DE10011241A1 - Anordnung und Verfahren zur räumlichen photoelektrischen Objektaufnahme - Google Patents

Abstract

Photoelektrische räumliche Abbildungen realer Objekte sollen mit einer möglichst einfachen Anordnung ohne strukturierte Lichtquellen erzielt werden, ohne dabei unnötigen Informationsüberschuß zu erzeugen. Die informationstechnische Nachbearbeitung der gewonnenen Daten soll möglichst einfach sein und ein strukturell leicht überschaubares Abbild des Objektes liefern. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist das abzubildende Objekt mit einem Drehantrieb verbunden, dessen Winkelstellung einstellbar oder meßbar ist, ohne eine Zeilenkamera bekannter Bauart in definierter Entfernung zu diesem Drehantrieb drehbar um eine zum Drehantrieb parallel liegende Achse so befestigt, daß sie die Seitenansicht des Objektes bei unterschiedlichen Aufnahmerichtungen streifenförmig abbildet.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der photoelektrischen Bildauf­ nahme dreidimensionaler Objekte im Raum.

Zur berührungslosen räumlichen Abbildung realer Objekte sind die folgenden grundsätzlichen Anordnungen und Arbeitsweisen bekannt:

• 1. Projektion von Lichtpunkten, -linien oder Gittern oder von Serien kodierter Lichtmuster aus einem definierten Einfalls­ winkel auf die Objektoberfläche und Bildaufnahme der von der Oberflächengestalt verformten Projektionsmuster aus einem oder mehreren Beobachtungswinkeln. Aus der partiellen Verformung dieser Muster werden die Tiefeninformationen gewonnen. Die Meß­ empfindlichkeit des Verfahrens wächst mit zunehmender Winkel­ differenz zwischen Einfalls- und Beobachtungswinkel. Gleichzeitig wächst aber auch die Wahrscheinlichkeit der Ab­ schattung von Bildteilen durch benachbarte Oberflächenformen. Die erforderliche Lichtprojektion stellt in jedem Fall einen erheblichen technischen Aufwand dar und wird durch Fremdlicht­ einflüsse und die Oberflächentextur des Objektes negativ beeinflußt.
• 2. Gewinnung von Abstandsinformationen zwischen Aufnahmestandort und einzelnen Objektpunkten durch Laufzeitanalyse von auf das Objekt gerichteten und reflektierten Lichtbündeln (Radar). Dieses Verfahren kann sehr genaue Ergebnisse liefern, ist aber wie das vorherige von der Textur der Objektoberfläche abhängig und liefert neben der räumlich vermessenen Punktewolke keine fotografische Ansicht des Objektes.

Anordnungen nach den erstgenannten Prinzipen lassen sich mit Bildaufnahmevorrichtungen kombinieren, um die Oberflächentextur zusätzlich zu gewinnen. Die richtige Zuordnung der Bildpunkte zu den ermittelten Objektpunkten ist nicht unproblematisch.

• 1. Herkömmliche Bildaufnahme des Objektes aus verschiedenen Be­ trachtungswinkeln und Kombination der gewonnenen Bildkoordinaten gleicher Objektpunkte in unterschiedlichen Projektionen. Vorteilhaft ist die sofortige Gewinnung von Texturinformationen aus den registrierten Bildern und die Einfachheit der Anordnung. Problematisch ist jedoch die richtige Zuordnung gleicher Bild­ punkte zueinander, sowie die hohe Redundanz der gewonnenen Einzelbilder.

Um ganze Objekte abzubilden, wird zwischen ihnen und der Aufnah­ meanordnung eine definierte Relativbewegung, z. B. durch Drehung des Objektes auf einem Drehteller oder durch Linearantriebe, erzeugt.

• 1. Holografische Abbildungsverfahren. Laufzeitunterschiede des abbildenden kohärenten Lichtes zwischen Objektstrahlen und Refe­ renzstrahl werden als Interferenzbilder aufgezeichnet und lassen Rückschlüsse auf Abstandsinformationen zu. Das Verfahren muß ohne Fremdlicht ausgeführt werden und liefert allgemein keine Texturinformationen des Objektes. Wegen seines technischen Aufwandes wird dieses Prinzip bisher in der Praxis kaum benutzt.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, photo­ elektrische räumliche Abbildungen realer Objekte mit einer mög­ lichst einfachen Anordnung ohne strukturierte Lichtquellen zu erzielen und dabei keinen unnötigen Informationsüberschuß zu erzeugen. Die informationstechnische Nachbearbeitung der gewon­ nenen Daten soll möglichst einfach sein und ein strukturell leicht überschaubares Abbild des Objektes liefern.

Das Problem wird durch die in den Ansprüchen 1 und 4 gekenn­ zeichnete Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in zwei weiteren Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem Drehantrieb, auf dem das abzubildende Objekt liegt oder befestigt ist, und einer Zeilenkamera bekannter Bauart, die in definierter Entfernung zum Drehantrieb drehbar angeordnet ist. In ihrer Grundstellung ist die Zeilenkamera genau so ausgerichtet, daß die gedachte Mittelachse des Drehantriebes genau auf die Sensorzeile abgebildet würde. Wird das Objekt nun kontinuierlich oder schrittweise angetrieben und bei jedem Schritt die strei­ fenförmige Abbildung der Zeilenkamera registriert, so erscheint nach Zusammensetzung der Einzelstreifen die zylindrische Abwicklung der Seitenansicht des Objektes aus der Kamera­ perspektive.

Um die Tiefeninformation der aufgenommenen Bildpunkte zu gewin­ nen wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Zeilenkamera in einer Achse, die parallel zur Objektdrehachse steht, um einen kleinen, definierten Winkelschritt verdreht und in dieser azentrischen Lage, die also nun nicht mehr auf das Objekt-Dreh­ zentrum gerichtet ist, erneut eine komplette Objektabwicklung aufgezeichnet.

Anschließend werden gleiche Objektpunkte der beiden aufgezeich­ neten Bilder einander zugeordnet und für jeden dieser Punkte ermittelt, wie groß die Differenz des zugehörigen Drehwinkels in jedem der beiden Bilder ist. Je weiter entfernt sich der Objekt­ punkt zur Drehachse befand, desto geringer ist die Drehwinkel­ differenz zwischen beiden Bildern. Auf diese Weise läßt sich diese Winkeldifferenz unmittelbar in den Radius des Punktes bezüglich der Drehachse umrechnen, womit die dritte Raumkoordi­ nate ermittelt ist.

Wegen der einfachen Geometrien der Abbildung ist die rechentech­ nische Nachbereitung der Daten verhältnismäßig unkompliziert.

Im Unterschied zu vielen bekannten Anordnungen besitzt das zur Messung auszuwertende Bild bereits alle Textur- und Farbinforma­ tionen, so daß keine weiteren Aufnahmen erforderlich sind.

Aus Gründen der Drehachsensymmetrie ist es sinnvoll, für die er­ ste Aufnahme anstelle der beschriebenen Grundstellung bereits eine azentrische, zur zweiten Aufnahme symmetrische Winkelstel­ lung der Kamera in die entgegengesetzte Richtung 2u wählen.

Diese Winkelstellung garantiert eine minimale Abschattung von Tälern in det Objektoberfläche und einen minimalen Rechenaufwand bei der analytischen Auswertung der aufgezeichneten Abbildungen.

Um Objekte aufnehmen zu können, deren Höhe über den von der Zei­ lenkamera erfaßten Bildausschnitt hinausgeht, kann die Zeilenka­ mera in vertikaler Richtung nach oben oder unten in definierten Winkeln geneigt werden. Gleichzeitig kann die Höhe der Kamera gegenüber dem Objekt verändert werden, so daß weitere Objekt­ teile sichtbar werden, zum Beispiel Draufsichten.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung nachstehend erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung in erfindungsgemäßer Ausführung in Draufsicht. Auf einem feststehenden Unterteil 1 ist ein mittels Drehantrieb um eine senkrechte Achse 2 drehbarer Aufsatz 3 mit dem aufzunehmenden Objekt 4 befestigt. Auf diesem Aufsatz befin­ det sich in einiger Entfernung zum Objekt eine Zeilenkamera, be­ stehend aus dem Abbildungsobjektiv 5 und dem photoelektrischen Zeilensensor 6, die in einer zur Drehachse 2 parallel angeordne­ ten weiteren Achse 7 drehbar so angebracht ist, daß die Aufnah­ merichtung 8 der Zeilenkamera in definierte Winkelstellungen 9 zur Verbindungslinie zwischen den Drehachsen gebracht werden kann.

Um eine Aufnahme durchzuführen, wird die Zeilenkamera zunächst in eine erste definierte Winkelstellung 9 gebracht. Während das Objekt nun um die Drehachse 2 gedreht wird, zeichnet die Zeilen­ kamera in senkrechten Streifen die Seitenansicht aus der einge­ stellten Perspektive auf. Die Aufzeichnung kann für eine volle Umdrehung oder auch nur für einen Winkelausschnitt des Objektes erfolgen. Anschließend wird die Winkelstellung 9 verändert und eine weitere Aufnahme in gleicher Art und Weise vorgenommen.

Fig. 2 erläutert das räumliche Meßprinzip mit dieser Anordnung. P₁ und P₂ sind zwei Objektpunkte mit den unterschiedlichen Radien R₁ und R₂ zur Drehachse Z. Der Punkt B markiert den Ort der Dreh­ achse der Zeilenkamera, der sich im Abstand b vom Objekt-Dreh­ zentrum Z befindet. Die beiden Aufnahmerichtungen der Zeilen­ kamera werden hier als symmetrisch zur Achse b und voneinander durch die Winkeldifferenz β verschieden angenommen. Das Schnitt­ punktepaar aus den Strahlen der beiden Aufnahmerichtungen und der zu jedem Objektpunkt-Radius gehörenden Kreisbahn markiert die geometrischen Orte, in denen die Objektpunkte von der jewei­ ligen Aufnahmerichtung erfaßt werden. Aus der Zeichnung wird deutlich, daß die Winkeldifferenzen der Objektdrehung α₁ und α₂ für die beiden Punktradien unterschiedlich sind. Aus dieser Winkeldifferenz α, dem Abstand b und dem Winkel β läßt sich so der Radius für jeden in beiden Bildern identifizierten Objekt­ punkt errechnen.

Claims (4)

1. Anordnung zur räumlichen photoelektrischen Objektaufnahme, dadurch gekennzeichnet, daß das abzubildende Objekt mit einem Drehantrieb verbunden ist, dessen Winkelstellung einstellbar oder meßbar ist, und daß eine Zeilenkamera bekannter Bauart in definierter Entfernung zu diesem Drehantrieb drehbar um eine zum Drehantrieb parallel liegende Achse so befestigt ist, daß sie die Seitenansicht des Objektes bei unterschiedlichen azentrischen Aufnahmerichtungen streifenförmig abbildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenkamera in vertikaler Richtung neigbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenkamera in vertikaler Richtung verschiebbar ist.

4. Verfahren zur photoelektrischen Panoramaaufnahme, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Anordnung gemäß Anspruch 1 nacheinander wenigstens zwei Aufnahmen mit unterschiedlich eingestellten Drehwinkeln der Zeilenkamera erfolgen, so daß zwei der so aufgezeichneten Bilder zur Ermittlung der Tiefeninformation der Objektpunkte analytisch ausgewertet werden können.