DE102009006089B4

DE102009006089B4 - Verfahren zur Zuordnung von Bildpunkten

Info

Publication number: DE102009006089B4
Application number: DE102009006089.8A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Blug Andreas
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2029-01-27
Also published as: DE102009006089A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Zuordnung eines Bildebenenpunkts (19) in einem mit einer Kamera aufgenommenem Bild (9) zu einem Strukturelement (2) in einem mit einem Projektor erzeugten Muster (1, 15) ist vorgesehen, dass das Muster (1, 15) ein Element einer Musterfolge (11) von Mustern (1, 15) bildet, und dass in dem Strukturelement (2) in den Mustern (1, 15) einer Musterfolge (11) redundant eine Information zur Bestimmung der Position eines Bildebenenpunktes (19) dargestellt wird, wobei die durch die Redundanz erzeugte Überbestimmung zur Kodierung einer Information zur Identifizierung eines Strukturelementes (2), welches der Position eines Bildebenenpunktes (19) in dem Bild (9) zugeordnet wird, verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuordnung eines Bildebenenpunkts in einem mit einer Kamera aufgenommenem Bild zu einem Strukturelement in einem mit einem Projektor erzeugten Muster, wobei in dem Projektor Muster einer Musterfolge erzeugt werden, wobei die erzeugten Muster der Musterfolge eine vorbestimmte, einheitliche Struktur aufweisen, die in Strukturelemente mit variablem Inhalt gegliedert ist, wobei die in dem Projektor erzeugten Muster der Musterfolge mit der Kamera als Bilder einer Bildfolge aufgenommen werden, und wobei durch einen Vergleich der erzeugten Musterfolge mit der aufgenommenen Bildfolge eine Information über die Zuordnung des Bildebenenpunktes eines Bildes zu einem Strukturelement des jeweiligen Musters abgeleitet wird.
Derartige Verfahren sind bekannt und werden beispielsweise zur Lösung des Korrespondenzproblems bei Verfahren zur Aufnahme eines 3D-Bildes eines Messobjektes, wobei das Messobjekt im Strahlengang zwischen einem Projektor und einer Kamera angeordnet wird, Pixel eines mit dem Projektor erzeugten Musters in einem mit der Kamera aufgenommenen Bild identifiziert werden und aus der Position der identifizierten Bildpunkte in den aufgenommenen Bildern ein 3D-Bild des Messobjektes nach dem Triangulationsverfahren berechnet wird, eingesetzt.
Kommerziell erhältliche Geräte verwenden hierbei linienförmige Muster und zur Identifizierung der Linien des erzeugten Musters in dem aufgenommenen Bild Gray-Codes, das Phasenschiebeverfahren oder eine Kombination aus beiden Verfahren. Derartige Verfahren können mit n Pixeln aus der Musterfolge bei binärer Kodierung bis zu 2ⁿ Informationen kodieren. Typisch sind hierbei Musterfolgen von acht bis 15 Mustern, mit denen bei Messzeiten von etwa einer Sekunde sehr hohe Relativgenauigkeiten im Bereich von 10^–5 der Bilddiagonalen erzielt werden können. Aufgrund der hohen Anzahl von Bildern können jedoch nur nahezu statische Objekte vermessen werden. Gray-Code-Kodierungen können jedem einzelnen Bildpunkt eine Liniennummer aus dem Muster zuweisen, eignen sich jedoch nicht zur subpixel-genauen Messung, was bedeutet, dass die Position des Bildpunktes, der einem Strukturelement der Musterfolge im Kamerabild zugeordnet wird, nicht genauer als ein Kamerapixel bestimmt werden kann. Mit dem Phasenschiebeverfahren ist eine solche möglich, es ist aber entweder eine Kodierung über weniger robuste Grauwertbilder oder über mehrere benachbarte Bildpunkte in Binärbildern erforderlich, was wiederum die Anforderungen an Ebenheit, spektrale Homogenität und Größe des Messobjektes erhöht.
Der Stand der Technik des Phasenschiebeverfahrens wird durch J. Gühring: Dense 3-D surface acquisition by structured light using off-the-shelf components, Proceedings of SPIE Vol. 4309 (2001), Seite 220–231 beschrieben.
Gray-Codes sind beispielsweise aus der US 2 632 058 bekannt.
Projektoren mit schaltbaren, polarisationsdrehenden Masken sind in Form von LCD-Elementen bekannt. In DE 2 214 891 A1 wird die Polarisiationsdrehung zu Schaltung der Helligkeit verwendet, indem sie mit einem feststehenden Polarisator kombiniert wird.
Aus der DE 4 115 445 A1 und H. Burkhardt, K. H. Höhne, B. Neumann (Hrsg.): Mustererkennung 1989, 11. DAGM-Symposium Hamburg, 2.–4. Oktober 1989, Proceedings, Berlin etc.: Springer-Verlag sind ein Verfahren zum Aufnehmen eines dreidimensionalen Bildes einer Objektes nach dem aktiven Triangulationsprinzip und eine Vorrichtung hierzu bekannt, bei welchen linienförmige Strukturelemente mit möglichst minimaler räumlicher Ausdehnung verwendet werden, wobei die Identifikation der Strukturelemente über eine Gray-Kodierung in einer Musterfolge dargestellt wird. Zur vollständigen Darstellung der Information ist daher eine größere Anzahl von Mustern in der Musterfolge erforderlich, was nachteilig bei schnell veränderlichen Objekten ist.
Aus DE 196 38 727 A1 , DE 198 221 611 A1 und DD 267 124 A1 sind Verfahren zur Erfassung der räumlichen Struktur einer dreidimensionalen Oberfläche bekannt, wobei die Information zur Identifizierung von Strukturelementen in einem einzigen Bild kodiert werden kann. Dies hat allerdings zur Folge, dass die räumliche Ausdehnung der verwendeten Strukturelemente eine Mindestgröße aufweisen muss, wodurch die Auflösung der Positionsbestimmungen begrenzt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art für den robusten Einsatz in bewegten Vorgängen weiterzubilden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen. Insbesondere ist vorgesehen, dass in jedem Strukturelement der Muster der Musterfolge als Inhalt dieses Strukturelements eine Identifizierungsinformation, also eine Information für die Identifizierung dieses Strukturelements, dargestellt wird, dass die Information zur Identifizierung dieses Strukturelements durch Auswertung der Bilder der Bildfolge zurückgewonnen wird, und, dass aus der Abbildung des Inhalts des Strukturelements in der Bildfolge eine Information zur Bestimmung der Position des Bildebenenpunkts, der dem Strukturelement zugeordnet ist, in den Bildern der Bildfolge ermittelt wird. Anhand der Identifizierungsinformation kann somit der Bildebenenpunkt, welcher einen Bildpunkt in der Bildebene der Kamera darstellt, einem Bildpunkt in der Musterfolge, welcher durch das zur Identifizierungsinformation gehörende Strukturelement repräsentiert wird, zugeordnet werden. Die Ermittlung der Identifizierungsinformation aus der Bildfolge erfolgt vorzugsweise durch eine Dekodierung. Die Eigenschaften gegen über dem Stand der Technik werden dahingehend verbessert, dass die Strukturelemente als „Pseudostrukturen” verwendet werden, d. h. Strukturen, die Informationen enthalten, die erst nach Anwendung von Rechenschritten auswertbar werden. Diese Schritte können für unterschiedliche Anforderungen des Messverfahrens an die jeweilige Information optimiert werden, sofern die Rechenvorschriften zur Auswertung der verschiedenen Informationen sich nicht gegenseitig beeinflussen. Dadurch kann die Anzahl der Muster der Musterfolge und damit die Aufnahmezeit verkürzt werden und es verringern sich die Fehler, welche die Bewegung des Messobjektes bei der Auswertung der Bildfolge verursacht. Somit können schnellere Bewegungsabläufe erfasst werden.
Die Muster der Musterfolge können gleichzeitig und/oder zeitlich nacheinander erzeugt werden und die Bilder der Bildfolge können gleichzeitig und/oder zeitlich nacheinander aufgenommen werden.
Somit ist eine alternative Lösungsmöglichkeit zur Lösung des Korrespondenzproblems bereitgestellt. Mit dem Verfahren können ein Bildebenenpunkt oder mehrere Bildebenenpunkte einem Strukturelement zugeordnet werden.
Von Vorteil, insbesondere im Sinne einer Robustheit des Verfahrens gegenüber Bewegungen, ist dabei, dass die Information für die Identifizierung eines Strukturelements bereits nach Auswertung weniger Bilder, häufig bereits nach Auswertung eines oder mehrerer Bilder, für eine rasche Weiterbearbeitung bereitsteht. Somit können auch schnell bewegte Vorgänge ausgewertet werden.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn die Informationen, die einen großen Messfehler verursachen, binär und durch den Vergleich von Intensitätsunterschieden kodiert werden, weil dadurch die Einflüsse von Fremdlicht und von Unterschieden der Helligkeit des Messobjektes, welche sowohl durch Inhomogenitäten des Messobjektes als auch durch die Bewegung des Messobjektes verursacht werden können, minimiert werden. Bei dem Triangulationsverfahren sind das beispielsweise die Informationen zur Identifizierung des Strukturelementes, da Fehler bei der Dekodierung dieser Information den größten Anteil an Messfehlern in der 3D-Information verursachen.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn sich die Information zur Bestimmung der Position des Bildebenenpunktes eines Strukturelementes über mehrere benachbarte Pixel eines Musters der Musterfolge erstreckt. Dadurch kann beispielsweise für Messobjekte, welche auf dem Teil der Oberfläche, über die das Strukturelement auf die Kamera abgebildet wird, eine gleichmäßige Helligkeit aufweisen, die Genauigkeit der subpixelgenauen Berechnung der Bildposition, beispielsweise unter Verwendung des Schwerpunktes, verbessert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass zur Berechnung der subpixelgenauen Bildposition des Strukturelements möglichst viele Intensitätswerte pro Kamerapixel – in der Folge als „Grauwerte” bezeichnet – herangezogen werden. Es wird hierdurch vorteilhaft erreicht, dass an den Hell-Dunkel-Übergängen der Positionsinformationen der Musterfolge Informationen über die nicht passgenaue Abbildung dieser Informationen gegenüber dem Raster der Kamerapixel gewonnen werden können. Diese Informationen können, beispielsweise durch die Verwendung des Schwerpunktes, zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung des Bildebenenpunktes verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird daher für die Information zur Bestimmung der Bildposition eines Strukturelementes eine Kodierung verwendet, welche sich über mehrere benachbarte Pixel eines Strukturelementes erstreckt, und welche insofern überbestimmt ist, als mehrere unterschiedliche und vorzugsweise binäre Informationen zur Identifizierung des Strukturelementes den gleichen Informationsgehalt für die Positionsbestimmung des Bildebenenpunktes liefern.
Für die Erfassung von bewegten 3-dimensionalen Messobjekten ist es besonders vorteilhaft, wenn sowenig wie möglich Muster in einer Musterfolge benötigt werden, wenn die erforderliche Musterfolge also möglichst kurz ist. Zur Auswertung der Information zur Identifizierung des Strukturelements kann es bereits ausreichend sein, dass die Musterfolge aus nicht mehr als drei Mustern, vorzugsweise nicht mehr als zwei Mustern, insbesondere einem Muster, besteht.
Für eine einfache und fehlerarme Trennung des Inhalts eines Strukturelements von Veränderungen dieses Inhalts im Strahlengang zwischen dem Projektor und der Kamera kann vorgesehen sein, dass die Information zur Identifizierung jedes Strukturelements innerhalb der Musterfolge redundant dargestellt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Information zur Bestimmung der Position des Bildebenenpunktes eines Strukturelements innerhalb der Musterfolge redundant dargestellt und dass diese Redundanz zur Kodierung der Information zur Identifizierung des Strukturelementes verwendet wird. Die Redundanz kann beispielsweise durch einfache Wiederholung oder durch Kodierung derselben Information mit einem abgewandelten Kodierungsschema erfolgen. Die Kodierung und die zur Zurückgewinnung der Identifizierungsinformation durchgeführte Dekodierung erfolgen anhand einer Rechenvorschrift, die insofern redundant ist, als alle möglichen Zustände der Information zur Identifizierung des Strukturelements denselben Beitrag zur Information zur Bestimmung des Bildebenenpunkts, der dem Strukturelement zugeordnet ist, liefern müssen. Beispielsweise kann hierzu vorgesehen sein, dass die unterschiedlichen Kodierungen unabhängig von ihrem Inhalt denselben Grauwert liefern.
Besonders günstig ist es, wenn die durch die redundante Darstellung einer Information zur Identifizierung jedes Strukturelements innerhalb der Musterfolge gebildete Überbestimmung zur Ermittelung der Position des dem Strukturelement zugeordneten Bildebenenpunkts in den Bildern der Bildfolge verwendet wird.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ermittelung der Position des dem Strukturelement zugeordneten Bildebenenpunkts subpixelgenau bezüglich der Auflösung der Kamera und/oder der Auflösung des Projektors ist. Der Bildebenenpunkt ist somit gegeben durch mathematische Koordinaten, die eine feinere Unterteilung des Bildes erlauben als diejenige, welche durch die Auflösung der Kamera und/oder die Auflösung des Projektors vorgegeben ist. Beispielsweise können diese mathematischen Koordinaten rechnerisch aus dem Intensitätsschwerpunkt des Strukturelements in dem aufgenommenen Bild bzw. den aufgenommenen Bildern der Bildfolge gewonnen werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Information für die Identifizierung eines Strukturelements durch eine Hell-Dunkel-Kodierung in den Mustern der Musterfolge binär kodiert wird. Es ist auch eine Kodierung mit Grauwerten mit Vorteil verwendbar.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Information für die Identifizierung eines Strukturelements durch eine spektrale Kodierung in den Mustern der Musterfolge kodiert wird. Die spektrale Kodierung kann hierbei beispielsweise innerhalb der binären Kodierung des Inhalts eines Strukturelements, insbesondere der Information für die Identifizierung des Strukturelements, angewendet werden, oder es können mehrere hell-dunkel- bzw. grauwertkodierte Muster gleichzeitig in verschiedenen spektralen Frequenzbereichen erzeugt werden. Die spektrale Kodierung kann beispielsweise durch Farbkodierung erfolgen, es können jedoch auch Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs mit Vorteil verwendet werden.
Von Vorteil ist dabei, dass die Muster der Musterfolge gleichzeitig von dem Projektor erzeugt werden können, wenn die Kamera Mittel aufweist, die eine Trennung der unterschiedlichen spektralen Frequenzbereiche erlauben. Somit kann die erforderliche Zahl von zeitlich nacheinander mit dem Projektor erzeugten Mustern der Musterfolge nochmals reduziert werden, was besonders für die Erfassung schnell bewegter Messobjekte vorteilhaft ist.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Information für die Identifizierung eines Strukturelements durch eine Kodierung mit unterschiedlichen Lichtpolarisationen kodiert wird, insbesondere binär kodiert wird. Die Verwendung von polarisiertem Licht bietet eine weitere Möglichkeit, Informationen zu kodieren und zu übertragen. Hierdurch kann die Zahl der für eine sichere Ermittelung der Information für die Identifizierung des Strukturelements aus den aufgenommenen Bildern der Musterfolge mindestens erforderlichen Muster der Musterfolge nochmals reduziert werden. Beispielsweise können zwei oder mehr Muster einer Musterfolge gleichzeitig mit verschiedenen, vorzugsweise mit zwei um 90° verkippten und linearen Polarisationszuständen in dem Projektor erzeugt und in ein oder zwei Kameras als zwei unabhängige Bilder aufgenommen und ausgewertet werden.
Für eine redundante Darstellung kann vorgesehen sein, dass die Information für die Identifizierung eines Strukturelements in einem ersten Muster dargestellt und in dem in der Musterfolge folgenden Muster wiederholt wird, wobei die Kodierung dieser Information in dem folgenden Muster durch Permutierung und/oder Invertierung aus der Kodierung in dem ersten Muster hervorgeht. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Information für die Identifizierung eines Strukturelements in einem Muster mit einer Hell-Dunkel-Kodierung binär dargestellt ist und in dem folgenden Muster dieselbe Information mit einer invertierten Hell-Dunkel-Kodierung dargestellt ist, bei welcher die hellen Kodiereinheiten der ersten Kodierung in der invertierten Kodierung dunkel erscheinen und umgekehrt. Es kann vorgesehen sein, dass bei einer spektralen Kodierung die Information mit mehreren Kodierungen nacheinander dargestellt wird, wobei sich die einander entsprechenden Kodiereinheiten zu einem neutralen Wert ergänzen oder addieren.
Die Strukturelemente können die unterschiedlichste, regelmäßig oder unregelmäßige geometrische Form aufweisen. Ein großes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bereits erreicht, wenn die Strukturelemente in den Mustern in einer streifenförmigen Anordnung ausgebildet werden. Die Auswertung streifen- bzw. linienförmiger Muster ist mit vergleichsweise geringem Aufwand durchführbar.
In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Strukturelemente in einer Gitteranordnung ausgebildet werden. Beispielsweise kann eine Gitteranordnung ausgebildet werden, indem zwei streifenförmige Muster in gekreuzter, beispielsweise rechtwinkliger, Anordnung überlagert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Information für die Identifizierung eines Strukturelements längs einer Erstreckungsrichtung des Strukturelements kodiert wird. Diese Erstreckungsrichtung schließt bei einer Ausgestaltung mit der Triangulationsebene, die bei einem Triangulationsverfahren ausgezeichnet bzw. verwendet wird, einen Winkel ein. Dieser Winkel liegt vorzugsweise zwischen 45° und 135°, besonders vorzugsweise bei 90°.
Für eine einfach verarbeitbare Kodierung der Information für die Identifizierung für die Identifizierung eines Strukturelements kann vorgesehen sein, dass die Information eines Strukturelements als Nummer des Strukturelements in einer Darstellung zu einer vorgegebenen Zahlenbasis kodiert wird.
Eine robuste Kodierung der Information für die Identifizierung eines Strukturelements wird erreicht, wenn in einer ersten Erstreckungsrichtung des Strukturelements die Nummer des Strukturelements als Abfolge von Ziffern der Darstellung der Nummer des Strukturelements zu einer vorgegebenen Zahlenbasis dargestellt werden.
Zur Erreichung einer guten Ausnutzung des durch das Strukturelement bereitgestellten Platzes kann vorgesehen sein, dass in einer weiteren Erstreckungsrichtung des Strukturelements der Zahlenwert jeder Ziffer der Darstellung zu einer vorgegebenen Zahlenbasis der Nummer des Strukturelements binär dargestellt wird.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die weitere Erstreckungsrichtung des Strukturelements quer zu der ersten Erstreckungsrichtung ausgerichtet ist. Vorzugsweise schließt die weitere Erstreckungsrichtung mit der ersten Erstreckungsrichtung einen rechten, einen näherungsweise rechten oder einen spitzen Winkel ein.
Eine gute Platzausnutzung des Musters ergibt sich beispielsweise, wenn die erste Erstreckungsrichtung des Strukturelements parallel zu der Streifenrichtung der streifenförmigen Anordnung der Strukturelemente ausgerichtet ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann zur Extraktion der redundant in der Musterfolge kodierten Information vorgesehen sein, dass die Unterschiede zwischen den aufgenommenen Bildern der Bildfolge ermittelt werden und dass die Information für die Identifizierung des Strukturelements aus den ermittelten Unterschieden abgeleitet wird.
Zur Ermittlung der Unterschiede zwischen aufgenommenen Bildern kann vorgesehen sein, dass als Unterschied zwischen den aufgenommenen Bildern die pixelweise Differenz der Helligkeitswerte oder der Farbwerte oder der Polarisationswerte zwischen zwei aufgenommenen Bildern, die vorzugsweise in der Bildfolge aufeinander folgen, bestimmt wird. Dies kann sowohl für gleichzeitig erzeugte als auch für nacheinander erzeugte Muster der Musterfolge durchgeführt werden.
Besonders günstig ist es dabei, wenn die aus den Unterschieden zwischen den aufgenommenen Bildern abgeleitete Information für die Identifizierung eines Strukturelements von der Reihenfolge der aufgenommenen Bilder in der Bilderfolge abhängt. Von Vorteil ist dabei, dass die Reihenfolge der Muster zur Kodierung verwendbar ist, womit eine Information bereits nach wenigen Mustern erfassbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass zur Ermittelung der Position des dem Strukturelement zugeordneten Bildebenenpunkts in den Bildern der Bildfolge eine weitere Information gewonnen wird, die von der Reihenfolge der aufgenommenen Bilder in der Bildfolge unabhängig ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Ermittelung der Position des dem Strukturelement zugeordneten Bildebenenpunktes genauer durchführbar ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Bildebenenpunkt als Intensitätsschwerpunkt über alle an der Darstellung des Strukturelements beteiligte Bildelemente der Bilder der Bildfolge ermittelt wird. Somit ist die gesamte bereitgestellte Intensität des Projektors nutzbar.
Zur verbesserten Erfassbarkeit der Information für die Identifizierung eines Strukturelements kann vorgesehen sein, dass die Information für die Identifizierung eines Strukturelements in dem Strukturelement mehrfach enthalten ist. Auch dies stellt eine Redundanz dar, die bei der Auswertung eines im Strahlengang zwischen Projektor und Kamera durch Reflexionen, Beugungen und Abschattungen veränderten Musters der Musterfolge mit Vorteil verwendbar ist.
Zur Ermittlung von Deformationen der erzeugten Muster im Strahlengang zwischen Projektor und Kamera, beispielsweise durch Reflexionen, Beugung und/oder Abschattung, kann vorgesehen sein, dass die Strukturelemente in den Mustern oder die Muster Rasterelemente, mit denen der Abbildungsmaßstab des Musters in dem aufgenommenen Bild bestimmbar ist, enthalten. Besonders günstig ist es dabei, wenn die Rasterelemente eine regelmäßige Anordnung bilden, beispielsweise eine Gitteranordnung mit vorgegebenem Gitterabstand.
Zur besseren Unterscheidung der Strukturelemente in den aufgenommenen Bildern kann vorgesehen sein, dass die Strukturelemente in den Mustern durch Trennelemente getrennt sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Trennelemente passend zu der Form der Strukturelemente ausgebildet sind. Beispielsweise können streifenförmige Trennelemente bei streifenförmigen Strukturelementen ausgebildet sein. Die Trennelemente können als dunkle und nicht aktive Bereiche in den Mustern ausgebildet sein.
Besonders günstig ist es dabei, wenn die Trennelemente jeweils wenigstens eine Markierung aufweisen, welche zur Gliederung der Information zur Identifizierung eines Strukturelements verwendet wird. Somit ist der Platz für die Trennelemente in den Mustern für eine weitere Funktion nutzbar, die zum Erfassen der kodierten Information zur Identifizierung eines Strukturelements verwendet werden kann.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Markierung eine vorbestimmte Kodierungsposition in der Kodierung der Information für die Identifizierung eines Strukturelements kennzeichnet. Die vorbestimmte Kodierungsposition kann durch die Position einer vorbestimmten Zahlenpotenz in einer Zahlendarstellung der Information für die Identifizierung und/oder durch die Markierung des Beginns bzw. des Endes der Darstellung der Information für die Identifizierung verwendet werden.
Bei einem Anwendungsgebiet der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erzeugten Muster der Musterfolge durch ein im Strahlengang zwischen Projektor und Kamera angeordnetes Objekt verändert werden. Somit können anhand der aufgenommenen Bildfolge dreidimensionale Ansichten des Objekts berechnet werden.
Für eine möglichst genaue Bestimmung des dem identifizierten Strukturelement zugeordneten Bildebenenpunktes kann vorgesehen sein, dass die Auflösung der aufgenommenen Bilder höher als die Auflösung des jeweiligen Musters in dem aufgenommenen Bild ist.
Zur weiteren Verbesserung der Auflösungsgenauigkeit des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein weiterer Bildebenenpunkt vorgeben wird, zu welchem ein Punkt in wenigstens einem Muster der Musterfolge ermittelt wird. Dieser weitere Bildebenenpunkt kann in räumlicher Nähe zu dem ersten Bildebenenpunkt angeordnet sein, beispielsweise innerhalb eines vorgegeben Abstands. Beispielsweise kann hierbei vorgesehen sein, dass die Kodierung der Information für die Identifizierung eines Strukturelements mit einer Gray-Code-Kodierung kombiniert wird, um Bildebenenpunkte subpixelgenau zu bestimmen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Helligkeitsunterschiede der Kodierung der Information für die Identifizierung eines Strukturelements verwendet werden, um lokale Schwellwerte für die Auswertung von nach dem Gray-Code-Verfahren kodierten Musterfolgen zu berechnen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass mehrere, beispielsweise mindestens drei, ähnliche Musterfolgen projiziert werden, bei denen die Grauwerte, welche aus den Musterfolgen zu überlappenden Bereichen der Bildebene gewonnen werden, nicht nur als Information zur Berechnung des Bildebenenpunktes, sondern zur Berechnung eines Phasenwinkels nach dem Phasenschiebeverfahren verwendet werden. Insbesondere kann demnach vorgesehen sein, dass die Muster mit Grauwerten beaufschlagt werden, wobei die Grauwerte einen periodischen, beispielsweise einen sinusförmigen, Werteverlauf über das Muster aufweisen. Besonders günstig ist es, wenn die Richtung der Phasenverschiebung beim Phasenschiebeverfahren einen Winkel mit der Triangulationsebene einer Triangulationsmessanordnung einschließt, der beispielsweise zwischen 45° und 135° liegt, insbesondere der 90° beträgt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Muster Musterpixel aufweisen.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in allen Mustern der Musterfolge ein bestimmtes Musterpixel einen bestimmten Grauwert, Helligkeitswert, spektralen Wert, Farbwert oder Polarisationswert hat. Besonders günstig ist es, wenn dieses Musterpixel einen Helligkeitswert aufweist, sodass aus dem Abbild dieses Musterpixels in den aufgenommenen Bildern die Lichtstärke des Projektors abgeleitet werden kann. Dieses Musterpixel kann Teil eines Rasterelements sein bzw. als Rasterpixel verwendet werden.
Von Vorteil ist dabei, dass die Rasterelemente und/oder die Trennelemente zur Definition der Grenzen für die Berechnung des Bildebenenpunktes und/oder zur Dekodierung der Identifizierungsinformation und/oder zur Definition fester Phasenwerte in einem Grauwertbild verwendet werden können.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Musterpixel in den Mustern der Musterfolge vorgesehen sein, das für alle Muster der Musterfolge lichtundurchlässig ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Abbild in den aufgenommenen Bildern der Bilderfolge dieses Musterpixels zur Bestimmung des Einflusses des Hintergrunds, also bei abgeschaltetem Projektor, durchgeführt werden kann.
Zur Erkennung des Trennelements und/oder des Rasterelements kann vorgesehen sein, dass zur Bestimmung der pixelweisen Differenz zwischen aufgenommenen Bildern eine Berechnungsvorschrift verwendet wird, die im Ergebnis die übereinstimmenden Bildpixel in den Bildern hervorhebt, beispielsweise durch Zuweisen eines Grau- oder Helligkeitswerts, der heller ist als der Hintergrundsgrauwert.
Zur Berechnung der pixelweisen Differenz von Bildern einer Bilderfolge kann vorgesehen sein, dass nur Differenzen, die über einem vorgegebenen Schwellwert liegen, gewertet werden. Beispielsweise kann dieser Schwellwert durch das natürliche Rauschen und/oder durch eine mittlere Intensität über Bildpixel der aufgenommenen Bilder gegeben sein.
Die Aufgabe wird gelöst bei einem Verfahren zur Aufnahme eines 3D-Bildes wenigstens eines Messobjektes, wobei mit einer Kamera eine von einem Projektor erzeugte Musterfolge als Bildfolge aufgenommen wird, in einem erfindungsgemäßen Verfahren die Position wenigstens eines einem Strukturelement zugeordneten Bildebenenpunkts in den Bildern der Bildfolge ermittelt wird und aus den ermittelten Positionen der Bildebenenpunkte und aus den diesen Bildebenenpunkten zugeordneten Strukturelementen ein 3D-Bild oder eine 3D-Kontur des wenigstens einen Messobjekts berechnet wird. Durch die Verwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens ist es möglich, mit einer Musterfolge mit wenigen Mustern auszukommen. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufnahme eines 3D-Bildes wenigstens eines Messobjektes zur Aufnahme von schnell bewegten Messobjekten eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Messobjekt im Strahlengang zwischen dem Projektor und der Kamera angeordnet wird.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Projektor an dem wenigstens einen Messobjekt ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ist aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale der Ansprüche untereinander und/oder mit Merkmalen der Ausführungsbeispiele.
Es zeigt
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßes Verfahren mit Hell-Dunkel-Kodierung,
2 eine schematische Darstellung eines Triangulationsverfahrens mit einer Linie nach dem Stand der Technik,
3 eine schematische Darstellung eines Triangulationsverfahrens mit mehreren Linien nach dem Stand der Technik,
4 eine Einteilung einer Projektormaske in Strukturelemente,
5 eine Hell-Dunkel-Kodierung einer Information zur Identifizierung eines Strukturelements in einem geraden Muster,
6 eine Hell-Dunkel-Kodierung einer Information zur Identifizierung eines Strukturelements in einem ungeraden Muster,
7 ein Trennelement in einer Projektormaske gemäß 4,
8 eine Hell-Dunkel-Kodierung einer Information zur Identifizierung eines Strukturelements in einem geraden Muster für eine Projektormaske gemäß 4,
9 eine Hell-Dunkel-Kodierung Kodierung einer Information zur Identifizierung eines Strukturelements in einem ungeraden Muster für eine Projektormaske gemäß 4,
10 das von einem gleichförmig grauen, ebenen Messobjekt reflektierte Bild des Musters gemäß 8,
11 das von einem gleichförmig grauen, ebenen Messobjekt reflektierte Bild des Musters gemäß 9,
12 das positive Differenzbild der Bilder gemäß 10 und 11,
13 das negative Differenzbild der Bilder gemäß 10 und 11,
14 das Differenzbild der Bilder gemäß 10 und 11,
15 das aus den Bildern gemäß 10 und 11 abgeleitete Rasterbild,
16 eine schematische Momentaufnahme eines erfindungsgemäßes Verfahren mit spektraler Kodierung,
17 die Unterteilung eines Strukturelements mit spektraler Kodierung,
18 ein Muster mit spektraler Kodierung,
19 das von einem gleichförmig grauen, ebenen Messobjekt reflektierte Bild des Musters gemäß 18,
20 das Differenzbild zu dem Bild gemäß 19,
21 das Rasterbild zu dem Bild gemäß 19,
22 die Anordnung zweier Streifennummern in dem Muster gemäß 18,
23 eine schematische Momentaufnahme eines erfindungsgemäßes Verfahren mit Strukturelementen mit geometrisch unregelmäßiger Form,
24 eine Einteilung einer Projektormaske in Strukturelemente mit geometrisch unregelmäßiger Form,
25 eine Hell-Dunkel-Kodierung der Information zur Identifizierung der Strukturelemente bei einem geraden Muster einer Musterfolge für eine Projektormaske gemäß 24,
26 eine Hell-Dunkel-Kodierung der Information zur Identifizierung der Strukturelemente bei einem ungeraden Muster einer Musterfolge für eine Projektormaske gemäß 24,
27 das von einem gleichförmig grauen, ebenen Messobjekt reflektierte Bild des geraden Musters gemäß 25,
28 das von einem gleichförmig grauen, ebenen Messobjekt reflektierte Bild des ungeraden Musters gemäß 26,
29 das Differenzbild der Bilder gemäß 27 und 28 und
30 die Anwendung des Phasenschiebeverfahrens bei einem erfindungsgemäßen Verfahren.
2 zeigt eine schematische Momentaufnahme eines bekannten Triangulationsverfahrens mit einer Linie.
In einem nicht weiter dargestellten Projektor wird ein Muster 1 mit einem als Linie ausgebildeten Strukturelement 2 erzeugt. Dies geschieht in der Regel mit einer Maske, die vor die Lichtquelle des Projektors in den Strahlengang der Lichtquelle gebracht wird. Die Lichtquelle kann zur Erzeugung von Lichtstrahlen im sichtbaren Frequenzbereich und/oder im Infrarot- bzw. Ultraviolett-Bereich ausgebildet sein.
Dieses erzeugte Muster 1 wird durch die von dem Projektor ausgehenden Lichtstrahlen 3 auf eine Messobjekt 4 und den hinter dem Messobjekt 4 befindlichen Hintergrund 5 projiziert. Das Messobjekt 4 ist lediglich zur Illustration als Quader gezeigt. Es können auch Messobjekte mit komplexerer Form auftreten. Der Hintergrund 5 muss keinesfalls eben sein.
Durch die Lichtstrahlen 3 wird somit auf den dem Projektor zugewandten Oberflächen 6 des Messobjekts 4 und dem Hintergrund 4 eine helle, linienförmige Struktur 7 erzeugt, die das Abbild des Strukturelements 2 darstellt.
Sowohl die dem Projektor zugewandten Oberflächen 6 des Messobjektes 4 als auch der Hintergrund 5 reflektieren das auftreffende Licht als Lichtstrahlen 8, die in einer nicht weiter dargestellten Kamera als Bild 9 des Musters 1 aufgenommen werden.
Das Bild 9 enthält eine Darstellung des durch das Messobjekt 4 und den Hintergrund 5 veränderten Abbilds des Strukturelements 2 als mehrteiliges Bildelement 10.
Aus den Abweichungen der Form des Bildelements 10 von der Form des Strukturelements 2 kann bei bekanntem Einfallswinkel der Lichtstrahlen 3 und 8 nach den Gesetzmäßigkeiten der räumlichen Geometrie und den bekannten Reflexionsgesetzen für Lichtstrahlen eine 2D-Kontur berechnet werden, die der durch die linienförmige Struktur 7 markierten Kontur an dem Messobjekt 4 und dem Hintergrund 5 entspricht.
3 zeigt ein bekanntes Triangulationsverfahren, welches die Berechnung von 3D-Konturen eines Messobjektes 4 ermöglicht.
Hierzu wird in einem nicht weiter gezeigten Projektor eine Musterfolge 11 von Mustern 1 erzeugt, die zeitlich nacheinander mit Lichtstrahlen 3 des Projektors auf das Messobjekt 4 und den Hintergrund 5 projiziert werden.
Die von den dem Projektor zugewandten Oberflächen 6 des Messobjekts 4 sowie von dem Hintergrund 5 reflektierten Lichtstrahlen 8 werden in einer nicht weiter ersichtlichen Kamera als Bildfolge 12 von Bildern 9 aufgenommen.
Die Muster 1 enthalten jeweils Strukturelemente 2 in Form von hellen bzw. dunklen vertikalen Streifen. Durch die Anordnung der Strukturelemente 2 in der Musterfolge 11 ergibt sich insgesamt eine Gray-Kodierung von Nummern für die Streifen in der feinsten Unterteilung, die in 3 als drittletztes Muster 2 der Musterfolge 11 dargestellt ist.
Die Nummern dieser Streifen können jedoch erst aus der Gesamtheit der Muster 2 der Musterfolge 11 entschlüsselt werden. Sie ergeben sich nicht aus einem einzelnen Muster 2.
An die Gray-Kodierung in der Musterfolge 11 schließt sich ein helles Muster ohne Strukturelemente und ein vollständig dunkles Muster ohne Strukturelemente an, um die Reflexion des Messobjektes 4 und des Hintergrundes 5 und den Beitrag eventuell vorhandener Störlichtquellen zu erfassen.
Es sind somit für die Durchführung des Verfahrens gemäß 3 sieben Muster 2 erforderlich. Diese sieben Muster 2 werden als sieben Bilder 9 der Bildfolge 12 aufgenommen und ausgewertet. Bei der Auswertung wird jedem Bildpixel 13 eine binäre Zahlenfolge 14 zugeordnet, deren Werte dadurch gegeben sind, ob in dem betreffenden Bild 9 das Bildpixel 13 hell oder dunkel ist.
Aus den binären Zahlenfolgen 14 für die Bildpixel 13 wird anschließend mit den bekannten Gesetzmäßigkeiten der räumlichen Geometrie und der Optik eine 3D-Kontur des Messobjektes 4 berechnet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem Projektor wird eine Musterfolge 11 aus einem ungeraden Muster 1 und einem geraden Muster 15 erzeugt, die mit Lichtstrahlen 3 auf ein Messobjekt 4 und einen Hintergrund 5 projiziert wird. Die von den dem Projektor zugewandten Oberflächen 6 des Messobjekts 4 und von dem Hintergrund 5 reflektierten Lichtstrahlen 8 werden als Bildfolge 12 mit einem ungeraden Bild 9 des ungeraden Musters 1 und einem geraden Bild 16 des geraden Musters 15 aufgenommen.
Die Muster 1, 15 sind aus hellen und dunklen Musterpixeln zusammengesetzt, deren Hell-Dunkel-Wert durch Zahlenwerte M_g(k, l) für das gerade Muster 1 bzw. M_u(k, l) für das ungerade Muster 15 vorgegeben ist, wobei k die Zahl der Spalten und l die Zahl der Zeilen durchläuft. „Ungerade” und „gerade” beziehen sich hier und im Folgenden auf die Nummer des Musters 1, 15 in der Musterfolge 11.
Das ungerade Muster 1 weist zwei streifenförmige Strukturelemente 2 auf, die in 1 durch jeweils zwei über das Muster verlaufende Pixelspalten gebildet werden. Die benachbarten Strukturelemente 2 sind durch zwischen zwei Strukturelementen angeordnete, ebenfalls streifenförmige Trennelemente 16 getrennt.
Das gerade Muster 15 ergibt sich aus dem ungeraden Muster 1 dadurch, dass die Hell-Dunkel-Werte der Musterpixel der Strukturelemente 2 des geraden Musters 1 bei dem ungeraden Muster 15 gerade invertiert sind, während die Hell-Dunkel-Werte der Trennelemente 17 in beiden Mustern 1, 15 gleich sind.
Ist also M_u(k, l) für ein Musterpixel (k, l) eines Strukturelements 2 Musters 1 gleich Eins, so ist M_g(k, l) gleich Null und umgekehrt. Das ungerade Muster 1 und das gerade Muster 15 weisen daher eine einheitliche Struktur auf, die in Strukturelemente 2 mit variablen Inhalt M_u(k, l) bzw. M_g(k, l) gegliedert ist.
Die Strukturelemente 2 formen Bildelemente 18 in den aufgenommenen Bildern 9, 16. Die Bilder 9, 16 sind aus Bildpixeln zusammengesetzt, deren Helligkeitswerte im folgenden mit B_u(i, j) für den Helligkeitswert des Bildpixels (i, j) des ungeraden Bilds 9 und B_g(i, j) für den Helligkeitswert des Bildpixels (i, j) des geraden Bilds bezeichnet werden.
Zur Berechnung einer 3D-Kontur des Messobjektes 4 ist es erforderlich, die Bildelemente 18 einzelnen Strukturelementen 2 zuzuordnen. Hierzu sind die Strukturelemente 2 von links nach rechts zur Identifizierung gedanklich durchnummeriert. Zur Identifizierung der Strukturelemente 2 ist diese Nummerierung als Hell-Dunkel-Kodierung in den Strukturelementen 2 dargestellt, die im folgenden näher erläutert wird.
Aus dem Bildelement 18 wird durch Bestimmung des Intensitätsschwerpunkts ein Bildebenenpunkt 19 ermittelt, dessen Ausdehnung kleiner als die Ausdehnung eines Bildpixels 13 ist. Dieser Bildebenenpunkt 19 wird nach Auswertung der Information zur Identifizierung des Strukturelements 2, welches das Bildelement 18 erzeugt hat, diesem Strukturelement 2 zugeordnet, und es wird aus den Zuordnungen die 3D-Kontur berechnet.
4 zeigt die zur Erzeugung der Muster 1, 15 verwendete Projektormaske 20. Durch Abdunklung werden die Helligkeitswerte der Musterpixel M_u(k, l) bzw. M_g(k, l) festgelegt. Die Maskenpixel N_X,Y mit X = 1, 3 und Y = A, A', B, B', C, C' werden zur Festlegung des linken Strukturelements 2 in 1 verwendet, die Maskenpixel N_X,Y mit X = 2, 4 und Y = A, A', B, B', C, C' für das rechte Strukturelement 2. Die Maskenpixel T_a, T_b, T_c werden zur Festlegung der Trennelemente 17 verwendet, wobei hier die Helligkeitswerte bei den Mustern 1, 15 identisch gewählt sind.
5 zeigt die Möglichkeiten, mit zwei Maskenpixeln die Ziffern einer Information zur Identifizierung eines Strukturelements zu kodieren. Hierbei kodieren die Zeilen von oben nach unten die Ziffern 0, 1, 2, 3.
6 zeigt die gegenüber 5 invertierte Kodierung. Es ist ersichtlich, dass sich bei Bildung des Betrags des Helligkeitsunterschieds zwischen den einander entsprechenden Pixeln der 5 und 6 für jedes Pixel derselbe Grauwert ergibt. Durch diese Überbestimmung des Grauwerts ergibt sich die Möglichkeit, zusätzliche Informationen zu kodieren, beispielsweise die Information zur Identifizierung eines Strukturelements.
7 zeigt die Helligkeitswerte der Maskenpixel, die zur Erzeugung der Trennelemente 17 verwendet werden. T_a und T_b sind dunkel, währen T_c hell festgelegt ist. Diese Belegung wiederholt sich längs der Erstreckungsrichtung des Trennelements 17 über das Muster 1 bzw. 15.
8 zeigt ein ungerades Muster 1, wie es bei dem Verfahren gemäß 1 mit der Projektormaske 20 erzeugt wird. Die Kodierung der Information der Strukturelemente 2 ist in jeweils zwei Musterpixelspalten 21, 22, 23, 24 dargestellt. Es wird eine Hell-Dunkel-Kodierung der Nummern der Strukturelemente 2 angewendet. Längs der Erstreckungsrichtung der Strukturelemente 2, also von oben nach unten in 8, ist die Ziffernfolge der Nummer in einer Zahlendarstellung zur Basis 4 aufgetragen. Quer zu dieser Erstreckungsrichtung ist in einer zweiten Erstreckungsrichtung der Zahlenwert jeder Ziffer aufgetragen, wie zu 5 erläutert.
Es ergibt sich somit für das durch die Spalten 21 und 22 gebildete Strukturelement 2 mit den Erläuterungen zu 5 die Nummer 1 × 4⁰+ 3 × 4' + 0 × 4² = 13. Diese Nummer wird in den unteren drei Zeilen der Spalten 21 und 22 wiederholt.
Für das durch die Spalten 23 und 24 gebildete Strukturelement 2 ergibt sich mit den Erläuterungen zu 5 die Nummer 2 × 4⁰+ 3 × 4' + 0 × 4² = 14. Diese Nummer wird ebenfalls in Erstreckungsrichtung des Strukturelements 2 wiederholt.
Durch die Belegung der Maskenpixel T_a und T_b mit einem dunklen Helligkeitswert werden die Trennelemente 17 gebildet. Durch die Belegung des Maskenpixels T_c mit einem hellen Helligkeitswert ergibt sich eine quadratische Gitteranordnung von Rasterelementen 25, die zur Bestimmung des Abbildungsmaßstabs zwischen Projektor und Kamera verwendet werden kann.
Durch die Wiederholung der Kodierung längs der Strukturelemente 2 ergibt sich eine Streifenform. Weist in einem Muster 1, 15 gemäß 8 dagegen jeder Quadrant eine andere Information auf, bildet jeder Quadrant ein eigenes Strukturelement. Es ergibt sich dann eine gitterförmige Anordnung der Strukturelemente.
9 zeigt das zu dem ungraden Muster 1 gemäß 8 gehörende gerade Muster 15, bei welchem die Helligkeitswerte der Musterpixel der Strukturelemente 2 gegenüber 8 invertiert sind, während die Helligkeitswerte der Musterpixel der Trennelemente 17 unverändert sind.
Dadurch, dass die Helligkeitswerte der Musterpixel der Trennelemente 17 unverändert sind, kommt ihnen bei Differenzbildung der Grauwert Null zu, wie zu 14 näher erläutert wird. Trotzdem bleibt auch bei den Trennelementen 17 die Möglichkeit, durch Unterscheidung von hellen und dunklen Musterpixeln zusätzlich Information zu kodieren, beispielsweise die Position der Rasterelemente 25.
10 zeigt das ungerade Bild 9, welches von einer gleichmäßig grauen, ebenen Oberfläche 6 eines Messobjekts 4 erzeugt wird. Mit Kenntnis des Musters 1 gemäß 8 ist es möglich, die Bilder der Strukturelemente 2, der Trennelemente 17 und der Rasterelemente 25 auszumachen, die in 10 mit denselben Bezugszeichen benannt sind. Für eine einfache Darstellung wurde angenommen, dass die Pixelauflösung des Bildes 9 gleich der Pixelauflösung des Muster 1 ist, und dass sich die Pixel gerade decken. Dies ist bei realen Anwendungen in der Regel nicht der Fall, sondern die Pixelauflösung des Bildes 9 wird größer als die Pixelauflösung des Musters 1 sein.
Die Rasterelemente 25 geben den Grauwert des durch den Projektor beleuchteten Objektes mit Hintergrund wieder, die übrigen Bildpixel der Trennelemente 17 den Grauwert des Hintergrunds ohne Projektorbeleuchtung.
11 zeigt das entsprechende gerade Bild 16 des geraden Musters 15 gemäß 9.
Der so gewonnene Grauwert des Hintergrunds wird von dem Grauwert des Objekts in den aufgenommenen Bildern pixelweise subtrahiert. Es ergibt sich das positive Differenzbild 26 gemäß 12, wobei die schwarzen Bildpixel den Grauwert Null erhalten haben, die schraffierten dagegen die Differenz zwischen dem Grauwert des Hintergrunds ohne Projektorbeleuchtung und dem Grauwert des beleuchteten Objektes. Bezeichnet man die Grauwerte der Pixel des positiven Differenzbildes mit B_p(i, j), so gilt
ε ist hier ein vorgegebener Schwellwert. B_u(i, j) ist hier der Grauwert des Bildpixels (i, j) im ungeraden Bild 9, B_g(i, j) derjenige des Bildpixels (i, j) im geraden Bild 16. Beispielsweise wird ein Schwellwert vorgegeben, der größer ist als das zufällige Rauschen.
13 zeigt das negativen Differenzbild 27, das sich als entsprechendes Ergebnis der Subtraktion für das gerade Bild gemäß 11 ergibt. Bezeichnet man die Grauwerte der Pixel des negativen Differenzbildes 27 mit B_n(i, j), so gilt
Aus diesen positiven und negativen Differenzbildern 26, 27 wird nun das Differenzbild 28 gemäß 14 berechnet, das die Unterschiede zwischen dem ungeraden Bild 9 und dem geraden Bild 16 darstellt. Es gilt für die Grauwerte B_d(i, j) der Pixel (i, j) des Differenzbildes 28 die Beziehung B_d(i, j) = B_p(i, j) + B_n(i, j).
In dem Differenzbild 28 sind somit die Trennelemente 17 und die Strukturelemente 2 deutlich erkennbar, wobei die Strukturelements 2 ohne ihren Inhalt, also die Nummer des Strukturelements 2 in kodierter Form, dargestellt sind. Aus diesen im Differenzbild 28 dargestellten Strukturelementen 2 können nun Bildebenenpunkte 19 abgeleitet werden, die zur Berechnung einer 3D-Kontur dem jeweiligen Strukturelement 2 zugeordnet werden. Das Differenzbild 28 stellt somit die Grauwerte zur Bestimmung des Bildebenenpunktes 19 dar. Das Differenzbild 28 ist daher ein Grauwertbild. Für das Differenzbild 28 spielt die Reihenfolge der Muster 1, 15 in der Musterfolge 11 keine Rolle.
15 zeigt das Rasterbild 29, welches anhand der Formel B_r(i, j) = B_u(i, j) + B_g(i, j) – B_p(i, j) – B_n(i, j) aus den aufgenommenen Bildern 2, 16 gewonnen wird, wobei B_r(i, j) den Grauwert des Bildpixels (i, j) im Rasterbild 29 bezeichnet. Es wird somit erreicht, dass nur diejenigen Musterpixel (i, j), die sowohl im ungeraden Muster 1 als auch im geraden Muster 15 mit einem hellen Grauwert belegt sind, deren zugehörige Maskenpixel an der Projektormaske 20 also lichtdurchlässig sind, den maximal hellen Grauwert bekommen, während alle anderen Pixel (i, j) des Rasterbildes 29 einen demgegenüber verminderten Grauwert annehmen. Durch die Invertierung der Kodierung der Information zur Identifizierung des Strukturelements 2 zwischen ungeradem und geradem Muster wird erreicht, dass nur genau die Rasterelemente 25 diese Eigenschaft aufweisen. Da die Rasterelemente 25 zusätzlich innerhalb der dunklen Bereiche in 14 liegen, die sich durch die Trennelemente 17 ergeben, sind die Rasterelemente 25 gut bestimmbar.
Somit sind die Abbilder der Rasterelemente 25, in 15 wiederum mit Bezugszeichen 25 bezeichnet, die einzigen Pixel, die den maximal hellen Grauwert annehmen, während alle andere Pixel den Grauwert des unbeleuchteten Hintergrunds annehmen. Somit können der Grauwert des unbeleuchteten Hintergrunds und der Grauwert des vom Projektor erzeugten Lichtstrahls 3, 8 aus dem Rasterbild 29 abgeleitet werden.
Es werden nun in dem Rasterbild 29 die Zeilen und Spalten der Pixel (i, j) mit dem höchstwertigen Grauwert, also die hellsten Pixel, ermittelt. Hieraus werden, beispielsweise über ein Korrelationsverfahren, die Musterpixel (k, l) zu einem Pixel (i, j) im Rasterbild 29 berechnet.
Anschließend werden die Informationen zur Identifizierung der Strukturelemente 2 in dem positiven Differenzbild 26 und/oder dem negativen Differenzbild 27 ermittelt, indem die Pixel (i, j) des positiven Differenzbilds 26 und/oder negativen Differenzbilds 27 den Maskenpixeln M(k, l) zugeordnet werden. Es ergibt sich somit die kodierte Nummer n_L des Strukturelements 2.
Nun werden mittels Berechnung des Intensitätsschwerpunktes die Koordinaten (i_L, j_L) des Bildebenenpunktes 19 mit Subpixel-Genauigkeit berechnet. Für den Fall, dass die Bildebenenkoordinaten zu einem Messpunkt pro Strukturelement 2 berechnet wird, kann die folgende Formel für den Schwerpunkt der Grauwerte verwendet werden
wobei I = ΣB_d(i, j) die Intensität des Messpunktes (i_L, j_L) darstellt. Die Summe ist über die Bildpixel (i, j) des Strukturelements 2 in dem geraden 26 bzw. ungeraden 27 Differenzbild zu nehmen.
Zur Berechnung von beispielsweise drei Messpunkten je Strukturelement 2 müssen die Bildpunkte noch den Zeilen des Strukturelements 2 zugeordnet werden. Die Berechnung erfolgt dann wie oben beschrieben.
Nun werden die 3D-Koordinaten (X, Y, Z) aus den Daten (i_L, j_L, n_L) nach dem Triangulationsverfahren berechnet.
Schließlich werden ungültige Messpunkte herausgefiltert. Für diese Messpunkte wird die Intensität I = 0 gesetzt.
Das Ergebnis des beschriebenen Verfahrens ist somit eine Anzahl von Messpunkten, für die jeweils die 3D-Koordinate (X, Y, Z) und die Intensität I angegeben werden kann.
Das beschriebene Verfahren ist ohne weiteres mit dem in 3 gezeigten Verfahren kombinierbar, indem in den Streifen des drittletzten Musters der Musterfolge 11 eine Kodierung gemäß der 8 bzw. 9 eingefügt wird. Es können somit das vorletzte und das letzte Muster der Musterfolge 11 in 3, also das Hellmuster und das Dunkelmuster, entfallen, da die mit diesen Muster transportierte Information über die Lichtquelle und den Hintergrund aus dem Differenzbild 28 bzw. dem Rasterbild 29, die nun in die Streifen des Bildes des Musters der Gray-Kodierung gemäß 3 eingebettet sind, gewonnen werden kann.
16 zeigt die schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Diese Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuvor zu 1 beschrieben Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Musterpixel des Musters 1 der Musterfolge 11 eine Farbinformation enthalten können. Es werden somit Lichtstrahlen 3, 8 mit mehreren spektralen Anteilen verwendet, die getrennt voneinander in dem aufgenommenen Bild 9 der Bildfolge 12 ausgewertet werden können. Beispielsweise können Projektoren und Kameras mit drei Kanälen für die Wellenlängen des roten, grünen und blauen Lichts verwendet werden, aber auch andere Wellenlängen im sichtbaren und unsichtbaren Spektralbereich.
Durch die Verwendung der Farbinformation zur spektralen Kodierung ist es möglich, dass die Musterfolge 11 nur ein Muster 1 enthalten muss, um die Information zur Identifizierung des Strukturelements 2 in dem Bild auszuwerten.
Die Verwendung eines Musters 1 mit Farbinformationen kann alternativ als gleichzeitige Übertragung von mehreren Mustern einer Musterfolge 11 in verschiedenen Spektralbereichen aufgefasst werden.
17 zeigt eine Projektormaske 20 zur Erzeugung des Musters 1 gemäß 16. Die Maskenpixel P₀, P₁, P₂ und P₃ definieren die spektrale Kodierung des Inhalts des Strukturelements 2. Mögliche Werte sind im Ausführungsbeispiel rot, grün und blau.
Für jedes Maskenpixel P₀, P₁, P₂ und P₃ ergeben sich somit für jeden der drei Kanäle rot, grün, blau 2³ = 8 Werte, mit der Einschränkung, dass kein Maskenpixel P₀, P₁, P₂ oder P₃ in allen Kanälen dunkel und kein Maskenpixel P₀, P₁, P₂ oder P₃ in allen Kanälen hell sein darf. Es sind somit pro Maskenpixel 6 Werte kodierbar. Mit vier Maskenpixeln können somit 6⁴ = 1296 Werte kodiert werden. Diese Werte können die Nummern der Strukturelemente 2 sein.
P_d ist das Maskenpixel zur Erzeugung des dunklen Anteils des Trennelements 17, das sogenannte Dunkelpixel 30. Dieses Dunkelpixel 30 lässt demnach kein Licht durch und hat somit den Wert P_D = (000). Das Dunkelpixel ersetzt somit das unbeleuchtete Referenzbild, das in 3 als letztes Muster der Musterfolge erzeugt wurde.
Das Maskenpixel P_H erzeugt den hellen Anteil des Trennelements 17. Es bildet das Rasterelement 25 und ist durchlässig für Licht aller Wellenlängen und hat somit den Wert P_H = (111). Es ist als Hellpixel verwendbar. Das Hellpixel markiert zusätzlich die Zeilen der höherwertigen Maskenpixel P₂, P₃ des Strukturelements.
18 zeigt ein mögliches Muster 1, wobei die unterschiedlichen Schraffuren der Musterpixel verschiedene Kombinationen von rotem, grünem und blauem Licht bedeuten, währen die schwarzen Musterpixel die dunklen Anteile P_D der Trennelemente 17 und die weißen Musterpixel die hellen Anteile P_H der Rasterelemente 25 darstellen.
19 zeigt das von einem gleichmäßig grauen Messobjekt 4 reflektierte, aufgenommene Bild 9 des Musters 2. Die einzelnen Farben sind aus Gründen der Darstellbarkeit als unterschiedliche Schraffuren gezeigt.
20 zeigt ein einfarbiges Differenzbild 28, das aus den drei Farbanteilen des Bildes 9 gemäß 19 gewonnen wurden, indem die bei den einzelnen Farbkomponenten übereinstimmenden Bildpixel, nämlich die Rasterelemente 25 und die Dunkelpixel 30, hervorgehoben und die übrige Information unterdrückt wurde. Da in dem Differenzbild 28 nur die übereinstimmend gesetzten Bildpixel hervorgehoben werden, spielt die Zuordnung der Muster zu den Farben für das Differenzbild 28 keine Rolle.
Analog wie zu 15 beschrieben wird nun ein Rasterbild 29 erzeugt, dass lediglich die Rasterelemente 25 enthält. Aus diesen Rasterelementen 25 kann der Abbildungsmaßstab zwischen Projektor und Kamera berechnet werden.
Nach Auswertung der Information zur Identifizierung der Strukturelemente 2 ergibt sich die in 22 gezeigte Situation. Die Strukturelemente 2 sind nun voreinander durch die Information zur Identifizierung unterscheidbar, wie durch die unterschiedlichen Schraffuren angedeutet ist. Sie können zur Berechnung eines Intensitätsschwerpunktes verwendet werden, durch den die Position eines Bildebenenpunktes bestimmt ist.
Statt der Farbkodierung ist auch eine Kodierung mit unterschiedlichen Polarisationen des Lichts verwendbar. Hierzu wird beispielsweise ein Projektor gemäß der DE 2 214 891 A1 verwendet, bei welchem der in jener mit Bezugszeichen 34 bezeichnete vordere Polarisator entfernt wird. Zur Aufnahme der Bilder 9 können zwei Kameras über einen polarisationsempfindlichen Strahlteiler kombiniert werden. Auch in diesem Fall können die Muster 1, 15 der Musterfolge 11, beispielsweise mit binärer Kodierung gemäß 4 bzw. 5, gleichzeitig erzeugt werden und können gleichzeitig mit den Kameras aufgenommen werden.
23 zeigt die schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.
Dieses Ausführungsbeispiel verwendet eine Hell-Dunkel-Kodierung wie unter 1 beschrieben und unterscheidet sich von jenem Ausführungsbeispiel lediglich durch die Ausgestaltung der Strukturelemente 2.
24 zeigt die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Projektormaske 20. Der gezeigte Ausschnitt der Projektormaske 20 ist in vier Strukturelemente 2 unterteilt, die eine identische, geometrisch unregelmäßige Form aufweisen. Die Maskenpixel des n-ten Strukturelements 2 sind mit D_n,X und R_n,Y bezeichnet, wobei X = A, B, C, D, E, F und Y = A, B. n durchläuft hier die Zahlen 1 bis 4.
25 zeigt ein mögliches Muster 1. Für die binäre Kodierung stehen je Strukturelement 2 sechs Musterpixel zur Verfügung. Es sind somit 2⁶ = 64 unterschiedliche Nummern für die Strukturelemente 2 als Information zur Identifizierung des Strukturelements 2 kodierbar. Die dargestellte binäre Kodierung (beginnend bei D_1,A) ergibt beispielsweise für das 1. Strukturelement 2 die Nummer 1 × 2⁰ + 0 × 2¹ + 0 × 2² + 0 × 2³ + 0 × 2⁴ + 1 × 2⁵ = 33, die für das 4. Strukturelement beispielsweise 0 × 2⁰ + 0 × 2¹ + 0 × 2² + 0 × 2³ + 0 × 2⁴ + 1 × 2⁵ = 32, wobei dunkle Musterpixel als Eins, helle als Null gewertet werden. Die Abfolge der Ziffern der binären Darstellung der Nummern erstreckt sich also längs des Umfangs der Strukturelemente 2.
26 zeigt das Muster 15 mit invertierter Kodierung. Die Musterpixel R_n,Y weisen in beiden Mustern 1, 15 identische Helligkeitswerte auf. Wie zu 8 und 9 beschrieben werden durch die hellen Musterpixel Rasterelemente 25 gebildet, während die dunklen Musterpixel Dunkelpixel 30 definieren und somit die Trennelemente 17 festlegen.
27 zeigt das gerade Bild 9, welches durch das von einem gleichmäßig grauen Hintergrund reflektierte ungerade Muster 1 gemäß 25 gegeben ist. 28 zeigt das aufgenommene gerade Bild 16 zu dem ungeraden Muster 15 gemäß 26.
Mit dem zu 8 bis 15 beschrieben Berechnungsverfahren wird aus diesen Bildern 9, 16 der Bildfolge 12 ein Differenzbild 28 ermittelt, das dem Differenzbild gemäß 14 entspricht. In diesem Differenzbild sind die Trennelemente 17 deutlich erkennbar. Es kann aus den übrigen Bildpixeln der Grauwert des unbeleuchteten Hintergrunds abgeleitet werden.
Aus diesem Differenzbild 28 und aus den Bildern 9 und 16 werden anschließend – wie zu 11 bis 18 beschrieben – die zur Berechnung der 3D-Kontur notwendigen Daten ermittelt.
30 zeigt in einer Prinzipskizze, wie die beschriebenen Ausführungsbeispiele mit einem Phasenschiebeverfahren kombiniert werden können, um die Zuordnung von Bildebenenpunkten zu Punkten in den Mustern mit einer Genauigkeit, die größer ist als die durch die Ausdehnung der Musterpixel, zu ermöglichen.
Es wird eine Musterfolge gebildet, die aus mehreren Teilfolgen besteht, wobei jede Teilfolge eine Musterfolge 11 nach 1, 16 oder 23 darstellt. Die Muster 1, 15 der Teilfolgen sind dabei so gegeneinander verschoben, dass sich die Abbilder eines Strukturelements 2 in den Bildern 9, 16 der Bildfolge 12 überlappen, wenn man die Bilder 9, 16 übereinander legt. Die Muster 1, 15 der Teilfolgen werden zeitlich nacheinander erzeugt und als Bilder 9, 16 aufgenommen.
30 zeigt dieselbe Zeile 31, 32, 33 von drei Differenzbildern 28, die jeweils wie zu 14 beschrieben gewonnen wurden.
Es ist ersichtlich, dass die mittlere Zeile 32 gegenüber der oberen Zeile 31 nach rechts verschoben ist. Diese Verschiebung ist aber gerade so weit gewählt, dass die Strukturelemente 2 sich in einem Bereich der Bildebene überlappen würden, wenn sie übereinander gelegt würden. Dasselbe gilt für die untere Zeile 33 in Bezug auf die mittlere Zeile 32. Der überlappende Bereich 34 wurde beispielhaft für die mittlere Zeile 32 und untere Zeile 33 gekennzeichnet. Im vorliegenden Fall hat der überlappende Bereich 34 die Größe eines Bildpixels, er kann aber auch größer oder kleiner sein.
Die Position des Strukturelements ist daher um ein Drittel der Breite des Strukturelements 2 mit dem Trennelement 17 bzw. um eine Phasenverschiebung von 120°, also um eine Schrittweite Δ = 360°/n_p, wobei n_p die Zahl der Teilfolgen bezeichnet, verschoben. Im Beispiel ist n_p = 3.
Die Die gestrichelte Linie zeigt jeweils Linien gleicher Identität des Strukturelements 2. Die gepunkteten Linien zeigen den Phasenwinkel innerhalb des Strukturelements 2 der Musterfolge mit k = 0.
Sei B_k(i, j) der Grauwert eines Bildebenenpunktes (i, j) aus dem Differenzbild 28 der Bildfolge 12 zur Musterteilfolge k. Im Beispiel gehört die Zeile 31 zu k = 1, Zeile 32 zu k = 2, Zeile 33 zu k = 3. Dann lässt sich aus den drei in 30 abgebildeten Differenzbildern 28 jedem Bildebenenpunkt (i, j) des Bildes 9, 16 eine Phase φ(i, j) nach der Formel
zuordnen, wobei die Summen über k, das heißt die Anzahl der Phasen oder Teilfolgen, laufen. Mit Hilfe dieser Phase kann die Position des Bildebenepunktes (i, j) innerhalb des korrespondierenden Strukturelements 2 in Richtung der Phasenverschiebung zugeordnet werden.
Auf diese Weise kann nicht nur jedem Strukturelement ein Bildebenenpunkt 19, sondern jedem Bildebenenpunkt (i, j) der Bilder 9, 16 eine Position innerhalb eines Strukturelements 2, sogar innerhalb eines Musterpixels der Muster 2, 15 der Musterfolge 11, zugeordnet werden.
Bei dem verfahren zur Zuordnung eines Bildebenenpunkts 19 in einem mit einer Kamera aufgenommenem Bild 9 zu einem Strukturelement 2 in einem mit einem Projektor erzeugten Muster 1, 15 ist vorgesehen, dass das Muster 1, 15 ein Element einer Musterfolge 11 von Mustern 1, 15 bildet, und dass in dem Strukturelement 2 in den Mustern 1, 15 einer Musterfolge 11 redundant eine Information zur Bestimmung der Position eines Bildebenenpunktes 19 dargestellt wird, wobei die durch die Redundanz erzeugte Überbestimmung zur Kodierung einer Information zur Identifizierung eines Strukturelementes 2, welches der Position eines Bildebenenpunktes 19 in dem Bild 9 zugeordnet wird, verwendet wird.

Claims

Verfahren zur Zuordnung eines Bildebenenpunkts (19) in einem mit einer Kamera aufgenommenem Bild (9) zu einem Strukturelement (2) in einem mit einem Projektor erzeugten Muster (1, 15), wobei in dem Projektor Muster (1, 15) einer Musterfolge (11) erzeugt werden, wobei die erzeugten Muster (1, 15) der Musterfolge (11) eine vorbestimmte, einheitliche Struktur aufweisen, die in Strukturelemente (2) mit Variablem Inhalt gegliedert ist, wobei die in dem Projektor erzeugten Muster (1, 15) der Musterfolge (11) mit der Kamera als Bilder (9, 16) einer Bildfolge (12) aufgenommen werden, und wobei durch einen Vergleich der erzeugten Musterfolge (11) mit der aufgenommenen Bildfolge (12) eine Information über die Zuordnung des Bildebenenpunktes (19) eines Bildes (9, 16) zu einem Strukturelement (2) des jeweiligen Musters (1, 15) abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Strukturelement (2) der Muster (1, 15) der Musterfolge (11) als Inhalt dieses Strukturelements (2) eine Identifizierungsinformation dargestellt wird, dass die Identifizierungsinformation durch Auswertung der Bilder (9, 16) der Bildfolge (12) zurückgewonnen wird und dass aus der Abbildung des Inhalts des Strukturelements (2) in der Bildfolge (12) eine Information zur Bestimmung der Position des Bildebenenpunkts (19), der dem Strukturelement (2) zugeordnet ist, in den Bildern (9, 16) der Bildfolge (12) ermittelt wird, wobei die Information zur Bestimmung der Position des Bildebenenpunktes (19) eines Strukturelements (2) innerhalb der Musterfolge (12) redundant dargestellt und diese Redundanz zur Kodierung der Information zur Identifizierung des Strukturelementes (2) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Musterfolge (11) aus nicht mehr als drei Mustern (1, 15), vorzugsweise nicht mehr als zwei Mustern (1, 15), insbesondere einem Muster (1, 15), besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die redundante Darstellung der Identifizierungsinformation innerhalb der Musterfolge (12) gebildete Überbestimmung zur Ermittelung der Position des dem Strukturelement (2) zugeordneten Bildebenenpunkts (19) in den Bildern (9, 16) der Bildfolge (12) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittelung der Position des dem Strukturelement (2) zugeordneten Bildebenenpunkts (19) subpixelgenau bezüglich der Auflösung der Kamera und/oder der Auflösung des Projektors ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifizierungsinformation durch eine Hell-Dunkel-Kodierung in den Mustern (1, 15) der Musterfolge (11) binär kodiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifizierungsinformation durch eine spektrale Kodierung in den Mustern (1, 15) der Musterfolge (11) kodiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifizierungsinformation durch eine Kodierung mit unterschiedlichen Lichtpolarisationen kodiert wird, insbesondere binär kodiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifizierungsinformation in einem ersten Muster (1) dargestellt und in dem in der Musterfolge (11) folgenden Muster (15) wiederholt wird, wobei die Kodierung dieser Identifizierungsinformation in dem folgenden Muster (15) durch Permutierung und/oder Invertierung aus der Kodierung in dem ersten Muster (1) hervorgeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (2) in den Mustern (1, 15) in einer streifenförmigen Anordnung ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (2) in einer Gitteranordnung ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifizierungsinformation längs einer Erstreckungsrichtung des Strukturelements (2) kodiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifizierungsinformation als Nummer des Strukturelements (2) in einer Darstellung zu einer vorgegebenen Zahlenbasis kodiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Erstreckungsrichtung des Strukturelements (2) die Nummer des Strukturelements (2) als Abfolge von Ziffern der Darstellung der Nummer des Strukturelements (2) zu einer vorgegebenen Zahlenbasis dargestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einer weiteren Erstreckungsrichtung des Strukturelements (2) der Zahlenwert jeder Ziffer der Darstellung zu einer vorgegebenen Zahlenbasis der Nummer des Strukturelements (2) binär dargestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Erstreckungsrichtung des Strukturelements (2) quer zu der ersten Erstreckungsrichtung ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Erstreckungsrichtung des Strukturelements (2) parallel zu der Streifenrichtung der streifenförmigen Anordnung der Strukturelemente (2) ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterschiede zwischen den aufgenommenen Bildern (9, 16) der Bildfolge (12) ermittelt werden und dass die Identifizierungsinformation aus den ermittelten Unterschieden abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Unterschied zwischen den aufgenommenen Bildern (9, 16) die pixelweise Differenz (28) der Helligkeitswerte oder der Farbwerte oder der Polarisationswerte zwischen zwei aufgenommenen Bildern (9, 16), die in der Bildfolge (12) aufeinander folgen, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Unterschieden zwischen den aufgenommenen Bildern (9, 16) abgeleitete Identifizierungsinformation von der Reihenfolge der aufgenommenen Bilder (9, 16) in der Bilderfolge (12) abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittelung der Position des dem Strukturelement (2) zugeordneten Bildebenenpunkts (19) in den Bildern (9, 16) der Bildfolge (12) eine weitere Information gewonnen wird, die von der Reihenfolge der aufgenommenen Bilder (9, 16) in der Bildfolge (12) unabhängig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifizierungsinformation in dem Strukturelement (2) mehrfach enthalten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster (1, 15), insbesondere die Strukturelemente (2) und/oder die Trennelemente (17) in den Mustern (1, 15), Rasterelemente (25), mit denen der Abbildungsmaßstab des Musters (1, 15) in dem aufgenommenen Bild (9, 16) bestimmbar ist, enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (2) in den Mustern (1, 15) durch Trennelemente (17), insbesondere Trennelemente (17), die passend zu der Form der Strukturelemente (2) ausgebildet sind, beispielsweise streifenförmige Trennelemente (17), getrennt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelemente (17) jeweils wenigstens eine Markierung (25) aufweisen, welche zur Gliederung der Identifizierungsinformation verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (25) eine vorbestimmte Kodierungsposition in der Kodierung der Identifizierungsinformation kennzeichnet.
Verfahren nach einer der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Muster (1, 15) der Musterfolge (12) durch ein im Strahlengang zwischen Projektor und Kamera angeordnetes Messobjekt (4) verändert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung der aufgenommenen Bilder (9, 16) höher als die Auflösung des jeweiligen Musters (1, 15) in dem aufgenommenen Bild (9, 16) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dass ein weiterer Bildebenenpunkt (19) vorgeben wird, zu welchem ein Punkt (34) in wenigstens einem Muster (1, 15) der Musterfolge (11) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Gray-Code-Kodierung kombiniert wird, um Bildebenenpunkte (19) subpixelgenau zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass Helligkeitsunterschiede in den aufgenommenen Bildern (9, 16) verwendet werden, um lokale Schwellwerte für die Auswertung von nach dem Gray-Code-Verfahren kodierten Musterfolgen (11) berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Musterfolge (11) mehrere, insbesondere drei, Teilfolgen von Mustern (1, 15) aufweist, wobei die Muster (1, 15) der Teilfolgen derart jeweils um einen Betrag gegeneinander verschoben sind, dass sich die Abbilder eines Strukturelements (2) in den Bildern (9, 16) der Bildfolge (12) in Bereichen überlappen, wobei die Grauwerte, welche aus den überlappenden Bereichen der Bilder (12) gewonnen werden, nicht nur als Information zur Berechnung des Bildebenenpunktes (19), sondern auch zur Berechnung eines Phasenwinkels nach dem Phasenschiebeverfahren verwendet werden.
Verfahren zur Aufnahme eines 3D-Bildes wenigstens eines Messobjektes (4), wobei mit einer Kamera eine von einem Projektor erzeugte Musterfolge (11) als Bildfolge (12) aufgenommen wird, in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31 die Position wenigstens eines einem Strukturelement (2) zugeordneten Bildebenenpunkts (19) in den Bildern (9, 16) der Bildfolge (12) ermittelt wird und aus den ermittelten Position der Bildebenenpunkte (19) und den diesen Bildebenenpunkten (19) zugeordneten Strukturelementen (2) ein 3D-Bild oder eine 3D-Kontur des wenigstens einen Messobjekts (4) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Messobjekt (4) im Strahlengang (3, 8) zwischen dem Projektor und der Kamera angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor an dem wenigstens einen Messobjekt (4) ausgebildet ist.