Extraction of geometric objects from TLS pointclouds of historical facades

Abstract

Terrestrisches Laser Scanning (TLS) ist ein berührungsloses 3d-Datenerfassungssystem, welches z.B. in der Geomatik oder dem Denkmal- und Kulturgüterschutz verwendet wird. Abhängig vom Prinzip der Distanzmessung können Reichweiten bis zu 4000 m (RIEGL VZ-4000) oder Messraten von 976.000 Punkten/Sekunde (Faro Photon 120) erreicht werden.<br />Ziel dieser Diplomarbeit ist die Implementierung eines automatisierten und robusten Prozesses zur Verarbeitung von TLS-Punkwolken historischer Fassaden.<br />Basierend auf einer RANSAC unterstützen Methode wird die Struktur der Fassade durch geometrische Grundformen wie Ebenen, Kugeln oder Zylinder beschrieben. Abhängig von den Aufnahmebedingungen wird mithilfe dieser Methode eine Segmentierung der Objekte erreicht. Um die Performance hinsichtlich der großen Datenmenge und die Qualität der Resultate zu steigern, werden Optimierungen im Bereich der Modellinitialisierung (gestaffelte Initialisierungsumgebung) und der Lokalisierung von Punkten (kd-tree) umgesetzt. Um Redundanz zu vermeiden, werden die Symmetrieeigenschaften der Fassade untersucht. Es wird angenommen, dass klassizistische Fenster und deren Umrandungen symmetrisch angeordnet sind. Die Konturen der Fenster werden extrahiert und die Fassade in Regions Of Interest aufgeteilt. Diese werden anschließend mittels des Iterative Closest Point Algorithmus miteinander verglichen und ein Similaritätsmaß anhand der gemittelten quadrierten Distanzen ermittelt. Es wird gezeigt, dass dieses Kriterium in Kombination mit Otsu's Schwellenwertermittlung einen ausreichende Klassifizierung in symmetrische und nicht-symmetrische ROIs ergibt. Sind zwei Regionen symmetrisch, so werden sie einem Fenstermodell zugeordnet, welches durch jede weitere Instanz verfeinert wird. Letztendlich wird die Fassade durch die unterschiedlichen Fenstermodelle repräsentiert, welche aus den geometrischen Grundformen, den verbleibenden Punkten und den Einfügekriterien bestehen.<br />

Terrestrial Laser Scanning (TLS) is used in several fields of applications, for example for construction supervision, the documentation of cultural heritage, in surveying or for the reconstruction of buildings or cities in GIS applications. Depending on the underlying principle of distance measurement either ranges up to 4000m can be achived (RIEGL VZ-4000, time of flight) or measurement rates up to 976.000 p/s are possible (Faro Photon 120, phase shift principle). Simultaneously with the deployment of TLS devices in the past fifteen years, efficient and application-specific algorithms have been developed to process the resulting point clouds.<br />The aim of this master thesis is to implement an algorithm for the reconstruction of historical facades recorded with TLS, reducing and converting them to models appropriate for CAD Systems. For the geometric description planes, spheres and cylinders are extracted with a RANSAC-based method. In order to improve the performance and the classification quality, optimizations regarding the nearest neighbors search (kd-tree) and the model initialization (hierarchical sized local initialization) are used. It is demonstrated that for homogeneously scanned regions this strategy operates adequately.<br />To reduce the effort of processing the point cloud on the one hand, and to avoid redundancy in the geometric representation on the other hand, symmetries of the facades are analyzed. Based on the location of the previously extracted window boundaries the facade is divided into Regions Of Interest (ROIs). These ROIs are matched to each other by applying the Iterative Closest Point algorithm. It is shown that the corresponding error, the averaged squared distances between the point pairs, is suitable to accomplish a distinction between symmetrical and non symmetrical windows. Finally symmetrical windows and their ornaments are represented by one single model which is refined with points of each additional window of the same type.