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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer dreidimensionalen
Nachbildung eines Objektes.
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Bei
derartigen Verfahren wird die Nachbildung eines Objektes, beispielsweise
eines menschlichen Kopfes, in üblicher Weise so vorgenommen, dass
das nachzubildende Objekt, im Beispielfall der Kopf, mit einem dreidimensional
arbeitenden Scanner erfasst wird. Aus den folgerichtig dreidimensionalen
Daten wird ein Gesichtsmodell berechnet, und, falls notwenig, nachbearbeitet.
Dieses Gesichtsmodell bzw. die zugehörigen dreidimensionalen
Modelldaten können als Suboberflächenmarkierungen
in einen transparenten Körper eingebracht werden, wie dies
beispielsweise in der
EP
1 717 059 A1 beschrieben wird.
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Die
DE 20 2004 019 552
U1 befasst sich bereits mit einer kombinierten Abtast-Schreibvorrichtung
zur Erfassung und Abbildung eines Gegenstandes. Auch in diesem Fall
wird der Gegenstand berührungslos erfasst respektive abgetastet,
und zwar mit Hilfe einer Abtasteinheit, die ein Abtastbild erzeugt.
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Ungeachtet
dessen sind verschiedene Verfahren bekannt geworden, um dreidimensionale
Modelldaten zu erhalten. Dies mag beispielsweise mit Hilfe einer
Streifenprojektions-Triangulationsanordnung entsprechend der
DE 10 2004 052 199
A1 geschehen. Ähnliches beschreibt die
DE 198 53 608 A1 ,
welche sich mit der 3D-Portraitierung beschäftigt.
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Der
Stand der Technik kann nicht in allen Aspekten zufrieden stellen.
Denn in der Praxis ergeben sich Probleme beispielsweise dann, wenn
das nachzubildende Objekt aktuell nicht verfügbar ist.
Ein Beispiel hierfür ist die Anforderung, die dreidimensionale Nachbildung
als Überraschung einer zugehörigen Person zur
Verfügung stellen zu wollen. Sofern diese Person bzw. ihr Kopf
zuvor jedoch dreidimensional abgescannt werden muss, lässt
sich eine solche Überraschung nicht mehr realisieren. Ähnliche
Probleme können dann entstehen bzw. auftauchen, wenn das
nachzubildende Objekt nicht mehr existiert, beispielsweise zerstört
worden ist. Das ist manchmal bei Bauwerken und oft auch bei Maschinenersatzteilen
der Fall, wenn diese z. B. im Zuge von Restaurationsarbeiten ersetzt
oder erneuert werden sollen. Oftmals stehen jedoch Fotographien
zur Verfügung.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur
Erzeugung einer dreidimensionalen Nachbildung eines Objektes so
weiter zu entwickeln, dass hierfür eine dreidimensionale
Abtastung des Objektes nicht (mehr) erforderlich ist.
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Zur
Lösung dieser technischen Problemstellung ist Gegenstand
der Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer dreidimensionalen
Nachbildung eines Objektes, wonach ein zweidimensionales Objektbild
hinsichtlich seiner räumlichen Informationen ausgewertet
und in dreidimensionale Modelldaten umgewandelt wird, und wonach
mit Hilfe der dreidimensionalen Modelldaten die Nachbildung aus
einem Werkstoff, insbesondere einem pulverförmigen Werkstoff,
erzeugt wird.
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Im
Rahmen der Erfindung erfolgt also ausdrücklich keine dreidimensionale
Erfassung des nachzubildenden Objektes durch beispielsweise Abscannen
dessen Topologie mehr. Vielmehr rekonstruiert die Erfindung anhand
des zweidimensionalen Objektbildes die dreidimensionale Topologie
des zugehörigen Objektes. Hierbei geht die Erfindung von der
Erkenntnis aus, dass die zweidimensionalen Objektbilder regelmäßig
eine Vielfalt an räumlichen Informationen enthalten. Dies
haben sich bereits unzählige Künstler zu Nutze
gemacht, welche in Verbindung mit der so genannten Hell-Dunkel-Malerei
die Illusion von Tiefe in zweidimensionalen Bildern zu hoher Perfektion
entwickelt haben (Leonardo da Vinci, Rembrandt usw.). Es gibt sogar
ganze Kunstrichtungen, die sich hiermit beschäftigen, so
beispielsweise die illusionistische Malerei.
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Das
heißt, das zweidimensionale Objektbild bzw. dessen Hell-Dunkel-Informationen
enthalten bzw. stellen räumliche Informationen dar, die
in die dreidimensionalen Modelldaten umgewandelt werden. Das zugehörige
Verfahren kehrt das Prinzip der Malerei gleichsam um, indem nicht
Hell-Dunkel-Variationen zur Tiefengestaltung in einem zweidimensionalen
Objektbild eingesetzt werden, sondern vielmehr aus diesen Hell-Dunkel-Variationen
auf das dreidimensionale Aussehen des Objektes rückgeschlossen
wird und zugehörige dreidimensionale Modelldaten erzeugt
werden.
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Nach
vorteilhafter Ausgestaltung werden die räumlichen Informationen
aus dem zweidimensionalen Objektbild anhand des Schattenwurfes des
Objektes gewonnen. Bei dieser Vorgehensweise finden zusätzlich
meistens Reflektionseigenschaften der Objektoberfläche
bei der Umwandlung in die dreidimensionalen Modelldaten Berücksichtigung.
Weil letztendlich Hell-Dunkel-Variationen ausgewertet werden und
es hierauf ankommt, ist das zweidimensionale Objektbild in der Regel
als Graubild ausgebildet, stellt also das Objekt mit verschiedenen
Graustufen dar. Diese Graustufen werden nun zur Formbestimmung ausgewertet.
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Dabei
wird zumeist in zwei Schritten vorgegangen. Zunächst einmal
werden aus den Grauwerten des zweidimensionalen Objektbildes Gradienten p
und q der Oberfläche Z (x, y) in beiden Richtungen (x-
und y-Richtung) ermittelt. Die Intensität bzw. der Grauwert
jedes einzelnen Flächenelementes lässt sich wie
folgt ausdrücken: I(x, y) = ρ·n·s, mit ρ der
Albedo-Varianten, n der Flächennormalen sowie s dem Richtungsvektor
des einfallenden Lichtes. Die Albedo-Variable ρ berücksichtigt
die Lichtempfindlichkeit der Aufnahmevorrichtung bzw. Kamera bei
der Herstellung des zweidimensionalen Objektbildes, die Intensität
des eingestrahlten Lichtes und einen ortsabhängigen Reflexionskoeffizienten. Die
jeweiligen Flächennormalen n lassen sich durch die bereits
angesprochenen x- und y-Gradienten p und q der zugehörigen
Oberflächenelemente definieren.
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Geht
man davon aus, dass bei einem vorhandenen zweidimensionalen Objektbild
die Lichtempfindlichkeit der Kamera, die Intensität der
Lichtquelle bzw. des eingestrahlten Lichtes und die Richtung des
eingestrahlten Lichtes konstant sind, so hängt die zuvor
herausgestellte Intensität am Ort x, y bzw. des zugehörigen
Flächenelementes I (x, y) lediglich von dem gegebenenfalls
variierenden material- und ortabhängigen Reflexionskoeffizienten
r (x, y) und der Flächennormalen n ab. In der Flächennormalen
n sind nur die räumlichen Informationen enthalten. Denn
bei den zugehörigen Gradienten p und q handelt es sich
jeweils um partielle Ableitungen der Oberfläche Z (x, y)
nach x und y im Sinne von
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Mit
Hilfe der angegeben Vorschrift lassen sich aus den jeweiligen Intensitäten
I (x, y) und unter der Annahme eines konstanten Reflexionskoeffizienten
r die gesuchten Gradienten p und q ermitteln.
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Um
hier tatsächlich von einem konstanten Reflexionskoeffizienten
r bzw. einem solchen mit bekannter Funktion ausgehen zu können,
schlägt die Erfindung vor, dass die zugehörigen
Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche an dieser
Stelle Berücksichtigung finden bzw. bei der Umwandlung
in die dreidimensionalen Modelldaten. Zu diesem Zweck wird meistens
auf bekannte Daten zum Reflexionsverhalten zurückgegriffen.
Das heißt, das Reflexionsverhalten eines nachzubildenden
dreidimensionalen Objektes, im Beispielfall eines menschlichen Kopfes,
ist relativ genau bekannt und wird im Rahmen der Erfindung in einer
Steuereinheit abgelegt.
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Dieses
Reflexionsverhalten spiegelt zu erwartende Reflexionswerte bei einer
Portraitaufnahme als zweidimensionales Objektbild wider, beispielsweise
das Reflexionsverhalten der Wangen, der Nase, des Mundbereiches
etc.. Außerdem lassen sich hierdurch Abweichungen von diesem
standardisierten Reflexionsverhalten relativ zuverlässig
ermitteln, eingrenzen und elektronisch unterdrücken, beispielsweise
Ohrringe, reflektierende Brillenränder etc..
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Die
dann noch verbleibenden beiden Variabeln der Gradienten p und q
in x- und y-Richtung können wiederum anhand von abgespeicherten
statistischen Modellen angenähert werden. Das heißt,
an Hand des hinterlegten Kopfmodells im Beispielfall einer Portraitaufnahme
als zweidimensionales Objektbild können die Werte für
die einzelnen Gradienten p und q relativ zuverlässig eingegrenzt
werden, je nachdem welcher Bereich des Gesichtes gerade betrachtet
wird. So wird man im Bereich der Wangen nur geringfügige Änderungen
der Gradienten in beiden Richtungen erwarten. Anders dagegen im
Bereich der Nase. Verkürzt ausgedrückt werden
anhand eines oder mehrerer Objektvorlagen die dreidimensionalen
Modelldaten auf Plausibilität hin überprüft
und angepasst.
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Mit
Objektvorlage ist ein Satz an dreidimensionalen Daten gemeint, die
in der Steuereinheit abgelegt sind und im Beispielfall einen menschlichen Kopf
mit den wesentlichen Proportionen und dem Reflexionsverhalten der
Oberfläche wiedergeben. Jede Objektvorlage korrespondiert
zu einem anderen menschlichen Kopf. Die Objektvorlagen sind aus
realen dreidimensionalen Vermessungen des Kopfes verschiedener Probanden
erzeugt worden.
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Die
Plausibilitätsprüfung berücksichtigt
u. a., dass die Gradienten für die Nase bzw. die damit
zusammenhängende Flächennormale zu einem nach Außen
(und nicht nach Innen) gewölbten Gesichtsbestandteil korrespondiert
usw.. Im Rahmen der Anpassung findet nun Folgendes statt.
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Kommen
als nachzubildende Objekte menschliche Gesichter zur Anwendung,
so ist deren Anordnung von Augen, Nase, Mund und Ohren bei den einzelnen
Objektvorlagen sehr ähnlich. Das Gleiche gilt für
die Größenverhältnisse zwischen diesen Gesichtsbestandteilen.
In einem ersten Schritt wird nun zunächst auf ein statistisches
Modell als Objektvorlage zurückgegriffen, welches markante
Merkmale aus unterschiedlichen Gesichtern beinhaltet, also quasi
ein gemitteltes Durchschnittsgesicht bzw. ein gemittelter Durchschnittskopf.
Dieses statistische Modell bzw. die Objektvorlage wird nun mit den
dreidimensionalen Modelldaten der herzustellenden Nachbildung verglichen.
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Durch
lineares Kombinieren unterschiedlicher Merkmale verschiedener Objektvorlagen
lassen sich nun so genannte Zwischengesichter konstruieren, welche
verschiedene Gesichtsmerkmale der Objektvorlagen miteinander kombinieren.
Dabei kommt es jeweils darauf an, die Abweichungen zwischen dem
jeweiligen Merkmal der Objektvorlage und den dreidimensionalen Modelldaten
zu mini mieren. Dieses Rekonstruktionsverfahren wird so lange fortgeführt,
bis die solchermaßen erzeugte Objektvorlage sich am nächsten
den dreidimensionalen Modelldaten genähert hat. Das geschieht
im Sinne einer schrittweisen (iterativen) Annäherung.
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Das
heißt, dass als Einstieg gewählte statistische
Modell wird iterativ an das zu rekonstruierende Gesicht angepasst.
Mit Hilfe der gewonnenen dreidimensionalen Modelldaten wird bei
jeder Iteration bzw. jedem Schritt das erzeugte Modell bzw. die
Objektvorlage um Merkmale ergänzt, die mit Hilfe der aus
dem zweidimensionalen Objektbild gewonnenen räumlichen
Informationen zunächst nicht dargestellt werden konnten.
Das heißt, die Erfindung greift zum einen auf mehrere reale
Objektvorlagen und zu Anfang auf ein statistisches Objektmodell
bzw. ein statistisches Gesichtsmodell zurück. Dieses statistische Objektmodell
wird bei jedem Schritt mit dem aus dem zweidimensionalen Objektbild
gewonnenen dreidimensionalen Modelldaten verglichen. Das geschieht solange
und unter ständiger Änderung des Objektmodells
in jedem Schritt, bis die Abweichungen der zugehörigen
Daten minimal sind.
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In
der Regel handelt es sich bei dem Verfahren zur Ermittlung der räumlichen
Informationen aus dem zweidimensionalen Objektbild um das so genannte
"Shape from Shading"-Verfahren, bei welchem also die Gestalt (Shape)
des nachzubildenden Objektes aus dessen Schattenwurf (Shading) auf dem
zweidimensionalen Objektbild rekonstruiert wird. Das "Shape from
Shading"-Verfahren ist grundsätzlich bekannt (vgl. Dissertation
"Statistical Methods for Facial Shape-from-shading and Recognition,
William A. P. Smith, University of York, Feb. 2007).
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Wenn
nun die dreidimensionalen Modelldaten des nachzubildenden Objektes
bzw. das angenäherte Objektmodell zur Verfügung
stehen, wird die Nachbildung in einem geeigneten Werkstoff erzeugt. Hierbei
kann es sich um einen transparenten Werkstoff handeln, in welchen
per Laserinnengravur die Nachbildung des Objektes eingeschrieben
wird. Nach vorteilhafter Ausgestaltung kommt jedoch ein pulverförmiger
Werkstoff zum Einsatz.
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Dabei
werden die dreidimensionalen Modelldaten regelmäßig
mit Hilfe eines so genannten Schichtbauverfahrens in dem pulverförmigen
Werkstoff in die Nachbildung umgesetzt. Das geschieht im Detail
dergestalt, dass der pulverförmige Werkstoff in Schichten
vorgegebener Stärke auf eine Bauplattform aufgetragen und
lokal verschmolzen wird. Bei dieser lokalen Verschmelzung einzelner
Pulverkörner des pulverförmigen Werkstoffes findet
also ein Sintervorgang statt und kann auf diese Weise die Nachbildung
des gewünschten Objektes umgesetzt werden.
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Um
den pulverförmigen Werkstoff lokal zum Verschmelzen zu
bringen, ist Energieeintrag notwendig. Das kann berührungslos
und ohne Werkzeuge mit Hilfe einer Lichtquelle, beispielsweise eines
Lasers, erfolgen. Da der Werkstoff gesintert wird, spricht man vorteilhaft
auch davon, dass das Modell durch Laser-Sintern nachgebildet wird.
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Dadurch,
dass die Bauplattform in der Regel vertikal verstellt wird, um einzelne
Schichten der Nachbildung zu definieren, steht am Ende dieses Vorganges
die dreidimensionale Nachbildung des Objektes zur Verfügung. – Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Vorrichtung, welche insbesondere zur Erzeugung
einer dreidimensionalen Nachbildung eines Objektes geeignet ist,
wie sie im Vorfeld beschrieben wurde. Vorteilhafte Ausgestaltungen
dieser Vorrichtung sind Gegenstand des Anspruches 10.
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Im
Ergebnis werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung
einer dreidimensionalen Nachbildung eines Objektes beschrieben,
die sich dadurch auszeichnen, dass es für die dreidimensionale
Objektnachbildung nicht erforderlich ist, das betreffende Objekt
abzuscannen. Vielmehr können die gewünschten räumlichen
Informationen aus einem zweidimensionalen Objektbild gewonnen und
abgeleitet werden. Dazu greift die Erfindung auf ein oder mehrere
in einer Steuereinheit abgelegte Objektvorlagen und zu Anfang auf
ein statistisches Objektmodell zurück. Dieses statistische
Objektmodell wird durch iterative Schleifen mit den aus dem zweidimensionalen
Objektbild gewonnenen dreidimensionalen Modelldaten verglichen und
diesen größtmöglich angenähert.
Dadurch steht abschließend ein Datensatz für das
Objektmodell zur Verfügung, welcher als dreidimensionale
Modelldaten für die reale Nachbildung genutzt wird. Tatsächlich
werden die dreidimensionalen Modelldaten in die Objektnachbildung
umgewandelt, und zwar mit Hilfe eines generativen Schichtbauverfahrens,
bei dem es sich vorteilhaft um ein Laser-Sinter-Verfahren handelt.
Hierin sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert; Es zeigen:
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1 die
grundsätzliche Vorgehensweise zur Ermittlung räumlicher
Informationen aus zweidimensionalen Objektbildern,
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2 die
Aufnahme des zweidimensionalen Objektbildes mit der sich daraus
ergebenden Hell-Dunkel-Verteilung,
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3a, 3b die
Entstehung der Objektnachbildung bzw. der zugehörigen dreidimensionalen
Modelldaten,
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4 den
Iterationsprozess zur Gewinnung der dreidimensionalen Modelldaten
und
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5 eine
Vorrichtung zur Erzeugung der dreidimensionalen Nachbildung schematisch.
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In
den Figuren ist eine Vorrichtung dargestellt, welche zur Erzeugung
einer dreidimensionalen Nachbildung 1 eines Objektes genutzt
wird. Bei dem nachzubildenden Objekt handelt es sich im Beispielfall
um den in der 3b dargestellten menschlichen Kopf
einer Person. Die 3a korrespondiert
dagegen zu einem statistischen Objektmodell (hier einen menschlichen
Kopf) im Beispielfall. Dieses statistische Objektmodell wird durch
Anpassungen anhand von Objektvorlagen soweit modifiziert, bis die
dreidimensionalen Modelldaten und die praktisch naturgetreue Nachbildung
des gewünschten menschlichen Kopfes nach der 3b vorliegen. Dabei wird im Einzelnen
wie folgt vorgegangen.
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Zunächst
einmal wird die Nachbildung 1 des Objektes anhand eines
zweidimensionalen Objektbildes 2 geschaffen bzw. erzeugt.
Das zweidimensionale Objektbild 2 mag zeitlich und räumlich
getrennt von der Herstellung der Nachbildung 1 aufgenommen worden
sein, und zwar im Beispielfall mit Hilfe einer Aufnahmevorrichtung 3,
die vorliegend als CCD-Kamera ausgestaltet ist.
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Dazu
wird mit Hilfe einer Lichtquelle 4 eine Oberfläche
Z (x, y) des zu portraitierenden menschlichen Gesichtes beleuchtet.
Die Aufnahmevorrichtung bzw. Kamera 3 erzeugt nun das zweidimensionale
Objektbild 2, welches räumliche Informationen beinhaltet,
die sich primär auf den unterschiedlichen Schattenwurf
einzelner Gesichtsmerkmale wie Nase, Mund, Augen etc. zurückführen
lassen.
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Das
von der Lichtquelle 4 unter dem Richtungvektor s auf die
Oberfläche Z (x, y) aufkommende Licht wird von der Oberfläche
Z (x, y) je nach material- und ortsabhängigem Reflexionskoeffizienten
r (x, y) reflektiert und von der Auf nahmevorrichtung 3 aufgenommen.
Wie einleitend bereits erläutert, berechnet sich die von
der Aufnahmevorrichtung 3 bzw. deren jeweiligen Bildpunkten
erfasste (Grau-)Intensität zu I(x, y)
= ρ·n·s.
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Das
heißt, die lokale Intensität I (x, y) bzw. der
Grauwert am Ort (x, y) hängt primär von der Richtung
der Flächennormalen n ab, die ihrerseits eine Funktion
der Gradienten p und q ist. Tatsächlich handelt es sich
bei den beiden Gradienten p und q um jeweils Ableitungen der Oberfläche
Z (x, y) nach x und y:
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Hieraus
lässt sich die Flächennormale n nach der einleitend
bereits beschriebenen Vorschrift bestimmen. Die Richtung der Flächennormalen
n und folglich die Gradienten p und q stellen nun die gewünschte
räumliche Information über die Topologie des abzubildenden
Objektes zur Verfügung. Im Idealfall entspricht das abzubildende
Objekt den im Rahmen des Verfahrens ermittelten dreidimensionalen
Modelldaten für die Objektnachbildung, wie sie in der 3b aus dem anfänglichen statistischen
Objektmodell nach 3a hergeleitet worden
sind. Zu berücksichtigen ist hierbei selbstverständlich
der material- und ortsabhängige Reflexionskoeffizient r
(x, y), welcher im Beispielfall die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften
der Haut beispielsweise im Nasen-, Wangen- oder Mundbereich widerspiegelt.
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Tatsächlich
geht die Erfindung im Detail nun so vor, dass entsprechend des Schaubildes
nach 4 zunächst das zweidimensionale Objektbild 2 im Rahmen
der digitalen Bildverarbeitung in ein so genanntes Intensitätenfeld
bzw. eine Matrix aus zugehörigen Grauwerten umgewandelt
wird. Aus dieser Grauwertmatrix lassen sich nun die gewünschten räumlichen
Informationen ableiten und in dreidimensionale Modelldaten umwandeln,
die schlussendlich nach Beendigung des Vorganges zu einer Punktwolke
korrespondieren, welche den dreidimensionalen Modelldaten nach 3b entspricht.
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Dabei
geht die Erfindung grundsätzlich so vor, wie dies mit Bezug
zur 1 für einen einfachen Fall dargestellt
ist. Denn hier ist ein weißer Würfel gezeigt,
welcher ohne Änderung der Aufnahmeanordnung aus zwei verschiedenen
Richtungen im linken und im rechten Teil der 1 beleuchtet
worden ist. Trägt man die Intensitätsprofile bzw.
Grauwerte entlang der durchgängigen Linie auf, so ergibt
sich das jeweils darunter dargestellte schematische Bild. Anhand
der charakteristischen Helligkeitsverteilungen bzw. der Grauwerte
lässt sich nun auf die räumliche Struktur rückschließen,
wenn man das gesamte zweidimensionale Objektbild 2 Zeile
für Zeile untersucht, das heißt, die Linie nach
der 1 nach oben und unten verschiebt.
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Die
räumlichen Informationen aus dem zweidimensionalen Objektbild 2 werden
also anhand des Schattenwurfes des Objektes bzw. anhand der Grauwertverteilung
gewonnen. Dabei finden auch Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche
bei der Umwandlung in die gewünschten dreidimensionalen
Modelldaten Berücksichtigung. Tatsächlich werden
diese Reflexionseigenschaften respektive wird der material- und
ortsabhängige Reflexionskoeffizient r (x, y) anhand von
Objektvorlagen berücksichtigt. So zeigt beispielsweise
das statistische Objektmodell nach 3a das
Reflexionsverhalten eines durchschnittlichen Gesichtes. Dieses durchschnittliche
Gesicht und das zugehörige Reflexionsverhalten sind als
statistisches Objektmodell aus einer Mehrzahl von Objektvorlagen
mit zugehörigen Reflexionsdaten gewonnen worden, die sämtlich
in einer Steuereinheit 5 abgelegt sind.
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Das
heißt, im einfachsten Fall werden die material- und ortsabhängigen
jeweiligen Reflexionskoeffizienten r (x, y) anhand des statistischen
Objektmodelles nach der 3a so berücksichtigt,
dass hieraus resultierende Grauwerte in der Grauwertematrix des
zweidimensionalen Objektbildes 2 herausgerechnet werden.
Als Ergebnis dieser Prozedur stehen Grauwerte zur Verfügung,
die hinsichtlich etwaiger Reflexionsinformationen bereinigt sind
bzw. solche Informationen nicht (mehr) enthalten.
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Das
kann im einfachsten Fall durch "Abziehen" der jeweiligen Grauwertintensitäten
erfolgen, die sich "nur" auf Änderungen der Reflexion zurückführen
lassen. Dadurch stehen zunächst zweidimensionale Grauwerte
des Objektbildes 2 zur Verfügung, die tatsächlich
nur noch räumliche Informationen aufgrund des Schattenwurfes
enthalten, weil etwaige Artefakte aufgrund von Reflexionen oder
unterschiedlichen Reflexionseigenschaften herausgerechnet worden
sind. Diese zweidimensionalen Grauwerte können nun anhand
der zuvor erläuterten Vorgehensweise in dreidimensionale
Modelldaten umgewandelt werden, indem aus den unterschiedlichen
Grauwerten Gradienten für die Oberflächenstruktur
hergeleitet werden.
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Diese
dreidimensionalen Modelldaten beinhalten also lediglich räumliche
Informationen des nachzubildenden Objektes und sind nicht beispielsweise
noch mit Grauwerten überlagert, die sich aus dem unterschiedlichen
Reflexionsverhalten einzelner Gesichtspartien erklären
lassen. Diese dreidimensionalen Modelldaten werden nun mit dem statistischen Objektmodell
nach 3a überlagert bzw. in
ein solches statistisches Objektmodell eingetragen. Dadurch steht
ein so genanntes Normalenfeld zur Verfügung, wie es in
der 4 Erwähnung findet.
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Bei
dieser Überlagerung ergeben sich Abweichungen zwischen
dem aktuellen Normalenfeld und dem statistischen Objektmodell nach 3a. Diese Abweichungen werden nun schrittweise
ausgeglichen. Zu diesem Zweck wird das statistische Objektmodell
nach 3a schrittweise an die aus dem
zweidimensionalen Objektbild 2 abgeleiteten räumlichen
Informationen bzw. die zugehörigen dreidimensionalen Modelldaten
angenähert. Das geschieht in der Weise, dass das statistische
Objektmodell nach der 3a durch in
der Steuereinheit 5 abgelegte zusätzliche Objektvorlagen
modifiziert wird. Das heißt, beispielsweise eine Abweichung
im Nasenbereich zwischen den aus dem zweidimensionalen Objektbild 2 gewonnenen
dreidimensionalen Modelldaten und dem statistischen Objektmodell
nach 3a wird dahingehend berücksichtigt,
dass der entsprechende Bereich aus einer in der Steuereinheit 5 hinterlegten
Objektvorlage, welche am ehesten den dreidimensionalen Modelldaten
entspricht, in dem ursprünglichen Normalenfeld ersetzt
wird. Dadurch steht ein angepasstes Normalenfeld zur Verfügung. Das
kommt in der 4 zum Ausdruck, wo die Extraktion
der räumlichen Informationen aus dem zweidimensionalen
Objektbild 2 zunächst mit SfS entsprechend "Shape
from Shading" gekennzeichnet wird und die beschriebene Modellanpassung
anhand des Normalenfeldes in iterativen Schritten vorgenommen wird.
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Das
heißt, am Ende des jeweiligen Schrittes stehen dreidimensionale
Modelldaten, das so genannte "neue Normalenfeld" zur Verfügung,
welches wiederum eine Anpassung erfährt und zu dem "angepassten
Normalenfeld" führt. Dieses angepasste dreidimensionale
Normalenfeld wird nun in ein zweidimensionales Bild umgesetzt, aus
dem mit Hilfe der Methode "SfS" ein neues dreidimensionales Normalenfeld
hergeleitet und mit den dreidimensionalen Modelldaten verglichen
wird. Das heißt, die Anpassung der dreidimensionalen Modelldaten
an das Objektmodell ("Modell anpassen"), die Ableitung eines zweidimensionalen
Bildes aus dem angepassten Normalenfeld und dessen räumliche
Auswertung werden so lange im Kreis wiederholt, bis sich praktisch
keine Abweichungen mehr zwischen den dreidimensionalen Modelldaten
und dem vorherigen Objektmodell bzw. dem angepassten Normalenfeld
ergeben.
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Nachdem
die dreidimensionalen Modelldaten durch den beschriebenen Iterationsvorgang
ermittelt worden sind, findet eine Glättung bzw. Integration
dergestalt statt, dass aus den dreidimensionalen Modelldaten ein
lückenloses Objektmodell für die Nachbildung des
Objektes zur Verfügung steht ("Integrieren" und "Abtasten").
Dieses Objektmodell korrespondiert schlussendlich zu einer "Punktwolke",
die in der 3b angedeutet ist und welche
im Anschluss als dreidimensionale Modelldaten die Nachbildung des
Objektes aus dem Werkstoff ermöglichen.
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Tatsächlich
handelt es sich bei dem Werkstoff für die Nachbildung des
Objektes im Rahmen des Ausführungsbeispiels und nicht einschränkend um
Kunststoff, insbesondere Polyamid. Es können aber auch
ein kunststoffbeschichteter Formsand, Metallpulver, Keramikpulver,
etc. sowie selbstverständlich Mischungen hiervon zum Einsatz
kommen. Anstelle der vorerwähnten Werkstoffe kann die Nachbildung
unter Rückgriff auf die dreidimensionalen Modelldaten grundsätzlich
aber auch in einen durchsichtigen Glas- oder Kunststoffwürfel
im Sinne einer Laserinnengravur geschrieben werden. Dann kommt ein
transparenter Festkörper, also kein pulverförmiger
Werkstoff, für die Nachbildung zum Einsatz.
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Im
Rahmen der Erfindung wird der zuvor angesprochene pulverförmige
Werkstoff jedoch ausweislich der 5 in Schichten
vorgegebener Stärke auf eine Bauplattform 6 aufgetragen.
Dieser Schichtauftrag mag mit Hilfe einer Walze, durch Rakeln oder in
vergleichbarer Art und Weise auf die Bauplattform 6 aufgebracht
werden. Die Stärke der jeweiligen Schicht liegt im Bereich
von einigen Mikrometern bis zu einigen 100 μm. Das hängt
von der gewünschten Feinheit der Nachbildung, deren Detailgetreue,
der gewünschten Bearbeitungs geschwindigkeit etc. ab. Jedenfalls
lässt sich die Bauplattform 6 vertikal verstellen,
um einzelne Schichten der Nachbildung zu definieren. Die Körnung
des pulverförmigen Werkstoffes liegt hierzu im Bereich
von regelmäßig weniger als 10 μm.
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Die
einzelne Schicht der Nachbildung lässt sich aus den dreidimensionalen
Modelldaten, die zu der fraglichen Schicht gehören, von
ihrer Ebenenstruktur her ableiten. Um nun den vorteilhaft eingesetzten
pulverförmigen Werkstoff zu erhärten, wird dieser
einem Sintervorgang unterzogen. Dazu greift die Erfindung vorteilhaft
auf einen Laser 7 oder eine vergleichbare Energiequelle 7 zurück.
Bei dem Laser 7 kann es sich um einen CO2-Laser,
einen Nd:YAG-Laser oder dergleichen handeln. Dabei sind sowohl kontinuierlich
als auch gepulst arbeitende Laser 7 denkbar. Insbesondere
bei Mikrostrukturen und im Zusammenhang mit dem so genannten Lasermikrosintern
finden üblicherweise gütegeschaltete Laser (Nd:YAG-Laser)
Verwendung, die mit kurzen Pulsen im Pikosekundenbereich arbeiten.
Das Verfahren kann zudem in einer Vakuumkammer stattfinden, so dass
sich auch pulverförmige Werkstoffe mit Körnern im
Nanometerbereich verarbeiten lassen.
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Neben
dem Laser 7 respektive der Energiequelle 7 erkennt
man in der 5 noch eine Ablenkeinheit 8, 9,
bei der es sich im Rahmen des Ausführungsbeispiels um einen
Umlenkspiegel 8 sowie eine oder mehrere Linsen 9 zur
Fokussierung des Laserstrahls handelt. Das ist selbstverständlich
nicht zwingend. – Die Energiequelle bzw. der Laser 7,
der Umlenkspiegel 8, die eine oder die mehreren Linsen 9 sowie
die Bauplattform 6 formen in Verbindung mit Zufuhr- und
Beschichtungseinrichtungen 10 für den pulverförmigen
Werkstoff insgesamt eine Schichtbauvorrichtung 6 bis 10,
wie sie in der 5 dargestellt ist. Mit Hilfe
dieser Schichtbauvorrichtung 6 bis 10 werden die
von der Steuereinheit 5 gelieferten dreidimensionalen Modelldaten
in die Nachbildung des gewünschten Modells aus dem pulverförmigen Werkstoff
umgesetzt. Im Aus führungsbeispiel ist die Schichtbauvorrichtung 6 bis 10 als
Laser-Sinter-Maschine ausgeführt.
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Der
pulverförmige Werkstoff wird zu Beginn in der angesprochenen
Schichtdicke auf die Bauplattform 6 aufgetragen. Im Anschluss
hieran definiert die Energiequelle bzw. der Laser 7 die
zu dieser (untersten) Schicht gehörige topologische Struktur der
gewünschten Nachbildung. Dabei können selbstverständlich
auch hinterschnittene Konturen, Hohlräume etc. erzeugt
werden, falls dies gewünscht wird. Im Anschluss hieran
wird die Bauplattform 6 abgesenkt und die nächste
Schicht aufgetragen. Das neue Pulver bzw. der neu aufgetragene pulverförmige
Werkstoff wird wiederum mit Hilfe des Laserstrahls entsprechend
der vorgegebenen und in den dreidimensionalen Modelldaten abgelegten
Daten gesintert respektive eingeschmolzen. Auf diese Weise erfolgt
die Bearbeitung und der Aufbau der Nachbildung Schicht für
Schicht in vertikaler Richtung. Dabei kann mit nur partiell aufgeschmolzenen
Pulverkörnern gearbeitet werden, wobei ein Flüssigphasensinterprozess
stattfindet. Grundsätzlich können die einzelnen
Pulverkörner aber auch vollständig und ohne Zusatz
eines Binders aufgeschmolzen werden. Dieser Vorgang wird dann auch
als selektives Lasermelting bezeichnet. Insgesamt lassen sich mit
dem beschriebenen Verfahren Auflösungen von weniger als
30 μm erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1717059
A1 [0002]
- - DE 202004019552 U1 [0003]
- - DE 102004052199 A1 [0004]
- - DE 19853608 A1 [0004]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Dissertation
"Statistical Methods for Facial Shape-from-shading and Recognition,
William A. P. Smith, University of York, Feb. 2007 [0022]
