DE102013212409A1

DE102013212409A1 - Verfahren zur Bilderfassung einer vorzugsweise strukturierten Oberfläche eines Objekts und Vorrichtung zur Bilderfassung

Info

Publication number: DE102013212409A1
Application number: DE102013212409.0A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Schmidt; Bernd Michaelis; Robert Wagner; Tilo Lilienblum; Erik Lilienblum
Original assignee: INB Vision AG
Current assignee: Inb Vision Ag De
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2014-03-13
Also published as: CN104583713B; EP2753896A2; US10869020B2; WO2014000738A3; US20150324991A1; CN104583713A; EP2753896B1; WO2014000738A2

Abstract

Ein Verfahren zur Bilderfassung einer vorzugsweise strukturierten Oberfläche eines Objekts nutzt mindestens eine Zeilenkamera zum Scannen der Oberfläche, wobei die Oberfläche strukturiert beleuchtet wird und wobei eine zeitliche und/oder räumliche Auswertung aufgenommener Bilder ggf. unter Berücksichtigung einer Relativbewegung zwischen der Zeilenkamera und der Oberfläche zur Rekonstruktion der Oberfläche erfolgt. Eine Vorrichtung zur Bilderfassung einer vorzugsweise strukturierten Oberfläche eines Objekts nutzt das Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bilderfassung einer vorzugsweise strukturierten Oberfläche eines Objekts sowie eine entsprechende Vorrichtung, vorzugsweise zur Nutzung des Verfahrens. Der Begriff „strukturierte Oberfläche“ ist im weitesten Sinne zu verstehen und umfasst neben planen Flächen auch dreidimensionale Oberflächen, beispielsweise geformte Oberflächen und Oberflächen mit Textur. Der Begriff „Bilderfassung“ ist im Sinne von „Bild- und Formerfassung“ zu verstehen, insbesondere im Sinne einer 3D-Erfassung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich grundsätzlich um ein optisches Messverfahren. Solche optischen Messverfahren gewannen in den letzten Jahren an Bedeutung. Besonders im Nahbereich hat die 3D-Messtechnik als besonderes Messverfahren einen hohen Entwicklungsstand erreicht.
Bekannt ist eine Vielzahl von Verfahren zur Oberflächenvermessung, die in unterschiedlichsten Applikationen eingesetzt werden. Für die flächenhafte 3D-Vermessung mit hoher Präzision sind neben unterschiedlichen Laserscannverfahren [S. Son, H. Park, K. H. Lee: Automated laser scanning system for reverse engineering and inspection. International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 42, Issue 8, June 2002, Seiten 889–897] und dem Lichtschnitt [Shirai, Yoshiaki und Motoi Suwa: Recognition of Polyhedrons with a Range Finder. In: Cooper, D. C. (Herausgeber): Proceedings of the 2nd International Joint Conference on Artificial Intelligence, (London, UK, September, 1971), Conference Proceedings, Seiten 80–87, 1971] vor allem photogrammetrische Mehrschrittverfahren mit aktiver Streifenprojektion, wie das Phaseshifting [Lilienblum E., Michaelis, B.: Optical 3d surface reconstruction by a multi-period phase shift method. Journal of Computers (JCP), 2(2):73–83, April 2007] oder die Zeitkorrelation [Albrecht, Peter; Michaelis, Bernd: Improvement of the Spatial Resolution of an Optical 3-D Measurement Procedure. In: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement Bd. 47. Brisbane, 1998, S. 158–162] sowie Einschrittverfahren, wie die Flächenkorrelation [Kanade, T.; Okutomi, M.: A stereo matching algorithm with an adaptive window: theory and experiment. In: IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 16 (1994), Nr. 9, S. 920–932] bekannt.
Grundlage zum Erreichen hoher Messgenauigkeiten ist im Allgemeinen die Verwendung strukturierten Lichts [Valkenburg, R. J.; McIvor, A. M.: Accurate 3d measurement using a structured light system. In: Image and Vision Computing 16 (1998), Nr. 2, S. 99–110]. Mehrschrittverfahren erreichen räumliche Genauigkeiten von bis zu 1/10000 der Messobjektgröße [Wiora, G.:Optische 3D-Messtechnik: Präzise Gestaltvermessung mit einem erweiterten Streifenprojektionsverfahren, University Heidelberg, Dissertation, 2001]. Der aktuelle Markt der Streifenprojektionssysteme ist durch mehrere Systemhersteller und eine Vielzahl von Produkten gekennzeichnet. Es existiert auch eine Reihe von Druckschriften, die die zuvor genannten klassischen Stereo-Vision-Systeme betreffen. Lediglich beispielhaft seien dazu die DE 197 38 480 C1 , DE 44 02 414 C2 und DE 199 28 341 C2 genannt. Diesen Systemen ist gemein, dass sie Matrixkamerasysteme und Projektoren bzw. Lasertechnik zur Erzeugung des Beleuchtungslichts verwenden.
Um größere Flächen bei gleich bleibendem Anspruch an die Genauigkeit zu vermessen, müssen bei allen bekannten, auf der Verwendung Matrixkameras basierenden Systemen mehrere Messaufnahmen nacheinander durchgeführt werden. Für ausgewählte Anwendungen ist hierfür eine robotergestützte Messtechnik verfügbar. Im Allgemeinen wird einfache Translation und Rotation mit entsprechenden Vorrichtungen genutzt. Unabhängig von der eingesetzten Methode entstehen Probleme insbesondere dann, wenn es sich um große Teile bzw. Flächen handelt. Für jede Messaufnahme muss die Bewegung des Aufnahmesystems gestoppt werden (Stopp-and-Go-Betrieb). Die Stopp-and-Go Problematik führt bedingt durch das unvermeidliche Ausschwingen des Aufnahmesystems zu einer erheblichen Zeitverzögerung. Außerdem erhöhen die Start- und Stoppvorgänge die Standzeit bzw. reduzieren die Start- und Stoppvorgänge die Haltbarkeit/Lebensdauer der 3D-Messtechnik und führen zu einer erhöhten Abnutzung aller mechanischen Komponenten. Desweiteren treten Probleme durch Vignettierung und spekulare Reflektion auf. Für einen industriellen Einsatz ist die existierende Technik nur bedingt geeignet.
Ein weiterer Nachteil bei bekannten mehrschrittigen Verfahren (z.B. Phasenshift oder Zeitkorrelation), die auf dem Einsatz von Matrixkameras basieren, ist die hohe Integrations- und Auslesezeit bei der Bildaufnahme. Dies führt im Allgemeinen zu Messzeiten von über 50 ms, wodurch insbesondere bei Schwingungen der Messobjektoberfläche von über 10 Hz in Abhängigkeit zur Schwingungsamplitude erhebliche systematische Messfehler auftreten. Dies ist insbesondere im industriellen Produktionsprozess, z.B. in einem Presswerk oder bei der Messung von Endlosmaterialien, problematisch.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bilderfassung einer vorzugsweise strukturierten Oberfläche eines Objekts anzugeben, wonach bei reproduzierbarer Genauigkeit in kürzester Zeit eine Oberflächenaufnahme möglich ist. Das Verfahren soll sich vor allem auch zur Anwendung bei Endlosmessungen eignen. Ebenso ist eine entsprechende Vorrichtung anzugeben.
Die voranstehende Aufgabe ist durch die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 19 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bilderfassung einer vorzugsweise strukturierten Oberfläche eines Objekts gemäß Patentanspruch 1 nutzt mindestens eine Zeilenkamera zum Scannen der Oberfläche. Die Oberfläche wird strukturiert beleuchtet. Es erfolgt eine zeitliche und/oder räumliche Auswertung aufgenommener Bilder ggf. unter Berücksichtigung einer Relativbewegung zwischen der Zeilenkamera und der Oberfläche zur Rekonstruktion der Oberfläche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 19, wonach mindestens eine Zeilenkamera und mindestens eine Lichtquelle zur strukturierten Beleuchtung der Oberfläche dient.
Neuartig an der vorliegenden Erfindung ist die Konstruktion eines aktiven optischen 3D-Messsystems mit Zeilenkameras. Die Erfindung basiert auf der Konstruktion eines speziellen Zeilenkamerasystems zur Bilderfassung bei statischer oder zeitveränderlicher Projektion geeigneter Lichtmuster. Grundlage zur Oberflächenrekonstruktion ist die zeitabhängige Definition einer Abbildungsfunktion, die unter Berücksichtigung der räumlichen Bewegungen von Kamera und Messobjekt für jeden erfassten Bildpunkt einen Sehstrahl im Messvolumen liefert. Zur Definition der Abbildungsfunktion ist eine spezielle Kalibrierung für Zeilenkameras erforderlich. Dies basiert z.B. auf einem Kalibrierfeld mit nicht parallel zur Zeile angeordneten Linien, mit unterschiedlichem Winkel auf unterschiedlichen Höhen, aus denen u.a. die geometrische Position der Kamera ermittelbar ist. Hierzu sei angemerkt, dass durch Aufnahme des Kalibrierfeldes in unterschiedlichen Positionen durch die Zeilenkameras die Linien an charakteristischen Punkten im Kamerabild erscheinen. Aus diesen Punkten kann sowohl eine zeitabhängige als auch eine statische Definition abgeleitet werden.
Unter Verwendung dieser Definition können durch räumliche oder zeitliche Auswertung der aufgenommenen Bilder korrespondierende Bildpunkte gefunden werden, die zusammen mit der zeitabhängigen Abbildungsfunktion eine Triangulation von 3D-Oberflächenpunkten ermöglichen. Geeignete Algorithmen zur Suche der korrespondierenden Bildpunkte können sehr unterschiedlich sein. Sie hängen ab von der Konstruktion des Kamerasystems, von der Bewegung des Kamerasystems, von der Bewegung des Messobjektes und von der Anzahl und Art der projizierten Muster.
Für bestimmte Anwendungen bietet der Einsatz von Zeilenkameras mit strukturierter Beleuchtung für die 3D-Vermessung von Oberflächen im Vergleich zu anderen Messverfahren erhebliche Vorteile. Die strukturierte Beleuchtung macht das Messverfahren unabhängig von einer Textur auf der Objektoberfläche. Damit unterscheidet sich das Verfahren von passiven Ansätzen, also von Verfahren ohne strukturierte Beleuchtung. Die Verwendung von Zeilenkameras anstelle von Matrixkameras ermöglicht es, die Oberfläche abzuscannen. Dies erlaubt die Anwendung auf Endlosprozesse bei sich kontinuierlich bewegenden Oberflächen z.B. bei Bandmaterial, sowie die effiziente Vermessung rotationssymetrischer Teile, z.B. Wellen oder sich drehende Objekte wie bei der Vermessung von Seitenwänden von Reifen.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 19 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 in einer schematischen Ansicht, teilweise, ein Ausführungsbeispiel der grundsätzlichen Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren nutzt, am Beispiel eines Kamerasystems mit zwei Zeilenkameras,
2 in einer schematischen Ansicht, teilweise, ein Ausführungsbeispiel der grundsätzlichen Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren nutzt, am Beispiel eines Kamerasystems mit mehreren Zeilenkameras,
3 in einer schematischen Ansicht, teilweise, ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit parallel angeordneten, programmierbaren Projektoren als Lichtquellen,
4 in einer schematischen Ansicht, teilweise, ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit parallel angeordneten statischen Projektoren als Lichtquellen,
5 in einer schematischen Ansicht, teilweise, ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei dort die Lichtmuster durch Lichtspots erzeugt werden,
6 in einer schematischen Ansicht, teilweise, ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei dort ein einzelner Lichtspot generiert wird,
7 in einer schematischen Ansicht, teilweise, ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei dort unter Anordnung mehrerer Reihen von Lichtspots überdeckende Lichtspotmuster erzeugt werden, und
8 in einer schematischen Ansicht ein insgesamt dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei dort ein Sensorsystem mit Spotbeleuchtung vorgesehen ist.
Die 1 bis 8 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre, einerseits in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung und andererseits in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren. Wesentlich ist hierbei, dass zur Bilderfassung einer Oberfläche eines Objekts (es kann sich dabei um eine glatte Oberfläche oder aber auch um eine strukturierte 3D-Oberfläche bzw. Oberfläche mit Textur handeln) mindestens eine Zeilenkamera verwendet wird, nämlich zum Scannen der Oberfläche des Objekts. Die Oberfläche wird strukturiert beleuchtet. Es findet eine zeitliche und räumliche Auswertung der aufgenommenen Bilder unter Berücksichtigung einer Relativbewegung zwischen der Zeilenkamera und der Oberfläche statt, nämlich zum Zwecke der bildhaften und/oder dimensionellen Rekonstruktion der Oberfläche.
Die Effizienz des Verfahrens bezüglich Rechenzeit und Messgenauigkeit hängt entscheidend von der Konstruktion des Kamerasystems ab. Bei Verwendung von Systemen mit zwei oder mehreren Kameras ist es von Vorteil, die Kameras kollinear auszurichten, wie es in den 1 und 2 beispielhaft dargestellt ist. Die Projektionszentren 1 und die Sensorzeilen 2 aller im System befindlichen Zeilenkameras spannen dabei eine gemeinsame Ebene auf. Korrespondierende Bildpunkte, d.h. Pixel, die denselben Oberflächenpunkt 3 abbilden, werden durch die kollineare Ausrichtung immer zum selben Zeitpunkt erfasst. Bei gleicher Zeilenfrequenz und gleicher Startzeit aller Kameras befinden sich korrespondierende Bildpunkte immer in der gleichen Bildzeile. Hierdurch lassen sich die Algorithmen zur Suche korrespondierender Bildpunkte erheblich vereinfachen. Bei zeitveränderlicher Projektion von Lichtmustern ermöglicht dies außerdem, die zeilenweise Änderung der Lichtmuster in zwei Kameras miteinander ortsgebunden zu korrelieren. Hierfür werden Grauwertfolgen einzelner Bildspalten mit bekannten Korrelationsfunktionen ausgewertet. Abweichungen von der Kollinearität des Kamerasystems führen entweder zu Messfehlern oder sie müssen im Algorithmus zur Suche korrespondierender Punkte separat berücksichtigt werden.
Zur kollinearen Ausrichtung ist es möglich, mit den Kameras ein geeignetes gemeinsames Muster aufzunehmen. Durch iterative Anpassung der Kameraorientierung werden die Kameras so eingestellt, dass beide Kameras das Muster an der gleichen Position aufnehmen. Das Muster muss eine eindeutige Charakteristik senkrecht zur Zeilenrichtung haben. Die Oberfläche, auf der sich das Muster befindet, sollte eine dreidimensionale Ausprägung besitzen. Ein solches Muster kann durch aktive Beleuchtung oder Textur auf dem aufgenommenen Objekt erzeugt werden. Für die Ausrichtung kann auch das Kalibrierfeld verwendet werden.
Eine konkrete Möglichkeit zur Suche korrespondierender Bildpunkte bei zeitveränderlicher Projektion von Lichtmustern und kollinearer Ausrichtung der Kameras besteht darin, die mittelwertfreie Kreuzkorrelation anzuwenden. Es seien G und G‘ zwei verschiedene Bilder des Zeilenkamerasystems und es seien r_i = G(u, v + i) und s_i = G'(u', v + i) Grauwerte dieser Bilder wobei u und u' bei entsprechender horizontaler Subpixelinterpolation auch reellwertig sein dürfen. Dann ergibt sich bei n unterschiedlichen Musterprojektionen mit
ein Korrelationskoeffizient, der die Ähnlichkeit der Pixel G(u, v ) und G'(u', v ) angibt (mit r , s und v sind die jeweiligen Mittelwerte bezeichnet). Die beiden Pixel sind genau dann korrespondierende Bildpunkte wenn der Korrelationskoeffizent maximal wird. Durch Triangulation kann daraus direkt ein Tiefenwert in Bezug auf des Kamerasystem berechnet werden. Eine vertikale Subpixelinterpolation kann wegen der Kollinearität der Kameras entfallen.
Bei sinusförmigen Lichtmustern kann im Rahmen eines weiteren Ausführungsbeispiels der Korrelationskoeffizient auch über die Phasenverschiebung entsprechend der Verwendung beim Phasenshiftverfahren berechnet werden. Es sei der Phasenwinkel für eine Grauwertfolge q = (q₁, q₂, ..., q_n) mit
definiert. Dann ergibt sich unter Berücksichtigung der Phasensprünge der gesuchte Korrelationskoeffizient mit K(u, u', v) = 1 / 2πmax{|φ(s) – φ(r)|,2π – |φ(s) – φ(r)|}
Um für die Oberflächenrekonstruktion eine maximale laterale Auflösung (Flächenauflösung) zu gewährleisten, sollte die Scanngeschwindigkeit bzw. die Zeilenfrequenz so gewählt werden, dass die vertikale Auflösung (in Scanrichtung) in etwa dem n-fachen der horizontale Auflösung (in Zeilenrichtung) entspricht. Dadurch wird gewährleistet, dass sich die ortliche Scannposition verglichen mit der Pixelgröße über alle r_i bzw. s_i nicht wesentlich ändert.
Prinzipiell ist das erfindungsgemäße Messverfahren mit jeder Art von strukturiertem Licht anwendbar. Allerdings ist die Messgeschwindigkeit von der Zeilenfrequenz und damit von der Lichtintensität sowie der Projektion schnell wechselnder Mustersequenzen abhängig. Als weitere Ausführung wird zur strukturierten Beleuchtung eine dezentrale Musterprojektion in drei unterschiedlichen Varianten wie folgt vorgeschlagen:

(i) Es werden mehrere programmierbare Musterprojektoren 5 parallel betrieben, wie das in 3 dargestellt ist. Durch Überlagerung und eine geringe Vergrößerung kann die Lichtintensität der projizierten Muster auf der Objektoberfläche 4 gesteigert werden. Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen müssen die programmierbaren Projektoren 5 in der Lage sein, entsprechend schnelle Musterfolgen zu generieren.
(ii) Es werden mehrere statische Musterprojektoren parallel betrieben. Im Unterschied zu (i) werden hier unterschiedliche Lichtmuster durch an- bzw. abschalten einzelner Projektoren erzeugt. In 4 wird das Lichtmuster 4 auf der Objektoberfläche durch einige eingeschaltete Projektoren 6 erzeugt. Alle anderen Projektoren 7 sind ausgeschaltet, erzeugen also kein Lichtmuster. Werden die Projektoren 6 ausgeschaltet und dafür von den anderen Projektoren 7 einige eingeschaltet, dann können andere Muster generiert werden. Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen, müssen die Projektoren entsprechend schnell schaltbar sein.
(iii) Die benötigten Muster werden aus einzelnen Lichtspots zusammengesetzt. In 5 ist eine Beleuchtung 8 dargestellt, die aus einer Anzahl von Lichtspots 9 ein Lichtmuster 10 auf der Messobjektoberfäche 11 erzeugt. Prinzipiell ist die Konstruktion nicht an die Art der Spoterzeugung gebunden.

In 6 ist als Ausführungsbeispiel dargestellt, wie die Erzeugung eines LED-Lichtspots erfolgen kann, wobei das Licht einer LED 12 über einen Reflektor 13 und eine Optik 14 auf einen einzelnen Lichtspot 9 fokussiert wird.
Um verschieden positionierte Muster zu erzeugen, können mehrere Lichtspotstränge 15 leicht versetzt nebeneinander angeordnet werden, wie das in 7 dargestellt ist. Auf der Objektoberfläche entstehen dann Lichtmuster 10 durch Anschalten einzelner Spots 16 bzw. Abschalten einzelner Lichtspots 17. Um eine Fokussierung der Lichtspots auf eine Linie zu erhalten, werden die Lichtspotstränge 15 ggf. leicht nach innen verdreht, wie das in 8 zu sehen ist. Dargestellt ist hier beispielhaft ein Sensor mit Zeilenkameras 18, Lichtspotsträngen 15, Messobjektoberfläche 19 und Scanbewegung 20.
Durch die vorgeschlagene Technik zur dezentralen Musterprojektion ist es möglich, dass System durch hinzufügen weiterer Kameras wie in 2 dargestellt, sowie entsprechende Beleuchtungssysteme, wie in den 3–5 dargestellt, in der Breite beliebig zu skalieren. Auf diese Art können die Erfordernisse bezüglich Messvolumen, Messauflösung und Messgeschwindigkeit des Verfahrens für viele 3D-Applikationen angepasst werden, ohne den Verfahrensansatz ändern zu müssen.
Mit allen drei Varianten zu Beleuchtung lässt sich das Messverfahren bei sehr hohen Zeilenfrequenzen betreiben, woraus sich neben der reinen Messgeschwindigkeit ein weiterer Vorteil ergibt. Durch eine kurze Integrationszeit, die sich bei hoher Zeilenfrequenz zwangsläufig ergibt, kann Bewegungsunschärfe auch bei sich schnell bewegenden Messobjekten weitgehend vermieden werden. Dadurch lässt sich z.B. auch die Oberfläche von Objekten auf laufenden Förderbändern sehr gut erfassen. Auch Messfehler bei Schwingungen können weitgehend vermieden werden, da eine Bewegungsunschärfe sich erst bei einer entsprechend hohen Frequenzen der Messobjektoberfläche bemerkbar machen kann. Bei hohen Frequenzen ist allerdings im Allgemeinen die Amplitude der Schwingung so gering dass sie keine Auswirkungen mehr auf die Messgenauigkeit hat. Das ist ein wesentlicher Unterschied zu bekannten mehrschrittigen Verfahren mit Matrixkameras.
Neben den drei genannten Varianten zur Beleuchtung sind auch andere Konstruktionen möglich. Dynamische Lichtmuster können auch durch die Projektion über bewegte Spiegel generiert werden. Die Muster können auch mit Hilfe spezieller Lichtquellen, z.B. mit Lasern, erzeugt werden. Des Weiteren ist zu bemerken, dass die Musterfolgen nicht reproduzierbar sein müssen. Die Generierung der Muster kann auch über stochastische Verfahren erfolgen. Beispielsweise können Muster durch Ausnutzung der Eigentextur der Beleuchtungsquelle oder durch Artefakte der Beleuchtungsquelle selbst oder im Projektionsprozess erzeugt werden. Im optischen Messverfahren muss das entsprechend berücksichtigt werden.
Das Messverfahren lässt sich prinzipiell auch mit nur einer Kamera anwenden, wobei dann aber eine spezielle Kalibrierung der Beleuchtung erforderlich ist. Eine Möglichkeit zur Kalibrierung ist es, die Form der Lichtmuster in Abhängigkeit ihrer räumlichen Position zu erfassen und in einer Lookup-Tabelle abzulegen. Bei der eigentlichen Messung wird dann aus der erfassten Form der Lichtmuster über die Lookup-Tabelle auf die Tiefeninformation geschlossen.
Weitere Möglichkeiten zur Anwendung des Messverfahrens bieten Konstruktionen mit Strahlteileroptik. Hierbei wird der Strahlengang bei der Bilderfassung so manipuliert, dass das Bild einer Kamera über verschiedene reale oder virtuelle Projektionszentren 1 entsteht, und so eine Triangulation zur Berechnung von 3D-Punkten ermöglicht wird.
Das Verfahren lässt sich auch im Sinne deflektometrischer Messprinzipien einsetzen. Dabei wird die Beleuchtung so eingesetzt, dass der spekulare Anteil der Reflektion auf der Oberfläche von den Kameras aufgenommen wird und die Grundlage zur 3D-Oberflächenrekonstruktion liefert.
Für deflektometrische Anwendungen kann ferner das Muster zunächst auf eine diffus reflektierende Oberfläche (z.B. Mattscheibe, Leinwand) projiziert werden und anschließend das Spiegelbild dieser beleuchteten Hilfsoberfläche auf der Objektoberfläche indirekt durch die Kameras aufgenommen und ausgewertet werden.
Zusammenfassend gilt es festzuhalten, dass die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren betrifft, wonach durch berührungsloses Abscannen von Oberflächen die 3D-Form (Relief, Struktur, Textur, etc.) der Oberfläche zeilenweise rekonstruiert werden kann. Eingesetzt wird die Erfindung insbesondere in Bereichen, in denen die Notwendigkeit besteht, große Oberflächen mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit in Form und Textur zu erfassen. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Anwendung im Bereich der Oberflächenprüftechnik. Durch einen kontinuierlichen Scannprozess ist es möglich, bei einem entsprechenden Produktionsprozess eine Endlosprüfung im Echtzeitbetrieb durchzuführen. Des Weiteren kann durch eine Verkettung mehrerer Zeilenkameras die Messeinrichtung auf beliebige Scannbreiten skaliert werden.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lehre lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
Bezugszeichenliste

1: Projektionszentrum
2: Sensorzeile
3: Oberflächenpunkt
4: Lichtmuster, Objektoberfläche
5: programmierbarer Projektor
6: Projektoren (eingeschaltet)
7: Projektoren (ausgeschaltet)
8: Beleuchtung
9: Lichtspot
10: Lichtmuster
11: Messobjektoberfläche
12: LED
13: Reflektor
14: Optik
15: Lichtspotstrang
16: Spot (eingeschaltet)
17: Spot (ausgeschaltet)
18: Zeilenkamera
19: Messobjektoberfläche
20: Scanbewegung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19738480 C1 [0004]
DE 4402414 C2 [0004]
DE 19928341 C2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. Son, H. Park, K. H. Lee: Automated laser scanning system for reverse engineering and inspection. International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 42, Issue 8, June 2002, Seiten 889–897 [0003]
Shirai, Yoshiaki und Motoi Suwa: Recognition of Polyhedrons with a Range Finder. In: Cooper, D. C. (Herausgeber): Proceedings of the 2nd International Joint Conference on Artificial Intelligence, (London, UK, September, 1971), Conference Proceedings, Seiten 80–87, 1971 [0003]
Lilienblum E., Michaelis, B.: Optical 3d surface reconstruction by a multi-period phase shift method. Journal of Computers (JCP), 2(2):73–83, April 2007 [0003]
Albrecht, Peter; Michaelis, Bernd: Improvement of the Spatial Resolution of an Optical 3-D Measurement Procedure. In: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement Bd. 47. Brisbane, 1998, S. 158–162 [0003]
Kanade, T.; Okutomi, M.: A stereo matching algorithm with an adaptive window: theory and experiment. In: IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 16 (1994), Nr. 9, S. 920–932 [0003]
Valkenburg, R. J.; McIvor, A. M.: Accurate 3d measurement using a structured light system. In: Image and Vision Computing 16 (1998), Nr. 2, S. 99–110 [0004]
Wiora, G.:Optische 3D-Messtechnik: Präzise Gestaltvermessung mit einem erweiterten Streifenprojektionsverfahren, University Heidelberg, Dissertation, 2001 [0004]

Claims

Verfahren zur Bilderfassung einer vorzugsweise strukturierten Oberfläche eines Objekts, unter Verwendung mindestens einer Zeilenkamera zum Scannen der Oberfläche, wobei die Oberfläche strukturiert beleuchtet wird und wobei eine zeitliche und/oder räumliche Auswertung aufgenommener Bilder ggf. unter Berücksichtigung einer Relativbewegung zwischen der Zeilenkamera und der Oberfläche zur Rekonstruktion der Oberfläche erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Beleuchtung eine statische oder zeitveränderliche Projektion von Lichtmustern auf die Oberfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Beleuchtung von mehreren Lichtquellen, vorzugsweise von Musterprojektoren, erzeugt wird, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei einzelne Lichtmuster einander überlagern können.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Lichtquellen eine optische Einrichtung nachgeordnet ist, die eine Konstanz der Lichtmuster über einen vorzugsweise definierbaren Tiefenbereich hinweg gewährleistet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass statische Lichtmuster projiziert werden, wobei unterschiedliche Lichtmuster durch vorzugsweise schnelles Ein- und Ausschalten der Lichtquellen bzw. Musterprojektoren, d.h. durch unterschiedliche Überlagerungen der einzelnen Lichtmuster, erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmuster und/oder die zeitliche Folge der Lichtmuster programmierbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Zeilenbeleuchtung aus einzelnen LED-Spots zusammengesetzt wird, wobei unterschiedliche Lichtmuster durch vorzugsweise direktes Ansteuern der einzelnen LEDs generiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Oberfläche zeilenweise bei wechselnder Musterprojektion erfolgt, so dass sich für jeden aufgenommenen Bildpunkt (Pixel) spezifische Grauwertfolgen ergeben, die photogrammetrisch auswertbar sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass korrespondierende Bildpunkte über eine Korrelationsfunktion anhand der spezifischen Grauwertfolgen auffindbar sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation der Grauwertfolgen in Kombination mit einem Phasenshift-Algorithmus angewandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche über eine einzige Zeilenkamera aufgenommen wird, wobei entweder eine Template-Grauwertfolge oder der Phasenwinkel eines Phasenshift-Algorithmus zur Rekonstruktion der Oberfläche dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion der Oberfläche eine Abbildungsfunktion dient, die unter Berücksichtigung der Relativbewegung der Zeilenkamera und/oder des Objekts für jedes Bild bzw. für jeden Bildpunkt einen Sehstrahl im Messvolumen liefert.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsfunktion zeitabhängig definiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer zeitlichen und/oder räumlichen Auswertung der einzelnen Bilder über Algorithmen korrespondierende Bildpunkte ermittelt werden, die gemeinsam mit der Abbildungsfunktion eine Triangulation von Oberflächenpunkten ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenkameras derart angeordnet und ausgerichtet werden, dass die Projektionszentren und die Sensorzeilen aller Zeilenkameras eine gemeinsame Ebene aufspannen, wobei dazu mit den Kameras ein geeignetes gemeinsames Muster, bspw. das Kalibrierfeld, aufgenommen werden kann und wobei durch iterative Anpassung der Kameraorientierung die Kameras so eingestellt werden können, dass beide Kameras das Muster an der gleichen Position aufnehmen.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass korrespondierende Bildpunkte, d.h. Pixel, die denselben Oberflächenpunkt abbilden, aufgrund einer kolinearen Ausrichtung der Zeilenkameras zum gleichen Zeitpunkt erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleicher Zeilenfrequenz und gleichem Startzeitpunkt der Zeilenkameras die korrespondierenden Bildpunkte sich in der gleichen Bildzeile befinden. Verf
ahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei zeitveränderlicher Projektion von Lichtmustern eine zeilenweise Änderung der Lichtmuster in zwei Zeilenkameras ortsgebunden korreliert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18 gekennzeichnet durch die Anwendung deflektometrischer Messprinzipien, wobei dabei die Beleuchtung so einsetzbar ist, dass der spekulare Anteil der Reflektion auf der Oberfläche von den Kameras aufgenommen wird und die Grundlage zur Bilderfassung liefert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung ggf. unter Hinzunahme zusätzlicher streuender (Hilfs-)Oberflächen so eingesetzt wird, dass der spekulare Anteil der Reflexion auf der aufzunehmenden Objektoberfläche von den Kameras erfasst wird und die Grundlage zur Bilderfassung liefert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmuster durch die Projektion über bewegte Spiegel, mit Hilfe spezieller Lichtquellen wie beispielsweise Laser, oder durch stochastische Verfahren erzeugt werden.
Vorrichtung zur Bilderfassung einer vorzugsweise strukturierten Oberfläche eines Objekts, insbesondere zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 21, mit mindestens einer Zeilenkamera und mindestens einer Lichtquelle zur strukturierten Beleuchtung der Oberfläche, wobei eine zeitliche und/oder räumliche Auswertung aufgenommener Bilder ggf. unter Berücksichtigung einer Relativbewegung zwischen der Zeilenkamera und der Oberfläche zur Rekonstruktion der Oberfläche erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, drei oder mehrere Zeilenkameras ein Kamerasystem bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameras kolinear bzw. coplanar ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenkameras derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass die Projektionszentren und die Sensorzeilen aller Zeilenkameras eine gemeinsame Ebene aufspannen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der strukturierten Beleuchtung Laser oder LED-Elemente verwendet werden.