DE102014019671B4 - Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung mit einer 3D-Messvorrichtung und Autokalibrierung mittels 2D-Kamera - Google Patents

Abstract

Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung mittels einer 3D-Messvorrichtung (100), die ein Triangulationssystem, welches durch einen Projektor (121) und wenigstens eine erste Kamera (111) der 3D-Messvorrichtung (100) definiert ist, und zusätzlich zum Triangulationssystem eine 2D-Kamera (113) zur Aufnahme naturgetreuer 2D-Bilder aufweist, wobei bei dem Verfahren a) der Projektor (121) wenigstens ein Muster (X) auf einem Objekt (O) in der Umgebung der 3D-Messvorrichtung (100) erzeugt, b) die vorgesehenen Kameras (111, 112) des Triangulationssystems Aufnahmen des mit dem Muster (X) versehenen Objekts (O) machen, c) die 3D-Koordinaten von ausgewählten Punkten (X0, X1, X2) auf dem Objekt (O) aus den Aufnahmen der vorgesehenen Kameras (111, 112) des Triangulationssystems ermittelt werden unter Verwendung von Kalibrierungsparametern, d) die 2D-Kamera (113) während der oder zeitlich zwischen den Projektionen des Musters (X) auf das Objekt (O) 2D-Bilder des Objekts (O) aufnimmt, e) Objekt-Merkmale sowohl in den Aufnahmen der vorgesehenen Kameras (111, 112) des Triangulationssystems als auch in von der 2D-Kamera (113) aufgenommenen 2D-Bildern ermittelt werden, und f) durch Vergleich der Objektmerkmale, wie sie die vorgesehenen Kameras (111, 112) des Triangulationssystems beobachten, mit solchen, wie sie die 2D-Kamera (113) beobachtet, die Kalibrierungsparameter des Triangulationssystems überprüft und Fehler darin erkannt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung mittels einer 3D-Messvorrichtung, bei welchem ein Projektor der 3D-Messvorrichtung wenigstens ein Muster auf einem Objekt in der Umgebung der 3D-Messvorrichtung erzeugt, wenigstens eine Kamera der 3D-Messvorrichtung Aufnahmen des mit dem Muster versehenen Objekts macht, und die 3D-Koordinaten von ausgewählten Punkten auf dem Objekt aus den gemachten Aufnahmen ermittelt werden.
• Ein Verfahren dieser Art ist aus der US 6 826 299 B2 bekannt. Ein Projektor projiziert Lichtmuster auf die Oberfläche eines zu scannenden Objekts. Die Position des Projektors wird anhand eines projizierten kodierten Musters bestimmt. Zwei (oder mehr) Kameras, deren Relativpositionen und -ausrichtungen bekannt sind oder ermittelt werden, können die Oberfläche mit einem weiteren, unkodierten Muster aufnehmen. Mittels an sich bekannter mathematischer Methoden, wie der Epipolargeometrie, können die dreidimensionalen Koordinaten (der Punkte des Musters) ermittelt werden.
• Aus dem Spielebereich sind Scanner als Zielverfolgungseinrichtungen bekannt, bei welchen ein Projektor ein kodiertes Lichtmuster auf das zu verfolgende Ziel projiziert, vorzugsweise den spielenden Benutzer, um dieses kodierte Lichtmuster dann mit einer Kamera aufzunehmen und die Koordinaten des Benutzers zu ermitteln. Die Daten werden auf einem geeigneten Display dargestellt.
• Die US 8 238 611 B2 zeigt ein System zum Scannen einer Szene einschließlich Entfernungsmessung. Das System besteht in seiner einfachsten Form aus einer Kameraeinheit mit zwei Kameras, gegebenenfalls mit Filtern, zur stereoskopischen Erfassung eines Zielbereichs, aus einer Beleuchtungseinheit zur Erzeugung eines Musters im Zielbereich, vorzugsweise mittels eines diffraktiven optischen Elements, und aus einer Synchronisiereinheit, welche Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit aufeinander abstimmt. Kameraeinheit und Beleuchtungseinheit können in wählbaren Relativpositionen aufgestellt werden. Wahlweise können auch zwei Kameraeinheiten oder zwei Beleuchtungseinheiten eingesetzt werden.
• In der DE 195 02 459 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem die verwendete 3D-Messvorrichtung einen Projektor und eine separat bewegliche Kamera enthält. Ein ortsfestes Muster wird zur Kalibrierung verwendet. Die US 2009/0268214 A1 schlägt vor, bekannte Objektmerkmale zur Kalibrierung zu verwenden. In der US 2004/0210427 A1 kommen zwei Projektoren und wenigstens eine Kamera zum Einsatz, um 3D-Daten zu ermitteln. Eine 3D-Messvorrichtung mit einem Projektor und zwei Kameras zeigt die US 2010/0222736 A1 . Der Projektor erzeugt mittels eines gepulsten Lasers und eines diffraktiven optischen Elements ein Muster. Um die Aufnahmen der gleichen Szene zu verknüpfen, wird in der DE 10 2012 112 321 A1 für eine andere tragbare 3D-Messvorrichtung mit einem Projektor und zwei Kameras vorgeschlagen, einen zusätzlichen, ortsfesten Projektor zu verwenden, welcher ein zweites Muster erzeugt.
• Gemäß der US 2011/0134225 A1 wird ein Triangulationssystem, bestehend aus einem Projektor und zwei Kameras, mit einer zusätzlichen Kamera kombiniert, welche Details der Oberfläche aufnimmt, beispielsweise Farben, um die vom Triangulationssystem ermittelten 3D-Daten zu ergänzen. Ein weiteres System mit Projektoren und Kameras zeigt die US 2009/0238449 A1 .
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Alle 3D-Messvorrichtungen benötigen eine Kalibrierung, um exakte Messdaten zu liefern. Üblich ist allerdings nur eine anfängliche, werksseitige Kalibrierung und eine gelegentliche Überprüfung. Unter einer Autokalibrierung soll eine (während des normalen Messvorgangs) automatisch erfolgende Überprüfung der Kalibrierung verstanden werden, die anhand der eigenen Messdaten und ohne externe Kalibrierungsobjekte erfolgt, und die bei Inkonsistenzen oder Abweichungen eine Korrektur der Kalibrierung vornimmt und zumindest versucht.
• Erfindungsgemäß werden die Kalibrierungsparameter überprüft anhand von Objekt-Merkmalen, wie sie von einem durch den Projektor und wenigstens die erste Kamera definierten Triangulationssystem ermittelt werden, mit Objekt-Merkmalen in den 2D-Bildern, die eine 2D-Kamera vom Objekt aufnimmt.
• Für die Autokalibrierung eignen sich insbesondere 3D-Messvorrichtungen mit gewissen Redundanzen oder Überbestimmungen. Eine solche 3D-Messvorrichtung kann beispielsweise einen Projektor und zwei Kameras in einer Dreiecksanordnung aufweisen, deren relative Geometrie von einer Tragestruktur vorgegeben ist.
• Die Tragestruktur, welche vorzugsweise mechanisch und thermisch (besonders) stabil ist, definiert die relativen Abstände der Kameras und des Projektors. Grob definiert sie auch deren relative Ausrichtungen. Die Anordnung auf der Vorderseite der 3D-Messvorrichtung, welche bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Umgebung zugewandt ist, hat den Vorteil, dass diese Abstände und Ausrichtungen nicht durch Formänderungen eines Gehäuses geändert werden.
• Der Begriff ”Projektor” soll sich allgemein auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Musters beziehen. Die Erzeugung des Musters kann durch ablenkende Verfahren, beispielsweise die Erzeugung mittels diffraktiver optischer Elemente oder Mikrolinsen (oder Einzel-Laser), oder durch abschattende Verfahren, beispielsweise die Erzeugung mittels Blenden, Dias (wie sie bei einem Dia-Projektor verwendet werden würden) und anderen Masken, erfolgen. Die ablenkenden Verfahren haben dabei den Vorteil, dass weniger Licht verloren geht und daher mehr Intensität zur Verfügung steht. Der Projektor kann ein Projektionszentrum haben, welches das gedachte Emissionszentrum für die Strahlen des Projektors ist, oder der Projektor kann parallele Strahlen abgeben.
• Die für die Entfernungsmessung vorgesehenen Baugruppen sind nicht kolinear angeordnet. Im Falle von einem Projektor und zwei Kameras sind diese in einer Dreiecksanordnung zueinander angeordnet.
• In Abhängigkeit der Anzahl der für die Entfernungsmessung vorgesehenen Baugruppen ist vorzugsweise eine entsprechend Anzahl von Armen der Tragestruktur vorgesehen, welche vorzugsweise von einer gemeinsamen Mitte aus abstehen. Die besagten Baugruppen sind vorzugsweise im Bereich der Enden der zugeordneten Arme vorgesehen. Jede der Baugruppen ist vorzugsweise auf der Rückseite der Tragestruktur angeordnet. Die Optik jeder Baugruppe fluchtet mit einer zugeordneten Öffnung in der Tragestruktur, um von der Vorderseite aus in die Umgebung gerichtet zu sein und vorzuspringen. Ein Gehäuse deckt die Rückseite ab und bildet das Griffteil.
• Die Tragestruktur besteht vorzugsweise aus einer kohle- oder glasfaserverstärkten Matrix aus Kunststoff oder Keramik (oder einem anderen Material). Das Material sorgt für Stabilität und ein geringes Gewicht und kann zugleich mit Sichtflächen ausgebildet sein. Eine konkave (sphärische) Krümmung der Vorderseite der Tragestruktur hat nicht nur konstruktive Vorteile, sondern schützt die Optiken der für die Entfernungsmessung vorgesehenen Baugruppen, wenn die 3D-Messvorrichtung auf der Vorderseite abgelegt wird.
• Der Projektor erzeugt das Muster, welches vorzugsweise nicht im sichtbaren Wellenlängenbereich liegt, sondern im Infraroten. Entsprechend sind die beiden Kameras in diesem Wellenlängenbereich empfindlich, während Streulicht und andere Störungen im sichtbaren Wellenlängenbereich herausgefiltert werden können. Eine 2D-Farbkamera kann als dritte Kamera für Farbinformationen und für Objektmerkmals-Informationen vorgesehen sein, welche ebenfalls die Umgebung und das Objekt aufnimmt. Mit den so erlangten Farbinformationen kann dann der 3D-Scan eingefärbt werden.
• Die 3D-Messvorrichtung erzeugt mehrere 3D-Scans der gleichen Szene von verschiedenen Positionen aus. Die 3D-Scans werden in einem gemeinsamen Koordinatensystem registriert. Für das Zusammenfügen zweier überlappender 3D-Scans sind wiedererkennbare Strukturen von Vorteil. Vorzugsweise werden solche wiedererkennbaren Strukturen laufend gesucht und angezeigt oder wenigstens nach dem Aufnahmevorgang angezeigt. Wenn in einem bestimmten Bereich die Dichte nicht groß genug erscheint, können weitere 3D-Scans dieses Bereichs erzeugt werden. Eine Unterteilung des verwendeten Displays zur Darstellung eines Videobildes und der (dazu benachbarten Teile der) dreidimensionalen Punktwolke hilft zu erkennen, in welchen Bereichen noch Scans erzeugt werden sollten.
• Die 3D-Messvorrichtung ist vorliegend als tragbare Vorrichtung konzipiert, arbeitet also mit hoher Geschwindigkeit und weist ein geringes Gewicht auf. Es ist aber auch möglich, dass die 3D-Messvorrichtung auf einem Dreibein (oder einem anderen Stativ), auf einem manuell verfahrbaren Trolley (oder einem anderen Wagen) oder auf einem autonom fahrenden Roboter montiert ist, also nicht mehr vorn Benutzer getragen wird, gegebenenfalls auch unter Verwendung eines anderen Gehäuses, beispielsweise ohne Griffteil. Der Begriff ”3D-Messvorrichtung” ist daher weit auszulegen, so dass er allgemein als kompakte Einheiten ausgebildete Scanner umfasst, die stationär oder mobil sind und gegebenenfalls mit anderen Vorrichtungen verbaut sind.
• Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
• 1 eine perspektivische Ansicht einer 3D-Messvorrichtung und eines Objekt in der Umgebung,
• 2 eine Ansicht der Vorderseite der 3D-Messvorrichtung,
• 3 eine Ansicht der Rückseite der 3D-Messvorrichtung,
• 4 eine Draufsicht auf die 3D-Messvorrichtung von oben,
• 5 eine rechte Seitenansicht der 3D-Messvorrichtung,
• 6 eine 1 entsprechende Ansicht ohne Gehäuse,
• 7 eine Draufsicht auf eine beispielhafte Steuer- und Auswertevorrichtung mit Display,
• 8 eine Seitenansicht von 7,
• 9 die Blickfelder der Kameras mit schraffiertem Überlapp,
• 10 die geometrische Beziehung von Bildebenen, Projektorebene und Epipolarlinien,
• 11 ein beispielhaftes Verfahren der Autokalibrierung,
• 12 eine vereinfachte Situation einer Inkonsistenz,
• 13 ein mögliches Fehlerfeld der Situation von 12,
• 14 ein Beispiel mit einer Epipolarlinie,
• 15 ein Beispiel mit zwei Epipolarlinien,
• 16 ein Beispiel mit Inkonsistenzen,
• 17 eine erste Überprüfung mehrerer Epipolarlinien,
• 18 eine zweite Überprüfung mehrerer Epipolarlinien,
• 19 eine Überprüfung der relativen Geometrie der Kameras,
• 20 eine Überprüfung der Wellenlänge, und
• 21 ein typisches Fehlerfeld von 20.
• Eine 3D-Messvorrichtung 100 ist zum optischen Abtasten und Vermessen von Objekten O in einer Umgebung vorgesehen. Die 3D-Messvorrichtung 100 ist vorzugsweise als tragbare Vorrichtung ausgebildet (1 bis 6). Die – beim bestimmungsgemäßen Gebrauch – dem Benutzer zugewandte Seite der 3D-Messvorrichtung 100, d. h sei als Rückseite und die der Umgebung zugewandte Seite als Vorderseite bezeichnet. Diese Definition erstreckt sich auf die Bestandteile der 3D-Messvorrichtung 100.
• Die 3D-Messvorrichtung 100 weist (auf seiner Vorderseite) eine Tragestruktur 102 mit drei Armen 102a, 102b, 102c auf, welche der Tragestruktur 102 eine T-Form oder Y-Form geben, also eine Dreiecksanordnung. Der Bereich, in welchem die drei Arme 102a, 102b, 102c miteinander verbunden sind und von welchem aus die drei Arme 102a, 102b, 102c abstehen, definiert die Mitte der 3D-Messvorrichtung 100. Vom Benutzer aus gesehen, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, weist die Tragestruktur 102 einen linken Arm 102a, einen rechten Arm 102b und einen unteren Arm 102c auf. Vorliegend beträgt beispielsweise der Winkel zwischen linker Arm 102a und rechtem Arm 102b etwa 150° ± 20° zwischen linker Arm 102a und unterem Arm 102c etwa 105° ± 10°. Der untere Arm 102c ist meist etwas länger als die beiden anderen Arme 102a, 102b.
• Die Tragestruktur 102 ist vorzugsweise aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) ausgebildet, alternativ beispielsweise aus einer kohlefaserverstärkten Keramik oder aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Das Material macht die Tragestruktur 102 mechanisch und thermisch stabil und sorgt zugleich für ein geringes Gewicht. Die Abmessung der Tragestruktur 102 senkrecht zu den Armen 102a, 102b, 102c ist deutlich geringer (beispielsweise 5 bis 15 mm) als die Länge der Arme 102a, 102b, 102c (beispielsweise 15 bis 25 cm). Die Tragestruktur 102 hat daher eine flache Grundform, vorliegend an einigen Abschnitten der Arme 102a, 102b, 102c mit einem verstärkten Rücken in der Mitte. Sie ist aber vorzugsweise nicht eben ausgebildet, sondern gekrümmt. Diese Krümmung der Tragestruktur 102 ist an die Krümmung einer Kugel angepasst, welche einen Radius von etwa 1 bis 3 m hat. Die (dem Objekt O zugewandte) Vorderseite der Tragestruktur 102 ist dabei konkav ausgebildet, die Rückseite konvex. Die gekrümmte Form der Tragestruktur 102 ist für die Stabilität vorteilhaft. Die Vorderseite der Tragestruktur 102 (und vorliegend auch die sichtbaren Bereiche der Rückseite) ist als Sichtfläche ausgebildet, d. h. ohne Blenden, Abdeckungen, Verkleidungen oder sonstige Aufmachungen versehen. Die bevorzugte Ausbildung aus faserverstärkten Kunststoffen oder Keramiken ist hierfür besonders geeignet.
• Auf der Rückseite der Tragestruktur 102 ist ein Gehäuse 104 angeordnet, welches im Bereich der Enden der drei Arme 102a, 102b, 102c mittels geeigneter Verbindungsmittel schwimmend mit der Tragestruktur 102 verbunden ist, beispielsweise mittels Gummiringen und Schrauben mit etwas Spiel. Der Rand des Gehäuses 104 ist im Bereich des linken Arms 102a und des rechten Arms 102b bis in die unmittelbare Nähe der Tragestruktur 102 gezogen, während das Gehäuse 104 von der Mitte der 3D-Messvorrichtung 100 aus im Bereich des unteren Arms 102c im Abstand zur Tragestruktur 102 verläuft unter Bildung eines Griffteils 104g, am Ende des Griffteils 104g abbiegt und sich dem Ende des unteren Arms 102c nähert, wo es mit diesem schwimmend verbunden ist und sein Rand bis in die unmittelbare Nähe der Tragestruktur 102 gezogen ist. Soweit an einigen Abschnitten der Tragestruktur 102 ein verstärkter Rücken 102r vorgesehen ist, ragt dieser Rücken 102r in das Innere des Gehäuses 104. Das Gehäuse 104 wirkt als Haube.
• Vorzugsweise sind Schutzelemente 105 am Gehäuse 104 oder an der Tragestruktur 102 angebracht, insbesondere an den Enden der Arme 102a, 102b, 102c, welche vor Stößen und daraus folgenden Beschädigungen schützen. Bei Nichtgebrauch kann die 3D-Messvorrichtung 100 mit der Vorderseite nach unten abgelegt werden. Dabei kommt er aufgrund der konkaven Krümmung der Vorderseite auf den Enden der Arme 102a, 102b, 102c zu liegen. Auch hier sind die Schutzelemente 105 an den Enden der Arme 102a, 102b, 102c hilfreich, indem die 3D-Messvorrichtung 100 auf diesen zu liegen kommt. Ferner können am Gehäuse 104, insbesondere am Griffteil 104g, optional Noppen aus einem weichen Material, beispielsweise Gummi, angebracht sein, welche für einen guten Kontakt mit der Hand des Benutzers sorgen.
• Auf der Rückseite des Gehäuses 104 ist in der Mitte der 3D-Messvorrichtung 100 ein Bedienknopf 106 angeordnet, mittels dessen wenigstens das optische Abtasten und Vermessen, also der Messvorgang (und insbesondere der Projektions- und Aufnahmevorgang), gestartet und gestoppt werden kann. Der Bedienknopf 106 ist vorzugsweise multifunktional, beispielsweise mittels zeitlich strukturierter Sequenzen und/oder räumlich unterscheidbarer Bedienrichtungen, d. h. der Bedienknopf 106 kann nicht nur in eine Richtung gedrückt werden, sondern in mehrere Richtungen unterscheidbar gekippt werden. Um den Bedienknopf 106 herum sind vorzugsweise eine oder mehrere Statusleuchten 107 angeordnet, welche den aktuellen Zustand der 3D-Messvorrichtung 100 anzeigen und dadurch dessen Bedienung erleichtern. Die Statusleuchten 107 können vorzugsweise unterschiedliche Farben (grün, rot, ...) anzeigen, um den Status des Instruments anzuzeigen. Vorzugsweise sind die Statusleuchten 107 als LED ausgebildet.
• An der Tragstruktur 102 sind – in einem definierten Abstand voneinander beabstandet – am linken Arm 102a (im Bereich von dessen Ende) eine erste Kamera 111 und am rechten Arm 102b (im Bereich von dessen Ende) eine zweite Kamera 112 angeordnet. Genauer gesagt, sind die beiden Kamera 111 und 112 auf der Rückseite der Tragestruktur 102 angeordnet und daran befestigt, wobei die Tragestruktur 102 jeweils eine Öffnung aufweist, durch welche die jeweilige Kamera 111, 112 zur Vorderseite der Tragestruktur 102 hinaus blicken kann. Die beiden Kameras 111, 112 werden vorzugsweise von den Verbindungsmitteln für die schwimmende Verbindung des Gehäuses 104 mit der Tragestruktur 102 umgeben.
• Die erste Kamera 111 und die zweite Kamera 112 sind zueinander sind so eingestellt, dass die Blickfelder FOV überlappen, um dabei stereoskopische Aufnahmen der Objekte O zu machen. In einer Ausführung, bei welcher die Ausrichtungen fest eingestellt sind, gibt es einen optimalen Überlapp-Bereich, der von der Anwendung abhängt. Die festen Ausrichtungen können zunächst beliebig (und unbekannt) sein, und wird dann der 3D-Messvorrichtung 100 bekannt gemacht, beispielsweise durch werksseitiges Kalibrieren. Hinsichtlich Genauigkeit wäre ein Überlapp-Bereich ähnlich der Abmessung der 3D-Messvorrichtung 100 günstig. In einer weiteren Ausführung sind die Ausrichtungen einstellbar, um die Optimierung des Überlapps der Blickfelder FOV entsprechend dem Abstand von der 3D-Messvorrichtung 100 zu den zu vermessenden Objekten O zu ermöglichen. Durch Verfolgung, wie der Benutzer die Ausrichtungen einstellt, beispielsweise durch gegensinniges Schwenken der Kameras 111 und 112, sind die Ausrichtung der 3D-Messvorrichtung 100 bekannt. Im Falle dass die erste und zweite Kamera 111, 112 eingestellt werden, wird im Feld eine Kalibrierung durchgeführt, um die Winkel und Positionen der Kameras in der 3D-Messvorrichtung 100 zu bestimmen. Die Typen der Kalibrierung werden später beschrieben.
• Vorzugsweise sind die erste Kamera 111 und die zweite Kamera 112 monochrom, d. h. für einen engen Wellenlängenbereich empfindlich, beispielsweise indem sie entsprechende Filter aufweisen, die dann andere Wellenlängenbereiche einschließlich Streulicht herausfiltern. Dieser enge Wellenlängenbereich liegt vorzugsweise im Infrarot-Bereich. Um trotzdem Farbinformationen über die Objekte O zu erhalten, weist die 3D-Messvorrichtung 100 vorzugsweise zusätzlich eine 2D-Kamera 113 auf, vorzugsweise eine Farbkamera. Die 2D-Kamera 113 ist vorzugsweise symmetrisch zur ersten Kamera 111 und zweiten Kamera 112 ausgerichtet und in der Mitte der 3D-Messvorrichtung 100 zwischen den beiden angeordnet. Die 2D-Kamera 113 ist dann im sichtbaren Wellenlängenbereich empfindlich. Die 2D-Kamera 113 nimmt 2D-Bilder der Szene auf, also die Umgebung der 3D-Messvorrichtung 100 samt der darin enthaltenen Objekte O.
• Um für die 2D-Kamera 113 die Szene bei ungünstigen Lichtverhältnissen auszuleuchten, sind wenigstens eine, vorliegend vier (leistungsstarke) Leuchtdioden (LED) 114 vorgesehen. Jeder Leuchtdiode 114 ist ein Abstrahlelement 115 zugeordnet, mittels dessen das Licht der Leuchtdiode 114 entsprechend der Ausrichtung der 3D-Messvorrichtung 100 abgestrahlt wird. Ein solches Abstrahlelement 115 kann beispielsweise eine Linse oder ein geeignet ausgebildetes Ende eines Lichtleiters sein. Die (vorliegend vier) Abstrahlelemente 115 sind gleichmäßig um die 2D-Kamera 113 herum angeordnet. Jede Leuchtdiode 114 ist mittels jeweils eines Lichtleiters 116 mit dem zugeordneten Abstrahlelement 115 verbunden. Die Leuchtdioden 114 können daher baulich an einer Steuereinheit 118 der 3D-Messvorrichtung 100 angeordnet sein, insbesondere auf einer Platine derselben befestigt sein.
• Um später eine Referenz für die Aufnahmen der Kameras 111, 112, 113 haben, ist vorzugsweise ein Neigungsmesser 119 vorgesehen. Als Neigungsmesser 119 bevorzugt ist ein Beschleunigungssensor (mit einer oder mehreren sensitiven Achsen), der in an sich bekannter Weise als MEMS (micro-electro-mechanical system) hergestellt ist. Als Neigungsmesser 119 sind auch andere Ausführungen und Kombinationen möglich. Die Daten der 3D-Messvorrichtung 100 haben jeweils (als eine Komponente) eine Gravitationsrichtung, die der Neigungsmesser 119 liefert.
• Grundsätzlich könnten aus den Aufnahmen der ersten Kamera 111 und der zweiten Kamera 112 bereits dreidimensionale Daten ermittelt werden, also 3D-Scans der Objekte O erstellt werden, beispielsweise mittels Photogrammetrie. Jedoch weisen die Objekte O häufig wenig Strukturen und viele glatte Flächen auf, so dass die Erstellung von 3D-Scans aus dem Streulicht der Objekte O schwierig ist.
• Es ist daher ein Projektor 121 vorgesehen, welcher am unteren Arm 102c (im Bereich seines Endes) auf der Rückseite der Tragestruktur 102 angeordnet und daran befestigt ist, und zwar entsprechend der Kameras 111, 112, 113, d. h. die Tragestruktur 102 weist eine Öffnung auf, durch welcher der Projektor 121 zur Vorderseite der Tragestruktur 102 vorspringen kann. Der Projektor 121 wird vorzugsweise von den Verbindungsmitteln für die schwimmende Verbindung des Gehäuses 104 mit der Tragestruktur 102 umgeben. Der Projektor 121, die erste Kamera 111 und die zweite Kamera 112 sind in einer Dreiecksanordnung zueinander angeordnet und in die Umgebung der 3D-Messvorrichtung 100 gerichtet. Die relativen Winkel von erster Kamera 111, zweiter Kamera 112 und Projektor 121 sind entsprechend der Messdistanz von der 3D-Messvorrichtung 100 zum Objekt O eingestellt. Wie oben beschrieben, kann die relative Ausrichtung voreingestellt sein oder vom Benutzer eingestellt werden.
• Wird die 3D-Messvorrichtung 100 bei Nichtgebrauch auf die Vorderseite gelegt, also mit der Vorderseite nach unten auf einer Ablagefläche abgelegt, so sorgt die konkave Krümmung der Vorderseite dafür, dass die Kameras 111, 112, 113 und der Projektor 121 von der Ablagefläche beabstandet bleiben, also beispielsweise die jeweiligen Linsen vor Beschädigungen geschützt sind.
• Die Kameras 111, 112, 113, der Projektor 121, der Bedienknopf 106, die Statusleuchten 107, die Leuchtdioden 114 und der Neigungsmesser 119 sind mit der gemeinsamen Steuereinheit 118 verbunden, die innerhalb des Gehäuses 104 angeordnet ist. Diese Steuereinheit 118 kann Bestandteil einer im Gehäuse integrierten Steuer- und Auswertevorrichtung sein. Vorzugsweise ist die besagten Steuereinheit 118 aber mit einer genormten Kommunikationsschnittstelle am Gehäuse 104 verbunden, die für eine drahtlose Verbindung (beispielsweise Bluetooth, WLAN, DECT) als Sende- und Empfangseinheit oder für eine kabelgebundene Verbindung (beispielsweise USB, LAN) ausgebildet ist, gegebenenfalls auch als eine spezielle Schnittstelle, wie sie in der DE 10 2009 010 465 B3 beschrieben ist. Die Kommunikationsschnittstelle ist mittels der besagten drahtlosen oder kabelgebundenen Verbindung mit einer externen Steuer- und Auswertevorrichtung 122 verbunden. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 122 ist der 3D-Messvorrichtung 100 zugeordnet.
• Vorliegend ist die Kommunikationsschnittstelle für eine kabelgebundene Verbindung ausgebildet, wobei am Gehäuse 104 ein Kabel 125 eingesteckt ist, beispielsweise am unteren Ende des Griffteils 104g, so dass das Kabel 125 in Verlängerung des Griffteils 104g abgeht.
• Die Steuer- und Auswertevorrichtung 122 weist einen oder mehrere Prozessoren 122a auf, um die Verfahren zum Betrieb und zur Steuerung der 3D-Messvorrichtung 100 und zur Auswertung des Messdaten auszuführen. Vorzugsweise ist die Steuer- und Auswertevorrichtung 122 ein tragbarer Computer (Notebook) oder ein Tablet (oder Smartphone) (beispielsweise 7 und 8) oder ein externer Computer (beispielsweise im Internet), auf welchem eine spezielle Software zum Steuern der 3D-Messvorrichtung 100 und zum Auswerten der Messdaten implementiert ist und welcher mit dem tragbaren Teil der 3D-Messvorrichtung 100 verbunden ist. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 122 kann jedoch eine spezielle Hardware sein, oder in den tragbaren Teil der 3D-Messvorrichtung 100 integriert sein. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 122 kann auch ein System verteilter Komponenten sein, mit wenigstens einer in den tragbaren Teil der 3D-Messvorrichtung 100 integrierten Komponente und wenigstens einer externen Komponente. Entsprechend kann der oder die Prozessoren 122a in die 3D-Messvorrichtung 100 oder in einen externen Computer eingebettet sein.
• Der Projektor 121 projiziert auf die zu scannenden Objekte O ein Muster X, das er beispielsweise mittels eines diffraktiven optischen Elements erzeugt. Das Muster X braucht nicht kodiert zu sein (d. h. ein eindeutiges Muster zu haben), sondern kann unkodiert sein, beispielsweise mittels Projektion periodisch beabstandeter Musterelemente (beispielsweise Lichtspots oder Lichtlinien). Die Korrespondenz zwischen den vom Projektor 121 projizierten Musterelementen und den Musterelementen in den Bildern auf den Photosensoren der Kameras 111, 112 wird durch gleichzeitig zu erfüllende Epipolarbedingungen und unter Verwendung von Kalibrierungsparametern bestimmt, wie nachfolgend ausgeführt. Die Mehrdeutigkeit wird durch die Verwendung der beiden Kameras 111 und 112 in Kombination mit dem exakten Wissen über die Form und Richtung des Musters aufgelöst, wobei dieses kombinierte Wissen aus einer Kalibrierung der 3D-Messvorrichtung 100 stammt.
• Im Folgenden soll der Begriff ”Musterelement” die Form eines Elements des Musters X betonen, während der Begriff ”Punkt” die Position (eines Musterelements oder von etwas anderem) in 3D-Koordinaten bezeichnen soll.
• Das unkodierte Muster X (1) ist vorzugsweise ein Punktmuster, eine regelmäßige Anordnung von Spots in einem Gitter umfassend. Vorliegend werden beispielsweise etwa einhundertmal einhundert Punkte (10.000 Punkte insgesamt) über ein Blickfeld FOV (9) von etwa 50° in eine Entfernung von näherungsweise 0,5 m bis 5 m projiziert. Das Muster X kann auch ein Linienmuster oder ein Kombinationsmuster von Punkten und Linien sein, das jeweils aus entsprechend dicht angeordneten Lichtpunkten gebildet wird. Die erste Kamera 111 weist eine erste Bildebene B₁₁₁ auf, und die zweite Kamera 112 weist eine zweite Bildebene B₁₁₂ auf. Die beiden Kameras 111 und 112 erhalten wenigstens einen Teil des Musters X in ihren jeweiligen Bildebenen B₁₁₁ und B₁₁₂, in welchen der Photosensor (beispielsweise CMOS oder CCD) angeordnet ist, um einen vom Objekt O reflektierten Teil des Musters X aufzunehmen.
• Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Punktdichte des Musters X über dem Winkel des Blickfelds FOV, der Distanz zwischen dem Projektor 121 und dem Objekt O und der Auflösung, welche mit dem erzeugten Muster X auf dem Objekt O erreicht werden kann. Für einzelne paarweise Aufnahmen der Kameras 111, 112 führt eine höhere Punktdichte des Musters X zu einer größeren Fähigkeit, relativ feine Strukturen des Objekts O aufzulösen, als im Falle mit niederen Punktdichten des Musters X auf dem Objekt O. Es erscheint daher hilfreich, zusätzlich zum ersten Muster X wenigstens noch ein anderes Muster mit einer unterschiedlichen Dichte an projizierten Spots erzeugen zu können. Je nach Erzeugung der Muster ist ein dynamischer Übergang zwischen den Mustern und/oder eine räumliche Durchmischung möglich, um die Punktdichte an die Strukturen des Objektes O anzupassen. Vorzugsweise erzeugt der Projektor 121 die beiden Muster zeitlich versetzt zueinander und/oder in einem anderen Wellenlängenbereich und/oder mit unterschiedlicher Intensität.
• Das – vorzugsweise monochromatische – Muster X wird vorzugsweise mittels eines diffraktiven optischen Elements 124 im Projektor 121 erzeugt. Das diffraktive optische Element 124 wandelt einen einzelnen Strahl einer Lichtquelle 121a in 18 in eine Ansammlung kleinerer Strahlen um, von denen jeder in eine unterschiedliche Richtung geht, um einen Spot zu erzeugen, wenn das Objekt O getroffen wird. Die Lichtquelle 121a kann beispielsweise ein Laser, eine Superlumineszenzdiode oder eine LED sein. In einer Ausführung ist die Wellenlänge der Lichtquelle 121a im Infrarot-Bereich. Die laterale Auflösung ist dann nur durch die Größe und den Abstand der Spots im projizierten Muster X begrenzt. Wenn das Muster X im Infrarot-Bereich ist, können die Aufnahmen der 2D-Kamera 113 ohne Interferenzen mit denn Muster X erzeugt werden. Zum gleichen Zweck könnte das Muster X alternativ im Ultraviolett-Bereich erzeugt werden.
• Aus Gründen der Energieeffizienz und der Augensicherheit sind die beiden Kameras 111, 112 und der Projektor 121 so synchronisiert, dass sie das Muster X aufnehmen, sobald es der Projektor 121 projiziert, wobei das Muster X vorzugsweise ein gepulstes Muster ist. Jeder Projektions- und Aufnahmevorgang beginnt, indem der Projektor 121 das Muster X erzeugt, ähnlich einem Blitz in der Photographie, und die Kameras 111 und 112 (und gegebenenfalls 113) folgen mit einem Aufnahmevorgang, indem sie jeweils wenigstens ein Bild für jeden Projektionsvorgang des Musters X aufnehmen. Der Begriff ”Aufnahme” soll die zwei Bilder umfassen, welche die beiden Kameras 111 und 112 zeitgleich aufnehmen. Der Projektions- und Aufnahmevorgang kann eine einzelne Aufnahme (Schuss), oder eine Sequenz von Aufnahme (Video) umfassen. Ein derartiger Schuss oder ein derartiges Video wird mittels des Bedienknopfes 106 ausgelöst. Nach der Verarbeitung der Daten ergibt jede Aufnahme 3D-Scandaten, also eine Punktwolke im dreidimensionalen (3D) Raum, wobei die Punktwolke in relativen Koordinaten der 3D-Messvorrichtung 100 angegeben ist.
• Der Projektor 121 ist nicht kolinear zu den beiden Kameras 111 und 112 angeordnet, sondern eher so angeordnet, dass ein Dreieck relativ zu den Kameras 111, 112 gebildet wird. Diese Dreiecksanordnung ermöglicht die Anwendung von Epipolargeometrie auf Grundlage von mathematischen Methoden der Optik. Die Bedingungen der Epipolargeometrie sagen aus, dass ein Punkt in der Projektorebene P₁₂₁ des Projektors 121 auf eine erste Epipolarlinie in der ersten Bildebene B₁₁₁ und auf eine zweite Epipolarlinie in der zweiten Bildebene B₁₁₂ fällt, wobei die Epipolarlinien für jede der Bildebenen B₁₁₁ und B₁₁₂ durch die relative Geometrie des Projektors 121 und der beiden Kameras 111 und 112 bestimmt ist. Ferner fällt ein Punkt in der ersten Bildebene B₁₁₁ auf eine Epipolarlinie in der Projektorebene P₁₂₁ und auf eine Epipolarlinie in der zweiten Bildebene B₁₁₂, wobei die Epipolarlinien für die Projektorebene P₁₂₁ und die zweite Bildebene B₁₁₂ durch die relative Geometrie von Projektor 121 und Kameras 111 und 112 bestimmt ist. Ferner fällt auch ein Punkt in der zweiten Bildebene B₁₁₂ auf eine Epipolarlinie in der Projektorebene P₁₂₁ und auf eine Epipolarlinie in der ersten Bildebene B₁₁₁, wobei die Epipolarlinien für die Projektorebene P₁₂₁ und die erste Bildebene B₁₁₁ durch die relative Geometrie von Projektor 121 und Kameras 111 und 112 bestimmt ist. Es ergibt sich, dass die Verwendung von wenigstens zwei Kameras und einem Projektor genügend Epipolarbedingungen erzeugt, um eine Korrespondenz zu möglichen zwischen den zu bestimmenden Punkten des Musters X mit den Punkten in den Bildebenen B₁₁₁ und B₁₁₂ und der Projektorebene P₁₂₁, sogar wenn die projizierten Musterelemente keine unterscheidbaren Eigenschaften haben, beispielsweise identisch sind.
• Vorlegend sind (wenigstens) drei Geräte (Projektor 121 und die beiden Kameras 111 und 112) beteiligt, d. h. es können ausgehend von jedem Geräte jeweils zwei Stereo-Geometrien (mit jeweils einer Fülle von Epipolarlinien e) mit den beiden anderen Geräten definiert werden. Daher ergeben sich für die vorliegende Anordnung eindeutige Dreier-Beziehungen von Punkten und Epipolarlinien e, aus denen sich die Korrespondenz der Abbildungen des Musters X in den beiden Bildebenen B₁₁₁, B₁₁₂ ermitteln lässt. Aufgrund der (gegenüber einem Paar von Kameras) zusätzlichen Stereo-Geometrie können nämlich deutlich mehr der ansonsten ununterscheidbaren Muster-Punkte auf einer Epipolarlinie e identifiziert werden. Dadurch kann gleichzeitig die Dichte an Merkmalen hoch und die Merkmalsgröße sehr gering gehalten werden. Bei alternativen Verfahren mit kodierten Mustern (mit Merkmalen die beispielsweise aus mehreren Punkten bestehen) ist die Merkmalsgröße nach unten begrenzt, was die laterale Auflösung begrenzt. Sobald die besagte Korrespondenz zwischen den Punkten des Musters X des Projektors 121 und den zwei Kameras 111, 112 ermittelt ist, werden mittels Triangulation die dreidimensionalen Koordinaten der Punkte auf der Oberfläche des Objektes O für die 3D-Scandaten ermittelt.
• Triangulations-Berechnungen können zwischen den beiden Kameras 111, 112 durchgeführt werden, basierend auf dem Grundlinienabstand zwischen den beiden Kameras 111, 112 und den relativen Kippwinkeln der beiden Kameras 111, 112. Triangulations-Berechnungen können zwischen dem Projektor 121 und der ersten Kamera 111 und zwischen dem Projektor 121 und der zweiten Kamera 112 durchgeführt werden. Um diese Triangulations-Berechnungen durchzuführen, wird ein Grundlinienabstand zwischen dem Projektor 121 und der ersten Kamera 111 und ein weiterer Grundlinienabstand zwischen dem Projektor 121 und der zweiten Kamera 112 benötigt. Zusätzlich werden die relativen Kippwinkel zwischen Projektor/erster Kamera und Projektor/zweiter Kamera benötigt.
• Grundsätzlich ist eine der Triangulations-Berechnungen ausreichend, um die dreidimensionalen Koordinaten der Punkte des Musters X auf dem Objekt bestimmen, so dass die zwei extra Triangulations-Berechnungen redundante Information (Redundanzen) liefern, die sinnvollerweise verwendet wird, um eine Selbstüberprüfung der Messergebnisse und eine Selbstkalibration-Funktionalität zu schaffen, wie nachstehend beschrieben ist. Der Begriff ”Redundanz” soll sich auf mehrfache Möglichkeiten zur Bestimmung der 3D-Koordinaten beziehen.
• Zusätzliche dreidimensionale Daten können mittels Photogrammetrie aus mehreren Aufnahmen mit verschiedenen Kamerapositionen gewonnen werden, beispielsweise der 2D-Kamera 113 oder aus einem Teil des Signals der Kameras 111 und 112. Damit die Objekte von den Kameras 111, 112 und 113 gesehen werden können, um Photogrammetrie-Berechnungen durchzuführen, ist es wichtig, dass die Objekte angemessen beleuchtet sind. Eine solche Beleuchtung kann die Hintergrundbeleuchtung sein, beispielsweise von Sonne oder Kunstlicht, oder sie kann von der 3D-Messvorrichtung 100 oder von einer weiteren externen Lichtquelle zur Verfügung gestellt werden. In einer Ausführung wird das Objekt mit Licht beleuchtet von LEDs 114, die Bestandteile der 3D-Messvorrichtung 1000 sind. Wenn Photogrammetrie verwendet werden soll, muss das Objekt bis zu einem gewissen Grade beleuchtet werden. Die Beleuchtung ermöglicht den zweidimensionalen Kameras 111, 112, 113, Eigenschaften des Objekts wahrzunehmen, wie beispielsweise Farbe, Kontrast und Schatten, was hilft, die Objektmerkmale zu identifizieren.
• Der Messvorgang weist auch einen zeitlichen Aspekt auf. Während bei stationären Vorrichtungen eine ganze Sequenz von Mustern projiziert und Aufnahmen gemacht werden können, um einen einzigen 3D-Scan zu ermitteln, wird vorliegend mit jedem Schuss der 3D-Messvorrichtung 100 ein 3D-Scan erzeugt. In einer anderen Ausführung (nicht dargestellt) ist für Spezialuntersuchungen ein zweiter Projektor neben dem vorliegenden Projektor 121 oder ein weiteres diffraktives optisches Element neben dem vorliegenden oder wenigstens ein weiteres Muster zusätzlich zum Muster X vorgesehen. Es ist dann durch geeignetes Umschalten möglich, bei einem Schuss auch Aufnahmen mit verschiedenen Mustern zeitlich fortlaufend zu machen, so dass der 3D-Scan eine höhere Auflösung erhält durch Kombination der Auswertungsergebnisse bezüglich der verschiedenen Muster.
• Um die komplette Szene zu erfassen, sind die mit dem Schuss erzeugten 3D-Scans zu registrieren, d. h. die dreidimensionalen Punktewolken jeder Aufnahme in ein gemeinsames Koordinatensystem einzufügen. Die Registrierung ist beispielsweise mittels Videogrammetrie möglich, also beispielsweise „structure from motion” (SFM) oder „simultaneous localisation und mapping” (SLAM). Für gemeinsame Bezugspunkte kann die natürliche Textur der Objekte O genutzt oder ein stationäres Muster Y erzeugt werden.
• In der Steuer- und Auswertevorrichtung 122 werden die von der 3D-Messvorrichtung 100 gelieferten Daten verarbeitet, d. h. aus den Aufnahmen die 3D-Scans erstellt. Die 3D-Scans wiederum werden zusammengefügt, d. h. in einem gemeinsamen Koordinatensystem registriert. Für das Registrieren können die bekannten Verfahren verwendet werden, d. h. beispielsweise in überlappenden Bereichen zweier 3D-Scans natürliche oder künstliche Targets (also wiedererkennbare Strukturen) lokalisiert und identifiziert werden, um durch Korrespondenzpaare die Zuordnung der beiden 3D-Scans zu ermitteln. Damit wird nach und nach eine ganze Szene von der 3D-Messvorrichtung 100 erfasst. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 122 weist ein Display 130 (Anzeigevorrichtung) auf, welches integriert oder extern angeschlossen ist.
• Die bisher beschriebenen Verfahrensschritte des Messvorgang (d. h. des Scanvorgangs), also des Verfahrens zum optischen Abtasten und Vermessen der Umgebung der 3D-Messvorrichtung 100, lassen sich zu vier Verfahrensblöcken zusammenfassen, wie in 8 schematisch gezeigt. In einem ersten Verfahrensblock 201 erfolgt der Projektions- und Aufnahmevorgang (Schuss) für eine Aufnahme, d. h. es werden Messwerte aufgenommen. In einem zweiten Verfahrensblock 202 erfolgt die Auswertung (der Messwerte) und Erstellung der 3D-Scandaten aus der Aufnahme. In einem dritten Verfahrensblock 203 erfolgt die Registrierung mehrerer 3D-Scans (in dem gemeinsamen Koordinatensystem) und Darstellung (auf dem Display 130) der Auswertungen, vorzugsweise auch eine Speicherung der 3D-Scandaten. In einem vierten Verfahrensblock 204 erfolgt eine Autokalibrierung, wobei dieser vierte Verfahrensblock 204 auch integraler Bestandteil des zweiten Verfahrensblocks 202 sein oder diesem direkt folgen kann. Solange weitere Aufnahmen angefordert werden, beispielsweise durch anhaltendes Drücken des Bedienknopfes 106, kehrt das Verfahren zum ersten Verfahrensblock 201 zurück.
• Im zweiten Verfahrensblock 202 werden in einer Aufnahme die Abbildungen besonderer Punkte zum Auffinden der Korrespondenz automatisch ausgewählt. Diese ausgewählten Abbildungen von Punkten in der Aufnahme entsprechen Punkten auf dem Objekt O, insbesondere Musterelementen (z. B. Spots) des Musters X. Für jede solche Abbildung eines Punktes in der ersten Bildebene B₁₁₁ wird nacheinander die Epipolarlinien e in der zweiten Bildebene B₁₁₂ und in der Projektorebene P₁₂₁ lokalisiert. Das Verfahren wird wiederholt für die Abbildungen von Punkten in der zweiten Bildebene B₁₁₂ und in der Projektorebene P₁₂₁, indem die Epipolarlinien e in den anderen beiden Ebenen wie zuvor beschrieben lokalisiert werden. Diese mehrfachen Epipolarbedingungen ermöglichen die Bestimmung der Eins-zu-eins-Korrespondenz in jeder der drei Ebenen zwischen den projizierten und den aufgenommenen Musterelementen (beispielsweise identischen Spots). Wie in 10 gezeigt, ist der Punkt X₀ (aus dem Muster X auf dem Objekt O) gemeinsam in allen drei Ebenen B₁₁₁, B₁₁₂, P₁₂₁ sichtbar (abgebildet), und seine Abbildungen liegen auf jeweils zwei Epipolarlinien e. Der Punkt X₀ ist der Schnittpunkt von drei Geraden, einem Lichtstrahl des Projektors 121 und je einem Sichtstrahl der beiden Kameras 111 und 112. Der Punkt X₀ ist eindeutig identifizierbar, wenn die Dichte der Punkte des Musters X ausreichend gering ist.
• Die Autokalibrierung erfolgt automatisch und erfordert nicht die Verwendung externen Kalibrierungsobjekte. Beginnend mit der anfänglichen Kalibrierung und später mit der aktuell verwendeten Kalibrierung werden die Abbildungen auf räumliche Inkonsistenzen (Inkonsistenzen der Geometrie) und zeitliche Inkonsistenzen (Parameter ändern sich im Laufe der Zeit) untersucht, um gegebenenfalls die Kalibrierung zu korrigieren. Die Inkonsistenzen können thermische Ursachen haben, beispielsweise aufgrund eines Anstiegs der Betriebstemperatur, aber auch mechanische Ursachen, wie beispielsweise ein mechanischer Schock, wie er bei einem Sturz der 3D-Messvorrichtung 100 auf den Boden auftreten kann. Die Inkonsistenzen zeigen sich als Abweichungen der gemessenen Positionen, Winkel und anderen geometrischen Merkmalen beispielsweise der Punkte auf dem Objekt O oder in den Ebenen B₁₁₁, B₁₁₂, P₁₂₁.
• Die möglicherweise zu korrigierenden Kalibrierungsparameter können extrinsische Parameter, intrinsische Parameter und Betriebsparameter sein. Extrinsische Parameter sind für jede Einheit (Kameras 111, 112, 113 und Projektor 121) allgemein die sechs Freiheitsgrade eines starren Körpers, d. h. drei Ortskoordinaten udn drei Winkel. Relevant ist insbesondere die relative Geometrie der Einheiten, d. h. die relativen Abständen und die relativen Winkel ihrer Ausrichtungen. Intrinsische Parameter beziehen sich auf Kamera- und Projektor-Geräteeigenschaften, wie beispielsweise Brennweite, Lage des Hauptpunktes, Verzerrungsparameter, Zentrierung der Photosensor-Anordnung oder der MEMS-Projektoranordnung, die Abmessung dieser Anordnungen in jeder Dimension, Verdrehung dieser Anordnungen relativ zum lokalen Koordinatensystem der 3D-Messvorrichtung 100, und Aberrations-Korrekturkoeffizienten für die Kamera- oder Projektor-Linsensysteme. Betriebsparameter können die Wellenlänge der Lichtquelle 121a, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit sein.
• In Bezug auf 10 kann eine Inkonsistenz eine Abweichung der tatsächlichen Position des Punktes X₀ von seiner erwarteten Position in einer der drei Ebenen sein.
• Wie oben beschrieben, werden die Epipolarbedingungen gleichzeitig gelöst, um in den zwei Kameras 111, 112 und dem einen Projektor 121 die Korrespondenz von projizierten und aufgenommenen Musterelementen (d. h. von deren Abbildungen) zu bestimmen. Einige redundante Informationen (Redundanzen) aus diesen gleichzeitig zu erfüllenden Gleichungen stehen zur Verfügung, um Inkonsistenzen in den Korrespondenzen aufzufinden.
• Zusätzlich können, wie oben beschrieben, drei getrennte Triangulations-Berechnungen durchgeführt werden, um drei Sätze von 3D-Koordinaten zu erhalten. Diese drei Triangulations-Berechnungen erfolgen für die erste und zweite Kamera 111, 112 (Stereokameras), den Projektor 121 und die erste Kamera 111, und für den Projektor 121 und die zweite Kamera 112. Die von den drei verschiedenen Triangulations-Berechnungen erhaltenen 3D-Koordinaten können verglichen werden, und falls Inkonsistenzen erkannt werden, können Änderungen an den Kalibrierungsparametern vorgenommen werden. Dies stellt einen ersten Weg dar, um eine Autokalibrierung vorzunehmen.
• 12 zeigt eine vereinfachte Situation einer Inkonsistenz mit zwei Einheiten U₁, U₂, entweder zwei Kameras 111, 112 oder ein Projektor 121 und eine Kamera 111, 112. Jede Einheit U₁, U₂ umfasst eine Ebene, in welcher Punkte ausgewählt werden können. Die zwei Epipolarlinien e sind beiden Ebenen gemeinsam. Ein ausgewählter Punkt 236 in der Ebene der Einheit U₁ korrespondiert mit einem Punkt 216 in der Ebene der Einheit U₂. Beide Punkte sind Bilder eines realen Punktes auf dem Objekt O. Die Korrespondenz kann beispielsweise aufgefunden werden, indem der Punkt 216, 236 vorzugsweise das Abbild eines Spot aus dem Muster X auf dem Objekt O ist, d. h. der Punkt 216, 236 ist beleuchtet und seine Nachbarschaft ist dunkel. Jedoch ist der Abstand des Punktes 216 senkrecht zu den Epipolarlinien e nicht in der gleiche in beiden Ebenen, sondern es tritt eine Abweichung Δ auf, d. h. eine Abweichung Δ zwischen der tatsächlichen Position des Punktes 216 und der erwarteten Position 218. Im Allgemeinen ist die Abweichung Δ ein Vektor. Mit zwei Einheiten, insbesondere einem Projektor 121 und einer Kamera 111, ist nur die Komponente der Abweichung Δ senkrecht zu den Epipolarlinien e bekannt. Die Komponente parallel zu den Epipolarlinien e verschwindet bei der Ermittlung der 3D-Koordinaten. Mit mehr als zwei Einheiten, insbesondere einem Projektor 121 und zwei Kameras 111, 112, können die Komponenten der Abweichung Δ in beiden Dimensionen der Ebenen bestimmt werden aufgrund der besagten Redundanzen (beim Auffinden der Abweichungen und beim Ermitteln der 3D-Koordinaten). Mit Abweichungen Δ für mehrere ausgewählte Punkte können alle Abweichungen Δ in eine Karte eingezeichnet werden, das sogenannte Fehlerfeld, welches in 13 dargestellt ist. Im Falle von nur zwei Einheiten kann nur eine Komponente jeder Abweichung Δ in das Fehlerfeld eingezeichnet werden. Im Falle eines einzigen Grundes für die Inkonsistenz ist das Fehlerfeld typisch für einen bestimmten Typ von Inkonsistenz. 13 zeigt das Fehlerfeld einer Rotation der ersten Kamera 111 um die Blickrichtung, d. h. der Kalibrierungsparameter für den Rollwinkel der ersten Kamera 111 muss korrigiert werden.
• Die Abweichungen sind nun bezüglich der Epipolarbedingungen genauer erläutert unter Verwendung der 14 bis 18. Es gibt zwei Möglichkeiten für die beteiligten Einheiten. Eine Möglichkeit ist, dass eine der Einheiten U₁, U₂ eine Kamera ist und die andere ein Projektor. Die andere Möglichkeit ist, dass beide Einheiten U₁, U₂ Kameras sind. Selbstverständlich können zusätzliche Projektoren oder Kameras vorhanden sein. Mit drei oder mehr Einheiten (beispielsweise mit zwei Kameras und einem Projektor) gibt es zusätzliche Möglichkeiten der automatischen Bestimmung der Kalibrierungsparameter, wie später ausgeführt wird.
• Jede der Einheiten U₁, U₂ hat einen Ursprung, auch als Projektionszentrum O₁, O₂ bekannt. Dieser Punkt stellt einen Punkt dar, durch welchen all Strahlen aus der Einheit (für einen Projektor) oder in die Einheit (für eine Kamera) laufen. In einer tatsächlichen Einheit laufen nicht alle Strahlen durch das Projektionszentrum, sondern es können softwaremäßig Korrekturen der Kalibrierungsparameter des Kamerasystems vorgenommen werden, um die korrigierten Strahlen durch diese Punkte zu bringen. Die zwei Projektionszentren O₁, O₂ definieren die Grundlinie 208.
• Jede Einheiten U₁, U₂ hat auch eine Ebene 210, 230, in welcher Bilder entstehen. In einem Projektor ist diese Ebene als Projektorebene P₁₂₁ bekannt, und in einer Kamera ist sie als Bildebene B₁₁₁, B₁₁₂ bekannt. In einem tatsächlichen Projektor oder einer tatsächlichen Kamera liegen Projektorebene P₁₂₁ oder Bildebene B₁₁₁, B₁₁₂ hinter den Projektionszentren O₁, O₂ anstatt davor, wie 14. In den meisten Fällen wird ein Bauteil wie beispielsweise ein Bildsensor (in einer Kamera) oder ein Mustergenerator (in einem Projektor) an der Position der Ebene hinter dem Projektionszentrum O₁, O₂ angeordnet. Jedoch ist die Positionierung der Ebenen vor den Projektionszentren O₁, O₂, wie in 14 dargestellt, mathematisch äquivalent zu den Ebenen, die auf der anderen Seite der Projektionszentren O₁, O₂ angeordnet sind.
• Die Projektionszentren O₁, O₂ sind mit einen Grundlinienabstand B voneinander beabstandet. Die die Projektionszentren O₁, O₂ verbindende Grundlinie 208 schneidet die Ebenen 230, 210 in den Punkten E₁, E₂. Die Schnittpunkte werden als Epipolarpunkte oder Epipole E₁, E₂ bezeichnet. Eine durch einen der Epipole E₁, E₂ auf einer korrespondierenden Ebene gezogene Linie wird als Epipolarlinie bezeichnet. Für den Fall der Ebene 210 und dem korrespondierenden Epipol E₂ ist die Linie 212 die Epipolarlinie. Ein Punkt P₁ auf der Ebene 230 liegt auf der Epipolarlinie 212.
• Wie vorstehend beschrieben, läuft jeder Strahl, wie beispielsweise der Strahl 232, durch ein Projektionszentrum O₁, O₂, um eine Ebene 230, 210 zu erreichen, in welcher Bilder entstehen. Wenn die Ebene 230 eine Projektorebene ist, dann wird der Punkt P₁ auf ein Objekt an einem Punkt wie P_A, P_B, P_C, oder P_D projiziert, abhängig vom Abstand zum Objekt. Diese Punkte P_A, P_B, P_C, P_D, welche sich den gemeinsamen Strahl 232 teilen, fallen in der Einheit U₂, welche in diesem Fall eine Kamera ist, auf korrespondierende Punkte Q_A, Q_B, Q_C, und Q_D auf der Epipolarlinie 212. Der Strahl 232 und die Epipolarlinie 212 liegen beide in der Ebene, welche die Punkte O₁, O₂, und P_D enthält. Wenn die Ebene 230 eine Bildebene anstatt einer Projektorebene ist, kann der in der Bildebene empfangene Punkt P₁ von irgend einem Punkt auf der Epipolarlinie 212 stammen, beispielsweise von einem der Punkte Q_A, Q_B, Q_C, oder Q_D.
• 15 zeigt eine Epipolarlinie 234 in der Ebene 230 der Einheit U₁ zusätzlich zur Epipolarlinie 212 in der Ebene 210 der Einheit U₂. Jeder Punkt V₁ (und W_A, W_B, W_C) auf der Epipolarlinie 212 hat einen korrespondierenden Punkt (Bild- oder Projektionspunkt) U_A, U_B, U_C, U_D auf der Epipolarlinie 234. Gleichzeitig hat jeder Punkt U_A, U_B, U_C, U_D auf der Epipolarlinie 234 einen korrespondierenden Punkt W_A, W_B, W_C, V₁ auf der Epipolarlinie 212. Die Punktmenge 240 stellt Punkte, beispielsweise V_A, V_B, V_C, V_D im Raum dar, welche sich mit dem Objekt O schneiden können.
• Eine 3D-Messvorrichtung 100 ist selbstkalibrierend oder autokalibrierend, wenn bei der normalen Durchführung der Messungen durch die 3D-Messvorrichtung 100 die Messergebnisse auch benutzt werden, um verbesserte Kalibrierungsparameter (d. h. eine verbesserte Kalibrierung) zu erhalten. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der erste Schritt, um verbesserten neue Kalibrierungsparameter zu erhalten, Inkonsistenzen der Positionen von Abbildungen ausgewählter Punkte in den Projektor- oder Bildebenen bezogen auf die aufgrund der Epipolarbedingungen erwarteten Positionen aufzufinden.
• Ein Beispiel einer solchen Inkonsistenz ist in 16 gezeigt. Ein Punkt 236 auf der Ebene 230 schneidet ein Objekt im Punkt 238. Entsprechend der Epipolarbedingungen, sollte der Punkt 238 auf der Epipolarlinie 212 erscheinen und insbesondere am the Punkt 218. In diesem Fall wird der tatsächliche Punkt an der Position 216 beobachtet. Im Allgemeinen, mit nur zwei Ebenen 210, 230, ist nur bekannt, dass für einen Punkt 236, der auf der Epipolarlinie 234 liegt, ein korrespondierender Punkt auf der Epipolarlinie 212 liegen sollte. Dass der Punkt 216 nicht auf die Epipolarlinie 212 fällt, zeigt an, dass ein Problem mit den Kalibrierungsparametern vorliegt. Ob hingegen der/die fehlerhafte(n) Kalibrierungsparameter ein extrinsischer Parameter, intrinsischer Parameter oder Betriebsparameter ist, lässt sich sagen aufgrund der Beobachtung eines einzigen Punktes 216.
• 16 zeigt einige Fehler, die bei extrinsischen Kalibrierungsparametern erkannt werden können. Ein erkennbarer Fehlertyp liegt in der Grundlinie 208, nicht nur die der Grundlinienabstand 208, sondern auch die spezifische Position der Projektionszentren O₁, O₂, in andern Worten in den Koordinaten der Projektionszentren entlang der Richtung der nominalen Grundlinie 208 (Fehler 252) und in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der nominalen Grundlinie 208 (Fehler 254). Ein weitere möglicher Fehler liegt in der Winkelorientierung der Einheit U₁ oder Einheit U₂. Eine Möglichkeit, die Orientierung zu beschreiben, erfolgt mittels eines Nickwinkels 256 um eine Achse 255 und eines Gierwinkels 258 um eine Achse 257. Falls die Kalibrierungsparameter für den Nickwinkel und den Gierwinkel der Ebenen 230 und 210 falsch sind, werden Punkte in den Ebenen nicht den aufgrund der Epipolarbedingungen erwarteten Positionen entsprechen. Die Einheit U₁, U₂ kann auch einen falschen Kalibrierungsparameter für den Rollwinkel der Kamera oder des Projektors haben. Solche Fehler können erkannt und korrigiert werden mit einem nachfolgend beschriebenen Verfahren der Autokalibrierung. Der Kalibrierungsparameter des Rollwinkels wird manchmal als ein intrinsischer Kalibrierungsparameter anstatt als ein extrinsischer Parameter betrachtet.
• Die 17 und 18 zeigen, wie ein Muster von Punkten in einer Ebene wie 210, 230 benutzt werden kann, die Fehler der Kalibrierungsparameter zu identifizieren und zu korrigieren. Der rechteckige Bereich 300 stellt eine Projektor- oder Bildebene Ebene wie 210, 230 dar. Die durchgezogenen Linien 302 stellen Epipolarlinien dar, die in einem Epipol K konvergieren. Die gestrichelten Linien 304 und 306 in den 17 und 18 stellen die aufgrund der momentanen Kalibrierungsparameter erscheinenden Epipolarlinien dar. In 17 konvergieren die gemessenen Punkte zum Epipol K, aber die Kalibrierungsparameter zeigen fälschlicherweise an, dass die Punkte zu einem Punkt J konvergieren. Dieser Fehlertyp kann beispielsweise von einer Fehlanordnung der Grundlinienposition der Einheit hervorgerufen werden. In 18 sind die Epipolarlinien gedreht relativ zu den aus den Kalibrierungsparametern bestimmten Epipolarlinien. Diese Drehung 308 kann beispielsweise von einem Fehler herrühren eines Kalibrierungsparameter, der mit der Orientation der Einheit U₁ oder U₂ verknüpft ist, beispielsweise einem Fehler im Nickwinkel, Gierwinkel oder Rollwinkel.
• Sollten die Abweichungen zu groß sein, können Schwierigkeiten auftreten beim Auffinden der Korrespondenzen des Punktes X₀ bei gleichzeitigem Erfüllen der Epipolarbedingungen. In einer Ausführung besteht das Muster X aus einer großen Anzahl (z. B. 10.000) von Punkten mit geringer Intensität und einer kleineren Anzahl (z. B. 1.000) von Punkten mit großer Intensität. Mit dieser Variation der Intensitäten kann die 3d-Messvorrichtung 100 sowohl Objekte mit hohem Reflexionsvermögen als auch Objekte mit geringem Reflexionsvermögen erkennen. Falls Schwierigkeiten beim Auffinden der Korrespondenzen auftreten, ist es im vierten Verfahrensblock 204 möglich, die im Muster X projizierten Spots weiter zu beabstanden, um eine Doppeldeutigkeit beim Auffinden der Korrespondenzen zu reduzieren. In der besagten Ausführung mit der Variation der Intensitäten können die Spots mit geringerer Intensität herausgefiltert oder wenigstens reduziert werden durch Reduzierung der Belichtungszeiten und/oder durch Reduzierung der Gesamtleistung des Projektors 121. Nur die Spots mit großer Intensität (welche eine größere Beabstandung aufweisen) sind in den Kameras 111, 112 sichtbar, was die Doppeldeutigkeit beim Auffinden der Korrespondenzen reduziert.
• Um die Kalibrierungsparameter vollständig und genau zu bestimmen, ist es hilfreich, das ganze Volumen um die 3D-Messvorrichtung 100 herum zu nutzen, insbesondere die Tiefeninformation zu nutzen, um die extrinsischen Parameter zu bestimmen. Beispielhaft ist in 17 (schematisch) gezeigt, wie die relative Geometrie der beiden Kameras 111 und 112 überprüft wird. Hierzu werden zwei Punkte X₁, X₂ mit unterschiedlichem Abstand zu der 3D-Messvorrichtung 100 (d. h. unterschiedlicher Tiefe) ausgewählt. Mit jedem der Punkte X₁ oder X₂ und der bisherigen Kalibrierung kann geprüft werden, oder die Kameras 111 und 112 noch konsistente Ergebnisse liefern. Soweit eine Inkonsistenz aufgrund einer Abweichung beim relativen Abstand oder bei der relativen Ausrichtung der beiden Kameras 111 und 112 auftritt, kann mit den beiden unterschiedlichen Abständen zwischen den beiden Fehlerarten unterschieden und die Korrektur der Kalibrierung vorgenommen werden. Aufgrund der hohen mechanischen und thermischen Stabilität der Tragestruktur 102 sind thermische oder durch einen mechanischen Schock verursachte Verbiegungen der 3D-Messvorrichtung 100 selten, können aber bei den Aufhängungen der Kameras 111, 112, 113 und des Projektors 121 auftreten. Eine Überprüfung nach dem Einschalten und in zeitlich großen Intervallen ist meist ausreichend, beispielsweise nach zwanzig bis hundert Abbildungen, die dann tiefpass-gefiltert auf Abweichungen überprüft werden.
• Die Kalibrierungsparameter können entsprechend der ermittelten Abweichungen geändert werden, d. h. mittels der ausgewählten Punkte X₀, X₁ oder X₂ gefundene Abweichungen können kompensiert werden. Unter Nutzung der Redundanzen (in der Ermittlung der 3D-Koordinaten) werden neue Kalibrierungsparameter ermittelt. Beispielsweise können die Kalibrierungsparameter entsprechend einer Optimierungsstrategie geändert (korrigiert) werden, bis die Abweichungen Δ minimiert sind. Die neuen Kalibrierungsparameter werden mit den bisher verwendeten Kalibrierungspararmetern verglichen und ersetzen diese gegebenenfalls, d. h. wenn die Abweichungen zwischen den (verbesserten) neuen Kalibrierungsparametern und den bisher verwendeten Kalibrierungsparametern einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten. Damit ist die Kalibrierung korrigiert. Viele der mechanisch verursachten Abweichungen treten als Einzelereignisse auf und können behoben werden durch eine dauerhafte Korrektur der Kalibrierungsparameter, insbesondere der extrinsischen oder intrinsischen Parameter.
• Abweichungen bei den Betriebsparametern des Projektors 121 können sehr viel schneller bemerkt werden als Abweichungen der extrinsischen oder intrinsischen Parameter. Beispielhaft ist Wellenlänge der Lichtquelle 121a ein zu überprüfender Betriebsparameter. Die Wellenlänge kann sich ändern aufgrund einer Erwärmung der Lichtquelle 121a oder Änderungen des Pumpstromes. Ein Ausführungsbeispiel ist in 20 (schematisch) gezeigt. Das von dem im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten diffraktiven Element 124 erzeugte Muster X ändert sich im Maßstab mit der Änderung der Wellenlänge. Wie im Fehlerfeld von 21 gezeigt, gibt es im Zentrum des Musters X, d. h. bei der nullten Ordnung der Beugung des Laserstrahls, es keine Abweichung bei der Position des mittigen Musterelements, wenn sich die Wellenlänge ändert. Die Abweichungen zeigen sich bei den höheren Ordnungen, also den weiter außen liegenden Musterelementen als eine Positionsverschiebung. Eine derartige Positionsverschiebung einzelner Beugungsordnungen der Musterelemente kann mit einer einzigen Kamera 111, 112 erkannt werden.
• Bei unveränderter Position und Ausrichtung der 3D-Messvorrichtung 100 (und damit des Projektors 121) relativ zum Objekt O wandert ein ausgewählter Punkt auf dem Objekt O mit theoretischen Koordinaten X₁ (d. h. die mittels der aktuell verwendeten Kalibrierung ermittelten Koordinaten) im 3D-Scan zu einem Punkt mit davon abweichenden tatsächlichen Koordinaten X₂, d. h. der erwartete Punkt Xi wird zu einem tatsächlichen Punkt X₂. Unter Verwendung der Tiefeninformation, wie oben unter Bezug auf 17 beschrieben, können die tatsächlichen Koordinaten des ausgewählten Punktes X₂ aus den Aufnahmen jedes einzelnen Schusses ermittelt werden. Im Falle einer Abweichung Δ der tatsächlichen Koordinaten des ausgewählten Punktes X₂ zu den theoretischen Koordinaten X₁ wird eine Änderung der Wellenlänge festgestellt. Die neue Wellenlänge wird aus der Größe der Abweichung Δ ermittelt. In einer alternativen Ausführung werden zwei zu verschiedenen Zeiten aufgenommene Aufnahmen verglichen, um eine Abweichung der tatsächlichen Koordinaten des ausgewählten Punktes X₂ zu den theoretischen Koordinaten X₁ festzustellen.
• Wird eine Änderung der Wellenlänge beobachtet, können Gegenmaßnahmen getroffen oder die Kalibrierung korrigiert werden. Die Korrektur der Kalibrierung kann erfolgen, indem die Wellenlänge der benutzten Kalibrierung durch die bei der Überprüfung festgestellte neue Wellenlänge. In anderen Worten, der Kompensationsparameter der Wellenlänge wird geändert. Eine Gegenmaßnahme kann beispielsweise die Kühlung des Lasers (falls die Lichtquelle 121a ein Laser ist) oder die Reduzierung des Pumpstroms umfassen, um die Wellenlänge auf ihren ursprünglichen Wert zurück zu bringen. Mit einer Rückkopplung in einem Regelkreis für den Pumpstrom oder die Laserkühlung kann die Wellenlänge des Lasers stabilisiert werden.
• Einige Lichtquellen 121a weisen eine Drift in der Wellenlänge auf, insbesondere wenn kein Regelsystem verwendet wird. Dann können breite optische Bandpassfilter notwendig werden, um den Bereich der möglichen Wellenlängen abzudecken. Jedoch lassen breite optische Filter mehr unerwünschtes Umgebungslicht durch, was problematisch sein kann, wenn im Außenbereich gearbeitet wird. Daher ist bei einigen Anwendungen ein Wellenlängen-Regelsystem wünschenswert. Das hier vorgeschlagene Verfahren einer direkten Beobachtung einer Änderung der Wellenlänge vereinfacht ein Wellenlängen-Regelsystem, welches normalerweise die Stabilisierung sowohl von Temperatur als auch Pumpstrom erfordert.
• Einige Typen von Halbleiterlasern, wie beispielsweise Fabry-Perot-Laser (FP), emitieren eine einzige räumliche Mode, können aber mehrere longitudinal Moden unterstützen, wobei jede longitudinale Mode eine leicht unterschiedliche Frequenz aufweist. In einigen Fällen kann der Pumpstrom so eingestellt werden, dass zwischen einem Betrieb mit einer einzigen oder mehreren longitudinalen Moden umgeschaltet wird. Die Anzahl der Moden des Lasers 121a kann ein Betriebsparameter des Projektors 121 sein. Normalerweise ist eine einzige Wellenlänge gewünscht, da dies ein einziges, gut definiertes Muster X erzeugt. Falls zwei Wellenlängen vom Laser erzeugt werden, erzeugt die zweite Wellenlänge eine Art Schatten im gewünschten Muster X. Das Ergebnis lässt sich mit 20 beschreiben. Abhängig vom Unterschied der Wellenlängen der mehreren longitudinalen Moden wird aus einem kreisförmigen Punkt eine elliptisch oder hantelartige Form oder ein Punktepaar X₁, X₂. Diese Abweichungen sind bei Anwendung der Bildverarbeitung auf das erhaltene Muster X aufzufinden. Falls mehrere Moden beobachtet werden, können Pumpstroms oder Kühlung angepasst werden, um die Anzahl der longitudinalen Moden auf eins zu reduzieren.
• Abweichungen bei den intrinsischen Parametern der Kameras 111 und 112, beispielsweise Brennweite, können in einigen Fällen automatisch erkannt und kompensiert werden. In anderen Fällen können Abweichungen bei den intrinsischen Parametern statt aus thermischen oder mechanischen Ursachen aufgrund einer gewollte Änderung der Optik der Kameras 111 und 112 entstehen, beispielsweise durch Fokussieren oder Zoomen.
• Eine zusätzliche Möglichkeit zur Überprüfung der Kalibrierung ist die Kombination der 3D-Scandaten, die sich aus einer Triangulation ergeben, mit 2D-Bildern, die von der 2D-Kamera 113 aufgenommen werden. Diese 2D-Bilder enthalten normalerweise Farben und andere Merkmale des Objekts O. In einer Ausführung sind der Projektor 121 und die beiden Kameras 111 und 112 zeitlich mit der Kamera 113 synchronisiert, um gleichzeitig Aufnahmen des Objekts O zu machen. Vorzugsweise projiziert der Projektor 121 Infrarot-Licht, welches von den Kameras 111, 112 durch Infrarot-Filter aufgenommen wird, während die Kamera 113 ein Bild des Objekts O durch ein Filter empfängt, welches das infrarote Muster X herausfiltert, wodurch sie ein naturgetreues Bild der Merkmale des Objektes erhält. Durch Vergleich von Objektmerkmalen, wie sie die Kameras 111, 112 beobachten, mit solchen, wie sie die Kamera 113 beobachtet, können Fehler in den Kalibrationsparametern des die Elemente 111, 112, 121 umfassenden Triangulationssystems beobachtet werden. Das angewandte Verfahren entspricht dem oben beschriebenen, d. h. die 2D-Kamera 113 wird als einer der Einheiten U₁, U₂ behandelt: Es werden Korrespondenzen in den Aufnahmen aufgefunden und die 3D-Koordinaten (der ausgewählten Objektmerkmale) ermittelt. Aufgrund der Redundanzen bei der Ermittlung der 3D-Koordinaten können neue Kalibrierungsparameter bestimmt werden, welche mit den bisher verwendeten Kalibrierungsparametern verglichen werden. Weichen sie zu stark voneinander ab, so ersetzen die neuen Kalibrierungsparameter die bisher verwendeten.
• In einer weiteren Ausführung ist die Kamera 113 nicht mit einem Infrarot-Licht ausschließenden Filter versehen, sondern hat die Fähigkeit, das Muster X zu detektieren, wenn es auf dem Objekt O vorhanden ist. In diesem Fall kann die Kamera 113 in jeweils einem von zwei Modi arbeiten. In einem ersten Modus erfasst die Kamera 113 Bilder zeitlich zwischen den Projektionen des Musters X durch den Projektor 121, wobei sie Merkmale aufnimmt, die mit den berechneten Merkmalen aus dem die Elemente 111, 112, 121 umfassenden Triangulationssystem verglichen werden können, um Fehler in den Kalibrierungsparameters zu erkennen. In einem zweiten Modus erfasst die Kamera 113 Bilder während das Muster X auf das Objekt O projiziert wird. In diesem Fall können Fehler in der relativen Ausrichtung zwischen den sechs Freiheitsgraden der Kamera 113 und den Triangulationselementen 111, 112, 121 erkannt werden.
• In dem Fall, dass die Bilder der (2D) Kamera 113 zwischen den Aufnahmen der Kameras 111, 112 erfasst werden, kann eine Interpolation der 2D- und 3D-Koordinaten erfolgen, um die Verzahnung der Bilder zu berücksichtigen. Solche Interpolationen können mathematisch sein und in einer Ausführung wenigstens teilweise auf einem Kalman-Filter beruhen. In einer Ausführung weist die 3D-Messvorrichtung 100 eine Intertialmesseinheit (oder eine andere Positionsverfolgungseinrichtung) auf. Die Inertialmesseinheit misst mit drei Sensoren (Accelerometern) die Beschleunigungen in die drei Raumrichtungen und mit drei weiteren Sensoren (Gyroskopen) die Winkelgeschwindigkeiten um die drei Koordinatenachsen. Damit können Bewegungen auf kurzen Zeitskalen gemessen werden, um einen zeitlichen Versatz zwischen einerseits der Abstandsmessung, vorliegend mittels Projektor 121 und Kameras 111, 112, und andererseits der naturgetreuen Aufnahme, vorliegend mittels der 2D-Kamera 113, zu kompensieren und die Daten kombinieren zu können.
• Soweit Abweichungen nicht kompensiert werden können, beispielsweise aufgrund ihrer Ausmaße oder ihres häufigen Wechsels, und keine automatische Korrektur der aktuellen Kalibrierung möglich ist, so können die Abweichungen wenigstens festgestellt und angezeigt werden. Anstelle der Autokalibrierung kann eine andere Kalibrierung vorgeschlagen werden kann.
• Vorzugsweise nimmt die 2D-Kamera 113 nicht nur sporadisch ein einzelnes 2D-Bild auf, sondern nimmt laufend 2D-Bilder auf, welche (aneinandergereiht) ein aktuelles Videobild VL (Video-Livebild) ergeben.
• Das in 7 gezeigte Display 130 liefert in einem bevorzugten Modus einen unterteilten Schirm, d. h. das Display 130 ist in einen ersten Displayteil 130a und einen zweiten Displayteil 130b unterteilt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Displayteil 130a ein (rechteckförmiger) zentraler Teil des Displays 130, und der zweite Displayteil 130b ist ein Randbereich um den ersten Displayteil 130a herum. In einer anderen Ausführung können die beiden Displayteile Spalten sein. Im ersten Displayteil 130a wird das aktuelle Videobild VL dargestellt, wie es von der 2D-Kamera 113 erzeugt wird. Im zweiten Displayteil 130b wird der aktuelle 3D-Scan (oder die bislang registrierten 3D-Scans) als Ansicht der dreidimensionalen Punktwolke 3DP (oder eines Teils dieser) dargestellt. Die Größe des ersten Displayteils 130a ist variabel, und der zweite Displayteil 130b ist immer der Bereich zwischen dem ersten Displayteil 130a und dem Rand des Displays 130. Das aktuelle Videobild VL ändert sich, wenn die 3D-Messvorrichtung 100 bewegt wird. Die Ansicht der dreidimensionalen Punktwolke 3DP ändert sich entsprechend und ist vorzugsweise daran angepasst, aus der neuen Position und Ausrichtung der 3D-Messvorrichtung 100 nach seiner Bewegung betrachtet zu werden.
• Vorzugsweise passen der erste Displayteil 130a, d. h. das Videobild VL, und der zweite Displayteil 130b, d. h. der Blick auf einen Teil der dreidimensionalen Punktwolke 3DP, kontinuierlich zueinander (bezüglich der dargestellten Inhalte). Zum Ersten wird besagter Teil der dreidimensionalen Punktwolke 3DP (von der Steuer- und Auswertevorrichtung 122) so ausgewählt, wie er aus der Perspektive der 2D-Kamera 113 betrachtet wird oder wenigstens von einer mit der 2D-Kamera 113 fluchtenden Position. Zum Zweiten wird der besagte Teil so ausgewählt, dass er sich kontinuierlich an das Videobild VL anschließt, d. h. es wird die Fortsetzung des Videobildes VL über das Blickfeld der 2D-Kamera 113 hinaus nach links, rechts, oben und unten gezeigt. Die Darstellung kann der Darstellung bei Verwendung eines Fischaugenobjektivs entsprechen, ist aber vorzugsweise unverzerrt. Der vom Videobild VL verdeckte Teil der dreidimensionalen Punktwolke 3DP wird nicht dargestellt. Um aber die dortige Dichte der Punkte der dreidimensionalen Punktwolke 3DP anzudeuten, kann das normalerweise in natürlichen Farben dargestellte Videobild VL künstlich eingefärbt werden, beispielsweise durch eine Überlagerung. Die künstliche Farbe (und gegebenenfalls Intensität), die für die Darstellung des künstlich eingefärbten Videobildes VL verwendet wird, entspricht der Dichte der Punkte, beispielsweise grün für eine (ausreichend) hohe Dichte und gelb für eine (verbesserungswürdige) mittlere oder geringe Dichte.
• Um die Registrierung zu unterstützen, werden vorzugsweise Marken 133 in das aktuelle Videobild VL auf dem ersten Displayteil 130 eingeblendet, welche wiedererkennbare Strukturen (also mögliche Targets) anzeigen. Die Marken 133 können kleine ”x” oder ”+” sein. Die wiedererkennbaren Strukturen können spezielle Punkte, Ecken, Kanten oder Texturen sein. Die wiedererkennbaren Strukturen werden aufgefunden, indem der aktuelle 3D-Scan oder das aktuelle Videobild VL dem Beginn des Registrierungsvorgangs unterworfen wird (d. h. dem Lokalisieren von Targets). Die Verwendung des aktuellen Videobildes VL hat den Vorteil, dass der Aufnahmevorgang nicht so häufig erfolgen muss. Sofern die Marken 133 eine hohe Dichte haben, ist mit einer erfolgreichen Registrierung der betroffenen 3D-Scans zu rechnen. Sofern aber eine geringe Dichte der Marken 133 erkannt wird, sind zusätzliche 3D-Scans und/oder eine langsamere Bewegung der 3D-Messvorrichtung 100 vorteilhaft. Entsprechend ist die Dichte der Marken 133 ein qualitatives Maß für den Erfolg der Registrierung. Gleiches gilt für die durch künstliches Einfärben des Videobildes VL dargestellte Dichte der Punkte der dreidimensionalen Punktwolke 3DP.
• Die Bewegung der 3D-Messvorrichtung 100 und die Verarbeitung der gemachten Aufnahmen kann auch als Tracking behandelt werden, d. h. die 3D-Messvorrichtung 100 verfolgt die Relativbewegung seiner Umgebung mit den beim Tracking verwendeten Verfahren. Wenn das Tracking verloren geht, beispielsweise wenn die 3D-Messvorrichtung 100 zu schnell bewegt wurde, gibt es eine einfache Möglichkeit, das Tracking wieder aufzunehmen. Hierzu wird dem Benutzer das aktuelle Videobild VL, wie es die 2D-Kamera 113 liefert, und das von ihr gelieferte, letzte Video-Standbild des Trackings nebeneinander (oder übereinander) dargestellt. Der Benutzer muss dann die 3D-Messvorrichtung 100 so lange bewegen, bis beide Videobilder in Übereinstimmung gelangen. Eine Unterstützung, beispielsweise akustisch oder optisch, aufgrund einer Verarbeitung der Videobilder und eines Vergleichs derselben, ist hilfreich und daher vorzugsweise implementiert.
• Die Bewegung der 3D-Messvorrichtung 100 aufgrund von Gesten des Benutzers kann auch zur Steuerung der Darstellung des Videobildes VL und/oder der dreidimensionalen Punktwolke 3DP) verwendet werden. Insbesondere kann der Maßstab der Darstellung des Videobildes VL und/oder der dreidimensionalen Punktwolke 3DP auf dem Display 130 von der Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der Bewegung der 3D-Messvorrichtung 100 abhängen. Der Begriff ”Maßstab” soll als das Verhältnis zwischen der Größe (entweder lineare Abmessung oder Fläche) des Videobildes VL und der Größe (entweder lineare Abmessung oder Fläche) des Displays 130 definiert und als Prozentzahl angegeben sein.
• Einem kleinen Blickfeld der 2D-Kamera 113 ist ein kleiner Maßstab zugeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem unterteilten Display mit zentralem ersten Displayteil 130a, welcher das Videobild VL zeigt, ist dann der erste Displayteil 130a von geringerer Größe als im Standardfall, und der zweite Displayteil 130b zeigt einen größeren Teil der dreidimensionalen Punktwolke 3DP. Einem großen Blickfeld ist ein großer Maßstab zugeordnet. Das Videobild VL kann sogar das gesamte Display 130 ausfüllen.
• Die Auswertung der Koordinaten der Positionen der 3D-Messvorrichtung 100, welche dieser während des Messvorgangs entlang des Bewegungspfades durch den Raum einnimmt, kann auch dazu genutzt werden, die Art der Szene zu ermitteln und gegebenenfalls unterschiedliche Darstellungen oder Bedienmöglichkeiten anzubieten. So deutet ein Bewegungspfad um ein Zentrum herum (insbesondere mit Ausrichtung der 3D-Messvorrichtung 100 nach innen) eine Aufnahme eines einzelnen Objektes O (objektzentrierte Aufnahme) an, während ein Bewegungspfad mit Ausrichtung der 3D-Messvorrichtung 100 vom Bewegungspfad nach außen (und insbesondere längeren geraden Abschnitten des Bewegungspfades) auf eine Aufnahme von Räumen deutet. Entsprechend bietet sich an, im Falle der Aufnahme von Räumen (auch) einen Grundriss (Ansicht von oben) als Karte auf den Display 130 darzustellen.
• Bezugszeichenliste

100

3D-Messvorrichtung

102

Tragestruktur

102a

linker Arm

102b

rechter Arm

102c

unterer Arm

102r

Rücken

104

Gehäuse

104g

Griffteil

105

Schutzelement

106

Bedienknopf

107

Statusleuchte

111

erste Kamera

112

zweite Kamera

113

2D-Kamera

114

Leuchtdioden

115

Abstrahlelement

116

Lichtleiter

118

Steuereinheit

119

Neigungsmesser

121

Projektor

121a

Laser

122

Steuer- und Auswertevorrichtung

125

Kabel

130

Display

133

Marke

201

erster Verfahrensblock

202

zweiter Verfahrensblock

203

dritter Verfahrensblock

204

vierter Verfahrensblock

208

Grundlinie

210, 230

Ebene

212

Epipolarlinie in Ebene 210

216

Punkt (Position) in Ebene 210

218

Punkt in Ebene 210

232

Strahl

234

Epipolarlinie in Ebene 230

236

Punkt in Ebene

240

Punktmenge

252, 254

Fehler

255, 257

Achse

256

Nickwinkel

258

Gierwinkel

300

rechteckförmiger Bereich

302

durchgezogene Linie

304, 306

gestrichelte Linie

308

Drehung

3DP

dreidimensionale Punktwolke

B

Grundlinienabstand

B₁₁₁

erste Bildebene (der ersten Kamera)

B₁₁₂

zweite Bildebene (der zweiten Kamera)

e

Epipolarlinie

E₁, E₂

Epipol

FOV

Blickfeld

J, K

Epipol

O

Objekt

O₁, O₂

Projektionszentrum

P₁, P_A, P_B, P_C, P_D

Punkte auf Strahl 232

Q_A, Q_S, Q_C, Q_D

Punkte auf Epipolarlinie 212

P₁₂₁

Projektorebene

U₁, U₂

Einheit

U_A, U_B, U_C, U_D

Punkte auf Epipolarlinie 234

V_A, V_B, V_C, V_D

Punkte der Punktmenge 240

VL

aktuelles Videobild

W_A, W_B, W_C, V₁

Punkte auf Epipolarlinie 212

X

Muster

X₀, X₁, X₂

(ausgewählter) Punkt und Koordinaten hierzu

Claims (9)

1. Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung mittels einer 3D-Messvorrichtung (100), die ein Triangulationssystem, welches durch einen Projektor (121) und wenigstens eine erste Kamera (111) der 3D-Messvorrichtung (100) definiert ist, und zusätzlich zum Triangulationssystem eine 2D-Kamera (113) zur Aufnahme naturgetreuer 2D-Bilder aufweist, wobei bei dem Verfahren a) der Projektor (121) wenigstens ein Muster (X) auf einem Objekt (O) in der Umgebung der 3D-Messvorrichtung (100) erzeugt, b) die vorgesehenen Kameras (111, 112) des Triangulationssystems Aufnahmen des mit dem Muster (X) versehenen Objekts (O) machen, c) die 3D-Koordinaten von ausgewählten Punkten (X₀, X₁, X₂) auf dem Objekt (O) aus den Aufnahmen der vorgesehenen Kameras (111, 112) des Triangulationssystems ermittelt werden unter Verwendung von Kalibrierungsparametern, d) die 2D-Kamera (113) während der oder zeitlich zwischen den Projektionen des Musters (X) auf das Objekt (O) 2D-Bilder des Objekts (O) aufnimmt, e) Objekt-Merkmale sowohl in den Aufnahmen der vorgesehenen Kameras (111, 112) des Triangulationssystems als auch in von der 2D-Kamera (113) aufgenommenen 2D-Bildern ermittelt werden, und f) durch Vergleich der Objektmerkmale, wie sie die vorgesehenen Kameras (111, 112) des Triangulationssystems beobachten, mit solchen, wie sie die 2D-Kamera (113) beobachtet, die Kalibrierungsparameter des Triangulationssystems überprüft und Fehler darin erkannt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Aufnahme der 2D-Bilder zwischen den Aufnahmen der vorgesehenen Kameras (111, 112) des Triangulationssystems eine Interpolation der 2D- und 3D-Koordinaten erfolgt oder eine Intertialmesseinheit der 3D-Messvorrichtung (100) Bewegungen auf kurzen Zeitskalen misst, um den zeitlichen Versatz zu kompensieren.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster (X) pulsiert.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die 2D-Kamera (113) die 2D-Bilder durch ein Filter macht, welches die Wellenlänge des Musters (X) blockiert.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neue Kalibrierungsparameter aus den Aufnahmen unter Erfüllung vorgegebener Bedingungen ermittelt werden, wobei die neuen Kalibrierungsparameter mit den verwendeten Kalibrierungsparametern verglichen werden und diese gegebenenfalls ersetzen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die 2D-Kamera (113) eine Farbkamera ist, und dass der Projektor (121) ein infrarotes Muster (X) erzeugt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Triangulationssystem auch eine zweite Kamera (112) der 3D-Messvorrichtung (100) umfasst, welche Aufnahmen des mit dem Muster (X) versehenen Objekts (O) macht, wobei der Projektor (121) und die beiden Kameras (111, 112) in einer Dreiecksanordnung zueinander angeordnet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor (121) und die erste Kamera (111) und zweite Kamera (112) mit den ausgewählten Punkten (X₀, X₁, X₂) verschiedene Epipolarlinien (e) in der Projektorebene (P₁₂₁) und den beiden Bildebenen (B₁₁₁, B₁₁₂) bilden, so dass ausgehend von jedem der drei Einheiten (111, 112, 121) jeweils zwei Stereo-Geometrien mit den beiden anderen Geräten definierbar sind, die eindeutige Dreier-Beziehungen von Punkten und Epipolarlinien (e) ergeben, aus denen die Korrespondenz der Abbildungen des Musters (X) in den beiden Bildebenen (B₁₁₁, B₁₁₂) ermittelbar und/oder die 3D-Koordinaten der ausgewählte Punkte (X₀, X₁, X₂) sind.
9. 3D-Messvorrichtung, geeignet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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