DE10025922A1 - Automatische photogrammetrische Digitalisierung von Körpern und Objekten - Google Patents
Automatische photogrammetrische Digitalisierung von Körpern und ObjektenInfo
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Abstract
Zur automatischen photogrammetrischen Erfassung der Raumform von Objekten, Körpern und Körperteilen wird der Hintergrund der photogrammetrischen Marken durch Regionen gekennzeichnet, welche sich in Farbe, Textur oder ähnlichen flächenhaften Merkmalen unterscheiden. Mit Verfahren der 2-dimensionalen Bildverarbeitung können zueinander passende Regionen in den verschiedenen, sich überlappenden Aufnahmen, welche mit der Photogrammetriekamera erstellt wurden, automatisch zugeordnet (referenziert) werden. In einem zweiten Schritt werden jeweils innerhalb einer Region die nicht codierten photogrammetrischen Marken ebenfalls automatisch anhand ihrer Lage bezüglich der Regionengrenzen, der durch mehrere Marken gebildeten geometrischen Muster oder durch einfache, lediglich innerhalb einer Region eindeutige Merkmale mit Verfahren der 2-dimensionalen Bildverarbeitung referenziert. Das Verfahren bietet sich besonders für die 3-D-Erfassung von Körperteilen an, welche mit einem dergestalt erfindungsgemäß markierten Überzug vor der photogrammetrischen Auswertung bekleidet werden können.
Description
Die berührungslose Erfassung der 3D-Form von Körpern und Objekten wie
Automobilkarosserien, menschlichen Körperteilen usw. ist eine wichtige Meßmethode
bei der Qualitätskontrolle, dem Reversed Engineering, der Erzeugung von
numerischen 3D Modellen von physikalisch existierenden Körpern usw.. Es sind in
der Literatur und als kommerzielle Produkte eine ganze Reihe von unterschiedlichen
Verfahren bekannt, welche entweder auf der Streifenprojektion, der Laserlinien
projektion, der Laserlaufzeitmessung, der Photogrammetrie und teilweise auch auf
kombinierten Verfahren beruhen. Besonders kostengünstig sind die sog. passiven
Verfahren der Nachbereichs-Photogrammetrie, da hier lediglich kalibrierte
Photoapparate oder Digitalkameras, aber keine teuren Projektionseinheiten und
genau kalibrierte mechanische Aufbauten benötigt werden. Ein typischer Vertreter
dieser Gruppe ist die "Photomodeler" software der Firma EOS (siehe web-Seite
www.photomodeler.com). Mit dieser software ist es möglich, aus verschiedenen,
sich überlappenden Aufnahmen eines Objektes dessen numetrisches 3D Modell zu
entwickeln. Hierbei müssen allerdings manuell am Bildschirm die Position von auf
die zu vermessende Körper aufgeklebten Marken oder von markanten Punkten wie
Ecken, Linien dieser Körper vom Benutzer in den verschiedenen 2D
Kameraaufnahmen angeklickt werden und und paarweise "referenziert" werden, d. h.
gleiche Marken müssen manuell in den verschiedenen Aufnahmen einander
zugeordnet werden.
Wird eine dichte Folge von XYZ Koordinatenwerten benötigt, so sind mehrere
hundert bis tausende solcher Zuordnungen manuell durchzuführen. Dies ist nicht nur
extrem langwierig, sondern auch fehlerbehaftet, da die Zuordnung vieler gleichaus
sehender Marken fehlerfrei kaum noch möglich ist. Es ist aus der Photogrammetrie
bekannt, codierte Marken zu verwenden, deren Identität durch eine Bildverarbeitung
automatisch erkannt wird und damit die paarweise Zuordnung automatisch erfolgen
kann. Diese Marken müssen allerdings recht groß sein, um einen Code wie z. B.
einen radialen Strichcode, einen 2-dimensionalen Punktcode o. ä. unterzubringen.
Jede Marke benötigt in der Regel einen individuellen Code. Dies wiederum verhindert
es, diese Methode bei kleinen Körpern mit vielen, benötigten Marken anzuwenden,
da diese Marken wegen der engen Platzverhälntnisse nicht mehr in genügender Zahl
aufgebracht werden können.
Es sind auch aus der Photogrammetrie Verfahren bekannt, ohne codierte Marken
iterativ die Zuordnung gleichaussehender Marken zu bestimmen. Diese Verfahren
setzen aber genau kalibrierte Kameras voraus, sind sehr langwierig und verlangen
vom Anwender eine gute Kenntnis der photogrammetrischen Randbedingungen,
insbesondere der geeigneten Aufnahmepositionen und des erforderlichen
Überlappungsgrades, damit die iterativen Lösungsverfahren konvergieren.
In der Patentschrift EP 0 760 622 "Verfahren und Anordnung zur dreidimensionalen
Erfassung der Raumform von Körpern und Körperteilen", Erfinder und Anmelder
Massen Robert, ist ein Verfahren und eine Anordnung beschrieben, mit welcher zu
digitalisierende Körperteile durch Überstreifen eines elastischen, eng anliegenden
Überzugs, welcher photogrammetrisch auswertbare Marken enthält einfach und
kostengünstig markiert werden können. Beispielhaft wird in dieser Patentschrift die
Markierung eines menschlichen Fusses zur Herstellung von 3D-Modellen für die
Fertigung von Prothesen oder Maßschuhen erläutert. Mit diesem Verfahren ist es
einfach und kostengünstig möglich, eine große Zahl von Marken aufzubringen und
damit die Grundlage für die photogrammetrische Gewinnung von dichten XYZ
Koordinaten zu legen. Das Problem der einfachen automatischen Registrierung von
Marken aus dem Überlappungsbereich der unterschiedlichen Aufnahmen ist damit
aber noch nicht gelöst.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur
automatischen Registrierung nicht codierter photogrammetrischer Marken zur
hochauflösenden Digitalisierung von Objekten, von Körpern und Körperteilen.
Erfindungsgemäß wird zur automatischen photogrammetrischen Auswertung eines
mit photogrammetrischen Marken markierten Körpers zur automatischen
Referenzierung der Marken der Hintergrund zwischen den Marken regionenweise
gekennzeichnet durch flächenhaft unterschiedliche Farb- und/oder
Textureigenschaften und/oder unterschiedliche Regionenformen und/oder
unterschiedliche Nachbarschaften Regionen und mit Verfahren der
zweidimensionalen Bildverarbeitung jeweils aus den sich überlappenden
Kameraaufnahmen der Körperoberfläche die den paarweisen oder mehrfachen
Aufnahmen gemeinsame flächenhafte Hintergrundregionen anhand der Identität oder
einer ausreichend Ähnlichkeit dieser Kennzeichnungen einander zugeordnet.
Der Erfindungsgedanken wird beispielhaft, aber nicht einschränkend am
Anwendungsfall der optischen Erfassung der Raumform eines menschlichen Fusses
zur Gewinnung der 3D Daten, welche für eine automatischen Auswahl passender
Schuhformen oder Schuhleistenformen benötigt werden, erklärt. Hierbei wird
ebenfalls beispielhaft aber nicht einschränkend davon ausgegangen, dass der Fuß
gemäß dem og. Patent EP 0 760 62 mit einem eng anliegenden elastischen Überzug
bekleidet ist, welcher gleichaussehende, nicht codierte Marken in Form kleiner
Kreuze enthält. Beispielhaft wird die dem Erfindungsgedanke zugrunde liegende
Idee der Hintergrundmarkierung am Beispiel einer regionenweise durchgeführten
Farbgebung des Hintergrundes, d. h. des Zwischenraums zwischen den Marken
erläutert. Aus Gründen des nicht möglichen Abdrucks von Farbbilder in
Patentschriften wird die unterschiedliche Farbgebung durch unterschiedliche
schwarz/weiß Texturen in den beschreibenden Figuren dargestellt.
In Fig. 1 wird ein menschlicher Fuß -1- mit einem eng anliegenden elastischen
Überzug -2- bekleidet, welcher eine große Zahl identisch aussehender photogram
metrischer Marken -3- in Form kleiner Kreuze aufzeigt. Der Kreuzungspunkt der
beiden Linien stellt eine mit Verfahren der 2-dimensionalen Bildverarbeitung
bestimmbare XY Koordinate in der jeweilig betrachteten Aufnahme dar, welche
auch bei unterschiedlichen Aufnahmewinkel, perspektivischen Verzerrungen usw.
genau als 2-dimensionaie Koordinate bezüglich des Koordinatensystems der
jeweiligen Aufnahme bestimmt werden kann. Werden zur Aufnahme z. B. digitale
Kameras benutzt, so ist das jeder Aufnahme zugrunde liegende Koordinatensystem
durch die Zeilen- und Spaltenstruktur der Sensormatrix sowie durch den
Durchstoßpunkt der optische Achse bestimmt.
Beispielhaft sind in Fig. 1 nur drei Regionen R1, R2 und R3 mit den
unterschiedlichen Hintergrundfarben ROT,GRÜN und GELB eingetragen. Es ist dem
Fachmann der Bildverarbeitung bekannt, dass mit Farbkameras solche Farbregionen
anhand der auftretenden, vorher dem System eintrainierten Farben automatisch
segmentiert, d. h. automatisch erkannt und voneinander unterschieden werden
können. Solche Verfahren sind z. B. in der Patentanmeldung DE 36 39 636 C2
"Automatische Inspektion von Textilbahnen", Erfinder und Anmelder Robert
Massen, beschrieben. Es ist außerdem bekannt, dass eine solche Farbsegmen
tierung besonders robust und unabhängig vom Betrachtungswinkel erfolgen kann,
wenn man Farbklassifikatoren einsetzt, welche unabhängig von der (vom
Betrachtungswinkel abhängigen) Helligkeit sind. Dies kann z. B. durch Klassifikation
jedes Bildpunktes anhand des Farbtons nach dem Konvertierung der RGB-
Farbsignale in den HSI-Farbraum (Hue, Saturation, Intensity) geschehen.
Wie in Fig. 2 verdeutlicht, werde beispielhaft werden die durch die drei Regionen
R1, R2, und R3 definierte Oberfläche des zu digitalisierenden Körpers aus drei
unterschiedlichen Aufnahmepositionen A1, A2 und A3 mit einer Digitalkamera
aufgenommen. Die entsprechenden drei 2-dimensionalen Bilder B1, B2 und B3
zeigen jeweils sich überlappende Ausschnitte der Körperoberfläche.
Durch die bildpunktweise durchgeführte Farbklassifikation aller drei Bilder in die
Farben ROT,GRÜN und GELB kann jedes der drei Bilder B1, B2 und B3 in drei sog.
Farbklassenbilder
B1 → B1ROT, B1GRÜN, B1GELB
B2 → B2ROT, B2GRÜN, B2GELB
B3 → B2ROT, B2GRÜN, B2GELB
wie in Fig. 3 am Beispiel der Region B2 gezeigt automatisch zerlegt werden. Damit ist aber bereits eine automatische Zuordnung aller paarweise zueinander passenden Regionen erfolgt, d. h. es sind noch nicht die photogrammetrischen Marken, aber bereits die Hintergrundregionen R1, R2 und R3 dieser Marken referenziert.
B1 → B1ROT, B1GRÜN, B1GELB
B2 → B2ROT, B2GRÜN, B2GELB
B3 → B2ROT, B2GRÜN, B2GELB
wie in Fig. 3 am Beispiel der Region B2 gezeigt automatisch zerlegt werden. Damit ist aber bereits eine automatische Zuordnung aller paarweise zueinander passenden Regionen erfolgt, d. h. es sind noch nicht die photogrammetrischen Marken, aber bereits die Hintergrundregionen R1, R2 und R3 dieser Marken referenziert.
Erfindungsgemäß werden die Marken innerhalb von zwei referenzierten Regionen
durch Vergleich ihrer Lage bezüglich der Regionengrenzen und/oder durch
Auswertung der von mehreren Marken gebildeten unterscheidbaren Figuren
und/oder durch leichte Veränderungen ihrer Form einander automatisch zugeordnet.
Fig. 4 zeigt beispielhaft, wie aus den in den Farbklassenbilder enthaltenen
Informationen über die Regionengrenzen und den von Regionen gebildete Ecken die
unmittelbar an dieser Grenze liegenden photogrammetrischen Marken einander
zugeordnet werden können.
Beispielhaft sei die dreiecksförmige rote Region R1 entlang einer Seite benachbart
mit der ebenfalls dreieckförmigen gelben Region R3 und mit der grünen Region R2,
welche die Form eines Parallelogramms hat. Entlang der betrachteten Seitenkante
-1- bildet sich außerdem eine "Dreiländergrenze" aus, d. h. ein markanter Punkt -2-,
in dem drei farblich unterschiedlich markierte Regionen aufeinander stoßen. Dieser
Punkt kann leicht aus dem Vergleich aller Farbklassenbilder mit einem Nachbar
schaftsoperator in den beiden sich überlappenden Aufnahmen B1 und B2 gefunden
werden. Solche Verfahren sind dem Fachmann der Farbbildverarbeitung bekannt.
Liegt die Koordinate dieses Punktes in den zwei betrachteten Bilder B1 und B2 fest,
so können leicht mit klassischen Suchverfahren beginnend an diesem Startpunkt,
parallel zur Farbregionengrenze und im Inneren der korrespondierenden Regionen
die nicht codierten photogrammetrischen Marken, hier beispielhaft die kleinen s/w
Kreuze -3- und -4- einander zugeordnet werden.
Ein weiterer Vorteil der farbcodierten Regionen ist die Möglichkeit, automatisch nach
jeder Bildaufnahme zu prüfen, ob der Überlappungsgrad zweier Aufnahmen
ausreichend groß ist. Der Überlappungsgrad ergibt sich aus der Anzahl farbiden
tischer Bildpunkte in jeder Aufnahme.
Neben der flächenmäßigen Markierung der Hintergrundregionen durch Farbe, Textur
und ähnliche Merkmale kann auch die Form der Hintergrundregion mit Informationen
beaufschlagt werden, welche die automatische Referenzierung erleichtern. So sind
z. B. dreieckförmige Regionen geeignet, anhand der spitzen Ecken leicht mit
Verfahren der 2D-Bildverarbeitung erkannt und zugeordnet zu werden.
Neben der automatischen Referenzierung der photogrammetrischen Marken anhand
derer Lage bezüglich der Regionengrenzen können auch andere Merkmale dieser
nicht codierten Marken verwendet werden. So werden z. B. wie in Fig. 5 gezeigt,
erfindungsgemäß die photogrammetrischen Marken zu "Sternbilder" gruppiert, d. h.
die relative Lage mehrerer nicht codierter Marken innerhalb einer Region wird so
gewählt, dass sich automatisch identifizierbare geometrische Formen bilden wie
Dreiecke, Quader, längliche Strukturen o. ä.. Insbesondere sind solche Strukturen
vorteilhaft, welche invariant gegenüber affine Bildtransformationen wie Translation,
Rotation, Dehnung, Streckung, perspektivische Verzerrung sind; diese Bildverzerrun
gen entstehen immer, wenn ein Bildausschnitt aus zwei verschiedenen
Aufnahmepositionen aufgenommen wird. Solche Gruppierungsformen sind immer
möglich, da die Position der photogrammetrischen Marken insbesondere bei Körpern
mit stetig gekrümmten Oberflächen in Grenzen frei gewählt werden kann.
Erfindungsgemäß können die photogrammetrischen Marken innerhalb einer Region
auch durch leichte Veränderungen ihrer Form identifizierbar gemacht werden. Dies
kann wie in Fig. 6 z. B. durch Variation der Strichlänge und des Strichbildes
geschehen. Diese Art der Codierung unterscheidet sich wesentlich von den
bekannten Verfahren der Codierung durch Strichcodes o. ä. In dem erfindungs
gemäßen Verfahren werden nur die Marken innerhalb einer Region unterschiedlich
markiert; es brauchen nicht alle Marken welche den gesamten Körper bedecken,
identifizierbar sein. Die Codierung kann daher sehr einfach ausfallen und braucht nur
einige wenige Markenmuster zu unterscheiden. Daher können kleine Markierungen
verwendet werden.
Durch die Kombination der einzelnen Verfahren der Referenzierung der
photogrammetrischen Marken innerhalb einer Region können auch bei größeren
Farbregionen aus zwei oder mehreren sich überlappenden Aufnahmen die in
gleichen Regionen enthaltenen Marken leicht mit Verfahren der 2-dimensionalen
Bildverarbeitung und Mustererkennung einander zugeordnet werden.
Damit ist über die beiden Verfahrensschritte:
- a) Referenzierung einander zugeordneter Hintergrundregionen anhand flächiger Merkmale wie Farbe, Texturen, Polarisationsgrad, NIR-Reflexion ,Polarisationsgrad u. ä.
- b) Referenzierung der nicht codierten photogrammetrischen Marken innerhalb einer Region anhand ihrer Lage bezüglich der Regionen, ihrer Gruppierungsstrukturen und einfacher Formmerkmale
eine vollständige automatische photogrammetrische Auswertung eines erfindungs
gemäß markierten Körpers oder Körperteils möglich.
Selbstverständlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, das beschriebene
Verfahren mit traditionell codierten photogrammetrischen Marken zu kombinieren.
Claims (11)
1. Verfahren zur photogrammetrischen Erfassung der Raumform von Objekten, von
Körpern und Körperteilen welche mit photogrammetrisch auswertbaren Marken
gekennzeichnet sind, dadurch gekennzeichnet
dass zur automatischen Referenzierung der Marken der Hintergrund zwischen den
Marken regionenweise gekennzeichnet wird durch flächenhaft unterschiedliche
Farb- und/oder Textureigenschaften und/oder unterschiedliche Regionenformen
und/oder unterschiedliche Nachbarschaften Regionen, dass mit Verfahren der
zweidimensionalen Bildverarbeitung jeweils aus den sich überlappenden
Kameraaufnahmen der Körperoberfläche die den paarweisen oder mehrfachen
Aufnahmen gemeinsame flächenhafte Hintergrundregionen anhand der Identität
oder einer ausreichend Ähnlichkeit dieser Kennzeichnungen einander zugeordnet
werden
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass
jeweils innerhalb der zugeordneten Regionen die zueinander passenden
photogrammetrischen Marken anhand ihrer geometrischen Lage bezüglich der
Regionengrenzen und/oder bezüglich ihrer gegenseitigen Abstände und/oder
bezüglich der durch mehrere Marken gebildeten geometrischen Strukturen und
Formen innerhalb einer Region mit Verfahren der 2-dimensionalen Bildverarbeitung
bestimmt werden und die so referenzierten Marken zur photogrammetrischen
Auswertung benutzt werden
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass
dass jeweils innerhalb der zugeordneten Regionen die zueinander passenden
photogrammetrischen Marken anhand einfacher, lediglich innerhalb einer Region
eindeutigen Formunterschiede mit Verfahren der 2-dimensionalen Bildverarbeitung
bestimmt werden und die so referenzierten Marken zur photogrammetrischen
Auswertung benutzt werden
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet dass
die markierten Hintergrundregionen und die photogrammetrischen Marken
innerhalb der Hintergrundregionen auf einem elastischen Überzug aufgebracht
sind, mit welchem der zu digitalisierende Körper vor der photogrammetrischen
Erfassung überzogen wird
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet dass
die photogrammetrischen Marken mit den markierten Hintergrundregionen
auf selbstklebenden Folien aufgebracht sind, mit welchen der zu digitalisierende
Körper vor der photogrammetrischen Vermessung versehen wird
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet dass
die photogrammetrischen Marken mit den markierten Hintergrundregionen auf die
Oberfläche des photogrammetrisch zu vermessenden Körpers aufprojiziert werden
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet,
dass die flächenhafte Markierung der Hintergrundregionen mit optisch im
sichtbaren oder unsichtbaren Bereich der Wellenlänge des Lichtes
unterscheidbaren Merkmalen durchgeführt sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet dass
die Markierungen aus unterschiedlichen Farben und Farbmustern bestehen
9. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass
die Markierungen aus unterschiedlichen Grauwert- und/oder schwarz/weißen
Texturen bestehen
10. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet dass
die Markierungen aus einer Oberflächenbeschichtung mit unterschiedlichem
Polarisationsgrad bestehen
11. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet dass
die Markierungen aus einer Oberflächenbeschichtung mit unterschiedlichem Glanz
bestehen
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: CORPUS.E AG, 70178 STUTTGART, DE |
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8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: MASSEN, ROBERT, PROF.DR.-ING., 78337 OHNINGEN, DE |
|
8141 | Disposal/no request for examination |