DE102004062412B4

DE102004062412B4 - Method for the spatial measurement of fast-moving objects

Info

Publication number: DE102004062412B4
Application number: DE200410062412
Authority: DE
Inventors: Bernward Maehner
Original assignee: Individual
Current assignee: M?HNER, BERNWARD, 82205 GILCHING, DE
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: DE102004062412A1

Abstract

Verfahren zur räumlichen Vermessung sich schnell bewegender Objekte (2), bei dem die Oberflächenkontur eines Objekts (2) ermittelt wird, indem das Objekt (2) mit einem Lichtschnitt- oder Streifenprojektionsverfahren dreidimensional vermessen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (2) in mehreren Durchgängen an einer Messvorrichtung (4) vorbeibewegt wird,
wobei von der Messvorrichtung (4) in den einzelnen Durchgängen jeweils Teilbereiche der Objektoberfläche erfasst werden, die gegenüber den in den anderen Durchgängen erfassten Teilbereichen bezüglich des Objektes (2) einen räumlichen Versatz zueinander aufweisen, und
wobei der Versatz dadurch erzeugt wird, dass die Objektoberfläche von der Messvorrichtung (4) an unterschiedlichen, durch die Vorbeibewegung in den Durchgängen bestimmten Momentanpositionen des Objektes (2) aufgenommen wird.Method for the spatial measurement of fast-moving objects (2), in which the surface contour of an object (2) is determined by three-dimensionally measuring the object (2) with a light-section or fringe projection method,
characterized in that the object (2) is moved past a measuring device (4) in several passes,
wherein the measuring device (4) in the individual passages respectively subregions of the object surface are detected, which relative to the detected in the other passages portions relative to the object (2) have a spatial offset from each other, and
wherein the offset is generated by the object surface being received by the measuring device (4) at different instantaneous positions of the object (2) determined by the passage in the passages.

Description

Es ist bekannt, dass zur räumlichen Vermessung von Objekten Triangulationssysteme bestehend aus einem Punktlaser und einer Zeilenkamera verwendet werden. Solche Systeme werden beispielsweise bei Drehmaschinen eingesetzt, um bestimmte Maße oder Toleranzen bei der Herstellung von Rotationskörpern fortlaufend zu überprüfen. Prinzipbedingt wird dabei zu einem Zeitpunkt nur ein Punkt auf dem Objekt erfasst, jedoch können mehrere Systeme parallel eingesetzt werden. Die Zeilenrate handelsüblicher Zeilenkameras beträgt bis über 200 kHz, so dass auch bei schnell rotierenden Werkstücken der Abstand zwischen den einzelnen Messpunkten sehr klein ist. Nachteil des Verfahrens ist, dass selbst beim Einsatz mehrerer Systeme nur eine relativ geringe Anzahl von Messpunkten simultan erfasst wird.It is known to be spatial Measurement of objects Triangulation systems consisting of a Point laser and a line scan camera can be used. Such systems are used for example in lathes to certain dimensions or Continuously check tolerances in the production of rotating bodies. Due to the principle if only one point is detected on the object at a time, however, you can several systems are used in parallel. The line rate more commercial Line scan cameras is to about 200 kHz, so that even with fast rotating workpieces the distance between the individual measuring points is very small. Disadvantage of Method is that even when using multiple systems only one relatively low number of measuring points is detected simultaneously.

Dieser Nachteil wird beim Lichtschnittverfahren überwunden. Durch Verwendung eines Linienlasers statt des Punktlasers und einer Flächenkamera statt der Zeilenkamera wird eine zusätzliche Dimension aufgespannt, so dass anstatt eines Messpunktes eine ganze Konturlinie erfasst wird. Im Gegensatz zu den Zeilenkameras ist die Bildfrequenz handelsüblicher Flächenkameras mit 25 bis 60 Vollbildern pro Sekunde vergleichsweise gering. Das zu vermessende Objekt muss demnach hinreichend langsam am Lichtschnittsystem vorbeibewegt werden, um einen brauchbaren räumlichen Abstand zwischen den Einzelmessungen nicht zu überschreiten. Ein solches System ist beispielsweise in der Patentschrift DE 100 19 386 A1 beschrieben. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel dreht sich das Objekt mit einer Frequenz von 0,5 Hz um die Rotationsachse. Demgegenüber ist die Bildfrequenz der verwendeten Videokamera um ein Vielfaches höher. Um bei der Messung sich schnell bewegender Objekte, z.B. eines Werkstücks auf einer Drehmaschine oder eines Reifens auf einem Rollenprüfstand, ein vergleichbares Frequenzverhältnis zu erzielen, muss eine schnellere Kamera verwendet werden. Für solche Hochgeschwindigkeitskameras müssen jedoch im Vergleich zu Standardkameras erhebliche Mehrkosten in Kauf genommen werden.This disadvantage is overcome in the light section method. By using a line laser instead of the point laser and a surface camera instead of the line camera, an additional dimension is spanned, so that instead of a measuring point, an entire contour line is detected. In contrast to the line scan cameras, the frame rate of commercially available area cameras with 25 to 60 frames per second is comparatively low. Accordingly, the object to be measured must be moved past the light-section system with sufficient slowness so as not to exceed a usable spatial distance between the individual measurements. Such a system is for example in the patent DE 100 19 386 A1 described. In the embodiment shown here, the object rotates at a frequency of 0.5 Hz about the axis of rotation. In contrast, the frame rate of the video camera used is many times higher. To achieve a comparable frequency ratio when measuring fast-moving objects, such as a workpiece on a lathe or a tire on a chassis dynamometer, a faster camera must be used. For such high-speed cameras, however, considerable additional costs have to be accepted in comparison to standard cameras.

Beim Streifenprojektionsverfahren wird statt eines Linienlasers ein Streifenprojektor verwendet, so dass statt einer Konturlinie eine ganze Fläche topometrisch erfasst werden kann. Es sind hierzu eine ganze Reihe von unterschiedlichen Projektionsverfahren bekannt. In der Patentschrift DE 38 43 396 C1 wird beispielsweise ein Verfahren beschrieben, bei dem zur Messung lediglich ein einzelnes Streifenmuster aufprojiziert werden muss.In the fringe projection method, a fringe projector is used instead of a line laser, so that instead of a contour line an entire area can be detected topometrically. For this purpose, a whole series of different projection methods are known. In the patent DE 38 43 396 C1 For example, a method is described in which only a single stripe pattern has to be projected for measurement.

Aus technischen Anwendungen ist ferner eine stroboskopische Beleuchtung zur Beobachtung sich schnell bewegender oder schwingender Objekte bekannt. Die Blitzbeleuchtung friert das Bild des betrachteten Objektes für den Beobachter zu einer bestimmten Phasenlage innerhalb einer Bewegungsperiode des Objektes ein. Dies wird auch für messtechnische Zwecke ausgenutzt. Zur Überprüfung einer korrekten Zündeinstellung an einem Ottomotor wird beispielsweise eine Stroboskoplampe durch den Primärkreis der Zündung getriggert. Wird damit die Motorschwungscheibe mit den Positionsmarkierungen der Kurbelwelle beleuchtet, so ist es für den Beobachter möglich, den Zündzeitpunkt bezüglich der Kurbelwellenstellung bei laufendem Motor zu überprüfen. Ein anderer Anwendungsfall für das Stroboskop ist die Analyse schwingender Objekte. Hier wird die Phasenlage des Stroboskopblitzes gegenüber der periodischen Objektbewegung kontinuierlich verschoben, womit die Schwingform des Objektes quasi in Zeitlupe beobachtet werden kann, da nun die Schwingung des Objektes für den Beobachter mit der Geschwindigkeit der Phasenlagenänderung sichtbar wird.Out technical applications is also stroboscopic lighting to observe fast moving or vibrating objects. The flash lighting freezes the image of the object being viewed for the observer to a certain phase within a movement period of the object. This is also used for metrological purposes. To check a correct ignition timing On a gasoline engine, for example, a stroboscopic lamp the primary circuit the ignition triggered. So that the engine flywheel with the position markings of Crankshaft illuminated, so it is possible for the observer, the ignition timing in terms of the crankshaft position with the engine running. Another use case for the Stroboscope is the analysis of vibrating objects. Here is the phase position the stroboscopic flash opposite the periodic object movement shifted continuously, bringing the Oscillation form of the object can be observed in quasi-slow motion, there now the vibration of the object for the observer with the speed the phase change becomes visible.

Eine stroboskopische Aufnahmetechnik in der optischen Meßtechnik wird ferner in der DE 198 41 365 C2 beschrieben.A stroboscopic recording technique in the optical measuring technique is further in the DE 198 41 365 C2 described.

Weiterhin offenbart die DE 197 41 730 A1 ein Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenkontur von Meßobjekten, bei dem eine Meßvorrichtung, nämlich ein Lasermeßsystem, und ein Meßobjekt relativ zueinander bewegt werden. Das Verfahren sieht vor, das Meßobjekt durch die Kombination einer Drehbewegung und einer linearen Hin- und Herbewegung abzutasten.Furthermore, the disclosure DE 197 41 730 A1 a method for determining the surface contour of objects to be measured, in which a measuring device, namely a laser measuring system, and a measurement object are moved relative to each other. The method provides to scan the DUT by the combination of a rotary motion and a linear reciprocation.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches die Vermessung sich schnell bewegender Objekte mittels Lichtschnitt- oder Streifenprojektionsverfahren ermöglicht. Das Verfahren soll dabei die Verwendung von Spezialgeräten und die damit verbundenen hohen Kosten vermeiden und sich vielmehr auf den Einsatz handelsüblicher Komponenten beschränken.outgoing From this prior art, it is an object of the invention, a method specify what the measurement of fast-moving objects by means of light-section or fringe projection methods. The procedure is intended to include the use of specialized equipment and Avoid the associated high costs and rather on the use of commercial Restrict components.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen eines solchen Verfahrens werden in den Ansprüchen 2 bis 18 definiert.These The object is achieved by a method according to claim 1. preferred Embodiments of such a method are described in claims 2 to 18 defined.

Erfindungsgemäß wird eine 3D-Messvorrichtung verwendet, bestehend aus einer Projektionseinheit für eine oder mehrere Lichtschnittebenen und einer Flächenkamera. Die Projektionseinheit besteht vorzugsweise aus einem Linienlaser oder einem Projektor zur Projektion von Streifenmustern. Die Flächenkamera besteht vorzugsweise aus einer elektronischen CCD- oder CMOS-Kamera.According to the invention, a 3D measuring device is used, consisting of a projection unit for one or more light-section planes and an area camera. The projection unit preferably consists of a line laser or a projector for the projection of stripe patterns. The area The camera preferably consists of an electronic CCD or CMOS camera.

Erfindungsgemäß wird das Objekt mehrmals, d.h. in mehreren Durchgängen am Sensor vorbeibewegt. Eine solche Bewegung kann beispielsweise durch eine Rotation des Objektes um eine Drehachse erfolgen, welche ortsfest zur Meßvorrichtung ist. Während eines Durchgangs werden erfindungsgemäß jeweils nur einzelne Teilbereiche der Objektoberfläche vom Sensor erfaßt, d. h. eine im Verhältnis zur Gesamtzahl aller während einer vollständigen Messung erfaßten Teilbereiche kleinere Anzahl von Teilbereichen. Es werden nun erfindungsgemäß mehrere Durchgänge derart ausgeführt, daß die in den einzelnen Durchgängen erfaßten Teilbereiche der Objektoberfläche bezüglich des Objektes räumlich gegeneinander versetzt sind. Für einen neuen Durchgang werden hierzu jeweils die Objektpositionen für die Meßdatenerfassung so vorhergewählt, daß Teilbereiche der Objektoberfläche erfaßt werden, die in den vorhergehenden Durchgängen (noch) nicht erfaßt worden sind. Diese Vorgehensweise wird so viele Durchgänge lang angewendet, bis die Oberfläche des Objektes mit der gewünschten Abtastdichte erfaßt wurde. Die Erfassung der Objektoberfläche verteilt sich somit insgesamt auf mehrere Durchgänge, so daß auch mit einem relativ langsam arbeitenden Meßsystem die Oberfläche des Objektes mit einer hohen Abtastdichte erfaßt werden kann.According to the invention Object several times, i. passed the sensor in several passes. Such a movement can, for example, by a rotation of the Object take place about a rotation axis, which is fixed to the measuring device is. While a passage according to the invention each only individual sub-areas the object surface detected by the sensor, d. H. one in proportion to the total of all during a complete Measurement detected Subareas smaller number of subareas. There are now several according to the invention crossings executed in such a way that the in the individual passes detected Subareas of the object surface in terms of of the object spatially offset from each other. For For this purpose, the object positions are each a new passage for the data acquisition so preselected, that subareas the object surface be detected in the previous rounds (still) not detected have been. This approach will take so many passes applied until the surface of the object with the desired sampling density detected has been. The acquisition of the object surface is thus distributed overall on several passes, so that too with a relatively slow measuring system, the surface of the Object can be detected with a high sampling density.

Ist die räumliche Zuordnung der von den erfaßten Teilbereichen erhaltenen Konturdaten zueinander nicht erforderlich, d.h. es wird kein Oberflächenmodell des Objektes benötigt, so müssen die erhaltenen Konturdaten nicht in ein gemeinsames Objektkoordinatensystem transformiert werden. Führt das Objekt eine periodische Dreh- oder Schwingbewegung relativ zur Meßvorrichtung aus, so wird in diesem Fall das neue Verfahren vorteilhafterweise angewendet, indem die Kamera mit einer möglichst hohen Bildfrequenz oder Bildbelichtungsfrequenz betrieben wird, die gegenüber der Bewegungsfrequenz des Objektes so verstimmt ist, daß die in den einzelnen Kamerabildern erfaßten Objektpositionen, über die Bewegungsperioden des Objektes betrachtet, am Objekt entlangwandern. Nach einer hinreichenden Anzahl von Bewegungsperioden des Objektes ergibt sich hierdurch ohne weitere technische Maßnahmen eine flächendeckende Erfassung der Objektkontur.is the spatial Assignment of the detected Subregions obtained contour data not required to each other, i.e. it does not become a surface model of the object needed, so must the resulting contour data is not in a common object coordinate system be transformed. Does that Object a periodic rotary or oscillating motion relative to the measuring device in this case the new method is advantageously used, by the camera with the highest possible Image frequency or image exposure frequency is operated in relation to the Movement frequency of the object is so detuned that the in the individual camera images detected object positions on the Moving periods of the object viewed, walk along the object. After a sufficient number of movement periods of the object This results in a nationwide coverage without further technical measures Detection of the object contour.

Ein Anwendungsbeispiel für diese Ausführungsform der Erfindung ist z.B. die Vermessung von Felgen oder Reifen, bei denen die Rundlaufeigenschaften geprüft werden sollen, also nur maximaler Höhen- und Seitenschlag von Interesse sind. In diesem Anwendungsfall genügt es beispielsweise, die aus allen erfaßten Raumkoordinaten ermittelten Extremwerte in axialer und radialer Richtung zu berechnen.One Application example for this embodiment of the invention is e.g. the measurement of rims or tires, at which the concentricity properties should be checked, so only maximum altitude and side impact of interest. In this application, it is sufficient, for example, which encompassed all Space coordinates determined extreme values in axial and radial To calculate direction.

In einem weiteren optionalen Verfahrensschritt werden hingegen die aus den erfaßten Teilbereichen erhaltenen Konturdaten in ein gemeinsames Objektkoordinatensystem transformiert und daraus ein Oberflächenmodell des Objektes erstellt. Dieser Verfahrensschritt erfordert genaue Kenntnis über die Lage aller erfaßten Teilbereiche untereinander und bezüglich des Objektes. Diese Information wird erfindungsgemäß dadurch erhalten, daß zu jeder Aufnahme von Meßdaten durch die Kamera der Meßvorrichtung die jeweilige Momentanposition des Objektes registriert wird.In a further optional process step, however, are the from the recorded Subareas obtained contour data in a common object coordinate system transformed and used to create a surface model of the object. This process step requires precise knowledge of the situation all gathered Subareas with each other and with respect to the object. This information is characterized according to the invention get that too every recording of measured data through the camera of the measuring device the respective instantaneous position of the object is registered.

Die Ermittlung der Momentanpositionen erfolgt vorteilhafterweise über einen Positionsgeber. In einer für alle Dreh- oder Schwingbewegungen des Objektes geeigneten Ausführungsform des Verfahrens kann es sich dabei beispielsweise bei Drehbewegungen um einen Drehwinkelgeber bzw. bei translatorischen Bewegungen um ein Linear-Wegmeßsystem handeln. In beiden Fällen wird dann die Belichtung der Kamera jeweils nach Erreichen eines bestimmten vom Positionsgeber ermittelten Wertes ausgelöst und der ermittelte Wert zur Weiterverarbeitung zusammen mit den Bilddaten abgelegt.The Determining the instantaneous positions advantageously takes place via a Position transmitter. In a for all rotary or oscillatory movements of the object suitable embodiment The method may be, for example, rotational movements around a rotary encoder or in translational movements a linear displacement measuring system act. In both cases Then the exposure of the camera will be after reaching each one certain value determined by the position sensor triggered and the determined value for further processing together with the image data stored.

Beim Vorliegen einer periodischen Dreh- oder Schwingbewegung des Objektes wird das Verfahren vorteilhafterweise derart durchgeführt, daß die einzelnen Meßpositionen über eine Zeitsteuerung gezielt ausgewählt werden. Zur exakten Zeitsteuerung wird vorteilhafterweise ein echtzeitfähiges Rechenwerk, z.B. eine computergesteuerte Zählerkarte, verwendet, das zu vorherberechneten Zeitpunkten die Bildbelichtung der Kamera auslöst. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß keine hochauflösenden Drehwinkel- oder Linear-Wegmeßsysteme verwendet werden müssen. Hat das Meßsystem keine direkte Kontrolle über die Objektbewegung, so wird vorteilhafterweise ein Signalgeber verwendet, der ein Referenzsignal zur Synchronisation der Zeitsteuerung mit der Objektbewe gung erzeugt. Die zu einem bestimmten Belichtungszeitpunkt vorliegende räumliche Position des Objektes wird dann aus dem zeitlichen Abstand zwischen dem Erhalt eines Synchronisationsimpulses im Referenzsignal und dem Belichtungszeitpunkt ermittelt.At the Presence of a periodic turning or oscillating movement of the object the method is advantageously carried out such that the individual Measuring positions via a Timing selected become. For exact timing is advantageously a real-time calculator, e.g. a computerized counter card, used at pre-calculated times the image exposure of the camera triggers. This embodiment has the advantage that no high-resolution Angular or linear displacement measuring systems must be used. Has the measuring system no direct control over the object movement, it is advantageously used a signal generator, the a reference signal for synchronization of the timing with the object movement generated. The at a certain exposure time present spatial Position of the object is then from the time interval between the receipt of a synchronization pulse in the reference signal and the exposure time determined.

Um ein Wegdriften der über die Belichtungszeitpunkte ermittelten Objektpositionen von den tatsächlichen Objektpositionen zu verhindern, wird vorteilhafterweise die Zeitsteuerung z.B. einmal pro Periode mit der Objektbewegung synchronisiert. Hierzu genügt ein Signalgeber, der pro Periode bei einer bestimmten Momentanposition des Objektes einen Synchronisationsimpuls sendet. Dieser Synchronisationsimpuls wird dann vorteilhafterweise einerseits dafür verwendet, die aktuell vorhandene Periodenlänge der Objektbewegung zu messen, andererseits um die Belichtungszeitpunkte stets auf den jeweils letzten vor oder ersten nach der betreffenden Bildbelichtung erhaltenen Synchronisationsimpuls zu beziehen.In order to prevent a drifting away of the object positions determined by the exposure times from the actual object positions, the time control, for example, is synchronized once for each period with the object movement. For this purpose, a signal generator that sends a synchronization pulse per period at a given instantaneous position of the object. This synchronization pulse is then advantageously used on the one hand to measure the currently existing period length of the object movement, on the other hand always to the exposure times on each to obtain the last before or first synchronization pulse obtained after the respective image exposure.

In allen besprochenen Ausführungsvarianten ist die exakte Belichtung der Kamera des Meßsystems von wesentlicher Bedeutung. Um die Kamera zu den beispielsweise vom Bildverarbeitungsrechner berechneten Zeitpunkten zu belichten, wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein über ein externes Signal auslösbarer mechanischer oder elektronischer Kameraverschluß verwendet. Es kann aber auch eine Kamera verwendet werden, deren Bildeinzug extern getriggert werden kann. In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird hingegen die Lichtquelle des Meßsystems, also z.B. ein Linienlasermodul über einen mechanischen Verschluß oder eine elektronische Schaltvorrichtung stroboskopisch betätigt. Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Belichtungen zur Erfassung der Teilbereiche der Objektoberfläche wird dabei vorteilhafterweise stets größer gewählt als die Bildintegrationszeit der Kamera, so daß eine Doppelbelichtung von Kamerabildern bzw. -halbbildern ausgeschlossen ist. Hierdurch ist sichergestellt, daß sich bei der anschließenden, für Lichtschnitt- und Streifenprojektionssysteme obligatorischen, Bildauswertung keinerlei Schwierigkeiten ergeben. Da das Objekt in Bewegung erfaßt wird, wird die Belichtungszeit hinreichend kurz gewählt und beträgt bei elektronischen Kameras nur einen Bruchteil der Bildintegrationszeit. Mit Vorteil wird auch bei externer Auslösung des Kameraverschlusses oder des Bildeinzugs die Belichtungszeit von der Kamera selbst gesteuert.In all discussed embodiments is the exact exposure of the camera of the measuring system of essential importance. To the camera to the example calculated by the image processing computer To expose time points, according to one embodiment the invention over an external signal can be triggered mechanical or electronic camera shutter used. But it can too a camera can be used whose image capture is externally triggered can be. In a further alternative embodiment, however, the Light source of the measuring system, ie e.g. a line laser module over a mechanical closure or an electronic switching device stroboscopically actuated. Of the time interval between two consecutive exposures for detecting the partial areas of the object surface is thereby advantageously always chosen larger than the image integration time of the camera, so that a double exposure of Camera images or fields is excluded. This is made sure that at the subsequent, for light-section and fringe projection systems mandatory, image analysis no Difficulties arise. Since the object is detected in motion, the exposure time is chosen sufficiently short and amounts to electronic Cameras only a fraction of the image integration time. With advantage is also with external release of the Camera shutter or the image intake the exposure time of controlled by the camera itself.

Beim Vorliegen einer periodischen Dreh- oder Schwingbewegung des Objektes besteht eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung darin, die Kamera frei laufen bzw. mit einer festen Bildfrequenz arbeiten zu lassen und keine externe asynchrone Auslösung des Kameraverschlusses vorzusehen. Die Bildfrequenz wird so gewählt, daß die Meßpositionen, über die Bewegungsperioden des Objektes betrachtet, am Objekt entlangwandern. Hierzu genügt es, darauf zu achten, daß Bildfrequenz und Bewegungsfrequenz in keinem einfachen Zahlenverhältnis zueinander stehen. Für jedes Kamerabild wird erfindungsgemäß der Zeitabstand zwischen der Bildaufnahme und dem Zeitpunkt, zu dem das Objekt eine bestimmte Referenzposition erreicht hat, gemessen. Hierzu wird wiederum vorteilhafterweise ein Referenzsignal erzeugt, das wenigstens einmal pro Periode ein Synchronisationsimpuls bei einer bestimmten Momentanposition des Objektes erzeugt. Durch die Messung der zwischen der Bildaufnahme und dem Erreichen der Referenzposition verstrichenen Zeit erhält man zu jeder Aufnahme jeweils einen Zeitwert, der beim Vorliegen einer periodischen Objektbewegung äquivalent zur Objektstellung ist. Mittels der gemessenen Zeitwerte werden dann die Konturdaten der in den einzelnen Aufnahmen erfaßten Teilbereiche der Objektoberfläche in ein gemeinsames Objektkoordinatensystem transformiert. Ist der genaue Belichtungszeitpunkt der Kamera nicht erfaßbar, da z.B. die interne Shutterfunktion der Kamera nicht von außen abgreifbar ist, so kann bei der Messung der Zeitwerte beispielsweise das Zeitintervall zwischen dem Synchronisationsimpuls der Objektbewegung und dem vertikalen Synchronisationsimpuls im Videosignal für das betreffende Kamerabild verwendet werden. Dies führt insgesamt zu einem für alle ermittelten Zeitintervalle konstanten Offset. Zur Messung der Zeitintervalle kann mit Vorteil ein echtzeitfähiges Rechenwerk, z.B. in Form einer Zählerkarte, verwendet werden, das beispielsweise im Rechnersystem der Bildverarbeitung integriert ist.At the Presence of a periodic turning or oscillating movement of the object another alternative embodiment of the invention is Run the camera freely or work with a fixed frame rate and do not provide external asynchronous release of the camera shutter. The frame rate is chosen that the Measuring positions, over the Moving periods of the object viewed, walk along the object. For this enough it, make sure that frame rate and Movement frequency are not in a simple numerical relationship. For each Camera image according to the invention, the time interval between the image capture and the time at which the object enters a has reached a certain reference position. This will be done again advantageously generates a reference signal that at least once per Period a synchronization pulse at a certain instantaneous position of the object. By measuring the between the picture taking and One obtains the time elapsed before the reference position is reached each recording has a time value which, in the presence of a equivalent to periodic object movement to the object position is. By means of the measured time values become then the contour data of the detected in the individual shots sections the object surface transformed into a common object coordinate system. Is the exact one Exposure time of the camera can not be detected, since e.g. the internal shutter function the camera is not from the outside can be tapped, for example, when measuring the time values the time interval between the synchronization pulse of the object movement and the vertical sync pulse in the video signal for the subject Camera image can be used. This leads to a total for all determined Time intervals constant offset. For measuring the time intervals can with advantage a real-time capable Calculator, e.g. in the form of a counter card, used, for example, in the computer system of image processing is integrated.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.in the Below is an embodiment of the Invention explained with reference to drawings.

In den Zeichnungen zeigen:In show the drawings:

1: ein System zur Durchführung des neuen Verfahrens 1 : a system to carry out the new process

2: das in 1 gezeigte System in der Seitenansicht 2 : this in 1 shown system in the side view

3, 4, 5, 6: Belichtungszeitpunktdiagramme für das in der 1 gezeigte System 3 . 4 . 5 . 6 : Shutter timing diagrams for that in the 1 shown system

7: das Belichtungszeitpunktdiagramm für ein System, das gegenüber dem System aus 1 eine alternative Ausführungsform der Erfindung verwendet 7 : the exposure timing chart for a system that is opposite to the system 1 an alternative embodiment of the invention used

8: die Lage der Lichtschnitte auf dem Objekt nach dem in 7 gezeigten Verfahren 8th : the position of the light cuts on the object after the in 7 shown method

Die 1 und 2 zeigen den schematischen Aufbau eines Prüfsystems zur Durchführung des neuen Verfahrens in der Vorder- bzw. Seitenansicht. Auf einem Rollenprüfstand für Fahrzeugreifen wird ein Rad 1 gegen eine Antriebsrolle 3 gepreßt. Die Antriebsrolle 3 wird von einem Elektromotor mit einstellbarer Drehzahl angetrieben. Das Rad 1 mit dem zu testenden Reifen 2 wird wiederum über die Antriebsrolle 3 angetrieben. Anpreßkraft und Antriebsgeschwindigkeit sind einstellbar und ermöglichen es so, verschiedene Fahr- und Lastzustände zu simulieren. Auf einer Seite des Reifens 2 ist ein Lichtschnittsystem 4 angebracht um eine Seitenwand des Reifens 2 während des Tests zu vermessen. Das Lichtschnittsystem 4 beinhaltet die Kamera 6 und das Linienlasermodul 5. Das Lichtschnittsystem 4 ist mit dem Rechnersystem 7 verbunden, das mit einer Bildverarbeitung zur Verarbeitung der von der Kamera 6 gelieferten Bilddaten ausgerüstet ist. Die Kamera 6 des Lichtschnittsystems 4 ist mit einem asynchron betätigbaren elektronischen Verschluß ausgerüstet, der vom Rechnersystem 7 über das Steuersignal 8 geöffnet werden kann. An der Drehachse des Rades ist ein Impulsgeber 9 angebracht, der beim Vorbeistreichen am Sensor 10 einen Impuls auslöst. Pro Raddrehung wird ein Impuls ausgelöst. Die Impulse des Sensors 10 werden vom Rechnersystem 7 erfaßt. Im praktischen Anwendungsfall würde ein weiteres Lichtschnittsystem 4 zur zeitgleichen Vermessung der zweiten Seitenwand des Reifens angebracht werden.The 1 and 2 show the schematic structure of a test system for performing the new method in the front or side view. On a chassis dynamometer for vehicle tires is a wheel 1 against a drive roller 3 pressed. The drive roller 3 is driven by an electric motor with adjustable speed. The wheel 1 with the tire to be tested 2 will turn over the drive roller 3 driven. Contact force and drive speed are adjustable, thus making it possible to simulate various driving and load conditions. On one side of the tire 2 is a light section system 4 attached around a sidewall of the tire 2 to measure during the test. The light section system 4 includes the camera 6 and the line laser module 5 , The light section system 4 is with the computer system 7 connected to an image processing system for processing the camera 6 supplied image data is equipped. The camera 6 of the light section system 4 is equipped with an asynchronously actuated electronic shutter, which comes from the computer system 7 via the control signal 8th can be opened. At the axis of rotation of the wheel is a pulse 9 attached when passing the sensor 10 triggers an impulse. One wheel is triggered per wheel rotation. The pulses of the sensor 10 be from the computer system 7 detected. In practical application, another light editing system 4 for simultaneous measurement of the second side wall of the tire be attached.

Zunächst wird der Rollenprüfstand auf eine konstante Geschwindigkeit eingeregelt. Über die vom Sensor 10 gesendeten Impulse wird vom Rechnersystem 7 zunächst die Periodenlänge einer Raddrehung ermittelt und daraus eine geeignete Serie von Belichtungs zeitpunkten berechnet. Danach wird von der Kamera 6 eine Serie von Bildern zu den berechneten Belichtungszeitpunkten aufgenommen, wobei die Belichtungszeitpunkte vom Rechnersystem 7 kontrolliert werden. Hierzu ist das Rechnersystem mit einer echtzeitfähigen Zählerkarte ausgerüstet, die nach Ablauf programmierbarer Zeitintervalle über die Signalleitung 8 die Verschlußöffnung an der Kamera 6 auslöst. Jedes Zeitintervall ist so gewählt, daß der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Belichtungen größer ist als die Bildintegrationszeit der Kamera und somit die Doppelbelichtung von Kamerabildern ausgeschlossen ist. Die Belichtungszeit wird von der Kamera 6 selbst kontrolliert und ist so kurz, daß die Aufnahmen vom Reifen 2 ausreichend scharf sind. Die Aufnahme der Bildserie wird beendet, sobald eine hinreichend große Anzahl von Lichtschnitten erfaßt worden ist, die sich möglichst gleichmäßig über den Radumfang verteilen.First, the chassis dynamometer is adjusted to a constant speed. About the sensor 10 sent impulses is from the computer system 7 first determined the period length of a wheel rotation and calculated from a suitable series of exposure times. Thereafter, the camera 6 taken a series of images at the calculated exposure times, wherein the exposure times from the computer system 7 to be controlled. For this purpose, the computer system is equipped with a real-time capable counter card, which after the passage of programmable time intervals via the signal line 8th the shutter opening on the camera 6 triggers. Each time interval is chosen so that the time interval between two successive exposures is greater than the image integration time of the camera and thus the double exposure of camera images is excluded. The shutter speed is taken by the camera 6 self-controlled and is so short that the shots of the tire 2 are sufficiently sharp. The recording of the image series is terminated as soon as a sufficiently large number of light sections has been detected, which are distributed as evenly as possible over the wheel circumference.

Bezüglich der pro Raddrehung maximal erfaßbaren Anzahl von Lichtschnitten sind drei Fälle zu unterscheiden:

1. Fall: niedrige Geschwindigkeit, d.h. pro Raddrehung sind mehrere Aufnahmen am Umfang möglich
2. Fall: mittlere Geschwindigkeit, d.h. pro Raddrehung ist eine Aufnahme am Umfang möglich
3. Fall: hohe Geschwindigkeit, d.h. pro Raddrehung ist weniger als eine Aufnahme am Umfang möglich

With regard to the maximum number of light sections that can be detected per wheel revolution, three cases can be distinguished:

1st case: low speed, ie per wheel rotation several shots on the circumference are possible
2nd case: medium speed, ie per wheel rotation is a recording on the circumference possible
3rd case: high speed, ie per wheel rotation is less than a recording on the circumference possible

Die 3 bis 7 zeigen die für die Auswahl der Belichtungszeitpunkte maßgebenden Signale bzw. Zustände. Die Kurven „Radimpuls", „Bildintegration" und „Bildbelichtung" haben im einzelnen die folgende Bedeutung: Die Kurve „Radimpuls" zeigt den Synchronisationsimpuls der pro Raddrehung einmal gesendet wird. Die Kurve „Bildintegration" zeigt die Lichtintegrationsintervalle der freilaufenden, d.h. kontinuierlich bildaufnehmenden Kamera. Abhängig vom Kameratyp entspricht ein Integrationsintervall dabei entweder einem Voll- oder einem Halbbild. Die Kurve „Bildbelichtung" zeigt zu welchen Zeitpunkten eine Bildbelichtung bei der Kamera ausgelöst wird. Im gezeigten Fall wird die Bildbelichtung in der positiven Signalflanke ausgelöst.The 3 to 7 show the relevant for the selection of exposure times signals or states. In detail, the curves "wheel pulse", "image integration" and "image exposure" have the following meaning: The curve "wheel pulse" shows the synchronization pulse which is sent once per wheel rotation. The "Image Integration" curve shows the light integration intervals of the free-running, ie continuously recording camera Depending on the type of camera, an integration interval corresponds to either a full field or a field.The "Image Exposure" curve shows at what times an image exposure is triggered at the camera. In the case shown, the image exposure is triggered in the positive signal edge.

Die 3 stellt ein Belichtungszeitpunktdiagramm für das oben geschilderte System für den Fall dar, daß mehrere Belichtungen pro Raddrehung möglich sind. Dies ist der Fall, falls die Periodenlänge T einer Raddrehung größer ist als die Zeit zwischen zwei Videobildern. Für die Belichtungszeitpunkte werden zwei Varianten gezeigt. Die erste (= obere) Variante verwendet Belichtungszeitpunkte, die mit einem Zeitabstand von jeweils t1 = T/3 innerhalb einer Raddrehung um 120° versetzt sind. Beim Übergang von einer Raddrehung zur nächsten wird eine zusätzliche Zeit dt abgewartet, um zu erreichen, daß die drei Lichtschnitte, die innerhalb der nun folgenden Raddrehung aufgenommen werden, gegenüber denen der vorhergehenden Raddrehung am Radumfang versetzt sind. Die Zeit dt kann beispielsweise mit dt = T/720 einem Drehwinkel von 0.5° entsprechen. Nach 240 Umdrehungen (= 120°/0.5°) ist dann das Rad mit 720 Lichtschnitten im Abstand von 0.5° erfaßt.The 3 Fig. 12 illustrates an exposure timing chart for the above-described system in the case where multiple exposures per wheel rotation are possible. This is the case if the period length T of a wheel rotation is greater than the time between two video images. For the exposure times, two variants are shown. The first (= upper) variant uses exposure times, which are offset by a time interval of t1 = T / 3 within a wheel rotation by 120 °. In the transition from one wheel rotation to the next an additional time dt is waited to achieve that the three light sections, which are recorded within the following wheel rotation, are offset from those of the previous wheel rotation at the wheel circumference. For example, the time dt can correspond to a rotation angle of 0.5 ° with dt = T / 720. To 240 Revolutions (= 120 ° / 0.5 °) is then the wheel with 720 light cuts at intervals of 0.5 ° detected.

Eine alternative Festlegung der Belichtungszeitpunkte ist in der darunterliegenden Bildbelichtungskurve gezeigt. Hierbei werden stets konstante Zeitabstände t2 zwischen zwei Belichtungen verwendet. Der Zeitabstand t2 wird beispielsweise so gewählt, daß er (T + dt)/3 entspricht. Entspricht dt wiederum einem Raddrehwinkel von 0.5°, so wird das Rad letztlich in 720 Umdrehungen (= 120°/(0.5°/3)) mit 2160 Lichtschnitten im Abstand von 0.5°/3 erfaßt werden.A alternative fixing of exposure times is in the underlying Image exposure curve shown. Here are always constant time intervals t2 between used two exposures. The time interval t2 becomes, for example chosen so that he (T + dt) / 3 corresponds. In turn, dt corresponds to a wheel angle from 0.5 °, so the wheel is finally in 720 revolutions (= 120 ° / (0.5 ° / 3)) with 2160 light cuts at intervals of 0.5 ° / 3 are detected.

Da bei dem in 1 gezeigten System zwischen Antriebsrolle und Rad kein festes Übersetzungsverhältnis vorliegt, kann die Drehgeschwindigkeit des Rades unerwünschten Schwankungen unterliegen. Daher ist es vorteilhaft, den Zeitpunkt für die erste Belichtung innerhalb einer Periode auf den jeweils zuletzt erhaltenen Radimpuls zu beziehen. Der Zeitabstand für die jeweils erste Belichtung innerhalb einer Periode der Raddrehung ergibt sich dann zu n × dt wobei n die Anzahl der Raddrehungen bedeutet. Hierdurch wird die Bilderfassung einmal pro Umdrehung mit der Raddrehung synchronisiert.Since at the in 1 shown system between the drive roller and the wheel is not a fixed gear ratio, the rotational speed of the wheel may be subject to undesirable fluctuations. Therefore, it is advantageous to refer the time for the first exposure within a period to the last received wheel pulse. The time interval for each first exposure within a period of the wheel rotation is then given by n × dt where n is the number of wheel rotations. As a result, the image acquisition is synchronized once per revolution with the wheel rotation.

Die 4 zeigt ein Belichtungszeitpunktdiagramm für das System aus 1 für den Fall, daß die Drehfrequenz des Rades nur noch etwas kleiner ist als die Bildfrequenz der Kamera. Das Belichtungszeitpunktdiagramm zeigt, daß nur noch eine Aufnahme pro Raddrehung erfolgt. Der Zeitabstand t2 zwischen zwei Belichtungen ist so gewählt, daß er um dt größer ist als die Periode T.The 4 shows an exposure timing diagram for the system 1 in the event that the rotational frequency of the wheel is only slightly smaller than the frame rate of the camera. The exposure timing diagram shows that only one recording per wheel rotation takes place. The time interval t2 between two exposures is chosen so that it is greater by dt than the period T.

Das in 5 gezeigte Belichtungszeitpunktdiagramm zeigt die Verhältnisse bei Anwendung des Verfahrens für den Fall, daß die Drehfrequenz des Rades größer ist als die Bildfrequenz der Kamera. In diesem Fall kann nicht innerhalb jeder Raddrehung ein Bild aufgenommen werden. In der gezeigten Ausführungsform erfolgt eine Belichtung nur in jeder zweiten Raddrehung. Der Abstand zwischen zwei Belichtungen ergibt sich zu t2 = 2 × T + dt, wobei dt wiederum unter dem Gesichtspunkt gewählt wird, daß sich eine hinreichend gute Abtastrate nach Beendigung der Messung ergibt.This in 5 shown exposure timing diagram shows the conditions when using the method in the event that the rotational frequency of the wheel is greater than the frame rate of the camera. In this case, an image can not be taken within each wheel revolution. In the embodiment shown, exposure takes place only in every second wheel rotation. The distance between two exposures is t2 = 2 × T + dt, where dt is chosen again from the point of view that a sufficiently good sampling rate results after completion of the measurement.

Die 6 zeigt dieselben Verhältnisse bezüglich Drehfrequenz des Rades und Bildfrequenz der Kamera wie die 5. Jedoch wurde der Abstand zwischen zwei Belichtungen gegenüber der 5 auf t2 = 1.75 × T + dt verkürzt. Dieses Zeitintervall ist einerseits immer noch etwas größer als der Zeitabstand zwischen zwei Kamerabildern andererseits verkürzt sich die Meßzeit gegenüber der Ausführungsform aus 5 um 12.5%.The 6 shows the same ratios with respect to rotational frequency of the wheel and frame rate of the camera as the 5 , However, the distance between two exposures to the 5 shortened to t2 = 1.75 × T + dt. On the one hand, this time interval is still somewhat larger than the time interval between two camera images, on the other hand, the measuring time is shortened compared to the embodiment 5 around 12.5%.

Die 7 zeigt das Belichtungszeitpunktdiagramm für ein System, das gegenüber dem System aus 1 derart modifiziert ist, daß keine externe asynchrone Verschlußöffnung der Kamera stattfindet. Ferner wird das echtzeitfähige Rechenwerk dazu verwendet die Zeitabstände zwischen Bildbelichtung und Radimpuls zu messen. Die Kamera arbeitet jetzt mit kameraintern gesteuerter Bildbelichtung. Da das Objekt bei Anwendung des neuen Verfahrens in schneller Bewegung ist, ist die Belichtungszeit deutlich kürzer als die Integrationszeit gewählt. Eine solche Einstellung der Belichtungszeit ist bei praktisch jeder elektronischen Kamera mittels eines internen elektronischen Shutters möglich. Der Verschluß wird von der freilaufenden Kamera selbst jeweils nach einer bestimmten Zeit ts innerhalb des Bildintegrationsintervalls ausgelöst. Vom Rechnersystem werden die Zeiten t1 bis t9 gemessen, wobei jeweils die Zeit gemessen wird, die nach Erhalt des letzten Radimpulses und der Verschlußöffnung durch die Kamera verstrichen ist. Die Zeiten t1 bis t9 sind proportional zur Drehstellung des Rades und ermöglichen es so, die in den einzelnen Kameraaufnahmen erfaßten Konturlinien bezüglich des Objektes lagerichtig zueinander anzuordnen.The 7 shows the exposure timing diagram for a system that faces the system 1 is modified so that no external asynchronous shutter opening of the camera takes place. Furthermore, the real-time calculator is used to measure the time intervals between image exposure and wheel pulse. The camera now works with camera-controlled image exposure. Since the object is in rapid motion using the new method, the exposure time is significantly shorter than the integration time chosen. Such an adjustment of the exposure time is possible with virtually any electronic camera by means of an internal electronic shutter. The shutter is triggered by the free-running camera itself each time a certain time ts within the image integration interval. The computer system measures the times t1 to t9, in each case measuring the time which has elapsed since the camera received the last wheel pulse and the shutter opening. The times t1 to t9 are proportional to the rotational position of the wheel and thus make it possible to arrange the contour lines detected in the individual camera recordings with respect to the object in the correct position relative to each other.

Die 8 zeigt welche Drehstellungen des Rades aus der 2 den Zeiten t1 bis t9 aus 7 entsprechen. Ferner entspricht die eingezeichnete Drehstellung 0 der dem in der 7 gezeigten Radimpuls I1.The 8th shows which rotational positions of the wheel from the 2 from times t1 to t9 7 correspond. Furthermore, the drawn rotational position corresponds to 0 in the 7 shown wheel pulse I1.

Claims

Method for the spatial measurement of fast-moving objects ( 2 ), in which the surface contour of an object ( 2 ) is determined by the object ( 2 ) is measured three-dimensionally with a light-section or fringe projection method, characterized in that the object ( 2 ) in several passes on a measuring device ( 4 ) is passed, wherein the measuring device ( 4 ) partial areas of the object surface are detected in the individual passages, which in relation to the partial areas covered in the other passages with respect to the object ( 2 ) are spatially offset with respect to one another, and wherein the offset is generated by the fact that the object surface of the measuring device ( 4 ) at different instantaneous positions of the object determined by the passing movement in the passages ( 2 ) is recorded.

Method according to Claim 1, characterized in that the instantaneous position of the object respectively present during the detection of the subareas of the object surface ( 2 ) opposite the measuring device ( 4 ) is registered, the contour data of the detected subregions are transformed by means of the registered instantaneous positions into a common object coordinate system and from the transformed contour data a surface model of the object ( 2 ) is produced.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the instantaneous positions of the object ( 2 ) opposite the measuring device ( 4 ) each by a measurement of the object ( 2 ) opposite the measuring device ( 4 ) distance determined.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the instantaneous positions of the object ( 2 ) opposite the measuring device ( 4 ) each by a measurement of the object ( 2 ) opposite the measuring device ( 4 ) determined angle of rotation (φ) are determined.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the object ( 2 ) opposite the measuring device ( 4 ) performs a periodic rotary motion or a periodic oscillating motion.

A method according to claim 5, characterized in that a reference signal is generated, a synchronizing pulse (I ₁ to I ₁₆₎ sends at least once per period, preferably by the transmitted synchronization pulses (I ₁ to I ₁₆₎ (the image exposure of a camera 6 ) of the measuring device ( 4 ) is synchronized with the object movement.

A method according to claim 6, characterized in that by the reference signal, the current Present period length (T) of the rotational movement or the oscillatory motion is determined.

Method according to claim 6 or 7, characterized in that a measurement of exposure times (t ₁ to t ₉ ) is based on the respective last preceding or first synchronization pulse (I ₁ to I ₁₆ ) obtained after the respective image exposure.

Method according to one of Claims 6 to 8, characterized in that a calculation of exposure times (t ₁ to t ₉ ) is based on the respective last synchronization pulse (I ₁ to I ₁₆ ) obtained before the relevant image exposure.

Method according to one of claims 6 to 9, characterized in that for the camera ( 6 ) of the measuring device ( 4 ) is selected a constant image exposure frequency, which in a non-integer ratio to the movement frequency of the object ( 2 ) stands.

A method according to claim 10, characterized in that during the detection of the partial areas of the object surface by the camera ( 6 ) of the measuring device ( 4 ) each of the time interval (t ₁ to t ₉ ) between the detection time and the time at which the object ( 2 ) has reached a reference position, is measured and registered, wherein the contour data of the detected subregions are transformed based on the registered time intervals (t ₁ to t ₉ ) into a common object coordinate system.

A method according to claim 11, characterized in that the time intervals (t ₁ to t ₉ ) are measured by means of a real-time capable arithmetic unit.

Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that for detecting the subregions of the object surface at different instantaneous positions of the object ( 2 ) a camera ( 6 ) of the measuring device ( 4 ) is timed to a pre-calculated exposure time (t ₁ to t ₉ ) is exposed.

A method according to claim 13, characterized in that in the prediction of the exposure times (t ₁ to t ₉ ), the time interval between two successive exposure times (t ₁ to t ₉ ) is selected to be greater than the image period (T) of a camera image or camera image ,

Method according to claim 13 or 14, characterized in that for time-controlled exposure of the camera ( 6 ) is used at pre-calculated exposure times (t ₁ to t ₉ ) a real-time calculator.

Method according to one of claims 13 to 15, characterized in that the exposure of the camera ( 6 ) by external triggering of the camera ( 6 ) is controlled.

Method according to one of claims 13 to 15, characterized in that the exposure of the camera ( 6 ) is controlled by an external triggering of a mechanical or electronic camera shutter.

Method according to one of claims 13 to 15, characterized in that the exposure of the camera ( 6 ) about switch-on time and duty cycle of a light source ( 5 ) of the measuring device ( 4 ) is controlled.