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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausrichtung mindestens eines Kalibrierkörpers mit Hilfe eines topometrischen Sensors, welcher mindestens eine programmierbare Projektionseinheit zur Projektion von verschiedenen flächenhaften Mustern und mindestens eine Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme von Bildern aufweist. Die mindestens eine Projektionseinheit und die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit sind mechanisch starr miteinander verbunden und der topometrische Sensor ist mit einer Steuerungseinheit zur Ansteuerung der mindestens einen Projektionseinheit sowie der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit sowie mit einer Auswerteeinheit zur Berechnung von 3D-Koordinaten des Objektes aus dem mindestens einen projizierten Muster und dem mindestens einen aufgenommenen Messbild verbunden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Sensor, welcher mindestens eine programmierbare Projektionseinheit zur Projektion von verschiedenen flächenhaften Mustern und mindestens eine Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme von Bildern der vom Objekt rückgestreuten Muster aufweist, wobei die mindestens eine Projektionseinheit und die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit mechanisch starr miteinander verbunden sind, und der topometrische Sensor mit einer Steuerungseinheit zur Ansteuerung der mindestens einen Projektionseinheit sowie der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit sowie einer Auswerteeinheit zur Berechnung von 3D-Koordinaten des Objektes aus dem mindestens einen projizierten Muster und dem mindestens einen aufgenommenen Messbild verbunden ist.
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Musterprojektionsverfahren sind in der industriellen Messtechnik weit verbreitet. Sie ermöglichen eine hochgenaue berührungslose dreidimensionale Vermessung von Objekten unterschiedlicher Größen. Häufig werden topometrische Sensoren eingesetzt. Ein topometrischer Sensor umfasst in der Regel mindestens eine Projektionseinheit. Sie ist dazu eingerichtet, flächenhafte Muster auf das zu vermessende Objekt zu projizieren. Das können regelmäßige aber auch unregelmäßige Muster sein. Weit verbreitet ist die Projektion von Streifen. Solche topometrischen Sensoren werden häufig als Streifenprojektionssystem bezeichnet.
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Der topometrische Sensor umfasst ferner mindestens eine Bildaufnahmeeinheit, welche über einen Balken oder eine vergleichbare mechanische Verbindung fest mit der Projektionseinheit verbunden ist. Die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit ist dazu eingerichtet, das mindestens eine vom Objekt rückgestreute Muster aufzunehmen. Zur Bestimmung von 3D-Koordinaten ist prinzipiell eine Bildaufnahmeeinheit ausreichend. In diesem Fall fungiert die Projektionseinheit als sogenannte „inverse Kamera“. In der Praxis werden aber sehr häufig topometrischen Sensoren eingesetzt, die zwei oder mehr Bildaufnahmeeinheiten umfassen. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn die Projektionseinheit für die Musterprojektion eingesetzt wird und nicht als „inverse Kamera“ in die Objektpunktberechnung einbezogen wird.
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Jedes projizierte Muster erzeugt auf dem zu vermessenden Objekt eine Textur. Dadurch wird die Oberfläche quasi codiert. Die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit nimmt das mindestens eine rückgestreute Muster auf. Durch eine entsprechende Decodierung können in den beteiligten Bildaufnahmeeinheiten sowie bei entsprechender Berücksichtigung der Projektionseinheit als inverse Kamera auch in der Projektionseinheit sogenannte homologe Bildpunkte gefunden werden. Homologe Bildpunkte sind die Abbildung eines bestimmten 3D-Punktes des Objektes in den beteiligten Bildaufnahmeeinheiten. Da die Projektionseinheit das mindestens eine Muster projiziert hat, kann auch dort der entsprechende Code des bestimmten 3D-Punktes wiedergefunden werden.
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Zur Bestimmung von 3D-Koordinaten ist neben der Kenntnis der homologen Punkte eines zugehörigen Objektpunktes die Abbildungsgeometrie der beteiligten Bildaufnahmeeinheiten sowie bei Verwendung der Projektionseinheit als inverse Kamera auch der Projektionseinheit notwendig. Ebenfalls muss die relative Lage der Bildaufnahmeeinheiten sowie bei Verwendung der Projektionseinheit als inverse Kamera auch der Projektionseinheit zueinander bekannt sein. In der Photogrammetrie werden diese als innere Orientierung beziehungsweise relative Orientierung bezeichnet.
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Die innere Orientierung beschreibt durch mehrere Parameter gemäß Karl Regensburger, Photogrammetrie Anwendungen in Wissenschaft und Technik, ISBN 3-345-00461-5, VEB Verlag für Bauwesen das zentralperspektive Aufnahmestrahlenbüschel, also die Gesamtheit aller Abbildungsstrahlen. Es stellt den Bezug zwischen jeder Bildkoordinate und dem zugehörigen Bildpunktstrahl her. Typischerweise umfasst die innere Orientierung die Kammerkonstante ck und die Bildkoordinaten des Bildhauptpunktes xh, yh. Sie beschreiben eine ideale Zentralprojektion. In der Realität weichen die Bildstrahlen insbesondere bei wachsendem Abstand des zugehörigen Bildpunktes zum Bildhauptpunkt von dem zugehörigen idealen Zentralprojektionsstrahl ab. Die daraus resultierenden Abbildungsfehler werden als Verzeichnung bezeichnet. Typischerweise wird deshalb auch ein zugehöriger Satz Verzeichnungsparameter zur inneren Orientierung gezählt.
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In der Literatur gibt es zahlreiche verschiedene Ansätze für die Modellierung der Verzeichnung. Sehr häufig werden, wie in Thomas Luhmann Nahbereichsphotogrammetrie: Grundlagen, Methoden und Anwendungen, ISBN 978-3879076406 offenbart ist, die radialsymmetrische, asymmetrische und elektronische Verzeichnung verwendet. Der Standardansatz beinhaltet die drei Parameter A1, A2 und A3 für die radialsymmetrische Verzeichnung, zwei Parameter B1 und B2 für die asymmetrische Verzeichnung und zwei Parameter E1 und E2 für die elektronische Verzeichnung. Darüber hinaus existieren diverse andere Modelle zur Beschreibung der Verzeichnung. So können zusätzliche entfernungsabhängie Parameter verwendet werden. Gebräuchlich sind auch Parametersätze basierend auf den Zernike-Polynomen. Verwendung finden ferner Ansätze, welche sich nicht auf die Abbildungsphysik beziehen, sondern die Abbildungsfehler mathematisch beschreiben wollen. Dies kann durch andere Parametersätze zum Beispiel durch Sinus-Funktionen erfolgen. Prinzipiell kann auch jedes geeignete Approximationsverfahren eingesetzt werden.
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Die relative Orientierung beschreibt die Position und Orientierung des Projektionszentrums der zweiten Bildaufnahmeeinheit (oder auch der Projektionseinheit) zur ersten Bildaufnahmeeinheit. Sie lässt sich durch drei Koordinatendifferenzen ΔX, ΔY und ΔZ sowie drei Verdrehwinkeldifferenzen Δω, Δϕ und Δκ beschreiben. Ist die relative Orientierung bekannt und wird entsprechend angewendet, so schneiden sich homologe Bildstrahlen der beiden Bildaufnahmeeinheiten (bzw. bei Verwendung auch die Bildstrahlen der Projektionseinheit) jeweils in einem zugehörigen 3D-Punkt.
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Der Koordinatenursprung und die Orientierung des zugehörigen Koordinatensystems sind prinzipiell beliebig wählbar. Sie wird vor Berechnung der relativen Orientierung festgelegt. In der klassischen Photogrammetrie wird häufig zusätzlich eine Koordinatendifferenz auf einen bestimmten Wert z.B. 1 (Eins) festgelegt. Damit wird implizit ein Maßstab festgelegt, der in den allermeisten Fällen nicht dem korrekten Maßstab des Objektes entspricht. Die so berechneten „Objektkoordinaten“, häufig auch als sogenannte Modellkoordinaten bezeichnet, haben also einen Skalierungsunterschied zum realen Objekt. Aufgrund dieser a priori Festlegung reduziert sich die Anzahl der zu berechnenden Parameter der relativen Orientierung auf fünf Parameter. Nachteilig ist jedoch, dass nachfolgend der richtige Maßstab durch eine weitere Berechnung ermittelt werden muss. In der klassischen Photogrammetrie erfolgt das durch die Bestimmung der Parameter der absoluten Orientierung. Die sieben Parameter der absoluten Orientierung entsprechen den sieben Parametern einer räumlichen Ähnlichkeitstransformation zwischen dem Modellkoordinatensystem und dem Objektkoordinatensystem also drei Translationen, drei Drehungen und einem Maßstab. Damit können die Modellkoordinaten in das Objektkoordinatensystem transformiert werden.
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Im Falle der Streifenprojektion wird typischerweise die relative Orientierung mit sechs Parametern verwendet. Dadurch kann der topometrische Sensor das Objekt mit der korrekten Skalierung vermessen. Die gemessenen Koordinaten des Objektes liegen dann in einem definierten Koordinatensystem vor, welches im Allgemeinen aber nicht dem Zielkoordinatensystem (z.B. CAD-Koordinatensystem) entspricht. Durch eine räumliche Transformation ohne Maßstabsänderung können die Objektkoordinaten in das gewünschte Zielkoordinatensystem umgerechnet werden.
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Die Parameter der inneren und relativen Orientierung werden im Rahmen einer photogrammetrischen Kalibrierung ermittelt. Dazu wird mindestens eine a priori bekannte Länge sowie mehrere optisch messbare Zielmarken benötigt. Die Länge wird im Rahmen der photogrammetrischen Kalibrierung auf den topometrischen Sensor übertragen (streng genommen auf die drei Koordinatendifferenzen ΔX, ΔY und ΔZ), so dass der topometrische Sensor mit der Skalierung misst, die sich aus der bekannten Länge ergibt. Die Länge kann zum Beispiel als Längenmaßstab ausgeführt sein, wobei die Länge typischerweise zwischen zwei optisch messbaren Zielmarken definiert ist.
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Häufig werden zwei oder mehr bekannte Längen verwendet, da so grobe Fehler in den Eingangslängen aufgedeckt werden können und durch die Mittelbildung im Rahmen der Kalibrierung die relative Orientierung mit kleinerer Messunsicherheit bestimmt werden kann. Die mindestens eine bekannte Länge bezieht sich im Allgemeinen auf zwei optisch messbare Zielmarken. In den allermeisten Fällen sind die mindestens eine Länge sowie die Zielmarken auf einem Objekt, dem sogenannten Kalibrierobjekt vereinigt.
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Um eine Kalibrierung durchzuführen, wird der topometrische Sensor in mindestens eine typischerweise aber in mehreren verschiedenen Positionen/Orientierungen zu dem Kalibrierobjekt ausgerichtet. In jeder Position/Orientierung nimmt der topometrische Sensor mit all seinen Bildaufnahmeeinheiten jeweils mindestens ein Bild auf. Sofern die Projektionseinheit ebenfalls kalibriert werden soll, projiziert sie auch jeweils mindestens ein Muster. Durch die Anwendung geeigneter Algorithmen können nachfolgend homologe Bildpunkte für jede Kalibrierposition gefunden werden. Das sind im Allgemeinen homologe Bildpunkte von Zielmarken auf dem Kalibrierobjekt sowie durch das projizierte Muster eindeutig codierte Objektpunkte auf dem Kalibrierobjekt. Nachfolgend können im Rahmen einer Bündelblockausgleichung nach der Methode der kleinsten Quadrate die Parameter der inneren und relativen Orientierung berechnet werden. Der Hersteller des topometrischen Sensors hat aufgrund seiner Spezialkenntnisse typischerweise die Anzahl und Verteilung der Kalibrierpositionen sowie das Kalibrierobjekt so optimiert, dass eine exakte Bestimmung der inneren und relativen Orientierung bei einem minimalen zeitlichen und rechnerischen Aufwand realisiert werden kann.
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Das Kalibrierobjekt umfasst im Allgemeinen mehrere optische Zielmarken, die in einer regelmäßigen oder auch unregelmäßigen Weise zueinander angeordnet sind. Es beinhaltet mindestens eine bekannte Streckenlänge. Sie wird bei der photogrammetrischen Kalibrierung benötigt, damit der topometrische Sensor nachfolgend Koordinaten mit dem korrekten Maßstab messen kann. Alternativ zu einer explizit bekannten Streckenlänge kann der Maßstab des topometrischen Sensors auch über mindestens eine implizit bekannte Streckenlänge definiert werden. So können zum Beispiel auch a priori bekannte 3D-Koordinaten von mindestens zwei eindeutig identifizierbaren Zielmarken auf dem Kalibrierobjekt verwendet werden. In den mindestens zwei bekannten 3D-Koordinaten ist der euklidische Abstand zwischen den zugehörigen Zielmarken implizit enthalten. Denkbar ist auch die Verwendung von vorbekannten Flächen- oder Rauminhalten zwischen mehreren eindeutig unterscheidbaren Zielmarken. Es ist aber zwingend notwendig, dass die im Rahmen der Kalibrierung verwendeten Vorinformationen mindestens eine implizite Streckenlänge bzw. Skalierung enthalten.
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Typischerweise ist das Kalibrierobjekt ein zusammenhängendes Objekt. Gebräuchlich sind zum Beispiel die Ausgestaltung als Kalibrierkreuz oder auch als Kalibrierplatte. Es kann aber auch als 3D-Objekt ausgestaltet sein, so dass die Zielmarken nicht alle in einer Ebene liegen und gegebenenfalls signifikant verschiedene Normalenvektoren haben. Es kann vorteilhaft sein, wenn das Kalibrierobjekt bei Nichtgebrauch zum Beispiel auch beim Transport in mehrere Einzelteile zerlegt und/oder zusammenklappbar ausgestaltet ist. So kann beispielsweise ein Kalibrierkreuz so gefertigt sein, dass seine beiden Kreuzschenkel zueinander verdrehbar sind. Im Falle der Kalibrierung werden die beiden Kreuzschenkel im Winkel von 90° zueinander verdreht und arretiert. Nach der Kalibrierung wird die Arretierung gelöst und die beiden Kreuzschenkel parallel zueinander angeordnet. Nun benötigt das Kalibrierkreuz deutlich weniger Platz und kann zum Beispiel in einer passenden Tasche verstaut werden. Bei Kalibrierplatten und sonstigen 3D-Kalibrierobjekten sind analoge Lösungen z.B. Steckverbindungen möglich.
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Nachteilig wirkt sich bei Kalibrierobjekten aus, welche vor der Kalibrierung zusammengesetzt werden müssen, dass die Messunsicherheit der a priori bekannten impliziten und/oder expliziten Streckenlängen größer sein kann. Dies trifft insbesondere zu, wenn sich die Streckenlängen über zwei oder mehr zueinander auszurichtende Kalibrierobjektteile erstreckt. Im Gegenzug können solche Kalibrierobjekte relativ einfach transportiert werden, da sie vor dem Zusammenbau deutlich weniger Platz benötigen.
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Wie ausgeführt werden für die Kalibrierung mindestens eine bekannte Streckenlänge sowie mehrere Zielmarken benötigt. Diese können alle auf einem Kalibrierobjekt vereinigt sein, müssen es aber nicht. So ist es messtechnisch genauso möglich, dass die Zielmarken sowie der mindestens eine Längenmaßstab jeweils einzelne Objekte sind, die vor der Kalibrierung räumlich verteilt werden. Wichtig ist aber, dass diese einzelnen Objekte (nachfolgend als Kalibrierkörper bezeichnet) während der Kalibrierung in ihrer relativen Lage zueinander nicht verändert werden.
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Einteilige Kalibrierobjekte haben mehrere Vorteile. Typischerweise sind die Kalibrierobjekte durch den Hersteller des topometrischen Sensors so ausgestaltet, dass die Parameter der inneren und relativen Orientierung sowie insbesondere die in der inneren Orientierung enthaltenen Verzeichnungsparameter hinreichend genau bestimmt werden können. So sind die Zielmarken auf dem Kalibrierobjekt fest zueinander angeordnet. Sie haben also (abgesehen von Temperatureinflüssen) immer die gleichen Lagebeziehungen zueinander. Ihre Anzahl und Anordnung kann insbesondere so erfolgen, dass die Verzeichnungsparameter des verwendeten Modellansatzes hinreichend genau im Rahmen der Bündelblockausgleichung ermittelt werden können. Nachteilig ist ihre Größe und Handhabbarkeit insbesondere bei großen Messvolumen des topometrischen Sensors. Zusätzlich sind solche Kalibrierobjekte in der Regel auch vergleichsweise teuer in der Herstellung, insbesondere wenn Materialen mit kleinem Ausdehnungskoeffizient verwendet werden.
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Werden einzelne unabhängige Kalibrierkörper verwendet, also zum Beispiel mehrere zueinander unabhängige Zielmarken sowie mindestens ein Längenmaßstab, so hat das ebenfalls mehrere Vor- und Nachteile. Im Gegensatz zum einteiligen Kalibrierobjekt sind die Herstellungskosten im Allgemeinen deutlich geringer. Der Transport ist aufgrund der geringen Größe deutlich einfacher, da insbesondere bei großen Messvolumen keine sperrigen Kalibrierobjekte transportiert werden müssen. Zudem kann die Anzahl und die Verteilung der Zielmarken variiert werden.
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Letzteres ist aber auch ein Nachteil. Typischerweise ist ein einteiliges Kalibrierobjekt durch den Hersteller des topometrischen Sensors so ausgestaltet, dass die Parameter der inneren und relativen Orientierung sowie insbesondere die in der inneren Orientierung enthaltenen Verzeichnungsparameter hinreichend genau bestimmt werden können. Werden nun stattdessen mehrere unabhängige Kalibrierkörper verwendet, so können zwar die Anzahl und Verteilung der Kalibrierkörper so variiert werden, dass auch bei einer Änderung des Parametersatzes für die Verzeichnung diese hinreichend genau bestimmt werden können. Der Anwender hat aber leider in der Regel keine Kenntnis, wie viele Kalibrierkörper notwendig sind und wie er diese Kalibrierkörper anzuordnen hat.
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Wie bereits erläutert, wird der topometrische Sensor im Rahmen der Kalibrierung in der Regel in mehrere unterschiedliche Positionen/Orientierungen zu den verwendeten Kalibrierobjekten ausgerichtet. Die Anzahl und räumliche Verteilung der sogenannten Kalibrierpositionen sind im Allgemeinen so ausgeführt, dass die innere und relative Orientierung hinreichend genau bestimmt werden kann. Insbesondere sind die Positionen auf das verwendete Verzeichnungsmodell abgestimmt. Sofern es sich um ein manuell geführten topometrischen Sensor handelt, der sich zum Beispiel auf einem manuell beweg- und manipulierbaren Stativ befindet oder auch ein handgeführtes System, muss der Anwender für jede Kalibrierposition den topometrischen Sensor entsprechend der Vorgabe zum Kalibrierobjekt ausrichten. Dazu ist es hilfreich, wenn der Anwender durch den topometrischen Sensor selbst und/oder durch eine mit dem topometrischen Sensor verbundene Anzeigeeinheit eine entsprechende Rückmeldung gibt, ob der topometrische Sensor korrekt zum Kalibrierobjekt ausgerichtet ist oder nicht. Von Vorteil ist es, wenn die Rückmeldung möglichst in Echtzeit erfolgt und dem Anwender bei nicht korrekter Ausrichtung entsprechende Hinweise gibt, wie er den topometrischen Sensor in seiner Ausrichtung noch verändern muss, damit die korrekte Ausrichtung erreicht werden kann.
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In den bisher verfügbaren topometrischen Sensoren erfolgt die Rückmeldung an den Anwender im Allgemeinen über eine externe Anzeigeeinheit. Diese ist typischerweise als PC mit Bildschirm ausgestaltet. Der topometrische Sensor bestimmt dazu zum Beispiel während der Kalibrierung durch einen photogrammetrischen Rückwärtsschnitt die äußere Orientierung (also die Position und Orientierung) mindestens einer Bildaufnahmeeinheit zum Kalibrierobjekt. Aufgrund der genähert bekannten relativen Lage der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit zum Koordinatensystem des topometrischen Sensors (z.B. aus dem CAD des topometrischen Sensors) kann auf die Position und Orientierung des topometrischen Sensors zurückgeschlossen werden. Zur Durchführung des Rückwärtsschnitts werden die 3D-Koordinaten von mindestens drei Zielmarken auf dem Kalibrierobjekt benötigt, sowie die innere Orientierung mindestens einer Bildaufnahmeeinheit, welche die drei Zielmarken in einem Bild beobachtet hat. Die innere Orientierung der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit steht in der Regel aber noch nicht zur Verfügung, da diese ja erst im Rahmen der Kalibrierung ermittelt werden soll. Es ist aber im Allgemeinen ausreichend, mit Näherungswerten zu arbeiten, die zum Beispiel aus einer vorherigen Kalibrierung stammen können. Alternativ können für eine bestimmte gleichartige Ausgestaltung des topometrischen Sensors repräsentative innere Orientierungen durch den Hersteller ermittelt werden.
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Ebenfalls ist es nicht zwingend vorauszusetzen, dass die 3D-Kooordinaten vor der Kalibrierung bekannt sind. Aber auch hier reichen im Allgemeinen Näherungskoordinaten aus, die zum Beispiel aus dem CAD des Kalibrierobjektes stammen können. Aufgrund der Verwendung von Näherungen für die innere Orientierung und für die 3D-Koordinaten wird die Position und Orientierung des topometrischen Sensors nicht vollständig exakt berechnet. Im Allgemeinen ist aber die erzielbare Messunsicherheit für die Ausrichtung ausreichend.
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Denkbar sind auch andere Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung des topometrischen Sensors zum Kalibrierobjekt. Typischerweise wird dazu aber immer mindestens ein Messbild durch die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit des topometrischen Sensors vom Kalibrierobjekt aufgenommen. Aus diesem mindestens einem Bild wird dann die aktuelle Ausrichtung bestimmt und mit der Zielausrichtung verglichen. Alternativ kann der topometrische Sensor auch von außen getrackt werden. Möglich ist auch die Verwendung von Neigungssensoren (zum Beispiel Trägheitssensoren) im topometrischen Sensor.
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Allen Varianten ist jedoch gemein, dass die Rückmeldung an den Nutzer nicht über den topometrischen Sensor selbst, sondern über die Anzeigeeinheit erfolgt. Diese ist im Allgemeinen an einer anderen Stelle platziert als der topometrischen Sensor. Somit muss der Anwender seinen Blick vom topometrischen Sensor trennen, um zur Anzeigeeinheit schauen zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein verbessertes Verfahren zur photogrammetrischen Kalibrierung eines topometrischen Sensors zu schaffen. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, die eingerichtet ist zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Sensor und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1, sowie die Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Es wird vorgeschlagen, zur Durchführung einer photogrammetrischen Kalibrierung eines topometrischen Sensors folgende Schritte auszuführen:
- a) Berechnen einer Projektionsmaske, welche eine vorgegebene Position und Orientierung mindestens eines Kalibrierkörpers zum topometrischen Sensor kennzeichnet;
- b) Projektion der Projektionsmaske;
- c) Ausrichten des mindestens einen Kalibrierkörpers relativ zum topometrischen Sensor anhand der durch die projizierte Projektionsmaske vorgegebenen Position und Orientierung durch Veränderung der Position und Orientierung des topometrischen Sensors und/oder des mindestens einen Kalibrierkörpers.
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Der topometrische Sensor kann dabei Teil einer Vorrichtung sein, die zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten eingerichtet ist. Der topometrische Sensor umfasst mindestens eine Projektionseinheit zur Projektion von mindestens einem flächenhaften Muster sowie mindestens eine Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme von Bildern, wobei diese mechanisch starr miteinander verbunden sind. Der topometrische Sensor ist mit einer Steuerungseinheit zur Ansteuerung der mindestens einen Projektionseinheit sowie der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit und mit einer Auswerteeinheit zur Berechnung von 3D-Koordinaten des Objektes aus dem mindestens einen projizierten Muster und dem mindestens einen aufgenommenen Messbild verbunden. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Projektionseinheit zur Markierung einer im Rahmen der Kalibrierung vorgegebenen Position und Orientierung des mindestens einen Kalibrierkörpers für die photogrammetrische Kalibrierung des topometrischen Sensors eingerichtet ist.
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Die Erfindung ermöglicht die exakte Positionierung und Orientierung mindestens eines Kalibrierkörpers zum topometrischen Sensor im Rahmen der photogrammetrischen Kalibrierung des topometrischen Sensors. Insbesondere die korrekte Ausrichtung von mehreren unabhängigen Kalibrierkörpern ist so durchführbar. Dabei ist eine intuitive Ausrichtung möglich, indem der Anwender die Rückmeldung über den Sensor selbst erhält, während der Anwender weiterhin auf das Kalibrierobjekt schauen kann.
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Typischerweise werden zur Berechnung der Projektionsmaske folgende Informationen genutzt:
- Zum ersten kann ein Modell des mindestens einen Kalibrierkörpers inklusive der auf dem jeweiligen Kalibrierkörper enthaltenen Zielmarken genutzt werden. Dieses kann beispielsweise aus einer früheren Vermessung des Kalibrierkörpers stammen oder aus einem CAD-Modell abgeleitet sein. Sofern mehrere Kalibrierkörper verwendet werden sollen, wird die räumliche Soll-Anordnung der Kalibrierkörper zueinander benötigt. Diese kann durch den Systemhersteller vorgegeben werden. Sie ist so abgestimmt, dass die Parameter der inneren und relativen Orientierung hinreichend genau ermittelt werden können. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Soll-Anordnung auf das verwendete Verzeichnungsmodell abgestimmt ist.
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Zum zweiten kann eine Position und Orientierung des mindestens einen Kalibrierkörpers zum topometrischen Sensor genutzt werden. Diese Position und Orientierung ist prinzipiell frei wählbar. Vorteilhafterweise befinden sich aber alle Kalibrierkörper in dieser Ausrichtung des topometrischen Sensors im Sichtfeld der mindestens einen Projektionseinheit des topometrischen Sensors und überdecken sich möglichst nicht aus Sicht der mindestens einen Projektionseinheit. Es ist vorteilhaft, wenn die Position und Orientierung des mindestens einen Kalibrierkörpers so gewählt ist, dass alle Kalibrierkörper sich im Messvolumen des topometrischen Sensors befinden. In der Praxis empfiehlt sich in der Regel für die Ausrichtung des mindestens einen Kalibrierkörpers die erste Position und Orientierung des topometrischen Sensors im Rahmen der photogrammetrischen Kalibrierung des topometrischen Sensors zu verwenden.
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Zum dritten kann die genäherte innere Orientierung der mindestens einen Projektionseinheit genutzt werden. Da die innere Orientierung in der nachfolgenden Kalibrierung bestimmt werden soll, stehen in der Regel nicht die exakten Werte zur Verfügung. Für die Erstellung einer hinreichend genauen Projektionsmaske reicht es aber aus, wenn eine Näherungslösung verwendet wird. Diese kann zum Beispiel aus einer früheren Kalibrierung des topometrischen Sensors stammen. Sie kann alternativ auch vom Systemhersteller für diese Messvolumenkonfiguration vor Systemauslieferung bestimmt worden sein. Denkbar ist auch eine synthetische Berechnung der Kammerkonstante auf Grundlage der a priori bekannten Gegenstandsweite und der Brennweite des Objektivs der Projektionseinheit. Durch Anwendung der Linsengleichung kann die Bildweite, die der Kammerkonstante entspricht, berechnet werden. Der Bildhauptpunkt und die Verzeichnungen können in dieser Variante vereinfachend auf NULL gesetzt werden. Sofern Vorwissen zum Beispiel durch den Objektivhersteller verfügbar ist, können über diese Quelle alternativ Verzeichnungsparameter abgeschätzt werden.
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Zum vierten kann die äußere Orientierung der mindestens einen Projektionseinheit im Koordinatensystem des topometrischen Sensors genutzt werden, die beispielsweise aus einem CAD-Modell des topometrischen Sensors vom Systemhersteller stammen kann.
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Aufgrund der gegebenen Informationen ist nun definiert, wie der mindestens eine Kalibrierkörper zum topometrischen Sensor ausgerichtet sein soll. Ferner ist nun definiert, wie jeder beliebige Objektpunkt anhand der aus den Vorgaben bekannten inneren und äußeren Orientierung der mindestens einen Projektionseinheit in der zugehörigen Bildebene abgebildet wird. Diese Zentralprojektion unter Berücksichtigung der Verzeichnung kann durch die Kollinearitätsgleichung beschrieben werden.
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Auf Grundlage der Informationen können rechnerisch alle Kalibrierkörper über die Kolinearitätsgleichung als Bildpunkte der Projektionseinheit berechnet werden. Das betrifft sowohl ihre originären Messmerkmale wie die Zielmarkenmittelpunkte aber auch ihre äußere Kontur sowie gegebenenfalls weitere beschreibende Merkmale wie Textur, Codes etc. Aus all diesen Bildpunkten wird eine geeignete Projektionsmaske erstellt. In einer möglichen Umsetzung enthält die Projektionsmaske zum Beispiel die Zielmarkenmittelpunkte und die äußere Kontur aller Kalibrierkörper. Sie kann aber auch mögliche Codierungen einzelner Zielmarken, eines Längenmaßstabs und/oder eines Kalibrierkörpers selbst beinhalten. Sie kann auch andere Metadaten wie Name, Typ oder andere beschreibende Merkmale des jeweiligen Kalibrierkörpers enthalten, die dazu beitragen, den mindestens einen Kalibrierkörper korrekt auszurichten. Insbesondere bei mehreren Kalibrierkörpern empfiehlt es sich, zusätzliche identitätsbeschreibende Metadaten zu projizieren. Diese zusätzlichen Metadaten müssen nicht zwingend aus der synthetischen Abbildung des mindestens einen Kalibrierkörpers in die mindestens eine Projektionseinheit stammen. Sie können auch nachträglich in die Projektionsmaske eingeführt werden.
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Die berechnete Projektionsmaske wird nun durch die mindestens eine Projektionseinheit projiziert. Anschließend wird der mindestens eine Kalibrierkörpers relativ zum topometrischen Sensor anhand der Projektionsmaske durch Veränderung der Position und Orientierung des topometrischen Sensors und/oder des mindestens einen Kalibrierkörpers ausgerichtet. Die Ausrichtung des mindestens einen Kalibrierkörpers ist erfolgreich durchgeführt, wenn sich die projizierten Konturen inklusive der enthaltenen Zielmarken für jeden Kalibrierkörper mit den jeweils realen Konturen inklusive der enthaltenen Zielmarken des echten Kalibrierkörpers hinreichend gut entsprechen. Eine 100% exakte Übereinstimmung wird in der Praxis nicht erreichbar sein, da die Projektionsmaske auf Modellannahmen (z.B. CAD, innere Orientierung) beruht.
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Die Ausrichtung einer oder mehrerer Kalibrierkörper ist nicht immer vollständig intuitiv, da in der Regel sowohl der topometrische Sensor als auch die Kalibrierkörper zueinander in ihrer Position und Ausrichtung variiert werden müssen. Hier ist es von Vorteil, wenn der topometrische Sensor vor der Ausrichtung auf die Kalibrierkörper schon vorausgerichtet wird, so dass bei der eigentlichen Ausrichtung anhand der projizierten Maske hauptsächlich nur noch die mehreren Kalibrierkörper in ihrer Position und Orientierung verändert werden müssen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der topometrische Sensor deshalb vor Projektion der Projektionsmaske auf eine Bezugsfläche grob ausgerichtet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit durch den folgenden Schritt ergänzt werden, der vor Schritt b) erfolgt:
- I) Vorausrichtung des topometrischen Sensors auf eine Bezugsfläche
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Die Bezugsfläche wird vorteilhafterweise so gewählt wird, dass auf dieser nachfolgend mindestens ein Kalibrierkörper angeordnet wird.
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Zur Durchführung dieses Schrittes I) können vorteilhafterweise eine oder mehrere in den topometrischen Sensor integrierte Abstandsmarkierungseinheiten genutzt werden. Die mindestens eine Abstandsmarkierungseinheit ermöglicht dem Anwender, eine grobe Abschätzung des Abstands zwischen dem topometrischen Sensor und dem Objekt (z.B. Kalibrierkörper, Bezugsebene) vorzunehmen. In einer einfachen Ausgestaltung können das zum Beispiel zwei Laserpointer sein, die so eingestellt sind, dass sich bei einem bestimmten Objektabstand zum Beispiel dem optimalen Messabstand die projizierten Punkte überlagern. Mit wachsendem Abstand von dem optimalen Messabstand entfernen sich dagegen die beiden Punkte voneinander.
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Vorteilhaft ist auch der Einsatz von mindestens einer Abstandsmesseinheit, die in den topometrischen Sensor integriert ist. Sie ermöglicht eine sehr exakte Bestimmung des Abstands zwischen dem topometrischen Sensor und dem Objekt (z.B. Kalibrierkörper, Bezugsebene). Eine mögliche Ausgestaltung ist ein Laserentfernungsmesser, der zum Beispiel parallel zur optischen Achse der mindestens einen Projektionseinheit einbaut ist. Prinzipiell ist für die grobe Ausrichtung auf die Bezugsebene keine hochpräzise Ausführung notwendig. Typischerweise reicht eine Messunsicherheit von wenigen Millimetern völlig aus.
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Vorteilhaft ist ferner der Einsatz mindestens eines Lagesensors, der in den topometrischen Sensor integriert ist. Der Lagesensor ermöglich eine grobe Orientierung des topometrischen Sensors zum Objekt (z.B. Kalibrierkörper, Bezugsebene). In einer einfachen Ausgestaltung kann eine Dosenlibelle verwendet werden. Sie kann zum Beispiel so in den topometrischen Sensor integriert sein, dass die Libelle sich im Zentrum der Dose befindet, wenn der topometrische Sensor senkrecht nach unten zeigt. Da eine Dosenlibelle eine Ausrichtung nur in zwei Dimensionen ermöglicht, ist es vorteilhaft, bei einer vollständigen Ausrichtefähigkeit in alle drei Raumrichtungen noch eine weitere Libelle zum Beispiel eine Röhrenlibelle einzubauen, welche die Ausrichtung zum Lot abbildet. Denkbar ist auch die Verwendung von drei Röhrenlibellen, wobei diese vorteilhafterweise jeweils orthogonal zueinander ausgerichtet sind.
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Der gemeinsame Einsatz mindestens einer Abstandsmarkierungseinheit und/oder mindestens einer Abstandsmesseinheit sowie mindestens einem Lagesensor ermöglicht die Ausrichtung des topometrischen Sensors zu der Bezugsfläche. Der topometrische Sensor ist dadurch schon grob vorausgerichtet. Anschließend wird die Projektionsmaske projiziert. Nun können die mehreren Kalibrierkörper ausgerichtet werden. In der Regel sind nur noch geringfügige Änderungen an der Positionierung und/oder Orientierung des topometrischen Sensors vorzunehmen, um eine Überdeckung der Projektionsmaske und der Kalibrierkörpern zu erzielen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Verfahrensschritte a), b) und c) mehrfach durchlaufen werden, wobei in Verfahrensschritt a) bei jedem Durchlauf eine an die aktuellen Gegebenheiten angepasste Projektionsmaske berechnet wird. Beispielsweise kann das Verfahren solange wiederholt werden, bis ein Signal eine ausreichend genaue Positionierung der Kalibrierkörper signalisiert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann dabei geprüft werden, ob der mindestens eine auszurichtende Kalibrierkörper schon korrekt ausgerichtet ist. Dazu nimmt die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit des topometrischen Sensors mindestens einmal, oder auch wiederholt in regelmäßigen Abständen jeweils mindestens ein Bild auf. Durch geeignete, hinreichend bekannte Methoden der Bildverarbeitung werden in dem mindestens einem Bild die zu dem jeweiligen Kalibrierkörper zugehörigen Bildpunkte z.B. der Zielmarken und/oder der Konturen gesucht. Diese extrahierten Bildpunkte können mit synthetisch berechneten Soll-Bildpunkten der zugehörigen Kalibrierkörper verglichen werden. Die Soll-Bildpunkte können durch zentralperspektivische Abbildung des mindestens einen Kalibrierkörpers in der Soll-Ausrichtung in die Bildebene der Bildaufnahmeeinheit anhand der Kollinearitätsgleichungen berechnet werden. Dazu wird die innere Orientierung der Bildaufnahmeeinheit benötigt. Analog zur Projektionseinheit reicht hier aber auch eine Näherung aus, die zum Beispiel aus einer früheren Kalibrierung stammen kann. Genauso kann auch durch den Hersteller eine typische innere Orientierung vorgegeben werden oder aus dem CAD-Modell abgeleitet werden. Sofern für einen Kalibrierkörper die zugehörigen gemessenen Bildpunkte hinreichend gut mit den synthetisch berechneten Bildpunkten übereinstimmen, ist es vorteilhaft, wenn die Projektionsmaske so angepasst wird, dass der Anwender die korrekte Ausrichtung dieses Kalibrierkörpers erkennen kann.
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Das kann auf vielfältige Art geschehen. So können zum Beispiel in der angepassten Projektionsmaske alle zu dem korrekt ausgerichteten Kalibrierkörper zugehörigen Muster aus der Projektionsmaske entfernt werden. Somit verbleiben nur die Muster der noch nicht korrekt ausgerichteten Kalibrierkörper in der angepassten Projektionsmaske. Alternativ kann beispielsweise auch eine bisher projizierte Kontur des ausgerichteten Kalibrierkörpers komplett gefüllt werden. Statt der Kontur wird dann der korrekt ausgerichtete Kalibrierkörper als eine gefüllte Fläche projiziert. Denkbar ist auch die Anzeige eines konkludenten Symbols nahe des korrekt ausgerichteten Kalibierkörpers wie zum Beispiel ein Haken. Sofern die Projektionseinheit verschiedene Farben projizierten kann, ist auch ein Wechsel der Farbe für den korrekt ausgerichteten Kalibrierkörper denkbar. Ein nicht korrekt ausgerichteter Kalibrierkörpers kann zum Beispiel mit der Farbe Rot projiziert werden. Ein korrekt ausgerichteter Kalibrierkörper wird zum Beispiel mit der Farbe Grün projiziert.
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Wenn alle Kalibrierkörper korrekt ausgerichtet sind, ist es vorteilhaft, wenn der Anwender durch eine Modifikation der projizierten Maske und/oder ein akustisches Signal darüber in Kenntnis gesetzt wird. Analog zur Anzeige der korrekten Positionierung eines Kalibrierkörpers kann die Modifikation der Maske mannigfaltig ausgestaltet sein. Möglich sind zum Beispiel eine Füllung der Konturen aller Kalibrierkörper, das Entfernen aller zu den Kalibrierkörpern gehörenden Teilmasken und stattdessen die Projektion eines konkludenten Symbols, die Änderung der Projektionsfarbe etc. Die korrekte Ausrichtung kann auch über ein geeignetes akustisches Signal erfolgen.
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Das Signal kann sich an bekannten Varianten orientieren z.B. Tastenton eines Telefons, Zentralverriegelung eines Automobils, Weckton eines Digitalweckers etc. Für jeweils eine spezifische Information kann ein vordefiniertes akustisches Signal vorgegeben sein.
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Sofern noch mindestens ein Kalibrierkörper nicht korrekt ausgerichtet ist, kann es vorteilhaft sein, wenn in der Projektionsmaske Anweisungen zur korrekten Ausrichtung und/oder schlüssige Zeichen projiziert werden. Durch die Auswertung der in der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit des topometrischen Sensors aufgenommenen zugehörigen Bildpunkte z.B. der Zielmarken und/oder der Konturen des mindestens einen Kalibrierkörpers kann auf seine aktuelle Position und Orientierung relativ zum topometrischen Sensor geschlossen werden. Durch Abgleich zwischen der Soll-Ausrichtung und der Ist-Ausrichtung kann die noch durchzuführende Translation und Rotation des mindestens einen Kalibrierkörpers berechnet werden. Diese Daten können in die Projektionsmaske vorteilhaft integriert werden, so dass der Anwender eine aktuelle Rückmeldung erhält, wie der mindestens eine Kalibrierkörper noch in seiner Ausrichtung verändert werden muss, um die Soll-Ausrichtung zu erreichen. Denkbar ist hierzu eine direkte Nutzeranweisung, wie zum Beispiel: „Verschiebung in X-Richtung um 25mm“. Alternativ kann als Zeichen für noch auszuführende Translationen ein Pfeil eingesetzt werden, dessen Größe z.B. den offenen Verschiebungsbetrag symbolisiert. Analog kann für noch auszuführende Translationen ein anderes plakatives Symbol eingesetzt werden. Möglich ist auch die Kombination von Zeichen und textlichen Anweisungen. Um ein flüssiges, zügiges Ausrichten zu ermöglichen, ist es wichtig, dass die textlichen Anweisungen und/oder die Zeichen in der Projektionsmaske mit einer möglichst hohen Frequenz aktualisiert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der topometrische Sensor zur Gestenerkennung eingerichtet. Dazu nimmt die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit des topometrischen Sensors vor und/oder während und/oder nach der Ausrichtung Bilder auf. Durch Methoden der digitalen Bildverarbeitung werden die Bilder auf Gesten analysiert. Sofern eine Geste erkannt wird, wird eine vorab festgelegte Aktion durch den topometrischen Sensor und/oder durch die Software, die zur Steuerung der topometrischen Messung im Rahmen der Kalibrierung eingesetzt wird, durchgeführt. Das kann zum Beispiel das Auslösen der topometrischen Messung, die Einstellung von Messparametern, die Berechnung der Kalibrierung, die Anzeige von Ergebnissen etc. sein.
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Nachfolgend werden die Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren durch mehrere Ausführungsbeispiele mit den beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 - Skizze eines topometrischen Sensors, der zur Ausrichtung mehrerer Kalibrierkörper zueinander eingerichtet ist;
- 2 - Skizze einer Projektionsmaske zur Ausrichtung mehrerer Kalibrierkörper;
- 3 - Skizze eines topometrischen Sensors im Rahmen einer photogrammetrischen Kalibrierung mit einer Kalibrierplatte;
- 4 - Skizze einer Projektionsmaske zur Ausrichtung einer Kalibrierplatte zum topometrischen Sensor.
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Die 1 zeigt eine Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten eingerichtet und ausgebildet ist. Die Vorrichtung 1 umfasst einen topometrischen Sensor 3. Dieser hat eine Projektionseinheit 4 sowie zwei Bildaufnahmeeinheiten 5 und 6, die durch einen Balken 7 mechanisch miteinander verbunden sind. Die Projektionseinheit 4 ist dazu eingerichtet, mindestens ein Muster auf das zu vermessende Objekt zu projizieren. Die zwei Bildaufnahmeeinheiten 5 und 6 sind dazu eingerichtet, dass mindestens eine projizierte und dann vom Objekt rückgestreute Muster aufzunehmen und ein zugehöriges 2D-Bild je Bildaufnahmeeinheit 5, 6 zu generieren. Der topometrische Sensor 3 ist mit einer Steuerungseinheit 8 und nachfolgend einer Auswerteeinheit 9 über eine Kabelverbindung 10 verknüpft. Die Steuerungseinheit 8 steuert die topometrische Vermessung des Objektes durch den topometrischen Sensor 3. Ferner überträgt sie die aufgenommenen 2D-Bilder der Bildaufnahmeeinheiten 5, 6, sowie bei Verwendung der Projektionseinheit 4 für die 3D-Punktberechnung auch die projizierten Muster der Projektionseinheit 4, an die Auswerteeinheit 9. Die Auswerteeinheit 9 ist dazu eingerichtet, die 3D-Koordinaten des Objektes aus den übertragenen 2D-Bildern und der projizierten Muster zu berechnen.
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Bevor der topometrische Sensor 3 zur Vermessung eines Objektes eingesetzt werden kann, muss der topometrische Sensor 3 photogrammetrisch kalibriert werden.
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Dazu sollen mehrere Kalibrierkörper 2a-2j verwendet werden, die auf einer Bezugsfläche 11 aufgebaut werden. Die Kalibrierkörper 2a und 2b sind Längenmaßstäbe. Sie haben jeweils zwei codierte Zielmarken. Der Abstand zwischen den jeweiligen codierten Zielmarken eines Längenmaßstabs sind bekannt und hierzu beispielsweise vorab extern hochgenau vermessen worden. Die Kalibrierkörper 2c-2j sind Quader, welche jeweils eine uncodierte Zielmarke umfassen. Sie sind zueinander baugleich.
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Vor der Durchführung der photogrammetrischen Kalibrierung sind die Kalibrierkörper 2a-2j entsprechend der Vorgabe des Herstellers des topometrischen Sensors 3 zueinander zu positionieren. Die Anordnung ist vom Hersteller so gewählt, dass die inneren Orientierungen, insbesondere die Verzeichnungsparameter der beiden Bildaufnahmeeinheiten 5, 6 und der Projektionseinheit 4, hinreichend genau bestimmt werden können. Die korrekte Ausrichtung der Kalibrierkörper 2a-2j zueinander und die korrekte Ausrichtung aller Kalibrierkörper 2a-2j zum topometrischen Sensor 3 in allen Kalibrierpositionen ist entscheidend für die Güte der Kalibrierung.
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Die Ausrichtung der Kalibrierkörper 2a-2j erfolgt mit Hilfe einer Projektionsmaske 12, die in 2 dargestellt ist. Sie wird beispielsweise anhand des computergestützten Designs (CADs) des topometrischen Sensors 3, des CADs aller Kalibrierkörper 2a-2j, einer Näherungslösung der inneren Orientierung der Projektionseinheit 4, der gewünschten Position und Orientierung der Kalibrierkörper 2a-2j zueinander und einer vorgegebenen Position und Orientierung des topometrischen Sensors 3 zu den Kalibrierkörpern 2a-2j berechnet.
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Das CAD des topometrischen Sensors 3 sowie die CADs aller Kalibrierkörper 2a-2j liegen dem Systemhersteller vor. Die Näherung der inneren Orientierung kann z.B. aus einer vorherigen Kalibrierung des topometrischen Sensors 3 stammen. Sie kann aber auch aus verwendetem Kamera- und Objektivtyp sowie dem gewählten Fokussierabstand theoretisch abgeschätzt werden. Ebenfalls kann sie aus Referenzkalibrierungen für diesen Messkonfigurationstyp durch den Systemhersteller abgeleitet werden. Wie bereits erläutert, ist keine exakte Lösung notwendig. Die gewünschte Position und Orientierung der Kalibrierkörper 2a-2j zueinander gibt wiederum der Systemhersteller vor. Anhand dieser Vorgaben kann jeder Objektpunkt über die Kollinearitätsgleichungen in die Bildebene der Projektionseinheit 4 rechnerisch abgebildet werden. Vorteilhafterweise wird dann eine Position und Orientierung des topometrischen Sensor 3 zu den Kalibrierkörpern 2a-2j vorgegeben, so dass alle Kalibrierkörper 2a-2j in der Bildebene der Projektionseinheit 4 abgebildet werden, sie sich nicht gegenseitig überlappen und die Bildebene möglichst vollständig genutzt wird. Die letzte Bedingung sorgt dafür, dass die Ausrichtung einfacher und genauer möglich ist.
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Vorteilhafterweise kann zum Beispiel zur Ausrichtung der Kalibrierkörper 2a-2j die erste Kalibrierposition der photogrammetrischen Kalibrierung des topometrischen Sensors 3 verwendet werden. Diese ist häufig so durch den Systemhersteller festgelegt, dass sich die Referenzkörper in oder nahe der Fokusebene der Projektionseinheit 4 befinden und der topometrische Sensor 3 senkrecht zur Bezugsfläche 11 und/oder einem oder mehreren Kalibrierkörpern 2a-2j ausgerichtet ist. Es kann aber auch eine andere Ausrichtung des topometrischen Sensors 3 gewählt werden. Dementsprechend ergibt sich dann auch eine andere Projektionsmaske 12, die aber bei Beachtung der genannten Bedingungen für die Wahl der Ausrichtung des topometrischen Sensors 3 eine gleichartig exakte Ausrichtung der Kalibrierkörper 2a-2j ermöglicht.
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Auf Grundlage der ausgeführten Voraussetzungen kann die Projektionsmaske 12 berechnet werden. Sie ist in 2 skizziert. Die weißen Bereiche in der Projektionsmaske 12 sind die Flächen, welche projiziert werden sollen. Die schwarzen Bereiche in der Projektionsmaske 12 sind die Flächen, welche nicht projiziert werden sollen. Die Projektionsmaske 12 beinhaltet die Umrisse der Kalibrierkörper 2a-2j sowie deren Zielmarken. Sie ergibt sich durch Abbildung der Kalibrierkörper 2a-2j aus dem Objektraum in den Bildraum der Projektionseinheit 4 anhand der Kollinearitätsgleichungen. Nach der Berechnung wird die Projektionsmaske 12 durch die Projektionseinheit 4 projiziert. Anschließend richtet der Anwender die Kalibrierkörper 2a-2j relativ zum topometrischen Sensor 3 anhand der Projektionsmaske 12 durch Veränderung der Position und Orientierung des topometrischen Sensors 3 und/oder der Kalibrierkörper 2a-2j aus. Dabei erfolgt die Ausrichtung so, dass die projizierten Umrisse und Zielmarken in Übereinstimmung mit den Umrissen und Zielmarken des mindestens einen Kalibrierkörpers 2a-2j gelangen.
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Es ist vorteilhaft, wenn der topometrische Sensor 3 vor dem Ausrichten der Kalibrierkörper 2a-2j schon so genähert auf die Bezugsfläche 11 ausgerichtet wird, dass die Fokusebene der Projektionseinheit 4 mit der Bezugsfläche 11 zusammenfällt und die optische Achse der Projektionseinheit 4 dem Normalenvektor der Bezugsfläche 11 entspricht. Dadurch müssen nach der Projektion der Projektionsmaske 12 praktisch nur die Kalibrierkörper 2a-2j ausgerichtet werden. Die Position und Orientierung des topometrischen Sensors 3 muss nur wenig oder gar nicht verändert werden.
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Um den topometrischen Sensor 3 vorauszurichten, ist er vorteilhafterweise mit einer Abstandsmarkierungseinheit und einem Lagesensor ausgerüstet. Die Abstandsmarkierungseinheit kann zum Beispiel durch zwei Laserpointer ausgestaltet sein, deren Projektionspunkte in der Fokusebene der Projektionseinheit 4 koinzidieren. Befindet sich die Fokusebene vor oder hinter der Bezugsfläche 11, sind zwei einzelne Projektionspunkte zu erkennen. Der Abstand zwischen den beiden Projektionspunkten auf der Bezugsfläche 11 erlaubt eine ungefähre Abschätzung der Entfernung zwischen dem topometrischen Sensor 3 und der Bezugsfläche 11. Der Lagesensor kann als Dosenlibelle ausgeführt sein. Sie ist zum Beispiel auf der Rückseite der Projektionseinheit 4 so angeordnet, dass die Libelle sich im Zentrum der Dose befindet, wenn die optische Achse der Projektionseinheit 4 in Lotrichtung zeigt. Mit Hilfe der Laserpointer und der Dosenlibelle kann der topometrische Sensor 3 senkrecht zu Bezugsfläche 11 so ausgerichtet werden, dass die Fokusebene der Projektionseinheit 4 mit der Bezugsfläche 11 zusammenfällt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in regelmäßigen zeitlichen Abständen geprüft, ob mindestens ein Kalibrierkörper 2a-2j schon korrekt zum topometrischen Sensor 3 ausgerichtet ist. Dazu nehmen die beiden Bildaufnahmeeinheiten 5 und 6 in regelmäßigen Abständen mindestens jeweils ein Bild auf. In dem jeweiligen Bild werden mit geeigneten Methoden der digitalen Bildverarbeitung die Konturen der auszurichtenden Kalibrierkörper 2a-2j sowie die zugehörigen Zielmarken ermittelt. Die zugehörigen gemessenen Bildkoordinaten werden mit den theoretischen, berechneten Soll-Bildkoordinaten verglichen. Sofern die Abweichungen für alle Bildkoordinaten eines Kalibrierkörpers 2a-2j hinreichend klein genug sind, gilt der zugehörige Kalibrierkörper 2a-2j als korrekt ausgerichtet. Um eine möglichst genaue Erfassung der gemessenen Bildkoordinaten zu ermöglichen, kann es vorteilhaft sein, dass die Projektionseinheit 4 im Moment der Bildaufnahme nicht die Projektionsmaske 12 projiziert, sondern eine homogene Projektionsmaske nutzt, welche das Sichtfeld der Projektionseinheit texturlos illuminiert.
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Jeder korrekt ausgerichtete Kalibrierkörper 2a-2j, der entsprechend des angegebenen Verfahrens detektiert wurde, führt zu einer Änderung der Projektionsmaske 12. So kann zum Beispiel der gesamte innere Bereich der Kontur des korrekt ausgerichteten Kalibrierkörpers in der Projektionsmaske 12 ebenfalls projiziert werden. Denkbar ist auch, dass die Kontur und die zugehörigen Zielmarken des korrekt ausgerichteten Kalibrierkörpers 2a-2j aus der Projektionsmaske 12 entfernt werden. Durch die Projektion der modifizierten Projektionsmaske 12 erhält der Anwender eine visuelle Rückmeldung über die korrekte Ausrichtung des jeweiligen Kalibrierkörpers 2a-2j.
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Sobald alle Kalibrierkörper 2a-2j korrekt ausgerichtet sind, wird ein Signalton erzeugt, der dem Anwender vermittelt, dass die Ausrichtung erfolgreich durchgeführt wurde. Möglich ist auch, dass parallel zum Signal oder statt des Signals die Projektionsmaske so verändert wird, dass der Anwender die gleiche Information erhält. Das kann zum Beispiel durch Projektion eines geeigneten Symbols wie ein Erfolgshaken geschehen. Während der Ausrichtung ist die zusätzliche Projektion von Anweisungssymbolen zur Vorgabe von Relativbewegungen zur Ausrichtung möglich.
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3 zeigt einen topometrischen Sensor 3, der mit Hilfe eines einteiligen Kalibrierobjektes 13, in diesem Fall einer Kalibrierplatte 13, photogrammetrisch kalibriert werden soll. Die Kalibrierplatte 13 hat vierundzwanzig (24) codierte Zielmarken, die in einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind. Im Rahmen der Kalibrierung ist der topometrische Sensor 3 in mehreren verschiedenen definierten Ausrichtungen zur Kalibrierplatte 13 zu positionieren. Anschließend nimmt jede Bildaufnahmeeinheit 5, 6 mindestens ein Bild aus der jeweiligen Kalibrierposition auf. Sofern die Projektionseinheit 4 auch kalibriert werden soll, projiziert sie mindestens ein Muster in jeder Kalibrierposition.
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Die 3 zeigt genau eine definierte Ausrichtung des topometrischen Sensors 3 zur Kalibrierplatte 13 während der Kalibrierung. Um den topometrischen Sensor 3 dementsprechend korrekt zur Kalibrierplatte 13 auszurichten, wird auf Grundlage des CADs des topometrischen Sensors 3, des CADs der Kalibrierplatte 13, der genäherten inneren Orientierung der Projektionseinheit 4 und der definierten Ausrichtung der Kalibrierplatte 13 zum topometrischen Sensor 3 anhand der Kollinearitätsgleichungen die zugehörige Projektionsmaske 12 berechnet, die in 4 abgebildet ist.
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Die Projektionsmaske 12 wird durch die Projektionseinheit 4 projiziert. Der Anwender richtet nun die Kalibrierplatte 13 und den topometrischen Sensor 3 so zueinander aus, dass die im projizierten Muster enthaltenen Konturen und Zielmarken mit den realen Konturen und Zielmarken der Kalibrierplatte 13 sich bestmöglich überdecken. Eine vollständig exakte Überdeckung ist in der Praxis im Allgemeinen nicht erreichbar, da die für die Berechnung verwendeten Vorgaben wie CAD des topometrischen Sensors 3, CAD der Kalibrierplatte 13 sowie die Näherung der inneren Orientierung der Projektionseinheit 4 nicht vollständig den vorliegenden Realitäten entsprechen. Für die Ausrichtung ist es prinzipiell egal, ob der topometrische Sensor 3 und/oder die Kalibrierplatte 13 in ihrer Position und Orientierung geändert wird.
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Die Bildaufnahmeeinheiten 5 und 6 nehmen in regelmäßigen Abständen jeweils mindestens ein Bild auf. Wie bereits beschrieben können die Konturen und die Zielmarken in den Bildern detektiert werden. Die gemessenen Werte können mit berechneten Soll-Werten verglichen werden. Wenn sich die Ist-Werte und die Soll-Werte hinreichend gut entsprechen, ist die Kalibrierplatte 13 entsprechend der Vorgabe ausgerichtet. Nun kann die jeweilige Messung der jeweiligen Kalibrierposition durchgeführt werden. Dazu nimmt jede Bildaufnahmeeinheit 5, 6 mindestens ein Bild auf. Soll auch die Projektionseinheit 4 kalibriert werden, so projiziert sie mindestens ein Muster. Nachfolgend kann mit dem vorgestellten Verfahren auch die korrekte Ausrichtung des topometrischen Sensor 4 zur Kalibrierplatte 13 in allen anderen Kalibrierpositionen vorgenommen werden. Das Verfahren ermöglicht eine exakte und intuitive Ausrichtung, ohne dass der Blickwinkel des Anwenders zwischen der Kalibrierplatte 13 und einer externen Anzeigeeinheit wechseln muss.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 und das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer weiteren Ausführungsform auch zur Ausrichtung des topometrischen Sensors 3 zu einem zu vermessenden Objekt verwendet werden. Der topometrische Sensor 3 wurde dazu zu einem früheren Zeitpunkt kalibriert. Die inneren Orientierungen der Projektionseinheit 4 sowie der beiden Bildaufnahmeeinheiten 5, 6 sowie die relativen Orientierungen zueinander sind aus der photogrammetrischen Kalibrierung sehr genau bekannt. Anhand des CADs des zu vermessenden Objekts, der inneren Orientierung der Projektionseinheit 4 sowie einer gewünschten Position und Orientierung des topometrischen Sensors 3 zum zu vermessenden Objekt kann das Objekt anhand der Kollinearitätsgleichungen in die Bildebene der Projektionseinheit 4 abgebildet werden. Alle innerhalb des projizierbaren Bereiches der Bildebene der Projektionseinheit 4 befindlichen Bildpunkte des Objektes werden benutzt, um eine geeignete Projektionsmaske 12 zu generieren. Sie kann zum Beispiel auf Grundlage der Kontur sowie andere geometrisch und/oder texturell eindeutige Merkmale wie zum Beispiel Charakterlinien, Kanten, Farb- und Materialwechsel etc. gebildet werden. Anschließend wird die Projektionsmaske 12 projiziert und der Anwender kann den topometrischen Sensor 3 zum Objekt so ausrichten, dass die projizierten Merkmale des Objektes mit den realen Merkmalen des Objektes übereinstimmen. Dann kann die eigentliche Messung ausgeführt werden.
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Durch Anwendung des Verfahrens kann das Objekt mit einer vorgegebenen Anzahl und Ausrichtungen des topometrischen Sensors 3 zum Objekt ohne den Einsatz von teuren automatisierten Manipulatoren wie Linearachse und/oder Industrieroboter gleichartig vermessen werden. Die Anzahl und Ausrichtungen des topometrischen Sensor 3 zum Objekt werden einmalig definiert. Für jede Ausrichtung wird die zugehörige Projektionsmaske berechnet und abgespeichert. Nachfolgend kann der Anwender ein einzelnes Objekt oder mehrere Objekte gleichen Typs immer gleichartig dreidimensional vermessen. Jede einzelne definierte Messposition und -orientierung des topometrischen Sensors 4 zum Objekt wird durch die Projektion der zugehörigen Projektionsmaske und das manuelle Ausrichten des topometrischen Sensors 3 und/oder des Objektes realisiert. Nachfolgend wird das Objekt in der jeweiligen Ausrichtung durch den topometrischen Sensor 3 gemessen. Insbesondere bei wiederkehrend zu vermessenden Objekten gleichen Typs hat das Verfahren deutlich Vorteile. Es werden immer die gleiche Anzahl und die gleichen Ausrichtungen verwendet. Damit sind die Ergebnisse sehr gut vergleichbar. Die Ausrichtungen sind vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass alle relevanten Geometrien des Objektes mit einer möglichst geringen Anzahl an Messungen bestimmt werden können. Doppelmessungen, falsche Messabstände sowie ungünstige Ausrichtungen können so elegant vermieden werden.
