DE102011101476B4 - Process for 3D measurement of objects - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur 3D-Messung von Objekten (1) mit einem Stereosystem, bei dem zur standortunterschiedlichen Detektion und dreidimensionalen Auswertung von Stereobildsequenzen ein statistisches optisches Muster (3) auf das Objekt (1) abgebildet wird,wobei das auf das Objekt (1) abgebildete statistische optische Muster (3) in beliebiger Art hinsichtlich Lage und/oder Form ohne eine definierte Mustersequenz und/oder ohne eine exakte Musterlage verändert wird,wobei in einer beliebigen Aufnahmerate durch in einem Kamerasystem untereinander synchronisierte Kameras (8, 9), welche vorab bezüglich der inneren und äußeren Parameter des Stereosystems kalibriert worden sind, standortunterschiedliche Stereobildsequenzen aufgenommen und an einen Rechner übertragen werden undwährend der Auswertung der standortunterschiedlich detektierten Stereobildsequenzen aus den Stereobildsequenzen homologe Bildpunkte einander zugeordnet und aus diesen Rauminformationen berechnet werden,wobei die homologen Bildpunkte bei der rechentechnischen Auswertung der standortunterschiedlich detektierten Stereobildsequenzen unter Verwendung einer Methode der Zeitkorrelation einander zugeordnet und aus diesen mit Hilfe der Kalibrierparameter 3D-Punkte im Raum bestimmt werden.Method for the 3D measurement of objects (1) with a stereo system, in which a statistical optical pattern (3) is imaged on the object (1) for the location-different detection and three-dimensional evaluation of stereo image sequences, the statistical optical pattern (3) imaged on the object (1). optical pattern (3) is changed in any way with regard to position and/or shape without a defined pattern sequence and/or without an exact pattern position, with cameras (8, 9) synchronized with one another in a camera system at any recording rate, which are previously internal and external parameters of the stereo system have been calibrated, location-different stereo image sequences are recorded and transmitted to a computer and during the evaluation of the location-different detected stereo image sequences from the stereo image sequences homologous pixels are assigned to one another and calculated from this spatial information, the homologous pixels in the computational evaluation of the location-different detected stereo image sequences are assigned to one another using a time correlation method and 3D points in space are determined from these using the calibration parameters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellstmöglichen und hochgenauen 3D-Messung von Objekten, bei dem statistische Muster auf das zu vermessende Objekt projiziert werden, die von im Standort unterschiedlichen Bildansichten als korrespondierende Bildmuster des Objekts, beispielsweise durch Kameras, detektiert werden. Aus dem Vergleich dieser unterschiedlichen Bildmuster werden Rauminformationen für die dreidimensionale Rekonstruktion des Objektes gewonnen.The invention relates to a method for the fastest possible and most precise 3D measurement of objects, in which statistical patterns are projected onto the object to be measured, which are detected from different locations as corresponding image patterns of the object, for example by cameras. Spatial information for the three-dimensional reconstruction of the object is obtained from the comparison of these different image patterns.

In vielen Bereichen sind schnell messende optische 3D-Messsysteme erforderlich. So werden zur Analyse von Airbag-Entfaltungen, Schadensanalyse von Unfallszenarien, und Fahrzeugcrashs bereits optische Verfahren eingesetzt, wobei jedoch nur wenige Zielmarken und damit 3D-Punkte der Szene verfolgt werden bzw. bei dicht messenden Verfahren nur sehr ungenaue 3D-Daten gewonnen werden können. Für die Qualitätskontrolle von Industriegütern im Fließbandbetrieb sind eine hohe Messrate, sowie die Toleranz gegenüber Objektbewegungen entscheidend. Hochgenaue Verfahren zur 3D-Vermessung konnten für diese Messaufgaben bisher nicht eingesetzt werden, da die geforderten, kurzen Messzeiten technisch nicht realisierbar waren. Für medizinische Zwecke ist die Vermessung von bewegten Körperteilen zur Diagnose von Fehlstellungen hilfreich. Im Bereich der Sportwissenschaft kann die Analyse der Bewegung von Körperteilen und/oder Personen zur Optimierung von Bewegungsabläufen eingesetzt werden, wobei bisher lediglich Zielmarken eingesetzt werden konnten, und damit nur vereinfachte Modelle mit Daten gespeist werden konnten. Das gleiche Problem besteht bei der Digitalisierung bewegter Szenen für die multimediale Nutzung, sei es die Bewegung von Schauspielern oder von bewegten Gegenständen. Insbesondere durch die immer stärkere Verbreitung von 3D-Fernsehen wird die 3D-Digitalisierung in der nahen Zukunft an Bedeutung gewinnen, und damit die Anforderungen an die Qualität von 3D-Aufnahmen zunehmen. Weiterhin werden in den nächsten Jahren hochauflösende Hochgeschwindigkeitskameras verfügbar sein, da die aktuelle Schnittstellengeneration (z. B. USB 3.0, LightPeak) höhere Aufnahmeraten zulässt (bis 1000 Hz bei VGA-Auflösung), und damit die bisher hohen Kamerasystemkosten deutlich sinken werden. In diesem Kontext ist daher die Entwicklung eines schnell und hochgenau messenden Systems für viele Anwendungsbereiche gewünscht. Fast measuring optical 3D measuring systems are required in many areas. Optical methods are already used to analyze airbag deployments, damage analysis of accident scenarios and vehicle crashes, although only a few targets and thus 3D points of the scene are tracked or only very imprecise 3D data can be obtained with methods that measure densely. For the quality control of industrial goods in assembly line operation, a high measuring rate and the tolerance to object movements are crucial. High-precision methods for 3D measurement could not previously be used for these measurement tasks because the short measurement times required were not technically feasible. For medical purposes, the measurement of moving body parts is helpful to diagnose misalignments. In the field of sports science, the analysis of the movement of body parts and/or people can be used to optimize movement sequences, with hitherto only target marks being able to be used and thus only simplified models being able to be fed with data. The same problem exists when digitizing moving scenes for multimedia use, be it the movement of actors or moving objects. In particular due to the ever-increasing spread of 3D television, 3D digitization will gain in importance in the near future, and thus the demands on the quality of 3D recordings will increase. Furthermore, high-resolution, high-speed cameras will be available in the next few years, since the current interface generation (e.g. USB 3.0, LightPeak) allows higher recording rates (up to 1000 Hz with VGA resolution), and the previously high camera system costs will therefore drop significantly. In this context, the development of a fast and highly accurate measuring system for many areas of application is therefore desired.

Bekannt sind Verfahren zur hochgenauen (relative Messunsicherheit < 10-4) und dichten 3D-Vermessung von Objekten unter Verwendung strukturierter Beleuchtung. Dazu zählen beispielsweise Verfahren der Streifenprojektion ( W. Schreiber and G. Notni: Theory and arrangements of self-calibrating whole-body three-dimensional measurement systems using fringe projection technique, Optical Engineering 39, 2000, 159-169; J. Gühring, Dense 3-D surface acquisition by structured light using off-the-shelf components, video-metrics and optical methods for 3D shape measurement 4309, 2001, 220-231 ) oder Verfahren unter Verwendung statistischer Muster ( DE 196 23 172 C1 ; A. Wiegmann, H. Wagner, R. Kowarschik: Human face measurement by projecting bandlimited random patterns, Optics Express 14, 2006, 7692-7698 ).Methods are known for highly accurate (relative measurement uncertainty <10 -4 ) and dense 3D measurement of objects using structured lighting. These include, for example, methods of fringe projection ( W. Schreiber and G. Notni: Theory and arrangements of self-calibrating whole-body three-dimensional measurement systems using fringe projection technique, Optical Engineering 39, 2000, 159-169; J. Guhring, Dense 3-D surface acquisition by structured light using off-the-shelf components, video-metrics and optical methods for 3D shape measurement 4309, 2001, 220-231 ) or methods using statistical patterns ( DE 196 23 172 C1 ; A Wiegmann, H Wagner, R Kowarschik: Human face measurement by projecting bandlimited random patterns, Optics Express 14, 2006, 7692-7698 ).

Die DE 196 23 172 C1 offenbart ein Verfahren, bei dem Muster mit einer stochastischen Struktur auf die Messobjekte projiziert und bei dem zwei Matrixkameras jeweils Bildsequenzen aufnehmen, wobei das projizierte Muster zwischen den einzelnen Bildaufnahmen um vorgegebene Werte verschoben und/oder verdreht wird. Durch eine Ähnlichkeitsanalyse der zeitlichen Intensitätsverläufe in den aufgenommenen Bildsequenzen, also mit einer Zeitkorrelation, werden homologe Bildpunkte einander zugeordnet und daraus Raumkoordinaten berechnet. Auf diese Weise ist zwar eine präzise und dichte dreidimensionale Messung möglich, aber die Messzeit wird maßgeblich durch die Geschwindigkeit eingeschränkt, mit der das projizierte stochastische Muster zwischen den Bildaufnahmen um einen vorgegebenen Wert verschoben werden kann. Zur Umsetzung eines solchen Verfahrens benötigt man einen digitalen Videoprojektor oder eine mechanische Verstelleinrichtung, mit der das Muster definiert verschoben werden kann. Die Aufgabe einer kurzen Messzeit, die unserer Erfindung zugrunde lag, kann mit einer solchen Technik nicht gelöst werden. Durch die Projektionsrate ist die mögliche Aufnahmerate der Kameras und damit auch die Messzeit eines solchen Verfahrens stark begrenzt.The DE 196 23 172 C1 discloses a method in which patterns with a stochastic structure are projected onto the measurement objects and in which two matrix cameras each record image sequences, with the projected pattern being shifted and/or rotated by predetermined values between the individual image recordings. By means of a similarity analysis of the temporal intensity curves in the image sequences recorded, ie with a time correlation, homologous image points are assigned to one another and spatial coordinates are calculated from them. Although a precise and dense three-dimensional measurement is possible in this way, the measurement time is significantly limited by the speed with which the projected stochastic pattern can be shifted by a predetermined value between the image recordings. A digital video projector or a mechanical adjusting device with which the pattern can be shifted in a defined manner is required to implement such a method. The task of a short measurement time, which was the basis of our invention, cannot be solved with such a technique. The possible recording rate of the cameras and thus also the measurement time of such a method is severely limited by the projection rate.

Die Verfahren, welche höchsten Genauigkeitsanforderungen genügen, benötigen zur Realisierung der Messgenauigkeit für beliebige also auch unstetige und getrennte Objekte längere Bildsequenzen (zwischen zehn und 50 Bildern pro Kamera). Aus der Literatur sind keine hochgenau und dicht messenden Verfahren bekannt, welche mit mehr als 15 Hz Aufnahme- und Projektionsrate betrieben werden können, wobei der limitierende Faktor die Projektionstechnik darstellt ( M. Schaffer, M. Große, and R. Kowarschik: High-speed pattern projection for three-dimensional shape measurement using laser speckles, Applied Optics 49(18), 2010, 3622-3629; S. Zhang: Recent progresses on real-time 3d shape measurement using digital fringe projection techniques, Optics and Lasers in Engineering 48, 2010, 149-158 ). The methods that meet the highest accuracy requirements require longer image sequences (between ten and 50 images per camera) for any objects, including discontinuous and separate objects, in order to achieve measurement accuracy. No high-precision and dense measuring methods are known from the literature that can be operated with a recording and projection rate of more than 15 Hz, with the limiting factor being the projection technology ( M. Schaffer, M. Große, and R. Kowarschik: High-speed pattern projection for three-dimensional shape measurement using laser speckles, Applied Optics 49(18), 2010, 3622-3629; S. Zhang: Recent progresses on real-time 3d shape measurement using digital fringe projection techniques, Optics and Lasers in Engineering 48, 2010, 149-158 ).

Bekannt sind auch Verfahren zur genauen 3D-Vermessung (relative Messunsicherheit 10-3 bis 10-4), welche mit Sequenzlängen von fünf bis zwanzig Bildern dichte Rekonstruktionen erlauben. Durch speziell angepasste Hardware wurden hier Projektionsraten von bis zu 180 Hz ( S. König and S. Gumhold: Image-based motion compensation for structured light scanning of dynamic surfaces, EG Workshop on Dynamic 3D Imaging, 2007; Z. Wang, H. Du, S. Park and H. Xie: Three-dimensional shape measurement with a fast and accurate approach, Appl. Opt. 48(6), 2009, 1052-1061 ) realisiert, da bei der genannten relativen Unsicherheit Einbußen in der Qualität der Musterstruktur tolerierbar sind.Methods for precise 3D measurement are also known (relative measurement uncertainty 10 -3 to 10 -4 ), which allow dense reconstructions with sequence lengths of five to twenty images. Projection rates of up to 180 Hz ( S König and S Gumhold: Image-based motion compensation for structured light scanning of dynamic surfaces, EG Workshop on Dynamic 3D Imaging, 2007; Z Wang, H Du, S Park and H Xie: Three-dimensional shape measurement with a fast and accurate approach, Appl. Opt. 48(6), 2009, 1052-1061 ) is realized, since losses in the quality of the pattern structure are tolerable given the relative uncertainty mentioned.

In der DE 2006 001 634 B3 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erstellung eines Abstandsbildes offenbart, bei welcher ein statistisches optisches Muster auf ein Objekt abgebildet und auf dem Objekt durch eine Projektionseinrichtung translatorisch oder rotatorisch bewegt wird. Das Messprinzip beruht auf einer räumlichen Korrelation, dem die Projektion und die Bewegung des statistischen Musters zugeordnet ist. Diese räumliche Korrelation ist hinsichtlich der reproduzierbaren Genauigkeit und Auflösung beschränkt.In the DE 2006 001 634 B3 discloses a method and a device for creating a distance image, in which a statistical optical pattern is imaged on an object and is moved in a translatory or rotary manner on the object by a projection device. The measurement principle is based on a spatial correlation to which the projection and the movement of the statistical pattern are assigned. This spatial correlation is limited in terms of reproducible accuracy and resolution.

Bekannt ist auch, periodische (Streifen-)Muster auf das dreidimensional auszuwertende Objekt abzubilden und dort definiert zu verschieben (beispielsweise US 6,700,669 B1 ). In der Praxis ist allerdings insbesondere die Zuordnung zwischen Kamera und Projektor durch die Verwendung periodischer Muster jedoch nicht eindeutig. Dadurch können unstetige oder räumlich getrennte Objekte bzw. Objekte mit großer Ausdehnung in der Tiefe nicht erfolgreich vermessen werden. Außerdem sind die Aufnahmeraten durch die definierten mechanischen Musterverschiebungen begrenzt.It is also known to map periodic (stripe) patterns onto the three-dimensional object to be evaluated and to move them there in a defined manner (e.g US 6,700,669 B1 ). In practice, however, the association between camera and projector in particular is not unambiguous due to the use of periodic patterns. As a result, discontinuous or spatially separated objects or objects with a large extent in depth cannot be measured successfully. In addition, the uptake rates are limited by the defined mechanical pattern shifts.

In der DE 10 2009 040 981 A1 wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem eigenständige statistische Muster als Serie optischer Mustersequenzen auf das Objekt abgebildet werden. Aus dem Vergleich unterschiedlicher Musteransichten werden korrespondierende Bildpunkte gefunden. Durch eine Kombination von räumlicher und zeitlicher Korrelation soll die dreidimensionale Rekonstruktion von Objekten verbessert und der Verfahrensaufwand reduziert werden. Da für die Projektion der Mustersequenzen ein konventioneller Videoprojektor benötigt wird, sind die Aufnahmeraten bei hoher Messgenauigkeit ebenfalls begrenzt.In the DE 10 2009 040 981 A1 a method is presented in which independent statistical patterns are mapped onto the object as a series of optical pattern sequences. Corresponding pixels are found by comparing different sample views. Through a combination of spatial and temporal correlation, the three-dimensional reconstruction of objects should be improved and the process effort reduced. Since a conventional video projector is required to project the pattern sequences, the recording rates are also limited with high measurement accuracy.

Bei der US 2004/0105580 A1 werden lokal eindeutige Muster (LUP), die auch statistischer Natur sein können, auf die auszuwertenden Objekte abgebildet. Das LUP besteht aus mehreren Musterebenen, die sequenziell projiziert und aufgenommen werden. Dies entspricht ebenfalls einer besagten Abfolge zu detektierender Mustersequenzen.In the U.S. 2004/0105580 A1 Locally unique patterns (LUP), which can also be of a statistical nature, are mapped onto the objects to be evaluated. The LUP consists of multiple pattern planes that are sequentially projected and recorded. This also corresponds to said sequence of pattern sequences to be detected.

Die WO 2005/010825 A2 offenbart die Projektion eines eindeutig kodierten Musters, das auch statistischer Natur sein kann, wobei die Punktzuordnung anhand von einzelnen Bildpaaren mithilfe einer räumlichen Kodierung, d. h. mit räumlicher Korrelation, durchgeführt wird. Für eine präzise dreidimensionale Vermessung wird in einem zweiten Schritt ein Linien-Gitter projiziert und ein weiteres Bildpaar aufgenommen. Um dabei das Problem der Eindeutigkeit zu lösen, werden diejenigen Daten verwendet, die im besagten ersten Schritt mittels räumlicher Korrelation erhalten wurden. Auf diese Weise ist zwar eine präzise dreidimensionale Messung möglich, aber keine dichte Vermessung. Lediglich die Objektbereiche, die von den Linien des im zweiten Schritt projizierten Gitters beleuchtet werden, können exakt vermessen werden.The WO 2005/010825 A2 discloses the projection of a uniquely coded pattern, which can also be of a statistical nature, with the point assignment being carried out on the basis of individual pairs of images using spatial coding, ie with spatial correlation. For a precise three-dimensional measurement, a line grid is projected in a second step and another pair of images is recorded. In order to solve the problem of uniqueness, the data that was obtained in the first step by means of spatial correlation is used. In this way, a precise three-dimensional measurement is possible, but not a dense measurement. Only the object areas that are illuminated by the lines of the grid projected in the second step can be precisely measured.

Weiterhin sind neuere Arbeiten zur Hochgeschwindigkeitsvermessung bekannt ( Y. Gong and S. Zhang: Ultrafast 3-d shape measurement with an off-the-shelf dlp projector, Optics Express 18(19), 2010, 19743-19754; Y. Wang and S. Zhang: Superfast multifrequency phaseshifting technique with optimal pulse width modulation, Optics Express 19, 2011, 5149-5155; S. S. Gorthi and P. Rastogi: Fringe projection techniques: Whither we are?, Optics and Lasers in Engineering 48, 2010, 133-140; J. Salvi, S. Femandez, T. Pribanic, and X. Llado: A state of the art in structured light patterns for surface profilometry. Pattern Recognition 43(8), 2010, 2666-2680 ), welche durch Verwendung spezieller Ansteuersoftware und/oder Mustererzeugungseinheiten Projektionsraten von bis zu 10.000 Hz ermöglichen. Aufgrund der eingesetzten Technik sind bei diesen Projektionsraten nur Binärbilder darstellbar, so dass herkömmliche Verfahren angepasst oder komplett neue Verfahren zur strukturierten Beleuchtung entwickelt werden müssen. Die bisher realisierten relativen Messgenauigkeiten (10-2 bis 10-3) sind allerdings für viele Anwendungen zu ungenau, und oftmals sind unstetige Objekte nicht in ihrer kompletten Form vermessbar.Furthermore, recent work on high-speed surveying is known ( Y Gong and S Zhang: Ultrafast 3-d shape measurement with an off-the-shelf dlp projector, Optics Express 18(19), 2010, 19743-19754; Y Wang and S Zhang: Superfast multifrequency phase shifting technique with optimal pulse width modulation, Optics Express 19, 2011, 5149-5155; SS Gorthi and P. Rastogi: Fringe projection techniques: Whither we are?, Optics and Lasers in Engineering 48, 2010, 133-140; J Salvi, S Femandez, T Pribanic, and X Llado: A state of the art in structured light patterns for surface profilometry. Pattern Recognition 43(8), 2010, 2666-2680 ), which enable projection rates of up to 10,000 Hz by using special control software and/or pattern generation units. Due to the technology used, only binary images can be displayed at these projection rates, so that conventional methods have to be adapted or completely new methods for structured lighting have to be developed. However, the relative measuring accuracies (10 -2 to 10 -3 ) realized up to now are too imprecise for many applications, and discontinuous objects often cannot be measured in their complete form.

Alle beschriebenen Verfahren benötigen für die Signalisierung der Objektoberfläche bei komplexen Objekten verschiedene Musterstrukturen, so dass der Einsatz von digitalen Projektoren wie DMD oder LCD-Projektoren zwingend ist, und folglich die maximale Projektionsrate für hohe Messgenauigkeiten technisch auf 255 Hz sowie für schlechtere Messgenauigkeiten durch Projektion von Binärbildern auf 10.000 Hz begrenzt ist. Mit diesem bekannten Stand der Technik sind deshalb hochgenaue, dichte 3D-Vermessungen mit kurzen Messzeiten bisher nicht realisierbar.All methods described require different pattern structures for signaling the surface of complex objects, so that the use of digital projectors such as DMD or LCD projectors is mandatory, and consequently the maximum projection rate for high measurement accuracy is technically 255 Hz and for poorer measurement accuracy through projection of Binary images is limited to 10,000 Hz. Highly precise, dense 3D measurements with short measuring times have therefore not been possible up to now with this known state of the art.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Objekt mit geringem Aufwand, schnellstmüglich und hochgenau dreidimensional zu vermessen.The object of the invention is to measure the object three-dimensionally with little effort, as quickly as possible and with high precision.

Dabei sollen bei hohen Messgenauigkeiten (relative Messgenauigkeit besser als 1.0*10-4) sehr schnelle 3D Aufnahmeraten (höher als 200 Hz, d. h. mehr als 200 3D Aufnahmen pro Sekunde) erzielbar sein.With high measurement accuracies (relative measurement accuracy better than 1.0*10 -4 ), very fast 3D recording rates (higher than 200 Hz, ie more than 200 3D recordings per second) should be achievable.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur 3D-Vermessung von Objekten, bei dem mindestens ein statistisches optisches Muster zur standortunterschiedlichen Detektion und dreidimensionalen Auswertung auf das Objekt abgebildet und dort in Lage und/oder Form beliebig verändert wird gemäß der Lehre des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved by a method for the 3D measurement of objects, in which at least one statistical optical pattern for location-different detection and three-dimensional evaluation is imaged on the object and changed there in position and/or shape as desired according to the teaching of independent claim 1. Further embodiments are defined in the dependent claims.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist zumindest eine Lichtquelle (Konstantlichtquelle oder steuerbare Pulslichtquelle) zur Erzeugung des zumindest einen statistischen und standortunterschiedlich zu detektierenden optischen Musters vorgesehen, wobei im Strahlengang der Lichtquelle zum Objekt wenigstens ein den Strahlengang veränderndes Element angeordnet ist.In a device for carrying out this method, at least one light source (constant light source or controllable pulsed light source) is provided for generating the at least one statistical optical pattern to be detected at different locations, with at least one element changing the beam path being arranged in the beam path of the light source to the object.

Im Gegensatz zu allen im Stand der Technik beschriebenen Verfahren wird die Messgenauigkeit unter Verwendung einer einzigen statistischen Musterstruktur, welche in Form und/oder Lage auf dem Objekt kontinuierlich verändert wird, realisiert. Durch den Verzicht auf die Verwendung einer definierten Mustersequenz verschiedenartiger Musterstrukturen wird keine flexible Projektionseinheit benötigt. Damit werden alle Limitierungen, welche durch den Bildaufbau sowie die Projektionsrate üblicher Projektionseinheiten bestehen, umgangen. Das heißt insbesondere, dass mit beliebiger Aufnahmerate gearbeitet werden kann, da sich zum Beispiel eine Bewegung des Musters über das Objekt mit hinreichender großer Geschwindigkeit realisieren lässt, und somit das größte momentane Problem schnell messender Systeme behoben wird. Weiterhin wird durch die Art der Projektion auch im Fall schnell messender Systeme stets eine grauwertige Musterstruktur erzeugt, und somit die Messgenauigkeit bisheriger schnell messender Verfahren unter Verwendung hochfrequenter Binärbilder deutlich verbessert (in etwa um den Faktor 10). Des Weiteren ist die übliche Synchronisierung zwischen den Kameras und der Projektionseinheit nicht notwendig, da keine exakte Bildreihenfolge und/oder Lage des Musters eingehalten werden muss. Lediglich die Synchronisierung der Kameras untereinander muss sichergestellt werden. Dies erhöht die Flexibilität möglicher Messanordnungen, da keine Verbindung und kein direkter Informationsaustausch zwischen der Projektionsquelle und den Aufnahmegeräten mehr bestehen muss. Da zur Projektion des festen Musters hochwertige Projektionsgeräte, beispielsweise Dia-Projektoren, verwendet werden können, die im Vergleich mit anderen Projektoren, insbesondere modernen DLP-Projektoren, noch immer den höchsten Kontrastumfang sowie die größte Auflösung realisieren, ließen sich mit dem beschriebenen Verfahren auch langsam messende Verfahren bzgl. ihrer Messgenauigkeit verbessern. Darüber hinaus ist keine Korrektur der Gammafunktion des Projektionsgerätes notwendig, wie es bei digitalen Projektionsgeräten erforderlich ist. Weiterhin werden kein Ansteuerungsrechner und keine Ansteuerelektronik für die Projektionseinheit benötigt, was den Verfahrensaufwand weiter reduziert.In contrast to all the methods described in the prior art, the measurement accuracy is achieved using a single statistical pattern structure, which is continuously changed in shape and/or position on the object. By dispensing with the use of a defined pattern sequence of different types of pattern structures, no flexible projection unit is required. This circumvents all limitations that exist due to the image structure and the projection rate of conventional projection units. This means, in particular, that any recording rate can be used, since, for example, the pattern can be moved over the object at a sufficiently high speed, and the greatest current problem of fast-measuring systems is thus eliminated. Furthermore, due to the type of projection, a gray-scale pattern structure is always generated even in the case of fast-measuring systems, and thus the measurement accuracy of previous fast-measuring methods using high-frequency binary images is significantly improved (roughly by a factor of 10). Furthermore, the usual synchronization between the cameras and the projection unit is not necessary, since an exact image sequence and/or position of the pattern does not have to be maintained. Only the synchronization of the cameras with each other has to be ensured. This increases the flexibility of possible measurement arrangements, since there is no longer a need for a connection or direct exchange of information between the projection source and the recording devices. Since high-quality projection devices, for example slide projectors, can be used to project the fixed pattern, which still achieve the highest contrast range and the greatest resolution in comparison with other projectors, in particular modern DLP projectors, the described method can also be used slowly improve measuring methods with regard to their measuring accuracy. In addition, no correction of the gamma function of the projection device is necessary, as is required with digital projection devices. Furthermore, no control computer and no control electronics are required for the projection unit, which further reduces the outlay on the method.

Die Erfindung soll nachstehend anhand einer in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung zur schnellen und hochgenauen 3D-Messung von Objekten als Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to a device shown in the drawing for fast and highly accurate 3D measurement of objects as an exemplary embodiment.

Von einem Objekt 1 soll die Oberfläche 2 dreidimensional vermessen und rekonstruiert werden. Zu diesem Zweck wird ein statistisches Muster von einem Lichtbild 3 in einem Projektor 4 über einen Umlenkspiegel 5 auf die Oberfläche 2 projiziert. Der Umlenkspiegel 5 ist an einem Motor 6 befestigt, und zwar derart, dass dessen Achse 7 die Ebene des Umlenkspiegels 5 nahezu, aber nicht ganz, senkrecht schneidet. Durch Rotation des Motors 6 wird der Umlenkspiegel 5 in Bewegung versetzt, und durch die leichte Verkippung der Spiegelebenennormale zur Achse 7 des Motors 6 wird eine taumelnde Bewegung des Umlenkspiegels 5 erreicht. Aufgrund dieser taumelnden Bewegung des Umlenkspiegels 5 bewegt sich das projizierte Bild des Lichtbilds 3 nun ebenfalls in taumelnder Art und Weise über die zu vermessende Oberfläche 2 des Objekts 1. Der dabei während einer vollständigen Umdrehung des Spiegels stets beleuchtete Bereich stellt dabei die Begrenzung des Messvolumens dar.The surface 2 of an object 1 is to be measured three-dimensionally and reconstructed. For this purpose, a statistical pattern of a light image 3 is projected onto the surface 2 in a projector 4 via a deflection mirror 5 . The deflection mirror 5 is attached to a motor 6 in such a way that its axis 7 intersects the plane of the deflection mirror 5 almost, but not quite, perpendicularly. The rotation of the motor 6 causes the deflection mirror 5 to move, and the slight tilting of the mirror plane normal to the axis 7 of the motor 6 causes the deflection mirror 5 to wobble. Due to this wobbling movement of the deflection mirror 5, the projected image of the light image 3 now also moves in a wobbling manner over the surface 2 of the object 1 to be measured. The area that is always illuminated during a complete revolution of the mirror represents the limitation of the measuring volume .

Mit zwei zueinander synchronisierten Kameras 8, 9, welche vorab bezüglich der inneren und äußeren Parameter des Stereosystems kalibriert worden sind, wird von unterschiedlichen Standorten eine Anzahl von beispielsweise 12 Bildern aufgenommen. Diese Stereobildsequenz wird an einen Rechner (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) übertragen. Bei der rechentechnischen Auswertung der besagten Stereobildsequenz werden unter Verwendung der etablierten Methode der Zeitkorrelation homologe Punkte in bekannter Weise einander zugeordnet und aus diesen mit Hilfe der ebenfalls bekannten Kalibrierparameter 3D-Punkte im Raum bestimmt, welche nun je nach Anwendung weiterverarbeitet werden können. Durch die motorgesteuerte Bewegung des Umlenkspiegels 5 kann eine sehr schnelle Veränderung des projizierten statistischen Musters auf der zu vermessenden Oberfläche 2 und damit eine sehr schnelle hochauflösende Rekonstruktion der Oberfläche 2 erreicht werden. Anstatt des motorgesteuerten Spiegels könnten zur Mustervariation beispielsweise ein automatisches Zoomobjektiv, eine Dia-verschiebende Mechanik oder ein lichtveränderndes Element, beispielsweise ein lichtbeugendes oder lichtbrechendes Element, zum Einsatz kommen. With two mutually synchronized cameras 8, 9, which have been calibrated in advance with regard to the internal and external parameters of the stereo system, a number of, for example, 12 images is recorded from different locations. This stereo image sequence is transmitted to a computer (not shown for reasons of clarity). In the computational evaluation of said stereo image sequence, homologous points are assigned to one another in a known manner using the established method of time correlation and 3D points in space are determined from these using the likewise known calibration parameters, which can now be further processed depending on the application. The motor-controlled movement of the deflection mirror 5 allows a very rapid change in the projected statistical pattern on the surface 2 to be measured and thus a very rapid, high-resolution reconstruction of the surface 2 to be achieved. Instead of the motor-controlled mirror, for example an automatic zoom lens, a slide-shifting mechanism or a light-changing element, for example a light-diffracting or light-refractive element, could be used for pattern variation.

Insbesondere könnten Diffraktiv-Optische Elemente (DOE) als lichtbeugendes Element verwendet werden, sei es durch Verwendung von digital schaltbaren Spatial-Light-Modulatoren oder im einfachsten Fall durch mechanische Verschiebung des DOE, wobei hier jeweils eine kohärente Lichtquelle verwendet werden sollte. Zur Realisierung einer Strahlablenkung mittels lichtbrechendem Element könnte beispielsweise ein drehbarer Keil Verwendung finden.In particular, diffractive optical elements (DOE) could be used as a light-diffracting element, either by using digitally switchable spatial light modulators or, in the simplest case, by mechanically shifting the DOE, with a coherent light source being used in each case. A rotatable wedge, for example, could be used to implement beam deflection by means of a light-refracting element.

Claims (12)

Verfahren zur 3D-Messung von Objekten (1) mit einem Stereosystem, bei dem zur standortunterschiedlichen Detektion und dreidimensionalen Auswertung von Stereobildsequenzen ein statistisches optisches Muster (3) auf das Objekt (1) abgebildet wird, wobei das auf das Objekt (1) abgebildete statistische optische Muster (3) in beliebiger Art hinsichtlich Lage und/oder Form ohne eine definierte Mustersequenz und/oder ohne eine exakte Musterlage verändert wird, wobei in einer beliebigen Aufnahmerate durch in einem Kamerasystem untereinander synchronisierte Kameras (8, 9), welche vorab bezüglich der inneren und äußeren Parameter des Stereosystems kalibriert worden sind, standortunterschiedliche Stereobildsequenzen aufgenommen und an einen Rechner übertragen werden und während der Auswertung der standortunterschiedlich detektierten Stereobildsequenzen aus den Stereobildsequenzen homologe Bildpunkte einander zugeordnet und aus diesen Rauminformationen berechnet werden, wobei die homologen Bildpunkte bei der rechentechnischen Auswertung der standortunterschiedlich detektierten Stereobildsequenzen unter Verwendung einer Methode der Zeitkorrelation einander zugeordnet und aus diesen mit Hilfe der Kalibrierparameter 3D-Punkte im Raum bestimmt werden.Method for the 3D measurement of objects (1) with a stereo system, in which a statistical optical pattern (3) is imaged on the object (1) for the location-different detection and three-dimensional evaluation of stereo image sequences, wherein the statistical optical pattern (3) imaged on the object (1) is changed in any way with regard to position and/or shape without a defined pattern sequence and/or without an exact pattern position, with cameras (8, 9) which are synchronized with one another in a camera system and which have been calibrated in advance with regard to the internal and external parameters of the stereo system, are recorded at any recording rate at different locations and transmitted to a computer and During the evaluation of the stereo image sequences detected at different locations, homologous pixels are assigned to one another from the stereo image sequences and spatial information is calculated from this, wherein the homologous pixels are assigned to one another during the computational evaluation of the stereo image sequences detected at different locations using a method of time correlation and 3D points in space are determined from these with the aid of the calibration parameters. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das statistische optische Muster (3) auf das Objekt (1) projiziert und dort kontinuierlich verändert wird.procedure after claim 1 , characterized in that the statistical optical pattern (3) is projected onto the object (1) and continuously changed there. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das statistische optische Muster (3) auf das Objekt (1) projiziert und über dieses verschoben wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the statistical optical pattern (3) is projected onto the object (1) and is shifted over it. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das statistische optische Muster (3) in Rotationsbewegung auf dem Objekt (1) verschoben wird.procedure after claim 3 , characterized in that the statistical optical pattern (3) is displaced in a rotational movement on the object (1). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das statistische optische Muster (3) auf das Objekt (1) projiziert und auf diesem beliebig und ohne vorgegebene Koordinatenrichtung bewegt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the statistical optical pattern (3) is projected onto the object (1) and is moved on it as desired and without a predetermined coordinate direction. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das statistische optische Muster (3) auf dem Objekt (1) hin und her bewegt wird.procedure after claim 5 , characterized in that the statistical optical pattern (3) on the object (1) is moved back and forth. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest eine Lichtquelle (4) zur Erzeugung des statistischen und standortunterschiedlich zu detektierenden optischen Musters (3) eingerichtet ist, wobei im Strahlengang der Lichtquelle (4) zum Objekt (1) wenigstens ein den Lichtstrahl veränderndes Element (5) angeordnet ist, und wobei mit einem Kamerasystem mit untereinander synchronisierten Kameras (8, 9) standortunterschiedliche Bildsequenzen in einer beliebigen Aufnahmerate aufgenommen werden und an einen Rechner übertragen werden.Device for carrying out the method according to one or more of Claims 1 until 6 , wherein at least one light source (4) is set up to generate the statistical optical pattern (3) to be detected at different locations, wherein at least one element (5) that changes the light beam is arranged in the beam path of the light source (4) to the object (1), and with a camera system with cameras (8, 9) synchronized with one another, image sequences at different locations are recorded at any recording rate and transmitted to a computer. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei als wenigstens ein den Lichtstrahl veränderndes Element (5) ein rotierender oder vibrierender Spiegel eingerichtet ist.device after claim 7 , wherein a rotating or vibrating mirror is set up as at least one element (5) that changes the light beam. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei als wenigstens ein den Lichtstrahl veränderndes Element (5) eine Dia-verschiebende Mechanik eingerichtet ist.device after claim 7 , wherein a slide-shifting mechanism is set up as at least one element (5) that changes the light beam. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei als wenigstens ein den Lichtstrahl veränderndes Element (5) ein veränderliches lichtbeugendes oder lichtbrechendes Element, eingerichtet ist.device after claim 7 , wherein a variable light-diffracting or light-refracting element is set up as at least one element (5) that changes the light beam. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei als zumindest eine Lichtquelle (4) eine steuerbare Pulslichtquelle eingerichtet ist.device after claim 7 , wherein a controllable pulsed light source is set up as at least one light source (4). Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei als zumindest eine Lichtquelle (4) eine Konstantlichtquelle eingerichtet ist.device after claim 7 , wherein a constant light source is set up as at least one light source (4).
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