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.The invention relates to a method for optically scanning and measuring an environment by means of a 3D measuring device, in which a projector of the 3D measuring device generates at least one pattern on an object in the vicinity of the 3D measuring device, at least one camera of the 3D measuring device records the with the patterned object, and determine the 3D coordinates of selected points on the object from the taken images.
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.A method of this kind is known from US Pat. No. 6,826,299 B2 known. A projector projects light patterns onto the surface of an object to be scanned. The position of the projector is determined by a projected coded pattern. Two (or more) cameras whose relative positions and orientations are known or determined can pick up the surface with another uncoded pattern. By means of mathematical methods known per se, such as the epipolar geometry, the three-dimensional coordinates (of the points of the pattern) can be determined.
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.Scanners are known as target tracking devices from the game area, in which a projector projects a coded light pattern onto the target to be tracked, preferably the playing user, to then record this coded light pattern with a camera and to determine the coordinates of the user. The data is displayed on a suitable display.
Die US 8 238 611 B2 offenbart 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.The US Pat. No. 8,238,611 B2 discloses a system for scanning a scene including range finding. The system consists in its simplest form of a camera unit with two cameras, optionally with filters, for stereoscopic detection of a target area, a lighting unit for generating a pattern in the target area, preferably by means of a diffractive optical element, and a synchronization unit, which lighting unit and camera unit matches each other. Camera unit and lighting unit can be set up in selectable relative positions. Optionally, two camera units or two lighting units can be used.
In der US 2004/0105580 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem die verwendete 3D-Messvorrichtung einen Projektor und zwei bis drei separat bewegliche Kamera enthält. Das vom Projektor erzeugte Muster aus gleichen Musterelementen kann verschiedene Wellenlängen aufweisen, die dann von den Kameras aufgenommen werden. Auch gemäß der US 6 028 672 A , die mit Epipolarbedingungen auswertet, und gemäß der US 2005/0254726 A1 verwendet der Projektor ein farbiges Muster. Die DE 103 08 904 A1 beschreibt einen Weißabgleich für den Projektor. 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.In the US 2004/0105580 A1 a method of the type mentioned is described, in which the used 3D measuring device includes a projector and two to three separately movable camera. The pattern of the same pattern elements generated by the projector can have different wavelengths, which are then recorded by the cameras. Also according to the US Pat. No. 6,028,672 , which evaluates with epipolar conditions, and according to the US 2005/0254726 A1 the projector uses a colored pattern. The DE 103 08 904 A1 describes a white balance for the projector. To link the recordings of the same scene, is in the DE 10 2012 112 321 A1 for another portable 3D measuring device with a projector and two cameras proposed to use an additional fixed projector, which generates a second pattern.
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.The invention is based on the object to improve a method of the type mentioned. This object is achieved by a method with the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
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.All 3D measurement devices require calibration to provide accurate measurement data. However, there is usually only an initial, factory calibration and occasional review. An auto-calibration is to be understood as an automatic calibration check (during the normal measurement procedure), based on one's own measurement data and without any external calibration objects, which corrects or at least attempts to correct the calibration in case of inconsistencies or deviations.
Erfindungsgemäß wird die Wellenlänge des Projektors, welcher das Muster mittels eines diffraktiven optischen Elements erzeugt, mittels der Aufnahmen überprüft, um Änderungen der Wellenlänge zu ermitteln.According to the invention, the wavelength of the projector which generates the pattern by means of a diffractive optical element is checked by means of the images in order to determine changes in the wavelength.
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.Particularly suitable for auto-calibration are 3D measuring devices with certain redundancies or over-determinations. Such a 3D measuring device may, for example, have a projector and two cameras in a triangular arrangement whose relative geometry is predetermined by a carrying structure.
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.The support structure, which is preferably (especially) mechanically and thermally stable, defines the relative distances of the cameras and the projector. Roughly, it also defines their relative orientations. The arrangement on the front of the 3D measuring device, which faces the environment when used as intended, has the advantage that these distances and orientations are not changed by changes in shape of a housing.
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.The term "projector" is generally intended to refer to a device for generating a pattern. The pattern may be generated by deflecting techniques, such as diffractive optical element or microlens (or single-laser) or shading Methods, such as the production by means of diaphragms, slides (as would be used in a slide projector) and other masks done. The distracting methods have the advantage that less light is lost and therefore more intensity is available. The projector may have a projection center, which is the imaginary emission center for the rays of the projector, or the projector may emit parallel rays.
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.The intended for the distance measurement modules are not arranged colinear. In the case of a projector and two cameras, these are arranged in a triangular arrangement to each other.
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.Depending on the number of assemblies provided for the distance measurement, a corresponding number of arms of the support structure is preferably provided, which preferably protrude from a common center. Said assemblies are preferably provided in the region of the ends of the associated arms. Each of the assemblies is preferably arranged on the back of the support structure. The optics of each assembly align with an associated opening in the support structure to face and project from the front into the environment. A housing covers the back and forms the handle part.
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.The support structure is preferably made of a carbon or glass fiber reinforced plastic or ceramic matrix (or other material). The material provides stability and low weight and can also be designed with visible surfaces. A concave (spherical) curvature of the front of the support structure not only has design advantages, but protects the optics of the provided for the distance measurement assemblies when the 3D measuring device is placed on the front.
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.The projector produces the pattern, which is preferably not in the visible wavelength range, but in the infrared. Accordingly, the two cameras are sensitive in this wavelength range, while stray light and other disturbances in the visible wavelength range can be filtered out. A 2D color camera may be provided as a third camera for color information and for object feature information which also captures the environment and the object. With the color information obtained in this way, the 3D scan can then be colored.
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 im 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.The 3D measuring device generates several 3D scans of the same scene from different positions. The 3D scans are registered in a common coordinate system. Recognizable structures are advantageous for assembling two overlapping 3D scans. Preferably, such recognizable structures are constantly searched and displayed or displayed at least after the recording process. If the density does not appear large enough in a certain area, additional 3D scans of that area can be created. A subdivision of the display used to display a video image and the (adjacent parts of) three-dimensional point cloud helps to identify in which areas still scans should be generated.
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 vom 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.The 3D measuring device is designed in the present case as a portable device, so it operates at high speed and has a low weight. But it is also possible that the 3D measuring device is mounted on a tripod (or another tripod), on a manually movable trolley (or another car) or on an autonomously driving robot, so no longer worn by the user, if necessary also using a different housing, for example, without handle. The term "3D measuring device" is therefore to be construed broadly so as to include scanners generally constructed as compact units that are stationary or mobile and optionally installed with other devices.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigenIn the following the invention with reference to an embodiment shown in the drawing is explained in more detail. Show it
1 eine perspektivische Ansicht einer 3D-Messvorrichtung und eines Objekt in der Umgebung, 1 a perspective view of a 3D measuring device and an object in the environment,
2 eine Ansicht der Vorderseite der 3D-Messvorrichtung, 2 a view of the front of the 3D measuring device,
3 eine Ansicht der Rückseite der 3D-Messvorrichtung, 3 a view of the back of the 3D measuring device,
4 eine Draufsicht auf die 3D-Messvorrichtung von oben, 4 a top view of the 3D measuring device from above,
5 eine rechte Seitenansicht der 3D-Messvorrichtung, 5 a right side view of the 3D measuring device,
6 eine 1 entsprechende Ansicht ohne Gehäuse, 6 a 1 corresponding view without housing,
7 eine Draufsicht auf eine beispielhafte Steuer- und Auswertevorrichtung mit Display, 7 a top view of an exemplary control and evaluation device with display,
8 eine Seitenansicht von 7, 8th a side view of 7 .
9 die Blickfelder der Kameras mit schraffiertem Überlapp, 9 the fields of view of the cameras with hatched overlap,
10 die geometrische Beziehung von Bildebenen, Projektorebene und Epipolarlinien, 10 the geometric relationship of image planes, projector plane and epipolar lines,
11 ein beispielhaftes Verfahren der Autokalibrierung, 11 an exemplary method of auto-calibration,
12 eine vereinfachte Situation einer Inkonsistenz, 12 a simplified situation of inconsistency,
13 ein mögliches Fehlerfeld der Situation von 12, 13 a possible error field of the situation of 12 .
14 ein Beispiel mit einer Epipolarlinie, 14 an example with an epipolar line,
15 ein Beispiel mit zwei Epipolarlinien, 15 an example with two epipolar lines,
16 ein Beispiel mit Inkonsistenzen, 16 an example with inconsistencies,
17 eine erste Überprüfung mehrerer Epipolarlinien, 17 a first review of several epipolar lines,
18 eine zweite Überprüfung mehrerer Epipolarlinien, 18 a second check of several epipolar lines,
19 eine Überprüfung der relativen Geometrie der Kameras, 19 a review of the relative geometry of the cameras,
20 eine Überprüfung der Wellenlänge, und 20 a review of the wavelength, and
21 ein typisches Fehlerfeld von 20. 21 a typical error field of 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.A 3D measuring device 100 is intended for optically scanning and measuring objects O in an environment. The 3D measuring device 100 is preferably designed as a portable device ( 1 to 6 ). The - when used as intended - the user facing side of the 3D measuring device 100 , d. h is referred to as the back and the environment facing side as the front. This definition extends to the components of the 3D measuring device 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 V-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 linkem Arm 102a und rechtem Arm 102b etwa 150° ± 20° zwischen linkem Arm 102a und unterem Arm 102c etwa 105° ± 10°. Der untere Arm 102c ist meist etwas länger als die beiden anderen Arme 102a, 102b.The 3D measuring device 100 has (on its front side) a carrying structure 102 with three arms 102 . 102b . 102c on which of the carrying structure 102 give a T-shape or V-shape, so a triangle arrangement. The area in which the three arms 102 . 102b . 102c are interconnected and from which the three arms 102 . 102b . 102c stand out, defines the center of the 3D measuring device 100 , From the user's point of view, when used as intended, has the support structure 102 a left arm 102 , a right arm 102b and a lower arm 102c on. In the present case, for example, the angle between the left arm 102 and right arm 102b about 150 ° ± 20 ° between the left arm 102 and lower arm 102c about 105 ° ± 10 °. The lower arm 102c is usually a bit longer than the other two arms 102 . 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.The carrying structure 102 is preferably formed of a carbon fiber reinforced plastic (CFRP), alternatively, for example, a carbon fiber reinforced ceramic or a glass fiber reinforced plastic. The material makes the carrying structure 102 mechanically and thermally stable and at the same time ensures a low weight. The dimension of the support structure 102 perpendicular to the arms 102 . 102b . 102c is significantly smaller (for example 5 to 15 mm) than the length of the arms 102 . 102b . 102c (For example, 15 to 25 cm). The carrying structure 102 therefore has a flat basic shape, present in some sections of the arms 102 . 102b . 102c with a reinforced back in the middle. However, it is preferably not flat, but curved. This curvature of the support structure 102 is adapted to the curvature of a sphere having a radius of about 1 to 3 meters. The (the object O facing) front of the support structure 102 is concave, the back convex. The curved shape of the support structure 102 is advantageous for stability. The front of the support structure 102 (And in this case, the visible areas of the back) is designed as a visible surface, ie provided without screens, covers, panels or other packaging. The preferred embodiment of fiber-reinforced plastics or ceramics is particularly suitable for this purpose.
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.On the back of the support structure 102 is a housing 104 arranged, which in the area of the ends of the three arms 102 . 102b . 102c by means of suitable connecting means floating with the support structure 102 is connected, for example by means of rubber rings and screws with some play. The edge of the case 104 is in the area of the left arm 102 and the right arm 102b to the immediate vicinity of the support structure 102 pulled while the case 104 from the center of the 3D measuring device 100 out in the area of the lower arm 102c at a distance to the support structure 102 runs to form a handle part 104g , at the end of the handle part 104g turns and joins the end of the lower arm 102c approaching, where it is floatingly connected and its edge to the immediate vicinity of the support structure 102 is drawn. As far as some sections of the support structure 102 a reinforced back 102r is provided, this back protrudes 102r in the interior of the case 104 , The housing 104 acts as a hood.
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.Preferably, protective elements 105 on the housing 104 or on the support structure 102 attached, in particular at the ends of the arms 102 . 102b . 102c , which protect against impact and consequent damage. When not in use, the 3D measuring device 100 be placed with the front down. He comes due to the concave curvature of the front on the ends of the arms 102 . 102b . 102c to lie. Here too are the protective elements 105 at the ends of the arms 102 . 102b . 102c helpful by the 3D measuring device 100 to be on this lies. Furthermore, on the housing 104 , in particular on the handle part 104g , optional knobs made of a soft material, such as rubber, be attached, which provide good contact with the user's hand.
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.On the back of the case 104 is in the middle of the 3D measuring device 100 a control knob 106 arranged, by means of which at least the optical scanning and measuring, so the measuring process (and in particular the projection and recording process), can be started and stopped. The control knob 106 is preferably multi-functional, for example by means of temporally structured sequences and / or spatially distinguishable operating directions, ie the control knob 106 can not only be pressed in one direction, but tilted in several directions distinguishable. To the control knob 106 around are preferably one or more status lights 107 arranged, which shows the current state of the 3D measuring device 100 display and thereby facilitate its operation. The status lights 107 may preferably display different colors (green, red, ....) to indicate the status of the instrument. Preferably, the status lights 107 designed as an LED.
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.On the support structure 102 are - spaced at a defined distance from each other - on the left arm 102 (in the area of the end) a first camera 111 and on the right arm 102b (in the area of the end) a second camera 112 arranged. More precisely, the two are camera 111 and 112 on the back of the support structure 102 arranged and attached thereto, the support structure 102 each having an opening through which the respective camera 111 . 112 to the front of the support structure 102 can look out. The two cameras 111 . 112 are preferably of the connection means for the floating connection of the housing 104 with the carrying structure 102 surround.
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.The first camera 111 and the second camera 112 are mutually adjusted so that the fields of view FOV overlap to thereby make stereoscopic images of the objects O. In an embodiment in which the orientations are fixed, there is an optimum overlap area that depends on the application. The fixed orientations may initially be arbitrary (and unknown), and then become the 3D measuring device 100 made known, for example, by factory calibration. In terms of accuracy, an overlap area would be similar to the dimension of the 3D measuring device 100 Cheap. In another embodiment, the orientations are adjustable to optimize the overlap of the fields of view FOV according to the distance from the 3D measuring device 100 to enable the objects O to be measured. By tracking how the user adjusts the orientations, for example by pivoting the cameras in opposite directions 111 and 112 , are the orientation of the 3D measuring device 100 known. In the case of the first and second camera 111 . 112 In the field, a calibration is performed in the field to determine the angles and positions of the cameras in the 3D measuring device 100 to determine. The types of calibration will be described later.
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.Preferably, the first camera 111 and the second camera 112 monochrome, ie sensitive to a narrow wavelength range, for example by having corresponding filters which then filter out other wavelength ranges including stray light. This narrow wavelength range is preferably in the infrared range. Nevertheless, to obtain color information about the objects O, the 3D measuring device has 100 preferably additionally a 2D camera 113 on, preferably a color camera. The 2D camera 113 is preferably symmetrical to the first camera 111 and second camera 112 aligned and in the middle of the 3D measuring device 100 arranged between the two. The 2D camera 113 is then sensitive in the visible wavelength range. The 2D camera 113 takes 2D images of the scene, that is the environment of the 3D measuring device 100 including the objects O contained therein.
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.In order for the 2D camera 113 Illuminate the scene in unfavorable lighting conditions are at least one, in the present case four (powerful) light-emitting diodes (LED) 114 intended. Each light-emitting diode 114 is a radiating element 115 assigned, by means of which the light of the LED 114 according to the orientation of the 3D measuring device 100 is emitted. Such a radiating element 115 For example, it may be a lens or a suitably shaped end of a light guide. The (in this case four) radiating elements 115 are even around the 2D camera 113 arranged around. Each light-emitting diode 114 is by means of a light guide 116 with the associated radiating element 115 connected. The light-emitting diodes 114 can therefore be structurally attached to a control unit 118 the 3D measuring device 100 be arranged, in particular be mounted on a board thereof.
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.To later a reference for the recordings of the cameras 111 . 112 . 113 is preferably an inclinometer 119 intended. As an inclinometer 119 preferred is an acceleration sensor (with one or more sensitive axes), which in a manner known per se as MEMS (micro- electro-mechanical system) is produced. As an inclinometer 119 Other designs and combinations are possible. The data of the 3D measuring device 100 each have (as a component) a gravitational direction, that of the inclinometer 119 supplies.
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.Basically, from the footage of the first camera 111 and the second camera 112 already three-dimensional data are determined, ie 3D scans of objects O are created, for example by means of photogrammetry. However, the objects O often have few structures and many smooth surfaces, so that the creation of 3D scans from the scattered light of the object O is difficult.
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.It is therefore a projector 121 provided, which at the lower arm 102c (in the area of its end) on the back of the support structure 102 arranged and attached to it, according to the cameras 111 . 112 . 113 ie the carrying structure 102 has an opening through which the projector 121 to the front of the support structure 102 can project. The projector 121 is preferably from the connection means for the floating connection of the housing 104 with the carrying structure 102 surround. The projector 121 , the first camera 111 and the second camera 112 are arranged in a triangular arrangement to each other and in the environment of the 3D measuring device 100 directed. The relative angles of the first camera 111 , second camera 112 and projector 121 are according to the measuring distance of the 3D measuring device 100 set to object O As described above, the relative orientation may be preset or set by the user.
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.Will the 3D measuring device 100 placed on the front when not in use, ie placed face down on a shelf, the concave curvature of the front ensures that the cameras 111 . 112 . 113 and the projector 121 Stay spaced from the shelf, so for example, the respective lenses are protected from damage.
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.The cameras 111 . 112 . 113 , the projector 121 , the control knob 106 , the status lights 107 , the light-emitting diodes 114 and the inclinometer 119 are with the common control unit 118 connected inside the case 104 is arranged. This control unit 118 may be part of a housing integrated in the control and evaluation device. Preferably, said control unit is 118 but with a standardized communication interface on the housing 104 which is designed for a wireless connection (for example, Bluetooth, WLAN, DECT) as a transmitting and receiving unit or for a wired connection (for example, USB, LAN), optionally also as a special interface, as shown in the DE 10 2009 010 465 B3 is described. The communication interface is by means of said wireless or wired connection to an external control and evaluation device 122 connected. The control and evaluation device 122 is the 3D measuring device 100 assigned.
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.In the present case, the communication interface is designed for a wired connection, wherein the housing 104 a cable 125 is inserted, for example, at the lower end of the handle part 104g so the cable 125 in extension of the grip part 104g going on.
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.The control and evaluation device 122 has one or more processors 122a on the methods of operation and control of the 3D measuring device 100 and to execute the evaluation of the measured data. Preferably, the control and evaluation device 122 a portable computer (notebook) or a tablet (or smartphone) (for example 7 and 8th ) or an external computer (for example, on the Internet) on which special software for controlling the 3D measuring device 100 and is implemented to evaluate the measurement data and which is implemented with the portable part of the 3D measurement device 100 connected is. The control and evaluation device 122 however, it may be special hardware or the portable part of the 3D measuring device 100 be integrated. The control and evaluation device 122 may also be a distributed component system, with at least one in the portable part of the 3D measuring device 100 integrated component and at least one external component. Accordingly, the processor or processors 122a into the 3D measuring device 100 or embedded in an external computer.
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.The projector 121 projects on the objects to be scanned O a pattern X, which he generates for example by means of a diffractive optical element. The pattern X need not be coded (ie, have a unique pattern), but may be uncoded, for example, by projection of periodically spaced pattern elements (eg, light spots or light lines). The correspondence between the projector 121 projected pattern elements and the pattern elements in the images on the photosensors of the cameras 111 . 112 is determined by concurrent epipolar conditions and using calibration parameters, as set forth below. The ambiguity is due to the use of the two cameras 111 and 112 in combination with the exact knowledge of the shape and direction of the pattern resolved, this combined knowledge from a calibration of the 3D measuring device 100 comes.
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. In the following, the term "pattern element" is intended to emphasize the shape of an element of the pattern X, while the term "point" is intended to designate the position (of a pattern element or something else) in 3D coordinates.
Das unkodierte Muster X (1) ist vorzugsweise ein Punktmuster, eine regelmäßige Anordnung von Spots in einem Gitter umfassend. Vorliegend werden beispielsweise etwa einhundert mal 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.The uncoded pattern X ( 1 ) is preferably a dot pattern comprising a regular array of spots in a grid. For example, in the present example, about one hundred times one hundred points (10,000 points in total) over a field of view FOV ( 9 ) of about 50 ° at a distance of approximately 0.5 m to 5 m. The pattern X may also be a line pattern or a combination pattern of dots and lines, each formed of correspondingly densely arranged spots of light. The first camera 111 has a first image plane B 111 , and the second camera 112 has a second image plane B 112 . The two cameras 111 and 112 receive at least a portion of the pattern X in their respective image planes B 111 and B 112 , in which the photosensor (eg, CMOS or CCD) is arranged to receive a part of the pattern X reflected from the object O.
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.There is a correlation between the dot density of the pattern X over the angle of the field of view FOV, the distance between the projector 121 and the object O and the resolution which can be achieved with the generated pattern X on the object O. For single paired shots of the cameras 111 . 112 Therefore, a higher dot density of the pattern X leads to a greater ability to resolve relatively fine structures of the object O than in the case of low dot densities of the pattern X on the object O. Therefore, it seems helpful to have at least one other pattern in addition to the first pattern X. to produce a different density of projected spots. Depending on the generation of the patterns, a dynamic transition between the patterns and / or spatial mixing is possible in order to adapt the point density to the structures of the object O. Preferably, the projector generates 121 the two patterns offset in time and / or in a different wavelength range and / or with different intensity.
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 dem Muster X erzeugt werden. Zum gleichen Zweck könnte das Muster X alternativ im Ultraviolett-Bereich erzeugt werden.The - preferably monochromatic - pattern X is preferably by means of a diffractive optical element 124 in the projector 121 generated. The diffractive optical element 124 converts a single beam of a light source 121 in 18 into a collection of smaller rays, each going in a different direction to create a spot when the object O is hit. The light source 121 For example, it may be a laser, a super-luminescent diode or an LED. In one embodiment, the wavelength of the light source 121 in the infrared range. The lateral resolution is then limited only by the size and spacing of the spots in the projected pattern X. If the pattern X is in the infrared range, the images of the 2D camera 113 be generated without interference with the pattern X. For the same purpose, the pattern X could alternatively be generated in the ultraviolet range.
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.For energy efficiency and eye safety, the two cameras are 111 . 112 and the projector 121 synchronized so that they record the pattern X as soon as the projector 121 projected, wherein the pattern X is preferably a pulsed pattern. Each projection and recording process begins by the projector 121 the pattern X is created, similar to a flash in the photograph, and the cameras 111 and 112 (and optionally 113 ) follow with a recording process by recording at least one image for each projection process of the pattern X, respectively. The term "recording" is intended to include the two images that the two cameras 111 and 112 record at the same time. The projection and recording process may include a single shot, or a sequence of shots (video). Such a shot or video is made by means of the control knob 106 triggered. After the processing of the data, each shot yields 3D scan data, that is, a point cloud in three-dimensional (3D) space, the point cloud being in relative coordinates of the 3D measuring device 100 is specified.
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.The projector 121 is not colinear to the two cameras 111 and 112 arranged but rather arranged so that a triangle relative to the cameras 111 . 112 is formed. This triangular arrangement allows the application of epipolar geometry based on mathematical methods of optics. The conditions of epipolar geometry say that a point in the projector plane P 121 of the projector 121 to a first epipolar line in the first image plane B 111 and to a second epipolar line in the second image plane B 112 , the epipolar lines for each of the image planes B 111 and B 112 being determined by the relative geometry of the projector 121 and the two cameras 111 and 112 is determined. Furthermore, a point in the first image plane B 111 falls on an epipolar line in the projector plane P 121 and on an epipolar line in the second image plane B 112 , the epipolar lines for the projector plane P 121 and the second image plane B 112 being due to the relative geometry of the projector 121 and cameras 111 and 112 is determined. Furthermore, a point in the second image plane B 112 also falls on an epipolar line in the projector plane P 121 and on an epipolar line in the first image plane B 111 , the epipolar lines for the projector plane P 121 and the first image plane B 111 being due to the relative geometry of the projector 121 and cameras 111 and 112 is determined. It turns out that the use of at least two cameras and a projector generates enough epipolar conditions to correspond to possible ones between the points of the pattern X to be determined with the points in the image planes B 111 and B 112 and the projector plane P 121 even if the projected pattern elements have no distinguishable characteristics, for example ,
Vorliegend 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 Muster (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.In the present case are (at least) three devices (projector 121 and the two cameras 111 and 112 ), ie, starting from each device, two stereo geometries (each with a large number of epipolar lines e) can be defined with the other two devices. For the present arrangement, therefore, there are clear threefold relationships of points and epipolar lines e, from which the correspondence of the images of the pattern X in the two image planes B 111 , B 112 can be determined. Because of the (compared to a pair of cameras) additional stereo geometry, namely, significantly more of the otherwise indistinguishable pattern points on an epipolar line e can be identified. As a result, the density of features can be kept high and the feature size can be kept very low at the same time. In alternative coded pattern methods (with features consisting of, for example, multiple dots), the feature size is limited down, which limits the lateral resolution. Once the said correspondence between the points of the pattern X of the projector 121 and the two cameras 111 . 112 is determined, the three-dimensional coordinates of the points on the surface of the object O for the 3D scan data are determined by triangulation.
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.Triangulation calculations can be done between the two cameras 111 . 112 based on the baseline distance between the two cameras 111 . 112 and the relative tilt angles of the two cameras 111 . 112 , Triangulation calculations can be done between the projector 121 and the first camera 111 and between the projector 121 and the second camera 112 be performed. To perform these triangulation calculations, there will be a baseline clearance between the projector 121 and the first camera 111 and another baseline distance between the projector 121 and the second camera 112 needed. In addition, the relative tilt angles between the projector / first camera and the projector / second camera are needed.
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.Basically, one of the triangulation calculations is sufficient to determine the three-dimensional coordinates of the points of the pattern X on the object, so that the two extra triangulation calculations provide redundant information (redundancies), which is usefully used to self-check the measurement results and a To provide self-calibration functionality as described below. The term "redundancy" is intended to refer to multiple ways of determining the 3D coordinates.
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 Hintergrundsbeleuchtung 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.Additional three-dimensional data can be obtained by photogrammetry from multiple images with different camera positions, such as the 2D camera 113 or part of the signal from the cameras 111 and 112 , So that the objects from the cameras 111 . 112 and 113 can be seen to perform photogrammetry calculations, it is important that the objects are adequately illuminated. Such illumination may be the background lighting, for example from the sun or artificial light, or it may be from the 3D measuring device 100 or be provided by another external light source. In one embodiment, the object is illuminated with light from LEDs 114 , the components of the 3D measuring device 1000 are. If photogrammetry is to be used, the object must be illuminated to some degree. The lighting enables the two-dimensional cameras 111 . 112 . 113 To perceive properties of the object, such as color, contrast and shadow, which helps to identify the object features.
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.The measurement process also has a temporal aspect. While in stationary devices, a whole sequence of patterns can be projected and taken to determine a single 3D scan, in the present case, with each shot of the 3D measuring device 100 generates a 3D scan. In another embodiment (not shown) is for special investigations, a second projector next to the present projector 121 or another diffractive optical element is provided adjacent to the present or at least one other pattern in addition to the pattern X. It is then possible by suitable switching, with a shot also recordings with different patterns temporally continuous, so that the 3D scan receives a higher resolution by combining the evaluation results in relation to the various patterns.
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.To capture the entire scene, the 3D scans created with the shot must be registered, d. H. insert the three-dimensional point clouds of each image into a common coordinate system. The registration is possible for example by means of videogrammetry, so for example "structure from motion" (SFM) or "simultaneous localization and mapping" (SLAM). For common reference points, the natural texture of the objects O can be used or a stationary pattern Y generated.
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.In the control and evaluation device 122 Be the ones of the 3D measuring device 100 processed data, ie created from the recordings the 3D scans. The 3D scans in turn are merged, ie registered in a common coordinate system. For registering the known methods can be used, ie, for example, in overlapping areas of two 3D scans natural or artificial targets (ie recognizable structures) are located and identified to determine by correspondence pairs the assignment of the two 3D scans. This gradually becomes an entire scene of the 3D measuring device 100 detected. The control and evaluation device 122 has a display 130 (Display device), which is integrated or connected externally.
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.The previously described method steps of the measuring process (ie the scanning process), ie the method for optical scanning and measuring the environment of the 3D measuring device 100 , can be summarized into four process blocks, as in 8th shown schematically. In a first process block 201 the projection and recording process (shot) takes place for a recording, ie measured values are recorded. In a second process block 202 the evaluation (of the measured values) takes place and creation of the 3D scan data from the recording. In a third process block 203 the registration of several 3D scans (in the common coordinate system) and display (on the display 130 ) of the evaluations, preferably also a storage of the 3D scan data. In a fourth process block 204 an autocalibration is performed, this fourth process block 204 also integral part of the second process block 202 be or follow this directly. As long as further recordings are requested, for example by pressing the control button continuously 106 , the process returns to the first process block 201 back.
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.In the second process block 202 In a recording, the pictures of special points for finding the correspondence are automatically selected. These selected images of points in the image correspond to points on the object O, in particular pattern elements (eg spots) of the pattern X. For each such image of a point in the first image plane B 111 , the epipolar lines e in the second image plane B are successively selected 112 and located at the projector level P 121 . The process is repeated for the images of points in the second image plane B 112 and in the projector plane P 121 by locating the epipolar lines e in the other two planes as described above. These multiple epipolar conditions allow the determination of the one-to-one correspondence in each of the three planes between the projected and recorded pattern elements (eg, identical spots). As in 10 is shown, the point X 0 (from the pattern X on the object O) together in all three planes B 111 , B 112 , P 121 visible (shown), and its mappings are on two epipolar lines e. The point X 0 is the intersection of three straight lines, a beam of light from the projector 121 and one viewing beam each of the two cameras 111 and 112 , The point X 0 is uniquely identifiable when the density of the dots of the pattern X is sufficiently small.
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.Auto-calibration is automatic and does not require the use of external calibration objects. Starting with the initial calibration and later with the calibration currently in use, the images are examined for spatial inconsistencies (inconsistencies in geometry) and temporal inconsistencies (parameters change over time) to correct the calibration if necessary. The inconsistencies can have thermal causes, for example, due to an increase in the operating temperature, but also mechanical causes, such as a mechanical shock, as in a fall of the 3D measuring device 100 can occur on the ground. The inconsistencies show up as deviations of the measured positions, angles and other geometric features, for example the points on the object O or in the planes B 111 , B 112 , P 121 .
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 und 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.The possible calibration parameters to be corrected may be extrinsic parameters, intrinsic parameters and operating parameters. Extrinsic parameters are for each unit (cameras 111 . 112 . 113 and projector 121 ) In general, the six degrees of freedom of a rigid body, ie three spatial coordinates and three angles. Particularly relevant is the relative geometry of the units, ie the relative distances and the relative angles of their orientations. Intrinsic parameters refer to camera and projector device characteristics, such as focal length, location of the principal point, distortion parameters, centering of the photosensor array or MEMS projector array, the dimension of these arrays in each dimension, rotation of these arrays relative to the local coordinate system of the 3D gage 100 , and aberration correction coefficients for the camera or projector lens systems. Operating parameters can be the wavelength of the light source 121 to be the temperature and the humidity.
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.In relation to 10 For example, an inconsistency can be a deviation of the actual position of the point X 0 from its expected position in one of the three planes.
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. As described above, the epipolar conditions are simultaneously solved to be in the two cameras 111 . 112 and the one projector 121 determine the correspondence of projected and recorded pattern elements (ie their mappings). Some redundant information (redundancy) from these simultaneous equations is available to detect inconsistencies in the correspondence.
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.In addition, as described above, three separate triangulation calculations may be performed to obtain three sets of 3D coordinates. These three triangulation calculations are done for the first and second camera 111 . 112 (Stereo cameras), the projector 121 and the first camera 111 , and for the projector 121 and the second camera 112 , The 3D coordinates obtained from the three different triangulation calculations can be compared, and if inconsistencies are detected, changes to the calibration parameters can be made. This is a first way to do an auto-calibration.
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. 12 shows a simplified situation of inconsistency with two units U 1 , U 2 , either two cameras 111 . 112 or a projector 121 and a camera 111 . 112 , Each unit U 1 , U 2 comprises a plane in which points can be selected. The two epipolar lines e are common to both planes. A selected point 236 in the plane of the unit U 1 corresponds to a point 216 in the plane of the unit U 2 . Both points are images of a real point on the object O. The correspondence can be found, for example, by the point 216 . 236 Preferably, the image of a spot from the pattern X on the object O is, ie the point 216 . 236 is lit and its neighborhood is dark. However, the distance of the point 216 perpendicular to the epipolar lines e not in the same in both planes, but there is a deviation Δ, ie a deviation Δ between the actual position of the point 216 and the expected position 218 , In general, the deviation Δ is a vector. With two units, especially a projector 121 and a camera 111 , only the component of the deviation Δ perpendicular to the epipolar lines e is known. The component parallel to the epipolar lines e disappears when determining the 3D coordinates. With more than two units, especially a projector 121 and two cameras 111 . 112 , the components of the deviation Δ in both dimensions of the planes can be determined on the basis of the said redundancies (in locating the deviations and in determining the 3D coordinates). With deviations Δ for a plurality of selected points, all deviations Δ can be drawn into a map, the so-called error field, which is shown in FIG 13 is shown. In the case of only two units, only one component of each deviation Δ can be plotted in the error field. In the case of a single reason for the inconsistency, the error field is typical of a certain type of inconsistency. 13 shows the error field of a rotation of the first camera 111 around the line of sight, ie the calibration parameter for the roll angle of the first camera 111 must be corrected.
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.The deviations are now explained in more detail with respect to the Epipolarbedingungen using the 14 to 18 , There are two options for the units involved. One possibility is that one of the units U 1 , U 2 is a camera and the other is a projector. The other possibility is that both units are U 1 , U 2 cameras. Of course, additional projectors or cameras may be present. With three or more units (for example, two cameras and a projector), there are additional ways of automatically determining the calibration parameters, as will be explained later.
Jede der Einheiten U1, U2 hat einen Ursprung, auch als Projektionszentrum O1, O2 bekannt. Dieser Punkt stellt einen Punkt dar, durch welchen alle 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.Each of the units U 1 , U 2 has an origin, also known as the projection center O 1 , O 2 . This point represents a point through which all rays pass out of the unit (for a projector) or into the unit (for a camera). In an actual unit, not all beams pass through the projection center, but software adjustments to the calibration parameters of the camera system can be made to bring the corrected beams through these points. The two projection centers O 1 , O 2 define the baseline 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.Each unit U 1 , U 2 also has a plane 210 . 230 in which images arise. In a projector, this plane is known as the projector plane P 121 , and in a camera it is known as the image plane B 111 , B 112 . In an actual projector or an actual camera, projector plane P 121 or image plane B 111 , B 112 are behind the projection centers O 1 , O 2 instead of before, such as 14 , In most cases, a component such as an image sensor (in a camera) or a pattern generator (in a projector) is placed at the position of the plane behind the projection center O 1 , O 2 . However, the positioning of the planes in front of the projection centers O 1 , O 2 , as in 14 represented mathematically equivalent to the planes which are arranged on the other side of the projection centers O 1 , O 2 .
Die Projektionszentren O1, O2 sind mit einem 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.The projection centers O 1 , O 2 are spaced apart by a baseline distance B. The centers of projection O 1, O 2 connecting baseline 208 cuts the levels 230 . 210 in points E 1 , E 2 . The intersections are called Epipolar points or epipoles E 1 , E 2 designates. A line drawn through one of the epipoles E 1 , E 2 on a corresponding plane is called an epipolar line. In the case of the plane 210 and the corresponding epipole E 2 is the line 212 the epipolar line. A point P 1 on the plane 230 lies on the epipolar line 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 PA, PB, PC, oder PD projiziert, abhängig vom Abstand zum Objekt. Diese Punkte PA, PB, PC, PD, welche sich den gemeinsamen Strahl 232 teilen, fallen in der Einheit U2, welche in diesem Fall eine Kamera ist, auf korrespondierende Punkte QA, QB, QC, und QD auf der Epipolarlinie 212. Der Strahl 232 und die Epipolarlinie 212 liegen beide in der Ebene, welche die Punkte O1, O2, und PD 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 QA, QB, QC, oder QD.As described above, each beam, such as the beam, passes 232 , through a projection center O 1 , O 2 , to a plane 230 . 210 to achieve in which images arise. When the level 230 is a projector plane, then point P 1 is projected onto an object at a point such as P A , P B , P C , or P D , depending on the distance to the object. These points P A , P B , P C , P D , which form the common beam 232 in the unit U 2 , which in this case is a camera, coincide with corresponding points Q A , Q B , Q C , and Q D on the epipolar line 212 , The beam 232 and the epipolar line 212 both lie in the plane containing the points O 1 , O 2 , and P D. When the level 230 is an image plane instead of a projector plane, the point P 1 received in the image plane may be from any point on the epipolar line 212 originate, for example from one of the points Q A , Q B , Q C , or 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 WA, WB, WC) auf der Epipolarlinie 212 hat einen korrespondierenden Punkt (Bild- oder Projektionspunkt) UA, UB, UC, UD auf der Epipolarlinie 234. Gleichzeitig hat jeder Punkt UA, UB, UC, UD auf der Epipolarlinie 234 einen korrespondierenden Punkt WA, WB, WC, V1 auf der Epipolarlinie 212. Die Punktmenge 240 stellt Punkte, beispielsweise VA, VB, VC, VD im Raum dar, welche sich mit dem Objekt O schneiden können. 15 shows an epipolar line 234 in the plane 230 the unit U 1 in addition to the epipolar line 212 in the plane 210 the unit U 2 . Each point V 1 (and W A , W B , W C ) on the epipolar line 212 has a corresponding point (image or projection point) U A , U B , U C , U D on the epipolar line 234 , At the same time, each point has U A , U B , U C , U D on the epipolar line 234 a corresponding point W A , W B , W C , V 1 on the epipolar line 212 , The point set 240 represents points, for example V A , V B , V C , V D in space, which can intersect with the object O.
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.A 3D measuring device 100 is self-calibrating or autocalibrating when performing normal measurements by the 3D measuring device 100 the measurement results are also used to obtain improved calibration parameters (ie, improved calibration). In one embodiment of the present invention, to obtain improved new calibration parameters, the first step is to find inconsistencies in the positions of images of selected points in the projector or image planes relative to the expected positions due to epipolar conditions.
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.An example of such an inconsistency is in 16 shown. One point 236 on the layer 230 cuts an object in the point 238 , According to the epipolar conditions, the point should be 238 on the epipolar line 212 appear and especially at the point 218 , In this case, the actual point will be at the position 216 observed. In general, with only two levels 210 . 230 , is only known that for one point 236 that's on the epipolar line 234 lies, a corresponding point on the epipolar line 212 should lie. That the point 216 not on the epipolar line 212 falls, indicates that there is a problem with the calibration parameters. On the other hand, whether the erroneous calibration parameter is an extrinsic parameter, intrinsic parameter, or operational parameter can be said to be due to the observation of a single point 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. 16 shows some errors that can be detected by extrinsic calibration parameters. A recognizable error type is in the baseline 208 , not only the baseline spacing 208 but also the specific position of the projection centers O 1 , O 2 , in other words in the coordinates of the projection centers along the direction of the nominal baseline 208 (Error 252 ) and in a direction perpendicular to the direction of the nominal baseline 208 (Error 254 ). Another possible error is the angular orientation of the unit U 1 or unit U 2 . One way to describe the orientation is by means of a pitch angle 256 around an axis 255 and a yaw angle 258 around an axis 257 , If the calibration parameters for the pitch angle and the yaw angle of the planes 230 and 210 are false, points in the planes will not match expected positions due to epipolar conditions. The unit U 1 , U 2 may also have an incorrect calibration parameter for the roll angle of the camera or the projector. Such errors can be detected and corrected with a method of autocalibration described below. The calibration parameter of the roll angle is sometimes considered to be an intrinsic calibration parameter rather than an extrinsic parameter.
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.The 17 and 18 show how a pattern of points in a plane like 210 . 230 can be used to identify and correct the errors of the calibration parameters. The rectangular area 300 sets a projector or image plane level like 210 . 230 dar. The solid lines 302 represent epipolar lines that converge in an epipole K. The dashed lines 304 and 306 in the 17 and 18 represent the epipolar lines appearing due to the current calibration parameters 17 the measured points converge to the epipole K, but the calibration parameters erroneously indicate that the points converge to a point J. This type of error can be caused, for example, by a misalignment of the baseline position of the unit. In 18 the epipolar lines are rotated relative to those from the calibration parameters certain epipolar lines. This rotation 308 may for example result from an error of a calibration parameter associated with the orientation of the unit U 1 or U 2 , for example an error in the pitch angle, yaw angle or roll angle.
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.If the deviations are too great, difficulties may occur in locating the correspondences of the point X 0 while simultaneously meeting the epipolar conditions. In one embodiment, pattern X consists of a large number (eg, 10,000) of low intensity points and a smaller number (eg, 1,000) of high intensity points. With this variation of intensities, the 3d measuring device can 100 detect both high reflectivity and low reflectivity objects. If there are difficulties in locating the correspondences, it is in the fourth block of the procedure 204 it is possible to further space the spots projected in the pattern X to reduce ambiguity in finding the correspondences. In the said embodiment with the variation of the intensities, the spots can be filtered out with lower intensity or at least reduced by reducing the exposure times and / or by reducing the overall performance of the projector 121 , Only the spots with high intensity (which have a larger spacing) are in the cameras 111 . 112 visible, which reduces the ambiguity in finding the correspondence.
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.To fully and accurately determine the calibration parameters, it is helpful to keep the whole volume around the 3D measuring device 100 especially to use the depth information to determine the extrinsic parameters. Exemplary is in 17 (schematically) shown how the relative geometry of the two cameras 111 and 112 is checked. For this purpose, two points X 1 , X 2 with different distances to the 3D measuring device 100 (ie different depth) selected. With each of the points X 1 or X 2 and the previous calibration can be checked, or the cameras 111 and 112 still deliver consistent results. As far as an inconsistency due to a deviation in the relative distance or in the relative alignment of the two cameras 111 and 112 occurs, can be distinguished with the two different distances between the two types of error and the correction of the calibration can be made. Due to the high mechanical and thermal stability of the support structure 102 are thermal or mechanical shock induced distortions of the 3D measuring device 100 Rarely, but can with the suspensions of the cameras 111 . 112 . 113 and the projector 121 occur. A check after switching on and in time-long intervals is usually sufficient, for example, after twenty to a hundred figures, which are then low-pass filtered to check for deviations.
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.The calibration parameters can be changed according to the determined deviations, ie deviations found by means of the selected points X 0 , X 1 or X 2 can be compensated. Using the redundancies (in the determination of the 3D coordinates) new calibration parameters are determined. For example, the calibration parameters may be changed (corrected) according to an optimization strategy until the deviations Δ are minimized. The new calibration parameters are compared to the previously used calibration parameters and replace them if necessary, ie if the deviations between the (improved) new calibration parameters and the calibration parameters used so far exceed a predetermined threshold. This corrects the calibration. Many of the mechanically induced deviations occur as single events and can be remedied by permanently correcting the calibration parameters, particularly the extrinsic or intrinsic parameters.
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.Deviations in the operating parameters of the projector 121 can be noticed much faster than deviations of extrinsic or intrinsic parameters. An example is the wavelength of the light source 121 an operating parameter to be checked. The wavelength may change due to heating of the light source 121 or changes in the pumping current. An embodiment is in 20 (schematically) shown. That of the diffractive element used in the present embodiment 124 generated pattern X changes in scale with the change of the wavelength. As in the error field of 21 In the center of the pattern X, that is, at the zeroth order of the diffraction of the laser beam, there is no deviation in the position of the central pattern element as the wavelength changes. The deviations show up as a positional shift in the higher orders, ie the further outer pattern elements. Such a positional shift of individual diffraction orders of the pattern elements can be done with a single camera 111 . 112 be recognized.
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 X1 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 Xi 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.With unchanged position and orientation of the 3D measuring device 100 (and thus the projector 121 ) relative to the object O, a selected point on the object O with theoretical coordinates X 1 (ie the coordinates determined by the currently used calibration) in the 3D scan moves to a point with deviating actual coordinates X 2 , ie the expected point X 1 becomes an actual point X 2 . Using the depth information as described above with reference to FIG 17 described, the actual coordinates of the selected point X 2 can be determined from the images of each shot. In the case of a deviation Δ of the actual coordinates of the selected point X 2 to the theoretical coordinates Xi, a change of the wavelength is detected. The new wavelength is determined from the magnitude of the deviation Δ. In an alternative embodiment, two images taken at different times are compared to detect a deviation of the actual coordinates of the selected point X 2 from the theoretical coordinates X 1 .
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 ersetzt wird. 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.If a change in the wavelength is observed, countermeasures can be taken or the calibration corrected. Correction of the calibration can be done by replacing the wavelength of the calibration used with the new wavelength detected during the test. In other words, the compensation parameter of the wavelength is changed. A countermeasure, for example, the cooling of the laser (if the light source 121 a laser) or reducing the pump current to bring the wavelength back to its original value. With feedback in a pump current or laser cooling loop, the wavelength of the laser can be stabilized.
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.Some light sources 121 have a drift in wavelength, especially if no control system is used. Then wide optical bandpass filters may be necessary to cover the range of possible wavelengths. However, wide optical filters transmit more unwanted ambient light, which can be problematic when working outdoors. Therefore, in some applications, a wavelength control system is desirable. The method of directly observing a change in wavelength proposed herein simplifies a wavelength control system which normally requires the stabilization of both temperature and pumping current.
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.Some types of semiconductor lasers, such as Fabry-Perot (FP) lasers, emit a single spatial mode, but can support multiple longitudinal modes, with each longitudinal mode having a slightly different frequency. In some cases, the pumping current may be adjusted to switch between operation with a single or multiple longitudinal modes. The number of modes of the laser 121 can be an operating parameter of the projector 121 be. Normally, a single wavelength is desired as this produces a single, well-defined pattern X. If two wavelengths are generated by the laser, the second wavelength creates a kind of shadow in the desired pattern X. The result can be combined with 20 describe. Depending on the difference of the wavelengths of the plurality of longitudinal modes, a circular point becomes an elliptical or dumbbell-like shape or a pair of points X 1 , X 2 . These deviations can be found by using the image processing on the obtained pattern X. If multiple modes are observed, pump current or cooling can be adjusted to reduce the number of longitudinal modes to one.
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.Deviations in the intrinsic parameters of the cameras 111 and 112 , such as focal length, can be automatically detected and compensated in some cases. In other cases, deviations in the intrinsic parameters may be due to a deliberate change in the optics of the cameras rather than due to thermal or mechanical causes 111 and 112 arise, for example by focusing or zooming.
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.An additional way to verify the calibration is to combine the 3D scan data resulting from a triangulation with 2D images from the 2D camera 113 be recorded. These 2D images usually contain colors and other features of the object O. In one implementation are the projector 121 and the two cameras 111 and 112 in time with the camera 113 synchronized to simultaneously take pictures of the object O. Preferably, the projector projects 121 Infrared light coming from the cameras 111 . 112 by infrared filter is recorded while the camera 113 receives an image of the object O through a filter which filters out the infrared pattern X, thereby obtaining a lifelike image of the features of the object. By comparing object features, like the cameras 111 . 112 watch with such as the camera 113 observed, errors in the calibration parameters of the elements 111 . 112 . 121 comprehensive triangulation system. The method used corresponds to that described above, ie the 2D camera 113 is treated as one of the units U 1 , U 2 : Correspondences are found in the recordings and the 3D coordinates (of the selected object features) are determined. Due to the redundancies in the determination of the 3D coordinates new calibration parameters can be determined, which are compared with the previously used calibration parameters. If they deviate too much from each other, the new calibration parameters replace those used previously.
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 another embodiment, the camera 113 is not provided with a filter that excludes infrared light, but has the ability to detect the pattern X when it is on the object O. is available. In this case, the camera can 113 work in one of two modes. In a first mode, the camera captures 113 Images temporally between the projections of the pattern X through the projector 121 in that it incorporates features that match the calculated features of the elements 111 . 112 . 121 comprehensive triangulation system can be compared to detect errors in the calibration parameters. In a second mode, the camera captures 113 Images as the pattern X is projected onto the object O. In this case, errors in the relative alignment between the six degrees of freedom of the camera 113 and the triangulation elements 111 . 112 . 121 be recognized.
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.In the event that the images of the (2D) camera 113 between the shots of the cameras 111 . 112 can be captured, an interpolation of the 2D and 3D coordinates can be done to account for the teeth of the images. Such interpolations may be mathematical and in one embodiment at least partially based on a Kalman filter. In one embodiment, the 3D measuring device 100 an intertial measuring unit (or other position tracking device). The inertial measuring unit uses three sensors (accelerometers) to measure the accelerations in the three spatial directions and with three other sensors (gyroscopes) the angular velocities around the three coordinate axes. Thus, movements on short time scales can be measured to a temporal offset between on the one hand the distance measurement, in this case using a projector 121 and cameras 111 . 112 , and on the other hand, the lifelike recording, in this case by means of the 2D camera 113 to compensate and combine the data.
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.As far as deviations can not be compensated, for example, due to their dimensions or frequent change, and no automatic correction of the current calibration is possible, so the deviations can be at least detected and displayed. Instead of autocalibration, another calibration may be suggested.
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.Preferably, the 2D camera takes 113 not only sporadically captures a single 2D image, but continuously captures 2D images, which (strung together) yield a current video image VL (video live image).
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.This in 7 shown display 130 provides in a preferred mode a subdivided screen, ie the display 130 is in a first display part 130a and a second display part 130b divided. In the present embodiment, the first display part 130a a (rectangular) central part of the display 130 , and the second display part 130b is a border area around the first display part 130a around. In another embodiment, the two display parts may be columns. In the first display part 130a the current video image VL is displayed as it is from the 2D camera 113 is produced. In the second display part 130b becomes the current 3D scan (or the previously registered 3D scans) as a view of the three-dimensional point cloud 3DP (or part of it). The size of the first display part 130a is variable, and the second display part 130b is always the area between the first display part 130a and the edge of the display 130 , The current video image VL changes when the 3D measuring device 100 is moved. The view of the three-dimensional point cloud 3DP changes accordingly and is preferably adapted to the new position and orientation of the 3D measuring device 100 to be considered after his move.
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.Preferably, the first display part fits 130a ie the video image VL, and the second display part 130b ie the view of a part of the three-dimensional point cloud 3DP , continuous with each other (with regard to the contents shown). First, said part of the three-dimensional point cloud 3DP (from the control and evaluation device 122 ) as selected from the perspective of the 2D camera 113 or at least one with the 2D camera 113 aligned position. Second, the said part is selected to be continuous with the video image VL, ie it becomes the continuation of the video image VL over the field of view of the 2D camera 113 out to the left, right, up and down. The representation may correspond to the representation when using a fisheye lens, but is preferably undistorted. The part of the three-dimensional point cloud obscured by the video image VL 3DP is not shown. But around the local density of the points of the three-dimensional point cloud 3DP The video image VL, which is normally displayed in natural colors, can be artificially colored, for example by an overlay. The artificial color (and possibly intensity) used to represent the artificially colored video image VL corresponds to the density of the dots, for example green for a (sufficiently) high density and yellow for a medium or low density (to be improved).
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.To support the registration, brands are preferred 133 into the current video image VL on the first display part 130 which displays recognizable structures (ie possible targets). The brands 133 can be small "x" or "+". The recognizable structures can be special points, corners, edges or textures. The recognizable structures are found by the current 3D scan or the current video image VL at the beginning of the Registration process (ie locating targets). The use of the current video image VL has the advantage that the recording process does not have to be so frequent. Unless the brands 133 have a high density, is to be expected with a successful registration of the affected 3D scans. But if a low density of brands 133 are detected are additional 3D scans and / or a slower movement of the 3D measuring device 100 advantageous. The density of the brands is corresponding 133 a qualitative measure of the success of the registration. The same applies to the density of the points of the three-dimensional point cloud represented by artificial coloring of the video image VL 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.The movement of the 3D measuring device 100 and the processing of the taken images can also be treated as tracking, ie the 3D measuring device 100 tracks the relative movement of its environment with the methods used in tracking. If the tracking is lost, for example if the 3D measuring device 100 moved too fast, there is an easy way to resume tracking. For this purpose, the user is the current video image VL, as is the 2D camera 113 delivers, and the last video still image of the tracking delivered by her side by side (or on top of each other). The user then needs the 3D measuring device 100 Move until both video frames match. Support, for example acoustically or optically, based on processing the video images and comparing them is helpful and therefore preferably implemented.
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.The movement of the 3D measuring device 100 due to user gestures may also be used to control the presentation of the video image VL and / or the three-dimensional point cloud 3DP ) be used. In particular, the scale of the representation of the video image VL and / or the three-dimensional point cloud 3DP on the display 130 on the speed and / or acceleration of the movement of the 3D measuring device 100 depend. The term "scale" is intended to be the ratio between the size (either linear dimension or area) of the video image VL and the size (either linear dimension or area) of the display 130 defined and expressed as a percentage.
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.A small field of view of the 2D camera 113 is assigned a small scale. In the present embodiment with a subdivided display with central first display part 130a which shows the video picture VL is then the first display part 130a smaller in size than the standard case, and the second display part 130b shows a larger part of the three-dimensional point cloud 3DP , A large field of view is assigned a large scale. The video image VL can even cover the entire display 130 fill out.
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.The evaluation of the coordinates of the positions of the 3D measuring device 100 which it occupies during the measuring process along the path of movement through the space can also be used to determine the nature of the scene and possibly offer different representations or controls. Thus, a motion path around a center indicates (in particular with alignment of the 3D measuring device 100 inside) a shot of a single object O (object centered shot), while a motion path with alignment of the 3D measuring device 100 from the movement path to the outside (and in particular longer straight sections of the movement path) points to a recording of rooms. Accordingly, in the case of recording rooms (also) a plan (view from above) as a map on the display 130 display.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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100100
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3D-Messvorrichtung3D measuring device
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102102
-
Tragestruktursupport structure
-
102a102
-
linker Armleft arm
-
102b102b
-
rechter Armright arm
-
102c102c
-
unterer Armlower arm
-
102r102r
-
Rückenmove
-
104104
-
Gehäusecasing
-
104g104g
-
Griffteilhandle part
-
105105
-
Schutzelementprotection element
-
106106
-
Bedienknopfcontrol knob
-
107107
-
Statusleuchtestatus light
-
111111
-
erste Kamerafirst camera
-
112112
-
zweite Kamerasecond camera
-
113113
-
2D-Kamera2D camera
-
114114
-
LeuchtdiodenLEDs
-
115115
-
Abstrahlelementradiating
-
116116
-
Lichtleiteroptical fiber
-
118118
-
Steuereinheitcontrol unit
-
119119
-
Neigungsmesserinclinometer
-
121121
-
Projektorprojector
-
121a121
-
Laserlaser
-
122122
-
Steuer- und AuswertevorrichtungControl and evaluation device
-
125125
-
Kabelelectric wire
-
130130
-
Displaydisplay
-
133133
-
Markebrand
-
201201
-
erster Verfahrensblockfirst process block
-
202202
-
zweiter Verfahrensblocksecond process block
-
203203
-
dritter Verfahrensblockthird process block
-
204204
-
vierter Verfahrensblockfourth block of procedure
-
208208
-
Grundliniebaseline
-
210, 230210, 230
-
Ebenelevel
-
212212
-
Epipolarlinie in Ebene 210 Epipolar line in plane 210
-
216216
-
Punkt (Position) in Ebene 210 Point (position) in plane 210
-
218218
-
Punkt in Ebene 210 Point in level 210
-
232232
-
Strahlbeam
-
234234
-
Epipolarlinie in Ebene 230 Epipolar line in plane 230
-
236236
-
Punkt in EbenePoint in level
-
240240
-
Punktmengeset of points
-
252, 254252, 254
-
Fehlererror
-
255, 257255, 257
-
Achseaxis
-
256256
-
Nickwinkelpitch angle
-
258258
-
Gierwinkelyaw
-
300300
-
rechteckförmiger Bereichrectangular area
-
302302
-
durchgezogene Liniesolid line
-
304, 306304, 306
-
gestrichelte Liniedashed line
-
308308
-
Drehungrotation
-
3DP3DP
-
dreidimensionale Punktwolkethree-dimensional point cloud
-
BB
-
GrundlinienabstandBaseline distance
-
B111 B 111
-
erste Bildebene (der ersten Kamera)first image plane (the first camera)
-
B112 B 112
-
zweite Bildebene (der zweiten Kamera)second image plane (the second camera)
-
ee
-
Epipolarlinieepipolar
-
E1, E2 E 1 , E 2
-
Epipolepipole
-
FOVFOV
-
Blickfeldfield of vision
-
J, KJ, K
-
Epipolepipole
-
OO
-
Objektobject
-
O1, O2 O 1 , O 2
-
Projektionszentrumcenter of projection
-
P1, PA, PB, PC, PD P 1 , P A , P B , P C , P D
-
Punkte auf Strahl 232 Points on beam 232
-
QA, QB, QC, QD Q A , Q B , Q C , Q D
-
Punkte auf Epipolarlinie 212 Dots on epipolar line 212
-
P121 P 121
-
Projektorebeneprojector plane
-
U1, U2 U 1 , U 2
-
Einheitunit
-
UA, UB, UC, UD U A , U B , U C , U D
-
Punkte auf Epipolarlinie 234 Dots on epipolar line 234
-
VA, VB, VC, VD V A , V B , V C , V D
-
Punkte der Punktmenge 240 Points of the point set 240
-
VLVL
-
aktuelles Videobildcurrent video image
-
WA, WB, WC, V1 W A , W B , W C , V 1
-
Punkte auf Epipolarlinie 212 Dots on epipolar line 212
-
XX
-
Mustertemplate
-
X0, X1, X2 X 0 , X 1 , X 2
-
(ausgewählter) Punkt und Koordinaten hierzu(selected) point and coordinates
