DE10049639A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung von Oberflächen bewegter Objekte - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Vermessung von Oberflächen bewegter Objekte, bei dem mittels eines Projektors ein Linienmuster auf das Objekt projiziert wird, bei jeder Projektion die Helligkeiten der zu vermessenden Punkte auf der Oberfläche des Objekts erfaßt werden und zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten der Oberfläche ausgewertet werden, wird wenigstens zu einem Zeitpunkt eine absolute Phase bestimmt und zu anderen Zeitpunkten dynamische Bestimmungen von Rohphasen mit eingeschränktem Eindeutigkeitsbereich laufend durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von Oberflächen von Objekten und einen Projektor und eine Vorrichtung hierzu.

Zur Vermessung von Oberflächen von Objekten sind verschiedene Verfahren bekannt, die mit projizierten Linienmuster arbeiten, wobei Kameras die Bilder der Linienmuster auf dem Objekt aufnehmen. Aus der EP 0 379 079 A1 ist ein sogenanntes Mehrwellen- oder Mehrfrequenz-Phasenshiftverfahren bekannt, bei welchem auf einem Träger neben­ einander drei Linienmuster mit verschiedener Periode, d. h. Linienabstand, angebracht sind. Der Träger wird in einem Projektor quer zur Projektionsrichtung motorisch ver­ schoben. Durch die unterschiedlichen Perioden werden bei der Auswertung beispielswei­ se Uneindeutigkeit an Höhensprüngen der Oberfläche beseitigt. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung könnten auch sich langsam bewegende Objekte vermessen werden, die im Vergleich zur Verschiebegeschwindigkeit des Trägers nahezu unbeweglich sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vermessung der Oberfläche bewegter Objekte und eine hierfür geeignete Vorrichtung samt Projektor zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, einen Projektor mit den Merkmalen des Anspruches 9 und eine Vor­ richtung mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestal­ tungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden während der Bewegung des Objekts nur we­ nige Projektionen und Aufnahmen getätigt, um schnellere Bewegungen erfassen zu kön­ nen. Die Eindeutigkeit bei der Bestimmung wird vorzugsweise durch zusätzliche Infor­ mationen aus abwechselnder Projektion von Linienmustern unterschiedlicher Periode in wenigen verschiedenen Phasenlagen, aus inkrementeller Berechnung aus absoluten Startwerten oder aus Offline-Auswertungen gewonnen. Bei "gutmütigen Oberflächen", d. h. hinreichend glatten Oberflächen, wird vorzugsweise eine durch drei Werte definierte Rohphase aus ein bis zwei Meßwerten und ergänzender Anzahl von Schätzungen aus vorangegangenen Messungen und Vorinformationen, beispielsweise über die Hinter­ grundsbeleuchtung oder die Lateralgeschwindigkeit des Objekts senkrecht zur Projekti­ onsrichtung, ermittelt. Damit ist eine geringere Anzahl von Messungen notwendig. Der Einsatz eines schnellen Projektors (mit entsprechend schneller Kamera) ist vorteilhaft.

Im Unterschied zu den bekannten Verfahren kann zu bestimmten Zeiten (z. B. am Anfang mit dem Graycode) oder an bestimmten Orten (z. B. bei zumindest kurzzeitig in Ruhe be­ findliche Objektbereichen mit dem Mehrfrequenz-Phasenshift) die absolute Phasenlage gemessen werden. Im raum-zeitlichen Phasendatensatz stehen also viele absolute Stütz­ stellen zur Verfügung, mit denen ein sogenanntes "Phase Unwrapping" (Auswertung von absolut bestimmter Phase und dynamisch bestimmten Rohphasen mittels Interpolationen und Extrapolationen) absolut durchgeführt werden kann.

Im folgenden ist die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Im ersten Ausführungsbeispiel kann mit einer Vorrichtung zum Vermessen einer Ober­ fläche eines bewegten Objekts die Bewegung, beispielsweise von Lippen oder Extremitä­ ten des Menschen erfaßt werden. Als Projektor ist ein handelsüblicher Multimediaprojek­ tor (DLP mit Mikrospiegeln) vorgesehen, der bei bekannter Anwendung Farbbilder mit Hilfe eines monochromen Modulators und eines Farbfilterrades erzeugt, welches drei oder mehr Segmente aufweist. Bei dieser bekannten Anwendung erzeugt der Projektor zeitlich hintereinander beispielsweise die drei Grundfarben und weißes Licht und wech­ selt dann zum nächsten Farbbild. Das weiße Licht ermöglicht eine höhere Lichtausbeute. Eine hohe Projektionsgeschwindigkeit wird beispielsweise durch die Kippspiegeltechnik erzeugt. Erfindungsgemäß wird das Farbfilterrad ausgebaut, so daß der Projektor ein pro­ grammiertes Graustufenbild mit beispielsweise drei verschiedenen Phasenlagen (je 360°/Anzahl der Phasenlagen verschoben, andernfalls ist eine Fehlerkorrektur bei der Auswertung notwendig) zeitlich hintereinander erzeugt. Als Graustufenbild wird ein Li­ nienmuster mit einer bestimmten Periode, d. h. festen Abständen der Helligkeitsmaxima und -minima, erzeugt. Dieses Linienmuster wird auf das Objekt projiziert, wodurch auf bekannte Weise an schrägen Flächen Verschiebungen im Bild der Linien auf der Oberflä­ che entstehen, welche durch eine Videokamera erfaßt werden. Vorzugsweise ist die hin­ reichend schnelle Videokamera mit der Projektor synchronisiert. Durch die mehrfach phasenverschobenen Projektionen können mittels des Phasenshiftverfahrens räumliche Koordinaten der Oberfläche ermittelt werden, wobei die gewonnenen Rohphasen noch mehrdeutig sind.

Um auch Oberflächenpartien, die bezüglich der Projektionsrichtung steil ansteigen oder abfallen oder Höhensprünge aufweisen, definiert erfassen zu können, wird ein Mehrfre­ quenz-Phasenshiftverfahren angewandt. Dabei wird außer dem vorgenannten ersten Lini­ enmuster ein zweites Linienmuster projiziert, welches eine geringfügig andere Periode aufweist. In Kombination mit den Daten zum ersten Linienmuster, beispielsweise unter Ausnutzung von Schwebungseigenschaften bei einer Differenzbildung, können dann die räumliche Koordinaten der Oberfläche eindeutig ermittelt werden. Um die Daten wäh­ rend der Bewegung des Objekts erfassen zu können, werden nach drei Phasenlagen des ersten Linienmusters drei Phasenlagen des zweiten Linienmusters projiziert, wonach wie­ der drei Phasenlagen des ersten Linienmusters projiziert werden.

Die hohen Projektions- und Aufnahmegeschwindigkeiten sind dabei für die Erfassung der Daten während der Bewegung des Objekts hilfreich. Mit diesem Verfahren können Be­ wegungen erfaßt werden, die langsamer als ein Viertel der Schwebungsperiode sind. Es können auch mehr als zwei unterschiedliche Linienmuster projiziert werden, d. h. nach den drei Phasenlagen der zweiten Linienmuster werden drei Phasenlagen des dritten Lini­ enmusters usw. projiziert, bevor dann wieder mit dem ersten Linienmuster begonnen wird. Damit lassen sich Meßungenauigkeiten verbessern und der Eindeutigkeitsbereich erweitern. Es ist möglich, Speicherplatz zu sparen, wenn jeweils nur die letzten Datensät­ ze der einzelnen Phasen ausgewertet werden und die älteren Datensätze verworfen wer­ den.

Im zweiten Ausführungsbeispiel wird zunächst auf an sich bekannte Weise, beispielswei­ se mit dem codierten Lichtansatz + Graycode oder dem Phasenshiftverfahren oder Kom­ binationen, das Objekt in einer Ruhestellung digitalisiert, um einen Startdatensatz mit absoluten Phasen zu erhalten. Bei der anschließenden Bewegung werden nur noch Roh­ phasen mit eingeschränktem Eindeutigkeitsbereich bestimmt, aber dafür laufend. Diese dynamische Phasenbestimmung kann mit Linienmustern, die in mehreren Teilbereich verschoben werden, oder mit einem statischen Linienmuster durchgeführt werden. Vor­ zugsweise wird aus jedem neuen Meßwert und den vorangegangenen zwei Meßwerten (gegebenenfalls mit rechnerischer Korrektur der Phasendrehung) eine neue Rohphase bestimmt, so daß die überlappend (inkrementell) ermittelten Rohphasen in gleicher Ge­ schwindigkeit und in gleicher Anzahl wie die einzelnen Meßwerte vorliegen.

Aus den anfänglich absolut gemessenen Phasen und den dynamisch bestimmten Phasen werden dann die aktuellen räumlichen Koordinaten der Oberfläche bestimmt. Zwischen­ durch kann zu ausgewählten Zeitpunkten auch eine neue Absolutmessung erfolgen. Um die hohen Geschwindigkeiten zu erreichen, kann der gleiche Projektor wie im ersten Aus­ führungsbeispiel verwendet werden.

Im dritten Ausführungsbeispiel werden die Aufnahmen der Videokamera während der Bewegung des Objekts alle gespeichert, beispielsweise mittels eines schnellen Videore­ corders, und erst anschließend "offline" ausgewertet. Da nun zeitliche Informationen der Bewegung einzelner Oberflächenpunkte, z. B. an Kanten, in zwei Richtungen (zeitlich vorwärts und zeitlich rückwärts) vorliegen, können die räumlichen Koordinaten der Oberfläche beispielsweise ohne Mehrfrequenz-Phasenshiftverfahren aus zeitlich benach­ barten (früheren oder späteren) Meßwerten eindeutig bestimmt werden.

Bei allen Ausführungsbeispielen kann zusätzlich die Oberflächentextur ohne Linienmu­ ster aufgenommen werden, beispielsweise mit zusätzlichen Kameras, die nicht synchron mit dem Projektor sein müssen. Ferner ist bei allen Ausführungsbeispielen der Begriff Licht so zu verstehen, daß auch Strahlung im nichtsichtbaren Bereich eingesetzt werden kann, beispielsweise Infrarotstrahlung.

Um bewegten Objekte gleichzeitig von mehreren Seiten zu vermessen, sind auch Anord­ nungen mit mehreren Projektoren und Kameras möglich, welche vorzugsweise zu logi­ schen Gruppen mit einem Projektor und wenigstens einer Kamera zusammengefaßt sind. Damit sich die Streifen der Projektoren nicht auf dem Objekt überlagern, können die Projektoren im Zeitmultiplex-Betrieb arbeiten (d. h. abwechselnd nur für kurze Zeit, bei­ spielsweise mit einer Blitzlichtquelle, und damit synchronisierten Kameras, welche dann die Bilder auseinanderhalten), in unterschiedlichen Spektralbereichen arbeiten (d. h. ver­ schiedener Farben im sichtbaren, Infrarot- oder UV-Bereich, wobei die Kameras entspre­ chende Farbfilter aufweisen, um die unerwünschten Spektralbereiche auszublenden), mit unterschiedlichen Polarisationsebenen arbeiten (d. h. Projektoren und Kameras mit ent­ sprechend orientierten Polarisationsfiltern, wobei bekannte LCD-Projektoren solche be­ reits eingebaut haben), oder entsprechend um das Objekt herum, auf verschiedene Seiten ausgerichtet, angeordnet sein.

Claims (10)

1. Verfahren zur Vermessung der Oberfläche eines bewegten Objekts, bei dem mittels eines Projektors wenigstens ein Linienmuster in verschiedenen Phasenlagen zeitlich hintereinander auf das Objekt projiziert wird auf das Objekt projiziert wird, die Hel­ ligkeiten der zu vermessenden Punkte auf der Oberfläche des Objekts erfaßt werden und zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten der Oberfläche ausgewertet wer­ den, wobei wenigstens zu einem Zeitpunkt eine absolute Phase bestimmt wird und zu anderen Zeitpunkten dynamische Bestimmungen von Rohphasen mit eingeschränk­ tem Eindeutigkeitsbereich laufend durchgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung der Rohphasen ein Teil der Messungen durch Vorinformationen über das Objekt und/oder Schätzungen aus vorangegangenen Meßwerten ersetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei verschiedene Linienmuster projiziert werden, wobei zunächst ein erstes Linienmuster mit einer bestimmten Periode mit wenigstens drei verschiedenen Phasenlagen zeitlich hintereinander auf das Objekt projiziert wird und dann ein zweites Linienmuster mit einer anderen Periode mit ebenfalls wenigstens drei verschiedenen Phasenlagen zeit­ lich hintereinander auf das Objekt projiziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung nach dem Mehrfrequenz-Phasenshiftverfahren erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem Anfangs­ zeitpunkt mittels eines codierten Lichtansatzes mit Graycode oder eines Phasenshift­ verfahrens eine Vermessung der Oberfläche mit absoluten Phasen erfolgt und zu dar­ an anschließenden Zeitpunkten dynamische Bestimmungen von Rohphasen durchge­ führt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der räumlichen Koordinaten der Oberfläche durch Phase Unwrapping der absolut gemes­ senen Phasen und der dynamisch bestimmten Rohphasen erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeiten der zu vermessenden Punkte auf der Oberfläche des Objekts erfaßt und gespeichert wer­ den und nach Beendigung der Messung die gespeicherten Daten zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten der Oberfläche ausgewertet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung der Rohphasen ein Teil der Messungen durch Schätzungen aus zeitlich benachbarten Meßwerten ersetzt wird.

9. Projektor, mit welchem als Multimediaprojektor mittels eines monochromen Modula­ tors und eines Farbfilterrades programmierte Farbbilder erzeugbar sind, und welcher bei der Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ohne Farbfilterrad ein programmiertes Linienmuster mit wenigstens drei verschiedenen Phasenlagen zeitlich hintereinander projiziert.

10. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Projektor nach Anspruch 9 und wenigstens eine mit dem Projektor synchronisierte Kamera zur Erfassung der Helligkeiten der zu vermessen­ den Punkte auf der Oberfläche des Objekts.