DE102007031774A1

DE102007031774A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung von Objekten mittels hochdynamischer Bildaufnahmen

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Publication number: DE102007031774A1
Application number: DE102007031774A
Authority: DE
Inventors: Bernward Maehner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-07
Filing date: 2007-07-07
Publication date: 2009-01-15

Abstract

In der optischen Messtechnik werden zur Verbesserung der Dynamik bei der Bildaufnahme mehrere Bilder des Objektes bei unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommen und die Bilder anschließend zu einem Bild mit hoher Dynamik verarbeitet. Bei dem neuartigen Verfahren wird jeder Lichtsensor des flächigen Bildsensors unabhängig von den anderen Lichtsensoren jeweils so lange belichtet, bis der Sensor gut ausgesteuert ist. Die von den Lichtsensoren erhaltenen Werte werden dann mit der Belichtungszeit normiert, um die vom Bildsensor erhaltenen Bilder messtechnisch verwerten zu können. Das neue Verfahren gewährleistet somit eine für messtechnische Zwecke geeignete Bilderfassung des Objektes mit hoher Dynamik, ohne dabei mehrere Bildaufnahmen mit unterschiedlicher Belichtungszeit hintereinander durchführen zu müssen.

Description

Zur optischen berührungslosen Vermessung von Objekten sind zahlreiche Verfahren bekannt, bei denen mittels Beleuchtung des Objektes mit strukturiertem, kohärentem oder teilkohärentem Licht und Aufnahme des so beleuchteten Objektes mittels einer Kamera die Formgestalt oder die Änderung der Formgestalt des Objektes ermittelt werden kann. Mit strukturiertem Licht arbeitende Messverfahren sind beispielsweise solche, bei denen einzelne Linien oder flächige Lichtmuster, z. B. Streifenmuster, auf das Objekt aufprojiziert werden. Die Linien oder Linienmuster werden mittels einer Kamera erfasst und daraus relative oder absolute Geometriedaten berechnet. Zur Gewinnung absoluter Geometriedaten wird in der Regel eine Triangulationsrechnung durchgeführt. Ein solches absolute Konturdaten erzeugendes Lichtcodeverfahren ist beispielsweise in der Patentschrift DE 41 20 115 C2 beschrieben.
Bei mit kohärentem oder teilkohärentem Licht arbeitenden interferometrischen Messverfahren wird beispielsweise ein Objekt mit interferenzfähigem Licht beleuchtet und durch Auswertung der Interferenzmuster die Formgestalt oder die Verformung des Objektes ermittelt. Dabei wird meistens das vom Objekt zurückgeworfene Licht mit einem Referenzstrahl überlagert und das resultierende Interferenzmuster von einem Bildsensor erfasst. Der Referenzstrahl kann, wie aus der Shearing Interferometrie bekannt, auch durch einen zweiten Objektstrahl erzeugt werden. Man spricht in diesem Fall auch von „Selbstreferenzierung". Das Shearing-Verfahren ist beispielsweise in der Patentschrift US 5,094,528 und der Offenlegungsschrift DE 198 59 725 A1 beschrieben.
Bei der Vermessung realer Objekte mittels vorstehend genannter Verfahren tritt ein Problem auf, das auch bei der konventionellen Fotografie insbesondere mit Digitalkameras auftritt. Ist das aufzunehmende Objekt bzw. die aufzunehmende Szenerie sehr kontrastreich, so kann es schnell dazu kommen, dass der Dynamikbereich des Bildsensors der Kamera nicht groß genug ist, um gleichzeitig hellste und dunkelste Bereiche mit guter Bildqualität zu erfassen. In diesem Fall wird die Einstellung der Kamera auf die hellsten Bereiche derart, dass diese nicht überbelichtet sind, zur Folge haben, dass die dunklen Bereich unterbelichtet sind. Umgekehrt wird die Einstellung der Kamera auf die dunkelsten Bereiche derart, dass diese nicht unterbelichtet sind, zur Folge haben, dass die hellen Bereiche überbelichtet sind.
Abhilfe kann geschaffen werden, in dem man mehrere Aufnahmen von dem Objekt macht, zwischen denen, außer der Belichtungszeit des Bildsensors, nichts verändert wird. Aus den einzelnen Aufnahmen wird dann ein Ergebnisbild zusammengesetzt, dass über einen gegenüber den einzelnen Aufnahmen erweiterten Dynamikbereich verfügt. In der digitalen Fotografie ist dieses Verfahren als high dynamic range imaging (HDRI) bekannt. Einen Überblick über dieses Verfahren gibt beispielsweise der Aufsatz „High dynamic range imaging for digital still camera: an overview" (Journal of Electronic Imaging/July 2003/Vol. 12 (3)/459). Die Vorteile des Verfahrens für messtechnische Anwendungen sind beispielsweise aus den Patentschriften EP 0 923 704 B1 und EP 1 473 539 A1 bekannt und wurden wissenschaftlich fundiert beispielsweise von den Autoren R. Boecker, M. Elsässer und E. Sinemus in ihrem Aufsatz „Kamera-Kalibrierung und digitale Bildaufnahme mit hoher Dynamik" zum ABW Workshop, TA Esslingen 1997 untersucht.
Der große Nachteil des high dynamic range imaging besteht sowohl bei der konventionellen digitalen Fotografie als auch bei messtechnischen Anwendungen in der entsprechend der Anzahl der aufgenommenen Einzelaufnahmen verlängerten Zeit für die Bilderfassung. Dies wirkt sich insbesondere negativ auf Verfahren aus, die prinzipiell zur echtzeitfähigen Erfassung von Objektverformungen geeignet sind, diese Eigenschaft aber durch Verwendung des HDRI Verfahrens bei der Bildaufnahme verlieren. Hier ist beispielsweise das aus der DE 38 43 396 C1 bekannte räumliche Phasenshiftverfahren mittels projizierter Streifen zu nennen. Genauso verhält es sich mit dem aus der DE 39 30 632 A1 bekannten räumlichen Phasenshiftverfahren für die Interferometrie. Im Gegensatz zu den räumlichen Phasenshiftverfahren werden bei den bekannten zeitlichen Phasenshiftverfahren mehrere phasenverschobene Bilder nacheinander aufgenommen. In der Kombination mit dem HDRI Verfahren muss demzufolge jedes der phasenverschobenen Bilder jeweils aus einer Bildfolge mit gestaffelter Belichtungszeit erzeugt werden.
In der Offenlegungsschrift EP 1 148 713 A2 wird ein Bildsensor beschrieben, bei dem zur Bildaufnahme jedes der Pixel unabhängig von den anderen Pixels gerade so lange belichtet wird, bis das Pixelelement eine günstige elektrische Ladungsmenge akkumuliert hat, also weder zu gering aufgeladen ist noch in völlige Sättigung gegangen ist. Die akkumulierte Ladungsmenge wird sodann über einen Analog/Digital-Wandler in einen digitalen Zahlwert übersetzt. Das Ergebnis ist ein Bild, das sich an jedem Bildpunkt aus gut ausgesteuerten Grau- bzw. Farbwerten zusammensetzt. Aus den digitalen Bilddaten wird dann ein analoges Videosignal erzeugt und beispielsweise an den Monitor eines Überwachungssystem übertragen. Die in den Bildern einer derartigen Kamera abgespeicherten Grau- oder Farbwerte sind nicht proportional zur Intensität der auf die einzelnen Pixelelemente des Bildsensors jeweils auftreffenden Lichtstrahlung. Da aber die Lichtintensität typischerweise die benötigte Größe bei der Auswertung der Abbildungen interferometrischer Muster oder projizierter Linienmuster ist, ist eine solche Kamera für messtechnische Zwecke nicht geeignet.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die die Herstellung von Bildern mit hoher Dynamik für messtechnische Zwecke ermöglichen, ohne dass hierzu mehrere Bildaufnahmen mit unterschiedlichen Belichtungen durchzuführen sind. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird das zu untersuchende Objekt mit strukturiertem, kohärentem oder teilkohärentem Licht beleuchtet. Zur Beleuchtung mit strukturiertem Licht werden vorteilhafterweise Linienmuster auf das Objekt aufprojiziert. Eine Beleuchtung mit kohärentem Licht wird vorteilhafterweise durch einen Laser erzeugt, eine teilkohärente Beleuchtung vorteilhafterweise durch mehrere Laserdioden, wie sie beispielsweise aus der EP 1 014 036 B1 bekannt ist.
Das mit strukturiertem, kohärentem oder teilkohärentem Licht beleuchtete Objekt wird zur Durchführung einer Messung von einer Kamera mit einem flächigen Bildsensor auf genommen. Hierdurch entstehen Abbildungen von dem Objekt. Die Abbildungsoptik der Kamera beinhaltet im Falle einer interferometrischen Prüfung mit kohärentem oder teilkohärentem Licht ein Interferometer beispielsweise ein Michelson Interferometer.
Aus den aufgenommenen Bildern von dem Objekt wird die Formgestalt und/oder die Verformung des Prüfobjektes ermittelt.
Erfindungsgemäß besteht der Bildsensor der Kamera aus einer Vielzahl von Lichtsensoren, die vorzugsweise matrixförmig angeordnet sind, und zur Durchführung einer Bildaufnahme schrittweise akkumulativ belichtet werden. Die akkumulative Belichtung bedeutet, das nach einem Belichtungsschritt der Inhalt der Lichtsensoren nicht gelöscht wird. Mit einer steigenden Anzahl von Belichtungsschritten wird somit die Belichtungszeit der Lichtsensoren länger.
Erfindungsgemäß werden nach verschiedenen Belichtungsschritten, vorzugsweise jedem Belichtungsschritt, Messwerte aus den Lichtsensoren ausgelesen. Aus den ausgelesenen Messwerten wird ein Bild zusammengesetzt. Dabei werden vorteilhafterweise nur solche Messwerte verwendet, die in einem Wertebereich liegen, in dem der Lichtsensor einen guten Sättigungsgrad erreicht hat. Abhängig von dem abgebildeten Objekt und dessen Beleuchtung wird die Sättigung für verschiedene Lichtsensoren nach einer unterschiedlichen Anzahl von Belichtungsschritten erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der Bildsensor und die Steuereinheit des Bildsensor so ausgebildet, dass die Lichtsensoren mit einer voneinander unabhängigen Anzahl von Belichtungsschritten belichtet werden können. Es werden dann nur solche Messwerte zu einem Bild weiterverarbeitet, die in einem günstigen Sättigungsbereich der betreffenden Lichtsensoren liegen und alle anderen Messwerte werden verworfen.
In einer anderen Ausführungsform werden nach verschiedenen Belichtungsschritten vorzugsweise jedem Belichtungsschritt die Lichtsensoren ausgelesen und jeweils aus den nach einem Belichtungsschritt ausgelesenen Messwerten ein Zwischenbild erzeugt. Nach Beendigung der Belichtung kann aus den erhaltenen Zwischenbildern optional ein Bild mit erhöhter Dynamik erzeugt werden. Hierzu wird mit Vorteil für jeden Bildpunkt und unabhängig von den jeweils anderen Bildpunkten aus allen Zwischenbildern der Messwert ausgewählt, der den besten Sättigungsgrad aufweist. Dies ist in der Regel der größte erfasste Messwert, der erhalten wird, bevor der entsprechende Lichtsensor übersättigt ist. Alternativ zur Erzeugung eines Bildes mit erhöhter Dynamik können aber auch die Zwischenbilder direkt zur Ergebnisberechnung herangezogen werden. Hierzu werden vorteilhafterweise alle Zwischenbilder von der Kamera an die Auswerteeinheit übertragen.
Die von den Lichtsensoren ausgelesenen Messwerte entsprechen der auf dem Lichtsensor akkumulierten Lichtenergie. Diese ist nicht notwendigerweise proportional zur Intensität der Lichtstrahlung, da sie von der Anzahl der Belichtungsschritte abhängt. Um diese der Lichtenergie entsprechenden Messwerte in bekannten Auswerteverfahren beispielsweise dem codierten Lichtansatz oder einem Phasenshiftverfahren verwenden zu können, werden erfindungsgemäß die erhaltenen Messwerte unter Einbeziehung der jeweils verwendeten Belichtungszeit weiterverarbeitet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Messwerte mit der jeweils zur Belichtung des Lichtsensors verwendeten Belichtungszeit normiert. Durch die Normierung wird jeder Messwert in einen Wert überführt, der proportional zur Intensität der auf dem betreffenden Lichtsensor auftreffenden Lichtstrahlung ist.
Die Normierung erfolgt vorzugsweise durch Division der erhaltenen Messwerte durch die für das betreffende Sensorelement verwendete Belichtungszeit oder einer anderen zur Belichtungszeit proportionalen Größe. Wird beispielsweise die Belichtung der Bildsensorelemente, wie in der EP 1 148 713 A2 beschrieben, in mehreren kleinen Zeitintervallen konstanter Länge durchgeführt, so kann zur Normierung die Anzahl der verwendeten Zeitintervalle bzw. Belichtungsschritte herangezogen werden.
Die Normierung hat den Vorteil, dass die damit erhaltenen normierten Messwerte von den einzelnen Lichtsensoren uneingeschränkt als Eingangswerte für die obenbezeichneten Auswerteverfahren insbesondere allen gängigen Phasenshiftverfahren verwendet werden können.
In einer hierzu alternativen Ausführungsform werden hingegen zwei oder mehrere digitalisierte Bilder pixelweise so verrechnet, dass die Belichtungszeit rechnerisch eliminiert wird und demzufolge die ursprünglichen Messwerte direkt verwendet werden können. Dazu wird vorteilhafterweise während der Aufnahme einer zur Durchführung des Messverfahrens erforderlichen Bildsequenz die Belichtungszeit für die einzelnen Lichtsensoren jeweils konstant gehalten. Dies wird beispielsweise dadurch erzwungen, dass nach einer ersten Aufnahme die einzelnen Pixelbelichtungszeiten für die nachfolgenden Bildaufnahmen nicht mehr verändert werden. Hierdurch sind die an einem Bildpunkt ermittelten Messwerte zwar nicht intensitätsproportional zu denen von anderen Bildpunkten, jedoch untereinander proportional zu der an einem Bildpunkt in den einzelnen Aufnahmen jeweils vorliegenden Lichtintensität.
Gemäß einer bereits erwähnten Ausführungsform der Erfindung werden während einer Bildaufnahme mehrere Zwischenbilder mit unterschiedlicher Belichtungszeit erzeugt. Eine Elimination der Belichtungszeit erfolgt für diese Ausführungsform mit Vorteil dadurch, dass für jeden Bildpunkt, unabhängig von den anderen Bildpunkten, die zur Berechnung eines Ergebniswertes zu verrechnenden Messwerte nur aus solchen Zwischenbildern geholt werden, die eine identische Belichtungszeit aufweisen. Die rechnerische Elimination der Belichtungszeiten hat den Vorteil, dass die Belichtungszeiten bei der Auswertung der Bilddaten nicht bekannt sein müssen.
Im Folgenden seien Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert:
In den Zeichnungen zeigen:
1: ein System zur Durchführung des neuen Verfahrens in einer schematischen Darstellung
2: den schematischen Ablauf zur Gewinnung eines Bildes mit normierten Messwerten
3: eine weitere Ausführungsform des neuen Verfahrens in einer schematischen Darstellung
4: den schematischen Ablauf zur Gewinnung eines Ergebnisbildes mittels Verrechnung mehrerer Bilder
Die 1 zeigt ein Objekt 1, das mit Licht aus mehreren Laserdioden 11, 12 beleuchtet wird. Das von dem Objekt zurückgestreute Laserlicht wird über eine Abbildungsoptik 13, ein Shearing Interferometer 14 und eine zweite Abbildungsoptik 15 auf den elektronischen Bildsensor 17 der Kamera 16 geleitet. Das optische Abbildungssystem, bestehend aus den Abbildungsoptiken 13, 15 und dem Interferometer 14, bildet ferner das Objekt 1 auf dem Bildsensor 17 ab. Die Abbildungsoptiken 13, 15, das Interferometer 14 und die Kamera 16 sind Bestandteile des Messkopfes 10.
Zur Steuerung des Bildsensors 17 sowie zum Auslesen und Auswerten der von den Lichtsensoren des Bildsensors 17 erzeugten Signale dient die Steuereinheit 18. Die Steuereinheit 18 kontrolliert ferner auch auf Seiten der Kamera 16 die Datenübertragung zur Auswerteeinheit 20 bestehend aus der Recheneinheit 21, Monitor 22 und Eingabegerät 23.
Wie in der 2 angedeutet, besteht der Bildsensor 17 aus einer Vielzahl von Lichtsensoren P(1, 1)...P(4, 4), die bezüglich der Belichtungszeit unabhängig voneinander belichtet werden können. Die Lichtsensoren sind auf dem Bildsensor matrixförmig, also in Bildzeilen und Bildspalten organisiert, angeordnet. In der Praxis werden mehrere hundert solcher Lichtsensoren pro Spalte bzw. Zeile vorhanden sein.
Die Verfahrensschritte von der Bildsensorbelichtung bis zum Erhalt eines normierten Bildes sind schematisch in der 2 dargestellt.
Die Belichtung erfolgt derart, dass die Lichtsensoren P(1, 1)...P(4, 4) jeweils für kleine gleichlange Zeitintervalle belichtet bzw. lichtempfindlich geschaltet werden. Nach jedem Zeitintervall wird für jeden Lichtsensor getrennt, die akkumulierte Ladung gemessen und festgelegt, ob ein weiterer Belichtungsschritt durchgeführt wird oder nicht. Die Anzahl der Belichtungsschritte n(1, 1)...n(4, 4) ist demnach für die einzelnen Lichtsensoren durchaus verschieden und wird für jeden Lichtsensor zur weiteren Verarbeitung in einer Wertematrix 32 abgelegt. Der Speicher für die Wertematrix 32 kann entweder Teil der Steuereinheit 18 sein oder im Rechnersystem 20 liegen.
Die durch die Belichtung der Lichtsensoren in jedem einzelnen Lichtsensor erzeugte elektrische Ladung wird über eine analog – digital Wandlung in einen numerischen Messwert M(x, y) gewandelt. Aus der Vielzahl der so erhaltenen Messwerte M(1, 1)...M(4, 4) wird ein digitales Bild 31 zusammengesetzt. Das so erhaltene digitale Bild 31 wird zur Weiterverarbeitung an die Auswerteeinheit 20 übertragen.
Der erste durch die Auswerteeinheit 20 mit dem erhaltenen digitalen Bild 31 ausgeführte Verarbeitungsschritt ist eine Normierung des Bildes mit der Anzahl der Belichtungsschritte aus der Wertematrix 32.
Formelmäßig gilt der folgende Zusammenhang: I(x, y) = M(x, y)/n(x, y)mit:

x:: Spaltenindex des Bildpunktes (x, y)
y:: Zeilenindex des Bildpunktes (x, y)
M(x, y):: Messwert am Bildpunkt (x, y)
n(x, y):: Anzahl der Belichtungsschritte für den Bildpunkt (x, y)
I(x, y):: normierter Messwert am Bildpunkt (x, y)

Die zur Durchführung des Normierungsschrittes erforderliche Abbildungsvorschrift erfordert einen Wechsel des ursprünglichen Datenformats um Auslöschungs- bzw. Digitalisierungsfehler zu minimieren. Wegen der heutzutage verfügbaren Rechnerspeicherkapazitäten werden der Normierungs- sowie die darauffolgenden Auswerteschritte vorteilhafterweise komplett in Fließkommaarithmetik durchgeführt. Es ist aber auch möglich die erhaltenen Werte M(x, y) die zunächst beispielsweise als 8 Bit Werte vorliegen durch Umwandlung in 16 Bit Werte und anschließender Multiplikation mit einem konstanten Faktor z. B. 256 so zu erweitern, dass die anschließende Division durch die Anzahl der Belichtungsschritte zu brauchbaren Werten I(x, y) führt.
Das solchermaßen normierte Bild kann nun beispielsweise von der Auswerteeinheit 20 ggf. mit weiteren nach obigem Verfahren aufgenommenen und normierten Bildern als Eingangsdatensatz in einem der bekannten räumlichen oder zeitlichen Phasenshiftverfahren zur Berechnung der Objektverformung eingesetzt werden.
Die 3 zeigt den schematischen Ablauf zur Gewinnung eines normierten Bildes aus zwei nach unterschiedlichen Belichtungsschritten ausgelesenen Zwischenbildern. Dabei wird die Belichtung des Bildsensors am Nullpunkt der Zeitachse 50 gestartet. Nach der Zeit t1 wird ein erstes Zwischenbild 37 aus dem Bildsensor ausgelesen. Nach der Zeit t2 wird ein zweites Zwischenbild 39 aus dem Bildsensor ausgelesen. Nach bzw. durch das Auslesen des ersten Zwischenbildes wird der Inhalt der Lichtsensoren nicht gelöscht, so dass das zweite Zwischenbild mit der vierfachen Belichtungszeit des ersten Zwischenbildes belichtet wird. Die Normierung der Zwischenbilder erfolgt durch Division der Messwerte durch die Belichtungszeit. Durch Division der Messwerte M1(i, j) des ersten Zwischenbildes durch t1 werden die normierten Messwerte I1(i, j) berechnet und in dem normierten ersten Zwischenbild 38 abgelegt. Analog hierzu werden die Messwerte M2(i, j) des zweiten Zwischenbildes durch t2 dividiert und die resultierenden normierten Messwerte I2(i, j) in dem normierten zweiten Zwischenbild 40 abgelegt. Aus den beiden normierten Zwischenbildern 38 und 40 wird über eine Abbildungsvorschrift f bildpunktweise das Ergebnisbild 36 gebildet. Hierzu wird beispielsweise bildpunktweise entweder der Wert aus dem ersten normierten Zwischenbild oder der Wert aus dem zweiten normierten Zwischenbild in das Ergebnisbild übertragen. Die Entscheidung, welcher Wert jeweils gewählt, wird mit Vorteil wie folgt gefällt:
mit:

i:: Spaltenindex des Bildpunktes (i, j)
j:: Zeilenindex des Bildpunktes (i, j)

Die 4 zeigt die schematische Darstellung einer Ergebnisbildberechnung mittels des Systems aus der 1 unter Verwendung eines Phasenshiftverfahrens. Hierbei werden drei digitale Bilder 31, 34, 35, zwischen denen die Phasenlage des Interferenzmusters um jeweils 120° phasengeschoben wird, zu einem Ergebnisbild 36 verrechnet. Wird die Anzahl der Belichtungsschritte n(x, y) bei der Aufnahme der Messwerte M(x, y), M'(x, y) und M''(x, y) nicht verändert oder werden die Messwerte M(x, y), M'(x, y) und M''(x, y) Zwischenbildern mit derselben Anzahl von Belichtungsschritten n(x, y) also identischer Belichtungszeit entnommen, dann kann die Normierung der Messwerte durch Verrechnung der Bilder 31, 34 und 35 wie folgt erfolgen:
Die bekannte Berechnungsformel für den Phasenwinkel nach dem 3er Phasenshiftverfahren lautet: φ(x, y) = arctan(sqrt(3)(I2(x, y) – I3(x, y))/(2I1(x, y) – I2(x, y) – I3(x, y)))
Mit: I1(x, y) = I0(x, y) + IA(x, y)cosφ(x, y) I2(x, y) = I0(x, y) + IA(x, y)cos(φ(x, y) + 2/3π) I3(x, y) = I0(x, y) + IA(x, y)cos(φ(x, y) + 4/3π)mit:

φ(x, y):: Phasenwinkel am Bildpunkt (x, y)
I₀(x, y):: Hintergrundintensität am Bildpunkt (x, y)
I_A(x, y):: Intensitätsamplitude am Bildpunkt (x, y)

Für die mittels der Lichtsensoren des Bildsensors erzeugten Messwerte gilt: M(x, y) = k·n(x, y)·I1(x, y) M'(x, y) = k·n(x, y)·I2(x, y) M''(x, y) = k·n(x, y)·I3(x, y)
Mit:

M(x, y):: Meßwert am Bildpunkt (x, y) bei Phasenlage 0°
M'(x, y):: Meßwert am Bildpunkt (x, y) bei Phasenlage 120°
M''(x, y):: Meßwert am Bildpunkt (x, y) bei Phasenlage 240°
n(x, y):: Anzahl der Belichtungsschritte am Bildpunkt (x, y)
k:: Umrechnungskonstante

Eine Elimination der Belichtungszeit die durch den Anteil k·n(x, y) repräsentiert wird, kann dann wie folgt durchgeführt werden: A(x, y) = M'(x, y) – M''(x, y) = k·n(x, y)·I2(x, y) – k·n(x, y)·I3(x, y) = k·n(x, y)·(I2(x, y) – I3(x, y)) B(x, y) = 2·M(x, y) – M'(x, y) – M''(x, y) = 2·k·n(x, y)·I1(x, y) – k·n(x, y)·I2(x, y) – k·n(x, y)·I3(x, y) = k·n(x, y)·(2·I1(x, y) – I2(x, y) – I3(x, y)) C(x, y) = A(x, y)/B(x, y) = (k·n(x, y)·(I2(x, y) – I3(x, y)))/(k·n(x, y)·(2·I1(x, y) – I2(x, y) – I3(x, y))) = (I2(x, y) – I3(x, y))/(2·I1(x, y) – I2(x, y) – I3(x, y))der Phasenwinkel φ(x, y) ergibt sich somit als: φ(x, y) = arctan(sqrt(3)·C(x, y))

1: Objekt
10: Messkopf
11: Laserdiode
12: Laserdiode
13: Abbildungssystem
14: Interferometer
15: Abbildungssystem
16: Kamera
17: Bildsensor
18: Steuereinheit Bildsensor
20: Auswerteeinheit
21: Recheneinheit
22: Monitor
23: Eingabegerät
31: Bildmatrix mit Messwerten einer ersten Aufnahme
32: Matrix mit Belichtungszeiten
33: Bildmatrix mit normierten Messwerten
34: Bildmatrix mit Messwerten einer zweiten Aufnahme
35: Bildmatrix mit Messwerten einer dritten Aufnahme
36: Ergebnisbild
37: Bildmatrix eines ersten Zwischenbildes
38: Bildmatrix eines normierten ersten Zwischenbildes
39: Bildmatrix eines zweiten Zwischenbildes
40: Bildmatrix eines normierten zweiten Zwischenbildes
50: Belichtungszeitachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4120115 C2 [0001]
- US 5094528 [0002]
- DE 19859725 A1 [0002]
- EP 0923704 B1 [0004]
- EP 1473539 A1 [0004]
- DE 3843396 C1 [0005]
- DE 3930632 A1 [0005]
- EP 1148713 A2 [0006, 0017]
- EP 1014036 B1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „High dynamic range imaging for digital still camera: an overview" (Journal of Electronic Imaging/July 2003/Vol. 12 (3)/459) [0004]
- R. Boecker, M. Elsässer und E. Sinemus in ihrem Aufsatz „Kamera-Kalibrierung und digitale Bildaufnahme mit hoher Dynamik" zum ABW Workshop, TA Esslingen 1997 [0004]

Claims

Verfahren zur Vermessung von Objekten mittels hochdynamischer Bildaufnahmen, bei dem das Objekt mit strukturiertem Licht, kohärentem Licht oder teilkohärentem Licht beleuchtet wird, mit einer Kamera mit flächigem Bildsensor Bilder von dem beleuchteten Objekt aufgenommen werden, und aus den aufgenommenen Bildern die Formgestalt und/oder die Verformung des Objektes ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Bildsensor aus einer Vielzahl von Lichtsensoren besteht, die zur Bildaufnahme schrittweise akkumulativ belichtet werden, nach verschiedenen Belichtungsschritten Messwerte aus den Lichtsensoren ausgelesen werden, aus den ausgelesenen Messwerten Bilder zusammengesetzt werden, und die in den Bildern abgelegten Messwerte unter Einbeziehung der zur Erzeugung der Messwerte verwendeten Belichtungszeiten weiterverarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildaufnahme die Belichtung jedes Lichtsensors in jeweils so vielen Schritten erfolgt, bis der Lichtsensor einen ausreichenden Sättigungsgrad erreicht hat, und aus den bei ausreichendem Sättigungsgrad der Lichtsensoren ausgelesenen Messwerten ein Bild zusammengesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Belichtungsschritte für jeden einzelnen Lichtsensor unabhängig von der Anzahl der Belichtungsschritte der jeweils anderen Lichtsensoren gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass während einer Bildaufnahme die Lichtsensoren nach verschiedenen Belichtungsschritten ausgelesen werden und aus den jeweils nach einem Belichtungsschritt ausgelesenen Messwerten ein Zwischenbild zusammengesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die nach den verschiedenen Belichtungsschritten erzeugten Zwischenbilder zur Weiterverarbeitung an eine Auswerteeinheit übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass aus den nach verschiedenen Belichtungsschritten erzeugten Zwischenbildern ein Bild mit gegenüber den Zwischenbildern erhöhter Dynamik erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Bild oder Zwischenbild gespeicherten Messwerte mit der zu ihrer Erzeugung verwendeten Belichtungszeit normiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte durch Division durch die Belichtungszeit oder einer zur Belichtungszeit proportionalen Größe normiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung der Messwerte verwendeten Belichtungszeiten durch Verrechnung von zwei oder mehreren Bildern rechnerisch eliminiert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufnahme der zu verrechnenden Bilder oder Zwischenbilder die Belichtungszeiten der einzelnen Lichtsensoren nicht verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur bildpunktweisen Berechnung der Formgestalt oder Verformung an einem Bildpunkt jeweils solche Messwerte verwendet werden, die mit derselben Belichtungszeit erzeugt wurden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildsensor eine CCD Matrix verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildsensor ein CMOS Bildsensor verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch das strukturierte, kohärente oder teilkohärente Licht Lichtmuster auf der Objektoberfläche erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmustern aus mittels ein oder mehrerer Laser erzeugten Specklemuster bestehen.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Specklemuster mittels Laserdioden erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Specklemuster durch ein in die Abbildungsoptik des Messkopfes integriertes Interferometer beobachtet werden.
Verfahren nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Specklemuster unter Verwendung eines räumlichen Phasenshifverfahrens ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Specklemuster unter Verwendung eines zeitlichen Phasenshifverfahrens ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmuster durch das Aufprojizieren von Linienmustern auf das Objekt erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Linienmuster unter Verwendung des codierten Lichtansatzes ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Linienmuster unter Verwendung eines räumlichen Phasenshiftverfahrens ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Linienmuster unter Verwendung eines zeitlichen Phasenshiftverfahrens ausgewertet werden.
Vorrichtung zur Vermessung von Objekten mittels hochdynamischer Bildaufnahmen, mit einer Einrichtung (11, 12) zur Beleuchtung eines Objektes (1) mit strukturiertem, kohärentem oder teilkohärentem Licht, mit einer Kamera (16) mit flächigem Bildsensor (17) zur Aufnahme von Bildern von dem beleuchteten Objekt, und einer Auswerteeinheit (20) zur Ermittlung der Formgestalt und/oder der Verformung des Objektes aus den aufgenommenen Bildern, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Bildsensor (17) mit einer Steuereinheit (18) gekoppelt ist und Bildsensor (17) und Steuereinheit (18) Einrichtungen aufweisen, um die Lichtsensoren des Bildsensors (17) bei der Bildaufnahme schrittweise akkumulativ zu belichten, die Lichtsensoren nach verschiedenen Belichtungsschritten auszulesen und die von den Lichtsensoren ausgelesenen Messwerte der Auswerteeinheit (20) zur Weiterverarbeitung bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) eine erste Einrichtung aufweist, die die Belichtung jedes Lichtsensors in jeweils so vielen Schritten ausführt, bis der Lichtsensor einen ausreichenden Sättigungsgrad erreicht hat, eine zweite Einrichtung aufweist, um aus den bei ausreichendem Sättigungsgrad der Lichtsensoren ausgelesenen Messwerten ein Bild zu erzeugen, und eine Schnittstelle aufweist um das aus den Messwerten erzeugte Bild an die Auswerteeinheit (20) zu übertragen.
Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass Bildsensor (17) und Steuereinheit (18) ausgebildet sind, um während einer Bildaufnahme die einzelnen Lichtsensoren des Bildsensors (17) bezüglich der Anzahl der Belichtungsschritte unabhängig voneinander zu belichten.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) eine Einrichtung aufweist, die die Lichtsensoren nach verschiedenen Belichtungsschritten ausliest und jeweils aus den nach einem Belichtungsschritt ausgelesenen Messwerten ein Zwischenbild erzeugt, und eine Schnittstelle aufweist, die die Zwischenbilder an die Auswerteeinheit (20) überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) eine Recheneinheit beinhaltet, die die Messwerte von den Lichtsensoren jeweils mit der zur Erzeugung der Messwerte verwendeten Belichtungszeit normiert.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) eine Recheneinheit beinhaltet, die die Messwerte von den Lichtsensoren jeweils durch die verwendete Belichtungszeit dividiert.
Vorrichtung nach Anspruch 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) eine Schnittstelle beinhaltet, die die Messwerte von den Lichtsensoren zusammen mit den Belichtungszeiten an die Auswerteeinheit (20) überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20) eine Schnittstelle zur Steuereinheit (18) besitzt, über die die Auswerteeinheit (20) die Belichtungszeiten der Lichtsensoren des Bildsensors (17) kontrolliert.