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.
The invention relates to a measuring device for detecting object points of an object in space over a given area.
It is known to detect object points in space with length and / or angle coordinates, e.g. using a three-dimensional Cartesian coordinate system or using spherical coordinates. It is also known that the evaluation of the measurement data associated with an object point detection when using these units of measurement also not least due to the use of not whole numerical values, e.g. real numbers, requires a considerable amount of calculation. The possibility of detecting the object points, in particular moving and unmoving three-dimensional objects, is usually limited by the available computer power, which is why computers such as flight surveillance, robot gripper controls and the like often require very high performance computers, see e.g.
Harald Bunke, Automatic Image Analysis - The Seeing Computers, UNIPRESS, Bern, No. 62, June 1989, as well as YS Abu-Mostafa and D. Psaltis, Optical Neuro-Computers, Spectrum of Science, Special Issue Ultrarechner, 1991, p. 74. In Patent application WO 90/08 342 already specifies a method and a device with which a three-dimensional image of an object in space can be reproduced directly on a surface in a copyable and evaluable manner. With the conventional object point detection devices, however, the detection and evaluation of such an image is also comparatively complex.
The invention is based on the object of providing an object point detection device with which the position of object points in space over a surface can be detected and the relevant data can be evaluated or further processed with relatively little computing effort and data storage space requirement.
This object is achieved by an object point detection device with the features of patent claim 1. By using the integer measuring device defined in this way with a six-dimensional coordinate system starting from a fixed, excellent starting point and consisting of four morphic and two magnetic axes, the effort for arithmetic operations with not whole numerical values is avoided. The four morphic axes span a morphic surface from four squares, each of which is divided into an integer square grid in a similar, characteristic manner. The area forms the detection area of the detection device, which is divided into integer squares as the smallest detection area units.
Due to the two magnetic axes subdivided into integer units in an analogous manner with the morphic axes, the spatial area above and below the morphic surface is divided into eight cube units, which in turn are each divided into equal-sized integer cubes, which represent the smallest spatial unit. With the measuring beam that can be emitted from the morphic surface from each integer square parallel to the magnetic axis, such an integer square can then be assigned in a characteristic manner to an integer cube in which the measuring beam struck an object point.
From the analysis of the measuring beam, the integer information for the integer cube occupied with the recognized object point results in position information for the object point in the form of an integer, which is why this information can be processed comparatively easily. Compared to conventional computer image evaluations, this consequently reduces the computing effort required for image analysis.
A particularly advantageous embodiment of the measurement and detection area consists in using the surface of a chip module for this morphic area, which for each integer square has a radiation-emitting component for generating the measurement beam in the respective integer square as well as a light-sensitive component for evaluation of the portion of the measurement beam reflected back from an object point. For example, the measurement beam belonging to the respective object point and thus the integer value of the integer cube in which the measurement beam strikes the object point can then be determined via a transit time measurement. It goes without saying that this chip component can be arranged in a stationary or displaceable manner.
In a further advantageous embodiment of the invention, a digital image processing computer is connected to the chip module, in which the integer image data obtained can be evaluated very quickly.
A preferred embodiment of the invention is shown in the drawings and is described below. Show it:
1 is a perspective view of an object point detection device with a chip surface as a measuring and detection surface and with an integer measuring device,
2 shows a partial plan view of the central area of the measuring surface to illustrate the division of the area into integer squares,
Fig. 3 is a sectional view taken along the line v-v of Fig. 1 and
FIG. 4 is a sectional view along the line u-u of FIG. 1.
The object point detection device shown includes a morphic surface (F), which is formed by the surface of a chip module, not shown.
This morphic surface (F) is spanned by four morphic axes (N, E, S, W), each of which is provided with an integer scaling and through which the morphic surface (F) around the center of intersection (qo) is divided into four quadrants is divided, each of which is in turn divided into a grid of individual integer squares. The integer values for each square are the product of the integer scales running along the axes. For the sake of uniqueness, the morphic axes in whose quadrant the square of the integer lies in each case must be specified, the nearest axis being named first.
To explain this law of formation for the integer identification of the integer squares serving as the smallest picture element units, four squares are hatched in FIG. 2 by way of example and provided with the designation that applies to them.
A first magnetic axis (M-) with a minus perspective extends vertically out of the morphic surface (F) and a second magnetic axis (M +) with a plus perspective extends upwards. The division of the room chosen in this way corresponds to the image according to Plato's room mirror, whereby the additional axis information with the circled plus and the circled minus symbol indicate an enlarging or reducing direction.
The magnetic axes (M +, M-) are provided with integer scaling in the same way as the morphic axes (N, O, S, W). The detection area comprises the space above the morphic surface (F), which is composed of four cubes of the same size sitting on the quadrants of the morphic surface (F). Due to the integer scaling on the axes, each of these cubes is in turn divided into equal-sized integer cubes, the integer value of which results from the product of the individual integers of the axes, whereby each integer cube is additionally determined by specifying the two axes, which are the quadrants belonging to its measuring beam span.
An object point (P) is shown by way of example in FIG. 1, which lies in the integer cube 224 NW, because its associated measurement beam (m) lies in the integer square 28 NW and the measurement beam height, i.e. the value belonging to the object point on the magnetic axis (M +) is 8.
The detection process for detecting an object point in the detection space is described below using the example of FIG. 1, in which there is an object point (P) in the integer cube 224 NW, i.e. around the distance ray (f) drawn in dashed lines in FIG. 1 from the detection center ( qo) removed. First, by emitting a corresponding measuring beam (m), which e.g. can be realized by means of a laser beam radiated perpendicularly from the chip surface, and ascertained upwards parallel to the magnetic axis (M +), that there is an object point (P) above the integer square 28 NW of the morphic surface (F).
The determination is made in that, in the presence of an object point (P), part of the emitted measuring beam is reflected back and detected by a light-sensitive component on the chip area (F). The height of the object point (P) above the morphic surface (F), i.e. determine the magnetic axis value assigned to the object point (P). In the example of FIG. 1, this magnetic axis value is eight, so that the measuring point m = 8 is assigned to the object point (P) there. Together with the fact that the measurement beam belongs to the integer square 28 NW, the object point detection device can detect that the object point (P) is located in the integer cube 224 NW.
With this simple integer specification, the current position of the object point within the given resolution limit is completely determined.
3 and 4, the position of the object point (P) is shown in the two sectional representations marked in FIG. 1 in a respective projection. 3 shows that the projection of the integer cube 224 NW in which the object point (P) is located lies parallel to the morphic W axis in the integer square 56 MN. 4 that the projection of the object point (P) in the integer cube 224 NW lies parallel to the morphic N-axis in the integer square 32 NW.
The temporal and / or spatial continuation of this acquisition process of object points over the morphic surface (F) thus enables object tracking of individual objects, e.g. for flight surveillance, or an image analysis of moving or unmoving three-dimensional objects consisting of a multitude of object points. In the integer squares, where the measuring beam provided for each integer square of the morphic surface (F) strikes the respective object point, the spatial measuring device detects the presence of this object point there. Since an integer value is assigned to an object point in a simple manner, the computational effort when processing the data measured in this way by means of a digital computer is reduced compared to the use of conventional length or angle divisions.
With the same image complexity, this allows faster computing times or the use of smaller computers, and in particular three-dimensional images can be analyzed faster with a given computing power. This is particularly advantageous for image acquisition of three-dimensional objects, e.g. for detecting the position of an object to be gripped by a robot arm or for image processing of three-dimensional images of body parts for medical diagnostics.
In addition, using such an object point detection device with a sensitive chip surface, three-dimensional image information transmitted from an object or an image thereof to the chip surface in accordance with the known method of the above-mentioned laid-open publication WSO 90/08 342 can advantageously be stored and further processed in its full three-dimensional information content . Further useful areas of application of such an object point detection device are e.g. to be seen in optical quality control and remote sensing.
It is understood that only the elements of the object point detection device that are essential to the invention are shown in the figures and that the person skilled in the art can provide the elements required to complete the functionality of the device in a conventional manner. Likewise, those skilled in the art can make further modifications to the embodiment described above within the scope of the invention as defined by the appended claims, e.g. a realization of the morphic surface from a large number of individual, lined up and interconnected elements made of semiconductor chips or other light-sensitive and / or light-emitting components. Any type of radiation that is suitable for the respective application can be used for the measuring beam.