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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen räumlicher Koordinaten von Oberflächen makroskopischer Objekte und ein damit durchführbares Verfahren zum Bestimmen räumlicher Koordinaten einer Oberfläche eines makroskopischen Objekts.
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Die dreidimensionale Vermessung makroskopischer Gegenstände ist u. a. durch Einsatz aktiver Objektbeleuchtung und auf der Basis von Triangulationsalgorithmen möglich. Der Vorteil aktiver Objektbeleuchtung gegenüber Ansätzen, die ausschließlich mit Umgebungslicht arbeiten, liegt in der musterabhängigen ein- oder eineindeutigen Zuordnung von Kamera- und/oder Projektorpunkten, welche als Basis von Triangulationsalgorithmen dienen. Die Exaktheit und Verlässlichkeit dieser Zuordnungen bildet die Basis der Genauigkeit späterer 3D-Ergebnisse.
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Ebenso wesentlich für die Präzision dreidimensionaler Koordinatenbestimmung ist eine gegebene oder mit der Vermessung gleichzeitig durchgeführte Systemkalibrierung. Diese Kalibrierung ist so lange gültig, solange keine Art von Verschiebungen und/oder Deformationen innerhalb des 3D-Messsensors, welcher häufig aus einer Projektionseinheit und mindestens einer Flächenkamera besteht, stattgefunden hat. Für Messumgebungen, in denen hohe Geschwindigkeiten des Messsensors erreicht werden müssen, wird die notwendige Aufnahmegeschwindigkeit der Flächenkameras schnell zum limitierenden technischen Faktor, der die Bildrate begrenzt.
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Ein Teilgebiet dreidimensionaler Vermessung ist die Koordinatenbestimmung bei bewegten Objekten oder bewegten Sensoren, bei der eine sehr große Geschwindigkeit der Datenaufnahme realisiert werden muss, um Bewegungsunschärfen während der Messung zu vermeiden. Ebenfalls von Bedeutung ist die sehr schnelle Vermessung ruhender Messsituationen mit Bildraten, die heute mit üblichen Flächenkameras nicht erreicht werden.
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Um in diesem Bereich die Verschmierungen bzw. Bewegungsunschärfen innerhalb jeder Aufnahme möglichst gering zu halten, sind an diese Anforderung angepasste Projektions- und Kamerasysteme notwendig.
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Für die aktive Objektbeleuchtung bei der 3D-Vermessung bzw. 3D-Rekonstruktion kommen bisher entweder flächenhaft messende Systeme mit Projektoren und Flächenkameras oder Linienscanner zum Einsatz, welche mit dem Lichtschnittverfahren arbeiten. Solche Linienscanner sind herkömmlicher Weise mit einem Linienprojektor, welcher eine Linie auf das zu vermessende Objekt projiziert, und einer Flächenkamera, welche unter einem Triangulationswinkel das Objekt beobachtet und das Bild der projizierten Linie auf dem Objekt aufnimmt, ausgestattet. Ein solches System ist in 1 dargestellt. Zum Projizieren der Linie auf das Objekt 1 weist es einen Laser 2 und eine Zylinderlinse 3 auf, während die Flächenkamera – also eine Kamera, die zweidimensionale Bilder aufnimmt – durch eine Abbildungsoptik 4 und eine CCD-Matrix 5 gebildet wird. Außerdem weisen solche bekannten Linienscanner ein Rechnersystem auf, welches die Projektion steuert und die Daten aus der Kamera aufnimmt und verarbeitet.
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Die Laserlinie wird dabei in Form einer Projektionsebene auf das Objekt projiziert. Diese Ebene trifft auf das Messobjekt, und die Schnittlinie zwischen Objekt Projektionsebene bildet auf dem Objekt die Laserlinie. Bei Betrachtung dieser Schnittlinie unter einem Triangulationswinkel mit einer Flächenkamera ergibt sich eine Kodierung der Höheninformation des Objektes in Form einer seitlichen Auslenkung der Linie im Kamerabild. Geometrisch erfolgt die Aufnahme der 3D-Koordinaten entlang einer Linie auf dem Objekt. Für die Aufnahme einer solchen Linie muss jeweils die Kamerainformation der Flächenkamera ausgelesen werden. Die Höheninformation einer Linie auf dem Objekt wird also als Flächeninformation im Kamerabild dargestellt.
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Die Anordnung eines solchen konventionellen Linienscannersystems kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit wie folgt beschrieben werden. Ein Messobjekt befindet sich wesentlich in der x-y-Ebene. Mit dem Projektor wird, wie in 1 gezeigt, eine Linie aus Richtung der z-Achse – also in Richtung entgegen der z-Achse – in die x-y Ebene projiziert, direkt auf die y-Achse oder parallele zur y-Achse. Damit wird ein Projektionsbündel oder ein Lichtfächer erzeugt, der eine Projektionsebene in der y-z-Ebene aufgespannt. Mit einer Flächenkamera wird das Objekt aus eine Richtung in der x-z-Ebene, mit einem Winkel der optischen Achse zur z Achse von einigen Grad bis zu ca. 80°, beobachtet. Beispielhaft seien 20° gewählt. Die optische Achse der Kamera liegt in der x-z-Ebene.
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Die Kamera beobachtet die x-y-Ebene und das dort befindliche Messobjekt. Damit kann die Höheninformation auf dem Messobjekt in der Schnittlinie von Objekt und der y-z-Ebene erfasst werden. Diese ist in der Kamera jeweils pro Messpunkt in einem Versatz der beobachteten Linien kodiert. in der Kameraebene ergibt sich dabei eine Intensitätsverteilung der in 1 oben rechts gezeigten Art. Die Triangulationsbasis wird durch die Kamera und den Projektor aufgespannt. Sie liegt in der x-z-Ebene und außerhalb der y-z-Ebene.
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Wie eingangs erwähnt bringen Systeme dieser Art den Nachteil mit sich, dass die zum Erfassen einer Kontur erforderliche Zeit nicht so weit reduzieren lässt, wie es wünschenswert wäre.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst kompakte Vorrichtung zum Bestimmen räumlicher Koordinaten von Oberflächen makroskopischer Objekte vorzuschlagen, mit der die Vermessung solcher Oberflächen in verhältnismäßig kurzer Zeit möglich ist. Vorgeschlagen werden soll auch ein entsprechendes Verfahren zum Bestimmen räumlicher Koordinaten einer Oberfläche eines makroskopischen Objekts, das mit ausgesprochen kurzen Messzeiten auskommt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und durch ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zum Bestimmen räumlicher Koordinaten von Oberflächen makroskopischer Objekte umfasst einen Linienprojektor, zwei Zeilenkameras und eine Steuer- und Auswerteeinheit, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist, folgende Schritte durchzuführen:
- – Ansteuern des Linienprojektors, so dass dieser eine Serie von verschiedenen Intensitätsverteilungen innerhalb einer für diese Serie gleichbleibenden Ebene projiziert,
- – Ansteuern der Zeilenkameras, so dass jede der Zeilenkameras für jede dieser Intensitätsverteilungen jeweils ein eindimensionalen Bild aufnimmt, so dass für jeden Pixel einer Bildzeile der jeweiligen Zeilenkamera jeweils eine Serie von Messwerten ermittelt wird,
- – Bestimmen einander entsprechender Pixel der beiden Bildzeilen der beiden Zeilenkameras durch Korrelation der mit den beiden Zeilenkameras aufgenommenen Serien eindimensionaler Bilder oder der mit den beiden Zeilenkameras ermittelten Serien von Messwerten und
- – Berechnen räumlicher Koordinaten für eine Vielzahl von Punkten einer Schnittlinie der projizierten Intensitätsverteilungen mit einer Objektoberfläche durch Triangulation auf Basis der so bestimmten einander entsprechenden Pixel der beiden Bildzeilen der beiden Zeilenkameras.
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Diese Vorrichtung erlaubt eine Vermessung dreidimensionaler Konturen und die Bestimmung von Höhen- bzw. Tiefeninformationen von Oberflächen in ausgesprochen kurzer Zeit. Das ergibt sich schon daraus, dass Zeilenkameras gegenüber Flächenkameras wesentlich größerer Raten bzgl. der Aufnahme jeweils eines Bildes (Fläche bei Flächenkameras, erreichen können, weil jeweils nur eine Pixelzeile anstelle einer ganzen Pixelmatrix ausgelesen werden muss. Außerdem ergibt sich durch die Verwendung von Zeilenkameras aufgrund deren geringer Abmessungen insbesondere senkrecht zur jeweiligen Bildzeile ein sehr kompakter Aufbau. Die Vorrichtung ist außerdem sehr effizient, weil zumindest so gut wie alle aufgenommenen Bildinformationen auch verwendet werden im Gegensatz zum herkömmlichen Lichtschnittverfahren, bei dem letztlich immer nur die Bildinformationen eines schmalen Streifens des jeweiligen Bildsensors entsprechend der schmalen ausgeleuchteten Linie verwendet werden.
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Dementsprechend vorteilhaft ist auch das vorgeschlagene Verfahren zum Bestimmen räumlicher Koordinaten einer Oberfläche eines makroskopischen Objekts, das folgende Schritte umfasst:
- – Projizieren einer Serie von verschiedenen Intensitätsverteilungen innerhalb einer für diese Serie gleichbleibenden Ebene mittels eines auf die Oberfläche des Objekts gerichteten Linienprojektors, so dass jeweils längs einer Schnittlinie der genannten Ebene mit der Oberfläche des Objekts eine Linie inhomogener Intensität auf die Oberfläche projiziert wird,
- – Aufnehmen jeweils eines eindimensionalen Bildes eines durch den Linienprojektor beleuchteten Streifens der Oberfläche für jede dieser Intensitätsverteilungen durch jede von zwei Zeilenkameras, so dass jede der zwei Zeilenkameras für jede der projizierten Intensitätsverteilungen jeweils ein eindimensionalen Bild aufnimmt und für jeden Pixel einer Bildzeile der jeweiligen Zeilenkamera jeweils eine Serie von Messwerten ermittelt wird,
- – Bestimmen einander entsprechender Pixel der beiden Bildzeilen der beiden Zeilenkameras durch Korrelation der mit den beiden Zeilenkameras aufgenommenen Serien eindimensionaler Bilder oder der mit den beiden Zeilenkameras ermittelten Serien von Messwerten und
- – Berechnen räumlicher Koordinaten für eine Vielzahl von Punkten der Schnittlinie der projizierten Intensitätsverteilungen mit der Oberfläche des Objekts durch Triangulation auf Basis der so bestimmten einander entsprechenden Pixel der beiden Bildzeilen der beiden Zeilenkameras.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Objekts gescannt wird, indem die genannten Schritte für eine Folge verschiedener Projektionsrichtungen ausgeführt werden, so dass die genannte Ebene um eine in dieser Ebene liegende und senkrecht zu einer Hauptprojektionsrichtung des Linienprojektors orientierte Achse gekippt wird. So kann eine Kontur des Objekts nicht nur längs einer Linie, sondern zumindest innerhalb gewisser Grenzen über die ganze Oberfläche des Objekts erfasst werden. Die vorgeschlagene Vorrichtung kann dementsprechend als Linienscanner ausgeführt sein, der die genannten Schritte für eine Folge verschiedener Projektionsrichtungen auszuführen eingerichtet ist, so dass die genannte Ebene um die genannte Achse gekippt wird.
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Die Intensitätsverteilungen können z. B. in Form von (1 + cos)-förmigen Intensitätsverteilungen oder von statistischen Mustern oder von Specklemustern projiziert werden. Insbesondere Muster dieser Art eignen sick, die erforderliche Identifizierung einander entsprechender Pixel – gemeint sind homologe Punkte in den beiden Bildzeilen der beiden Zeilenkameras – mit einer nicht zu großen Zahl von projizierten Intensitätsverteilungen zu ermöglichen. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann zu diesem Zweck dazu eingerichtet sein, den Linienprojektor zur Projektion der Intensitätsverteilungen in Form von (1 + cos)-förmigen Intensitatsverteilungen oder von statistischen Mustern oder von Specklemustern anzusteuern.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Linienprojektor einen Laser und eine Streuscheibe zur Erzeugung der Intensitätsverteilungen aufweist oder ein digitales Projektionssystem ist oder zur Erzeugung der Intensitatsverteilungen mittels diskreter Einzelpunktmuster oder mittels eines verschiebbaren Dias und einer festen Projektionsoptik ausgeführt ist. Die Intensitätsverteilungen können also insbesondere mittels eines Lasers und einer Streuscheibe zur Speckleerzeugung/-formung oder mittels eines digitalen Projektionssystems oder mittels diskreter Einzelpunktmuster oder mittels eines verschiebbaren Dias und einer festen Projektionsoptik erzeugt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bildzeilen der Zeilenkameras und der Linienprojektor – vorzugsweise sowohl ein Projektionszentrum des Linienprojektors als auch die Linienrichtung – in einer gemeinsamen Ebene liegen bzw. in einer gemeinsamen Ebene liegend angeordnet sind. Die Vorrichtung bzw. der Linienscanner bildet so eine im Wesentlichen zweidimensionale Anordnung. Dadurch lässt sich nicht nur ein besonders kompakter Aufbau realisieren, sondern auch die Auswertung der Messergebnisse wird aufgrund der besonderen geometrischen Bedingungen in diesem Fall besonders einfach.
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Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigt
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1 den bereits angesprochenen herkömmlichen Linienscanner,
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2 einen schematisch dargestellten Linienscanner vorgeschlagener Art mit einem Linienprojektor und zwei Zeilenkameras in perspektivischer Ansicht,
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3 den Linienscanner aus 2 in einer Aufsicht auf eine zu vermessende Oberfläche und
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4 den gleichen Linienscanner in einer Blickrichtung senkrecht zu einer Ebene, in der sowohl der Linienprojektor als auch jeweils eine Bildzeile der zwei Zeilenkameras liegen.
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In jeder der Figuren ist jeweils ein Koordinatensystem mit einer jeweils als solcher gekennzeichneten x-Achse, y-Achse und z-Achse wiedergegeben, das die Orientierung des Linienscanners in den verschiedenen Ansichten leichter nachzuvollziehen erlaubt. Gleiche Merkmale sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in den 2 bis 4 gezeigte Linienscanner bildet eine Vorrichtung zum Bestimmen räumlicher Koordinaten einer Oberfläche eines hier transparent dargestellten Objekts 1. Diese Oberfläche liegt ungefähr in der x-y-Ebene. Der Linienprojektor 2, dessen Hauptprojektionsrichtung parallel zur z-Achse des Koordinatensystems liegt und der z-Achse des Koordinatensystems entgegengesetzt ist, weist einen Linienprojektor 6 und zwei Zeilenkameras 7 sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit 8 auf. Die Steuer- und Auswerteeinheit 8 ist nur in 2 gezeigt. Jede der Zeilenkameras 7 weist neben einer einfachen abbildenden Optik 9 eine Bildzeile 10 mit einer Vielzahl von nicht einzeln dargestellten und in einer Reihe angeordneten Pixeln auf. Diese Bildzeilen sowie ein Projektionszentrum 11 des Linienprojektors liegen in einer gemeinsamen Ebene, die im vorliegenden Fall parallel zur y-z-Ebene liegt. Der Linienprojektor 6 projiziert eindimensionale Intensitätsverteilungen 12, die jeweils nur eine Linie auf dem Objekt 1 ausleuchten. Dabei geht vom Linienprojektor 6 erzeugtes Licht jeweils in Form eines in den 2 und 4 gestrichelt dargestellten Lichtfächers vom Linienprojektor 6 aus, wobei dieser Lichtfächer eine zur x-y-Ebene parallele Ebene jeweils parallel zu y-Achse schneidet. Die Oberfläche des Objekts 1 kann mit dem Linienscanner gescannt werden, beispielsweise indem dieser Lichtfächer um eine parallel zur y-Achse liegende Achse in x-Richtung geschwenkt wird, wie es in 2 durch einen Doppelpfeil dargestellt ist. Eine der verschiedenen nacheinander projizierten Intensitätsverteilungen 12 ist in 4 längs eines durch den Linienprojektors beleuchteten Streifens durch eine Kurve angedeutet, wobei eine ortsabhängige Intensität durch eine Erhebung dieser Kurve über den beleuchteten Streifen in z-Richtung veranschaulicht ist.
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Zum Bestimmen räumlicher Koordinaten der Oberfläche des Objekts 1 zunächst längs einer Linie wird wie folgt verfahren.
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Die dazu entsprechend programmierte Steuer- und Auswerteeinheit 8 steuert den Linienprojektor 6 so an, dass dieser eine Serie von verschiedenen Intensitätsverteilungen 12 innerhalb einer für diese Serie gleichbleibenden Ebene auf die Oberfläche des Objekts 1 projiziert. So wird jeweils längs einer Schnittlinie der zuletzt genannten Ebene und der Oberfläche des Objekts 1 eine Linie inhomogener Intensität auf die Oberfläche projiziert.
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Die Zeilenkameras 7 werden gleichzeitig von der auch dazu entsprechend eingerichteten Steuer- und Auswerteeinheit 8 so angesteuert, dass jede der Zeilenkameras 7 für jede der genannten Interisitätsverteilungen 12 jeweils ein eindimensionales Bild des durch den Linienprojektor 6 beleuchteten Streifens der Oberfläche aufnimmt, so dass für jeden Pixel der Bildzeile 10 der jeweiligen Zeilenkamera 7 jeweils eine Serie von Messwerten ermittelt wird.
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Durch Korrelation der mit den beiden Zeilenkameras 7 aufgenommenen Serien eindimensionaler Bilder oder der mit den beiden Zeilenkameras 7 ermittelten Serien von Messwerten bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 8 einander entsprechender Pixel der beiden Bildzeilen 10 der beiden Zeilenkameras 7. Darauf aufbauend werden mit der Steuer- und Auswerteeinheit 8 die räumlichen Koordinaten für eine Vielzahl von Punkten der Schnittlinie der projizierten Intensitätsverteilungen 12 mit der Oberfläche des Objekts 1 durch Triangulation auf Basis der so bestimmten einander entsprechenden Pixel der beiden Bildzeilen 10 der beiden Zeilenkameras 7 berechnet.
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Um die räumlichen Koordinaten der Oberfläche des Objekts nicht nur längs einer einzigen Schnittlinie, sondern flächig zu bestimmen, wird die Oberfläche mit dem Linienscanner gescannt, beispielsweise indem die genannten Schritte für eine Folge verschiedener Projektionsrichtungen ausgeführt werden. Dazu wird die genannte Ebene, innerhalb derer die Intensitätsverteilungen 12 projiziert werden, um die schon erwähnte, in dieser Ebene liegende und senkrecht zur Hauptprojektionsrichtung des Linienprojektors 6 orientierte Achse gekippt.
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Die Intensitätsverteilungen 12 werden z. B. in Form von (1 + cos)-förmigen Intensitätsverläufen oder in Form von statistischen Mustern oder in Form von Specklemustern oder in Form von diskreten Einzelpunktmustern projiziert. Dazu kann der Linienprojektor 6 die Intensitätsverteilungen 12 mittels eines Lasers und einer Streuscheibe oder mittels eines digitalen Projektionssystems oder mittels eines zum Scannen der Oberfläche verschiebbaren Dias und einer festen Projektionsoptik erzeugen.
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Bei der vorliegend beschriebenen Vorrichtung werden anstelle einer Flächenkamera zur Aufnahme der Objektform entlang einer Linie zwei Zeilenkameras 7 eingesetzt.
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Dabei ergeben sich insbesondere die nachfolgend beschriebenen Unterschiede zu dem herkömmlichen Aufbau aus der 1. Die Zeilenkameras 7 sind wie folgt angeordnet:
- – Die optische Achse liegt jeweils in einer gemeinsamen Ebene, beispielsweise in der y-z-Ebene.
- – Die Kamerablickrichtung ist jeweils gegen die z-Achse um einige Grad bis zu möglicherweise etwa 80° verdreht.
- – Die Triangulationsbasis zwischen den beiden Zeilenkameras liegt in der y-z-Ebene.
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Der Projektor projiziert anstelle der annähernd konstanten Intensität entlang seiner Linie, wie es beim klassischen Linieprojektor vorgesehen ist, eine Folge von unterschiedlichen, beispielsweise statistischen Intensitätsverteilungen 12. Ebenfalls möglich sind andere Formen der Intensitätsverteilung 12 wie (1 + cos)-förmige Verteilungen, Punktmuster oder durch Specklemuster gebildete Intensitätsverteilungen 12. Dabei erfolgt die Intensitätsvariation quer zur Ausbreitungsrichtung der Laserlinie bzw. der projizierten Linie. Die beiden Zeilenkameras 7 nehmen jeweils beide die Serie von Intensitätsverteilungen 12 auf. Aus der Korrelation der Bilder der Serie in beiden Zeilenkameras 7 kann dann jeweils ein Pixel der einen Zeilenkamera 7 einem interpolierten Pixel der zweiten Zeilenkamera 7 zugeordnet werden. Die so einander zugeordneten Pixel, die an anderer Stelle auch als einander entsprechend bezeichnet worden sind, können als homologe Punkte angesehen werden. Dann kann direkt eine 3D-Koordinatenberechnung für jeden Pixel der Kameras erfolgen. Die Position des Projektors wird nicht zwingend für die Koordinatenberechnung benötigt, da die Triangulationsbasis zwischen den beiden Zeilenkameras 7 aufgespannt wird.
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Hieraus ergibt sich folgender Vorteil gegenüber der bisherigen Lösung:
- – Die Aufnahmegeschwindigkeit wird anstelle der maximalen Framerate von einer Flächenkamera durch die maximale Framerate von zwei vergleichsweise schnellen Zeilenkameras 7 vorgegeben. Bei einer typischen Anzahl von 6 bis 20 Aufnahmen für eine Serie ergibt sich ein Geschwindigkeitsvorteil von ca. einem Faktor 10 bis 100.
- – Die geometrische Ausdehnung des Sensors bzw. Linienscanners wird im Wesentlichen nur noch in zwei Richtungen beachtlich sein, da die Kameras nicht mehr außerhalb der Ebene der Projizierten Lichtebene liegen.
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Die möglichen Anwendungsbeispiele dieser Erfindung liegen im Bereich der dreidimensionalen Oberflächenvermessung bzw. Koordinatenbestimmung makroskopischer Objekte durch Anwendung aktiver Musterprojektion, beispielsweise durch Projektion von Grauwertverteilungen auf Basis statistischer Muster.
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Im Vergleich zu bisher bekannten Systemen zur aktiven Objektbeleuchtung bei der dreidimensionalen Vermessung bzw. Bestimmung räumlicher Koordinaten weisen die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren insbesondere folgende Vorteile auf:
- 1. Ultraschnelle Datenaufnahme: Die Verwendung von Zeilenkameras 7 anstelle Flächenkameras erlaubt wesentlich höhere Frequenzen bei der Bildaufnahme bei vergleichbarem technischem und finanziellem Aufwand.
- 2. Es wird die gesamte durch die Kamera aufgenommene Intensitätsinformation für die Koordinatenbestimmung verwendet anstelle der schmalen ausgeleuchteten Linie in der Flächenkamera.
- 3. Kompakte Bauweise: durch die beschriebenen Anordnung besitzt der Sensor nach dem vorgeschlagenen neuen Ansatz nur noch eine wesentliche Ausdehnung in zwei Dimensionen. Der Sensor liegt nämlich mit allen wesentlichen Komponenten in der y-z-Ebene. Demgegenüber besitzen klassische Liniensensoren eine beachtliche Ausdehnung in drei Dimensionen, weil die Kamera außerhalb der Projektionsebene des Projektors angeordnet ist.
