DE102021121121A1 - Device for determining geometric properties of a surface using polarized light - Google Patents

Device for determining geometric properties of a surface using polarized light Download PDF

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Abstract

Anordnung zur Ermittlung geometrischer Eigenschaften einer Oberfläche, gekennzeichnet durch mindestens eine Beleuchtung (L0) mit polarisiertem Licht, das auf die Oberfläche gerichtet ist, und durch zwei Polarisationskameras (C1, C2) in Stereo-Anordnung.Zur Herstellung einer Punktekorrespondenz können entweder die nicht polarisierten Komponenten ausgewertet werden oder in spezieller Anordnung von mehreren Beleuchtungen (L0, L1, L2) entweder nur die polarisierten oder getrennt die polarisierten und nicht polarisierten Komponenten.Damit wird die Ermittlung der geometrischen Eigenschaften einer Oberfläche mittels Stereoanalyse ermöglicht ohne Bewegung, ohne aufwendige Muster-Projektionseinrichtungen, mit einfach zu realisierenden Beleuchtungseinheiten und mit frei auf dem Markt verfügbaren, intern unveränderten Kameras (Polarisationskameras). Mit derselben Anordnung können gemischt dielektrische und metallische Oberflächen ausgewertet werden, ebenso diffus und glänzend streuende Oberflächen, ohne dass bekannt sein muss, wie diese Materialeigenschaften auf der Oberfläche verteilt sind.Arrangement for determining geometric properties of a surface, characterized by at least one illumination (L0) with polarized light directed onto the surface and by two polarization cameras (C1, C2) in a stereo arrangement. To produce a point correspondence, either the non-polarized Components are evaluated or in a special arrangement of several illuminations (L0, L1, L2) either only the polarized or separately the polarized and non-polarized components. This enables the determination of the geometric properties of a surface by means of stereo analysis without movement, without complex pattern projection devices , with lighting units that are easy to implement and with freely available, internally unchanged cameras (polarization cameras). With the same arrangement, mixed dielectric and metallic surfaces can be evaluated, as well as diffuse and shiny scattering surfaces, without having to know how these material properties are distributed on the surface.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Ermittlung geometrischer Eigenschaften einer Oberfläche. „Geometrie“ ist hierbei weit gefasst und erstreckt sich von der Feinstruktur, über die Grobstruktur wie der Welligkeit oder Verbiegung der Oberfläche eines Bauteils, über die Geometrie eines Objektes oder einer Szene mit mehreren Objekten, siehe 1: Die Oberfläche 1 kann gekrümmt sein und mehr oder weniger starke, auch abrupte Höhenunterschiede aufweisen (1a). Neben der Oberflächengeometrie (Höhenbild mit Höhe in Bezug zu einer Referenzebene) können je nach Aufgabenstellung Strukturmerkmale zu ermitteln sein wie Löcher (1b), unterschiedliche Rauigkeit (1c), Poren (1d), Kratzer (1e), etc. Der Bezug solcher Strukturmerkmale zur Oberflächengeometrie ist dann herzustellen; ebenso kann es Aufgabe sein, den Bezug von albedo-bezogenen Merkmalen oder Farbmerkmalen zur Oberflächengeometrie herzustellen. Auch die Ermittlung der Lage verschiedener Objekte in einer Szene auf Basis eines nach hier vorgestellten Verfahren und Anordnungen erstellten Höhenbildes zählt zum Betreff der vorliegenden Erfindung.The invention relates to devices for determining geometric properties of a surface. "Geometry" is broadly defined here and extends from the fine structure, to the coarse structure such as the waviness or bending of the surface of a component, to the geometry of an object or a scene with several objects, see 1 : The surface 1 can be curved and have more or less pronounced differences in height, including abrupt ones (1a). In addition to the surface geometry (elevation image with height in relation to a reference plane), structural features such as holes (1b), different roughness (1c), pores (1d), scratches (1e), etc. can be determined depending on the task Surface geometry is then to be produced; it can also be a task to relate albedo-related features or color features to surface geometry. The determination of the position of various objects in a scene on the basis of a height image created according to the methods and arrangements presented here is also part of the subject matter of the present invention.

Anwendungen finden sich u.a. in Industrie, Landwirtschaft und Medizin.Applications can be found in industry, agriculture and medicine, among others.

Bei Stereosystemen ist die Grundaufgabe die Bestimmung korrespondierender Punkte. Die Suche korrespondierender Punkte kann vereinfacht werden durch Beschränkung der Suche auf epipolaren Linien. Eine Korrespondenzhypothese P1/P2 ist die Vermutung, dass ein in Kamera C1 erfasster Punkt P1 auf der Oberfläche einem in Kamera C2 erfassten Punkt P2 entspricht. Zu einer Korrespondenzhypothese können bei geometrisch kalibrierten Kameras die 3D-Koordinaten des zugehörigen Oberflächenpunktes berechnet werden. Bei der Suche werden jeweils Merkmale an einem Punkt P1 von Kamera C1 mit Merkmalen eines Punktes P2 in Kamera C2 verglichen. Die Merkmale sind aus Daten, die die Kamera an den Pixeln P1 in Kamera C1 und P2 in Kamera C2 (P1/P2) oder dort in kleinen Bildausschnitten liefert, abgeleitet. Im Laufe der Korrespondenzbestimmung werden für Korrespondenzhypothesen P1/P2 Gütewerte bestimmt, die sich aus dem Vergleich der Merkmale von P1 mit denen von P2 ergeben. Eine gute Merkmalswahl zeichnet sich dadurch aus, dass die Gütewerte bei Falschhypothesen mit hoher Wahrscheinlichkeit niedrig und bei richtigen Hypothesen mit hoher Wahrscheinlichkeit hoch sind. Die Gesamtaufgabe läuft auf die Optimierung einer Gesamtgüte hinaus unter Einhaltung notwendiger geometrischer Randbedingungen.In the case of stereo systems, the basic task is to determine corresponding points. The search for corresponding points can be simplified by restricting the search to epipolar lines. A correspondence hypothesis P1/P2 is the assumption that a point P1 on the surface captured in camera C1 corresponds to a point P2 captured in camera C2. With geometrically calibrated cameras, the 3D coordinates of the associated surface point can be calculated for a correspondence hypothesis. In the search, features at a point P1 of camera C1 are compared with features of a point P2 in camera C2. The features are derived from data provided by the camera at pixels P1 in camera C1 and P2 in camera C2 (P1/P2) or there in small image sections. In the course of the correspondence determination, quality values are determined for correspondence hypotheses P1/P2, which result from the comparison of the characteristics of P1 with those of P2. A good choice of feature is characterized by the fact that the quality values are low with a high probability of being false hypotheses and high with a high probability of being high with correct hypotheses. The overall task boils down to the optimization of an overall quality while complying with the necessary geometric boundary conditions.

Wird nun anstelle einzelner skalarer Merkmale ein ganzer Merkmalsvektor von untereinander möglichst unabhängigen Einzelmerkmalen verwendet, so wird die Korrespondenzbestimmung dadurch erleichtert und das Ergebnis in der Regel verbessert, die Merkmale sind also signifikanter. Grundsätzliche Verfahren zum Finden von Punktkorrespondenzen auf epipolaren Linien werden ausführlich in der Literatur beschrieben. Die in der Erfindung vorgeschlagenen Anordnungen und Verfahren dienen der Gewinnung möglichst signifikanter Merkmale bzw. Merkmalsvektoren.If, instead of individual scalar features, an entire feature vector of individual features that are as independent as possible is used, the correspondence determination is thereby simplified and the result is usually improved, ie the features are more significant. Basic methods for finding point correspondences on epipolar lines are described in detail in the literature. The arrangements and methods proposed in the invention serve to obtain features or feature vectors that are as significant as possible.

Wird eine Oberfläche mit unpolarisiertem Licht beleuchtet, so ist das reflektierte Licht je nach Oberflächenbeschaffenheit und Brechungsindex des Materials zu einem gewissen Grad polarisiert. Aus der Polarisierung an einem Oberflächenpunkt kann grundsätzlich auf die Oberflächennormale an diesem Punkt geschlossen werden. („Shape-From-Polarisation“). Der Nachteil dabei: Die Polarisierungseffekte sind dabei i.a. schwach, die dabei berechneten Daten der Oberflächennormalen sind daher ungenau oder verrauscht, zudem sind sie mehrdeutig. Siehe hierzu die weiter unten zitierte Literatur.If a surface is illuminated with unpolarized light, the reflected light will be polarized to a certain extent, depending on the nature of the surface and the refractive index of the material. In principle, the surface normal at this point can be deduced from the polarization at a surface point. (“shape-from polarization”). The disadvantage: The polarization effects are i.a. weak, the calculated surface normal data are therefore imprecise or noisy, and they are ambiguous. See the literature cited further below.

Nach [Zhu + Smith] werden eine Polarisationskamera [Sony] und eine konventionelle RGB-Kamera in Stereo-Anordnung verwendet. Es handelt sich um die Kombination der Ergebnisse konventioneller Stereoauswertung mit denen einer Shape-From-Polarisation Auswertung mittels Polarisationskamera. Die Beleuchtung ist unpolarisiert. Im ersten Schritt werden beide Kameras als konventionelle Kameras genutzt und es wird aufgrund klassischer Stereoverarbeitung mit den beiden Kameras zunächst eine grobe Tiefenkarte erstellt. Im zweiten Schritt wird alleine die Polarisationskamera verwendet, um mit klassischen Shape-From-Polarisation-Methoden die Oberflächennormalen zu berechnen. Unter Zuhilfenahme der groben Tiefenkarte werden die Mehrdeutigkeiten und Unsicherheiten der Oberflächennormalen weitgehend beseitigt und daraus wird wiederum eine dichtere Tiefenkarte erstellt. Ein Nachteil des Ansatzes ist, dass - im Gegensatz zu Shape-From-Polarisation - die konventionelle Stereoauswertung nicht mit strukturarmen Oberflächen funktioniert, so dass die Kombination in solchen Fällen keinen Fortschritt gegenüber Shape-From-Polarisation bringt.According to [Zhu + Smith], a polarization camera [Sony] and a conventional RGB camera are used in a stereo arrangement. It is the combination of the results of conventional stereo evaluation with those of a shape-from-polarization evaluation using a polarization camera. The lighting is unpolarized. In the first step, both cameras are used as conventional cameras and, based on classic stereo processing, a rough depth map is first created with the two cameras. In the second step, the polarization camera alone is used to calculate the surface normals using classic shape-from-polarization methods. With the help of the coarse depth map, the ambiguities and uncertainties of the surface normal are largely eliminated and a denser depth map is in turn created from this. A disadvantage of the approach is that - in contrast to shape-from polarization - the conventional stereo evaluation does not work with surfaces with little structure, so that in such cases the combination brings no improvement over shape-from polarization.

In [Zhao et al.] werden Ergebnisse aus RGB-Stereobildern mit Shape-From-Polarisation Ergebnissen zu einem konsistenten Ergebnis kombiniert. Die Beleuchtung ist hierbei unpolarisiert. Gearbeitet wird hier mit einer Vielzahl von Ansichten. Experimentelle Ergebnisse wurden gewonnen durch Drehen eines Objekts vor einer RGB-Polarisationskamera in 31 Stellungen bei diffusem Tagesicht („cloudy day“). Zu dem Nachteil des vorgenannten Ansatzes ([Zhu + Smith]) kommt hier der technische Aufwand durch die Vielzahl von Aufnahmen in verschiedenen Ansichten hinzu.In [Zhao et al.], results from RGB stereo images are combined with shape-from-polarization results into a consistent result. The illumination is unpolarized in this case. A variety of views are used here. Experimental results were obtained by rotating an object in front of an RGB polarization camera in 31 positions in a cloudy day. In addition to the disadvantage of the aforementioned approach ([Zhu + Smith]), the technical effort is added here due to the large number of recordings in different views.

In [Conon et al.] werden für Zwecke der Vermeidung von störenden Lichtreflexen in der Endoskopie drei nah beieinander platzierte RGB-Miniaturkameras eingesetzt. Um die Kameras herum ist eine Ringleuchte mit Polarisationsfilter platziert. Vor den Kameras ist ein Polarisationsfilter montiert. Praktische Untersuchungen zur relativen Orientierung der Polarisationsfilter zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Lichtreflex bei der Aufnahme verschwindet, am höchsten ist, wenn das Kamera-Polarisationsfilter gegenüber dem Ringleuchten-Polarisationsfilter gekreuzt ist. Nachteil ist hier, dass die störenden Reflexe bei gewölbten Objekten (häufiger Fall) grundsätzlich nicht alle beseitigt werden können (die Polarisationsrichtung ändert sich je nach Neigung an einem Objektpunkt graduell und unterschiedlich) und dass bei Objekten mit homogener Oberfläche keine zuverlässige 3D-Auswertung gelingen kann.In [Conon et al.], three RGB miniature cameras placed close to each other are used to avoid disturbing light reflections in endoscopy. A ring light with a polarization filter is placed around the cameras. A polarization filter is mounted in front of the cameras. Practical investigations into the relative orientation of the polarization filters show that the probability that a light reflection disappears when the picture is taken is highest when the camera polarization filter is crossed over against the ring light polarization filter. The disadvantage here is that the disruptive reflections in the case of curved objects (frequent case) cannot all be eliminated (the direction of polarization changes gradually and differently depending on the inclination at an object point) and that no reliable 3D evaluation can succeed in the case of objects with a homogeneous surface .

In [Huang et al.] wird eine aktive, polarisations-codierte strukturierte Beleuchtung vorgeschlagen, ähnlich den klassischen Ansätzen mit codierter Beleuchtung (konkret: Gray Code), nur mit dem Unterschied, dass hier nicht die Helligkeit, sondern die Polarisation zur Codierung verwendet wird. Das Verfahren arbeitet mit einer einzelnen konventionellen Kamera und einem kalibrierten Musterprojektor (Kalibrierung erforderlich, da „ray plane triangulation“). Der Musterprojektor nutzt die bekannten polarisierenden Eigenschaften von LCDs aus. Vor einer konventionellen Kamera befindet sich ein Polarisationsfilter, so dass die Kamera für jeden Bildpunkt unterscheiden kann, ob die Polarisation an der Stelle gedreht ist oder nicht. Die so entstehenden Binärbilder werden nach klassischen Methoden ausgewertet. Nachteile sind zunächst der apparative Aufwand für den Projektor und die Vielzahl der zu projizierenden Bilder. Hauptnachteil ist jedoch, dass polarisiertes Licht, das an diffusen Oberflächen gestreut wird, seine Polarisation teilweise oder ganz verliert und an den betreffenden Stellen somit oft keine Auswertung stattfinden kann. Und: Trifft ein polarisierter Lichtstrahl auf eine Oberfläche mit Polarisation schräg zur Oberfläche, so wird der Polarisationswinkel gedreht, was die Wirkung des vor der Kamera befindlichen Polarisationsfilters verschlechtert und so die Binärbildgenerierung unsicherer macht.In [Huang et al.] an active, polarization-coded structured illumination is proposed, similar to the classical approaches with encoded illumination (specifically: Gray code), only with the difference that here not the brightness, but the polarization is used for encoding . The method works with a single conventional camera and a calibrated pattern projector (calibration required because of "ray plane triangulation"). The pattern projector uses the known polarizing properties of LCDs. A polarization filter is located in front of a conventional camera so that the camera can distinguish for each pixel whether the polarization is rotated at that point or not. The resulting binary images are evaluated using classic methods. Disadvantages are first of all the equipment required for the projector and the large number of images to be projected. However, the main disadvantage is that polarized light, which is scattered on diffuse surfaces, partially or completely loses its polarization and therefore often no evaluation can take place at the relevant points. And: If a polarized light beam hits a surface with polarization at an angle to the surface, the polarization angle is rotated, which worsens the effect of the polarization filter in front of the camera and thus makes the binary image generation less reliable.

In der Studie [Cui et al.] geht es darum, die Relativpose eines Objekts bei Aufnahmen in zwei verschiedenen Posen zu bestimmen. Die Aufgabenstellung weicht also vom hier vorliegenden Betreff der Erfindung ab. Für die Relativpose genügen zwei 3D-Punktkorrespondenzen und die dazugehörigen Oberflächennormalen. Um die Oberflächennormalen zu bestimmen, wird ein „Shape from Polarisation“ - Ansatz (s.o.) - mit den entsprechenden Nachteilen - verwendet, die Beleuchtung ist nicht polarisiert, es wird eine RGB-Kamera (Canon EOS 7D) mit vormontiertem Polarisationsfilter eingesetzt. Das beschriebene Verfahren funktioniert nur für diffuse Oberflächen. Die Existenz von Polarisationskameras wird in der Einleitung erwähnt, sie finden aber bei dem Verfahren keine Verwendung und ihr Einsatz wird auch nicht empfohlen, die im Detail beschriebenen Methoden sind nicht auf Polarisationskameras übertragbar. Die vom Zweck der hier vorliegenden Erfindung abweichende Aufgabe von [Cui et al.] ist auch erfüllbar, wenn nur wenige Objektstellen zuverlässig auswertbar sind; für die hier vorliegende Erfindung ist das nicht ausreichend.The study [Cui et al.] is about determining the relative pose of an object when taking pictures in two different poses. The task thus deviates from the present subject matter of the invention. Two 3D point correspondences and the associated surface normals are sufficient for the relative pose. In order to determine the surface normal, a "shape from polarization" approach (see above) - with the corresponding disadvantages - is used, the lighting is not polarized, an RGB camera (Canon EOS 7D) with a pre-mounted polarization filter is used. The procedure described only works for diffuse surfaces. The existence of polarization cameras is mentioned in the introduction, but they are not used in the method and their use is not recommended, the methods described in detail cannot be transferred to polarization cameras. The task of [Cui et al.], which deviates from the purpose of the present invention, can also be achieved if only a few object locations can be reliably evaluated; this is not sufficient for the present invention.

Aufgabe der Erfindung ist es, mindestens einen der oben genannten Nachteile zu vermeiden.The object of the invention is to avoid at least one of the disadvantages mentioned above.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen der beigefügten unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.The object is achieved according to the invention by methods and devices with the features of the appended independent patent claims. Preferred configurations and developments of the invention result from the appended dependent patent claims and the following description with associated drawings.

Im Gegensatz zum Stand der Technik werden bei der hier vorgestellten Erfindung polarisierte Beleuchtung, je nach Anspruch in spezieller Anordnung, und eine Kamera-Stereoanordnung mit zwei Polarisationskameras verwendet.In contrast to the prior art, the invention presented here uses polarized illumination, in a special arrangement depending on the claim, and a camera stereo arrangement with two polarization cameras.

Bei einer Polarisationskamera befinden sich im Strahlengang zwischen Optik und CCD-Sensor mehrere Polarisationsfilter, die einzelnen Pixeln zugeordnet sind und zu den zugeordneten Pixeln in unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet sind. So kann für kleine Bildregionen lokal aus den Intensitätsbeiträgen je mehrerer Pixel sowohl die Richtung als auch der Betrag der resultierenden polarisierten Komponente berechnet werden.In a polarization camera, there are several polarization filters in the beam path between the optics and the CCD sensor, which are assigned to individual pixels and are aligned in different directions with respect to the assigned pixels. For small image regions, both the direction and the amount of the resulting polarized component can be calculated locally from the intensity contributions of each of several pixels.

Derzeit befindet sich auf dem Markt ein Polarisations-Bildsensorchip der Firma Sony; hierbei wird mit Polarisationsfiltern auf jeweils einer 2x2-Pixel-Anordnung die Polarisation in 4 Hauptrichtungen erfasst. Der Chip ist dafür gedacht, Glanzlichter auf Fotos zu beseitigen, s. [Sony].A polarization image sensor chip from Sony is currently on the market; Here, the polarization in 4 main directions is recorded with polarization filters on a 2x2 pixel arrangement. The chip is intended to eliminate highlights in photos, see [Sony].

Es wird auch eine Farbvariante angeboten, wobei jeweils 2x2 solcher 2x2-Pixel-Anordnungen in Bayer-Filter-Anordnung eingesetzt werden. Die folgende Beschreibung bezieht sich nur auf die Schwarz-Weiß-Variante, die Verallgemeinerung der hier vorgestellten Methoden und Anordnungen mit zusätzlicher Farbauswertung für farbige Objekte ergibt sich auf direkte Weise, wird weiter unten angesprochen und ist in den Ansprüchen impliziert.A color variant is also offered, whereby 2x2 of such 2x2 pixel arrangements are used in a Bayer filter arrangement. The following description relates only to the black and white variant, the generalization of the methods and arrangements presented here with additional color evaluation for colored objects follows directly, is addressed further below and is implied in the claims.

Mit Polarisationskameras können die Hauptrichtung der Polarisation und der Betrag der polarisierten Komponente für jede 2x2-Pixelanordnung berechnet werden [JAI].With polarization cameras, the main direction of polarization and the amount of polari calculated component for each 2x2 pixel array [JAI].

Nach ersten Experimenten des Erfinders funktionieren die beschriebenen Methoden mit linear und grundsätzlich auch bei zirkular polarisierter Beleuchtung. Erleichternd für das Verständnis der Beschreibung ist die Vorstellung, es handle sich um linear polarisierte Beleuchtung. Beschreibung und Ansprüche beziehen sich jedoch auf linear oder zirkular polarisierte Beleuchtung, die Rede ist daher einfach von polarisierter Beleuchtung.According to the inventor's first experiments, the methods described work with linear and, in principle, also with circularly polarized illumination. The idea that linearly polarized lighting is involved makes it easier to understand the description. However, the description and claims refer to linearly or circularly polarized lighting, so we are simply talking about polarized lighting.

Bei einer Reflektion von einfallendem Licht an einer Oberfläche wird üblicherweise ein Teil des einfallenden Lichts spiegelnd reflektiert, und ein anderer Teil des einfallenden Lichts diffus. Glanzlichter auf Fotos entstehen, wenn das einfallende Licht zu einem erheblichen Anteil spiegelnd reflektiert wird. Dabei ist das Auftreten von Glanzlichtern richtungsabhängig, also abhängig vom dem Winkel, unter welchem das Licht einfällt, und von dem Winkel, in welchem die Polarisationskamera auf die Oberfläche gerichtet ist. Die Intensität von Glanzlichtern erreicht ein Maximum, wenn die Polarisationskamera im Glanzwinkel auf die Oberfläche gerichtet ist.When incident light is reflected off a surface, part of the incident light is usually specularly reflected and another part of the incident light is diffusely reflected. Highlights in photos are created when the incident light is largely reflected. The occurrence of highlights depends on the direction, i.e. on the angle at which the light strikes and on the angle at which the polarization camera is aimed at the surface. The intensity of specular highlights reaches a maximum when the polarization camera is aimed at the surface at the glancing angle.

Bei Oberflächenreflektionen kann man also grob unterscheiden zwischen zwei Komponenten: diffuse und spiegelnde Reflektion. Um die Erläuterung der Verfahrensprinzipien einfach zu halten, wird im Folgenden binär zwischen diffus reflektierenden und spiegelnd reflektierenden Oberflächen unterschieden, kurz matten bzw. glatten Oberflächen. Diese Eigenschaft variiert an der Oberfläche i.a. örtlich. In der Praxis sind natürlich auch Zwischenstufen und auch örtlich kontinuierliche Übergänge möglich.In the case of surface reflections, one can roughly distinguish between two components: diffuse and specular reflection. In order to keep the explanation of the process principles simple, a binary distinction is made below between diffusely reflecting and specularly reflecting surfaces, in short matt or smooth surfaces. This property varies on the surface i.a. locally. In practice, of course, intermediate stages and locally continuous transitions are also possible.

Bei den Materialeigenschaften wird zwischen dielektrischen und leitenden Materialien unterschieden, leitende Materialien sind bei den hier in Frage kommenden Anwendungen in der Regel Metalle (daher hier kurz „metallisch“). Auch diese Eigenschaft kann lokal variieren.In terms of material properties, a distinction is made between dielectric and conductive materials. In the applications in question here, conductive materials are usually metals (hence “metallic” for short). This property can also vary locally.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.The invention is described in more detail using exemplary embodiments.

1. Ausführungsbeispiel1st embodiment

Zu Anspruch 1 siehe 2: Zur Ermittlung geometrischer Eigenschaften einer Oberfläche 1 wird diese mit mindestens einer Beleuchtung L0 mit polarisiertem Licht beleuchtet, ausgewertet wird die nicht polarisierte Komponente. L0 ist als Realisierungsbeispiel schematisch als unpolarisierte Punktlichtquelle q0 gezeichnet, ausgestattet mit einem Polfilter P0. Anstelle der Punktlichtquelle können auch eine oder mehrere linear oder flächig ausgedehnte Lichtquellen verwendet werden. Die Bildaufnahme geschieht mit zwei Polarisationskameras C1 und C2 in Stereo-Anordnung. L0 kann im Prinzip beliebig positioniert sein, muss sich also nicht, wie gezeichnet, zentral zwischen C1 und C2 befinden.For claim 1 see 2 : To determine the geometric properties of a surface 1, it is illuminated with at least one illumination L0 with polarized light, and the non-polarized component is evaluated. As an example of implementation, L0 is drawn schematically as an unpolarized point light source q0, equipped with a polarizing filter P0. Instead of the point light source, it is also possible to use one or more linearly or flatly extended light sources. The image is recorded with two polarization cameras C1 and C2 in a stereo arrangement. In principle, L0 can be positioned anywhere, so it does not have to be in the middle between C1 and C2, as shown.

Aus den Daten, die die Polarisationskameras liefern, sind für jede 2x2-Pixel-Anordnung die Polarisationsrichtung und die polarisierte Komponente berechenbar. Durch Abziehen der polarisierten Komponente in der 2x2-Pixel-Anordnung gelangt man - für jede Kamera getrennt, denn die Polarisationsgrade sind i.a. unterschiedlich - zur nicht-polarisierten Komponente, die sich aus diffuser Streuung ergibt. Für eine Korrespondenzhypothese wird die Leuchtdichte (sie bestimmt den Helligkeitseindruck) von Bildpunkten in den Polarisationskameras miteinander verglichen. Das Verhalten der Leuchtdichte hängt bei einer polarisierten Beleuchtung wiederum davon ab, ob eine spiegelnde oder eine diffuse Reflektion vorliegt. Bei einer spiegelnden Reflektion bleibt das Licht polarisiert. Bei einer diffusen Reflektion ist die Leuchtdichte zwar abhängig von der Beleuchtungsrichtung, nicht jedoch von der Betrachtungsrichtung. Bei einer glänzenden, im Extremfall spiegelnder, Reflektion ist die Leuchtdichte davon abhängig, wie gut die Bedingung „Einfallswinkel ist gleich Ausfallswinkel“ erfüllt ist, also effektiv von beiden Winkeln abhängig.From the data provided by the polarization cameras, the direction of polarization and the polarized component can be calculated for each 2x2 pixel arrangement. By subtracting the polarized component in the 2x2 pixel arrangement, one arrives - separately for each camera, because the degrees of polarization are i.a. different - to the non-polarized component resulting from diffuse scattering. For a correspondence hypothesis, the luminance (it determines the impression of brightness) of pixels in the polarization cameras is compared with one another. In the case of polarized lighting, the behavior of the luminance depends on whether there is specular or diffuse reflection. With a specular reflection, the light remains polarized. In the case of diffuse reflection, the luminance depends on the direction of illumination, but not on the viewing direction. In the case of a glossy, in the extreme case specular, reflection, the luminance depends on how well the condition "angle of incidence is equal to angle of reflection" is fulfilled, i.e. effectively dependent on both angles.

Polarisierte Beleuchtung zu verwenden, um anschließend in den Kameras die polarisierte Komponente aus der Auswertung wieder herauszunehmen, erscheint auf den ersten Blick absurd.Using polarized lighting in order to subsequently remove the polarized component from the evaluation in the cameras seems absurd at first glance.

Zur Erleichterung der Erläuterung sei angenommen, die Oberfläche sei metallisch und stellenweise eindeutig glatt oder eindeutig matt. An glatten Stellen können sich je nach Beleuchtungsgeometrie störende Glanzlichter ergeben; das fatale daran ist, dass solche Glanzlichter für die beiden Kameras an unterschiedlichen Oberflächenpartien auftauchen, was die Stereoauswertung erheblich stört. Bei unpolarisierter Beleuchtung kann man auch mit Polarisationskameras die Glanzstellen nicht beseitigen, denn das unpolarisierte Licht bleibt nach Reflektion an den glatten Stellen unpolarisiert. Lediglich bei dielektrischen Materialien mit Einfallswinkeln in der Nähe des Brewster-Winkels entsteht Polarisation, die man mittels Polarisationskamera beseitigen kann.For ease of explanation, it is assumed that the surface is metallic and in places clearly smooth or clearly dull. Depending on the lighting geometry, annoying highlights can occur on smooth areas; The fatal thing is that such highlights appear on different surface areas for the two cameras, which significantly disturbs the stereo evaluation. With unpolarized lighting, you cannot remove the shiny spots even with polarization cameras, because the unpolarized light remains unpolarized after reflection at the smooth spots. Only in the case of dielectric materials with angles of incidence close to Brewster's angle does polarization occur, which can be eliminated using a polarization camera.

Polarisiertes Licht jedoch wird an Glanzstellen polarisiert reflektiert, an matten Stellen unpolarisiert. Verwendet man in der Kamera nur den unpolarisierten Teil, dann ergeben sich an glatten Oberflächenpartien dunkle Stellen. Eine glatte Stelle tritt in einer beliebigen Kamera dunkel auf, entweder weil das polarisierte Licht im Glanzwinkel an der Kamera vorbei reflektiert wird, oder, wenn es eine Kamera trifft, in der Kamera polarisiert ankommt, wo der polarisierte Teil weggefiltert wird. Die dunklen Stellen tauchen also in beiden Kameras an den gleichen Oberflächenstellen auf und sind somit für eine Stereoauswertung geeignet, ganz im Gegensatz zur Situation mit unpolarisierter Beleuchtung.Polarized light, however, is reflected polarized at bright spots and unpolarized at dull spots. If you only use the unpolarized part in the camera, then there will be dark areas on smooth surface areas. A smooth spot appears dark in any camera, either because the polarized light at the glancing angle is reflected past the camera, or if it hits a camera, arrives polarized at the camera where the pola ized part is filtered out. The dark areas therefore appear on the same surface areas in both cameras and are therefore suitable for a stereo evaluation, in complete contrast to the situation with unpolarized lighting.

Diese Überlegungen gelten unabhängig von der geometrischen Anordnung und Gestaltung der Beleuchtung und unabhängig von der Polarisationsrichtung auf der Polarisationsfolie (allgemeiner: unabhängig von der Gestaltung eines Polarisationsmusters auf einer großflächigen Beleuchtungseinheit), denn ein im Glanzlicht auf eine Kamera treffender Strahl kann, rückwärts betrachtet, nur aus einer einzelnen Raumrichtung kommen und somit nur von einem kleineren Bereich der Beleuchtungseinrichtung stammen, was ausschließt, das sich in der Kamera verschiedene Polarisationsrichtungen überlagern, was prinzipiell unpolarisiertes Licht annähern könnte.These considerations apply regardless of the geometric arrangement and design of the lighting and regardless of the direction of polarization on the polarizing film (more generally: regardless of the design of a polarization pattern on a large-area lighting unit), because a ray hitting a camera in a specular light, viewed backwards, can only come from a single spatial direction and thus only come from a smaller area of the lighting device, which rules out the possibility of different directions of polarization overlapping in the camera, which in principle could approximate unpolarized light.

Eine eindeutige, binäre Unterscheidung „matt vs. glatt“ ist meist unrealistisch und geschah zur Erleichterung der Erläuterung. In der Praxis gibt es Zwischenstufen, aus der Erläuterung ergibt sich, dass in den Kameras die verbleibende Matt-Komponente in beiden Kameras gleich ist. Da in den Bildern im Prinzip nur noch diffuse Reflektion auftaucht, sind die Helligkeiten (bzw. Farbwerte) für eine einmal gewählte Beleuchtung für die korrespondierenden Punkte der beiden Kameras gleich, was die Korrespondenzfindung enorm erleichtert.A clear, binary distinction "matt vs. smooth" is mostly unrealistic and was made to facilitate the explanation. In practice there are intermediate stages, from the explanation it follows that in the cameras the remaining matte component is the same in both cameras. Since in principle only diffuse reflections appear in the images, the brightness (or color values) for a once selected lighting for the corresponding points of the two cameras are the same, which enormously simplifies the finding of correspondence.

Die Überlegungen gelten ebenso für dielektrische Oberflächen, nur kommt dort an glatten Stellen eine Abschwächung der polarisierten Komponente in Richtung der Einfallsebene, was jedoch nichts an der verbleibenden und ausgewerteten unpolarisierten Komponente ändert.The considerations also apply to dielectric surfaces, only there is a weakening of the polarized component in the direction of the plane of incidence at smooth points, which does not change anything about the remaining and evaluated unpolarized component.

Die Einfallsebene wird durch den einfallenden Strahl und das Lot auf ein Oberflächenelement aufgespannt.The plane of incidence is spanned by the incident beam and the perpendicular to a surface element.

Man erhält so für beide Kameras je ein Bild, die beide von polarisiertem Licht und damit von störenden Glanzlichtern befreit sind und mit bekannten Verfahren der Stereo-Bildauswertung verarbeitet werden können.In this way, one image is obtained for each of the two cameras, both of which are free of polarized light and thus of disturbing highlights and can be processed using known methods of stereo image analysis.

Interreflektionen: Die Auswertung der diffusen Komponente bei Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel (Anspruch 1) hat zumindest an matten Punkten auch den Vorteil, dass die Bilder eines Flächenelements in C1 und C2 auch dann gleich sind, wenn es an der Oberfläche Interreflexionen gibt, denn die Beleuchtungsgeometrie braucht ja nur für beide Bildaufnahmen gleich zu sein.Interreflections: The evaluation of the diffuse component in an arrangement according to the first exemplary embodiment (claim 1) also has the advantage, at least at matt points, that the images of a surface element in C1 and C2 are also the same if there are interreflections on the surface, because the Illumination geometry only needs to be the same for both images.

Vorteilhafterweise weist die Anordnung eine Auswerteeinheit auf, wobei die Auswerteeinheit angepasst ist, aus zueinander korrespondierenden Aufnahmen der zwei Polarisationskameras jeweils einen unpolarisierten Lichtanteil zu berechnen und mittels des unpolarisierten Lichtanteils korrespondierende Punkte auf der Oberfläche zu ermitteln (Anspruch 9).The arrangement advantageously has an evaluation unit, the evaluation unit being adapted to calculate an unpolarized light component from corresponding images of the two polarization cameras and to determine corresponding points on the surface using the unpolarized light component (claim 9).

2. Ausführungsbeispiel2nd embodiment

Zu Anspruch 2: Für unstrukturierte, z.B. nur leicht gewellte Oberflächen ist es günstig, die Beleuchtung zufällig oder quasizufällig zu modulieren. Beim 2. Ausführungsbeispiel nach 3 geschieht dies einfach durch Zwischenschalten eines strukturierenden Elements 2, dessen Transparenz und/oder Farbe und/oder Querschnitt grob in Richtung der Verbindungslinie zwischen C1 und C2 variiert, so dass damit in Richtung der epipolaren Linien eine Variation der Intensität und/oder Farbe hervorgerufen wird. 3 zeigt beispielhaft eine Scheibe mit variierender Transparenz; die dort eingezeichneten Linien brauchen nicht scharf abgebildet zu werden. Es kann auch ein Musterprojektor mit polarisiertem Licht (Polarisationsfilter oder LCD-Polarisation nutzend) eingesetzt werden.Regarding claim 2: For unstructured, for example only slightly corrugated surfaces, it is favorable to modulate the lighting randomly or quasi-randomly. In the 2nd embodiment after 3 this is done simply by interposing a structuring element 2, the transparency and/or color and/or cross section of which varies roughly in the direction of the connecting line between C1 and C2, so that a variation in intensity and/or color is caused in the direction of the epipolar lines. 3 shows an example of a pane with varying transparency; the lines drawn there do not need to be reproduced sharply. A polarized light pattern projector (using polarizing filters or LCD polarization) can also be used.

Eine zufällige oder quasizufällige Modulation der Beleuchtung, also eine örtlich unregelmäßige Modulation, hat gegenüber einer regelmäßigen, also periodischen Modulation den Vorteil, dass eine eindeutige Zuordnung zwischen dem einfallenden Licht der Beleuchtung und der unstrukturierten Oberfläche ermöglicht wird. Dies erleichtert die Suche nach korrespondierenden Punkten erheblich.A random or quasi-random modulation of the illumination, ie a locally irregular modulation, has the advantage over a regular, ie periodic modulation that an unambiguous assignment between the incident light of the illumination and the unstructured surface is made possible. This greatly simplifies the search for corresponding points.

Man kann hier vorteilhaft mit nur einem strukturierenden Element, nur einem Polarisationsfilter, aber mehreren (in 3 seitlich) versetzten, vorteilhaft unterschiedlich farbigen Punktlichtquellen mehrere unterschiedliche Modulationsmuster erzeugen. Anstelle von Punktlichtquellen können auch linear ausgedehnte Lichtquellen verwendet werden, die zumindest näherungsweise in Richtung der eingezeichneten Linien orientiert sind. Hier gilt ähnlich: Werte, die für eine falsche Korrespondenzhypothese für die eine Richtung zufällig gleich sind, sind für die andere, deutlich unterschiedliche Richtung mit hoher Wahrscheinlichkeit ungleich. Dies gilt nicht nur deshalb, weil bei Falschhypothesen (P1 und P2 sind an der Oberfläche unterschiedliche Punkte) mit hoher Wahrscheinlichkeit unterschiedlich hell beleuchtet wird, sondern auch deshalb, weil dann bei P1 und P2 i.a. unterschiedliche Oberflächenneigungen vorliegen, und die diffus reflektierte Komponente ist vom Beleuchtungswinkel bezüglich Oberflächenelement abhängig. Auch hier gilt: Ohne das Herausrechnen der polarisierenden Komponente funktioniert das nicht, denn polarisierte Komponenten sind stark von der Betrachtungsrichtung abhängig und damit kameraabhängig. Mit mehreren Beleuchtungen entsteht für die Korrespondenzfindung ein zunehmend langer Merkmalsvektor mit für Falschhypothesen i.a. unterschiedlichen Merkmalswerten zwischen Kamera 1 und Kamera 2, was die Korrespondenzfindung sowohl vereinfacht als auch sicherer macht.One can advantageously use only one structuring element, only one polarization filter, but several (in 3 laterally) offset, advantageously differently colored point light sources generate several different modulation patterns. Instead of point light sources, it is also possible to use linearly extended light sources, which are oriented at least approximately in the direction of the drawn lines. The same applies here: Values that happen to be the same for a false correspondence hypothesis for one direction are very likely unequal for the other, significantly different direction. This applies not only because in the case of false hypotheses (P1 and P2 are different points on the surface) there is a high probability of different levels of illumination, but also because P1 and P2 then generally have different surface inclinations and the diffusely reflected component is from the Illumination angle dependent on surface element. The same applies here: It doesn't work without deducting the polarizing component, because polarized components are strong depends on the viewing direction and is therefore dependent on the camera. With multiple illuminations, an increasingly long feature vector with different feature values for false hypotheses generally arises between camera 1 and camera 2 for finding correspondence, which both simplifies finding correspondence and makes it more reliable.

Mehrere Bilder mit unterschiedlichen Modulationsmustern, wie oben beschrieben, machen die Auswertung sicherer und ermöglichen eine sicherere Auswertung auch bei homogenen und gering gekrümmten Oberflächen.Several images with different modulation patterns, as described above, make the evaluation more reliable and enable a more reliable evaluation even with homogeneous and slightly curved surfaces.

3. Ausführungsbeispiel3rd embodiment

Nach Anspruch 3 sind mehrere Beleuchtungen nach den vorherigen Ausführungsbeispielen (Anspruch 1 oder 2) aus verschiedenen Richtungen auf die Oberfläche gerichtet. Es können nacheinander mehrere unterschiedliche Beleuchtungen mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen geschaltet werden, jedes Mal mit so neu berechneten Helligkeiten (bzw. Farbwerten) nach Herausrechnen der Polarisierten Komponente. Die beim 2. Ausführungsbeispiel (Anspruch 2) für Beleuchtungen aus unterschiedlicher Richtung angestellten Überlegungen gelten hier entsprechend. Vorteilhaft wählt man die Richtungen so, dass sie stark voneinander abweichen. Werte, die für eine falsche Korrespondenzhypothese für die eine Richtung zufällig gleich sind, sind dann für die andere, deutlich unterschiedliche Richtung mit hoher Wahrscheinlichkeit ungleich. Nebenbei ist es dadurch möglich, Oberflächenpartien mit stark unterschiedlicher Neigung besser auszuleuchten.According to claim 3, several lights according to the previous exemplary embodiments (claim 1 or 2) are directed onto the surface from different directions. Several different lights with different lighting directions can be switched on one after the other, each time with newly calculated brightness (or color values) after calculating the polarized component. The considerations made in the second exemplary embodiment (claim 2) for illumination from different directions apply here accordingly. Advantageously, the directions are chosen so that they differ greatly from one another. Values that happen to be the same for a wrong correspondence hypothesis for one direction are then with high probability unequal for the other, clearly different direction. In addition, this makes it possible to better illuminate parts of the surface with very different inclinations.

Für jede dieser Beleuchtungen wird für beide Kameras die polarisierte Komponente herausgerechnet und die unpolarisierte Komponente verwendet. Für jede dieser Beleuchtungen getrennt gilt, dass die unpolarisierte, diffuse Komponente prinzipiell unabhängig von der Betrachtungsrichtung ist und somit für beide Kameras prinzipiell gleich.For each of these illuminations, the polarized component is calculated for both cameras and the unpolarized component is used. Separately for each of these illuminations, the unpolarized, diffuse component is in principle independent of the viewing direction and is therefore in principle the same for both cameras.

Mehrere Bilder aus unterschiedlicher Richtung beleuchtet, wie oben beschrieben, machen die Auswertung sicherer und erleichtern die Auswertung auch bei homogenen und gering gekrümmten Oberflächen.Several images illuminated from different directions, as described above, make the evaluation more reliable and facilitate the evaluation even with homogeneous and slightly curved surfaces.

Geschieht die Beleuchtung aus - auch wenn nur geringfügig - unterschiedlicher Richtung zeitlich getrennt (mit je einer Aufnahme durch C1 und C2), so werden dadurch die Merkmalsvektoren verlängert und die Auswertung dadurch verbessert. If the illumination occurs - even if only slightly - in different directions at different times (with one recording each by C1 and C2), the feature vectors are lengthened and the evaluation is thereby improved.

In besonders vorteilhafter Ausführung werden in der Anordnung nach 1 mehrere seitlich versetzte Punktlichtquellen oder linear ausgedehnte Lichtquellen unterschiedlicher Farbe mit einer einzigen Bildaufnahme realisiert (nicht gezeichnet) und Farb-Polarisationskameras eingesetzt. Der Vorteil ist wie vorstehend, mit dem zusätzlichen Vorteil der Zeitersparnis bei der Bildaufnahme.In a particularly advantageous embodiment, in the arrangement 1 several laterally offset point light sources or linearly extended light sources of different colors are realized with a single image recording (not shown) and color polarization cameras are used. The benefit is as above, with the added benefit of saving time in image acquisition.

Vorteilhaft ist es, wenn die Anordnung mit mehreren Beleuchtungen aus verschiedenen Richtungen angepasst ist, die mehreren Beleuchtungen aus verschiedenen Richtungen zeitlich nacheinander zu schalten (Anspruch 10).It is advantageous if the arrangement is adapted with a number of lights from different directions, to switch the number of lights from different directions one after the other (claim 10).

4. Ausführungsbeispiel4th embodiment

Zu Anspruch 4: Die mindestens eine Beleuchtung L0 umfasst hier mindestens zwei Beleuchtungen L1 und L2 mit polarisiertem Licht, die so angeordnet sind, dass, wenn Strahlen von L1 auf einem Oberflächenpunkt P im Glanzwinkel zur Kamera C2 reflektiert werden, auch Strahlen von L2 auf zumindest näherungsweise demselben Oberflächenpunkt P im Glanzwinkel zur Kamera C1 reflektiert werden.Regarding claim 4: The at least one illumination L0 here comprises at least two illuminations L1 and L2 with polarized light, which are arranged in such a way that when rays from L1 are reflected on a surface point P at the glancing angle to the camera C2, rays from L2 are also reflected on at least approximately the same surface point P in the grazing angle to the camera C1.

Hier wird im Gegensatz zu dem 1. bis 3. Ausführungsbeispiel (Anspruch 1-3) die polarisierte Komponente des Lichts verwendet und das Bild der Kamera C1 wird mit Beleuchtung L2 aufgenommen und das Bild der Kamera C2 wird mit Beleuchtung L1 aufgenommen.Here, in contrast to the 1st to 3rd embodiments (claims 1-3), the polarized component of the light is used and the image of the camera C1 is recorded with illumination L2 and the image of the camera C2 is recorded with illumination L1.

Aufgrund der in beiden Bildern erfüllten Glanzbedingung im Punkt P besitzt der Punkt P in beiden Bildern die gleiche Helligkeit bzw. Leuchtdichte. Folglich entfällt der im Zusammenhang mit dem 1. Ausführungsbeispiel dargelegte Mangel, dass Glanzstellen in den beiden Bildern an jeweils unterschiedlichen Oberflächenpartien des Objektes auftauchen.Due to the gloss condition in point P being fulfilled in both images, point P has the same brightness or luminance in both images. As a result, the deficiency explained in connection with the 1st exemplary embodiment, namely that shiny spots appear in the two images on different surface parts of the object in each case, does not apply.

In DE 10 2019 105 358 A1 werden entsprechende Anordnungen beschrieben, die dieser Bedingung genügen, allerdings ohne polarisiertes Licht und ohne Polarisationskameras.In DE 10 2019 105 358 A1 corresponding arrangements are described that meet this condition, but without polarized light and without polarization cameras.

Eine solche Anordnung zeigt 4 mit seitlich neben den Objektiven der Kameras C1 und C2 positionierten Beleuchtungen L1 und L2, umfassend Lichtquellen q1 bzw. q2 und Polfiltern P1 bzw. P2.Such an arrangement shows 4 with lights L1 and L2 positioned laterally next to the lenses of the cameras C1 and C2, comprising light sources q1 and q2, respectively, and polarizing filters P1 and P2, respectively.

Hierbei kann die mindestens eine Beleuchtung L0 weitere Beleuchtungen umfassen, die die vorstehend beschriebene Glanzbedingung im Punkt P für die zwei Beleuchtungen L1 und L2 nicht erfüllen müssen.In this case, the at least one illumination L0 can include further illuminations that do not have to meet the glossiness condition described above at point P for the two illuminations L1 and L2.

Eine entsprechende Anordnung (siehe auch 8. Ausführungsbeispiel) kombiniert die zwei Beleuchtungen L1 und L2 aus 4 (Auswertung der Glanz-Komponenten) mit der Beleuchtung L0 aus 1 (Auswertung der Diffus-Komponenten), vgl. 9.A corresponding arrangement (see also the 8th exemplary embodiment) combines the two illuminations L1 and L2 4 (Evaluation of the gloss components) with the lighting L0 off 1 (Evaluation of diffuse components), cf. 9 .

Dabei sind die Beleuchtungen L0, L1 und L2 alle polarisiert. Die Beleuchtung L0, hier als zusätzliche dritte Beleuchtung eingesetzt, ist entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel angeordnet, die erste Beleuchtung L1 und zweite Beleuchtung L2 entsprechend dem vierten Ausführungsbeispiel. Bei einer Beleuchtung mit L0 und/oder L1 und/oder L2 wird der in den Polarisationskameras C1 und C2 ankommende unpolarisierte Anteil ausgewertet. Bei einer Beleuchtung mit der zweiten Beleuchtung L2 wird der in der ersten Polarisationskamera C1 ankommende polarisierte Anteil auswertet. Entsprechend wird bei einer Beleuchtung mit der ersten Beleuchtung L1 der in der zweiten Polarisationskamera C2 ankommende polarisierte Anteil ausgewertet.The illuminations L0, L1 and L2 are all polarized. The illumination L0, used here as an additional third illumination, is arranged according to the first exemplary embodiment, the first illumination L1 and second illumination L2 according to the fourth exemplary embodiment. In the case of illumination with L0 and/or L1 and/or L2, the unpolarized component arriving in the polarization cameras C1 and C2 is evaluated. In the case of illumination with the second illumination L2, the polarized component arriving in the first polarization camera C1 is evaluated. Correspondingly, in the case of illumination with the first illumination L1, the polarized component arriving in the second polarization camera C2 is evaluated.

5. Ausführungsbeispiel5th embodiment

5 zeigt eine besonders vorteilhafte Anordnung von L1 und L2 als Ringlicht um die Objektive von C1 bzw. C2. (Anspruch 5). 5 shows a particularly advantageous arrangement of L1 and L2 as a ring light around the lenses of C1 and C2. (Claim 5).

Der Vorteil einer solchen Anordnung und dieses Vorgehens ist, dass die ansonsten störenden Glanz-Komponenten, die bei konventioneller Beleuchtung in den Kameras an verschiedenen Stellen auftauchen, hier zumindest näherungsweise an demselben Oberflächenpunkt auftauchen und so vorteilhaft zur Stereoauswertung mit verwendet werden können. Die ansonsten großen Probleme mit Glanzlichtern werden so in einen Vorteil verwandelt.The advantage of such an arrangement and this procedure is that the otherwise disturbing gloss components, which appear at different points in the cameras with conventional lighting, appear here at least approximately at the same surface point and can thus be used advantageously for stereo evaluation. The otherwise big problems with highlights are thus turned into an advantage.

Anders als bei den vorigen Ausführungsbeispielen (Ansprüchen 1 bis 3, und Ausführungsbeispiel 8 nach Anspruch 8 vorteilhaft zusätzlich dazu, siehe dort) wird hier NUR die polarisierte Komponente in der 2x2-Pixel-Anordnung verwertet.In contrast to the previous exemplary embodiments (claims 1 to 3, and exemplary embodiment 8 according to claim 8 advantageously additionally thereto, see there), ONLY the polarized component in the 2×2 pixel arrangement is used here.

Bei metallischen Oberflächen ist der Polarisationsgrad am Flächenelement 3 ( 6) nur von der Glattheit der Oberfläche abhängig (ideal spiegelnde Metalloberfläche: 100%) und in beide Richtungen, von L1 nach C2 und von L2 nach C1 (im folgenden kurz „beide Richtungen“) gleich.In the case of metallic surfaces, the degree of polarization on the surface element is 3 ( 6 ) depends only on the smoothness of the surface (ideally reflecting metal surface: 100%) and is the same in both directions, from L1 to C2 and from L2 to C1 (hereinafter referred to as “both directions”).

Bei nichtmetallischen Oberflächen ist der Polarisationsgrad am Flächenelement 3 auch abhängig vom Einfallswinkel: Die Komponente senkrecht zur Einfallsebene bleibt grundsätzlich erhalten und ist für beide Richtungen gleich. Die Komponente parallel zur Einfallsebene ist abhängig vom Einfallswinkel und ebenso für beide Richtungen gleich (Einfallswinkel = Ausfallswinkel, identisches Material) und beim Brewster-Winkel Null oder nahezu Null.In the case of non-metallic surfaces, the degree of polarization on the surface element 3 is also dependent on the angle of incidence: the component perpendicular to the plane of incidence is basically retained and is the same for both directions. The component parallel to the plane of incidence depends on the angle of incidence and is also the same for both directions (angle of incidence = angle of reflection, identical material) and is zero or almost zero at Brewster's angle.

Wählt man den Polarisationswinkel der Polarisationsfolien p1, p2 für beide Kameras so, dass in einer speziellen Anordnung, z.B. in der symmetrischen Anordnung 6, der Polarisationswinkel in beiden Richtungen parallel zur Einfallsebene steht, dann erscheint bei gleicher Anordnung von Kameras und Beleuchtungen, aber verschobenem und gekipptem Oberflächenelement 3, 7, (so, dass Glanzbedingung erhalten) die Polarisationsrichtung von L1 aus Sicht von Kamera C2 um einen Winkel gedreht und der Betrag wird um einen Faktor verändert; von L2 aus Sicht von Kamera C1 wird die Polarisationsrichtung um denselben Winkel gedreht, nur in die andere Richtung, und der Betrag wird um denselben Faktor verändert. Damit ist in einer solchen Anordnung auch der Polarisationsgrad in beide Richtungen gleich. Dies gilt ebenso, wenn man als Ausgangspunkt nach 8 die Polarisationsrichtungen von p1 und p2 senkrecht zur jeweiligen Einfallsebene eingestellt als Ausgangspunkt nimmt. Bei anderen Konstellationen von Polarisationsrichtungen werden die Verhältnisse komplizierter.If one selects the polarization angle of the polarization films p1, p2 for both cameras in such a way that in a special arrangement, for example in the symmetrical arrangement 6 , the polarization angle is parallel to the plane of incidence in both directions, then with the same arrangement of cameras and illumination, but shifted and tilted surface element 3, 7 , (so that specularity condition is preserved) the polarization direction of L1 as viewed by camera C2 is rotated by an angle and the amount is changed by a factor; of L2 as seen by camera C1, the polarization direction is rotated by the same angle, just in the opposite direction, and the amount is changed by the same factor. In such an arrangement, the degree of polarization is therefore also the same in both directions. This also applies when looking after as a starting point 8th takes the polarization directions of p1 and p2 set perpendicular to the respective plane of incidence as the starting point. With other constellations of polarization directions, the situation becomes more complicated.

Die Gleichheitsüberlegungen gelten unabhängig von der Dielektrizitätskonstanten des jeweiligen Materials.The equality considerations hold regardless of the dielectric constant of the material in question.

Beim Einrichten des Systems sollten also die Polarisationsrichtungen der Beleuchtungen so aufeinander abgestimmt werden, dass für eine bevorzugt mittlere, symmetrische Anordnung von Beleuchtungen relativ Oberflächenelement in beide Richtungen der Beleuchtungs-Polarisationswinkel am Oberflächenelement entweder beide parallel oder beide senkrecht zur jeweiligen Einfallsebene stehen; dann gelten die obigen Symmetrieüberlegungen.When setting up the system, the directions of polarization of the illuminations should be coordinated in such a way that for a preferably central, symmetrical arrangement of illuminations relative to the surface element in both directions, the illumination polarization angles on the surface element are either both parallel or both perpendicular to the respective plane of incidence; then the above symmetry considerations apply.

Und ein weiteres Merkmal ist hier auswertbar: Die Polarisationsrichtung. Ist eine Korrespondenzhypothese korrekt, dann findet in den beiden Kameras die gleiche Drehung der Polarisationsrichtung statt, nur, wie oben geschildert, aus Kamera-Blickrichtung betrachtet, mit umgekehrtem Vorzeichen.And another feature can be evaluated here: the direction of polarization. If a correspondence hypothesis is correct, then the same rotation of the polarization direction takes place in both cameras, only, as described above, when viewed from the camera's viewing direction, with the opposite sign.

Bei metallischen Oberflächen ist es für die Auswertung der Polarisationsrichtung nicht erforderlich, die Beleuchtungs-Polarisationsrichtungen in den 4 bzw. 5 bei der Montage zu justieren. Es genügt, in einem Kalibriervorgang den Mittelwert der beiden Polarisations-Orientierungen an C1 und C2 für eine einzige im Glanz reflektierenden Stelle (Normal-Polarisations-Orientierungen) festzuhalten. Bei einer aktuellen Messung weicht bei korrekter Korrespondenz der Mittelwert der beiden Polarisations-Orientierungen idealerweise nicht von Mittelwert der beiden Normal-Polarisations-Orientierungen ab. Der absolute Unterschied der beiden Mittelwerte ist also ein Maß für die Qualität einer Korrespondenz.With metallic surfaces it is not necessary for the evaluation of the polarization direction, the illumination polarization directions in the 4 or. 5 to be adjusted during assembly. It is sufficient to record the mean value of the two polarization orientations at C1 and C2 for a single point reflecting in the specular (normal polarization orientation) in a calibration process. In a current measurement, if the correspondence is correct, the mean value of the two polarization orientations ideally does not deviate from the mean value of the two normal polarization orientations. The absolute difference between the two mean values is therefore a measure of the quality of a correspondence.

Für metallische und nichtmetallische Oberflächen gilt: bei korrekter Korrespondenz sind die Polarisationsrichtungen in C1 und C2 mit umgekehrtem Vorzeichen um den gleichen Winkelbetrag gegen die Normalsituation verdreht. Der gemessene mittlere absolute Unterschied der Verdrehungen ist als Merkmal ein Maß für die Qualität einer Korrespondenz.The following applies to metallic and non-metallic surfaces: if the correspondence is correct, the polarization directions in C1 and C2 are rotated with the opposite sign by the same angle relative to the normal situation. The measured mean absolute difference in the twists is a characteristic of a measure of the quality of a correspondence.

Anspruch 5 betrifft eine Anordnung nach dem 4. Ausführungsbeispiel (Anspruch 4), wobei die Beleuchtung L1 ringförmig um C1 und die Beleuchtung L2 ringförmig um C2 angeordnet ist, vgl. 5.Claim 5 relates to an arrangement according to the 4th exemplary embodiment (claim 4), the illumination L1 being arranged in a ring around C1 and the illumination L2 being arranged in a ring around C2, cf. 5 .

6. Ausführungsbeispiel6th embodiment

Anspruch 6 betrifft eine Anordnung nach dem 4. Ausführungsbeispiel (Anspruch 4), wobei sich die Beleuchtung L1 reell oder virtuell im Strahlengang von C1 befindet und sich L2 reell oder virtuell im Strahlengang von C2 befindet (ohne Figur).Claim 6 relates to an arrangement according to the 4th exemplary embodiment (claim 4), in which the illumination L1 is actually or virtually in the beam path of C1 and L2 is actually or virtually in the beam path of C2 (no figure).

Eine solche Anordnung kann mittels halbdurchlässigem Spiegel in den Betrachtungsstrahlengang eingespiegelt werden. Das ist aufwendig, hat aber den Vorteil, dass die polarisierenden Stellen und Komponenten auch bei sehr stark strukturierten Oberflächen immer genau gleich sind.Such an arrangement can be reflected into the viewing beam path by means of a semi-transparent mirror. This is complex, but has the advantage that the polarizing points and components are always exactly the same, even with very heavily structured surfaces.

7. Ausführungsbeispiel7th embodiment

Zu Anspruch 7: Vorteilhaft, da aufwandsreduzierend ist es, wenn man die erste Beleuchtung L1 und/oder die zweite Beleuchtung L2 auch als mindestens eine Beleuchtung L0 nach Anspruch 1 verwendet, für die es ja keine zwingenden Positionierungsvorschriften gibt. Verwendet man die erste Beleuchtung L1 und die zweite Beleuchtung L2, kommt neben der Aufwandsreduzierung noch der weiter oben beschriebene Vorteil der Beleuchtung aus deutlich verschiedenen Beleuchtungsrichtungen hinzu.Regarding claim 7: It is advantageous because it reduces the effort if the first illumination L1 and/or the second illumination L2 is also used as at least one illumination L0 according to claim 1, for which there are no mandatory positioning specifications. If the first illumination L1 and the second illumination L2 are used, in addition to the reduction in complexity, there is also the advantage, described above, of illumination from significantly different illumination directions.

Für die Auswertung der Diffus-Komponenten wird dann ausgewertet:

  • C1 mit L1 und C2 mit L1 und/oder
  • C1 mit L2 und C2 mit L2.
The following is then evaluated to evaluate the diffuse components:
  • C1 with L1 and C2 with L1 and/or
  • C1 with L2 and C2 with L2.

Der in der ersten und zweiten Polarisationskamera C1; C2 ankommende unpolarisierte Anteil wird bei einer Beleuchtung mit der ersten Beleuchtung L1 und/oder zweiten Beleuchtung L2 ausgewertet.The in the first and second polarization cameras C1; The unpolarized portion arriving at C2 is evaluated in the case of illumination with the first illumination L1 and/or the second illumination L2.

Für die Auswertung der Glanz-Komponenten wird dann ausgewertet:

  • C1 mit L2 und C2 mit L1
The following is then evaluated for the evaluation of the gloss components:
  • C1 with L2 and C2 with L1

Der in der ersten Polarisationskamera C1 ankommende polarisierte Anteil wird bei einer Beleuchtung mit der zweiten Beleuchtung L2 ausgewertet. Entsprechend wird der in der zweiten Polarisationskamera C2 ankommende polarisierte Anteil bei einer Beleuchtung mit der ersten Beleuchtung L1 ausgewertet.The polarized portion arriving in the first polarization camera C1 is evaluated when illuminated with the second illumination L2. Correspondingly, the polarized portion arriving in the second polarization camera C2 is evaluated when illuminated with the first illumination L1.

8. Ausführungsbeispiel8th embodiment

Anspruch 8 betrifft eine Anordnung, die zusätzlich zu der ersten Beleuchtung L1 und der zweiten Beleuchtung L2 eine dritte Beleuchtung mit polarisiertem Licht umfasst. Die dritte Beleuchtung ist derart angeordnet, dass die Strahlen der dritten Beleuchtung auf dem Oberflächenpunkt P außerhalb des Glanzwinkels zur ersten Polarisationskamera C1 und außerhalb des Glanzwinkels zur zweiten Polarisationskamera C2 reflektiert werden.Claim 8 relates to an arrangement which, in addition to the first illumination L1 and the second illumination L2, includes a third illumination with polarized light. The third illumination is arranged such that the rays of the third illumination are reflected on the surface point P out of grazing angle to the first polarization camera C1 and out of grazing angle to the second polarization camera C2.

Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass man, ohne Beleuchtungen umschalten zu müssen, also mit einer einzigen Bildaufnahme, sowohl die unpolarisierten Komponenten als auch die polarisierten Komponenten wie in Bezug zu den vorstehend Ansprüchen beschrieben auswerten kann, was insbesondere bei schnell bewegten Objekten besonders vorteilhaft ist. Die in Anspruch 8 genannte Bedingung für die dritte Beleuchtung ist erreichbar bei bestimmten Vorkenntnissen über die Oberflächenstruktur. Zum Beispiel kann bei einer Welligkeit in einer bekannten Richtung die dritte Beleuchtung quer dazu ausgerichtet sein, so dass im Glanzwinkel reflektierte Strahlen nicht in den Polarisationskameras C1; C2 ankommen. Je kleinflächiger die Beleuchtungseinheiten der dritten Beleuchtung ausgestaltet sind, desto eher ist die genannte Bedingung erreichbar.Such an arrangement has the advantage that one can evaluate both the unpolarized components and the polarized components as described in relation to the above claims without having to switch lighting, i.e. with a single image recording, which is particularly advantageous in the case of fast-moving objects is. The condition specified in claim 8 for the third illumination can be achieved with certain prior knowledge of the surface structure. For example, with a ripple in a known direction, the third illumination can be oriented transversely thereto, so that rays reflected in the grazing angle are not seen in the polarization cameras C1; arrive C2. The more small-area the lighting units of the third lighting are designed, the easier it is to achieve the stated condition.

Allgemeine Vorteile:General advantages:

Nach der Erfindung wird die Ermittlung der geometrischen Eigenschaften einer Oberfläche mittels Stereoanalyse ermöglicht ohne Bewegung, ohne aufwendige Muster-Projektionseinrichtungen, mit einfach zu realisierenden Beleuchtungseinheiten und mit frei auf dem Markt verfügbaren, intern unveränderten Kameras (Polarisationskameras). Es ist mit derselben Anordnung die Auswertung gemischt dielektrischer und metallischer Oberflächen möglich, ebenso diffus und glänzend streuender Oberflächen, ohne dass bekannt ist, wie diese Materialeigenschaften auf der Oberfläche verteilt sind.According to the invention, the geometric properties of a surface can be determined by means of stereo analysis without movement, without complex pattern projection devices, with lighting units that are easy to implement and with cameras (polarization cameras) that are freely available on the market and are internally unchanged. With the same arrangement, it is possible to evaluate mixed dielectric and metallic surfaces, as well as diffuse and shiny scattering surfaces, without knowing how these material properties are distributed on the surface.

Bei nichtleitenden Oberflächen brauchen Dielektrizitätskonstanten der Materialien nicht bekannt zu sein.In the case of non-conductive surfaces, it is not necessary to know the dielectric constants of the materials.

Für Oberflächen mit auch nur geringer diffuser Reflektion funktioniert die Vorgehensweise nach Anordnung Anspruch 1, wobei die störenden Glanzstellen, die für die beiden Kameras an unterschiedlichen Orten der Oberfläche auftauchen können, beseitigt werden. Mit unpolarisierter Beleuchtung hingegen wären solche Glanzstellen nicht so einfach herausfilterbar.The procedure works for surfaces with only a small amount of diffuse reflection Arrangement according to Claim 1, in which the disturbing glossy spots which can appear at different locations on the surface for the two cameras are eliminated. With unpolarized lighting, on the other hand, such shiny spots would not be so easy to filter out.

Für solche Oberflächen wirkt die Anordnung nach Ausführungsbeispiel 4 (Anspruch 4) unterstützend, da hier die sonst störenden Glanzstellen für die beiden Kameras an denselben Orten der Oberfläche auftauchen.For such surfaces, the arrangement according to exemplary embodiment 4 (claim 4) has a supportive effect, since here the otherwise disturbing glossy spots appear at the same locations on the surface for the two cameras.

Für vollkommen spiegelnde Oberflächen funktioniert die Anordnung nach Ausführungsbeispiel 4 (Anspruch 4) wenigstens für Teile der Oberfläche, wobei man die Beleuchtung für unterschiedlich große Oberflächenbereiche je nach Erfordernissen gestalten kann.For completely reflective surfaces, the arrangement according to exemplary embodiment 4 (claim 4) works at least for parts of the surface, and the lighting can be designed for different sized surface areas depending on the requirements.

Fremdlicht:extraneous light:

Einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnungen und des erfindungsgemäßen Vorgehens ist die zumindest an matten Punkten geringe Empfindlichkeit gegenüber Fremdlicht (Tageslicht, Hallenlicht, ...), das ja normalerweise unpolarisiert ist. Dass an solchen Punkten das Fremdlicht aus unbekannten Richtungen hinzukommen kann, ist bei den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 (Anspruch 1-3) nicht schädlich, für die es in diesen Ausführungsbeispielen (Anspruch 1-3) ja keine zwingenden Positionierungsvorschriften gibt. Unter Umständen ist hier zusätzliches Fremdlicht sogar hilfreich. Umgekehrt ist Fremdlicht an solchen Punkten in Ausführungsbeispiel 4 (Anspruch 4) wenig schädlich, da bei dem unpolarisierten Fremdlicht Polarisierungseffekte an Oberflächen gering sind im Vergleich zu den Polarisierungs-Änderungseffekten bei polarisiertem Licht.One of the advantages of the arrangements according to the invention and the procedure according to the invention is the low sensitivity to extraneous light (daylight, hall light, . . . ) at least at dull points, which is normally unpolarized. The fact that extraneous light can come from unknown directions at such points is not harmful in the case of exemplary embodiments 1 to 3 (claims 1-3), for which there are no mandatory positioning specifications in these exemplary embodiments (claims 1-3). Under certain circumstances, additional extraneous light is even helpful here. Conversely, extraneous light at such points in exemplary embodiment 4 (claim 4) is less harmful, since polarization effects on surfaces are small in the case of the unpolarized extraneous light in comparison to the polarization change effects in the case of polarized light.

Mehrere Kamerapaare:Multiple Camera Pairs:

Die Betrachtungen beziehen sich, wenn nichts Weiteres erwähnt, auf jeweils nur ein einzelnes Polarisations-Stereo-Kamerapaar. Es können natürlich mehrere Kamerapaare eingesetzt werden. Pro Kamerapaar kann ein eigenes Ergebnis erstellt werden, mehrere solche Ergebnisse können mit bekannten Methoden zu einem gemeinsamen Ergebnis fusioniert werden, wodurch eine Genauigkeitserhöhung und/oder eine Auswertebereichs-Vergrößerung („Stitching“) erreicht wird. Dabei kann auch eine Kamera für mehrere Kamerapaare eingesetzt werden.Unless otherwise stated, the considerations relate to only one single pair of polarization stereo cameras. Of course, several pairs of cameras can be used. A separate result can be created for each pair of cameras, and several such results can be merged into a common result using known methods, which results in an increase in accuracy and/or an enlargement of the evaluation area (“stitching”). One camera can also be used for several pairs of cameras.

Farbe:Colour:

Die Erfindung betrifft gleichermaßen Grauwertbild- und Farb-Polarisationskameras. Mit Farb-Polarisationskameras kommen bei bunten Objekten oder bei Verwendung von Farbe bei der Beleuchtung die Farbkomponenten als zusätzliche Merkmale hinzu.The invention relates equally to grayscale and color polarization cameras. With color polarization cameras, the color components are added as additional features for colored objects or when using color for lighting.

Strukturmerkmale:Structural features:

Strukturmerkmale wie Löcher (1b), unterschiedliche Rauigkeit (1c), Poren (1d), Kratzer (1e), etc. sowie albedobezogene oder farbbezogene Strukturmerkmale können wie bekannt aus Grauwert- bzw. Farbbildern bzw. aus den erfindungsgemäß erstellten Höhenbildern berechnet werden; sobald die Punktkorrespondenzen und die dazu gehörigen Höhen bekannt sind, ist der Bezug solcher Strukturmerkmale zum Höhenbild direkt herstellbar, wobei die Strukturmerkmale auch mit anderen Methoden gewonnen sein können.Structural features such as holes (1b), different roughness (1c), pores (1d), scratches (1e), etc. and albedo-related or color-related structural features can be calculated as is known from gray value or color images or from the height images created according to the invention; as soon as the point correspondences and the associated heights are known, such structural features can be directly related to the height image, whereby the structural features can also be obtained using other methods.

Sobald ein zuverlässiges Höhenbild zur Verfügung steht, können mit sattsam bekannten 3D-Matching-Methoden Objekte bekannter Geometrie im Höhenbild gefunden werden.As soon as a reliable height image is available, well-known 3D matching methods can be used to find objects of known geometry in the height image.

Bewegung:Move:

Bildaufnahme und/oder Auswertung können im Stillstand oder in Bewegung (Kamera oder Szene) stattfinden. Bei der Anordnung nach dem 4. bis 7. Ausführungsbeispiel (Anspruch 4-7) können mit heutiger Technik die Aufnahmen sehr schnell hintereinander vorgenommen werden. Bei metallischen oder sonstigen unbunten Oberflächen können die Aufnahmen auch über Farbe getrennt werden durch unterschiedliche Beleuchtungsfarben bei L1 und L2 und Einsatz einer Farb-Polarisationskamera. Ein Beispiel veränderlicher Szenen ist die Sicherheitsüberwachung im Arbeitsraum eines konventionellen oder kooperativen Roboters.Image recording and/or evaluation can take place at a standstill or in motion (camera or scene). In the arrangement according to the 4th to 7th embodiment (claim 4-7), the recordings can be made very quickly one after the other with today's technology. In the case of metallic or other achromatic surfaces, the recordings can also be separated by color using different lighting colors for L1 and L2 and the use of a color polarization camera. An example of changing scenes is security surveillance in the workspace of a conventional or cooperative robot.

Auswerteeinheit:Evaluation unit:

Obwohl Polarisationskameras derzeit noch nicht als intelligente Kameras zur Verfügung stehen, so kann doch grundsätzlich die Bildauswertung nicht nur in einer von den Kameras getrennten Auswerteeinheit wie einem PC stattfinden, sondern auch in einer der beiden Kameras oder beiden oder auch in einer Auswerteeinheit, an die lediglich die Bildsensoren angeschlossen sind.Although polarization cameras are not yet available as intelligent cameras, the image evaluation can not only take place in an evaluation unit separate from the cameras, such as a PC, but also in one of the two cameras or both or in an evaluation unit to which only the image sensors are connected.

Zur Kalibrierung:For calibration:

Die geometrische Kalibrierung von Stereokameras ist ein in der Literatur ausführlich behandeltes Thema und wird daher hier nicht beschrieben.The geometric calibration of stereo cameras is a topic that has been extensively discussed in the literature and is therefore not described here.

Eine Intensitätskalibrierung ist wie folgt realisierbar: Lampenhelligkeit und/oder Kameraverstärkungen werden praktischerweise so eingestellt, dass ein zentral gelegener Szenenpunkt in beiden Kameras möglichst gleich hell erscheint. Man geht am besten so vor, dass anhand einer Lambert'schen Testoberfläche zunächst bei gleichbleibender Beleuchtung die beiden Kameras abgeglichen werden und anschließend anhand einer glänzenden Testoberfläche paarweise die Beleuchtungen L1 und L2. Danach kann man noch durch Bewegen der Testoberfläche(n) eine ortsspezifische Normierung für die Bildauswertung realisieren.Intensity calibration can be done as follows: lamp brightness and/or camera gains are conveniently adjusted so that a centrally located point in the scene appears as equally bright in both cameras. The best way to proceed is to use a Lambertian test surface to first align the two cameras with constant lighting, and then use a shiny test surface to match the lighting L1 and L2 in pairs. Then you can still implement a site-specific standardization for the image evaluation by moving the test surface(s).

Eine geometrische Kalibrierung der Lichtquellen kann umgangen werden: Angenommen, die beiden Lichtquellen sind genau gleich intensiv und in alle Ausfallsrichtungen gleich, dann ist der Helligkeitseindruck noch abhängig von der Entfernung der Lichtquelle zum Oberflächenpunkt. (Innerhalb der Reflexionskeule ist der Helligkeitseindruck unabhängig von der Entfernung der Kamera, kleine Blende rel Reflexionskeule an der Kamera; in der Regel zutreffend). Hier entsteht eine Asymmetrie, die grundsätzlich im Rahmen der Korrespondenzanalyse berücksichtigt werden kann: Korrespondenzhypothesen sind ja Geometriehypothesen, also ist bei bekannter Beleuchtungsgeometrie für jede Korrespondenzhypothese der Abstand des Oberflächenelements zu den Beleuchtungen berechenbar. Diese Komplikation kann man jedoch umgehen, indem man nicht die Komponenten polarisiert bzw. unpolarisiert auswertet, sondern deren prozentualen Anteile (kurz „Anteile“), und diese in den beiden Kameras vergleicht.A geometric calibration of the light sources can be avoided: Assuming that the two light sources have exactly the same intensity and are the same in all directions, then the impression of brightness is still dependent on the distance of the light source to the surface point. (Within the reflection lobe, the impression of brightness is independent of the distance to the camera, small aperture relative to the reflection lobe on the camera; usually true). Here an asymmetry arises, which can in principle be taken into account in the context of the correspondence analysis: Correspondence hypotheses are geometry hypotheses, so if the illumination geometry is known, the distance of the surface element to the illuminations can be calculated for each correspondence hypothesis. However, this complication can be avoided by not evaluating the components polarized or unpolarized, but rather their percentage shares (“shares” for short) and comparing them in the two cameras.

Ferner umfasst die Erfindung Verfahren zur Ermittlung von geometrischen Eigenschaften einer Oberfläche, aufweisend Verfahrensschritte, die zu den technischen Merkmalen der Vorrichtungen der Ausführungsbeispiele korrespondieren.The invention also includes methods for determining geometric properties of a surface, having method steps that correspond to the technical features of the devices of the exemplary embodiments.

Kombination mit bekannten Verfahren:Combination with known methods:

Eine Kombination mit bekannten Verfahren ist natürlich möglich. Z.B. könnte man für spezielle Merkmale zusätzlich mit denselben Kameras mit unpolarisierter Beleuchtung klassisches Stereo betreiben.A combination with known methods is of course possible. For example, for special features, you could also operate classic stereo with the same cameras with unpolarized lighting.

Nicht-Patent-Literatur:Non-patent literature:

Die Veröffentlichungen aus dem Internet wurden spätestens am 20.08.2020 heruntergeladen.The publications from the Internet were downloaded no later than August 20, 2020.

[Sony] Polarization Image Sensor Polarsens https://www.sony-semicon.co.jp/products/common/pdf/IMX250_253MZR_MYR_Flyer_en.pdf[Sony] Polarization Image Sensor Polarsens https://www.sony-semicon.co.jp/products/common/pdf/IMX250_253MZR_MYR_Flyer_en.pdf

[JAI][JAI]

https://www.automation.com/en-us/products/product01/jai-releases-go-5100mppge-go-series-polarization Stand 9. Juli 2019https://www.automation.com/en-us/products/product01/jai-releases-go-5100mppge-go-series-polarization As of July 9, 2019

[Huang et al.] Huang et al. Target enhanced 3D reconstruction using polarisationcoded structured light. Vol. 25, No. 2 |23 Jan 2017| OPTICS EXPRESS 1173.[Huang et al.] Huang et al. Target enhanced 3D reconstruction using polarization coded structured light. Vol. 25, No. 2 |23 Jan 2017| OPTICS EXPRESS 1173.

http://wangkaiwei.org/file/publications/oe2017_xiao.pdf, https://www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/7C029034-CFC2-CFA7-D68784028B3458A9_357437/oe-25-2-1173.pdf?da=1&id=357437&seq=0&mobile=nohttp://wangkaiwei.org/file/publications/oe2017_xiao.pdf, https://www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/7C029034-CFC2-CFA7-D68784028B3458A9_357437/oe-25-2-1173.pdf?da=1&id= 357437&seq=0&mobile=no

[Zhu + Smith] Dizhong Zhu and William A. P. Smith:: Depth from a polarisation + RGB stereo pair. (ArXiv 2019) https://arxiv.org/pdf/1903.12061.pdf[Zhu + Smith] Dizhong Zhu and William A.P. Smith:: Depth from a polarization + RGB stereo pair. (ArXiv 2019) https://arxiv.org/pdf/1903.12061.pdf

[Zhao et al.] Jinyu Zhao, Yusuke Monno, and Masatoshi Okutomi: Polarimetric Multiview Inverse Rendering. (ArXiv 2020) https://arxiv.org/pdf/2007.08830.pdf[Zhao et al.] Jinyu Zhao, Yusuke Monno, and Masatoshi Okutomi: Polarimetric Multiview Inverse Rendering. (ArXiv 2020) https://arxiv.org/pdf/2007.08830.pdf

[Conon et al.] N. Conon et al.: Improving Image Matching using by Reducing Suface Reflections using Polarizing Filter Techniques. Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XLII-2, 2018. https://pdfs.semanticscholar.org/3b93/9d75b02986a3ccbf823d7f4a4c03a53487e9.pdf[Conon et al.] N. Conon et al.: Improving Image Matching using by Reducing Surface Reflections using Polarizing Filter Techniques. Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XLII-2, 2018. https://pdfs.semanticscholar.org/3b93/9d75b02986a3ccbf823d7f4a4c03a53487e9.pdf

[Cui et al.] Zhaopeng Cui et al: Polarimetric Relative Pose Estimation. https://openaccess.thecvf.com/content_ICCV_2019/papers/Cui_Polarimetric_Relative_Pose_Estimation_ICCV_201 9_paper.pdf[Cui et al.] Zhaopeng Cui et al: Polarimetric Relative Pose Estimation. https://openaccess.thecvf.com/content_ICCV_2019/papers/Cui_Polarimetric_Relative_Pose_Estimation_ICCV_2019_paper.pdf

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102019105358 A1 [0048]DE 102019105358 A1 [0048]

Claims (12)

Anordnung zur Ermittlung geometrischer Eigenschaften einer Oberfläche (1), gekennzeichnet durch mindestens eine Beleuchtung (L0) mit polarisiertem Licht, das auf die Oberfläche (1) gerichtet ist, und durch zwei Polarisationskameras (C1; C2) in Stereo-Anordnung.Arrangement for determining geometric properties of a surface (1), characterized by at least one illumination (L0) with polarized light directed onto the surface (1), and by two polarization cameras (C1; C2) in a stereo arrangement. Anordnung nach Anspruch 1, aufweisend eine Einrichtung zur zufälligen oder quasizufälligen Intensitäts- und/oder Farbmodulation des polarisierten Lichts.arrangement according to claim 1 , Having a device for random or quasi-random intensity and / or color modulation of the polarized light. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 mit mehreren Beleuchtungen, wobei die mehreren Beleuchtungen aus verschiedenen Richtungen auf die Oberfläche gerichtet sind.arrangement according to claim 1 or 2 with multiple lights, where the multiple lights are directed at the surface from different directions. Anordnung nach Anspruch 3, wobei die zwei Polarisationskameras eine erste Polarisationskamera (C1) und eine zweite Polarisationskamera (C2) aufweisen und die mindestens eine Beleuchtung (L0) mindestens eine erste und eine zweite Beleuchtung (L1; L2) mit polarisiertem Licht umfasst, die so angeordnet sind, dass, wenn Strahlen von der ersten Beleuchtung (L1) auf einem Oberflächenpunkt (P) im Glanzwinkel zur zweiten Polarisationskamera (C2) reflektiert werden, auch Strahlen von der zweiten Beleuchtung (L2) auf zumindest näherungsweise demselben Oberflächenpunkt P im Glanzwinkel zur ersten Polarisationskamera (C1) reflektiert werden.arrangement according to claim 3 , wherein the two polarization cameras have a first polarization camera (C1) and a second polarization camera (C2) and the at least one illumination (L0) comprises at least a first and a second illumination (L1; L2) with polarized light, which are arranged such that , if rays from the first illumination (L1) are reflected on a surface point (P) in the glancing angle to the second polarization camera (C2), rays from the second illumination (L2) are also reflected on at least approximately the same surface point P in the glancing angle to the first polarization camera (C1) be reflected. Anordnung nach Anspruch 4, wobei die erste Beleuchtung (L1) ringförmig um die erste Polarisationskamera (C1) und die zweite Beleuchtung (L2) ringförmig um die zweite Polarisationskamera (C2) angeordnet ist.arrangement according to claim 4 , wherein the first illumination (L1) is arranged annularly around the first polarization camera (C1) and the second illumination (L2) is arranged annularly around the second polarization camera (C2). Anordnung nach Anspruch 4, wobei die erste Beleuchtung (L1) reell oder virtuell im Strahlengang der ersten Polarisationskamera (C1) angeordnet ist und die zweite Beleuchtung (L2) reell oder virtuell im Strahlengang der zweiten Polarisationskamera (C2) angeordnet ist.arrangement according to claim 4 , wherein the first illumination (L1) is arranged real or virtual in the beam path of the first polarization camera (C1) and the second illumination (L2) is arranged real or virtual in the beam path of the second polarization camera (C2). Anordnung nach Anspruch 4, wobei die erste Beleuchtung (L1) und/oder die zweite Beleuchtung (L2) nach Anspruch 4 identisch sind mit der mindestens einen Beleuchtung (L0) nach Anspruch 1.arrangement according to claim 4 , Wherein the first illumination (L1) and/or the second illumination (L2) according to claim 4 are identical to the at least one lighting (L0). claim 1 . Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Anordnung zusätzlich zu der ersten Beleuchtung (L1) und zweiten Beleuchtung (L2) eine dritte Beleuchtung mit polarisiertem Licht umfasst, wobei die dritte Beleuchtung derart angeordnet ist, dass Strahlen der dritten Beleuchtung auf dem Oberflächenpunkt (P) außerhalb des Glanzwinkels zur ersten Polarisationskamera (C1) und außerhalb des Glanzwinkels zur zweiten Polarisationskamera (C2) reflektiert werden.arrangement according to claim 4 , wherein the arrangement comprises, in addition to the first illumination (L1) and second illumination (L2), a third illumination with polarized light, the third illumination being arranged such that rays of the third illumination on the surface point (P) outside the glancing angle to the first Polarization camera (C1) and are reflected outside of the grazing angle to the second polarization camera (C2). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend eine Auswerteeinheit, wobei die Auswerteeinheit angepasst ist, aus Aufnahmen der zwei Polarisationskameras (C1, C2) jeweils einen unpolarisierten Lichtanteil zu berechnen und mittels des unpolarisierten Lichtanteils korrespondierende Punkte auf der Oberfläche zu ermitteln.Arrangement according to one of Claims 1 until 3 , having an evaluation unit, wherein the evaluation unit is adapted to calculate an unpolarized light component from recordings of the two polarization cameras (C1, C2) and to determine corresponding points on the surface using the unpolarized light component. Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Anordnung angepasst ist, die mehreren Beleuchtungen aus verschiedenen Richtungen nacheinander zu schalten.arrangement according to claim 4 , the arrangement being adapted to sequentially switch the plurality of lights from different directions. Anordnung nach Anspruch 4 oder 10, aufweisend eine Auswerteeinheit, wobei die Auswerteeinheit angepasst ist, aus Aufnahmen der ersten Polarisationskamera (C1) und der zweiten Polarisationskamera (C2) jeweils einen polarisierten Lichtanteil und dessen Polarisationsrichtung zu berechnen und mittels des polarisierten Lichtanteils und dessen Polarisationsrichtung korrespondierende Punkte auf der Oberfläche zu ermitteln.arrangement according to claim 4 or 10 , having an evaluation unit, wherein the evaluation unit is adapted to calculate a polarized light component and its polarization direction from recordings of the first polarization camera (C1) and the second polarization camera (C2) and to determine corresponding points on the surface using the polarized light component and its polarization direction . Anordnung nach Anspruch 8, aufweisend eine Auswerteeinheit, wobei die Auswerteeinheit angepasst ist, aus Aufnahmen der ersten Polarisationskamera (C1) und der zweiten Polarisationskamera (C2) einen unpolarisierten Lichtanteil bei einer Beleuchtung mit der ersten Beleuchtung (L1) und/oder zweiten Beleuchtung (L2) und/oder dritten Beleuchtung zu ermitteln, aus Aufnahmen der ersten Polarisationskamera (C1) einen ersten polarisierten Lichtanteil bei einer Beleuchtung mit der zweiten Beleuchtung (L2) zu ermitteln, aus Aufnahmen der zweiten Polarisationskamera (C2) einen zweiten polarisierten Lichtanteil bei einer Beleuchtung mit der ersten Beleuchtung (L1) zu ermitteln, und aus dem unpolarisierten Lichtanteil, dem ersten polarisierten Lichtanteil und dem zweiten polarisierten Lichtanteil korrespondierende Punkte auf der Oberfläche zu ermitteln.arrangement according to claim 8 , having an evaluation unit, wherein the evaluation unit is adapted, from recordings of the first polarization camera (C1) and the second polarization camera (C2), an unpolarized light component in an illumination with the first illumination (L1) and/or second illumination (L2) and/or to determine the third illumination, to determine a first polarized light component from recordings by the first polarization camera (C1) when illuminated with the second illumination (L2), from recordings by the second polarization camera (C2) to determine a second polarized light component when illuminated with the first illumination ( L1) and to determine corresponding points on the surface from the unpolarized light component, the first polarized light component and the second polarized light component.
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