Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Erfassung von Objektpunkten eines Objektes im Raum über einer gegebenen Fläche.
Es ist bekannt, Objektpunkte im Raum mit Längen- und/oder Winkelkoordinaten zu erfassen, z.B. mittels eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems oder mittels Kugelkoordinaten. Es ist weiter bekannt, dass die zu einer Objektpunkterfassung gehörige Auswertung der Messdaten bei Verwendung dieser Masseinheiten nicht zuletzt auch durch die Verwendung nicht ganzer Zahlenwerte, z.B. reeller Zahlen, einen beträchtlichen Rechenaufwand erfordert. So ist die Möglichkeit der Erfassung der Objektpunkte, insbesondere bewegter und unbewegter dreidimensionaler Objekte, meist durch die vorhandene Rechnerleistung begrenzt, weshalb für Anwendungen wie Flugraumüberwachung, Robotergreifersteuerungen und dgl. häufig Computer sehr hohe Leistungsfähigkeit erforderlich sind, siehe z.B.
Harald Bunke, Automatische Bildanalyse - die sehenden Computer, UNIPRESS, Bern, Nr. 62, Juni 1989, sowie Y. S. Abu-Mostafa und D. Psaltis, optische Neuro-Computer, Spektrum der Wissenschaft, Sonderheft Ultrarechner, 1991, S. 74. In der Offenlegungsschrift WO 90/08 342 ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben, mit der sich ein dreidimensionales Bild eines Objektes im Raum direkt auf eine Fläche in kopierfähiger und auswertbarer Weise abbilden lässt. Mit den herkömmlichen Objektpunkterfassungsvorrichtungen ist jedoch auch die Erfassung und Auswertung eines solchen Bildes vergleichsweise aufwändig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Objektpunkterfassungsvorrichtung bereitzustellen, mit welcher Objektpunkte im Raum über einer Fläche in ihrer Lage erfasst und die diesbezüglichen Daten mit verhältnismässig wenig Rechenaufwand und Datenspeicherplatzbedarf ausgewertet bzw. weiterverarbeitet werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Objektpunkterfassungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die Verwendung der derart definierten Ganzzahlenmessvorrichtung mit einem sechsdimensionalen, von einem festen, ausgezeichneten Ausgangspunkt ausgehenden Koordinatensystem, das aus vier morphischen und zwei magnetischen Achsen besteht, wird der Aufwand für Rechenoperationen mit nichtganzen Zahlenwerten vermieden. Dabei wird durch die vier morphischen Achsen eine morphische Fläche aus vier Quadraten aufgespannt, die jeweils in gleichartiger, charakteristischer Weise in ein Ganzzahlenquadratgitter aufgeteilt sind. Die Fläche bildet die Erfassungsfläche der Erfassungsvorrichtung, die in Ganzzahlenquadrate als kleinste Erfassungsflächeneinheiten aufgeteilt ist.
Durch die zwei in analoger Weise mit den morphischen Achsen in Ganzzahleneinheiten unterteilten magnetischen Achsen wird das Raumgebiet über und unter der morphischen Fläche in acht Würfeleinheiten aufgeteilt, die ihrerseits jeweils in gleich grosse Ganzzahlenwürfel unterteilt sind, welche die kleinste Raumeinheit darstellen. Mit dem parallel zur magnetischen Achse von der morphischen Fläche aus jedem Ganzzahlenquadrat emittierbaren Messstrahl lässt sich dann einem solchen Ganzzahlenquadrat jeweils in charakteristischer Weise ein Ganzzahlenwürfel zuordnen, in welchem der Messstrahl auf ein Objektpunkt aufgetroffen ist.
Aus der Analyse des Messstrahls ergibt sich durch die Ganzzahlenangabe für den mit dem erkannten Objektpunkt besetzten Ganzzahlenwürfel eine Lageinformation für den Objektpunkt in Form einer ganzen Zahl, weshalb diese Information vergleichsweise leicht rechnerisch weiterverarbeitet werden kann. Gegenüber herkömmlichen Computerbildauswertungen verringert dies folglich den zur Bildanalyse erforderlichen Rechenaufwand.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Mess- und Erfassungsfläche besteht in Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 darin, für diese morphische Fläche die Oberfläche eines Chipbausteins zu verwenden, der für jedes Ganzzahlenquadrat ein strahlungsemittierendes Bauelement zur Erzeugung des Messstrahls im jeweiligen Ganzzahlenquadrat sowie ein lichtsensitives Bauelement zur Auswertung des von einem Objektpunkt rückreflektierten Messstrahlanteils aufweist. Beispielsweise über eine Laufzeitmessung lässt sich dann der zum jeweiligen Objektpunkt gehörige Messstrahl und damit der Ganzzahlenwert des Ganzzahlenwürfels bestimmen, in welchem der Messstrahl auf den Objektpunkt trifft. Es versteht sich, dass dieser Chipbaustein ortsfest oder verschiebbar angeordnet sein kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist gemäss Anspruch 3 an den Chipbaustein ein digitaler Bildverarbeitungsrechner angeschlossen, in welchem die erhaltenen Ganzzahlen-Bilddaten sehr schnell ausgewertet werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Objektpunkterfassungsvorrichtung mit einer Chipoberfläche als Mess- und Erfassungsfläche und mit einer Ganzzahlenmessvorrichtung,
Fig. 2 eine ausschnittweise Draufsicht auf den Mittenbereich der Messfläche zur Illustration der Flächenaufteilung in Ganzzahlenquadrate,
Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie v-v von Fig. 1 und
Fig. 4 eine Schnittansicht längs der Linie u-u von Fig. 1.
Die gezeigte Objektpunkterfassungsvorrichtung beinhaltet eine morphische Fläche (F), die von der Oberfläche eines nicht weiter gezeigten Chipbausteins gebildet ist.
Diese morphische Fläche (F) wird von vier morphischen Achsen aufgespannt (N, O, S, W), die jeweils mit einer Ganzzahlenskalierung versehen sind und durch welche die morphische Fläche (F) um den Achsenschnittpunkt ausgezeichneten Mittelpunkt (qo) herum in vier Quadranten aufgeteilt wird, von denen jeder wiederum in ein Gitter aus einzelnen Ganzzahlenquadraten unterteilt ist. Die Ganzzahlenwerte für jedes Quadrat ergeben sich als Produkt aus den jeweils entlang der Achsen verlaufenden Ganzzahlenskalierungen. Dabei sind zwecks Eindeutigkeit jeweils noch die morphischen Achsen anzugeben, in deren Quadrant das Ganzzahlenquadrat jeweils liegt, wobei die nächstliegende Achse zuerst genannt wird.
Zur Erläuterung dieses Bildungsgesetzes für die Ganzzahlenkennzeichnung der als kleinste Bildelementeinheiten dienenden Ganzzahlenquadrate sind in Fig. 2 beispielhaft vier Quadrate schraffiert und mit der für sie geltenden Bezeichnung versehen.
Senkrecht aus der morphischen Fläche (F) heraus erstreckt sich nach unten eine erste magnetische Achse (M-) mit Minus-Perspektive und nach oben eine zweite magnetische Achse (M+) mit Plus-Perspektive. Die so gewählte Aufteilung des Raumes entspricht dem Bild nach Platons Raumspiegel, wobei die zusätzlichen Achsenangaben mit dem umkreisten Plus- bzw. dem umkreisten Minus-Symbol eine vergrössernde bzw. verkleinernde Richtung anzeigen.
Die magnetischen Achsen (M+, M-) sind dabei in gleicher Weise wie die morphischen Achsen (N, O, S, W) mit einer Ganzzahlenskalierung versehen. Der Erfassungsraum umfasst den Raum über der morphischen Fläche (F), der sich aus vier auf den Quadranten der morphischen Fläche (F) sitzenden, gleich grossen Würfeln zusammensetzt. Durch die Ganzzahlenskalierungen an den Achsen ist jeder dieser Würfel wiederum in gleich grosse Ganzzahlenwürfel unterteilt, deren Ganzzahlenwert sich aus dem Produkt der einzelnen Ganzzahlen der Achsen ergibt, wobei jeder Ganzzahlenwürfel zusätzlich durch die Angabe der beiden Achsen bestimmt wird, die den zu seinem Messstrahl gehörigen Quadranten aufspannen.
Beispielhaft ist in Fig. 1 ein Objektpunkt (P) gezeigt, das in dem Ganzzahlenwürfel 224 NW liegt, denn sein zugehöriger Messstrahl (m) liegt im Ganzzahlenquadrat 28 NW und die Messstrahlhöhe, d.h. der zum Objektpunkt gehörige Wert an der magnetischen Achse (M+) ist gleich 8.
Nachfolgend wird der Erfassungsvorgang zur Erfassung eines Objektpunktes im Erfassungsraum anhand des Beispiels von Fig. 1 beschrieben, in welchem sich im genannten Ganzzahlenwürfel 224 NW ein Objektpunkt (P) befindet, also um den in Fig. 1 gestrichelt gezeichneten Distanzstrahl (f) vom Erfassungsmittelpunkt (qo) entfernt. Zunächst wird durch Emittieren eines entsprechenden Messstrahls (m), der z.B. durch einen von der Chipoberfläche senkrecht abgestrahlten Laserstrahl realisiert sein kann, nach oben parallel zur magnetischen Achse (M+) festgestellt, dass sich über dem Ganzzahlenquadrat 28 NW der morphischen Fläche (F) ein Objektpunkt (P) befindet.
Die Feststellung erfolgt hierbei dadurch, dass bei Anwesenheit eines Objektpunktes (P) ein Teil des ausgesandten Messstrahls zurückreflektiert und von einem lichtsensitiven Bauelement auf der Chipfläche (F) detektiert wird. Durch Laufzeitmessung oder ein anderes optisches Messverfahren lässt sich des Weiteren die Höhe des Objektpunktes (P) über der morphischen Fläche (F), d.h. der dem Objektpunkt (P) zugeordnete magnetische Achsenwert, bestimmen. Im Beispiel von Fig. 1 beträgt dieser magnetische Achsenwert acht, sodass dem dortigen Objektpunkt (P) also der Messstrahl m = 8 zugeordnet ist. Zusammen mit der Tatsache, dass der Messstrahl zum Ganzzahlenquadrat 28 NW gehört, vermag die Objektpunkterfassungsvorrichtung dadurch zu erfassen, dass sich der Objektpunkt (P) im Ganzzahlenwürfel 224 NW befindet.
Mit dieser einfachen Ganzzahlenangabe ist folglich die momentane Lage des Objektpunktes innerhalb der gegebenen Auflösungsgrenze vollständig bestimmt.
In den Fig. 3 und 4 ist die Lage des Objektpunktes (P) in den zwei in Fig. 1 markierten Schnittdarstellungen in einer jeweiligen Projektion wiedergegeben. Fig. 3 zeigt, dass die Projektion des Ganzzahlenwürfels 224 NW, in dem sich der Objektpunkt (P) befindet, parallel zur morphischen W-Achse im Ganzzahlenquadrat 56 MN liegt. Analog ergibt sich aus Fig. 4, dass die Projektion des Objektpunktes (P) im Ganzzahlenwürfel 224 NW parallel zur morphischen N-Achse im Ganzzahlenquadrat 32 NW liegt.
Die zeitliche und/oder räumliche Fortsetzung dieses Erfassungsvorgangs von Objektpunkten über der morphischen Fläche (F) ermöglicht damit eine Objektverfolgung einzelner Objekte, z.B. zur Flugraumüberwachung, oder eine Bildanalyse von aus einer Vielzahl von Objektpunkten bestehenden bewegten oder unbewegten dreidimensionalen Objekten. In den Ganzzahlenquadraten, wo der für jedes Ganzzahlenquadrat der morphischen Fläche (F) vorgesehene Messstrahl auf den jeweiligen Objektpunkt trifft, erfasst die räumliche Messvorrichtung die dortige Anwesenheit dieses Objektpunktes. Da einem Objektpunkt in einfacher Weise ein Ganzzahlenwert zugeordnet wird, verringert sich der Rechenaufwand bei der Verarbeitung der auf diese Weise gemessenen Daten mittels eines digitalen Rechners gegenüber der Verwendung herkömmlicher Längen- oder Winkeleinteilungen.
Bei gleicher Bildkomplexität erlaubt dies schnellere Rechenzeiten oder die Verwendung kleinerer Computer, und bei gegebener Rechnerleistung lassen sich insbesondere dreidimensionale Bilder schneller analysieren. Dies ist besonders zur Bilderfassung von dreidimensionalen Gegenständen von Vorteil, z.B. zur Erfassung der Lage eines von einem Roboterarm zu greifenden Gegenstandes oder zur Bildverarbeitung von dreidimensionalen Aufnahmen von Körperteilen zwecks medizinischer Diagnostik.
Zudem kann unter Verwendung einer solchen Objektpunkterfassungsvorrichtung mit sensitiver Chipoberfläche eine nach dem bekannten Verfahren der oben genannten Offenlegungsschrift WSO 90/08 342 von einem Gegenstand oder einem Abbild desselben direkt auf die Chipfläche übertragene dreidimensionale Bildinformation auf vorteilhafte Weise in ihrem vollen dreidimensionalen Informationsgehalt abgespeichert und weiterverarbeitet werden. Weitere nutzbringende Anwendungsgebiete einer solchen Objektpunkterfassungsvorrichtung sind z.B. in der optischen Qualitätskontrolle und der Erdfernerkundung zu sehen.
Es versteht sich, dass in den Figuren lediglich die erfindungswesentlichen Elemente der Objektpunkterfassungsvorrichtung gezeigt sind und der Fachmann die zur Vervollständigung der Funktionsfähigkeit der Vorrichtung erforderlichen Elemente in herkömmlicher Weise vorzusehen vermag. Desgleichen vermag der Fachmann weitere Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungsform im Rahmen der durch die beigefügten Patentansprüche festgelegten Erfindung vorzunehmen, z.B. eine Realisierung der morphischen Fläche aus einer Vielzahl von einzelnen, aneinandergereihten und miteinander verbundenen Elementen aus Halbleiterchips oder aus anderen lichtsensitiven und/oder lichtemittierenden Bausteinen. Für den Messstrahl lässt sich jede Art von Strahlung verwenden, die für den jeweiligen Anwendungsfall geeignet ist.