DE102015122842B4 - Verfahren zum Kalibrieren einer 3D-Messvorrichtung mittels einer Kalibrierplatte - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Kalibrieren einer 3D-Messvorrichtung (100) mittels einer Kalibrierplatte (400) mit mehreren Marken (402, 403, 404, 404a),
wobei die Kalibrierplatte (400) in der Umgebung der 3D-Messvorrichtung (100) positioniert wird und von wenigstens einer ersten Kamera (111) der 3D-Messvorrichtung (100) aufgenommen wird,
wobei mittels der Marken (402, 403, 404, 404a) auf der Kalibrierplatte (400), welche von wenigstens der ersten Kamera (111) aufnehmbar und in den Aufnahmen identifizierbar sind, die Position und Ausrichtung der Kalibrierplatte (400) relativ zur 3D-Messvorrichtung (100) gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein von einem Projektor (121) der 3D-Messvorrichtung (100) ausgehender erster Strahl (232) auf einen Spiegel (408) der Kalibrierplatte (400) fällt, in einem ersten Punkt (X₁) am Spiegel (408) gespiegelt wird und dann in die erste Kamera (111) der 3D-Messvorrichtung (100) fällt,
ein vom Projektor (121) der 3D-Messvorrichtung (100) ausgehender anderer, zweiter Strahl (233) nach der Spiegelung an einem zweiten Punkt (X₂) des Spiegels (408) der Kalibrierplatte (400) in eine zweite Kamera (112) der 3D-Messvorrichtung (100) fällt,
und das Projektionszentrum (O₁) des Projektors (121) unter Verwendung der mittels der Marken (402, 403, 404, 404a) auf der Kalibrierplatte (400) gemessenen Position und Ausrichtung der Kalibrierplatte (400) relativ zur 3D-Messvorrichtung (100) als Schnittpunkt der vom Projektor (121) ausgehenden Strahlen (232, 233) ermittelt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
• Eine 3D-Messvorrichtung 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 korrespondierenden Bereiche und Punkte erkannt werden und somit dreidimensionalen Koordinaten (der Punkte des Musters) ermittelt werden.
• Aus dem Spielebereich sind Scanner als Zielverfolgungseinrichtungen bekannt, bei welchen ein Projektor ein kodiertes Lichtmuster auf das zu verfolgende Ziel projiziert, vorzugsweise den spielenden Benutzer, um dieses kodierte Lichtmuster dann mit einer Kamera aufzunehmen und die Koordinaten des Benutzers zu ermitteln. Die Daten werden auf einem geeigneten Display dargestellt.
• Die US 8 238 611 B2 zeigt ein System zum Scannen einer Szene einschließlich Entfernungsmessung. Das System besteht in seiner einfachsten Form aus einer Kameraeinheit mit zwei Kameras, gegebenenfalls mit Filtern, zur stereoskopischen Erfassung eines Zielbereichs, aus einer Beleuchtungseinheit zur Erzeugung eines Musters im Zielbereich, vorzugsweise mittels eines diffraktiven optischen Elements, und aus einer Synchronisiereinheit, welche Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit aufeinander abstimmt. Kameraeinheit und Beleuchtungseinheit können in wählbaren Relativpositionen aufgestellt werden. Wahlweise können auch zwei Kameraeinheiten oder zwei Beleuchtungseinheiten eingesetzt werden.
• Die DE 10 2012 112 322 A1 und US 2015/0097931 A1 offenbaren tragbare 3D-Messvorrichtungen mit einem Projektor und zwei Kameras.
• Alle diese 3D-Messvorrichtungen benötigen eine Kalibrierung, um exakte Messdaten zu liefern. Üblich ist allerdings nur eine anfängliche, werksseitige Kalibrierung und eine gelegentliche Überprüfung. Hierfür kann eine Kalibrierplatte verwendet werden. Die Kalibrierung erfolgt durch Vergleich der Messdaten mit Referenzdaten der Kalibrierplatte und Verbessern von Kalibrierparametern (Kompensation). Durch Benutzung bekannte Kalibrierplatten weisen beispielsweise eine regelmäßige Anordnung von unkodierten oder kodierten Punkt-Marken. Die der 3D-Messvorrichtung zugewandte Seite der Kalibrierplatte ist antireflektierend, um Reflexionen von Streulicht aus der Umgebung zu vermeiden.
• Die in der DE 195 36 297 A1 offenbarte Kalibrierplatte weiste verschiedenste Marken auf: codierte Marken, uncodierte Marken, retroreflektierende Marken, streuende Marken, reflektierende Marken und Streifen. Mittels einer solchen Kalibrierplatte ist beispielsweise ein Projektor kalibrierbar, welcher ein Streifenmuster erzeugt. Die Kalibrierplatte der DE 10 2009 050 604 A1 enthält Farbreihen und Graustufenkeile, diejenige der US 5 978 081 A neben Punkten und Längenskalen auch Löcher zur Aufnahme von Stiften.
• In der DE 10 2007 030 378 A1 ist beschrieben, wie ein System aus einem Display und einer einzelnen Kamera kalibriert wird mittels einer spiegelnden, mit Marken versehenen Kalibrierplatte. Die Marken dienen der Bestimmung der Position und Ausrichtung der Kalibrierplatte relativ zum System. Die Spiegelung des Displays an der Kalibrierplatte verschafft eine zusätzliche geometrische Information über die relative Ausrichtung von Display und Kamera. Das System dient beispielsweise einer Steuerung des Display mittels der Augen.
• Die DE 10 2007 032 471 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Kamerasystems relativ zu einem Objekt. Das Objekt ist als Bildschirm ausgebildet und befindet sich außerhalb des Blickfeldes des Kamerasystems. Ein vom Bildschirm erzeugtes Kalibriermuster wird mittels eines Spiegels auf das Kamerasystem gespiegelt. Die unbekannten Größen der Abbildungsfunktion werden numerisch ermittelt und daraus die relative Lage ermittelt.
• Schließlich ist in der WO 2015/090553 A1 ein Verfahren zur Kalibrierung einer Kamera eines Fahrzeugs beschrieben. An den Außenspiegeln und dem Rückspiegel des Fahrzeugs sind auf der in Fahrtrichtung nach vorne weisenden Seite Marken angebracht, welche von der ebenfalls am Rückspiegel angebrachten Kamera erfasst werden, wenn das Fahrzeug auf einen Spiegel ausgerichtet ist.
• 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.
• Die Kalibrierplatte ist mit verschiedenen Elementen versehen, welche von der 3D-Messvorrichtung aufgenommen werden können. Die Kalibrierplatte besteht vorzugsweise aus einem mechanisch und thermisch (besonders) stabilen Material, um die relativen Positionen der Elemente auf der Kalibrierplatte konstant zu halten. Die Informationen hierüber können mittels eines Informationscode abgerufen werden, welcher auf der Kalibrierplatte angebracht und von der 3D-Messvorrichtung aufgenommen und interpretiert werden kann. Mittels eines Spiegels ist es möglich, einen besonderen Strahlengang zu erzeugen.
• Andrea Fasano et al., „Exploting Mirros for Laser Stripe 3D Scanning, 3DIM2003 (THE 4th International Conference On 3-D Imaging And Modeling , 6.-10.Oct 2003), schlägt vor, einen Spiegel zu verwenden, um beim Vermessen eines Objekts mittels einer 3D-Messvorrichtung auch solche Bereiche vermessen, die für 3D-Messvorrichtung nicht direkt sichtbar sind.
• Die zu kalibrierende 3D-Messvorrichtung weist eine Tragestruktur auf, an welcher der Projektor zum Erzeugen der Strahlen und die Kameras zum Aufnehmen der Kalibrierplatte angebracht sind.
• Die Tragestruktur, welche vorzugsweise mechanisch und thermisch (besonders) stabil ist, definiert die relativen Abstände der Kameras und des Projektors. Grob definiert sie auch deren relative Ausrichtungen. Die Anordnung auf der Vorderseite der 3D-Messvorrichtung, welche bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Umgebung zugewandt ist, hat den Vorteil, dass diese Abstände und Ausrichtungen nicht durch Formänderungen eines Gehäuses geändert werden.
• Der Begriff „Projektor“ soll sich allgemein auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Musters beziehen. Die Erzeugung des Musters kann durch ablenkende Verfahren, beispielsweise die Erzeugung mittels diffraktiver optischer Elemente oder Mikrolinsen (oder Einzel-Laser), oder durch abschattende Verfahren, beispielsweise die Erzeugung mittels Blenden, Dias (wie sie bei einem Dia-Projektor verwendet werden würden) und anderen Masken, erfolgen. Die ablenkenden Verfahren haben dabei den Vorteil, dass weniger Licht verloren geht und daher mehr Intensität zur Verfügung steht. Der Projektor kann ein Projektionszentrum haben, welches das gedachte Emissionszentrum für die Strahlen des Projektors ist, oder der Projektor kann parallele Strahlen abgeben.
• Die für die Entfernungsmessung vorgesehenen Baugruppen sind nicht kolinear angeordnet. Im Falle von einem Projektor und zwei Kameras sind diese in einer Dreiecksanordnung zueinander angeordnet.
• In Abhängigkeit der Anzahl der für die Entfernungsmessung vorgesehenen Baugruppen ist vorzugsweise eine entsprechend Anzahl von Armen der Tragestruktur vorgesehen, welche vorzugsweise von einer gemeinsamen Mitte aus abstehen. Die besagten Baugruppen sind vorzugsweise im Bereich der Enden der zugeordneten Arme vorgesehen. Jede der Baugruppen ist vorzugsweise auf der Rückseite der Tragestruktur angeordnet. Die Optik jeder Baugruppe fluchtet mit einer zugeordneten Öffnung in der Tragestruktur, um von der Vorderseite aus in die Umgebung gerichtet zu sein und vorzuspringen. Ein Gehäuse deckt die Rückseite ab und bildet das Griffteil.
• Die Tragestruktur besteht vorzugsweise aus einer kohle- oder glasfaserverstärkten Matrix aus Kunststoff oder Keramik (oder einem anderen Material). Das Material sorgt für Stabilität und ein geringes Gewicht und kann zugleich mit Sichtflächen ausgebildet sein. Eine konkave (sphärische) Krümmung der Vorderseite der Tragestruktur hat nicht nur konstruktive Vorteile, sondern schützt die Optiken der für die Entfernungsmessung vorgesehenen Baugruppen, wenn die 3D-Messvorrichtung auf der Vorderseite abgelegt wird.
• Der Projektor erzeugt das Muster, welches vorzugsweise nicht im sichtbaren Wellenlängenbereich liegt, sondern im Infraroten. Entsprechend sind die beiden Kameras in diesem Wellenlängenbereich empfindlich, während Streulicht und andere Störungen im sichtbaren Wellenlängenbereich herausgefiltert werden können. Eine 2D-Farbkamera kann als dritte Kamera für Farbinformationen und für Objektmerkmals-Informationen vorgesehen sein, welche ebenfalls die Umgebung und das Objekt aufnimmt. Mit den so erlangten Farbinformationen kann dann der 3D-Scan eingefärbt werden.
• Die 3D-Messvorrichtung erzeugt mehrere 3D-Scans der gleichen Szene von verschiedenen Positionen aus. Die 3D-Scans werden in einem gemeinsamen Koordinatensystem registriert. Für das Zusammenfügen zweier überlappender 3D-Scans sind wiedererkennbare Strukturen von Vorteil. Vorzugsweise werden solche wiedererkennbaren Strukturen laufend gesucht und angezeigt oder wenigstens nach dem Aufnahmevorgang angezeigt. Wenn 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.
• 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.
• Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
• 1 eine perspektivische Ansicht einer 3D-Messvorrichtung und eines Objekt in der Umgebung,
• 2 eine Ansicht der Vorderseite der 3D-Messvorrichtung,
• 3 eine Ansicht der Rückseite der 3D-Messvorrichtung,
• 4 eine Draufsicht auf die 3D-Messvorrichtung von oben,
• 5 eine rechte Seitenansicht der 3D-Messvorrichtung,
• 6 eine 1 entsprechende Ansicht ohne Gehäuse,
• 7 eine Draufsicht auf eine beispielhafte Steuer- und Auswertevorrichtung mit Display,
• 8 eine Seitenansicht von 7,
• 9 die Blickfelder der Kameras mit schraffiertem Überlapp,
• 10 die geometrische Beziehung von Bildebenen, Projektorebene und Epipolarlinien,
• 11 ein beispielhaftes Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung,
• 12 ein Beispiel mit einer Epipolarlinie,
• 13 ein Beispiel mit zwei Epipolarlinien,
• 14 ein Beispiel mit Inkonsistenzen,
• 15 eine Überprüfung der relativen Geometrie der Kameras,
• 16 eine perspektivische Ansicht einer Kalibrierplatte, und
• 17 eine Überprüfung der Kalibrierung mittels der Kalibrierungsplatte.
• Eine 3D-Messvorrichtung 100 ist zum optischen Abtasten und Vermessen von Objekten O in einer Umgebung vorgesehen. Die 3D-Messvorrichtung 100 ist vorzugsweise als tragbare Vorrichtung ausgebildet (1 bis 6). Die - beim bestimmungsgemäßen Gebrauch - dem Benutzer zugewandte Seite der 3D-Messvorrichtung 100, d.h sei als Rückseite und die der Umgebung zugewandte Seite als Vorderseite bezeichnet. Diese Definition erstreckt sich auf die Bestandteile der 3D-Messvorrichtung 100.
• Die 3D-Messvorrichtung 100 weist (auf seiner Vorderseite) eine Tragestruktur 102 mit drei Armen 102a, 102b, 102c auf, welche der Tragestruktur 102 eine T-Form oder Y-Form geben, also eine Dreiecksanordnung. Der Bereich, in welchem die drei Arme 102a, 102b, 102c miteinander verbunden sind und von welchem aus die drei Arme 102a, 102b, 102c abstehen, definiert die Mitte der 3D-Messvorrichtung 100. Vom Benutzer aus gesehen, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, weist die Tragestruktur 102 einen linken Arm 102a, einen rechten Arm 102b und einen unteren Arm 102c auf. Vorliegend beträgt beispielsweise der Winkel zwischen 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.
• Die Tragestruktur 102 ist vorzugsweise aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) ausgebildet, alternativ beispielsweise aus einer kohlefaserverstärkten Keramik oder aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Das Material macht die Tragestruktur 102 mechanisch und thermisch stabil und sorgt zugleich für ein geringes Gewicht. Die Abmessung der Tragestruktur 102 senkrecht zu den Armen 102a, 102b, 102c ist deutlich geringer (beispielsweise 5 bis 15 mm) als die Länge der Arme 102a, 102b, 102c (beispielsweise 15 bis 25 cm). Die Tragestruktur 102 hat daher eine flache Grundform, vorliegend an einigen Abschnitten der Arme 102a, 102b, 102c mit einem verstärkten Rücken in der Mitte. Sie ist aber vorzugsweise nicht eben ausgebildet, sondern gekrümmt. Diese Krümmung der Tragestruktur 102 ist an die Krümmung einer Kugel angepasst, welche einen Radius von etwa 1 bis 3 m hat. Die (dem Objekt O zugewandte) Vorderseite der Tragestruktur 102 ist dabei konkav ausgebildet, die Rückseite konvex. Die gekrümmte Form der Tragestruktur 102 ist für die Stabilität vorteilhaft. Die Vorderseite der Tragestruktur 102 (und vorliegend auch die sichtbaren Bereiche der Rückseite) ist als Sichtfläche ausgebildet, d.h. ohne Blenden, Abdeckungen, Verkleidungen oder sonstige Aufmachungen versehen. Die bevorzugte Ausbildung aus faserverstärkten Kunststoffen oder Keramiken ist hierfür besonders geeignet.
• Auf der Rückseite der Tragestruktur 102 ist ein Gehäuse 104 angeordnet, welches im Bereich der Enden der drei Arme 102a, 102b, 102c mittels geeigneter Verbindungsmittel schwimmend mit der Tragestruktur 102 verbunden ist, beispielsweise mittels Gummiringen und Schrauben mit etwas Spiel. Der Rand des Gehäuses 104 ist im Bereich des linken Arms 102a und des rechten Arms 102b bis in die unmittelbare Nähe der Tragestruktur 102 gezogen, während das Gehäuse 104 von der Mitte der 3D-Messvorrichtung 100 aus im Bereich des unteren Arms 102c im Abstand zur Tragestruktur 102 verläuft unter Bildung eines Griffteils 104g, am Ende des Griffteils 104g abbiegt und sich dem Ende des unteren Arms 102c nähert, wo es mit diesem schwimmend verbunden ist und sein Rand bis in die unmittelbare Nähe der Tragestruktur 102 gezogen ist. Soweit an einigen Abschnitten der Tragestruktur 102 ein verstärkter Rücken 102r vorgesehen ist, ragt dieser Rücken 102r in das Innere des Gehäuses 104. Das Gehäuse 104 wirkt als Haube.
• Vorzugsweise sind Schutzelemente 105 am Gehäuse 104 oder an der Tragestruktur 102 angebracht, insbesondere an den Enden der Arme 102a, 102b, 102c, welche vor Stößen und daraus folgenden Beschädigungen schützen. Bei Nichtgebrauch kann die 3D-Messvorrichtung 100 mit der Vorderseite nach unten abgelegt werden. Dabei kommt er aufgrund der konkaven Krümmung der Vorderseite auf den Enden der Arme 102a, 102b, 102c zu liegen. Auch hier sind die Schutzelemente 105 an den Enden der Arme 102a, 102b, 102c hilfreich, indem die 3D-Messvorrichtung 100 auf diesen zu liegen kommt. Ferner können am Gehäuse 104, insbesondere am Griffteil 104g, optional Noppen aus einem weichen Material, beispielsweise Gummi, angebracht sein, welche für einen guten Kontakt mit der Hand des Benutzers sorgen.
• Auf der Rückseite des Gehäuses 104 ist in der Mitte der 3D-Messvorrichtung 100 ein Bedienelement 106 angeordnet, mittels dessen wenigstens das optische Abtasten und Vermessen, also der Messvorgang (und insbesondere der Projektions- und Aufnahmevorgang), gestartet und gestoppt werden kann. Das vorzugsweise als Bedienknopf ausgebildete Bedienelement 106 ist vorzugsweise multifunktional, beispielsweise mittels zeitlich strukturierter Sequenzen und/oder räumlich unterscheidbarer Bedienrichtungen, d.h. das Bedienelement 106 kann nicht nur in eine Richtung gedrückt werden, sondern in mehrere Richtungen unterscheidbar gekippt werden. Um das Bedienelement 106 herum sind vorzugsweise eine oder mehrere Statusleuchten 107 angeordnet, welche den aktuellen Zustand der 3D-Messvorrichtung 100 anzeigen und dadurch dessen Bedienung erleichtern. Die Statusleuchten 107 können vorzugsweise unterschiedliche Farben (grün, rot, ....) anzeigen, um den Status des Instruments anzuzeigen. Vorzugsweise sind die Statusleuchten 107 als LED ausgebildet.
• An der Tragstruktur 102 sind - in einem definierten Abstand voneinander beabstandet - am linken Arm 102a (im Bereich von dessen Ende) eine erste Kamera 111 und am rechten Arm 102b (im Bereich von dessen Ende) eine zweite Kamera 112 angeordnet. Genauer gesagt, sind die beiden Kamera 111 und 112 auf der Rückseite der Tragestruktur 102 angeordnet und daran befestigt, wobei die Tragestruktur 102 jeweils eine Öffnung aufweist, durch welche die jeweilige Kamera 111, 112 zur Vorderseite der Tragestruktur 102 hinaus blicken kann. Die beiden Kameras 111, 112 werden vorzugsweise von den Verbindungsmitteln für die schwimmende Verbindung des Gehäuses 104 mit der Tragestruktur 102 umgeben.
• Die erste Kamera 111 und die zweite Kamera 112 sind zueinander sind so eingestellt, dass die Blickfelder FOV überlappen, um dabei stereoskopische Aufnahmen der Objekte O zu machen. In einer Ausführung, bei welcher die Ausrichtungen fest eingestellt sind, gibt es einen optimalen Überlapp-Bereich, der von der Anwendung abhängt. Die festen Ausrichtungen können zunächst beliebig (und unbekannt) sein, und wird dann der 3D-Messvorrichtung 100 bekannt gemacht, beispielsweise durch werksseitiges Kalibrieren. Hinsichtlich Genauigkeit wäre ein Überlapp-Bereich ähnlich der Abmessung der 3D-Messvorrichtung 100 günstig. In einer weiteren Ausführung sind die Ausrichtungen einstellbar, um die Optimierung des Überlapps der Blickfelder FOV entsprechend dem Abstand von der 3D-Messvorrichtung 100 zu den zu vermessenden Objekten O zu ermöglichen. Durch Verfolgung, wie der Benutzer die Ausrichtungen einstellt, beispielsweise durch gegensinniges Schwenken der Kameras 111 und 112, sind die Ausrichtung der 3D-Messvorrichtung 100 bekannt. Im Falle dass die erste und zweite Kamera 111, 112 eingestellt werden, wird im Feld eine Kalibrierung durchgeführt, um die Winkel und Positionen der Kameras in der 3D-Messvorrichtung 100 zu bestimmen. Die Typen der Kalibrierung werden später beschrieben.
• Vorzugsweise sind die erste Kamera 111 und die zweite Kamera 112 monochrom, d.h. für einen engen Wellenlängenbereich empfindlich, beispielsweise indem sie entsprechende Filter aufweisen, die dann andere Wellenlängenbereiche einschließlich Streulicht herausfiltern. Dieser enge Wellenlängenbereich liegt vorzugsweise im Infrarot-Bereich. Um trotzdem Farbinformationen über die Objekte O zu erhalten, weist die 3D-Messvorrichtung 100 vorzugsweise zusätzlich eine 2D-Kamera 113 auf, vorzugsweise eine Farbkamera. Die 2D-Kamera 113 ist vorzugsweise symmetrisch zur ersten Kamera 111 und zweiten Kamera 112 ausgerichtet und in der Mitte der 3D-Messvorrichtung 100 zwischen den beiden angeordnet. Die 2D-Kamera 113 ist dann im sichtbaren Wellenlängenbereich empfindlich. Die 2D-Kamera 113 nimmt 2D-Bilder der Szene auf, also die Umgebung der 3D-Messvorrichtung 100 samt der darin enthaltenen Objekte O.
• Um für die 2D-Kamera 113 die Szene bei ungünstigen Lichtverhältnissen auszuleuchten, sind wenigstens eine, vorliegend vier (leistungsstarke) Leuchtdioden (LED) 114 vorgesehen. Jeder Leuchtdiode 114 ist ein Abstrahlelement 115 zugeordnet, mittels dessen das Licht der Leuchtdiode 114 entsprechend der Ausrichtung der 3D-Messvorrichtung 100 abgestrahlt wird. Ein solches Abstrahlelement 115 kann beispielsweise eine Linse oder ein geeignet ausgebildetes Ende eines Lichtleiters sein. Die (vorliegend vier) Abstrahlelemente 115 sind gleichmäßig um die 2D-Kamera 113 herum angeordnet. Jede Leuchtdiode 114 ist mittels jeweils eines Lichtleiters 116 mit dem zugeordneten Abstrahlelement 115 verbunden. Die Leuchtdioden 114 können daher baulich an einer Steuereinheit 118 der 3D-Messvorrichtung 100 angeordnet sein, insbesondere auf einer Platine derselben befestigt sein.
• Um später eine Referenz für die Aufnahmen der Kameras 111, 112, 113 haben, ist vorzugsweise ein Neigungsmesser 119 vorgesehen. Als Neigungsmesser 119 bevorzugt ist ein Beschleunigungssensor (mit einer oder mehreren sensitiven Achsen), der in an sich bekannter Weise als MEMS (micro-electro-mechanical system) hergestellt ist. Als Neigungsmesser 119 sind auch andere Ausführungen und Kombinationen möglich. Die Daten der 3D-Messvorrichtung 100 haben jeweils (als eine Komponente) eine Gravitationsrichtung, die der Neigungsmesser 119 liefert.
• Grundsätzlich könnten aus den Aufnahmen der ersten Kamera 111 und der zweiten Kamera 112 bereits dreidimensionale Daten ermittelt werden, also 3D-Scans der Objekte O erstellt werden, beispielsweise mittels Photogrammetrie. Jedoch weisen die Objekte O häufig wenig Strukturen und viele glatte Flächen auf, so dass die Erstellung von 3D-Scans aus dem Streulicht der Objekte O schwierig ist.
• Es ist daher ein Projektor 121 vorgesehen, welcher am unteren Arm 102c (im Bereich seines Endes) auf der Rückseite der Tragestruktur 102 angeordnet und daran befestigt ist, und zwar entsprechend der Kameras 111, 112, 113, d.h. die Tragestruktur 102 weist eine Öffnung auf, durch welcher der Projektor 121 zur Vorderseite der Tragestruktur 102 vorspringen kann. Der Projektor 121 wird vorzugsweise von den Verbindungsmitteln für die schwimmende Verbindung des Gehäuses 104 mit der Tragestruktur 102 umgeben. Der Projektor 121, die erste Kamera 111 und die zweite Kamera 112 sind in einer Dreiecksanordnung zueinander angeordnet und in die Umgebung der 3D-Messvorrichtung 100 gerichtet. Die relativen Winkel von erster Kamera 111, zweiter Kamera 112 und Projektor 121 sind entsprechend der Messdistanz von der 3D-Messvorrichtung 100 zum Objekt O eingestellt. Wie oben beschrieben, kann die relative Ausrichtung voreingestellt sein oder vom Benutzer eingestellt werden.
• Wird die 3D-Messvorrichtung 100 bei Nichtgebrauch auf die Vorderseite gelegt, also mit der Vorderseite nach unten auf einer Ablagefläche abgelegt, so sorgt die konkave Krümmung der Vorderseite dafür, dass die Kameras 111, 112, 113 und der Projektor 121 von der Ablagefläche beabstandet bleiben, also beispielsweise die jeweiligen Linsen vor Beschädigungen geschützt sind.
• Die Kameras 111, 112, 113, der Projektor 121, das Bedienelement 106, die Statusleuchten 107, die Leuchtdioden 114 und der Neigungsmesser 119 sind mit der gemeinsamen Steuereinheit 118 verbunden, die innerhalb des Gehäuses 104 angeordnet ist. Diese Steuereinheit 118 kann Bestandteil einer im Gehäuse integrierten Steuer- und Auswertevorrichtung sein. Vorzugsweise ist die besagten Steuereinheit 118 aber mit einer genormten Kommunikationsschnittstelle am Gehäuse 104 verbunden, die für eine drahtlose Verbindung (beispielsweise Bluetooth, WLAN, DECT) als Sende- und Empfangseinheit oder für eine kabelgebundene Verbindung (beispielsweise USB, LAN) ausgebildet ist, gegebenenfalls auch als eine spezielle Schnittstelle, wie sie in der DE 10 2009 010 465 B3 beschrieben ist. Die Kommunikationsschnittstelle ist mittels der besagten drahtlosen oder kabelgebundenen Verbindung mit einer externen Steuer- und Auswertevorrichtung 122 verbunden. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 122 ist der 3D-Messvorrichtung 100 zugeordnet. Vorliegend ist die Kommunikationsschnittstelle für eine kabelgebundene Verbindung ausgebildet, wobei am Gehäuse 104 ein Kabel 125 eingesteckt ist, beispielsweise am unteren Ende des Griffteils 104g, so dass das Kabel 125 in Verlängerung des Griffteils 104g abgeht.
• Die Steuer- und Auswertevorrichtung 122 weist einen oder mehrere Prozessoren 122a auf, um die Verfahren zum Betrieb und zur Steuerung der 3D-Messvorrichtung 100 und zur Auswertung der Messdaten auszuführen. Vorzugsweise ist die Steuer- und Auswertevorrichtung 122 ein tragbarer Computer (Notebook) oder ein Tablet (oder Smartphone) (beispielsweise 7 und 8) oder ein externer Computer (beispielsweise im Internet), auf welchem eine spezielle Software zum Steuern der 3D-Messvorrichtung 100 und zum Auswerten der Messdaten implementiert ist und welcher mit dem tragbaren Teil der 3D-Messvorrichtung 100 verbunden ist. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 122 kann jedoch eine spezielle Hardware sein, oder in den tragbaren Teil der 3D-Messvorrichtung 100 integriert sein. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 122 kann auch ein System verteilter Komponenten sein, mit wenigstens einer in den tragbaren Teil der 3D-Messvorrichtung 100 integrierten Komponente und wenigstens einer externen Komponente. Entsprechend kann der oder die Prozessoren 122a in die 3D-Messvorrichtung 100 oder in einen externen Computer eingebettet sein.
• Der Projektor 121 projiziert auf die zu scannenden Objekte O ein Muster X, das er beispielsweise mittels eines diffraktiven optischen Elements erzeugt. Das Muster X braucht nicht kodiert zu sein (d.h. ein eindeutiges Muster zu haben), sondern kann unkodiert sein, beispielsweise mittels Projektion periodisch beabstandeter Musterelemente (beispielsweise Lichtspots oder Lichtlinien). Die Korrespondenz zwischen den vom Projektor 121 projizierten Musterelementen und den Musterelementen in den Bildern auf den Photosensoren der Kameras 111, 112 wird durch gleichzeitig zu erfüllende Epipolarbedingungen und unter Verwendung von Kalibrierungsparametern bestimmt, wie nachfolgend ausgeführt. Die Mehrdeutigkeit wird durch die Verwendung der beiden Kameras 111 und 112 in Kombination mit dem exakten Wissen über die Form und Richtung des Musters aufgelöst, wobei dieses kombinierte Wissen aus einer Kalibrierung der 3D-Messvorrichtung 100 stammt.
• Im Folgenden soll der Begriff „Musterelement“ die Form eines Elements des Musters X betonen, während der Begriff „Punkt“ die Position (eines Musterelements oder von etwas anderem) in 3D-Koordinaten bezeichnen soll.
• Das unkodierte Muster X (1) ist vorzugsweise ein Punktmuster, eine regelmäßige Anordnung von Spots in einem Gitter umfassend. Vorliegend werden beispielsweise etwa 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.
• Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Punktdichte des Musters X über dem Winkel des Blickfelds FOV, der Distanz zwischen dem Projektor 121 und dem Objekt O und der Auflösung, welche mit dem erzeugten Muster X auf dem Objekt O erreicht werden kann. Für einzelne paarweise Aufnahmen der Kameras 111, 112 führt eine höhere Punktdichte des Musters X zu einer größeren Fähigkeit, relativ feine Strukturen des Objekts O aufzulösen, als im Falle mit niederen Punktdichten des Musters X auf dem Objekt O. Es erscheint daher hilfreich, zusätzlich zum ersten Muster X wenigstens noch ein anderes Muster mit einer unterschiedlichen Dichte an projizierten Spots erzeugen zu können. Je nach Erzeugung der Muster ist ein dynamischer Übergang zwischen den Mustern und/oder eine räumliche Durchmischung möglich, um die Punktdichte an die Strukturen des Objektes O anzupassen. Vorzugsweise erzeugt der Projektor 121 die beiden Muster zeitlich versetzt zueinander und/oder in einem anderen Wellenlängenbereich und/oder mit unterschiedlicher Intensität.
• Das - vorzugsweise monochromatische - Muster X wird vorzugsweise mittels eines diffraktiven optischen Elements 124 im Projektor 121 erzeugt. Das diffraktive optische Element 124 wandelt einen einzelnen Strahl einer Lichtquelle 121a in 18 in eine Ansammlung kleinerer Strahlen um, von denen jeder in eine unterschiedliche Richtung geht, um einen Spot zu erzeugen, wenn das Objekt O getroffen wird. Die Lichtquelle 121a kann beispielsweise ein Laser, eine Superlumineszenzdiode oder eine LED sein. In einer Ausführung ist die Wellenlänge der Lichtquelle 121a im Infrarot-Bereich. Die laterale Auflösung ist dann nur durch die Größe und den Abstand der Spots im projizierten Muster X begrenzt. Wenn das Muster X im Infrarot-Bereich ist, können die Aufnahmen der 2D-Kamera 113 ohne Interferenzen mit dem Muster X erzeugt werden. Zum gleichen Zweck könnte das Muster X alternativ im Ultraviolett-Bereich erzeugt werden.
• Aus Gründen der Energieeffizienz und der Augensicherheit sind die beiden Kameras 111, 112 und der Projektor 121 so synchronisiert, dass sie das Muster X aufnehmen, sobald es der Projektor 121 projiziert, wobei das Muster X vorzugsweise ein gepulstes Muster ist. Jeder Projektions- und Aufnahmevorgang beginnt, indem der Projektor 121 das Muster X erzeugt, ähnlich einem Blitz in der Photographie, und die Kameras 111 und 112 (und gegebenenfalls 113) folgen mit einem Aufnahmevorgang, indem sie jeweils wenigstens ein Bild für jeden Projektionsvorgang des Musters X aufnehmen. Der Begriff „Aufnahme“ soll die zwei Bilder umfassen, welche die beiden Kameras 111 und 112 zeitgleich aufnehmen. Der Projektions- und Aufnahmevorgang kann eine einzelne Aufnahme (Schuss), oder eine Sequenz von Aufnahme (Video) umfassen. Ein derartiger Schuss oder ein derartiges Video wird mittels des Bedienelements 106 ausgelöst. Nach der Verarbeitung der Daten ergibt jede Aufnahme 3D-Scandaten, also eine Punktwolke im dreidimensionalen (3D) Raum, wobei die Punktwolke in relativen Koordinaten der 3D-Messvorrichtung 100 angegeben ist.
• Der Projektor 121 ist nicht kolinear zu den beiden Kameras 111 und 112 angeordnet, sondern eher so angeordnet, dass ein Dreieck relativ zu den Kameras 111, 112 gebildet wird. Diese Dreiecksanordnung ermöglicht die Anwendung von Epipolargeometrie auf Grundlage von mathematischen Methoden der Optik. Die Bedingungen der Epipolargeometrie sagen aus, dass ein Punkt in der Projektorebene P₁₂₁ des Projektors 121 auf eine erste Epipolarlinie in der ersten Bildebene B₁₁₁ und auf eine zweite Epipolarlinie in der zweiten Bildebene B₁₁₂ fällt, wobei die Epipolarlinien für jede der Bildebenen B₁₁₁ und B₁₁₂ durch die relative Geometrie des Projektors 121 und der beiden Kameras 111 und 112 bestimmt ist. Ferner fällt ein Punkt in der ersten Bildebene B₁₁₁ auf eine Epipolarlinie in der Projektorebene P₁₂₁ und auf eine Epipolarlinie in der zweiten Bildebene B₁₁₂ , wobei die Epipolarlinien für die Projektorebene P₁₂₁ und die zweite Bildebene B₁₁₂ durch die relative Geometrie von Projektor 121 und Kameras 111 und 112 bestimmt ist. Ferner fällt auch ein Punkt in der zweiten Bildebene B₁₁₂ auf eine Epipolarlinie in der Projektorebene P₁₂₁ und auf eine Epipolarlinie in der ersten Bildebene B₁₁₁ , wobei die Epipolarlinien für die Projektorebene P₁₂₁ und die erste Bildebene B₁₁₁ durch die relative Geometrie von Projektor 121 und Kameras 111 und 112 bestimmt ist. Es ergibt sich, dass die Verwendung von wenigstens zwei Kameras und einem Projektor genügend Epipolarbedingungen erzeugt, um eine Korrespondenz zu möglichen zwischen den zu bestimmenden Punkten des Musters X mit den Punkten in den Bildebenen B₁₁₁ und B₁₁₂ und der Projektorebene P₁₂₁ , sogar wenn die projizierten Musterelemente keine unterscheidbaren Eigenschaften haben, beispielsweise identisch sind.
• Vorliegend sind (wenigstens) drei Geräte (Projektor 121 und die beiden Kameras 111 und 112) beteiligt, d.h. es können ausgehend von jedem Gerät jeweils zwei Stereo-Geometrien (mit jeweils einer Fülle von Epipolarlinien e) mit den beiden anderen Geräten definiert werden. Daher ergeben sich für die vorliegende Anordnung eindeutige Dreier-Beziehungen von Punkten und Epipolarlinien e, aus denen sich die Korrespondenz der Abbildungen des Musters X in den beiden Bildebenen B₁₁₁ , B112 ermitteln lässt. Aufgrund der (gegenüber einem Paar von Kameras) zusätzlichen Stereo-Geometrie können nämlich deutlich mehr der ansonsten ununterscheidbaren Muster-Punkte auf einer Epipolarlinie e identifiziert werden. Dadurch kann gleichzeitig die Dichte an Merkmalen hoch und die Merkmalsgröße sehr gering gehalten werden. Bei alternativen Verfahren mit kodierten Mustern (mit Merkmalen die beispielsweise aus mehreren Punkten bestehen) ist die Merkmalsgröße nach unten begrenzt, was die laterale Auflösung begrenzt. Sobald die besagte Korrespondenz zwischen den Punkten des Musters X des Projektors 121 und den zwei Kameras 111, 112 ermittelt ist, werden mittels Triangulation die dreidimensionalen Koordinaten der Punkte auf der Oberfläche des Objektes O für die 3D-Scandaten ermittelt.
• Triangulations-Berechnungen können zwischen den beiden Kameras 111, 112 durchgeführt werden, basierend auf dem Grundlinienabstand zwischen den beiden Kameras 111, 112 und den relativen Kippwinkeln der beiden Kameras 111, 112. Triangulations-Berechnungen können zwischen dem Projektor 121 und der ersten Kamera 111 und zwischen dem Projektor 121 und der zweiten Kamera 112 durchgeführt werden. Um diese Triangulations-Berechnungen durchzuführen, wird ein Grundlinienabstand zwischen dem Projektor 121 und der ersten Kamera 111 und ein weiterer Grundlinienabstand zwischen dem Projektor 121 und der zweiten Kamera 112 benötigt. Zusätzlich werden die relativen Kippwinkel zwischen Projektor/erster Kamera und Projektor/zweiter Kamera benötigt.
• Grundsätzlich ist eine der Triangulations-Berechnungen ausreichend, um die dreidimensionalen Koordinaten der Punkte des Musters X auf dem Objekt bestimmen, so dass die zwei extra Triangulations-Berechnungen redundante Information (Redundanzen) liefern, die sinnvollerweise verwendet wird, um eine Selbstüberprüfung der Messergebnisse und eine Selbstkalibration-Funktionalität zu schaffen, wie nachstehend beschrieben ist. Der Begriff „Redundanz“ soll sich auf mehrfache Möglichkeiten zur Bestimmung der 3D-Koordinaten beziehen.
• Zusätzliche dreidimensionale Daten können mittels Photogrammetrie aus mehreren Aufnahmen mit verschiedenen Kamerapositionen gewonnen werden, beispielsweise der 2D-Kamera 113 oder aus einem Teil des Signals der Kameras 111 und 112. Damit die Objekte von den Kameras 111, 112 und 113 gesehen werden können, um Photogrammetrie-Berechnungen durchzuführen, ist es wichtig, dass die Objekte angemessen beleuchtet sind. Eine solche Beleuchtung kann die 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.
• Der Messvorgang weist auch einen zeitlichen Aspekt auf. Während bei stationären Vorrichtungen eine ganze Sequenz von Mustern projiziert und Aufnahmen gemacht werden können, um einen einzigen 3D-Scan zu ermitteln, wird vorliegend mit jedem Schuss der 3D-Messvorrichtung 100 ein 3D-Scan erzeugt. In einer anderen Ausführung (nicht dargestellt) ist für Spezialuntersuchungen ein zweiter Projektor neben dem vorliegenden Projektor 121 oder ein weiteres diffraktives optisches Element neben dem vorliegenden oder wenigstens ein weiteres Muster zusätzlich zum Muster X vorgesehen. Es ist dann durch geeignetes Umschalten möglich, bei einem Schuss auch Aufnahmen mit verschiedenen Mustern zeitlich fortlaufend zu machen, so dass der 3D-Scan eine höhere Auflösung erhält durch Kombination der Auswertungsergebnisse bezüglich der verschiedenen Muster.
• Um die komplette Szene zu erfassen, sind die mit dem Schuss erzeugten 3D-Scans zu registrieren, d.h. die dreidimensionalen Punktewolken jeder Aufnahme in ein gemeinsames Koordinatensystem einzufügen. Die Registrierung ist beispielsweise mittels Videogrammetrie möglich, also beispielsweise „structure from motion“ (SFM) oder „simultaneous localisation und mapping“ (SLAM). Für gemeinsame Bezugspunkte kann die natürliche Textur der Objekte O genutzt oder ein stationäres Muster Y erzeugt werden.
• In der Steuer- und Auswertevorrichtung 122 werden die von der 3D-Messvorrichtung 100 gelieferten Daten verarbeitet, d.h. aus den Aufnahmen die 3D-Scans erstellt. Die 3D-Scans wiederum werden zusammengefügt, d.h. in einem gemeinsamen Koordinatensystem registriert. Für das Registrieren können die bekannten Verfahren verwendet werden, d.h. beispielsweise in überlappenden Bereichen zweier 3D-Scans natürliche oder künstliche Targets (also wiedererkennbare Strukturen) lokalisiert und identifiziert werden, um durch Korrespondenzpaare die Zuordnung der beiden 3D-Scans zu ermitteln. Damit wird nach und nach eine ganze Szene von der 3D-Messvorrichtung 100 erfasst. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 122 weist ein Display 130 (Anzeigevorrichtung) auf, welches integriert oder extern angeschlossen ist.
• Die bisher beschriebenen Verfahrensschritte des Messvorgangs (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 optionalen vierten Verfahrensblock 204 erfolgt eine Überprüfung der Kalibrierung, 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 Bedienelements 106, kehrt das Verfahren zum ersten Verfahrensblock 201 zurück.
• Im zweiten Verfahrensblock 202 werden in einer Aufnahme die Abbildungen besonderer Punkte zum Auffinden der Korrespondenz automatisch ausgewählt. Diese ausgewählten Abbildungen von Punkten in der Aufnahme entsprechen Punkten auf dem Objekt O, insbesondere Musterelementen (z.B. Spots) des Musters X. Für jede solche Abbildung eines Punktes in der ersten Bildebene B₁₁₁ wird nacheinander die Epipolarlinien e in der zweiten Bildebene B₁₁₂ und in der Projektorebene P₁₂₁ lokalisiert. Das Verfahren wird wiederholt für die Abbildungen von Punkten in der zweiten Bildebene B₁₁₂ und in der Projektorebene P₁₂₁ , indem die Epipolarlinien e in den anderen beiden Ebenen wie zuvor beschrieben lokalisiert werden. Diese mehrfachen Epipolarbedingungen ermöglichen die Bestimmung der Eins-zu-eins-Korrespondenz in jeder der drei Ebenen zwischen den projizierten und den aufgenommenen Musterelementen (beispielsweise identischen Spots). Wie in 10 gezeigt, ist der Punkt X₀ (aus dem Muster X auf dem Objekt O) gemeinsam in allen drei Ebenen B₁₁₁ , B₁₁₂ , P₁₂₁ sichtbar (abgebildet), und seine Abbildungen liegen auf jeweils zwei Epipolarlinien e. Der Punkt X₀ ist der Schnittpunkt von drei Geraden, einem Lichtstrahl des Projektors 121 und je einem Sichtstrahl der beiden Kameras 111 und 112. Der Punkt X₀ ist eindeutig identifizierbar, wenn die Dichte der Punkte des Musters X ausreichend gering ist.
• Für die Ermittlung von 3D-Koordinaten der vermessenen Punkte, d.h. für die Auswertung der Messwerte und die Erstellung der 3D-Scandaten aus der Aufnahme n, werden Kalibrierungsparameter berücksichtigt, die aus der letzten Kalibrierung stammen. Die Kalibrierungsparameter sind korrekturbedürftig, wenn bei der Auswertung der Messwerte räumliche Inkonsistenzen (Inkonsistenzen der Geometrie) und zeitliche Inkonsistenzen (Parameter ändern sich im Laufe der Zeit) in den Aufnahmen auftreten. Die Inkonsistenzen können thermische Ursachen haben, beispielsweise aufgrund eines Anstiegs der Betriebstemperatur, aber auch mechanische Ursachen, wie beispielsweise ein mechanischer Schock, wie er bei einem Sturz der 3D-Messvorrichtung 100 auf den Boden auftreten kann. Die Inkonsistenzen zeigen sich als Abweichungen der gemessenen Positionen, Winkel und anderen geometrischen Merkmalen beispielsweise der Punkte auf dem Objekt O oder in den Ebenen B₁₁₁ , B₁₁₂ , P₁₂₁ .
• Die möglicherweise zu korrigierenden Kalibrierungsparameter können extrinsische Parameter, intrinsische Parameter und Betriebsparameter sein. Extrinsische Parameter sind für jede Einheit (Kameras 111, 112, 113 und Projektor 121) allgemein die sechs Freiheitsgrade eines starren Körpers, d.h. drei Ortskoordinaten und drei Winkel. Relevant ist insbesondere die relative Geometrie der Einheiten, d.h. die relativen Abstände und die relativen Winkel ihrer Ausrichtungen. Intrinsische Parameter beziehen sich auf Kamera- und Projektor-Geräteeigenschaften, wie beispielsweise Brennweite, Lage des Hauptpunktes, Verzerrungsparameter, Zentrierung der Photosensor-Anordnung oder der MEMS-Projektoranordnung, die Abmessung dieser Anordnungen in jeder Dimension, Verdrehung dieser Anordnungen relativ zum lokalen Koordinatensystem der 3D-Messvorrichtung 100, und Aberrations-Korrekturkoeffizienten für die Kamera- oder Projektor-Linsensysteme. Betriebsparameter können die Wellenlänge der Lichtquelle 121a, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit sein.
• In Bezug auf 10 kann eine Inkonsistenz eine Abweichung der tatsächlichen Position des Punktes X₀ von seiner erwarteten Position in einer der drei Ebenen sein.
• Wie oben beschrieben, werden die Epipolarbedingungen gleichzeitig gelöst, um in den zwei Kameras 111, 112 und dem einen Projektor 121 die Korrespondenz von projizierten und aufgenommenen Musterelementen (d.h. von deren Abbildungen) zu bestimmen. Einige redundante Informationen (Redundanzen) aus diesen gleichzeitig zu erfüllenden Gleichungen stehen zur Verfügung, um Inkonsistenzen in den Korrespondenzen aufzufinden.
• Zusätzlich können, wie oben beschrieben, drei getrennte Triangulations-Berechnungen durchgeführt werden, um drei Sätze von 3D-Koordinaten zu erhalten. Diese drei Triangulations-Berechnungen erfolgen für die erste und zweite Kamera 111, 112 (Stereokameras), den Projektor 121 und die erste Kamera 111, und für den Projektor 121 und die zweite Kamera 112. Die von den drei verschiedenen Triangulations-Berechnungen erhaltenen 3D-Koordinaten können verglichen werden, und falls Inkonsistenzen erkannt werden, können Änderungen an den Kalibrierungsparametern vorgenommen werden.
• 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 Spots aus dem Muster X auf dem Objekt O ist, d.h. der Punkt 216, 236 ist beleuchtet und seine Nachbarschaft ist dunkel. Jedoch ist der Abstand des Punktes 216 senkrecht zu den Epipolarlinien e nicht in der gleiche in beiden Ebenen, sondern es tritt eine Abweichung Δ auf, d.h. eine Abweichung Δ zwischen der tatsächlichen Position des Punktes 216 und der erwarteten Position 218. Im Allgemeinen ist die Abweichung Δ ein Vektor. Mit zwei Einheiten, insbesondere einem Projektor 121 und einer Kamera 111, ist nur die Komponente der Abweichung Δ senkrecht zu den Epipolarlinien e bekannt. Die Komponente parallel zu den Epipolarlinien e verschwindet bei der Ermittlung der 3D-Koordinaten. Mit mehr als zwei Einheiten, insbesondere einem Projektor 121 und zwei Kameras 111, 112, können die Komponenten der Abweichung Δ in beiden Dimensionen der Ebenen bestimmt werden aufgrund der besagten Redundanzen (beim Auffinden der Abweichungen und beim Ermitteln der 3D-Koordinaten). Mit Abweichungen Δ für mehrere ausgewählte Punkte können alle Abweichungen Δ in eine Karte eingezeichnet werden, das sogenannte Fehlerfeld, welches in 13 dargestellt ist. Im Falle von nur zwei Einheiten kann nur eine Komponente jeder Abweichung Δ in das Fehlerfeld eingezeichnet werden. Im Falle eines einzigen Grundes für die Inkonsistenz ist das Fehlerfeld typisch für einen bestimmten Typ von Inkonsistenz. 13 zeigt das Fehlerfeld einer Rotation der ersten Kamera 111 um die Blickrichtung, d.h. der Kalibrierungsparameter für den Rollwinkel der ersten Kamera 111 muss korrigiert werden.
• Die Abweichungen sind nun bezüglich der Epipolarbedingungen genauer erläutert unter Verwendung der 12 bis 14. Es gibt zwei Möglichkeiten für die beteiligten Einheiten. Eine Möglichkeit ist, dass eine der Einheiten U₁ , U₂ eine Kamera ist und die andere ein Projektor. Die andere Möglichkeit ist, dass beide Einheiten U₁ , U₂ Kameras sind. Selbstverständlich können zusätzliche Projektoren oder Kameras vorhanden sein. Mit drei oder mehr Einheiten (beispielsweise mit zwei Kameras und einem Projektor) gibt es zusätzliche Möglichkeiten der automatischen Bestimmung der Kalibrierungsparameter, wie später ausgeführt wird.
• Jede der Einheiten U₁ , U₂ hat einen Ursprung, auch als Projektionszentrum O₁ , O₂ bekannt. Dieser Punkt stellt einen Punkt dar, durch welchen all Strahlen aus der Einheit (für einen Projektor) oder in die Einheit (für eine Kamera) laufen. In einer tatsächlichen Einheit laufen nicht alle Strahlen durch das Projektionszentrum, sondern es können softwaremäßig Korrekturen der Kalibrierungsparameter des Kamerasystems vorgenommen werden, um die korrigierten Strahlen durch diese Punkte zu bringen. Die zwei Projektionszentren O₁ , O₂ definieren die Grundlinie 208.
• Jede Einheiten U₁ , U₂ hat auch eine Ebene 210, 230, in welcher Bilder entstehen. In einem Projektor ist diese Ebene als Projektorebene P₁₂₁ bekannt, und in einer Kamera ist sie als Bildebene B₁₁₁ , B₁₁₂ bekannt. In einem tatsächlichen Projektor oder einer tatsächlichen Kamera liegen Projektorebene P₁₂₁ oder Bildebene B₁₁₁ , B₁₁₂ hinter den Projektionszentren O₁ , O₂ anstatt davor, wie 12. 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 12 dargestellt, mathematisch äquivalent zu den Ebenen, die auf der anderen Seite der Projektionszentren O₁ , O₂ angeordnet sind.
• 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.
• Wie vorstehend beschrieben, läuft jeder Strahl, wie beispielsweise der Strahl 232, durch ein Projektionszentrum O₁ , O₂ , um eine Ebene 230, 210 zu erreichen, in welcher Bilder entstehen. Wenn die Ebene 230 eine Projektorebene ist, dann wird der Punkt P₁ auf ein Objekt an einem Punkt wie P_A , P_B , P_C , oder P_D projiziert, abhängig vom Abstand zum Objekt. Diese Punkte P_A , P_B , P_C , P_D , welche sich den gemeinsamen Strahl 232 teilen, fallen in der Einheit U₂ , welche in diesem Fall eine Kamera ist, auf korrespondierende Punkte Q_A , Q_B , Q_C , und Q_D auf der Epipolarlinie 212. Der Strahl 232 und die Epipolarlinie 212 liegen beide in der Ebene, welche die Punkte O₁ , O₂ , und P_D enthält. Wenn die Ebene 230 eine Bildebene anstatt einer Projektorebene ist, kann der in der Bildebene empfangene Punkt P₁ von irgendeinem Punkt auf der Epipolarlinie 212 stammen, beispielsweise von einem der Punkte Q_A , Q_B , Q_C , oder Q_D .
• 13 zeigt eine Epipolarlinie 234 in der Ebene 230 der Einheit U₁ zusätzlich zur Epipolarlinie 212 in der Ebene 210 der Einheit U₂ . Jeder Punkt V₁ (und W_A , W_B , W_C ) auf der Epipolarlinie 212 hat einen korrespondierenden Punkt (Bild- oder Projektionspunkt) U_A , U_B , U_C , U_D auf der Epipolarlinie 234. Gleichzeitig hat jeder Punkt U_A , U_B , U_C , U_D auf der Epipolarlinie 234 einen korrespondierenden Punkt W_A , W_B , W_C , V₁ auf der Epipolarlinie 212. Die Punktmenge 240 stellt Punkte, beispielsweise V_A , V_B , V_C , V_D im Raum dar, welche sich mit dem Objekt O schneiden können.
• In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der erste Schritt, um die Kalibrierungsparameter zu überprüfen, Inkonsistenzen der Positionen von Abbildungen ausgewählter Punkte in den Projektor- oder Bildebenen aufzufinden bezogen auf die aufgrund der Epipolarbedingungen erwarteten Positionen.
• Ein Beispiel einer solchen Inkonsistenz ist in 14 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.
• 14 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 weiterer 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. Der Kalibrierungsparameter des Rollwinkels wird manchmal als ein intrinsischer Kalibrierungsparameter anstatt als ein extrinsischer Parameter betrachtet.
• Sollten die Abweichungen und Inkonsistenzen aufgrund einer fehlerhafter, korrekturbedürftigen Kalibrierung zu groß sein, können Schwierigkeiten auftreten beim Auffinden der Korrespondenzen des Punktes X₀ bei gleichzeitigem Erfüllen der Epipolarbedingungen. In einer Ausführung besteht das Muster X aus einer großen Anzahl (z.B. 10.000) von Punkten mit geringer Intensität und einer kleineren Anzahl (z.B. 1.000) von Punkten mit großer Intensität. Mit dieser Variation der Intensitäten kann die 3d-Messvorrichtung 100 sowohl Objekte mit hohem Reflexionsvermögen als auch Objekte mit geringem Reflexionsvermögen erkennen. Falls Schwierigkeiten beim Auffinden der Korrespondenzen auftreten, ist es im vierten Verfahrensblock 204 möglich, die im Muster X projizierten Spots weiter zu beabstanden, um eine Doppeldeutigkeit beim Auffinden der Korrespondenzen zu reduzieren. In der besagten Ausführung mit der Variation der Intensitäten können die Spots mit geringerer Intensität herausgefiltert oder wenigstens reduziert werden durch Reduzierung der Belichtungszeiten und/oder durch Reduzierung der Gesamtleistung des Projektors 121. Nur die Spots mit großer Intensität (welche eine größere Beabstandung aufweisen) sind in den Kameras 111, 112 sichtbar, was die Doppeldeutigkeit beim Auffinden der Korrespondenzen reduziert.
• Um die Kalibrierungsparameter vollständig und genau zu bestimmen, ist es hilfreich, das ganze Volumen um die 3D-Messvorrichtung 100 herum zu nutzen, insbesondere die Tiefeninformation zu nutzen, um die extrinsischen Parameter zu bestimmen. Beispielhaft ist in 15 (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.
• Vorstehend ist beschrieben worden, wie die Kalibrierungsparameter überprüft werden anhand der Suche nach Inkonsistenzen, insbesondere Abweichungen der Positionen der Abbildungen ausgewählter Punkte von den erwarteten Positionen. Diese Überprüfung kann routinemäßig erfolgen, beispielsweise während des laufenden Betriebs der 3D-Messvorrichtung 100. Die Überprüfung erlaubt zumindest eine qualitative Feststellung, ob die Kalibrierungsparameter korrekturbedürftig sind.
• Sowohl für eine anfängliche Kalibrierung als auch für eine nachträgliche Kalibrierung, welche routinemäßig oder aufgrund festgestellter Inkonsistenzen und korrekturbedürftiger Kalibrierungsparameter durchgeführt wird, kann grundsätzlich ein externes Kalibrierungsobjekt verwendet werden, erfindungsgemäß eine Kalibrierplatte 400, wie sie nachfolgend beschrieben und in 14 dargestellt ist.
• Die Kalibrierplatte 400 besteht beispielsweise aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) ausgebildet, alternativ beispielsweise aus einer kohlefaserverstärkten Keramik oder aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Das Material macht die Kalibrierplatte 400 mechanisch und thermisch stabil und sorgt zugleich für ein geringes Gewicht. Die Kalibrierplatte 400 ist vorzugsweise rechteckförmig ausgebildet, d.h. ein Quader mit zwei längeren Seiten und einer deutlich kürzeren dritten Seite. Es sind jedoch auch andere Formen möglich. Die Kalibrierplatte 400 kann in der Umgebung der 3D-Messvorrichtung 100 positioniert werden, beispielsweise an eine Wand angelehnt werden. Für die Kalibrierplatte 400 kann auch ein eigener Ständer vorgesehen sein. Auf der der 3D-Messvorrichtung zuzuwendenden Seite weist die Kalibrierplatte 400 verschiedene Marken, Codes oder allgemein Texturen auf, wobei diese besagte Seite ansonsten vorzugsweise weiß ist.
• Erfmdungsgemäß weist die Kalibrierplatte 400 einen Informationscode 401 auf, beispielsweise einen QR-Code. Der Informationscode 401 ist von den Kameras 111, 112, 113 oder einem anderen Erfassungsgerät (beispielsweise Smartphone) aufnehmbar. Der Informationscode 401 enthält Informationen bezüglich der Kalibrierplatte 400, insbesondere plattenspezifische Kalibierinformationen, oder Speicherortangaben („Link“) zu diesen Informationen, so dass nach Interpretation des Informationscodes 401 diese Informationen abgerufen werden können. Solche Informationen können die exakten Positionen der Marken, Codes und sonstige Elemente auf der Kalibrierplatte 400 sein. Die Informationen können sich auch auf etwaige Unebenheiten oder sonstige Besonderheiten der Kalibrierplatte 400 oder der darauf angeordneten Elemente beziehen
• Die verwendeten Marken können Schachbrett-Marken 402, codierte Punkt-Marken 403, unkodierte Punkt-Marken 404 und retroreflektierende Punkt-Marken 404a sein. Die Schachbrett-Marke 402 besteht beispielsweise aus einem in vier Sektoren geteilten Kreis, wobei die Sektoren abwechselnd schwarz und weiß sind. Die kodierten Punkte-Marken 403 können beispielsweise jeweils einen zentralen schwarz gefüllten Kreis und um diesen herum einzelne schwarze Ringsegmente aufweisen. Die unkodierten Punkt-Marken 404 können beispielsweise jeweils ein schwarz gefüllter Kreis sein. Vorzugsweise ist von jedem Typ von Marken wenigstens ein Exemplar vorhanden.
• Ferner weist die Kalibrierplatte 400 vorzugsweise ein Graukeil 405 und eine Farbpalette 406 auf. Der Graukeil 405 ist länglicher Streifen mit einem stetigen Verlauf der Graustufen zwischen den Helligkeitswerten schwarz und weiß. Die Graustufen können kontinuierlich oder mit diskreten Feldern aufgebracht sein. Die Farbpalette 406 enthält mehrere Flächen in verschiedene Farben (beispielsweise rot, grün, blau, gelb, cyan, magenta), die als Kacheln oder als Farbkreis angeordnet sind. Der Begriff „Graukeil“ soll auch eine dem Farbkreis entsprechende Anordnung der Graustufen umfassen. Erfindungsgemäß weist die Kalibrierplatte 400 noch einen Spiegel 408 auf. Der Spiegel 408 ist vorzugsweise eine metallische Fläche mit oder ohne Glasabdeckung. Für eine konstante Dicke der Kalibrierplatte 400 kann der Spiegel 408 in einer leichten Vertiefung angeordnet sein. Auf dem Spiegel 408 kann nochmals wenigstens eine Marke angebracht sein, beispielsweise drei unkodierte Punkt-Marken 404.
• Die Positionen der verschiedenen Marken, Codes und sonstigenTexturen auf der vorzugsweise weißen Kalibrierplatte 400 sind grundsätzlich frei wählbar. So kann beispielsweise der Spiegel 308 mittig angeordnet sein, der Graukeil 405 und die Farbpalette 406 beispielsweise an zwei gegenüber liegenden Randbereichen. Dazwischen oder in einem dritten Randbereich kann ein Feld mit unkodierten Punkt-Marken 404 vorgesehen sein. Informationscode 401, Schachbrett-Marke 402, codierte Punkt-Marke 403 und retroreflektierende Punkt-Marken 404a können in den freien Randbereichen angeordnet sein. Um die Orientierung der Kalibrierplatte 400 in der Ebene senkrecht zur Blickrichtung eindeutig zu identifizieren, sind von vier Ecken, beispielsweise der Kalibrierplatte 400 oder des Spiegels 408, nur drei Ecken mit Marken, beispielsweise unkodierten Punkt-Marken 404, belegt und die vierte Ecke frei, wie es auch beim QR-Code die Norm ist.
• Mit einer derartigen Kalibrierplatte 400 lassen sich wenigstens einige der intrinsischen Parameter (Brennweite, Verzerrungen etc.) sowie extrinsischen Parameter (Position und Ausrichtung) der Kameras 111, 112, 113 und der extrinsischen Parameter des Projektors 121 ermitteln. Jede der Marken 402, 403, 404, 404a und auch der Informationscode 401 kann von den Kameras 111, 112, 113 aufgenommen werden und (von der Steuer- und Auswertevorrichtung 122) eindeutig in den Aufnahmen identifiziert werden, im Falle des Informationscodes 401 auch interpretiert werden. Damit können mehrere Kalibrierungsparameter der Kameras 111, 112, 113 ermittelt und überprüft werden. Ferner projiziert der Projektor 121 das Muster X auf die Kalibrierplatte 400. Von ausgewählten Punkten X₁ , X₂ des Musters X werden die dreidimensionalen Koordinaten jeweils für verschiedene Abstände zwischen Projektor 121 und Kalibrierplatte 400 gemessen. Mittels der Marken 402, 403, 404, 404a ist es möglich, die Position und Ausrichtung (zusammen sechs Freiheitsgrade) der Kalibrierplatte 400 relativ zur 3D-Messvorrichtung 100 genau zu bestimmen. Dadurch können die Korrespondenzen zwischen den Projektionen der Punkte X₁ , X₂ des Musters X in den Bildebenen der Kameras 111, 112, 113 eindeutig bestimmt werden. Dadurch lassen sich 3D Koordinaten der Punkte X₁ , X₂ des Musters X durch Triangulation bestimmen, womit sich durch Variation der Abstände der Kalibrierplatte 400 zum Projektor 121 dieses Muster X im gesamten Raum vermessen lässt. Dadurch können mehrere Kalibrierungsparameter des Projektors 121 ermittelt und/oder überprüft werden. Mittels des Graukeils 405 und der Farbpalette 406 ist ein Helligkeitsabgleich und eine Farbmessung, insbesondere ein Weißabgleich, möglich.
• Mittels des Spiegels 408 auf der Kalibrierplatte 400 lässt sich das Projektionszentrum O₁ des Projektors 121 ermitteln, wie in 17 schematisch dargestellt ist. Beispielhaft wird ein Strahl 232 des Projektors 121 in einem Punkt X₁ am Spiegel 408 gespiegelt und fällt dann -je nach Anordnung - beispielsweise direkt in die Kamera 111. Ein anderer einfallender Strahl 233 wird in einem Punkt X₂ am Spiegel 408 gespiegelt und fällt dann direkt in die Kamera 112. Wenn die dreidimensionalen Koordinaten der Ebene der Kalibrierplatte 400 und damit des Spiegels 408 (relativ zur 3D-Messvorrichtung 100) gemessen werden, beispielsweise mit Hilfe der Marken 402, 403, 404, 404a, lassen sich die Spiegelungspunkte X₁ , X₂ der Strahlen 232, 233 des Projektors 121 in echte Positionen und Ausrichtungen relativ zu den Kameras 111, 112, 113 umrechnen. Das Projektionszentrum O₁ des Projektors 121 ist im Schnittpunkt der vom Projektor 121 ausgehenden Strahlen angeordnet. Mittels der 2D-Kamera 113 lässt sich die Position des Projektors 121 direkt sehen, unabhängig davon, ob ein Infrarot-Filter verwendet wird, da das Signal einer direkten Reflexion viel stärker als bei einer diffusen Streuung ist, so dass typischerweise genügend Signal den Infrarot-Filter passiert.
• Zur Überprüfung der Kalibrierungsparameter wird die Kalibrierplatte 400 üblicherweise an verschiedenen Positionen relativ zur 3D-Messvorrichtung positioniert. Wenn die Überprüfung der Kalibrierungsparameter abgeschlossen ist, werden gegebenenfalls die bisherigen Kalibrierungsparameter geändert. Beispielsweise werden im Rahmen einer Optimierungsstrategie die Kalibrierungsparamter so lange geändert, bis die Messergebnisse für die Marken 402, 403, 404, 404a und Texturen der Kalibrierplatte 400 übereinstimmen mit deren bekannten Eigenschaften, wie sie mittels des Informationscodes 401 abrufbar sind.
• Vorzugsweise nimmt die 2D-Kamera 113 nicht nur sporadisch ein einzelnes 2D-Bild auf, sondern nimmt laufend 2D-Bilder auf, welche (aneinandergereiht) ein aktuelles Videobild VL (Video-Livebild) ergeben.
• Das in 7 gezeigte Display 130 liefert in einem bevorzugten Modus einen unterteilten Schirm, d.h. das Display 130 ist in einen ersten Displayteil 130a und einen zweiten Displayteil 130b unterteilt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Displayteil 130a ein (rechteckförmiger) zentraler Teil des Displays 130, und der zweite Displayteil 130b ist ein Randbereich um den ersten Displayteil 130a herum. In einer anderen Ausführung können die beiden Displayteile Spalten sein. Im ersten Displayteil 130a wird das aktuelle Videobild VL dargestellt, wie es von der 2D-Kamera 113 erzeugt wird. Im zweiten Displayteil 130b wird der aktuelle 3D-Scan (oder die bislang registrierten 3D-Scans) als Ansicht der dreidimensionalen Punktwolke 3DP (oder eines Teils dieser) dargestellt. Die Größe des ersten Displayteils 130a ist variabel, und der zweite Displayteil 130b ist immer der Bereich zwischen dem ersten Displayteil 130a und dem Rand des Displays 130. Das aktuelle Videobild VL ändert sich, wenn die 3D-Messvorrichtung 100 bewegt wird. Die Ansicht der dreidimensionalen Punktwolke 3DP ändert sich entsprechend und ist vorzugsweise daran angepasst, aus der neuen Position und Ausrichtung der 3D-Messvorrichtung 100 nach seiner Bewegung betrachtet zu werden.
• Vorzugsweise passen der erste Displayteil 130a, d.h. das Videobild VL, und der zweite Displayteil 130b, d.h. der Blick auf einen Teil der dreidimensionalen Punktwolke 3DP, kontinuierlich zueinander (bezüglich der dargestellten Inhalte). Zum Ersten wird besagter Teil der dreidimensionalen Punktwolke 3DP (von der Steuer- und Auswertevorrichtung 122) so ausgewählt, wie er aus der Perspektive der 2D-Kamera 113 betrachtet wird oder wenigstens von einer mit der 2D-Kamera 113 fluchtenden Position. Zum Zweiten wird der besagte Teil so ausgewählt, dass er sich kontinuierlich an das Videobild VL anschließt, d.h. es wird die Fortsetzung des Videobildes VL über das Blickfeld der 2D-Kamera 113 hinaus nach links, rechts, oben und unten gezeigt. Die Darstellung kann der Darstellung bei Verwendung eines Fischaugenobjektivs entsprechen, ist aber vorzugsweise unverzerrt. Der vom Videobild VL verdeckte Teil der dreidimensionalen Punktwolke 3DP wird nicht dargestellt. Um aber die dortige Dichte der Punkte der dreidimensionalen Punktwolke 3DP anzudeuten, kann das normalerweise in natürlichen Farben dargestellte Videobild VL künstlich eingefärbt werden, beispielsweise durch eine Überlagerung. Die künstliche Farbe (und gegebenenfalls Intensität), die für die Darstellung des künstlich eingefärbten Videobildes VL verwendet wird, entspricht der Dichte der Punkte, beispielsweise grün für eine (ausreichend) hohe Dichte und gelb für eine (verbesserungswürdige) mittlere oder geringe Dichte.
• Um die Registrierung zu unterstützen, werden vorzugsweise Marken 133 in das aktuelle Videobild VL auf dem ersten Displayteil 130 eingeblendet, welche wiedererkennbare Strukturen (also mögliche Targets) anzeigen. Die Marken 133 können kleine „x“ oder „+“ sein. Die wiedererkennbaren Strukturen können spezielle Punkte, Ecken, Kanten oder Texturen sein. Die wiedererkennbaren Strukturen werden aufgefunden, indem der aktuelle 3D-Scan oder das aktuelle Videobild VL dem Beginn des Registrierungsvorgangs unterworfen wird (d.h. dem Lokalisieren von Targets). Die Verwendung des aktuellen Videobildes VL hat den Vorteil, dass der Aufnahmevorgang nicht so häufig erfolgen muss. Sofern die Marken 133 eine hohe Dichte haben, ist mit einer erfolgreichen Registrierung der betroffenen 3D-Scans zu rechnen. Sofern aber eine geringe Dichte der Marken 133 erkannt wird, sind zusätzliche 3D-Scans und/oder eine langsamere Bewegung der 3D-Messvorrichtung 100 vorteilhaft. Entsprechend ist die Dichte der Marken 133 ein qualitatives Maß für den Erfolg der Registrierung. Gleiches gilt für die durch künstliches Einfärben des Videobildes VL dargestellte Dichte der Punkte der dreidimensionalen Punktwolke 3DP.
• Die Bewegung der 3D-Messvorrichtung 100 und die Verarbeitung der gemachten Aufnahmen kann auch als Tracking behandelt werden, d.h. die 3D-Messvorrichtung 100 verfolgt die Relativbewegung seiner Umgebung mit den beim Tracking verwendeten Verfahren. Wenn das Tracking verloren geht, beispielsweise wenn die 3D-Messvorrichtung 100 zu schnell bewegt wurde, gibt es eine einfache Möglichkeit, das Tracking wieder aufzunehmen. Hierzu wird dem Benutzer das aktuelle Videobild VL, wie es die 2D-Kamera 113 liefert, und das von ihr gelieferte, letzte Video-Standbild des Trackings nebeneinander (oder übereinander) dargestellt. Der Benutzer muss dann die 3D-Messvorrichtung 100 so lange bewegen, bis beide Videobilder in Übereinstimmung gelangen. Eine Unterstützung, beispielsweise akustisch oder optisch, aufgrund einer Verarbeitung der Videobilder und eines Vergleichs derselben, ist hilfreich und daher vorzugsweise implementiert.
• Die Bewegung der 3D-Messvorrichtung 100 aufgrund von Gesten des Benutzers kann auch zur Steuerung der Darstellung des Videobildes VL und/oder der dreidimensionalen Punktwolke 3DP) verwendet werden. Insbesondere kann der Maßstab der Darstellung des Videobildes VL und/oder der dreidimensionalen Punktwolke 3DP auf dem Display 130 von der Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der Bewegung der 3D-Messvorrichtung 100 abhängen. Der Begriff „Maßstab“ soll als das Verhältnis zwischen der Größe (entweder lineare Abmessung oder Fläche) des Videobildes VL und der Größe (entweder lineare Abmessung oder Fläche) des Displays 130 definiert und als Prozentzahl angegeben sein.
• Einem kleinen Blickfeld der 2D-Kamera 113 ist ein kleiner Maßstab zugeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem unterteilten Display mit zentralem ersten Displayteil 130a, welcher das Videobild VL zeigt, ist dann der erste Displayteil 130a von geringerer Größe als im Standardfall, und der zweite Displayteil 130b zeigt einen größeren Teil der dreidimensionalen Punktwolke 3DP. Einem großen Blickfeld ist ein großer Maßstab zugeordnet. Das Videobild VL kann sogar das gesamte Display 130 ausfüllen.
• Die Auswertung der Koordinaten der Positionen der 3D-Messvorrichtung 100, welche dieser während des Messvorgangs entlang des Bewegungspfades durch den Raum einnimmt, kann auch dazu genutzt werden, die Art der Szene zu ermitteln und gegebenenfalls unterschiedliche Darstellungen oder Bedienmöglichkeiten anzubieten. So deutet ein Bewegungspfad um ein Zentrum herum (insbesondere mit Ausrichtung der 3D-Messvorrichtung 100 nach innen) eine Aufnahme eines einzelnen Objektes O (objektzentrierte Aufnahme) an, während ein Bewegungspfad mit Ausrichtung der 3D-Messvorrichtung 100 vom Bewegungspfad nach außen (und insbesondere längeren geraden Abschnitten des Bewegungspfades) auf eine Aufnahme von Räumen deutet. Entsprechend bietet sich an, im Falle der Aufnahme von Räumen (auch) einen Grundriss (Ansicht von oben) als Karte auf den Display 130 darzustellen.
• Bezugszeichenliste

100

3D-Messvorrichtung

102

Tragestruktur

102a

linker Arm

102b

rechter Arm

102c

unterer Arm

102r

Rücken

104

Gehäuse

104g

Griffteil

105

Schutzelement

106

Bedienelement

107

Statusleuchte

111

erste Kamera

112

zweite Kamera

113

2D-Kamera

114

Leuchtdioden

115

Abstrahlelement

116

Lichtleiter

118

Steuereinheit

119

Neigungsmesser

121

Projektor

121a

Laser

122

Steuer- und Auswertevorrichtung

122a

Prozessor

125

Kabel

130

Display

133

Marke

201

erster Verfahrensblock

202

zweiter Verfahrensblock

203

dritter Verfahrensblock

204

vierter Verfahrensblock

208

Grundlinie

210,230

Ebene

212

Epipolarlinie in Ebene 210

216

Punkt (Position) in Ebene 210

218

Punkt in Ebene 210

232,233

Strahl

234

Epipolarlinie in Ebene 230

236

Punkt in Ebene

240

Punktmenge

252, 254

Fehler

255, 257

Achse

256

Nickwinkel

258

Gierwinkel

3DP

dreidimensionale Punktwolke

400

Kalibrierplatte

401

Informationscode

402

Schachbett-Marke

403

kodierte Punkt-Marke

404

unkodierte Punkt-Marke

404a

retroreflektierende Punkt-Marke

405

Graukeil

406

Farbpalette

408

Spiegel

B

Grundlinienabstand

B₁₁₁

erste Bildebene (der ersten Kamera)

B₁₁₂

zweite Bildebene (der zweiten Kamera)

e

Epipolarlinie

E₁, E₂

Epipol

FOV

Blickfeld

O

Objekt

O₁, O₂

Projektionszentrum

P₁, P_A, P_B, P_C, P_D

Punkte auf Strahl 232

Q_A, Q_B, Q_C, Q_D

Punkte auf Epipolarlinie 212

P₁₂₁

Projektorebene

U₁, U₂

Einheit

U_A, U_B, U_C, U_D

Punkte auf Epipolarlinie 234

V_A, V_B, V_C, V_D

Punkte der Punktmenge 240

VL

aktuelles Videobild

W_A, W_B, W_C, V₁

Punkte auf Epipolarlinie 212

X

Muster

X₀, X₁, X₂

(ausgewählter) Punkt und Koordinaten hierzu

Claims (8)

1. Verfahren zum Kalibrieren einer 3D-Messvorrichtung (100) mittels einer Kalibrierplatte (400) mit mehreren Marken (402, 403, 404, 404a), wobei die Kalibrierplatte (400) in der Umgebung der 3D-Messvorrichtung (100) positioniert wird und von wenigstens einer ersten Kamera (111) der 3D-Messvorrichtung (100) aufgenommen wird, wobei mittels der Marken (402, 403, 404, 404a) auf der Kalibrierplatte (400), welche von wenigstens der ersten Kamera (111) aufnehmbar und in den Aufnahmen identifizierbar sind, die Position und Ausrichtung der Kalibrierplatte (400) relativ zur 3D-Messvorrichtung (100) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein von einem Projektor (121) der 3D-Messvorrichtung (100) ausgehender erster Strahl (232) auf einen Spiegel (408) der Kalibrierplatte (400) fällt, in einem ersten Punkt (X₁) am Spiegel (408) gespiegelt wird und dann in die erste Kamera (111) der 3D-Messvorrichtung (100) fällt, ein vom Projektor (121) der 3D-Messvorrichtung (100) ausgehender anderer, zweiter Strahl (233) nach der Spiegelung an einem zweiten Punkt (X₂) des Spiegels (408) der Kalibrierplatte (400) in eine zweite Kamera (112) der 3D-Messvorrichtung (100) fällt, und das Projektionszentrum (O₁) des Projektors (121) unter Verwendung der mittels der Marken (402, 403, 404, 404a) auf der Kalibrierplatte (400) gemessenen Position und Ausrichtung der Kalibrierplatte (400) relativ zur 3D-Messvorrichtung (100) als Schnittpunkt der vom Projektor (121) ausgehenden Strahlen (232, 233) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der vorgesehenen Kameras (111, 112, 113) einen Graukeil (405) und/oder eine Farbpalette (406) auf der Kalibierplatte (400) aufnimmt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der vorgesehenen Kameras (111, 112, 113) wenigstens eine auf dem Spiegel (408) angebrachte Marke (402, 403, 404, 404a) aufnimmt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der vorgesehenen Kameras (111, 112, 113) der 3D-Messvorrichtung (100) oder ein anderes Erfassungsgerät einen Informationscode (401) der Kalibrierplatte (400) aufnimmt, welcher Informationen bezüglich der Kalibrierplatte (400) oder Speicherortangaben über diese Informationen enthält, und dass der Informationscode (401) anschließend interpretiert wird, um die Informationen bezüglich der Kalibrierplatte (400) abzurufen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen sich auf die exakten Positionen der Marken (402, 403, 404, 404a), Codes (401) und sonstige Elemente (405, 406, 408) auf der Kalibrierplatte (400) und/oder Informationen über etwaige Unebenheiten oder sonstige Besonderheiten der Kalibrierplatte (400) oder der darauf angeordneten Elemente (401, 402, 403, 404, 404a, 405, 406, 408) beziehen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor (121) wenigstens ein Muster (X) auf der Kalibrierplatte (400) erzeugt, wenigstens die erste Kamera (111) und eine zweite Kamera (112) der 3D-Messvorrichtung (100) Aufnahmen der mit dem Muster (X) versehenen Kalibrierplatte (400) macht, und die 3D-Koordinaten von ausgewählten Punkten (X₁, X₂) auf der Kalibrierplatte (400) aus den Aufnahmen der vorgesehenen Kameras (111, 112, 113) und unter Verwendung von Kalibrierungsparametern ermittelt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kamera (111) und die zweite Kamera (112) der 3D-Messvorrichtung (100) das Muster (X) auf der Kalibrierplatte (400), welches von dem eine Projektorebene (P₁₂₁) definierenden Projektor (121) erzeugt wird und unkodiert ist, in ihre jeweiligen Bildebenen (B₁₁₁, B₁₁₂) abbilden, wobei der Projektor (121) und die erste Kamera (111) und die zweite Kamera (112) in einer Dreiecksanordnung zueinander angeordnet sind, und dass der Projektor (121) und die erste Kamera (111) und zweite Kamera (112) mit Punkten des Musters (X) verschiedene Epipolarlinien (e) in der Projektorebene (P₁₂₁) und den beiden Bildebenen (B₁₁₁, B₁₁₂) bilden, so dass ausgehend von jedem der drei Geräte (111, 112, 121) jeweils zwei Stereo-Geometrien mit den beiden anderen Geräten definierbar sind, die eindeutige Dreier-Beziehungen von Punkten und Epipolarlinien (e) ergeben, aus denen die Korrespondenz der Abbildungen des Musters (X) in den beiden Bildebenen (B₁₁₁, B₁₁₂) ermittelbar ist, und dass für den 3D-Scan aufgrund der ermittelten Korrespondenz der Abbildungen des Musters (X) mittels Triangulation die dreidimensionalen Koordinaten der Punkte auf der Oberfläche der Kalibrierplatte (400) ermittelt werden.
8. 3D-Messvorrichtung, geeignet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

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