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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum dreidimensionalen optischen Vermessen eines Objekts. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zum optischen Vermessen eines Objekts zwecks Erzeugens dreidimensionaler (3D) Messdaten bekannt. Die gewonnenen Messdaten können in Form sogenannter 3D-Punktwolken vorliegen und zum Beispiel eine äußere Form (d.h. Oberfläche) von zumindest einem ausgewählten Bereich des Objektes beschreiben. Insbesondere können die Messdaten verwendet werden, um Abmessungen und geometrische Größen (wie Durchmesser oder Breite) zu bestimmen, die Ergebnisse mit Vorgaben zu vergleichen und zu bewerten, Eigenschaften des Objektes zu berechnen (zum Beispiel Qualitätsparameter) und/oder um eine dreidimensionale grafische Darstellung des Objektes zu erzeugen.
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Grundprinzip der optischen 3D-Vermessung ist typischerweise das Erfassen von Licht, welches von dem zu vermessenden Objekt reflektiert wird. Unter Licht wird nicht nur elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich verstanden, sondern auch elektromagnetische Strahlung in anderen Wellenlängenbereichen. Zur optischen Vermessung kann Licht in definierter Weise auf das Objekt gerichtet werden, zum Beispiel durch Projizieren eines vorbestimmten (Licht-) Musters mittels eines Projektors. Das reflektierte Licht kann mittels wenigstens einer Kameraeinrichtung erfasst werden, deren Kamerabilder zum Erzeugen der Messdaten ausgewertet werden können. Für das Auswerten sind sogenannte Triangulationsverfahren wie auch Bildkorrelationsverfahren bekannt, die jeweils unterschiedliche Anforderungen an die Art und die Anzahl der Kameraeinrichtung und des Projektors stellen.
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Insbesondere die optische 3D-Vermessung von Werkstücken und anderen technisch hergestellten Gegenständen strebt eine hohe Messgenauigkeit und eine kurze Messzeit an. Diese Ziele stehen jedoch typischerweise in einem Konflikt zueinander, d.h. eine höhere Genauigkeit erfordert häufig eine längere Messzeit. Weiterhin sollen die Kosten der Messvorrichtung möglichst gering ausfallen, was jedoch in einem Zielkonflikt zu sowohl einer hohen Messgenauigkeit wie auch einer möglichst geringen Messzeit stehen kann.
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Es besteht somit ein Bedarf dafür, das optische dreidimensionale Vermessen eines Objekts unter zumindest teilweiser Überwindung der vorstehend genannten Zielkonflikte zu verbessern.
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Die Erfinder haben erkannt, dass eine Messzeit kürzer ausfallen kann, wenn der Projektor und/oder die Kameraeinrichtung genauer kalibriert werden. Letzteres ermöglicht das Auswerten einer reduzierten Anzahl oder sogar lediglich eines einzelnen Kamerabildes, was das Vermessen entsprechend beschleunigt. Mit anderen Worten sieht die Erfindung vor, die Messgenauigkeit durch die Güte der Kalibrierung der Messvorrichtung zu verbessern und die Messzeit durch Erzeugen und Auswerten einer reduzierten Anzahl von Kamerabildern zu begrenzen.
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Eine erfindungsgemäße Lösung wird in den beigefügten unabhängigen Vorrichtungs- und Verfahrensansprüchen definiert. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung zum dreidimensionalen optischen Vermessen eines Objekts umfasst einen Projektor (z.B. ein Projektor, der ein DMD, d.h. eine digitale Spiegel-Einrichtung aufweist) zum Projizieren eines Musters auf das Objekt, eine Kameraeinrichtung zum Erfassen von Bildern des Objekts und eine Auswerteeinheit zum Auswerten des von der Kameraeinrichtung erfassten Bildes. Wie nachstehend erläutert, kann der Projektor vorbestimmte Muster oder auch Mustersequenzen auf das Objekt projizieren, wobei die Muster zum Beispiel Streifenmuster, stochastische, kodierte und/oder binäre Muster sind oder umfassen können. Bei dem Objekt kann es sich um ein zu vermessendes Werkstück handeln, von dem beispielsweise die Form, die Maßhaltigkeit oder die Oberflächengüte bestimmt werden soll. Ein Muster wird insbesondere durch Erzeugen und Einstrahlen einer dem Muster entsprechenden Strahlungsflussdichte-Verteilung elektromagnetischer Strahlung projiziert. Insbesondere können verschiedene Muster durch elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge projiziert werden, d. h. die elektromagnetische Strahlung der verschiedenen Muster liegt in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, die vorzugsweise einander nicht überlappen.
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Die Kameraeinrichtung kann allgemein dazu eingerichtet sein, das von dem Objekt reflektierte Licht zu erfassen. Die Lichtreflexionen können durch das auf das Objekt projizierte Musters erzeugt werden. Die Kameraeinrichtung kann einen geeigneten Kamerasensor umfassen, zum Beispiel einen flächenhaften Aufnahmesensor, insbesondere einen CCD- oder CMOS-Sensor. Der Kamerasensor kann zum Beispiel eine einzige Matrix aus strahlungsempfindlichen Sensorelementen aufweisen. Insbesondere kann die Kameraeinrichtung lediglich eine optische Einrichtung aufweisen, durch die hindurch die von der Kameraeinrichtung aufgenommene Strahlung zu dem Kamerasensor gelangt. Die Auswerteeinheit kann in eine Steuereinrichtung der Anordnung integriert sein oder eine solche Steuereinrichtung bilden, wobei die Steuereinrichtung jeweils in Form eines Computers vorliegen kann. In einer Variante umfasst die Auswerteeinheit einen Prozessor (oder mit anderen Worten eine CPU), der die von der Kameraeinrichtung übermittelten Signale und/oder Bilddaten auswertet. Die Auswerteeinheit kann mit dem Projektor verbunden sein, zum Beispiel um Informationen über ein aktuell projiziertes Muster (zum Beispiel die dem Muster entsprechenden digitalen Bilddaten) zu erhalten und/oder Steuerbefehle hinsichtlich des zu projizierenden Musters zu übermitteln.
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Die Anordnung kann eine räumlich zusammenhängende Anordnung oder Baugruppe betreffen, in der der Projektor und die Kameraeinrichtung zu einer bautechnischen Einheit zusammengefasst und/oder mechanisch miteinander gekoppelt sind. Beispielsweise kann die Anordnung als ein einzeln handhabbares Messmodul ausgebildet sein, dass vorzugsweise von einem Benutzer im Sinne eines Handgeräts gehalten und bewegt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Anordnung als zusammenhängendes Messmodul statisch im Raum anordenbar sein, zum Beispiel mittels einer Stativeinrichtung. Es ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung aber auch vorgesehen, den Projektor und die Kameraeinrichtung räumlich getrennt voneinander und optional auch unabhängig voneinander bewegbar oder positionierbar auszubilden. Anders ausgedrückt können der Projektor und die Kameraeinrichtung mechanisch entkoppelt sein. In diesem Zusammenhang kann der Projektor zum Beispiel deckenmontiert oder anderweitig im Raum installiert sein.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Anordnung genau einen Projektor und/oder genau eine Kameraeinrichtung umfasst. Hierdurch können die Kosten begrenzt werden. Prinzipiell kann aber auch eine Mehrzahl von Projektoren und/oder Kameraeinrichtungen vorgesehen sein. In einer Variante ist eine Mehrzahl von Projektoren vorgesehen, die, wie nachstehend noch näher erläutert, vorzugsweise jeweils zu der Kamera kalibriert sind. Die Projektoren können ihre Muster nacheinander projizieren, wobei die verschiedenen Muster optional Licht in demselben Wellenlängenbereich aufweisen können. Hierdurch können Abschattungen oder Selbstverdeckungen durch einen einzelnen Projektor kompensiert werden. Ebenso können die Projektoren Muster projizieren, wobei z.B. zumindest ein erstes der Muster Licht ausschließlich in einem ersten Wellenlängenbereich und ein zweites Muster Licht ausschließlich in einem zweiten, von dem ersten Wellenlängenbereich verschiedenen Wellenlängenbereich aufweisen. In diesem Fall können die Muster wieder nacheinander, aber auch gleichzeitig auf das Objekt projiziert werden. Weiterhin kann die Kameraeinrichtung dazu ausgebildet sein, das Licht der verschiedenen Wellenlängen im Sinne einer Farbkamera zu erfassen. Es kann eine Mehrzahl der Farbkameras Teil der Anordnung sein, sodass die gleichzeitige Erfassung einer Mehrzahl von Bildern des Objekts möglich ist. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Kameras vorgesehen sein, wobei jede der Kameras lediglich das Licht in einem der Wellenlängenbereiche erfasst.
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Zum Erzeugen aussagekräftiger Messdaten kann vorgesehen sein, dass die Kameraeinrichtung und/oder der Projektor kalibriert oder kalibrierbar sind, insbesondere zueinander. Hierdurch kann allgemein sichergestellt werden, dass die von dem Projektor projizierten Muster innerhalb der betrachteten Messfelder und/oder Bildbereiche von der Kameraeinrichtung mit hoher Genauigkeit lediglich durch die Oberfläche des Messobjekts verändert erfasst werden. Beispielsweise kann über das Kalibrieren sichergestellt werden, dass ein Bereich oder Pixel in dem projizierten Muster mit einem vorbestimmten Bereich oder Pixel in dem erfassten Kamerabild übereinstimmt, wenn das Messobjekt das Muster unter einem bekannten, festen Reflexionswinkel reflektiert. Dies kann zum Beispiel mit dem nachstehend erläuterten Kalibriermodus der Anordnung erzielt werden.
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Das Kalibrieren des Projektors kann allgemein das Ermitteln des Zusammenhangs zwischen einem ausgesendeten Projektorbild (d. h. eines von dem Projektor projizierten Musters, zum Beispiel entsprechend einer Bilddatei) und dem resultierenden Bild (oder Muster) bei einem Auftreffen in der Umgebung umfassen. Insbesondere kann ermittelt werden, wo, in welcher Form und optional mit welcher Intensität das ausgesendete Projektorbild in der Umgebung auftrifft, was insbesondere für eine Mehrzahl von Bereichen und/oder Pixeln des Projektorbildes ermittelt werden kann. Bei dem betrachteten Auftreffbereich in der Umgebung handelt es sich vorzugsweise um einen Bereich, der in einem vorbestimmten Messbereich der Anordnung liegt.
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In ähnlichem Sinn kann das Kalibrieren der Kameraeinrichtung das Ermitteln des Zusammenhangs zwischen einem aufgenommenen Umgebungsbereich und einem entsprechenden Bereich in dem Kamerabild umfassen, vorzugsweise um diese in Übereinstimmung miteinander zu bringen. Insbesondere kann ermittelt werden, wo, in welcher Form und optional mit welcher Intensität der aufgenommene Umgebungsbereich im Empfangsbereich der Kameraeinrichtung erfasst wird. Dies kann wiederum für eine Mehrzahl einzelner Bereiche und/oder Pixel des Kamerabildes erfolgen und sich ebenfalls auf einen Umgebungsbereich beziehen, der in einem vorbestimmten Messbereich der Anordnung liegt und insbesondere in demselben Messbereich wie bei dem Kalibrieren des Projektors.
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Werden sowohl der Projektor als auch die Kamera kalibriert und insbesondere zueinander kalibriert, kann erreicht werden, dass der beschriebene Zusammenhang zwischen einem ausgesendeten Projektorbild (und insbesondere einem einzelnen Projektorpixel) und einem erhaltenen Kamerabild (und insbesondere einem einzelnen Kamerapixel) feststellbar ist. Insbesondere kann ermittelt werden, welcher Bereich oder Pixel in dem Kamerabild mit einem Bereich oder Pixel in dem Projektorbild korrespondiert und optional bei welcher Intensität der von der Kameraeinrichtung erfassten Strahlung. Nach einer Bilderfassung kann basierend auf den Abweichungen zwischen einem erfassten Kamerapixel und dem korrespondierenden Pixel in dem ausgesendeten Projektorbild in bekannter Weise auf eine dreidimensionale Oberflächenform des Objekts geschlossen werden.
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Um eine derartige Kalibrierung zu erzielen, ist die Anordnung wahlweise in einem Kalibriermodus oder in einem Messmodus betreibbar. Der Messmodus kann allgemein für den fortlaufenden Messbetrieb vorgesehen sein, insbesondere unter Steuerung durch einen Endbenutzer. Der Kalibriermodus kann hingegen in vorbestimmten Intervallen ausgeführt werden und/oder unabhängig von einer tatsächlichen Objektvermessung.
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In dem Kalibriermodus ist der Projektor dazu eingerichtet, eine Mehrzahl von Mustern aufeinanderfolgend auf das Objekt zu projizieren, die Kameraeinrichtung ist dazu eingerichtet, wenigstens ein Bild bei einer jeweiligen Projektion der Muster zu erfassen (d.h., wenigstens ein Bild je projiziertem Muster) und die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, durch Auswerten der erfassten Bilder für die Mehrzahl von Mustern den Projektor und die Kamera zueinander zu kalibrieren. Durch das Projizieren einer Mehrzahl von Mustern kann der Projektor besonders präzise und zuverlässig kalibriert werden. Die Muster sind dabei vorzugsweise verschieden voneinander. Wird oder wurde auch die Kameraeinrichtung kalibriert, kann die vorstehend erläuterte Zuordnung zwischen Kamerapixeln und Projektorpixeln somit zuverlässig bestimmt werden. Insbesondere kann durch die Projektion einer Mehrzahl von Mustern das Signal-/Rauschverhältnis erhöht werden und/oder die Genauigkeit der Kalibrierung erhöht werden, zum Beispiel bis in den sub-Pixel Bereich.
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In dem Messmodus ist der Projektor hingegen dazu eingerichtet, eine im Vergleich zum Kalibriermodus geringere Anzahl von Mustern auf das Objekt zu projizieren, die Kameraeinrichtung ist dazu eingerichtet, bei einer jeweiligen Projektion des oder der Muster wenigstens ein Bild zu erfassen, und die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, aus dem erfassten Bild dreidimensionale Messdaten des Objekts zu erzeugen. Das Erzeugen der dreidimensionalen Messdaten kann auf Basis bekannter Triangulations- und/oder Bildkorrelationsverfahren ausgeführt werden, wie nachstehend noch ausführlich erläutert.
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Durch Projizieren einer geringeren Anzahl von Mustern im Messmodus (zum Beispiel weniger als die Hälfte, weniger als ein Viertel oder weniger als ein Zehntel im Vergleich zum Kalibriermodus), was mit einer entsprechend reduzierten Anzahl von auszuwertenden Bildern einhergehen kann, kann die Messzeit reduziert werden. Da gleichzeitig aber eine präzise Kalibrierung ermöglicht wird, können die Auswirkungen auf die Messgenauigkeit trotz der verkürzten Messzeit begrenzt werden.
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Die verkürzte Messzeit ermöglicht ferner, den Einfluss von Störquellen zu reduzieren. Beispielsweise können Vibrationseinflüsse, wie sie insbesondere in einem Fabrikumfeld verbreitet sind, zum Beispiel bei Einsatz von Robotern für die Herstellung und Vermessung von Gegenständen, gegenüber längeren Messzeiten sowie dem Erfassen umfangreicher Bildfolgen reduziert werden. Auch ist es durch die verkürzte Messzeit möglich, die Anordnung nach Art eines Scanners zu betreiben oder, anders ausgedrückt, eine im Wesentlichen kontinuierliche Vermessung entlang des Objekts vorzunehmen. Hierfür kann die Anordnung im Wesentlichen kontinuierlich relativ zu und/oder entlang des Objekts bewegt werden, was manuell oder mittels einer Bewegungsvorrichtung erfolgen kann, wie zum Beispiel einem Industrieroboter.
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Bei Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Anordnung und des entsprechenden Messverfahrens, die insbesondere im Folgenden noch beschrieben werden, kann die Anordnung alternativ nur basierend auf einem projizierten Muster kalibriert werden und/oder basierend auf einer gleichgroßen oder größeren Anzahl von Mustern als bei der Vermessung eines Werkstücks.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass in dem Messmodus der Projektor dazu eingerichtet ist, zur Erfassung durch die Kameraeinrichtung lediglich ein einzelnes Muster auf das Objekt zu projizieren. Die Kameraeinrichtung kann auch entsprechend lediglich ein einzelnes Bild des Objekts bei einer Projektion dieses einzelnen Musters erfassen. Das einzelne Kamerabild kann dann von der Auswerteeinheit zum Erzeugen der dreidimensionalen Messdaten ausgewertet werden. Auf diese Weise lässt sich die Messzeit in einem besonders signifikanten Ausmaß reduzieren. Es versteht sich, dass bei dem Vermessen des vollständigen Objekts mehrere derartige Bilderfassungs- und Auswertezyklen vorgesehen sein können, um einen vollständigen Datensatz (insbesondere ein vollständiges Bild) des zu vermessenden Objektes zu erzeugen. Durch Auswerten lediglich eines einzelnen Bildes innerhalb eines solchen einzelnen Zyklus kann aber die insgesamt benötigte Messzeit reduziert werden.
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In einer Weiterbildung der Anordnung und des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit zum Berechnen dreidimensionaler Messdaten das von der Kameraeinrichtung erfasste Bild und das projizierte Muster einander angleicht und/oder rektifiziert (d.h. dazu eingerichtet ist) und vorzugsweise auf Basis des an das Muster angeglichenen und/oder rektifizierten Kamerabildes und des Musters ein Stereokorrelationsverfahren durchführt. Statt wie bei üblichen Stereokorrelationsverfahren zwei von separaten Kameraeinrichtungen erfasste Bilder zu vergleichen, kann gemäß dieser Weiterbildung das projizierte Muster (also das ausgesendete Projektorbild, zum Beispiel in Form einer Bilddatei) als eines der zur Verfügung stehenden Bilder zugrunde gelegt werden. Der Projektor kann als „inverse Kamera“ betrachtet werden. Das weitere in dem Stereokorrelationsverfahren betrachtete Bild liegt dann in Form des Kamerabildes vor. Auch bei dieser Variante ist es allgemein möglich, lediglich ein einzelnes Kamerabild zu erfassen und auszuwerten, da das projizierte Muster zum Beispiel in Form einer Bilddatei ohnehin zur Verfügung steht oder aufwandsarm beschafft werden kann. Auch wenn mehr als eine Kameraeinrichtung vorhanden ist, kann die Stereokorrelation jeweils bezüglich eines einzigen Bildes einer der Kameraeinrichtungen bzw. der jeweiligen Kameraeinrichtung und zumindest eines projizierten Musters durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung können die von dem Projektor projizierten Muster zumindest ein kodiertes Muster aufweisen, z. B. ein quasi-stochastisches und/oder ein binäres Muster. Dies kann sich sowohl auf die Muster im Kalibriermodus als auch im Messmodus beziehen. In Bezug auf die Anordnung aus Projektor und Kameraeinrichtung, die unter verschiedenen Blickwinkeln auf das Objekt ausgerichtet sind, sodass eine Triangulationsbasis definiert werden kann, sodass ergeben sich sogenannte Epipolarlinien. Es wird bevorzugt, dass die einzelnen Kodierelemente des Musters entlang den Epipolarlinien eine möglichst große Hamming-Distanz aufweisen, um die Robustheit der Mustererkennung zu erhöhen.
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Nicht nur in diesem Zusammenhang kann ferner vorgesehen sein, dass das Kamerabild rektifiziert wird, bevor es ausgewertet wird. Das Rektifizieren weist insbesondere a) ein Korrigieren und/oder Kompensieren des Kamerabildes insbesondere in Bezug auf eine Verzeichnung (gelegentlich auch Verzerrung genannt) aufgrund einer Optik der Kameraeinrichtung und/oder des Projektors und/oder aufgrund äußerer Einflüsse wie z.B. Umgebungstemperatur und/oder b) eine Transformation des Kamerabildes in ein Bild mit anderer Blickrichtung auf das Objekt und/oder in ein Bild anderer Drehposition um die optische Achse der Kameraeinrichtung auf. Dadurch kann die Blickrichtung an diejenige des Projektors angeglichen werden. Insbesondere kann eine Transformation des erfassten Kamerabildes derart durchgeführt werden, dass dessen Epipolarlinien parallel zu der Richtung der Zeilen oder Spalten von Pixeln des Kamerabildes verlaufen. Alternativ oder zusätzlich kann das Projektorbild rektifiziert werden, weist jedoch vorzugsweise bereits eine bekannte und bevorzugte Ausrichtung insbesondere von dessen Epipolarlinien auf. Beim Entzerren des erfassten Kamerabildes kann insbesondere vor der Transformation auf gängige Algorithmen der Bildbearbeitung zurückgegriffen werden. Die Verzeichnung kann z.B. wie in der
US 6,527,395 B1 beschrieben korrigiert werden, wobei die relative Position und Ausrichtung von Kameraeinrichtung und Projektor verändert wird und jeweils zumindest ein Kamerabild eines von dem Projektor auf eine Oberfläche projizierten Musters aufgenommen wird und wobei unter Verwendung der aufgenommenen Kamerabilder und des projizierten Musters zumindest intrinsische Parameter des Projektors erhalten werden. Um die äußeren Einflüsse berücksichtigen zu können, ist es insbesondere möglich, die Korrektur bei verschiedenen Werten bzw. Zuständen der äußeren Einflüsse durchzuführen. Zum Beispiel kann die Korrektur bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Kameraeinrichtung unabhängig von dem Projektor zu kalibrieren und insbesondere dadurch eine Verzeichnung aufgrund einer Optik der Kameraeinrichtung zu ermitteln. Wenn die Kameraeinrichtung in Kombination mit dem Projektor verwendet wird, kann dies dazu genutzt werden, die Verzeichnung der Optik der Kameraeinrichtung zu korrigieren.
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Das Angleichen kann ferner ein radiometrisches Angleichen des Kamerabildes und des projizierten Musters umfassen. Dies kann insbesondere das Anpassen der radiometrischen Eigenschaften des Kamerabildes an das vorzugsweise als Bilddatei vorliegende projizierte Muster betreffen. Die radiometrischen Eigenschaften können allgemein den Grauwert, die Farbcodierung, den Kontrast, eine Filterung und/oder eine Bildschärfe betreffen. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, das Kamerabild durch eine lokale oder globale Grauwertspreizung an das projizierte Muster anzupassen. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein sogenanntes Least Square Template Matching durchgeführt werden (sh.: A. Grün: Adaptive Least Squares Correlation: A powerful image matching technique. South African Journal of Photogrammtry, Remote Sensing & Cartography, 14(3):175-187, 1985).
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Weiterhin kann das Angleichen ein Angleichen der Auflösungen des Kamerabildes und des projizierten Musters umfassen, wobei die Auflösung des projizierten Musters insbesondere durch ein Hochrechnen angepasst werden kann (beispielsweise durch ein sogenanntes ganzzahliges Upsampling).
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In der Regel wird in keinem der Fälle der Angleichung von Muster und Kamerabild eine vollständige Angleichung erzielt. Die teilweise Angleichung kann jedoch die Auswertung erleichtern und insbesondere das Auffinden einer Korrelation von projiziertem Muster und Kamerabild erleichtern.
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Auch im Fall der Projektion zumindest eines kodierten Musters kann auf eine Dekodierung verzichtet werden. Insbesondere kann auch ohne eine Dekodierung eine Bildkorrelation zwischen dem projizierten Muster und einem Kamerabild durchgeführt werden. Dadurch wird Zeitaufwand gespart.
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Insbesondere können binäre digitale Muster projiziert werden, bei denen die Anzahl der hellen Pixel ungefähr gleich der Anzahl der dunklen Pixel ist. „Ungefähr“ gleich ist die Anzahl insbesondere dann, wenn die Anzahl jeweils zwischen 40 und 60 % der Gesamtanzahl sowohl der hellen als auch der dunklen Pixel liegt, vorzugsweise zwischen 45 und 55 % der Gesamtanzahl. Wenn die Musterstrukturen transformiert im Frequenzraum betrachtet werden, lassen sich mit derartigen Mustern im Vergleich zu bekannten Verfahren hohe Frequenzen erzielen, wodurch eine bessere örtliche Auflösung erreichbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Anordnung dazu eingerichtet, das projizierte Muster gemäß wenigstens einer der folgenden Varianten anzupassen: lokales Anpassen der Helligkeit des Musters, insbesondere nach Maßgabe einer erfassten Objektreflektivität; und Anpassen der räumlichen Erstreckung des Musters, um Teilbereiche des Objekts frei von dem projizierten Muster zu lassen. Das Anpassen der Helligkeit oder auch der Intensität des projizierten Musters kann als adaptive Projektion bezeichnet werden. Das Anpassen der Erstreckung, bei dem das Muster auf Teilbereiche des Objekts nicht projiziert werden kann, kann auch als selektive Projektion bezeichnet werden. Dies kann insbesondere ein lokales Ausblenden des Musters umfassen.
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Die adaptive Projektion kann insbesondere angewendet werden, um auf unerwünschte hohe Reflexionen durch das Objekt zu reagieren oder, mit anderen Worten, Überstrahlungen zu vermeiden. Dies kann durch die lokale und/oder bereichsweise Anpassung der Helligkeit des projizierten Musters erreicht werden. Überstrahlungen können zum Beispiel bei ebenen und/oder stark glänzenden Bauteilen auftreten.
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Bei der adaptiven Projektion kann die Beleuchtungsintensität in zumindest einem Teilbereich einer Querschnittsfläche, durch die das Muster hindurchprojiziert wird, insbesondere im Vergleich zu einer vorangehenden Projektion reduziert werden. Wurde zum Beispiel bei der vorangehenden Projektion durch Auswertung des entsprechenden Kamerabildes festgestellt, dass die Intensität in dem Bereich des Kamerabildes, der dem Teilbereich entspricht, über einem vorgegebenen Grenzwert liegt, kann bei der folgenden adaptiven Projektion die Intensität in dem Teilbereich so reduziert werden, dass die Intensität in dem entsprechenden Bereich des Kamerabildes nicht mehr über dem vorgegebenen Grenzwert liegt. Insbesondere kann iterativ vorgegangen werden, d. h. wiederholt die Intensität in dem Teilbereich verändert werden, wobei jeweils nach einer Veränderung der Intensität zumindest ein Kamerabild ausgewertet wird, um Informationen über ein Ergebnis der Veränderung zu erhalten. In einem digitalen Kamerabild wird die Intensität zum Beispiel durch einen Grauwert oder die Intensität eines Farbwertes wiedergegeben. Um die Projektion zu adaptieren kann insbesondere ein DMD verwendet werden.
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Die selektive Projektion kann insbesondere angewendet werden, um auf störende und insbesondere auf sich überlagernde Reflexionen zu reagieren und diese sozusagen auszublenden. So ist es bekannt, dass zum Beispiel an den Innenkanten eines Objekts Mehrfachreflexionen auftreten können, die von der Anordnung nicht immer als solche erkannt werden und das Messergebnis verfälschen können. Durch die selektive Projektion (insbesondere in Form eines lokalen Ausblendens des projizierten Musters, um dessen Erstreckung zu begrenzen) können entsprechende kritische Objektbereiche gezielt freigelassen werden, um derartige Probleme zu vermeiden.
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Bei der selektiven Projektion kann der Projektor insbesondere so gesteuert werden, dass durch zumindest einen Teilbereich einer Querschnittsfläche, durch die das Muster hindurchprojiziert wird, von dem Projektor keine Strahlung hindurchgestrahlt wird. Zum Beispiel können einzelne Elemente oder Bereiche von Elementen einer Matrix von Flüssigkristallen (z. B. LCoS, d. h. Flüssigkristalle auf einem Siliziumsubstrat) des Projektors abgeschaltet werden, sodass durch sie keine Strahlung hindurchtritt. Vorzugsweise wird zur selektiven Projektion jedoch ein DMD verwendet.
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Nicht nur bei der adaptiven Projektion, sondern auch bei der selektiven Projektion und auch in allen anderen Fällen kann der Projektion zumindest eine weitere Projektion mit Auswertung zumindest eines Kamerabildes vorausgegangen sein und bei der Auswertung Information ermittelt werden, die insbesondere für die selektive Projektion verwendet wird. Zum Beispiel kann bei der Auswertung der vorangegangenen Projektion insbesondere bereits durch Auswertung eines einzigen Kamerabildes festgestellt werden, dass ein Teil des Musters nicht auf den Messbereich und/oder nicht auf das Messobjekt projiziert wurde. Dieser Teil des Musters kann bei der selektiven Projektion ausgeschaltet werden, d. h. es findet keine Projektion von Strahlung des Projektors auf den Messbereich und/oder das Messobjekt in diesem Teil des Musters mehr statt. Alternativ oder zusätzlich kann durch Auswertung der vorangegangenen Projektion insbesondere bereits durch Auswertung eines einzigen Kamerabildes ermittelt werden, wo sich im Messvolumen der Anordnung das Objekt befindet. Insbesondere wenn sich das Objekt nicht in einem vorgegebenen zentralen Bereich des Messvolumens befindet, kann die Ausrichtung von Projektor und Kameraeinrichtung in Bezug auf das Objekt so verändert werden, dass sich das Messobjekt im zentralen Bereich befindet.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann die Auswerteeinheit somit dazu eingerichtet sein festzustellen, wo in einem vorbestimmten Messbereich das zu vermessende Objekt und/oder eine Halterung des zu vermessenen Objekts angeordnet ist/sind. Insbesondere kann der im Messvolumen liegende vorbestimmte Messbereich zum Zweck der Feststellung des Objekt-Ortes (einschließlich eventuell der Feststellung des Ortes einer Halterung, die das Objekt hält) größer gewählt werden als im Messmodus, wenn das Objekt vermessen wird. Vor allem in Tiefenrichtung, d. h. entlang einer Richtung, in der die Muster projiziert und/oder die Kamerabilder aufgenommen werden, kann der vorbestimmte Messbereich einer solchen Vorab-Feststellung größer sein als im Messmodus. Die Grenze des vorbestimmten Messbereichs, die weiter von dem Projektor entfernt ist, kann einen größeren Abstand zum Projektor haben als im Messmodus. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass zur Vorab-Feststellung nicht dieselbe örtliche Messgenauigkeit benötigt wird.
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Die erwähnte Querschnittsfläche, durch die das Muster hindurchprojiziert wird, kann eine beliebige Querschnittsfläche zwischen dem Projektor und dem Messobjekt bzw. Kalibrierobjekt sein. Bei der Querschnittsfläche handelt es sich nicht um eine Oberfläche eines transparenten Materials, sondern um eine gedachte Fläche innerhalb einer Ebene im Raum.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann in diesem Zusammenhang daher eine aufgrund der geringen Messzeit schnelle aber ausreichend präzise Vorabvermessung (insbesondere die vorangegangene Projektion mit Auswertung zumindest eines Kamerabildes) des Objekts durchgeführt werden, um vor dem eigentlichen optischen (Haupt-) Vermessen des Objekts kritische Objektbereiche zu ermitteln (zum Beispiel Objektbereiche mit Überstrahlungen oder Mehrfachreflexionen). Zum Durchführen der eigentlichen optischen Vermessung des Objekts kann das projizierte Muster dann basierend auf der Vorabmessung mithilfe einer vorstehend erläuterten adaptiven und/oder selektiven Projektion angepasst werden. In diesem Zusammenhang kann die erwähnte möglichst hohe Kalibriergüte von Vorteil sein, da insbesondere pixelgenaue Anpassungen des projizierten Musters vorgenommen werden können. Anders ausgedrückt kann bei einer Anpassung des projizierten Musters mit einer hohen Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass das Objekt aufgrund der präzisen Kalibrierung anschließend tatsächlich in der gewünschten Weise und insbesondere pixelgenau bestrahlt und erfasst wird.
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Ähnlich der adaptiven Projektion kann alternativ zu oder im Rahmen der Vorabvermessung ein zweites, invertiertes Bild des mit dem Muster bestrahlten Objekts aufgenommen werden, um für jedes Kamerapixel einen Hell- und Dunkelwert zu ermitteln.
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In einer Ausgestaltung der Anordnung und des Verfahrens ermittelt die Auswerteeinheit auf Basis der dreidimensionalen Messdaten, ob sich das zu vermessende Objekt in einem vorbestimmten Messbereich der Anordnung befindet. Bei dem Messbereich kann es sich um ein sogenanntes Messfeld der Anordnung handeln. Das Messfeld oder der Messbereich können einen vorzugsweise dreidimensionalen virtuellen Bereich definieren, innerhalb dem das zu vermessende Objekt relativ zu der Anordnung und insbesondere zu deren Kameraeinrichtung und/oder Projektor anzuordnen ist, um die gewünschten und/oder möglichst präzise Messergebnisse zu erzielen.
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Es existieren Lösungen, um einem Benutzer das visuelle Abschätzen des Einhaltens des bevorzugten Messbereichs zu geben (zum Beispiel mittels sich kreuzender Laserstrahlen). Aufgrund der erfindungsgemäß ermöglichten schnellen aber präzisen Messung kann hingegen unabhängig von aber auch zusätzlich zu einer etwaigen subjektiven Einschätzung durch den Benutzer ermittelt werden, ob ein Vermessen in dem gewünschten Messbereich stattfindet oder nicht. Hierzu können die gewonnenen Messdaten verwendet werden, um zum Beispiel im Sinne einer ein- oder mehrdimensionalen Abstandsmessung auf die Relativpositionierung von Anordnung und Objekt zu schließen. Weiterhin kann dem Benutzer hierzu eine visuelle Rückmeldung gegeben werden, zum Beispiel in Form eines Vorschaubildes oder einer anderweitig geeigneten grafischen Darstellung. Erst wenn eine Positionierung in dem gewünschten Messbereich erreicht ist, kann anschließend das eigentliche optische Vermessen des Objekts durchgeführt werden. In diesem Sinn ist die Vorgehensweise iterativ. Insbesondere kann ein erstes Muster auf das Messobjekt projiziert werden und zumindest ein erstes Bild des Messobjekts von der Kameraeinrichtung aufgenommen werden. Durch Auswertung des zumindest einen ersten Bildes wird ermittelt, an welchem Ort und/oder mit welcher Ausrichtung das Messobjekt relativ zu dem vorgegebenen Messbereich angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann durch Auswertung des zumindest einen ersten Bildes anhand eines vorgegebenen Kriteriums (wie z.B. des kleinsten Wertes der Breite eines um die Abbildung des Messobjekts umlaufenden Randes im aufgenommenen Bild) ermittelt werden, wie gut das Messobjekt im Messbereich angeordnet ist. In jedem Fall kann in einem folgenden Iterationsschritt die relative Positionierung des Messobjekts und des Messbereichs (zum Beispiel durch Bewegung des Messobjekts, durch Änderung der Projektionsrichtung und/oder der Projektionsgröße des projizierten Musters und/oder der Anordnung) verändert werden, das erste Muster oder ein anderes, zweites Muster auf das Messobjekt projiziert werden und nach Aufnahme zumindest eines zweiten Bildes des Messobjekts wieder ermittelt werden, wie das Messobjekt relativ zu dem Messbereich angeordnet ist. Insbesondere kann ermittelt werden, ob das Messobjekt relativ zu dem Messbereich besser angeordnet ist.
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Die Auswerteeinheit kann ferner auf Basis der dreidimensionalen Messdaten einen Bildbereich zum Festlegen eines Belichtungsparameters ermitteln (d.h. dazu eingerichtet sein), insbesondere wobei der Bildbereich zumindest Teile des zu vermessenden Objekts enthalten und/oder abbilden kann. Der Bildbereich kann insbesondere ein Bild von zumindest einem Bereich des Objekts aufweisen, wobei der Bereich in dem vorstehend erläuterten vorbestimmten Messbereich der Anordnung enthalten ist. Der Bildbereich kann erneut im Rahmen einer Vorabvermessung vor dem eigentlichen optischen Vermessen des Objekts ermittelt werden, wobei das Objekt dann auf Basis des ermittelten Belichtungsparameters vermessen werden kann. Insbesondere kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, aufgrund der zunächst gewonnenen Messdaten Bildbereiche innerhalb des erfassten Kamerabildes zu identifizieren, die das zu vermessende Objekt enthalten. Diese Bildbereiche können in Form eines Maskenbildes gespeichert und/oder ausgewertet werden. Die relevanten Bildbereiche können mittels geeigneter Auswertungsalgorithmen ermittelt werden. Ohnehin nicht zu vermessende Hintergrundbereiche können hingegen unberücksichtigt bleiben. Zusammenfassend kann bei dieser Ausführungsform auf schnelle aber präzise Weise eine Hintergrund/Vordergrund-Trennung erfolgen, um die Belichtung bezogen auf das zu vermessende Objekt zu optimieren.
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Der Belichtungsparameter kann die Belichtungszeit definieren, welche bei dem anschließenden eigentlichen optischen Vermessen des Objekts verwendet wird. Andere mögliche Belichtungsparameter definieren eine Blendengröße (insbesondere Apertur) der Kameraeinrichtung, die Empfindlichkeit eines etwaigen Kamerasensors und/oder die Intensität der Belichtung durch das projizierte Muster. Zur Ermittlung des Belichtungsparameters und insbesondere der Belichtungszeit kann innerhalb der ermittelten Bildbereiche der mittlere Grauwert bestimmt werden. Anschließend kann ein Quotient aus dem mittleren und einem optimalen Grauwert gebildet und mit der während der Vorabvermessung verwendeten Belichtungszeit multipliziert werden. Der optimale Grauwert kann dabei vorab festgelegt und zum Beispiel empirisch je nach verwendeter Sensorkonfiguration ermittelt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum dreidimensionalen optischen Vermessen eines Objekts mit einer Anordnung, die
- - einen Projektor zum Projizieren eines Musters auf das Objekt; und
- - eine Kameraeinrichtung zum Erfassen von Bildern des Objekts, umfasst,
und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Kalibrieren des Projektors und der Kameraeinrichtung zueinander durch aufeinanderfolgendes Projizieren einer Mehrzahl von Mustern auf das Objekt, Erfassen von wenigstens einem Bild bei einer jeweiligen Projektion der Muster und Auswerten der erfassten Bilder für die Mehrzahl von Mustern; und Erzeugen von dreidimensionalen Messdaten des Objekts durch Projizieren einer im Vergleich zum Kalibrieren geringeren Anzahl von Mustern auf das Objekt, Erfassen von wenigstens einem Bild des Objekts bei einer jeweiligen Projektion des oder der Muster, und Auswerten des erfassten Bildes.
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Das Verfahren kann jegliche weitere Merkmale und Schritte umfassen, um sämtliche der vorstehenden und nachstehenden erläuterten Abläufe, Betriebszustände und Wirkungen zu erzielen. Übergeordnet kann das Verfahren auch mittels einer Anordnung gemäß jeglichem der vorstehenden oder nachstehenden Aspekte ausgeführt werden.
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Das Verfahren kann insbesondere den Schritt des Projizierens von lediglich einem einzelnen Muster im Messmodus umfassen, wobei auch lediglich dieses einzelne Muster per Kamerabild erfasst und zum Erzeugen der dreidimensionalen Messdaten ausgewertet werden kann. Ferner kann das Verfahren jegliche der vorstehend oder nachstehend erläuterten Schritte umfassen, um das Kamerabild dem Projektorbild zum Beispiel durch ein Rektifizieren anzugleichen.
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Weiterhin kann das Verfahren jegliche der vorstehend oder nachstehend erläuterten Schritte umfassen, um zum Beispiel das Überprüfen des Positionierens des Objekts innerhalb eines vorbestimmten Messbereichs, das Ermitteln eines geeigneten Belichtungsparameters und/oder das Durchführen einer selektiven oder adaptiven Projektion durchzuführen. Jegliche dieser Varianten kann wiederum als eine Art Vorabvermessungs-Schritt durchgeführt werden, auf den sich das eigentliche Vermessen des Objekts zum Erzeugen dreidimensionaler Messdaten.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. Es stellen dar:
- 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anordnung, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt wird;
- 2a-2c Beispiele für von der Vorrichtung aus 1 betrachtete Bilddaten; und
- 3 ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens, das von der Vorrichtung aus 1 ausgeführt wird.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung 10 gezeigt, die als stativgebundene Anordnung (bzw. Vorrichtung) oder als Handgerät relativ zu einem Werkstück 12 positionierbar ist. Das Werkstück 12 ist in dem gezeigten Beispiel ein bearbeitetes Werkstück, dessen Form mittels einer dreidimensionalen optischen Vermessung durch die Anordnung 10 ermittelt werden soll. Die gewonnen Messdaten können dann zur Überprüfung einer Maßhaltigkeit und/oder Oberflächengüte weiterverarbeitet werden.
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Die Anordnung 10 umfasst eine Kameraeinrichtung 14 sowie einen Projektor 16. Beide sind auf einen gemeinsamen virtuellen Messbereich 18 gerichtet, der in 1 schematisch als strichliniertes Messfeld gezeigt ist. Der Messbereich 18 definiert dabei, obwohl nicht gesondert dargestellt, ein dreidimensionales Messvolumen, in dem Messdaten mit einer optimalen Genauigkeit gewonnen werden können. Wie nachstehend noch näher erläutert, sind die Kameraeinrichtung 14 und der Projektor 16 zueinander sowie bezogen auf den Messbereich 18 kalibriert, um darin enthaltene Werkstückbereiche präzise zu vermessen.
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Die Kameraeinrichtung 14 umfasst einen geeigneten Kamerasensor, um von dem Werkstück 12 reflektiertes Licht zu erfassen. Der Projektor 16 ist dazu eingerichtet, eine Mehrzahl verschiedener stochastischer und insbesondere binärer (Licht-) Muster auf das Werkstück 12 zu richten. Diese Muster sind wiederum in Form von reflektiertem Licht durch die Kameraeinrichtung 14 erfassbar sind. Die Anordnung 10 umfasst ferner eine Auswerteeinheit 20 in Form eines Computers oder Prozessors. Die Auswerteeinheit 20 ist über schematisch angedeutete Signalpfade 22, 24 mit der Kameraeinrichtung 14 und auch dem Projektor 16 verbunden. Über die Signalpfade 22, 24 können Daten ausgetauscht und/oder Steuersignale übertragen werden. Anders als dargestellt kann die Kameraeinrichtung 14 alternativ oder zusätzlich direkt mit dem Projektor 16 über einen Signalpfad verbunden sein. Dies ermöglicht es zum Beispiel der Kameraeinrichtung 14 ein Signal an den Projektor 16 auszugeben, wenn eine ausreichende Anzahl von Kamerabildern (zum Beispiel ein einziges Bild) während der Projektion eines Musters oder einer Kombination von Mustern auf das Messobjekt aufgenommen worden ist. Nach Empfang des Signals kann der Projektor 16 ein anderes Muster oder eine andere Kombination von Mustern auf das Messobjekt projizieren.
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In dem gezeigten Fall wird z.B. ein zu projizierendes Muster in Form einer Bilddatei von der Auswerteeinheit 20 an den Projektor 16 übertragen oder umgekehrt. Ebenso wird ein erfasstes Kamerabild von der Kamera 14 an die Auswerteeinheit 20 übertragen. Optional kann die Auswerteeinheit 20 auch Projektionszeitpunkte und/oder -zeitdauern des Projektors 16 und/oder Bilderfassungen durch die Kameraeinrichtung 14 durch Übermitteln entsprechender Steuersignale veranlassen. Dies kann jedoch auch durch eine nicht gesondert dargestellte separate Steuereinrichtung der Anordnung 10 erfolgen.
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Die Anordnung 10 ist allgemein in einem Kalibriermodus und in einem Messmodus betreibbar. In dem Messmodus wird das Objekt 12 zum Erzeugen dreidimensionaler Messdaten visuell vermessen. In dem Kalibriermodus werden die Kamera 14 und der Projektor 16 zueinander kalibriert, um eine ausreichende Messgenauigkeit zu gewährleisten.
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Im Detail ist die Anordnung 10 in dem Kalibriermodus dazu eingerichtet, mittels des Projektors 16 eine Mehrzahl verschiedener Muster auf die Oberfläche eines Objekts zu projizieren. Bei dem Objekt kann es sich insbesondere um die Oberfläche einer speziell für den Kalibriermodus vorgesehenen Kalibrierplatte handeln. Der Projektor 16 kann, insbesondere unter einer Änderung einer Position und Orientierung des bestrahlten Objekts im Messbereich 18, eine bekannte Sequenz von vorzugsweise verschiedenen Mustern projizieren. Die Kameraeinrichtung 14 kann für jedes der projizierten Muster und für jede etwaige Position oder Orientierung des bestrahlten Objekts ein Bild erfassen. Durch die Mehrzahl verschiedener projizierter Muster kann dabei der zur Verfügung stehende Informationsgehalt und somit die Kalibriergüte entscheidend erhöht werden.
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Im Ergebnis kann im Rahmen der Kalibrierung und wie einleitend erläutert, eine besonders präzise und insbesondere subpixelgenaue Korrelation der Projektorpixel und der Kamerapixeln bestimmt werden (d.h. eine Ermittlung dahingehend, welches Projektorpixel von welchem Kamerapixel erfasst wird). Dies kann auch als Lösen des Korrespondenzproblems zwischen den Kamerapixeln und Projektorpixeln beschrieben werden.
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Da der Kalibriermodus der Anordnung 10 vergleichsweise selten ausgeführt wird, ist die hierfür erforderliche Zeit in der Regel weniger kritisch als die für eine tatsächliche Werkstückvermessung benötigte Messzeit. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass sich durch das Projizieren einer Vielzahl verschiedener Muster im Kalibriermodus die für das eigentliche optische Vermessen des Werkstücks 12 benötigte Messzeit bei einer nach wie vor akzeptablen Messgenauigkeit reduzieren lässt.
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Genauer gesagt sieht die gezeigte Ausführungsform vor, in einem Messmodus der Anordnung 10 lediglich ein einzelnes Muster mittels des Projektors 16 auf das Werkstück 12 zu projizieren. Dieses einzelne Muster (bzw. das von der Werkstückoberfläche reflektierte Licht dieses Musters) wird dann von der Kameraeinrichtung 14 erfasst. Aufgrund der erläuterten umfangreichen Kalibrierung ist aber gewährleistet, dass die Pixel in dem erfassten Kamerabild mit einer hohen Genauigkeit und in bekannter Weise mit denjenigen in dem projizierten Muster übereinstimmen. Somit besitzen die Messdaten trotz Erfassen lediglich eines einzelnen Kamerabildes eine hohe Aussagekraft.
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Folglich kann allein auf Basis des erfassten einzelnen Bildes unmittelbar eine Auswertung durch die Auswerteeinheit 20 beginnen, um dreidimensionale Messdaten für das Werkstück 12 zu erzeugen. Es versteht sich, dass zum Erzeugen eines gesamten Messdatensatzes für das vollständige Werkstück oder einen vollständigen Werkstückbereich auch mehrere Erfassungs- und Auswertezyklen auf Basis lediglich eines einzelnen Bildes ausgeführt werden können (zum Beispiel für eine Mittelwertbildung aus mehreren Messdaten). Diese Zyklen können erfindungsgemäß jedoch entsprechend kurz ausfallen.
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Das genaue Vorgehen wird im Folgenden anhand der 2a-2c und der 3 näher erläutert. In 2a ist das von dem Projektor 16 projizierte Muster 26 gezeigt, das auch als Projektorbild bezeichnet werden kann und als bekannte Bilddatei der Auswerteeinheit 20 zur Verfügung steht. In 2b ist hingegen das von der Kameraeinrichtung 14 erfasste Kamerabild 28 gezeigt, welches das bei einer Projektion des Projektorbildes 26 auf die Werkstückoberfläche entstehende reflektierte Licht enthält. Man erkennt unmittelbar, dass das Kamerabild 28 eine weniger kontrastreiche und unschärfere Darstellung als das ursprünglich ausgesendete Projektorbild 26 enthält. Um eine Vergleichbarkeit von Kamerabild 28 und Projektorbild 26 zu gewährleisten, wird das Kamerabild daher gemäß 2c von der Auswerteeinheit 20 und unter Verwenden an sich bekannter Bildbearbeitungsalgorithmen überarbeitet. Konkret werden einzelne Eigenschaften des Kamerabilds 28 an diejenigen des Projektorbildes 26 angeglichen (und/oder umgekehrt), um ein überarbeitetes Kamerabild 30 gemäß 2c zu erhalten.
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Die genaue Abfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand von 3 erläutert. In Schritt S1 erfolgt zunächst die bereits erläuterte Projektion des Projektorbildes 26 auf das Werkstück 12 durch den Projektor 16. Anschließend erfolgt in Schritt S2 eine Bilderfassung des bestrahlten Werkstücks 12 mittels der Kameraeinrichtung 14. In Schritt S3 liegt der Auswerteeinheit 20 dann das erfasste Kamerabild 28 sowie das ausgesendete Projektorbild 26 vor. In Schritt S4 wird das Kamerabild 28 an das Projektorbild 26 angeglichen, um die Vergleichbarkeit der Bilder zu erhöhen. Das Angleichen kann wenigstens einen, im gezeigten Ausführungsbeispiel aber jeden der folgenden Schritte umfassen:
- - Das Kamerabild wird durch Herausrechnen einer optischen Verzeichnung der Kamera- und/oder der Projektoroptik entzerrt.
- - Das Kamerabild wirkt rektifiziert. Dies erfolgt derart, dass die Epipolarlinien innerhalb des Kamerabildes 28 horizontal ausgerichtet werden und somit analog zu den Epipolarlinien des Projektorbildes 26 verlaufen. In den entsprechenden Darstellungen der 2a-b sind die Epipolarlinien jeweils nicht gesondert markiert.
- - Die radiometrischen Eigenschaften des Kamerabildes 28 werden an diejenigen des Projektorbildes 26 angeglichen (und/oder umgekehrt). Dies umfasst zum Beispiel eine globale oder lokale Grauwertspreizung des Kamerabildes 28.
- - Die Auflösung des Projektorbildes 26 wird an diejenige des Kamerabildes 28 angeglichen, insbesondere durch ein ganzzahliges Upsampling (d.h. ein ganzzahliges Hochrechnen) der Auflösung des projizierten Musters.
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Anschließend führt die Auswerteeinheit 20 in Schritt S5 ein übliches Stereokorrelationsverfahren durch, wobei das angeglichene Kamerabild 30 als ein erstes Bild und das Projektorbild 26 als ein zweites Bild zugrunde gelegt wird. Hieraus werden dreidimensionale Messdaten des vermessenen Werkstückbereiches erzeugt. Diese können in bekannter Weise mit den Messdaten weiterer vermessener Werkstückbereiche zusammengesetzt werden, um einen größeren Anteil des Werkstücks 12 oder sogar das gesamte Werkstück 12 mittels eines dreidimensionalen Messdatensatzes abzubilden.
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Neben einem gewöhnlichen Vermessen des Werkstücks12 kann das geschilderte Verfahren in wenigstens einem der folgenden Szenarien angewendet werden (jeweils sowohl bei einer vorbereitenden Vorabvermessung als auch einer tatsächlichen Hauptvermessung des Werkstücks 12):
- - Vorabvermessung des Werkstücks 12 dahingehend, ob sich dieses in dem bevorzugten Messbereich 18 befindet. Ist dies nicht der Fall, kann eine Relativposition und insbesondere ein Relativabstand zwischen der Anordnung 10 und dem Werkstück 12 angepasst werden. Weiterhin können die Messdaten dazu verwendet werden, einem Benutzer eine visuelle Rückmeldung darüber zu geben, ob der bevorzugte Messbereich 18 erreicht ist und/oder inwieweit eine Abweichung hierzu vorliegt.
- - Vorabvermessung des Werkstücks 12 dahingehend, ob dieses Bereiche mit Überstrahlungen oder Mehrfachreflexionen aufweist (und vorzugsweise Bestimmen der in diesem Zusammenhang kritischen Werkstückbereiche). Darauf basierend kann das projizierte Muster hinsichtlich dessen Helligkeit und/oder Erstreckung ortspezifisch angepasst werden, um eine der vorstehend erläuterten Varianten von adaptiver oder selektiver Projektion auszuführen.
- - Vorabvermessung des Werkstücks 12, um Bildbereiche innerhalb des erfassten Kamerabildes 28 (sh. 2b) zu ermitteln, die das Werkstück 12 enthalten und/oder abbilden. Anhand dieser Bildbereiche kann anschließend ein geeigneter Belichtungsparameter und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine optimierte Belichtungszeit ermittelt werden, mit der die tatsächliche dreidimensionale (Haupt-) Vermessung des Werkstücks 12 durchgeführt wird. Dies kann ferner das Erstellen eines Maskenbildes umfassen, welches die ermittelten Bildbereiche enthält. Innerhalb des Maskenbildes kann dann ein mittlerer Grauwert bestimmt werden, der durch einen für die Kameraeinrichtung 14 vorab ermittelten optimalen Grauwert geteilt wird. Der resultierende Quotient kann dann mit der bei der Vorabvermessung verwendeten Belichtungszeit multipliziert werden, um eine geeignete Belichtungszeit für die tatsächliche dreidimensionale (Haupt-) Vermessung des Werkstücks 12 zu bestimmen.
- - Vermessen des Werkstücks 12 in einem Scanbetrieb, bei dem die Anordnung 10 im Wesentlichen kontinuierlich relativ zu dem Werkstück 12 bewegt wird, um mehrere zusammenhängende Werkstückbereiche zu vermessen.
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Die vorstehenden Anwendungen werden insbesondere dadurch ermöglicht, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren durch eine kurze Messzeit bei einer nach wie vor hohen Messgenauigkeit auszeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- A. Grün: Adaptive Least Squares Correlation: A powerful image matching technique. South African Journal of Photogrammtry, Remote Sensing & Cartography, 14(3):175-187, 1985 [0025]
