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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und hochgenauen 3D-Messung von Objekten, bei dem Muster auf die zu vermessenden Objekte projiziert werden, die von im Standort unterschiedlichen Bildansichten als korrespondierende Bildmuster der Objekte, beispielsweise aufgenommen durch Kameras, detektiert werden. Aus dem Vergleich dieser unterschiedlichen Bildmuster werden Rauminformationen für die dreidimensionale Rekonstruktion des Objektes gewonnen. Bei dieser dreidimensionalen Rekonstruktion soll eventuell auftretendes natürliches oder künstliches Fremdlicht ohne störenden Einfluss auf die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Auswertung bleiben. Störendes Fremdlicht, dessen Einfluss normalerweise die 3D-Rekonstruktion beeinträchtigen könnte, wären beispielsweise Sonnenlicht, insbesondere bei Außenvermessungen, oder andere Lichteinflüsse, wie Scheinwerfer und sonstige Beleuchtungen. Hinderliche Lichtverhältnisse können auch Fernvermessungen beeinträchtigen, bei denen das Nutzlicht aufgrund der Entfernung gegenüber eventuell störendem Fremd- bzw. Umgebungslicht nachteilig verringert ist.
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In vielen Bereichen sind optisch messende 3D-Messsysteme erforderlich. Sie werden beispielsweise für die Qualitätskontrolle in Fließbandanwendungen, biometrische Aufzeichnung sowie architektonische und kunsthistorische Bestandsaufnahme, Archivierung, Rekonstruktion und Replikation verwendet. Vor allem in zuletzt genanntem Anwendungsfeld befinden sich die Messobjekte oft in für die 3D-Vermessung ungünstigem Umgebungs- bzw. Fremdlicht. Der Einsatz von Projektoren für die strukturierte Beleuchtung unter solch ungünstigen Bedingungen ist jedoch aufgrund der technischen Limitierungen (geringe Lichtleistung) aktuell verfügbarer Projektoren nicht möglich, da der Kontrast zwischen Umgebungslicht und projiziertem Muster zu klein ist, um auswertbare Daten zu erhalten. Deshalb wird für solche Aufgaben (beispielsweise im Außenbereich bei Sonnenlicht) oftmals auf Messverfahren zurückgegriffen, die keine strukturierte Beleuchtung der Vermessungsobjekte vorsehen.
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Im Allgemeinen zeichnen sich jedoch Verfahren ohne strukturierte Beleuchtung oder sequentielle Projektion von Mustern durch eine geringere Messgenauigkeit aus, da sie allein auf die dem Objekt immanente Textur angewiesen sind. Gezwungenermaßen wird deshalb oft mit reduzierter Genauigkeit gemessen, obwohl prinzipiell genauer messende Verfahren bekannt sind. Im Detail besteht für die Verwendung von strukturierter Beleuchtung also die Schwierigkeit darin, trotz hinderlicher Fremdlicht-Beeinträchtigung eine Auswertung detektierbarer Projektionsmuster zu ermöglichen. Insbesondere durch die immer stärkere Verbreitung von 3D-Fernsehern wird die 3D-Digitalisierung in der nahen Zukunft an Bedeutung gewinnen, und damit auch die Anforderungen an die Qualität von 3D-Aufnahmen zunehmen. In diesem Kontext ist daher die Entwicklung eines schnellstmöglich, hochgenau und robust gegen Fremd- und Umgebungslicht messenden Systems für viele Anwendungsbereiche erforderlich.
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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, videometrics 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). Viele der genannten Verfahren verwenden als Leuchtmittel zur Projektion der Muster typischerweise Weißlichtquellen, die ihre gesamte optische Leistung auf einen breiten Spektralbereich verteilen. Dadurch ist es mit solchen Verfahren nicht möglich, die projizierte Lichtstruktur spektral vom Fremdlicht zu trennen. Der gesunkene Kontrast führt im Umfeld von störendem Fremdlicht zu ungenauen und ungenügenden 3D-Rekonstruktionen.
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Des Weiteren wurden auch schon Laser als Leuchtmittel für Verfahren unter Verwendung statistischer Muster als Leuchtmittel eingesetzt (M. Schaffer, M. Grosse, B. Harendt, R. Kowarschik: High-speed three-dimensional shape measurements of objects with laser speckles and acousto-optical deflection, Optics Letters 36, 2011, 3097–3099). Bei dieser Methode wird die kohärente Beleuchtung durch den Laser lediglich benutzt, um die Musterstrukturen schnell erzeugen zu können. Hierbei wurde keine Unterdrückung des störenden Fremdlichtes durchgeführt. Die 3D-Rekonstruktionen unter solch ungünstigen Umgebungsbedingungen würden eine schlechte Genauigkeit aufweisen.
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Weiterhin sind Verfahren des Laserscannens bekannt (
DE 102 00 606 0108 A1 ,
DE 000 01 980 6288 A1 ), die im Außenbereich und damit ebenfalls in Szenarien, welche potentiell durch starkes Umgebungslicht geprägt sind, eingesetzt werden, jedoch an sich im Vergleich zu Verfahren mit flächiger, strukturierter Beleuchtung eine längere Messzeit, geringere Punktdichte und höhere Messunsicherheit aufweisen und damit für eine sehr schnelle und hochgenaue 3D-Rekonstruktion nicht geeignet sind. Da diese Verfahren sequentiell Messpunkte erfassen, repräsentiert die Messung keinen exakten Zeitpunkt, und sich verändernde Messobjekte/-szenarien werden fehlerhaft erfasst. Außerdem werden diese Verfahren oftmals für größere Entfernungen verwendet und besitzen ein Eindeutigkeitsintervall, welches die räumliche Tiefenausdehnung nachteilig beschränkt und eine Adaption an Nahbereichsanwendungen nicht zulässt.
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Ein weiteres scannendes Verfahren ist die Laserlinientriangulation, die im Außenbereich und damit ebenfalls in Szenarien, welche potentiell durch starkes Umgebungslicht geprägt sind, eingesetzt werden könnten. Dabei wird entweder das Objekt während der Aufnahme unter einer Laserlichtlinie hindurch geführt oder die Laserlichtline mit einer Ablenkvorrichtung über das Objekt verschoben (
DE 603 00 824 T2 ,
DE 196 08 632 A1 ). Wie beim vorgenannten Laserscanverfahren werden verschiedene Objektstellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten vermessen, womit Änderungen des Objekts zwischen diesen Zeitpunkten zu Bewegungsartefakten in der 3D-Rekonstruktion führen. Außerdem sind große, komplexere Objekte aufgrund der notwendigen Ablenkung und Positionierung nur langsam oder mit erhöhter gegenseitiger Abschattung zu vermessen. Zwar sind die Verfahren an sich schnell, aber sie erfassen die Messpunkte nur sequenziell und haben dadurch bei komplexen und sich während der Messzeit veränderlichen Formen Auswerteprobleme.
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Zusätzlich existieren Methoden zur 3D-Vermessung mit Laserlicht, die ebenfalls im Außenbereich mit starkem Umgebungslicht eingesetzt werden könnten und die flächige Merkmale und damit nicht scannend projizieren. In
DE 103 08 383 A1 wurde ein System patentiert, welches mit Hilfe von diffraktiv-optischen Elementen Marker auf das Objekt projiziert. Derartige Ausführungen, die auf Basis eines Musters funktionieren, führen in der Regel zu Rekonstruktionen mit geringer Punktdichte, da lediglich einzelne Punkte pro Marke berechnet werden.
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Zusammenfassend ist festzustellen, dass bisher kein Verfahren bekannt ist, das flächige, dichte, hochgenaue (relative Messgenauigkeit < 1.0 × 10–4 der 3D-Punkte) und schnelle 3D-Messungen realisiert und das auch bei hinderlichen natürlichen oder künstlichen Umgebungs- bzw. Fremdlichtbedingungen, beispielsweise im Außenbereich und bei störenden Scheinwerfer- und anderen Lichteffekten, ohne nennenswerte Beeinträchtigung von Präzision und Geschwindigkeit der 3D-Rekonstruktion einsetzbar ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, selbst bei ungünstigen Lichtverhältnissen, wie störendem Fremdlicht, beispielsweise bei Vermessungen unter Einfluss greller Sonneneinstrahlung, und bei der Erfassung entfernter Objekte, eine sehr schnelle, hochgenaue sowie universell anwendbare 3D-Vermessung zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur 3D-Messung von Objekten, insbesondere unter hinderlichen Lichtverhältnissen, bei dem zumindest ein zu veränderndes oder mehrere unterschiedliche Muster auf die dreidimensional zu vermessende Objektoberfläche projiziert werden sowie das zumindest eine projizierte Muster in seiner Veränderung bzw. die projizierten unterschiedlichen Muster in ihrem Wechsel von zumindest einem Detektor als standortunterschiedliche korrespondierende Bildmuster der zu vermessenden Objektoberfläche erfasst und zur Gewinnung von 3D-Informationen des Objekts ausgewertet werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das zumindest eine zu verändernde bzw. die mehreren unterschiedlichen Muster spektral bezüglich der Lichtwellenlänge schmalbandig auf die zu vermessende Objektoberfläche projiziert und die standortunterschiedlichen korrespondierenden Bildmuster von der Objektoberfläche spektral schmalbandig gefiltert von dem zumindest einen Detektor erfasst werden.
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Bei einer Vorrichtung zur 3D-Messung von Objekten, insbesondere unter hinderlichen Lichtverhältnissen, mit wenigstens einem Projektor zur Erzeugung und Projektion zumindest eines zu verändernden oder mehrerer unterschiedlicher Muster auf die dreidimensional zu vermessende Oberfläche des Objekts sowie mit wenigstens einem Detektor zur Erfassung standortunterschiedlicher korrespondierender Bildmuster der zu vermessenden Oberfläche vom Objekt, wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zur Musterprojektion wenigstens ein spektral schmalbandig emittierender Projektor vorgesehen ist und dass im Strahlengang des wenigstens einen Detektors zur Erfassung der standortunterschiedlichen korrespondierenden Bildmuster der zu vermessenden Oberfläche vom Objekt zumindest ein Spektralfilter angeordnet ist.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsmöglichkeiten zur Erfindung genannt.
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Vorschlagsgemäß wird zur besagten Musterabbildung nur spektral schmalbandiges Licht auf das dreidimensional auszuwertende Objekt projiziert. Diese Muster in einem schmalen Wellenlängenbereich werden standortunterschiedlich auch in einem spektral schmalbandig gefilterten Bereich detektiert, wobei die Mittenfrequenzen dieser Spektralbereiche zweckmäßig im Wesentlichen übereinstimmen.
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Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, die sich dazu eignen, schnell und hochgenau 3D-Aufnahmen durchzuführen, die zudem unter schwierigen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise starkem Fremdlicht, möglich sind. Alle sonst üblichen Verfahren verfügen über geringe Genauigkeiten bei störendem Fremdlicht oder sind in ihrer Messzeit nicht für dynamische Szenen geeignet. Das Verfahren erreicht durch spektral schmalbandige Projektion und darauf abgestimmte spektral schmalbandige Detektion einen sehr hohen Projektionsmusterkontrast für die Auswertung und kann deswegen trotz hinderlicher Fremdlichteinwirkungen, bei denen die eingangs genannten Methoden versagen oder keine verwertbaren Auswerteergebnisse liefern, dennoch die aufgabengemäße sehr genaue 3D-Rekonstruktion von Objekten ermöglichen. Die zudem schnelle Variationsmöglichkeit von in der Projektion und Detektion spektral schmalbandigen Mustern gestattet die uneingeschränkt schnelle Aufnahme der Objektszenarien (Aufnahmezeiten im Bereich weniger Millisekunden). Mit den genannten Vorteilen beinhaltet die Erfindung keinerlei Einschränkung in ihrer Verwendung und ist universell einsetzbar. Insbesondere bei der Vermessung in Umgebung von störendem Fremdlicht, wie beispielsweise im Außenbereich, ist das Verfahren höchst vorteilhaft, da es, insbesondere unter den genannten hinderlichen Lichtbedingungen, möglich ist, weiter entfernte Objekte zu vermessen, wobei der übliche Intensitätsabfall des zu detektierenden Lichtes (proportional zu eins durch den Abstand zum Quadrat) nicht so maßgeblich wie bei den bisher bekannten Verfahren die Messung (Genauigkeit und Aufnahmegeschwindigkeit) beeinträchtigt.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels zur schnellen und hochgenauen 3D-Messung von Objekten unter schwierigen Umgebungslichtbedingungen als Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:
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1: Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion und Detektion der spektral schmalbandigen Muster
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2: Schematische Darstellung einer Kamera zur spektral schmalbandigen Musterdetektion
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Von einem Objekt 1 soll die Oberfläche dreidimensional vermessen und rekonstruiert werden. Zu diesem Zweck wird ein statistisches Muster auf das Objekt 1 projiziert. Das statistische Muster ist ein Specklemuster, welches durch statistische Interferenz von kohärentem Licht nach Fokussierung des Laserlichts eines Lasers 2 mit einer Linse 3 an einer Streuscheibe 4 entsteht. Die Streuscheibe 4 ist auf einem drehbaren Schrittmotor 5 befestigt, der die Streuscheibe 4 so rotierend verstellen kann, dass der Laserstrahlfokuspunkt der Linse 3 beliebige Streugebiete auf der Streuscheibe 4 beleuchten kann. Der Schrittmotor 5 bewegt schrittweise rotierend die Streuscheibe 4, wodurch abhängig von der Schrittmotorstellung jeweils ein unterschiedliches statistisches Muster auf dem Objekt 1 erzeugt wird. Auf diese Weise bilden der Schrittmotor 5 und die auf diesem fest verbundene Streuscheibe 4 eine Mustervariationsvorrichtung mit einer nicht explizit dargestellten Durchgangsöffnung für den durch die Linse 3 fokussierten Laserstrahl des Lasers 2.
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Mit zwei zueinander synchronisierten Kameras 6 und 7, welche vorab bezüglich der inneren und äußeren Parameter des Stereoaufbaus kalibriert worden sind, wird von unterschiedlichen Standorten eine Anzahl von beispielsweise 12 Bildern von den auf das Objekt 1 projizierten statistischen Mustern aufgenommen. Zwischen jedem der beispielsweise 12 Kamerabildpaare wird die Streuscheibe 4 so verstellt, dass für jedes korrespondierende Bildpaar das dreidimensional auszuwertende Objekt 1 mit einem anderen statistischen Muster beleuchtet wird. Der Detektionsbereich der zu einander synchronisierten Kameras 6, 7 ist jeweils durch Strichlinien dargestellt. 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 Schrittmotors 5 kann eine schnelle Änderung des projizierten statistischen Musters auf dem zu vermessenden Objekt erfolgen und eine schnelle hochauflösende Aufnahme der Oberfläche erreicht werden. Für die spektral schmalbandige Musterprojektion und -detektion wird ein Laser verwendet, der Licht mit einer spektralen Breite von < 100 pm bei einer Mittenwellenlänge von 532 nm emittiert. Die in den Kameras 6, 7 befindlichen Laserlinienfilter transmittieren lediglich Licht, welches eine Mittenwellenlänge von 532 nm hat. Der Bereich um die Mittenwellenlänge der spektralen Dämpfungskurve des Filters beträgt ±1 nm, so dass der Filter optimal an die Projektionsquelle angepasst ist. Alle anderen Wellenlängen und damit auch breitbandige Fremdlichter werden mit einer Dämpfung von –40 dB destruktiv interferierend ausgelöscht. Dadurch kann bei der dreidimensionalen Aufnahme des Objekts 1 störendes Umgebungs- oder Fremdlicht, symbolisch in 1 dargestellt durch eine Lampe 8 als Störlichtquelle, welches Strahlungsleistung in einem breiten und/oder anderen Spektralbereichen aufweist, wirkungsvoll unterdrückt werden, und die vom Objekt 1 durch die spektral schmalbandige Musterprojektion erzeugten sowie mittels der Kameras 6, 7 detektierten ebenfalls spektral schmalbandigen Bildpaare weisen einen hohen Musterkontrast auf. Letzterer ist abhängig von Filter- und Laserspezifikation um mehrere Größenordnungen höher als ohne spektrale Filterung.
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Als Mustern können auch andere Muster projiziert werden. Beispielhaft sei die Projektion von Muster mit diffraktiv-optischen Elementen erwähnt oder aber durch Zweistrahlinterferenz erzeugte Streifenmuster zur Streifenprojektion. Andere Systeme zur Variation der Specklemuster mittels Beleuchtung unterschiedlicher Streugebiete der Streuscheibe sind vorstellbar.
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Anstelle des Lasers 2 mit dem internen und nicht explizit dargestellten spektral schmalbandig emittierenden Resonator wären auch andere Leuchtmittel, wie Laserdioden, sonstige Dioden und spektral gefilterte Weißlichtquellen, verwendbar.
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2 zeigt beispielhaft einen schematischen Kameraaufbau aus einem Kameragehäuse 9 und einem Objektiv 10, mit welchem die auf das Objekt 1 projizierten spektral schmalbandigen Muster durch die Kameras 6, 7 ebenfalls spektral schmalbandig detektiert werden können. Zu diesem Zweck beinhaltet dieser Kameraaufbau im Objektiv 10 einen Laserlinienfilter als Spektralfilter 11 zwischen einer abbildenden Optik 12 und einem im Kameragehäuse 9 angeordneten CCD/CMOS-Sensor als Bilddetektor 13. Der Bilddetektor 13 transmittiert Licht (in 2 gestrichelt dargestellt) spektral um die besagte Wellenlänge, die der Laser 2 emittiert. Es ist es möglich, die Position des Spektralfilters 11 zu variieren. Ebenso könnte er vor der abbildenden Optik 12 (und prinzipiell auch außerhalb des Objektivs 10) positioniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objekt
- 2
- Laser
- 3
- Linse
- 4
- Streuscheibe
- 5
- Schrittmotor
- 6, 7
- Kamera
- 8
- Lampe (Symboldarstellung von Umgebungslicht als Störlichtquelle)
- 9
- Kameragehäuse
- 10
- Objektiv
- 11
- Spektralfilter
- 12
- abbildende Optik
- 13
- Bilddetektor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19623172 C1 [0004]
- DE 102006060108 A1 [0006]
- DE 000019806288 A1 [0006]
- DE 60300824 T2 [0007]
- DE 19608632 A1 [0007]
- DE 10308383 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- 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 [0004]
- J. Gühring, Dense 3-D surface acquisition by structured light using off-the-shelf components, videometrics and optical methods for 3D shape measurement 4309, 2001, 220–231 [0004]
- A. Wiegmann, H. Wagner, R. Kowarschik: Human face measurement by projecting bandlimited random patterns, Optics Express 14, 2006, 7692–7698 [0004]
- M. Schaffer, M. Grosse, B. Harendt, R. Kowarschik: High-speed three-dimensional shape measurements of objects with laser speckles and acousto-optical deflection, Optics Letters 36, 2011, 3097–3099 [0005]
