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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Tiefenbestimmung eines Objektes, insbesondere mittels einer optischen Triangulation.
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Ein bekanntes Verfahren zur Tiefenbestimmung eines Objektes ist ein optisches Messverfahren, bei welchem eine strukturierte und/oder codierte Beleuchtung des Objektes, verwendet wird. Hierbei wird wenigstens ein codiertes Muster auf eine Oberfläche des Objektes projiziert und ein von der Oberfläche des Objektes reflektierter Anteil des Musters unter einem zur Projektion des Musters verschiedenen Winkel (Triangulationswinkel) mittels einer Kamera erfasst. Aus der Verzerrung des Musters, die auf dem von der Kamera erfassten Abbild zu erkennen ist, gegenüber dem ursprünglich projizierten Muster kann die dreidimensionale Form, das heißt die Tiefenbestimmung des Objektes erfolgen. Hierbei wird wenigstens ein Teil des Objektes mittels einer Mehrzahl von Messpunkten dreidimensional rekonstruiert.
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Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Muster, welches auf die Oberfläche des Objektes projiziert wird, ist ein aus Linien gebildetes Muster (Linienmuster). Typicherweise werden hierbei eine große Anzahl (größer 100) von optisch gleichartigen Linien verwendet, die parallel zueinander angeordnet sind.
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Zur Identifikation einer Linie des Linienmusters wird eine Codierung verwendet, die typischerweise jeder Linie des Linienmusters einen Linienindex (Identifikator, abgekürzt ID) zuordnet. Eine Codierung ist deshalb erforderlich, damit die im Abbild erfasste Linie ihrer zugehörigen projizierten Linie im projizierten Linienmuster eindeutig zugeordnet werden kann. Nur so kann eine treue Triangulation, das heißt eine Tiefenbestimmung des Objektes erfolgen. Das Problem der Zuordnung einer Linie des Abbilds zu ihrer zugehörigen projizierten Linie wird als Korrespondenzproblem bezeichnet. Das Korrespondenzproblem muss für alle projizierten Musterarten gelöst werden.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt, die auf Basis optischer Merkmale eine direkte Zuordnung einer Linie und/oder eines Bündels benachbarter Linien ermöglichen.
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Ferner kann eine eindeutige Zuordnung oder Unterscheidung einzelner Linien im Abbild durch einen eindeutigen Zusammenhang zwischen einer Eigenschaft der Linie und der Position der Linie im Linienmuster hergestellt werden. Beispielsweise kann dies mittels einer Farbe (Wellenlänge) der Linie ermöglicht werden. Allerdings werden solche Verfahren typischerweise nicht verwendet, da eine robuste Zuordnung unter typischen Messbedingungen nur mit vergleichsweise wenig Linien möglich ist.
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Typischerweise werden daher Verfahren verwendet, bei denen eine eindeutige Zuordnung von Bündeln benachbarter Linien (Linienbündel) erfolgt. Hierbei kann eine größtmögliche Anzahl von Linien projiziert und ausgewertet werden, die aufgrund des Auflösungsvermögens der Kamera unabhängig detektierbar sind. Die Zuordnung und Identifikation der Linienbündel kann mittels verschiedener Farben der einzelnen Linien der Linienbündel erfolgen. Hierbei sollte die Anzahl der Linien eines Lichtbündels möglichst minimiert werden, da dadurch kleinere Objekte oder kleinere Merkmale eines Objektes unabhängig von ihrer Umgebung aufgelöst werden können.
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Typischerweise werden im Stand der Technik periodische Linienmuster verwendet. Allerdings haben diese den Nachteil, dass aufgrund ihrer Periodizität keine eindeutige Zuordnung der Linien möglich ist. Lediglich unter der Verwendung zusätzlicher geometrischer Rahmenbedingung kann eine nahezu eindeutige Zuordnung erreicht werden. Wird beispielsweise eine einzelne Kamera verwendet, so kann eine solche Rahmenbedingung durch einen begrenzten Messraum ausgebildet werden. Hierbei lässt sich jedoch, gegebenenfalls abhängig vom Triangulationswinkel, nur eine sehr geringe Anzahl von Linien unterscheiden.
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Eine weitere Möglichkeit ist die zu vermessende Oberfläche des Objektes einzuschränken. Können beispielsweise deutliche Höhenstufen und/oder Unterbrechungen auf der Oberfläche des Objektes ausgeschlossen werden, so können die projizierten Linien gemäß ihrer Reihenfolge des Auftretens im Abbild identifiziert werden. Dadurch wird jedoch die Anwendbarkeit des Verfahrens deutlich eingeschränkt.
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Zur Überwindung der genannten Nachteile eines Linienmusters werden im Stand der Technik weitere Muster verwendet, insbesondere Punktmuster. Hierbei ermöglicht ein Punktmuster die Verwendung einer nicht periodischen Information zur Tiefenbestimmung des Objektes. Innerhalb eines Punktmusters, welches auf die Oberfläche des Objektes projiziert wird, wird die für eine Zuordnung der einzelnen Punkte des Punktmusters erforderliche Information mittels der relativen räumlichen Anordnung der Punkte des Punktmusters codiert. Hierbei kann die genannte Information beispielsweise durch eine nicht periodische Anordnung der Punkte des Punktmusters ausgebildet werden.
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Auch bei einem Punktmuster ist es wünschenswert eine möglichst detailreiche, das heißt hochaufgelöste Tiefenbestimmung des Objektes (Rekonstruktion), mittels eines einzigen Abbildes zu erreichen. Hierzu ist eine hohe Punktdichte, das heißt eine hohe Anzahl der Punkte des Punktmusters über die Oberfläche des Objektes, erforderlich. Eine höhere Punktdichte ist allerdings mit einer höheren Datendichte und somit mit einem höheren technischen Aufwand verbunden. Dadurch kann die Anforderung an ein kosteneffizientes Verfahren nicht mehr gegeben sein.
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Ein weiterer Nachteil eines Punktmusters ist, das die zur Zuordnung, das heißt die zur Lösung des Korrespondenzproblems erforderliche nicht periodische Information mittels einer zweidimensionalen räumlichen Anordnung der Punkte des Punktmusters codiert ist. Das ist deshalb ein Nachteil, da dadurch der Abstand der Punkte durch einen Mindestabstand beschränkt ist. Insbesondere ist der Mindestabstand derart festzulegen, dass einzelne Punkte als solche im Abbild der Kamera erkannt werden können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Tiefenbestimmung eines Objektes zu verbessern und die oben genannten Nachteile des Standes der Technik möglichst zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 14 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Tiefenbestimmung eines Objektes umfasst wenigstens die Schritte:
- - Bereitstellen wenigstens einer Projektionsvorrichtung, wenigstens einer Erfassungsvorrichtung und wenigstens einer Rechenvorrichtung;
- - Projektion wenigstens eines Punktmusters und wenigstens eines Linienmusters auf eine Oberfläche des Objektes mittels der Projektionsvorrichtung;
- - Erfassen wenigstens eines Teils des von der Oberfläche des Objektes reflektierten Punktmusters und Linienmusters mittels der Erfassungsvorrichtung; und
- - Tiefenbestimmung wenigstens eines Teilbereiches der Oberfläche des Objektes mittels der Rechenvorrichtung unter Verwendung des erfassten Teils des Punktmusters und des Linienmusters, wobei der erfasste Teil des Punktmusters zur Zuordnung wenigstens eines Teils der Linien im erfassten Teil des Linienmusters zum projizierten Linienmuster herangezogen wird.
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Durch den Begriff des Punktmusters ist jedes Muster umfasst, welches durch eine beabstandete räumliche Anordnung geometrischer Formen ausgebildet ist. Insbesondere sind die geometrischen Formen punktförmig, kreisförmig, kreisflächenartig, ellipsenförmig und/oder vieleckförmig ausgebildet. Im Weiteren werden die geometrischen Formen als Punkte bezeichnet.
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Das Linienmuster weist typischerweise eine Mehrzahl von beabstandeten Linien oder Streifen auf. Insbesondere weisen die Linien beziehungsweise Streifen des Linienmusters einen konstanten Abstand zueinander auf, sodass ein periodisches Linienmuster ausgebildet wird. Hierbei kann den Linien des Linienmusters ein Linienindex (Identifikator, abgekürzt ID) zugeordnet werden. Weiterhin kann das Linienmuster auch als Streifenmuster bezeichnet werden.
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Das Punktmuster und Linienmuster können im Weiteren unter dem Begriff des Musters zusammengefasst werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Korrespondenzproblem mittels einer synergetischen Kombination des Punktmusters und des Linienmusters verbessert beziehungsweise gelöst. Das ist deshalb der Fall da die Zuordnung wenigstens eines Teils der Linien im erfassten Teil des Linienmusters zum ursprünglich projizierten Linienmuster beziehungsweise zu den ursprünglich projizierten Linien des projizierten Linienmusters mittels des Punktmusters, das heißt mittels des erfassten Teils des Punktmusters erfolgt. Dadurch wird vorteilhafterweise eine verbesserte Triangulation ermöglicht, die eine gegenüber Störeinflüssen robustere Zuordnung, das heißt eine robustere Lösung des Korrespondenzproblems ermöglicht. Die Lösung des Korrespondenzproblems oder ein Verfahren zur Lösung des Korrespondenzproblems kann auch als Korrespondenzsuche bezeichnet werden.
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Vorteilhafterweise ist das Punktmuster zur Korrespondenzsuche besonders bevorzugt, da dieses zweidimensional codierbar ist. Dadurch können zwei räumliche Dimensionen des flächenartigen Punktmusters zur Codierung der für die Lösung des Korrespondenzproblems erforderlichen Information (Korrespondenzinformation) herangezogen werden. Im Vergleich zum Linienmuster, das maximal eine eindimensionale Codierung ermöglicht, kann mittels einer zweidimensionalen Codierung, das heißt mittels des Punktmusters, eine höhere Korrespondenzinformationsdichte erreicht werden. Dadurch kann vorteilhafterweise die Robustheit der Korrespondenzsuche sowie die Zeit- und Kosteneffizienz erhöht werden. Das ist deshalb der Fall, da für die Lösung die Anzahl der zu projizierenden Muster insgesamt reduziert werden kann.
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Mit anderen Worten erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung eine nahezu eindeutige Identifikation des Linienindex einer Linie des Linienmusters mittels des Punktmusters. Die vorliegende Erfindung stellt daher ein hybrides Verfahren zur Tiefenbestimmung des Objektes bereit.
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Hierbei ergänzen sich das Punktmuster und das Linienmuster synergetisch. Das ist deshalb der Fall, da ein Linienmuster typischerweise eine hohe Messdatendichte aufweist. Ein Punktmuster weist aufgrund seiner lokalen Periodizität hingegen eine vergleichsweise geringe Messdatendichte auf. Vorteilhafterweise wird der Nachteil des Punktmusters somit durch den Vorteil des Linienmusters ausgeglichen, sodass sich eine Synergie zwischen den zwei verwendeten Mustern ausbildet.
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Das Linienmuster weist aufgrund seiner Periodizität eine geringe Korrespondenzinformationsdichte auf. Das Punktmuster weist hingegen eine hohe Korrespondenzinformationsdichte auf, sodass das dem Linienmuster zugehörige Korrespondenzproblem erfindungsgemäß mittels des Punktmusters gelöst wird.
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Hierbei bestimmt ein Eindeutigkeitsfenster des Punktmusters, die minimalen Abmessungen eines isolierten detektierbaren, das heißt von einer Umgebungsinformation losgelösten Musterbereiches, der noch eindeutigen im Sinne der Korrespondenzsuche zugeordnet werden kann. Dadurch können vorteilhafterweise kleinere Bereiche der Oberfläche des Objektes aufgelöst werden. Hierbei erfolgt die Codierung der Korrespondenzinformation mittels eines Basispunktmusters des Punktmusters innerhalb des Eindeutigkeitsfensters.
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Die Codierung der Korrespondenzinformation innerhalb des Punktmusters kann mittels einer Anwesenheit und/oder Abwesenheit von Punkten erfolgen. Weiterhin kann die Codierung mittels der räumlichen Positionen der Punkte zueinander erfolgen. Ferner kann es von Vorteil sein, eine Mehrzahl von Punktmustern zu verwenden. Hierbei kann die Codierung mittels verschiedener Projektionsursprünge (dreidimensionale veränderliche Punktabstände) der Punktmuster erfolgen. Weiterhin kann die Codierung mittels der Anzahl von Punkten innerhalb des Eindeutigkeitsfensters, das heißt mittels einer Punktdichte, mittels einer verschiedenen Strahlform des für die Projektion eines Punktes vorgesehenen Lichtbündels, mittels einer verschiedenen Polarisation des für die Projektion eines Punktes vorgesehen Lichtbündels und/oder mittels einer Kombination der genannten Möglichkeiten zur Codierung erfolgen.
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Das Punktmuster weist eine hohe Korrespondenzinformationsdichte auf. Eine Berechnung von Messpunkten mittels einer Triangulation kann jedoch nur dort erfolgen, wo die Strahlen der zum Punktmuster zugehörigen Punkte auf das Objekt treffen. Hierbei ist es erforderlich, dass die Punkte des Punktmusters einen Mindestabstand zueinander aufweisen, sodass diese im ersten Abbild als einzelne Punkte erkannt werden können. Der genannte Mindestabstand und die hieraus resultierende Punktdichte beziehungsweise Korrespondenzinformationsdichte des Punktmusters werden im Wesentlichen durch das Auflösungsvermögen der Erfassungsvorrichtung, die insbesondere als Kamera ausgebildet ist, sowie einem Strahldurchmesser der Projektionsvorrichtung, der geforderten Schärfentiefe und der Eigenschaften der Oberfläche des Objektes, beispielsweise ihre Eindringtiefe und ihre Volumenstreuung, bestimmt.
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Das Linienmuster kann als Sonderfall des Punktmusters angesehen werden, bei dem die Punktdichte in einer Dimension infinitesimal ist. Vorteilhafterweise kann dadurch mittels des Linienmusters eine gegenüber dem Punktmuster erhöhte Messdatendichte erreicht werden.
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Der Erfindung liegt wenigstens die eine Erkenntnis zugrunde, dass das Punktmuster eine effiziente und robuste Korrespondenzsuche mit einer hohen Korrespondenzinformationssdichte und das Linienmuster eine möglichst hohe Messdatendichte bereitstellt. Hierbei wirken das Punktmuster und das Linienmuster synergetisch zusammen.
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Mit anderen Worten wird das Punktmuster erfindungsgemäß zur Korrespondenzsuche und das Linienmuster erfindungsgemäß zur Erhöhung der Messdatendichte verwendet. Im Ergebnis werden dadurch vorteilhafterweise eine höhere Messdatendichte, ein verbessertes Auflösungsvermögen und eine erhöhte Kosteneffizienz erzielt. Zusätzlich können die Messdaten zwischen ihren Stützstellen interpoliert werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden das Punktmuster und das Linienmuster mittels eines gemeinsamen Musters oder einer gemeinsamen Mustersequenz oder als jeweils separate Muster oder Mustersequenzen projiziert.
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Mit anderen Worten kann ein gemeinsames Muster, welches aus einem Punktmuster und Linienmuster gebildet ist, projiziert werden. Das Punktmuster und das Linienmuster werden folglich durch das gemeinsame Muster ausgebildet, welches Punkte und Linien umfasst. Alternativ können zwei voneinander getrennte Muster projiziert werden, die dem Punktmuster und dem Linienmuster entsprechen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgen die Projektionen des Punktmusters und die Projektion des Linienmusters zeitgleich oder zeitlich nacheinander.
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Erfolgt die Projektion des Punktmusters und des Linienmusters beispielsweise mittels des gemeinsamen Musters, so werden diese zeitgleich projiziert. Erfolgt die Projektion des Punktmusters und des Linienmusters getrennt, das heißt mittels zweier getrennter Muster, so kann eine zeitgleiche oder eine zeitlich versetzte Projektion der Muster erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Punktmuster mittels einer ersten Projektionseinheit der Projektionsvorrichtung und das Linienmuster mittels einer zweiten Projektionseinheit der Projektionsvorrichtung auf die Oberfläche des Objektes projiziert.
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Mit anderen Worten umfasst die Projektionsvorrichtung eine erste und zweite Projektionseinheit, wobei die erste Projektionseinheit zur Projektion des Punktmusters und die zweite Projektionseinheit zur Projektion des Linienmusters vorgesehen ist. Dadurch wird vorteilhafterweise die Projektion des Punktmusters und des Linienmusters durch zwei verschiedene Projektionseinheiten durchgeführt. Vorteilhafterweise kann dadurch die jeweilige Projektionseinheit gemäß dem durch ihr projizierten Muster ausgestaltet werden. Insbesondere können für die Projektion des Punktmusters und des Linienmusters unterschiedliche Projektionsursprünge, das heißt unterschiedliche räumliche Positionen der Projektionseinheiten vorgesehen sein. Vorteilhafterweise bilden sich durch die verschiedenen Projektionsursprünge verschiedene Triangulationswinkel aus. Mit anderen Worten wird für das Punktmuster und das Linienmuster ein verschiedener Triangulationswinkel verwendet. Vorteilhafterweise kann dadurch für die Lösung des Korrespondenzproblems ein kleinerer Triangulationswinkel und für die Triangulation der erfassten Messdaten ein größerer Triangulationswinkel verwendet werden. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise eine hohe Präzision der Tiefenbestimmung bei einem gleichzeitig großen Tiefenmessbereich.
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Alternativ können das Punktmuster und das Linienmuster mittels einer einzigen gemeinsamen Projektionseinheit erzeugt werden. Dies ist insbesondere bei einer Verwendung des gemeinsamen Musters von Vorteil.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden/wird das Punktmuster und/oder das Linienmuster mittels eines diffraktiven optischen Elementes der Projektionsvorrichtung erzeugt.
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Ein diffraktives optisches Element ist ein Mittel zur Lichtbeugung. Insbesondere ist ein optisches Gitter ein diffraktives optisches Element.
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Die Projektionsvorrichtung umfasst das diffraktive Element.
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Das diffraktive optische Element ist deshalb von Vorteil, da die Muster (Punktmuster und/oder Linienmuster) besonders vorteilhaft über Lichtbeugung mittels des diffraktiven optischen Elementes (abgekürzt DOE) erzeugt werden können. Das ist deshalb der Fall, da die verwendeten Muster punktsymmetrisch sein können und keine Graustufen aufweisen können. Weiterhin können dadurch vorteilhafterweise das Linienmuster und das Punktmuster mittels eines gemeinsamen Projektionskonzeptes ausgebildet werden. Projektionsvorrichtungen, die ein diffraktives optisches Element aufweisen, werden auch als diffraktive Projektionsvorrichtungen bezeichnet.
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Ein weiterer Vorteil der diffraktiven Erzeugung des Punktmusters und-/oder des Linienmusters ist, dass eine solche Erzeugung im Vergleich zu weiteren Verfahren zur Erzeugung von Mustern besonders lichteffizient ist. Das ist deshalb der Fall, da bei einer diffraktiven Erzeugung nur ein geringer Anteil des hierzu vorgesehenen Lichtes absorbiert wird. Dadurch steht vorteilhafterweise der Großteil des Lichtes zur Projektion des Musters zur Verfügung. Durch die diffraktive Erzeugung des Punktmusters und-/oder des Linienmusters kann vorteilhafterweise die erforderliche Lichtleistung der Projektionsvorrichtung um Größenordnungen reduziert werden.
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Weiterhin ist zur diffraktiven Erzeugung des Punktmusters und/oder des Linienmusters eine kohärente Lichtquelle der Projektionsvorrichtung vorteilhaft, beispielsweise ein Laser. Bei der Verwendung einer schmalbandigen, insbesondere monochromatischen Lichtquelle ergibt sich zudem der Vorteil, dass deren Licht bei Verwendung kameraseitiger Bandpassfilter gegenüber Umgebungslicht erkannt, identifiziert und detektiert werden kann. Dadurch werden der Dynamikumfang und die Robustheit des Verfahrens zur Tiefenbestimmung des Objektes verbessert.
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Weiterhin sind für eine Vielzahl von Frequenzbereichen schmalbandige Lichtquellen, insbesondere Laser, bekannt, sodass beispielsweise die Projektion mittels unsichtbaren nahinfraroten Lichtes erfolgen kann. Zudem stellen diffraktive Projektionsvorrichtungen einen kosteneffizienten und kompakten Aufbau der Projektionsvorrichtung bereit.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn für die Erzeugung des Punktmusters ein Licht mit einem ersten Spektrum und für die Erzeugung des Linienmusters ein Licht mit einem zum ersten Spektrum verschiedenen zweiten Spektrum verwendet wird.
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Das ist deshalb von Vorteil, da dadurch beispielsweise eine zeitgleiche Projektion der Muster erfolgen kann. Das ist deshalb der Fall, da durch die verschiedenen Spektren der Muster diese mittels der Erfassungsvorrichtung, beispielsweise mittels einer farbselektiven Kamera, separiert und somit einzeln erfasst und detektiert werden können.
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Besonders bevorzugt wird hierbei für eines der Spektren ein Spektrum im Bereich von 400 Nanometern bis 585 Nanometern und für das weitere der Spektren ein Spektrum im Bereich von 585 Nanometern bis 685 Nanometern verwendet wird.
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Mit anderen Worten wird als erstes (zweites) Spektrum ein Spektrum im Bereich von 400 Nanometern bis 585 Nanometern und als zweites (erstes) Spektrum ein Spektrum im Bereich von 585 Nanometern bis 685 Nanometern verwendet wird.
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Weiterhin kann als Alternative als erstes Spektrum ein Spektrum im Bereich von 585 Nanometern bis 685 Nanometern und als zweites Spektrum ein Spektrum im Bereich von 400 Nanometern (nm) bis 500 Nanometern.
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Ferner ist es von Vorteil wenn für wenigstens eines der Muster ein Wellenlängenbereich beziehungsweise Spektrum größer gleich 685 Nanometern verwendet wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Erkennung oder Trennung des erfassten Teils des Punktmusters und des Linienmusters mittels einer spektralen Selektivität der Erfassungsvorrichtung, insbesondere mittels eines spektralen Filters oder eines Filtermusters.
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Beispielsweise kann hierzu die Erfassungsvorrichtung als Kamera, insbesondere als Farbkamera, die einen Bayer-Sensor umfasst, ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Punktmuster mit einer Breite seines Eindeutigkeitsfensters erzeugt, die gleich oder geringer als eine Periode des Linienmusters ist.
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Insbesondere kann dies für eine Gesamtheit einer Punktmustersequenz erfolgen.
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Durch die vorteilhafte oben genannte Festlegung der Breite wird vorteilhafterweise für jede Linie des Linienmusters eine eindeutige Korrespondenz durch das projizierte Punktmuster bereitgestellt.
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Wird insbesondere eine Mehrzahl von Punktmustern verwendet, so ist es nicht erforderlich, dass jedes der Punktmuster ein Eindeutigkeitsfenster mit einer gleichen oder geringen Breite als die Periode des Linienmusters aufweist. Nur in einer Kombination der Punktmuster hat das Eindeutigkeitsfenster eine gleiche oder geringere Breite als die Periode des Linienmusters.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden/wird das Punktmuster und/oder das Linienmuster mit einer Punktsymmetrie oder Achsensymmetrie erzeugt.
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Vorteilhafterweise können achsensymmetrische oder punktsymmetrische Punktmuster und/oder Linienmuster besonders effizient mittels eines diffraktiven optischen Elementes erzeugt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Punktmuster aus einer Mehrzahl von Kacheln, die ein gleiches Basispunktmuster aufweisen, erzeugt.
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Dadurch wird vorteilhafterweise ein besonders kleines Eindeutigkeitsfenster des Punktmusters ermöglicht. Insbesondere werden vorteilhafterweise Mehrdeutigkeiten in der Korrespondenzsuche, insbesondere durch geometrische Einschränkungen, beispielsweise minimaler und maximaler Messabstand, aufgelöst.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Mehrzahl von zueinander verschiedenen Punktmustern und eine Mehrzahl von zueinander verschiedenen Linienmustern verwendet.
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Vorteilhafterweise wird dadurch eine möglichst hohe Gesamtabdeckung der Oberfläche des Objektes ermöglicht. Weiterhin wird durch eine Mehrzahl beziehungsweise Sequenz von Punktmustern und Mehrzahl beziehungsweise Sequenz von Linienmustern die Korrespondenzsuche verbessert. Hierbei kann die Mehrzahl der Punktmuster sowie die Mehrzahl der Linienmuster zeitgleich oder sequenziell nacheinander projiziert werden. Insbesondere ist eine Mehrzahl beziehungsweise eine Sequenz von gemeinsamen Mustern vorgesehen.
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Besonders bevorzugt weisen die Linien eines Linienmusters zu den Linien eines weiteren Linienmusters und/oder die Punkte eines Punktmusters zu den Punkten eines weiteren Punktmusters einen räumlichen Versatz zueinander auf.
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Vorteilhafterweise kann dadurch eine besonders hohe Gesamtabdeckung der Oberfläche des Objektes erreicht werden. Durch die Punktmuster kann eine möglichst hohe Gesamtabdeckung dadurch erreicht werden, dass die Anordnung ihrer zugehörigen Punkte möglichst wenig Ähnlichkeit zueinander aufweisen. Weiterhin ist hierzu eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Punkte im Punktmuster und/oder in einer Gesamtheit von mehreren Punktmustern von Vorteil.
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Insbesondere können bei der Projektion mehrerer Punktmuster und/oder Linienmusters aus jeweils verschiedenen Projektionsursprüngen dreidimensional veränderliche Punkteabstände und Linienabstände zur Verbesserung der Korrespondenzsuche herangezogen werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Tiefenbestimmung eines Objektes umfasst:
- - wenigstens eine Projektionsvorrichtung, wenigstens eine Erfassungsvorrichtung und wenigstens eine Rechenvorrichtung; wobei
- - die Projektionsvorrichtung zur Projektion wenigstens eines Punktmusters und wenigstens eines Linienmusters auf eine Oberfläche des Objektes ausgebildet ist; wobei
- - die Erfassungsvorrichtung zur Erfassung wenigstens eines Teils des von der Oberfläche reflektierten Punktmusters und Linienmusters ausgebildet ist; und
- - die Rechenvorrichtung derart ausgebildet ist, dass unter einer Verwendung des erfassten Teils des Punktmusters und des Linienmusters eine Tiefenbestimmung eines Teilbereiches der Oberfläche des Objektes erfolgt, wobei der erfasste Teil des Punktmusters zur Zuordnung wenigstens eines Teils der Linien im erfassten Teil des Linienmusters zum projizierten Linienmuster heranziehbar ist.
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Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren zur Tiefenbestimmung eines Objektes gleichartige und gleichwertige Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Projektionsvorrichtung wenigstens ein diffraktives optisches Element zur Erzeugung des Punktmusters und/oder des Linienmusters.
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Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn die die Projektionsvorrichtung wenigstens zwei diffraktive optische Elemente zur Erzeugung des Punktmusters und des Linienmusters umfasst, wobei die diffraktiven optischen Elemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Hierbei ist wenigstens eines der diffraktiven optischen Elemente für die Erzeugung des Punktmusters und wenigstens ein weiteres der diffraktiven optischen Elemente zur Erzeugung des Linienmusters vorgesehen.
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Vorteilhafterweise können die diffraktiven optischen Elemente aufgrund ihrer kleinen Bauweise auf dem gemeinsamen Substrat angeordnet werden. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise der Projektionsvorrichtung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert
- 1 eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 ein Punktmuster;
- 3 ein Linienmuster;
- 4 ein schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 5 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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In 1 ist eine Vorrichtung zur Tiefenbestimmung eines Objektes 1 dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Projektionsvorrichtung 4 zur Projektion wenigstens eines Punktmusters und wenigstens eines Linienmusters auf wenigstens einen Teil der Oberfläche des Objektes 1.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung wenigstens eines Teils der von einem Teil der Oberfläche des Objektes 1 reflektierten Muster (Punktmusters und Linienmuster). In diesem Ausführungsbeispiel werden das Punktmuster und das Linienmuster als zwei getrennte Muster projiziert, sodass der erfasste Teil des Punktmusters einem ersten Abbild 21 und der erfasste Teil des Linienmusters einem zweiten Abbild 22 entspricht. Allerdings kann das Gesagte auf eine Projektion und Erfassung eines gemeinsamen Musters, gebildet aus dem Punktmuster und dem Linienmuster, übertragen werden. Für ein gemeinsames Muster kann ein gemeinsames Abbild erfasst werden.
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Die Erfassungsvorrichtung ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Kamera ausgebildet. Das erste und zweite Abbild 21, 22 werden folglich von der Kamera erfasst und bereitgestellt. Hierbei ist exemplarisch und symbolisch das zweite Abbild 22, welches mittels der Kamera erfasst wurde, dargestellt.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Rechenvorrichtung 6 (nicht in 1 dargestellt), die derart ausgebildet ist, dass mittels des ersten und zweiten Abbildes 21, 22 (erfasster Teil des Punktmusters und des Linienmusters) eine Tiefenbestimmung eines Teilbereiches der Oberfläche des Objektes 1 erfolgt, wobei das erste Abbild 21 (erfasster Teil des Punktmusters) zur Zuordnung wenigstens eines Teils der Linien im zweiten Abbild 22 (erfasster Teil des Linienmusters) zum projizierten Linienmuster heranziehbar ist.
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Die Projektionsvorrichtung 4, die insbesondere als diffraktiver Projektor ausgebildet ist, und die Erfassungsvorrichtung, die insbesondere als Kamera ausgebildet ist, weisen einen räumlichen Abstand zueinander auf, welcher als Triangulationsbasis 105 bezeichnet wird. Die Triangulationsbasis 105 ist durch die gestrichelte Linie verdeutlicht.
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Mittels der Projektionsvorrichtung 4 werden das Punktmuster und das Linienmuster auf wenigstens einen Teil der Oberfläche des Objektes 1 projiziert. Unter einem Triangulationswinkel, der durch die Sichtlinie 106 verdeutlicht wird, werden die Abbilder 21, 22 der Oberfläche des Objektes mittels der Kamera erfasst.
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Exemplarisch ist in 1 nur die Projektion des Linienmusters dargestellt. Hierbei wird das Linienmuster durch zwei symbolische Linien 421, 422 angedeutet. Die erste projizierte Linie 421 wird als entsprechende Linie 421 im zweiten Abbild 22 erfasst. Die zweite projizierte Linie 422 wird als entsprechende Linie 422 im zweiten Abbild 22 erfasst.
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Exemplarisch ist ein Punkt 104 auf der ersten Linie 421 durch ein Kreuz gekennzeichnet, der sich entsprechend im zweiten Abbild 22 wiederfindet. Aus dem Punkt 104 im zweiten Abbild 22 kann die Sichtlinie 106 abgeleitet werden. Durch eine geometrische Berechnung, der ein Schnittpunkt zwischen der Linie 421 und der Sichtlinie 106 zugrunde liegt, kann die dreidimensionale Position des Punktes 104 auf der Oberfläche des Objektes 1 berechnet oder bestimmt werden.
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Weiterhin erfolgt die Tiefenbestimmung unter Verwendung eines Koordinatensystems 100, wobei eine X-Achse des Koordinatensystems mit dem Bezugszeichen 101, eine Y-Achse des Koordinatensystems 100 mit dem Bezugszeichen 102 und eine Z-Achse des Koordinatensystems 100 mit dem Bezugszeichen 103 gekennzeichnet ist. Die genannten Achsen 101, 102, 103 bilden ein dreidimensionales rechtwinkliges Koordinatensystem aus.
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Weiterhin kann eine Mehrzahl von Punktmustern und eine Mehrzahl von Linienmustern auf die Oberfläche des Objektes 1 mittels der Projektionsvorrichtung 4 projiziert werden. Dadurch wird vorteilhafterweise eine möglichst hohe Abdeckung der Oberfläche des Objektes 1 erreicht. Insbesondere können hierzu die projizierten Muster mittels eines Aktuators, beispielsweise eines Scan-Spiegels, von Abbild zu Abbild (Bildaufnahme) relativ zueinander verschoben werden. Dadurch wird vorteilhafterweise eine hohe Messdatendichte ermöglicht.
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In 2 ist ein exemplarisches Punktmuster 41, das beispielsweise mittels der Projektionsvorrichtung 4 auf die Oberfläche des Objektes 1 (siehe 1) projiziert wird, dargestellt.
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Das Punktmuster 41 kann mittels eines diffraktiven optischen Elementes (DOE) erzeugt werden. Ein Eindeutigkeitsfenster 110 ist symbolisch durch das weiße Rechteck dargestellt. Weiterhin ist innerhalb des Eindeutigkeitsfensters 110 ein Basispunktmuster angeordnet. Hierbei sollte das Eindeutigkeitsfenster 110 möglichst klein ausgebildet sein. Mit anderen Worten ist das Punktmuster 41 derart ausgebildet, dass dieses ein möglichst kleines Eindeutigkeitsfenster 110 aufweist.
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Die Punkte des Punktmusters 41 können grundsätzlich mittels einer Vielzahl von geometrischen Formen gebildet werden. Entscheidend ist, dass die Punkte des Punktmusters 41 im ersten Abbild 21, welches beispielsweise mittels einer Kamera erfasst wurde, ausreichend gut voneinander trennbar sind.
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In 3 ist ein exemplarisches Linienmuster 42 dargestellt.
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Das Linienmuster 42 weist eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Linien auf. Das Linienmuster 42 ist periodisch, das heißt die zueinander beabstandeten Linien des Linienmusters 42 weisen zueinander einen konstanten Abstand auf. Mit anderen Worten erstrecken sich die Linien mit konstantem Abstand parallel zueinander. Die Periode des Linienmusters 42 ist symbolisch mit dem Bezugszeichen 111 gekennzeichnet. Aus der Verzerrung der Linien im zweiten Abbild 22 kann auf die dreidimensionale Form des Objektes 1 geschlossen werden (Tiefenbestimmung). Alternativ ist die Verwendung von aperiodischen Linienmustern, das heißt nicht konstantem Abstand möglich.
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In 4 ist ein schematischer Aufbau einer Vorrichtung zur Tiefenbestimmung eines Objektes dargestellt.
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Die Vorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Kameras 2 sowie eine Mehrzahl von Projektionsvorrichtungen 4. Die Mehrzahl der Kameras 2 und die Mehrzahl der Projektionsvorrichtungen 4 sind symbolisch durch die dreifachen Punkte verdeutlicht.
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Die Kameras 2 und die Projektionsvorrichtungen 4 sind auf das zu prüfende Objekt gerichtet, sodass wenigstens eine Projektion mittels eines Punktmuster und eines Linienmuster erfolgt. Mit anderen Worten wird das Objekt mittels eines Punktmusters und eines Linienmusters beleuchtet. Dies kann zeitgleich oder zeitlich nacheinander erfolgen.
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Die Kameras 2 sind dazu ausgebildet jeweils ein Abbild des Punktmusters (erstes Abbild) und des Linienmusters (zweites Abbild), des von der Oberfläche des Objektes reflektierten zugehörigen Musters, zu erzeugen. Mittels einer Korrelation zwischen einem der Abbilder 21, 22 und dem zum Abbild 21, 22 zugehörigen projizierten Muster (Referenzmuster) wird eine Korrespondenz zwischen den Abbildern 21, 22 und den projizierten Mustern hergestellt. Mittels dieser Korrelation kann die Tiefenbestimmung des Objektes erfolgen.
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Weiterhin kann die mittels eines der Muster hergestellte Korrespondenz mittels geometrischer Operationen, insbesondere mittels Kalibrierdaten oder einer Epipolargeometrie, auf weitere Abbilder übertragen werden. Mittels eines Optimierungsverfahrens kann dadurch ein Konsens aus mehreren Korrespondenzinformationen ermittelt werden, sodass falsche Korrespondenzen unterdrückt werden beziehungsweise nicht ermittelte Korrespondenzen ergänzt werden können.
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Hierzu weist der in 4 dargestellte Aufbau insbesondere eine Rechenvorrichtung 6 auf, wobei die Rechenvorrichtung 6 eine Steuereinheit 61, eine Datenverarbeitungseinheit 62 sowie eine Datenausgabeeinheit 63 umfasst.
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Die Steuereinheit 61 ist zur Steuerung der Kameras 2 sowie zur Steuerung der Projektionsvorrichtungen 4 vorgesehen. Die Datenverarbeitungseinheit 62 ist zur Verarbeitung der durch die Steuereinheit 61 ermittelten Messdaten vorgesehen. Die Datenausgabeeinheit 63 ist zur Darstellung der mittels der Datenverarbeitungseinheit 62 verarbeiteten und aufbereiteten Messdaten vorgesehen. Mit anderen Worten kann die Datenausgabeeinheit 63 einem Benutzer ein Tiefenbild des Objektes, das heißt ein dreidimensionales Abbild des Objektes, anzeigen.
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In 5 ist ein schematischer Ablauf des Verfahrens zur Tiefenbestimmung des Objektes, insbesondere mittels einer in 1 oder 4 dargestellten Vorrichtung, mittels eines Flussdiagramms verdeutlicht.
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Mittels einer Mehrzahl von Kameras wird eine Mehrzahl von Abbildern 21, 22 gewonnen. Mit anderen Worten wird eine Mehrzahl von ersten Abbildern 21 und eine Mehrzahl von zweiten Abbildern 22 mittels der Mehrzahl von Kameras 2 erfasst. Hierzu wird in einem vorgelagerten Schritt eine Mehrzahl von Punktmustern 41 und eine Mehrzahl von Linienmustern 42 auf die Oberfläche des Objektes projiziert. Die Mehrzahl der Punktmuster 41 und die Mehrzahl der Linienmuster 42 werden innerhalb einer Definition 301 festgelegt.
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Mittels der durch die Kameras erfassten Abbilder können Abbilder der Punktmuster 21 und Abbilder der Linienmuster 22 erzeugt werden. Diese werden einer Detektion der Punkte 211 und einer Detektion der Linien 221 zugrunde gelegt.
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Anschließend kann mittels der detektierten Punkte und der detektierten Linien das Korrespondenzproblem gelöst werden (Bezugszeichen 300). Hierzu wird auf die mittels der Definition 301 ursprünglich definierten Muster zurückgegriffen.
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Weiterhin kann eine Kalibrierung 302 beim Lösen des Korrespondenzproblems 300 berücksichtigt werden. Ferner wird die Kalibrierung 302 bei einer Triangulation 303 der Punkte sowie einer Triangulation der Linien 304 berücksichtigt.
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Hieraus kann schließlich ein dreidimensionales Abbild 305 des Objektes bestimmt werden. Das dreidimensionale Abbild 305 kann beispielsweise als dreidimensionale Punktwolke einem Benutzer mittels der Datenausgabeeinheit (siehe 3) angezeigt werden. Mit anderen Worten erfolgt im Schritt 305 die Tiefenbestimmung des Objektes.
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Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere eine Tiefenbestimmung eines Objektes bereit, die hinsichtlich der Anzahl ihrer Messpunkte leistungsstark ist und eine robuste Decodierbarkeit aufweist.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
