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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Sensor (als zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Vorrichtung) zum Erzeugen und Erfassen von Mustern auf einer (insbesondere 3-dimensionalen) Oberfläche. Das Muster kann erfindungsgemäß insbesondere für die Vermessung der 2- oder 3-dimensionalen Oberfläche von Objekten, bspw. während der Produktion in einer Produktionslinie, verwendet werden. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass ein flächiges Muster mit einem Projektor des Sensors auf die Oberfläche projiziert und mit mindestens einem in dem Aufnahmeraum kalibrierten Bildaufnahmesensor des Sensors in einem Bild aufgenommen wird. Im Falle einer Vermessung Oberfläche wird erfindungsgemäß in dem Bild mindestens ein Musterpunkt des projizierten Musters auf der Oberfläche identifiziert. Ein solcher identifizierter Musterpunkt wird anschließend durch Berechnung 3-dimensional im Aufnahmeraum bestimmt.
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Für eine derartige Vermessung von 2- oder 3-dimensionalen Oberflächen sind sowohl optisch aktive Stereosensoren als auch Triangulationssensoren bekannt. In beiden Fällen wird (optisch aktiv) ein flächiges Muster auf die Oberfläche eines Objektes projiziert, das im Falle der Triangulationsmessung das von einer oder im Falle der Stereomessung von zwei Kameras betrachtet wird. Die Muster werden mithilfe eines Projektors projiziert.
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Bei der Triangulationsmessung sind die Kamera und der Projektor zueinander geometrisch, d.h. im Aufnahmeraum, kalibriert. Das Muster muss so gestaltet sein, dass die das projizierte Muster in einem Bild aufnehmende Kamera erkennen kann, welchen Projektionsstrahl oder zumindest welche Projektionsebene des Projektors sie gerade sieht. In diesem Fall kann durch eine einfache, dem Fachmann im Rahmen seines Fachwissens bekannte Triangulationsrechnung der Punkt auf dem Objekt bzw. der Oberfläche des Objektes 3-dimensional berechnet werden. Ist das Muster flächig, kann eine Punktwolke bestimmt werden.
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Im Unterschied dazu dient bei der Stereomessung der Projektor lediglich zur Vereinfachung des Zuordnungsproblems in den beiden Kameras. Das Zuordnungsproblem bedeutet, dass in beiden Kameras ein und derselbe Oberflächenpunkt identifiziert werden muss, der dann durch beide kalibrierte Kameras erfasst wird. Ähnlich wie bei dem menschlichen Sehen mit zwei Augen findet die Triangulation dann zwischen den Sehstrahlen der beiden Kameras auf denselben Punkt statt. Sofern die Oberfläche ausreichend strukturiert ist und einzelne Oberflächenpunkte auf der Oberfläche aufgrund der Strukturierung eindeutig identifizierbar sind, müsste bei der Stereomessung kein Muster projiziert werden. In der Praxis ist es jedoch häufig schwierig, eine eindeutige Zuordnung von Oberflächenpunkten in den beiden Bildern der Stereokameras ohne weitere Hilfsmittel zu finden. Deshalb werden in der optisch aktiven Stereomessung die gleichen Methoden der Beleuchtung wie bei der Triangulationsmessung angewendet, um die Erkennung definierter Oberflächenpunkte aufgrund der Projektion eines geeigneten Musters robuster zu machen. Eine geometrische Kalibrierung des Projektors ist (wäre) in diesem Fall aber nicht notwendig, weil die Projektion des Musters nur der Identifikation gleicher Oberflächenpunkte in den Bildern der beiden Stereokameras dient.
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Sowohl bei der Stereo- als auch bei der Triangulationsmessung geht es also darum, einen Punkt des projizierten Beleuchtungsmusters auf der Oberfläche eindeutig zu identifizieren. Dazu wird das projizierte Muster geeignet kodiert. Es sind verschiedene Arten von Kodierungen bekannt. Grundsätzlich gibt es Codes, die mit einem einzigen festen Muster auskommen. Andere Muster werden erst durch die Überlagerung von mehreren, im Stand der Technik nacheinander projizierten Mustern eindeutig.
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Codes, welche mit einem einzigen festen Muster auskommen, sind in der Handhabung weniger aufwendig und können auch bei bewegten Objekten problemlos eingesetzt werden, weil sie in einem Bild festgehalten werden können. Diese Codes sind aber hinsichtlich der Identifizierbarkeit einzelner Musterpunkte weniger robust, weil es sehr viel schwieriger ist, Störungen zu eliminieren.
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Codes, welche die Projektion mehrerer Muster nacheinander erfordern, haben den Nachteil, dass man in dem Projektor ein variabel projizierbares Muster realisieren muss und mehrere Aufnahmen benötigt werden, die bei bewegten Objekten dazu führen, dass die verschiedenen Projektionen nicht auf denselben Oberflächenpunkten liegen. Daher sind derartige Codes mit einer zeitlich aufeinanderfolgenden Projektion mehrerer Muster für bewegte Objekte grundsätzlich nicht geeignet. Diese Muster erlauben aber eine wesentlich robustere Erkennung und Identifizierung definierter Musterpunkte.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hinsichtlich der Identifizierung von projizierten Musterpunkten sehr robuste Kodierungen vorzusehen, die in einer einzigen Projektion erzeugt und entsprechend mit einem einzigen Bild aufgenommen werden können. Dies soll ein schnelleres Erzeugen und Erfassen von Mustern auf einer Oberfläche ermöglichen, das aufgrund der Anwendung lediglich einer einzigen Projektion und einer einzigen Bildaufnahme zur Identifikation von Musterpunkten auch bei bewegten Objekten eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen als Vorrichtung ausgebildeten Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass mehrere verschiedene Muster in der Projektion überlagert werden, wobei jedem Muster eine Musterfarbe zugewiesen wird bzw. ist, d.h. jedes Muster einfarbig eine definierte Farbe aufweist, und wobei sich bei der Überlagerung der verschiedenen Muster, d.h. in den Bereichen mit den unterschiedlichen Musterfarben der jeweiligen Muster, Mischfarben ergeben. Die Aufnahme des Bildes erfolgt dann mit einer Farbkamera als Bildaufnahmesensor. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene farbige Kodierung der einzelnen Muster erlaubt es, mehrere verschiedene Muster, die sonst nacheinander projiziert werden müssten, in einem Bild zu überlagern und zu projizieren, weil das projizierte und aufgenommene Bild mehrdimensional wird, d.h. sowohl in dem projizierten Muster als auch in dem aufgenommenen Bild die Informationen jedes der überlagerten Muster für sich noch vorhanden ist. Damit lassen sie die Informationen mehrerer verschiedener Muster in einem projizierten Muster zusammenfassen. Dies führt zu einer hohen Robustheit der Kodierung gegenüber Fehlern bei der Erkennung definierter Musterpunkte und kann auf der nur einen Projektion und Bildaufnahme sehr schnell ausgeführt werden. Dieses Verfahren eignet daher sich insbesondere auch für bewegte Objekte bzw. Oberflächen der Objekte.
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Grundsätzlich wäre es erfindungsgemäß möglich, nur einen Teil der im Rahmen der Kodierung vorgesehenen Muster in einer Projektion zusammenzufassen und auf die Oberfläche zu projizieren. Dies kann bspw. dann angewendet werden, wenn der erreichte Grad der Kodierung durch die vorgesehene Anzahl der in der Projektion zusammengefassten Muster für den gewünschten Einsatzzweck ausreicht. In diesem Fall kann dann bspw. auch nur eine Aufnahme eines Bildes stattfinden. Alternativ könnten auch mehrere Aufnahmen vorgesehen werden, wenn insgesamt zwei oder drei Projektionen angewendet werden. Dies könnte bspw. bei statischen Oberflächen vorgenommen werden.
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Besonders bevorzugt ist es erfindungsgemäß jedoch, wenn alle Muster in der Projektion überlagert und als ein einziges statisches Bild auf die Oberfläche projiziert werden. In diesem Fall wird die gesamte Kodierinformation in einem Bild zusammengefasst, sodass das Erzeugen und erfassen der Muster besonders schnell geht und auch bei bewegten Objekten realisierbar ist. Die Aufnahmezeit für das Bild kann so gewählt werden, dass die während dieser Zeit zurückgelegte Wegstrecke in dem Bild vernachlässigbar ist, d.h. insbesondere zu keiner Bewegungsunschärfe führt. Mit anderen Worten muss die Aufnahmezeit so kurz sein, dass für die Aufnahme eine Position während der Bewegung ausgewählt wird.
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Eine besonders einfache Art der Auswertung ergibt sich dann, wenn bei der Verarbeitung des aufgenommenen Bildes, welches die projizierten Muster in überlagerter Form enthält, die einzelnen Musterfarben rechnerisch getrennt werden. Vorzugsweise kann dabei für jede Musterfarbe respektive jedes Muster rechnerisch ein separates Bild erzeugt werden. Dies ermöglicht den Rückgriff auf Auswertemethoden hinsichtlich der Identifikation eines konkreten Musterpunktes auf die bekannten Methoden, bei denen mehrere Bilder nacheinander projiziert werden. So kann der Anpassungsaufwand bei der Implementierung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens in Anlagen, bei denen bisher mehrere Muster projiziert wurden, klein gehalten werden, weil die Auswertung der verschiedenen Muster grundsätzlich beibehalten werden kann und diesbezüglich auch keine neuen Tests notwendig sind. Insbesondere ist also vorteilhaft, dass diese Auswertemethoden bereits getestet und funktionstüchtig sind und durch das vorstehende Verfahren nicht beeinflusst werden.
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Der Projektor kann bspw. als Diaprojektor mit einem Farbdia oder mehreren überlagerten Farbdias, als Beamer oder durch Überlagerung verschiedenfarbiger Lichtquellen realisiert werden. Als Bildaufnahmesensor kommt eine übliche Digitalkamera in Betracht.
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Bei einer einfach handhabbaren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl der verschiedenen (jeweils auch einfarbig verschiedenfarbigen) Muster kleiner oder gleich der Anzahl der Farbkanäle der Kamera gewählt werden bzw. sein, wobei in diesem Fall vorzugsweise jedem Muster ein Farbkanal zugeordnet sein kann, d.h. die Musterfarbe jeweils der Farbe eine s der Farbkanäle der Farbkamera entspricht. Die Farbkanäle der Kamera ergeben sich durch die von dem Bildsensor der Kamera direkt physikalisch, d.h. ohne nachgeordnete Bildauswertung, unterscheidbaren Farben.
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Beispielsweise kann die Anzahl der Farbkanäle 3 sein. Dies entspricht üblichen Farb-Digitalkameras mit den Farbkanälen rot, grün und blau, auch kurz als RGB-Farbraum bezeichnet. Mit diesen drei Grundfarben bzw. Farbkanälen lässt sich der gesamte sichtbare Farbraum durch Mischung bzw. Überlagerung der Grundfarben darstellen. Die sich aus der Kombination von jeweils zwei oder aller drei Grundfarben ergebende Mischfarbe lässt sich eindeutig einer Kombination dieser Grundfarben zuordnen. Damit wird also eine eindeutige Kodierung erreicht, die acht verschiedene Farben aufweist, wenn die Muster relativ so zueinander angeordnet sind, dass jede Kombination von Grundfarben einmal vorkommt. In diesem Fall lassen sich die drei Muster also rechnerisch trennen und jeweils als separates Bild in der nachgeordneten Bildverarbeitung erzeugen.
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Grundsätzlich ist es – auch unabhängig von der Anzahl der Muster und Musterfarben – erfindungsgemäß sinnvoll, die Geometrie der verschiedenfarbigen Muster so zu wählen, dass bei einer Überlagerung der verschiedenen Muster alle theoretisch möglichen und/oder in der entstehenden Mischfarbe unterscheidbaren Kombinationen von Musterfarben vorkommen. Hierdurch wird eine maximale Informationstiefe der erfindungsgemäßen Kodierung erreicht.
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Mit anderen Worten führt diese Kodierung mit – im konkret besprochenen Beispiel – drei Farben entsprechend den drei Farbkanälen der verwendeten Farbkamera dazu, dass in der durch die Muster abgedeckten Fläche allein aufgrund der Farbe acht verschiedene Teilflächen eindeutig identifiziert werden können.
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Weitere, eindeutige Kombinationen lassen sich durch Anordnung und/oder Formen der Muster erreichen, die je nach Einsatzzweck unterschiedlich gestaltet werden können. Beispiele hierfür werden später noch explizit erwähnt und in der Figurenbeschreibung erläutert. Die Erfindung lässt sich aber grundsätzlich auf alle denkbaren geometrischen Muster und Musterkombinationen anwenden, um die Informationstiefe der Kodierung in einer einzigen Projektion zu erhöhen.
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In einer komplexeren Ausführungsform kann die Anzahl der verschiedenen Muster erfindungsgemäß auch größer sein als die Anzahl der Farbkanäle der Farbkamera. Dann kann erfindungsgemäß eine Eindeutigkeit der Kodierung durch die Anordnung und/oder Formen der Muster erreicht werden. Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit zur Erzeugung der Eindeutigkeit der Kodierung liegt darin, jedem Muster eine andere Musterfarbe zuzuweisen, d.h. also mehr Musterfarben zu verwenden, als Farbkanäle der Farbkamera vorhanden sind.
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In der Überlagerung ergeben sich dann entsprechend mehr Mischfarben, wobei bei der Auswahl der Musterfarben vorzugsweise darauf geachtet werden kann, dass die durch Kombination entstehenden Mischfarben im Farbraum soweit voneinander entfernt sind, dass sie bei der digitalen Bildverarbeitung rechnerisch sicher wieder voneinander getrennt werden können, und die Mischungen der einzelnen Grundfarben eindeutig sind, also nicht dieselbe Mischfarbe aus verschiedenen Grundfarben erzeugt werden kann. Mit anderen Worten wird in dieser Variante der Ausführungsform durch die Farbauswahl eine Metamerie vermieden, bei der verschieden zusammengesetzte Lichtspektren die gleiche Farbvalenz hervorrufen. Dies kann bei der Auswahl der Musterfarben ggf. empirisch überprüft werden; es ist dem Fachmann aber auch theoretische Aufarbeitung im Rahmen der verwendeten Farblehre möglich. Die Zuordnung einer Mischfarbe kann dann bspw. in einer Tabelle hinterlegt werden, so dass aus jeder Mischfarbe auf die Kombination der Muster rückgeschlossen werden kann, die zu dieser Mischfarbe geführt hat.
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Ferner kann eine Kombination der Kodierung durch die Anordnungen und/oder Formen der Muster und die Anzahl der Musterfarben, die größer ist als die Anzahl der Farbkanäle der Farbkamera, kombiniert werden. Damit steht insgesamt eine noch größere Anzahl von eindeutigen Kodierungen in flächigen Musterprojektionen zur Verfügung.
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Entsprechend lässt sich die vorliegende Erfindung mit der vorbeschriebenen Farbkodierung grundsätzlich auf jeden Mustertyp mit flächigen Kodierungen anwenden. Systematisch zählen hierzu sowohl binäre Muster, die nur aus hellen und dunklen Bereichen bestehen, als auch Muster mit insbesondere kontinuierlichen oder auch diskreten Helligkeitsverläufen.
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Erfindungsgemäß kann als Muster also ein binäres Muster verwendet werden. Wenn das Muster ein binäres Muster ist, muss bei der Auswertung lediglich bestimmt werden, ob gerade der helle oder der dunkle Bereich gesehen wird. Dies lässt sich bei der vorliegenden Erfindung dadurch einfach umsetzen, dass als heller Bereich ein transparenter Bereich und als dunkler Bereich die jeweilige dem Muster zugewiesene Farbe verwendet wird. Der transparente Bereich eines Musters hat den Vorteil, dass bei Überlagerung mehrerer Muster die jeweiligen Musterfarben gesehen werden und sich entsprechend zu einer Mischfarbe überlagern.
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Bekannte Beispiele für Kodierungen dieser Art sind ein dualer Streifencode, ein Gray-Code, ein stochastisches Punktmuster (ggf. verschiedenen Auflösungsstufen), regelmäßige Punkt- oder Streifenmuster mit kodierten Stützstellen (ggf. in verschiedenen Auflösungsstufen), Streifenmuster in verschiedenen Richtungen oder periodische Streifen mit verschiedenen Abständen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorgenannten Beispiele beschränkt, sondern kann auch mit anderen binären Mustern angewendet werden.
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Gemäß anderen, erfindungsgemäß verwendbaren Kodierungen kann ein Muster mit einem insbesondere kontinuierlichen, ggf. auch diskontinuierlichen, Helligkeitsverlauf verwendet werden. Ein solches Muster mit einem Helligkeitsverlauft bietet durch die Wahl der Helligkeit der Farbe einen weiteren Informationskanal, der eine noch feinere Kodierung mit höherer Auflösung zulässt. Dies wird allerdings damit erkauft, dass derartige Muster grundsätzlich störanfälliger sind, weil sich unterschiedliche Reflexionseigenschaften der Oberfläche für verschiedene Farben unterschiedlich stark bemerkbar machen können. Diese unterschiedlichen Reflexionseigenschaften führen dazu, dass das mit einer bestimmten Intensität ausgestrahlte Licht der verschiedenen Farben unter Umständen mit unterschiedlicher Intensität reflektiert wird. Dies würde zu Verschiebungen in der Helligkeitskodierung führen.
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Diese Störanfälligkeit kann durch eine zusätzliche Kompensation der Reflexionseigenschaften auf der Oberfläche verringert werden, was möglich ist, wenn diese Reflexionseigenschaften der Oberfläche ortsabhängig, d.h. lokal, bekannt sind. Erfindungsgemäß kann also vorgesehen werden, dass für ein Muster mit Helligkeitsverlauf eine Korrektur unterschiedlicher Reflexionseigenschaften der Oberfläche an verschiedenen Oberflächenpositionen bei der Ermittlung der Helligkeit durchgeführt wird. Dies kann bspw. aufgrund bekannter lokaler Reflexionseigenschaften erfolgen, bspw. in der Produktion bestimmter, genau bekannter Produkte. Alternativ kann, wenn die Oberflächenreflexionseigenschaften des Produkts bzw. der Oberfläche nicht bekannt sind, eine Reflexionsmessung der Oberfläche mit weißem Licht erfolgen und die Ergebnisse dann für die Korrektur herangezogen werden. Eine einfache Möglichkeit zur Korrektur besteht darin, die gemessene Helligkeit auf die lokalen Reflexionseigenschaften der Oberfläche zu normieren, um einen dem Helligkeitsverlauf des Musters möglichst optimal angepassten Helligkeitsverlauf in dem Bild zu erfassen. In diesem Fall bräuchte man für Oberflächen mit nicht bekannten Reflexionseigenschaften nur ein weiteres Bild, bei dem dann auch keine Musterprojektion stattfindet, sondern lediglich die Reflexionseigenschaften mit neutralem weißem Licht erfasst werden.
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Beispiele für Muster dieser Art sind periodische Helligkeitsverläufe, z.B. Sinus-Muster mit verschiedenen Ortsfrequenzen (insbesondere zur Auflösung der periodischen Mehrdeutigkeit) oder Mehrbild-Phasenshift-Verfahren. Auch hier sind nur einige Beispiele genannt.
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Prinzipiell lässt sich die vorliegende Erfindung mit allen flächigen Kodierungen verwenden, die mit einem oder mehreren Mustern arbeiten. Derartige Methoden sind dem Fachmann im Prinzip bekannt. Bei den Verfahren mit mehreren, nacheinander projizierten Mustern, kann der Fachmann erfindungsgemäß diese zeitlich nacheinander projizierten Muster erfindungsgemäß durch unterschiedliche Farbkodierungen in einer Projektion kombinieren.
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Wie bereits eingangs erwähnt, lässt sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene vorbeschriebene Verfahren zum Erzeugen und Erfassen von Mustern auf einer Oberfläche, insbesondere einer 3-dimensionalen Oberfläche, bei der Durchführung einer Triangulationsmessung oder einer Stereomessung einer Oberfläche, insbesondere einer 3-dimensionalen Oberfläche, verwenden. Dabei können alle vorbeschriebenen Merkmale oder eine Auswahl der vorbeschriebenen Merkmale zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Sensor zum Erzeugen und Erfassen von Mustern auf einer (insbesondere 3-dimensionalen) Oberfläche mit mindestens einem Projektor zur Projektion eines Musters auf die Oberfläche, mindestens einer Farbkamera als Bildaufnahmesensor zur Aufnahme des projizierten Musters und mindestens einer Recheneinheit zur Ansteuerung des Projektors und der Farbkamera. Es ist vorgesehen, dass der Prozessor der Recheneinheit dazu eingerichtet ist, das vorbeschriebene Verfahren oder Teile hiervon auszuführen. Erfindungsgemäß kann der Prozessor der Recheneinheit auch dazu eingerichtet sein, die Triangulationsmessung und/oder Stereomessung der Oberfläche in an sich bekannter Weise durchzuführen.
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Erfindungsgemäß sind wenigstens eine Farbkamera und der Projektor des Sensors (im Falle der Triangulationsmessung) oder mindestens zwei Farbkameras des Sensors (im Falle der Stereomessung) im Aufnahmeraum dreidimensional aufeinander kalibriert. Eine solche Kalibration im Aufnahmeraum bedeutet, dass in dem Aufnahmeraum ein ausgezeichnetes Koordinatensystem, ein sogenanntes „Weltkoordinatensystem“, festgelegt ist. Für eine kalibrierte Farbkamera ist dann bekannt, in welche Richtung ihre Sehstrahlen im Aufnahmeraum verlaufen. Entsprechend ist für einen kalibrierten Projektor bekannt, in welche Richtung die Projektionsstrahlen im Aufnahmeraum verlaufen. Möglichkeiten zur Kalibrierung von Kameras und Projektoren sind dem Fachmann im Rahmen seines Fachwissens bekannt und müssen an dieser Stelle daher nicht näher erläutert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Projektor des Sensors eine Projektionseinrichtung sein, die ein auf dem Projektionsträger angeordnetes Muster auf die 3-dimensionale Oberfläche projiziert. Dies kann bspw. ein Diaprojektor oder Beamer sein. Jedes Muster kann dazu auf einem eigenen Projektionsträger, bspw. einen Farbdia oder einer transparenten Folie, angeordnet sein. Verschiedene, nicht überlappende Muster können auch auf einem Projektionsträger zusammengefasst, d.h. nebeneinander und nicht überlappend, angeordnet sein. Diese können dann jedoch auch als ein Muster im Sinne der Anmeldung verstanden werden. Die Projektionsträger sind in den das Muster nicht aufnehmenden Bereichen für die dargestellte Projektionsmethode vorzugsweise transparent, so dass mehrere Projektionsträger zu einem Gesamtprojektionsträger überlagert werden können. Im Falle eines Diaprojektors können also bspw. mehrere Farbdias übereinandergelegt als Projektionsträger verwandelt werden. Der (Gesamt-)Projektionsträger weist in diesem Fall also mehrere Farbdias auf, wobei jeweils ein Muster auf eine transparente Trägerfolie als Farbdia aufgebracht ist und mehrere Farbdias übereinandergelegt den Projektionsträger bilden.
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In einer anderen Ausführungsform kann der Projektionsträger ein durchleuchtbarer Bildschirm, bspw. nach dem Beamer-Prinzip, sein, und die Muster durch eine auf der Recheneinheit (bspw. in dem Prozessor der Recheneinheit) implementierte, ebenenbasierte Bildverarbeitungssoftware erzeugt werden, wobei die Bildverarbeitungssoftware dazu geeignet und eingerichtet ist, ein Muster in einer Ebene darzustellen, eine optische Projektion bei dem Übereinanderlegen von Ebenen zu simulieren und das Simulationsergebnis auf dem durchleuchtbaren Bildschirm dazustellen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung derartiger Muster besteht auch in der Überlagerung verschiedenfarbiger Lichtquellen. Hierzu kann eine mehrfarbige Lichtquelle in einem Projektor, bspw. eine Mehr-Farb-LED, gewählt werden, bei der verschiedenfarbige Lichtquellen räumlich so eng benachbart angeordnet sind, dass für den optischen Aufbau bzw. Abbildungskanal jeweils derselbe Ort angenommen werden kann. Diese verschiedenen Lichtquellen werden dann mit ggf. wellenlängenselektiven Filtern zur Erzeugung der Muster so schnell geschaltet, dass in einer Aufnahme eine Überlagerung der verschiedenen Muster erfolgt. Denkbar ist auch ein optischer Projektor, der räumlich verteilt angeordnete Lichtquellen verschiedener Farbe in der Projektionsebene auf einer Projektionsfläche kombiniert.
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Für die Stereomessung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Bildaufnahmesensor des Sensors zwei in dem gemeinsamen Aufnahmeraum kalibrierte Farbkameras umfasst, welche den im Wesentlichen selben Bereich des projizierten Musters aufnehmen. Unter einem im Wesentlichen selben Bereich wird verstanden, dass beide Farbkameras in der Lage sind, eine Mehrzahl von identischen Punkten des Musters gleichzeitig aufzunehmen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
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Es zeigen:
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1 ein Beispiel für eine Kodierung mit einem 3-Bit-Streifen-Grey-Code mit drei Mustern, die gemäß dem Stand der Technik in drei aufeinanderfolgenden Projektionen projiziert und in drei verschiedenen Bildern aufgenommen werden.
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2 die Umsetzung dieser Kodierung gemäß 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung, bei der jedem Muster eine Musterfarbe zugewiesen wird und alle Muster in der Projektion überlagert werden;
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3 ein Beispiel für eine Kodierung mit zwei binären Mustern mit kodierten Stützstellen, die gemäß dem Stand der Technik nacheinander projiziert und aufgenommen werden;
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4 die Umsetzung dieser Kodierung gemäß 3 entsprechend der vorliegenden Erfindung, bei der jedem Muster eine Musterfarbe zugewiesen wird und alle Muster in der Projektion überlagert werden; und
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5 schematisch eine Ausführungsform für den Aufbau eines erfindungsgemäßen Stereo-Sensors.
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Anhand der 1 und 2 bzw. der 3 und 4 wird nachfolgend beispielhaft erläutert, wie das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen und Erfassen von Mustern angewendet werden kann. Dabei werden jeweils ein Verfahren nach dem Stand der Technik und ein Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung gegenübergestellt, um die erfindungsgemäße Vorgehensweise zu verdeutlichen.
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1 zeigt drei Muster 101, 102, 103, die entsprechend der Anwendung im Stand der Technik nacheinander auf dieselbe Stelle einer Oberfläche projiziert werden. Die Muster weisen jeweils helle und dunkle Bereiche auf. Durch die aufeinanderfolgende Projektion dieser drei Muster 101, 102, 103 wird insgesamt also ein 3-Bit-Streifen-Grey-Code erzeugt. Die Muster 101, 102 und 103 sind geometrisch so aufgebaut, dass bei aufeinanderfolgenden Projektionen an einer Stelle 104 der Musters in der Projektion jeweils bestimmte Bitfolgen zu sehen sind.
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Die Stelle 104 zeigt im Muster 101 einen dunklen, im Muster 102 einen hellen und im Muster 103 einen dunklen Bereich. Die Bit-Information der nacheinander erfolgenden Projektion aller drei Muster 101, 102, 103 an der Position 104 ist also („dunkel“, „hell“, „dunkel“). An jeder anderen Position 104 ist die Bitfolge anders, so dass hierdurch eine eindeutige Kodierung von Oberflächenpositionen bei der aufeinanderfolgenden Projektion der Muster 101, 102, 103 erfolgt, zumindest wenn die Oberfläche während der Gesamtprojektionsdauer nicht bewegt wird. Ein solches Verfahren ist aus dem Stand der Technik bekannt.
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Mit Bezug auf die nachfolgende 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Beibehaltung der Grundstruktur der Muster 101, 102, 103 aus dem Stand der Technik beschrieben. Hieran erkennt man, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren universell für viele verschiedene Muster aus dem Stand der Technik anwenden lässt.
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Auch das erfindungsgemäße Verfahren sieht drei flächige Muster 1, 2, 3 vor, die mit einem Projektor auf eine Oberfläche projiziert und mit einer Kamera aufgenommen werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird jedem Muster 1, 2, 3 aber eine eigene Musterfarbe 4, 5, 6 zugewiesen. Das Muster 1 zeigt die erste Musterfarbe 4, das Muster 2 die zweite Musterfarbe 5 und das Muster 3 die dritte Musterfarbe 6. Entsprechend dem RGB-Farbraum, der bei üblichen Digitalkameras Anwendung findet, sei für das nachfolgende Beispiel angenommen, dass die erste Farbe 4 „rot“, die zweite Farbe 5, „grün“ und die dritte Farbe 6 „blau“ sei. Der nicht farbige Bereich 8 der flächigen Muster 1, 2, 3 ist transparent.
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Die Muster 1, 2, 3 können bspw. in der Art eines Dias auf transparenten Folien angebracht sein, so dass die Folien der Muster 1, 2, 3 in einem Diaprojektor übereinandergelegt als ein gemeinsam projiziertes Muster 7 auf die Oberfläche projiziert werden. Dieses gemeinsam projiziertes Muster 7 ist in 2 unter den jeweils einfarbigen flächigen Mustern 1, 2, 3 dargestellt.
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Entsprechend der Überlagerung von transparenten Bereichen 8 bzw. farbigen Bereichen 4, 5, 6 der Muster 1, 2, 3 ergeben sich die nachfolgend diskutierten Farben in dem projizierten Muster 7, teilweise als Mischfarben durch Überlagerung der Grundfarben rot, grün und blau. An dem in der Darstellung linken Ende des projizierten Musters 7 findet sich ein transparenter Bereich 8. Daran anschließend folgt ein blauer Bereich 6 aus dem Muster 3. Der Bereich 10 wird als Mischfarbe durch eine Überlagerung des roten Bereichs 4 und des blauen Bereichs 6 gebildet, so dass ein violetter Bereich 10 entsteht. Der Bereich 4 ist durch das Muster 1 als roter Bereich 4 sichtbar. In dem Bereich 12 findet eine Überlagerung des roten Bereichs 4 und des grünen Bereichs 5 des ersten und des zweiten Musters 1, 2 statt, so dass die resultierende Mischfarbe 12 gelb ist. Für den Bereich 13 werden die Farben rot, grün und blau miteinander gemischt. Dies führt bei der angewendeten additiven Farbkombination zu dem Grundempfinden weiß, wobei aufgrund der verminderten Intensität durch Absorption des Lichtes durch die drei farbigen Bereiche 4, 5 und 6 der Muster 1, 2, 3 ein eher dunkler Gesamteindruck (schwarz) entsteht. Der durch Überlagerung des grünen Bereichs 5 aus Muster 2 und des blauen Bereichs 6 aus Muster 3 gebildete Farbbereich 14 ist türkis, der letzte Bereich in dem projizierten Muster 7 wird durch das Muster 2 bestimmt und ist daher ein grüner Farbbereich 5.
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Damit können die acht verschiedenen Informationen aus den 3-Bit-Streifen-Grey-Code durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren in einem einzigen Bild (projiziertes Muster 7) zusammengefasst erhalten werden, die durch Aufnahme des durch eine Überlagerung der Ausgangsmuster 1, 2, 3 projizierten Musters 7 mit einer anschließenden Bildauswertung dekodiert werden, wobei bei der Auswertung die ursprünglichen Farbkanäle rot, grün, blau entsprechend den Musterfarben 4, 5, 6 rechnerisch gebildet werden und die Auswertung so entsprechend dem Stand der Technik vorgenommen werden kann.
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In 3 ist ein weiteres Beispiel aus zwei binären Mustern mit kodierten Stützstellen entsprechend dem Stand der Technik dargestellt. Das Muster 120 zeigt eine regelmäßige Anordnung quadratischer Stützstellen, die in dem Muster 121 durch zwei Kreuze verteilt über die Anordnung der vielen quadratischen Stützstellen ergänzt wird. Im Stand der Technik werden auch diese Muster 120, 121 nacheinander projiziert.
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4 zeigt nun die erfindungsgemäße Umsetzung eines entsprechenden Mustercodes mit den flächigen Mustern 20 und 21. In dem Muster 20 weist das Array aus quadratischen Stützstellen jeweils eine erste Farbe 25 vor transparentem Hintergrund 22 auf. Das Muster 21 zeigt die beiden Kreuze in der zweiten Farbe 26. Auch der Rest des Musters 21 ist transparent 23.
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Durch eine gemeinsame Projektion der Muster 20 und 21 wird das projizierte Muster 28 erhalten, das das Array aus Quadraten in der ersten Farbe 25 und die Kreuze in der Farbe 26 zeigt. An den Stellen, wo sich die Kreuze mit der Farbe 26 und die Quadrate mit der Farbe 25 vermischen, ergibt sich eine Mischfarbe 27. Auch hierdurch lässt sich eine sehr genaue Kodierung der Oberfläche erreichen.
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In den beispielhaft dargestellten Ausführungsformen gemäß 2 und 4 wurde die Erfindung mit nur wenigen Farben, bspw. beschränkt auf die Anzahl der Farbkanäle der digitalen Kamera oder weniger, dargestellt, damit die Beispiele übersichtlich bleiben. Es ist aber auch möglich, mehrere verschiedene Muster und Farben zu kombinieren, wenn man dafür sorgt, dass alle entstehenden Mischfarben 10, 12, 13, 14, 27 eindeutig im Farbraum definiert sind und genügend Abstand voneinander und von den Grundfarben haben, so dass die verschiedenen Farben in der Bildauswertung zuverlässig getrennt werden können. Metamerieeffekte sind zu vermeiden.
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5 zeigt schließlich eine Anordnung 30 zum Erzeugen und Erfassen von Mustern auf Oberflächen 31 gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung. Der dazu vorgesehene Sensor 32 weist einen Projektor 33 und zwei Digital-Farbkameras 34, 35 als Bildaufnahmesensoren für das projizierte Muster auf. Die Kameras 34, 35 sind derart ausgerichtet, dass sie beide das durch den Projektor 33 auf die Oberfläche 31 projizierte Muster aufnehmen. Nicht dargestellt ist eine an den Sensor 32 angeschlossene oder in diesen aufgenommene Recheneinheit zur Ansteuerung des Projektors 33 und der Farbkameras 34, 35 sowie zur entsprechenden Bildauswertung.
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Der dargestellte Sensor 32 eignet sich sowohl für eine Triangulationsmessung als auch für eine Stereomessung. Für die Stereomessung werden beide Kameras 34, 35 benötigt. Die Triangulationsmessung mit einem kalibrierten Projektor 33 ist auch nur mit einer der beiden Kameras 34, 35 realisierbar, so dass ein entsprechender Sensor ggf. auch nur eine Kamera 34 aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- flächiges Muster
- 2
- flächiges Muster
- 3
- flächiges Muster
- 4
- erste Musterfarbe (rot), farbiger Musterbereich
- 5
- zweite Musterfarbe (grün), farbiger Musterbereich
- 6
- dritte Musterfarbe (blau), farbiger Musterbereich
- 7
- gemeinsam projiziertes Muster/Bild
- 8
- nicht farbiger, transparenter Bereich
- 10
- Mischfarbe (violett), farbiger Musterbereich
- 12
- Mischfarbe (gelb), farbiger Musterbereich
- 13
- Mischfarbe (dunkel, schwarz), farbiger Musterbereich
- 14
- Mischfarbe (türkis), farbiger Musterbereich
- 20
- flächiges Muster
- 21
- flächiges Muster
- 22
- transparenter Hintergrund
- 23
- transparenter Hintergrund
- 25
- erste Musterfarbe
- 26
- zweite Musterfarbe
- 27
- Mischfarbe
- 28
- gemeinsam projiziertes Muster/Bild
- 30
- Anordnung zum Erzeugen und Erfassen von Mustern
- 31
- Oberfläche
- 32
- Sensor
- 33
- Projektor
- 34
- Farbkamera, Bildaufnahmesensor
- 35
- Farbkamera, Bildaufnahmesensor
- 101
- Muster
- 102
- Muster
- 103
- Muster
- 104
- definierte Stelle des Musters in der Projektion
- 120
- Muster
- 121
- Muster
