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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum dreidimensionalen optischen
Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Messverfahren, bei
dem Bilder eines Objektes mitsamt eines von einem Projektor auf
das Objekt projizierten Projektionsmusters mit einer Bildaufnahmeeinheit
aufgenommen und mit einer Bildauswerteeinheit ausgewertet werden.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Messsystem zum dreidimensionalen
optischen Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Messverfahren
mit einem programmierbaren Projektor und mit einer Bildaufnahmeeinheit.
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Die
dreidimensionale optische Erfassung von Objektoberflächen
mittels optischer Triangulationssensoren nach dem Prinzip der Topometrie,
auch Streifenprojektion genannt, ist hinreichend bekannt. Hierbei
werden unterschiedliche Streifenmuster auf das zu vermessende Objekt
projiziert, von einer oder mehreren Kameras beobachtet und anschließend rechnergestützt
ausgewertet.
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Zur
vollständigen Rundumerfassung wird das Objekt dazu in der
Regel aus mehreren Sensorpositionen relativ zum Objekt erfasst und
die Einzelmessungen werden zu einem Gesamtdatensatz zusammengefasst.
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In Reinhard
W. Malz: „Codierte Lichtstrukturen für die 3-D-Meßtechnik
und Inspektion", Berichte aus dem Institut für
Technische Optik der Universität Stuttgart, Januar 1992,
werden verschiedene Vorrichtungen beschrieben, mit denen derartige
Messaufbauten realisiert werden können.
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Grundlage
der beschriebenen topometrischen Messverfahren ist dabei die Beobachtung
und Auswertung der projizierten Streifenmuster. Dabei wird ein diffuses
Reflexionsverhalten der Messobjekt-Oberfläche vorausgesetzt,
so dass das aufprojizierte Muster aus verschiedenen Richtungen beobachtet
werden kann.
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Im
Falle von zum Spiegeln neigenden Messobjekten kann es zu Reflexionen
kommen, die Probleme bei der Beobachtung und Auswertung der Streifenmuster
verursachen.
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Für
spiegelnde Flächen gibt es Lösungsansätze,
wie die Mehrfachmessung mit unterschiedlichen Belichtungszeiten
nach dem Projektionsverfahren oder das zum Beispiel in der
DE 101 27 304 C5 beschriebene
Rasterreflexionsverfahren.
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Beim
Rasterreflexionsverfahren wird kein Muster auf das Objekt aufprojiziert,
sondern beispielsweise ein Muster auf einem Schirm von einer Beobachtungseinheit
nicht direkt, sondern über die als Spiegel dienende Oberfläche
des Messobjekts beobachtet.
DE 101 27 304 C5 beschreibt ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Bestimmung der dreidimensionalen Kontur
einer spiegelnden Oberfläche eines Objektes, wobei eine
Reflexion eines bekannten Rasters an der spiegelnden Oberfläche
des Objektes auf einem Empfänger abgebildet und ausgewertet
wird.
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Problematisch
bleibt es aber weiterhin konkave oder bereichsweise konkave spiegelnde
Objektoberflächen mit den bekannten Projektionsverfahren zu
vermessen.
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Bei
solchen Oberflächen kommt es dann dazu, dass sich auf einem
Oberflächenbereich die auf diesen Bereich projizierte Lichtstruktur
mit dem von mindestens einem anderen Oberflächenbereich
auf diesen Bereich reflektierten Muster überlagert.
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Außerdem
kommt der beim Rasterreflexionsverfahren gewünschte, hier
aber störende Effekt zum Tragen, dass die zu prüfende
Oberfläche selbst als Spiegel im Strahlengang der Beobachtungseinheit
wirkt und diese dadurch zusätzlich zum eigentlich beobachteten
Muster auch das auf eine andere Fläche projizierte Lichtmuster
als Überlagerung beobachtet.
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Diese
beiden Effekte werden im Folgenden als Doppelreflexion bezeichnet.
Dabei ist mit Doppelreflexion sowohl das Vorliegen nur eines der
beiden beschriebenen als auch das gleichzeitige Vorliegen beider
Effekte gemeint.
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Als
Folge dieser Doppelreflexion kann es bei der Auswertung zu nicht-auswertbaren
Bereichen oder fehlerhaften Daten kommen.
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Die
Projektion der für topometrische Messverfahren verwendeten
Lichtstrukturen erfolgt auf vielfältige Weise. Eine Möglichkeit
bieten programmierbare Lichtquellen, wie zum Beispiel Liquid-Crystal-On-Silicon
(LCOS), Digital Micromirror Device (DMD) oder Liquid-Crystal-Display(LCD)-Projektoren sowie
alle anderen und zukünftigen Geräte, die eine Projektion
von Mustern erlauben. Der Einsatz programmierbarer Lichtquellen
eröffnet die Möglichkeit unterschiedliche Lichtstrukturen
computergestützt zu erzeugen.
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DE 196 33 686 C2 beschreibt
ein Element zur Erzeugung von Lichtmustern, das aus mehreren in
einem zweidimensionalen Array angeordneten Spiegeln besteht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und ein Messsystem anzugeben, das es ermöglicht mit topometrischen
Messverfahren, wie zum Beispiel der Streifenprojektion, Objektoberflächen
dreidimensional zu vermessen, die bisher aufgrund von Doppelreflexionen
nicht messbar waren.
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Herkömmlicherweise
wird ein Objekt bei der Streifenprojektion vollständig
beleuchtet, das heißt auf alle Bereiche, die der Projektor
sieht, wird ein Muster projiziert. Es können daher viele
Doppelreflexionen entstehen.
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst
durch
- – Auswählen von Teilbereichen
des Objektes so, dass Reflexionen des Projektionsmusters an der Oberfläche
des Objektes das Projektionsmuster in diesem Teilbereich nicht beeinflussen,
d. h. dass keine Doppelreflexionen auftreten,
- – Projizieren des Projektionsmusters nacheinander beschränkt
auf die ausgewählten Teilbereiche des Objektes durch entsprechende
Ansteuerung einer Bildprojektionseinheit des Projektors und
- – Aufnehmen des jeweils ausgewählten Teilbereiches
des Objektes mitsamt des dort aufprojizierten Projektionsmusters.
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Auf
diese Weise können zum Spiegeln neigende Objekte vermessen
werden. Hierzu wird gemäß der Lehre der vorliegenden
Erfindung das zu vermessende Objekt in einer Sensorposition nicht auf
einmal komplett, sondern sequenziell vermessen. Dabei wird bei jeder
Teilmessung die Lichtstruktur nur auf Teilbereiche des Objektes
projiziert. Diese Teilbereiche werden so gewählt, dass
es zu keinen Doppelreflexionen kommt. Die Definition der Teilbereiche
ist dabei an die Position des Projektors und der mindestens einen
Kamera gekoppelt. Wird ein Objekt also zur vollständigen
Rundumerfassung aus verschiedenen Richtungen vermessen, so müssen
für jede dieser Messungen die Teilbereiche der sequenziellen Messung
neu bestimmt werden.
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Das
Auswählen der Teilbereiche des Objektes, in denen keine
Doppelreflexion auftritt, erfolgt vorzugsweise durch Identifizieren
von ersten Störbereichen des Objektes, in denen bei einer
ausgewählten (fixen) Projektionsrichtung und einer ausgewählten
(fixen) Aufnahmerichtung, das heißt für eine festgelegte
Projektor- und Kameraposition, eine Reflexion eines Projektionsstrahles
des Projektors auf die von der Bildauswerteeinheit erfasste Aufnahme
des Objektes treffen würde, und von zweiten Störbereichen
des Objektes, wobei die zweiten Störbereiche des Objektes
auch die Berei che umfassen, in denen durch Spiegelung (Reflexion
des Beobachtungsstrahls) auf andere Bereiche des Objektes aufprojizierte
Muster beobachtet werden können.
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Das
Auswählen der Folge von Teilbereichen erfolgt so, dass
es zu keinen ersten und zweiten Störbereichen kommt.
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Unter
Reflexion des Projektionsmusters wird somit nicht nur eine Reflexion
des Projektionsstrahles selbst an einer spiegelnden Objektoberfläche, sondern
auch die Reflexion des Beobachtungssrahls an einer Oberfläche
und damit die Beobachtung des Musters eines anderen Objektbereichs
verstanden.
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Das
Identifizieren der ersten und zweiten Störbereiche kann
vorzugsweise automatisch rechnergestützt durch rechnergestützte
Analysen von dreidimensionalen CAD-Daten (Computer-Aided-Design)
des Objektes erfolgen. Vor der topometrischen Messung können
somit die oftmals vorhandenen computergestützten Konstruktionsdaten
des Objektes ausgewertet werden, um bei einer festen Position des
Projektors und der mindestens einen Kamera der Bildaufnahmeeinheit
die Störbereiche rechnerisch zu ermitteln.
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Die
rechnergestützte Auswertung der mit der Bildaufnahmeeinheit
aufgenommenen Streifenmuster zur Erfassung der dreidimensionalen
Kontur des Messobjektes bedarf keiner weiteren Erläuterung. Diese
Auswerteverfahren für die 3D-Streifenprojektions-Messtechnik
sind hinreichend bekannt und kommerziell verfügbar.
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Denkbar
ist auch, wenn eine manuelle Auswahl der Teilbereiche mit Hilfe
eines auf das Objekt projizierten Markierungssymbols erfolgt. Dann
erfolgt ein Auswählen der Teilbereiche und/oder Störbereiche
mit Hilfe des Markierungssymbols durch computergestützes
Verfahren des Markierungssymbols auf dem Objekt und Erfassen der
vom Markierungssymbol markierten Positionen auf dem Objekt als Randbegrenzungen
der ausgewählten Teilbereiche. Die Auswahl der Teilbereiche
kann aufgrund der Projektion des zur Auswahl genutzten Markierungssymbols (z.
B. eines Mauszeigers) direkt auf dem Objekt erfolgen.
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Die
Aufgabe wird weiterhin durch ein Messsystem der eingangs genannten
Art gelöst, das mit einer Steuerungseinheit zum Auswählen
von Teilbereichen des Objektes so, dass Reflexionen des Projektionsmusters
an der Oberfläche des Objektes – einschließlich
der durch Spiegelung wahrnehmbare Reflexionen – das Projektionsmuster
in diesem Teilbereich nicht beeinflussen, zum Projizieren des Projektionsmusters
nacheinander beschränkt auf die ausgewählten Teilbereiche
des Objektes durch entsprechende Ansteuerung einer Bildprojektionseinheit des
Projektors und zum Aufnehmen des Objektes mitsamt des dort aufprojizierten
Projektionsmusters mindestens in dem jeweils ausgewählten
Teilbereich eingerichtet ist.
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Vorzugsweise
hat die Steuerungseinheit Programmcodemittel, um bei einer ausgewählten
(fixen) Projektionsrichtung und einer ausgewählten (fixen)
Aufnahmerichtung erste Störbereiche zu identifizieren,
in denen eine Reflexion eines Projektionsstrahls des Projektors
auf die von der Bildauswerteeinheit erfasste Aufnahmefläche
des Objektes treffen würde, und zweite Störbereiche
des Objektes zu identifizieren, in denen beispielsweise Muster durch Spiegelung
von auf andere Bereiche des Objektes aufprojizierten Mustern beobachtbar
sind, wenn die Programmcodemittel auf einem Computer ausgeführt
werden. Die Programmcodemittel können beispielsweise als
Computerprogramm ausgeführt sein, das auf Basis von CAD-Daten
des Objektes mittels Stahlenrückverfolgung (Raytracing)
rechnergestützt die Störbereiche identifiziert.
Die Folge von Teilbereichen wird dann in Abhängigkeit der
identifizierten ersten und zweiten Störbereiche automatisch
definiert.
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Die
Steuerungseinheit ist in einer bevorzugten Ausführungsform
zum Projizieren eines Markierungssymbols, wie z. B. eines mittels
einer Computermaus virtuell bewegbaren Mauszeigers, eingerichtet,
wobei dann in einer an sich aus der Computertechnik bekannten Weise
ein computergestützes Verfahren des Markierungssymbols
auf dem Objekt ermöglicht wird. Die Steuerungseinheit ist
zudem zur Auswahl der Teilbereiche und/oder Störbereiche
mit Hilfe des Markierungssymbols durch Erfassen der vom Markierungssymbol
markierten Positionen auf dem Objekt als Randbegrenzungen der ausgewählten
Teilbereiche eingerichtet. Die Markierung der Positionen auf dem
Objekt kann beispielsweise mit Hilfe eines mit Hilfe des Mauszeigers
veränderbaren Selektionslassos erfolgen, das auf das Objekt
projiziert wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen
mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 – Skizze
einer Einrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen von
Objekten;
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2 – Skizze
einer beispielhaften Doppelreflexion durch den Projektionsstrahl;
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3 – Skizze
einer beispielhaften Doppelreflexion durch den Beobachtungsstrahl;
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4a +
b – Skizze eines konkaven Objektes mit teilbereichsweiser
Projektion auf das konkave Bauteil zur Vermeidung von Doppelreflexionen.
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1 lässt
eine schematische Darstellung einer Einrichtung 1 zur dreidimensionalen
optischen Vermessung von Objekten 2 mit einem topometrischen
Messverfahren erkennen. Die Einrichtung 1 hat einen Projektor 3 zur
Projektion von ausgewählten Projektionsmustern auf das
Objekt 2.
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Weiterhin
ist in an sich bekannter Weise eine Bildaufnahmeeinheit 4 in
Form mindestens einer Kamera vorgesehen, die auf das Objekt 2 ausgerichtet und
zur Aufnahme von Bildern des Objektes 2 mit aufprojizierten
Projektionsmustern eingerichtet ist.
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Die
Bildaufnahmeeinheit 4 ist mit einer Bildauswerteeinheit 5 verbunden,
um die aufgenommenen Bilder zur topometrischen Vermessung des Objektes 2 auszuwerten.
Die Bildauswerteeinheit 5 kann beispielsweise ein geeignet
programmierter Computer sein. Die Verfahren zur topometrischen Bildauswertung
sind hinreichend bekannt und werden nicht weiter erläutert.
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Der
Projektor 3 ist mit einer Projektorsteuerungseinheit 6 zur
rechnergestützten Steuerung des Projektionsbildes verbunden.
Die Projektorsteuerungseinheit 6 kann beispielsweise ein
geeignet programmierter Computer sein.
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Die
Projektorsteuerungseinheit 6 des Projektors 3 und
die Bildauswerteeinheit 5 können auch in einem
einzelnen geeigneten Computer 7 vereinigt sein.
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Mit
Hilfe eines solchen Messsystems in Verbindung mit dem programmierbaren
Projektor 3 wird nunmehr das Objekt 2 sequentiell
beschränkt auf einzelne ausgewählte Teilbereiche
vermessen. Dabei wird bei jeder Teilmessung die Lichtstruktur nur
auf Teilbereiche des Objektes 2 projiziert. Diese Bereiche
werden so gewählt, dass es zu keinen Doppelreflexionen
kommt.
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Voraussetzung
hierzu ist eine grobe Kenntnis der Objektform zur Bestimmung der
einzelnen Teilbereiche für die Beleuchtung und Bildaufnahme. Die
Auswahl der Teilbereiche kann zum Beispiel visuell durch den Operator
oder automatisch durch rechnergestützte Analysen vorhandener
CAD-Daten des Objektes 2 erfolgen. Weiterhin ist die Möglichkeit
der Programmierbarkeit der verwendeten Lichtquelle zur Projektion
des Projektionsmusters erforderlich, da ausgenutzt wird, dass eine
programmierbare Lichtquelle rechnergestützt verschiedenste
Strukturen projizieren kann und auch bestimmte Bereiche bei der
Projektion dunkel bleiben können. Die für die Auswertung
der Messdaten vorhandene Rechnereinheit kann dabei auch zur Ansteuerung
der Lichtquelle dienen.
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In
einer ersten beispielhaften Ausführung wird auf das zu
vermessende Objekt 2 ein Markierungssymbol (zum Beispiel
Mauszeiger) projiziert. Mit Hilfe des Markierungssymbols kann der
Anwender manuell zum Beispiel durch ein Selektionslasso die gewünschten
Beleuchtungsbereiche einer Teilmessung als Teilbereiche auswählen.
Dafür wird beim Anwender eine gewisse Erfahrung im Spiegelverhalten
der Objektflächen vorausgesetzt. Bei einfachen geometrischen
Formen des Messobjektes ist dieses möglich.
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Es
erfolgt für die gewählten Teilbereiche eine Teilmessung,
wobei das Projektionsmuster dank der programmierbaren Lichtquelle
rechnergestützt genau auf den gewünschten Teilbereich
aufprojiziert werden kann. In einer möglichen zweiten Messung für
diese Position des Projektors und der Beobachtungseinheit kann dann
beispielsweise als Projektionsbereich genau der Bereich gewählt
werden, der zunächst von einer Projektion ausgeschlossen
wurde.
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Auf
diese Weise kann eine Beeinträchtigung der Messung durch
Doppelreflexion vermieden werden.
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Das
Problem der Doppelreflexion wird anhand der 2 und 3 erläutert.
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2 zeigt
beispielhaft den Verlauf eines Projektionsstrahls eines Projektors 3 auf
ein Messobjekt 2 mit Doppelreflexion. Dabei vermischt sich
in Punkt A das auf diesen Punkt A projizierte Lichtmuster mit dem
von Punkt B reflektierten Muster.
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3 zeigt
beispielhaft den Verlauf eines Beobachtungsstrahls einer Kamera
der Bildaufnahmeeinheit 4 auf ein Messobjekt 2 mit
Doppelreflexion. Dabei beobachtet die Bildaufnahmeeinheit 4 in
Punkt C das auf diesen Punkt C projizierte Lichtmuster und das auf
den Punkt D projizierte Muster aufgrund der im Bereich C spiegelnden
Oberfläche des Objektes 2. Im weitesten Sinne
stellt auch diese Spiegelung eine Reflexion des auf den Punkt D
projizierten Musters dar mit der Besonderheit, dass das Muster durch Reflexion
im spiegelnden Teilbereich des Punktes C über den Beobachtungsstrahl
sichtbar wird.
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4a und
b zeigen Skizzen eines beispielhaften Messobjektes 2, in
dem Doppelreflexionen auftreten können. Es wird anhand
der beiden Figuren deutlich, dass zur Vermeidung dieser Doppelreflexionen
zum Beispiel zwei Teilmessungen vorgenommen werden.
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4a lässt
die in der ersten Teilmessung vorgenommene Projektion eines Musters
nur auf den Bereich T1 erkennen. Der Bereich T1 wird somit als erster
Teilbereich des Objektes 2 ausgewählt, um das Projektionsmuster
auf diesen ersten Teil bereich T1 zu projizieren. Bei der ausgewählten,
fixen Projektionsrichtung des Projektors 3 und der ausgewählten fixen
Aufnahmerichtung der Bildaufnahmeeinheit 4 wird das Projektionsmuster
auf den oberen Teilbereich T1 begrenzt. Zur Vermeidung von Störungen durch
Spiegelungen kann zudem der Teilbereich des von der Bildaufnahmeeinheit 4 aufgenommenen
Bildes ebenfalls auf den Teilbereich T1 beschränkt werden.
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Entsprechend
ist bei der zweiten Teilmessung, die in der 4b skizziert
ist, die Projektion und ggf. auch die Bildauswertung auf den zweiten Teilbereich
T2 beschränkt. Die Beschränkung der Bildauswertung
ist zumeist jedoch nicht erforderlich, da die nicht ausgewählten
und angeleuchteten Teilbereiche dunkel sind und keinen auswertbaren
Informationsgehalt haben.
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Für
komplexere Geometrien wird die Auswahl der sich nicht beeinflussenden
Teilbereiche T1, T2, ...,Tn immer komplizierter. Für diesen
Fall bietet sich die zweite beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung an, bei der die Beleuchtungsbereiche der einzelnen
Teilmessungen bei einer Position des Projektors 3 und der
mindestens einen Kamera der Bildaufnahmeeinheit 4 anhand
von CAD-Daten des Objektes 2 bzw. der Soll-Form des Objektes 2 computergestützt
berechnet werden. Die für diese Berechnung benötigte
aktuelle Position des Projektors 3 und der mindestens einen
Kamera der Bildaufnahmeeinheit in Bezug auf das Messobjekt 2 kann
zum Beispiel durch Rückwärtsberechnung zu im Voraus
eingemessenen Passmarken bestimmt werden. Befindet sich der Projektor 3 und/oder
die Bildaufnahmeeinheit 4 auf einem Handhabungssystem,
so können dessen Positionsdaten verwendet werden.
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Bei
der CAD-gestützten Auswahl der Teilbereiche kann es zwar
durch Abweichung der zu vermessenden Form des Objektes von der als
CAD-Daten abgelegten Soll-Form immer noch zu Doppelreflexionen kommen,
in diesem Falle könnte dann in den verbleibenden Störbereichen
eine manuelle Auswahl der Teilbereiche erfolgen.
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Häufig
ist dies jedoch nicht der Fall, da die Abweichung der Ist-Form von
der Soll-Form zum Beispiel bei der Vermessung von Automobilkarosserien meistens
sehr gering ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10127304
C5 [0008, 0009]
- - DE 19633686 C2 [0016]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Reinhard W.
Malz: „Codierte Lichtstrukturen für die 3-D-Meßtechnik
und Inspektion”, Berichte aus dem Institut für
Technische Optik der Universität Stuttgart, Januar 1992 [0005]