DE102008031064A1

DE102008031064A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Aufnahme eines Objekts

Info

Publication number: DE102008031064A1
Application number: DE200810031064
Authority: DE
Inventors: Oliver Scholz; Franz Uhrmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-01-14

Abstract

Eine Vorrichtung (100) zum Erzeugen einer dreidimensionalen Aufnahme eines Objekts (102), mit einer Lichtschnittmesseinrichtung (103) zum Erzeugen von Profildaten (108) des Objekts (102), einem Beschleunigungssensor (110) zur Erfassung einer Beschleunigung (111) der Lichtschnittmesseinrichtung (103) und einer Auswerteeinrichtung (112) zum Ermitteln der dreidimensionalen Aufnahme, basierend auf der erfassten Beschleunigung (111) und den erzeugten Profildaten (108).

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit berührungsloser Vermessung dreidimensionaler Körper, insbesondere mit optischen Lichtschnittverfahren.
Anwendungen, in denen berührungslos eine Oberfläche bzw. eine Gestalt eines Körpers vermessen werden soll, sind vielfältig. Beispielsweise wird bei einer Produktion von Flugzeugtragflächen bei einigen Flugzeugtypen eine Form einer Tragfläche nach einzelnen Produktionsschritten vermessen, um etwaige Abweichungen der tatsächlichen Form von einer Sollform festzustellen. Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist beispielsweise eine kontaktlose Vermessung einer Oberfläche von Groß- oder Pressteilen, um fehlerhaft produzierte Teile aussondern zu können.
Häufig wird dabei zur berührungslosen Vermessung auf eine optische Vermessung dreidimensionaler Körper zurückgegriffen, wobei insbesondere Streifenprojektionen bzw. Lichtschnittverfahren verwendet werden.
Beim Lichtschnittverfahren, wie es beispielhaft in 5 schematisch dargestellt ist, wird eine Lichtlinie auf ein zu vermessendes Objekt projiziert. Ein Verlauf der Lichtlinie auf der Oberfläche des Objekts wird unter einem bekannten Winkel zur Projektionsrichtung mit einer Kamera aufgezeichnet. Die Linie folgt dabei einer Objektkontur und kann von der Kamera erfasst werden. Überstreicht die Linie das Objekt durch eine Relativbewegung zwischen Objekt und Kamera-Laser-Einheit, kann das gesamte Objekt erfasst werden, indem erfasste Lichtschnittprofile aneinander gesetzt werden. Das Lichtschnittverfahren wird häufig zur optischen Vermessung von Objekten eingesetzt. Unter Voraussetzung einer zuvor durchgeführten Systemkalibrierung können die er fassten Linien- bzw. Lichtschnittprofile in Raumkoordinaten zurückgerechnet und somit die Oberflächengeometrie des zum vermessenden Objekts erfasst werden.
5 zeigt als Lichtprojektor einen Laser 2, eine Kamera 4, und als zu vermessendes Objekt beispielhaft ein einfaches geometrisches Objekt, einen Quader 6. Der Laser 2 und die Kamera 4 bilden zusammen einen Lichtschnittsensor bzw. eine Lichtschnittmesseinrichtung. Der Laser 2 erzeugt mittels einer geeigneten Laser-Optik einen aufgefächerten Lichtstrahl, der an einer Messposition 8 auf die Oberfläche des Quaders 6 projiziert wird. Die Kamera 4 beobachtet eine durch die Projektion resultierende Lichtlinie 7 an der Messposition 8. Da die Projektionsrichtung des Lasers 2 und die Beobachtungsrichtung der Kamera 4 einen bekannten Winkel α bilden, wird von der Kamera 4 der Messstrahl an einer Veränderung der Oberfläche des Quaders 6, beispielsweise bei einer Erhöhung auf der Oberfläche, an anderer Stelle auf dem Lichtsensor der Kamera 6 (beispielsweise eine CCD-Kamera) nachgewiesen. Aus Kenntnis des bekannten Winkels α zwischen Laser 2 und Kamera 4 sowie der Kenntnis der Nachweisposition des Lichtstrahls im Kamerasensor lässt sich eine topografische Information über die Oberfläche des Quaders 6 an der Messposition 8 gewinnen. Wird nun der Quader in Richtung einer Scanrichtung 10 unter der Messposition 8 durchgeführt, so lässt sich ein dreidimensionales Oberflächenprofil des zu vermessenden Quaders 6 erstellen.
Der Lichtschnittsensor erzeugt üblicherweise in festen, diskreten Zeitabständen Δt Profildaten, was dazu führen kann, dass bei langsamer Relativbewegung viele redundante Daten erzeugt werden, bei schneller Bewegung jedoch eine Auflösung in Bewegungsrichtung 10 sinkt. Eine Frequenz 1/Δt zur Erzeugung der Profildaten sollte daher sorgfältig gewählt werden, um einen Kompromiss aus anfallender Datenmenge und Auflösung zu gewährleisten.
In dem Beispiel, das in 5 gezeigt ist, ist es prinzipiell nur möglich, eine einzige Oberfläche des Quaders 6 zu vermessen, nämlich jene, auf der an der Messposition 8 die Lichtprojektion des Lasers 2 befindet. Im allgemeinen Fall einer dreidimensionalen Vermessung von Körpern besteht das Problem, dass nur ein Teil der gesamten Oberfläche von der Lichtlinie 7 und der Kamera 4 erfasst wird und somit ein Rest der Oberfläche nicht beleuchtet wird.
Soll eine gesamte Oberfläche eines Körpers vermessen werden, können beispielsweise frei zum Objekt bewegliche Messeinrichtungen eingesetzt werden. Jedoch ist das Lichtschnittverfahren für die Erfassung von Objekten mit einem frei zum Objekt beweglichen Lichtschnittsensor nicht ohne zusätzliche Verfahren geeignet, da der Lichtschnittsensor nur relative Koordinaten bezogen auf eine Position von Kamera und Laser liefert. Herkömmliche Anlagen zur Freihanderfassung von Objekten benutzen beispielsweise optische Bilddaten, um eine Relativbewegung eines Lichtschnittsensors abzuschätzen und fusionieren die aufgenommenen Daten mit Hilfe dieser Information zu einem Gesamtbild. Ein derartiges Verfahren setzt geeignete Oberflächen und einen hohen algorithmischen Aufwand zur Fusionierung der aufgenommenen Profildaten voraus. Daraus kann je nach Anwendungsfall eine niedrige Geschwindigkeit von Datenerfassung und/oder -auswertung resultieren.
Ein weiteres Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung von Oberflächen ist das sog. Streifenprojektionsverfahren bzw. die Streifenlichtprojektion. Dabei werden in unterschiedlichen Abständen mehrere Lichtlinien auf eine Projektoberfläche projiziert, wodurch ein größerer Teil des Objekts erfasst werden kann als mit einer einzelnen Lichtlinie. Aber auch hier müssen aufgenommene Objektteile bzw. Teiloberflächen in einem Rechner zusammengesetzt werden.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Konzept zum Erzeugen von dreidimensionalen Aufnahmen eines Objekts, insbesondere zur Aufnahme von Lichtschnittdaten eine Objektoberfläche bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren nach Patentanspruch 12 gelöst.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Oberfläche eines Objekts dreidimensional erfasst werden kann, indem ein Lichtschnittsensor bzw. eine Lichtschnittmesseinrichtung ausgehend von einer Startposition entlang bzw. um eine zu erfassende Objektoberfläche bewegt wird und Bewegungsdaten herangezogen werden, um basierend auf erfassten Profildaten und den Bewegungsdaten ein dreidimensionales Bild der Objektoberfläche zu erzeugen. Die Bewegung der Lichtschnittmesseinrichtung resultiert aus einer Beschleunigung der Lichtmesseinrichtung. Mit der Lichtmesseinrichtung gekoppelt ist wenigstens ein Beschleunigungssensor für wenigstens eine Beschleunigungskomponente, um eine Beschleunigung der Lichtmessreinrichtung zu erfassen und daraus eine Geschwindigkeit und/oder eine Messposition der Lichtmesseinrichtung zu ermitteln, die entsprechenden Profildaten zugeordnet werden kann. Dies erfolgt durch eine Integration bzw. eine Mehrfachintegration von dem wenigstens einen Beschleunigungssensor erfassten Beschleunigungswerte. Ausgehend von der bekannten Startposition der Lichtschnittmesseinrichtung können somit aus den von einzelnen Beschleunigungssensoren aufgezeichneten Beschleunigungen relativ zu der Startposition zurückgelegte Strecken und damit auch eine Lage/Position der Lichtschnittmesseinrichtung berechnet werden. Aus derart gewonnenen Positionsdaten der Lichtschnittmesseinrichtung und den zugehörigen Profildaten kann schließlich eine dreidimensionale Aufnahme der Objektoberfläche erzeugt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Aufnahme eines Objekts kann relativ zu dem erfassenden Objekt bewegt werden, wobei sich das Objekt selbst in Ruhe befinden kann. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung stellt also gemäß Ausführungsbeispielen eine mobile Vorrichtung zur Freihanderfassung von Objekten dar. Eine derartige erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Lichtschnittmesseinrichtung mit wenigstens einem Laserlinienprojektor und wenigstens einer Kamera, die ein Objekt beleuchten bzw. aufnehmen, sowie wenigstens einem Beschleunigungssensor, der mit dem Laserlinienprojektor und der Kamera mechanisch gekoppelt ist. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung mehrere Beschleunigungssensoren, die mit dem Laserlinienprojektor und der Kamera mechanisch gekoppelt sind, um deren Bewegung zu erfassen. Diese Beschleunigungssensoren können dabei ausreichend räumlich voneinander beabstandet sein, um möglichst alle Bewegungen der Lichtschnittmesseinrichtung erfassen zu können. Signale der Beschleunigungssensoren werden gemäß Ausführungsbeispielen einer Auswerteeinrichtung zugeführt, die aus einem (Mehrfach-)Integral der Beschleunigungssignale der einzelnen Beschleunigungssensoren relativ zur Startposition bzw. zum Messausgangspunkt zurückgelegte Strecken und damit auch eine aktuelle Lage bzw. Position der Lichtschnittmesseinrichtung berechnet. Die von der Kamera aufgenommenen Lichtschnittprofile können zusammen mit den zugehörigen, ermittelten Positionen der Lichtschnittmesseinrichtung abgelegt und weiterverarbeitet werden oder die Lichtschnittprofile können basierend auf den erfassten Profildaten auch direkt, d. h. in Echtzeit, in absolute Koordinaten in Bezug auf den Messausgangspunkt (Koordinatenursprung) umgerechnet werden.
Eine von der Lichtschnittmesseinrichtung zurückgelegte Strecke senkrecht zur projizierten (Laser-)Linie kann gemäß Ausführungsbeispielen dazu verwendet werden, eine Aufnahme eines neuen Lichtschnittprofils durch die Kamera auszulösen. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die mobile Vorrichtung dazu einen Beschleunigungssensor, der die Beschleunigung der Lichtschnittmesseinrichtung senkrecht zur Laserlinie (Vorschubrichtung) er fasst. Basierend auf dieser erfassten Beschleunigung senkrecht zur Laserlinie können beispielsweise direkt Triggerimpulse zur Auslösung einer neuen Lichtschnittprofilaufnahme erzeugt werden. Diese Triggerimpulse können z. B. direkt einer festen, äquidistanten Unterteilung der Vorschubrichtung entsprechen. Als Resultat können dann Lichtschnittprofile in festen räumlichen Abständen aufgenommen werden, unabhängig von einer Gleichmäßigkeit einer Scan- bzw. Abtastbewegung der Lichtschnittmesseinrichtung.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren ermöglichen eine Erfassung der Bewegung einer Lichtschnittmesseinrichtung mit dem Ziel, aufgenommene Messdaten bzw. Lichtschnittprofile ohne komplexe Auswertung optischer Bilddaten in absolute Koordinaten umzurechnen.
Ein Beginn einer Messung (Startposition) definiert einen Koordinatenursprung. Alle weiteren Koordinaten der Lichtschnittmesseinrichtung können aufgrund der erfassten Beschleunigungsdaten zu dieser Startposition in Beziehung gesetzt werden. Dies erleichtert einerseits ein Zusammensetzen einzelner Lichtschnittprofile, da sich deren räumliche Koordinaten alle im gleichen Bezugssystem befinden und somit in Registrierung liegen. Bildregistrierung ist dabei ein wichtiger Prozess in der digitalen Bildverarbeitung und wird kann dazu benutzt, zwei oder mehrere Bilder bestmöglich in Übereinstimmung miteinander zu bringen. Dabei wird eines der Bilder als Referenzbild festgelegt und die anderen Bilder sind dann Objektbilder. Es wird dann eine Transformation berechnet, die die Objektbilder bestmöglich an das Referenzbild anpasst. Die zu registrierenden Bilder unterscheiden sich voneinander, weil sie von unterschiedlichen Positionen, zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder mit unterschiedlichen Sensoren aufgenommen wurden.
Zusätzlich wird ermöglicht, ein erfindungsgemäßes Messsystem gegen äußere Störeinflüsse, wie Vibrationen oder Stöße, zu stabilisieren, da die genaue absolute Aufzeichnungsposition jedes Lichtschnittprofils bekannt ist.
Weiterhin können Ausführungsbeispiele der Erfindung dazu genutzt werden, den Zeitpunkt zu bestimmen, wann das nächste Profil von der Lichtschnittmesseinrichtung erfasst werden sollte (Triggerung), um genau die richtige Anzahl von Profilen zu erzeugen, um eine gewünschte Auflösung zu erreichen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren mehr erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer mobilen Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Aufnahme eines Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer kreisförmigen Bewegung einer erfindungsgemäßen mobilen Vorrichtung um ein zu erfassendes Objekt;
3a–c eine Darstellung eines Zusammenhangs zwischen erfasster Beschleunigung und daraus ermittelter Position;
4a, b eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich in einer Vorschubrichtung relativ zu einem Objekt bewegt; und
5 eine prinzipielle Funktionsweise des Lichtschnittmessverfahrens.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer mobilen Vorrichtung 100 zum Erzeugen einer dreidimensionalen Aufnahme eines Objekts 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Lichtschnittmesseinrichtung 103 mit einem Lichtprojektor 104 und einer Kamera 106 zum Erzeugen von Profildaten 108 des Objekts 102. Ferner umfasst die Vorrichtung 100 wenigstens einen Beschleunigungssensor 110 zur Erfassung einer Beschleunigung 111 der Lichtschnittmesseinrichtung 103. Die Lichtschnittmesseinrichtung 103 und der wenigstens eine Beschleunigungssensor 110 sind mit einer Auswerteeinrichtung 112 gekoppelt, um, basierend auf der erfassten Beschleunigung 111 und der erzeugten Profildaten 108, eine dreidimensionale Aufnahme des Objekts 102 bzw. dessen Oberfläche zu ermitteln.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist der wenigstens eine Beschleunigungssensor 110 mechanisch mit der Lichtschnittmesseinrichtung 103, d. h. mit dem Lichtprojektor 104 und/oder der Kamera 106, gekoppelt, um deren Bewegung erfassen zu können. Vorzugsweise wird mehr als ein Beschleunigungssensor 110 verwendet, um mehrdimensionale Bewegungen der Lichtschnittmesseinrichtung 103 erfassen zu können. Beschleunigungssensoren können beispielsweise mit piezoelektrischen Sensoren oder als MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) aufgebaut werden. Bei piezoelektrischen Sensoren kann ein piezokeramisches Sensorplättchen dynamische Druckschwankungen in elektrische Signale umwandeln, die von der Auswerteeinrichtung 112 entsprechend weiterverarbeitet werden können. Eine Druckschwankung kann durch eine an der Piezokeramik befestigte (”seismische”) Masse erzeugt werden und bei einer Beschleunigung der Lichtschnittmesseinrichtung 103 auf die Piezokeramik wirken. Konstante Beschleunigungen können mit piezoelektrischen Beschleunigungssensoren jedoch nicht erfasst werden. Beschleunigungssensoren aus mikro-elektro-mechanischen Systemen (MEMS) werden beispielsweise aus Silizium hergestellt. Diese Sensoren sind Feder-Masse-Systeme, bei denen die ”Federn” nur wenige μm breite Silizium-Stege sind und auch die Masse aus Silizium hergestellt ist. Durch Auslenkung bei Beschleunigung kann zwischen dem gefedert aufgehängten Teil und einer festen Bezugselektrode eine Änderung der elektrischen Kapazität gemessen werden.
Die Vorrichtung 100 ist gemäß Ausführungsbeispielen beweglich relativ zu dem Objekt 102, welches sich in Ruhe befinden kann. Dabei ist darunter zu verstehen, dass zumindest die Lichtschnittmesseinrichtung 103 zusammen mit dem wenigstens einen Beschleunigungssensor 110 beweglich sind. Die Übertragung der Profildaten 108 und der Beschleunigungswerte 111 zu der Auswerteeinrichtung 112 kann gemäß Ausführungsbeispielen auch drahtlos erfolgen, so dass die Auswerteeinrichtung 112 nicht notwendigerweise beweglich ausgebildet sein muss.
Beispielsweise kann die Vorrichtung 100 völlig frei zur Freihanderfassung um das Objekt 102 herumgeführt werden. Dies ist schematisch durch eine Seitenansicht in 2 gezeigt.
Zu Beginn einer Messung befindet sich die Vorrichtung 100 samt Lichtprojektor (Laser) 104 und Kamera 106 an einer bekannten Startposition (x₀, y₀, z₀). Der Lichtprojektor 104 ist an einer ersten fixen Relativposition (Δx₁, Δy₁, Δz₁) bezüglich der Startposition der mobilen Vorrichtung 100 angeordnet. Die Kamera 106 ist an einer zweiten fixen Relativposition (Δx₂, Δy₂, Δz₂) bezüglich der Startposition der mobilen Vorrichtung 100 angeordnet. D. h., absolut gesehen, befindet sich der Lichtprojektor 104 zu Beginn der Messung an einer Position (x₀, y₀, z₀) + (Δx₁, Δy₁, Δz₁) und die Kamera 106 an einer Position (x₀, y₀, z₀) + (Δx₂, Δy₂, Δz₂).
Ausgehend von der Startposition (x₀, y₀, z₀) und einer Startzeit t₀ wird die mobile Vorrichtung 100 bis zu einer ersten Messposition (x₁, y₁, z₁) bewegt, an der von der Licht schnittmesseinrichtung 103 zu einem ersten Messzeitpunkt t₁ zu der ersten Messposition (x₁, y₁, z₁) gehörige erste Profildaten 108₁ erzeugt werden. Ausgehend von der ersten Messposition (x₁, y₁, z₁) und dem ersten Messzeitpunkt t₁ wird die mobile Vorrichtung 100 bis zu einer zweiten Messposition (x₂, y₂, z₂) bewegt, an der von der Lichtschnittmesseinrichtung 103 zu einem zweiten Messzeitpunkt t₂ zu der zweiten Messposition (x₂, y₂, z₂) gehörige zweite Profildaten 108₂ erzeugt werden, usw. Um die Vorrichtung 100 relativ zu dem Objekt 102 zu bewegen, ist die Vorrichtung 100 mit einer Einrichtung zum Bewegen der mobilen Vorrichtung 100 bzw. der Lichtschnittmesseinrichtung 103 relativ zu dem Objekt 102 gekoppelt. Dabei ist die Einrichtung zum Bewegen in 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Es ist zu bemerken, dass sich die erste fixe Relativposition (Δx₁, Δy₁, Δz₁) des Lichtprojektors 104 und die zweite fixe Relativposition (Δx₂, Δy₂, Δz₂) der Kamera 106 bezüglich der Messpositionen (x_n, y_n, z_n) (n = 0, 1, 2, ..., N – 1) nicht verändern, so dass der Winkel α zwischen von dem Lichtprojektor 104 ausgehenden Lichtstrahlen 202 und auf die Kamera 106 einfallenden Lichtstrahlen 204 bei den verschiedenen Messpositionen konstant bleibt.
Die Bewegung der mobilen Vorrichtung 100 bzw. der Lichtschnittmesseinrichtung 103 zwischen unterschiedlichen Messpositionen (x_n, y_n, z_n) und (x_n+1, y_n+1, z_n+1) (n = 0, 1, 2, ..., N – 1) wird basierend auf den Beschleunigungssignalen 111 der Beschleunigungssensoren 110 erfasst. Dabei werden vorzugsweise drei voneinander beabstandete Beschleunigungssensoren 110 eingesetzt, um sowohl translatorische als auch Drehbeschleunigungen bzw. Bewegungen der Lichtschnittmesseinrichtung 103 in x-, y- und z-Richtung erfassen zu können. Die Beschleunigungssensoren 110 sind fest mit dem Lichtprojektor 104 und/oder der Kamera 106 gekoppelt. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass die Beschleunigungssensoren 110 jeweils ebenfalls an fixen Relativpositionen zu der Messposition (x_n, y_n, z_n) (n = 0, 1, 2, ..., N – 1) angeordnet sind, so dass sie jeweils die gleiche Bewegung erfahren, wie die Lichtschnittmesseinrichtung mit dem Lichtprojektor 104 und der Kamera 106.
Ausgehend von der Startposition (x₀, y₀, z₀) soll nun nachfolgend anhand der 3A–C exemplarisch erläutert werden, wie aus den erfassten Beschleunigungssignalen 111 der Beschleunigungssensoren 110 die Koordinaten (x_n, y_n, z_n) (n = 1, 2, ..., N – 1) darauffolgender Messpunkte bestimmt werden können.
Der Einfachheit halber soll lediglich exemplarisch von einer konstanten Beschleunigung a_x in x-Richtung ausgegangen werden, wie es in 3C gezeigt ist. Allgemein kann die Beschleunigung in x-Richtung mit x''(t) bezeichnet werden. Soll die Messposition zu einem Messzeitpunkt t_n (n = 0, 1, 2, ..., N – 1) ermittelt werden, so kann dies in bekannter Weise durch zweifache Integration der Beschleunigung x''(t) über die Zeit geschehen. Das betrachtete Zeitintervall ist dabei der Zeitraum zwischen dem Messstartzeitpunkt t₀ und dem Messzeitpunkt t_n. Demnach ergibt sich in allgemeiner Form die x-Koordinate der Messposition (x_n, y_n, z_n) (n = 1, 2, ..., N – 1) zum Zeitpunkt t_n zu
wobei x₀ der x-Koordinate der Startposition, x''(t) die Beschleunigung in x-Richtung und t_n den Messzeitpunkt der n-ten Messung bedeutet. Entsprechendes gilt in naheliegender Weise für weitere (orthogonale) Raumkoordinaten y bzw. z. Angewendet auf den speziellen Fall einer konstanten Beschleunigung a_x in x-Richtung, ergibt sich aus Gl. (1) xn(tn) = x0 + 0.5axtn 2. (2)
Gemäß Ausführungsbeispielen können die Beschleunigungssignale 111 der Beschleunigungssensoren 110 derart aufgezeich net bzw. gespeichert werden, dass eine nachträgliche Integration der Beschleunigungssignale 111 zwischen unterschiedlichen Messzeitpunkten möglich ist, um die zu den Messzeitpunkten t_n gehörenden Messpositionen (x_n, y_n, z_n) zu bestimmen. Dazu kann eine Taktrate 1/Δt_a der Beschleunigungssensoren bzw. der resultierenden Beschleunigungssignale beispielsweise der um einen Faktor von wenigstens 10 größer sein als eine Taktrate 1/Δt der Messungen, d. h. der Aufzeichnungen der Profildaten 108. Kann beispielsweise jeder K-te Beschleunigungswert 111 einem diskreten Messzeitpunkt t_n zugeordnet werden, so ergibt sich die x-Koordinate der diskreten Messposition der n-ten diskreten Messung zu
Entsprechendes gilt für die anderen diskreten Koordinaten y und z. Aus den derart ermittelten Messpositionen (x_n, y_n, z_n) und den an diesen Messpositionen aufgezeichneten Profildaten können nun die aufgezeichneten Lichtschnittprofile direkt in absolute Koordinaten in Bezug auf den Startpunkt (x₀, y₀, z₀) oder jeden anderen beliebigen Messpunkt (x_n, y_n, z_n) (n = 1, 2, ..., N – 1) mit Methoden der Fotogrammetrie umgerechnet werden. Beispielsweise ist die Lichtschnittmesseinrichtung 103 kalibriert, um die Profildaten zu einem Messzeitpunkt t_n in Form von mehrdimensionalen Vektoren bzw. Bildpositionen (x_n', y_n', z_n') zu liefern, wobei die Koordinaten (x_n', y_n', z_n') in einem gegenüber der Lichtschnittmesseinrichtung 103 ortsinvarianten Koordinatensystem definiert sind, wobei eine Koordinate, z. B. z_n', dem Abstand eines Objektpunktes zur Lichtschnittmesseinrichtung 103 bzw. zur Kamera 106 entsprechen kann. In diesem Fall können die so aufgezeichneten Profil- bzw. Bilddaten sämtlicher Messzeitpunkte t_n beispielsweise mittels einer Koordinatentransformation, die einer Translation und/oder einer Rotation entspricht, in Koordinaten eines gemeinsamen Koordinatensystems umgerechnet werden, das beispielsweise dem ortsinvarianten Koordinatensystem aus dem Messstartzeit punkt t₀ oder einem anderen Zeitpunkt entspricht. Die Translations- und/oder Rotationsmatrizen ergeben sich dabei aus den translatorischen und/oder Drehbeschleunigungssignalen 111 der Beschleunigungssensoren 110. Dabei kann die Koordinatentransformation beispielsweise iterativ erfolgen, d. h. Koordinaten (x_n', y_n', z_n') der Profil- bzw. Bilddaten entsprechend einem Messzeitpunkt t_n (n = 0, 1, 2, ..., N – 1) werden sukzessive auf Koordinaten der Profil- bzw. Bilddaten entsprechend den Messzeitpunkten t_n-1, t_n-2, ..., bis hin zum Messstartzeitpunkt t₀ mittels den dem jeweiligen Messintervall zugeordneten Beschleunigungswerten 111 zurückgerechnet. D. h., eine dadurch entstehende dreidimensionale Aufnahme der Objektoberfläche ist die gleiche, als hätte sich das Objekt 102 relativ zu der Vorrichtung 100 an der Bezugsposition bzw. Startposition bewegt. Fotogrammetrie bedeutet dabei eine Gruppe von bekannten Messmethoden und Auswerteverfahren der Fernerkundung, um aus Fotografien und genauen Messbildern eines Objektes seine räumliche Lage oder dreidimensionale Form zu bestimmen.
Neben einer im vorhergehenden beschriebenen Speicherung von aufgezeichneten Beschleunigungs- und Profildaten 111, 108, die der Auswerteeinrichtung 112 für ein sog. Post-Processing zugeführt werden, um die Lichtschnittprofile 108 in absolute Koordinaten in Bezug auf einen Bezugspunkt umzurechnen, kann natürlich auch eine Echtzeit-Signalverarbeitung stattfinden, so dass jedes aufgezeichnete Lichtschnittprofil 108 zeitlich unmittelbar in absolute Koordinaten in Bezug auf den Startpunkt (x₀, y₀, z₀) der Messung umgerechnet wird. In diesem Fall kann auf eine Speichereinrichtung zur Speicherung der Beschleunigungsdaten verzichtet werden.
4A zeigt eine mobile Vorrichtung 100, die sich relativ zu einem Objekt 102 in einer Vorschubrichtung 402 senkrecht zur Projektionslinie 7 bewegt.
Eine zurückgelegte Strecke d senkrecht zur Laserlinie 7 kann gemäß Ausführungsbeispielen dazu verwendet werden, ei ne Aufnahme eines neuen Lichtschnittprofils an der Kamera 106 auszulösen. Die Strecke d kann, wie es oben bereits erklärt wurde, durch zweifache Integration eines Beschleunigungssignals entsprechend einer Beschleunigung in Richtung 402 senkrecht zur Projektionslinie 7 bestimmt werden. D. h., gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung 100 einen Beschleunigungssensor, der die Beschleunigung senkrecht zur Laserlinie 7, d. h. in Vorschubrichtung 402, erfasst und darauf direkt Auslöse- bzw. Triggerimpulse zur Erzeugung eines neuen Lichtschnittprofils erzeugt. Diese Triggerimpulse können z. B. direkt einer festen, räumlich äquidistanten Unterteilung der Vorschubrichtung 402 entsprechen, wie es schematisch in 4B gezeigt ist. Als Resultat sind die Aufnahmenlichtprofile in festen räumlichen Abständen d aufgenommen, unabhängig von einer Gleichmäßigkeit der Scanbewegung der Vorrichtung 100. D. h., selbst bei variierender Scanbewegung kann durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Gleichmäßigkeit der räumlichen Abstände der Lichtprofile ermöglicht werden.
Gemäß die Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung 100 also einen Taktgeber zur Erzeugung von Triggerimpulsen für die Lichtschnittmesseinrichtung 103, so dass eine aktuelle Taktfrequenz 1/Δt von getakteten Lichtschnittmessaufnahmen von einer aktuell erfassten Beschleunigung senkrecht zur Projektionslinie 7 abhängig ist. Dabei ist die aktuelle Taktfrequenz 1/Δt umso höher, je höher eine aus der aktuellen Beschleunigung ermittelte aktuelle Geschwindigkeit der mobilen Vorrichtung bzw. der Lichtschnittmesseinrichtung 103 gegenüber dem Objekt 102 ist.
Abschattungen können auf vorteilhafte Art und Weise unter anderem vermieden werden, wenn beispielsweise die Kamera 106 das Objekt 102 stets senkrecht oberhalb der Projektionslinie 7 erfasst, so dass die optische Achse der Kamera 106 im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Objekts 102 ist. Durch Abscannen des Objektes 102, welches durch eine Bewegung der Vorrichtung 100 um das Objekt erreicht werden kann, werden die erfassten Profildaten 108 schließlich zu einem lückenlosen 3D-Bild der Oberfläche des Objekts 102 zusammengesetzt. Die so erzeugten 3D-Bilder können wesentlich größer sein, als das Sichtfeld der Kamera 106.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen also ein Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Aufnahme eines Objekts 102 mit einem Schritt des Erzeugens von Profildaten des Objekts 102 mit einer Lichtschnittmesseinrichtung 103, einem Schritt des Erfassens einer Beschleunigung der Lichtschnittmesseinrichtung 103 mit einem Beschleunigungssensor 110 und mit einem Schritt des Ermittelns der dreidimensionalen Aufnahme basierend auf der erfassten Beschleunigung 111 und den erzeugten Profildaten 108 mittels einer Auswerteeinrichtung 112.
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Aufnahme eines Objekts in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, das das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Aufnahme eines Objekts ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogramm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogramm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.

Claims

Vorrichtung (100) zum Erzeugen einer dreidimensionalen Aufnahme eines Objekts (102), mit folgenden Merkmalen; einer Lichtschnittmesseinrichtung (103) zum Erzeugen von Profildaten (108) des Objekts (102); ein Beschleunigungssensor (110) zur Erfassung einer Beschleunigung (111) der Lichtschnittmesseinrichtung (103); und einer Auswerteeinrichtung (112) zum Ermitteln der dreidimensionalen Aufnahme basierend auf der erfassten Beschleunigung (111) und den erzeugten Profildaten (108).
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtschnittmesseinrichtung (103) einen Lichtprojektor (104) zum Erzeugen einer Messlichtprojektion auf einer Oberfläche des Objekts (102) aufweist, wobei der Lichtprojektor (104) an einer ersten fixen Relativposition (Δx₁, Δy₁, Δz₁) bezüglich einer Messposition (x_n, y_n, z_n) der mobilen Vorrichtung (100) angeordnet ist, und wobei die Lichtschnittmesseinrichtung (103) eine Kamera (106) zum Erzeugen der Profildaten (108) basierend auf einer Lichtschnittaufnahme der Messlichtprojektion aufweist, wobei die Kamera an einer zweiten fixen Relativposition (Δx₂, Δy₂, Δz₂) bezüglich der Messposition (x_n, y_n, z_n) der mobilen Vorrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit einer Einrichtung zum Bewegen der Lichtschnittmesseinrichtung (103) relativ zu dem Objekt (102) gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Beschleunigungssensor (110) ausgebildet ist, um eine Bewegung der Lichtschnittmesseinrichtung (103) mit einer Bewegungsrichtung (402) senkrecht zu einer von der Lichtschnittmesseinrichtung (103) erzeugten Lichtlinie (7) zu erfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weitere Beschleunigungssensoren (110) aufweist, um eine mehrdimensionale Bewegung der mobilen Vorrichtung zu erfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, die einen Taktgeber zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die Lichtschnittmesseinrichtung umfasst, so dass eine Taktfrequenz (1/Δt) von Lichtschnittmessaufnahmen von der erfassten Beschleunigung abhängig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Taktfrequenz (1/Δt) umso höher ist, je schneller eine aus der Beschleunigung ermittelte Geschwindigkeit der mobilen Vorrichtung (100) ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung (112) ausgebildet ist, um für die Profildaten jeweils eine aktuelle Messposition (x_n, y_n, z_n) der Lichtschnittmesseinrichtung (103) aus einem Integral über die erfassten Beschleunigungssignale (111) des Beschleunigungssensors zu ermitteln.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (112) ausgebildet ist, um die Form des Objekts (102) aus den Profildaten (108) und dazu ermittelten Messpositionen der mobilen Vorrichtung zu bestimmen, indem die Profildaten (108) in ein gemeinsames Koordinatenbezugssystem umgerechnet werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine optische Achse der Kamera (106) im We sentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Objekts (102) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der eine Relativbewegung der Vorrichtung und der optischen Achse der Kamera (106) zu dem Objekt (102) so gewählt ist, das die optische Achse der Kamera bei der Relativbewegung von Objekt und Kamera parallel zu einer Relativbewegungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Objekts bleibt.
Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Aufnahme eines Objekts (102), mit folgenden Schritten: Erzeugen von Profildaten (108) des Objekts mittels einer Lichtschnittmesseinrichtung (103); Erfassen einer Beschleunigung (111) der Lichtschnittmesseinrichtung (103) mittels eines Beschleunigungssensors (110); und Ermitteln der dreidimensionalen Aufnahme basierend auf der erfassten Beschleunigung (111) und den erzeugten Profildaten (108).
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 12, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.