Aufgabe, Einsatzgebiet
und Ziel der Erfindung
Es
besteht die erfinderische Aufgabenstellung, die dreidimensionale
Erfassung von mehreren Objekten, einer Szene oder eines Objekts,
insbesondere des Gesichts eines Menschen, mit einer möglichst
geringen Zeitdauer durchzuführen.
Das heißt,
die dreidimensionale, möglichst
vollständige
Objekt- oder Szenenerfassung soll in nur einer einzigen Position
der Streifenprojektions-Triangulationsanordnung und in möglichst
kurzer Zeit durchgeführt
werden. Dies soll auch zur Gewinnung biometrischer Daten dienen.
Auch
einzelne oder mehrere Zähne
eines Menschen stellen Messobjekte dar, die mit einer derartigen Streifenprojektions-Triangulationsanordnung,
die dann auf diese Objektklasse skaliert werden muss, im Idealfall
nahezu vollständig
und vergleichsweise genau erfasst werden sollen.
Weiterhin
besteht bei der dreidimensionalen Erfassung von Objekten die erfinderische
Aufgabe, messtechnisch zuverlässige
Daten für
die Berechnung von mindestens zwei stark unterschiedlichen Triangulationswellenlängen zur
Verfügung
zu stellen, ohne extreme Pupillenabstände in der Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
oder auch sehr unterschiedliche Streifenperioden in Kauf nehmen
zu müssen.
Insbesondere sollen vorzugsweise mindestens zwei deutlich unterschiedliche
Triangulationswellenlängen,
die sich beispielsweise um den Faktor von fünf bis zehn, voneinander unterscheiden,
aus den aufgenommenen Bilddaten mit hoher Zuverlässigkeit errechnet werden können. Dies
ist in der Regel bekannterweise messtechnisch robuster, als die
Bestimmung der Streifenordnungszahl aus der Schwebung von zwei kleineren,
nur vergleichsweise wenig voneinander verschiedenen Triangulationswellenlängen zu
errechnen. Andererseits soll es jedoch auch für eher schwach gekrümmte Messobjekte,
also messtechnisch eher kooperative Objekte, möglich sein, zwei oder mehrere
nur wenig voneinander verschiedene, eher kleinere Triangulationswellenlängen, die
sich beispielsweise um nur 15% voneinander unterscheiden, für die Berechnung
einer deutlich größeren Schwebungswellenlänge zu gewinnen,
ohne dazu eine extrem dichte Lage von zwei Pupillen im Messsystem
realisieren zu müssen.
Dies soll in Verbindung mit einer guten Ausleuchtung auch an stark
geneigten Bereichen des Messobjekts möglich sein.
Die
eingesetzten Massen-Hardware-Komponenten, insbesondere Digitalprojektoren
und elektronische Kameras, sollen weitgehend gemäß ihrem Design eingesetzt werden
können.
Weiterhin
besteht die erfinderische Aufgabenstellung darin, für die medizinische
Diagnostik, für
die Operationsplanung und insbesondere auch für die kosmetische Chirurgie
ein messtechnisch robustes, vergleichsweise kompaktes und kostengünstiges
3D-Messsystem gewerblich herzustellen, das vom Anwender ohne spezielle
Kenntnisse der optischen Messtechnik bedient werden kann. Dabei
sollen vor allem in folgenden problematischen Bereichen 3D-Messungen
sehr gut möglich
sein: Gesicht, Kiefer, rasierter Hinterkopf, Ohren, Hand- und Ellbogen,
Hals, weibliche Brust, Rücken,
Knie- und Fuß sowie
Bauch- und Gesäß. Durch 3D-Messungen
in diesen Bereichen können
Röntgenaufnahmen
z. T. überflüssig werden,
beispielsweise bei der Therapie von Skoliosen im Kindesalter, wo
z. Z. bei der Diagnose noch sehr viel geröntgt werden muss.
Außerdem sollen
in der Transplantationsmedizin, die Organformen und -abmessungen,
beispielsweise eines Herzens oder einer Niere, berührungslos
und schnell zu bestimmen sein.
Die
erfinderische Lösung
zielt also insbesondere auch auf die 3D-Erfassung kugelähnlicher
Körper, bzw.
mehrfach gekrümmter
Körper,
speziell derartige mit starker Welligkeit in unterschiedlichen,
auch recht feinen Skalen. Der erfinderische Ansatz soll dabei für ein Messvolumen
in einem Bereich von 1 mm3 bis 1 m3 besonders gut geeignet sein. Insbesondere
gut geeignet sein soll der erfinderische Ansatz aber auch für den Einsatz
von Digital-Projektoren für
ein Messvolumen von etwa 250 mm3 bzw. 1000
Inch3 und gegebenenfalls auch noch deutlich
darüber
hinaus, wenn mehrfache Krümmungen
des Objektes mit vergleichsweise kleinen Radien vorliegen, z. B.
wellblechartige Strukturen. Dies können aber auch mittelgroße, tiefgeformte
Karosserieteile aus dem Automobilbereich sein.
Es
besteht das Ziel, kostengünstige
und messtechnisch vergleichsweise robuste Lösungsansätze für die gewerbliche Nutzung der
dreidimensionalen optischen Formerfassung bereitzustellen. Dabei
geht es insbesondere um die Erfassung der Form von Körperzonen
von Menschen, einschließlich
des Gesichts. Weiterhin geht es um eher mittelgroße Komponenten.
Ein besonderes Einsatzgebiet kann auch der Dentalbereich darstellen.
Hier geht es um die intra- und extraorale Vermessung des einzelnen
Zahns oder auch um Teilbereiche eines Gebisses von Menschen oder
Tieren.
Weiterhin
sollen auch verborgene Objekte, beispielsweise unter der Kleidung
eines Menschen, sowohl in der Position als auch hinsichtlich der
Form mit hoher Zuverlässigkeit
dreidimensional erfasst werden können. Dies
betrifft auch die 3D-Erfassung des Inhalts von Taschen, Koffern
und Rucksäcken.
Beschreibung
der Erfindung
Die
Erfindung liefert neue Ansätze
für die
dreidimensionale Formmessung von Objekten mit vergleichsweise großen Gradienten
mittels einer Streifenprojektions-Triangulations anordnung mit einer
möglichst kurzen
Gesamtaufnahmezeit für
die zur Berechnung der 3D-Punktwolke
benötigten
Bilddaten.
In
der Vergangenheit waren Komponenten wie elektronische Kameras und
Digital-Projektoren
vergleichsweise teuer. Deshalb wurden aus wirtschaftlicher Sicht
Gerätelösungen für die 3D-Erfassung
bevorzugt, die eine minimale Anzahl dieser Komponenten benötigen. Deshalb
wurden auch z. T. kostenintensive Bewegungskomponenten in Kauf genommen.
Dies führt
jedoch in der Regel zu langen Messzeiten. Die nun gegebene Verfügbarkeit
recht kostengünstiger
Massenkomponenten wie elektronische Kameras und Digital-Projektoren,
ermöglicht
den Einsatz mehrerer dieser Komponenten, was zu einem günstigeren
System führt,
als beim Einsatz genauer Bewegungskomponenten zur Positionierung
des 3D-Messsystems.
Insbesondere
soll mit dem erfinderischen Ansatz auch das Gesicht eines Menschen
möglichst
lückenlos
dreidimensional erfasst werden. Der Gesichtsbereich eines Menschen
kann in messtechnischer Hinsicht als eine deformierte Kugel mit
starker Welligkeit in unterschiedlichen, auch feineren Skalen angesehen
werden. Dabei soll mit der erfinderischen Lösung die Gesamtaufnahmezeit
für die
Bilder, die mit Flächenkameras aufgenommen
werden, ein Minimum bei hoher Vollständigkeit der Formmessung darstellen.
Die
Möglichkeiten
der Parallelisierung der Bildaufnahme durch Farbtechniken werden
hier nicht betrachtet, obwohl hier ein großes Potenzial zur weiteren
Verringerung der Gesamtaufnahmezeit besteht und eine Kombination
von Farbtechniken mit dem hier vorgestellten Ansatz gut möglich erscheint.
Bei der Erfindung geht es insbesondere um die vorteilhafte geometrische
Anordnung der Beleuchtungs- und Detektionspupillen in einer Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
und die laterale Orientierung der Streifen, bzw. die Ausrichtung
von beispielsweise elektronischen Sendemuster-Arrays wie LCD-Chips.
Die
erfindungsgemäßen Streifenprojektions-Triangulationsanordnungen
mit flächenhaften,
elektronischen Matrix-Kameras sollen insbesondere für die Gesichtsformmessung
eine Auflösung
von typischerweise 0,05 mm bis 1 mm in den drei Raumkoordinaten
aufweisen. Der Abstand der Triangulationsanordnung zum Gesicht eines
Menschen soll zwischen 0,3 m und 2 m betragen. Typischerweise kann
ein Abstand von etwa einem Meter optimal sein. Die Gesamtmesszeit
für die
komplette Formmessung soll in der Regel auch für elektronische Kameras und
Digital-Projektoren mit nur 25 Hz Bildwiederholfrequenz deutlich
unter einer Sekunde liegen. Bei schnelleren Komponenten verringert
sich die Gesamtmesszeit entsprechend. Zum Einsatz sollen dabei insbesondere
kostengünstige
Standardkomponenten, wie CCD- oder CMOS-Flächenkameras und insbesondere
elektronische Sendemuster-Arrays kommen, wie LCDs, oder DMDs, die
in modernen Digital-Projektoren Anwendung finden. Die in der erfindungsgemäßen optischen
Streifenprojektions-Triangulationsanordnung eingesetzten Objektive
sollen in der Regel keiner besonderen Spezifikation unterliegen
und damit kostengünstige
Massenprodukte sein können.
Es soll erfindungsgemäß eine möglichst
vollständige
Erfassung des Objektes ohne Bewegung der Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
oder des Objekts im Messvorgang erfolgen.
Mit
dieser erfinderischen Lösung
wird ein Ansatz für
die vielfach benötigte
schnelle dreidimensionale Formmessung vorgeschlagen, der zur Standardlösung für die schnelle
Formmessung, insbesondere für
die Messung der Körperform
von Menschen, werden soll. Hierbei wird Bekanntes sowie detailliertes,
erfahrungsbasiertes Wissen mit neuen Ansätzen zu einem erfinderischen
Ansatz kombiniert.
Anordnungsansätze
Die
Erfindung stellt eine neuartige Anordnung von gekoppelten Streifenprojektions-Triangulationsanordnungen
dar, die durch ihre erfindungsgemäße geometrische Anordnung große Vorteile
aufweist. Einer dieser Vorteile ist, dass z.B. für eine Anordnung, bestehend
aus vier Systemen, nur zwei Projektoren und zwei Kameras notwendig
sind. Dies reduziert sowohl die notwendige Anzahl an Hardwarekomponenten,
als auch die benötigte
Messzeit.
Dabei
soll vor allem kostengünstige
Massen-Hardware die Basis für
ein messtechnisch vergleichsweise robustes Auswerteverfahren zur
Gewinnung der 3D-Punktwolke eines Objekts oder einer Szene darstellen.
Die
erfinderische, optische Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
zur dreidimensionalen Objekt- und Szenenerfassung weist erfindungsgemäß mindestens
vier Strahlengänge
auf, die gleichzeitig und im Messvorgang räumlich unveränderlich
bestehen. Mindestens zwei Strahlengänge sind zur flächenhaften
Beleuchtung mit strukturiertem Licht, vorzugsweise mit Streifenlicht,
und mindestens zwei Strahlengänge
sind zur flächenhaften
Detektion ausgebildet. In der Regel ist bei der erfinderischen Anordnung
jedem Beleuchtungsstrahlengang ein eigener Projektor zugeordnet,
so dass bei beispielsweise zwei Beleuchtungsstrahlengängen auch
zwei Projektoren bestehen. Es ist aber auch möglich, dass nur ein einziger
Projektor mit einem einzigen Sendemuster-Array, das ist der Projektor-Chip,
angeordnet ist, dem mindestens zwei getrennte Beleuchtungsstrahlengänge zugeordnet
sind und so auch mindestens zwei Pupillen zur Beleuchtung bestehen.
Dies ist beispielsweise durch ein Zwillingsobjektiv oder einen Wellenfrontteiler
in Form eines V- Spiegels
vor dem Projektor-Chip realisierbar, welcher dabei vergleichsweise
groß ausgebildet
sein kann. Dabei ist jedoch jedem der Beleuchtungsstrahlengänge ein
anderer Teilbereich des Projektor-Chips zugeordnet.
In
der Regel ist bei der erfinderischen Anordnung jedem Strahlengang
zur flächenhaften
Detektion eine eigene Kamera zugeordnet. Es kann aber auch nur eine
einzige Kamera mit einer vergleichsweise großen Kamera-Chip-Fläche angeordnet
sein und dieser Kamera mindestens zwei getrennte Strahlengänge zur
Detektion mit je einer eigenen Pupille zugeordnet sein, so dass
mindestens zwei Pupillen zur Detektion bestehen. Auch hierbei ist
jedem der Strahlengänge
zur Detektion ein anderer Teilbereich des Kamera-Chips zugeordnet.
Die
Beleuchtung erfolgt mit elektromagnetischer Strahlung. Das Spektrum
dieser Strahlung kann im ultravioletten, im sichtbaren, im infraroten
im Mikrowellen- und auch im Terahertz-Bereich liegen. Vorzugsweise wird jedoch
in der Mehrzahl der Applikationen mit sichtbarem Licht gearbeitet
werden.
Die
Bestrahlung von Objekten mittels lateral strukturierter, elektromagnetischer
Terahertz-Strahlung ermöglicht mittels
einer Streifenprojektions-Triangulationsanordnung die dreidimensionale
Erfassung von beispielsweise unter der Kleidung eines Menschen oder
in Reisetaschen, Koffern oder Rucksäcken verborgenen metallischen
oder hochfesten Objekten.
So
bestehen also in einer Vier-Pupillen-Anordnung gleichzeitig mindestens
zwei Strahlengänge
zur Beleuchtung bzw. Bestrahlung und gleichzeitig mindestens zwei
Strahlengänge
zur Beobachtung, bzw. Detektion.
Es
erfolgt die Detektion von elektromagnetischer Strahlung, die im
ultravioletten, im sichtbaren, im infraroten im Mikrowellen- und
auch im Terahertz-Bereich liegen kann. Für die Anwendung der Erfindung
mit elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Bereich erfordert
dies dafür
geeignete Punkt-, Linien- oder Flächensensoren. Die Applikation
der Triangulation mit lateral strukturierter Strahlung im Terahertz-Bereich
ermöglicht,
durch Textilien und auch biologische Gewebe hindurch harte Objekte,
beispielsweite auch metallische Gegenstände aufgrund der Wechselwirkung
von elektromagnetischen Terahertz-Wellen und Medien, dreidimensional
zu erfassen.
Jeder
der Strahlengänge
besitzt entweder ein eigenes Pupillenzentrum PZ in einem Teilbereich
einer Pupille bei einem zusammengesetzten, beispielsweise einem
zweistufigen, Strahlengang in einem Mikroskop oder auch eine eigene
Pupille. In der Regel besteht in der erfinderischen Anordnung bei
einer makroskopischen Applikation für jeden Strahlengang also eine
eigene Pupille, die von denen der Nachbarstrahlengänge vollständig separiert
ist. Alle Strahlengänge
sind vorzugsweise jeweils mit einem eigenen Objektiv ausgebildet, das
in jedem Strahlengang auch eine eigene Pupille aufweist.
Für kleine
Objekte, wie die Zähne
eines Menschen, sind – bei
der Nutzung eines zusammengesetzten Strahlengangs, beispielsweise
ein zweistufiger Strahlengang, mit einer Ringpupille – vorzugsweise
vier getrennte Teilpupillen in der Ringpupille angeordnet. Dieser
Ansatz kann insbesondere zur Messung der Zahnform, also für eher kleine
Messobjekte, gut angewendet werden. Für noch kleinere Objekte als
die Zähne
eines Menschen kann in einem zweistufigen Strahlengang auch ein
hochauflösendes
Mikroskopobjektiv angeordnet sein. Auch hierbei ist es möglich, dass
jeweils zwei Teilpupillen zur Beleuchtung ein einziger Chip eines
Projektors zugeordnet ist. Auch in diesem Fall kann jeweils zwei
Teilpupillen zur Detektion ein einziger Chip einer Kamera zugeordnet
sein.
In
dieser Schrift werden die Zentren der Pupillen zur Beleuchtung mit
PZ-L und die Zentren der Pupillen zur Beobachtung mit PZ-D bezeichnet,
wobei gleichbedeutend für
den Begriff „Zentren
der Pupillen" auch der
Begriff „Pupillenzentren" bzw. auch die Singularformen
verwendet werden.
Da
jede Streifenprojektions-Triangulationsanordnung mit mehr als vier
Pupillen auch in eine mit genau vier Pupillen zerlegt werden kann,
wird im Weiteren nur noch die Vier-Pupillen-Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
betrachtet. Dies schließt
die Anwendung der Erfindung für
Streifenprojektions-Triangulationsanordnung mit mehr als vier Pupillen
nicht aus, sondern im Gegenteil ausdrücklich mit ein.
Für die möglichst
vollständige
3D-Erfassung des Gesichts eines Menschen ist es erfahrungsgemäß von großem Vorteil,
wenn der Abstand von zwei Hetero-Pupillenpaarzentren
der Streifenprojektions-Triangulationsanordnung, wobei hier ein
Hetero-Pupillenpaar
aus einer Pupille zur Beleuchtung und einer zur Detektion besteht,
etwas größer als
der Augenabstand eines Menschen, beispielsweise das Doppelte bis
Vierfache, desselben ausgebildet ist. Der Begriff Hetero-Pupillenpaar
wird verwendet, da zwei unterschiedliche Pupillenarten – nämlich eine
Pupille zur Beleuchtung und eine zur Detektion – eine Kombination bilden.
So können auch
die Wangen sowie der Stirnbereich des Gesichts eines Menschen mittels
einer einzigen Streifenprojektions-Triangulationsanordnung ohne
Positionsveränderung
derselben oder des Gesichts weitgehend erfasst werden. Selbst die
Halspartie eines Menschen lässt
sich dann noch wenigstens zum Teil aufnehmen.
Es
sind also in einer optischen Vier-Pupillen-Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
zur dreidimensionalen optischen Erfassung von Objekten genau vier
Verbindungslinien LDi zwischen einem Zentrum PZ-Li einer Pupille
zur Beleuchtung und einem Zentrum PZ-Di einer Pupille zur Detektion
ausgebildet, so dass also insgesamt vier Hetero-Pupillenpaare bestehen.
Dabei
soll erfindungsgemäß folgendes
gelten: Eine Verbindungsstrecke LDi (i=1-4) zwischen dem Zentrum
einer Pupille zur Beleuchtung PZ-Lk (k=1 oder 2) und dem Zentrum
einer Pupille zur Detektion PZ-Dk (k=1 oder 2) schließt bei ihrer
mathematischen Lotung in eine Referenzebene R erfindungsgemäß einen
Winkel α mit
dem Betrag von mindestens zwei Altgrad und maximal 44 Altgrad mit
in die Referenzebene R physikalisch, wenn in dieser Referenzebene
ein ebener Auffangschirm steht, oder mathematisch geloteten, zumindest
näherungsweise
geraden Streifen ein. Dabei stellt die Referenzebene R eine Ebene
im Objektraum dar, die sich durch einen konstanten Abbildungsmaßstab der
Projektion für
mindestens einen Beleuchtungsstrahlengang auszeichnet. Typischerweise,
jedoch nicht zwingend, steht die Referenzebene R dabei zumindest
näherungsweise
im Schärfevolumen
der Vier-Pupillen-Streifenprojektions-Triangulationsanordnung und
ist typischerweise, jedoch nicht zwingend, senkrecht zur optischen
Achse des Projektionsobjektivs ausgerichtet.
Der
Betrag des Winkels α soll
dabei vorzugsweise zwischen 2 Altgrad und 20 Altgrad liegen. Damit ergibt
sich durch Rechnung aus den aufgenommenen Bilddaten eine eher große Triangulationswellenlänge, da
die in die Referenzebene R projizierten Streifen die in die Referenzebene
R gelotete Verbindungsstrecke LDi, welche hier die Triangulationsbasis
a darstellt, so schneiden, dass nebeneinander liegende Schnittpunkte von
Streifen mit der geloteten Verbindungsstrecke LDi deutlich weiter
entfernt sind als der Abstand ds der Streifen voneinander. Liegt
der Betrag des Winkels α jedoch
vorzugsweise zwischen 40 Altgrad und 44 Altgrad, ergibt sich durch
Rechnung aus den aufgenommenen Bilddaten eine eher kleinere Triangulationswellenlänge, da
nebeneinander liegende Schnittpunkte von in die Referenzebene R
projizierten Streifen mit der mathematisch in die Referenzebene
R projizierten Verbindungsstrecke LDi einen Schnittpunktabstand
aufweisen, der nur etwas größer als
der Abstand ds der Streifen, jedoch kleiner als das Doppelte von
ds ist. Es wird hier definiert, dass der Winkel α stets derjenige sein soll,
dessen Betrag am kleinsten gemacht werden kann.
Eine
andere in die Referenzebene R gelotete Verbindungsstrecke LDi+1
der optischen Streifenprojektions-Triangulationsanordnung, die jedoch
dasselbe Pupillenzentrum zur Beleuchtung der ersten Verbindungsstrecke
LDi enthält,
weist erfindungsgemäß einen
größeren Betrag
eines Winkels β zu
denselben projizierten Streifen auf, wobei der Betrag des Winkels β um mehr
als 2 Altgrad im Betrag größer gemacht
ist als der Betrag des Winkels α,
jedoch kleiner im Betrag als 88 Altgrad. Üblicherweise ist die Differenz
der Beträge
der Winkel α und β deutlich
größer als
nur 2 Altgrad. Typische Differenzen der Beträge der Winkel können vorzugsweise um
80 Altgrad liegen. So können
Datensätze
für stark
unterschiedliche Triangulationswellenlängen, die sich beispielsweise
um den Faktor 10 unterscheiden, für die Berechnung derselben
bereitgestellt werden. So sind aus den aufgenommenen Bilddaten mindestens
zwei unterschiedliche Triangulationswellenlängen errechenbar.
Sind
die Differenzen der Beträge
der Winkel α und β eher klein,
beispielsweise nur um 5 Altgrad, wobei die absoluten Beträge der Winkel α und β nur wenig
kleiner als 44 Altgrad für α und nur
wenig größer als
46 Altgrad für β sind, können Datensätze für wenig
unterschiedliche Triangulationswellenlängen, die sich beispielsweise
nur um den Faktor 1,1 unterscheiden, für die Berechnung einer größeren Schwebungswellenlänge aus
den Bilddaten durch Rechnung bestimmt werden.
Erfindungsgemäß bilden
in einer Streifenprojektions-Triangulationsanordnung zur dreidimensionalen Objekterfassung
mit vier Hetero-Pupillenpaaren die zugehörigen vier Pupillenzentren
in der Referenzebene R durch mathematische Lotung ein Viereck. Dabei
ist in diesem Viereck, das ja eine Kette bildet, neben einer Pupille
zur Beleuchtung erfindungsgemäß stets
eine Pupille zur Detektion angeordnet, der eine Flächenkamera
zugeordnet ist.
Erfindungsgemäß besteht
in der Referenzebene R ein Winkel α im Betrag von wenigen Altgrad,
mindestens jedoch 2 Altgrad und maximal 44 Altgrad, zwischen einer
Verbindungsstrecke LDi von in die Referenzebene R geloteten Pupillenzentren
eines Hetero-Pupillenpaares
und zwischen den durch eine Pupille zur Beleuchtung dieses Hetero-Pupillenpaares in
die Referenzebene R physikalisch projizierten oder mathematisch geloteten
geraden Streifen. Die physikalisch projizierten geraden Streifen
können
auch auf einem Auffangschirm in der Referenzebene R beobachtet werden.
Dabei erfolgt die Betrachtung der Referenzebene R oder des Auffangschirm
hier stets in Ausbreitungsrichtung des Lichts zur strukturierten
Beleuchtung.
Eine
weitere in die Referenzebene R gelotete Verbindungsstrecke, zwischen
dem Pupillenzentrum derselben Pupille zur Beleuchtung und dem geloteten
anderen Pupillenzentrum zur Detektion, also die Verbindungsstrecke
der Pupillenzentren eines direkt anliegenden Hetero-Pupillenpaares
LDi+1, schließt
erfindungsgemäß in der
Referenzebene R einen Winkel β,
zu denselben Streifen wie der Winkel α, ein und zwar mit einem Betrag,
der mindestens um 2 Altgrad im Betrag größer gemacht ist als der Betrag
des Winkels α.
Vorzugsweise
weist dabei die andere, in die Referenzebene R gelotete Verbindungsstrecke
LDi+1 des direkt anliegenden Hetero-Pupillenpaares erfindungsgemäß bei ihrer
mathematischen Lotung in dieselbe Referenzebene R einen Betrag des
Winkels β zu
den geraden projizierten Streifen auf, der zumindest näherungsweise
dem Betrag zur Ergänzung
des Betrages des Winkels α zu
90 Altgrad entspricht. Dabei besteht also vorzugsweise zwischen
zwei Verbindungsstrecken LDi und LDi+1, die jeweils dasselbe Pupillenzentrum
zur Beleuchtung enthalten, ein rechter Winkel.
Die
Anordnung des Chips des Digital-Projektors oder die Orientierung
des Digital-Projektors sollte erfindungsgemäß vorzugsweise so gestaltet
sein, dass sich bei einer Messanordnung zur 3D-Erfassung des Gesichts
eines Menschen – beispielsweise
im Raum einer Messkabine – waagerechte
und horizontale Streifen projizieren lassen, die vorzugsweise parallel
zu Spalten oder Zeilen des Projektors ausgebildet sind.
Es
wird im Weiteren noch ein zweiter Ansatz für die Definition der Referenzebene
dargestellt, wobei die Referenzebene dabei mit R2 bezeichnet wird.
Die erfinderische, optische Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
zur dreidimensionalen Objekt- und Szenenerfassung weist also erfindungsgemäß mindestens vier
Strahlengänge
auf, die gleichzeitig und räumlich
unveränderlich
mit je einer Pupille und einem dazugehörigen Pupillenzentrum in einem
Messvorgang bestehen.
Mindestens
zwei Strahlengänge
sind zur flächenhaften
Beleuchtung mit strukturiertem Licht, vorzugsweise mit Streifenlicht,
und mindestens zwei Strahlengänge
sind zur flächenhaften
Detektion ausgebildet. Die Referenzebene R2 wird in diesem Ansatz
durch ein ebenes Sendemuster-Array aufgespannt, das zu einem Beleuchtungsstrahlengang
der Streifenprojektions-Triangulationsanordnung gehört. Für vier Strahlengänge soll
folgendes gelten: In diese Referenzebene R2 werden sowohl das erste
Pupillenzentrum PZ-L1 zur Beleuchtung dieses Sendemuster-Array und
auch das Pupillenzentrum des zweiten Beleuchtungsstrahlenganges
PZ-L2 sowie die beiden Pupillenzentren zur Detektion PZ-D1 und PZ-D2
gelotet. Diese vier Zentren PZ-L1, PZ-D1, PZ-L2 und PZ-D2 der Pupillen
bilden erfindungsgemäß in der
Referenzebene R2 ein ebenes Viereck.
Dabei
ist die Anordnung der Pupillenzentren eines ersten Heteropupillenpaares
so gewählt,
dass eine mögliche
Verbindungsstrecke LDi bei gedanklicher Projektion, bzw. mathematischer
Projektion, auf das Sendemuster-Array, also auf die Referenzebene
R2, einen Winkel α mit
einer Zeile oder einer Spalte des Sendemuster-Arrays, einschließt, der
erfindungsgemäß zu einem
Winkel α mit
einem Betrag zwischen 2 Altgrad und 44 Altgrad führt. Dabei schließt eine
weitere Verbindungsstrecke LDi+1, die dasselbe Pupillenzentrum zur
Beleuchtung der ersten Verbindungsstrecke LDi einschließt, mit
derselben Zeile oder einer Spalte des Sendemuster-Arrays wie zur
Bildung des Winkels α,
einen Winkel β ein,
der im Betrag um mindesten 2 Altgrad größer gemacht ist als der Betrag
des Winkels α.
Dabei erfolgt die Betrachtung der Referenzebene R2 in Ausbreitungsrichtung
des Lichts zur Beleuchtung.
Erfahrungsgemäß ist es
aus messtechnischer Sicht von Vorteil, wenn die bekannten Kosinus-Quadrat-Intensitätsstreifen
projiziert werden, die oft auch als Sinusstreifen bezeichnet werden.
Dabei werden diese bekannterweise mittels eines Digital-Projektors
mit einer Streifenperiode von 8, 12 oder 16 Pixel gut nachgebildet.
Es
werden vorzugsweise zwei Sätze
von Streifen mittels einer optischen Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
mit vier Pupillen in den Objektraum projiziert. Dabei sind die Streifen
vorzugsweise einmal parallel und vorzugsweise einmal senkrecht zu
Zeilen oder Spalten des Sendemuster-Arrays ausgerichtet. Dies erfolgt
durch elektronische Adressierung, beispielsweise eines Chips eines
Digital-Projektors. Vorzugsweise sind die Kanten von Projektor-Chip
und Kamera-Chip bei der Projektion in die Referenzebene R zueinander
auch parallel. Die im Raum waagerechten und senkrechten projizierten
Streifen werden bei der Projektion zeitlich nacheinander erzeugt.
Ein
Bildsatz führt
durch Rechnung mit den aufgenommenen Bilddaten zu einer großen Triangulationswellenlänge, wenn
der Winkelbetrag α klein
ist, da die Triangulationswellenlänge bekannterweise auch proportional
zum Quotienten aus Streifenperiode d der projizierten Streifen und
sin(α) ist.
Wenn der Betrag des Winkels β zumindest
näherungsweise
der Ergänzung
des Betrags des Winkels α zu
90 Altgrad entspricht führt
dies durch Rechnung zu zwei stark unterschiedlichen Triangulationswellenlängen bei
gleichen Abständen
LDi der Pupillenzentren, wenn also die Lotpunkte der Pupillenzentren
in der Referenzebene R zumindest näherungsweise ein Quadrat bilden.
Die benötigten
Bilddaten können
mit zwei elektronischen Kameras und zwei Digital-Projektoren bereits
mit dem Minimum von 12 Bildern pro Kamera erreicht werden, wobei
dann jede Kamera von jedem der beiden Projektoren in der Summe 12
Bilder für
die 3-Phasen-Auswertung erhält,
wobei von jedem der beiden Projektoren P1 und P2 insgesamt 6, also
je drei Bilder mit senkrechten und je drei Bilder mit waagerechten
Streifen projiziert werden. Insgesamt stehen so im Datensatz eines
Messvorgangs 24 Bilder, je 12 Bilder von jeder Kamera aufgenommen,
für die
Berechnung der 3D-Punktwolke bereit. Dies ermöglicht eine Gesamtbildaufnahmezeit
weniger als 0,5 Sekunden bei Kameras und Projektoren, die im Videotakt
arbeiten. Bei 60 Hz-Systemen ergibt sich entsprechend eine Aufnahmezeit
von nur 0,2 Sekunden für
die 12 Bilder pro Kamera. Somit ist durch die geringe Gesamtaufnahmezeit ein
messtechnisch recht robustes Messsystem gegeben. Durch eine intelligente
Algorithmik und die Redundanz der Daten ist auch mit weniger als
12 Bildern noch eine Berechnung der 3D-Punktwolke – je nach
Komplexität
der Objektform – mehr
oder weniger gut möglich.
In
einer optischen Streifenprojektions-Triangulationsanordnung mit
vier Pupillen, deren Zentren erfindungsgemäß in einem zu den Streifen
etwas verdrehten Viereck angeordnet sind, können auch mehr als vier unterschiedliche
Triangulationswellenlängen
aus den Bilddaten errechnet werden, nämlich bis zu acht. Dies ergibt
sich entweder bei vier ungleichen Abständen LDi (i=1 – 4) der
in die Referenzebene R oder in die Referenzebene R2 geloteten Pupillenzentren
PZ-L1, PZ-D1, PZ-L2 und PZ-D2. Dies bedeutet auch, dass der Betrag
des Winkels β dann
merklich ungleich der Ergänzung
des Betrags des Winkels α zum
rechten Winkel ist. Ungleiche Abstände LDi (i=1 – 4) führen bekannterweise
zu einer jeweils anderen Triangulationsbasis und damit auch zu einer
anderen Triangulationswellenlänge.
Dies kann also bereits in einer optischen Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
mit nur vier Pupillen, also mittels zwei Kamerastrahlengängen und
mittels zwei Projektorstrahlengängen
erreicht werden. Hierbei werden also je sechs Streifenbilder, jeweils
einmal 3 Streifenbilder mit senkrechten und jeweils einmal 3 Streifenbilder
mit waagerechten Streifen in unterschiedlicher Phasenlage, von jedem
Projektor, also insgesamt 12 verschiedene Streifenmuster, projiziert.
Durch die dabei stattfindende gleichzeitige Aufnahme mittels zwei
vorzugsweise synchron arbeitender elektronischer Kameras werden
so insgesamt 24 Bilder aufgenommen. Es stehen also in der Summe
24 verschiedene Bilder für
die Auswertung zur Verfügung.
Wesentlich ist hierbei jedoch, dass durch die geometrischen Bedingungen
in der Triangulationsanordnung aus den Bilddaten, die von jeder
der beiden Kameras gewonnen wurden, durch Rechnung zwei in der Regel
stark unterschiedliche Triangulationswellenlängen gebildet werden können. Dies ist
der Fall, wenn der Betrag des Winkels α nur wenige Altgrad beträgt und außerdem der
Betrag des Winkels β deutlich
größer als
der Betrag des Winkels α gemacht
ist und so sich der Betrag des Winkels β dem rechten Winkel annähert. Mehrere
Triangulationswellenlängen
sind bekannterweise von Vorteil und verbessern erfahrungsgemäß die Zuverlässigkeit
der Auswertung.
Vorzugsweise
werden die Streifen also mittels elektronisch gesteuerter, beleuchteter
Projektor-Chips generiert. Die Projektor-Chips sind vorzugsweise
mit zwei Kanten parallel zur Raumvertikalen ausgerichtet. Linien
und Spalten von Projektor-Chips liegen vorzugsweise zumindest näherungsweise
zu Linien und Spalten oder Spalten und Linien der Kamera-Chips parallel.
Vorzugsweise
gibt es in der Streifenprojektions-Triangulationsanordnung zwei
Beleuchtungs-Pupillen und
zwei Beobachtungs-Pupillen. Dies ermöglicht eine nahezu vollständige 3D- Erfassung des Gesichts
eines Menschen mit einer noch recht kostengünstigen Anordnung und ohne
die Notwendigkeit im Messvorgang Komponenten mechanisch zu bewegen.
Es
wird Weiteres zur Vier-Pupillen-Anordnung ausgeführt: Der schnellste Ansatz
zur dreidimensionalen Objekterfassung ergibt sich mit je nur einer
einzigen 3-Phasen-, 4-Phasen-
oder 5-Phasen-Bildsequenz pro Projektor, so dass nacheinander vorzugsweise
nur zwei Bildsequenzen mit je 3, 4 oder 5 Bilder aufgenommen werden.
Dies führt
zu Bildaufnahmezeiten von zweimal drei bis fünf Frame-Zeiten für einen
vollständigen
Bildaufnahmesatz für
die 3D-Erfassung des Objekts. Die von beiden Projektoren generierten
Streifen sind auf einem planen Objekt in beiden Streifenbildern
vorzugsweise jeweils zumindest näherungsweise
parallel und vorzugsweise zumindest näherungsweise äquidistant.
Für die
3D-Vermessung eines Gesichts eines Menschen sollten die projizierten
Streifen dabei am besten horizontal sein, also die Nasenlängspartie
zumindest näherungsweise
kreuzen. Die vier Pupillenzentren der Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
selbst oder aber die Lotpunkte derselben bei Lotung in die Referenzebene
R sind vorzugsweise im Rechteck angeordnet. Das Pupillenzentrenrechteck
steht vorzugsweise auf der Spitze und ist beispielsweise um z. B.
3 Altgrad um seine Flächennormale
gedreht. Der Betrag des Winkels α ist
somit 42 Altgrad und der Betrag des Winkels β beträgt 48 Altgrad. Dies führt durch
Rechnung zu zwei schon recht deutlich unterschiedlichen Triangulationswellenlängen – auch bei
gleicher projizierter Streifenperiode in einem Bild, das jeweils
mit einer einzigen Kamera gewonnen wird, wobei hier die Daten für die Berechnung
jeder Triangulationswellenlänge
vorzugsweise jeweils mit einem anderen Projektor generiert werden.
Insgesamt ergeben sich so Daten für die Berechnung von vier verschiedenen
Triangulationswellenlängen.
Die sich ergebenden Schwebungswellenlängen können hinreichend groß gemacht
werden, um eine eindeutige dreidimensionale Erfassung des Gesichts
eines Menschen zu ermöglichen.
Jedoch detektieren grundsätzlich
nicht immer alle Pixel strukturiertes Licht von beiden Projektoren.
Es
ist jedoch auch möglich,
dass die von den beiden Projektoren erzeugten Streifen auch zumindest näherungsweise
senkrecht zueinander ausgebildet sind. Dann sind die bei einem leicht
gedrehten und in die Referenzebene R geloteten Pupillenzentrenrechteck „die berechenbaren
Triangulationswellenlängen
auf einer Kamera" von
den beiden Projektoren unterschiedlich und etwas kleiner als die
bei der anderen Kamera. In der Vier-Pupillen-Anordnung bestehen so insgesamt mindestens
vier verschiedene berechenbare Triangulationswellenlängen bei
gleicher, in die Referenzebene R projizierten Streifenperiode.
Dieser
Ansatz mit je „zwei
Triangulationswellenlängen
auf einer Kamera" mittels
zwei separierter Projektoren funktioniert mit einem merkmalsbasierten „Modell
eines Gesichts" zumindest
für den „Kernbereich
eines Gesichts" recht
gut bei einer Beleuchtung und Detektion des Gesichts von vorn. Wo
ein Pixel einer Kamera nur einen Objektpunkt detektieren kann, der
beispielsweise wegen Abschattung nur von einem einzigen Projektor
strukturiert beleuchtet wird, erfolgt vorzugsweise eine modellgestützte, merkmalsbasierte
Rekonstruktion der Punktwolke oder diese Pixel werden bei unlösbaren Widersprüchen verworfen.
Die Redundanz der errechneten Daten ist auch zur Überprüfung der
Daten nutzbar, um messtechnische Ausreißer sicher zu erkennen.
Es
ist ebenfalls möglich,
Mehrfachbildserien zu gewinnen, aus deren Daten jeweils mehrere
3D-Punktwolken errechnet werden können. So kann auch eine Mittelung
von Daten mehrerer nacheinander aufgenommener 3D-Punktwolken erfolgen.
Dabei spielt es auch keine Rolle, wenn die zu beobachtende Person
im Messvorgang bei der 3D-Erfassung ihres Gesichts etwas den Kopf
dreht. Anschließend
erfolgt eine Zusammensetzung der durch die Mehrfachbildserien ermittelten
3D-Teilpunktwolken.
Eine
etwas geringere Messunsicherheit bei der Gewinnung der 3D-Punktwolke
mittels Vier-Pupillenanordnung – also mit
zwei Projektionsrichtungen und zwei Beobachtungsrichtungen – kann sich
jedoch ergeben, wenn jede der beiden Kameras ein – mit nur
zwei Streifenmustern mittels zwei Projektoren – strukturiert beleuchtetes
Objekt oder eine Szene aufnimmt und dabei die Generierung jedes
der beiden Streifenmuster von jeweils einem anderen Projektor erfolgt.
Dies ist der Fall, wenn beispielsweise im Minimum 3 Bilder mit waagerechten
Streifen unterschiedlicher Phasenlage von jedem Projektor projiziert
werden, beispielsweise um eine möglichst
geringe Gesamtaufnahmezeit von nur 6 Frame-Zeiten zu erreichen.
So detektiert jede der beiden Kamera insgesamt nur zwei Bilddatensätze, erzeugt
nacheinander mittels je einem Projektoren mit jeweils anderer Projektionsrichtung.
So gibt es beispielsweise im Minimum 12 Bilder im Gesamtdatensatz
einer Messung. So kann dabei mittels jeder Kamera von diesem Objekt
oder dieser Szene in der Regel nicht jeder Objektpunkt durch strukturierte
Beleuchtung mittels beider Projektoren erfasst werden, insbesondere
dann nicht, wenn Abschattung bei einem stärker gekrümmten Objekt besteht. Das Ergebnis
ist, dass für
die nur mit einem einzigen Streifenmuster beleuchteten Objektpunkte
nur eine einzige Triangulationswellenlänge aus dem Datensatz einer
jeden Kamera errechnet werden kann. Dies kann Fehler bei der Berechnung
der Streifenordnung von komplexen Objekten zur Folge haben. Bei
der Erfassung des Gesichts eines Menschen ist es in der Regel jedoch
aufgrund von a priori-Wissen möglich,
diese Fehler bei der Berechnung der Streifenordnung zu erkennen
und auch zu korrigieren.
Es
ist auch eine 3D-Erfassung des Gesichts eines Menschen mit groben
Streifen vorab sinnvoll. So kann der mittlere Abstand dieses Gesichts
zur Streifenprojektions-Trian gulationsanordnung zwecks automatischer
Fokussierung bestimmt werden. Dazu werden zwei Serien mit beispielsweise
4 Bildern aufgenommen. Die Aufnahme der ersten Bildserie erfolgt
hierbei von nur einem der beiden Projektoren und mit groben Streifen.
Die Aufnahmezeit ist dafür
reduziert und beträgt
dann nur 4 Frame-Zeiten. Die Aufnahme der zweiten Serie, ebenfalls
mit 4 Bildern, geschieht nun mittels aufeinander folgenden Einsatzes
beider Projektoren und mit der Projektion von deutlich feineren
Streifen. Die Aufnahmezeit beträgt
so in der Summe nur zweimal 4 Frame-Zeiten. Die so erreichbare kurze
Gesamtaufnahmezeit führt
zum gewünschten
geringen Verwacklungseinfluss.
Es
ist aber vorzugsweise auch eine Vorabermittlung der Grobposition
eines Objekts, beispielsweise eines Gesichts, mit dem bekannten
Gray-Code-Ansatz möglich.
Die
bekannte Helligkeitsanpassung der Streifen an das Objekt, für die vor
oder nach der Messung durch Projektion von meist unstrukturiertem
Licht ein Bild aufgenommen wird, kann ebenfalls angewendet werden.
Das Verfahren dazu wurde von K.-P. Proll, J.-M. Nivet, Chr. Voland,
and H. J. Tiziani unter "Application
of a liquid-crystal spatial light modulator for brightness adaptation
in microscopic topometry" in
Appl. Optics, Vol. 39, No. 34 (Dezember 2000) auf den Seiten 6420–6435 beschrieben.
Auch
eine Kombination mit einer Dreifarbkanaltechnik zur Erfassung von
Szenen hoher Grauwertdynamik ist machbar. Dafür sind die zur Bildaufnahme
eingesetzten Bildsensoren als Farbkameras ausgeführt, die bauartbedingt eine
deutlich unterschiedliche Grauwertsensivität in den drei Farbkanälen besitzen.
Dieses Verfahren ist beschrieben von K.-P. Proll, J.-M. Nivet, Chr.
Voland, and H. J. Tiziani in „Enhancement
of the dynamic range of the detected intensity in an optical measurement
system by a three-channel technique", Applied Optics Vol. 41 No. 1 Januar
2002, Seiten 130–135.
Die
in verschiedenen Bildserien projizierten Streifenbreiten können in
der Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
vorzugsweise gleich gemacht sein. Zur Auswertung werden die bekannten
Phasenschiebe-Algorithmen vorzugsweise für 3, 4 oder 5 Phasen verwendet.
Aus der so gewonnenen Rohphase, das bedeutet den modulo 2π-Daten, werden
die Feinphasen mittels bekanntem Unwrapping, oder im Fall der kombinierten
Cosinus-Gray-Code-Messung mittels direkter Verstetigung berechnet.
Diese Daten dienen dann als Ausgangsbasis für die Berechnung der 3D-Punktwolke.
Eine merkmalsbasierte Auswertung kann anschließend erfolgen. Die Kalibrierung
der Punktwolke-Daten erfolgt vorzugsweise eher zum Schluss.
Weiterhin
kann in einer optischen Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
zur dreidimensionalen Objekterfassung zwischen zwei Verbindungsstrecken
LDi und LDi+1 von Pupillenzentren, die dasselbe Pupillenzentrum
enthalten, vorzugsweise ein zumindest näherungsweise rechter Winkel
bestehen.
Weiterhin
ist bei einer optischen Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
zur dreidimensionalen Objekterfassung mit zwei Pupillenzentren PZ-L_1
und PZ-L_2 zur Beleuchtung sowie zwei Pupillenzentren PZ-D_1 und
PZ-D_2 zur Detektion folgendes vorzugsweise realisiert: Die Kette
von im Raum bestehenden oder in eine Referenzebene R oder in eine
Referenzebene R2 geloteten Pupillenzentren ist als ein Viereck ausgebildet,
das vorzugsweise aus zwei zumindest näherungsweise rechtwinkligen,
kongruenten Dreiecken besteht, bei denen das Verhältnis der
Katheten jeweils einen Wert zwischen 0,2 und 5 aufweist. Die Hypotenusen
der beiden kongruenten Dreiecke fallen vorzugsweise zusammen.
Die
optische Streifenprojektions-Triangulationsanordnung zur dreidimensionalen
Objekterfassung kann weiterhin vorzugsweise so gestaltet sein, dass
die Kette von vier Pupillenzentren selbst oder die Kette von vier
in eine Referenzebene R oder R2 gelotete Pupillenzentren als ein
Rechteck ausgebildet ist.
Die
optische Streifenprojektions-Triangulationsanordnung zur dreidimensionalen
Objekterfassung kann weiterhin vorzugsweise so gestaltet sein, dass
die Kette von vier Pupillenzentren selbst oder die Kette der vier
in eine Referenzebene R oder R2 gelotete Pupillenzentren als ein
Drachenviereck ausgebildet ist.
Die
optische Streifenprojektions-Triangulationsanordnung zur dreidimensionalen
Objekterfassung kann weiterhin vorzugsweise so gestaltet sein, dass
die Kette von vier Pupillenzentren selbst oder die Kette von vier
in eine Referenzebene R oder in eine Referenzebene R2 gelotete Pupillenzentren
als ein Quadrat ausgebildet ist.
Die
optische Streifenprojektions-Triangulationsanordnung zur dreidimensionalen
Objekterfassung kann weiterhin vorzugsweise so gestaltet sein, dass
die Kette von vier Pupillenzentren selbst oder die Kette von vier
in eine Referenzebene R oder R2 gelotete Pupillenzentren als ein
Trapez ausgebildet ist.
Weiterhin
Streifen sollen vorzugsweise stets entweder parallel zu Spalten
oder parallel zu Zeilen eines Digital-Projektors mittels demselben
durch elektronische Ansteuerung erzeugt werden.
Weiterhin
können
in der optischen Streifenprojektions-Triangulationsanordnung mindestens
vier Hetereo-Pupillenpaare angeordnet sein und die Größe eines
Hetereo-Pupillenzentrenpaar-Abstandes
soll erfindungsgemäß mindestens
dem halben Radius der Schmiegungskugel für das zu vermessende Objekt
entsprechen. Besser ist es jedoch, ein Mehrfaches dieses Radius
für den
Hetereo-Pupillenzentrenpaar-Abstand zu verwenden, beispielsweise
den doppelten bis vierfachen Radius der Schmiegungskugel. So können auch
gute Messergebnisse an Bereichen mit größeren Gradienten des Objekts
erreicht werden. Dabei genügen
für die Bildung
von vier Hetero-Pupillenpaaren genau zwei Beleuchtungs- und genau zwei Beobachtungspupillen.
Für den
Zahn eines Menschen bedeutet dies, einen Pupillenzentrenpaar-Abstand
von etwa 10 mm in der Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
zu realisieren und für
die Vermessung des Gesichts eines Menschen etwa einen Pupillenzentrenpaar-Abstand
von beispielsweise etwa 200 mm zu verwenden.
In
einer weiteren erfinderischen Vier-Pupillen-Anordnung bestehen gleichzeitig
mindestens zwei Strahlengänge
zur Beleuchtung und gleichzeitig mindestens zwei Strahlengänge zur
Beobachtung, bzw. zur Detektion. Weiterhin besteht in der Triangulationsanordnung
eine Ringpupille, beispielsweise in einem Mikroskop. Die Pupillenzentren
der Heteropupillenpaare sind in der Pupillenebene des Strahlenganges
als Teilpupillen angeordnet. Diese Pupillenzentren bilden ein ebenes
Viereck. Bei einem aus zwei Objektiven bestehenden, zusammengesetzten
Strahlengang für
ein Mikroskop, bestehend aus einem Frontobjektiv, welches dem Objekt
zugeordnet ist, und einem Tubusobjektiv oder auch mehreren, parallel
angeordneten Tubusobjektiven, befindet sich die Pupillenebene zwischen
dem Frontobjektiv und dem Tubusobjektiv, oder den Tubusobjektiven.
In der Regel ist die Pupillenebene bei einem afokalen System zumindest
näherungsweise
in der gemeinsamen inneren Brennebene angeordnet. Dabei ist das
Viereck der Pupillenzentren zu den Zeilen und Spalten eines Sendemuster-Arrays
etwas verdreht ausgebildet, mindestens jedoch um 2 Altgrad. Die
bereits beschriebenen Verhältnisse
für die
Winkel α und β ergeben
sich durch mathematische Lotung eines Sendemuster-Arrays mit den
geloteten Zeilen und Spalten des Sendemuster-Arrays, welches als
ein LCD ausgebildet sein kann, in die Pupillenebene. Es kann aber
auch die Pupillenebene zur Beschreibung der Winkel α und β in die Ebene
des Sendemuster-Arrays mathematisch gelotet werden.
Die
optische Streifenprojektions-Triangulationsanordnung zur dreidimensionalen
Objekterfassung kann vorzugsweise auch so gestaltet sein, dass diese
auf einem Hexapoden angeordnet ist. Dies ermöglicht die Realisierung einer
zum Objekt, beispielsweise das Gesicht eines Menschen, optimalen
Positionierung der Streifenprojektions-Triangulationsanordnung.
Es erfolgt bei mehreren Messungen ein Zusammenfügen der 3D-Punktwolke, die
aus den Daten der beiden Kameras errechnet wurden, vorzugsweise
anhand von Formmerkmalen. Beim Gesicht eines Menschen geschieht
dies beispielsweise mit Vorteil anhand der Nasen- und der Augenhöhlenpartie.
Verfahrensansätze
Bei
einem Verfahren zur Streifentriangulation sind mindestens zwei Strahlengänge zur
Objektbestrahlung mittels elektromagnetischer Strahlung mittels
mindestens zwei Projektoren mit je einem Sendemuster-Array und mindestens
zwei Strahlengängen
zur gleichzeitigen Detektion mittels mindestens zwei Kameras ausgebildet.
Insgesamt bestehen bei dem Verfahren zur Streifentriangulation mindestens
vier Pupillen mit mindestens vier Pupillenzentren, die bei Lotung
in eine Referenzebene R oder in eine Referenzebene R2 ein Viereck bilden.
Dabei stellt die Referenzebene R eine Ebene dar, die sich durch
einen konstanten Abbildungsmaßstab der
Projektion im Objektraum auszeichnet. Die Referenzebene R2 wird
durch eines der Sendemuster-Arrays aufgespannt.
Eine
Pupille zur Beleuchtung und je eine zur Beobachtung bilden ein Hetero-Pupillenpaar,
zu welchem je eine Verbindungsstrecke zwischen den beiden Pupillenzentren
gehört.
Die im Messvorgang auf die Referenzebene R im Objektraum real oder
gedanklich projizierten geraden und parallelen Streifen oder die
in der Referenzebene R2 mittels Sendemuster-Array erzeugten geraden und parallelen
Streifen schließen
mit den Verbindungsstrecken der in die Referenzebene R oder R2 geloteten
Pupillenzentren von Hetero-Pupillenpaaren mehrere, sowohl mindestens
um 2 Altgrad von null verschiedene als auch voneinander verschiedene
Winkel ein. So ist das sich ergebende Viereck der in die Referenzebene
R oder in die Referenzebene R2 geloteten Pupillenzentren zu den
Streifen in der Referenzebene R oder R2 verdreht. Vorzugsweise ist
das Viereck jedoch nur wenig verdreht und zwar so, dass keine der
geloteten Verbindungsstrecken der Pupillenzentren von Hetero-Pupillenpaaren zu
den Streifen oder den Zeilen oder Spalten des Sendemuster-Arrays
parallel liegt.
Auch,
wenn im Weiteren der Begriff Licht verwendet wird, ist hierbei das
gesamte Spektrum der elektromagnetischen Wellen vom UV- bis in den
Terahertz-Bereich stets eingeschlossen.
Je
zwei Flächenkameras,
die Licht durch die Pupille zur Beobachtung empfangen, detektieren
gleichzeitig, also elektronisch synchronisiert, das Messobjekt,
wobei der erste Projektor Streifen in mindestens drei unterschiedlichen
Phasenlagen auf das Objekt projiziert, um die bekannten Phasenauswerte-Algorithmen
anwenden zu können.
Auch dieser Projektor kann elektronisch synchronisiert mit den Kameras
arbeiten, so dass die Projektoren und die Kameras ein synchronisiertes
Gesamtsystem bilden. Es wird mittels dem ersten Projektor eine erste
Sequenz von Streifen unterschiedlicher Phasenlage projiziert, bei
der die Streifen parallel zu den Zeilen des elektronischen Chips
des Projektors ausgerichtet sind. Anschließend erfolgt nochmals vom ersten
Projektor die Projektion einer zweiten Sequenz von Streifen unterschiedlicher
Phasenlage, bei der die Streifen nun parallel zu den Spalten ausgerichtet
sind. Die Reihenfolge der Projektion von horizontalen und vertikalen
Streifen kann dabei auch umgekehrt werden. Anschließend wird
durch elektronische Steuerung aus einem zweiten Projektor und den
beiden Kameras ein synchronisiertes Gesamtsystem gebildet. Damit
erfolgt mittels des zweiten Projektors die Projektion einer dritten
Streifensequenz bei der die Streifen parallel zu den Zeilen ausgerichtet
sind und die Aufnahme des strukturiert beleuchteten Objekts oder
der Szene geschieht durch die beiden Kameras mittels elektronischer
Synchronisation gleichzeitig. Dann folgt schließlich die Projektion einer
vierten Streifensequenz von Streifen unterschiedlicher Phasenlage
bei der die Streifen parallel zu den Spalten des zweiten Projektors
ausgerichtet sind und die Aufnahme geschieht noch einmal durch die
beiden Kameras gleichzeitig. Da die Verbindungsstrecken der in die
Referenzebene R oder R2 geloteten Pupillenzentren von Hetero-Pupillenpaaren
jeweils einen Winkel α oder β mit dem
Betrag erfindungsgemäß stets ungleich
null mit den parallel und horizontal projizierten Streifen oder
Zeilen und Spalten des Sendemuster-Arrays einschließen, entstehen
so Daten, aus denen unterschiedliche Triangulationswellenlängen errechnet
werden können.
In einem System mit vier Hetero-Pupillenpaaren
entstehen Daten, welche die Berechnung von bis zu acht verschiedenen
Triangulationswellenlängen
ermöglichen.
Dies ist auch mit Streifen gleichen Abstandes möglich, wenn die in die Referenzebene
R oder R2 geloteten Pupillenzentren ein unregelmäßiges Viereck bilden und die
Winkel α und β auch noch
voneinander verschieden gemacht sind.
Erfindungsgemäß besteht
in der Referenzebene R oder in der Referenzebene R2 ein Winkel α mit einem
Betrag von wenigen Altgrad, mindestens jedoch 2 Altgrad und maximal
44 Altgrad zwischen einer Verbindungsstrecke LDi von in die Referenzebene
R oder R2 geloteten Pupillenzentren eines Hetero-Pupillenpaares und
zwischen den durch eine Pupille zur Beleuchtung dieses Hetero-Pupillenpaares
in die Referenzebene R oder in die Referenzebene R2 physikalisch
oder mathematisch projizierten geraden Streifen, die auch auf einem
Auffangschirm in der Referenzebene R beobachtet werden können. Dabei
erfolgt die Betrachtung der Referenzebene R in Ausbreitungsrichtung
des Lichts.
Eine
weitere in die Referenzebene R oder in die Referenzebene R2 gelotete
Verbindungsstrecke, zwischen dem Pupillenzentrum derselben Pupille
zur Beleuchtung und dem geloteten anderen Pupillenzentrum zur Detektion,
also die Verbindungsstrecke der Pupillenzentren eines direkt anliegenden
Hetero-Pupillenpaares LDi+1, schließt erfindungsgemäß in der
Referenzebene R oder in der Referenzebene R2 einen Winkel β, zu denselben
Streifen wie der Winkel α,
ein und zwar mit einem Betrag, der mindestens um 2 Altgrad im Betrag größer gemacht
ist als der Betrag des Winkels α.
Acht
verschiedene Triangulationswellenlängen können in einer Vierpupillenanordnung
jedoch von allen Objektpunkten nur bei einem ebenen oder schwach
gekrümmten
Objekt bestimmt werden. Bei einer stark profilierten Objektoberfläche können Objektpunkte
sowohl für
die Beleuchtung als auch die Detektion unzugänglich sein. Jedoch können auch
bei stärker
geneigten Objektbereichen von jedem Objektpunkt Daten für mindestens
zwei unterschiedliche Triangulationswellenlängen bereitgestellt werden,
so dass ein meist hinreichend großer Eindeutigkeitsbereich für die 3D-Erfassung
auch bei messtechnisch nicht kooperativen Objekten besteht. Die
Auswertung der Streifenbilder kann mit den bekannten Phasenauswerte-Methoden
mittels bekannter Phasenschiebealgorithmen, einschließlich des
Unwrappings erfolgen. Es können
drei, vier oder auch fünf
Bilder pro Streifensequenz aufgenommen werden. Grundsätzlich können auch
Ansätze
mit noch mehr Bildern pro Streifensequenz verwendet werden. Das
steht jedoch dem hier dargestellten Ansatz mit bevorzugt kurzer
Gesamtaufnahmezeit eher entgegen.
Ein
Minimum an Bildaufnahmezeit ergibt sich für das erfinderische Verfahren
in einer weiteren Ausbildung, wenn in einer Vier-Pupillen-Streifenprojektions-Triangulationsanordnung
mit Projektor- und Kamerasynchronisation nur eine Gesamtzeit für 4 Frames
benötigt
wird. Bei diesem erfinderischen Ansatz werden vorzugsweise von beiden
Kameras simultan nur je 4 Bilder aufgenommen, so dass insgesamt
8 Bilder zur Verfügung
stehen. Jeder der beiden Projektoren projiziert vorzugsweise zwei
Streifenbilder, deren parallele Streifen sich jeweils zumindest
näherungsweise
im rechten Winkel in der gedachten Referenzebene R schneiden. Das Viereck
der in die Referenzebene R geloteten Pupillenzentren ist zu den
Streifen verdreht, beziehungsweise das Viereck der in die Referenzebene
R2 geloteten Pupillenzentren ist zu den Zeilen und Spalten des Sendemuster-Arrays,
hier des Projektor-Chips, verdreht, vorzugsweise jedoch nur ein
wenig. So ergibt sich durch Rechnung je eine große Triangulationswellenlänge und
je eine kleine Triangulationswellenlänge pro Kamera von jedem Projektor,
da einmal der Betrag des Winkels α der
Streifen zu einer Hetero-Pupillenpaar-Verbindungsstrecke, eher recht
klein ist, also weniger als 15 Altgrad, jedoch mehr als 2 Altgrad
beträgt
und nach Projektion von Streifen im rechten Winkel zu den ersten
Streifen im Betrag nur weniger als 15 Altgrad von 90 Altgrad verschieden
ist. Die Auswertung der Streifenbilder kann nach der Fourier-Auswertungsmethode,
beispielsweise nach Takeda, erfolgen. Die Winkelangaben beziehen
sich auf die Beobachtung der Streifen in der Referenzebene R oder
in der Referenzebene R2.
Eine
Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses ergibt sich für die Fourier-Auswertungsmethode oder
auch erfindungsgemäß für eine photogrammetrische
Auswertungsmethode durch die Projektion von je einer Streifensequenz
von zwei um 180 Altgrad phasenverschobenen Streifenbildern, also
gegenphasigen Streifen. Dies ermöglicht
die Normierung der Signalamplitude und die Eliminierung des Gleichanteils
der Signale in bekannter Weise. In diesem Fall werden dann insgesamt
nur 8 Frame-Zeiten für
die Aufnahme benötigt. Insgesamt
stehen so 16 Bilder im Datensatz zur Verfügung. Die von beiden Kameras
berechneten Punktwolken werden anschließend anhand von Form- und/oder Grauwertmerkmalen
zusammengefügt.
Die Graubilderfassung des Objekts ist ebenfalls so möglich.
Eine
weitere Möglichkeit
der Auswertung besteht also darin, eine photogrammetrische Auswertungsmethode
anzuwenden. Dazu werden bei Applikation der bereits beschriebenen
Vier-Pupillen-Triangulationsanordnung anstelle der unterschiedlichen
Triangulationswellenlängen
mehrere unterschiedliche Verschiebungen der homologen Bildpunkte
auf der Grundlage des Prinzips des verdrehten Vierecks der Pupillenzentren errechnet
und daraus die 3D-Punktwolke bestimmt.
Bei
einem Verfahren zur optischen Streifenprojektion mittels Triangulationsanordnung
zur dreidimensionalen Objekterfassung mit photogrammetrischer Auswertungsmethode
wird die bereits beschriebene Anordnung mit mindestens zwei Strahlengängen zur
flächenhaften
Beleuchtung mittels je einem Projektionssystem, so dass zwei Projektionssysteme
bestehen, und mindestens zwei Strahlengänge zur flächenhaften gleichzeitigen Beobachtung
mittels zwei Kameras verwendet. Erfinderisch ist, dass in einer
Referenzebene R, die sich durch einen konstanten Bild- oder Abbildungsmaßstab der
Projektion auszeichnet, oder in einer Referenzebene R2, die durch
eine Sendemuster-Array eines Projektors aufgespannt wird, mittels
erstem Projektionssystem mindestens ein erstes Streifenbild projiziert
wird, bei dem die Streifen parallel zu den Zeilen des elektronischen
Chips des Projektors ausgerichtet sind und anschließend nochmals
vom ersten Projektionssystem die Projektion eines zweiten Streifenbildes
erfolgt, bei dem die Streifen nun parallel zu den Spalten ausgerichtet
sind. Anschließend
folgt mittels eines zweiten Projektionssystems die Projektion mindestens
eines ersten Streifenbildes, bei dem die Streifen parallel zu den
Zeilen ausgerichtet sind und anschließend erfolgt die Projektion
eines zweiten Streifenbildes, bei dem die Streifen parallel zu den
Zeilen ausgerichtet sind. Die Aufnahme der Bilder geschieht gleichzeitig,
jeweils synchronisiert durch die beiden Kameras. So werden unterschiedliche
Verschiebungen der homologen Punkte gebildet, indem die in die Referenzebene
R oder die Referenzebene R2, gedanklich geloteten Pupillenzentren
ein zu den Streifen oder Zeilen oder Spalten in der Referenzebene
R oder R2 verdrehtes Viereck bilden, und zwar so dass keine der Verbindungsstrecken
der Pupillenzentren von Hetero-Pupillenpaaren zu den Streifen oder
Zeilen oder Spalten parallel liegt. Für die Auswertung der Streifenbilder
zur Gewinnung der Punktwolke kommt hier erfindungsgemäß eine photogrammetrische
Auswertungsmethode zur Anwendung. Die von beiden Kameras berechneten
3D-Punktwolken werden anhand von Form- und/oder Grauwertmerkmalen
zusammengefügt.
Durch die Verwendung des Prinzips des verdrehten Vierecks von geloteten
Pupillenzentren können
auch mit äquidistanten
Streifen durch unterschiedliche Verschiebungen der homologen Punkte
infolge unterschiedlicher effektiver Periodenlängen in den Streifenbildern
messtechnisch zuverlässige
3D-Punktwolken errechnet werden.
