3D-Laserscanner

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik, der einen direkten Vergleich der vorliegenden Arbeit mit bereits auf dem Markt erhältlichen Produkten erlaubt. Es folgen eine kurze Darstellung der verwendeten Hardware, insbesondere der von uns entwickelten Drehvorrichtung, des verwendeten Laserscanners und der Kamera.

Stand der Technik

In diesem Abschnitt werden verschiedene 3D-Laserscanner und Verfahren zur Vermessung von 3D-Szenen vorgestellt. Neben Laserscannern gibt es weitere Möglichkeiten, ein dreidimensionales Abbild eines Objektes oder der Umgebung zu erstellen (z.B. Ultraschallsysteme, Stereokameras) [Bor98].

Kommerzielle 3D-Laserscanner lassen sich entsprechend ihrer Funktionsweise in zwei Gruppen einteilen:

• Zum einen gibt es punkt- beziehungsweise streifenbasierte Laserscanner. Hierbei wird ein Laserpunkt oder Laserstreifen auf ein Objekt projiziert. Mehrere Sensoren detektieren diesen Punkt bzw. Streifen. Mittels Trianguliation wird der Abstand zum Objekt bestimmt oder aus der Verformung des Musters die Geometrie erschlossen [Her99].

• Zum anderen gibt es Lichlaufzeitmessungs-basierte Laserscanner. Dabei wird ein gepulster Laserstrahl zum Objekt gesenden und dort diffus reflektiert. Eine Empfangsdiode mißt das reflektierte Licht und bestimmt aus der Lichtlaufzeit den Abstand des Objektes.

Die Auflösung bei Lichtlaufzeitmessungen ist gegenüber dem ersten Verfahren in der Regel geringer, jedoch sind diese schneller.

Desweiteren kann man die erhältlichen 3D-Laserscanner nach Ihrer Größe einteilen:

• Zum einen gibt es eine Reihe von - meist portablen - Scannern, die in der Lage sind, kleine Objekte einzuscannen.
• Scanner für große Objekte sind groß, schwer und unbeweglich [Bor98].

Für den Einsatz in der Robotik sind beide Arten ungeeignet.

3D-Scanner zum Scannen kleiner Objekte von Conrad

Ein Scanner, der sehr kleine Objekte bis zu einer Größe von 20cm $\times$ 20cm $\times$ 20cm einzuscannen vermag, gibt es bei dem großen deutschen Versandhaus Conrad zu kaufen [Con01].

Dieser optische Scanner vermißt Objekte, welche sich auf einem Drehteller befinden, nach dem Triangulationsprinzip. Er besitzt eine Auflösung von rund 0.5 Grad und bietet zusätzlich zwei Kameras, um die gescannten Objekte mit Texturen zu belegen. Der Scanner kostet 766,--.

Minolta 3D Scanner

Minolta produziert mit dem VI-700 einen 3D-Scanner (streifenabtastender Triangulationsscanner) [ URLMin]. Objekte bis zu einer Größe von 1.1m $\times$ 1.1m $\times$ 1.5m werden vermessen. Dabei werden in 0.6 Sekunden 200 $\times$ 200 Punkte eingescannt. Werbezitat: ,,Wird das Objekt von mehreren Seiten gescannt (z.B. auf dem optionalen Rotary-Table), so können diese Einzelscans auf einfachste Art und Weise zu einem vollständigen Objekt zusammengesetzt werden. Die eingebaute Digitalkamera erstellt zusätzlich zum 3D-Scan ein Bild, welches auf Wunsch als Textur über das Objekt gelegt werden kann.`` [ URLMin]. Ein solches portables Gerät kostet etwa 25.550,--.

Cyberwave 3D Scanner

Die Firma Cyberwave stellt 3D-Scanner für den High-End Markt her [Bor98]. Dabei können Objekte bis zu einer Größe von zirka 2m $\times$ 1.5m $\times$ 1.5m eingescannt werden. Das zugrundeliegende automatische streifenbasierte optische Scannverfahren besitzt Genauigkeiten bis zu 300 $\mathrm{\mu}$$\text m$. Um ein 3D Modell zu erhalten, wird entweder das Objekt rotiert (Cyberwave WB4) oder die ganze Scannaperatur bewegt (Cyberware Model 15). Die Scanner sind nicht oder nur schlecht portabel. Kosten: $>$ 100.000,--.

Autoscan

Autoscan ist ein 3D Scansystem, welches auf punktbasiertem optischen Scannen beruht [Bor98]. Das System besteht aus einem Laserpointer, zwei Videokameras und einem Real-Time Bildprozessor. Der Laserpointer wird manuell, d.h. von Hand, bewegt und markiert einen Punkt auf dem zu scannenden Objekt. Über die zwei Kameras wird dann via Triangulation die Entfernung zu dem Punkt berechnet. Die Genauigkeit variiert mit der Breite der Stereobasis, erreicht aber Werte bis zu 0.1mm. Nachteilig ist, daß dieses Verfahren extrem hohen Rechenaufwand besitzt, welches bisher (1998) nur Spezial-Hardware zu lösen vermochte.

Zeitmessungsbasierte 3D-Laserscanner

Zeitmessungsbasierte 3D-Laserscanner sind aus der Sicherheitstechnik stammende modifizierte 2D-Laserscanner. Um auch damit dreidimensional scannen zu können muß entweder die Apparatur beziehungsweise das Objekt bewegt werden. In der Literatur sind zwei Apparaturen bekannt, die 3D-Laserscans ermöglichen und dabei den 2D-Laserscanner drehen. Zum einen ist das der 3D-Scanner auf Daimler-Chrysler Roboter (Neuros Projekt) [Jen99] mit einer Drehvorrichtung von Amtec und zum anderen der SICK-Laser Range Finder auf MAVERICK [Wal00], der ebenfalls ein Amtec Modul zur Drehung um die vertikale Achse benutzt [ URLAmt, URLSic].

Die Genauigkeit hängt von dem Laserscanner und dem externen Drehmodul ab, das Auflösungsvermögen nimmt mit der Entfernung ab. Hardwarekosten für einen solchen Aufbau sind etwa 6.000,--. Mit diesem Verfahren können sehr große Objekte gescannt werden, einschließlich ganzer Räume. Deshalb eignet sich dieses Verfahren in der Robotik sehr gut.

3D Objekterfassung auf Silizium

Ein neuer CMOS-Bildsensor, der dreidimensionale Objekte erfaßt, wurde von Siemens und der FhG entwickelt [ URLSie]. Im Gegensatz zu dem bisher vorgestellten Verfahren mit Lichtlaufzeitmessung muß hier kein Spiegel mehr gedreht werden. Der Chip basiert auf einem sogenannten MDSI (Multiple Double Short Time Integration) Verfahren. Zitat: ,,[Das] gesammte auszumessende Objekt wird mit Laserimpulsen niedriger Leistung beleuchtet und das zurückkommende Licht durch CMOS-Bildwandler mit extrem kurzen Integrationszeiten erfaßt.`` [ URLSie]. Das Verfahren befindet sich zur Zeit noch in der Entwicklung, erreicht eine Auflösungen von bis zu 1000 Objektpunkten (30 $\times$ 30) und Genauigkeiten bis 1cm.

Callidus

Callidus ist ein 3D-Lasermeßsystem der Callidus Precision Systems GmbH, welches die Vermessung von Innenräumen ermöglicht [ URLCal]. Auch Callidus arbeitet mit Pulslaufzeitmessung. Der Laserscanner läßt sich horizontal um 360$^{\circ}$ drehen und überdeckt vertikal einen Bereich von 180$^{\circ}$ mit einer Winkelauflösung von bis zu 0.25$^{\circ}$.

Der Laserscanner wird statisch auf einem Stativ positioniert und scannt den gesamten von dieser Position aus einsehbaren Raum. Die Zeit für einen Scan liegt zwischen 3 Minuten und mehreren Stunden. Der Preis einschließlich Auswertungssoftware liegt bei ca. 50.000,--.

3D Scannen durch Roboterbewegung

Eine weitere interessante Möglichkeit, insbesondere größer Objekte wie Räume, etc. dreidimensional zu scannen, ist, einen 2D Laserscanner (vgl. 2.2.2) mit ,,Blickrichtung`` nach oben auf einer mobilen Roboterplattform zu befestigen[Thr00]. Durch Drehbewegungen des Roboters wird eine Abfolge von 2D-Daten gesammelt, die zu einem 3D-Modell kombiniert werden können. Die Drehung des Roboters ersetzt somit einen externen Motor. Zur Erstellung eines 360$^{\circ}$ Scans ist eine Drehung der Plattform um 180$^{\circ}$ notwendig. [ URLThr].

Die Meßgenauigkeit dieses Verfahrens hängt wesentlich von der genauen Kenntnis der Roboterposition ab. Der Prozeß Datenaufnahme ist also an den Prozeß der Bewegung gekoppelt. Über die erreichten Genauigkeiten bei den auf diesem Prinzip erstellten 3D-Szenen liegen keine genauen veröffentlichten Informationen vor. Schätzungsweise dürfte die Genauigkeit im Bereich von ungefähr 20cm liegen.

Fazit

Da die zwei 3D-Laserscanner von den Forschungsgruppen Daimler-Chrysler und der Uni Lübeck nicht komerziell verfügbar sind, sind zur Zeit auf dem Markt keine preisgünstigen mobilen 3D-Laserscanner für größere Objekte erhältlich, die in der Robotik einsetzbar wären.

Aufbau des realisierten 3D-Scanners

Grundlage des im folgenden dargestellten 3D-Laserscanners ist ein 2D-Laserscanner der Firma Schmersal [ URLSch], der drehbar gelagert wurde (Abbildung 2.1).

Ein entscheidendes Kriterium für den Anschluß von Hardware an den Rechner ist die Auswahl der benötigten Schnittstellen. Es werden lediglich Standardschnittstellen des Computers benutzt, um die Peripheriegeräte anzuschließen.

Tabelle 2.1: Schnittstellen des 3D-Laserscanners

Schnittstelle	angeschlossenes Gerät
serielle Schnittstelle (COM1)	Schmersal Laserscanner
parallele Schnittstelle (LPT1)	Servomotor
Universal Serial Bus (USB)	Kamera

Diese Schnittstellen sind heutzutage auf portablen Rechnern vorhanden, wodurch die Apparatur universell und flexibel auf mobilen Roboterplattformen einsetzbar ist, vgl. Abbildung 2.2.

Drehvorrichtung

Bedingungen an den Aufbau stellen sich durch die technischen Daten der verwendeten Hardware. Der Laserscanner wiegt circa 3.5kg bei Abmessungen von 155mm $\times$ 185mm $\times$ 156mm. Um ein solches Objekt drehen zu können, müssen Rotations- und Reibungskräfte überwunden werden. Der verwendete Modellbauservo hat ein maximales Drehmomente von 210Ncm.

Zur Realisierung der Drehvorrichtung wurde der Laserscanner auf zwei ,,Füße`` gestellt. Die Drehung erfolgt senkrecht zur Blickrichtung (Abbildung 2.1). Da das zur Verfügung stehende Drehmoment begrenzt ist, mußte das Trägheitsmoment minimiert werden.

Abbildung 2.1: Der Aufbau des 3D Laserscanners. Die Drehachse verläuft horizontal

Abbildung 2.2: Montage auf dem Roboter [ URLHp]

Es gilt:

$$\newlength {\myLength}\setlength {\myLength}{\linewidth}\addt... ...{equation*}}%\parbox [b]{2cm}{\begin{equation}\end{equation}}$$

mit dem Trägheitsmoment nach dem Steinerschen Satz

$$J_s = J_a \hspace{2.25em} + r_d \cdot m^2$$ (2.1)

$$= \int r\, \text dm + r_d \cdot m^2,$$ (2.2)

wobei $J_a$ das Trägheitsmoment bei Drehung um eine Schwerpunktachse ist, $r$ bezeichnet den Abstand eines Massepunktes vom Schwerpunkt und $r_d$ ist der Abstand der Drehachse von einer parallelen Achse, die durch den Schwerpunkt geht. Somit ergibt sich, daß sowohl die Masse $m$ die gedreht werden muß als auch der Abstand von der optimalen Drehachse (Schwerpunktdrehachse) $r_d$ möglichst klein gehalten werden müssen.

Zur Bestimmung der optimalen Drehachse wird der zu drehende Körper auf zwei parallel verlaufenden horizontalen Achsen aufgehängt und ausgependeld. Dabei wird jeweils das Lot gefällt. Der Schnittpunkt der beiden Lote ergibt die optimale Drehachse des Körpers.

Eine weitere Realisierungsmöglichkeit mit horizontaler Drehachse

Eine alternative Möglichkeit, einen Standard Sicherheits-Laserscanner wie den LSS 300 zu einem 3D-Laserscanner umzubauen, ist die Montage eines 2D-Laserscanners auf eine drehbare Platte. Dabei liegt die Drehachse ebenfalls horizontal und zwar in Richtung der ,,Blickrichtung``. Dies könnte zum Beispiel durch ein Modul wie in Abbildung 2.3 dargestellt geschehen.

Der Vorteil eines solchen Aufbaus ist, daß man alles vor dem Laser Befindliche erfaßt und nicht nur einen Bereich von 90 $\times$ 180 Grad. Nachteile für diese Lösung sind neben den höheren Kosten, daß ein 3D-Scan die doppelte Zeit für die Aufnahme benötigen würde, da man hierbei darauf angewiesen wäre, daß der Laser um volle 180 Grad gedreht wird.

Abbildung 2.3: Das Drehmodul

Sicherheits-Laserscanner LSS 300

Zur Skizze der wesentlichen technischen Merkmale des verwendeten 2D-Scanners zitieren wir aus der Produktbeschreibung [ URLSch]:

,,Die Sicherheits-Laserscanner der Reihe LSS 300 detektieren berührungslos eine 180 Grad-Fläche und kann so zur horizontalen Absicherung eines Gefahrenbereichs vor oder in Anlagen, wie z.B. Rohrbiegemaschinen, Industrieroboter oder fahrerlose Transportmittel eingesetzt werden. Die wartungsfreien Sicherheits-Laserscanner der Reihe LSS 300 senden einen ungefährlichen, nicht sichtbaren Laserstrahl aus. Durch einen sich drehenden Spiegel wird eine 180 Grad-Flächendetektion erwirkt. Der Laserstrahl wird von Objekten im Scanbereich diffus reflektiert und wieder im Laserscanner empfangen. Die interne Auswertung errechnet durch Lichtlaufzeitmessung und aus den korrespondierenden Winkelinformationen die genaue Entfernung und Position der jeweiligen Person oder des Gegenstandes. Befindet sich diese Person oder der Gegenstand innerhalb des vorher über die benutzerfreundliche, interaktive Software programmierten Schutz- oder Warnfeldes, werden die Ausgänge des Sicherheits-Laserscanners geschaltet.

Abbildung 2.4: Der Laserscanner

Der LSS 300 erfüllt die Schutzart IP 67 und entspricht der Steuerungskategorie 3 nach EN 954-1. Das Modell LSS 300-2 kann bis zu 2 Schutzzonen (innerhalb 4m) und bis zu 2 Warnzonen (bis 15m) absichern. Die Ansprechzeit liegt unter 60ms, die Auflösung beträgt 50mm in 4m Entfernung. Anlauf- und Wiederanlaufsperre können wie die Schutzkontrolle an- und ausgeschaltet werden.`` [ URLSch]

Abbildung 2.5: Die Mustek MDC800

Kamera

Zur realitätsnahen Visualisierung der 3D-Szene wird die USB-Kamera MDC800 (siehe Abbildung 2.5) von Mustek eingesetzt. Während des Scans werden Photos aufgenommen und daraus Texturen extrahiert. Diese Texturen werden später mit den 3D-Elemente verknüpft.

Die Mustek MDC800

Die Kamera besitzt eine Auflösung von maximal 1012 $\times$ 768 Pixel, 4MB internen Speicher, einen Öffnungswickel von 55 Grad und einen fixierten Fokus von 70cm bis unendlich.

Zum Betrieb der Kamera ist ein Kerneltreiber unbedingt notwendig. Wir verwenden den mdc800-Kerneltreiber von Henning Zabel [ URLGph]. Der Treiber wurde leicht modifiziert, um den zeitkritischen Anforderungen gerecht zu werden. Dieser Kerneltreiber stellt den Anwendungsprogrammen read/write Operationen auf des Gerät /dev/mustek zur Vefügung, so daß diese dann das Protokoll implementieren können.

Für die Implementierung des USB-Protokolls wird das Linux-Programm gphoto benutzt. Dieses Programm wird aus der Scannerapplikation heraus aufgerufen. Die Kamera benötigt ungefähr 9 Sekunden, um ein Photo aufzunehmen (inklusive der Downloadzeit).

Technische Daten des entwickelten 3D-Scanners

Größe (B $\times$ H $\times$ T) 		 350mm $\times$ 240mm $\times$ 240mm 


Gewicht 		 4.5kg 




Betriebsspannung Laserscanner 		 24V 


Leistungsaufnahme Laserscanner 		 20W (max.)


Betriebsspannung Servomotor 		 6V 


Leistungsaufnahme Servomotor

        maximal 		 12W 

        durchschnittlich 		 3W

        Ruhe 		 1.2W


Drehmoment Servo 		 210Ncm


Anschluß Laserscanner 		 RS232/RS422


Anschluß Servomotor 		 LPT 




scannbarer Bereich 		 $150^\circ$ $\times$ $90^\circ$ 


maximale Auflösung 		 113400 Punkte 


maximale Genauigkeit 		 vertikal: 		 $0.5^\circ$ 


horizontal: 		 5cm 


Reichweite 		 60m 


min. Objektremission 		 1.8% (diffus)


max. Objektremission 		 keine Beschränkung


Lichtquelle (Wellenlänge) 		 Laserdiode (905nm)


Laserschutzklasse 		 1 nach EN


Scanngeschwindigkeit 		 4-12s, ja nach Auflösung