AT404638B - Verfahren und vorrichtung zur dreidimensionalen vermessung der oberfläche von gegenständen - Google Patents

Description

AT 404 638 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung der Oberfläche von Gegenständen, z.B. industriellen Formteilen, wobei auf den Gegenstand ein Muster projiziert und die Musterprojektion von zumindest einer Bildbetrachtungseinheit, insbesondere Videokamera, aufgenommen wird, an die eine Bildverarbeitungs- und -auswerteeinrichtung angeschlossen ist, in der aus den durch die Oberflächengegebenheiten des Gegenstandes gegenüber einer Referenzprojektion des Musters veränderten Musterprojektion der Verlauf der Oberfläche des Gegenstandes ermittelt bzw. errechnet wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, umfassend eine Projektionseinrichtung, vorzugsweise einen Videoprojektor, Bildprojektor oder LCD-Projektor, mit der ein Muster auf einen zu vermessenden Gegenstand abgebildet wird, und zumindest eine Videokamera mit angeschlossener Bildverarbeitungs- und -auswerteeinrichtung für die auf den Gegenstand abgebildete Musterprojektion. Für die berührungslose dreidimensionale (3D) Vermessung von Objekten mit Hilfe von Bildverarbeitung sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Methoden bekannt, z.B. Stereoverfahren, Moire-Techniken oder das Lichtschnittverfahren. Stand der Technik bei den Lichtschnittverfahren ist ein Meßaufbau, der aus einem feststehenden Projektor und einer feststehenden Bildaufnahmeeinheit besteht (nach dem Prinzip der Triangulation sind der Projektor und die Bildaufnahmeeinehit dabei in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet) und ein unbewegtes Objekt vermiet. Beim "Codierten Lichtansatz", einem Spezialfall des Lichtschnittverfahrens, werden mit dem Projektor in zeitlicher Aufeinanderfolge verschiedene Muster auf das Objekt projiziert. Die Abbildung jedes Musters auf dem Objekt wird mit der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen und in einer angeschlossenen Bildverarbeitungseinheit zur Berechnung der 3D-Form des Objekts verwendet.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen zur dreidimensionalen Vermessung der Oberfläche von zu untersuchenden Objekten, z.B. für industrielle Sichtkontrolle von Formteilen, werden bei der Serienfertigung und Überwachung der gefertigten Teile immer wichtiger.

Zur optischen Vermessung von dreidimensionalen Formen eines Prüfobjektes, insbesondere nach dem "Codierten Lichtansatz", wird mit einem Projektor eine Sequenz von n verschiedenen Mustern M1, M2,.........Mn projiziert. Diese Muster werden von einer Kamera, die mit der Projektionsachse einen Winkel einschließt, aufgenommen und von einem Bildverarbeitungssystem ausgewertet.

Die Auswertung basiert auf der Triangulationsmethode. Das Erscheinungsbild eines Musters, das auf eine Referenzfläche mit bekannter Form projiziert wird, ist bekannt. Besitzt der zu vermessende Gegenstand gegenüber der Referenzfläche eine abweichende Form, erscheint im Kamerabild eine Veränderung des Musters. Bei bekannter Lage und Ausrichtung von Kamera und Projektor kann aus der beobachteten Veränderung des Musters die dreidimensionale Oberflächenform des Gegenstandes errechnet werden.

Derartige Verfahren sind vorwiegend absolut messende Verfahren, d.h. man kann die Koordinaten eines von der Kamera erfaßten Oberflächenpunktes unabhängig von Informationen über andere Oberflächenpunkte innerhalb des Meßraumes bzw. aufgenommenen Flächenbereiches eindeutig bestimmen. Die dreidimensionalen Koordinaten eines Oberflächenpunktes, der im Kamerabild an der Stelle der Bildkoordinaten (x,y) erscheint, werden nur durch die Meßwerte, die an dieser Stelle (x,y) gewonnen wurden, errechnet.

Aus der EP-A1 0 379 079 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur 3D-Oberflächenvermessung nach dem "Codierten Lichtansatz” bekannt, bei dem das Objekt und die Projektions- und Bildaufnahmeeinrichtung feststehen und die zeitliche Abfolge der Muster dadurch erreicht wird, daß im Projektor ein Träger, der die einzelnen Muster enthält, definiert verschoben wird. Der Musterträger wird während der Aufnahmen verschoben, aber nicht, um ein anderes unterschiedliches Teilmuster auf einen Flächenbereich zu projizieren. Aus dieser Druckschrift ist eine Einrichtung zur Vermessung einer Objektoberfläche bekannt, bei der mit einem entsprechenden Musterprojektor ein Muster auf den Gegenstand abgebildet wird. Derartige Muster sind z.B. in Fig. 2 dieser Druckschrift dargestellt. Es ist jedoch nicht vorgesehen, mehr als ein einziges dieser auf dem Musterträger angeordneten Muster gleichzeitig auf den Gegenstand abzubilden. Bei dieser bekannten Einrichtung wird somit immer nur ein einziges Muster auf den Gegenstand abgebildet und vermessen, worauf das nächste Muster auf den Gegenstand abgebildet und vermessen wird usw. Die Abbildung eines aus unterschiedlichen Mustern gebildeten Musters auf den Gegenstand, derart, daß gleichzeitig eine Anzahl von unterschiedlichen Teilmustem auf den Gegenstand abgebildet wird, ist nicht vorgesehen.

Aus der US-A 4,867,570 ist ein Verfahren nach dem Lichtschnittverfahren bekannt, das Ähnlichkeiten zu den Stereoverfahren besitzt. Das Verfahren verwendet ein Muster, das durch eine speziell ausgebildete Lochmaske entsteht, und kann vorzugsweise mit verschiedenen Geometrien realisiert werden. Eine Relativbewegung des Objekts gegenüber dem Projektions- und Aufnahmesysstem ist nicht vorgesehen.

Die US-A 4,842,411 zeigt eine Variante des Stereo-Verfahrens in Kombination mit strukturiertem Licht, d.h. es liegt kein Verfahren nach dem Lichtschnittverfahren oder dem "Codierten Lichtansatz" vor. Das Verfahren nützt keine Relativbewegung zwischen dem Objekt und dem Projektor-Bildaufnahmeeinrichtungs- 2

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System aus, es wird lediglich darauf verwiesen, dafi sich eine derartige Bewegung bei einer geeigneten Synchronisation der Stereo-Kameras nicht störend auswirkt.

Aus der US-A 4,653,104 ist ein Verfahren nach dem "Codierten Lichtansatz" mit speziellen Codes und einer speziellen Geometrie bekannt, sodaB die anschließende Auswertung möglichst einfach erfolgen kann. Die Muster werden dem Stand der Technik gemäß hintereinander projiziert, weder wird nur ein Muster mit mehreren Musterzonen verwendet noch eine Relativbewegung zwischen dem Objekt und dem Projektor-Bildaufnahmeeinrichtungssystem ausgenützt.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß die Vermessung von Gegenständen einfacher, genauer und rascher durchgeführt werden kann und der Aufwand, der an die Projektionseinrichtung gestellt wird, herabgesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß auf den Gegenstand ein aus einer Anzahl von unterschiedlichen Teilmustern bestehendes Muster projiziert wird, so daß die Teilmuster dieser Musterprojektion gleichzeitig auf eine Anzahl von unterschiedlichen Rächenbereichen des Gegenstandes projiziert werden, und daß auf diese einzelnen Rächenbereiche eine Anzahl, vorzugsweise jedes, der einzelnen vorgesehenen unterschiedlichen Teilmuster in zeitlicher Aufeinanderfolge projiziert wird und die Teilmusterprojektionen aulgenommen werden, wobei nach jeder Aufnahme der Teilmuster der Gegenstand und das projizierte Muster relativ zueinander um ein Ausmaß bewegt werden, daß die einzelnen Teilmuster in der Folge auf einen anderen, insbesondere benachbarten, Rächenbereich projiziert werden, von dem die nächstfolgende Aufnahme erfolgt. Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird dies dadurch erreicht, daß der Musterprojektor ein Musterelement mit einer Anzahl von untereinander unterschiedlichen, gleichzeitig auf den Gegenstand projizierbaren Teilmustern umfaßt, und daß eine Einrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Gegenstand und Musterprojektor oder eine Einrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Gegenstand und den projizierten Teilmustern vorgesehen ist.

Bei den bisher bekannten Verfahren werden nacheinander mehrere unterschiedliche Muster auf den Gegenstand bzw. dessen zu vermessenden Bereich projiziert, sodaß während der Abfolge sämtlicher Musterprojektionen und deren Aufnahme der Gegenstand in bezug auf das Projektor-Kamera-System in Ruhe verbleiben mußte. Diese Vorgangsweise erfordert einen Projektor, der die Fähigkeit hat, unterschiedliche Muster mit entsprechender Präzision und Qualität zu projizieren. Dafür werden Bild-Projektoren, z.B. mit schaltbaren LCD-Streifen oder mit mechanisch bewegten Gittern, oder Video-Projektoren verwendet. Die Muster bestehen vorzugsweise aus periodischen ein- oder mehrfarbigen Strukturen, die sich in Richtung der Neigung von Kamera- und Projektachse ändern, jedoch in Richtung normal zur Kamera- und zur Projektionsachse vorteilhafterweise konstant bleiben.

Unterschiedlich dazu sieht die Erfindung vor, daß man mit einem Projektor mit einem fixen, nicht veränderlichen Muster auskommt, welches Muster aus einer Anzahl von unterschiedlichen Teilmustern besteht, die gleichzeitig projizierbar sind, man ansonsten aber verfahrenstechnisch die genannten Vorteile des eingangs beschriebenen kodierten Lichtansatzes haL Für die Durchführung der Erfindung ist eine Verschiebe- bzw. Transfereinheit notwendig, die eine Relativbewegung zwischen dem Gegenstand und dem Projektor-Kamera-System hervorbringt; die Einheit kann z.B. ein Transportband einer Produktionsstraße sein und/oder eine Verschiebt bzw. Transporteinheit für das Projektor-Kamera-System. Zur Verringerung des Auswertungsaufwandes ist es zweckmäßig, wenn das Ausmaß der Relativbewegung zwischen dem Gegenstand und dem projizierten Muster bestimmt und der Bildverarbeitungs- und -auswerteeinrichtung zugeführt wird oder wenn das Ausmaß der Relativbewegung von der Bildverarbeitungs- und -auswerteeinrichtung gesteuert wird oder wenn der Gegenstand und das Muster in einer Richtung relativ zueinander bewegt werden, die senkrecht zur Aufnahmeachse der Videokamera und senkrecht zur Projektionsachse des Musters steht oder wenn der Gegenstand nach jeder Aufnahme der auf die einzelnen Rächenbereiche abgebildeten Teilmuster um einen Betrag verschoben wird, der dem Abstand zwischen benachbarten Rächenbereichen oder zwischen benachbart gelegenen Projektionen von Teilmustem entspricht.

Anstelle eine Anzahl unterschiedlicher Muster nacheinander auf gleiche Rächenbereiche des Gegenstandes zu projizieren sieht die erfindungsgemäße Vorgangsweise vor, daß ein eine Anzahl unterschiedlicher Teilmuster enthaltendes Muster auf eine Anzahl von Rächenbereichen gleichzeitig projiziert wird. Die unterschiedlichen Teilmuster werden somit in zeitlicher Aufeinanderfolge projiziert und demzufolge werden die einzelnen Teilmusterprojektionen immer erst dann aufgenommen, wenn eine Projektion der Teilmuster erfolgt ist Diese Teilmuster können z.B. Streifenmuster mit unterschiedlicher Linienbreite und/oder unterschiedlicher relativer Phasenlage sein, wie dies bei Gray-Code-Verfahren, Streifen-Phasenshift-Verfahren oder hybriden Verfahren üblich ist. Für die Auswertung ist es vorteilhaft wenn die Teilmuster Streifenform bzw. rechteckige Form besitzen oder wenn die abgebildeten Teilmuster in Richtung der Relativbewegung 3

AT 404 638 B gleiche Breite besitzen oder wenn das Muster eine Anzahl von Teilmustern umfaßt, deren Hell-Dunkel-Verlauf dem Gray-Code entspricht.

Eswird somit ein einziges Muster zur Projektion vorgesehen, das durch Aneinanderfügen von n Teilmustern (M1 bis Mn) entsteht. Das resultierende Muster besteht aus einer Anzahl n vorzugsweise nebeneinanderliegender und annähernd gleich großer Zonen, von denen jede ein Teilmuster enthält. Diese Zonen können vorzugsweise schmale Streifen sein, sodaß das projizierte Gesamtmuster eine für die Ausleuchtung eines Kamerabildes bzw. für eine Abbildung auf eine Sensorflache adäquate Form hat. Die Auswertung wird erleichtert, wenn jedem einzelnen Flächenbereich die gesamte Sensorfläche einer Videokamera zugeordnet ist oder wenn der zur Auswertung eines projizierten Teilmusters mit der Videokamera betrachtete Bereich des Gegenstandes kleiner ist als bzw. höchstens gleich groß ist wie die Teilmusterprojektion.

Es werden somit gleichzeitig auf verschiedene Flächenbereiche des Gegenstandes unterschiedliche Teilmuster abgebildet werden, die sodann mit einer Aufnahmeeinrichtung gleichzeitig aufgenommen und ausgewertet werden können. Auf diese Weise erspart man sich einen zu bewegenden Musterträger und die damit verbundenen Schwierigkeiten bei der Beleuchtung und bei der Auswertung.

Nachdem auf den zu vermessenden Gegenstand eine Abbildung der Teilmuster erfolgt ist, wird diese Abbildung der Teilmuster von der Auswerteeinrichtung, z.B. einer Videokamera, aufgenommen. Nachdem diese Aufnahme erfolgt ist, erfolgt eine Relativbewegung zwischen dem Gegenstand und der Musterprojektion. Dabei kann entweder die Musterprojektion oder der Musterprojektor relativ zum Gegenstand oder der Gegenstand relativ zur Musterprojektion bzw. dem Musterprojektor bewegt werden; letztlich könnten auch sowohl der Gegenstand als auch die Musterprojektion bzw. der Musterprojektor relativ zueinander bewegt werden. Diese Bewegung erfolgt, um die projizierten Teiimuster auf einen anderen Flächenbereich des Gegenstandes abzubilden.

Allgemein kann die Richtung, in der die Projektorachse zur Kameraachse geneigt ist, als x-Richtung der Bildkoordinaten bezeichnet werden; dann können die Musterzonen bzw. Teilmuster in y-Richtung nebeneinander angeordnet sein bzw. abgebildet werden; die Musterzonen bzw. abgebildeten Teilmuster wären dann Streifen, die parallel zur x-Achse verlaufen. Für einen Objektpunkt P, der im Kamerabild an den Koordinaten (x,y) erscheint, würde in Übereinstimmung mit den herkömmlichen Verfahren das gewünschte Resultat aus den n Meßwerten 11.....In errechnet werden, wobei Ij jeweils der mit der Kamera gemessene Wert an der Stelle (x,y) bei Projektion des Teilmusters Mj ist.

Bei der Verwendung von üblichen Schwarzweiß-Kameras ist ein Meßwert Ij der erhaltene Grauwert des Bildpunktes mit den Koordinaten (x,y). Bei Farbkameras ist Ij der Vektor der gemessenen Spektralkomponenten.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird nunmehr nur ein einziges Muster a projiziert, das aus Musterzonen bzw. Teilmustern M1.......Mn besteht. Für den Objektpunkt P erhält man dann die für die Auswertung nach dem Stand der Technik benötigten

Meßwerte Ij durch zeitlich aufeinanderfolgende Aufnahmen der mit unterschiedlichen Teilmustem M1.......Mn beleuchteten Rächenbereiche, wofür der Gegenstand jeweils derart verschoben wird, daß auf den Punkt P nacheinander die Teiimuster Mj flachengleich bzw. immer auf dieselben Rächenbereiche projiziert werden. Wenn die Breite einer Musterzone bzw. eines Teilmusters im Kamerabild mit D bezeichnet wird, dann muß der Gegenstand zwischen zwei Aufnahmen so weit bewegt werden, daß er im Kamerabild um den Abstand D in y-Richtung verschoben erscheint.

Der Objektpunkt P, der in einem Bild bzw. in einer Aufnahme an (x,y) zu sehen ist bzw. liegt und auf den das Teilmuster Mj projiziert wird, ergibt den Meßwert Ij.

Nach der Verschiebung D wird der Punkt P in der darauffolgenden Aufnahme an (x,y + D) zu sehen sein bzw. liegen. An dieser Stelle wird das Teilmuster Mj + 1 projiziert. Der nun erhaltene Meßwert ist Ij +1, entsprechend dem Meßwert, den man auch nach der Vorgangsweise gemäß dem Stand der Technik erhalten hätte, wenn bei stillstehendem Gegenstand ein unterschiedliches Muster projiziert worden wäre.

Erfindungswesentlich ist es somit, daß eine Änderung des projizierten Musters durch eine Änderung des Ortes des Gegenstandes ersetzt wird, womit die Bereitstellung des Musters vereinfacht und die Projektionsgenauigkeit verbessert werden.

Es ist an sich unerheblich, ob der gesamte Gegenstand von jeweils nur einem einzigen Teilmuster beleuchtet wird und sukzessive alle Teilmusterprojektionen durchläuft, oder ob ein Teilmuster jeweils nur einen Teil bzw. einen Rächenbereich des Gegenstandes abdeckt Da die Resultate der Messung punktweise aus einer Vielzahl von Aufnahmen erhalten werden, ist nur wichtig, daß der Gegenstand derart bewegt wird, daß alle interessierenden Oberflächenpunkte des Gegenstandes von hinreichend vielen verschiedenen Teilmustem beleuchtet werden, sodaß die für die Auswertung gemäß aus dem Stand der Technik 4

AT 404 638 B bekannten Verfahren oder nach eigenen, diesem gegenüber abgeänderten Rechenverfahren notwendigen Meßwerte Ij erhalten werden. In diesem Sinne können auch Probleme, die durch Fehlzuordnungen der Messungen zu den Teilmustern an den Übergangsbereichen auftreten können, vermieden werden, indem durch zusätzliche Verschiebungen die betroffenen Punkte im Bereich der Teilmuster eingebracht werden, in denen eindeutige Messungen möglich sind.

Die Effizienz des Verfahrens wird erhöht, wenn die von einer Musterprojektion getätigten Aufnahmen alle gleichzeitig auf den Gegenstand abgebildeten Teilmuster umfassen und der Rechenaufwand wird verringert, wenn die Abbildungen der Teilmusterprojektionen und/oder die Rächenbereiche am Gegenstand untereinander gleich groß gewählt werden und die einzelnen Teilmusterprojektionen untereinander auf gleich große Bereiche auf der(n) Sensorfläche(n) abgebildet werden oder daß für die Auswertung der Teilmuster jeweils gleich große Rächenbereiche am Gegenstand auf die Sensorfläche(n) abgebildet werden.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung ist einfach und betriebssicher, wenn die Auswerteeinrichtung und/oder eine Steuereinrichtung für die Beförderungseinheit bzw. an die Einrichtung zur Reiativbe-wegung von Gegenstand und Musterprojektor angeschlossene Vermessungseinrichtungen zur Feststellung des Ausmaßes der Relativbewegung bzw. des Verschiebungsweges zwischen jeder Aufnahme der Teilmusterprojektionen vorgesehen sind.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen zu entnehmen.

Es zeigen Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung, Rg 2 ein erfindungsgemäßes Muster mit einer Anzahl unterschiedlicher Teilmuster und Rg. 3 einen Bewegungsablauf.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung, bei der der zu vermessende Gegenstand 1 auf einer als Verschiebeeinrichtung ausgebildeten Einrichtung 2 zur Erzeugung einer Relativbewegung aufliegt. Ein Musterprojektor 3 projiziert unter einem Winkel ein festgelegtes Muster 10 auf den Gegenstand 1, wobei die Projektion des Musters 10 mehrere gleich breite Teilmuster bzw. Streifen 4 der Breite D abbildet.

Ein Beispiel für ein erfindungsgemäß ersetzbares Musterelement 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Dieses Musterelement 10 besteht aus vier Teilmustem 11, 11a, 11b, 11c, deren Hell-Dunkel-Verlauf nach dem Gray-Code-Verfahren gewählt ist.

Eine Bildbetrachtungs- bzw. -aufnahmeeinheit 6, insbesondere Videokamera, nimmt gemäß Rg. 1 in einer ersten Aufnahme ein Bild des mit dem gesamten Muster beleuchteten Gegenstandes 1 auf. Das Bild wird mit einem Bildverarbeitungsrechner 7, der an die Videokamera 6 und möglicherweise auch an den Projektor 3 angeschlossen ist abgespeichert. Vor jeder weiteren Aufnahme wird der Gegenstand 1 mit der Verschiebeeinrichtung 2 um einen Abstand D in der Verschieberichtung 8 weiterbewegt. Nach jeder derartigen Bewegung wird ein Bild aufgenommen und abgespeichert.

Mit einer Anzahl von Bildern, die zumeist der Anzahl der Teilmuster 11,11a, 11b, 11c bzw. den Streifen in dem Musterelement 10 entspricht, kann der Bildverarbeitungsrechner 7 nach einem Auswertealgorithmus die dreidimensionale Form bzw. die Oberflächengestalt des Gegenstandes 1 errechnen. Die Ergebnisse können abgespeichert und/oder auf einer Anzeigeeinrichtung 9 ausgegeben werden.

Rg. 3 zeigt eine schematische Anordnung, bei der mittels der Projektionseinrichtung 3 ein aus acht Streifen bzw. Teilmustem bestehendes Musterelement 10 projiziert wird. Nachdem eine Projektion auf eine vorzugsweise ebene Referenzfläche 12 erfolgt ist, die unter Umständen auch die Transporteinrichtung 2 für den Gegenstand 1 sein kann oder eine auf die Transporteinrichtung 2 aufgelegte ebene Platte, wird der Gegenstand 1 in Richtung der Relativbewegung, die mit einem Pfeil 13 dargestellt ist, der Projektionseinrichtung 3 angenähert; in gleicher Weise könnte die Projektionseinrichtung 3 das Musterelement 10 relativ zum Gegenstand 1 verschwenken bzw. das projizierte Muster über den Gegenstand 1 bewegen.

Der Gegenstand 1, der sich in das projizierte erste Teilmuster M1 bewegt, wird so weit in das erste Teilmuster M1 eingeführt, daß das gesamte Teilmuster M1 oder ein vorgesehener wesentlicher Teil auf einen ersten Rächenbereich F1 projiziert wird. Dieser Rächenbereich F1 kann kleiner, gleich oder größer als das projizierte Teilmuster M1 sein; wesentlich ist nur, daß die interessanten Oberflächenbereiche des Gegenstandes 1 von dem Teilmuster M1 und von den nachfolgend projizierten Teilmustern beleuchtet wird.

In der Stellung A befindet sich der Gegenstand 1 in einer Stellung, bevor er in den Bereich der

projizierten Teilmuster M1, Mn eintritt. In der Stellung B ist der Gegenstand 1 um eine Wegstrecke D bereits in die projizierten Muster eingetreten, so daß das Teilmuster M1 den Flächenbereich F1 ausleuchtet. In dieser Stellung kann - muß aber nicht - ein Stillstand oder eine Verlangsamung der Relativbewegung zwischen Gegenstand und Projektion erfolgen, so daß mit der Aufnahmeeinheit 6 eine entsprechende Aufnahme zur Auswertung der Oberflächengestalt des Gegenstandes in diesem Flächenbereich F1 vorneh- 5

AT 404 638 B men kann. Nach dieser Aufnahme wird der Gegenstand 1 in die Stellung gemäß C weiterbewegt, in der nun der Flächenbereich F1 innerhalb der Projektion des Teilmusters M2 zu liegen kommt, während der Flächenbereich F2 des Gegenstandes 1 innerhalb der Projektion des Teiimusters M1 zu liegen kommt; dazu wurde der Gegenstand 1 wiederum um den Abstand D weiterbewegt. Es erfolgt wiederum eine Aufnahme, die wie alle Aufnahmen mittels der Bildaufnahmeeinrichtung im wesentlichen die gesamte Musterprojektion umfaßt; in Stellung C werden jedoch nur zwei Bereiche ausgewertet, da erst die Teilmuster M1 und M2 auf die Rächenbereiche F1 und F2 projiziert worden sind. Nach Durchführung dieser Aufnahmen wird der Gegenstand 1 wiederum um eine Wegstrecke D weiterbewegt, so daß sein Flächenbereich F1 nunmehr mit dem Teilmuster M3 beleuchtet wird; der Rächenbereich F2 wird nunmehr mit dem Teilmuster M2 und der neu in die Projektion der Teilmuster eintretende Flächenbereich F3 wird nunmehr mit dem Teilmuster M1 beleuchtet. Es erfolgt wiederum eine Aufnahme mit der Aufnahmeeinrichtung 6 und danach eine Weiterbewegung des Gegenstandes 1 durch die Musterprojektion um den Weg D.

Auf diese Weise ist es möglich, eine beliebige Anzahl von aufeinanderfolgenden Teilmustem auf jeweils alle interessanten Rächenbereiche des Gegenstandes abzubilden und aufzunehmen; die Zuordnung der einzelnen Teilmuster zu den einzelnen Oberflächenbereichen erfolgt mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 7, so daß hiezu keine besonderen einrichtungsmäßigen Vorkehrungen getroffen werden müssen.

Die Anzahl der projizierten Teilmuster hat im allgemeinen einen Einfluß auf die gewünschte Meßgenauigkeit

Die Länge der vermessenen Gegenstände 1 kann beliebig sein, ihre Fortbewegungsgeschwindigkeit wird nach der Schnelligkeit, mit der die Aufnahmen durchgeführt werden können bzw. mit der das Weiterbewegen und Anhalten des Gegenstandes 1 vorgenommen werden kann, bemessen.

Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Vorgangsweise liegt in der Verwendung eines Projektors 3 mit einem einzigen Musterelement 10, umfassend mehrere Teilmuster M1,......Mn. Damit wird die Sicherheit,

Genauigkeit und Einfachheit der erfindungsgemäßen Vorgangsweise deutlich. Alle derzeit verfügbaren Projektoren mit abänderbaren bzw. für verschiedene aufeinanderfolgende Projektionen vorgesehenen Muster sind ausgesprochen aufwendig aufgebaut, insbesondere die auf Rüssigkristalltechnik basierenden Projektoren weisen unterschiedliche Alterungseffekte auf, sind ungenau, müssen nachgeeicht werden und es treten Probleme hinsichtlich der Steuerung der Abbildung auf. Der Projektor bzw. die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung kann aufgrund des einzigen notwendigen Musterelementes, das auf einem transparenten Element od.dgl. angeordnet bzw. ausgebildet wird, robust und preisgünstig aufgebaut werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgangsweise liegt im Ausnützen der zumeist ohnehin vorhandenen Bewegung eines zu vermessenden Gegenstandes, wie dies bei industriellen Fertigungsstraßen der Fall ist. Für den Fall, daß die Aufnahmen in sehr kurzen Zeitspannen erfolgen können, kann das Anhalten des Gegenstandes während der Aufnahmen entfallen; es kann somit ein Gegenstand in kontinuierlicher Bewegung vermessen werden. Es ist auch möglich, die Bewegungsgeschwindigkeit an den Aufnahmetakt anzupassen oder die Aufnahmen durch geeignetes Takten an die Bewegung anzupassen. Es ist verständlich, daß für die erfindungsgemäße Vorgangsweise entsprechende Einrichtungen zur Feststellung der Bewegung bzw. der Bewegungsgeschwindigkeit bzw. der Lage des Objektes während der Projektion und Aufnahme zur Auswertung der Teilmuster zugeordnet sind. Wesentlich ist auf jeden Fall die genaue Bestimmung des Abstandes D, d.h. der Weiterbewegung des Gegenstandes 1 zwischen zwei Teilmusterprojektionen bzw. Bildaufnahmen.

Voraussetzung für die Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es im wesentlichen, daß der Gegenstand durch die Bewegung relativ zum Kamera-Projektor-System derart in verschiedene projizierte Teilmuster plaziert wird bzw. von den einzelnen Teilmustern beleuchtet wird, daß das Kamerasystem für jeweils einen bestimmten Gegenstandspunkt dieselben Meßwerte erhält. Die durch die Perspektive hervorgerufene unterschiedliche Bewegung von Gegenstandspunkten im Kamerabild kann durch ein geeignetes Rechenverfahren berücksichtigt werden.

Wenn diese Voraussetzungen gewahrt werden, kann die Art der Bewegung und die Form der Teilmuster ohne weiteres gemäß der erfindungsgemäßen Vorgabe variiert werden.

Die verschiedenen Teilmuster müssen nicht rechteckig sein und brauchen auch nicht untereinander gleich groß zu sein. Die Bewegung des Gegenstandes muß jedoch im obigen Sinne mit dem Gesamtmuster bzw. der Aufeinanderfolge und Größe und Lage der Teilmuster abgestimmt sein, muß jedoch nicht geradlinig und auch nicht kontinuierlich erfolgen; dies kann z. B. erforderlich werden, wenn ein Projektor-Kamera-System an einen vorgegebenen, nicht linearen Bewegungsablauf angepaßt werden muß; die Teilmuster können dann verschoben, verdreht oder verzerrt werden, sodaß der nicht lineare Bewegungsablauf dadurch ausgeglichen werden könnte.

Bei der Relativbewegung kommt es lediglich auf die Relativbewegung des Gegenstandes zum System Kamera-Projektor an. Es kann also auch der Gegenstand in Ruhe belassen werden und die Kamera und der 6

Claims (16)

1. AT 404 638 B Projektor entsprechend bewegt werden. Prinzipiell ist es auch möglich, daB die Kamera und der Gegenstand relativ zueinander in Ruhe belassen werden und nur eine Bewegung des Projektors relativ zum System Kamera-Gegenstand ausgeführt wird. In diesem Fall wird das Auswerteverfahren dahingehend modifiziert, daB die fehlende Kamerabewegung durch eine rechentechnische Verschiebung der Kamerakoordinaten kompensiert wird. Durch die Bewegung des Musterprojektors werden für jeden Bildpunkt in zeitlicher Aufeinanderfolge die verschiedenen Teilmuster projiziert, wobei zum selben Zeitpunkt verschiedene Teilmuster auf verschiedene Flächenbereiche des Gegenstandes projiziert werden. Die Zuordnung, welcher Punkt von welchem Teilmuster beleuchtet wird, ergibt sich aus der bekannten Art der Projektorbewegung und der Teilmustergeometrie. Vorteilhafterweise sind die eingesetzten Muster bzw. Teilmuster in einer Richtung homogen, insbesondere der y-Richtung, und in der anderen Richtung, insbesondere x-Richtung, annähernd periodisch. Ferner kann vorgesehen sein, daB sich in aufeinanderfolgenden Teilmustem die Periodenlänge oder die Phasenlage der Teilmuster verändert. Setzt man das Gesamtmuster aus Teilmustem zusammen und teilt das Gesamtmuster dabei in sehr viele Teilmuster, wobei sich die benachbarten Teilmuster nur geringfügig hinsichtlich Periode bzw. Phase unterscheiden, so kommt man bei fortschreitendem UnterteilungsprozeB zu einem sich in y-Richtung kontinuierlich in Periode und/oder Phase ändernden Muster. Zur Bestimmung der gewünschten dreidimensionalen Koordination eines Oberflächenpunktes ist es dann nicht notwendig, je einen Meßwert eines jeden vorkommenden Perioden/Phasenmusters zu ermitteln, sondern es reicht, für eine bestimmte Anzahl von Meßwerten, die von projizierten Teilmustem bekannter Periode- und Phasenlage herrühren, eine Auswertung vorzunehmen. Es kann dabei eine Sequenz von Aufnahmen gemacht werden, zwischen denen jeweils eine Verschiebung stattfindet, wobei jedoch der Verschiebungsweg nicht immer konstant und vorhersehbar sein muB. Der Verschiebungsweg D zwischen den Aufnahmen kann zwar variieren, jedoch muB er exakt bekannt sein bzw. muß er exakt vermeBbar sein, um daraus bestimmen zu können, weiches Teilmuster bzw. welche Musterperiode bzw. welche Musterphase für einen jeden Punkt relevant ist. Die Auswertung erfolgt in jedem Fall nach an sich bekannten mathematischen Formeln; der Vorteil der Verwendung kontinuierlicher Teilmuster liegt auch darin, daß es dabei keine problematischen Übergangsbereiche zwischen Zonen verschiedener Teilmuster gibt. Patentansprüche 1. Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung der Oberfläche von Gegenständen, z.B. industriellen Formteilen, wobei auf den Gegenstand ein Muster projiziert und die Musterprojektion von zumindest einer Bildbetrachtungseinheit, insbesondere Videokamera, aufgenommen wird, an die eine Bildverarbei-tungs- und -auswerteeinrichtung angeschlossen ist, in der aus den durch die Oberflächengegebenheiten des Gegenstandes gegenüber einer Referenzprojektion des Musters veränderten Musterprojektion der Verlauf der Oberfläche des Gegenstandes ermittelt bzw. errechnet wird, dadurch gekennzeichnet daß auf den Gegenstand ein aus einer Anzahl von unterschiedlichen Teilmustem bestehendes Muster projiziert wird, so daß die Teilmuster dieser Musterprojektion gleichzeitig auf eine Anzahl von unterschiedlichen Rächenbereichen des Gegenstandes projiziert werden, und daß auf diese einzelnen Flächenbereiche eine Anzahl, vorzugsweise jedes, der einzelnen vorgesehenen unterschiedlichen Teilmuster in zeitlicher Aufeinanderfolge projiziert wird und die Teilmusterprojektionen aufgenommen werden, wobei nach jeder Aufnahme der Teilmuster der Gegenstand und das projizierte Muster relativ zueinander um ein Ausmaß bewegt werden, daß die einzelnen Teilmuster in der Folge auf einen anderen, insbesondere benachbarten, Flächenbereich projiziert werden, von dem die nächstfolgende Aufnahme erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Ausmaß (D) der Relativbewegung zwischen dem Gegenstand und dem projizierten Muster bestimmt und der Bildverarbeitungs- und -auswerteeinrichtung zugeführt wird oder daß das Ausmaß (D) der Relativbewegung von der Bildverarbeitungs- und -auswerteeinrichtung gesteuert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Gegenstand und das Muster in einer Richtung relativ zueinander bewegt werden, die senkrecht zur Aufnahmeachse der Videokamera und senkrecht zur Projektionsachse des Musters steht. 7 AT 404 638 B
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand nach jeder Aufnahme der auf die einzelnen Rächenbereiche abgebildeten Teilmuster um einen Betrag (D) verschoben wird, der dem Abstand zwischen benachbarten Flächenbereichen oder zwischen benachbart gelegenen Projektionen von Teilmustern entspricht.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der nacheinander auf jeden der einzelnen Rächenbereiche des Gegenstandes abgebildeten und von der (den) Videokamera(s) aufgenommenen Teilmuster punktweise entsprechend einer vorgegebenen punktweisen Zerlegung des jeweiligen Flächenbereiches erfolgt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem einzelnen Flächenbereich die gesamte Sensorfläche einer Videokamera zugeordnet ist.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmuster Streifenform bzw. rechteckige Form besitzen.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die abgebildeten Teilmuster in Richtung der Relativbewegung gleiche Breite (D) besitzen.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß das Muster eine Anzahl von Teilmustern umfaßt, deren Hell-Dunkel-Verlauf dem Gray-Code entspricht.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß die einzelnen Teilmuster auf den Gegenstand bei dessen Relativbewegung zum projizierten Muster direkt aneinander anschließend abgebildet werden.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß der zur Auswertung eines projizierten Teilmusters mit der Videokamera betrachtete Bereich des Gegenstandes kleiner ist als bzw. höchstens gleich groß ist wie die Teilmusterprojektion.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß die von einer Musterprojektion getätigten Aufnahmen alle gleichzeitig auf den Gegenstand abgebildeten Teilmuster (M1......Mn) umfassen.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß die Abbildungen der Teilmusterprojektionen und/oder die Flächenbereiche am Gegenstand untereinander gleich groß gewählt werden und die einzelnen Teilmusterprojektionen untereinander auf gleich große Bereiche auf der(n) Sensorfläche(n) abgebildet werden oder daß für die Auswertung der Teilmuster jeweils gleich große Flächenbereiche am Gegenstand auf die Sensorfläche(n) abgebildet werden.
14. 14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend eine Projektionseinrichtung, vorzugsweise einen Videoprojektor, Bildprojektor oder LCD-Projektor, mit der ein Muster auf einem zu vermessenden Gegenstand abgebiidet wird, und zumindest eine Videokamera mit angeschlossener Bildverarbeitungs- und -auswerteeinrichtung für die auf den Gegenstand abgebildete Musterprojektion, dadurch gekennzeichnet, daß der Musterprojektor (3) ein Musterelement (10) mit einer Anzahl von untereinander unterschiedlichen, gleichzeitig auf den Gegenstand (1) projizierbaren Teilmustem (11,11a,11b,11c) umfaßt, und daß eine Einrichtung (2) zur Erzeugung einer Relativbewe-gung zwischen Gegenstand (1) und Musterprojektor (3) oder eine Einrichtung (2) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Gegenstand (1) und den projizierten Teilmustern (M1.......Mn) vorgesehen ist.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß der Gegenstand (1) auf einer Beförderungseinheit (2), z.B. einem Fließband, am Musterprojektor (3) vorbeibewegbar ist.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet daß an die Auswerteeinrichtung (7) und/oder eine Steuereinrichtung für die Beförderungseinheit (2) bzw. an die Einrichtung zur Relativbewegung von Gegenstand (1) und Musterprojektor (3) angeschlossene Vermessungseinrichtungen zur Feststellung des Ausmaßes (D) der Relativbewegung bzw. des Verschiebungsweges zwischen jeder 8 AT 404 638 B Aufnahme der Teilmusterprojektionen vorgesehen sind. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 9