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Es ist bekannt, dass zur hochgenauen
dreidimensionalen Formerfassung Triangulationsverfahren eingesetzt
werden, welche mit einem Streifenprojektor und einer Film- oder
Videokamera arbeiten. Dieses Messprinzip bietet den Vorteil der
flächenhaften
Auswertung, da für
alle Oberflächenpunkte
eines Objektes, die sowohl vom Projektor beleuchtet als auch von
der Kamera beobachtet werden, die zutreffenden Raumkoordinaten berechnet
werden können.
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Um eine eindeutige Identifikation
der projizierten Streifen zu ermöglichen,
ist es erforderlich, eine Reihe unterschiedlicher Streifenmuster
nacheinander zu projizieren und mit der Kamera aufzunehmen.
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Das bekannteste Verfahren ist der
codierte Lichtansatz (T.G. Stahs, F.M.Wahl, "Close Range Photogrammetry Meets Machine
Vision", SPIE Vol.
1395 (1990) S. 496–503
sowie "Kurzbeschreibung
LCD 320" zum Projektor
Typ LCD 320 der Fa. ABW, Gutenbergstraße 9, D-72636 Frickenhausen).
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Bei diesem Verfahren werden die projizierten
Streifen- bzw. Linienmuster in ihrer Periodenlänge und Ausrichtung zueinander üblicherweise
so gewählt
und nacheinander auf das zu vermessende Objekt aufprojiziert, dass
eine Graycode-Sequenz entsteht. Die Graycode-Sequenz erlaubt es
dem Bildverarbeitungssystem, die auf dem zu vermessenden Objekt
aufprojizierten Linien des Projektionsgitters in überaus zuverlässiger Weise
eindeutig zu identifizieren. Sind die Linien des Projektionsgitters
eindeutig identifiziert worden, so kann eine Triangulationsrechnung
zur Berechnung der Raumkoordinaten durchgeführt werden. Die technisch realisierbare
Anzahl an Linien für
das Projektionsgitter ist zumeist so gering, dass die hiermit erzielbaren
Auflösungen
für die
praktische Nutzung des Verfahrens nicht ausreichen.
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Es sind jedoch Verfahren bekannt,
die die Auflösung
des Verfahrens des codierten Lichtansatzes erheblich steigern, so
dass in der Praxis brauchbare Auflösungen bzw. Messgenauigkeiten
erzielt werden können.
So wird in der Patentschrift
DE
4120115 ein kombiniertes CLA-Phasenshift-Verfahren vorgeschlagen. Hierbei
wird eine hohe Auf lösung
durch das aus der interferometrischen Messtechnik stammende Phasenshiftverfahren
erzielt. Beim Phasenshiftverfahren wird durch Projektion phasenverschobener
sinusförmiger Wellenfronten
die Berechnung des Phasenwinkels für jeden Punkt der untersuchten
Streifen- bzw. Interferenzbilder ermöglicht. Hierzu werden für jede der
verwendeten Perioden- bzw. Wellenlängen jeweils mindestens 3 phasenverschobene
Wellenfronten benötigt,
da Hintergrundintensität,
Intensitätsamplitude
und Phasenwinkel bestimmt werden müssen (W.Osten, "Digitale Verarbeitung
und Auswertung von Interferenzbildern", Kap. 6, Akademie Verlag ISBN 3-05-501294-1).
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Das Phasenshiftverfahren wird üblicherweise
unter Verwendung des feinsten beim CLA-Verfahren projizierten Gitters durchgeführt. Dies
ist ein Gitter mit einer Periodenlänge von 4 Schalt- bzw. Linienelementen des
programmierbaren Projektionsgitters. Das Versetzen um ein Linienelement
entspricht dann einem Phasenshift von 90°. Durch die Zusammenfassung
von 4 Schaltelementen zu einer Periode ergibt sich eine relativ geringe
Anzahl projizierter Linien. Die Patentschrift
DE 41 36 249 schlägt deshalb vor, zur Durchführung des Phasenshiftverfahrens
das komplette Projektionsgitter mechanisch zu verschieben. Damit
kann das Phasenshiftverfahren auch mit einem Gitter mit einer Periodenlänge von
2 Schaltelementen des programmierbaren Projektionsgitters erfolgen.
Hierdurch verdoppelt sich die Auflösung des Meßsystems.
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In der Patentschrift
DE 197 38 179 wird ein Verfahren
beschrieben, bei dem ähnlich
dem Phasenshiftverfahren ebenfalls sinusförmig modulierte Streifenbilder
projiziert werden, jedoch wird kein Phasenshift durchgeführt, sondern
Hintergrundintensität
und Intensitätsamplitude
der sinusförmig
modulierten Streifenbilder werden aus anderen Bilddaten errechnet.
Dieses Verfahren lässt
sich ebenfalls in einfacher Weise mit dem Verfahren des codierten
Lichtansatzes kombinieren, wobei jedoch im Vergleich zum kombinierten
CLA-Phasenshift-Verfahren bei gleicher Auflösung weniger Linienmuster auf
das Objekt projiziert werden müssen.
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Während
der gesamten Aufnahmezeit, die benötigt wird, um alle Lichtmuster
aufzunehmen, muss die gesamte zu vermessende Szenerie unbeweglich
sein, da sonst die mit der Kamera aufgenommenen Bilder von den einzelnen
Streifenmustern nicht korrelieren. Es ist daher erstrebenswert,
die Anzahl der zu projizierenden Lichtmuster so gering wie möglich zu
halten.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es,
ein Verfahren anzugeben, das zur hochauflösenden Vermessung von Objekten
mittels projizierter Lichtmuster geeignet ist und das gegenüber den
bisher bekannten Verfahren weniger Gitterprojektionen und damit
eine insgesamt kürzere
Aufnahmezeit benötigt.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird erfindungsgemäß wie beim
codierten Lichtansatz ein Projektor mit programmierbarem oder mechanisch
verstellbarem Gitter verwendet, so dass nacheinander Linienmuster mit
unterschiedlicher Periodenlänge
auf das zu vermessende Objekt projiziert werden können. Ein
solches programmierbares Gitter kann beispielsweise aus einem Durchlicht
LCD (Liquid Crystal Display) oder einem MMD (Micro Mirror Device)
bestehen. Die Projektionseinrichtung wird vorteilhafterweise leicht
defokussiert, so dass insbesondere die Abbildung des Linienmusters
mit der kürzesten
Gitterperiode auf dem Objekt deutlich verschliffene Linienkanten
aufweist und ein annähernd
sinusförmiger
Intensitätsverlauf
erzielt wird. Abgesehen vom modifizierten Intensitätsverlauf
unterscheidet sich ansonsten das Linienmuster mit der kürzesten
Gitterperiode in nichts von jenem, welches üblicherweise beim codierten
Lichtansatz, insbesondere bei Verwendung einer Graycode-Sequenz,
zum Einsatz kommt.
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Durch Verwendung geeigneter Streuscheiben
oder Projektionsgitter mit mehreren Graustufen können aber auch andere nicht
sinusförmige
Intensitätsverläufe erzeugt
werden. Wesentlich für
die resultierende Auflösung
ist lediglich, dass in den Übergangsbereichen
zwischen den aufprojizierten hellen und dunklen Linien möglichst
viele verschiedene Helligkeitsstufen unterschieden werden können.
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Das Linienmuster mit der kürzesten
Gitterperiode wird bei Verwendung eines programmierbaren Projektionsgitters üblicherweise
durch die Kombination von 4 Punkt- bzw. Linienelementen dieses programmierbaren
Gitters zu einer Periode des Linienmusters erzeugt.
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Erfindungsgemäß wird eine Linienmustersequenz
auf das zu vermessende Objekt aufprojiziert und von einer Kamera
aufgenommen, die dem codierten Lichtansatz entspricht. Die Linienmustersequenz
basiert dabei vorteilhafterweise auf einem Graycode. Aus der Abbildung
des Linienmusters mit der kürzesten
Gitterperiode wird erfindungsgemäß ein bezüglich der
Intensitätsamplitude
normiertes Streifenbild erzeugt. Dabei bedient man sich vorteilhafterweise
des in Patentschrift
DE 197
38 179 beschriebenen Verfahrens zur Berechnung von Intensitätsamplitude
und Hintergrundintensität.
Vorzugsweise werden dabei zur Berechnung von Intensitätsamplitude
und Hintergrundintensität
die Gitterprojektionen bzw. die Bilder herangezogen, die beim codierten
Lichtansatz zur Berechnung des dynamischen Schwellwertbildes verwendet
werden. Dies sind eine Gitterprojektion, bei der alle Linien des
Projektionsgitters hellgeschaltet sind und eine andere Gitterprojektion, bei
der alle Linien des Projektionsgitters dunkelgeschaltet sind.
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Aus der Abbildung des Linienmusters
mit der kürzesten
Gitterperiode erhält
man also ein Streifenbild dessen Streifen- bzw. Linienmuster bezüglich der
Intensitätsamplitude
normiert sind.
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Dieses normierte Streifenmuster wird
nun erfindungsgemäß mittels
einer aus den anderen projizierten Linienmustern des codierten Lichtansatzes
erzeugten Codierung in stetig steigende und stetig fallende Halbwellen
aufgeteilt. Eine solche Codierung ergibt sich beispielsweise bei
Verwendung eines Graycodes ganz zwangsläufig: Beim Graycode werden
die benachbarten Codewörter
einer gegebenen Bittiefe n durch das nächstfeinere Bitmuster abwechselnd
durch eine 01 und eine 10 Bitfolge in jeweils zwei neue Codewörter aufgespalten,
wodurch sich bekanntlich die Auflösung des Graycodes um 1 Bit
erhöht.
Umgekehrt wird dieses neue Bitmuster durch die Codewörter der
Bittiefe n in Halbperioden aufgeteilt, wobei die Halbperioden abwechselnd
einen 01 und einen 10 Übergang
beinhalten.
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Die Verfahrensschritte Normierung
des Streifenmusters und Aufteilung des Streifenmusters in Halbwellen
mit stetig steigenden und stetig fallenden Intensitätswerten
können
ohne Vor- und Nachteile auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden.
Aus den normierten Intensitätswerten
der Halbwellen wird nun erfindungsgemäß eine feinstufige Unterteilung
für die
mittels des codierten Lichtansatzes erzeugten Codewör ter bzw.
Tiefendaten berechnet. Da diese feinstufige Unterteilung für jedes
Codewort des codierten Lichtansatzes entweder aus stetig steigenden
oder stetig fallenden Werten besteht, ergeben sich aus der Kombination
der mittels des codierten Lichtansatzes erzeugten Codewörter mit
den Werten dieser feinstufigen Unterteilung wiederum eindeutige
Codewörter,
die jeweils genau eine Projektionslinie identifizieren.
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Bei Verwendung des neuen Verfahrens
ist die erzeugte Anzahl von Unterwerten für jedes mittels des codierten
Lichtansatzes erzeugte Codewort sehr viel höher als die 2 Unterwerte, die
sich bei einer einfachen Binarisierung des Linienmusters mit der
kürzesten
Gitterperiode gemäß dem codieren
Lichtansatz ergeben würden.
Trotzdem werden gegenüber
dem codierten Lichtansatz offensichtlich keinerlei zusätzliche
Gitterprojektionen benötigt.
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Zur Erzeugung der feinstufigen Unterteilung
werden gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sinusförmig
modulierte Streifen verwendet und vom Bild mit den sinusförmig modulierten
und normierten Streifen punktweise der Arcussinus Wert berechnet.
Hierdurch werden die sinusförmig
modulierten Streifen bildlich gesprochen in Streifenmuster mit geradlinig
ansteigenden und abfallenden Flanken überführt. Es ergeben sich somit
innerhalb jedes Codewortes des codierten Lichtansatzes Unterwerte,
die entweder linear steigen oder linear fallen.
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Im Folgenden sei ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1:
den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens
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2a bis 2d: die Normierung eines
Bildes mit sinusförmigen
Streifen unter Verwendung der oberen und unteren Einhüllenden.
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3:
das Prinzip der Erzeugung einer feinstufigen Unterteilung für eine Graycode-Sequenz
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Die 1 zeigt
den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des
neuen Verfahrens. Eine Projektionseinrichtung bestehend aus einer
Projektionslampe 1, einem programmierbarem Gitter 2 und einer
Optik 3 projiziert Linienmuster 4 auf ein Objekt 5.
Die auf das Objekt 5 aufprojizierten Linienmuster 4 werden
von der Kamera 6 aufgenommen und die erhaltenen Bilder
von einem Bildverarbeitungssystem 7 weiterverarbeitet.
Das Bildverarbeitungssystem 7 kontrolliert ferner die mit
dem programmierbarem Gitter 2 zu erzeugenden Liniengitter.
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Die 2a bis 2d zeigen die Normierung
des Streifenmusters der 2c mit
sinusförmig
modulierten Streifen, wie sie beispielsweise mit dem in 1 dargestellten System erzeugt
werden können.
Dargestellt ist dabei jeweils eine Schnittlinie, welche senkrecht
zu den Streifenmustern verläuft,
wie dies beispielsweise bei der Schnittlinie S in der 1 der Fall ist. Durch die
Normierung werden die sinusförmig
modulierten Streifen der 2c überführt in die
sinusförmig
modulierten und normierten Streifen der 2d.
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Durch die Normierung können die
Intensitätswerte
der 2d nachfolgend als
Argument in eine Funktion, z.B, dem Arcussinus eingesetzt werden.
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Zur Durchführung der Normierung werden
Hintergrundintensität
und Intensitätsamplitude
aus der oberen Einhüllenden
aus 2a und der unteren
Einhüllenden
aus 2b berechnet.
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Dabei gelten die folgenden formelmäßigen Zusammenhänge: Für den Bildpunkt
an den Bildkoordinaten (x, y) gilt beim Vorliegen sinusförmig modulierter
Streifen: IS(x, y) =
IA(x, y) * sin φ(x, y) +
IH(x, y)
Mit
IA(x,
y): Intensitätsamplitude
φ(x, y) : Phasenwinkel
IH(x,
y): Hintergrundintensität
für die obere
Einhüllende
gilt offensichtlich:
Imax(x,
y) = IA(x, y) * 1 + IH(x,
y) = IH(x, y) + IA(x,
y) und für
die untere Einhüllende
gilt: Imin(x, y) = IA(x, y) * (–1) + IH(x,
y) = IH(x, y) – IA(x, y) daraus
ergibt sich für
die Intensitätsamplitude IA(x, y) = 0,5 * (Imax(x, y) – Imin(x,
y))und für
die Hintergrundintensität: IH(x, y) = 0,5 (Imax(x, y) + Imin(x, y))
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Die Normierung des sinusförmig modulierten
Streifenbildes erfolgt durch Berechnung von
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Die obere Einhüllende aus 2a wird durch eine Gitterprojektion erzeugt,
bei der alle Linien des Projektors hellgeschaltet sind, wohingegen
die untere Einhüllende
aus 2b wird durch eine
Gitterprojektion erzeugt, bei der alle Linien des Projektors dunkelgeschaltet
sind.
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Die 3 zeigt
das Prinzip der Erzeugung einer feinstufigen Unterteilung für eine Graycode-Sequenz gemäß einem
vorteilhaftem Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Die gezeigten Schnittlinien entsprechen wie in den 2a bis 2d Schnitten senkrecht zu den projizierten
Linienmustern. Die Linienmuster der Schnittlinien S1 bis S4 bilden
eine Graycode-Sequenz. In der Darstellung sind diese Linienmuster
binarisiert, d.h. es wird nur zwischen hellen (Wert = 1) und dunklen
Linien (Wert = 0) unterschieden. Diese Binarisierung wird beim codierten
Lichtansatz grundsätzlich
durchgeführt.
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Die Schnittlinie S4 entspricht dem
Linienmuster mit der kürzesten
Gitterperiode.
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Wird dieses Linienmuster mit sinusförmig modulierten
Streifen erzeugt, und gemäß der in 2 erläuterten Vorgehensweise in sinusförmig modulierte
und normierte Streifen überführt, so
ergibt sich der in der Schnittlinie S4' dargestellte Verlauf.
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Wird von den in Schnittlinie S4' dargestellten Werten
der Arcussinus Wert berechnet, so ergibt sich wiederum der in S4'' gezeigte Verlauf. Gegenüber der
Schnittlinie S4' sind
nun die sinusförmig
modulierten und normierten Streifen in Streifen mit geradlinig ansteigenden
und abfallenden Flanken überführt.
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Die durch die Schnittlinien S1 bis
S3 repräsentierte
Graycode-Sequenz unterteilt die gezeigten Schnittlinien S4, S4' und S4'' in die 8 Abschnitte L1 bis L8, wobei
jedem dieser Abschnitte ein (eindeutiges) Codewort zugeordnet ist.
Die Grenzen der 8 Abschnitte L1 bis L8 sind durch die senkrechten
gestrichelten Linien angedeutet. Jeder dieser Abschnitte L1 bis
L8 überstreicht
genau eine Halbperiode der in den Schnittlinien S4, S4' und S4" gezeigten Linienmuster.
Dabei ist die Unterteilung so, dass jede dieser Halbperioden abwechselnd
entweder eine ansteigende oder eine abfallende Halbwelle beinhaltet.
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Die Intensitätswerte der Schnittlinie S4'' bilden somit linear ansteigende bzw.
abfallende Interpolationswerte innerhalb der mittels der Graycodesequenz
der Schnittlinien S 1 bis S3 erzeugten Streifen. Da jede Halbwelle
der Schnittlinie S4'' durch ein eindeutiges
Codewort der Graycodesequenz identifiziert wird, lässt sich vorherbestimmen,
ob ein Codewort durch eine ansteigende oder eine abfallende Flanke
unterteilt wird. Wird beispielsweise aus dem Graycode für die 8
gezeigten Abschnitte L1 bis L8 eine aufsteigende Nummerierung von
links nach rechts von 1..8 erzeugt, so ist offensichtlich, dass
alle Abschnitte mit einer ungeraden Nummer jeweils eine aufsteigende
und alle Abschnitte mit einer geraden Nummer jeweils eine abfallende
Flanke bzw. Halbwelle der Schnittlinien S4' bzw. S4'' überdecken.
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Somit lässt sich eine Umcodierung entlang
der Schnittlinie berechnen, die aus zahlreichen Intervallen besteht,
die beispielsweise von links nach rechts aufsteigend durchnummeriert
sind. Eine solche Umcodierung ist für die Weiterverarbeitung der
Tiefendaten zumeist erforderlich.
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Die Schnittlinien S5 und S6 zeigen
die Gegenüberstellung
der resultierenden Auflösung
bei Verwendung des codierten Lichtansatzes und dem neuen Verfahren.
Zur Veran schaulichung wurde eine Umcodierung derart vorgenommen,
dass sich jeweils von links nach rechts stetig ansteigende Werte
ergeben.
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Die aus der Graycode-Sequenz (Schnittlinien
S1 bis S4) berechnete Codierung erzeugt 16 eindeutig unterscheidbare
Teilbereiche. Dies entspricht der Schnittlinie S5. Werden hingegen
die in Schnittlinie S4'' gezeigten Arcussinus
Werte verwendet, so ergibt sich die in Schnittlinie S6 gezeigte
wesentlich feinstufigere Unterteilung. Werden die Arcussinus Werte
dabei mit einer Auflösung
von beispielsweise 4 Bit berechnet, so ergeben sich insgesamt 8 × 16 = 128
Teilbereiche.
