DE102021101756A1

DE102021101756A1 - Verfahren zur 3D-Erfassung eines Messobjektes

Info

Publication number: DE102021101756A1
Application number: DE102021101756.4A
Authority: DE
Inventors: Dirk Beckmann; Bertram Kaupert; Andreas Betsche
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-07-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zur 3D-Erfassung eines Messobjektes, bei welchem mindestens ein aktiver optischer Marker eingesetzt wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Zeitpunkt einer Intensitätsänderung des aktiven Markers durch einen optischen Sensor erfasst und zur zeitlichen Zuordnung einer Messung eingesetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur 3D-Erfassung eines Messobjektes, bei welchem mindestens ein aktiver optischer Marker eingesetzt wird, sowie ein entsprechendes Messsystem.
Bei bekannten Verfahren zur 3D-Erfassung eines Messobjektes werden die aktiven optischen Marker üblicherweise dazu eingesetzt, um mehrere Aufnahmen räumlich miteinander in Beziehung zu setzen.
Dabei sind Systeme bekannt, bei welchen die aktiven Marker am Messobjekt und/oder in der Umgebung des Messobjektes angeordnet werden, und von einem Messgerät erfasst werden. Weiterhin können aktive Marker auch am Messgerät angeordnet werden, wobei die Position des Messgerätes mittels der aktiven Marker über ein Tracking-System bestimmt wird.
So zeigt Druckschrift DE 10 2010 018 979 A1 ein Verfahren zum Bestimmen der 3D-Kooridnaten der Oberfläche eines Objektes, bei welchem die Oberfläche des Objektes durch einen Scanner zur Gewinnung von Objektdaten abgetastet wird.
Weiterhin wird zur Gewinnung von Lagedaten die Position des Scanners durch ein Tracking-System erfasst, indem die Position von aktiven Markern, welche am Scanner angeordnet sind, durch Sensoren des Tracking-Systems erfasst wird. Die Objektdaten und die Lagedaten werden an einen Controller übermittelt, welcher hieraus die 3D-Kooridnaten der Oberfläche des Objektes bestimmt. Um den Scanner drahtlos betreiben zu können, werden die Objektdaten von dem Scanner drahtlos an den Controller übertragen. Die Synchronisation der Objektdaten und der Lagedaten erfolgt durch die drahtlose Übertragung eines Synchronisationssignals vom Controller an den Scanner.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur 3D-Erfassung eines Messobjektes, bei welchem mindestens ein aktiver optischer Marker eingesetzt wird, zur Verfügung zu stellen. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Messsystem bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Messsystem nach Anspruch 12 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zur 3D-Erfassung eines Messobjektes, bei welchem mindestens ein aktiver optischer Marker eingesetzt wird. Dabei ist vorgesehen, dass der Zeitpunkt einer Intensitätsänderung des aktiven Markers durch einen optischen Sensor erfasst und zur zeitlichen Zuordnung einer Messung eingesetzt wird. Insbesondere dient die Erfassung der Intensitätsänderung des aktiven Markers daher zum Bestimmen des Zeitpunkts einer Messung.
Während optische Marker gemäß dem Stand der Technik lediglich zur räumlichen Zuordnung einer Messung eingesetzt wurden, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung dabei erkannt, dass aktive optische Marker zur zeitlichen Zuordnung einer Messung eingesetzt werden können. Hierdurch kann der im Stand der Technik für eine solche zeitliche Zuordnung notwendige Aufwand verringert und/oder eine drahtlos arbeitende Möglichkeit der zeitlichen Zuordnung zur Verfügung gestellt werden.
Der aktive optische Marker kann in einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung nur zur zeitlichen Zuordnung einer Messung und nicht zur Lagebestimmung eingesetzt werden. Bevorzugt dient der aktive optische Marker jedoch sowohl zur zeitlichen Zuordnung einer Messung als auch zur Lagebestimmung und/oder räumlichen Zuordnung einer Messung.
Bevorzugt erfolgt die Erfassung des aktiven optischen Markers zur Lagebestimmung ebenfalls über einen optischen Sensor. Dabei kann in einer ersten Variante ein gemeinsamer optischer Sensor für die Lagebestimmung und für die zeitliche Zuordnung eingesetzt werden. Bevorzugt erfolgt die Erfassung des Zeitpunkts einer Intensitätsänderung des aktiven Markers jedoch über einen zusätzlich zu einem Sensor für die Lagebestimmung vorgesehenen separaten optischen Sensor.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden mehrere aktive Marker eingesetzt. Hierdurch kann die Wahrscheinlichkeit, dass einer der Marker im Messfeld des oder der optischen Sensoren zur Lagebestimmung und/oder Erfassung des Zeitpunkts einer Intensitätsänderung des aktiven Markers liegt, erhöht werden. Zudem kann anhand einer Mehrzahl von Markern eine verbesserte Lagebestimmung erfolgen.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Zuordnung der durch den optischen Sensor erfassten Intensitätsänderung zu dem jeweiligen Marker vorgenommen. Durch diese Zuordnung wird sichergestellt, dass die durch die Erfassung der Intensitätsänderung ermittelte Zeitinformation dem richtigen Marker zugeordnet wird.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Zuordnung der durch den optischen Sensor erfassten Intensitätsänderung zu einem Marker durch Auswertung des Signals des optischen Sensors.
In einer ersten Variante erfolgt die Zuordnung durch Auswertung einer Initialisierungssequenz. Insbesondere werden zu Beginn der Messung die Marker in einer Initialisierungssequenz so angesteuert, dass durch deren Auswertung eine Zuordnung erfolgen kann. Die Auswertung erfolgt bevorzugt durch Auswertung des Signals des optischen Sensors.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden im Rahmen der Initialisierungssequenz in mindestens einem Frame alle Marker eingeschaltet und/oder in mindestens einem Frame alle Marker ausgeschaltet. Dies kann zudem als Startsignal für eine Synchronisierung herangezogen werden.
In einer zweiten Variante, welche ggf. mit der ersten Variante kombiniert werden kann, erfolgt die Zuordnung durch Auswertung von dem Signal der aktiven Marker überlagerten codierten Informationen. Dem Signal des aktiven Markers, durch dessen Erfassung die zeitliche Zuordnung erfolgt, können daher weitere Informationen überlagert werden. Hierfür stehen eine Reihe von Technologien zur Verfügung.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die mindestens eine Messung mit einem Zeitstempel versehen, welcher einen zeitlichen Bezug der Messung zu der Intensitätsänderung des aktiven Markers wiedergibt und/oder mit dieser synchronisiert ist. Insbesondere erfolgt dies durch eine Steuerung eines Messgerätes, mit welchem die Messung erfolgt.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden mehrere Messungen vorgenommen, welche jeweils mit einem Zeitstempel versehen werden.
In einer ersten Variante werden die mehreren Messungen durch die selbe Sensoranordnung aber zeitlich versetzt vorgenommen. Die Zeitstempel können daher der zeitlichen Einordnung der Messungen in eine Messsequenz dienen.
In einer zweiten Variante werden die mehreren Messungen durch unterschiedliche Sensoranordnungen vorgenommen. In diesem Fall werden die Zeitstempel bevorzugt zur zeitlichen Zuordnung gleichzeitig erfolgender Messungen eingesetzt.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dienen die Sensoranordnungen jeweils der 2D- oder 3D-Erfassung eines Messobjektes. Bevorzugt dient aber eine Sensoranordnung der 2D- oder 3D-Erfassung eines Messobjektes und eine andere Sensoranordnung der Lagebestimmung der ersten Sensoranordnung. Die Daten beider Sensoreinheiten werden bevorzugt zusammengeführt, um 3D-Daten des Messobjektes zu erzeugen.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung des aktiven Markers zur Synchronisation der Messung mit weiteren Daten herangezogen. Insbesondere kann es sich bei den weiteren Daten um Lageinformationen handeln, insbesondere um Lageinformationen eines Messgerätes, mit welchem die Messung erfolgt.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wirken mehrere Sensoreinheiten zusammen, um die 3D-Vermessung vorzunehmen, wobei die Synchronisation der mehren Sensoreinheiten über die Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung des aktiven Markers erfolgt.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine Steuerung einer ersten Sensoreinheit mit der Steuerung der aktiven Marker in Kommunikationsverbindung, insbesondere kabelgebunden in Kommunikationsverbindung. Insbesondere können die Steuerung einer ersten Sensoreinheit mit der Steuerung der aktiven Marker in eine gemeinsame Steuerung integriert sein.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung steht eine Steuerung einer zweiten Sensoreinheit mit dem optischen Sensor in Kommunikationsverbindung, insbesondere kabelgebunden in Kommunikationsverbindung.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die Messungen der ersten Sensoreinheit zeitlich mit der Ansteuerung des aktiven Markers korreliert. Beispielsweise erhalten sie einen Zeitstempel, welcher einen zeitlichen Bezug der Messung zu der durch die Ansteuerung hervorgerufenen Intensitätsänderung des aktiven Markers wiedergibt und/oder mit dieser synchronisiert ist.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die Messungen der zweiten Sensoreinheit zeitlich mit der Erfassung der Intensitätsänderung durch den optischen Sensor korreliert. Beispielsweise erhalten sie einen Zeitstempel, welcher einen zeitlichen Bezug der Messung zu der Erfassung der Intensitätsänderung des aktiven Markers wiedergibt und/oder mit dieser synchronisiert ist.
Die erste Sensoreinheit kann der Erzeugung von 2D-Daten oder 3D-Daten einer Oberfläche des Messobjektes dienen. Insbesondere ist die erste Sensoreinheit an einem Messgerät angeordnet.
Die zweite Sensoreinheit kann der Lageerfassung der ersten Sensoreinheit dienen.
Die Daten der ersten und der zweiten Sensoreinheit werden bevorzugt zusammengeführt, um 3D-Daten des Messobjektes zu erzeugen.
Die zweite Sensoreinheit ist bevorzugt Teil eines Tracking-Systems und/oder bildet eine separate Baueinheit zum Messgerät.
Die zweite Sensoreinheit kann kabellos oder kabelgebunden mit einer Auswerteeinheit in Verbindung stehen.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der aktive optische Marker an einem Messgerät angeordnet und/oder steht mit der Steuerung des Messgerätes in Kommunikationsverbindung, und wird insbesondere von der Steuerung eines Messgerätes angesteuert.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Zeitpunkt der durch die Ansteuerung hervorgerufenen Intensitätsänderung zeitlich mit einer Messung des Messgerätes korreliert.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Messgerät um ein optisches Messgerät zur 2D- oder 3D-Erfassung eines Messobjektes.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung die Position eines Messgerätes über ein Trackingsystem erfasst, wobei die Positionserfassung des Trackingsystems mittels der Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung des aktiven Markers mit Messungen des Messgerätes synchronisiert wird.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Trackingsystem die Position des Messgerätes durch Bestimmen der Position des mindestens einen aktiven Markers erfasst.
Bevorzugt werden mehrere aktive Marker zur Erfassung der Position des Messgerätes eingesetzt, welche weiter bevorzugt sequentiell aufleuchten.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Position des aktiven Markers über eine Sensoranordnung erfasst, wobei die Sensoranordnung bevorzugt mindestens einen Zeilensensor und/oder Bildsensor umfasst.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt die Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung des aktiven Markers durch Auswertung des Signals der Sensoranordnung, durch welche die Positionserfassung erfolgt. Die Sensoranordnung zur Positionserfassung dient daher gleichzeitig als optischer Sensor zur Erfassung des Zeitpunkts einer Intensitätsveränderung.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt die Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung des aktiven Markers durch Auswertung des Signals eines zusätzlichen Sensors. Dies hat den Vorteil, dass der zusätzliche Sensor auf die zeitliche Erfassung optimiert werden kann. Insbesondere kann ein Sensor mit einer hohen zeitlichen Auflösung eingesetzt werden.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ermittelt der zusätzliche Sensor keine Positionsdaten.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zusätzliche Sensor in einer Baueinheit mit der ersten Sensoranordnung verbaut. Insbesondere kann der zusätzliche Sensor an einem Trackingsystem angeordnet sein.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem optischen Sensor um eine Photodiode. Insbesondere kann es sich um eine Avalanche-Photodiode handeln.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt die 2D- oder 3D-Erfassung des Messobjektes optisch, insbesondere mittels eines Laserscanners und/oder eines auf Streifenprojektion basierenden Sensors. Insbesondere kann es sich bei der Messung daher um eine Messung eines Laserscanners und/oder eines auf Streifenprojektion basierenden Sensors handeln.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Messsystem zur 3D-Erfassung eines Messobjektes, mit mindestens einem aktiven optischen Marker, einem optischen Sensor und mit mindestens einer Steuerung, wobei die Steuerung den Zeitpunkt einer Intensitätsänderung des aktiven Markers mittels des optischen Sensors erfasst und zur zeitlichen Zuordnung einer Messung einsetzt.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine Steuerung des Messsystems programmiert, ein Verfahren durchzuführen, wie es oben beschrieben wurde.
Die Steuerung kann einen Mikroprozessor und einen nicht-flüchtigen Speicher umfassen, auf welchem ein Programm abgespeichert ist, welches, läuft es auf dem Microprozessor ab, eines der oben beschriebenen Verfahren implementiert.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Implementierung des Verfahrens auch durch mehrere Steuerungen und deren Programmierung implementiert werden, insbesondere durch eine Steuerung eines Messgerätes, eine Steuerung eines Tracking-Systems und/oder eine Steuerung einer Auswerteeinheit.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Messystem ein Messgerät zur Erzeugung von 2D-Daten oder 3D-Daten eines Messobjektes, ein Tracking-System zur Lageerfassung eines Messgerätes und/oder eine Auswerteeinheit. Insbesondere kann das Messystem ein Messgerät und/oder ein Trackingsystem umfassen, wie diese oben näher beschrieben wurden.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Messgerät für ein Messsystem, wie es oben beschrieben wurde, wobei das Messgerät mindestens eine Messung mit einem Zeitstempel versieht, welcher einen zeitlichen Bezug der Messung zu der Intensitätsänderung des aktiven Markers wiedergibt und/oder mit dieser synchronisiert ist.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Trackingsystem für ein Messsystem, wie es oben beschrieben wurde, mit einer Sensoranordnung zur Erfassung der Position des Messgerätes und einem optischen Sensor zur Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung des aktiven Markers.
Das Messgerät und das Tracking-System sind bevorzugt so ausgestaltet, wie dies bereits oben näher erläutert wurde.
Bevorzugte Aspekte des erfindungsgemäßen Messgerätes, wie es auch im Rahmen der erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen kann, werden im folgenden beschrieben.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Messung, welcher erfindungsgemäß zeitlich zugeordnet wird, um eine Erfassung von 2D- oder 3D-Daten durch den Sensor eines Messgeräts, insbesondere eine zu einem bestimmten Zeitpunkt erfolgende Erfassung von 2D- oder 3D-Daten. Beispielsweise kann die Messung 2D-Daten oder 3D-Daten zur Form der Oberfläche des Messobjekts entlang einer Messlinie, beispielsweise einer Laserlinie, erzeugen. Alternativ kann die Messung 2D-Daten oder 3D-Daten zu einem einzelnen Punkt der Oberfläche eines Messobjekts umfassen, wie sie durch einen taktilen Sensor erzeugt werden.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Messgerät kabellos ausgeführt. In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung überträgt das Messgerät seine Messdaten drahtlos an eine Auswerteeinheit.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich um bei dem Messgerät um ein mobiles Messgerät. Insbesondere kann das Messgerät handgeführt sein oder durch eine Motorik bewegt werden, beispielsweise an einem Roboter angeordnet sein.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es bei dem Messgerät um einen Laserscanner und/oder einen auf Streifenprojektion basierenden Sensor und/oder einen taktilen Sensor.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem aktiven Marker um eine LED, insbesondere um eine Infrarot-LED. In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem optischen Sensor um einen Infrarot-Sensor.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt die Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung durch eine Flankenerfassung.
Bevorzugt weist die Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung eine Messungenauigkeit von weniger als 50 µs auf, bevorzugt von weniger als 10 µs, weiter bevorzugt von weniger als 2 µs.
Bei der Intensitätsänderung kann es sich auch um eine Intensitätsänderung eines spektralen Anteils eines Signals des Markers handeln, beispielsweise einen Farbwechsel.
Bevorzugt handelt es sich bei der Intensitätsänderung jedoch um das Ein- oder Ausschalten des Markers, insbesondere um das Einschalten.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Messsystems,
2 ein Diagramm, welches die erfindungsgemäße Ansteuerung von Markern und die optische Erfassung und Auswertung des Signals der Marker zeigt,
3 ein Diagramm, welches eine Initialisierungssequenz für mehrere Marker zeigt,
4 ein Diagramm, welches das Signal eines Markers während der Initialisierungssequenz zeigt, und
5 ein Diagramm, welches mehrere Möglichkeiten zur Überlagerung des Signals des Markers mit codierten Informationen zeigt.

Bei einem Messsystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Objekt mit einem oder mehreren aktiven Markern ausgestattet. Diese Marker können z.B. über eine Sensoranordnung, bspw. Kameras eines Trackingsystems, erkannt werden. Eine räumliche Zuordnung kann durch die Information mehrerer Sensoranordnungen, insbesondere mehrerer Kameras erfolgen. Hierdurch wird die Position eines Markers im Raum und somit auch die Position des Objekts bestimmt.
Um die Orientierung des Objektes zu ermitteln werden mehrere Marker verwendet. Diese können sequentiell in kurzen Zeitabständen angesteuert werden. Durch A-Priori-Wissen über die Position der Marker am Objekt lässt sich die Orientierung des Objekts im Raum bestimmen.
Bei dem getrackten Objekt kann es sich selbst um eine aktive Komponente handeln, welche Messungen durchführt, beispielsweise einen 2D-Sensor oder 3D-Sensor wie einen Laserscanner oder einen taktilen Taster, bei dem die Messung über einen Schalter ausgelöst wird.
Die Informationen, die ein aktive Objekt erzeugt, und die Position und Orientierung des Objektes, die durch das Tracking System aufgezeichnet wird, werden zusammengeführt, um die Position des Messobjekts im Raum zu erfassen. Da sich das Objekt im Raum bewegen kann, ist es erforderlich den exakten Zeitpunkt zu kennen, wann eine Messung durchgeführt worden ist. Wurde zum Beispiel die Kontur eines Messobjekts mittels eines Laserscanners aufgezeichnet, ergibt die Messung des Profils den Abstand zu einem festen Punkt im Scanner. Das Trackingsystem kennt die Position und Orientierung des Scanners, somit können diese Daten zusammengeführt werden, um die 3D-Daten des Messobjekts im Raum zu erfassen. Allerdings müssen der Zeitpunkt, bei dem der Tracker die Position ermittelt hat, sowie der Zeitpunkt, bei dem der Laserscanner die Linie aufgezeichnet hat, bekannt sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Signale der Marker nicht nur zur räumlichen Positionsbestimmung verwendet, sondern auch für die zeitliche Synchronisation. Insbesondere erfolgt die zeitliche Synchronisierung über die Strahlungssignale, die von den aktiven Markern erzeugt werden. Die Marker selbst erzeugen somit ein Synchronisationssignal.
1 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel eines Messsystems, bei welchem eine solche zeitliche Synchronisierung mittels des Signals der aktiven Marker erfolgt. Das erfindungsgemäße Vorgehen kann jedoch bei beliebigen Messsystemen mit aktiven Markern eingesetzt werden.
Die in 1 gezeigte Messsystem zur 3D-Erfassung eines Messobjektes 2 und insbesondere zur 3D-Vermessung der Oberfläche 1 des Messobjekts 2 umfasst ein Messgerät 3 zur Erzeugung von 2D-Objektdaten oder 3D-Objektdaten der Oberfläche 1 des Objekts 2, beispielsweise in Form eines Scanners, ein Tracking-System 4 zum Bestimmen der Position und Orientierung des Messgeräts 3 und zum Gewinnen der Lagedaten des Messgeräts 3 und einer Recheneinheit 5 zum Bestimmen der 3D-Koordinaten der Oberfläche 1 des Objekts 2 aus den Objektdaten und den Lagedaten. Weiterhin kann ein Controller zur Ansteuerung des Messgeräts 3 und/oder des Tracking-Systems 4 vorgesehen sein. In einer alternativen Ausführung kann das Messsystem ohne Controller ausgeführt sein.
Das Messsystem kann weiterhin eine Übermittlungseinrichtung zum drahtlosen Übermitteln der Objektdaten von dem Messgerät 3 an den Controller und/oder die Recheneinheit 5 mit einen Sender/Empfänger 6 und einen Sender/Empfänger 7 umfassen. Zwischen den Sendern/Empfängern 6, 7 kann eine bidirektionale Datenübertragung stattfinden. Bspw. kann der Sender/Empfänger 7 des Controllers und/oder der Recheneinheit 5 Steuerbefehle an das Messgerät 3 senden.
An dem Messgerät 3 sind mehrere aktive Marker 10 angeordnet, deren Position von dem Tracking-System 4 bestimmt wird. Beispielsweise kann es sich bei den aktiven Markern um IR-Marker (Infrarot-Marker) handeln. Aus den Positionen der aktiven Marker 10 ermittelt das Tracking-System 4 die Position und Orientierung des Messgeräts 3. Hierzu umfasst das Tracking-System 4 im Ausführungsbeispiel einen oder mehrere Sensoren 8. Beispielsweise können drei IR-Sensoren (InfrarotSensoren) 8, die jeweils eine Optik und einen Zeilen- oder Flächen-Sensor umfassen, vorgesehen sein. Die aktiven Marker 10 des Messgeräts 3 werden abwechselnd angesteuert und aktiviert, so dass deren Signale von den Sensoren 8 aufgenommen werden, woraus das Tracking-System 4 die jeweilige Position des jeweils angesteuerten aktiven Markers ermittelt. Das Tracking-System 4 bestimmt daraus die Position und Orientierung des Messgeräts 3 und übermittelt diese Lagedaten des Messgeräts 3 über die Leitung 9 an den Controller und/oder die Recheneinheit 5. Es ist allerdings auch möglich, dass die Lagedaten des Messgeräts 3 von dem Controller 5 bestimmt werden. Der Controller kann die Daten an die Recheneinheit 5 weiterleiten, wobei es sich bei der Recheneinheit bevorzugt um ein Datenverarbeitungsgerät handelt, insbesondere einen PC.
Das Messgerät 3 kann einen Projektor und eine Kamera umfassen. Insbesondere kann der Projektor eine Laserlichtquelle und eine Linienoptik aufweisen. Der Projektor erzeugt eine Projektionslinie 12, welche von einer Kamera des Messgeräts aufgenommen. Die Projektionslinie wird in der Kamera als Sensorlinie abgebildet, aus welcher das Messgerät die Form der Oberfläche des Messobjekts entlang der Projektionslinie ermittelt. Diese Daten bilden die Objektdaten.
Der handgehaltene Messgerät wird entlang des Messobjekts bewegt. Auf diese Weise überstreicht die Projektionslinie die Oberfläche 1 des Objekts 2. Dabei entstehen Datensätze, die der jeweiligen Position des Messgeräts 3 zu einem bestimmten Zeitpunkt zugeordnet sind. Der Datensatz für eine bestimmte Position des Messgeräts 3 zu einem bestimmten Zeitpunkt umfasst die Objektdaten, die zu der zu diesem Zeitpunkt aufgenommenen Projektionslinie gehört, und die Position und Orientierung des Messgeräts 3 zu diesem Zeitpunkt, die von dem Tracking-System 4 bestimmt werden. Aus diesem Datensatz können die absoluten 2D- oder 3D-Koordinaten der Projektionslinie 12 auf der Oberfläche 1 des Objekts 2 bestimmt werden. Durch eine Wiederholung dieses Vorgangs und die Verarbeitung einer Vielzahl von Datensätzen für andere Positionen des Messgeräts 3 zu anderen Zeitpunkten können die 2D- oder 3D-Koordinaten für eine Vielzahl von Projektionslinien 12 und damit für die gesamte Oberfläche 1 des Objekts 2 bestimmt werden.
Zum Bestimmen der 3D-Koordinaten der Oberfläche 1 des Objekts 2 ist es daher erforderlich, die Objektdaten und die Lagedaten miteinander zu synchronisieren.
Dies erfolgt erfindungsgemäß, indem der Zeitpunkt einer Intensitätsänderung des aktiven Markers mittels eines optischen Sensors 20 erfasst wird.
Dieser ist im Ausführungsbeispiel am Tracking-System 4 angeordnet. Bei dem optischen Sensor 20 kann es sich um einen zusätzlichen Sensor, insbesondere eine Photodiode wie beispielsweise eine Avalanche-Photodiode handeln, oder eine der Sensoranordnungen 8 des Tracking-Systems, über welche die Position der Marker 10 bestimmt wird. In einer alternativen Ausgestaltung könnte der optische Sensor auch an einer zum Tracking-System separaten Baueinheit angeordnet werden.
Neben der Synchronisation können über die Strahlungssignale der Marker auch noch weitere Informationen an das Trackingsystem übertragen werden. Signale wie zum Beispiel ob ein Taster zum Auslösen einer Messung gedrückt ist oder Daten über die Geometrie der Anordnung der Marker.
Weiterhin wird identifiziert, welcher Marker zu welchem Zeitpunkt angesteuert und gemessen wird. Wenn die Marker in einer bekannten Sequenz angesteuert werden, muss nur einmalig ein Marker dieser Sequenz identifiziert werden. Ebenso wird ermittelt, wie viele Sequenzen zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgetreten sind. Weiterhin werden zusätzliche Daten, z. B. das Auslösen eines Tasters, eindeutig einer Wiederholung einer Sequenz zugeordnet.
Die Erfindung verwendet statt eines separaten Kanals die im System vorhanden aktiven Marker, um eine zeitliche Synchronisation herzustellen und ggf. weitere Informationen zu übertragen.
In einem Ausführungsbeispiel wird hierzu die Flanke des optischen Signals der Marker ausgewertet. Dies kann über eine Photodiode oder eine Avalanche-Photodiode 10 erreicht werden. Ebenso wäre es vorstellbar, das Signal der Sensoranordnung 8 direkt diesbezüglich auszuwerten. Bei Verwendung einer Photodiode kann eine Optik, Filter und Verstärker eingesetzt werden.
Wie in 2 dargestellt wandelt die Photodiode 10 das optische Signal in ein analoges Signal um. Die Signaländerung (Flanke) wird erkannt und der Zeitpunkt erfasst. Somit kann erkannt werden, wann ein Marker aktiv oder inaktiv ist.
Zwar kann erkannt werden, zu welchem Zeitpunkt ein Marker eingeschaltet wird, jedoch kann dadurch noch nicht erkannt werden, um welchen Marker es sich handelt. Da das Trackingsystem aber nicht ständig sämtliche Marker erfasst, muss ermittelt werden, welcher der Marker gerade erfasst wird, um die Synchronisation vorzunehmen.
Um dies sicher zu stellen, wird in einem ersten Ausführungsbeispiel eine bestimmte Markersequenz zur Initialisierung verwendet.
In Rahmen der Initialisierungssequenz werden zunächst alle Marker eingeschaltet, ausgeschaltet und wieder eingeschaltet. Daraufhin erfolgt eine Kodierungssequenz, in welcher jeder Marker in einer fest vorgegebenen Sequenz in einzelnen Frames ein- oder ausgeschaltet ist. Hierdurch kann das Trackingsystem ermitteln, welche Marker es gerade sieht.
Da die einzelnen Marker in einer fest vorgegebenen Sequenz innerhalb eines Mess-Frames aufleuchten, weiß das System auch bei solchen Markern, welche zunächst nicht identifiziert wurden und erst im späteren Verlauf sichtbar werden, wann diese ungefähr aufleuchten sollten, und kann deren Signale daher zuordnen.
Die Flankenerkennung wird bevorzugt immer dann, wenn das Signal erkannt wird, zur Synchronisierung herangezogen.
Eine Markersequenz wird dabei üblicherweise als Frame bezeichnet. Im Rahmen einer normalen Messung wird jeder Marker zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb jedes Frames angesteuert. Diese Frames werden im folgenden als Daten-Frames bezeichnet.
Im Rahmen der Initialisierungssequenz wird nicht jeder Marker in jedem Frame angesteuert. Vielmehr werden die Marker nach bestimmten Mustern angesteuert, welche eine Identifizierung der Marker erlauben.
In dem in 3 dargestellten Beispiel wurden dafür drei unterschiedliche Arten von Frames verwendet:

• Daten-Frames: Beschreiben den einfachen Messmodus (alle Marker sequentiell aktiv)
• Preamble-Frames 1 und 3: Alle Marker des Frames deaktiviert.
• Preamble-Frame 2: Alle Marker des Frames aktiviert (wie Daten-Frame).
• Marker ID Frames: Marker wird je nach ID und Frame-Nummer aktiviert. Die Sequenz ist für jeden Marker einzigartig.

In 3 ist hierfür ein Beispiel mit sieben Markern gezeigt. Die Zeilen zeigen die aufeinanderfolgenden Frames. Die Spalten zeigen die Zeitslots innerhalb des Frames, welche den einzelnen Markern zugeordnet sind. Dabei ist jeweils angegeben, ob der Marker in seinem Slot aufleuchtet (Marker on) oder nicht (Marker off).
Für die Flankenerkennung wird kein Wissen benötigt, um welchen Marker es sich handelt. Da die Signale periodisch sind, ist bekannt, dass sichtbare Marker nach einer bekannten Periode wieder aufblitzen müssen. Über eine vorgegebene Sequenz ist unmittelbar erkennbar, um welchen Marker es sich handelt.
Würde beim Empfänger nur ein Marker gesehen werden, könnte man dennoch herausfinden, um welchen Marker es sich handelt, da ein noch unbekannter Marker immer in seinem Zeitfenster blitzt.
Marker 6 würde in den Marker-ID-Frames z.B. durch On/On/Off kodiert. Die entsprechende Initialisierungssequenz ist in 4 wiedergegeben.
In dem in 4 gezeigten Beispiel handelt es sich um:

1: Beliebiger Daten-Frame vor der Initialisierung
2: Beliebiger Daten-Frame vor der Initialisierung
3: Beliebiger Daten-Frame vor der Initialisierung
4: Preamble-Frame 1: Marker off
5: Preamble-Frame 2: Marker on
6: Preamble-Frame 3: Marker off
7: Marker-ID-Frame 1: Marker on
8: Marker-ID-Frame 2: Marker on
9: Marker-ID-Frame 3: Marker off
10: Daten-Frame 1: Marker 6 on und sichtbar
11: Daten-Frame 2: Marker 6 on und sichtbar

In 4 zeigen dabei:

40: Daten-Frames
41: Preamble-Frames
42: Marker-ID-Frames
43: Daten-Frames

Um die Daten des Messgerätes den Positionsdaten des Trackingsystems zuordnen zu können, werden die Messdaten mit einem Zeitstempel versehen, welcher angibt, zu welchem Marker-Ereignis sie aufgenommen wurden. Bei den Positionsdaten des Trackingsystems werden dann entsprechende Zeitstempel abgespeichert, so dass die Sensordaten und die Trackingdaten einander zeitlich zugeordnet werden können.
In einem möglichen Ausführungsbeispiel wird weiterhin auch die Frame-Rate des Tracking-Sensors an die Abfolge der Marker angepasst, d. h. mit dem Aufleuchten der Marker synchronisiert, um die Marker jeweils in den Frames des Trackingsystems zu erfassen. Auch dies wird nun mittels der optischen Erfassung der Flanken der Lichtimpulse vorgenommen.
In einem möglichen Ausführungsbeispiel des Trackingsystems werden zwei aufeinander senkrecht stehende Zeilen-Sensoren zur Positionserfassung eingesetzt, so dass diese nur jeweils einen Lichtpunkt erfassen können. Daher werden die Marker sequentiell angesteuert.
In einem alternativen System kann dagegen ein Flächensensor eingesetzt werden. In diesem Fall könnten auch mehrere Marker auf einmal aufleuchten, da sie vom Sensor unterschieden werden könnten. Weiterhin können sämtliche der Marker dauerhaft aktiv sein. In einem solchen System kann die erfindungsgemäße Synchronisierung ebenfalls eingesetzt werden, indem beispielsweise zur Synchronisierung alle Marker ein- und wieder ausgeschaltet werden und der Zeitpunkt dieses Ereignisses zur Synchronisierung herangezogen wird.
Beispielsweise könnten bei einem alternativen System, bei dem die Marker nicht sequentiell, sondern gleichzeitig angesteuert werden, mit den oben beschriebenen Preamble-Frames alleine eine Synchronisation durchgeführt werden
In einem möglichen Ausführungsbeispiel kann die Initialisierungssequenz immer dann durchgeführt werden, wenn eine Messung mit dem Messgerät gestartet wird. Hierdurch kann auch die Frame-Nummerierung initialisiert werden.
Die Initialisierungssequenz darf deshalb auch nicht zu lange dauern, um keine Verzögerung zwischen der Benutzereingabe zum Starten der Messung, beispielsweise dem Drücken eines Start-Knopfes, und dem Beginn der Messungen eintreten zu lassen. Bevorzugt dauert die Initialisierungssequenz nicht mehr als 250 ms.
In einem Ausführungsbeispiel kann zusätzlich oder anstelle der Initialisierungssequenz eine Informationskodierung in den Markerpulsen vorgenommen werden.
In einem Ausführungsbeispiel werden Informationen in Echtzeit an das Trackingsystem übermittelt. Dazu werden die Signale der Marker (Pulse) so angepasst, dass Informationen innerhalb dieser Pulse kodiert werden. Die Kodierung wirkt sich dabei nicht negativ auf die primäre Aufgabe des Pulses (Bestimmung der Position im Raum) oder die Synchronisierung aus.
Im 5 sind einige Beispiele wiedergegeben, wie Informationen in einem Markerpuls kodiert werden können:

• Dauer des Markerpulses oder kurzeitige Deaktivierung des Pulses zu einem Zeitpunkt. (Bsp. Pulsdauer Marker 1 = 100 µs Marker 2 = 110 µs / oder eine Messung ausgelöst wurde)
• Informations-Burst außerhalb der Belichtungszeit des Messsystems
• Modulierung eines Signals auf die Amplitude des Markersignals.

Hierbei können aus der Nachrichtentechnik bekannte Kodierverfahren zur Anwendung kommen. So kann z. B. ein Manchester Code eingesetzt werden, welcher die mittlere Markerleistung unabhängig von den Informationen konstant hält. Das CDMA- Verfahren (Codemultiplex) kann verwendet werden, um Informationen aus mehreren gleichzeitig gesendeten Pulsen zu trennen. CRC- (Zyklische Redundanzprüfung) und FEC-Verfahren (Fehlerkorrektur) können verwendet werden, um Daten zu validieren, Fehler in den Informationen zu erkennen oder zu korrigieren.
Der Sensor kann dem Tracking System hierdurch eine Vielzahl von Informationen zur Verfügung stellen.
Beispielsweise können eine oder mehrere oder alle der folgenden Informationen über das Signal eines oder mehrerer Marker übertragen werden: Marker ID, FramelD, Seriennummer des Gerätes, Marker-Sequenzen, räumliche Anordnung der Marker, Kalibrierinformationen und vieles mehr.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010018979 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur 3D-Erfassung eines Messobjektes, bei welchem mindestens ein aktiver optischer Marker eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt einer Intensitätsänderung des aktiven Markers durch einen optischen Sensor erfasst und zur zeitlichen Zuordnung einer Messung eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mehrere aktive Marker eingesetzt werden, wobei bevorzugt die Zuordnung der durch den optischen Sensor erfassten Intensitätsänderung zu einem Marker durch Auswertung des Signals des optischen Sensors und/oder durch Auswertung einer Initialisierungssequenz und/oder durch Auswertung von dem Signal der aktiven Marker überlagerten codierten Informationen erfolgt, wobei weiter bevorzugt im Rahmen der Initialisierungssequenz in mindestens einem Frame alle Marker eingeschaltet und/oder alle Marker ausgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Messung mit einem Zeitstempel versehen wird, welcher einen zeitlichen Bezug der Messung zu der Intensitätsänderung des aktiven Markers wiedergibt und/oder mit dieser synchronisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei mehrere Messungen vorgenommen werden, welche jeweils mit einem Zeitstempel versehen werden, wobei die mehreren Messungen bevorzugt durch die selbe Sensoranordnung aber zeitlich versetzt oder durch unterschiedliche Sensoranordnungen vorgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung des aktiven Markers zur Synchronisation der Messung mit weiteren Daten herangezogen wird und/oder wobei mehrere Sensoreinheiten zusammenwirken, um die 3D-Vermessung vorzunehmen, wobei die Synchronisation der mehren Sensoreinheiten über die Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung des aktiven Markers erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der aktive optische Marker an einem Messgerät angeordnet ist und/oder mit der Steuerung eines Messgerätes in Kommunikationsverbindung steht, wobei bevorzugt der Zeitpunkt der durch die Ansteuerung des Markers hervorgerufenen Intensitätsänderung zeitlich mit einer Messung des Messgerätes korreliert wird, wobei es sich bei dem Messgerät bevorzugt um ein optisches Messgerät zur 2D- oder 3D-Erfassung eines Messobjektes handelt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Position eines Messgerätes erfasst wird, insbesondere über ein Trackingsystem, wobei die Positionserfassung mittels der Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung des aktiven Markers mit Messungen des Messgerätes synchronisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Trackingsystem die Position des Messgerätes durch Bestimmen der Position des mindestens einen aktiven Markers erfasst, wobei bevorzugt mehrere aktive Marker zur Erfassung der Position des Messgerätes eingesetzt werden, welche weiter bevorzugt sequentiell aufleuchten.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die Position des aktiven Markers über eine Sensoranordnung erfasst wird, wobei die Sensoranordnung bevorzugt mindestens einen Zeilensensor und/oder Bildsensor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung des aktiven Markers durch Auswertung des Signals der ersten Sensoranordnung erfolgt oder wobei die Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung des aktiven Markers durch Auswertung des Signals eines zusätzlichen Sensors erfolgt, wobei es sich bei dem zusätzlichen Sensor bevorzugt um eine Photodiode handelt und/oder der zusätzliche Sensor keine Positionsdaten ermittelt und/oder wobei der zusätzliche Sensor bevorzugt in einer Baueinheit mit der ersten Sensoranordnung verbaut ist.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die 2D- oder 3D-Erfassung des Messobjektes optisch erfolgt, insbesondere mittels eines Laserscanners und/oder eines auf Streifenprojektion basierenden Sensors.
Messsystem zur 3D-Erfassung eines Messobjektes, mit mindestens einem aktiven optischen Marker, einem optischen Sensor und mit mindestens einer Steuerung, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung den Zeitpunkt einer Intensitätsänderung des aktiven Markers mittels des optischen Sensors erfasst und zur zeitlichen Zuordnung einer Messung einsetzt.
Messsystem nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine Steuerung des Messsystems programmiert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, und/oder wobei das Messsystem ein Messgerät zur Erzeugung von 2D- oder 3D-Daten eines Messobjektes, ein Tracking-System zur Lageerfassung eines Messgerätes und/oder eine Auswerteeinheit umfasst, insbesondere ein Messgerät nach Anspruch 6 und/oder ein Trackingsystem nach Anspruch 7 oder 8.
Messgerät für ein Messsystem nach Anspruch 12 oder 13, wobei der mindestens eine aktive Marker am Messgerät angeordnet ist und/oder mit einer Steuerung des Messgerätes in Kommunikationsverbindung steht, wobei das Messgerät mindestens eine Messung mit einem Zeitstempel versieht, welcher einen zeitlichen Bezug der Messung zu der Intensitätsänderung des aktiven Markers wiedergibt und/oder mit dieser synchronisiert ist.
Trackingsystem für ein Messsystem nach Anspruch 12 oder 13, mit einer Sensoranordnung zur Erfassung der Position des Messgerätes und einem optischen Sensor zur Erfassung des Zeitpunkts der Intensitätsänderung des aktiven Markers.