DE19749435B4 - Method and device for the three-dimensional, areal, optical measurement of objects - Google Patents

Method and device for the three-dimensional, areal, optical measurement of objects Download PDF

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DE19749435B4 DE1997149435 DE19749435A DE19749435B4 DE 19749435 B4 DE19749435 B4 DE 19749435B4 DE 1997149435 DE1997149435 DE 1997149435 DE 19749435 A DE19749435 A DE 19749435A DE 19749435 B4 DE19749435 B4 DE 19749435B4
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Abstract

Verfahren zur dreidimensionalen flächenhaften Vermessung von Objekten, bei dem
– eine Projektionseinrichtung mit einer Projektionsachse und mindestens zwei Projektionsgitter-Einheiten eine Serie unterschiedlicher, eine Lichtcodesequenz bildender Lichtmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert,
– Abbildungen von den auf das zu vermessende Objekt projizierten Lichtmustern auf dem Bildsensor einer Kamera erzeugt werden,
– aus den erzeugten Abbildungen Projektionsstrahlen oder Lichtschnitte bestimmt werden und durch Verschneidung der Projektionsstrahlen oder Lichtschnitte mit den Beobachtungsstrahlen der Kamera über eine Triangulationsrechnung die Oberflächenkontur des Objektes berechnet wird,
– die Projektionsgitter entweder deckungsgleich oder entsprechend den Erfordernissen der verwendeten Lichtcodesequenz aufeinander justiert in der Bildebene der Projektionseinrichtung abgebildet werden,
– die Projektionsgitter zeitlich voneinander getrennt mittels schaltbarer Lichtquellen projiziert werden,
– die Projektionen der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster gleichmäßig auf die vorhandenen Projektionsgitter-Einheiten verteilt werden,
– bei der Projektion der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster die Projektionszeitpunkte...Method for the three-dimensional planar measurement of objects, in which
A projection device having a projection axis and at least two projection grating units projecting a series of different light patterns forming a light code sequence onto the object to be measured,
Images of the light patterns projected onto the object to be measured are generated on the image sensor of a camera,
Projection rays or light sections are determined from the images produced, and the surface contour of the object is calculated by intersecting the projection beams or light sections with the observation beams of the camera via a triangulation calculation,
The projection grids are mapped either congruently or in accordance with the requirements of the light code sequence used in the image plane of the projection device,
The projection gratings are projected temporally separated from one another by means of switchable light sources,
The projections of the individual light patterns belonging to a light code sequence are distributed uniformly over the existing projection grid units,
In the projection of the individual light patterns belonging to a light code sequence, the projection times ...

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen, flächenhaften, optischen Vermessung von Objekten. Es gibt mittlerweile eine Reihe von optischen Meßverfahren, die durch Projektion von Streifenmustern, welche mit einer Videokamera aufgezeichnet werden, die flächenhafte Berechnung von dreidimensionalen Konturdaten ermöglichen. Zur Berechnung der dreidimensionalen Gestalt eines Objektes wird hierbei ein digitales Bildverarbeitungssystem verwendet, das aus einem oder mehreren Kamerabildern die gewünschten Ergebnisdaten berechnet.The The invention relates to a method and a device for three-dimensional, planar, optical Measurement of objects. There are now a number of optical measuring method by projection of stripe patterns with a video camera be recorded, the areal Allow calculation of three-dimensional contour data. To calculate the In this case, a three-dimensional shape of an object becomes a digital image processing system used, which from one or more camera pictures the desired Result data calculated.

Die Erzeugung von eindeutig unterscheidbaren Lichtschnitten oder Projektionsstrahlen erfordert eine Lichtcodesequenz, die aus mehreren Linienmustern besteht. Die erforderliche Anzahl der zu projizierenden Linienmuster hängt im allgemeinen von der verwendeten Kodierung und der geforderten Auflösung des Meßsystems ab, also wie viele Lichtschnittebenen oder Projektionsstrahlen im Projektionskegel der Projektionseinrichtung unterschieden werden können.The Generation of clearly distinguishable light sections or projection beams requires a light code sequence that consists of several line patterns consists. The required number of line patterns to be projected hangs in the general of the coding used and the required resolution of the measuring system so how many light sections or projection beams in the Projection cone of the projection device are distinguished can.

Die bekanntesten Verfahren zur Erzeugung eines Lichtcodes sind das Phasenshiftverfahren und das Verfahren des kodierten Lichtansatzes (CLA-Verfahren). Ferner wird in der Patentschrift DE 41 20 115 C2 das kombinierte CLA-Phasenshiftverfahren beschrieben, das die Vorteile des Phasenshiftverfahrens, nämlich die hohe Tiefenauflösung, mit den Vorteilen des Verfahrens nach dem kodierten Lichtansatz kombiniert, so daß absolute Tiefendaten mit hoher Auflösung gewonnen werden können. Bei diesem Verfahren ist die Anzahl der zu projizierenden Linienmuster gleich der Summe aus der Anzahl der zum CLA-Verfahren gehörenden Linienmuster zuzüglich der zum Phasenshiftverfahren gehörenden Linienmuster. Bei Verwendung eines Projektionsgitters mit 1024 Linien ergibt dies z.B. eine Sequenz von 15 zu projizierenden Linienmustern (2 Referenzbilder + 9 Graycodebilder + 4 Phasenshiftbilder). Die unterschiedlichen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Linienmuster werden dabei typischerweise mit einem programmierbarem LCD-Paneel oder einem mechanisch verstellbaren Liniengittern erzeugt.The best known methods for generating a light code are the phase shift method and the coded light approach (CLA method). Furthermore, in the patent DE 41 20 115 C2 described the combined CLA phase shift method, which combines the advantages of the phase shift method, namely the high depth resolution, with the advantages of the method according to the coded light approach, so that absolute depth data with high resolution can be obtained. In this method, the number of line patterns to be projected is equal to the sum of the number of line patterns associated with the CLA method plus the line pattern associated with the phase shift method. For example, using a projection grid with 1024 lines, this results in a sequence of 15 line patterns to be projected (2 reference images + 9 gray code images + 4 phase shift images). The different line patterns belonging to a light code sequence are typically generated with a programmable LCD panel or a mechanically adjustable line grid.

Ein weiteres in der DE 197 38 179 C1 beschriebenes Verfahren zeigt eine Alternative zum kombinierten CLA-Phasenshiftverfahren auf. Hierbei erfolgt die Gewinnung hochaufgelöster Tiefendaten nicht durch das Phasenshiftverfahren sondern durch ein neuartiges Verfahren, welches neben den Tiefendaten gleichzeitig das für die Binarisierung der Graycodebilder erforderliche dynamische Schwellwertbild liefert. Hierdurch verkürzt sich die Sequenz um 2 Bilder, so daß sich für obiges Beispiel die Anzahl der zu projizierenden Linienmuster auf 13 verringert.Another in the DE 197 38 179 C1 described method shows an alternative to the combined CLA phase shift method. In this case, the extraction of high-resolution depth data is not carried out by the phase shift method but by a novel method which, in addition to the depth data, simultaneously supplies the dynamic threshold image required for the binarization of the gray code images. This shortens the sequence by 2 pictures, so that the number of line patterns to be projected is reduced to 13 for the above example.

Während der gesamten Abspieldauer der Lichtcodesequenz muß das zu vermessende Objekt oder die zu vermessende Szenerie in absoluter Ruhe verharren, da sonst die Linienmuster in den aufgenommenen Kamerabildern nicht korrelieren. Die genannten Verfahren sind daher nicht für die Messung an bewegten Objekten geeignet. Dies muß als ein prinzipbedingter Nachteil in Kauf genommen werden.During the entire playing time of the light code sequence must be the object to be measured or the scene to be surveyed remain in absolute calm, otherwise the line patterns in the captured camera images do not correlate. The above methods are therefore not for the measurement of moving objects suitable. This must as a principle-related disadvantage can be accepted.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist ein Verfahren ( EP 0 419 936 A1 ) entwickelt worden, welches unter der Bezeichnung „direkte Phasenmessung" oder „räumliches Phasenshiftverfahren" bekannt ist. Dieses Verfahren benötigt nur noch eine Gitterprojektion bzw. ein Kamerabild um 2π modulierte Tiefendaten zu berechnen. Der hierdurch gewonnenen Echtzeitfähigkeit stehen jedoch neben der Tatsache, daß nur 2π modulierte und nicht absolute Tiefendaten gewonnen werden können, weitere gravierende Nachteile gegenüber:
Bei der Durchführung des Phasenshifts wird vorausgesetzt, daß die Periodenlänge im Streifenbild einer konstanten Anzahl von Pixeln entspricht. Ferner wird vorausgesetzt, daß die Hintergrundintensität benachbarter Pixel identisch ist. Beide Voraussetzungen werden jedoch bei der Vermessung realer Objekte nur in grober Näherung erfüllt. Dies resultiert in relativ großen Phasenfehlern im Ergebnis. Deshalb ist dieses Verfahren für exakte Messungen ungeeignet.To avoid this disadvantage, a method ( EP 0 419 936 A1 ), which is known as "direct phase measurement" or "spatial phase shift method". This method only needs a grid projection or a camera image to calculate 2π modulated depth data. However, the real-time capability gained as a result, apart from the fact that only 2π modulated and not absolute depth data can be obtained, has further serious disadvantages compared to:
When performing the phase shift, it is assumed that the period length in the stripe image corresponds to a constant number of pixels. Furthermore, it is assumed that the background intensity of adjacent pixels is identical. However, both prerequisites are met in a rough approximation when measuring real objects. This results in relatively large phase errors in the result. Therefore, this method is unsuitable for exact measurements.

In vielen Anwendungsfällen, z.B. bei der Vermessung von Gesichtern, Rückenpartien, usw. an lebenden, aber in Ruhe verharrenden Personen oder der Vermessung nicht völlig starrer Objekte, kann die Verwendung einer längeren Lichtcodesequenz akzeptiert werden, falls die gesamte zum Abspielen und Aufnehmen einer Lichtcodesequenz benötigte Zeit hinreichend kurz ist, also z.B. nur Bruchteile einer Sekunde beträgt, und dafür absolute und genaue Tiefendaten gewonnen werden können.In many applications, e.g. in surveying faces, backs, etc. on living, but people who are still at rest or who are surveying are not completely more rigid Objects, the use of a longer light code sequence can be accepted if the whole is to play and record a light code sequence needed Time is sufficiently short, e.g. only fractions of a second is, and therefor absolute and accurate depth data can be obtained.

Der in den Patentansprüchen 1 und 7 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß einem schnellen Abspielen der Lichtcodesequenz durch das notwendige Umprogrammieren oder Verstellen des Projektionsgitters Grenzen gesetzt sind. Während durch den Einsatz von schnellen Videokameras, z.B. mit frequenzverdoppeltem CCD-Chip, die Aufnahme einer 13 Bilder langen Lichtcodesequenz in 0.26s problemlos möglich ist, kann ein LCD-Projektor mit der Projektion der unterschiedlichen Lichtmuster hier nicht Schritt halten.Of the in the claims 1 and 7 indicated invention is based on the problem that a fast playback of the light code sequence by the necessary reprogramming or adjusting the projection grid limits are set. While through the use of fast video cameras, e.g. with frequency doubled CCD chip, the recording a 13-frame light code sequence in 0.26s is easily possible, Can an LCD projector with the projection of different Light patterns do not keep up here.

Die Einstellzeit des Projektionsgitters liegt meistens beträchtlich über der Zeit, die zwischen zwei Kamerabildern hierfür zur Verfügung stünde. Der japanische Hersteller SONY gibt beispielsweise als Antwortzeit des TFT Panels Typ LCX012AL bei 25°C für das Ausschalten eines Punktes 27ms an. In dieser Zeit steigt die relative Lichtdurchlässigkeit von 0% auf 90% an, die Abweichung vom Sollwert beträgt nach 27ms also noch 10%. Für den inversen Schaltvorgang werden 11ms angegeben. In dieser Zeit sinkt die relative Lichtdurchlässigkeit von 100% auf 10%. Zuzüglich der Zeit, die zum Programmieren der LCD-Treibereinheit, also z.B. einer Grafikkarte, erforderlich ist, beträgt die Einstellzeit für das Projektionsgitter somit mindestens 30–35ms. Wird eine Belichtung bei noch nicht voll erreichtem Endwert durchgeführt, so ist der Streifenkontrast und damit das Signal/Rausch-Verhältnis dementsprechend schlechter. Ferner ändert sich dann die Lichtdurchlässigkeit der LCD Elemente noch während der Belichtungszeit der Kamera und zwar in Abhängigkeit von der vorhergehenden Einstellung. Dies führt insbesondere bei Verwendung des Phasenshiftverfahrens zu beträchtlichen Fehlern, da dann an den einzelnen Bildpunkten die Amplitude der sinusförmigen Intensitätsmodulation entgegen den Anforderungen des Phasenshiftverfahrens nicht konstant ist.The response time of the projection grating is usually considerably longer than that available between two camera images. For example, the Japanese manufacturer SONY gives as the response time of the TFT panel type LCX012AL at 25 ° C for switching off a point 27ms. During this time, the relative light transmittance increases from 0% to 90%, so the deviation from the setpoint is still 10% after 27ms. For the inverse switching process 11ms are specified. During this time, the relative light transmittance decreases from 100% to 10%. In addition to the time required for programming the LCD driver unit, eg a graphics card, the setting time for the projection grid is thus at least 30-35 ms. If an exposure is carried out at not yet fully reached final value, the strip contrast and thus the signal / noise ratio is correspondingly worse. Further, the light transmittance of the LCD elements still changes during the exposure time of the camera, depending on the previous setting. This leads in particular when using the phase shift method to considerable errors, since then the amplitude of the sinusoidal intensity modulation is not constant at the individual pixels contrary to the requirements of the phase shift method.

Noch ungünstiger sind die Verhältnisse, wenn das Gitter mechanisch bewegt wird. Die Fa. ABW (Automatisierung Bildverarbeitung Dr. Wolf, Gutenbergstr. 9, D-72636 Frickenhausen) gibt beispielsweise für den „Miniatur Linien- und Musterprojektor nach Malz" eine Schaltzeit von ca. 120ms an. Die Aufnahme eines Linienmusters bei nicht völlig geschaltetem Projektionsgitter ist hierbei völlig ausgeschlossen.Yet unfavorable are the circumstances, though the grid is moved mechanically. The company ABW (Automation Image processing Wolf, Gutenbergstr. 9, D-72636 Frickenhausen) gives for example the "miniature Line and sample projector to malt "a switching time of about 120ms Recording of a line pattern with not completely switched projection grid is here completely locked out.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen, flächenhaften, optischen Vermessung von Objekten mittels projizierter Lichtmuster anzugeben, die die schnelle Projektion der unterschiedlichen, zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster ermöglicht und so die Aufnahmezeit der Meßbildsequenz verkürzt.The The object of the invention is a method and a device to the three-dimensional, planar, optical measurement of objects by means of projected light patterns indicate the rapid projection of the different, too belonging to a light code sequence Light pattern allows and thus shortens the recording time of the image sequence.

Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 aufgeführte Verfahren und die in Patentanspruch 7 aufgeführte Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.These The object is achieved by the method specified in claim 1 and solved by the device listed in claim 7. Advantageous developments are given in the respective subclaims.

Die Aufgabe der Projektionseinrichtung, die unterschiedlichen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster auf einer optischen Projektionsachse zu projizieren, wird erfindungsgemäß gleichmäßig auf zwei oder mehrere Projektionsgitter-Einheiten aufgeteilt. Die Projektionsgitter werden erfindungsgemäß entweder deckungsgleich oder entsprechend den Erfordernissen der verwendeten Lichtcodesequenz aufeinander justiert in der Bildebene der Projektionseinrichtung abgebildet. Werden beispielsweise zur Erzeugung eindeutig unterscheidbarer Projektionsstrahlen zwei in der Projektionsebene aufeinander senkrecht stehende Linienmuster verwendet, so werden zweckmäßigerweise die Linien des einen Projektionsgitters senkrecht zu denen des zweiten Projektionsgitters ausgerichtet.The Task of the projection device, the different to one Light code sequence belonging To project light patterns on an optical projection axis, becomes evenly according to the invention split two or more projection grid units. The projection grids be according to the invention either congruent or according to the requirements of the light code sequence used aligned in the image plane of the projection device displayed. For example, become clearly distinguishable to produce Projection beams two perpendicular to each other in the projection plane used standing line pattern, so are expediently the lines of one projection grating perpendicular to those of the second Projection grid aligned.

Die Projektionsgitter werden erfindungsgemäß zeitlich voneinander getrennt mittels schaltbarer Lichtquellen projiziert, so daß die Projektionsgitter unabhängig voneinander projiziert werden können.The Projection gratings are temporally separated according to the invention projected by means of switchable light sources, so that the projection gratings independently can be projected.

Erfindungsgemäß werden bei der Projektion der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster die Projektionszeitpunkte der Projektionsgitter zyklisch hintereinander angeordnet und mit der Bildaufnahme des Bildsensors so synchronisiert, daß während der Aufnahme eines Lichtmusters durch den Bildsensor genau ein Projektionsgitter projiziert wird. Die Synchronisation kann auf Basis der Zeitsignale der Kamera erfolgen oder durch einen Mikrocomputer, welcher die zeitlichen Abläufe im Meßsystem koordiniert, übernommen werden. In diesem Fall ist eine extern triggerbare Kamera erforderlich.According to the invention in the projection of the individual light patterns belonging to a light code sequence the projection times of the projection grids cyclically one behind the other arranged and synchronized with the image capture of the image sensor so that during the Taking a light pattern through the image sensor exactly one projection grid is projected. The synchronization can be based on the time signals the camera done or by a microcomputer, which the temporal processes in the measuring system coordinated, taken over become. In this case, an externally retrievable camera is required.

Ferner wird erfindungsgemäß bei der Projektion der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster die Einstellung des nächsten von einem Projektionsgitter anzu zeigenden Lichtmusters unmittelbar oder kurzzeitig nach der Projektion des aktuell von diesem Projektionsgitter anzuzeigenden Lichtmusters gestartet und die zur Einstellung dieses Projektionsgitters benötigte Zeit zur Projektion von Lichtmustern mit den jeweils anderen Projektionsgittern genutzt. Dadurch steht jedem Projektionsgitter einerseits eine maximal lange Zeit zur Einstellung des nächsten mit diesem Projektionsgitter zu projizierenden Lichtmusters zur Verfügung, andererseits wird die Aufnahmegeschwindigkeit der Kamera optimal genutzt.Further is inventively in the Projection of the individual light patterns belonging to a light code sequence the setting of the next from a projection grid to be displayed light pattern immediately or momentarily after the projection of the current of this projection grid to be displayed light pattern and the setting of this projection grid needed Time to project light patterns with the other projection grids used. As a result, each projection grid on the one hand a maximum long time to set the next with this projection grid to be projected light pattern for available On the other hand, the recording speed of the camera is optimal used.

Als Lichtcodesequenz kann eine Liniengittersequenz verwendet werden, wie sie zur Ermittlung absoluter, nicht 2π modulierter Phasenwinkel geeignet und in der DE 197 38 179 C1 beschrieben ist. Ebenso kann eine solche Lichtcodesequenz verwendet werden, wie sie zur Erzeugung eindeutiger Projektionsstrahlen geeignet und in der DE 197 47 061 A1 beschrieben ist.As a light code sequence, a line lattice sequence can be used as it is suitable for determining absolute, not 2π modulated phase angles and in the DE 197 38 179 C1 is described. Likewise, such a light code sequence can be used as it is suitable for generating clear projection beams and in the DE 197 47 061 A1 is described.

Der notwendige Zeitabstand den die Projektionseinheit zwischen der aufeinanderfolgenden Projektion von zwei unterschiedlichen Lichtmustern benötigt, beträgt bei der Verwendung dieser neuen Vorrichtung nur noch einen Bruchteil der ursprünglichen Einstellzeit des Projektionsgitters. Durch den Einsatz von n Projektionsgittern kann somit projektionsseitig die Aufnahmegeschwindigkeit um einen Faktor n erhöht werden.Of the necessary time interval that the projection unit between the successive Projection of two different light patterns needed is at the Use of this new device only a fraction of the original response time of the projection grid. Through the use of n projection gratings can thus projection the recording speed by one Factor n increased become.

In der Praxis ist insbesondere die Verwendung von 3 Projektionsgittern zweckmäßig, da hierzu die ausgereifte Optik handelsüblicher LCD Projektoren mit 3 LCD-Paneelen fast unverändert übernommen werden kann. Dadurch halten sich die Kosten für eine solche Projektionseinrichtung in Grenzen. Lediglich die Umrüstung auf drei getrennt schaltbare Lichtquellen und das Entfernen der für diese Meßtechnik überflüssigen Farbfilter ist erforderlich. Bei einer typischen Verzögerungszeit von 0.03s für das LCD-Paneel bis zum Erreichen des vollen Kontrastes ergibt sich durch die Verwendung von 3 Gittern eine theoretische Projektionsfrequenz von 1/0.03s/3 = 100Hz. Bei einer Sequenzlänge von 13 Lichtmustern ergibt dies bei Verwendung einer entsprechend schnellen CCD-Kamera eine Aufnahmezeit von ca. 0.15s.In In practice, in particular, the use of 3 projection gratings appropriate, since this is the sophisticated look of commercially available LCD projectors with 3 LCD panels adopted almost unchanged can be. This keeps the costs for such a projection device within limits. Only the conversion on three separately switchable light sources and removing the for this Measurement technology superfluous color filter is required. At a typical delay time of 0.03s for the LCD panel until full contrast is achieved by use of 3 gratings a theoretical projection frequency of 1 / 0.03s / 3 = 100Hz. At a sequence length of 13 light patterns results in using a correspondingly fast CCD camera a recording time of about 0.15s.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.in the Below is an embodiment of the Invention explained with reference to drawings.

In den Zeichnungen zeigen:In show the drawings:

1: Den Aufbau eines Meßsystems zur Gewinnung dreidimensionaler Konturdaten mit einer Projektionseinheit mit zwei Projektionsgittern. 1 : The construction of a measuring system for obtaining three-dimensional contour data with a projection unit with two projection grids.

2: Das Zeitdiagramm für das in der 1 gezeigte System 2 : The timing diagram for that in the 1 shown system

Das in der 1 gezeigte Meßsystem besitzt eine Projektionseinrichtung, welche zwei unabhängige Projektionsgitter-Einheiten G1 und G2 besitzt. Das Gitter G1 wird durch eine Lichtquelle, bestehend aus Blitzlichtlampe L1, Reflektor R1 und Kondensor K1, beleuchtet und über die Abbildungsoptik 2 auf dem zu vermessenden Objekt 4 abgebildet. Das Projektionsgitter G2 wird durch eine Lichtquelle, bestehend aus Blitzlichtlampe L2, Reflektor R2 und Kondensor K2, über den teildurchlässigen Spiegel 1 und die Abbildungsoptik 2 auf der gleichen Projektionsachse wie Gitter G1 auf dem Objekt 3 abgebildet. Die mittels der Projektionsgitter G1 und G2 auf dem Objekt 4 erzeugten Linienmuster 3 werden über die Abbildungsoptik 5 auf dem Bildsensor 6 abgebildet. Optik 5 und Bildsensor 6 können Bestandteile einer Kamera bzw. Videokamera sein. Die mit dem Bildsensor 6 aufgenommenen Abbildungen und die Zeitsteuerungssignale (Timing-Signale) des Bildsensors werden zur Weiterverarbeitung zum Bildverarbeitungssystem 7 übertragen. Das Bildverarbeitungssystem 7 kann aus einem Mikrocomputer mit eingebauter Bildeinzugskarte (Framegrabber) bestehen. Das Bildverarbeitungssystem 7 übernimmt auf Basis der Zeitsignale des Bildsensors 6 die Koordination über die Programmierung der Treibereinrichtung 8 zur Ansteuerung der Projektionsgitter-Einheit G1, die Programmierung der Treibereinrichtung 11 der Projektionsgitter-Einheit G2, sowie über das Auslösen der Blitzlampen L1 und L2 über deren Triggereinrichtungen 10 bzw. 13. Das Einstellen und Projizieren der Projektionsgitter G1 und G2 erfolgt derart, daß abwechselnd ein Linienmuster mit der Projektionsgitter-Einheit G1 und ein Linienmuster mit der Projektionsgitter-Einheit G2 projiziert wird.That in the 1 The measuring system shown has a projection device, which has two independent projection grating units G1 and G2. The grating G1 is illuminated by a light source, consisting of flash lamp L1, reflector R1 and condenser K1, and the imaging optics 2 on the object to be measured 4 displayed. The projection grille G2 is illuminated by a light source, consisting of flashlamp L2, reflector R2 and condenser K2, via the partially transparent mirror 1 and the imaging optics 2 on the same projection axis as grid G1 on the object 3 displayed. The by means of the projection grids G1 and G2 on the object 4 generated line pattern 3 be about the imaging optics 5 on the image sensor 6 displayed. optics 5 and image sensor 6 can be components of a camera or video camera. The with the image sensor 6 taken pictures and the timing signals (timing signals) of the image sensor for further processing to the image processing system 7 transfer. The image processing system 7 may consist of a microcomputer with built-in image grabber card (frame grabber). The image processing system 7 takes over based on the time signals of the image sensor 6 the coordination over the programming of the driver device 8th to control the projection grid unit G1, the programming of the driver device 11 the projection grid unit G2, as well as the triggering of the flash lamps L1 and L2 via their triggering devices 10 respectively. 13 , The setting and projecting of the projection gratings G1 and G2 is performed by alternately projecting a line pattern with the projection grating unit G1 and a line pattern with the projection grating unit G2.

Die genaue Synchronisation der zeitlichen Abläufe des in 1 gezeigten Meßsystems ist in 2 dargestellt. Sie zeigt in den obersten beiden Zeilen das typische Belichtungszeitverhalten einer Videokamera, welche im Zeilensprungverfahren (interlaced Modus) zwei Halbbilder mit ca. 40% Zeitüberlappung belichtet. Die Kamera besitzt als Bildsensor einen frequenzverdoppelten CCD-Chip der 50 Vollbilder pro Sekunde liefert bzw. für ein Halbbild 10ms und ein Vollbild 20ms benötigt. Die Einstellung des Gitters G1 ist in der 3. Zeile von oben gezeigt. Die für die Einstellung des Projektionsgitters benötigte Zeit wird mit 35ms angenommen und setzt sich aus der Zeit zur Ausführung der entsprechenden Programmschritte, Signallaufzeiten sowie der Antwortzeit des Projektionsgitters auf ein neues Lichtmuster zusammen. Nach Beendigung der Einstellung wird das Projektionsgitter G1 nach Verstreichen einer Sicherheitszeitspanne durch das Einschalten der Lampe L1 projiziert. Der Lichtblitz der Lampe L1 liegt genau in dem Zeitintervall, in dem die Kamera beide Halbbilder belichtet, so daß das projizierte Lichtmuster mit der vollen Auflösung des CCD-Chips aufgenommen wird.The exact synchronization of the timings of the in 1 shown measuring system is in 2 shown. It shows in the top two lines the typical exposure time behavior of a video camera, which interlaced in two modes with 40% time overlap exposed. The camera has as an image sensor a frequency doubled CCD chip of 50 frames per second delivers or for a field 10ms and a full screen 20ms needed. The setting of the grid G1 is shown in the 3rd line from the top. The time required for setting the projection grid is assumed to be 35 ms and is composed of the time required to execute the corresponding program steps, signal propagation times and the response time of the projection grid to a new light pattern. After completion of the adjustment, the projection grille G1 is projected after lapse of a safety period by turning on the lamp L1. The light flash of the lamp L1 is exactly in the time interval in which the camera exposes both fields, so that the projected light pattern is recorded with the full resolution of the CCD chip.

Die Einstellung des Gitters G2 und das Einschalten der dem Gitter G2 zugeordneten Blitzlichtlampe L2 erfolgt analog zum Gitter G1 und dessen Blitzlichtlampe L1, aber mit einer Zeitverschiebung von 20ms. Dadurch wird jedes zweite Vollbild der Kamera, das zeitlich innerhalb des Zeitintervalls zur Einstellung des Gitters G1 liegt, durch Projektion des Gitters G2 mit Lampe L2 belichtet. Trotz der Verwendung eines frequenzverdoppelten CCD-Chips und der Einhaltung der für die Einstellung der Projektionsgitter erforderlichen Einstellzeiten bleiben so keine Bilder der Videokamera ungenutzt.The Setting the grid G2 and turning on the grid G2 associated flash lamp L2 is analogous to the grid G1 and its flash lamp L1, but with a time difference of 20ms. This will cause every second frame of the camera to time within of the time interval for setting the grid G1 is by projection of the grid G2 illuminated with lamp L2. Despite the use of a frequency doubled CCD chips and compliance with the setting the projection grid required adjustment times remain so no pictures the video camera unused.

Claims (11)

Verfahren zur dreidimensionalen flächenhaften Vermessung von Objekten, bei dem – eine Projektionseinrichtung mit einer Projektionsachse und mindestens zwei Projektionsgitter-Einheiten eine Serie unterschiedlicher, eine Lichtcodesequenz bildender Lichtmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert, – Abbildungen von den auf das zu vermessende Objekt projizierten Lichtmustern auf dem Bildsensor einer Kamera erzeugt werden, – aus den erzeugten Abbildungen Projektionsstrahlen oder Lichtschnitte bestimmt werden und durch Verschneidung der Projektionsstrahlen oder Lichtschnitte mit den Beobachtungsstrahlen der Kamera über eine Triangulationsrechnung die Oberflächenkontur des Objektes berechnet wird, – die Projektionsgitter entweder deckungsgleich oder entsprechend den Erfordernissen der verwendeten Lichtcodesequenz aufeinander justiert in der Bildebene der Projektionseinrichtung abgebildet werden, – die Projektionsgitter zeitlich voneinander getrennt mittels schaltbarer Lichtquellen projiziert werden, – die Projektionen der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster gleichmäßig auf die vorhandenen Projektionsgitter-Einheiten verteilt werden, – bei der Projektion der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster die Projektionszeitpunkte der Projektionsgitter zyklisch hintereinander angeordnet und mit der Bildaufnahme des Bildsensors so synchronisiert sind, daß während der Aufnahme eines Lichtmusters durch den Bildsensor genau ein Projektionsgitter projiziert wird, – bei der Projektion der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster die Einstellung des nächsten von einer Projektionsgitter-Einheit anzuzeigenden Lichtmusters unmittelbar oder kurzzeitig nach der Projektion des aktuell von dieser Projektionsgitter-Einheit anzuzeigenden Lichtmusters gestartet wird und die zur Einstellung dieser Projektionsgitter-Einheit benötigte Zeit zur Projektion von Lichtmustern mit den jeweils anderen Projektionsgitter-Einheiten genutzt wird.Method for the three-dimensional planar measurement of objects, in which - a projection device with a projection axis and at least two projection grating units projects a series of different, a light code sequence forming light pattern on the object to be measured, - images of the projected on the object to be measured light patterns on the Be generated image sensor of a camera, - be determined from the generated images projection beams or light cuts and through Intersecting the projection beams or light sections with the observation beams of the camera via a triangulation calculation, the surface contour of the object is calculated, - the projection grids either congruent or according to the requirements of the used light code sequence adjusted to each other in the image plane of the projection device are mapped, - the projection grids separated from each other by means of switchable - Projections of the individual belonging to a light code sequence light pattern evenly distributed to the existing projection grating units, - Projected in the projection of the individual belonging to a light code sequence light pattern, the projection times of the projection grid cyclically arranged one behind the other and synchronized with the image recording of the image sensor are that projected during the recording of a light pattern by the image sensor exactly one projection grid in the projection of the individual light patterns belonging to a light code sequence, the setting of the next light pattern to be displayed by a projection lattice unit is started immediately or shortly after the projection of the light pattern currently to be displayed by this projection lattice unit and which is necessary for setting this projection lattice unit Time for the projection of light patterns with the other projection grid units is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Projektionsgitter mit jeweils einer Blitzlichtquelle projiziert wird.Method according to claim 1, characterized in that each one Projection grid projected each with a flash light source becomes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektionszeitpunkt und die Projektionsdauer jedes Projektionsgitters durch jeweils eine mechanische Verschlußeinrichtung gesteuert wird.Method according to claim 1, characterized in that that the Projection time and the projection time of each projection grid is controlled by a respective mechanical closure device. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtcodesequenz eine Liniengittersequenz verwendet wird, wie sie zur Ermittlung absoluter, nicht 2π modulierter Phasenwinkel geeignet ist.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that as Light code sequence is a line grid sequence is used as they for determining absolute, not 2π modulated Phase angle is suitable. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtcodesequenz eine solche verwendet wird, wie sie zur Erzeugung eindeutig unterscheidbarer Projektionsstrahlen geeignet ist.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that as Light code sequence is used such as to produce unique distinguishable projection beams is suitable. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der mit einer durch die Projektionseinrichtung projizierten Lichtcodesequenz erfaßbaren Anzahl von Meßpunkten die Bilder zusätzlicher, mit der ersten Meßbildkamera synchronisierter Kameras, die um die Projektionseinrichtung angeordnet sind, ausgewertet werden.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that to increase the one with a projected by the projection light code sequence detectable Number of measuring points the pictures additional, with the first image camera synchronized cameras arranged around the projection device are to be evaluated. Vorrichtung zur dreidimensionalen flächenhaften Vermessung von Objekten, mit – einer Projektionseinrichtung mit einer Projektionsachse und mindestens zwei Projektionsgitter-Einheiten zur Projektion einer Serie unterschiedlicher, eine Lichtcodesequenz bildender Lichtmuster auf das zu vermessende Objekt, womit die Projektionsgitter entweder deckungsgleich oder entsprechend den Erfordernissen der verwendeten Lichtcodesequenz aufeinander justiert in der Bildebene der Projektionseinrichtung abgebildet werden können, – schaltbaren Lichtquellen zur zeitlich voneinander getrennten Projektion der Projektionsgitter, – einer Kamera mit einem Bildsensor zur Abbildung von auf das zu vermessende Objekt projizierten Lichtmustern, – Mitteln zur gleichmäßigen Verteilung der Projektionen der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster auf die vorhandenen Projektionsgitter-Einheiten, – Mitteln, um die Projektionszeitpunkte der Projektionsgitter zyklisch hintereinander anzuordnen und mit der Bildaufnahme des Bildsensors so zu synchronisieren, daß während der Aufnahme eines Lichtmusters durch den Bildsensor genau ein Projektionsgitter projiziert wird, – Mitteln, um bei der Projektion der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster die Einstellung des nächsten von einer Projektionsgitter-Einheit anzuzeigenden Lichtmusters unmittelbar oder kurzzeitig nach der Projektion des aktuell von dieser Projektionsgitter-Einheit anzuzeigenden Lichtmusters zu starten und die zur Einstellung dieses Projektionsgitters benötigte Zeit zur Projektion von Lichtmustern mit den jeweils anderen Projektionsgitter-Einheiten zu nutzen, und – Mitteln, um aus den erzeugten Abbildungen Projektionsstrahlen oder Lichtschnitte zu bestimmen und durch Verschneidung der Projektionsstrahlen oder Lichtschnitte mit den Beobachtungsstrahlen der Kamera über eine Triangulationsrechnung die Oberflächenkontur zu berechnen.Device for three-dimensional planar Surveying objects, with - a projection device with a projection axis and at least two projection grid units to project a series of different, a light code sequence forming light pattern on the object to be measured, with which the projection grids either congruent or according to the requirements of used light code sequence adjusted to each other in the image plane the projection device can be imaged - Switchable light sources for temporally separate projection of the projection gratings, - one Camera with an image sensor to image on to be measured Object projected light patterns, - means for even distribution the projections of the individual light patterns belonging to a light code sequence on the existing projection grid units, - Means to the projection times to arrange the projection grid cyclically one behind the other and with the To synchronize image acquisition of the image sensor so that during the Recording a light pattern through the image sensor projected exactly one projection grid becomes, - means, in the projection of the individual light patterns belonging to a light code sequence the setting of the next directly or by a projection pattern to be displayed light pattern momentarily after the projection of the current of this projection grid unit To start to be displayed light pattern and the setting of this projection grid needed Time to project light patterns with the other projection grid units to use, and - means, from the generated images projection rays or light cuts and by intersecting the projection beams or light sections with the observation beams of the camera via a triangulation calculation the surface contour to calculate. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbaren Lichtquellen Blitzlichtquellen sind.Device according to claim 7, characterized in that that the switchable light sources are flash light sources. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine mechanische Verschlußeinrichtung zur Steuerung des Projektionszeitpunkts und der Projektionsdauer jedes Projektionsgitters.Apparatus according to claim 7, characterized by a mechanical closure device for controlling the projection time and the projection duration every projection grid. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsgitter-Einheiten LCD-Paneele sind.Device according to one of claims 7 to 9, characterized that the Projection screen units are LCD panels. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch zusätzliche, mit der ersten Meßbildkamera synchronisierte und um die Projektionseinrichtung angeordnete Kameras zur Erhöhung der mit einer durch die Projektionseinrichtung projizierten Lichtcodesequenz erfaßbaren Anzahl von Meßpunkten.Device according to one of claims 7 to 10, characterized by additional, synchronized with the first image camera and arranged around the camera image cameras to increase the detectable with a projected by the projection light code sequence number of measuring points.
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