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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellstmöglichen und hochgenauen 3D-Vermessung von Objektoberflächen, bei dem spektral schmalbandige Muster auf das zu vermessende Objekt projiziert werden, die von standortunterschiedlichen Bildansichten als korrespondierende Bildmuster des Objekts, beispielsweise durch Kameras, detektiert werden.
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Die Entstehung subjektiver Speckles hängt mit der Kohärenz, der Interferenzfähigkeit des Lichtes, zusammen. Das kohärente Licht wird am Objekt gestreut und anschließend durch ein Linsensystem abgebildet. Dabei überlagern sich verschiedene Teile der gestreuten Wellenfront und erzeugen in der Bildebene der Abbildungsoptik ein von den Phasendifferenzen der Teilwellen abhängiges Interferenzmuster mit hellen und dunklen Bereichen. Wegen ihrer granularen oder körnigen Struktur werden diese Interferenzmuster als Specklemuster (englisch für Flecken oder Tupfen) bezeichnet. Die geometrische Größe dieser sogenannten subjektiven Speckles, d.h. der Bereiche konstanter Intensität innerhalb des Specklemusters ist von der Apertur des verwendeten Abbildungssystems abhängig. Dabei gilt, je weiter die Blende geöffnet ist, desto kleiner sind die Speckles. Die die subjektiven Speckles verursachenden Phasendifferenzen sind sowohl von der Oberflächenstruktur des Objektes als auch von Abstand und Ausrichtung der abbildenden Optik abhängig.
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In vielen Bereichen von Technik und Wissenschaft sind optisch messende 3D-Messsysteme erforderlich. Sie werden beispielsweise für die Qualitätskontrolle in Fließbandanwendungen, biometrischen Aufzeichnungen sowie bei architektonischen und kunsthistorischen Bestandsaufnahmen, Archivierung, Rekonstruktion und Replikation verwendet. Allerdings befinden sich die Messobjekte in vielen Anwendungsfeldern oft in für die 3D-Vermessung ungünstigem Umgebungslicht.
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Bekannt sind Verfahren zur hochgenauen (relative Messunsicherheit < 10
-4) und dichten 3D-Vermessung von Objekten unter Verwendung strukturierter Beleuchtung. Dazu zählen beispielsweise Verfahren der Streifenprojektion (W. Schreiber and G. Notni: Theory and arrangements of self-calibrating whole-body three-dimensional measurement systems using fringe projection technique, Optical Engineering 39, 2000, 159-169; J-Gühring, Dense 3-D surface acquisition by structured light using off-the-shelf components, video-metrics and optical methods for 3D shape measurement 4309, 2011, 220-231) oder Verfahren unter Verwendung statistischer Muster (
DE 196 23 172 C1 ;
A. Wiegmann, H. Wagner, R. Kowarschik; Human face measurement by projecting bandlimited random patterns; Optics Express 14, 2006, 7692-7698). Viele der genannten Verfahren verwenden als Leuchtmittel zur Projektion der Muster typischerweise Weißlichtquellen, die ihre gesamte optische Leistung auf einen breiten Spektralbereich verteilen, respektive kurze Kohärenzlängen besitzen und damit kein subjektives Specklerauschen in den jeweiligen Detektoren verursachen. Allerdings ist die Schärfentiefe inkohärenter Verfahren immer durch die Abbildungseigenschaften der abbildenden Optik, hauptsächlich durch die Projektionsoptik, begrenzt. Zudem leidet die Qualität der Messverfahren erheblich unter der Anwesenheit von Streu- und Umgebungslicht, das ohne erheblichen Mehraufwand nicht unterdrückt werden kann.
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Des Weiteren wurden auch schon Laser als Leuchtmittel für Verfahren unter Verwendung statistischer Muster eingesetzt (M. Schaffer, M. Grosse, B. Harendt, R. Kowarschik; Highspeed three-dimensional shape measurements of objects with laser speckles and acusto-optical deflection, Optics Letters 36, 2011, 3097-3099). Bei dieser Methode wird die kohärente Beleuchtung durch den Laser genutzt, um die Musterstrukturen schnell (f > 200 kHz) erzeugen zu können.
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In diesem Zusammenhang ist bereits vorgeschlagen worden, durch spektrale Filterung das Umgebungslicht vom Signal zu trennen, um insbesondere bei ungünstigen Lichtverhältnissen beispielsweise durch grelle Sonneneinstrahlung bei Außenvermessungen bessere Ergebnisse zu erzielen (
DE 10 2012 001 307 A1 ). Auch hier kann allerdings durch auftretendes subjektives Specklerauschen die Messgenauigkeit beeinträchtigt werden, sodass es wünschenswert wäre, diese möglichen Störquellen gänzlich auszuschalten und die Auswertegenauigkeit weiter zu erhöhen.
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Weiterhin sind Verfahren des Laserscannens bekannt (
DE 10 2006 060 108 A1 ,
DE 198 06 288 A1 ), die im Außenbereich und damit ebenfalls in Szenarien, welche potentiell durch starkes Umgebungslicht geprägt sind, eingesetzt werden. Jedoch weisen diese im Vergleich zu Verfahren mit flächiger, strukturierter Beleuchtung eine längere Messzeit, geringere Punktdichte und höhere Messunsicherheit auf und sind damit für eine sehr schnelle und hochgenaue 3D-Rekonstruktion nicht geeignet. Da diese Verfahren sequentiell Messpunkte erfassen, repräsentiert die Messung keinen exakten Zeitpunkt, und sich verändernde Messobjekte/-szenarien werden fehlerhaft erfasst. Außerdem werden diese Verfahren oftmals für größere Entfernungen verwendet und besitzen ein Eindeutigkeitsintervall, welches die räumliche Tiefenausdehnung nachteilig beschränkt und eine Adaption an Nahbereichsanwendungen nicht zulässt.
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Es ist weiterhin eine Methode bekannt, das Specklerauschen bei spektral schmalbandigen Musterprojektionsverfahren zu unterdrücken (
DE 10 2012 002 161 A1 ), indem ein phasenschiebendes Element in den Strahlengang des Projektors gebracht wird und von diesem auf die zu vermessende Objektoberfläche abgebildet wird. Bei diesem Verfahren geht zum einen viel Licht verloren, da es am phasenschiebenden Element zwangsläufig zu unbeabsichtigten Streu-, Absorptions- und Transmissionsvorgängen kommt. Die Lichtleistung des Gesamtprojektionssystems wird dadurch reduziert. Ferner wird die Schärfentiefe der verwendeten spektral schmalbandigen Muster auf die Schärfentiefe reduziert, die durch die das phasenschiebende Element auf die zu vermessende Objektoberfläche abbildende Optik vorgegeben wird. Die genannte Schärfentiefe der besagten Muster sinkt somit von der Größenordnung einiger Meter auf einige Dezimeter.
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Ferner wurde ein Verfahren zum pixelweisen Verschieben der Kameras und einem anschließenden numerischen Zurücksetzen der Bilder vorgeschlagen (A. W. Stark, E. Wong, D. Weigel, H. Babovsky, T. Schott und R. Kowarschik, „Subjective speckle suppression in laser-based stereo photogrammetry“, Optical Engineering 55(12), 121713 (2016), doi:10.1117/1.OE.55.12.121713.). Dabei wird unter Verwendung kohärenten Laserlichtes eine Folge statistischer Muster objektiver Speckles auf das zu vermessende Objekt projiziert. Zwei Kameras zeichnen Bilder der Objektoberfläche auf, wobei von jeder Kamera mehrere Einzelbilder bei jedem Muster aufgenommen werden. Zwischen den einzelnen Aufnahmen (Einzelaufnahmen) werden die Kameras über ein mechanisches Stellelement soweit verschoben, dass das Bild des Objektes auf dem Detektor genau ein Pixel weit verschoben wird. Wie eingangs beschrieben, verändert sich dadurch die entstehende Verteilung der subjektiven Speckles in jeder Einzelaufnahme, wobei die Objektinformation nahezu unverändert erhalten bleibt. Die Abbildungseigenschaften der Kameraoptiken sind an den minimal verschobenen Punkten kaum messbar verändert und wirken sich, laut der Veröffentlichung und durchgeführter Experimente, nicht negativ auf das Verfahren aus. Anschließend werden diese Einzelbilder mit dem Vorwissen, wie weit das Bild verschoben wurde, numerisch „zurückgesetzt“. Mittelungen über die erhaltenen Einzelbilder liefern Mittelungsbilder mit einem reduzierten subjektiven Specklerauschen. Eine Sequenz der Mittelungsbilder, wobei bei jedem Mittelungsbild ein anderes statistisches Muster auf das Objekt projiziert wird, wird zur Rekonstruktion der Objektoberfläche verwendet. Die Zahl der rekonstruierten 3D-Punkte konnte damit ebenso wie die Präzision gesteigert werden, allerdings erhöhte sich die Aufnahmezeit um wenigstens das Dreifache und die Rekonstruktionszeit durch die notwendige numerische Nachbearbeitung (größere Datenmengen, mechanisches Verschieben der Kameras, Mittelungsprozesse) erheblich. Eine schnelle Messung oder sogar eine Echtzeitrekonstruktion ist mit diesem Verfahren nicht möglich.
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Zusammenfassend ist festzustellen, dass bisher kein Verfahren bekannt ist, das flächige, dichte, genaue (relative Messgenauigkeit < 10-4 der 3D-Punkte) 3D-Messungen mittels schmalbandiger Musterprojektion realisiert und gleichzeitig störendes subjektives Specklerauschen unterdrückt, ohne die Präzision der 3D-Aufnahmen und die Schärfentiefe kohärenter Musterstrukturen nennenswert zu beeinflussen oder einen erheblichen zeitlichen Mehraufwand bei der Aufnahme und der numerischen Verwertung zu erfordern.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zu Grunde, das Objekt mit geringem Aufwand, schnellstmöglich dreidimensional zu vermessen und die Genauigkeit der 3D-Rekonstruktion ohne Einbuße an Geschwindigkeit und Schärfentiefe insbesondere bei ungünstigen Lichtverhältnissen weiter zu erhöhen. Dabei sollen bei sehr hohen Messgenauigkeiten (relative Messgenauigkeit wesentlich besser als 10-4 3D-Aufnahmeraten höher als 10 Hz, d.h. mehr als 10 3D-Aufnahmen pro Sekunde, erzielbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur 3D-Vermessung von Objekten gelöst, bei dem zumindest ein zu veränderndes oder mehrere unterschiedliche spektral schmalbandige Muster mit hoher Abbildungsrate auf die dreidimensionale Objektoberfläche projiziert werden sowie dass zumindest ein projiziertes Muster in seiner Veränderung bzw. die projizierten unterschiedlichen Muster in ihrem Wechsel von wenigstens einem Detektor als standortunterschiedliche korrespondierende Bildmuster der zu vermessenden Objektoberfläche erfasst und zur Gewinnung von 3D-Informationen des Objektes ausgewertet werden. Dabei wird erfindungsgemäß die Position des oder der Detektoren oder der Strahlengang des Lichtes vom Objekt zum Detektor variiert. Die Positionsveränderung erfolgt während der Aufnahmen und/oder während Aufnahmepausen.
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Die Positionsveränderung des Detektors oder der Detektoren wird durch Verstellelemente bewerkstelligt, die sowohl vorgeschriebene regelmäßige, wie auch statistische oder vorgegebene Schrittweiten realisieren können. Der Strahlengang des zu detektierenden Lichtes, das vom Objekt zum Detektor gestreut wird, kann durch Umlenkspiegel realisiert werden, die in irgendeiner Weise schwingen können oder definiert bewegt werden.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungsmerkmale aufgeführt.
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Durch den Standortwechsel der Detektoren bzw. die Veränderung des Strahlenganges wird das Wellenfeld des vom Objekt gestreuten kohärenten Lichtes an unterschiedlichen Teilen der Wellenfront ausgewertet. Die Phasendifferenzen sind an den verschiedenen Orten unterschiedlich, und das Specklerauschen ist folglich verschieden. Eine Bewegung des Detektors hat somit zur Folge, dass eine andere subjektive Specklerauschverteilung realisiert wird. Über diese verschiedenen Specklerauschverteilungen kann nun gemittelt werden, indem eine Bewegung der Kameras während der Belichtung erfolgt. Durch die Verschiebung der Detektoren bzw. die Veränderung des Strahlenganges des gestreuten Lichtes wird es möglich, mit spektral schmalbandigen optischen Mustern die gleiche Genauigkeit zu erreichen, wie mit spektral breitbandigen Quellen. Es können darüber hinaus die Vorteile der spektral schmalbandigen optischen Muster, wie hohe Lichtleistung, hohe Projektionsrate (bis in den kHz-Bereich) und eine große Schärfentiefe (bis zu einigen Metern) genutzt werden.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels zur schnellen und hochgenauen 3D-Vermessung von Objekten mit Unterdrückung störender subjektiver Speckles näher erläutert werden.
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Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem spektral schmalbandigen Projektor und Detektoren, deren Position verändert werden kann.
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Von einem Objekt 1 soll die Oberfläche dreidimensional und hochgenau vermessen und rekonstruiert werden. Zu diesem Zweck werden Muster von einem Projektor 2 auf die zu vermessende Oberfläche des Objektes projiziert. Zwei synchronisierte und in Bezug auf die inneren und äußeren Parameter des Stereoaufbaus kalibrierte Kameras 5, bestehend aus Abbildungsoptik 4 und Sensoren 3, sind auf motorisierten Lineartischen angebracht und werden während der Aufnahme bewegt. Diese Bewegung ist in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet.
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Die beiden standortunterschiedlichen Kameras machen beispielsweise 20 Aufnahmen von den auf das Objekt 1 projizierten Mustern. Der spektral schmalbandige Musterprojektor erzeugt für jede der 20 Aufnahmen ein anderes Muster objektiver Speckles. Während der Aufnahme werden die Kameras 3, 4 im µm-Bereich (< 600 µm) bewegt und mitteln so über die sich verändernden subjektiven Speckleverteilungen. In den entstehenden Bildern wird der Kontrast der subjektiven Speckles reduziert und somit das Specklerauschen vermindert. In stereophotogrammetrischen Prozessen ist die genaue Kenntnis über Abbildungseigenschaften, Position und Ausrichtung der Kameras essentiell für eine hohe Präzision. Eine zu große Verschiebung führt zu Fehlern, die sich durch ein rapides Abnehmen der Zahl der rekonstruierten 3D-Punkte bemerkbar macht. Als gut anwendbar hat sich experimentell eine Verschiebungsweite von 500 µm bis 600 µm ergeben. Im verwendeten Abbildungsmaßstab entsprach dieser Abstand einer Verschiebung des Bildes auf dem Detektor von bis zu 3 Pixeln, wobei auch nicht ganzzahlige Pixelbreiten als Bewegungsabstand möglich sind. Die Belichtung der Kameras erfolgt dabei während der Bewegung, die, in diesem Ausführungsbeispiel, möglichst gleichmäßig vorgenommen wird, um eine gleichmäßige Mittelung zu gewährleisten.
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Die Sequenz der genannten Bildpaare wird zur dreidimensionalen Rekonstruktion der Oberfläche des Objektes 1 an einen Rechner (in der Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) übertragen. Bei der rechentechnischen Auswertung der besagten Stereobildsequenz werden unter Verwendung der Methode der Zeitkorrelation homologe Punkte einander zugeordnet und aus diesen mit Hilfe der Kalibrierungsparameter 3D-Punkte im Raum bestimmt, welche nun je nach Anwendung weiterverarbeitet werden können.
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Die Zeitkorrelation beschreibt hier ein Verfahren, bei dem für jedes Pixel der Führungskamera die Sequenz der in den einzelnen Aufnahmen gefundenen Grauwerte mit den Sequenzen verglichen wird, die von der zweiten Kamera für verschiedene Pixel aufgezeichnet worden sind. Der Kreuzkorrelationskoeffizient bewertet dabei die Ähnlichkeit der Grauwertsequenzen. So wird festgestellt, welches Pixelpaar (homologe Punkte) aus einem Pixel der Führungskamera und einem Pixel der zweiten Kamera für die triangulatorische Bestimmung der Raumkoordinaten des rekonstruierten Punktes verwendet wird.
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Durch die Bewegung (durch Pfeile angedeutet) der Kameras 5 durch die Motoren kann gewährleistet werden, dass im Laufe einer Aufnahme verschiedene subjektive Specklemuster von den einzelnen Detektoren wahrgenommen werden und so ein Mittelungsvorgang erfolgt. Dies ermöglicht die Unterdrückung der bei spektral schmalbandiger Projektion üblicherweise störend auftretenden subjektiven Speckles, sodass eine schnelle (hohe Musterprojektionsrate) und hochgenaue Aufnahme des Objektes 1 zur 3D-Rekonstruktion erreicht wird.
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Für die spektral schmalbandige Musterprojektion und-detektion wird ein Laser als Lichtquelle verwendet, der Licht mit einer spektralen Breite von <100 pm bei einer Mittelwellenlänge von 532 nm emittiert. Die sich ergebende Kohärenzlänge ist größer als die Oberflächenrauigkeit. Als Folge entstehen bei der Abbildung der Objektoberfläche subjektive Speckles, die ohne die Erfindung zur Senkung der Rekonstruktionsgenauigkeit laserbasierter stereophotogrammetrischer 3D-Messerfahren führen und nicht ohne Einbußen in der Schärfentiefe der objektiven Speckles zu unterdrücken sind. Die Muster können also von der Oberfläche des Objektes 1 durch die Kameras 5 erfasst werden, wobei das Specklerauschen entscheidend unterdrückt wird.
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Als Muster können an sich bekannte, zur 3D-Rekonstruktion geeignete, Muster projiziert werden. Insbesondere kann die Methode der eingangs genannten hochfrequenten Speckleprojektion zur Realisierung der Mustererzeugungsquelle verwendet werden.
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Beispielhaft seien weiterhin die Projektion von Mustern mit diffraktiv-optischen Elementen, statistischen Mustern, pseudostatistischen Mustern und/oder Streifenmustern erwähnt. Andere Systeme zur Variation der Position der Kameras sind vorstellbar.
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Anstelle des Lasers in der Mustererzeugungsquelle 2 wären auch andere spektral schmalbandige Leuchtmittel, wie beispielsweise Laserdioden, verwendbar.
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Die Bewegung des Verschiebeelementes kann auch nicht gleichmäßig erfolgen, indem eine statistische Bewegung erfolgt, ein periodisches Schwingen und/oder eine andere Bewegung, die das Bild des Objektes auf dem Detektor lateral und/oder axial bewegt.
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Die Mustererzeugungsquelle kann auch als Musterverschiebungsgerät oder Musterwechselgerät ausgeführt werden.
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Es ist ferner denkbar, dass zur Mehrfachprojektion spektral unterschiedlicher Muster mehrere Projektoren 2 verwendet werden. Diese können unterschiedliche Wellenlängen verwenden und so eine Multiprojektion ermöglichen.
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Auch ist es vorstellbar, einzelne Detektorteile separat zu verschieben. Bei einer digitalen Kamera könnte so entweder nur die abbildende Optik, nur das Detektorelement (CCD-Chip, CMOS-Chip oder ähnliches) oder beide in unterschiedlicher Weise bewegt werden.
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Es ist auch vorstellbar eine einzelne Aufnahme durch Unterbrechungen an verschiedenen Standorten durchzuführen. Die gesamte von der Kamera ausgegeben Aufnahme hat dann verschiedene subjektive Speckle-Verteilungen aufaddiert und der Kontrast der subjektiven Speckles ist damit reduziert.
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Die Verwendung eines oder mehrerer Umlenkoptiken 6, über die der oder die Detektoren das von der Objektoberfläche gestreute Licht empfangen, ist vorstellbar. Dabei können Umlenkspiegel verwendet werden, die z.B. durch Piezoelemente verschoben bzw. gedreht werden. Durch die Änderung der Position oder des Winkels wird das Bild, das der Detektor aufzeichnet, variiert, und es kann so eine Mittelung während der Aufzeichnung erfolgen. Die entsprechenden Detektoren können zusammen mit der abbildenden Optik, dem Projektor und dem Objekt unbewegt stehen bleiben, und die Bewegungsamplitude der Umlenkoptiken ist wesentlich geringer, als es die der Detektoren für eine vergleichbare Verschiebung sein müsste. Auch andere Ausführungsarten sind vorstellbar, in denen z.B. über einen AOD (akustooptischer Deflektor), Prismen oder über einen SLM („spatial light modulator“) eine Richtungsänderung des gestreuten Lichtes vor dem Kamerachip erfolgt.
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Die Anzahl an Detektoren kann durch eine passende Anordnung von Umlenkoptiken 6 (Umlenkspiegel, Prismen etc. ) auf einen einzelnen reduziert werden. Es ist ebenfalls denkbar, nur eine Abbildungsoptik und dahinter mehrere Detektoren zu verwenden, in dem wiederum verschiedene Ansichten durch Umlenkoptiken übertragen werden.
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Ferner können auch andere Korrelationsmethoden wie die räumliche, die raum-zeitliche Korrelation und/oder Korrelationsmethoden, die Grauwertdifferenzen bzw. Gradientenverfahren zur Anwendung bringen, verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objekt
- 2
- Projektor
- 3
- Detektor
- 4
- Linse
- 5
- Kamera
- 6
- Spiegel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19623172 C1 [0004]
- DE 102012001307 A1 [0006]
- DE 102006060108 A1 [0007]
- DE 19806288 A1 [0007]
- DE 102012002161 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- A. Wiegmann, H. Wagner, R. Kowarschik; Human face measurement by projecting bandlimited random patterns; Optics Express 14, 2006, 7692-7698 [0004]
- M. Schaffer, M. Grosse, B. Harendt, R. Kowarschik; Highspeed three-dimensional shape measurements of objects with laser speckles and acusto-optical deflection, Optics Letters 36, 2011, 3097-3099 [0005]
