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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein aktives 3D-Vermessungssystem
zum Vermessen von Objekten sowie ein entsprechendes 3D-Vermessungsverfahren.
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Derzeit
bekannte 3D-Vermessungssysteme unterteilt man in aktive und passive
Systeme. Aktive Systeme beleuchten das zu vermessene System aktiv
mit einer künstlichen
Lichtquelle, während
passive Verfahren alleine mit dem Umgebungslicht arbeiten. Zu den
aktiv beleuchtenden Verfahren zählen
beispielsweise laufzeitmessende Laserscanner, Range-Video-Sensoren, aktive
Triangulationsverfahren mit hochwertigem Projektor und digitaler
Videokamera sowie Ultraschallsensoren. Ein Beispiel für ein passives
3D-Vermessungssystem stellt beispielsweise die Stereokamera dar.
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Mit
Ultraschallsensoren werden heutzutage kostengünstige 3D-Vermessungssysteme
bereitgestellt, die insbesondere auf dem Gebiet der Robotik Anwendung
finden. Ein Nachteil von Ultraschallsensoren besteht allerdings
darin, dass man nur eine geringe Winkelauflösung und praktisch nur einen 3D-Tiefenwert
pro Messung erhält.
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Mit
den anderen der zuvor genannten aktiven 3D-Vermessungssystemen können pro
Messung viele 3D-Tiefenwerte mit guter Winkelauflösung ermittelt
werden. Die Kosten für
die Systeme sind jedoch bedingt durch die sehr teuren Einzelkomponenten,
wie beispielsweise Digitalkamera oder Scan-Mechanik, und aufgrund
der digitalen Signalverarbeitung sehr hoch, weshalb bei vielen technischen
Anwendungen bewusst auf den Einsatz solcher Systeme verzichtet wird.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein kostengünstiges
3D-Vermessungssystem mit guter Winkelauflösung und hoher Robustheit bereitzustellen. Ferner
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes
Vermessungsverfahren bereitzustellen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein aktives 3D-Vermessungssystem mit
einer Optik zur Streifenlichtprojektion, einer Videokamera mit analogem
Video-Ausgang; einer
analogen Operationsverstärkerschaltung,
die derart ausgebildet ist, dass sie Punkte mit hohem Grauwert-Gradienten
im analogen Videosignal detektiert, und einem Mik rocontroller, der
derart ausgebildet ist, dass er Tiefenwerk zu den detektierten Punkten
digital bestimmt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen aktiven 3D-Vermessungssystem
erfolgt die Detektion von Punkten mit hohem Grauwert-Gradienten
und somit die Detektion von Punkten des auf ein zu vermessendes
Objekt projizierten Streifenlichts im Videosignal demnach analog
unter Einsatz einer analogen Operationsverstärkerschaltung, die beispielsweise
einen Videoverstärker,
Differenzierer, Komparatoren und dergleichen aufweisen kann. Entsprechend
kann zum einen eine preiswerte Videokamera zum Einsatz kommen und
zum anderen auf teure Komponenten verzichtet werden, die zur digitalen
Detektion erforderlich waren. Die sich anschließende Weiterverarbeitung der
Ausgangssignale der analogen Operationsverstärkerschaltung zur Bestimmung
von Tiefenwerten kann der detektierten Punkte mit Hilfe eines preiswerten
Mikrocontrollers erfolgen, bevorzugt mit Hilfe eines herkömmlichen
8-bit Mikrocontrollers, wie beispielsweise ein PIC oder dergleichen.
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Die
Gesamtkosten für
ein aktives 3D-Vermessungssystem mit dem zuvor beschriebenen Aufbau
sind sehr gering. Ferner lassen sich mit dem erfindungsgemäßen 3D-Vermessungssystem
pro Messung viele 3D-Tiefenwerte mit guter Winkelauflösung vermessen.
Diese Kombination positiver Eigenschaften eröffnet ein breites Spektrum
an neuen Einsatzmöglichkeiten.
Beispielsweise können
auf dem Gebiet der Robotik eingesetzte Ultraschallsensoren, die eine
geringe Winkelauflösung
aufweisen und praktisch nur einen 3D-Tiefenwert pro Messung liefern, ohne
nennenswerte zusätzliche
Kosten durch 3D-Vermessungssysteme gemäß der vorliegendne Erfindung
ersetzt werden, wenn eine gute Winkelauflösung und eine Vielzahl von
Tiefenwerten pro Messung wünschenswert
sind. Das erfindungsgemäße Vermessungssystem
hat aber ebenso Potential als Sensorik für Fahrzeugeinparkhilfen, Messwerkzeuge, Überwachungsanlagen,
etc.
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Zur
Synchronisation zwischen analoger und digitaler Signalverarbeitung
ist gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ein Sync-Separator
zwischen der analogen Operationsverstärkerschaltung vorgesehen, der
die benötigten vertikalen
und horizontalen Synchronisationssignale aus dem analogen Composite-Video-Signal
generiert.
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Die
Videokamera ist vorteilhaft starr mit einer Optik verbunden, wodurch
die Robustheit des aktiven 3D-Vermessungssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung verbessert wird.
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Die
Optik umfasst bevorzugt eine NIR-Lichtquelle, wobei ein NIR-Filter
im Strahlengang der Videokamera angeordnet ist, der sichtbares Licht
zumindest teilweise ausfiltert. Entsprechend weisen die zu detektierenden
Punkte einen größeren Kontrast bzw.
Grauwert-Gradienten
bezüglich
der Umgebung auf, weshalb das projizierte Streifenlicht in dem Videobild
der Videokamera besser detektierbar ist.
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Vorteilhaft
ist die Optik ferner derart ausgerichtet, dass die Lichtstreifen
parallel zu einer Achse eines Koordinatensystems ausgesendet werden,
das der Ermittlung von Tiefenwerten zugrundegelegt wird. Auf diese
Weise lässt
sich der Rechenaufwand zur Bestimmung der Tiefenwerte oder der Umfang
einer Look-Up-Tabelle (LUT), die zur Bestimmung von Tiefenwerten
herangezogen wird, erheblich reduzieren, wie es nachfolgend in der
Beschreibung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung noch genauer erläutert wird.
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Zudem
schafft die vorliegende Erfindung ein 3D-Vermessungsverfahren, insbesondere
unter Verwendung eines aktiven 3D-Vermessungssystems der zuvor beschreibenden
Art, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Projizieren von
Streifenlicht auf ein zu vermessendes Objekt; Aufnehmen eines Videobildes
des Objektes; Abgreifen eines analogen Videosignals; Suchen nach
und Erfassen von Punkten mit hohem Grauwert-Gradienten auf vordefinierten Suchlinien
im analogen Videosignal; Zuordnen der erfassten Punkte zu projizierten
Streifenlichtlinien; und Ermitteln von Tiefenwerten der Punkte.
Dabei können
die Tiefenwerte berechnet oder anhand einer vorab erstellten LUT
bestimmt werden.
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Bevorzugt
wird das Videobild der Videokamera vor der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
bezüglich
des projizierenden Streifenlichts kalibriert.
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Die
Lichtstreifen werden vorteilhaft parallel zu einer Achse des Koordinatensystems
ausgesendet, das der Ermittlung von Tiefenwerten zugrundegelegt
wird, um den Rechenaufwand zur Ermittlung der Tiefenwerte zu verringern.
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Vorzugsweise
wird als Referenzbild ein weiteres Videobild des Objekts aufgenommen,
wobei auf das Objekt keine Lichtstreifen projiziert werden. Auf diese
Weise kann ein negativer Einfluss des Umgebungslichts auf das Erfassen
von Punkten mit hohem Grauwert-Gradienten
minimiert werden. Entsprechend können
Fehlmessungen verhindert werden.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung genauer beschrieben, wobei
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1 eine
schematische Ansicht eines 3D-Vermessungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 eine
schematische Ansicht eines Kamerabildes ist, das mit der in 1 dargestellten
Anordnung aufgenommen wurde;
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3 ein
Diagramm ist, anhand dessen ein beispielhafter Ablauf des erfindungsgemäßen 3D-Vermessungsverfahrens
unter Verwendung der in 1 dargestellten Anordnung erläutert wird;
und
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4 eine
Ansicht ist, anhand der die Berechnung der 3D-Tiefenwerte erläutert wird.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines aktiven 3D-Vermessungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung, das allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet
ist. Das aktive 3D-Vermessungssystem 10 umfasst eine Optik 12,
eine Videokamera 14, die starr mit der Optik 12 verbunden
ist, eine analoge Operationsverstärkerschaltung 16,
einen Mikrocontroller 18 und eine Ausgabeeinrichtung 20.
Die Optik 12 umfasst eine NIR-Lichtquelle, die kurzwellige
NIR-Strahlung in Form von Lichtstreifen 22 in Richtung
eines zu vermessenden Objektes 24 ausstrahlt. Dabei ist
die Optik 12 derart ausgerichtet, dass die Lichtstreifen 22 parallel
zur y-Achse eines Koordinatensystems ausgesendet werden, auf dem
auch die Berechnung der Tiefenwerte basiert. Die Lichtstreifen 22 werden
in Form von Linien 26 auf das zu vermessende Objekt 24 projiziert.
Diese Linien 26 sind bei einer ebenen Oberfläche des
Objektes 24 geradlinig und parallel zueinander angeordnet
und werden bei unebener Oberflächentopografie
des Objektes 24 entsprechend verzerrt. Die Videokamera 14 nimmt
ein Videobild des zu vermessenden Objektes 24 auf, wobei im
Strahlengang der Videokamera 14 ein optischer Filter 28 angeordnet
ist, der sichtbares Licht zumindest teilweise ausfiltert, um die
Detektierbarkeit der mit Hilfe der NIR-Lichtquelle auf das zu vermessende Objekt 24 projizierten
Lichtstreifen 26 zu verbessern.
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Das
von der Videokamera 14 aufgezeichnete Videobild wird über einen
analogen Videoausgang der analogen Operationsverstärkerschaltung 16 zugeführt. Letztere
ist derart ausgebildet, dass sie Punkte 30 mit hohem Grauwert-Gradienten
entlang von vordefinierten Suchlinien 32 im analogen Videosignal
detektiert und entsprechend die Schnittpunkte von Suchlinien 32 und
Lichtstreifen 26 ermittelt, wie es in 2 gezeigt
ist. Die detektierten Punkte 30 werden als Ausgangssignal
der analogen Operationsverstärkerschaltung 16 anschließend dem
Mikrocontroller 18 zugeführt, bei dem es sich vorliegend um
einen 8-bit Mikrocontroller handelt. Der Mikrocontroller 18 bestimmt
daraufhin digital die Tiefenwerte der detektierten Punkte 30,
die dann über
die Ausgabeeinrichtung 20 ausgegeben werden können. Bei der
Ausgabeeinrichtung 20 kann es sich beispielsweise um ein
Display oder dergleichen handeln.
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Zur
Berechnung der Tiefenwerte wird in dem Mikrocontroller
18 zunächst eine
Vorab-Berechnung durchgeführt, bei
der die Videokamera
14 bezüglich der projizierten Lichtstreifen
22 kalibriert
wird. Mit dem in
4 definierten Koordinatensystem
lässt sich
jeder ausgesendete Lichtstreifen
22 beschreiben durch eine
Ebene E: x → = P →
E + βr →
a + γr →
b,
deren Parameter P →
Er →
ar →
b bei der Kalibrierung bestimmt werden. Für jede Suchlinie
und jeden ausgesendeten Lichtstreifen
22 lassen sich dann
die zugehörigen 3D-Koordinaten P →
S ≔ [X
sY
sZ
s]
als Schnitt einer Sichtlinie x → = α·r →
g mit r →
g ≔ [xyf]
durch einen Bildpunkt (x, y) und der jeweiligen Lichtschnitt-Ebene
E anhand der nachfolgenden Gleichungen berechnen, wobei f die Kamerakonstante
ist:
Zs = –((–xErayrbz +
xErbyraz +
yEraxrbz – yErbxraz – ZEraxrby + zErbxray)f)/(fraxrby – frbxray – yraxrbz + yrbxraz + xrayrbz – xrbyraz) (3) -
Der
Rechenaufwand kann erheblich reduziert werden, wenn beim Aufbau
des Systems dafür gesorgt
wird, dass die projizierten Lichtschnittebenen parallel zur y-Achse
des Koordinatensystems angeordnet sind. Hierdurch wird nämlich die
Tiefenberechnung unabhängig
von y, d. h. für
jede Suchlinie gilt die gleiche Berechnungsvorschrift:
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Das
Ermitteln der Z-Werte kann über
eine LUT realisiert werden. Für
ein System mit N = 8 Lichtstreifen 22, TZ = 200 Koordinaten/Zeile
und einer Q = 8-bit Quantisierung der Tiefenwerte benötigt man beispielsweise
N·TZ·Q = 12,8
kbit.
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Soll
mit Hilfe des aktiven 3D-Vermessungssystems 10 ein Objekt 24 vermessen
werden, wie es in 1 gezeigt ist, so werden die
in 3 dargestellten Verfahrensschritte ausgeführt. Zunächst werden
vorab in einem ersten Schritt S1 die zuvor beschriebene Kalibrierung
von Videokamera 14 und projizierten Streifenlichtlinien 22 und
in einem Schritt S2 eine Vorab-Berechnung
der Tiefenwerte für
jede Suchzeile/für
jede projizierte Streifenlichtlinie durchgeführt. Daruafhin werden im Schritt
S3 mit Hilfe der Optik 12 Lichtstreifen 26 auf
das Objekt 24 projiziert, woraufhin das beleuchtete Objekt 24 im
Schritt S4 mit Hilfe der Videokamera 14 aufgenommen wird.
Optional kann eine weitere Aufnahme des Objekts 24 unter Verwendung
der Videokamera 14 erfolgen, wobei keine Lichtstreifen 26 auf
das Objekt 24 projiziert werden. Diese weitere Aufnahme
kann dann als Referenzbild dienen, um negative Einflüsse des
Umgebungslichts auf das Messergebnis zu vermeiden. Anschließend wird
im Schritt S5 das analoge Videosignal der Videokamera 14 abgegriffen.
Dann werden im Schritt S6 im analogen Videosignal auf den vordefinierten
Suchlinien 30 Doppelgradienten im Grauwertverlauf gesucht.
Das eingesetzte Videosystem basiert auf einem hybriden (analog/digital)
Signalverarbeitungskonzept. Hierbei werden Bildsignalgradienten
durch die analoge Operationsverstärkerschaltung 16,
die beispielsweise einen Videoverstärker, Differenzierer, Komperatoren
und dergleichen umfasst, detektiert und auf dem einfachen 8 bit
Mikrcontroller 18 weiterverarbeitet. Die Synchronisation
zwischen analoger und digitaler Signalverarbeitung wird durch den
Einsatz einer Sync-Separators erreicht, der die benötigten vertikalen
und horizontalen Synchronisationssignale aus dem analogen Composite-Video-Signal generiert.
Dieser Baustein kann jedoch ggf. entfallen, wenn die benötigten Signale
direkt in der Videokamera 14 abgegriffen werden können, weshalb
der Sync-Separator in den Figuren nicht dargestellt ist. Die Signalverarbeitung
liefert für
jede Suchlinie 32 mehrere Messpunkte 30, welche
die Zentren der Doppelgradienten markieren. Bei einer Taktfrequenz des
Mikrocontrollers 18 von 16 MHz und einem 8 bit Zähler mit
4 MHz-Zählfrequenz
wird eine nutzbare Auflösung
in Zeilenrichtung von etwa 200 Bildpunkten erreicht.
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Nachdem
die Punkte 30 mit hohem Grauwert-Gradienten lokalisiert
worden sind, erfolgt im Schritt S7 eine Zuordnung der Punkte 30 zu
den Lichtstreifen 26. Im einfachsten Fall geschieht dies unter
der Annahme, dass die Reihenfolge der abgebildeten Lichtstreifen 26 derjenigen
Reihenfolge entspricht, in der die Lichtstreifen 22 von
der Optik 12 ausgesendet wurden.
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Nach
erfolgter Zuordnung der Punkte 30 können dann mit den Gleichungen
(1), (2), (3) bzw. (4) für
diese Bildpunkte in Schritt S8 die zugehörigen 3D-Koordinaten berechnet
oder aber Tiefenwerte aus einer vorab berechneten LUT ausgelesen
werden.
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Legt
man für
die analoge Liniendetektion die Annahme zugrunde, dass man etwa
200 Messwerte/Zeile detektieren kann, lässt sich eine Tiefenauflösung im
Mittel von 0,5% bezogen auf das Messvolumen abschätzen.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik schafft die vorliegende Erfindung
somit ein aktives 3D-Vermessungssystem, das in einfacher Art und
Weise und unter Verwendung sehr preiswerter Einzelkomponenten ein
Erfassen einer Mehrzahl von Tiefenwerten pro Messung bei guter Winkelauflösung ermöglicht.
Die Planherstellungskosten können
mithin gegenüber
herkömmlichen
aktiven 3D-Vermessungssystemen um ein Vielfaches gesenkt werden. Dabei
sind Reduzierungen der Planherstellungskosten von mehr als 90% möglich.
