DD267124A1 - Verfahren zur ermittlung des oberflaechenprofils einer szene - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Oberflaechenprofils einer Szene unter Verwendung flaechenhaft strukturierter Beleuchtung fuer die Erkennung, Lagebestimmung oder Verifizierung von Objekten unterschiedlicher Groesse und Form. Das Ziel der Erfindung ist die flaechendeckende Berechnung des Oberflaechenprofils unter Nutzung des bekannten Triangulationsverfahrens in wesentlich kuerzerer Zeit durch die Reduzierung der noetigen Anzahl von Bildauswertungen. Erfindungsgemaess wird die fuer eine flaechendeckende Triangulationsrechnung noetige Veraenderung der Projektionsgeometrien nicht zeitlich in einer Bildfolge, sondern in Form der physikalischen oder geometrischen Ausbildung der projizierten Linien bzw. Muster kodiert. Dadurch koennen zahlreiche dieser Linien bzw. Muster gleichzeitig projiziert und durch eine anschliessende Bildauswertung eindeutig wieder zugeordnet werden. Die durch unterschiedliche Objekthoehen hervorgerufenen Abweichungen der projizierten Muster von ihrer erwarteten Position werden mit Hilfe der Abstaende der zusammengehoerenden Strukturen punktweise ermittelt und gehen in die Oberflaechenberechnung nach dem Triangulationsverfahren ein. Die projizierten Linien bzw. Muster innerhalb eines Bildes koennen durch unterschiedliche Liniendicken, Helligkeiten, Farben, Formen oder Texturen kodiert werden. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Ermittlung des Oberflächenprofils einer Szene unter Verwendung flächenhaft strukturierter Beleuchtung für die Erkennung, Lagebestimmung oder Verifizierung von Objekten unterschiedlicher Größe und Form aus dem Bereich der industriellen Fertigung und Handhabung.

Charakteristik des bekannten Standes der Tochnlk

Ziel von Verfahren der Datengewinnung für die 30-Erkennung ist die Bereitstellung von Informationen, die Aussagen über dio räumliche Ausdehnung von in der Szene enthaltenen Objekten zulassen. Diese räumlichen Informationen werden gegenwärtig mit Methoden gewonnen, die entweder unmittelbar zu Entfernungsdaten führen (direkte Verfahren; z. ß. aktiv: geometrischer Ansatz (Moire-Verfahren), signaltechnischer Ansatz (Flugzeitmessung) oder passiv: Stereoverfahron, punktweises Fokussieren) oder auf indirektem Wege über die Auswertung von Grauwertbildorn berechnet werden können (indirekte Verfahren; z. B, aktiv: strukturiertes Licht oder passiv: Texturanalyse). Direkte Entfernungsmessungen mit hohen räumlichen Auflösungen sind technisch sehr aufwendig. Das indirekte Vorgehen erfordert für dia passiven Verfahren komplizierte Bildauswertealgorithmen. Deshalb werden häufig Ansätze unter Verwendung von strukturierter Beleuchtung genutzt. Dabni kommt das Prinzip der Triangulation zur Anwendung.

Wenn die Positionen von Kamera und Projektor zueinander und bzgl, der Auflageebene bekannt sind, kann ein Lichtpunkt unter definiertem Winkel in die auszumessende Szene projiziert werden und aus der im Kamerabild hervorgerufenen Abweichung von der erwarteten Lichtpunktposition kann die gesuchte Objekthöhe berechnet werden. Gewöhnlich soll nicht nur ein Punkt, sondern eine zusammenhängende Fläche mit ausreichender X/Y-Auflösung ausgemesson werden, Das erfolgt entweder durch punktweises Abtastern und Berechnen der jeweiligen Höhoninforma'.ion (sehr hohe Anforderungen an die exakte Strahlführung zur Erzeugung des Lichtpunktes) oder vereinfachend durch die gleichzeitige Projektion einer Linie. Aus dem Verlauf dieser Linie im Kamerabild kann der Höhenverlauf einer gesamten Zeile berechnet werden.

Zur Berechnung des Höhenprofils einer Szene müßte eine Linienschar projiziert werden, deren Linienabstände dem angestrebten Raster der X/Y-Auflösung entsprechen. Bei der Auswer¹ ung des entstehenden Kamerabildes ist jedoch keine eindeutige Zuordnung der einzelnen Linienstücken zu den spezifischen Projektionsgeometrien mehr möglich. Deshalb werden die Linien bei bekannten technischen Lösungen zeitlich nacheinander projiziert (ζ. B.: Wahl, F. M.; „A Coded Light Approach for Depth Map Acquisition"; in: Mustererkennung 1986; Springer-Verlag 1986). Dadurch entsteht eine Büdfolge, deren Bildern jeweils ein bekannter Projektionswinkel zugeordnet ist. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt in der Notwendigkeit, für eine flächendeckende Erhebung eines Höhenprofils so viele Bilder auszuweiten, wio in dem durch die zu erreichende Auflösung hervorgerufenen Linienraster Linien enthalten sind.

Anstelle der Linien können ani>re Lichtstrukturen (z. U. Winkel, Kreise) projiziert werden, die einzeln eine eindeutige Auswertung zulassen. Eine flächondeckende Berechnung der Höheninformationen gelingt jedoch nur über die in einer Bildfolge zeitlich kodierte Veränderung der Projektionsgeometrien.

Damit wird der Zeitaufwand zur Berechnung des vollständigen Höhenprofils einer Szone wesentlich durch die Aufnahmedauor der Einzelbildfolge bestimmt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Ermittlung des Oberflächenprofils einer Szene in wesentlich kürzerer Zeit, als sie mit bekannten technischen Lösungen durch die Auswertung zeitlich aufeinanderfolgender Bilder erreicht werden kann. In Erreichung dieses Zieles soll es gelingen, die für die Berechnung eines Oborflöchonprofils nötigo Anzahl von Bildauswertungen star!' -«reduzieren und In zahlreichen Fällen auf ein Bild zu beschränken. Dadurch soll die zur Erkonnung, Lagebestimmung oder Verifizierung von dreidimensionalen Objekten bonötigto Zeit durch Verringerung dor Dauer der Datenaufnahme reduziert und schließlich eino verkürzte Reaktionszeit entsprechender Systeme erreicht werdon.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung Ist die Schaffung eines Verfahrens, das es gestattet, die Ermittlung des Oberflächenprofils einer Szene unter Verwendung flächenhaft strukturierter Beleuchtung vorzunehmen, ohne bei der Anwendung des Triangulationsverf ahrens notwendigerweise einen Lichtstrelfen mit variierendem Projektionewinkol einzusetzen oder bei konstantem Projektionswinkei eine schrittweise Lageveränderung des Objektes vornehmen zu müssen und In beiden Fällen zahlreiche Bilder auszuwerten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die für eine flächendeckende 3erechnung der Oberflächeninformationen nötige Voränderung der Projektionsgeometrien nicht zeitlich in einer Bildfolge kodiert wird, sondern diese Kodierung in Form der physikalischen oder geometrischen Ausbildung der projizieren Linien bzw. Muster erfolgt und damit zahlreiche dieser Union bzw. Muster gleichzeitig projiziert und boi der anschließenden Bildauswertung eindeutig wieder zugeordnet werden können.

Die vom Projektor ausgesendete Lichtstruktur besteht aus einer Linienschar oder anderen, dem konkreten Objektboreich angepaßten Strukturen (z.B. Winkel, Kreise,...), deren gleichartige und meist parallele Bestandteile definierte und gleichbleibende Projektionsgeometrien repräsentieren.

Diese Bestandteile der Lichtstruktur können sich voneinander unterscheiden, entweder durch geometrische Merkmale (unterschiedliche Liniendicke oder durch Unterorechungsmuster hervorgerufene Linienformen bzw. -texturon) oder physikalische Eigenschaften wie unterschiedliche ^arbantoile oder Helligkeiten. Die Projektion dieser Lichtstrukturon kann entweder über spezielle Diasund geeignete« Projekte ren erfolgen oder auch durch den Einsat/ eines hinreichend schnell steuerbaren Laserstrahls erreicht worden.

Die in die Szene projiziert Lichtstruktur liefert aus dor Xameraposition ein Bild, das für alle Bereiche, die sich über die Auflageeben s erheben (Objektbereiche), eine deutliche ^weichung von der ursprünglichen Form der Strukturbestandteile aufweist. Aue der Größe der Abweichung einzelner Ab jcl nitte der Strukturbostandteilo von deren erwarteter Lage im Bild läßt sich die Obje (thöhe bzw. die Entfernung vom Kamera'Jtancort nach dem Triangulationsvorfahren berechnen.

In dem durch die Kamera aufgenommenen Bild sind deshalb jeweils alle ursprünglich zusammengehörenden Strukturbestiindieile aufzusuchen und ihre Verläufe über die bekannten Projektionsgeomotrion in ein Oberfächenprofil (intsprechencl der realisierten Abfände der Strukturbestandteil > umzurechnen.

Die Zuordnung der u.U. im gesamten Bild verteilten Abschnitte ler Strukturbestandteile erfolgt durch Methoden der automatischen Bildverarbeitung über eine Auswertung der Cha akteristika aufgefundener Linienstücke bzw. Muster (Messung der Liniendicko, der Farbschat.iorung, der Linienform oder Tex< .^bestandteile).

In der dargestellten Weise kann durch die Auswertung eines Bi des oino Information gewonnen werden, die der Menge entspricht, die mit bisher bekannten Lösungen nur über die Auswertung von, der Anzahl der gleichzeitig projizierten Strukturbestandteile entsprechenden Bildmengen erreicht werden Konnte.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert werden

Dabei zeigen:

Figur 1: Das Prinzip dor Triangulation bei strukturierter Beleuchtung

Figur 2: Beispiel einer flächenhuften Lichtstruktur in der Szene ohne Objekt

Figur 3: Kamerabild des Szenenbereiches mit Objekt und Lichtstruktur entspr. Fig. 2.

In oiner Anordnung entsprechend Fig. 1 wird durch den Projektor eine Lichtsti uktur gemäß Fig. 2 in den Szenenbereich projiziert und führt bei fehlendem Objekt zm einer ungestörten Abbildung auf der Auflagoobene. Die Lichtstruktur kann z. B. unter Zuhilfenahme eines Dins erzeugt werden, das nach einer exakten Handzeichnung oder rechnergestützton Erstellung und Ausgabe des Musters hergestellt wird.

Wenn die Kamera so angeordnet wird, daß die auf die Auflageebono projizierto gedachte Linie zwischen Kamera und Projektor den Szenenbereich in der Mitte schneidet und senkrecht zu den Linien der Lichtstruktur verläuft, kann für jede Linie 1 der Lichtstruktur ein Winkelpaar (y[l], β [I]) angegeben werden, das in die spätere Berechnung der Objekthöhe ζ (I, y) und durch die eindeutige Zuordnung von I und χ auch ζ (χ, y) eingeht.

Das Kamerabild wird in ejnen digitalen Bildspeicher überführt. Aus der Kenntnis der geometrischen Anordnung von Projektor, Kamera und Auflagoebene, sowie der bildlichen Darstellung des ungestörten Musters im Bildspeicher können die Berechnungsfunktionen für die Winkel α (I) = f (Δρ (I)) (Δρ = Anzahl der Bildpunkte der Abweichung einer Linie von dor erwarteten Position ρ (I) als Auodruck einer Objekthöhe) und die erwarteten Positionen ρ (I) selbst ermittelt und abgespeichert werden. Befinden sich im Szenenbereich ein oder mehrere Objekte, entsteht ein Kamorabild, wie es vom Prinzip her als Beispiel in Fig.3 dargestellt ist. Die Linien sind teilweise unterbrochen und eine Zuordnung ist nicht ohne weiteres möglich. Nach der Überführung in den digitalen Bildspeicher w^srd das Bild durch einen angeschlossonen Auswerterechner analysiert. Dubei werden die Linienstücken durch geeignete B/ldvararbeitungsmethoHen (Bildverbosserung, -Säuberung, -glättung, Segmentierung usw.) Isoliert und in folgenden Schritten ausgewert· t:

1) Ausmessen der Liniendicke und Entscheidung über Zugehörigkeit zu bestimmtem Linientyp I. Für andore Linionkodierungen wird die Entscheidung über die Auswertung z. B. des Grauwertniveaus der Linienform, -textur odor -farbe getroffen.

2) Feststellung der Position im Bild und Berechnung der Abweichung von der erwarteten x-Position als Winkol α (I) stückweise für verschiedene y-Werte.

3) Berechnung der Objekthöhe ζ (χ, y) odor auch Entfernung von der Kamera für alle durch den Linienabschnitt repräsentierten x-, y-Koordinaten.

Die Abarbeitung dieser Schritte für alle im Bild befindlichen Linionstücken ergibt ein O'jerflächenprofil ζ (χ, y) mit einer Stützstellenanzahl, die bestimmt wird durch die Abstände der Linienstückon in x-Rich<ung und die in y-Richtung realisierte Auflösung der Höhenberechnung.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ermittlung des Oberflächenprofils einer Szene unter Verwendung des Triangulationsverfahrens, einer Projektionseinrichtung, eines Bildsensors sowie eines Auswerterechners, dadurch gekennzeichnet, daß

• von einem Projektor auf die Szene physikalisch oder geometrisch kodierte Linien oder Muster gleichzeitig und über die Fläche verteilt projiziert werden,

• über eine Auswertung der kodierten Charakteristika aufgefundener Linien bzw. Musterstru kturen eine eindeutige Zuordnung der verteilten Stmkturbestandteile erfolgt und

• die Abweichungen der jeweiligen Istpositionen im Bild von der erwarteten Position ohne Höhenabweichung mit Hilfe der Abstände der zusammengehörenden Strukturen punktweise ermittelt werden und daraus mittels des an sich bekannten Triangulationsverfahrens der Oberflächenverlauf errechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die projizieren Linien bzw. Muster innerhalb eines Bildes durch unterschiedliche Liniendicken kodiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die projizieren Linien bzw. Muster innerhalb eines Bildes durch unterschiedliche Helligkeiten kodiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die projizieren Linien bzw. Muster innerhalb eines Bildes durch unterschiedliche Farben kodiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die projizieren Linien bzw. Muster innerhalb eines Bildes durch unterschiedliche Formen kodiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die projizieren Linien bzw. Muster innerhalb eines Bildes durch unterschiedliche Texturen kodier werden.