DE102019116506A1 - Stereo camera system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stereokamerasystem zur Messung von dreidimensionalen Oberflächentopologien. Hiermit können Tiefeninformationen von Objekten, die sich auf einer Fördereinrichtung vor dem Stereokamerasystem entlang bewegen, erfasst werden. Das Stereokamerasystem kann Bestandteil einer Produktionsüberwachungsvorrichtung sein.The present invention relates to a stereo camera system for measuring three-dimensional surface topologies. With this, depth information of objects moving on a conveyor in front of the stereo camera system can be recorded. The stereo camera system can be part of a production monitoring device.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stereokamerasystem zur Messung von dreidimensionalen Oberflächentopologien. Hiermit können Tiefeninformationen von Objekten, die sich auf einer Fördereinrichtung vor dem Stereokamerasystem entlang bewegen, erfasst werden. Das Stereokamerasystem kann Bestandteil einer Produktionsüberwachungsvorrichtung sein.The present invention relates to a stereo camera system for measuring three-dimensional surface topologies. With this, depth information of objects moving on a conveyor in front of the stereo camera system can be recorded. The stereo camera system can be part of a production monitoring device.
Produktionsüberwachungsvorrichtungen mit einer Fördereinrichtung und einer Kamera, um die auf der Fördereinrichtung beförderten Produkte optisch abzutasten, sind bekannt und werden beispielsweise in Paketsortieranlagen oder Produktionsanlagen verwendet.Production monitoring devices with a conveyor device and a camera for optically scanning the products conveyed on the conveyor device are known and are used, for example, in package sorting systems or production systems.
Üblicherweise wird über eine Messeinrichtung, wie z. B. einem Lichtvorhang, die Höhe des abzutastenden Produktes bzw. Objektes ermittelt. Die Kamera weist ein verstellbares Objektiv auf, das auf eine vorher erfasste Höhe eines abzutastenden Objektes eingestellt wird, um deren Oberfläche korrekt abzutasten. Die Kamera kann ein Zoomobjektiv aufweisen, dessen Brennweite veränderlich ist, sodass es zum Abtasten unterschiedlich hoher Objekte entsprechend eingestellt werden kann. Es ist auch möglich, ein Objektiv mit einer festen Brennweite zu verwenden, deren Fokus nachgeführt wird, sodass unterschiedliche Höhen scharf auf dem Sensor abgebildet werden.Usually, a measuring device, such as. B. a light curtain, the height of the product or object to be scanned is determined. The camera has an adjustable lens which is set to a previously detected height of an object to be scanned in order to scan its surface correctly. The camera can have a zoom lens whose focal length is variable so that it can be adjusted accordingly for scanning objects of different heights. It is also possible to use a lens with a fixed focal length, the focus of which is tracked so that different heights are sharply imaged on the sensor.
Bei Zoomobjektiven werden mehrere Linsen relativ zueinander verschoben. Das Zoomobjektiv weist eine bewegliche Mechanik innerhalb des Objektivs auf, das mehrere Linsen zueinander verschiebt. Mit einem Zoomobjektiv kann der Maßstab über den Verstellweg konstant gehalten werden.With zoom lenses, several lenses are moved relative to one another. The zoom lens has a movable mechanism within the lens that moves several lenses relative to one another. With a zoom lens, the scale can be kept constant over the adjustment path.
Wird ein Objektiv mit fester Brennweite verwendet, so ist das gesamte Objektiv längs zur optischen Achse zu verschieben, sodass der Schärfebereich auf der gewünschten Höhe liegt. Der Abbildungsmaßstab erhöht sich bei Verringerung der optischen Länge.If a lens with a fixed focal length is used, the entire lens must be shifted along the optical axis so that the focus area is at the desired height. The image scale increases when the optical length is reduced.
Sowohl bei einem Zoomobjektiv als auch bei einem Objektiv mit fester Brennweite gibt es mechanische Teile, die bewegt werden müssen. Diese Bewegungen unterliegen einem Verschleiß. Bei industriellen Anwendungen werden Benutzungszyklen von mehreren Millionen gefordert. Diese übersteigen normalerweise die Lebensdauer dieser beweglichen Teile bei weitem.Both a zoom lens and a fixed focal length lens have mechanical parts that need to be moved. These movements are subject to wear. In industrial applications, usage cycles of several million are required. These usually far exceed the life of these moving parts.
Sollen in der Produktüberwachungsvorrichtung neben den optischen auch Höheninformationen ausgewertet werden, so haben sich verschiedene Methoden etabliert.If, in addition to the optical, height information is also to be evaluated in the product monitoring device, various methods have become established.
Eine Möglichkeit bietet das sogenannte Lichtschnittverfahren. Dabei wird ein dünner gerader Lichtstreifen auf das zu vermessende Objekt geworfen und eine Flächenkamera nimmt diesen Lichtstreifen dann auf. Anhand der Verzerrung, die das Objekt auf dem Lichtstreifen erzeugt, kann die Oberfläche des Objektes zurückberechnet werden.One possibility is the so-called light section method. A thin straight strip of light is thrown onto the object to be measured and an area camera then records this strip of light. The surface of the object can be calculated back using the distortion that the object creates on the light strip.
Eine weitere Möglichkeit bietet die Stereoskopie. Ein Kamerasystem nimmt dabei das Objekt aus zwei verschiedenen Blickrichtungen auf und kann aufgrund des Versatzes korrespondierender Bildpunkte die topologischen Oberflächeninformationen des Objektes bestimmen. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch die Beschränkung auf eine Fokusebene.Another option is stereoscopy. A camera system records the object from two different viewing directions and can determine the topological surface information of the object based on the offset of corresponding image points. However, the disadvantage of this method is the restriction to one focal plane.
Solche Stereokamerasysteme weisen zwei Kameramodule auf, mit welchen aus zwei unterschiedlichen Blickrichtungen derselbe Objektbereich abgetastet werden kann. Die Kameramodule sind mit einem Objektiv versehen, um den Objektbereich auf einem Sensor des jeweiligen Kameramoduls abzubilden. Eine optische Achse des Objektivs ist eine Symmetrieachse des Objektivs, welche etwa quer zu den Oberflächen einer oder mehrerer im Objektiv enthaltener Linsen verläuft. Als Objektivebene gilt die objektseitige Hauptebene des Objektivs. Eine Sensorebene ist die Ebene, in welcher die lichtempfindliche Sensorfläche liegt. Eine Objektebene ist die Ebene, die scharf vom Objektiv auf die Sensorfläche abgebildet wird.Such stereo camera systems have two camera modules with which the same object area can be scanned from two different viewing directions. The camera modules are provided with a lens in order to image the object area on a sensor of the respective camera module. An optical axis of the objective is an axis of symmetry of the objective, which runs approximately transversely to the surfaces of one or more lenses contained in the objective. The main plane of the objective on the object side is regarded as the objective plane. A sensor plane is the plane in which the light-sensitive sensor surface lies. An object plane is the plane that is sharply imaged from the lens onto the sensor surface.
Bei herkömmlichen Stereokamerasystemen sind meistens die Objektivebene, die Objektebene und die Sensorebene zueinander parallel angeordnet. Die parallele Ausrichtung der Objektebene zur Objektivebene sowie zur Sensorebene wird im Folgenden als Parallelitäts-Anordnung bezeichnet.In conventional stereo camera systems, the lens plane, the object plane and the sensor plane are usually arranged parallel to one another. The parallel alignment of the object plane to the objective plane and to the sensor plane is referred to below as the parallelism arrangement.
Entscheidend für die Auflösung einer dreidimensionalen Oberflächentopologie mit einem Stereokamerasystem ist ein Basis-Winkel
Im Folgenden wird, sofern nicht anders angegeben, von einem gleichbleibenden Abstand der Sensorebene SP (sensor plane), Objektivebene LP (lens plane) und Objektebene OP (object plane) zueinander ausgegangen, so dass allein die Basis
Objektive weisen einen Öffnungswinkel
Bei einem Stereokamerasystem mit der oben erläuterten Parallelitäts-Anordnung kann die Basis jedoch nicht beliebig groß gewählt werden, da bei einer zu großen Basis sich die durch den Einfallswinkel begrenzten Abschnitte im Objektbereich nur noch geringfügig oder gar nicht überlappen und somit der scharf abbildbare Abschnitt des Objektbereichs klein oder gar nicht mehr vorhanden ist.In the case of a stereo camera system with the parallelism arrangement explained above, however, the base cannot be selected to be arbitrarily large, since if the base is too large, the sections in the object area limited by the angle of incidence only overlap slightly or not at all, and thus the sharply mapped section of the object area small or nonexistent.
Nur ein Überlappbereich, also der Bereich des Objektes, der von beiden Sensoren zugleich erfasst wird, kann für eine Auswertung der dreidimensionalen Oberflächentopologie genutzt werden. Die Randbereiche dieses Überlappbereiches werden unter einem großen Öffnungswinkel des Objektivs
In
Bei einer solchen Scheimpflug-Kamera wird die Parallelitäts-Anordnung aufgehoben, indem die Objektivebene LP gegenüber der Sensorebene gekippt wird, so dass eine große Basis möglich ist, ohne dass der Objektbereich durch den limitieren Einfallswinkel beschränkt wird. Bei einer Scheimpflug-Kamera ist die sogenannte Scheimpflug-Bedingung erfüllt, gemäß der sich die Objektivebene, die Sensorebene und die Objektebene in einer gemeinsamen Schnittachse schneiden. Ein Scheimpflug-Winkel
Bei Stereokamerasystemen mit Scheimpflug-Bedingung hingegen kann ein breiterer Basis-Winkel gewählt werden als bei Stereokamerasystemen ohne Scheimpflug-Bedingung bei gleichbleibenden Objektiven und Bildqualität. Bei einer großen Basis kann durch die Schrägstellung der Objektive der Einfallswinkel verkleinert und damit optimiert werden. Somit sind auch Objektive mit einem kleinen Öffnungswinkel
Ein weiteres Problem bei Stereokamerasystemen ohne Scheimpflug-Bedingung ist die Rückreflexion. Durch die parallele Anordnung bei einem schmalen Basis-Winkel bildet das Objektiv nicht nur das Objekt auf dem Sensor, sondern auch den Sensor auf dem Objekt ab. Diese Abbildung des Objektivs kann durch Reflexion an einer sich spiegelnden Oberfläche des Objektes wieder zurück auf den Sensor abgebildet werden. Der Sensor nimmt somit sein eigenes Spiegelbild auf. Durch eine Verkippung, z.B. durch Scheimpflug, kann eine ein breiter Basis-Winkel gewählt werden, wodurch solche Rückreflexion vermieden wird. Auch wenn die Reflexion weiter bestehen bleibt, kann die Abbildung der Reflexion z.B. auch einen neutralen Hintergrund darstellen. Die Auswirkungen der Reflexion werden somit vermindert.Another problem with stereo camera systems without Scheimpflug condition is back reflection. Due to the parallel arrangement with a narrow base angle, the lens not only images the object on the sensor, but also the sensor on the object. This image of the lens can be imaged back onto the sensor by reflection on a reflective surface of the object. The sensor thus records its own mirror image. By tilting, e.g. by Scheimpflug, a broad base angle can be chosen, which avoids such back reflection. Even if the reflection continues, the image of the reflection can e.g. also represent a neutral background. The effects of reflection are thus reduced.
Oben werden die Vorteile von Stereokamerasystemen mit Scheimpflug-Bedingung erläutert. Jedoch treten bei Stereokamerasystemen mit Scheimpflug-Bedingung Effekte auf, die bei der Verwendung von Flächensensoren die Qualität der Stereoskopie negativ beeinflussen. Dies geht auf den sogenannten Keystone-Effekt zurück, der die Verzerrung der projizierten Sensorfläche beschreibt.The advantages of stereo camera systems with Scheimpflug condition are explained above. However, with stereo camera systems with Scheimpflug condition, effects occur which negatively influence the quality of the stereoscopy when using area sensors. This is due to the so-called keystone effect, which describes the distortion of the projected sensor surface.
Mit einem Flächensensor wird vom Objektbereich ein zweidimensionales Bild aufgenommen. Bei herkömmlichen Stereokamerasystemen ist eine Kante des Flächensensors parallel zur Basis angeordnet. Somit erstrecken sich auch die Hauptachsen des aufgenommenen zweidimensionalen Bildes entweder parallel zur Basis und quer zur Basis. Die Richtung parallel zur Basis wird im Folgenden als Basisrichtung und die Richtung quer zur Basis wird im Folgenden als Querrichtung bezeichnet.A two-dimensional image of the object area is recorded with an area sensor. In conventional stereo camera systems, one edge of the area sensor is parallel to the base arranged. The main axes of the recorded two-dimensional image thus also extend either parallel to the base and transversely to the base. The direction parallel to the base is hereinafter referred to as the base direction and the direction transverse to the base is hereinafter referred to as the transverse direction.
Bei der Abbildung des Objektbereichs durch ein Stereokamerasystemen findet eine Stauchung der Abbildung sowohl in Querrichtung als auch in Basisrichtung statt. Diese Stauchung wird dadurch verursacht, dass die einzelnen Punkte eines ebenflächigen Objektes unterschiedlich weit von der Sensorfläche beabstandet sind. Je weiter zwei Punkte von der Sensorfläche entfernt sind, desto kleiner wird der Abstand der Punkte abgebildet. Die Stauchung wird stärker je größer die Basis ist. In Querrichtung tritt eine Querstauchung und in Basisrichtung eine Basisstauchung auf.When the object area is imaged by a stereo camera system, the image is compressed both in the transverse direction and in the base direction. This compression is caused by the fact that the individual points of a flat object are spaced differently from the sensor surface. The further two points are away from the sensor surface, the smaller the distance between the points is mapped. The compression becomes stronger the larger the base is. A transverse compression occurs in the transverse direction and a base compression occurs in the base direction.
Zum Beispiel wird ein quadratischer Objektbereich bei möglichst kleiner Basis und zentraler Anordnung der Kamerasysteme nahezu verzerrungsfrei abgebildet. Bei einer großen Basis bildet die Abbildung des Quadrates jedoch die Form eines Trapezes oder Schlüsselsteins (engl. Keystone). Der Abstand der weiter entfernt liegenden Ecken zueinander wird kleiner abgebildet als der Abstand der näher zum Objektiv liegenden Ecken zueinander.For example, a square object area with the smallest possible base and a central arrangement of the camera systems is mapped almost distortion-free. With a large base, however, the image of the square forms the shape of a trapezoid or keystone. The distance between the corners that are further away from one another is shown smaller than the distance between the corners that are closer to the objective.
Der Effekt tritt bei Stereokamerasystemen sowohl mit als auch ohne Scheimpflug-Bedingung auf. Bei denen ohne Scheimpflug-Bedingung ist durch die Beschränktheit der Basis dieser Effekt ebenfalls beschränkt. Da Stereokamerasysteme mit Scheimpflug-Bedingung eine besonders große Basis aufweisen können, tritt hier der Effekt besonders stark hervor.The effect occurs with stereo camera systems both with and without Scheimpflug condition. In the case of those without Scheimpflug condition, this effect is also limited by the limitation of the basis. Since stereo camera systems with Scheimpflug condition can have a particularly large base, the effect is particularly pronounced here.
Der Keystone-Effekt sorgt für einen Verlust von Auflösungsvermögen. Das Auflösungsvermögen ist der minimale Abstand, den zwei punktförmige Objekte haben müssen, damit sie als getrennte Objekte wahrgenommen werden können. Durch die Stauchung werden zwei Punkte, die weiter von der Sensorfläche entfernt sind, näher beieinander abgebildet. Diese Punkte können ab einer bestimmten Entfernung zum Objektiv nicht mehr als getrennt wahrgenommen werden. Das Auflösungsvermögen parallel zur Basis wird im Folgenden als Basis-Auflösungsvermögen und das Auflösungsvermögen quer zur Basis wird im Folgenden als Quer-Auflösungsvermögen bezeichnet.The keystone effect causes a loss of resolution. The resolving power is the minimum distance that two point objects must have so that they can be perceived as separate objects. Due to the compression, two points that are further away from the sensor surface are mapped closer together. From a certain distance from the lens, these points can no longer be perceived as separate. The resolving power parallel to the base is hereinafter referred to as the basic resolving power and the resolving power across the base is hereinafter referred to as the transverse resolving power.
Des Weiteren erhöht der Keystone-Effekt den Rechenaufwand. Um die Abbildungen für eine Auswertung der dreidimensionalen Oberflächentopologie zu nutzen, müssen sowohl die Basis- als auch die Querstauchung durch Rektifizierung aus den Bilddaten heraus berechnet werden. Die Rektifizierung ist ein Verfahren zur Eliminierung von geometrischen Verzerrungen in Bilddaten, die zum Beispiel durch zentral perspektivische Aufnahmen entstehen können. Durch die Rektifizierung werden die einzelnen Bildpunkte derart verschoben, dass bei einer Überlagerung der Bildpunkte der beiden Sensoren die gleiche Position am Objekt dargestellt wird. Des Weiteren wird die Verzeichnung korrigiert, damit die berechnete Disparität linear abhängig zum Höhenprofil des Objektes ist.Furthermore, the keystone effect increases the computational effort. In order to use the images for an evaluation of the three-dimensional surface topology, both the base and the transverse compression must be calculated from the image data by rectification. Rectification is a process for eliminating geometric distortions in image data that can arise, for example, from central perspective recordings. The rectification shifts the individual pixels in such a way that when the pixels of the two sensors are superimposed, the same position is displayed on the object. Furthermore, the distortion is corrected so that the calculated disparity is linearly dependent on the height profile of the object.
Bei der Stereoskopie wird jedem Punkt einer Abbildung eines Kameramoduls ein Punkt einer Abbildung des zweiten Kameramoduls zugeordnet. Ein rechteckiger Sensor erfasst bei einer Schrägstellung des Sensors gegenüber dem Objekt aufgrund des Keystone-Effekts ein Trapez T1 der Objektfläche (
Hierbei ist nachteilig, dass ein Teil der erfassten Information aus den nicht überlappenden Bereichen verloren geht. Nur der Überlappungsbereich kann zur Auswertung der dreidimensionalen Oberflächentopologie genutzt werden.The disadvantage here is that part of the information recorded is lost from the non-overlapping areas. Only the overlap area can be used to evaluate the three-dimensional surface topology.
Des Weiteren muss der Öffnungswinkel des Objektivs so groß sein, dass der Überlappungsbereich vollständig erfasst wird. Dies ist gegeben, wenn eine Diagonale D des sechseckförmigen Überlappungsbereichs vom Objektiv erfasst wird.Furthermore, the opening angle of the lens must be large enough that the overlap area is completely covered. This is the case when a diagonal D of the hexagonal overlap area is captured by the objective.
Aus der DE 10 2015 11 11 20 A1 geht ein Verfahren zum Abtasten von Oberflächen mit einer Stereokamera mit zumindest zwei Kameramodulen hervor. Die Kameramodule sind derart angeordnet, dass sie von einem gemeinsamen Bereich einer abzutastenden Oberfläche jeweils ein Bild erfassen. Die Kameramodule können eine Zeilenkamera mit mehreren unterschiedlichen Sensorzeilen aufweisen. Mit einer jeden Sensorzeile wird ein separates Zeilenbild erfasst. Die einzelnen Zeilenbilder werden mittels einer geometrischen Abbildung überlagert.A method for scanning surfaces with a stereo camera with at least two camera modules emerges from
Stereokamerasysteme mit Zeilensensoren und Parallelitäts-Anordnung weisen die gleiche Problematik auf wie Stereokamerasysteme mit Flächensensoren und Parallelitäts-Anordnung. Wie oben beschrieben, kann die Basis nicht beliebig groß gewählt werden, da bei einer zu großen Basis sich die durch den Einfallswinkel begrenzten Abschnitte im Objektbereich nur noch geringfügig oder gar nicht überlappen und somit der scharf abbildbare Abschnitt des Objektbereichs klein oder gar nicht mehr vorhanden ist.Stereo camera systems with line sensors and a parallelism arrangement have the same problems as stereo camera systems with area sensors and a parallelism arrangement. As described above, the base cannot be chosen to be arbitrarily large, since if the base is too large, the sections in the object area limited by the angle of incidence only overlap slightly or not at all and the sharply mapped section of the object area is therefore small or no longer present .
Prinzipiell sind Stereokamerasysteme denkbar, die weder die Scheimpflug-Bedingung noch die Parallelitäts-Anordnung erfüllen. So könnte nur die Objektebene OP und die Sensorebene SP parallel zueinander sein, während die Objektivebene LP derart zu den anderen beiden Ebenen verkippt ist, dass der Objektbereich nicht durch den limitieren Einfallswinkel beschränkt wird. Eine Abbildungsebene, welche der Ebene entspricht, auf der das Objektiv die Objektebenen scharf abbildet, ist schräg zur Objektebene oder Objektachse angeordnet. Nur im Schnittbereich der Abbildungsebene und der Sensorebene wird der Objektbereich scharf auf dem Kamerasensor abgebildet (
Für eine Abbildung der dreidimensionalen Oberflächentopologie ist eine scharfe Abbildung jedoch sehr wichtig. Ebenso ist es erstrebenswert, die vollständige Fläche eines Sensors zu nutzen.However, a sharp image is very important for an image of the three-dimensional surface topology. It is also desirable to use the entire surface of a sensor.
Im Folgenden sind mit Stereokamerasystemen ohne Scheimpflug-Bedingung Stereokamerasysteme gemeint, die die Parallelitäts-Anordnung aufweisen.In the following, stereo camera systems without Scheimpflug condition are understood to mean stereo camera systems which have the parallelism arrangement.
Aus „Zeilenkameras zur Inspektion der Dichtflächen einer O-Ring-Nut“, Photonik 5/2012 ist ein System bekannt, bei dem drei Zeilenkameras parallel betrieben werden, um jeweils eine Seite einer Nut abzubilden. Die Seitenwände der Nut werden durch Zeilenkameras mit Scheimpflug-Bedingung abgebildet.A system is known from “Line cameras for the inspection of the sealing surfaces of an O-ring groove”,
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stereokamerasystem zu schaffen, mit welchem auf einfache Art und Weise eine gute räumliche Auflösung über einen großen Abtastbereich bewirkt wird.The invention is based on the object of creating a stereo camera system with which a good spatial resolution is achieved over a large scanning area in a simple manner.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Stereokamerasystem zu schaffen, welches eine zuverlässige Abtastung von räumlichen Gegenständen erlaubt.Another object of the invention is to create a stereo camera system which allows three-dimensional objects to be reliably scanned.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Stereokamerasystems, mit welchem auf einfache Art und Weise ein großer Bildbereich erfasst werden kann.Another object of the invention is to create a stereo camera system with which a large image area can be captured in a simple manner.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Stereokamerasystem zu schaffen, das kompakt gebaut ist.An additional object of the invention is to provide a stereo camera system that is compact.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Stereokamerasystem zu schaffen, das verschiedene Gegenstandsebenen gut abbildet.Another object of the invention is to create a stereo camera system that images various object planes well.
Eine oder mehrere Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.One or more objects are achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous developments and preferred embodiments form the subject of the subclaims.
Ein erfindungsgemäßes Stereokamerasystem zur Messung von dreidimensionalen Oberflächentopologien eines Objektes weist zumindest zwei zeilenförmige Sensorbereiche und zumindest ein Objektiv zum Abbilden eines Objektes auf die Sensorbereiche auf. Das Objektiv ist derart angeordnet, dass ein Objektbereich auf zwei unabhängige Strahlengänge jeweils auf einem Sensorbereich abgebildet wird. Das Stereokamerasystem zeichnet sich dadurch aus, dass entlang zumindest einem der Strahlengänge die Scheimpflug-Bedingung erfüllt ist.A stereo camera system according to the invention for measuring three-dimensional surface topologies of an object has at least two line-shaped sensor areas and at least one lens for imaging an object onto the sensor areas. The objective is arranged in such a way that an object area is mapped onto two independent beam paths, each on a sensor area. The stereo camera system is characterized in that the Scheimpflug condition is fulfilled along at least one of the beam paths.
Wie bereits erläutert, kann ein Stereokamerasystem mit Berücksichtigung der Scheimpflug-Bedingung eine größere Basis aufweisen als bei einem Stereokamerasystem mit Parallelitäts-Anordnung ohne dass die Abbildungen durch das Objektiv verzeichnet werden. Durch die größere Basis wird die Auflösung der dreidimensionalen Oberflächentopologie größer.As already explained, a stereo camera system taking into account the Scheimpflug condition can have a larger base than a stereo camera system with a parallel arrangement without the images being recorded by the lens. The larger base increases the resolution of the three-dimensional surface topology.
Ein solches Stereokamerasystem kann dazu eingesetzt werden, um einen Objektbereich quer zur Zeilenrichtung zeilenweise abzutasten, wobei das Stereokamerasystem relativ zum Objekt bewegt wird. Die Richtung parallel zu den Zeilensensoren wird als Zeilenrichtung und die Richtung quer zu den Zeilensensoren als Scanrichtung bezeichnet. Der Abstand zweier Punkte, die in Scanrichtung zueinander liegen, wird unabhängig des Keystone-Effekts und der Position entlang der Zeilenrichtung mit dem gleichen Auflösungsvermögen aufgenommen. Die Abbildung wird dadurch entlang der Scanrichtung nicht gestaucht. Dies erhöht das Auflösungsvermögen entlang der Scanrichtung.Such a stereo camera system can be used to scan an object area line-by-line transversely to the line direction, the stereo camera system being moved relative to the object. The direction parallel to the line sensors is referred to as the line direction and the direction transverse to the line sensors is referred to as the scanning direction. The distance between two points that are located in the scanning direction is recorded with the same resolution regardless of the keystone effect and the position along the line direction. The image is not compressed along the scanning direction. This increases the resolution along the scanning direction.
Ebenfalls wird eine Trapezbildung unterbunden. Beide Zeilensensoren können mit der gesamten Sensorzeile den gleichen Bereich umfassen. Es gehen somit keine Informationen verloren. Der Überlappungsbereich von Zeilensensoren wird im Folgenden Überlappungszeile genannt.Trapezoidal formation is also prevented. Both line sensors can work with the entire Sensor line cover the same area. No information is lost. The overlap area of line sensors is called the overlap line in the following.
Bei einem Zeilensensor muss der Öffnungswinkel der Objektive lediglich die Überlappungszeile umfassen. Die Überlappungszeile ist bei gleicher Sensorlänge kleiner als die Diagonale des Überlappungsbereichs zweier Flächensensoren, der, wie oben beschrieben, eine sechseckige Form bildet. Dadurch ist der benötigte Öffnungswinkel bei einem Stereokamerasystem mit Scheimpflug-Bedingung und Flächensensoren größer als bei einem Stereokamerasystem mit Scheimpflug-Bedingung und Zeilensensoren. Bei einem Stereokamerasystem mit Scheimpflug-Bedingung und Zeilensensoren kommt es dadurch zu einer geringeren Verzeichnung als bei einem Stereokamerasystem mit Scheimpflug-Bedingung und Flächensensoren.In the case of a line sensor, the opening angle of the lenses only needs to encompass the overlapping line. With the same sensor length, the overlap line is smaller than the diagonal of the overlap area of two area sensors, which, as described above, forms a hexagonal shape. As a result, the opening angle required for a stereo camera system with Scheimpflug condition and area sensors is greater than with a stereo camera system with Scheimpflug condition and line sensors. In the case of a stereo camera system with Scheimpflug condition and line sensors, this results in less distortion than in the case of a stereo camera system with Scheimpflug condition and area sensors.
Durch die Reduzierung der Stauchung verringert sich auch die benötigte Rektifizierung. Dies reduziert den Rechenaufwand und die Bilddaten stehen somit schneller zur Verfügung.By reducing the compression, the required rectification is also reduced. This reduces the computational effort and the image data is thus available more quickly.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass durch die Verwendung von Stereokamerasystemen mit Scheimpflug-Bedingung die Basis groß gewählt werden kann, ohne dass hierdurch Verzeichnungen wie bei Stereokamerasystemen ohne Scheimpflug-Bedingungen auftreten. Eine große Basis erlaubt eine präzise Höhenauflösung. Die Scheimpflug-Bedingung erlaubt bei guter Bildqualität kleine Öffnungswinkel der Objektive. Die Scheimpflug-Bedingung sorgt jedoch bei Flächensensoren durch den Keystone-Effekt für unerwünschte Verzerrungen in beide Richtungen. Bei Verwendung von Zeilensensoren treten die Verzerrungen nur in einer Richtung auf, wodurch die Qualität des Bildes höher ist. Außerdem ist der benötigte Öffnungswinkel der Objektive bei Zeilensensoren geringer als bei Flächensensoren, da die projizierte Breite des Zeilensensors kleiner ist, als die projizierte Diagonale der Flächensensoren. Zudem können im Gegensatz zu Flächensensoren alle Bildpunkte des Sensors genutzt werden.In summary, it can be stated that by using stereo camera systems with Scheimpflug conditions, the basis can be selected to be large without distortions occurring as a result, as is the case with stereo camera systems without Scheimpflug conditions. A large base allows precise height resolution. The Scheimpflug condition allows small opening angles of the lenses with good image quality. However, the Scheimpflug condition causes unwanted distortions in both directions in area sensors due to the keystone effect. When using line sensors, the distortion only occurs in one direction, which means that the quality of the image is higher. In addition, the required opening angle of the lenses is smaller with line sensors than with area sensors, since the projected width of the line sensor is smaller than the projected diagonal of the area sensors. In addition, in contrast to area sensors, all image points of the sensor can be used.
Daher kann mit einem Stereokamerasystem, das der Scheimpflug-Bedingung genügt und Zeilensensoren aufweist, mit vergleichsweise einfachen Mitteln Abbildungen erzeugt werden, die eine hohe Höhenauflösung ermöglichen.Therefore, with a stereo camera system that satisfies the Scheimpflug condition and has line sensors, images can be generated with comparatively simple means that enable a high height resolution.
Vorzugsweise ist entlang aller Strahlengänge die Scheimpflug-Bedingung erfüllt. Grundsätzlich können die Strahlengänge unterschiedliche Anordnungen der Sensorbereiche und Objektive aufweisen. Dadurch, dass alle Strahlengänge die Scheimpflug-Bedingung erfüllen, kann eine größere Basis als bei Stereokamerasystemen, in der nur ein Strahlengang die Scheimpflug-Bedingung erfüllt, gewählt werden.The Scheimpflug condition is preferably fulfilled along all beam paths. In principle, the beam paths can have different arrangements of the sensor areas and lenses. Because all beam paths meet the Scheimpflug condition, a larger base can be selected than with stereo camera systems in which only one beam path fulfills the Scheimpflug condition.
Vorzugsweise sind die Strahlengänge spiegelsymmetrisch angeordnet. Durch die spiegelsymmetrische Anordnung wird eine Justierung des Kamerasystems vereinfacht. Asymmetrien fallen bei der Justage leicht auf und können korrigiert werden. Auch die Auswertung der Bilddaten ist dadurch vereinfacht, da jeder Sensor gleichweit vom Objektbereich entfernt ist. Somit sind auch die aufgenommenen Bildpunkte gleichweit versetzt.The beam paths are preferably arranged mirror-symmetrically. Adjustment of the camera system is simplified by the mirror-symmetrical arrangement. Asymmetries are easily noticed during the adjustment and can be corrected. The evaluation of the image data is also simplified because each sensor is equidistant from the object area. The recorded pixels are thus also offset by the same distance.
Vorzugsweise werden ein oder mehrere der Strahlengänge mit zumindest einem Spiegel gelenkt. Dadurch können die Strahlengänge durch Spiegel gefaltet werden. Das Bild des Messobjektes wird ein- oder mehrfach von Spiegeln reflektiert, wodurch die Länge des Strahlenganges erhalten bleibt. Jedoch ist das Volumen, das von der Anordnung der optischen Linsen eingenommen wird, zum Teil erheblich reduziert. Insbesondere kann eine große Basis des Stereokamerasystems gewählt werden und dennoch bleiben die beiden Sensorhälften dicht beieinander. Dadurch sind kompaktere Bauformen möglich als bei Aufbauten ohne Strahlgangfaltung.One or more of the beam paths are preferably directed with at least one mirror. This allows the beam paths to be folded by mirrors. The image of the measurement object is reflected one or more times by mirrors, whereby the length of the beam path is retained. However, the volume that is taken up by the arrangement of the optical lenses is in some cases considerably reduced. In particular, a large base for the stereo camera system can be selected and yet the two sensor halves remain close to one another. This means that more compact designs are possible than with structures without beam path folding.
Bei einer Faltung des Strahlenganges kann unterschieden werden zwischen einer objektseitigen Faltung, bei der die Spiegel, die den Strahlengang falten, zwischen Objektiv und Objekt angeordnet sind, einer sensorseitigen Faltung, bei der die Spiegel, die den Strahlengang falten, zwischen Objektiv und Sensor angeordnet sind, und einer beidseitigen Faltung, bei der die Spiegel, die den Strahlengang falten, sowohl zwischen Objektiv und Objekt als auch zwischen Objektiv und Sensor angeordnet sind. Bei der objektseitigen Faltung kann der Arbeitsabstand, der Abstand zwischen Objektiv und Objekt, reduziert werden.When the beam path is folded, a distinction can be made between a fold on the object side, in which the mirrors that fold the beam path are arranged between the objective and the object, and a sensor-side fold in which the mirrors that fold the beam path are arranged between the lens and the sensor , and a double-sided folding in which the mirrors that fold the beam path are arranged both between the objective and the object and between the objective and the sensor. With object-side folding, the working distance, the distance between the lens and the object, can be reduced.
Die Strahlengänge werden vorzugsweise auf jeweils einen separaten Teil eines einzigen Sensors projiziert. Diese Teile bilden jeweils einen Sensorbereich einer der zumindest zwei Kameramodule. Der Sensor kann in mehrere Sensorbereiche unterteilt sein, denen jeweils ein Strahlengang zugeordnet ist. Beispielsweise ist bei Stereokamerasystem mit zwei Strahlengängen der Sensor in zwei Bereiche unterteilt. Weist das Stereokamerasystem drei Strahlengänge auf, so ist der Sensor dreigeteilt. Dies erhöht auch die Systemstabilität. Zusätzlich ermöglicht es eine kompakte Bauweise mit einfacher Justage.The beam paths are preferably projected onto a separate part of a single sensor. These parts each form a sensor area of one of the at least two camera modules. The sensor can be divided into several sensor areas, each of which is assigned a beam path. For example, in a stereo camera system with two beam paths, the sensor is divided into two areas. If the stereo camera system has three beam paths, the sensor is divided into three parts. This also increases the system stability. In addition, it enables a compact design with simple adjustment.
Alternativ kann die Kamera derart ausgebildet sein, dass die Strahlengänge auf jeweils einen separaten Sensors projiziert werden und dass ein Spiegel je Strahlengang vorgesehen ist und der Strahlengang in Scheimpflug-Anordnung konfiguriert ist. Diese Bauweise ermöglicht eine kompakte Form mit größerer Sensorfläche als bei einem einzelnen Sensor. Dadurch wird die Auflösung erhöht.Alternatively, the camera can be designed in such a way that the beam paths are each projected onto a separate sensor and that a mirror is provided for each beam path and the beam path is configured in a Scheimpflug arrangement. This design allows a compact shape with larger sensor area than with a single sensor. This increases the resolution.
Eine weitere Alternative zeichnet sich dadurch aus, dass die Strahlengänge auf jeweils einen separaten Sensor projiziert werden und dass zwei Spiegel je Strahlengang vorgesehen sind und der Strahlengang in Scheimpflug-Anordnung konfiguriert ist. Diese Bauweise ermöglicht eine kompakte Form.Another alternative is characterized in that the beam paths are each projected onto a separate sensor and that two mirrors are provided for each beam path and the beam path is configured in a Scheimpflug arrangement. This construction enables a compact shape.
Vorzugsweise sind die zeilenförmigen Sensorbereiche nebeneinander auf einer Linie angeordnet, die jeweils durch einen Zeilensensor dargestellt werden. Durch diese Linienanordnung kann die Justage vereinfacht werden, da die zeilenförmigen Sensorbereiche auf einem gemeinsamen Träger befestigt werden können. Zum Beispiel bei einer Verkippung des Trägers müssen die Sensorbereiche nicht neu zueinander ausgerichtet werden.The line-shaped sensor areas are preferably arranged next to one another on a line, each of which is represented by a line sensor. This line arrangement can simplify the adjustment, since the line-shaped sensor areas can be attached to a common carrier. For example, if the carrier is tilted, the sensor areas do not have to be realigned to one another.
Bei stereoskopischen Verfahren ist es zweckmäßig, wenn der Versatz nur in eine Richtung erfolgt. Das bedeutet, dass die Sensoren parallel oder senkrecht zu einer Sensorachse angeordnet sind. Dies wird durch die Linienanordnung unterstützt.In the case of stereoscopic methods, it is useful if the offset takes place in only one direction. This means that the sensors are arranged parallel or perpendicular to a sensor axis. This is supported by the line arrangement.
Gemäß einer weiteren Abwandlung können die zeilenförmigen Sensorbereiche parallel nebeneinander angeordnet sein. Auch hier ist der Versatz der beiden Strahlengänge nur in eine Richtung erfolgt.According to a further modification, the line-shaped sensor areas can be arranged parallel to one another. Here, too, the two beam paths are only offset in one direction.
Es ist möglich, dass die zeilenförmigen Sensorbereiche Bildpunkt-Zeilen eines Flächensensors sind. Ein bestehendes Stereozeilenkamerasystem kann so einfach nachgerüstet werden.It is possible for the line-shaped sensor areas to be pixel lines of an area sensor. An existing stereo line camera system can be easily retrofitted.
Für alle Strahlengänge kann ein gemeinsames Objektiv vorgesehen sein. Dadurch können besonders kompakte Stereozeilenkamerasysteme realisiert werden. Durch die Verringerung der Objektivanzahl können auch die Kosten gering gehalten werden.A common objective can be provided for all beam paths. In this way, particularly compact stereo line camera systems can be implemented. By reducing the number of lenses, costs can also be kept low.
Die Strahlengänge können unterschiedliche Abstände zwischen der Objektebene und der Sensorebene aufweisen. Hierbei kann es zweckmäßig sein, den optischen Weg aufgrund der unterschiedlichen Abstände mittels eines oder mehrerer Glaselemente, welches/welche in den jeweiligen kürzeren Strahlengängen angeordnet ist/sind, auszugleichen.The beam paths can have different distances between the object plane and the sensor plane. In this case, it can be expedient to compensate for the optical path due to the different distances by means of one or more glass elements which is / are arranged in the respective shorter beam paths.
Durch das Glaselement wird die Geschwindigkeit des Lichtes innerhalb des Glaselements abgebremst. Das Licht benötigt dadurch eine längere Zeit zum Sensor. Dies hat dadurch den gleichen Effekt wie eine optische Wegverlängerung. Unterschiedliche Abstände können somit ausgeglichen werden.The speed of the light inside the glass element is slowed down by the glass element. This means that the light needs a longer time to reach the sensor. This has the same effect as an optical path extension. Different distances can thus be compensated.
Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt, umfasst ein Stereozeilenkamerasystem zur Messung von dreidimensionalen Oberflächentopologien zumindest einen Farbsensor, wobei der Farbsensor mehrere Bildpunkte aufweist, die auf unterschiedliche Farben empfindlich sind, und zumindest ein hyperchromatisches Objektiv zum Abbilden des Objektes auf den Sensor vorgesehen ist. Der Farbsensor ist zum Objektiv derart angeordnet, dass unterschiedliche Fokusebenen jeweils auf die Bildpunkte der gleichen Farbe abgebildet werden.According to a further aspect of the invention, a stereo line camera system for measuring three-dimensional surface topologies comprises at least one color sensor, the color sensor having several pixels that are sensitive to different colors, and at least one hyperchromatic lens is provided for imaging the object on the sensor. The color sensor is arranged in relation to the lens in such a way that different focal planes are mapped onto the pixels of the same color.
Bei hyperchromatischen Objektiven ist der Fokus wellenlängenabhängig. Jede Farb-Zeile des Sensors ist somit einer anderen Fokusebene zugeordnet.With hyperchromatic objectives, the focus depends on the wavelength. Each color line of the sensor is thus assigned to a different focal plane.
Dies kann zur Messung von dreidimensionalen Oberflächentopologien genutzt werden. Jede unterschiedliche Höhe des Objektbereichs weist eine andere Fokusebene auf. Dadurch wird jede der Höhen in einem bestimmten Farbbereich scharf auf dem Sensor abgebildet. Die Auflösung der Höhe entspricht hierbei die der Farbauflösung. Dieses Verfahren wird im Folgenden hyperchromatische Tiefenbestimmung genannt. Sie ist besonders geeignet, kleine Höhenunterschiede wahrzunehmen.This can be used to measure three-dimensional surface topologies. Each different height of the object area has a different focal plane. This means that each of the heights is sharply mapped on the sensor in a specific color range. The resolution of the height corresponds to that of the color resolution. This procedure is referred to below as hyperchromatic depth determination. It is particularly suitable for perceiving small differences in height.
Vorzugsweise wird die hyperchromatische Tiefenbestimmung zusammen mit dem stereoskopischen Verfahren mit der Scheimpflug-Bedingung angewandt. Mit der hyperchromatischen Tiefenbestimmung werden feine Höhenunterschiede erfasst, wohingegen mit dem stereoskopischen Verfahren über einen größeren Bereich Höhenunterschiede detektiert werden.The hyperchromatic depth determination is preferably used together with the stereoscopic method with the Scheimpflug condition. With the hyperchromatic depth determination fine height differences are recorded, whereas with the stereoscopic method height differences are detected over a larger area.
Vorzugsweise werden die Farb-Zeilen in Bezug zum Objektiv verkippt. Die Verkippung erfolgt um eine Achse, die parallel zu den einzelnen Farb-Zeilen ist. Entlang einer Zeile bleibt die Scheimpflug-Bedingung erhalten. Durch diese Verkippung ändert sich der Abstand einer Farb-Zeile zum Objektiv, wodurch sich auch die Fokusebene verschiebt. Effektiv kann dadurch der maximale Höhenunterschied, der durch die hyperchromatische Tiefenbestimmung messbar ist, variiert werden.The color lines are preferably tilted in relation to the lens. The tilting takes place around an axis that is parallel to the individual color lines. The Scheimpflug condition is retained along a line. This tilting changes the distance between a color line and the lens, which also shifts the focal plane. In this way, the maximum height difference that can be measured by the hyperchromatic depth determination can be effectively varied.
Vorzugsweise werden die Farbkanäle des Farbsensors separat ausgewertet. Dadurch können die unterschiedlichen Fokusebenen separat berechnet werden.The color channels of the color sensor are preferably evaluated separately. This allows the different focus levels to be calculated separately.
Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt, umfasst eine Stereozeilenkamera zur Messung von dreidimensionalen Oberflächentopologien zumindest zwei Flächensensoren, wobei die Flächensensoren derart ausgebildet sind, dass sie mehrere parallele nebeneinander angeordnete Bildpunkt-Zeilen aufweisen, und zumindest zwei Objektive zum Abbilden des Objektes auf jeweils einem der Flächensensoren. Die Stereozeilenkamera zeichnet sich dadurch aus, dass ein Objektbereich mit zwei unabhängigen Strahlengängen jeweils gleichzeitig auf einem der Sensoren abgebildet wird, so dass ein zeilenförmiger Objektbereich auf die Bildpunktzeilen eines Flächensensors abgebildet wird, wobei in der Zeilen-Ebene der Strahlengänge, die den zeilenförmigen Objektbereich schneidet, die Scheimpflug-Bedingung erfüllt ist, und dass der Flächensensor um eine Achse derart gekippt ist, dass die Fläche nicht parallel zu einem abzutastenden Objektbereich ist, so dass die einzelnen Zeilen des Flächensensors unterschiedliche Ebenen des zeilenförmigen Objektbereiches abbilden.According to a further aspect of the invention, a stereo line camera for measuring three-dimensional surface topologies comprises at least two area sensors, the area sensors being designed in such a way that they have several parallel rows of pixels arranged next to one another, and at least two lenses for Imaging of the object on one of the area sensors. The stereo line camera is characterized by the fact that an object area with two independent beam paths is imaged simultaneously on one of the sensors so that a line-shaped object area is imaged on the pixel lines of an area sensor, with the beam paths that intersect the line-shaped object area in the line plane , the Scheimpflug condition is met, and that the area sensor is tilted about an axis in such a way that the area is not parallel to an object area to be scanned, so that the individual lines of the area sensor map different levels of the line-shaped object area.
Durch die Verkippung weist jede Bildpunkt-Zeile einen anderen Abstand zum Objektiv auf. Entlang einer Zeile bleibt die Scheimpflug-Bedingung erhalten. Jede Zeile weist somit eine eigene Fokusebene auf. Jede unterschiedliche Höhe des Objektbereichs wird somit auf einer anderen Bildpunkt-Zeile scharf abgebildet. Die Auflösung der Höhe entspricht hierbei der Zeilenauflösung. Dieses Verfahren wird im Folgenden inklinationelle Tiefenbestimmung genannt (lat.: inclinatio = Neigung).As a result of the tilting, each line of image points has a different distance from the lens. The Scheimpflug condition is retained along a line. Each line thus has its own focus level. Each different height of the object area is thus sharply imaged on a different pixel line. The resolution of the height corresponds to the line resolution. This method is referred to below as inclinational depth determination (Latin: inclinatio = inclination).
Der maximale Höhenunterschied, der durch die inklinationelle Tiefenbestimmung messbar ist, kann durch eine Änderung der Verkippung variiert werden.The maximum difference in height that can be measured by the inclination depth determination can be varied by changing the tilt.
Die Auflösung der Höhe kann bei der Kombination von der inklinationellen Tiefenbestimmung mit dem stereoskopischen Verfahren mit Scheimpflug Bedingung verbessert werden. Die Höhe wird nun mit zwei unterschiedlichen Methoden erfasst, wodurch eine Messabweichung reduziert wird.The resolution of the altitude can be improved by combining the inclination depth determination with the stereoscopic method with Scheimpflug condition. The height is now recorded using two different methods, which reduces a measurement error.
Vorzugsweise sind die Sensoren Farbsensoren und das Objektiv ein hyperchromatisches Objektiv. Dadurch können die einzelnen Fokusebenen, die durch die Verkippung des Flächensensors entstehen, nochmals unterteilt werden, wodurch eine feinere Auflösung der Fokusebenen entsteht.The sensors are preferably color sensors and the objective is a hyperchromatic objective. As a result, the individual focal planes that arise from the tilting of the area sensor can be subdivided again, which results in a finer resolution of the focal planes.
Vorzugsweise werden die Bilddaten In-line rektifiziert. Hierbei werden die Bilddaten der Bilder des Stereobildpaares zeilenweise in Übereinstimmung gebracht, wobei sowohl ein Versatz als auch eine unterschiedliche Verzeichnung durch die beiden Objektive korrigiert wird. Durch diese Rektifizierung, welche auch off-line möglich ist, sind die Positionsangaben der jeweiligen Verzerrung angepasst, wodurch die Bilddaten verzerrungsfrei dargestellt sind und weiterberechnet werden können. Da ein weiterer Konvertierungsschritt der Positionsangaben nicht nötig ist, erhöht sich die Geschwindigkeit der Berechnungen.The image data are preferably rectified in-line. Here, the image data of the images of the stereo image pair are matched line by line, with both an offset and a different distortion being corrected by the two lenses. Through this rectification, which is also possible off-line, the position information is adapted to the respective distortion, so that the image data are displayed without distortion and can be further calculated. Since a further conversion step of the position information is not necessary, the speed of the calculations increases.
Zeilensensoren mit charge-coupled device (CCD)-Sensoren weisen Schieberegister auf, in welchen detektierte Helligkeitswerte abgespeichert werden. Diese Schieberegister werden seriell ausgelesen. Im Allgemeinen werden beim Auslesen des Schieberegisters der einzelnen Zeilen den jeweiligen Bildpunkten gleichmäßige Positionsangaben zugeordnet.Line sensors with charge-coupled device (CCD) sensors have shift registers in which detected brightness values are stored. These shift registers are read out serially. In general, when reading out the shift register of the individual lines, uniform position information is assigned to the respective image points.
Vorzugsweise werden die Bildpunkt-Zeilen von Sensoren sich derart synchronisieren, dass sie zeilensynchron aufnehmen und einen gleichzeitigen Bildstart haben. Hierdurch wird der Aufwand bei der Rektifizierung deutlich reduziert. Insbesondere in Kombination mit der Rektifizierung wird dadurch einem aufgenommenen Bildpunkt eines Kameramoduls zur gleichen Zeit der gleiche Punkt am Objekt zugeordnet wie ein zweiter aufgenommener Bildpunkt des zweiten Kameramoduls. Dies hat den Vorteil, dass bei der Stereoberechnung jeder Zeile eines Sensorbereiches schon automatisch die passende Zeile des zweiten Sensorbereiches zugeordnet ist. Dadurch ist die Stereoberechnung nur in einer Dimension notwendig.The pixel lines of sensors are preferably synchronized in such a way that they record line-synchronously and have a simultaneous image start. This significantly reduces the effort involved in rectification. In particular in combination with the rectification, a recorded image point of a camera module is assigned the same point on the object at the same time as a second recorded image point of the second camera module. This has the advantage that, during the stereo calculation, each line of a sensor area is automatically assigned the appropriate line of the second sensor area. This means that the stereo calculation is only necessary in one dimension.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Oberflächentopologie-Erfassungseinrichtung. Die Oberflächentopologie-Erfassungseinrichtung weist zumindest ein Stereokamerasystem, wie es zuvor erläutert ist, um dreidimensionale Oberflächentopologien eines Messobjektes zu erfassen, auf. Die Oberflächentopologie-Erfassungseinrichtung umfasst eine Transporteinrichtung zum Transport des Messobjektes oder des Kamerasystems, eine Synchronisierungseinrichtung, um die Geschwindigkeit des Transportes mit den zeilenförmigen Abtastungen der dreidimensionalen Oberflächentopologie zu synchronisieren, und eine Auswerteeinrichtung, um die Messungen der dreidimensionalen Oberflächentopologie auszuwerten.Another aspect of the present invention relates to a surface topology acquisition device. The surface topology detection device has at least one stereo camera system, as explained above, in order to detect three-dimensional surface topologies of a measurement object. The surface topology detection device comprises a transport device for transporting the measurement object or the camera system, a synchronization device in order to synchronize the speed of the transport with the line-shaped scans of the three-dimensional surface topology, and an evaluation device in order to evaluate the measurements of the three-dimensional surface topology.
Eine Transporteinrichtung kann beispielsweise ein Förderband sein.A transport device can for example be a conveyor belt.
Die Synchronisierungseinrichtung gibt ein Signal an das Stereokamerasystem und/oder an die Auswerteeinheit aus, um die Geschwindigkeit des Transportes mit der Messung der dreidimensionalen Oberflächentopologie zu synchronisieren. Geht das Signal an das Stereokamerasystem kann das Signal eine Messung triggern. Gelangt das Signal an die Auswerteeinheit, kann die Geschwindigkeit der Transporteinrichtung bestimmt werden. Bei bekannter Bilderzeugungsfrequenz kann dadurch bestimmt werden, wie weit eine Bildzeile von der nächsten entfernt ist.The synchronization device outputs a signal to the stereo camera system and / or to the evaluation unit in order to synchronize the speed of the transport with the measurement of the three-dimensional surface topology. If the signal goes to the stereo camera system, the signal can trigger a measurement. If the signal reaches the evaluation unit, the speed of the transport device can be determined. With a known image generation frequency, it can be determined how far one image line is from the next.
Die Synchronisierungseinrichtung kann beispielsweise ein Inkrementalgeber sein, der von der Transporteinrichtung ausgelöst wird. Ist die Transporteinrichtung ein Förderband, kann z.B. durch ein Rad, das an das Förderband gekoppelt ist, die Radstellung durch die Synchronisierungseinrichtung bestimmt werden. Bei bestimmten Radstellungen wird dann ein Signal ausgegeben. Alternativ könnte die Synchronisierungseinrichtung eine Kameraeinheit aufweisen, die Markierungen auf dem Förderband wahrnimmt und anhand dieser ein Signal ausgibt.The synchronization device can, for example, be an incremental encoder that is triggered by the transport device. Is the Transport device a conveyor belt, the wheel position can be determined by the synchronization device, for example, by a wheel that is coupled to the conveyor belt. A signal is then output for certain wheel positions. Alternatively, the synchronization device could have a camera unit which detects markings on the conveyor belt and uses them to output a signal.
Die Synchronisierungseinrichtung kann auch als Modul der Auswerteeinheit ausgebildet sein. Ist die Bilderzeugungsfrequenz und die Geschwindigkeit der Transporteinrichtung bekannt, kann durch Berechnung die Entfernung zwischen zwei aufgenommenen Bildzeilen bestimmt werden.The synchronization device can also be designed as a module of the evaluation unit. If the image generation frequency and the speed of the transport device are known, the distance between two recorded image lines can be determined by calculation.
Die Auswerteeinheit ist ein Modul auf einer Recheneinheit und berechnet aus den aufgenommenen Bilddaten die dreidimensionale Oberflächentopologie.The evaluation unit is a module on a computing unit and calculates the three-dimensional surface topology from the recorded image data.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen schematisch jeweils in einer Seitenansicht:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kamera mit zwei Objektiven und zwei Sensoren, -
2a ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kamera mit zwei Objektiven, vier Spiegeln und einem Sensor, -
2b eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels einer Kamera mit zwei Objektiven, vier Spiegeln und zwei Sensoren, -
2c eine weitere Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels einer Kamera mit zwei Farbfiltern, zwei Objektiven, vier Spiegeln und zwei Sensoren, -
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kamera mit zwei Objektiven, zwei Spiegeln und zwei Sensoren, -
4 ein hyperchromatisches Objektiv, wobei verschiedene Fokusebenen auf unterschiedliche Farb-Zeilen fallen, -
5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Kamera mit drei Objektiven, vier Spiegeln und einem Farb-Zeilensensor, -
6 eine Abwandlung des vierten Ausführungsbeispiels einer Kamera mit einem Objektiv, vier Spiegeln, einem Glaselement und einem Farb-Zeilensensor, -
7 eine Oberflächentopologie-Erfassungseinrichtung, welche eine erfindungsgemäße Stereokamera verwendet, in einem Blockschaltbild, -
8 eine schematische Anordnung von Sensoren und Objektiven zweier Kameramodule einer Stereokamera, welche nicht der Erfindung entspricht, -
9 eine schematische Anordnung von Sensoren und Objektiven zweier Kameramodule einer Stereokamera, und -
10 projizierte Sensorflächen auf einer Objektebene, und -
11 eine Oberflächentopologie-Erfassungseinrichtung, welche eine erfindungsgemäße Stereokamera verwendet, in einem Blockschaltbild.
-
1 a first embodiment of a camera with two lenses and two sensors, -
2a a second embodiment of a camera with two lenses, four mirrors and a sensor, -
2 B a modification of the second embodiment of a camera with two lenses, four mirrors and two sensors, -
2c another modification of the second embodiment of a camera with two color filters, two lenses, four mirrors and two sensors, -
3 a third embodiment of a camera with two lenses, two mirrors and two sensors, -
4th a hyperchromatic lens, with different focal planes falling on different color lines, -
5 a fourth embodiment of a camera with three lenses, four mirrors and a color line sensor, -
6th a modification of the fourth embodiment of a camera with a lens, four mirrors, a glass element and a color line sensor, -
7th a surface topology detection device which uses a stereo camera according to the invention, in a block diagram, -
8th a schematic arrangement of sensors and lenses of two camera modules of a stereo camera, which does not correspond to the invention, -
9 a schematic arrangement of sensors and lenses of two camera modules of a stereo camera, and -
10 projected sensor areas on an object plane, and -
11 a surface topology detection device which uses a stereo camera according to the invention, in a block diagram.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst ein erfindungsgemäßes Stereokamerasystem
Jedes Kameramodul
Bei jedem Kameramodul
Die beiden Kameraachsen
Die Basis
Da das Kamerasystem Zeilensensoren
Der Zeilensensor
Die Objektive
Der Objektbereich
Die Sensorachse
Nachfolgend wird ein zweites Ausführungsbeispiel (
Beim zweiten Ausführungsbeispiel umfasst ein erfindungsgemäßes Stereokamerasystem
Die Spiegel
Die Sensorachse
Eine Basis
Die Sensorachse 8", die Objektivachse
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel darin, dass jeweils zwei Spiegel
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Sensorachse
Alternativ weist das Stereokamerasystem
Eine weitere Möglichkeit dieser Ausführungsform besteht darin, dass sich die beiden optischen Achsen überschneiden, sodass das erste Bild des Objektbereichs
Eine weiteres Ausführungsbeispiel besteht darin, dass das Stereokamerasystem
Bevorzugt werden Objekt-Oberflächen, die weiß sind oder Graustufen aufweisen. Weiß oder Graustufen weisen für jede Farbe des Farbspektrums gleiche Intensitätswerte auf. Gelangt das Licht durch den jeweiligen Farbfilter
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Farbfilter
In this embodiment the filters are color
Alternativ können statt der Farbfilter
Im Folgenden wird ein drittes Ausführungsbeispiel (
Beim dritten Ausführungsbeispiel umfasst ein Stereokamerasystem
Die Spiegel
Die Sensorachse
Eine Basis
Die Sensorachse 8', die Objektivachse
Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel liegen die beiden Zeilensensorbereiche
Nachfolgend wird ein viertes Ausführungsbeispiel (
Beim vierten Ausführungsbeispiel umfasst ein erfindungsgemäßes Stereokamerasystem
Jedes Kameramodul 1a und 1c umfasst ein Objektiv
Bei den äußeren Kameramodulen 1a und 1c wird die Sensorachse
Werden drei Kameramodule
Die Sensorachse
Alternativ umfasst das Stereokamerasystem
Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dadurch, dass die Zeilensensorbereiche
In einer alternativen Ausführungsform der oben genannten Ausführungsbeispiele ist das Objektiv eines jeden Kameramodules
Vorzugsweise werden die Farb-Zeilen
Eine weitere Möglichkeit der Erfindung besteht darin, dass die Kameramodule
Der Flächensensor ist um einer Kippachse gekippt. Die Kippachse ist parallel zu den einzelnen Zeilensensoren
Der Betrag des Winkels zwischen der Normalen des Flächensensors und der optischen Achse ist hierbei kleiner als 90°. Jede Zeile des Flächensensors weist einen anderen Höhenmessbereich
In einer alternativen Ausführungsform der oben genannten Ausführungsbeispiele werden anstatt eines geraden Spiegels
Die oben genannten Ausführungsbeispiele umfassen jeweils zwei oder drei Kameramodule
Im Folgenden wird eine Oberflächentopologie-Erfassungseinrichtung
Die Oberflächentopologie-Erfassungseinrichtung umfasst ein Stereokamerasystem
Die Transporteinrichtung
Die Synchronisierungseinrichtung
Die erfassten Bilder können korrigiert werden. Zum einen kann ein Verschiebefehler behoben werden, der dadurch entsteht, dass das Messobjekt
Des Weiteren können die Bilder rektifiziert werden. Durch die Rektifizierung werden geometrische Verzerrungen in den Bilddaten eliminiert. Diese können unter anderem durch die Scheimpflug-Anordnung entstehen.Furthermore, the images can be rectified. The rectification eliminates geometric distortions in the image data. These can arise from the Scheimpflug arrangement, among other things.
Die Nachkorrektur der Rektifizierung kann auch direkt In-line bei der Bildregistrierung durchgeführt werden. Direkt nach der Aufnahme einer Bildzeile werden die Daten korrigiert. Hierbei wird nach der Digitalisierung des Sensorsignals die Bildsignale in einem FPGA (engl: Field Programmable Gate Array) auf der Kamera vorverarbeitet. Wenn die Parameter der Verzeichnung der beiden Kameramodule bekannt sind, z.B. aus einer Kalibrierung des Systems, kann im FPGA das gleiche Korrekturmodell angewandt werden, wie konventionell auf einem PC. Eine weitere Korrektur in der Recheneinheit ist somit nicht nötig, wodurch die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht wird.The correction of the rectification can also be carried out directly in-line during the image registration. The data is corrected immediately after an image line has been recorded. After digitizing the sensor signal, the image signals are preprocessed on the camera in an FPGA (Field Programmable Gate Array). If the parameters of the distortion of the two camera modules are known, e.g. from a calibration of the system, the same correction model can be applied in the FPGA as conventionally on a PC. A further correction in the arithmetic unit is therefore not necessary, which increases the processing speed.
Die so korrigierten Bilder werden für eine Tiefenrekonstruktion der aufgenommenen Oberfläche des Messobjektes
Alternativ können auch Blöcke, d.h. eine Gruppe von Pixeln, wie z.B. eine 3x3-Matrix, einander zugeordnet werden. Dieses Verfahren wird Block-Matching genannt.Alternatively, blocks, i.e. a group of pixels, e.g. a 3x3 matrix, can be assigned to each other. This process is called block matching.
Für jede aufgenommene Bildzeile wird so eine Bildzeile berechnet, die Tiefeninformationen enthält. Werden mehrere Bildzeilen eines Messobjektes
Werden statt mehrerer Zeilensensoren
Wird ein Dreizeilenfarbsensor
In Kombination mit der Stereoskopie-Berechnung ist so eine feine Bestimmung der Oberflächentopologie möglich.
Alternativ zur individuellen Berechnung der einzelnen Farbbilder kann auch aus einem zusammengesetzten RGB-Bild ein graustufen Bild berechnet werden, welches anschließend analysiert wird.In combination with the stereoscopic calculation, a fine determination of the surface topology is possible.
As an alternative to the individual calculation of the individual color images, a gray-scale image can also be calculated from a composite RGB image, which is then analyzed.
Wird ein Flächensensor zur Aufnahme des Messobjektes genutzt, so wird für jede Zeile ein eigenständiges Bild erzeugt. Für jede Zeile werden separat, wie oben beschrieben, die eigenständigen Bilder korrigiert und für die Tiefenkonstruktion genutzt. Anschließend wird in jeden eigenständigen Bild die Schärfe eines realen Punktes am Messobjekt
Neben den oben erwähnten Dreizeilensensoren
Die oben erwähnten Sensoren können, wie oben erwähnt CCD-Sensoren sein, aber auch andere Sensor-Arten, wie z.B. Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)-Sensoren, sind denkbar.The sensors mentioned above can, as mentioned above, be CCD sensors, but also other types of sensors, e.g. Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) sensors are conceivable.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- KameramodulCamera module
- 22
- Objektivlens
- 33
- Sensorsensor
- 44th
- MessobjektMeasurement object
- 55
- KameraachseCamera axis
- 66th
- ObjektbereichObject area
- 77th
- VerschieberichtungShift direction
- 88th
- SensorachseSensor axis
- 99
- ObjektivachseLens axis
- 1010
- ObjektachseObject axis
- 1111
-
Spiegel 1
Mirror 1 - 1212
-
Spiegel 2
Mirror 2 - 1313
- ZeilensensorbereichLine sensor area
- 1414th
- Hyperchromatisches ObjektivHyperchromatic lens
- 1515th
- DreizeilensensorThree-line sensor
- 1616
- FarbzeileColor line
- 1717th
- FokusebeneFocus plane
- 1818th
- HöhenmessbereichHeight measuring range
- 1919th
- GlaselementGlass element
- 2020th
- Oberflächentopologie-ErfassungseinrichtungSurface topology acquisition device
- 2121st
- TransporteinrichtungTransport device
- 2222nd
- SynchronisierungseinrichtungSynchronization facility
- 2323
- AuswerteeinrichtungEvaluation device
- 2525th
- StereokamerasystemStereo camera system
- 2626th
- Farbfilter Color filter
- αα
- Basis-WinkelBase angle
- ββ
- Scheimpflug-WinkelScheimpflug angle
- γγ
- Öffnungswinkel des Objektivs Opening angle of the lens
- BB.
- BasisBase
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102013103897 A1 [0037]DE 102013103897 A1 [0037]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- „Scheimpflug stereocamera for particle image velocimetry in liquid flows“, Ajay K. Prasad und Kirk Jensen, APPLIED OPTICS 34, 30 (1995) [0017]"Scheimpflug stereocamera for particle image velocimetry in liquid flows", Ajay K. Prasad and Kirk Jensen, APPLIED OPTICS 34, 30 (1995) [0017]
Claims (18)
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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