-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler Oberflächenkonturen mit Hilfe von Musterprojektion.
-
Bei typischen Vermessungsverfahren dieser Art, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird mittels einer Projektionsvorrichtung eine Folge von jeweils aus einer Vielzahl von Streifen gebildeten Streifenmustern gleicher Streifenrichtung auf eine zu vermessende Oberfläche projiziert, wobei während des Projizierens jedes der Streifenmuster jeweils mindestens ein Bild der Oberfläche mit einer Kamera oder mit jeder von mindestens zwei Kameras aufgenommen wird, so dass also eine Sequenz von Bildern aufgenommen wird. Mittels der auf die Oberfläche projizierten Streifenmuster werden dann korrespondierende Punkte in Bildebenen der Kamera und der Projektionsvorrichtung oder in Bildebenen der Kameras identifiziert, worauf Raumkoordinaten von Oberflächenpunkten auf der Oberfläche durch Triangulation auf Basis der als korrespondierend identifizierten Punkte bestimmt werden.
-
Solche Verfahren sind z.B. aus den Druckschriften
DE 10 2007 022 361 A1 und
DE 10 2006 049 695 A1 bekannt. Eine übliche Ausgestaltung solcher Verfahren sieht vor, dass einige der projizierten Streifenmuster phasenversetzte Streifenmuster mit sinusförmigem Helligkeitsverlauf sind, die es erlauben, jedem Punkt auf der Oberfläche einen Phasenwert zuzuordnen, während einige weitere der projizierten Streifenmuster einen Gray-Code definieren, der eine nach Bestimmung der Phasenwerte noch verbleibende Mehrdeutigkeit aufzulösen erlaubt.
-
Ein wichtiges Ziel neuerer Entwicklungen ist das Realisieren von Hochgeschwindigkeitsanwendungen, wie z.B. die 3D-Erfassung von Airbag-Entfaltungen oder Verformungsvorgänge bei Crashtests. Da eine aktive Bewegungskompensation mit großer Präzision ein nach wie vor sehr anspruchsvolles Problem darstellt, zielen aktuelle Entwicklungen zur 3D-Dokumentation dynamischer Prozesse auf die Realisierung quasi-statischer Aufnahmesituationen ab. Das heißt, Einzelbilder werden nur sehr kurz belichtet, was zu einer nur geringen Bewegung des zu vermessenden Objekts innerhalb der Belichtungszeit führt. Dabei ist zu beachten, das auch die zum Aufnehmen der ganzen Sequenz von Bildern benötigte Zeit nicht zu lang sein soll. Ist diese klein genug (z.B. kleiner als die Kantenlänge der Kamerapixel), kann die Bewegung des zu vermessenden Objekts bei der 3D-Rekonstruktion mittels Triangulationsverfahren in der Regel vernachlässigt werden.
-
Für die dreidimensionale Erfassung hochdynamischer Prozesse (z.B. Crashtests) sind somit sehr hohe Bildwiederholfrequenzen erforderlich. Dies erfordert den Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras. Entsprechend hochfrequent muss auch die strukturierte Beleuchtung realisiert werden. Anwendungen, die eine höhere Messgenauigkeit erfordern, benötigen in der Regel eine Projektionsfrequenz, die gleich der Bildaufnahmefrequenz ist. Im Falle von Frequenzen von weit über 1 kHz scheiden hierbei klassische Beamer als Projektionseinheit aus, da sie in der Regel eine maximale Projektionsfrequenz von 180 Hz erlauben. Hier müssen neue Projektionsverfahren, wie z.B. Laser-Speckle-basierte Verfahren, Multi-Apertur-Array-Projektion oder die Projektion aperiodischer Sinusmuster mittels GOBO-Projektionstechnik angewendet werden.
-
Typische Merkmale von aktuellen optischen Hochgeschwindigkeits-Stereo-Scannern sind ihre enorme Baugröße, ihr hohes Gewicht und ihr hoher Preis. Diese Nachteile können wenigstens teilweise reduziert werden, wenn auf eine der beiden Kameras für die Bildaufnahme verzichtet werden kann und stattdessen die Projektionseinheit zur 3D-Messung verwendet wird. Entsprechende Messverfahren sind aus der klassischen Streifen- bzw. Musterprojektionstechnik bekannt. So erlauben bekannte Streifenprojektionssysteme mit nur einer Kamera und einem Projektor die 3D-Rekonstruktion beobachteter Objektpunkte durch Triangulation und die Betrachtung des Projektors als inverse Kamera. Dies ist möglich, wenn die Strahlerzeugung durch den Projektor durch ein geeignetes Kameramodell beschrieben und aus der beobachteten Musterfolge der geometrische Ursprung des Beleuchtungsstrahls bestimmt werden kann.
-
Derartige Systeme mit nur einer beobachtenden Kamera sind kompakter, leichter und preiswerter als solche mit Stereo-Sensoren, doch geht dies oft zulasten der erzielbaren Messgenauigkeit, da die geometrische Modellierung realer Projektoren oft komplizierter ist als die Modellierung von Kameras. Ursachen hierfür können die Qualität der Projektionsoptik und der dezentrale Verlauf der Projektionsstrahlen bezüglich des Projektionsobjektivs sein. Dies kann zu größeren und schwieriger zu beschreibenden und zu kompensierenden Verzeichnungen führen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum möglichst genauen berührungslosen Vermessen dreidimensionaler Oberflächen vorzuschlagen, das bzw. die möglichst kompakt, leicht und preisgünstig ist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und durch eine Messvorrichtung zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler Oberflächenkonturen gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Spezielle Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Vorgeschlagen wird somit ein Verfahren zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler Oberflächenkonturen mittels einer eine Projektionsvorrichtung und eine Kamera aufweisenden Messvorrichtung, das wenigstens die folgenden Schritte umfasst:
-
Projizieren einer determinierten Folge von verschiedenen Mustern auf eine in einem Messvolumen angeordnete zu vermessende Oberfläche mittels der Projektionsvorrichtung;
während des Projizierens jedes der Muster Aufnehmen jeweils eines Bildes der Oberfläche mittels der Kamera, wobei jedem einer Mehrzahl von Bildpunkten in einer Bildebene der Kamera, z.B. gegeben durch einen oder mehrere Kamerapixel, jeweils eine Folge von Helligkeitswerten zugeordnet wird, die sich bei der aufgenommenen Folge von Bildern in dem jeweiligen Bildpunkt ergibt;
für jeden der Bildpunkte Maximieren einer Korrelation zwischen der dem jeweiligen Bildpunkt zugeordneten Folge von Helligkeitswerten und einer Auswahl aus einer Vielzahl von in einem Speicher hinterlegten Referenzhelligkeitswertfolgen, wobei für jede von einer Vielzahl von Stützstellen, die als Punkte im Messvolumen relativ zur Messvorrichtung definiert sind und die das Messvolumen aufspannen, jeweils eine der Referenzhelligkeitswertfolgen zusammen mit drei Raumkoordinaten der jeweiligen Stützstelle hinterlegt ist, so dass jede der hinterlegten Referenzhelligkeitswertfolgen genau einer der Stützstellen zugeordnet ist; und
Bestimmen von Raumkoordinaten von Oberflächenpunkten auf der Oberfläche basierend auf den durch das Maximieren der Korrelation für jeden der Bildpunkte als nächstliegend identifizierten Stützstellen.
-
Das Merkmal, dem zufolge jede der hinterlegten Referenzhelligkeitswertfolgen genau einer der Stützstellen zugeordnet ist, soll nicht ausschließen, dass unter Umständen zwei oder mehrere der Referenzhelligkeitswertfolgen gleich sind. Gefordert ist also nicht unbedingt die Verschiedenheit aller der für die verschiedenen Stützstellen hinterlegten Referenzhelligkeitswertfolgen, sondern nur, dass für jede der Stützstellen eine solche Referenzhelligkeitswertfolge hinterlegt ist, wobei diese natürlich insgesamt möglichst divers sein sollen. Das Bestimmen der Raumkoordinaten basierend auf den als jeweils nächstliegend identifizierten Stützstellen kann, sofern der jeweilige Oberflächenpunkt nicht zufällig genau mit einer der Stützstellen übereinstimmt, ein Interpolieren zwischen den Raumkoordinaten mehrerer, als zum Oberflächenpunkt benachbart identifizierter Stützstellen beinhalten.
-
Ferner wird eine Messvorrichtung zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler Oberflächenkonturen vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Messvorrichtung umfasst wenigstens:
- eine Projektionsvorrichtung;
- eine Kamera;
- einen Speicher, in dem für jede einer Vielzahl von Stützstellen, die als Punkte in einem Messvolumen relativ zur Messvorrichtung definiert sind und die das Messvolumen aufspannen, jeweils eine Referenzhelligkeitswertfolge zusammen mit drei Raumkoordinaten der jeweiligen Stützstelle hinterlegt ist, so dass jede der hinterlegten Referenzhelligkeitswertfolgen genau einer der Stützstellen zugeordnet ist; und
- eine Steuer- und Auswerteeinheit, die eingerichtet ist:
- die Projektionsvorrichtung derart anzusteuern, dass die Projektionsvorrichtung eine determinierte Folge von verschiedenen Mustern auf eine in dem Messvolumen angeordnete zu vermessende Oberfläche projiziert;
- die Kamera derart anzusteuern, dass die Kamera während des Projizierens jedes der Muster durch die Projektionsvorrichtung jeweils ein Bild der Oberfläche aufnimmt;
- jedem einer Mehrzahl von Bildpunkten in einer Bildebene der Kamera jeweils eine Folge von Helligkeitswerten zuzuordnen, die sich bei der aufgenommenen Folge von Bildern in dem jeweiligen Bildpunkt ergibt;
- für jeden der Bildpunkte eine Korrelation zwischen der dem jeweiligen Bildpunkt zugeordneten Folge von Helligkeitswerten und einer Auswahl der im Speicher hinterlegten Referenzhelligkeitswertfolgen zu maximieren; und
- Raumkoordinaten von Oberflächenpunkten auf der Oberfläche basierend auf den durch das Maximieren der Korrelation für jeden der Bildpunkte als nächstliegend identifizierten Stützstellen zu bestimmen.
-
Da das Bestimmen der Raumkoordinaten der Oberflächenpunkte auf der zu vermessenden Oberfläche bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren und bei der hier vorgeschlagenen Messvorrichtung für jeden der Bildpunkte in der Bildebene der Kamera auf dem Maximieren einer Korrelation zwischen der dem jeweiligen Bildpunkt zugeordneten aufgenommenen Folge von Helligkeitswerten und der Auswahl von im Speicher hinterlegten Referenzhelligkeitswertfolgen basiert, wobei die Referenzhelligkeitswertfolgen jeweils zusammen mit drei Raumkoordinaten einer Stützstelle im Messvolumen im Speicher hinterlegt sind, kann das berührungslose Vermessen der dreidimensionalen Oberfläche mit nur einer Kamera vorgenommen werden, insbesondere also auch mit nur genau einer Kamera. Gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen, bei denen zum berührungslosen Vermessen einer dreidimensionalen Oberfläche zwei Kameras oder Bildsensoren verwendet werden, ist die hier vorgeschlagene Messvorrichtung somit besonders kompakt, leicht und preisgünstig. Dasselbe gilt für das hier vorgeschlagenen Verfahren, das sich dieser Messvorrichtung bedient.
-
Die den Stützstellen zugeordneten und im Speicher zusammen mit den Referenzhelligkeitsfolgen hinterlegten Raumkoordinaten können durch Kalibrieren der Messvorrichtung bestimmt werden, wie an späterer Stelle näher erläutert wird. Dabei ist die einer gegebenen Stützstelle im Messvolumen zugeordnete und im Speicher hinterlegte Referenzhelligkeitswertfolge vorteilhafterweise jeweils derart gewählt, dass sie mit einer Helligkeitswertfolge übereinstimmt oder korreliert, die sich beim mittels der Projektionsvorrichtung vorgenommenen Projizieren der zuvor genannten determinierten Folge von Mustern in das Messvolumen an der jeweiligen Stützstelle ergibt.
-
Die Genauigkeit, mit der eine dreidimensionale Oberfläche vermessen werden kann, hängt dabei vor allem von der Anzahl der Stützstellen im Messvolumen ab. Da diese Anzahl normalerweise beliebig groß gewählt werden kann, kann die Vermessung der Oberfläche mit großer Präzision erfolgen.
-
Das vorliegend beanspruchte Maximieren einer Korrelation zwischen der dem jeweiligen Bildpunkt zugeordneten Folge von Helligkeitswerten und der Auswahl von Referenzhelligkeitswertfolgen beinhaltet typischerweise das Auswerten einer Korrelationsfunktion. Eine solche Korrelationsfunktion ordnet der jeweiligen Folge von Helligkeitswerten und einer Referenzhelligkeitswertfolge üblicherweise jeweils eine reelle Zahl zu. Die Korrelationsfunktion kann in weiten Grenzen beliebig gewählt werden und muss nur die für Korrelationsfunktionen typische Eigenschaft aufweisen, dass ihr Funktionswert bei Identität der durch Auswertung der Korrelationsfunktion verglichenen Folgen ein Extremum - typischerweise ein Maximum - aufweist und diesem Extremum umso näher kommt, je ähnlicher die verglichenen Folgen einander sind. Sollte es sich bei diesem Extremum aufgrund der Definition der Korrelationsfunktion um ein Minimum handeln, so sei auch das Auffinden dieses Minimums als Maximieren im Sinne der vorliegenden Anmeldung zu verstehen.
-
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet oder programmiert sein, für jeden der Bildpunkte die Auswahl der Referenzhelligkeitswertfolgen, die für jeden der Bildpunkte zum Maximieren der Korrelation mit der dem jeweiligen Bildpunkt zugeordneten Helligkeitswertfolge herangezogen werden, derart vorzunehmen, dass die ausgewählten Referenzhelligkeitswertfolgen einer Auswahl der Stützstellen zugeordnet sind, die entlang eines dem jeweiligen Bildpunkt entsprechenden Sehstrahls der Kamera liegen. Dies dürfte gewöhnlich eine zweckmäßige Auswahl darstellen, da derjenige Oberflächenpunkt auf der zu vermessenden Oberfläche, der in einen gegebenen Bildpunkt in der Bildebene der Kamera abgebildet wird, normalerweise entlang des diesem Bildpunkt entsprechenden Sehstrahls im Messvolumen angeordnet ist. Der Sehstrahl kann dabei jeweils durch das klassische Lochkamera-Modell beschrieben werden, das z.B. einen oder mehrere der folgenden Parameter enthält: Kamerakonstante, Bildhauptpunkt, Verzeichnungsfunktion, Projektionszentrum und Orientierung der Kamera, wobei die Orientierung gewöhnlich durch die Werte dreier Raumwinkel festgelegt ist. Allgemeiner kann dafür ein strahlbasiertes Kameramodell verwendet werden. Für jeden der Bildpunkte kann die Auswahl von Referenzhelligkeitswertfolgen beispielweise jeweils die im Speicher hinterlegten Referenzhelligkeitswertfolgen umfassen, die denjenigen Stützstellen der Vielzahl von Stützstellen zugeordnet sind, deren Abstand von dem jeweiligen Sehstrahl kleiner ist als ein vorgegebener Maximalabstand.
-
Um die Genauigkeit der Vermessung zu verbessern, kann die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet oder programmiert sein, das Bestimmen der Raumkoordinaten der Oberflächenpunkte auf der zu vermessenden Oberfläche für jeden der Bildpunkte in der Bildebene der Kamera durch Interpolieren zwischen den dreidimensionalen Raumkoordinaten der Stützstellen vorzunehmen, die innerhalb einer vorgegebenen Umgebung derjenigen Stützstelle liegen, die basierend auf dem Maximieren der Korrelation als die dem in den jeweiligen Bildpunkt abgebildeten Oberflächenpunkt nächstliegende Stützstelle identifiziert worden ist. Die Umgebung der als nächstliegend identifizierten Stützstelle kann dabei für jeden der Bildpunkte wenigstens die Stützstellen umfassen, die der als nächstliegend identifizierten Stützstelle entlang des dem jeweiligen Bildpunkt entsprechenden Sehstrahls am nächsten liegen oder deren Abstand von der als nächstliegend identifizierten Stützstelle kleiner ist als ein vorgegebener Maximalabstand.
-
Das hier vorgeschlagene Verfahren kann das zuvor erwähnte Kalibrieren der Messvorrichtung umfassen. Das Kalibrieren kann z.B. die folgenden Schritte enthalten:
- schrittweises Verfahren einer Kalibrieroberfläche durch das Messvolumen, wobei die Kalibrieroberfäche an einer Vielzahl von relativ zur Messvorrichtung verschiedenen Positionen im Messvolumen positioniert wird;
- für jede der verschiedenen Positionen der Kalibrieroberfläche relativ zur Messvorrichtung:
- Projizieren der zuvor genannten determinierten Folge von Mustern auf die Kalibrieroberfläche mittels der Projektionsvorrichtung;
- während des Projizierens jedes der Muster auf die Kalibrieroberfläche Aufnehmen jeweils eines Bildes der Kalibrieroberfläche mittels der Kamera, wobei jedem einer Mehrzahl von Referenzpunkten in der Bildebene der Kamera, z.B. jeweils gegeben durch einen oder mehrere Kamerapixel, jeweils eine Helligkeitswertfolge, die sich bei der aufgenommenen Folge von Bildern der Kalibrieroberfläche in dem jeweiligen Referenzpunkt ergibt, als die diesem Referenzpunkt zugeordnete Referenzhelligkeitswertfolge zugeordnet wird;
- für jeden der Mehrzahl von Referenzpunkten Bestimmen von drei relativ zur Messvorrichtung definierten Raumkoordinaten eines Punktes auf der Kalibrieroberfläche, der in den jeweiligen Referenzpunkt abgebildet wird und der eine Stützstelle im Messvolumen definiert; und
- für jeden der Mehrzahl von Referenzpunkten Hinterlegen der drei Raumkoordinaten des in den jeweiligen Referenzpunkt abgebildeten Punktes auf der Kalibrieroberfläche und der dem jeweiligen Referenzpunkt zugeordneten Referenzhelligkeitswertfolge im Speicher, so dass im Speicher für eine Vielzahl von Stützstellen jeweils drei relativ zur Messvorrichtung definierte Raumkoordinaten und eine Referenzhelligkeitswertfolge hinterlegt werden.
-
Damit das hier vorgeschlagene Verfahren ein Vermessen dreidimensionaler Oberflächenkonturen mit möglichst großer Genauigkeit ermöglicht, ist es also von großer Wichtigkeit, dass die relative Ausrichtung der Projektionsvorrichtung und der Kamera zueinander während des Kalibrierens der Messvorrichtung dieselbe ist wie beim späteren Vermessen einer dreidimensionalen Oberflächenkontur. Und ebenso wichtig ist es, dass die beim Kalibrieren mittels der Projektionsvorrichtung auf die Kalibrieroberfläche projizierte determinierte Folge von Mustern derjenigen determinierten Folge von Mustern entspricht oder in Bezug auf seine Helligkeitswerte mit derjenigen determinierten Folge von Mustern korreliert, die beim späteren Vermessen einer dreidimensionalen Oberflächenkontur mittels der Projektionsvorrichtung auf die zu vermessende Oberfläche projiziert wird.
-
Die Kalibrieroberfläche kann beliebige geometrische Formen haben. So kann die Kalibrieroberfläche vollständig eben sein. Die Kalibrieroberfläche kann jedoch auch nicht-eben sein. Z.B. kann die Kalibrieroberfläche wenigstens bereichsweise konvex oder konkav gewölbt sein. Vorzugsweise sollte die Kalibrieroberfläche jedoch derart ausgebildet sein, dass sie in keiner der verschiedenen Positionen relativ zur Messvorrichtung von der Kamera aus betrachtet Abschattungen aufweist.
-
Das Kalibrieren kann ferner die folgenden Schritte enthalten:
- für jede der verschiedenen Positionen der Kalibrieroberfläche relativ zur Messvorrichtung:
- während des Projizierens jedes der Muster auf die Kalibrieroberfläche Aufnehmen jeweils eines weiteren Bildes der Kalibrieroberfläche mittels einer weiteren Kamera; und
für jeden der Mehrzahl von Referenzpunkten in der Bildebene der Kamera:
- Identifizieren eines zu dem jeweiligen Referenzpunkt korrespondierenden weiteren Referenzpunktes in einer Bildebene der weiteren Kamera, z.B. gegeben durch einen oder mehrere Pixel der weiteren Kamera, mittels der auf die Kalibrieroberfläche projizierten determinierten Folge von Mustern; sowie
- Bestimmen der drei relativ zur Messvorrichtung definierten Raumkoordinaten des Punktes auf der Kalibrieroberfläche, der in den jeweiligen Referenzpunkt abgebildet wird, durch Triangulation auf Basis des jeweiligen Referenzpunktes in der Bildebene der Kamera und des zu dem jeweiligen Referenzpunkt als korrespondierend identifizierten weiteren Referenzpunktes in der Bildebene der weiteren Kamera.
-
Dabei kann jedem einer Mehrzahl von weiteren Referenzpunkten in der Bildebene der weiteren Kamera, z.B. jeweils gegeben durch einen oder mehrere Pixel der weiteren Kamera, jeweils eine weitere Referenzhelligkeitswertfolge zugeordnet werden, die sich bei der aufgenommenen Folge von weiteren Bildern in dem jeweiligen weiteren Referenzpunkt in der Bildebene der weiteren Kamera ergibt. Das Identifizieren des zu dem jeweiligen Referenzpunkt in der Bildebene der Kamera korrespondierenden weiteren Referenzpunktes in der Bildebene der weiteren Kamera kann dann z.B. jeweils ein Maximieren einer Korrelation zwischen der dem jeweiligen Referenzpunkt zugeordneten Referenzhelligkeitswertfolge und einer Auswahl der den weiteren Referenzpunkten zugeordneten weiteren Referenzhelligkeitswertfolgen umfassen. Das bilden der Korrelation kann dabei z.B. wie zuvor beschrieben vorgenommen werden.
-
Zweckmäßigerweise kann es dabei vorgesehen sein, dass zum Identifizieren des zu dem jeweiligen Referenzpunkt in der Bildebene der Kamera korrespondierenden weiteren Referenzpunktes in der Bildebene der weiteren Kamera die zu maximierende Korrelation jeweils nur für Punkte auf korrespondierenden Epipolarlinien in der Bildebene der Kamera und in der Bildebene der weiteren Kamera bestimmt wird.
-
Mit der Verwendung einer weiteren Kamera nur zum Kalibrieren der Messvorrichtung können die drei Raumkoordinaten der Oberflächenpunkte auf der Kalibrieroberfläche, durch die die Stützstellen im Messvolumen gegeben sind, auf einfache Weise und mit großer Präzision bestimmt werden.
-
Eine weitere Kamera ist zum Kalibrieren jedoch nicht unbedingt erforderlich. Alternativ können die Raumkoordinaten der Oberflächenpunkte auf der Kalibrieroberfläche jeweils auch basierend auf einer bekannten Form der Kalibrieroberfläche und basierend auf einer bekannten Anordnung der Kalibrieroberfläche relativ zur Messvorrichtung bestimmt werden. Z.B. ist es denkbar, dass die Kalibrieroberfläche eine wohldefinierte Form hat und dass die Kalibrieroberfläche derart in wohldefinierter Weise durch das Messvolumen verfahren wird, dass Raumkoordinaten von Punkten auf der Kalibrieroberfläche relativ zur Messvorrichtung für jede der verschiedenen Positionen der Kalibrieroberfläche relativ zur Messvorrichtung bekannt sind oder berechenbar sind. Für jede der verschiedenen Positionen der Kalibrieroberfläche relativ zur Messvorrichtung und für jeden der Mehrzahl von Referenzpunkten in der Bildebene der Kamera können die Raumkoordinaten des Punktes auf der Kalibrieroberfläche, der in den jeweiligen Referenzpunkt abgebildet wird, dann beispielsweise auf Basis einer Ausrichtung eines dem jeweiligen Referenzpunkt entsprechenden Sehstrahls der Kamera bestimmt werden, nämlich typischerweise als derjenige Punkt auf der Oberfläche der Kalibrieroberfläche, in dem der jeweilige Sehstrahls die Kalibrieroberfläche schneidet.
-
Die Projektionsvorrichtung kann derart ausgebildet sein und die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet oder programmiert sein, die Projektionsvorrichtung derart anzusteuern, dass die Muster der determinierten Folge von Mustern jeweils ein Streifenmuster umfassen, vorzugsweise jeweils ein aperiodisches Streifenmuster. Z.B. können die aperiodischen Streifenmuster in einer Umgebung jedes der Streifen vorzugsweise einen jeweils sinusförmigen Helligkeitsverlauf haben. Insbesondere können eine Amplitude und/oder Ortsfrequenz der einzelnen Streifenmuster und/oder eine Phasenverschiebung zwischen den verschiedenen Streifenmustern nicht konstant sein. Beispielsweise kann die Projektionsvorrichtung derart ausgebildet sein und die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet oder programmiert sein, die Projektionsvorrichtung derart anzusteuern, dass die Projektionsvorrichtung die Streifenmuster jeweils derart projiziert, dass eine Streifenrichtung der Streifenmuster mit einer Lotrichtung auf eine Ebene, die durch eine optische Achse der Kamera und ein Projektionszentrum der Projektionsvorrichtung aufgespannt wird, einen Winkel von höchstens 30 Grad, vorzugsweise von höchstens 10 Grad, besonders vorzugsweise von 0 Grad einschließen.
-
Die Projektionsvorrichtung kann eine Vielzahl von Projektoren mit jeweils mindestens einer eigenen Lichtquelle enthalten. Die Lichtquellen können jeweils durch eine oder mehrere LEDs oder Laserdioden gegeben sein. Alternativ oder zusätzlich kann jeder der Projektoren jeweils mehrere durch die gleiche Lichtquelle ausgeleuchtete Projektionseinheiten umfassen.
-
Jeder der Projektoren kann zum Projizieren jeweils eines der Muster der determinierten Folge von verschiedenen Mustern eingerichtet sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann dann eingerichtet oder programmiert sein, die Projektionsvorrichtung durch Umschalten zwischen den Lichtquellen der verschiedenen Projektoren zum Wechseln der Muster beim Projizieren der determinierten Folge von verschiedenen Mustern anzusteuern.
-
Sofern die Muster der determinierten Folge von verschiedenen Mustern Streifenmuster enthalten, können die Projektoren in mehreren parallel zur Streifenrichtung der Streifenmuster orientierten Zeilen oder Spalten angeordnet sein. Die Projektionsvorrichtung kann dann derart ausgebildet sein und die Steuer- und Auswerteeinheit kann dann eingerichtet oder programmiert sein, die Projektionsvorrichtung derart anzusteuern, dass jedes der Streifenmuster jeweils mit mehreren der Projektoren projiziert wird. Dabei können die zum Projizieren jeweils eines der Streifenmuster verwendeten Projektoren jeweils aus einer der Zeilen oder Spalten oder aus unmittelbar benachbarten Zeilen oder Spalten ausgewählt werden.
-
Die Projektoren können als Durchlichtprojektoren ausgebildet sein. Die Projektoren können jeweils mindestens eine Projektionseinheit mit einer Kondensorlinse, mit einem festen bildgebenden Medium zur Erzeugung des jeweiligen Musters und mit einer Objektivlinse aufweisen. Die Projektionseinheiten können z.B. auf einem gemeinsamen transparenten Substrat realisiert oder angeordnet sein.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1a in schematischer Darstellung eine Aufsicht auf eine Messvorrichtung zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler Oberflächenkonturen mit einer Kamera, einer Projektionsvorrichtung und einer Steuer- und Auswerteeinheit;
- 1b die Messvorrichtung aus 1a mit einer weiteren Kamera;
- 2a Referenzhelligkeitswertfolgen, die sich beim Kalibrieren der Messvorrichtung aus 1 in einem Bildpunkt in einer Bildebene einer Kamera der Messvorrichtung ergibt;
- 2b eine Helligkeitswertfolge, die sich beim Vermessen einer dreidimensionalen Oberflächenkontur in einem Bildpunkt in einer Bildebene einer Kamera der Messvorrichtung aus 1 ergibt;
- 3 einen Ausschnitt eines Querschnitts durch die Projektionsvorrichtung aus 1;
- 4 eine Aufsicht auf eine in der genannten Projektionsvorrichtung enthaltene Matrix von Projektoren;
- 5 eine Veranschaulichung einer Folge von Streifenmustern, die mit der genannten Projektionsvorrichtung projiziert werden, wenn die Messvorrichtung aus 1 kalibriert wird und wenn eine dreidimensionale Oberflächekontur mit der Messvorrichtung aus 1 berührungslos vermessen wird;
- 6 in diagrammatischer Darstellung am Beispiel von fünf Ausschnitten der Streifenmuster einen Helligkeitsverlauf dieser Streifenmuster; sowie
- 7 schematisch eine Aufsicht auf die Messvorrichtung aus 1 beim berührungslosen Vermessen einer dreidimensionalen Oberflächenkontur.
-
Messvorrichtung
-
In 1a ist eine Ausführungsform einer Messvorrichtung 100 gezeigt, die zum berührungslosen Vermessen dreidimensionaler Oberflächenkonturen geeignet ist. Die Messvorrichtung 100 weist eine Projektionsvorrichtung 1 zum Projizieren von Mustern, insbesondere von Streifenmustern, in ein vor der Messvorrichtung 100 angeordnetes Messvolumen 18, eine Kamera 2a zum Aufnehmen von Bildern eines in dem Messvolumen 18 angeordneten Objekts, eine Steuer- und Auswerteeinheit 3, sowie einen Speicher 4 auf. Die Steuer- und Auswerteeinheit 3 ist mit der Projektionsvorrichtung 1, der Kamera 2a und dem Speicher 4 verbunden oder verbindbar, z.B. über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung. Die Kamera 2a umfasst einen Bildsensor 5a, der in einer Bildebene 6a der Kamera 2a angeordnet ist, und eine Abbildungsoptik 7a zum Abbilden eines im Messvolumen 18 angeordneten Objekts in die Bildebene 5a.
-
1b zeigt eine weitere Ausführungsform der Messvorrichtung 100 gemäß 1a. Dabei sind hier und im Folgenden wiederkehrende oder ähnliche Merkmale jeweils mit denselben bzw. mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Die in 1b gezeigte Ausführungsform der Messvorrichtung 100 gemäß 1a zeichnet sich durch eine optionale zusätzliche weitere Kamera 2b aus, die ebenfalls einen in einer Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b angeordneten Bildsensor 5b und eine Abbildungsoptik 7b zum Abbilden eines im Messvolumen 18 angeordneten Objekts in die Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b aufweist. Die weitere Kamera 2b ist ebenfalls mit der Steuer- und Auswerteeinheit 3 verbunden oder verbindbar, z.B. über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung.
-
Die Kamera 2a bzw. die Kamera 2a und die weitere Kamera 2b kann bzw. können fest mit der Projektionsvorrichtung 1 verbunden sein, so dass die Kamera 2a bzw. die Kameras 2a, 2b und die Projektionsvorrichtung 1 relativ zueinander jedenfalls jeweils eine feste und bekannte Anordnung und Orientierung haben. Eine dadurch bekannte innere Geometrie der Messvorrichtung 100 ermöglicht so eine berührungslose Vermessung von im Messvolumen 18 angeordneten Oberflächen, wie im Folgenden näher erläutert wird.
-
Kalibrieren der Messvorrichtung
-
In den 1a und 1b sind dabei zunächst Schritte zum Kalibrieren der Messvorrichtung 100 veranschaulicht. Beim Kalibrieren der Messvorrichtung 100 werden für jede einer Vielzahl von Stützstellen 20a-d, 30a-d, 40a-d und 50a-d, die als Punkte im Messvolumen 18 relativ zur Messvorrichtung 100 definiert sind und die das Messvolumen 18 aufspannen, mit der Kamera 2a jeweils eine Referenzhelligkeitswertfolge aufgenommen und drei Raumkoordinaten bestimmt. Die drei Raumkoordinaten einer gegebenen Stützstelle definieren dabei jeweils eine Position dieser Stützstelle relativ zur Messvorrichtung 100. Auf diese Weise werden jeder der Stützstellen 20a-d, 30a-d, 40a-d und 50a-d also jeweils eine Referenzhelligkeitswertfolge und drei Raumkoordinaten zugeordnet. Das Kalibrieren der Messvorrichtung 100 umfasst weiterhin, dass für jede der Stützstellen 20a-d, 30a-d, 40a-d und 50a-d die der jeweiligen Stützstelle zugeordnete Referenzhelligkeitswertfolge und die der jeweiligen Stützstelle zugeordneten drei Raumkoordinaten der Stützstelle im Speicher 4 hinterlegt werden. Unter Verwendung der Messvorrichtung 100 und dieser während des Kalibriervorgangs aufgenommenen und im Speicher 4 hinterlegten Kalibrierdaten können dann dreidimensionaler Oberflächenkonturen schnell und mit großer Genauigkeit vermessen werden, wie weiter untern näher erläutert wird. Zunächst wird jedoch das Kalibrieren der Messvorrichtung 100 näher beschrieben.
-
Beim Kalibrieren der Messvorrichtung 100 wird ein Kalibrierobjekt 60 mit einer der Messvorrichtung 100 zugewandten Kalibrieroberfläche 61 durch das Messvolumen 18 verfahren, wobei die Kalibrieroberfläche 61 nacheinander an einer Vielzahl von relativ zur Messvorrichtung 100 verschiedenen Positionen 70a-d positioniert wird. Bei den Ausführungsformen gemäß den 1a und 1b ist die Kalibrieroberfläche 61 vollständig eben ausgebildet und in jeder der Positionen 70a-d z.B. senkrecht zu einer durch die Projektionsvorrichtung 1 vorgegebenen Projektionsrichtung ausgerichtet. Die ebene Kalibrieroberfläche 61 wird bei der Ausführungsform gemäß den 1a und 1b entlang einer Richtung 62 senkrecht zur Kalibrieroberfläche 61 und parallel zur Projektionsrichtung schrittweise durch das Messvolumen 18 verfahren, beispielsweise in äquidistanten Schritten. Das Kalibrierobjekt 60 kann z.B. mittels eines elektrisch getriebenen Linearmotors oder ggf. mittels einer piezoelektrischen Aktuators durch das Messvolumen 18 bewegt werden. Die Steuer- und Auswerteeinheit 3 kann eingerichtet sein, das Verfahren der Kalibrieroberfläche 61 durch das Messvolumen 18 und das Positionieren der Kalibrieroberfläche an den Positionen 70a-d im Messvolumen 18 zu steuern. Z.B. kann die Steuer- und Auswerteeinheit 3 eingerichtet sein, den zuvor genannten Linearmotor oder piezoelektrischen Aktuator anzusteuern.
-
Bei alternativen Ausführungsformen, die hier nicht explizit beschrieben werden, kann die Kalibrieroberfläche 61 jedoch ebenso eine nicht-ebene Form haben und in anderer Weise als entlang einer Geraden durch das Messvolumen 18 verfahren werden, z.B. entlang einer gekrümmten Bahn. Entscheidend ist, dass die Kalibrieroberfläche 61 derart durch das Messvolumen 18 bewegt wird, dass sie das Messvolumen 18 oder wenigstens einen Teil des Messvolumens 18 überstreicht. Vorzugsweise ist die Kalibrieroberfläche 61 jedoch derart ausgebildet und wird beim Verfahren der Kalibrieroberfläche 61 durch das Messvolumen 18 relativ zur Projektionsvorrichtung 1 und relativ zur Kamera 2a bzw. relativ zu den Kameras 2a, 2b jeweils derart ausgerichtet, dass sie von der Projektionsvorrichtung 1 und der Kamera 2a bzw. den Kameras 2a, 2b aus betrachtet jeweils möglichst keine abgeschatteten Bereiche aufweist.
-
Das Kalibrieren der Messvorrichtung 100 umfasst ferner, dass die Steuer- und Auswerteeinheit 3 die Projektionsvorrichtung 1 derart ansteuert, dass die Projektionsvorrichtung 1 für jede der verschiedenen Positionen 70a-d der Kalibrieroberfläche 61 relativ zur Messvorrichtung 100 jeweils dieselbe determinierte Folge von Mustern auf die Kalibrieroberfläche 61 projiziert. Diese determinierte Folge von Mustern kann z.B. durch eine Folge verschiedener, jeweils aus einer Vielzahl von Streifen gebildeter Streifenmuster gleicher Streifenrichtung gegeben sein. Die Streifen sind dabei vorzugsweise senkrecht zur Zeichenebene orientiert und stehen mithin vorzugsweise senkrecht auf einer Ebene, die durch die optische Achse der Kamera 2a und durch das Projektionszentrum der Projektionsvorrichtung 1 aufgespannt wird. Im Fall der Messvorrichtung 100 gemäß 1b können die Kameras 2a, 2b derart ausgerichtet sein, dass ihre optischen Achsen in derselben Ebene oder in parallelen Ebenen liegen.
-
Bei den Streifenmustern handelt es sich dabei beispielsweise jeweils um aperiodische Streifenmuster, die in einer Umgebung jedes der Streifen einen jeweils sinusförmigen Helligkeitsverlauf haben. Eine Aperiodizität dieser Streifenmuster kann sich dabei z.B. jeweils dadurch ergeben, dass eine Amplitude und/oder eine Ortsfrequenz der einzelnen Streifenmuster und/oder eine Phasenverschiebung zwischen den verschiedenen Streifenmustern nicht konstant gewählt ist, sondern sich vielmehr in einer zu den Streifen senkrechten Richtung - also von Streifen zu Streifen - kontinuierlich oder auch unstetig ändert.
-
Es sei jedoch hervorgehoben, dass die von der Projektionsvorrichtung 1 auf die Kalibrieroberfläche 61 projizierte determinierte Folge von Mustern nicht notwendigerweise durch eine Folge von Streifenmustern gegeben sein muss. So kann die determinierte Folge von Mustern eine beliebige Folge von Mustern umfassen, die jeweils unterschiedliche Helligkeitswerte aufweisen.
-
Die Kamera 2a bzw. die Kameras 2a, 2b werden durch die Steuer- und Auswerteeinheit 3 so angesteuert, dass die Kamera 2a bzw. dass jede der Kameras 2a, 2b für jede der Positionen 70a-d und während des Projizierens jedes der Muster auf die Kalibrieroberfläche 61 jeweils ein Bild der Kalibrieroberfläche 61 aufnimmt. So wird mit der Kamera 2a bzw. mit jeder der Kameras 2a, 2b jeweils eine Folge von Bildern aufgenommen, von denen jedes einem der Muster zuzuordnen ist, nämlich jeweils demjenigen Muster der determinierten Folge von Mustern, das gerade während der Aufnahme des jeweiligen Bildes auf die Kalibrieroberfläche 61 projiziert wird.
-
Bei dieser aufgenommenen Folge von Bildern der Kalibrieroberfläche 61 ergibt sich somit für jede der Positionen 70a-d in jedem einer Mehrzahl von Referenzpunkten 21a, 31a, 41a, 51a in der Bildebene 6a der Kamera 2a jeweils eine Helligkeitswertfolge. Die Referenzpunkte 21a, 31a, 41a, 51a werden jeweils durch die Steuer- und Auswerteeinheit 3 ausgewählt und können z.B. jeweils durch einen oder mehrere Pixel des Bildsensors 5a gegeben sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit 3 ordnet diese Helligkeitswertfolgen dann für jede der Positionen 70a-d dem jeweiligen Referenzpunkt 21, 31, 41, 51 in der Bildebene 6a der Kamera 2a als Referenzhelligkeitswertfolge zu.
-
In 2a sind dazu beispielshaft Referenzhelligkeitswertfolgen 42a-d gezeigt, die sich beim Projizieren der determinierten Folge von Mustern auf die Kalibrieroberfläche 61 jeweils im Referenzpunkt 41 in der Bildebene 6a der Kamera 2a ergeben, wenn die Kalibrieroberfläche 61 nacheinander an den Positionen 70a-d positioniert wird. Die unterschiedlichen Helligkeitswerte der Referenzhelligkeitswertfolgen 42a-d sind dabei durch unterschiedliche Schraffierungen dargestellt. So ergibt sich die Referenzhelligkeitswertfolge 42a im Referenzpunkt 41, wenn die Kalibrieroberfläche 61 an der Position 70a positioniert ist. Die Referenzhelligkeitswertfolge 42b ergibt sich im Referenzpunkt 41, wenn die Kalibrieroberfläche 61 an der Position 70b positioniert ist. Die Referenzhelligkeitswertfolge 42c ergibt sich im Referenzpunkt 41, wenn die Kalibrieroberfläche 61 an der Position 70c positioniert ist. Und die Referenzhelligkeitswertfolge 42d ergibt sich im Referenzpunkt 41, wenn die Kalibrieroberfläche 61 an der Position 70d positioniert ist. Dabei sind die Referenzhelligkeitswertfolgen 42a-d in 2a nur der Einfachheit der Darstellung halber aus jeweils nur drei unterschiedlichen Helligkeitswerten zusammengesetzt gezeigt. Im Allgemeinen können die Referenzhelligkeitswertfolgen, die sich in den Referenzpunkten in der Bildebene 6a der Kamera 2a ergeben, natürlich jeweils mehr als nur drei nur drei unterschiedliche Helligkeitswerte aufweisen.
-
Vorzugsweise wählt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 für jede der Positionen 70a-d der Kalibrieroberfläche 61 relativ zur Messvorrichtung 100 jeweils dieselben Referenzpunkte 21a, 31a, 41a, 51a in der Bildebene 6a der Kamera 2a aus. Damit liegen diejenigen der Punkte 20a-d, 30a-d, 40a-d, 50a-d auf der Kalibrieroberfläche 61, die für die verschiedenen Positionen 70a-d der Kalibrieroberfläche 61 relativ zur Messvorrichtung 100 jeweils in denselben der Referenzpunkte 21a, 31a, 41a, 51a in der Bildebene 6a der Kamera 2a abgebildet werden, jeweils auf einem dem jeweiligen Referenzpunkt entsprechenden Sehstrahl der Kamera 2a. In den 1a und 1b liegen die Punkte 20a-d auf dem Sehstrahl 20, der dem Referenzpunkt 21 entspricht. Die Punkte 30a-d liegen auf dem Sehstrahl 30, der dem Referenzpunkt 31 entspricht. Die Punkte 40a-d liegen auf dem Sehstrahl 40, der dem Referenzpunkt 41 entspricht. Und die Punkte 50a-d liegen auf dem Sehstrahl 50, der dem Referenzpunkt 51 entspricht. Die Sehstrahlen 20, 30, 40, 50 der Kamera 2a sind dabei in bekannter Weise durch ein Lochkameramodell der Kamera 2a oder das strahlbasierte Kameramodell gegeben. Für einen gegebenen Referenzpunkt in der Bildebene 6a der Kamera 2a ist eine Ausrichtung des diesem Referenzpunkt entsprechenden Sehstrahls relativ zur Messvorrichtung 100 durch das Lochkameramodell wohldefiniert und durch die Steuer- und Auswerteeinheit 3 bestimmbar. Die Punkte 20a-d, 30a-d, 40a-d, 50a-d, in denen die Sehstrahlen 20, 30, 40, 50 die Kalibrieroberfläche 61 schneiden, wenn die Kalibrieroberfläche 61 nacheinander an den Positionen 70a-d im Messvolumen 18 positioniert wird, definieren die zuvor genannten Stützstellen.
-
Die Steuer- und Auswerteeinheit 3 ist nun ferner eingerichtet, für jede der Positionen 70a-d der Kalibrieroberfläche 61 und für jeden der Mehrzahl von Referenzpunkten 21a, 31a, 41a, 51a in der Bildebene 6a der Kamera 2a jeweils drei relativ zur Messvorrichtung 100 definierte Raumkoordinaten eines Punktes auf der Kalibrieroberfläche 61 zu bestimmen, der in den jeweiligen Referenzpunkt abgebildet wird und der eine Stützstelle im Messvolumen 18 definiert. Beispielsweise bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 dann, wenn die Kalibrieroberfläche an der Position 70a angeordnet ist, für den Referenzpunkt 21 die drei Raumkoordinaten des Punktes 20a auf der Kalibrieroberfläche 61, der in dieser Position der Kalibrieroberfläche 61 in den Referenzpunkt 21 abgebildet wird; für den Referenzpunkt 31 die drei Raumkoordinaten des Punktes 30a auf der Kalibrieroberfläche 61, der in dieser Position der Kalibrieroberfläche 61 in den Referenzpunkt 31 abgebildet wird; für den Referenzpunkt 41 die drei Raumkoordinaten des Punktes 40a auf der Kalibrieroberfläche 61, der in dieser Position der Kalibrieroberfläche 61 in den Referenzpunkt 41 abgebildet wird; und für den Referenzpunkt 51 die drei Raumkoordinaten des Punktes 50a auf der Kalibrieroberfläche 61, der in dieser Position der Kalibrieroberfläche 61 in den Referenzpunkt 51 abgebildet wird; und so fort für die übrigen Positionen 70b-d der Kalibrieroberfläche 61 relativ zur Messvorrichtung 100.
-
Die Steuer- und Auswerteeinheit 3 ordnet dann für jede der Positionen 70a-d der Kalibrieroberfläche 61 jedem der Referenzpunkte 21a, 31a, 41a, 51a in der Bildebene 6a der Kamera 2a zusätzlich zu der dem jeweiligen Rereferenzpunkt zugeordneten Referenzhelligkeitswertfolge (siehe oben) die drei Raumkoordinaten zu, die für die jeweilige Position der Kalibrieroberfläche 61 und für den jeweiligen Referenzpunkt bestimmt worden sind und die eine Stützstelle im Messvolumen 18 definieren. Für jede der Stützstellen 20a-d, 30a-d, 40a-d und 50a-d hinterlegt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 die der jeweiligen Stützstelle zugeordneten drei Raumkoordinaten und die der jeweiligen Stützstelle zugeordnete Referenzhelligkeitswertfolge im Speicher 4.
-
Bestimmen der Raumkoordinaten der Stützstellen
-
Im Folgenden werden unterschiedliche Möglichkeiten erläutert, für jede der Positionen 70a-d der Kalibrieroberfläche 61 relativ zur Messvorrichtung 100 und für jeden der Mehrzahl von Referenzpunkten 21a, 31a, 41a, 51a in der Bildebene 6a der Kamera 2a die drei relativ zur Messvorrichtung 100 definierten Raumkoordinaten desjenigen Punktes auf der Kalibrieroberfläche 61 zu bestimmen, der in den jeweiligen Referenzpunkt abgebildet wird und der jeweils eine Stützstelle im Messvolumen 18 definiert.
-
Bei der in 1a gezeigten Ausführungsform, bei der das Kalibrieren der Messvorrichtung 100 unter Verwendung der Projektionsvorrichtung 1 und nur einer Kamera, nämlich der Kamera 2a, durchgeführt wird, wird die Kalibrieroberfläche 61 bekannter Form derart in wohldefinierter Weise durch das Messvolumen 18 verfahren, dass sie für jede der Positionen 70a-d relativ zur Messvorrichtung 100 eine wohldefinierte Ausrichtung hat. Die Steuer- und Auswerteeinheit 3 kann dann für jede der Positionen 70a-d der Kalibrieroberfläche 61 relativ zur Messvorrichtung 100 für jeden der Mehrzahl von Referenzpunkten 21a, 31a, 41a, 51a in der Bildebene 6a der Kamera 2a die Raumkoordinaten derjenigen Punkte auf der Kalibrieroberfläche 61 berechnen, die jeweils in die Referenzpunkte 21a, 31a, 41a, 51a abgebildet werden. Diese Raumkoordinaten sind nämlich jeweils als die Schnittpunkte der Kalibrieroberfläche 61 mit den Sehstrahlen 20, 30, 40, 50 gegeben, die den Referenzpunkten 21a, 31a, 41a, 51a entsprechen und deren Ausrichtung relativ zur Messvorrichtung 100 wohldefiniert und durch die Steuer- und Auswerteeinheit 3 bestimmbar ist. Z.B. ist die Steuer- und Auswerteeinheit 3 eingerichtet oder programmiert, für die Position 70a der Kalibrieroberfläche 61 die Raumkoordinaten der Punkte 20a, 30a, 40a, 50a auf der Kalibrieroberfläche 61 als die Schnittpunkte der Sehstrahlen 20, 30, 40, 50 mit der Kalibrierebene 61 zu berechnen, und so fort. Auf diese Weise kann die Steuer- und Auswerteeinheit 3 für jeden der die Stützstellen definierenden Punkte 20a-d, 30a-d, 40a-d, 50a-d auf der Kalibrieroberfläche 61 die drei Raumkoordinaten bestimmen, die die Position dieses Punktes bzw. dieser Stützstelle relativ zur Messvorrichtung 100 definieren.
-
Die in 1b gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1a gezeigten insbesondere dadurch, dass beim Kalibrieren der Messvorrichtung 100 zusätzlich die weitere Kamera 2b verwendet wird. Beim Verfahren der Kalibrieroberfläche 61 durch das Messvolumen 18, das wie in 1a z.B. durch die Steuer- und Auswerteeinheit 3 steuerbar sein kann, steuert die Steuer- und Auswerteeinheit 3 die weitere Kamera 2b derart an, dass die weitere Kamera 2b für jede der Positionen 70a-d der Kalibrieroberfläche 61 relativ zur Messvorrichtung 100 während des Projizierens jedes der Muster der in Bezug auf 1a beschriebenen determinierten Folge von Mustern auf die Kalibrieroberfläche 61 durch die Projektionsvorrichtung 1 mittels der weiteren Kamera 2b jeweils ein weiteres Bild der Kalibrieroberfläche 61 aufnimmt. Die Steuer- und Auswerteeinheit 3 steuert die Kameras 2a, 2b also derart an, dass jede der Kameras 2a, 2b für jede der Positionen 70a-d der Kalibrieroberfläche 61 während des Projizierens jedes der Muster auf die Kalibrieroberfläche 61 jeweils ein Bild der Kalibrieroberfläche 61 aufnimmt. Vorzugsweise nehmen die Kameras 2a, 2b die Bilder dabei jeweils gleichzeitig auf.
-
Die Steuer- und Auswerteeinheit 3 ordnet ferner für jede der Positionen 70a-d der Kalibrieroberfläche 61 jedem einer Mehrzahl von weiteren Referenzpunkten in der Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b wie zuvor in Bezug auf die Kamera 2a beschrieben jeweils eine weitere Referenzhelligkeitswertfolge zu, die sich bei der aufgenommenen Folge von weiteren Bildern in dem jeweiligen weiteren Referenzpunkt in der Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b ergibt. Wie zuvor wählt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 die weiteren Referenzpunkte in der weiteren Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b aus, wobei diese z.B. wiederum jeweils durch einen oder mehrere Pixel des weiteren Bildsensors 5b der weiteren Kamera 2b gegeben sein können. Die in den weiteren Referenzpunkten sich ergebenden weiteren Referenzhelligkeitswertfolgen sind typischerweise von der Art der mit der Kamera 2a aufgenommenen und in 2a gezeigten Referenzhelligkeitswertfolgen 42a-d.
-
Für jede der Positionen 70a-d der Kalibrieroberfläche 61 relativ zur Messvorrichtung 100 und für jeden der Mehrzahl von Referenzpunkten 21a, 31a, 41a, 51a in der Bildebene 6a der Kamera 2a identifiziert die Steuer- und Auswerteeinheit 3 dann einen zu dem jeweiligen Referenzpunkt in der Bildebene 6a der Kamera 2a korrespondierenden weiteren Referenzpunkt in der Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b, und zwar anhand der auf die Kalibrieroberfläche 61 projizierten determinierten Folge von Mustern bzw. Streifenmustern. Als homolog oder korrespondierend werden dabei solche Referenzpunkte in den Bildebenen 6a, 6b der beiden Kameras 2a, 2b bezeichnet, auf die jeweils ein gleicher Punkt auf der Kalibrieroberfläche 61 abgebildet wird. Für einen ausgewählten Punkt 40d, der auf den Referenzpunkt 41a in der Bildebene 6a und einen dazu korrespondieren weiteren Referenzpunkt 41' in der Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b abgebildet wird, ist das in 1b beispielhaft dargestellt. Zum Identifizieren der korrespondierenden Referenzpunkte wird dabei ausgenutzt, dass sich für jeden Referenzpunkt in der Bildebene 6a der Kamera 2a mit der determinierten Folge von Mustern jeweils eine Referenzhelligkeitswertfolge ergibt, die sich in der mit der weiteren Kamera 2b aufgenommenen Folge von weiteren Bildern in Form einer korrespondierenden weiteren Referenzhelligkeitswertfolge wiederfindet und dadurch für jeden der Punkte 20a-d, 30a-d, 40a-d, 50a-d auf der Kalibrieroberfläche 61 erfasst wird.
-
Umfasst die von der Projektionsvorrichtung 1 auf die Kalibrieroberfläche 61 projizierte determinierte Folge von Mustern z.B. die zuvor beschriebenen aperiodischen Streifenmuster, sind diese Referenzhelligkeitswertfolgen bzw. weiteren Referenzhelligkeitswertfolgen quasi statistisch und unterscheiden sich insbesondere zumindest senkrecht zur Streifenrichtung von Punkt zu Punkt auf der Kalibrieroberfläche 61. Das ausnutzend werden die korrespondierenden Referenzpunkte in den Bildebenen 6a, 6b der Kameras 2a, 2b nun jeweils durch Maximieren einer Korrelation identifiziert, die zwischen den für die potentiell korrespondierenden Referenzpunkte und weiteren Referenzpunkte erfassten Referenzhelligkeitswertfolgen bzw. weiteren Referenzhelligkeitswertfolgen gebildet wird. Dazu wird eine - in weiten Grenzen beliebig wählbare - Korrelationsfunktion für eine Vielzahl von Paaren von Referenzhelligkeitswertfolgen und weiteren Referenzhelligkeitswertfolgen ausgewertet und das Ergebnis dieser Auswertung - nämlich ein dadurch für jedes Paar verglichener Punkte ermittelter Korrelationswert - zum Auffinden der Paare korrespondierender bzw. homologer Referenzpunkte und weiterer Referenzpunkte maximiert.
-
Für einen gegebenen Referenzpunkt in der Bildebene 6a der Kamera 2a umfasst die von der Steuer- und Auswerteeinheit 3 vorgenommene Auswahl potentiell mit diesem Referenzpunkt korrespondierender weiterer Referenzpunkte in der Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b dabei zweckmäßigerweise nur solche weiteren Referenzpunkte, die auf oder entlang einer zu dem jeweiligen Referenzpunkt in der Bildebene 6a der Kamera 2a korrespondierenden Epipolarlinie in der Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b liegen. Für jeden der Referenzpunkte 21a, 31a, 41a, 51a in der Bildebene 6a der Kamera 2a ist die korrespondierende Epipolarlinie in der Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b dabei durch eine Schnittlinie der Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b mit der Epipolarebene definiert, die dem jeweiligen Referenzpunkt in der Bildebene 6a der Kamera 2a zugeordnet ist. Diese Epipolarebene wird jeweils durch den dem jeweiligen Referenzpunkt in der Bildebene 6a der Kamera 2a entsprechenden Sehstrahl der Kamera 2a und durch das Projektionszentrum der weiteren Kamera 2b aufgespannt. Die korrespondierenden Referenzpunkte in den Bildebenen 6a, 6b der Kameras 2a, 2b können dabei mit einer Ortsauflösung gefunden wird, die höher ist als ein durch eine Pixelmatrix der Bildsensoren 5a, 5b definierte Bildauflösung, weil durch Interpolation auch für Referenzpunkte, die nicht exakt mit einer Pixelposition übereinstimmen, Korrelationswerte gebildet werden können.
-
Hat die Steuer- und Auswerteeinheit 3 für eine gegebene Position der Kalibrieroberfläche 61 und für einen gegebenen Referenzpunkt in der Bildebene 6a der Kamera 2a den zu diesem Referenzpunkt korrespondierenden weiteren Referenzpunkt in der Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b in der beschriebenen Weise mittels Korrelationsmaximierung identifiziert, so bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 die drei relativ zur Messvorrichtung 100 definierten Raumkoordinaten desjenigen Punktes auf der Kalibrieroberfläche 61, der in den jeweiligen Referenzpunkt in der Bildebene 6a der Kamera 2a abgebildet wird, in allgemein bekannter Weise durch Triangulation auf Basis des jeweiligen Referenzpunktes in der Bildebene 6a der Kamera 2a und des zu dem jeweiligen Referenzpunkt als korrespondierend identifizierten weiteren Referenzpunktes in der Bildebene 6b der weiteren Kamera 2b.
-
Projektionsvorrichtung
-
In 3 ist in Form eines Querschnitts ein Teil der Projektionsvorrichtung 1 gemäß einer möglichen Ausführungsform der Messvorrichtung 100 gezeigt. Die Projektionsvorrichtung 1 weist eine Vielzahl einzelner Projektoren 8 auf, die in Form einer Matrix angeordnet sind und jeweils eine eigene Lichtquelle 9 aufweisen. Bei den Lichtquellen 9 handelt es sich um besonders rasch schaltbare LEDs. Anstelle der LEDs können bei Abwandlungen der hier konkret beschriebenen Projektionsvorrichtung 1 natürlich auch andere Lichtquellen verwendet werden, beispielsweise Laserdioden. Im Hinblick auf eine möglichst gute Ausnutzung der Strahlungsleistung der Lichtquellen 9 und zur Vermeidung störender Einflüsse auf benachbarte Projektoren 8 ist für jede der Lichtquellen 9 ein konkaver Konzentrator 10 vorgesehen. Im vorliegenden Fall umfasst jeder der Projektoren 8 seinerseits mehrere durch die gleiche Lichtquelle 9 ausgeleuchtete Projektionseinheiten 11, von denen eine in 4 eingekastelt dargestellt ist und die jeweils eine Kondensorlinse 12, ein festes bildgebendes Medium 13 zur Erzeugung jeweils eines der Streifenmuster und eine Objektivlinse 14 aufweisen.
-
Bei den Projektoren 8 handelt es sich im vorliegenden Fall also um spezielle Durchlichtprojektoren, wobei die bildgebenden Medien 13 dieser Durchlichtprojektoren z.B. lithographisch hergestellt sein können. Dabei ist jeder der Projektoren 8 durch die festen bildgebenden Medien 13 zum Projizieren jeweils genau eines der Muster der von der Projektionsvorrichtung 1 in das Messvolumen 18 projizierten determinierten Folge von Mustern bzw. von Streifenmustern eingerichtet. Alle Projektionseinheiten 11 sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einem gemeinsamen transparenten Substrat 15 realisiert, bei dem es sich um einen Glaswafer handelt und das auf einer den Lichtquellen 9 zugewandten Seite die bildgebenden Medien 13 und die Kondensorlinsen 12 und auf einer gegenüberliegenden Seite die Objektivlinsen 14 trägt. Schließlich weist die Projektionsvorrichtung 1 noch eine zur Strahlkorrektur dienende und alle Projektionseinheiten 11 überspannende makroskopische Linse 16 auf.
-
Dadurch, dass jeweils mehrere der Projektionseinheiten 11 zum gleichen Projektor 8 gehören und insbesondere zum Projizieren des jeweils gleichen Musters verwendet werden, lässt sich durch geringfügige Unterschiede zwischen den bildgebenden Medien 13 der Projektionseinheiten 11 des gleichen Projektors 8 - beispielsweise durch geringfügig unterschiedliche Streifenbreiten - eine gute Bildqualität der jeweils von den Projektionseinheiten 11 gemeinsam projizierten Muster oder Streifenmuster realisieren. Insbesondere kann man dadurch einen lokal jeweils zumindest quasi sinusförmigen Helligkeitsverlauf auch dann realisieren, wenn die einzelnen bildgebenden Medien 13 nur jeweils zwei oder eine sehr begrenzte Anzahl von Grauwerten wiederzugeben geeignet sind.
-
Das Wechseln zwischen den verschiedenen Mustern oder Streifenmustern der determinierten Folge von Mustern oder von Streifenmustern geschieht bei der hier beschriebenen Projektionsvorrichtung 1 dadurch, dass die Steuer- und Auswerteeinheit 3 die Projektionsvorrichtung 1 derart ansteuert, dass diese zwischen den Lichtquellen 9 der verschiedenen Projektoren 8 umschaltet. Dadurch lässt sich eine sehr hohe Bildwechselrate von bis zu etwa 100 kHz realisieren. Auf diese Weise kann die Projektionsvorrichtung 1 die determinierte Folge von Mustern oder von Streifenmustern insgesamt in verhältnismäßig kurzer Zeit projizieren. Ebenso können die auszuwertenden Bilder von der Kamera 2a bzw. von den Kameras 2a und 2b in sehr kurzer Zeit aufgenommen werden.
-
In 4 ist eine Aufsicht auf das Substrat 15 gezeigt, in der eine durch die Projektoren 8 gebildete Matrix zu erkennen ist. Die einzelnen Projektoren 8 sind dabei jeweils nur durch ein Quadrat veranschaulicht. In dem Fall, dass die von den Projektoren 8 der Projektionsvorrichtung 1 in das Messvolumen 18 projizierte determinierte Folge von Mustern die zuvor beschriebenen aperiodischen Streifenmuster umfasst, verläuft die Streifenrichtung 17 dieser Streifenmuster bevorzugt entlang einer durch einen Doppelpfeil gekennzeichneten Richtung. Wie in 4 zu erkennen ist, sind die Projektoren 8 in mehreren parallel zur Streifenrichtung 17 orientierten Spalten angeordnet. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann dabei eingerichtet sein, die Projektionsvorrichtung 1 derart anzusteuern, dass diese jedes der Streifenmuster jeweils mit mehreren der Projektoren 8 projiziert, wobei die zum Projizieren jeweils eines der Streifenmuster verwendeten Projektoren 8 jeweils aus einer der Spalten ausgewählt sind.
-
Bei einer Abwandlung könnten übrigens auch stattdessen oder zusätzlich jeweils mehrere Projektoren 8 aus jeweils einer oder unmittelbar benachbarten Zeilen der Matrix zum Projizieren von Streifenmustern mit einer parallel zu den Zeilen orientierten Streifenrichtung projiziert werden. Auch wäre es möglich, die zum Projizieren jeweils eines der Streifenmuster verwendeten Projektoren 8 aus zwei unmittelbar benachbarten Spalten auszuwählen.
-
Beispiel für eine determinierte Folge von Mustern
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der projizierten determinierten Folge von Mustern um insgesamt neunzehn verschiedene und durch Umschalten zwischen den Lichtquellen 8 sukzessive projizierte Streifenmuster A1 bis A19, wobei eine hier gewählte Verteilung der entsprechend der Reihenfolge der Projektion 8 nummerierten Streifenmuster auf die Projektoren 8 dadurch veranschaulicht ist, dass die Projektoren 8 jeweils mit der Bezeichnung des mit dem jeweiligen Projektor 8 projizierten Streifenmusters A1 bis A19 versehen ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die Projektionsvorrichtung 1 derart anzusteuern, dass jedes der Streifenmuster A1 bis A19 mit jeweils drei oder vier der Projektoren 8 projiziert wird, deren drei bzw. vier Lichtquellen 9 zu diesem Zweck gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden.
-
Zur Veranschaulichung einer möglichen determinierten Folge von Mustern, die für das beschriebene Verfahren geeignet ist, sind in 5 neun der Streifenmuster, nämlich die Streifenmuster A1 bis A9, dargestellt. Diese Darstellung lässt sowohl den im oben beschriebenen Sinne aperiodischen Charakter der Streifenmuster A1 bis A9 als auch deren lokal jeweils sinusförmigen Helligkeitsverlauf erkennen. Anhand von fünf verschiedenen Ausschnitten A1" bis A5' der nur beispielhaft ausgewählten Streifenmuster A1 bis A5 zeigt 6 in diagrammatischer Darstellung die geschilderte Aperiodizität der Streifenmuster.
-
Dabei ist für das beispielhaft noch einmal wiedergegebene Streifenmuster A1 gezeigt, wie der entsprechende Ausschnitte A1' gewählt ist. Für jeden der fünf Ausschnitte ist in 6 ein Diagramm wiedergegeben, das jeweils einen Helligkeitswert I des jeweiligen Ausschnitts A1' bis A5' eines der Streifenmuster A1 bis A5 in Abhängigkeit von einer Ortskoordinate x zeigt, wobei die Ortskoordinate x jeweils einen Ort auf einer senkrecht zur Streifenrichtung orientierten Koordinatenachse angibt. Wie in 6 gut zu erkennen ist, haben die Streifenmuster A1 bis A5 schon in den gezeigten kleinen Ausschnitten A1' bis A5' jeweils zwar einen lokal sinusförmigen Helligkeitsverlauf, dabei jedoch eine nicht konstante Amplitude, Ortsfrequenz und relative Phasenlage.
-
Vermessung einer dreidimensionalen Oberflächenkontur unter Verwendung der Messvorrichtung und der Kalibrierdaten
-
In 7 ist das Vermessen einer dreidimensionalen Oberfläche 81 eines im Messvolumen 18 angeordneten Objekts 80 mittels der Messvorrichtung 100 und unter Verwendung der mit dem zuvor beschriebenen Kalibrierverfahren aufgenommenen und im Speicher 4 der Messvorrichtung 100 hinterlegten Kalibrierdaten veranschaulicht. Dabei ist von entscheidender Bedeutung, dass die relative Anordnung der Projektionsvorrichtung 1 und der Kamera 2a beim Vermessen der Oberfläche 81 dieselbe ist wie beim Aufnehmen der Kalibrierdaten. Wie zuvor sind die Positionen der Stützstellen 20a-d, 30a-d, 40a-d, 50a-d in 7 als schwarze Punkte hervorgehoben (vgl. 1a und 1b). Die zu vermessende Oberfläche 81 ist innerhalb des von den Stützstellen 20a-d, 30a-d, 40a-d, 50a-d aufgespannten Messvolumens 18 angeordnet.
-
Die im Speicher 4 hinterlegten Kalibrierdaten umfassen neben den dreidimensionalen Raumkoordinaten der Stützstellen 20a-d, 30a-d, 40a-d, 50a-d relativ zur Messvorrichtung 100 für jede dieser Stützstellen zusätzlich eine Referenzhelligkeitswertfolge. Die einer gegebenen Stützstelle zugeordnete Referenzhelligkeitswertfolge umfasst dabei die Folge von Helligkeitswerten bzw. von relativen Helligkeitswerten, die beim Projizieren der determinierten Folge von Mustern mittels der Projektionsvorrichtung 1 an der Position der jeweiligen Stützstelle in das Messvolumen 18 projiziert werden und die mittels der Kamera 2a detektierbar sind, sofern an der Position der jeweiligen Stützstelle ein Abschnitt einer zu vermessenden Oberfläche angeordnet ist. Sofern die Muster der determinierten Folge von Mustern einen räumlich stetigen Helligkeitsverlauf haben, wie beispielsweise die zuvor beschriebenen aperiodischen Streifenmuster, unterscheiden sich die Referenzhelligkeitswertfolgen, die hinreichend nahe beieinander liegenden Stützstellen zugeordnet sind, typischerweise nur wenig.
-
Zum Vermessen der Oberfläche 81 steuert die Steuer- und Auswerteeinheit 3 die Projektionsvorrichtung 1 derart an, dass diese dieselbe determinierte Folge von verschiedenen Mustern auf die Oberfläche 81 projiziert wie beim zuvor beschriebenen Kalibrieren der Messvorrichtung 100. Weiter steuert die Steuer- und Auswerteeinheit 3 die Kamera 2a derart an, dass diese während des Projizierens jedes der Muster jeweils ein Bild der Oberfläche 81 aufnimmt. Dabei nimmt die Kamera 2a in jedem einer Mehrzahl von Bildpunkten aus in der Bildebene 6a der Kamera 2a jeweils eine Folge von Helligkeitswerten auf, welche die Steuer- und Auswerteeinheit 3 dem jeweiligen Bildpunkt zuordnet. Von dieser Mehrzahl von Bildpunkten in der Bildebene 6a der Kamera 2a sind in 7 beispielhaft die Bildpunkte 22, 32, 42, 52 hervorgehoben. Zweckmäßigerweise wählt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 die Bildpunkte dabei derart aus, dass sie mit den während des Kalibrierens der Messvorrichtung ausgewählten Referenzpunkten in der Bildebene 6a übereinstimmen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Typischerweise handelt es sich bei den während des Kalibrierens ausgewählten Referenzpunkten und bei den während des Vermessens der Oberfläche 81 ausgewählten Bildpunkten jeweils um dieselben Pixel des Bildsensors 5a der Kamera 2a. So ergibt sich im in 7 gezeigten Bildpunkt 42 beispielsweise die in 2b gezeigte Helligkeitswertfolge 43.
-
Die Steuer- und Auswerteeinheit 3 wählt nun für jeden der Bildpunkte in der Bildebene 6a der Kamera, z.B. unter anderem für die Bildpunkte 22, 32, 42, 52 in 7, eine Untermenge der im Speicher 4 hinterlegten Referenzhelligkeitswertfolgen aus, korreliert jede der Referenzhelligkeitswertfolgen dieser Untermenge mit der dem jeweiligen Bildpunkt zugeordneten Helligkeitswertfolge und ermittelt ein Maximum der sich dabei ergebenden Korrelationswerte oder Korrelationskoeffizienten über die jeweilige ausgewählte Untermenge. Bevorzugt wählt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 die genannte Untermenge dabei jeweils derart aus, dass die jeweilige Untermenge die Referenzhelligkeitswertfolgen umfasst, die im Speicher 4 denjenigen Stützstellen zugeordnet sind, die entlang eines dem jeweiligen Bildpunkt entsprechenden Sehstrahls der Kamera 2a liegen.
-
So wählt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 für den in 7 gezeigten Bildpunkt 42, der hier demselben Pixel des Bildsensors 5a entspricht wie der in den 1a und 1b gezeigte Referenzpunkt 41, als Untermenge der im Speicher 4 hinterlegten Referenzhelligkeitswertfolgen beispielsweise die in 2a gezeigten Referenzhelligkeitswertfolgen 42a-d aus, die den Stützstellen 40a-d zugeordnet sind, die entlang des dem Bildpunkt 42 entsprechenden Sehstrahls 40 der Kamera 2a liegen. Praktisch kann es zweckmäßig sein, zu einem gegebenen Bildpunkt in der Bildebene 6a der Kamera 2a als Untermenge jeweils die Referenzhelligkeitswertfolgen auszuwählen, die Stützstellen zugeordnet sind, deren Abstand von dem Sehstrahl, der dem jeweiligen Bildpunkt entspricht, kleiner ist als ein vorgegebener Höchstabstand.
-
Die Steuer- und Auswerteeinheit 3 korreliert somit für den Bildpunkt 42 die im Bildpunkt 42 detektierte Helligkeitswertfolge 43 einzeln mit jeder der den Stützstellen 42a-d zugeordneten Referenzhelligkeitswertfolgen 42a-d.
-
Ein Vergleich der Helligkeitswertfolge 43 mit den Referenzhelligkeitswertfolgen 42a-d zeigt, dass von allen Referenzhelligkeitswertfolgen 42a-d die Referenzhelligkeitswertfolge 43c die größte Ähnlichkeit mit der im Bildpunkt 42 aufgenommenen Helligkeitswertfolge 43 hat (2). Somit ergibt sich über die ausgewählte Untermenge der größte Korrelationswert für die Korrelation zwischen der Helligkeitswertfolge 43 und der Referenzhelligkeitswertfolge 42c. Diese ist der Stützstelle 40c zugeordnet, die von allen Stützstellen 40a-d entlang des Sehstrahls 40 dem Schnittpunkt 44 des Sehstrahls 40 mit der Oberfläche 81 am nächsten liegt (7). Dies entspricht dem erwarteten Ergebnis, da der räumliche Helligkeitsverlauf der auf die Oberfläche 81 projizierten determinierten Folge aperiodischer Streifenmuster stetig ist.
-
Im nächsten Schritt bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 für die Mehrzahl von Bildpunkten in der Bildebene 6a der Kamera 2a, insbesondere für jeden der Bildpunkte 22, 32, 42, 52, jeweils Näherungswerte für die drei Raumkoordinaten desjenigen Punktes auf der Oberfläche 81, der in den jeweiligen Bildpunkt abgebildet wird. Die Näherungswerte werden dabei jeweils relativ zur Messvorrichtung 100 bestimmt.
-
Beispielsweise bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 für den Bildpunkt 42 Näherungswerte für die drei Raumkoordinaten des Punktes 44 auf der Oberfläche 81, der auf dem Sehstrahl 40 liegt und in den Bildpunkt 42 abgebildet wird. Dazu wählt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 aus der Vielzahl von Stützstellen, die zusammen mit ihren dreidimensionalen Raumkoordinaten im Speicher 4 hinterlegt sind, diejenigen Stützstellen aus, die von der Stützstelle 40c, die dem zuvor für den Bildpunkt 42 ermittelten maximalen Korrelationswert zugeordnet ist, einen Abstand haben, der jeweils kleiner ist als ein vorgegebener größter Abstand. Innerhalb der so definierten Umgebung der Stützstelle 40c liegen z.B. wenigstens die Stützstellen 40b und 40d, die der Stützstelle 40c entlang des Sehstrahls 40 von allen im Speicher 4 hinterlegten Stützstellen am nächsten liegen. Basierend auf den dreidimensionalen Raumkoordinaten der Stützstellen, die innerhalb der genannten Umgebung der Stützstelle 40c liegen, bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 für den Bildpunkt 42 in der Bildebene 6a der Kamera 2a nun die Näherungswerte der drei Raumkoordinaten des Punktes 44 durch Interpolation. Für die übrigen Bildpunkte der Mehrzahl von Bildpunkten in der Bildebene 6a bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 3 in analoger Weise jeweils Näherungswerte für die drei Raumkoordinaten desjenigen Punktes auf der Oberfläche 81, der in den jeweiligen Bildpunkt abgebildet wird, so dass sich daraus eine näherungsweise Rekonstruktion der dreidimensionalen Oberflächenkontur der Oberfläche 81 ergibt. Durch weitere Interpolation kann die Rekonstruktion der dreidimensionalen Oberflächenkontur der Oberfläche 81 weiter verfeinert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007022361 A1 [0003]
- DE 102006049695 A1 [0003]
