DE102018008154A1

DE102018008154A1 - Verfahren zur optischen Erfassung der Form eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE102018008154A1
Application number: DE102018008154.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Volk
Original assignee: I Mation GmbH; I-MATION GmbH
Current assignee: I Mation GmbH; I-MATION GmbH
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2018-12-13
Anticipated expiration: 2038-10-17
Also published as: DE102018008154B4

Abstract

Bei einem photometrisches Stereoverfahren zur optischen Erfassung der Form eines Gegenstandes (2) mit den Schritten: Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes (2) mit wenigstens drei oder vier Lichtquellen (3) aus wenigstens drei oder vier unterschiedlichen Richtungen, so dass aufgrund des Schattens des zu erfassenden Gegenstandes (2) wenigstens drei oder vier unterschiedlich positionierte Schatten entstehen, optisches Erfassen der wenigstens drei oder vier Schatten mit einem optischen Sensor (7) indem von dem optischen Sensor (7) wenigstens drei oder vier Bilder mit den wenigstens drei oder vier Schatten aufgenommen werden, Auswerten der wenigstens drei oder vier Bilder mit einer automatischen Bildverarbeitung indem aus den Daten der Bilder die Form des Gegenstandes (2) berechnet wird soll der Gegenstand (2) in einer kurzen Zeit schnell optisch erfasst werden können bei geringen Kosten.Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verfahren mit einem Zeilensensor (8) mit Bildelementen und/oder Matrixsensor mit Bildelementen als dem optischen Sensor (7) ausgeführt wird und die Anzahl der zum Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes (2) verwendeten Lichtquellen (3) größer ist als die Anzahl der Bildelemente (9) und mit den Bildelementen die Bilder aufgenommen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein photometrisches Stereoverfahren zur optischen Erfassung der Form eines Gegenstandes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung zur optischen Erfassung der Form eines Gegenstandes mittels eines photometrischen Stereoverfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
Das photometrische Stereoverfahren dient zur optischen Formerfassung von Gegenständen. Normalerweise wird der optisch zu erfassende Gegenstand von vier Lichtquellen aus vier unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen, die normalerweise paarweise aufeinander senkrecht stehen, beleuchtet. Dadurch entstehen vier unterschiedliche Schatten und diese Schatten werden von einem optischen Sensor, im Regelfall eine einzige Kamera, als Bilder aufgenommen. Diese vier Bilder werden mit einer automatischen Bildverarbeitung ausgewertet, so dass aus den Daten der Bilder die Form des Gegenstandes berechnet bzw. bestimmt werden kann. Die Form des Gegenstandes kann für verschiedene technische Anwendungen, beispielsweise zur Steuerung von Werkzeugmaschinen oder zur Fehlererkennung, eingesetzt werden.
Die EP 1 567 827 B1 zeigt ein Verfahren zur optischen Formerfassung und/oder Beurteilung von optisch glatten, glänzenden oder optisch rauen Oberflächen, wobei ein photometrisches Stereoverfahren, ein deflektometrisches Verfahren und ein Streukörper so kombiniert werden, dass die Orte auf der Streukörperoberfläche flächig codiert werden, indem die Form des Streukörpers so gewählt ist, dass jedem Ort auf der Streukörperoberfläche eindeutig ein Normalenvektor zugeordnet ist, jedem Normalenvektor eindeutig eine rückgestreute Leuchtdichte am Streukörper zugeordnet wird und die rückgestreuten Leuchtdichten den Beleuchtungsstärken von aufgenommenen Bildern zugeordnet werden.
Die EP 2 589 926 A1 zeigt eine Vorrichtung zur optischen Formerfassung eines bewegten Gegenstands mit mindestens einer Beleuchtungseinrichtung, die so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass durch sie verschiedene Beleuchtungen des zu erfassenden Gegenstands bewirkbar sind, und mit mindestens einer Aufnahmeeinrichtung, die so ausgebildet und angeordnet ist, dass Bilder von dem Gegenstand durch sie aufnehmbar sind, wobei eine Steuerungseinrichtung, durch welche eine Bewegung des Gegenstands mithilfe einer Bewegungseinrichtung vorgebbar ist.
Die EP 1 742 041 B1 zeigt ein Verfahren zur Oberflächeninspektion bewegter Produkte mit wenigstens einer zu prüfenden Oberfläche, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: mindestens eine quer zur Bewegung der Oberfläche angeordnete Zeilenkamera erfasst die zu prüfende Oberfläche bildhaft mit einem Zeilentakt, wobei der Zeilentakt mindestens N-fach höher ist, als es die geometrische Größe der zu detektierenden Defekte verlangt; eine jeweils andere Beleuchtungskonfiguration aus einer Anzahl von N Beleuchtungskonfigurationen belichtet die zu prüfende Oberfläche stroboskopisch, synchronisiert mit dem Zeilentakt; wobei von N aufeinander folgenden Bildzeilen der Zeilenkamera jede jeweils mit einer anderen Beleuchtungskonfiguration aus den N Beleuchtungskonfigurationen belichtet wird und wobei eine Beleuchtungskonfiguration gebildet wird durch selektives Aktivieren oder Deaktivieren einzelner oder mehrerer Lichtquellen aus einer Anzahl von M Lichtquellen, eine entstehende mindestens N-fach verschachtelte multisensorielle Bildzeile der zu prüfenden Oberfläche wird in mindestens N einzelne Bildzeilen (A bis E) aufgespalten; N einzelnen Zeilenbilder werden zur Erkennung von Defekten auf der Oberfläche mit Verfahren der automatischen Bildverarbeitung ausgewertet, wobei die Auswertung der N einzelnen Zeilenbilder automatisch je nach Oberflächenregion unterschiedlich gewichtet wird, wobei das aus Produktionsdaten vorliegende Wissen über lokale Topologie und lokale optische Eigenschaften der Produktoberfläche genutzt wird und jeweils diejenige Bildzeile am lokal stärksten gewichtet wird, welches unter der im Sinne der Fehlererkennung am günstigsten liegenden Beleuchtungskonfiguration belichtet wurde.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein photometrisches Stereoverfahren zur optischen Erfassung der Form eines Gegenstandes und eine Vorrichtung zur optischen Erfassung der Form eines Gegenstandes mittels eines photometrischen Stereoverfahrens zur Verfügung zu stellen bei dem der Gegenstand in einer kurzen Zeit schnell optisch erfasst werden kann bei geringen Kosten.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem photometrischen Stereoverfahren zur optischen Erfassung der Form eines Gegenstandes mit den Schritten: Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes mit wenigstens drei oder vier Lichtquellen aus wenigstens drei oder vier unterschiedlichen Richtungen, so dass aufgrund des Schattens des zu erfassenden Gegenstandes wenigstens drei oder vier unterschiedlich positionierte Schatten entstehen, optisches Erfassen der wenigstens drei oder vier Schatten mit einem optischen Sensor indem von dem optischen Sensor wenigstens drei oder vier Bilder mit den wenigstens drei oder vier Schatten aufgenommen werden, Auswerten der wenigstens drei oder vier Bilder mit einer automatischen Bildverarbeitung indem aus den Daten der Bilder die Form des Gegenstandes berechnet wird, wobei das Verfahren mit einem Zeilensensor mit Bildelementen und/oder Matrixsensor mit Bildelementen als dem optischen Sensor ausgeführt wird und die Anzahl der zum Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes verwendeten Lichtquellen größer ist als die Anzahl der Bildelemente und mit den Bildelementen die Bilder aufgenommen werden. Eine große Anzahl an Lichtquellen ermöglicht es, den zu erfassenden Gegenstrand mit je einer Lichtquelle lokal für ein Bildelement oder einer Teilanzahl an Bildelementen auszuleuchten, so das auch bei einer großen Länge des Zeilensensors oder einer großen Breite und/oder Länge des Matrixsensor ein großer zu erfassender Gegenstand von den Bildelementen erfasst werden kann bei einer exakten Ausleuchtung und Entstehung der Schatten.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist die Anzahl der zum Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes verwendeten Lichtquellen um 30%, 50%, 70% oder 100% größer als die Anzahl der Bildelemente und/oder während je einer Zeitdauer oder Zeitpunktes der optischen Erfassung, insbesondere während je eines Erfassungszeitraumes, mit wenigstens einer Teilanzahl der Bildelemente und/oder wenigstens einem Bildelement je ein Bild aufgenommen und verwendet wird und andere deaktive Bildelemente nicht verwendet werden und/oder mit je einer Teilanzahl der Bildelemente und/oder mit je einem Bildelement nur ein Teil des Gegenstandes optisch erfasst wird. Deaktive, nicht verwendete Bildelemente sind Bildelemente, die während des Aufnehmens von Bildern mit aktiven Bildelementen entweder keine Bilder aufnehmen oder deren Bilder nicht verwendet werden. Bilder von deaktiven, nicht verwendeten Bildelementen werden für die automatische Bildverarbeitung nicht verwendet oder nicht genutzt, d. h. verworfen.
Zweckmäßig ist die Gesamtanzahl der zum Aufnehmen sämtlicher Bilder verwendeten Bildelemente größer als 10, 50, 100, 200, 300 oder 500.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Gesamtanzahl der zum Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes aktivierten Lichtquellen größer ist als 20, 50, 100, 200, 300, 500 oder 1000.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird nur eine Teilanzahl der Lichtquellen zum Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes während des Aufnehmens des je einen Bildes aktiviert. Nur eine Teilanzahl der Lichtquellen wird aktiviert zum Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes während des Aufnehmens des je einen Bildes und andere Lichtquellen sind deaktiv oder abgeschaltet.
Die Lichtquellen können somit optimiert zum Ausleuchten des Gegenstandes in Abhängigkeit von der Position zu dem aktiven Bildelement eingesetzt werden.
In einer ergänzenden Variante werden zur optischen Erfassung der Form des Gegenstandes in einem Zyklus Z von zeitlich aufeinanderfolgenden und zeitlich getrennten Erfassungszeiträumen E1, E2, E3, E4, E5, E6 die Bilder aufgenommen und während je eines Erfassungszeitraumes E1, E2, E3, E4, E5, E6 nur eine Teilanzahl der Lichtquellen zum Beleuchten des Gegenstandes aktiviert werden und mit den Bildelementen die Bilder erfasst werden. Bei der Verwendung eines Zeilensensors kann somit während eines Zyklus ein im Wesentlichen linienförmiger Bereich des zu erfassenden Gegenstandes optisch erfasst werden und der linienförmige Bereich weist im Wesentlichen die Länge des Zeilensensors auf.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden in je einem Zyklus von je einem Bildelement und/oder je einer Teilanzahl der Bildelemente die wenigstens drei oder vier Bilder, vorzugsweise nur vier Bilder, aufgenommen und der zu erfassende Gegenstand wird während des Aufnehmens der wenigstens drei oder vier Bilder mit je einem Bildelement und/oder mit der jeweiligen Teilanzahl der Bildelemente mit den Lichtquellen aus wenigstens drei oder vier unterschiedlichen Richtungen beleuchtet, so dass aufgrund des Schattens des zu erfassenden Gegenstandes wenigstens drei oder vier unterschiedlich positionierte Schatten entstehen. Die aufgenommenen wenigstens drei oder vier Bilder zeigen somit wenigstens drei oder vier unterschiedliche Schatten in je einem Zyklus für wenigstens drei oder vier von je einem Bildelement aufgenommenen Bilder, wobei dies auch gilt, sofern Bilder von einer Teilanzahl der Bildelemente aufgenommen werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Anzahl der Erfassungszeiträume je eines Zyklus größer als drei oder vier, weil die Daten nur einer Teilanzahl der Bildelemente aus je einem Erfassungszeitraum E1, E2, E3, E4, E5, E6 zur automatischen Bildverarbeitung verwendet werden. In je einem Erfassungszeitraum werden die Daten der Bilder nur einer Teilanzahl der Bildelemente verwendet und in einem Zyklus werden die Daten der Bilder im Wesentlichen sämtlicher Bildelemente verwendet und damit ist es aus numerischen Gründen notwendig, dass die Anzahl der Erfassungszeiträume größer ist als die Anzahl der verwendeten Daten der Bilder von je einem Bildelement während eines Zyklus. Im Wesentlichen sämtliche Bildelemente bedeutet vorzugsweise wenigstens 70%, 80%, 90% oder 95% der Bildelemente.
In einer zusätzlichen Variante nimmt in je einem Zyklus je ein Bildelement wenigstens drei oder vier Bilder, vorzugsweise nur vier Bilder, des zu erfassenden Gegenstandes auf und die Daten dieser Bilder werden in der automatischen Bildverarbeitung verwendet und/oder in je einem Zyklus nehmen sämtliche Bildelemente je wenigstens drei oder vier Bilder, vorzugsweise nur vier Bilder, des zu erfassenden Gegenstandes auf und die Daten dieser Bilder werden in der automatischen Bildverarbeitung verwendet.
Zweckmäßig wird der Zeilensensor und/oder Matrixsensor mit einer Relativgeschwindigkeit relativ zu dem Gegenstand bewegt, insbesondere indem der Zeilensensor und/oder Matrixsensor mit einer Translationsbewegung und/oder Rotationsbewegung bewegt wird, und, vorzugsweise simultan, zur optischen Erfassung der Form des Gegenstandes zeitlich aufeinanderfolgend und, vorzugsweise zeitlich getrennt, mehrere Zyklen ausgeführt werden.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist das Produkt aus der Zeitdauer je eines Zyklus und der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Zeilensensor und/oder Matrixsensor und dem Gegenstand kleiner als 500, 300, 200, 100, 50, 10 oder 1 µm, so dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Zeilensensor und/oder Matrixsensor und dem Gegenstand im Wesentlichen keinen verfälschenden Einfluss auf die optische Erfassung des Gegenstandes hat.
Erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Erfassung der Form eines Gegenstandes mittels eines photometrischen Stereoverfahrens, umfassend Lichtquellen zum Beleuchten des Gegenstandes, einen optischen Sensor zum optischen Erfassen des Gegenstandes mit von dem optischen Sensor aufgenommenen Bildern, eine Recheneinheit zum Auswerten der Daten der von dem optischen Sensor aufgenommenen Bilder mittels einer automatischen Bildverarbeitung, wobei der optische Sensor als ein Zeilensensor mit Bildelementen und/oder ein Matrixsensor mit Bildelementen ausgebildet ist und die Anzahl der Lichtquellen größer ist, insbesondere um 30%, 50%, 70% oder 100% größer ist, als die Anzahl der Bildelemente.
In einer weiteren Ausgestaltung ist mit der Vorrichtung ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar.
In einer ergänzenden Variante sind die Lichtquellen Beleuchtungselemente, insbesondere LEDs, ein Laser oder eine Halogenglühlampe.
Insbesondere ist je ein Bildelement, insbesondere sind sämtliche jeweilige Bildelemente, von wenigstens einem Pixel, vorzugsweise mehreren Pixeln, des Zeilensensors und/oder Matrixsensors gebildet. Vorzugsweise sind die Pixel als CCD-Elemente ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Zeilensensor ein CIS-Sensor, d. h. ein Contact Image Sensor.
Zweckmäßig ist je ein Bildelement, insbesondere sind sämtliche jeweilige Bildelemente, physikalisch von wenigstens einem Pixel, vorzugsweise mehreren Pixeln, des Zeilensensors und/oder Matrixsensors gebildet. Vorzugsweise ist das je eine Bildelement, insbesondere sind sämtliche jeweilige Bildelemente, physikalisch von wenigstens 3, 5, 10, 30 oder 50 Pixeln des Zeilensensors und/oder Matrixsensors gebildet. Vorzugsweise ist das je eine Bildelement, insbesondere sind sämtliche jeweilige Bildelemente, physikalisch von weniger als 200, 100, 500, 30, 20, 10 oder 5 Pixeln des Zeilensensors und/oder Matrixsensors gebildet. Die Pixel des Zeilensensors und/oder Matrixsensors sind normalerweise kleiner als Lichtquellen bzw. Einzellichtquellen, insbesondere einzelne LEDs. Ein Bildelement zum Aufnehmen der Bilder ist somit normalerweise von mehreren Pixeln gebildet als einer Gruppe von Pixeln.
Zweckmäßig umfasst die Vorrichtung ein Auflageelement, insbesondere eine Auflageplatte, zum Auflegen des Gegenstandes.
Zweckmäßig wird der Zeilensensor und/oder Matrixsensor mit einer Relativgeschwindigkeit relativ zu dem Gegenstand bewegt, insbesondere indem der optisch zu erfassende Gegenstand mit einer Translationsbewegung und/oder Rotationsbewegung bewegt wird, und, vorzugsweise simultan, zur optischen Erfassung der Form des Gegenstandes zeitlich aufeinanderfolgend und, vorzugsweise zeitlich getrennt, mehrere Zyklen ausgeführt werden. Beispielsweise ist der zu erfassende Gegenstand ein Zylinder und der Gegenstand führt eine Rotationsbewegung aus mit einer Rotationsachse, welcher der Längsachse und/oder Symmetrieachse des Zylinders entspricht und mit den feststehenden Lichtquellen und dem feststehenden optischen Sensor wird die Mantelfläche des zylindrischen Gegenstandes optisch erfasst.
In einer weiteren Ausgestaltung entspricht der Teil des von je einem Bildelement des Zeilensensors erfassten Bereiches des Gegenstandes, insbesondere in einem Zyklus, im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, dem Kehrwert der Gesamtanzahl der Bildelemente hinsichtlich eines zeilenförmigen und/oder streifenförmigen und/oder bandförmigen Erfassungsbereiches, der während eines Zyklus von dem Zeilensensor optisch erfasst wird. Bei einer Anzahl von N Bildelementen in dem Zeilensensor erfasst somit ein Bildelement im Wesentlichen einen 1/N-Teil des zeilenförmigen und/oder streifenförmigen Erfassungsbereiches des Zeilensensors, insbesondere in und/oder während eines Zyklus. Der bandförmige Erfassungsbereich des zu erfassenden Gegenstandes wird somit vorzugsweise während eines Zyklus optisch mit dem Zeilensensor erfasst.
In einer weiteren Ausführungsform liegt die Teilanzahl der Lichtquellen, die während je eines Erfassungszeitraumes aktiviert werden, zwischen 2% und 40%, insbesondere zwischen 5% und 25%, der Gesamtanzahl der aktivierbaren Lichtquellen.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird der zu erfassende Gegenstand mittels einer Bewegungseinrichtung relativ zu dem optischen Sensor und/oder den Lichtquellen bewegt.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung werden der optische Sensor und/oder die Lichtquellen mittels einer Bewegungseinrichtung relativ zu dem zu erfassende Gegenstand bewegt.
Vorzugsweise ist die Bewegungseinrichtung ein Schrittmotor, ein Linearmotor oder eine numerisch gesteuerte Bewegungseinrichtung, so dass während des optischen Erfassens des Gegenstandes keine Relativbewegung zwischen dem zu erfassenden Gegenstand und dem optischen Sensor und/oder den Lichtquellen ausgeführt wird und die Relativbewegung zwischen dem zu erfassenden Gegenstand und dem optischen Sensor und/oder den Lichtquellen zeitlich außerhalb der Zeitdauer des optischen Erfassens des Gegenstandes ausgeführt wird.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird simultan zum optischen Erfassen des Gegenstandes eine Relativbewegung zwischen dem zu erfassenden Gegenstand und dem optischen Sensor und/oder den Lichtquellen ausgeführt. Aufgrund der kurzen Zeitdauer der Belichtungszeit für ein Bild des optischen Sensors tritt im Wesentlichen kein verfälschender Einfluss für die optische Erfassung des Gegenstandes auf. Beispielsweise bewegt sich der zu erfassende Gegenstand auf einem Fließband und der optische Sensor und die Beleuchtungselemente sind feststehend oder umgekehrt.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Beleuchtungsrichtungen der für je ein Bildelement verwendeten Lichtquellen in einem Winkel zwischen 30° und 150°, vorzugsweise zwischen 60° und 120°, insbesondere zwischen 80° und 100°, zueinander ausgerichtet, vorzugsweise während je eines Zyklus. Ganz insbesondere sind die Beleuchtungsrichtungen der für je ein Bildelement verwendeten Lichtquellen in einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet, vorzugsweise während je eines Zyklus.
In einer ergänzenden Variante sind die Beleuchtungsrichtungen der für je ein Bildelement, insbesondere für sämtliche jeweilige Bildelemente, verwendeten Lichtquellen in einem identischen Winkel zueinander ausgerichtet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Bewegungsrichtung der Relativbewegung zwischen dem zu erfassenden Gegenstand und der optischen Einrichtung und/oder den Lichtquellen im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, senkrecht zu der Längserstreckung des Zeilensensors.
In einer ergänzenden Ausführungsform werden die für je ein Bildelement, insbesondere für sämtliche jeweiligen Bildelemente, verwendeten Lichtquellen, insbesondere Beleuchtungselemente, zu unterschiedlichen Zeiten, insbesondere unterschiedlichen Erfassungszeiträumen, aktiviert.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Auswerten der Bilder mit der automatischen Bildverarbeitung von einer Recheneinheit und/oder einem Computer ausgeführt. Die Recheneinheit und/oder der Computer verfügen über wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Datenspeicher. Mittels einer Bildverarbeitungssoftware werden die Bilder ausgewertet und die aus der Auswertung der Bilder gewonnen Daten werden mittels einer Auswertungssoftware weiter verarbeitet, so dass die Form des Gegenstandes aus den Daten der Bilder bestimmt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung entstehen aufgrund des Beleuchtens des Gegenstandes mit den Lichtquellen zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Schatten.
In einer zusätzlichen Variante ist die Form des zu erfassenden Gegenstandes die räumliche Ausgestaltung und/oder die Oberflächeneigenschaft des zu erfassenden Gegenstandes.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Lichtquellen als wenigstens eine, vorzugsweise zwei oder vier, Beleuchtungszeilen ausgebildet. Beispielsweise können zwei Beleuchtungszeilen nebeneinander angeordnet sein als ein Paar von Beleuchtungszeilen und jede Beleuchtungszeile weist physikalisch Einzellichtquellen auf und zwischen den Paaren von Beleuchtungszeilen ist der optische Sensor als der Zeilensensor angeordnet, so dass eine Lichtquelle als ein Beleuchtungselement physikalisch von zwei nebeneinander angeordneten Einzellichtquellen der zwei nebeneinander angeordneten Beleuchtungszeilen gebildet ist. Eine Lichtquelle ist somit physikalisch von wenigstens einer Einzellichtquelle, vorzugsweise zwei, drei oder vier Einzellichtquellen, gebildet. Eine Einzellichtquelle ist beispielsweise eine LED, ein Laser oder eine Halogenglühlampe.
In einer zusätzlichen Variante wird mit je einem Bildelement, insbesondere mit sämtlichen jeweiligen Bildelementen, während eines Zeitpunktes des optischen Erfassens nur ein Bild aufgenommen.
Vorzugsweise wird während eines Zeitpunktes des optischen Erfassens von je einem aktiven Bildelement, insbesondere mit sämtlichen jeweiligen aktiven Bildelementen, nur ein Bild mittels wenigstens eines Pixels, insbesondere mittels mehrerer Pixel, aufgenommen. Die Bildelemente verwenden für das Aufnehmen der Bilder wenigstens ein, vorzugsweise mehrere Pixel, weil die Bildelemente aus wenigstens einem, vorzugsweise mehreren Pixeln, ausgebildet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Längserstreckung des Zeilensensors im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, parallel zu der Längserstreckung der wenigstens einen Beleuchtungszeile angeordnet.
Zweckmäßig ist der Zeilensensor zwischen zwei Beleuchtungszeilen angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Zeitraum je eines Zyklus kürzer als je ein Zeitraum als Pause zwischen den Zyklen. Während des je einen Zeitraumes als Pause wird keine optische Erfassung ausgeführt.
Zweckmäßig ist der je eine Zeitraum der Pause zwischen zwei Zyklen desto größer, je kleiner die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Gegenstand und den Lichtquellen und/oder dem optischen Sensor ist und umgekehrt.
Zweckmäßig ist bei der optischen Erfassung mit einem Zeilensensor der je eine Zeitraum der Pause zwischen zwei Zyklen desto größer, je größer die Breite des zeilenförmigen Erfassungsbereiches des Zeilensensors ist und umgekehrt.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Ansicht einer Vorrichtung zur optischen Erfassung der Form eines Gegenstandes mittels eines photometrischen Stereoverfahrens,
2 eine stark vereinfachte Ansicht nur des optischen Sensors als Zeilensensor und der Lichtquellen als Beleuchtungszeilen von unten der Vorrichtung gemäß 1,
3 die Ansicht gemäß 2 zur Darstellung des Prinzips mit den unterschiedlichen getrennten Erfassungszeiträumen eines Zyklus zur optischen Erfassung des Gegenstandes,
4 ein Schnitt A-A gemäß 1 nur des Gegenstandes 2, der Bildelemente 9 und des Auflageelementes 13 und
5 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines Zyklus mit sechs zeitlich aufeinanderfolgenden Erfassungszeiträumen E1 bis E6.

Eine Vorrichtung 1 dient zum optischen Erfassen der Form eines Gegenstandes 2 mittels des photometrischen Stereoverfahrens. Die Vorrichtung 1 umfasst Lichtquellen 3. Die Lichtquellen 3 als Beleuchtungselemente 4 sind als LEDs 5 ausgebildet und hintereinander in zwei getrennten Beleuchtungszeilen 6 angeordnet. Außerdem weist die Vorrichtung 1 einen optischen Sensor 7 auf. Der optische Sensor 7 ist als ein Zeilensensor 8 ausgebildet mit hintereinander angeordneten Bildelementen 9. Die Bildelemente 9 sind physikalisch von mehreren Pixeln als CCD-Elementen 10 des Zeilensensors 8 gebildet. In den Figuren sind die einzelnen CCD-Elemente 10 nicht gesondert dargestellt. Der Zeilensensor 8 ist im Wesentlichen zwischen den zwei Beleuchtungszeilen 6 positioniert. Der optisch zu erfassende Gegenstand 2 liegt auf einer feststehenden Auflageplatte 14 als Auflageelement 13 auf. Der optische Sensor 7 als Zeilensensor 8 und die Lichtquellen 3 als die zwei Beleuchtungszeilen 6 sind zu einer Scaneinheit mechanisch zusammengefasst und die Scaneinheit kann von einem Elektromotor 18 als einer Bewegungseinrichtung 20 in der Zeichenebene von 1 nach rechts oder links bewegt werden. Der Elektromotor 18 ist mechanisch mit einer Schiene 17 mittelbar verbunden. Die Schiene 17 ist an einem feststehenden Halteelement 15 als Haltebalken 16 fixiert. Der Elektromotor 18 betätigt einen Mechanismus (nicht dargestellt), so dass die Scaneinheit eine Translationsbewegung in der Zeichenebene von 1 ausführen kann. Zur optischen Erfassung des Gegenstandes 2 werden somit der Zeilensensor 8 und die zwei Beleuchtungszeilen 6 als die Scaneinheit relativ zu dem Gegenstand 2 bewegt.
In 4 ist ein Schnitt senkrecht zu der Zeichenebene von 1 durch die Vorrichtung 1 dargestellt, wobei nur der Gegenstand 2, das Auflageelemente 13 und die Bildelemente 9 geschnitten sind. In 4 ist somit der optische Sensor 7 mit den Bildelementen 9 in Richtung der Zeile des Zeilensensors 8 geschnitten. Die einzelnen Bildelemente 9 erfassen nur einen Teil 19 des Gegenstandes 2 und die Größe des Teils 19 ist im Wesentlichen der Kehrwert der Anzahl der Bildelemente 9 hinsichtlich eines zeilenförmigen und/oder streifenförmigen Erfassungsbereiches des Zeilensensors 8. Bei einer Anzahl von N=14 Bildelementen 9 erfasst somit ein Bildelement 9 im Wesentlichen somit 1/14 des zeilenförmigen Erfassungsbereiches des Gegenstandes 2. Der von je einem Bildelement 9 erfassten Teile des Gegenstandes 2 können auch überlappen (nicht in 4 dargestellt) und diese Überlappungen werden von der Recheneinheit 11 zur Berechnung der Form des Gegenstandes 2 berücksichtigt oder nur einmal verwendet.
Das photometrische Stereoverfahren, auch als „Shape from Shading“ bezeichnet, ermöglicht die optische Erfassung der Form des Gegenstandes 2. Das Prinzip des photometrischen Stereoverfahrens beruht darauf, dass der Gegenstand 2 aus normalerweise vier unterschiedlichen Richtungen mit Lichtquellen 3 beleuchtet wird, so dass vier unterschiedliche Schatten von dem Gegenstand 2 gebildet werden. Diese vier unterschiedlichen Schatten werden mit je einem Bildelement 9 optisch erfasst indem vier Bilder von den vier unterschiedlichen Schatten aufgenommen werden. Die Daten der Bilder werden in einer Recheneinheit 11 verarbeitet, so dass hieraus die Daten der Form des Gegenstandes 2 berechnet werden kann. Die Daten der Form des Gegenstandes 2 können für technische Anwendungen genutzt werden, beispielweise zur Steuerung einer Fräsmaschine oder zur anderweitigen industriellen Bearbeitung und/oder Verarbeitung des Gegenstandes 2. Abweichend hiervon können die Daten der Form des Gegenstandes 2 auch optisch auf einem Bildschirm 12 sichtbar gemacht werden indem auf dem Bildschirm 12 ein dreidimensionales Bild des Gegenstandes 2 angezeigt wird.
In 3 sind sechs Erfassungszeiträume E1 bis E6 eines Zyklus Z zur optischen Erfassung des Gegenstandes 2 dargestellt. Im ersten Zyklus E1 sind nur die mit einen Kreuzchen versehenen Beleuchtungselemente 5 aktiviert, d. h. Beleuchten den zu erfassenden Gegenstand 2, und nur die Daten der Bilder der mit einer Zahl versehenen Bildelemente 9 werden zur Berechnung der Form des Gegenstandes 2 verwendet. Die während E1 nicht mit einer Zahl versehenen, deaktiven Bildelemente 9 als andere Bildelemente 9 werden somit während des Erfassungszeitraumes E1 nicht verwendet, d. h. nehmen keine Bilder auf oder die Bilder werden für die Berechnung der Form nicht verwendet. Es wird somit während je eines Erfassungszeitraumes nur eine Teilanzahl der Bildelemente 9 verwendet. In den Erfassungszeiträumen E1 bis E3 werden die in 3 oben dargestellten Beleuchtungselemente 4 aktiviert und in den Erfassungszeiträumen E4 bis E6 werden die in 3 unten dargestellten Beleuchtungselemente 4 aktiviert, wobei während je eines Erfassungszeitraumes nur eine Teilanzahl der Beleuchtungselemente 4 aktiviert wird. Bei einer Verwendung der Daten sämtlicher Erfassungszeiträume E1 bis E6 wird jedes Bildelement 9 vier Mal verwendet, d. h. es werden von jedem Bildelement 9 insgesamt vier Bilder mit den Schatten des Gegenstandes 2 aufgenommen und verwendet. In einem Zyklus wird somit ein zeilenförmiger Erfassungsbereich des zu erfassenden Gegenstandes 2 unter dem Zeilensensor 8 optisch erfasst (4).
Nach dem Durchlaufen eines Zyklus mit den sechs Erfassungszeiträumen E1 bis E6 wird zu einem späteren Zeit (Zeitdauer einer Pause zwischen zwei Zyklen) ein weiterer nachfolgendender Zyklus mit sechs Erfassungszeiträumen E1 bis E6 von der Vorrichtung 1 ausgeführt. Zur Erfassung des Gegenstandes 2 wird eine größere Anzahl an Zyklen ausgeführt und während des Ausführens der Zyklen wird simultan die Scaneinheit in der Zeichenebene von 1 nach links oder rechts relativ zu dem Gegenstand 2 von dem Elektromotor 18 bewegt. Die Zeitdauer eines Zyklus ist sehr kurz, so dass die Relativbewegung der Scaneinheit zu dem Gegenstand 2 im Wesentlichen keinen negativen Einfluss auf die Genauigkeit der optischen Erfassung der Form des Gegenstandes 2 hat. Der gesamte Gegenstand 2 wird optisch erfasst indem die in je einem Zyklus optisch erfassten zeilenförmigen Erfassungsbereiche, die in der Bewegungsrichtung des Scaneinheit nebeneinander liegen, von der Recheneinheit 11 verarbeitet werden und damit die Form des gesamten Gegenstandes 2 berechnet wird. Je ein zeilenförmiger Erfassungsbereich wird von der Recheneinheit 11 aus den während der Erfassungszeiträume E1 bis E6, d. h. eines Zyklus, aufgenommenen Bildern der Bildelemente 8 berechnet.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen photometrisches Stereoverfahren zur optischen Erfassung der Form des Gegenstandes 2 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur optischen Erfassung der Form des Gegenstandes 2 mittels des photometrischen Stereoverfahrens wesentliche Vorteile verbunden. Die Verwendung eines Zeilensensors 8 oder eines Matrixsensors mit einer großen Anzahl an Bildelementen 9 und die Verwendung einer großen Anzahl an Lichtquellen 3 ermöglicht es, dass der Gegenstand 2 in einer kurzen Zeit mit einer hohen Auflösung und Genauigkeit optisch erfasst werden kann. Ein Zeilensensor 8 kann während eines Zyklus einen großen, im Wesentlichen zeilenförmigen Erfassungsbereich des Gegenstandes 2 optisch erfassen. Die Länge des zeilenförmigen Erfassungsbereiches entspricht im Wesentlichen der Länge des Zeilensensors 8, so dass bei Verwendung eines Zeilensensors 8 mit einer großen Länge auch ein zeilenförmiger Erfassungsbereich mit einer großen Länge einfach möglich ist. Die Kosten der Vorrichtung 1 sind in vorteilhafter Weise gering, weil Zeilensensoren 8 oder Matrixsensoren als optische Sensoren 7 eingesetzte werden und außerdem können auch große Gegenstände 2 in einer kurzen Zeit erfasst werden indem der große Gegenstand 2 von einem Zeilensensor 8 mit einer großen Länge gescannt bzw. optisch erfasst wird. Darüber hinaus kann der Zeilensensor 8 besonders einfach in Produktionsstraßen oder Fließbändern eingesetzt werden indem der Zeilensensor 8, dessen Länge im Wesentlichen der Breite der Produktionsstraße oder des Fließbandes entspricht, über der Produktionsstraße oder dem Fließband angeordnet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1567827 B1 [0003]
EP 2589926 A1 [0004]
EP 1742041 B1 [0005]

Claims

Photometrisches Stereoverfahren zur optischen Erfassung der Form eines Gegenstandes (2) mit den Schritten: - Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes (2) mit wenigstens drei oder vier Lichtquellen (3) aus wenigstens drei oder vier unterschiedlichen Richtungen, so dass aufgrund des Schattens des zu erfassenden Gegenstandes (2) wenigstens drei oder vier unterschiedlich positionierte Schatten entstehen, - optisches Erfassen der wenigstens drei oder vier Schatten mit einem optischen Sensor (7) indem von dem optischen Sensor (7) wenigstens drei oder vier Bilder mit den wenigstens drei oder vier Schatten aufgenommen werden, - Auswerten der wenigstens drei oder vier Bilder mit einer automatischen Bildverarbeitung indem aus den Daten der Bilder die Form des Gegenstandes (2) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einem Zeilensensor (8) mit Bildelementen (9) und/oder Matrixsensor mit Bildelementen (9) als dem optischen Sensor (7) ausgeführt wird und die Anzahl der zum Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes (2) verwendeten Lichtquellen (3) größer ist als die Anzahl der Bildelemente (9) und mit den Bildelementen (9) die Bilder aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der zum Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes (2) verwendeten Lichtquellen (3) um 30%, 50%, 70% oder 100% größer ist als die Anzahl der Bildelemente (9) und/oder während je einer Zeitdauer oder Zeitpunktes der optischen Erfassung, insbesondere während je eines Erfassungszeitraumes (E1, E2, E3, E4, E5, E6), mit wenigstens einer Teilanzahl der Bildelemente (9) und/oder wenigstens einem Bildelement (9) je ein Bild aufgenommen und verwendet wird und andere deaktive Bildelemente (9) nicht verwendet werden und/oder mit je einer Teilanzahl der Bildelemente (9) und/oder mit je einem Bildelement (9) nur ein Teil (19) des Gegenstandes (2) optisch erfasst wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtanzahl der zum Aufnehmen sämtlicher Bilder verwendeten Bildelemente (9) größer ist als 10, 50, 100, 200, 300 oder 500.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtanzahl der zum Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes (2) aktivierten Lichtquellen (3) größer ist als 20, 50, 100, 200, 300, 500 oder 1000.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Teilanzahl der Lichtquellen (3) zum Beleuchten des zu erfassenden Gegenstandes (2) während des Aufnehmens des je einen Bildes aktiviert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur optischen Erfassung der Form des Gegenstandes (2) in einem Zyklus (Z) von zeitlich aufeinanderfolgenden und zeitlich getrennten Erfassungszeiträumen (E1, E2, E3, E4, E5, E6) die Bilder aufgenommen werden und während je eines Erfassungszeitraumes (E1, E2, E3, E4, E5, E6) nur eine Teilanzahl der Lichtquellen (3) zum Beleuchten des Gegenstandes (2) aktiviert werden und mit den Bildelementen (9) die Bilder erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in je einem Zyklus von je einem Bildelement (9) und/oder je einer Teilanzahl der Bildelemente (9) die wenigstens drei oder vier Bilder, vorzugsweise nur vier Bilder, aufgenommen werden und der zu erfassende Gegenstand (2) während des Aufnehmens der wenigstens drei oder vier Bilder mit je einem Bildelement (9) und/oder mit der jeweiligen Teilanzahl der Bildelemente (9) mit den Lichtquellen (3) aus wenigstens drei oder vier unterschiedlichen Richtungen beleuchtet wird, so dass aufgrund des Schattens des zu erfassenden Gegenstandes (2) wenigstens drei oder vier unterschiedlich positionierte Schatten entstehen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Erfassungszeiträume je eines Zyklus größer als drei oder vier ist, weil die Daten nur einer Teilanzahl der Bildelemente (9) aus je einem Erfassungszeitraum (E1, E2, E3, E4, E5, E6) zur automatischen Bildverarbeitung verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in je einem Zyklus je ein Bildelement (9) wenigstens drei oder vier Bilder, vorzugsweise nur vier Bilder, des zu erfassenden Gegenstandes (2) aufnimmt und die Daten dieser Bilder in der automatischen Bildverarbeitung verwendet werden und/oder in je einem Zyklus sämtliche Bildelemente (9) je wenigstens drei oder vier Bilder, vorzugsweise nur vier Bilder, des zu erfassenden Gegenstandes (2) aufnehmen und die Daten dieser Bilder in der automatischen Bildverarbeitung verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeilensensor (8) und/oder Matrixsensor mit einer Relativgeschwindigkeit relativ zu dem Gegenstand (2) bewegt wird, insbesondere indem der Zeilensensor (8) und/oder Matrixsensor mit einer Translationsbewegung und/oder Rotationsbewegung bewegt wird, und, vorzugsweise simultan, zur optischen Erfassung der Form des Gegenstandes (2) zeitlich aufeinanderfolgend und, vorzugsweise zeitlich getrennt, mehrere Zyklen (Z) ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus der Zeitdauer je eines Zyklus (Z) und der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Zeilensensor (8) und/oder Matrixsensor und dem Gegenstand (2) kleiner ist als 500, 300, 200, 100, 50, 10 oder 1 µm, so dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Zeilensensor (8) und/oder Matrixsensor und dem Gegenstand (2) im Wesentlichen keinen verfälschenden Einfluss auf die optische Erfassung des Gegenstandes (2) hat.
Vorrichtung (1) zur optischen Erfassung der Form eines Gegenstandes (2) mittels eines photometrischen Stereoverfahrens, umfassend - Lichtquellen (3) zum Beleuchten des Gegenstandes (2), - einen optischen Sensor (7) zum optischen Erfassen des Gegenstandes (2) mit von dem optischen Sensor (7) aufgenommenen Bildern, - eine Recheneinheit (11) zum Auswerten der Daten der von dem optischen Sensor (7) aufgenommenen Bilder mittels einer automatischen Bildverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (7) als ein Zeilensensor (8) mit Bildelementen (9) und/oder ein Matrixsensor mit Bildelementen (9) ausgebildet ist und die Anzahl der Lichtquellen (3) größer ist, insbesondere um 30%, 50%, 70% oder 100% größer ist, als die Anzahl der Bildelemente (9).
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Vorrichtung (1) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 11 ausführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (3) LEDs (5) sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Bildelement (9), insbesondere sämtliche jeweilige Bildelemente (9), von wenigstens einem Pixel (10), vorzugsweise mehreren Pixeln (10), gebildet ist bzw. sind.