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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Daten eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere eines Körperteils, die der Fertigung eines an die Dimensionen des dreidimensionalen Objekts angepassten Fertigungsteils zugrunde liegen.
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Es sind zahlreiche Verfahren zur Vermessung von dreidimensionalen Objekten, insbesondere von Körperteilen bekannt. Die Vermessung von Körperteilen ist insbesondere bei der Anpassung von Kleidungsstücken notwendig. Die Kleidungstücke bilden in diesem Fall also die an das dreidimensionale Objekt (das entsprechende Körperteil) angepasste Fertigungsteil.
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Üblicherweise werden Körperteile beispielsweise mithilfe eines Maßbandes vermessen, was einerseits einen hohen Zeitaufwand beansprucht, andererseits fehlerbehaftet ist. Es ist sowohl beim Anhalten des Maßbandes als auch beim Ablesen der Werte möglich, Fehler zu machen.
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Insbesondere sind auch die Konstruktion und Herstellung von maßgefertigten Schuhen in verschiedenen Größen sehr aufwendig, weil insbesondere das Ausmessen der Füße schwierig ist und einen hohen Zeitaufwand erfordert. Weiterhin kann es bei der Übertragung der Messdaten auf die letztendlich zu fertigenden Schuhelemente zu Fehlern kommen.
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Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2005 051 020 A1 ein Verfahren zur kostengünstigen kalibrierungsfreien 3D Digitalisierung von Körpern. Bei diesem Verfahren wird eine motorisch bewegte Kamera genutzt, um einen Körper oder Körperteile aufzuzeichnen. Weiterhin werden Lichtmuster und Lichtmusterprojektoren genutzt, um den zu vermessenden Körper zu beleuchten und vermessen. Das Verfahren ermöglicht die Vermessung und Ermittlung von Messdaten im Zusammenhang mit dem Körperteil, jedoch ist es ausgesprochen aufwendig und kostenintensiv.
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Die
DE 10 2013 001 897 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem Daten für die Bestimmung der Länge und Breite eines Fußes ermittelt werden. Durch Berücksichtigung der Position einer zur Aufnahme des Fußes genutzten Kamera können Distanzen in einer zweidimensionalen Ebene berechnet werden. Dabei wird insbesondere der Winkel der Kamera zum Objekt berücksichtigt.
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Die WO 2015/ 068 165 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommene Fotos eines Objekts übereinandergelegt werden, um daraus die dreidimensionale Form des Objekts zu berechnen.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 043 070 A1 beschreibt ein Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung von Körpern. Dafür werden zumindest zwei digitale Aufnahmen des Körpers genutzt. Über ein in eine Szene eingefügtes spezielles planares Viereck als Referenzelement werden die Aufnahmen ausgewertet.
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Auch ist die allgemeine Verwendung von dreidimensional arbeitenden Scannern bekannt, mit denen ebenfalls Körperformen ermittelt und berechnet werden können. Derartige Scanner sind zum einen kostenintensiv, zum anderen benötigen sie eine hohe Rechenkapazität und produzieren in großem Umfang Daten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Vermessung eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere eines Körperteils zu schaffen, das eine möglichst schnelle, einfache und fehlerfreie Vermessung ermöglicht. Die ermittelten Daten sollen geeignet sein, um der Fertigung eines an die Dimensionen des dreidimensionalen Objekts angepassten Fertigungsteils zugrunde zu liegen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf die Vermessung von Körperteilen, insbesondere von Füßen, sondern auch auf andere dreidimensionale Objekte. Die Erfindung ermöglicht beispielsweise auch die Fertigung von Abdeckhauben für Möbel oder Fahrzeuge oder von Schutzhüllen für digitale Endgeräte. Dementsprechend beinhaltet der Begriff „angepasstes Fertigungsteil“ sämtliche zu fertigenden Produkte, für die die Erfindung genutzt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer relativ einfachen und problemlos durchführbaren Ermittlung von Referenzpunkten des zu vermessenen dreidimensionalen Körpers. Dazu ist lediglich die Verwendung einer digitalen Kamera notwendig. Insbesondere eignet sich hierfür ein handelsübliches Smartphone oder vergleichbares Endgerät.
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Weiterhin ist ein Größenreferenzobjekt notwendig, dessen Abmessungen bekannt sind. Das Größenreferenzobjekt kann beispielsweise durch einen Würfel oder Quader gebildet sein, es sind aber auch andere Objekte mit bekannten Abmessungen verwendbar.
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Mithilfe der digitalen Kamera werden mehrere Bilder des dreidimensionalen Objekts aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen. Wesentlich ist dabei, dass die Bilder gleichzeitig ein Größenreferenzobjekt umfassen, dass im Bereich des Objekts angeordnet ist. Neben dem Sichtwinkel der Perspektive ist es für die Berechnung der Dimensionen weiterhin notwendig, den Abstand der Kameralinse zum Größenreferenzobjekt zu kennen.
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Im Folgenden wird die Erfindung für die Vermessung eines Fußes und die Fertigung eines Schuhs erläutert, wobei die Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt sei soll. Vielmehr stellt der Fuß lediglich beispielhaft ein zu vermessendes dreidimensionales Objekt und der Schuh ein Fertigungsteil im Sinne der Erfindung dar.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist das Größenreferenzobjekt durch ein Blatt bestimmter Größe, beispielsweise ein DIN-A4 Blatt gebildet. Alternativ sind auch andere in ihrer Größe genormte Blätter verwendbar, weswegen im Folgenden stellvertretend der Begriff „Blatt“ verwendet wird. Dieses Blatt wird auf einen einem Untergrund abgelegt und der zu vermessenen Fuß darauf positioniert. Anschließend werden mit der digitalen Kamera Fotos aus verschiedenen Perspektiven gemacht und abgespeichert. Da die Abmessungen des Blatts bekannt sind, können daraus der Abstand der Kameralinse zum Blatt und die Abmessungen des Fußes berechnet werden.
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Vorteilhafterweise kann die Berechnung bzw. Vermessung des Fußes dadurch erleichtert werden, dass die Bilder stets aus einem bestimmten Abstand und aus einem bestimmten Sichtwinkel bzw. einer bestimmten Perspektive aufgenommen werden. Beispielsweise kann der Abstand der Kameralinse zum Fuß 40-60 cm, vorzugsweise 50 cm betragen. Aus diesem Abstand werden beispielsweise fünf Fotos aus verschiedenen Perspektiven, also unter verschiedenen Sichtwinkeln aufgenommen.
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Die Aufnahme von mehreren Fotos aus verschiedenen Perspektiven ist unter anderem deswegen notwendig, weil die Kamera nie zu allen Referenzpunkten des Fußes gleichzeitig lagerichtig ausgerichtet sein kann. Beispielsweise ist es notwendig, dass die Kamera zu bestimmten Referenzpunkten lotrecht ausgerichtet ist. Insofern müssen jeweils Fotos in Bezug auf mehrere Referenzpunkte aufgenommen werden.
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Um die Aufnahme der Bilder mit dem gewünschten Abstand und den verschiedenen Perspektiven zu gewährleisten, ist auf dem digitalen Endgerät zumindest ein Programm bzw. eine Applikation installiert, die den Benutzer während der Nutzung sozusagen anleitet und hilft, die Kamera in die richtige Position im Raum zu bringen, um dann ein Bild aufzunehmen. Hierzu weist die Kamera einen Lagesensor auf, beispielsweise einen Gyrosensor, mit dem ein Kippen oder Neigen des Smartphones registrierbar ist. Besonders vorteilhaft ist weiterhin die Nutzung eines integrierten Kompasses, der eine Drehung der Digitalkamera bzw. des Smartphones um dessen Hochachse registriert.
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Die Applikation zeigt die vom Lagesensor ermittelte aktuellen Lage der Kamera im Raum in einer Lageanzeige dar. Dies kann beispielsweise durch eine wie bei einer Wasserwaage übliche Libelle erfolgen, die insbesondere virtuell auf einem Display dargestellt wird.
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Weiterhin ist für jede der unterschiedlichen Perspektiven, aus denen Bilder aufgenommen werden sollen, jeweils eine vorgegebene Hilfsanzeige vorgesehen. Über diese ist die zur Aufnahme des jeweiligen Bildes korrekte Lage der Kamera in Verbindung mit der aktuellen Lageanzeige einstell- bzw. durch eine Ausrichtungshilfsanzeige anzeigbar.
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Es bietet sich beispielsweise an, dass ein Element, beispielsweise ein Punkt auf die Lage der Kamera reagiert. Dieses Element muss durch Veränderung der Lage der Kamera in einen bestimmten Bereich auf dem Display gebracht werden, beispielsweise einen ortsfesten Kreis. Befindet sich der Punkt innerhalb des Kreises, ist die Kamera lagerichtig ausgerichtet.
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Es ist möglich, unterschiedliche Kreise an unterschiedlichen Stellen auf dem Display anzuzeigen, um darüber verschiedene Lagen der Kamera zu realisieren. Wird der Punkt also in einen ersten Kreis geführt, befindet sich die Kamera in einer ersten Lage, wird der Punkt dann in einen zweiten anderen Kreis geführt, befindet sich die Kamera in einer zweiten anderen Lage, usw.. Immer dann, wenn sich der Punkt in dem jeweiligen Kreis befindet, wird eine Aufnahme getätigt und ein Bild erzeugt.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass anstelle von mehreren Kreisen nur ein einziger Kreis stets an der gleichen Stelle angezeigt wird. Allerdings ist die Applikation derart programmiert, dass ein mehrmaliges in Deckung bringen des Punktes mit dem Kreis nacheinander jeweils zu unterschiedlichen Lagen der Kamera führt. Es wird also eine Abfolge mehrerer Bilder aufgenommen, wobei die Position des Punktes in dem Kreis jeweils eine andere Lage der Kamera repräsentiert. Beispielsweise kann die Applikation auffordern, ein erstes Bild aufzunehmen, wobei der Benutzer zunächst den Punkt der als Ausrichtungshilfsanzeige in den Kreis führen muss. Nach Aufnahme des Bildes erfolgt die Aufforderung ein zweites Bild aufzunehmen. Der Benutzer muss erneut den Punkt in den Kreis führen, wobei die Applikation hierbei berücksichtigt, dass sich die Lage der Kamera für das nächste Foto von der Lage der Kamera des zuvorigen Fotos unterscheidet. Der Punkt befindet sich also dann wieder im Kreis, wenn die Kamera entsprechend neu und korrekt ausgerichtet ist.
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Zur Einstellung des korrekten Abstands der Kamera vom des Größenreferenzobjekt können weiterhin Hilfslinien auf dem Display der Kamera dargestellt werden. Die Hilfslinien entsprechen für jede der unterschiedlichen Perspektiven der Außenkontur des Größenreferenzobjekts aus der jeweiligen Perspektive, wobei die Hilfslinien zur Aufnahme des jeweiligen Bildes mit der Außenkontur des Größenreferenzobjekts in Deckung gebracht werden müssen.
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Die Linien können beispielsweise rot dargestellt werden, wenn der Abstand der Kamera nicht korrekt ist. Sind die Hilfslinien mit den äußeren Abmessungen des Blatts lagerichtig positioniert, werden die Hilfslinien grün dargestellt und der Benutzer wird aufgefordert, ein Foto aufzunehmen. Dadurch ist gewährleistet, dass die anschließende Berechnung der Dimensionen des Fußes der konkrete Abstand und die konkrete Lage der Kamera gegeben sind.
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Es hat sich als besonders einfach erwiesen, wenn die Applikation über die Ausrichtungshilfsanzeige zunächst sicherstellt, dass sich die Kamera lagerichtig im Raum befindet. Dies kann ebenfalls durch einen Farbindikator, beispielsweise einen grünen Punkt im Kreis der Libelle symbolisiert werden. Anschließend wird dann die Kamera solange auf das Größenreferenzobjekt zubewegt, bis die Hilfslinien dieses bestimmungsgemäß umgeben. Erst dann wird das entsprechende Bild aufgenommen.
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Erfindungsgemäß werden auf diese Weise ausreichend viele Bilder aus verschiedenen Richtungen bzw. Perspektiven zur anschließenden Bestimmung der Referenzpunkte und Berechnung der Dimensionen aufgenommen.
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Ein besonderer Vorteil kann weiterhin dann erreicht werden, wenn das Blatt vorzugsweise diagonal gefaltet und hochgeklappt wird. Der zu vermessenen Fuß wird erneut auf dem Blatt ausgerichtet und die Kamera in seitliche bzw. schräge Position zum Fuß gebracht. Auch hierbei kann der Benutzer auf die Applikation und die damit verbundene Ausrichtungshilfsanzeige und die Hilfslinien zurückgreifen.
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Die spätere Berechnung erfolgt somit nicht nur in zweidimensionaler Richtung in Bezug auf die Breite und Länge des Blatts, sondern über den hochgefalteten Bereich auch in Z-Richtung, also unter Berücksichtigung der Höhe zum Vordergrund bzw. zum Blatt.
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Wird anstelle eines Blattes ein dreidimensionaler Körper verwendet, kann dessen Höhe als Referenz dienen.
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Wesentlich ist, dass die Referenzpunkte relativ zueinander bestimmt werden, also den tatsächlichen realen Fuß abbilden. Es werden also nicht, wie im Stand der Technik üblich, Werte ermittelt und anschließend mit zuvor ermittelten und gespeicherten Daten verknüpft. Die Distanzen zwischen den Referenzpunkten werden dabei durch Inbezugnahme zum Größenreferenzobjekts ermittelt.
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Als Referenzpunkte eignen sich bei einem Fuß beispielsweise das freie Ende des großen Zehs, der äußere Punkt des kleinsten Zehs, die Höhe des Fußgewölbesund/oder die Höhe des großen Zehs über dem Blatt und die Lage des Fußspanns. Darüber hinaus können je nach Bedarf auch weitere Referenzpunkte bestimmt und berechnet werden.
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Die aufgenommenen Fotos werden in einem nächsten Schritt vorteilhafterweise an einen Computer übertragen, der die Lage der Referenzpunkte zueinander berechnet. Vorteilhafterweise kann alternativ auch das digitale Endgerät selbst die Berechnungen durchführen, wenn dieses eine ausreichende Rechenkapazität aufweist. Insofern kann auch auf einen Computer vollständig verzichtet werden.
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Aus den Referenzpunkten kann sozusagen ein virtuelles Abbild des zuvor fotografierten Fußes rechnerisch erstellt werden.
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Der Begriff „virtuelles Abbild“ ist nicht wörtlich zu verstehen, sondern vielmehr funktionell. Es ist also nicht notwendig, dass ein sichtbares, durch ein benutzererkennbares virtuelles Abbild erzeugt wird, vielmehr sollen die äußeren Abmessungen des Fußes bestimmt werden. Somit ist es letztendlich auch möglich, dass das virtuelle Abbild lediglich als Datensatz vorliegt.
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In einem nächsten Verfahrensschritt wird aus dem dreidimensionalen virtuellen Abbild des Fußes ein Datensatz berechnet, der ein zweidimensionales Datennetz auf Basis der zuvor berechneten Referenzpunkte beinhaltet. Das dreidimensionale Abbild des Fußes wird in eine oder mehrere zweidimensionale Flächen umgerechnet. Diese zweidimensionalen Daten dienen als Fertigungs- oder Schneidmuster für die anschließende Fertigung von Schuhelementen, also angepasster Fertigungsteile. Bei der Berechnung der Flächen kann gegebenenfalls berücksichtigt werden, ob der Schuh einen engeren oder weiteren Sitz aufweisen soll. Auch können Toleranzen einfließen, die für die spätere Verbindung der Schuhelemente notwendig sein könnten.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Diese sind nur beispielhaft zu verstehen und sollen lediglich Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Sämtliche Merkmale der Beschreibung können miteinander kombiniert werden, auch wenn diese nicht unbedingt im Zusammenhang gezeigt sind. Dies gilt auch für die Merkmale in den nachfolgenden Patentansprüchen.
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Es zeigen:
- 1: ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2: eine Prinzipdarstellung eines Fußes auf einem Blatt von oben,
- 3: eine Prinzipdarstellung eines Fußes auf einem gefalteten Blatt von schräg oben,
- 4: ein digitales Endgerät mit Display.
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Die Erfindung wird am Beispiel der Vermessung eines Fußes 20 erläutert. Wie bereits ausgeführt, ist das Verfahren aber auch für die Vermessung anderer Objekte geeignet.
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Im ersten Verfahrensschritt ist es notwendig, das zu vermessende Objekt, also hier den Fuß 20, relativ zu einem Größenreferenzobjekt 22 zu positionieren. Als Größenreferenzobjekt 22 kann beispielsweise ein DIN-A4 Blatt 24 (im Folgenden „Blatt“) oder ein anderes in der Größe genormtes Blatt dienen. In einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens wird der Fuß mit der Ferse in einer Ecke des Blatts 24 so positioniert, dass eine Außenseite des Fußes 20 an einer Seitenkante des Blattes ausgerichtet ist bzw. an diese angrenzt.
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Anschließend werden Bilder des Fußes 20 auf dem Blatt 24 mithilfe einer digitalen Kamera 26 aufgenommen. Durch Bezugnahme auf das Größenreferenzobjekt 22 können anschließend Dimensionen abgeleitet bzw. errechnet werden.
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Vorzugsweise werden die Bilder aber jeweils aus vorbestimmten Positionen aufgenommen (vgl. auch 2 und 3). Die vorbestimmten Positionen der digitalen Kamera 26 im Raum bzw. relativ zum Fuß 20 sind für eine vorteilhafte Berechnung der Dimensionen wesentlich, da so die Größenverhältnisse zuverlässig und schnell bestimmbar sind.
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Zur Kontrolle und Einstellung der korrekten Position der Kamera 26 im Raum ist auf dieser eine entsprechende Applikation vorinstalliert, die unter Nutzung des integrierten Lagesensors der Kamera 26 beispielsweise eine Lageanzeige 30 auf einem Display 32 anzeigt (vgl. 4). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Lageanzeige 30 durch eine Libelle gebildet, die einen ortsfesten Kreis 34 und einen beweglichen Punkt 36 aufweist. Der Punkt 36 muss durch Bewegung der Kamera in den Kreis 34 geführt werden.
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Weiterhin sind Hilfslinien 38 anzeigt, die mit dem Blatt 24 bzw. dessen Seitenrändern in Deckung gebracht werden müssen. Befinden sich diese in Deckung, hat die Kamera 26 den korrekten Abstand zum Blatt 24 und damit auch zum Fuß 20.
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Die Hilfslinien 38 in 4 wirken verzerrt, weil sie die Umrisse des Blattes in einer Perspektive von schräg oben zeigen.
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Die Lageanzeige 30 und die Hilfslinien 38 bilden gemeinsam eine Ausrichtungshilfsanzeige aus.
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Es ist notwendig, mehrere Bilder aus verschiedenen Richtungen aufzunehmen, um dadurch Referenzpunkte 28 am Fuß in ihrer Lage exakt bestimmen zu können. Die Referenzpunkte 28 sind dabei derart gewählt, dass sie sowohl die zweidimensionale Ausdehnung des Fußes 20 in X-Richtung und Y-Richtung als auch dessen Höhe in Z-Richtung ermöglichen. Beispielsweise es notwendig zu wissen, wie hoch ein Spann des Fußes 20 ist, welche maximale Höhe beispielsweise ein großer Zeh 33 hat oder wie lang der Zeh 33 ist. Selbstverständlich sind weitere Referenzpunkte 28 notwendig, die beispielsweise eine Breite des Fußes 20 im vorderen und hinteren Bereich und auch die Länge des Fußes 20 bestimmbar machen. Es hat sich gezeigt, dass für die Fertigung eines individuell angepassten Schuhs die Ermittlung von 9 bis 18 Referenzpunkten 28 ausreicht.
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Insbesondere 3 verdeutlicht, wie mithilfe des Blatts 24 auch die Höhe der Referenzpunkte 28 über dem auf einem Untergrund aufliegenden Blatt 24 bestimmbar ist. Zu diesem Zweck wird nach Aufnahme verschiedener Bilder aus verschiedenen Richtungen der Fuß 20 vom Blatt 24 genommen und das Blatt entlang einer Diagonalen gefaltet. Der Fuß 20 wird auf eine der beiden Hälften des Blatts 24 wieder aufgestellt und die andere Hälfte des Blatts 24 nach oben gefaltet und verbleibt in dieser Position. Dadurch ist es möglich, bei weiteren Aufnahmen die Seitenränder und die nach oben abstehende Spitze des Blatts 24 als Referenz für zu bestimmende Referenzpunkte 28 des Fußes 20 zu nutzen.
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In den 2 und 3 sind beispielhaft einige Referenzpunkte 28 eingezeichnet.
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Anhand der Bilder mit dem Größenreferenzobjekt 22 ist es im nächsten Schritt möglich, die exakten Referenzpunkte 28 des realen Fußes 20 in ihrer Lage in Bezug auf das Größenreferenzobjekt 22, also das Blatt 24, und in Relation zueinander exakt zu bestimmen. Vorteilhafterweise wird hierzu ein geeignetes Computerprogramm genutzt, an das die aufgenommenen Bilder übertragen werden. In diesem Fall werden die Bilder an einen Computer übertragen. Über ein Bildanalyseprogramm werden die Referenzpunkte auf den Bildern vorzugsweise automatisch aufgefunden und in ihrer Lage bestimmt.
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Aus den ermittelten Referenzpunkten 28 kann dann ein virtuelles Abbild des realen Fußes 20 erzeugt werden.
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In einem nächsten Schritt wird dieses virtuelle dreidimensionale Abbild des Fußes 20 genutzt, um daraus ein Datennetz zu erzeugen, welches die äußeren Flächen des Fußes repräsentiert. Im Prinzip werden die äußeren Flächen des Fußes 20 also in eine Ebene abgewickelt.
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Aus diesem zweidimensionalen Datennetz können dann in einem nächsten Schritt die gewünschten Fertigungsteile, hier Schuhelemente bestimmt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt, sie umfasst auch weitere Ausführungsvarianten, die durch Nutzung der Erfindung realisierbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Fuß
- 22
- Größenreferenzobjekt
- 24
- DIN-A-Blatt
- 26
- Kamera
- 28
- Referenzpunkte
- 30
- Lageanzeige
- 32
- Display
- 34
- Kreis
- 36
- Punkt
- 38
- Hilfslinien
