Anfrage hin anzuwenden und einen Redo-Stapel zu erzeugen

Der Undo-Modul steht in enger Wechselwirkung mit dem Werkzeugmodul, da jedes undo-bare Werkzeug geeignete Aufrufe an den Undo-Modul liefern muss. Obwohl mit dem Datenbankmodul in enger Wechselwirkung stehend, speichert der Undo-Modul seine Daten nicht im Datenbankmodul, da es keine im geometrischen Modell benötigte Information aufzeichnet, sondern eine Sitzung mit einem Benutzer.
Werkzeugverwaltermodul
Der Werkzeugverwaltermodul umschliesst, was an erweiterbarer Funktionalität für den Benutzer zur Verfügung gestellt wird. Der Werkzeugmodul ist der Schlüsselpartner für die Erweiterbarkeit des Systems. Das Hinzufügen einer neuen Funktionalität zum System fällt mit dem Hinzufügen eines neuen Werkzeugs zusammen.
Von den Werkzeugen wird erwartet, dass sie eine Standardmethode des Aufrufs, eine Methode der Auswahl von Parametern, eine Erweiterung der Benutzerschnittstelle, eine Erweiterung des Hilfesystems und eine Implementierung der Werkzeugfunktionalität liefern. Werkzeuge müssen den Benutzerschnittstellenmodul und den Modellbetrachtungsmodul anweisen, dem Benutzer geeignete Rückkopplung zu liefern und Abbruch durch den Benutzer oder interne Fehler (siehe Fehlermodul) elegant zu handhaben.
Der Werkzeugverwaltermodul besteht aus Teilen wie:

– ein Werkzeug mit der Anwendung zur Deckung bringen
– ein Werkzeug aufrufen, wenn durch die Benutzerschnittfläche verlangt
– neu auslegen, wie ein Werkzeug aufgerufen wird

Der Werkzeugverwaltermodul steht in enger Wechselwirkung mit dem Benutzerschnittstellenmodul und mit dem Finite-State-Machine-Modul sowie mit dem Werkzeugkitmodul, der die eigentlichen Werkzeuge zur Verfügung stellt, die der Werkzeugverwalter verwaltet. Der Finite-State-Machine-Modul lässt den Werkzeugverwalter Anweisungen an den Benutzerschnittstellenmodul geben, wie dieser sich verhalten soll, wenn ein Werkzeug ausgewählt oder benutzt wird.
Werkzeugkitmodul
Der Werkzeugkitmodul ist eine erweiterbare Sammlung von Werkzeugobjekten, deren jedes zur Verwaltung an den Werkzeugverwaltermodul übergeben werden kann. Werkzeuge umschliessen die Funktionalität des System, das dem Benutzer zur Verfügung gestellt wird. Jedes Werkzeug stellt eine Standardmethode des Aufrufs, eine Methode für die Parameterauswahl, eine Erweiterung der Benutzerschnittstelle (über den FSM-Modul) für werkzeugspezifische Rückkopplung zum Benutzer, eine Erweiterung des Hilfesystems und eine Implementierung der Werkzeugfunktionalität (einschliesslich der Aufrufe des Datenbankmoduls und des Moduls geometrischer Objekte, Geometrie zu erzeugen, zu vernichten und zu editieren) zur Verfügung.
Der Werkzeugkit besteht aus allen Teilen der Systemfunktionalität, die nicht an anderer Stelle in der Auslegung[sbeschreibung] beschrieben sind.
Fehlermodul
Der Fehlermodul umschliesst den allgemeinen Fehlerbehandlungsmodul des Systems. Dieser Modul wird überall im System verwendet werden und wird es ermöglichen, Fehlerhandler, das Berichten von Fehlern an den Benutzer (über Aufrufe des Benutzerschnittstellenmoduls), das Hinzufügen von Feststellungen innerhalb des Codes und die Meldung von Fehlern bei falsch getroffenen Feststellungen zur Verfügung zu stellen. Dieser Modul wird wahrscheinlich das Hinzufügen einiger Grundkonstrukte zum Kodierparadigma erfordern.
Der Fehlermodul besteht aus Teilen wie:

– Fehlerhandlern
– Feststellungen
– Fehlermeldung
– Fehlerberichten

Der Fehlermodul wird mit allen Moduln des Systems in Wechselwirkung treten und muss so implementiert werden, dass seine Gegenwart für den Programmierer so wenig aufdringlich wie möglich erscheint.
Hilfemodul
Der Hilfemodul umschliesst eine erweiterbare, kontextempfindliche Online-Anleitung. Das Hilfesystem wird sowohl eine seitenorientierte allgemeine Anleitung als auch abgekürzte Kontexthilfeinformation („Was tue ich jetzt?") liefern. Jedes Werkzeug wird eine Erweiterung des Hilfesystems sowie Verknüpfungen zu dieser Erweiterung innerhalb seiner Finite-State-Machine liefern, um Kontextempfindlichkeit zu ermöglichen.
Der Hilfemodul besteht aus Teilen wie:

– Anzeige und Surfen von Hilfeseiten
Katalogisierung und Suche von Hilfeinformation
– Interaktive Bildschirm-Hilfenachrichten

Der Hilfemodul wird mit dem Werkzeugkitmodul und dem Werkzeugverwaltermodul sowie auch mit dem Benutzerschnittstellenmodul in enger Wechselwirkung stehen.
Datensammelmodul
Der Datensammelmodul umschliesst die Erfassung von Daten aus der physischen Welt. Datenerfassungsgegenstände wie Scanner und Kameras sind Objekte innerhalb dieses Moduls. Der Datensammelmodul liefert eine Sammlung von Befehlen, die an einem Stück der Datensammelhardware ausgeführt werden können, sowie Mechanismen für die Rückgabe von Daten durch die Hardware zum System. Ein erweiterbares Datensammelsystem würde verlangen, dass die Datensammelhardware eine Benutzerschnittstellenerweiterung zur Verfügung stellt, um Parameter für diese Hardware auszuwählen oder diese Hardware anzuweisen, Datensammelaufgaben auszuführen.
Der Datensammelmodul besteht aus Teilen wie:

– Kommunikation mit Kameras und Scannern
– einer Benutzerschnittstelle für die Erzeugung von Befehlen und den Datenempfang von den Vorrichtungen
– Aufruf der Systemfunktionalität, Daten zur Datenbank hinzuzufügen

Der Datensammelmodul steht in enger Wechselwirkung mit dem Datenbankmodul und mit dem Benutzerschnittstellenmodul.
Registriermodul
Der Registriermodul umschliesst den Prozess, zwei geometrische Datenbanken in Register zu bringen und zu kombinieren. Der Registriermodul schliesst ein Verfahren zur Auswahl von zwei geometrischen Datenbanken, ein Verfahren zur Vorgabe von Entsprechungen zwischen den Datenbanken und ein Verfahren für den Aufbau einer zusammengefassten geometrischen Datenbank aus zwei getrennten geometrischen Datenbanken ein.
Der Registriermodul steht in enger Wechselwirkung mit dem Datenbankmodul und mit dem Benutzerschnittstellenmodul.
Schichtenmodul
Der Schichtenmodul umschliesst die Gegenwart von mit Namen versehenen Sätzen von Objekten innerhalb einer geometrischen Datenbank und eine Sammlung von Werkzeugen, die die selektive Anzeige und Bearbeitung solcher Sätze ermöglichen. Der Inhalt dieses Moduls ist derzeit schlecht definiert.
Es wäre zu erwarten, dass der Schichtenmodul in enger Wechselwirkung mit dem Datenbankmodul und dem Modellbetrachtungsmodul steht.
Modul abstrakter Datentypen
Der Modul abstrakter Datentypen umschliesst eine Sammlung allgemein einsetzbarer, abstrakter Datentypen, die von den für diese Anwendung spezifischen Datentypen getrennt werden können.
Der Modul abstrakter Datentypen besteht aus Teilen wie:

– Stapel
– Warteschlange
– Einfach und doppelt verknüpfte Listen
– Hashtabelle
– Heapspeicher

Der Modul abstrakter Datentypen wird in praktisch jedem anderen Modul verwendet werden.
Zusammenfassung der vorgeschlagenen CGP-Leistungsbeschreibung
Leistungsumfang intelligenter Elemente

1. Geometrie wird anfänglich als eine Punktwolke dargestellt; später als ein Mesh, ein von einer Bibliothek oder einem Katalog kopiertes, detailliertes Modell oder als ein interaktiv erzeugtes, vereinfachtes Modell.
2. Diese Geometrie kann mit Farbe, Intensität, Textur oder sogar Videodaten überhöht werden, die zu den individuellen Oberflächen des Elements hinzugefügt werden.
3. Mehr als eine Darstellung ist für jedes Element möglich. Zuerst können mehrere geometrische Proxies auf verschiedenen Ebenen der Vereinfachung oder aber Abstraktionen existieren, die gewählt werden können, um die Wiedergabe effizienter und die erzeugten Ansichten weniger überfrachtet zu gestalten. Weiter können symbolische Darstellungen für schematische Wiedergaben wie Stockwerkpläne, Aufrisse oder isometrische Rohrzeichnungen existieren. Es existieren eventuell sogar intelligente Modelle, die für bestimmte Arten von Simulationen geeignet sind.
4. Elemente können für ihre Klassifizierung mit Tags oder „Schichten"-information versehen werden. Bei der Erstellung eines Modells für eine Produktionsstätte oder Raffinerie kann der Benutzer Tags aus früher definierten hierarchischen Menüs wählen; zum Beispiel könnten für die erste Ebene gewählt werden:
• Tragende Struktur – Wartungskorridore – Rohrsysteme – andere ... Auf einer zweiten Ebene innerhalb der Kategorie der „Rohrsysteme" könnten zu finden sein:
• Dampf – Wasser – Gas – Öl – Alkohol ...
5. Willkürliche Textinformation kann über ein Textfenster an jedes Element angefügt werden. Diese kann zusammenfassende Information aus einem Katalog oder Anmerkungen zur Modellierung enthalten.
6. Elemente können mit anderen Daten verknüpft werden, die in externen Datenbanken enthalten sind, wie der Typ eines Ventils oder einer Pumpe, deren Nennleistung, Hersteller, Wartungsplan usw. Diese Daten aus einer externen Datenbank können die Gestalt einer hyperverknüpften Datenbank haben. Sie wird im Kontext des Viewers für diese Datenbank betrachtet und durchgeblättert.
7. Es könnte nützlich sein, explizite Connectivity-Information zu besitzen. Während die logische Verbindung zwischen Rohrleitungen oder elektrischen Leitungen ausserhalb der anfänglichen Aufgaben der CGP sein mag und später aus den impliziten geometrischen Beinahe-Übereinstimmungen bestimmter Elemente abgeleitet werden könnte, ist es vielleicht nützlich, solche Nachbarschaftsinformation zu sichern, wenn sie zuerst aufgefunden wird. Wenn zum Beispiel ein zusammenhängendes Mesh in mehrere Elemente wie eine Pumpe, ein Rohr und ein Ventil aufgelöst wird, könnten die Schnittlinien des anfänglichen Meshes verwendet werden, um explizite Information über die Berührungsstellen zwischen den Teilen, denen diese Schnittlinien gemein sind, zu erstellen. Diese Information wird es später ermöglichen, den Verlauf verbundenen Rohrleitungselemente sehr viel wirkungsvoller zu finden und herauszuziehen.

Funktionalität des Gesamtsystems
Verwaltungswerkzeuge

1. Auf dem Niveau des Gesamtsystems („OS": overall system) stellt das System die Befähigung zur Verfügung, die Scanverwaltung und die Videoaufnahmen zu steuern. Später stellen wir vielleicht eine Benutzerschnittstelle zur Verfügung, um stärker selektive Möglichkeiten zur Verfügung zu stellen, die Gebiete anzuzeigen, die gescannt werden müssen. Eine Option ist das Paradigma des „dicken Pinsels", wobei der Benutzer Besonderheiten umringt, die in das Modell aufgenommen werden sollten; das System sucht und findet dann die entsprechenden Besonderheiten in der Wirklichkeit und wählt automatisch einen geeigneten Scanbereich für die ausgewählte Kante, Rohrleitung oder Doppel-T-Träger aus.
2. Ebenfalls auf dem OS-Niveau stellt das System die Befähigung für ein wirksames Multitasking zur Verfügung, so dass mehrere Fenster gleichzeitig geöffnet werden können, die Einblick in einen oder mehrere Kataloge oder Datenbanken gewähren, während ein Scanprozess oder eine Modellierungsoperation im Gange sind.
3. Es wird Möglichkeiten für die Datenverwaltung der gescannten Sätze von Punkten und für gesammelte Videobilder geben, ebenso Möglichkeiten, diese zu etikettieren und für Archivzwecke abzulegen.

Modellierwerkzeuge

4. Auf dem Niveau der „reinen Geometrie" ermöglichen Grundwerkzeuge eine Auswahl von Untermengen der gescannten Punkte und eine manuelle Seg mentierung. Meshes können über die gescannten Punkte gepasst und heuristisch an möglichen Horizontlinien unterbrochen werden, wo plötzliche, dramatische Veränderungen in den Tiefenkoordinaten auftreten. Wenn erforderlich, können diese Meshes vereinfacht werden. Ebene Polygone können an ausgewählte Anteile dieser Meshes oder an Untermengen der ursprünglichen gescannten Punkte angepasst werden. Vermessungspunkte können etabliert werden; Linien zwischen ihnen können gezeichnet werden; und Bruchlinien zwischen Polygonen oder Anteilen eines Meshes können angelegt werden.
5. Auf dem Niveau der „diskreten Elemente" erlauben Werkzeuge, dass Sammlungen reiner geometrischer Teile zusammengefasst und als ein Element benannt werden, das dann mit weiteren Daten versehen werden kann. Abschnitte eines Meshes könnten durch Modelle aus einem Katalog oder einer Bibliothek oder mit einem symbolischen geometrischen Proxy ersetzt werden. Rückseiten sollten eventuell solchen Modellen intelligent hinzugefügt, Ausreisser-Punkte eliminiert und das Modell allgemein gesäubert und bestimmten Konsistenzprüfungen unterworfen werden.
6. Diese Elemente können mit Farb-, Intensitäts-, Textur- oder Texturbelegungsinformation versehen werden. Weitere Attribute können diesen Objekten zugewiesen werden, und verschiedene Arten von Verknüpfungen können hergestellt werden.
7. Sätze von Objekten können interaktiv ausgewählt und hierarchisch gruppiert werden.
8. Eine Ansichtenintegration zwischen von verschiedenen Kamerastellungen aus aufgenommenen Ansichten wird zur Verfügung gestellt:
• Paarweise Ansichtenausrichtung auf der Basis von Registermerkmalen oder auf der Basis eines Optimierungsprozesses, mit dem versucht wird, überlappende Anteile zweier Meshes durch Minimierung ihrer gegenseitigen Abstände in Register zu bringen.
• Datenmerging durch gewichtete Durchschnittswertbildung von Lageparametern diskreter Elemente oder durch Zusammenziehen zweier überlappender Meshabschnitte.
• Herstellung eines globalen Abschlusses durch intelligente Verteilung des Abschlussfehlers über zuvor aufgestellte paarweise Ansichtendeckungen. <Dies ist ein schwieriges Problem, über das sorgfältig nachgedacht werden muss.>

Visualisierung

9. Zu jeder beliebigen Zeit während des Prozesses der Datenerfassung oder der Modellierung können die vorhandenen geometrischen Daten interaktiv entweder in einem „Crystal-Ball/Modell-in-der-Hand"-Paradigma oder in einem „Walkthrough"- (Durchwander-) Modus betrachtet werden. Zu einem späteren Zeitpunkt werden wir die geeigneten räumlichen Datenstrukturen und Verwaltungsschemata hinzufügen, um ein Walkthrough bei interaktiven Geschwindigkeiten zu ermöglichen, selbst wenn das Modell sehr gross ist (mehr als 1 000 000 Polygone).
10. Verschiedene Moden für die Datenwiedergabe werden zur Verfügung gestellt werden: Punktwolke – Wireframe – versteckte Linien eliminiert, schattierte, aber als Silhouette sichtbare Gesichter zeigend – flach schattierte Facetten – nach Gouraud weich schattierte Meshes.
11. Schematische und symbolische Darstellungen wie Stockwerkpläne und Aufrisse werden zur Verfügung stehen, die 2D-Proxies für verschiedene Komponenten verwenden können, um das Ergebnis effizienter und wirksamer zu machen. Mittelliniendarstellungen für Rohrleitungen oder symbolische Momentenrahmengitter für Stahlstrukturen können vorhanden sein. Auch ISO-Zeichnungen von Rohren und vielleicht PID-Prozesszeichnungen können vorhanden sein.

Datenbankabfragen

12. Geometrische Information kann jederzeit aus dem Modell herausgezogen werden. Schnitte können hergestellt und die Entfernungen zwischen zwei Punkten oder Winkel zwischen zwei Ebenen herausgezogen werden.
13. Durch die Auswahl diskreter Elemente auf bestimmte Art (z.B. Doppelklick) kann die Information über Attribute, die mit einem solchen Element verbunden ist, aus der Datenbank geholt werden. Wenn diese Information umfangreich ist und als hyperverknüpftes Dokument formatiert ist, dann wird der entsprechende Datenbankbrowser geöffnet und die Stammseite für dieses Objekt präsentiert.

Datenaustausch mit anderen Systemen

14. Daten, die innerhalb der CYRAX CGP erzeugt wurden, können in einem ASCII-Textformat als „.crx"-Dateien exportiert werden. Das .crx-Format sollte in der Lage sein, alle Daten zu kodieren, die im CYRAX-Modell unabhängig enthalten sind. Dadurch sollten anspruchsvolle Benutzer in die Lage versetzt werden, externe Programme aufzubauen, die die CYRAX-Modelle nach spezialisierten Analysen (wie Abzählung aller Elemente eines bestimmten Typs) durchsuchen oder globale Modifizierungen eines solchen Modells (zum Beispiel den Ersatz aller Doppel-T-Träger eines bestimmten Typs) ausführen können, ohne irgendein anderes Datenbanksystem heranziehen zu müssen.
15. Wir werden einige Umsetzer für existierende beliebte Datenbanken wie AutoCAD oder MicroStation zur Verfügung stellen, die die im .crx-Datenstrom enthaltene Information richtig in diese Datenbanken einfügen werden. Umgekehrt werden wir auch einige Umsetzer zur Verfügung stellen, die für CYRAX CGP relevante geometrische Information herausziehen und in unsere eigene Modellierumgebung einbringen.
16. Am Anfang planen wir nicht, eine vollständige, intelligente Produktmodelldatenbank zur Verfügung zu stellen, in der sämtliche zusätzliche Information gespeichert werden kann, die mit irgendeinem diskreten Modellelement verbunden ist; wir bauen darauf, dass die Benutzer von CYRAX ihre eigenen, etablierten Datenspeichereinrichtungen verwenden. Wir werden aber die Möglichkeit schaffen, über ein auf dem OS-Niveau geöffnetes, getrenntes Fenster Zugang zu solchen Datenbanken zu erlangen. Verknüpfungen zwischen nicht zu CYRAX gehörenden Daten kann dann direkt innerhalb dieser externen Datenbanken zwischen der geometrischen Darstellung eines Modellteils und beliebigen anderen Einträgen in der Datenbank, die relevant erscheinen, hergestellt werden.

Benutzerschnittstellenparadigmen

17. Wir planen, eine saubere, auf Fenstern beruhende Benutzerschnittstelle zur Verfügung zu stellen, die (so weit wie es vernünftig erscheint) die etablierte Wechselwirkungskultur bei MicroStation und AutoCAD nachahmt. Das bedeutet, Icon-Paletten, Pull-down-Menüs sowie Tastatur-Kürzel zu verwenden.
18. Im Bereich des Grafik-Editings werden wir „Snap-Dragging"-Verhalten zur Verfügung stellen, um Präzision und Geschwindigkeit in einer effizienten und benutzerfreundlichen Weise zu kombinieren.
19. Für einige Anwendungsgebiete werden wir spezielle „Objektassoziationen" entwickeln, die eine Verhaltensheuristik liefern werden, mit der die Anzahl von Mausklicks, die ein Benutzer ausführen muss, um ein konkretes Ziel zu erreichen, bzw. die Anzahl von Freiheitsgraden minimiert werden kann, die ein Benutzer explizit in jeder Modellierungsoperation kontrollieren muss. Wir erwarten, dass die höheren symbolischen Darstellungsniveaus eines intelligenten Produktmodells zu interessanten Herausforderungen führen werden, wie die Eingabe komplexer Daten so einfach wie möglich gestaltet werden kann.

von Alonzo C. Addison peripher beruhend auf: ,Voeller Spec', von JSD, 9. Juli 1995 ,surface.txt', von MB und Mitautoren, 1. August 1995 ,Datenbankthemen', von MB und Mitautoren, 30. Oktober 1995 ,CGP-Paradigmen', von MB und Mitautoren, 27. November 1995 ,Cyrax-Datenbankthemen', von CS, 23. Januar 1996 Vorschläge ,Fluor' und ,Chevron', Januar 1996 Systemfunktionalitätsdiskussion von BK, CS, ACA, gegen Ende Januar 1996

Produktübersicht
Die Field Digital Vision- (FDV: digitales Feldsehrvermögen) Einheit von Cyra Technologies stellt eine tragbare, schnelle und genaue Scantechnologie für Laserentfernungsmessungen im Feld zur Verfügung. Wie eine dreidimensionale Kamera wird das FDV auf ein Ziel gerichtet, das es dann scannt, um ein Entfernungsbild zu erzeugen. Ein Entfernungsbild ist wie ein digitales photographisches Bild, ausser dass jedes Pixel im Bild kein zweidimensionaler Farbpunkt, sondern ein Punkt im Raum ist. Das FDV ermöglicht es einem Benutzer, rasch dreidimensionale Daten über ein Objekt zu erfassen, indem Tausende von Punkten von diesem Objekt erfasst werden.
Solche Daten sind der Startpunkt für eine Vielzahl von Modellierungs-, Entwurfs- und Dokumentierungsaufgaben. Der Computer Graphics Perception- (CGP: graphische Computer-Wahrnehmung) Softwarekit liefert die erforderliche Funktionalität, um Sammlungen von Entfernungsbildern in intelligente dreidimensionale Modelle umzuwandeln. Diese Modelle können durch Vermesser erzeugt werden, während das FDV die Entfernungsbilder erzeugt, oder sie können aus den erfassten Daten durch CAD-Techniker im Büro erzeugt werden. Wegen des breiten Bereichs von Modellierungsaufgaben, -anforderungen und -paradigmen in den verschiedenen Gruppen, die sich mit dreidimensionalem Modellieren beschäftigen, ist die CGP so ausgelegt, dass ein allgemeiner Rahmen unterstützt wird, der leicht mit Standard-CAD-Werkzeugen, Software für Einrichtungsverwaltung und intelligente Modellierumgebungen integriert werden kann.
Die Funktionalität der CGP führt den Benutzer vom Entfernungsbild bis zu vollständigen, kommentierten intelligenten Modellen. Die Struktur, Einzelheiten und Inhalt des sich ergebenden Modells befinden sich unter der vollen Kontrolle des Benutzers und ermöglichen die Erzeugung von Modellenp, die von einer schnellen 10-Minuten-Visualisierung bis zu vielschichtiger intelligenter Einrichtungsdokumentation reicht. Die verschiedenen Formen des Modellierens, die verfügbar sind, lassen sich leicht und folgerichtig integrieren und ermöglichen die Koexistenz interessierender hoch detaillierter, kommentierter Untermodelle und automatisch erzeugter Shrinkwrap-Modelle niedriger Auflösung von ,Kontext'-Strukturen, die nur als Visualisierungshilfe dienen können.
Rahmen
Die CGP ist um eine Datenbank herum strukturiert (1). Die in der Datenbank gespeicherten Daten können von verschiedenen Quellen kommen, darunter rohe Entfernungsscans und Videobilder, die durch das FDV erzeugt wurden, geometrische Gebilde, die durch den CGP-Modellierprozess erzeugt wurden, geometrische Gebilde und damit verbundene, aus Katalogen importierte Produktedaten sowie Kommentierungsdaten wie Daten über die Wartung von Einrichtungen. Daten in der Datenbank werden entweder als ,intern' oder ,extern' klassifiziert, je nachdem ob der Inhalt der Daten für das CGP-System eine Bedeutung hat oder nicht. Interne Daten wie die Geometrie, Scanpunkte und geometrische Kommentare werden direkt von der CGP als Allzweckdaten verwendet, die gebraucht werden, um die Modellierbedürfnisse eines breiten Kreises von Benutzergemeinschaften zu erfüllen. In der Datenbank gespeicherte externe Daten sind nur im Zusammenhang mit allgemeinen Datenbankabfragen oder externer, anwendungsspezifischer Software von Bedeutung. Beispiele externer Daten sind zum Beispiel das Datum, an dem eine Pumpe in einer chemischen Anlage gewartet worden ist, der Hersteller eines bestimmten Teils oder der Zeiger zur Homepage des Konstrukteurs eines Architektursubsystems. Während interne Daten auf externe Datenelemente Bezug nehmen können, hat die CGP keine Möglichkeit, diese Daten zu verstehen, zu manipulieren oder zu präsentieren und muss sich auf externe Abfragen und externe Softwarepakete verlassen, um sie zu nutzen. Eine vollständigere Beschreibung dieses Konzepts wird im Abschnitt über „Intelligente Modellierung" vorgelegt.
Figur 1: Der Rahmen
Der Prozess der Umwandlung von Entfernungsdaten in dreidimensionale Modelle, der typischerweise Realitätserfassung genannt wird, erscheint links von der Datenbank in 1. Rechts von der Datenbank finden sich zwei Aufgabentypen: Aufgaben, die die Vorlage der Daten an eine Benutzergemeinschaft beinhalten (die von einer einzel nen Person bis zu jeder Abteilung in einem chemischen Werk reichen kann), und Aufgaben, die den Import und Export von geometrischen Daten von und zu anderen Quellen beinhaltet. Diese Aufgaben sind nicht spezifisch für die Verwendung der FDV und beinhalten keine geometrische Konstruktion und Manipulation durch den Benutzer.
Der Realitätserfassungsprozess unterteilt sich in zwei Prozesse: Scannen und Modellieren. Die CGP liefert alle notwendigen Steuerungen, um den FDV-Scanner zu betreiben und Videobilder sowie Entfernungsscans zu erfassen, die beide in der Datenbank archiviert werden. Eine Kontrolle über die Menge der gesammelten Daten, die Auflösung dieser Daten und den genauen, zu scannenden Bereich wird dem Benutzer durch die Scansteuerwerkzeuge zur Verfügung gestellt.
In Abhängigkeit vom Typ des gewünschten Modells und vom Inhalt der Szene, die modelliert wird, werden durch die CGP drei Werkszeugkits zur Verfügung gestellt, um Entfernungsscans zu geometrischen Modellen zu entwickeln. Jeder dieser Werkzeugkits ist für einen besonderen Stil des geometrischen Modellierens optimiert, und daher wird erwartet, dass verschiedene Werkzeugskits für verschiedene Teile der Modellieraufgabe eingesetzt werden. Der Visual Magic-Werkzeugkit liefert die Funktionalität einer raschen Meshbildung für Allzweck-Modellkonstruktion von komplizierten Objekten oder Szenen. Der Prefab Lab-Werkzeugkit liefert Mechanismen für den Ersatz von Entfernungs- und Meshdaten durch vorgefertige Teile, deren Modelle aus externen Katalogen eingegeben werden oder Instanziierungen von Objekten sind, die unter Verwendung der CGP erzeugt worden sind. Der Structure Shop-Werkzeugkit liefert Punkt-, Linien- und Ebenenprimitive und verschiedene euklidische Operationen an diesen Primitiven, die für die Konstruktion einer einfachen strukturellen Geometrie wie zum Beispiel Architekturstrukturen nützlich sind. Im Abschnitt über „Objekttypen" wird eingehend beschrieben werden, dass Vorkehrungen für eine Interoperabilität der drei Werkzeugkits dem Benutzer des Systems ermöglichen zu wählen, welcher Werkzeugkit für eine gegebene Aufgabe zweckmässig erscheint, und um die Ergebnisse der verschiedenen Werkzeugkits dann zu einem einzigen, kohärenten Modell zu integrieren.
Das Anfrage- und Darstellungssystem ist ein visuelles Frontend der Datenbank, das es Benutzern ermöglicht, die externen Daten in der Datenbank zu betrachten, abzufragen und zu vermehren. Der Benutzer wird die Möglichkeit haben, durch die erzeugten Modelle und Untersysteme zu wandern, Teile der Datenbank zu visualisieren oder einfache Strukturdiagramme zu erzeugen. Externe Information wie Wartungspläne, die Namen von Untersystemen und Verweise auf andere Datenbanken können mit Objekten in der CGP-Datenbank verbunden werden. Diese Daten können während des ganzen Lebenszyklus des Echtweltsystems, das die Datenbank darstellt, durch eine Benutzergemeinschaft abgefragt, wiedergewonnen und aktualisiert werden.
Das Datenaustauschsystem ermöglicht es, die CGP mit vorhandenen CAD-Systemen zu koppeln. Diese Kopplung kommt in Gestalt von Datenumwandlungsroutinen zu und von verschiedenen CAD-Formaten zustande. Verkaufskataloge für Teile, die nicht unter Verwendung des FDV und der CGP erzeugt worden sind, können zur Verwendung im Prefab Lab in das System importiert werden. Ein Teil, das umkonstruiert werden muss, kann aus der CGP-Datenbank zu AutoCAD oder anderen CAD-Paketen zur Überarbeitung exportiert und dann in die CGP-Datenbank zurück importiert werden.
Die verschiedenen Systeme und Werkzeugkits der 1 sind aus der Benutzerperspektive straff in ein einziges, kohärentes System integriert. Der Benutzer arbeitet in der visuellen Umgebung von Fenstern, Iconen, Maus und Zeigern und bewegt sich einfach dadurch von Modul zu Modul, indem er ein anderes Menü herunterzieht oder auf eine andere Symbolleiste zugreift. Die meisten Operationen verlangen keine Tastatureingaben oder geheimnisumwobenen Befehlszeilenparameter, wie sie für viele CAD-Systeme typisch sind; stattdessen modelliert der Benutzer die Geometrie durch eine Auswahl von Befehlen aus einem kleinen, aber leistungsfähigen Werkzeugsatz und durch Anklicken der Objekte, auf die diese Befehle einwirken sollen. Visuelle Interaktivität ist der Schlüssel zur Nützlichkeit des Systems im Feld und daher ein Kernpunkt in der CGP-Entwicklung.
Dokumentenübersicht
Der Rest dieses Dokuments ist eine Leistungsbeschreibung der CGP in Gestalt eines benutzerorientierten Funktionalitätsführers des Systems auf hohem Niveau. Das Format ist knapp und doch anschaulich, sollte aber nicht mit einer vollständigen Beschreibung der Anforderungen verwechselt werden (die Einzelheiten über die Leistung, den Umgang mit Fehlern und andere Einzelheiten enthielte, die zum Zeitpunkt dieser Niederschrift verfrüht wären).
In ähnlicher Weise sollte dies nicht mit einer Leistungsbeschreibung einer fixierten Benutzerschnittstelle verwechselt werden, obwohl viele Funktionen beschrieben werden, indem gesagt wird, was der Benutzer tun muss, um eine Operation auszuführen („Der Benutzer klickt auf einen Satz von Punkten und danach auf das Ebenen-Werkzeug, um aus dem Punktesatz eine Ebene zu erzeugen."). Diese Beschreibung ist vielmehr nichts anderes als eine einfache Art, klar eine Operation zu beschreiben (in diesem Falle, die Punktesatz-zu-Ebene-Operation), die durch irgendeinen Benutzer-Schnittstellenmechanismus verfügbar sein wird. Benutzerstudien, Erstellung von Benutzerschnittstellen-Prototypen und letztendlich eine Benutzerschnittstellen-Leistungsbeschreibung werden vorausgehen, ehe die beste Art und Weise festgelegt wird, in der ein Benutzer auf ein Stück der verfügbaren Funktionalität zugreifen wird. Auf der Basis des Systemrahmens von 1 ist das Dokument in Abschnitte unterteilt. Jedes Untersystem und jeder Werkzeugkit wird über die Funktionalität, die er liefert, und über den Typ von Daten, die er empfängt und erzeugt, beschrieben werden. Hinweise werden überall im Dokument gegeben werden, wo eine erweiterte Funktionalität hinzugefügt werden wird, die den Rahmen des Systems der ersten Generation überschreitet. Diese Hinweise sollen die Struktur des Systems der ersten Generation klarstellen, ein Verständnis der Anforderungen für Erweiterbarkeit liefern, die in das System der ersten Generation eingebaut werden müssen, und die Vision des vollständigen Systems aufzeigen, das über die nächsten drei Jahre entwickelt werden wird.
Scansteuerung
Die Wechselwirkung mit dem FDV erfolgt über die Scansteuerfunktionalität der CGP. Das FDV kann sowohl Video- als auch Entfernungsdaten erfassen und diese Daten der CGP darbieten. Die CGP ist verantwortlich dafür, dem FDV Information über den Ort und die Auflösung des aufzunehmenden Scans zu liefern. Das FDV verwendet eine neuartige, auf Video basierende Zielmethode, die ein genaues Anpeilen kleiner Objekte über grosse Entfernungen ermöglicht, und die CGP liefert den Zugang zu dieser Methode. Die Scansteuermechanismen unterstützen nachdrücklich die visuelle Interaktivität und die Zeige-und-Klick-Arbeitsparadigmen, auf denen das Gebrauchsmodell des ganzen Systems beruht.
Videoaufnahme
Ein Druck auf den Videoaufnahmeknopf bewirkt, dass ein RGB-Bild der Szene aus der Standard-Videokamera des FDV in das CGP übertragen und im Zielfenster angezeigt wird. Ein Videobild kann einen Namen und eine Kommentierung bekommen und auf Verlangen des Benutzers in der Datenbank gespeichert werden. Ein Videobild kann mit einem Satz von Entfernungsscans verbunden werden (siehe Verbindung Entfernung-Video hierunter).
Zoomaufnahme
Das Zoomaufnahmewerkzeug ist für den Benutzer verfügbar, wenn ein Standard-RGB-Bild der Szene im Zielfenster vorliegt. Anklicken des Zoomaufnahmewerkzeugs und danach Anklicken eines Punktes auf dem Bild im Zielfenster veranlassen das FDV, ein Zielachsen-Zoombild, das in der Richtung des angezeigten Punkts aufgenommen wird, zu erfassen und anzuzeigen. Das Zielachsen-Videobild kann in der gleichen Weise wie ein Standard-Videobild einen Namen erhalten, kommentiert werden, in der Datenbank gespeichert werden und mit einem Satz von Entfernungsscans verbunden werden. Ein Unzoom-Werkzeug erlaubt es dem Benutzer, zum Standardbild zurückzukehren.
Videobildbrowser
Ein Videobildbrauser erlaubt es dem Benutzer, nach einem Bild in der Datenbank zu suchen, indem er Thumbnails von Videobildern durchblättert. Alle mit einem Videobild verbundenen Entfernungsscans können hervorgehoben oder ausgewählt werden oder der Benutzer kann den Ort, von dem aus ein Videobild aufgenommen wurde, zum Betrachungspunkt eines Modellbetrachters machen.
Der Videobildbrowser wird letztlich ein Teil der voll ausgestatteten Abfrageschnittstelle für das intelligente Modelliersystem werden. Abfragen wie „alle mit diesem Bild verbundenen Entfernungsscans finden" oder „alle am 12. Dezember 1995 aufgenommenen Videobilder finden " werden Teil einer Allzweck-Abfrageeinheit der visuellen Datenbank sein. Die oben aufgezählten Spezialabfragen liefern einen Startpunkt in dieser Richtung.
Scannen
Das Scantool steht dem Benutzer immer dann zur Verfügung, wenn ein Videobild (Standard oder Zoom) im Zielfenster vorhanden ist. Der Benutzer bezeichnet einen Scan, indem er eine axial ausgerichtete Box auf dem Videobild im Zielfenster auszieht. Das FDV erzeugt dann von dem angezeigten Raumbereich einen Entfernungsscan.
Ein Entfernungsscan ist ein axial ausgerichter, ungefähr rechteckiger Raster von Tiefeninformation. Geringfügige Fehler in der Spiegelpositionierung im FDV verhindern einen genau rechteckigen Raster. Ein Entfernungsscan besitzt eine X-Auflösung und eine Y-Auflösung, die die Anzahl von Punkten anzeigen, die in jeder dieser Richtung gescannt worden sind. Die X- und Y-Auflösung kann durch den Benutzer als die Anzahl von Punkten oder als der Abstand zwischen Punkten bei einer fixierten Entfernung vorgegeben werden.
Jeder Rasterpunkt im Entfernungsscan ist mit einem dreidimensionalen kartesischen Punkt und einem Intensitätswert verbunden, der die Laserintensitätsantwort an diesem Punkt ausdrückt. Die Kombination eines dreidimensionalen kartesischen Punktes und eines Laserintensitätswertes definiert einen Scanpunkt. Definitionsgemäss ist ein Entfernungsscan eine Anordnung von Scanpunkten in Zeilen und Spalten. Ein Entfernungsscan kann auch markierte ungültige Punkte enthalten, wo der Scanner nicht in der Lage war, einen eigentlichen Scanpunkt zu erfassen.
Entfernungsscans werden automatisch in die Arbeitsdatenbank aufgenommen. Sie können manuell mit Namen versehen und kommentiert werden.
Verbindung Entfernung-Videobild
Typischerweise werden die Entfernungsscans automatisch mit dem Videobild assoziiert, das für die Zielausrichtung dieses Scans verwendet worden ist. Wenn ein Entfernungsscan aufgenommen wird, wird standardmässig das damit verbundene Videobild (entweder Standard oder Zoom) in der Datenbank gespeichert (sofern es nicht schon zuvor gespeichert worden ist), und eine Assoziation wird zwischen dem Videobild und dem Entfernungsscan hergestellt. Diese Assoziation kann verwendet werden, um auf ein Bild von dem gescannten Bereich zuzugreifen oder die von einem bestimmten Ort aus aufgenommenen Scans herauszugreifen.
Echtzeit-Scananzeige
Die durch das FDV erfassten Scanpunkte können in jeder beliebigen aktiven Datenweltansicht betrachtet werden (siehe Modellanzeige), während der Scan stattfindet. Diese Punkte sind für keine andere Operation als die Anzeige verfügbar, bis der Scan vollständig ist.
Scanannullierung
Ein Scanannullierungswerkzeug ist verfügbar, während das FDV einen Entfernungsscan erzeugt. Dieses Merkmal beendet die Sammlung von Scanpunkten. Der bis zu diesem Zeitpunkt aufgenommene, unvollständige Entfernungsscan wird in die Datenbank eingefügt.
Visual Magic
Der Visual Magic- (VM-) Werkzeugkit liefert Werkzeuge für eine rasche Visualisierung, die die Scanpunkte mit minimaler Benutzerwechselwirkung in Dreiecks-Meshmodelle einer Szene umwandeln. Das Augenmerk der Operationen im VM-Werkzeugkit liegt bei der Lieferung einer extrem allgemeinen Funktionalität, die jedes beliebige Objekt modellieren kann. Anders als die unten beschriebenen Prefab Lab und Structure Shop gibt es im VM-Werkzeugkit über das Dreiecks-Mesh hinaus keine Ahnung von Primitiven. Dadurch wird ermöglicht, eine grosse Vielfalt robuster Operationen an einem einzigen Allzweck-Datentyp auszuführen. Wie im Abschnitt „..." beschrieben, kann jede geometrische Oberfläche in der CGP zu einem Dreiecks-Mesh umgeformt und mit dem Visual Magic-Werkzeugkit bearbeitet werden.
Entfernungsscan zu gerastertem Mesh
Das Werkzeug Entfernungsscan zu gerastertem Mesh stellt den einfachsten Weg zur Verfügung, um unter Verwendung des FDV ein Modell zu erzeugen. Nach Erfassung eines Entfernungsscans kann der Benutzer diesen Scan auswählen und das Werkzeug Entfernungsscan zu gerastertem Mesh anklicken, um von diesem Scan ein Dreiecks-Mesh zu erzeugen. Das erzeugte Mesh ist auf der Basis des rechteckigen Scanrasters trianguliert. Das gerasterte Mesh unterscheidet sich von einem nicht gerasterten Mesh, das nicht direkt von einem Entfernungsscan erzeugt worden ist. Ein gerastertes Mesh bewahrt Information über den Standort des Scanners und über die Zeilen- und Spaltenanordnung seiner Punkte. Ungültige Punkte werden nicht in das Mesh aufgenommen, und Dreicke, deren Grösse einen vom Benutzer vorgegebenen Parameter übersteigt, werden auch ausgeschlossen. Der Entfernungsscan wird in der Datenbank durch das Mesh ersetzt. Meshes können auf verschiedene Art und Weise betrachtet werden, darunter Wireframe, Gourand-schattiert und als Zeichnung aus versteckten Linien (siehe Modellanzeige).
Vereinfachung von gerasterten Meshes
Gerasterte Meshes können vereinfacht werden, indem Dreiecke in Bereichen entfernt werden, die im Wesentlichen eben sind. Der Benutzer kann ein gerastertes Mesh auswählen und dieses Werkzeug anklicken, um so viele Dreicke wie zweckmässig zu entfernen, wobei ein vom Benutzer vorgegebener Parameter für den maximalen Fehler verwendet wird, der in das Mesh eingeführt werden soll. Das ursprüngliche gerasterte Mesh wird in der Datenbank durch das vereinfachte gerasterte Mesh ersetzt.
Glättung gerasterter Meshes
Ein ganzes gerastertes Mesh oder Bereiche innerhalb eines gerasterten Meshes können geglättet werden, indem die Entfernungstiefe jedes Punktes mit der seiner Nachbarn gemittelt wird. Der Mittelungstyp (Gauss, einfacher Durchschnitt usw.) und die Grösse der Nachbarschaft, über die gemittelt werden soll, wird vom Benutzer vorgegeben. Das Glätten kann auf einen besonderen Bereich beschränkt werden, indem ein polygonaler Bereich des Meshes vor Auswahl des Werkzeuges ausgewählt wird. Das ursprüngliche Mesh wird in der Datenbank durch das geglättete Mesh ersetzt. Mehrfache Glättungsiterationen können durch wiederholte Aktivierung dieses Werkzeuges an dem Mesh oder Bereich ausgeführt werden.
Meshausrichtung
Zwei Meshes (gerastert oder nicht gerastert), die manuell ungefähr ausgerichtet worden sind (siehe Freihand-Rotation, Freihand-Translation und Verschiebung zum Anfügen) können präziser ausgerichtet werden, indem das Meshausrichtungswerkzeug verwendet wird. Das erste bezeichnete Mesh ist das Ankermesh und bewegt sich nicht. Das zweite Mesh wird justiert, um eine bessere Ausrichtung zwischen den beiden Meshes in den Bereichen zu erzielen, wo sich die beiden Meshes überschneiden. Die ursprünglichen Meshes werden in der Datenbank bewahrt, wobei die globale Transformationsmatrix des zweiten Meshes verändert wird. Dieser Schritt würde typischerweise einer Meshzusammenziehung vorausgehen, aber könnte auch verwendet werden, um zwei Szenen in Register zu bringen (ihre relativen Positionen im Weltraum zu bestimmen), die mit dem Structure Shop oder Prefab Lab erzeugt und von unterschiedlichen, aber sich überschneidenden Blickpunkten aufgenommen wurden. In letzterem Falle würden Nichtmesh-Primitive vorübergehend zu Meshes umgewandelt (siehe Objektpolymorphismus), um die Ausrichtungsoperation auszuführen.
Meshzusammenziehung
Zwei Meshes (gerastert oder nicht gerastert) können mit dem Meshzusammenziehwerkzeug (Mesh zippering tool) zu einem einzigen Mesh verschmolzen werden. Das sich ergebende Mesh ist immer ungerastert. Durch Meshzusammenziehen werden Bereiche der Überschneidung zwischen zwei Meshes immer dann zusammengenäht, wenn der Abstand zwischen der Überschneidung geringer als eine durch den Benutzer vorgegebene Schwelle ist. Typischerweise geht dieser Operation eine Meshausrichtung voraus. Die beiden ursprünglichen Meshes werden durch das zusammengefügte, ungerasterte Mesh ersetzt.
Mesh mit Mesh ausschneiden
Ein Mesh kann mit einem anderen Mesh ausgeschnitten werden, indem das Werkzeug Mesh mit Mesh ausschneiden verwendet wird. Die beiden Meshes können entweder gerastert oder ungerastert sein. Das erste ausgewählte Mesh ist das auszuschneidende Mesh. Das zweite Mesh ist das schneidende Mesh und bleibt bei der Operation unverändert. Die Schnittlinien der beiden Meshes werden berechnet, und das ausgeschnittene Mesh wird entlang der Schnittlinie unterteilt. Zusätzliche Punkte werden wie erforderlich in das ausgeschnittene Mesh eingefügt, um eine glatte Schnittlinie (ohne Lücken) mit dem schneidenden Mesh zu erhalten. Das ausgeschnittene Mesh wird in der Datenbank mit einer Anzahl nicht gerasterter Meshes ersetzt, die die verschiedenen Komponenten darstellen, in die das geschnittene Mesh aufgeteilt wurde. Dieser Operation würde typischerweise die Löschung einer gewissen Anzahl der ausgeschnittenen Komponenten folgen und würde zum Beispiel die glatte Schnittfläche eines Meshes ermöglichen, das ein Rohr in einem schrägen Winkel zu einer Wand oder einem anderen, komplizierteren Objekt darstellt. Die Kombination dieser Operation mit Objektpolymorphismus (siehe unten) ist äusserst leistungsfähig.
Gegenseitiger Mesh-Mesh-Schnitt
Diese Operation ist mit der obigen Operation des Ausschneiden eines Meshes mit einem Mesh identisch, ausser dass beide Meshes einander schneiden und durch ihre Komponenten als nicht gerasterte Meshes ersetzt werden. Daher würde diese Operation, ausgeführt am Mesh eines Zylinders, der senkrecht zu seiner Achse durch eine vermaschte Ebene geschnitten wird (2), zu vier getrennten Komponenten führen.
Figur 2 – Gegenseitiger Mesh-Mesh-Schnitt
Meshüberlappung trimmen
Wenn zwei Meshes überlappen, kann es erwünscht sein, ein Mesh unangetastet zu lassen, aber das andere zu trimmen, um es nahtlos anzufügen. Das Werkzeug zum Trimmen der Meshüberlappung führt diese Operation aus, indem das getrimmte Mesh in Bereichen ausgeschnitten wird, wo die Überlappung beginnt (innerhalb einer durch den Benutzer definierten Entfernung), die überlappenden Anteile des getrimmten Meshes verworfen werden und Scheitelpunkte wo nötig hinzugefügt werden, um eine nahtlose Verbindung zu einem statischen Mesh herzustellen. Die beiden Eingangsmeshes können entweder gerastert oder ungerastert sein. Das statische Mesh bleibt in der Datenbank unverändert. Das getrimmte Mesh wird in ein oder mehrere Teilmeshes unterteilt, die immer nichtgerastert sind. In Kombination mit Objektpolymorphismus (unten beschrieben) ermöglicht dieses Werkzeug den Ersatz von Teilen eines Meshes mit vorgefertigten Objekten (vom Prefab Lab weiter unten), während die visuelle Connectivity der verschiedenen Teile in einer Szene bewahrt wird.
Vereinfachung/Optimierung eines nichtgerasterten Meshes
Meshvereinfachung bei nicht gerasterten Meshes ist eine rechnerisch aufwändige Aufgabe, die in einer Anzahl wichtiger Forschungsinstitutionen studiert wird. In künftigen Generationen wird die CGP einiges von der Funktionalität zur Verfügung stellen, die sich aus den Forschungsanstrengungen auf diesem Gebiet ableiten.
Prefab Lab
Der Prefab Lab- (PL-) Werkzeugkit sorgt für die Integration vorkonstruierter Untermodelle in eine gescannte Szene. Diese Untermodelle können mit dem PL-Werkzeugkit erzeugt, aus externen Katalogen oder CAD-Programmen importiert oder aus Teilen konstruiert werden, die unter Benutzung anderer Werkzeugkits erzeugt worden sind.
Konzepte: Gruppierte Objekte und Prototypen
Prefab Lab unterstützt zwei Ideen, die eine Schlüsselrolle in der Konstruktion und Verwendung intelligenter Modelle spielen: das gruppierte Objekt und den Prototyp. Ein gruppiertes Objekt ist einfach eine Sammlung geometrischer Primitive oder anderer gruppierter Objekte, die als eine einzige Einheit agieren. Dem Konzept nach kommt dies der Gruppierung von Objekten in den meisten Zeichenprogrammen gleich. Gruppierte Objekte existieren im gleichen Koordinatenraum und agieren als ein starres Objekt. An der Gruppe ausgeführte Operationen werden an allen Objekten innerhalb dieser Gruppe ausgeführt.
Ein Prototyp ist eine Klasse von Objekt, die ausserhalb einer geometrischen Szene für den primären Zweck existiert, dieses Objekt innerhalb der Szene zu instanziieren. Ein Prototyp kann entweder aus einem einzelnen geometrischen Primitiv oder einem gruppierten Objekt gebildet werden. Ein Prototyp ist im Wesentlichen ein ,Metaobjekt', das allgemeine Daten über alle Instanziierungen dieses Prototyps speichert. Instanziierungen eines Prototyps werden Teile genannt. Ein Beispiel wird helfen, dies klar zu machen.
Eine Person, die ein Modell ihrer Küche erzeugt, konstruiert ein dreidimensionales Meshmodell eines Stuhls. Unter Verwendung des Visual Magic-Werkzeugkits erzeugt sie getrennte Meshes für jedes der Beine und den Sitz des Stuhls. Um zu vermeiden, jedes der vier Beine zu scannen, erzeugt sie ein Modell eines Beines und verwendet dann das Kopier-und-Einfüge-Werkzeug, um das Objekt viermal in die Szene zu stellen. An diesem Punkt beschliesst sie, die Farbe der Beine des Stuhls in blau zu verändern. Wenn sie die Farbe eines Beines ändert, wird sich dann die Farbe aller vier Beine ändern? Dies hängt davon ab, ob die Beine Teile sind oder nicht, d.h. ob sie Instanziierungen eines Prototyps sind (in welchem Falle sie Daten wie die Farbe gemeinsam besitzen) oder ob sie einfach Kopien eines Objekts sind (in welchem Falle es keine gespeicherte Beziehung zwischen den Beinen gibt). Ein in der Datenbank gespeicherter Prototyp kann nirgendwo in einer Szene instanziiert werden. Er besitzt eine Existenz über sein Auftreten in einer aktiven Datenbank hinaus. Ein Objekt hingegen ist als Einheit in einer Szene gänzlich autark. Wenn ein Objekt aus der Szene entfernt wird, dann wird es dadurch aus der Datenbank entfernt.
Gruppieren und Entgruppieren
Das Gruppierwerkzeug nimmt einen Satz, das aus einem oder mehr als einem Objekt oder Teil besteht, und erzeugt ein neues gruppiertes Objekt, das eine hierarchische Sammlung dieser eingegebenen Objekte ist. Das gruppierte Objekt kann aus geometrischen Primitiven, Teilen oder anderen gruppierten Objekten erzeugt werden. Die Einheiten, aus denen ein gruppiertes Objekt gebildet wurde, werden in der Datenbank durch das neue gruppierte Objekt ersetzt. Das Entgruppierwerkzeug entfernt ein gruppiertes Objekt aus der Datenbank und ersetzt es mit Instanziierungen seiner Komponenten.
Ausschneiden/Kopieren/Einfügen
Das Ausschneidewerkzeug ermöglicht es dem Benutzer, ein oder mehr als ein Objekt oder Teil für spätere Einfüge-Operationen aus einer Szene zu löschen. Die Einheit wird aus der aktiven Datenbank entfernt und im Kopier-/Ausschneide-Puffer gespeichert. Das Kopierwerkzeug ist mit dem Ausschneidewerkzeug identisch, ausser dass das ursprüngliche Objekt oder Teil nicht aus der aktiven Datenbank entfernt wird. Der Kopier-/Ausschneide-Puffer ist ein Einzelniveaupuffer, der nur die letzte ausgeschnittene oder kopierte Einheit speichert.
Das Einfügewerkzeug versetzt die Einheit aus dem Kopier-/Ausschneide-Puffer in die aktive Datenbank. Wenn die Einheit im Kopier-/Ausschneide-Puffer ein Teil ist, wird in der aktiven Datenbank ein neues Teil erzeugt. Wenn die Einheit im Kopier-/Ausschneide-Puffer ein Objekt ist, wird ein Duplikat dieses Objekts in die aktive Datenbank kopiert.
Während einer Sitzung existiert über alle Datenbanken hinweg ein einziger Kopier-/Ausschneide-Puffer, so dass Einheiten von einer Datenbank zur anderen ausgeschnitten und eingefügt werden können. Der Kopier-/Ausschneide-Puffer ist im Wesentlichen eine Ein-Objekt-Datenbank, die wie gewünscht betrachtet, editiert und manipuliert werden kann (siehe Datenbetrachtung).
Freihand-Translation
Einheiten können unter Verwendung des Freihand-Translations-Werkzeugs interaktiv verschoben werden. Ein Translationsmanipulator wird um die ausgewählte Einheit herum erzeugt und ermöglicht eine interaktive Translation der Einheit. Die neue Position ist in der Datenbank widergespiegelt.
Freihand-Rotation
Einheiten können unter Verwendung des Freihand-Rotations-Werkzeugs interaktiv rotiert werden. Ein Rotationsmanipulator wird um die ausgewählte Einheit herum erzeugt und ermöglicht eine interaktive Rotation der Einheit. Die neue Ausrichtung wird in der Datenbank widergespiegelt.
Verschiebung zum Anfügen
Eine Einheit kann unter Verwendung des Verschiebe-zum-Anfügen-Werkzeugs so verschoben werden, dass sie bezüglich einer anderen Einheit korrekt ausgerichtet ist. Der Benutzer wählt bis zu drei Punkte auf dem zu verschiebenden Objekt sowie entsprechende Anfügepunkte an einem feststehenden Objekt. Die Schnittstelle zwingt die Anfügepunkte, vereinbar zu sein (nämlich so, dass eine Möglichkeit besteht, das verschiebbare Objekt so zu positionieren, dass alle Anfügungen gemacht werden). Nachdem diese Entsprechungen identifiziert sind, wird die zu verschiebende Einheit so umpositioniert und ausgerichtet, dass die Anfügungen erzwungen werden, und der aktualisierte Ort wird in der Datenbank widergespiegelt. Man bemerke, dass die Anfügungen vorübergehend sind und nach beendeter Operation aufhören zu existieren. Um die Objekte zu verbinden, nachdem sie aneinandergefügt worden sind, sollte der Benutzer das Gruppierwerkzeug benutzen.
Einfügen Anfügen
Das Einfüge-Anfüge-Werkzeug ist mit dem obigen Anfügewerkzeug identisch, aber ermöglicht es dem Benutzer, ein Objekt vom Ausschneide-/Kopier-Puffer in die aktive Datenwelt anzufügen.
Freihand-Skalieren
Einheiten können interaktiv unter Verwendung des Freihand-Skalierwerkzeugs skaliert werden. Ein Skaliermanipulator wird um die ausgewählte Einheit herum erzeugt und ermöglicht ein interaktives Skalieren der Einheit. Der neue Massstab wird in der Datenbank widergespiegelt. Eine Skalierung ist in der X-, Y- und Z-Richtung des lokalen Koordinatensystems der Einheit möglich. Für Objekte können Skalierconstraints (einheitlicher Massstab, einheitlicher Massstab in der X- und Y-Richtung usw.) über ein Präferenzenfenster vorgegeben werden. Für die Instanziierung eines Teils werden Skalierpräferenzen durch das Teil verlangt.
Skalieren zum Anfügen
Skalier-Anfügung ist analog zu Verschiebung zum Anfügen, ausser dass das Objekt unter seinen Constraints skaliert wird, um die erforderlichen Anfügungen zu machen. Der neue Massstab des Objekts wird in der Datenbank widergespiegelt.
Objekt zu Prototyp
Das Prototypwerkzeug erzeugt aus einem Objekt oder Primitiv einen Prototyp und speichert diesen Prototyp in der Datenbank. Das ursprüngliche Objekt oder Primitiv wird aus der Datenbank entfernt und durch eine Instanziierung des neu erzeugten Prototyps ersetzt. Der Prototyp bleibt in der Datenbank selbst dann erhalten, wenn alle mit ihm assoziierten Teile aus der aktiven Datenbank gelöscht worden sind, es sei denn, eine explizite Teil-Löschung wird verlangt. Ein Name und eine Kommentierung können an einen Prototyp angefügt werden.
Prototyp-Browser/Teil-Instanziierung
Der Prototypbrowser schafft die Möglichkeit, alle Prototypen in der Datenbank zu durchsuchen. Prototypen werden im Browser angezeigt und können vom Browser in eine aktive Datenwelt gezogen werden. Verschiebung zum Anfügen und Skalieren zum Anfügen können ebenfalls verwendet werden, um aus einem an Objekte in einer aktiven Datenwelt angefügten Prototyp ein Teil zu erzeugen. Aus dem Prototypbrowser erzeugte neue Teile werden zusammen mit der dazugehörigen Platzierungsinformation in der aktiven Datenbank gespeichert.
Teil zu Objekt
Das Teil-zu-Objekt-Werkzeug wandelt ein Teil in ein Objekt um, indem es alle Daten vom Prototyp in ein mit diesem Prototyp nicht assoziiertes Objekt kopiert. Dadurch wird es dem Benutzer ermöglicht, ein Teil zu nehmen, das seine Bedürfnisse fast erfüllt, und es zu editieren, ohne andere aus dem gleichen Prototyp erzeugte Objekte zu beeinträchtigen.
Polymorphismus
Polymorphismus ist die Fähigkeit des Systems, automatisch Objekte eines Typs in Objekte eines anderen Typs umzuwandeln, damit ein Werkzeug, das Parameter eines bestimmten Typs verlangt, korrekt arbeiten kann. Wenn das Objekt, das zu einem anderen Typ umgewandelt wird, durch die Operation nicht verändert wird, dann ist der Polymorphismus temporär und für den Benutzer transparent. Wenn das Objekt, das umgewandelt wird, durch die Operation verändert wird, dann wird der Benutzer darüber informiert, dass der Polymorphismus permanent ist, und erhält eine Gelegenheit, die Operation zu annullieren.
Die primäre Form von Polymorphismus ist die verlangte Fähigkeit, jedes Objekt oder Teil im System in ein Dreiecks-Mesh umzuwandeln. Gruppierte Objekte können in ein Dreiecks-Mesh umgewandelt werden, indem der Zusammenschluss der Dreiecks-Meshes angenommen wird, die durch Umwandlung ihrer Komponenten in Dreiecks-Meshes gebildet worden sind. Somit ist die Forderung des Systems, dass jedes Objekt in ein Dreiecks-Mesh umgewandelt werden könne, im Wesentlichen eine Forderung, dass jedes Stück primitiver Geometrie im System die Funktionalität für eine Umwandlung in ein Dreiecks-Mesh liefere.
Gruppierte Objekte, die permanent in Dreiecks-Meshes umgewandelt worden sind, bewahren ihre hierarchische Struktur nicht als Objekte, sondern als eine Sammlung von Meshes. Kommentierungen, Namen und weitere externe Datenbankinformation wird innerhalb der Hierarchie bewahrt.
Prefab-Primitive
Das System stellt einen Satz geometrischer Primitive zur Verfügung, die instanziiert, verschoben, skaliert, angezeigt und in Meshes umgewandelt werden können. Diese Primitive sind einfache geometrische Gestalten, aus denen weitere Geometrie wie der Würfel, Zylinder, Kegel, das Prisma, die Scheibe und dergleichen zusammengefügt werden kann. Da keine für Primitive spezifischen Operationen zur Verfügung gestellt werden, verlangt das Hinzufügen eines Primitivs zum System nichts weiter als die Angabe einer einfachen Parametrierung des Primitivs, die seine Geometrie erfasst, einen Anzeigegenerator, eine Umwandlung in ein Mesh und eine verkapselte Datenbankdarstellung. Die Routinen für Anzeigeerzeugung und Meshumwandlung verwenden einen einzelnen Fliesskommawert zwischen null und eins als Komplexitätsparameter, um bei der Festlegung der zu liefernden Einzelheiten zu helfen (zum Beispiel die Anzahl ebener Flächen, die benutzt werden soll, um einen Zylinder zu nähern). Dieser Parameter kann jederzeit durch den Systembenutzer festgelegt werden.
Prefab-Primitive sind von sich aus einfach und werden nicht verwendet, um Objekte wie Doppel-T-Träger darzustellen, die als Gruppen anderer Prefab-Primitive wie gestreckter Würfel konstruiert werden können.
Parametrierte Prototypen
Es ist ein langfristiges Ziel, allgemeine parametrierte Teile zur Verfügung zu stellen, deren Parameter durch den Benutzer festgelegt werden können. Das den Skadierconstraints zugrunde liegende Konzept ist eine einfache Version der Idee allgemein parametrierbarer Prototypen. Ein parametrierter Prototyp würde es dem Benutzer ermöglichen, zum Beispiel die Breite einer Rille, den Abstand eines Satzes von Löchern oder die Anzahl von Beinen an einem Hocker festzulegen. Dadurch könnte ein kürzerer Katalog von Prototypen einen breiteren Bedarf abdecken, aber die Prototypbeschreibung verlangt bedeutend komplexere Funktionalität.
Structure Shop (Strukturenwerkstatt)
Die Strukturenwerkstatt liefert zusätzliche Funktionalität für die Erzeugung grosser, primär ebener Strukturen wie Gebäude und Unterbauten sowie einfache Funk tionalität für Punkt- und Linienvermessung. Die Strukturenwerkstatt fügt die Punkt-, Linien- und Ebenen-Objekte zu der dem Benutzer zur Verfügung stehenden Palette hinzu und liefert einfache interaktive Funktionalität, um diese Objekte zu manipulieren.
Herausziehen von Scanpunkten
Der Benutzer kann Punkte aus einem Entfernungsscan herausschneiden, indem er das Herausziehen-von-Scanpunkten-Werkzeug verwendet. Der Benutzer wählt einen Entfernungsscan aus und zeichnet entweder eine Schleife um die Punkte, die er herauszuziehen wünscht, oder zieht ein Polygon um diese Punkte herum. Der gewählte Entfernungsscan wird durch zwei Entfernungsscans ersetzt, die die Punkte innerhalb des gezeichneten Bereiches und die Punkte ausserhalb davon getrennt enthalten. Die Namen der Entfernungsscans werden um einen eindeutigen Identifier erweitert (d.h. RS35 wird in RS35_1 und RS35_2 unterteilt), und die Kommentare werden in jeden neuen Teilscan kopiert.
Ebene aus Punkten
Das ebene Objekt [ist] ein Satz begrenzter Polygone, die in einer Ebene liegen. Die vielkonturige Grenze besteht aus Kanten und Scheitelpunkten, die wie erforderlich nebeneinander liegenden Ebenen gemein sein können. Das Ebene-aus-Punkten-Werkzeug berechnet die am besten angepasste Ebene für einen gegebenen Satz von Punkten. Dieser Satz von Punkten kann entweder von einem Entfernungsscan oder von einem Mesh stammen (und wegen des Polymorphismus bedeutet dies, dass diese Punkte von jedem beliebigen geometrischen Objekt oder Teil stammen können). Die Grenze der Ebene wird erzeugt, indem die Punkte in die am besten angepasste Ebene projiziert werden und die konvexe Hülle berechnet wird. Je nach einer vom Benutzer festgelegten Präferenz wird das ursprüngliche Objekt, von dem die Punkte stammen, aus der Datenbank gelöscht oder bleibt unangetastet. Das neue ebene Objekt wird in die Datenbank eingefügt.
Ecke aus Punkten
Das Ecke-aus-Punkten-Werkzeug erzeugt drei ebene Objekte aus einem Satz von Punkten. Der Satz von Punkten kann von einem Entfernungsscan oder einem Mesh stammen. Die drei Ebenen haben einen gemeinsamen Eckenscheitelpunkt und drei gemeinsame Kanten, die von diesem Scheitelpunkt ausgehen. Mit der Ausnahme des gemeinsamen Scheitelpunkts und eines Paares gemeinsamer Kanten wird jedes ebene Objekt durch die konvexe Hülle seiner Punkte begrenzt, wenn es in seine Ebene projiziert wird. Je nach einer vom Benutzer festgelegten Präferenz wird das ursprüngliche Objekt, von dem die Punkte stammen, aus der Datenbank gelöscht oder bleibt unangetastet. Die drei neuen ebenen Objekte werden in die Datenbank eingefügt.
Loch hinzufügen/Bereich hinzufügen
Löcher und zusätzliche Konturen können unter Verwendung dieses Werkzeugs zu ebenen Objekten hinzugefügt werden. In jedem Falle zeichnet der Benutzer eine Kontur auf die unendliche Ebene, von der das ebene Objekt ein Teil ist. Im Falle eines Loches wird die sich ergebende Kontur vom gegebenen ebenen Objekt abgezogen, was wie erforderlich ein Hinzufügen und Wegnehmen von Scheitelpunkten bewirkt. Im Falle des Hinzufügens eines Bereiches wird der neue Konturbereich mit den vorhandenen Polygonen vereinigt, und Scheitelpunkte werden wie erforderlich hinzugefügt und weggenommen.
Interaktive Scheitelpunktverschiebung
Der Benutzer kann Scheitelpunkte eines Polygons mit der Maus ziehen. Diese Scheitelpunkte liegen gezwungenermassen in der durch ihr ebenes Objekt vorgegebenen Ebene. Der Benutzer kann auch ein oder zwei Schnappebenen identifizieren, um eine präzise Platzierung der Scheitelpunkte zu ermöglichen. Durch Hinzufügen einer Schnappebene werden Schnappbereiche um alle Scheitelpunkte dieser Ebene sowie ein schwächerer (kleinerer) Schnappbereich überall in dieser Ebene geschaffen. Der Benutzer kann leicht einen Scheitelpunkt so ziehen, dass er mit einer anderen Ebene ausgerichtet ist oder an den Scheitelpunkt in einer anderen Ebene angefügt wird. Wenn zwei Schnappebenen angegeben werden, dann werden alle oben beschriebenen Schnappbereiche für jede der zwei angegebenen Ebenen geschaffen; zusätzlich wird aber noch ein extrem grosser Schnappbereich um den Schnittpunkt der drei Ebenen (der zwei angegebenen Ebenen und der Ebene, die den gezogenen Scheitelpunkt enthält) herum geschaffen. Wenn ein Scheitelpunkt durch den Benutzer an einen anderen Scheitelpunkt geschnappt wird, dann wird dieser Scheitelpunkt ein gemeinsamer Scheitelpunkt.
Scheitelpunkte, die zwei Ebenen gemeinsam sind, können nur entlang der Linie gezogen werden, in der sich diese beiden Ebenen schneiden. Scheitelpunkte, die mehr als zwei Ebenen gemeinsam sind, können nicht gezogen werden.
Scheitelpunkte treten auch mit den anderen Konturen innerhalb der gleichen Ebene in Wechselwirkung. Schnappen tritt mit allen Kanten und Scheitelpunkten dieser anderen Konturen auf. Wenn eine Kontur, die einen gefüllten Bereich begrenzt, verschoben wird, kann sie andere Konturen schneiden, die Bereiche oder Löcher darstellen. Das Ergebnis der Verschiebung eines Scheitelpunktes einer solchen Kontur ist die Vereinigung aller gefüllten Bereiche innerhalb dieses Polygons. Wenn ein Scheitelpunkt einer Kontur, die ein Loch begrenzt, verschoben wird, wird in ähnlicher Weise der gefüllte Bereich dieser Kontur von allen anderen gefüllten Polygonen in dieser Ebene abgezogen.
Die neue Position des Scheitelpunkts wird in der Datenbank widergespiegelt, und Kanten, die diesen Scheitelpunkt als einen Endpunkt verwenden, werden auch aktualisiert.
Unshare vertex (Gemeinsame Scheitelpunkte trennen)
Anklicken des Werkzeugs für die Trennung gemeinsamer Scheitelpunkte und Auswählen eines gemeinsamen Scheitelpunktes bewirkt, dass die gemeinsame Nutzung dieses Scheitelpunktes durch die Verwendung unabhängiger Kopien dieses Scheitelpunktes ersetzt wird, die unabhängig voneinander verschoben und wieder voneinander getrennt werden können. Der ursprüngliche, gemeinsame Scheitelpunkt wird aus der Datenbank gelöscht und durch die Kopien ersetzt.
Scheitelpunkteinfügung/-löschung
Scheitelpunkte können mit diesem Werkzeug eingefügt oder gelöscht werden. Scheitelpunkte werden durch Anklicken des Ortes des Einfügepunktes eingefügt. Scheitelpunkte werden durch Anzeigen des Scheitelpunktes gelöscht. Scheitelpunkte, die gemein sam sind, werden von allen ebenen Objekten gelöscht, an denen sie beteiligt sind. Alle diese Veränderungen werden in der Datenbank widergespiegelt.
Merge planes (Ebenen verschmelzen)
Der Benutzer kann zwei ebene Objekte mit dem Ebenen-verschmelzen-Werkzeug verschmelzen. Bei dieser Operation wird geprüft, ob die beiden Objekte nahezu koplanar sind, und der Benutzer gewarnt, ehe es weiter geht, wenn dies nicht der Fall ist. Das Verschmelzen von Ebenen bewirkt, dass die beiden angezeigten ebenen Objekte in der Datenbank durch ein einziges ebenes Objekt ersetzt werden, das eine bestangepasste Ebene für alle Punkte ist, aus denen die beiden ursprünglichen Objekte erzeugt worden waren. Scheitelpunkte der ursprünglichen ebenen Objekte werden in die neue Ebene projiziert, wobei die Constraints erhalten bleiben, die durch gemeinsame Scheitelpunkte auferlegt werden. Die Begrenzung des neuen Objekts ist die Vereinigung der Begrenzungen aller ebenen Objekte, die verschmolzen worden sind.
Punkt zu freiem Punkt
Das Punkt-zu-freiem-Punkt-Werkzeug erzeugt einen freistehenden Punkt von einem Scanpunkt, einem Meshpunkt oder einem Scheitelpunkt. Der freie Punkt ist ein speziell markierter Scheitelpunkt, der ausserhalb jeglicher Oberfläche existiert. Freie Punkte sind ein Nichtflächendaten-Objekt und können daher nicht in ein Mesh umgewandelt werden. Freistehende Punkte sind primär dafür gedacht, einfaches Vermessen (Eigentumsgrenzen usw.) mit dem FDV zu ermöglichen. Freie Punkte können mit Namen und Kommentaren versehen und in der Datenbank gespeichert werden.
Freie Linie machen
Das Freie-Linie-machen-Werkzeug erzeugt eine freistehende Linie aus zwei freistehenden Punkten. Die freie Linie existiert ausserhalb jeglicher Oberfläche und kann deshalb nicht in ein Mesh umgewandelt werden. Freistehende Linien sind primär dafür gedacht, ein einfaches Vermessen (Eigentumsgrenzen usw.) mit dem FDV zu ermöglichen.
Freie Linien können mit Namen und Kommentaren versehen und in der Datenbank gespeichert werden.
Abfrage und Darstellung
Der Abfrage-und-Darstellungs-Werkzeugkit liefert Funktionalität für die Abfrage und Anzeige von Daten sowie für die Modifizierung von in der Datenbank gespeicherten, nicht geometrischen Daten. Dieser Werkzeugkit sieht zwar eine enge Integration mit den verschiedenen anderen Werkzeugkits im System vor, wird aber als ein unabhängiges System zur Verteilung an Benutzer abgetrennt werden können, von denen nicht erwartet wird, dass sie entweder die FDV-Einheit oder das Modellrekonstruktions-Werkzeug verwenden, die aber Zugriff auf die durch die verschiedenen Cyra-Werkzeuge erzeugten Daten wünschen.
Datenwelt ansehen
Der geometrische Inhalt einer Datenwelt kann unter Verwendung eines interaktiven, visuellen Browsers betrachtet werden, der eine dreidimensionale Darstellung dieser Datenwelt anzeigt. Jedes geometrische Objekt oder Teil gehört zu einer Datenwelt, die eine Untermenge einer Datenbank ist. Eine beliebige Anzahl von Datenwelt-Ansichten kann unabhängig geöffnet und verwendet werden. Operationen, die nicht (wie zum Beispiel das Werkzeug für das Herausziehen von Scanpunkten) einen besonderen Blickpunkt beinhalten, können unter Verwendung mehrerer Ansichten der gleichen Datenwelt ausgeführt werden, indem in einer Ansicht gewisse Operanden und in einer beliebigen Anzahl anderer Ansichten andere Operanden bezeichnet werden.
Interaktive Ansichten Manipulation
Eine Datenweltansicht kann vom Benutzer herangezoomt und weggezoomt, rotiert und geschwenkt werden. Diese Operationen werden interaktiv sein, vorausgesetzt, dass die Grösse und Komplexität des Modells und die erforderliche Frame-Rate nicht die Fähigkeit der Plattform übersteigen, Frames mit interaktiven Geschwindigkeiten zu erzeugen.
Interaktives Flythrough
Der Benutzer kann durch ein Modell navigieren, indem er ein Flythrough-Paradigma verwendet, bei dem der Benutzer die Bewegungen (Geschwindigkeit, Richtung, Orientierung) eines die Szene betrachtenden, imaginären Auges steuert. Dieses Flythrough wird interaktiv sein, vorausgesetzt, dass die Grösse und Komplexität des Modells und die erforderliche Frame-Rate nicht die Fähigkeit der Plattform übersteigen, Frames mit interaktiven Geschwindigkeiten zu übertragen.
Bedeutende Forschungen sind ausgeführt worden, um diesen Prozess zu optimieren und hohe Frame-Rates bei extrem komplexen Modellen zu ermöglichen. Es ist unser Wunsch, solche Forschungen in spätere Generationen der CGP einzubauen.
Ansicht mit Namen (named view) sichern/laden
Der Benutzer kann einen aktuellen Standpunkt in einer Datenwelt mit Namen und Kommentaren sichern. Eine Ansicht mit Namen kann in jedes Datenwelt-Betrachtungsfenster geladen werden, wodurch der Standpunkt dieses Fensters durch den gesicherten Standpunkt ersetzt wird.
Ansicht mit Namen (named view) löschen
Eine Ansicht mit Namen kann auf Anforderung des Benutzers aus der Datenbank gelöscht werden.
Standardansichten
Die sechs Standardansichten (links, rechts, vorn, hinten, oben, unten) bezüglich eines vom Benutzer angegebenen Ursprung und einer vom Benutzer angegebenen Entfernung sind unmittelbar in jeder Datenwelt-Ansicht verfügbar.
Orthographisch/perspektivischer Wechsel
Eine Datenwelt kann entweder in einer orthographischen oder einer perspektivischen Projektion betrachtet werden. Die Operationen all der verschiedenen Werkzeugkits werden richtig funktionieren, gleichviel welche Projektion verwendet wird.
Datenwelten integrieren
Der Benutzer kann eine Datenwelt in eine zweite Datenwelt verschmelzen, indem er Paare von entsprechenden Punkten in den beiden Datenwelten vorgibt. Der Benutzer muss mindestens drei nicht degenerierte Punktepaare zur Verfügung stellen. Eine Transformation, die die zweite Datenwelt so umpositioniert, dass die Entsprechungen so nahe wie möglich (im Sinne kleinster Quadrate) erfüllt werden, wird aus den Punktepaaren berechnet. Die zweite Datenwelt wird aus der Datenbank entfernt, und alle Daten in dieser Datenwelt werden mit der berechneten Transformation in die erste Datenwelt kopiert.
Abstand
Der Abstand zwischen zwei vom Benutzer vorgegebenen Orten im Modell kann mit dem Abstandswerkzeug berechnet und angezeigt werden.
(Der übrige Teil dieses Abschnitts ist unbestimmt und unvollständig. Ich muss dies fertig ausarbeiten, aber es sollte darauf hinauslaufen, eine sehr allgemeine Möglichkeit zu sein, viel Boden in Richtung auf ein „intelligentes Modellieren" zu gewinnen.)
Betrachtungsparameter
Jedes Objekt, Teil oder Primitiv kann eine beliebige Anzahl von benannten visuellen Darstellungen liefern. Der Benutzer kann vorgeben, welche dieser benannten visuellen Darstellungen für ein gegebenes Objekt, Teil oder Primitiv oder für eine ganze Szene verwendet werden soll, indem das „Darstellungsattribut" eines Objekts festgelegt wird. Jedes Objekt ist mit einer Strandarddarstellung versehen, die verwendet wird, wenn die benannte visuelle Darstellung für dieses Objekt nicht existiert oder keine benannte visuelle Darstellung zur Verfügung gestellt wird. Eine benannte visuelle Darstellung ist entweder ein vom System zur Verfügung gestellter Zeichenstil wie Wireframe oder Begrenzungsbox oder ein Zeiger zu einem anderen Modell wie zum Beispiel einer Version des Modells mit niedrigerer Auflösung oder einer symbolischen Darstellung dieses Objekts (zwei Kegel, um ein kompliziertes Ventil darzustellen).
Typischerweise stellt ein Primitiv mindestens die folgenden Darstellungsattributwerte zur Verfügung, deren „Oberfläche" normalerweise als Standard markiert ist: Wireframe, versteckte Linie, Oberfläche, Begrenzungsbox und unsichtbar.
Parameter für Oberflächeneigenschaften wie Farbe und Reflexionsvermögen werden ebenfalls durch die visuelle Darstellung zur Verfügung gestellt, indem Attribut/Wert-Paare als ein Teil der visuellen Darstellung eines Objekts zur Verfügung gestellt werden. Eine Einheit in einer Hierarchie verwendet den Wert ihres nächsten Vorfahren als Attribut, wenn kein Wert für dieses Attribut in der Einheit vorgegeben wurde. Jedes Attribut, das zum Zeichnen eines Objekts erforderlich ist (wie Farbe oder Linienbreite), muss zusammen mit einem entsprechenden Standard zur Verfügung stehen, falls durch die Einheit oder ihre Vorfahren kein Wert vorgegeben ist. Die Attribute, die von allen Primitiven in der ersten Veröffentlichung der CGP unterstützt werden, sind Umgebungsfarbe, diffuse Farbe, spiegelnde Farbe, ausstrahlende Farbe, Glanz, Transparenz, Namen anzeigen und Kommentare anzeigen. Ausserdem werden bestimmte Primitive das Attribut „Dimension anzeigen" unterstützen. Entfernungsscans werden das Attribut „Intensitäts-Pseudofärbung verwenden" unterstützen.
Benannte visuelle Darstellung erstellen/laden/sichern/löschen
Ein Benutzer kann eine benannte visuelle Darstellung erstellen, um es sich zu ermöglichen, eine Datenbank unter Verwendung eines anderen Parametersatzes zu be trachten als andere Datenbankbenutzer. Diese visuelle Darstellung erhält einen Namen und wird in der Datenbank gespeichert. Wenn ein Benutzer eine neue visuelle Darstellung erstellt, werden alle aktuellen Attribut/Wert-Paare für jedes Objekt in der Datenwelt mit der benannten visuellen Darstellung verbunden. Änderungen, die der Benutzer an der Datenwelt anbringt (wie das Darstellungsattribut eines Objekts zu Wireframe oder seine Farbe zu blau zu ändern), während er diese benannte visuelle Darstellung verwendet, betreffen nur die Attribut/Wert-Paare der aktuell geladenen visuellen Darstellung. So könnte zum Beispiel ein Rohrleitungsingenieur in einer Sitzung eine visuelle Darstellung der Datenwelt erzeugen, bei der alle Rohre als Zylinder angezeigt werden, in einer anderen Sitzung aber eine zweite visuelle Darstellung, bei der die Rohre als Mittellinien angezeigt werden. Das setzt natürlich voraus, dass das Rohrobjekt ein benanntes Darstellungsattribut für Mittellinien zur Verfügung stellt.
Man bemerke, dass dieses Paradigma viele gleichzeitige Ansichten der gleichen Datenbank durch verschiedene Benutzer zulässt, ohne für jeden Betrachter getrennte Kopien der Datenbank zu verlangen.
Kommentare erstellen/löschen/betrachten/editieren
Ein Kommentar ist ein mit einem Objekt, Primitiv, Teil oder Prototyp verbundenes, eingetipptes Datenfeld. Kommentare ermöglichen den Einbezug anwendungsspezifischer Daten in die CGP-Datenbank. Diese Daten können in irgendeiner der ISO-Standard-Datentypen vorliegen (ich erinnere mich nicht, was diese sind, aber es gibt nur ein halbes Dutzend davon, und sie werden von jeder Datenbank unterstützt). Jeder Kommentar hat zur Bezugnahme einen Namen. Kommentare, die mit einem Prototyp verbunden sind, gelten für jedes mit diesem Prototyp erzeugte Teil, sofern der Wert des Kommentars nicht ausdrücklich durch das Teil aufgehoben wird.
Jede Einheit besitzt mindestens einen Kommentar zu Namen und Typ.
Auswahl nach Abfrage
Der Benutzer kann einen Satz von Einheiten auswählen, indem er eine SQL-Abfrage der Kommentare aller Einheiten in einer Datenwelt verwendet. Solche Abfragen werden direkt zur Datenbank weitergegeben, und der Grad der gegebenen SQL-Unterstützung wird von der ausgewählten Datenbank abhängen. Die Einheiten, die durch die Abfrage ermittelt werden, werden als ausgewählt markiert und können als Parameter für alle Werkzeuge verwendet werden, die Operationen an einer Mehrzahl von Objekten zulassen. Durch die CGP in der Datenbank gespeicherte Daten sind ebenfalls über ein Nur-Lese-Frontend der Datenbankstrukturen der CGP für den Benutzer zugänglich.
Datenaustausch
Der Datenaustausch-Werkzeugkit liefert die Funktionalität, die dafür benötigt wird, die CGP nahtlos mit anderen CAD-Softwarepaketen und durch Anbieter zur Verfügung gestellten Katalogen zu integrieren. Der Werkzeugkit wird letztlich je nach den Marktbedürfnissen eine grosse Vielfalt von Dateitypen importieren und exportieren.
CRX-Import und -Export
Die Exportfunktion erzeugt eine einzelne binäre Datendatei, die ausgewählte Objekte, eine Datenwelt oder eine Datenbank in CRX darstellt, d.h. im geschützten Datenformat von Cyra. Die Importfunktion erlaubt das Lesen dieses Datenformats.
DXF-Import und -Export
Die Exportfunktion erzeugt eine DXF-Datendatei, die ausgewählte Objekte, eine Datenwelt oder eine Datenbank in diesem Allzweck-CAD-Standardformat darstellt. Die DXF-Darstellung ist in folgenden Aspekten eingeschränkt:
...
DXF-Datei importieren lädt eine Einheit oder einen Satz von Einheiten, die in einer DXF-Datei gespeichert sind, in die CGP. Die CGP-Version dieser DXF-Datei wird in folgenden Aspekten eingeschränkt sein:
...
RGB Import und -Export
Die RGB-Export-Funktion erzeugt aus einem ausgewählten Videobild eine RGB-Videobilddatei. RGB-Import erzeugt aus einer RGB-Videobilddatei ein Videobildobjekt in der CGP.
Inventor Import und -Export
Die Inventor-Exportfunktion erzeugt eine Inventor-Datei, die ausgewählte Objekte, eine Datenwelt oder eine Datenbank im Inventor-Dateiformat darstellt. Das sich ergebende Modell, wenn mit einem Standard-Inventor-Viewer betrachtet, wird mit dem Modell, wie es in der CGP gesehen wird, identisch sein. Die Importfunktion lädt eine Einheit oder einen Satz von Einheiten, die in einer Inventor-Datei gespeichert sind, in die CGP. Die CGP-Version dieser Inventor-Datei wird in den folgenden Aspekten beschränkt sein.
[...]
PostScript-Export
Die PostScript-Exportfunktion erzeugt eine PostScript-Datei oder druckt auf einem Drucker direkt die in einer ausgewählten Datenwelt dargestellte Ansicht aus.
Allgemeine Wechselwirkung und Systeminformation
Die Wechselwirkung mit den Werkzeugkits wird durch eine Maus und eine Tastatur erfolgen, wobei die Betonung auf visueller Interaktivität liegt. Es wird erwartet, dass die Benutzerschnittstelle Werkzeugpaletten mit Iconen, Funktionstastenkürzel, Menüs und Fenster hat. Der grösste Teil der Funktionalität wird unter alleiniger Verwendung der Maus zugänglich sein. Die Benutzerschnittstelle des Systems wird mit Standardschnittstellen und Wechselwirkungsparadigmen auf einer gegebenen Plattform verträglich sein.
Plattform
Die CGP wird auf einem 100-MHz-Pentium-Prozessor laufen, der mit Windows NT in einer Laptop-Box läuft. Das System wird mindestens 48 Mbyte an RAM mit einem 512-kbyte-Cachespeicher zur Verfügung stellen. Es wird erwartet, dass die Plattform einen 800 × 600-Farbbildschirm mit 256 Farben und mindestens ein Gbyte an Festplattenspeicherplatz haben wird. Das System wird mit der Hardware nach PCMCIA über Ethernet kommunizieren.
Es wird erwartet, dass die erste Schnittstelle der CGP eine Silicon Graphics-Plattform ist, um Modellrekonstruktion in einer grafikintensiven Büroumgebung zur Verfügung zu stellen.
Hilfesystem
Die CGP wird ein interaktives Hilfesystem zur Verfügung stellen, das kontextempfindliche Hilfe in einem Format liefert, das der Standardschnittstelle für Anwendungen auf einer gegebenen Plattform entspricht. Die gesamte dem Benutzer zugängliche Funktionalität wird im Hilfesystem dokumentiert sein.
Undo
Die CGP wird es dem Benutzer erlauben, eine beliebige Anzahl von Operationen, die während einer Sitzung ausgeführt wurden, rückgängig zu machen (innerhalb der funktionellen Grenzen des Systems wie Speicher- und Festplattenkapazität).
Dokumentation
Hardcopy-Dokumentation für das System wird zur Verfügung gestellt werden, die mindestens eine Feldanleitung einschliesst, die von einem Vermesser im Gelände verwendet werden kann.
I. EINFÜHRUNG
Überblick
Dieser VERTRAULICHE Überblick über Cyra Technologies (Cyra) und seine einzigartige, auf Lasern beruhende Datenerfassungs-, Erkennungs- und Modellkonstruktionstechnologie ist erstellt worden, um potenziellen strategischen Partnern, Investoren und Mitarbeitern zu einem besseren Verstehen und Bewerten des Potenzials von Cyra zu verhelfen.
CYRA
Cyra Technologies wurde 1993 als eine California Corporation gegründet, um auf Computern beruhende, innovative High-Tech-Produkte für die AEC- (Architektur, Technik, Bau und Konstruktion) und verarbeitende Industrie zu erforschen, zu entwickeln und zu vermarkten.
Cyra entwickelt zur Zeit eine Linie von auf Lasern beruhenden Raumabbildungs- und synthetischen Sichtsystemen für dreidimensionale Datenerfassung, Erkennung und Modellkonstruktion für ein breites Marktspektrum. Das Einstiegsprodukt, „Cyrax", ist ein tragbarer Laser-Radar-Scanner mit Grafikcomputer, der halbautomatisch dreidimensionale (3D) Computermodelle von allen für ihn sichtbaren Objekten erzeugen kann. Als ein Hybrid aus Kamera und Vermessungsinstrument kann er 3D-CAD-Modelle aller möglichen Objekte von Hügeln über Gebäude bis hin zu Flugzeugen erzeugen. Mit seiner Millimeter-Genauigkeit bei Entfernungen von über 50 m zielt Cyrax auf die AEC-Industrie wie auch auf massive 3D-Raumdatenbedürfnisse auf den Gebieten der verarbeitenden Industrie, der Unterhaltung und der Multimedien ab.
Der Bedarf für räumliche Information
Datenerfassung
Genaue Information über unsere Umwelt ist entscheidend für das moderne Leben. Vom Videogame-Designer, der ein Dinosauriermodell verwendet, bis zu Geologen, die einen Tagebau vermessen, von Baufirmen, die komplette Pläne für ein Hochhaus vorbereiten, bis zu Flugzeugbauern, die genaue dreidimensionale Messungen komplexer Teile für Flugzeuggerippe benötigen, hat die moderne Gesellschaft einen dauernden Bedarf für genaue Daten über unsere räumliche Umgebung.
Die mehr als 1 Billion Dollar, die jedes Jahr weltweit von der Bauindustrie, den Versorgungsbetrieben, der Transportindustrie und den verarbeitenden Industrien ausgegeben werden, hängen zu einem grossen Teil von der schnellen Beschaffung genauer räumlicher Daten ab. Da diese Industrien mindestens ein Zehntel eines Prozents ihrer Einnahmen für Datenerfassung ausgeben, übersteigt dieser Bedarf jährlich 1 Milliarde Dollar (US). Der nationale Markt für Vermesser-Total Stations allein liegt heute bei über 200 Millionen Dollar jährlich.
Platzierung nach Daten
Abgesehen von unserem Bedürfnis, die Lage von Objekten in unserer Umwelt zu kennen, besteht ein enormer Bedarf bei der genauen Platzierung von Objekten. Wenn ein Zaun gebaut, die Fundamente eines Gebäudes gelegt, eine Autobahn gebaut oder eine komplexe Maschine zusammengesetzt wird, muss der Erbauer in der Lage sein, alle Teile genau zu platzieren. Mit dem nationalen Motto der „Qualität als Aufgabe Nr. 1" und bei dem extremen Druck auf die Verdienstspannen von Firmen sind manuelle Methoden nicht mehr akzeptabel.
Obwohl Anbieter zur Zeit weitgehend auf diesem Markt fehlen, wächst die Nachfrage nach einer auf Daten beruhenden Platzierung schnell. Während unsere Gesellschaft zu einer immer flexibleren Herstellung und Spezialisierung von Verbrauchsgütern schreitet, wird die Nachfrage nach auf Daten beruhenden Platzierungssystemen explosiv wachsen.
Traditionelle Verfahren
Erfassung: Punkte, Linien
Traditionell hat die Gesellschaft sich auf mühsame manuelle Verfahren der Datenerfassung verlassen. Bei AEC-Unternehmen verbringen Vermesser mit Nivellierinstrumenten, Libellen, Stahlbändern und Senkloten lange Stunden im Feld, um Daten zu sammeln, während in der verarbeitenden Industrie Ingenieure und Zeichner mit Greifzirkel und Präzisionswerkzeugen die primären Datensammler sind.
Diese Werkzeuge und Verfahren sind auf ein hohes Niveau der Präzision gebracht und in den letzten Jahren sogar teilweise automatisiert worden. Sie beruhen aber auf der langsamen, mühsamen und fehleranfälligen Sammlung zweidimensionaler Daten. Von den im Feld oder an der Werkbank vermessenen Punkten und Linien werden die Daten zum Zeichentisch oder zum CAD-System gebracht und langwierig zusammengenommen, um eine topographische Karte, eine Geländezeichnung oder das dreidimensionale Modell eines Teils zu erstellen. Zusätzlich zum Zeitverbrauch ist dieser Prozess für menschliche Fehler anfällig.
Platzierung
Eine genaue Platzierung oder Positionierung ist immer eine Herausforderung gewesen. Die meisten Hoch- und Tiefbauten werden Punkt für Punkt von Vermesserteams mit Totalstationen (dem Werkzeug des modernen Vermessers: Teleskop, Winkel- und Entfernungsmesser integriert) und anderen Vermessungsinstrumenten ,abgesteckt'. Obwohl einige Fortschritte gemacht wurden (neue Totalstationen können zum Beispiel mit sichtbaren Lichtstrahlen genau zum gewünschten Punkt führen), ist der Prozess immer noch langsam, mühsam und anfällig für Betätigungsfehler.
Auch in der verarbeitenden Industrie, wo die Erzeugnisse immer komplizierter und die Anforderungen an die Fertigung immer genauer werden, ist die genaue Platzierung von Teilen eine dauernde, wachsende Herausforderung. Zahlreiche Anbieter versuchen sich in der Entwicklung maschineller Sehvorrichtungen, aber die meisten solchen Systeme haben grundsätzliche Beschränkungen und sind für Einzelanwendungen ausgelegt. An Montagebändern können Roboter oft dafür programmiert werden, Objekte zu platzieren – sofern sie in ihrer Reichweite sind! Bei Grossmontagen wie Flugzeuggerippen oder Schiffsrümpfen mussten die Hersteller auf nicht optimale Lösungen wie umständliche mechanische 3D-Arme (typisch für Scannen benutzt) oder Vermessungsinstrumente zurückgreifen, um vor einer manuellen Anpassung und Montage zu bohrende Löcher oder Führungen für die Ausrichtung zu markieren.
,Räumliche' Chancen
Automatisierte Erfassung
Die Explosion des CAD im letzten Jahrzehnt, das durch den phänomenalen Markterfolg der Autodesk Corporation und anderer belegt wird, hat den Bedarf an rasch erfassten, genauen 3D-Daten in maschinenlesbarer Form deutlich werden lassen. Nachdem praktisch jeder Ingenieur und Zeichner von den Punkten und Linien der Reissschiene und des Bleistifts zu den Leuchtstoffen im Computerbildschirm übergewechselt ist, ist der Bedarf für räumliche Daten in die Höhe geschossen. Der derzeitige Prozess der manuellen Vermessung von Hunderten von Punkten, die später mit Software zu Linien und schlussendlich zu 3D-Darstellungen zusammengefügt werden, um von Ingenieuren und Zeichnern in CAD-Programmen verwendet zu werden, ist ineffizient und eine finanzielle Bürde.
Cyrax-Daten, 3D-Betrachtung in AutoCAD
Ein System, das im Feld ganze 3D-Objekte in Gestalt vollständiger Oberflächen aufnehmen könnte, würde mehrere Schritte im derzeitigen Prozess der Datenerfassung eliminieren und ausserdem die Genauigkeit verbessern sowie Daten zur Verfügung stellen, die derzeit wegen der Kosten und technischen Begrenzungen nicht erfasst werden.
Zusätzlich zu den Alltagsmöglichkeiten der Datenerfassung existieren zahlreiche weitere Möglichkeiten bei der Erfassung. Unter den vielen in Marktstudien erwähnten gehören 3D-Erkundung/Sehen, Maschinensehen/-erkennung, Erfassung aus der Luft (als Ersatz für Luftbildphotogrammetrie) und Unterwassersehen zu den interessantesten.
Automatische Platzierung
In der Zukunft, wenn sich das volle 3D-Entwerfen in der durch Firmen wie Boeing eingeschlagenen Richtung weiter durchsetzt, wird die Möglichkeit, Objekte wie Gebäude oder Automobilteile direkt vom Bildschirm des Zeichners aus präzise zu positionieren, zum Standard werden. Cyra arbeitet an einer verhältnismässig einfachen und billigen Weiterentwicklung seiner Erfassungstechnologie, um das Problem der räumlichen Positionierung anzugehen.
II TECHNOLOGIE
A. Einführung
CYRAX
Herausgefordert durch den Bedarf an genauen räumlichen Daten in der AEC-Industrie und durch das Fehlen von Werkzeugen für ihre Beschaffung widmet sich Cyra Technologies der Entwicklung eines tragbaren, dreidimensionalen Datenerfassungswerkzeugs, Cyrax. In vieler Hinsicht einer Kamera ähnlich, hat dieses in Entwicklung befindliche Instrument die zusätzliche Fähigkeit, die dreidimensionalen Koordinaten zu der Welt von „Punkten" zu erfassen, aus denen das Gesichtsfeld vor ihm besteht. Cyrax kombiniert die Geschwindigkeit und das hohe Aufnahmevolumen der Kamera mit der Erfassung von räumlich genauen 3D-Daten. Nach seiner Leistungsbeschreibung ist Cyrax ein digitales Präzisionsinstrument für sehr schnelle Feldmessungen in Millimetergenauigkeit (ein Modell auf 1 mm genau, das andere auf 6 mm genau) bei Entfernungen bis zu 50 m. Die Software von Cyrax, die auf einem kleinen tragbaren Computer läuft, vereint sich mit der Hardware zu einer anspruchsvollen Punktverarbeitung und einer freundlichen Hardware-Schnittstelle.
Künstlerkonzept von Cyrax
Angefangen bei den Anforderungen für ein nützliches Gerät für AEC-Spezialisten wurden potenzielle Technologien beurteilt. Obwohl die vorläufige Leistungsbeschreibung von Cyrax über den Rahmen aller existierenden Datenerfassungsmethoden hinausging, drängte Cyra mit einer Konzentration auf Lasertechnologie und insbesondere auf Laser-Radar vorwärts. Eine ausgedehnte Suche in Universitäts- und staatlichen Laboratorien sowie intensive Forschung des Cyra-Teams führte zur Schaffung und zum Zusammenbringen der technischen Kernkomponenten, die nötig waren, um die Leistungsbeschreibung zu erfüllen.
Unter Verwendung von Laser-Radar und einer extrem schnellen Picosekunden-Elektronik wurde Cyrax konstruiert, um Tausende von dreidimensionalen Koordinaten pro Sekunde in hellem Tageslicht zu erfassen.
Die Cyrax-Software ist ebenso anspruchsvoll wie die Hardware. Der innovative, benutzerfreundliche Code ermöglicht eine direkte Steuerung des Scanprozesses und die Erzeugung sinnvoller Daten aus der gewonnenen Punktwolke durche den Benutzer. Das Softwareteam kämpft gegenwärtig mit den Grenzen der automatischen Objekterkennung und -erzeugung, indem halbautomatische 3D-Objektsegmentierungsroutinen sowie schnelle, einfache Oberflächen- und Objekterzeugungswerkzeuge entwickelt wurden.
B. Laser-Radar
Trotz seiner mehr als 30 Jahre zurückliegenden Entdeckung hat Lidar oder Laser-Radar ausserhalb der Verteidigungsindustrie nur begrenzte Anwendung gefunden. Die Dynamik hat sich in der letzten Zeit geändert, nachdem einfachere, billige Mikrochip-Laser entwickelt und Anstrengungen gemacht wurden, die staatliche Verteidigungsforschung für die Industrie zu öffnen. Lidartechnologie fand ihre wirkliche Anerkennung 1986 mit der ersten jährlichen Laser-Radar-Konferenz.
Früher Versuch der Industrie, fortgeschrittene Technologie mit der Totalstation für Vermesser zu vermählen
Lidar beruht wie das traditionelle Radar auf der präzisen Messung der Zeit für die Rückkehr eines Lichtpulses oder der präzisen Messung der Phasenverschiebung von Lichtpulsen. Der Einsatz von stark eingegrenzten und richtbaren Strahlen kohärenter Lichtwellen eines Lasers bietet deutliche Vorteile beim genauen Anpeilen. Bis in die letzte Zeit war Laser-Radar aber technisch eingeschränkt. Erstens boten wenige Laser genügend scharfe Energiepulse für eine sichere Messung ihrer Emission ohne einen Reflektor auf dem Zielobjekt. Zweitens waren Laufzeitmessungen für fokussierte Hochleistungs-Laseremissionen wegen des Fehlens einer Elektronik mit Picosekunden-Ansprechzeit, wie sie für Messungen bei Lichtgeschwindigkeit nötig ist, ungenügend genau. Im Ergebnis mussten Systeme wie Laser-Totalstationen für die Entfernungsmessung Hunderte oder sogar Tausende von Messungen machen, um Fehler der Zeitmesselektronik wegzumitteln.
Die jüngste Entwicklung eines Mikrochiplasers in einem führenden staatlichen Labor, der extrem scharfe Pulse hoher Energie abgibt, hat neue Möglichkeiten für Laser-Radar-Systeme eröffnet. Schnell reagierend, konnte Cyra Technologies die exklusiven weltweiten Rechte an diesem patentgeschützten Laser für Cyras Märkte erwerben.
C. Das Cyrax-System
Cyrax besteht aus drei Primärbestandteilen:

• dem elektronischen Laserscanner oder der „Field Digital Vision"- (digitales Feldsehvermögen) Maschine
• der FDV-Steuer-, Peil- und Bild'montage'-Software bzw. dem Computer Graphic Perception- (Computergrafik-Wahrnehmung) Modul
• der Kommunikationssoftware zu existierenden CAD von Dritten

Gepulster Mikrochiplaser-Prototyp, montiert für Tests auf ein grosses optisches Teleskop
Entwicklungsstrategie
Cyrax wird durch ein Team internationaler Experten unter der Leitung von Dr. Jerry Dimsdale, Cyras Vizepräsidenten für Technologie, entwickelt. Durch Cyra finanziert wurde am Lincoln Laboratory des MIT der Lidar-Transceiver- (Sender und Empfänger) Teil des FDV entwickelt. Der übrige Teil des FDV einschliesslich des Scansystems und der Elektronik wurde von Cyra und verschiedene Konsulenten und Anbieter entwickelt. Die Entwicklung der Computergrafik-Software wird by Cyra unter Mithilfe von Forschern der Universität von Kalifornien in Berkeley durchgeführt. Die gesamte Entwicklung läuft in enger Zusammenarbeit mit dem Verkaufsteam von Cyra und mit industriellen Schlüsselfirmen, die vertraulich unterrichtet und in die Entwicklung einbezogen worden sind, um Input zu geben und bei der technischen Weiterentwicklung zu helfen.
Funktionsfähiger Laborprototyp des vollen FDV-Systems
FDV
Das tragbare FDV-System hat drei Hauptelemente:
Cyra-Laserkomponenten
Lidar-Transceiver

Laser
Detektor
Optik
Zeitmesselektronik

Mikroplaster in Gehäuse
Elektromechanischer Scanner

Antriebsmotoren
Richtspiegel
Kodierer
Steuerelektronik

Prototyp-PDV-Tranceiver
Interner Computer und Elektronik

eingebetteter digitaler Signalprozessor
Hilfselektronik und Leistungssteuerung
Batteriestromversorgung

CGP
Die CGP ist das „Gehirn" des Systems. Als eine komplexe Anordnung von hochmoderner Grafiksoftware drängt sie die Grenzen der Technik ebenso zurück wie der Laserscanner selbst. Indem sie eine intuitive Grafikschnittstelle zur Verfügung stellt, ermöglicht sie es dem Benutzer, das Gelände und die zu scannenden Details auf einer „Video"-Ansicht der Welt vor ihm anzupeilen. Während das FDV die ausgewählten Punkte der Szene scannt, zeigt die CGP die Punkte in einer zweiten, dreidimensionalen und tiefengeschatteten Ansicht an.
Es ist dieses zweite Fenster von Punkten, wo die Leistungsfähigkeit der CGP klar wird. Algorithmen zum Aufbau von Objekten ermöglichen es dem Benutzer mit wenigen Mausklicks, die ,Wolke von Punkten' in CAD-lesbare Ebenen, Zylinder und Oberflächen zu verwandeln. Mit Verständnisfür die Notwendigkeit von Genauigkeit bewahrt die Software alle gescannten Datenpunkte während des ganzen Prozesses (und erlaubt somit ihren optimalen Anpassungsalgorithmen, zusätzliche Daten zu nutzen, die eventuell später hinzukommen). Im Unterschied zum traditionellen Vermessungs- und Scangerät kann all diese Zusammenstellung von Daten extrem schnell und auch im Feld erfolgen. Dies bietet deutliche Vorteile: Daten können leicht stichprobenweise am Ort überprüft werden, um offensichtliche (und trotzdem in der traditionellen Praxis allzu häufige!) Fehler zu eliminieren. Beim Aufbau des Modells werden Bereiche, in denen mehr Detail erforderlich ist, offenbar, und mehr Daten können leicht hinzugefügt werden.
In Situationen, wo ein ganzes Objekt von einem Ort aus nicht erfasst werden kann, hat Cyra Software entwickelt, um Sätze von Scans zu einem grösseren Stück zusammenzuziehen.
Die CGP beruht auf offener Architektur und ist für Tragbarkeit und leichte Modifizierung in der Zukunft geschrieben. Die Entwicklung wurde an Silicon Graphics-Workstations mit der objektorientierten Sprache ANSI C++ ausgeführt, gekoppelt mit OpenGL und anderen Grafikumgebungen, die Industriestandards sind. Weil Cyrax ein tragbares, im Feld bedienbares System ist, hat Cyra auch die CGP so angepasst, dass sie auf generischen, leichten Laptops auf Intel-Basis läuft. Cyra hat erfolgreich demonstriert, dass die CGP auf einem Intel 486-Laptop mit Microsoft Windows NT läuft.
Derzeitige Pläne sehen vor, verschiedene Computer-Hardware-Optionen mit dem System anzubieten (siehe Anhang L für einen vorläufigen Preisplan). Diese reichen von einem IBM Pentium ThinkPad auf Hybridbasis bis zu den eher traditionellen Pentium- oder PowerPC-Laptops mit Erweiterungsschlitzen for eine der vielen Grafik-Beschleunigerkarten (wie der OKI America Triangl OpenGL Accelerator für Windows NT). Für Benutzer mit höchsten Ansprüchen, die Zugang zu einer festen Stromversorgung haben, kann eine SGI-Workstation angeboten werden.
CAD-Verknüpfung
Cyrax-Steuerung aus MicroStation heraus
Statt das Rad neu zu erfinden, wird Cyrax für seine traditionellen Modellierungs-, Editing- und weiteren Datenmanipulationsbedürfnisse existierende CAD-Software heranziehen. Indem es dem Käufer ermöglicht wird, mit seinem eigenen CAD-System fortzufahren (die meisten Cyrax-Benutzer werden bereits einen Typ von CAD-Softwarepaket besitzen), werden Software- und Unterstützungskosten niedrig gehalten, und die Kompatibilität ist gewährleistet. Durch die Unterstützung des 3D-DXF-Dateiformats als Industriestandard kann die CGP mit fast allen existierenden CAD-Programmen verknüpft werden. Unterstützung weiterer 3D-Datenformate wird für spezialisierte Sektoren (wie den Automobilmarkt), wo ein Angebot höherer Leistungsmerkmale nützlich sein könnte, zusätzlich in Betracht gezogen. Für diejenigen, die eine engere Integration mit einem speziellen Softwarepaket wünschen, ermöglicht die offene Architektur der CGP eine verhältnismässig einfache Kopplung mit programmierbaren CAD-Systemen.
Eine Demonstration der CGP mit der RoadWorks-Software von Intergraph wurde während des Sommers 1994 durchgeführt.
D. Überblick über Konkurrenztechnologien
Trotz der Unterschiede zwischen den drei Zielsegmenten des Marktes bestehen weitgehende Gemeinsamkeiten bei den zugrunde liegenden Technologien. Es gibt zwei Kategorien der 3D-Erfassungstechnologie: berührend (wie Sonde, Band usw.) und berührungsfrei (wie Laser und Photogrammetrie). Bei berührenden Systemen wird eine bewegliche Messvorrichtung (typischerweise ein Lesestift mit Nadelspitze oder ein reflektierender Spiegel auf einem Pfahl) zu dem zu messenden Punkt gebracht. Bei berührungsfreien Systemen andererseits werden die Orte von Punkten im Raum auf einem von ihnen getrennten Objekt ferngemessen (oft mit Lichtreflexion).
Jede Technologie hat Vor- und Nachteile. Sonden neigen zu grösserer Genauigkeit, sind aber typischerweise langsam und umständlich (da sie Daten punktweise erfassen). Berührungsfreie Verfahren neigen zu grösserer Geschwindigkeit (da es sich erübrigt, jeden zu messenden Punkt aufzusuchen bzw. zu kontaktieren). Wie aus der Tabelle ersichtlich (und durch die Vielfalt der eingesetzten Systeme veranschaulicht), hatte vor dem Durchbruch von Cyra keine Technologie einen klaren Leistungsvorteil gegenüber den anderen.
Eine erschöpfende weltweite Suche ergab mehr als 70 Anbieter verschiedener Arten von 3D-Datenerfassungsystemen, von mechanischen Armen bis zu GPS-Empfängern und Laserscannern. Mit Ausnahme der Technologien der ,Totalstation' und der ,GPS-Totalstation' sind die meisten von diesen kleine Firmen mit zu wenig Kapital und Engagement, die teure Systeme begrenzter Funktionalität in geringen Stückzahlen verkaufen. Die vollen Produkt- und Anbieterbeschreibungen sowie Photographien und firmenweise erstellte Konkwrenzvergleiche stehen in Anhang B zur Verfügung.
Von den vielen Konkurrenten mit Datenerfassungssystemen sind nur zwei in der Lage, 3D-Daten über grosse Entfernungen (50 bis 100 m) zu erfassen: MENSI und SMX. Obwohl diese auf Lasern beruhenden Systeme eine Ähnlichkeit mit Cyra zu besitzen scheinen, sind sie beide ernstlich beschränkt. Das Laser-Interferometriesystem von SMX Chesapeake kostet über 100 000 Dollar und verlangt, dass eine Sonde an jedem zu bemessenden Punkt angebracht wird, was seine Fähigkeit, 3D-Oberflächen zu erfassen, einschränkt. Sein Vorteil ist die hohe Genauigkeit. Der MENSI Soisic setzt Laser-Triangulation ein, ist aber auf die Erfassung von 100 Punkten pro Sekunde beschränkt, ist nicht sehr tragbar (gross, schwer, Wechselstrom erforderlich) und kostet fast 260 000 Dollar. Keines dieser Systeme dürfte den hohen Software-Entwicklungsgrad von Cyrax besitzen.

Claims

Vorrichtung zur Gewinnung von Positionsdaten für Oberflächenpunkte auf einem dreidimensionalen Objekt, umfassend einen Laser (602) zur Erzeugung eines Lichtstrahls, ein Scansystem (504) zum Scannen des Objekts mit dem Laserstrahl; sowie ein Überwachungsorgan (610) zur automatischen Messung des Abstandes vom Objekt, wobei das Überwachungsorgan auch die Winkellage des Laserstrahls misst und wobei die Daten für den Abstand und die Winkellage dafür geeignet sind, eine dreidimensionale Darstellung des Objekts zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser einen gepulsten Strahl erzeugt, in dem die Lichtpulse eine Dauer von weniger als einer Nanosekunde besitzen und jeder Puls eine Energie von weniger als 0,2 μJ besitzt, wobei die Zeitmessung eine Auflösung von 30 ps oder darunter besitzt, die Messung des Objektabstandes auf der Laufzeit der Laserpulse beruht und das Überwachungsorgan über Entfernungen bis zu 100 Metern bei einer Standardabweichung eine Positionsgenauigkeit für jeden Punkt im dreidimensionalen Raum von sechs Millimetern oder besser hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl eine Durchschnittsleistung besitzt, die durch die Pulsfrequenz gesteuert wird, um Beschränkungen zum Augenschutz einzuhalten, insbesondere eine Durchschnittsleistung von nicht mehr als einem Milliwatt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abstandsmessung in weniger als 0,005 Sekunden erfolgen kann.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein diodengepumpter, frequenzverdoppelter Festkörperlaser ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Laserstrahls im sichtbaren Spektralbereich liegt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Laserstrahls etwa 532 nm beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dafür geeignet ist, ein Objekt zu messen, das mit Retroreflektoren versehen ist, und wobei der Arbeitsbereich bis zu einer Meile beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter ein Prozessororgan enthaltend, um auf der Grundlage der Abstands- und Winkellagedaten eine Punktwolke zu erzeugen, wobei die Punktwolke eine Mehrzahl von Datenpunkten umfasst, von denen jeder den Ort eines entsprechenden Punktes auf der Oberfläche des Objekts darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, weiter ein Prozessororgan enthaltend, um auf der Basis der Daten der Punktwolke ein Modell des Objekts zu liefern, das die Information über Abstand und Lage enthält.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Scansystem (504) ein Spiegelscannersystem ist.