DE102021127682A1

DE102021127682A1 - Computergestütztes Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen einer Oberfläche eines Objekts

Info

Publication number: DE102021127682A1
Application number: DE102021127682.9A
Authority: DE
Inventors: Max Pargmann; Daniel Maldonado Quinto; Stefan Kesselheim; Jan Ebert
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2021-10-25
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2023-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen einer Oberfläche (22) eines Objekts (20). Das Verfahren umfasst wenigstens: Beleuchten des Objekts (20) mit einer Lichtquelle (10) in einer Lichtquellen-Position; Aufnehmen eines Bildes (40) des Objekts (20) mit einer Kamera (30) mit der einen Lichtquelle (10) in der einen Lichtquellen-Position; Eingeben einer virtuellen Aufnahmeszene mit Parametern des Objekts (20), Parametern der Lichtquelle (10) und Eigenschaften der virtuellen Aufnahmeszene; Berechnen eines virtuellen Bildes (44, 44_n) des Objekts (20) mit der virtuellen Aufnahmeszene; Bestimmen von Abweichungen des virtuellen Bildes von dem gemessenen Bild (40); wenn die Abweichungen ein vorgegebenes Konvergenzkriterium verletzen, Verändern von Parametern des Objekts und Berechnen eines neuen virtuellen Bildes (44, 44_n+1); Iterieren des Berechnens des virtuellen Bildes (44, 44_n) und des Bestimmens der Abweichungen des virtuellen Bildes (44, 44_n, 44_n+1) von dem gemessenen Bild (40) bis die Abweichungen das wenigstens eine Konvergenzkriterium erfüllen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche eines Objekts, eine Vorrichtung zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche eines Objekts sowie ein Computerprogrammprodukt und eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung.
Die Deflektometrie mittels Streifenmustern ist ein seit langem eingesetztes Verfahren zum Vermessen von Oberflächen von Objekten in den verschiedensten Labor- und Industrieanwendungen. Beispielsweise wird es üblicherweise zur Vermessung von Spiegeln und optischen Linsen verwendet. Hierbei werden parallele Streifen auf das zu untersuchende Objekt projiziert und deren Reflexion aufgenommen. Aus den Verzerrungen des reflektierten Bildes lassen sich über geometrische Zusammenhänge Rückschlüsse auf dessen Oberfläche ziehen.
Dieses Verfahren kommt auch in vielen industriellen Prozessen zum Einsatz, etwa in der Auto- und Flugzeugproduktion. Es kann auch an Solarturmkraftwerken eingesetzt werden.
Solarturmkraftwerke fokussieren gezielt einfallendes Sonnenlicht auf einen sogenannten Receiver, um über die entstehende Wärme Strom zu generieren. Das Umlenken der Sonnenstrahlen auf den Receiver geschieht über motorisierte Spiegel sogenannter Heliostate. Jeder dieser Heliostate hat seine eigenen individuellen Spiegelfehler, welche dessen Brennfleck und damit die Wärmeverteilung auf dem Receiver beeinflussen. Um diese Verformung z.B. in Simulationen berücksichtigen zu können, werden deflektometrische Messungen vorgenommen.
Neben den Spiegelfehlern weisen die Heliostate auch Sonnen-Nachverfolgungsfehler, sogenannte Tracking-Fehler, auf. Um diese möglichst gering zu halten, müssen die Heliostate regelmäßig kalibriert werden. Dies geschieht in der Regel so, dass der Brennfleck eines einzelnen Heliostaten vom Receiver auf eine weiße Projektionsfläche gefahren wird. Die Position des Brennflecks auf der Projektionsfläche, der zugehörige Sonnenstand und die Motorposition werden aufgezeichnet und abgespeichert. Mittels dieser Messpunkte kann die Abweichung des realen Heliostaten zu einem theoretisch idealen Heliostaten über eine mathematisch-physikalische Regression ermittelt werden.
Die Deflektometrie kann bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt eingesetzt werden. Beispielsweise bei stark konkaven Oberflächen können diese dazu führen, dass sich Linien überlappen und die Messung unbrauchbar machen. Weiter kann es bei ungenauen Positionsangaben zu Fehlern kommen. Kommt es beispielsweise bei transparenten Materialien zu Mehrfachreflexion, so überlappen mehrere Reflexionen der Streifenmuster, die mit dem klassischen Verfahren nicht eindeutig lösbar sind.
Speziell an Solartürmen wird Streifen-Deflektometrie seit langem eingesetzt. Das Verfahren konnte trotz eines Bedarfs nach einer genauen Heliostatvermessung bisher nicht voll automatisiert werden. Gründe dafür, sind u.a. die ungenaue Vermessung der Heliostatposition und/oder Ausrichtung, sowie die Taubildung, die auftritt, da das Verfahren aufgrund des benötigten Projektors nur nachts durchgeführt werden kann. Insgesamt ist die Deflektometrie mit hohem Personalaufwand und damit hohen Kosten verbunden und wird daher in der industriellen Praxis wenig genutzt.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein effizientes Verfahren zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche eines Objekts anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche eines Objekts mittels eines solchen effizienten Verfahrens bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle zur Ausführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung zur Ausführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein computergestütztes Verfahren zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche eines Objekts vorgeschlagen, wenigstens umfassend ein Beleuchten des Objekts mit wenigstens einer Lichtquelle in wenigstens einer Lichtquellen-Position; ein Aufnehmen wenigstens eines Bildes des Objekts mit wenigstens einer Kamera mit der wenigstens einen Lichtquelle in der wenigstens einen Lichtquellen-Position; ein Eingeben einer virtuellen Aufnahmeszene wenigstens mit Parametern des Objekts, Parametern der wenigstens einen Lichtquelle und Eigenschaften der virtuellen Aufnahmeszene; ein Berechnen wenigstens eines virtuellen Bildes n des Objekts mit der virtuellen Aufnahmeszene; ein Bestimmen von Abweichungen des virtuellen Bildes n von dem gemessenen Bild; wenn die Abweichungen wenigstens ein vorgegebenes Konvergenzkriterium verletzen, Verändern von Parametern des Objekts und Berechnen eines neuen virtuellen Bildes; und ein Iterieren des Berechnens des virtuellen Bildes und des Bestimmens der Abweichungen des virtuellen Bildes von dem gemessenen Bild bis die Abweichungen das wenigstens eine Konvergenzkriterium erfüllen.
Da die Deflektometrie zur Vermessung einer Objektoberfläche auf geometrischer Optik beruht, muss bei der Messung das Streifenbild-Muster eines Projektors verwendet werden. Grundsätzlich sind aber in jeder betrachteten Reflexion alle Informationen über die Spiegeloberfläche und Lichtquelle in Form einer mathematischen Faltung vorhanden. Dadurch kann auf jede beliebige definierte Lichtquelle zurückgegriffen werden. Die Oberfläche lässt sich prinzipiell mit beliebigen Lichtquellen rekonstruieren, falls diese ausreichend gut charakterisiert sind.
Um die Oberfläche berechnen zu können, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein sogenanntes inverses Rendern verwendet. Dabei wird aus dem zweidimensionalen Bild der Reflexion eine dreidimensionale Rekonstruktion des Objekts erzeugt.
Beispielsweise mittels eines klassischen Strahlverfolgungsverfahrens (auch als Raytracing-Verfahren bekannt) als einer Anwendung des inversen Renderns kann im sogenannten Vorwärtsschritt eine Simulation der optischen Gegebenheiten einer Szene erzeugt werden. Es wird dabei eine ideale Darstellung des untersuchten Objekts angenommen und anhand der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle unter Verfolgung und Reflexion der Lichtstrahlen ein 2D-Bild aus der 3D-Szene erzeugt. Das so erzeugte Bild wird daraufhin mit dem in Realität gemessenen Bild verglichen und über eine Bewertungsfunktion bewertet. Die Besonderheit des inversen Raytracings liegt darin, dass mit der Bewertungsfunktion nach freien Parametern der simulierten Geometrie abgeleitet werden kann. Dabei werden bei der Berechnung eines neuen virtuellen Bildes freie Parameter der virtuellen Aufnahmeszene, wie beispielsweise Oberflächeneigenschaften des Objekts, Position des Objekts, Position der Lichtquelle, Eigenschaften der Lichtquelle, mathematisch differenziert, um daraus in einem Rückwärtsschritt neue Werte für die Simulation der Aufnahmeszene zu bestimmen. Dies stellt ein bei Optimierungsalgorithmen übliches Vorgehen dar.
Günstigerweise kann eine als Konvergenzkriterium verwendete Bewertungsfunktion beispielsweise eine Differenz der Helligkeitswerte der einzelnen Pixel des gemessenen Bildes und des virtuellen Bildes angeben. Von diesem Punkt ausgehend und abhängig vom Maß der Abweichung können dann rückwärts, beispielsweise über ein mathematisches Gradientenverfahren, Parameter der virtuellen Aufnahmeszene angepasst werden.
Auf diese Weise wird ein iteratives Optimierungsverfahren durchgeführt, das in jedem Schritt ein neues Bild erzeugt und mit dem gemessenen Bild vergleicht, bis die Bewertungsfunktion als Konvergenzkriterium ein Optimum erreicht hat.
Insbesondere kann bei dem iterativen Verfahren auch die genaue Position und Orientierung des zu vermessenden Objekts anhand vorgegebener Startwerte optimiert werden. Hierdurch können ungenaue Messungen kompensiert werden.
Bei der Abbildungsfunktion der dreidimensionalen Objektoberfläche nach der zweidimensionalen Reflexion handelt es sich nicht um eine eindeutige Abbildung, es liegt also keine Bijektivität vor. Das Problem ist mathematisch unterbestimmt. Um das Problem der Unterbestimmung zu reduzieren, kann die Position und der Winkel der Lichtquelle verändert werden, beispielsweise durch ein LED Array, oder wechselnde Sonnenpositionen. Die zusätzlichen Bilder können gleichzeitig in der Bewertungsfunktion ausgewertet werden, indem die Summe über die zur Verfügung stehenden Bilder gebildet wird. So können Uneindeutigkeiten aufgelöst bzw. verringert werden.
Durch eine differenzierbare Darstellung der virtuellen Aufnahmeszene können mittels der inversen Raytracing-Methode die Lichtstrahlen rückverfolgt werden. Dabei werden bei der Berechnung eines neuen virtuellen Bildes freie Parameter der virtuellen Aufnahmeszene, wie beispielsweise Oberflächeneigenschaften des Objekts, Position des Objekts, Position der Lichtquelle, Eigenschaften der Lichtquelle, mathematisch differenziert, um daraus neue Werte für die Simulation der Aufnahmeszene zu bestimmen. Abhängig vom Maß der Abweichung zwischen gemessenem und virtuellem Bild können dann rückwärts, beispielsweise über ein mathematisches Gradientenverfahren, Parameter der virtuellen Aufnahmeszene angepasst werden.
Optional können bei einem Verfahren zum inversen Rendern statt einer Differenzierbarkeit gegebenenfalls neuronale Netze oder einfache Logikschaltungen eingesetzt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn die Umgebungsbedingungen und/oder Produktionsbedingungen bei der Erzeugung der Bilder, beispielsweise bei unexakter Positionierung der wenigstens einen Lichtquelle, unexakter Position des Objekts und dergleichen, von idealen Messbedingungen abweichen, etwa in industriellen Anlagen.
Durch das vorgeschlagene Verfahren fallen viele Beschränkungen der üblichen Streifen-Deflektometrie beim Vermessen einer Objektoberfläche weg. Statt eines Projektors reicht eine beliebige, definierte Lichtquelle. Dies ermöglicht es, die Komplexität eines Messaufbaus stark zu reduzieren. Auch die Position des untersuchten Objekts muss nicht eindeutig festgelegt sein. Zusätzlich können stark konkav geformte Bauteile mit dem Verfahren vorteilhaft vermessen werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können zum Berechnen des virtuellen Bildes des Objekts Lichtstrahlen, die von der wenigstens einen Lichtquelle zum Objekt ausgesendet werden und Lichtstrahlen, die an wenigstens dem Objekt reflektiert werden, auf einem Weg in die wenigstens eine Kamera verfolgt werden. Insbesondere kann in dem Verfahren zum Berechnen des virtuellen Bildes des Objekts ein inverses Strahlverfolgungsverfahren eingesetzt werden.
Vorteilhaft kann so eine ideale Darstellung des untersuchten Objekts angenommen und anhand der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle unter Verfolgung und Reflexion der Lichtstrahlen ein 2D-Bild aus der 3D-Szene erzeugt werden. Das so erzeugte Bild wird daraufhin mit dem in Realität gemessenen Bild verglichen und über eine Bewertungsfunktion bewertet.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können Parameter des Objekts wenigstens eine Position des Objekts und eine Form und/oder Oberflächeneigenschaften des Objekts umfassen.
Weiter können Parameter der wenigstens einen Lichtquelle wenigstens eine Art der Lichtquelle und eine Position der Lichtquelle umfassen. Weiter können Eigenschaften der virtuellen Aufnahmeszene wenigstens eine Position einer Projektionsfläche und/oder der wenigstens einen Kamera umfassen. Mittels dieser Parameter kann eine virtuelle Szene für die Simulation der Messung aufgebaut werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können bei einem Verändern von Parametern des Objekts zur Bestimmung eines neuen virtuellen Bildes freie Parameter der virtuellen Aufnahmeszene nach Eigenschaften des virtuellen Bildes abgeleitet werden. Durch eine differenzierbare Darstellung der virtuellen Aufnahmeszene können mittels der inversen Raytracing-Methode die Lichtstrahlen rückverfolgt werden. Dabei werden bei der Berechnung eines neuen virtuellen Bildes freie Parameter der virtuellen Aufnahmeszene, wie beispielsweise Oberflächeneigenschaften des Objekts, Position des Objekts, Position der Lichtquelle, Eigenschaften der Lichtquelle, mathematisch differenziert, um daraus neue Werte für die Simulation der Aufnahmeszene zu bestimmen. Abhängig vom Maß der Abweichung zwischen gemessenem und virtuellem Bild können dann rückwärts, beispielsweise über ein mathematisches Gradientenverfahren, Parameter der virtuellen Aufnahmeszene angepasst werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können mehrere Bilder des Objekts mit unterschiedlichen Positionen und Winkeln der wenigstens einen Lichtquelle aufgenommen und mit entsprechenden virtuellen Bildern verglichen werden. Insbesondere kann dabei als Lichtquelle die Sonne verwendet werden und mehrere Bilder des Objekts bei unterschiedlichen Sonnenständen aufgenommen werden. Durch Aufnahmen mit veränderten Positionen der Lichtquellen oder mehreren Lichtquellen kann vorteilhaft das Problem der Unterbestimmung der Abbildung von der dreidimensionalen Geometrie des Objekts auf das zweidimensionale Bild gelöst werden.
Vorteilhaft können mehrere Lichtquellen zum Beleuchten des Objekts bei der Aufnahme des wenigstens einen Bildes des Objekts verwendet werden. Durch Aufnahmen mit veränderten Positionen der Lichtquellen oder mehreren Lichtquellen kann das Problem der Unterbestimmung der Abbildung von der dreidimensionalen Geometrie des Objekts auf das zweidimensionale Bild günstig gelöst werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann als Konvergenzkriterium eine Bewertungsfunktion eingesetzt werden. Mittels dieser Bewertungsfunktion, welche auch als Verlustfunktion ausgebildet sein kann, lässt sich eine Konvergenz eines Optimierungsverfahrens bei der Anpassung der simulierten Bilder an die gemessenen Bilder bewerten.
Vorteilhaft können Bilder mit mehreren Kameras aufgenommen werden. Auch mit Hilfe von Aufnahmen von mehreren Kameras kann das Problem der Unterbestimmung der Abbildung von der dreidimensionalen Geometrie des Objekts auf das zweidimensionale Bild günstig gelöst werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann als wenigstens ein Bild des Objekts ein auf eine Projektionsfläche abgebildetes Bild des Objekts mit der wenigstens einen Kamera aufgenommen werden. Hierbei können insbesondere Abbilder der Sonne als Lichtquelle, wie sie beispielsweise bei der Kalibration von Heliostaten in Solarturmkraftwerken aufgenommen werden, vorteilhaft für die Oberflächenvermessung der Heliostate verwendet werden.
Insbesondere kann die Projektionsfläche eine matte weiße Oberfläche aufweisen. Für eine indirekte Abbildung der Objektoberfläche, beispielsweise über Beleuchtung mit Sonnenstrahlen, kann vorteilhaft beispielsweise eine absolut matte weiße Oberfläche, eine sogenannte Lambert'sche Oberfläche, eingesetzt werden. Es sind jedoch auch andere geeignete Oberflächen denkbar.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche eines Objekts mit einem solchen Verfahren vorgeschlagen, umfassend wenigstens eine Lichtquelle, wenigstens eine Kamera und wenigstens einen Computer, wobei die wenigstens eine Lichtquelle zum Beleuchten des Objekts in wenigstens einer Lichtquellen-Position ausgebildet ist, und wobei die wenigstens eine Kamera zum Aufnehmen wenigstens eines Bildes des Objekts ausgebildet ist. Dabei ist der wenigstens eine Computer ausgebildet, eine virtuelle Aufnahmeszene wenigstens mit Parametern des Objekts, Parametern der wenigstens einen Lichtquelle, und Eigenschaften einer virtuellen Aufnahmeszene aufzusetzen; wenigstens ein virtuelles Bildes des Objekts mit der virtuellen Aufnahmeszene zu berechnen; Abweichungen des virtuellen Bildes von dem gemessenen Bild zu bestimmen; wenn die Abweichungen wenigstens ein vorgegebenes Konvergenzkriterium verletzen, Parameter des Objekts zu verändern und ein neues virtuelles Bild zu bestimmen; und das Berechnen des virtuellen Bildes und das Bestimmen der Abweichungen des virtuellen Bildes von dem gemessenen Bild zu iterieren, bis die Abweichungen das wenigstens eine Konvergenzkriterium erfüllen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht die Vermessung einer Objektoberfläche über eine Aufnahme von Reflexionen des Objekts mit wenigstens einer Kamera und einer Simulation der Aufnahmeszene mit sogenanntem inversem Rendern. Es wird also aus dem zweidimensionalen Bild der Reflexion eine dreidimensionale Rekonstruktion des Objekts erzeugt. Beim inversen Rendern wird beispielsweise anhand eines klassischen Strahlverfolgungsverfahrens, auch bekannt als Raytracing, im sogenannten Vorwärtsschritt eine Simulation der optischen Gegebenheiten einer Szene erzeugt.
Es wird dabei eine ideale Darstellung des untersuchten Objekts angenommen und anhand der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle unter Verfolgung und Reflexion der Lichtstrahlen ein 2D-Bild aus der 3D-Szene erzeugt. Das so erzeugte Bild wird daraufhin mit dem in Realität gemessenen Bild verglichen und über eine Bewertungsfunktion bewertet.
Durch eine differenzierbare Darstellung der virtuellen Aufnahmeszene können mittels der inversen Raytracing-Methode die Lichtstrahlen rückverfolgt werden. Dadurch können freie Parameter der simulierten Geometrie abgeleitet werden kann. Dabei werden bei der Berechnung eines neuen virtuellen Bildes freie Parameter der virtuellen Aufnahmeszene, wie beispielsweise Oberflächeneigenschaften des Objekts, Position des Objekts, Position der Lichtquelle, Eigenschaften der Lichtquelle, mathematisch differenziert, um daraus in einem Rückwärtsschritt neue Werte für die Simulation der Aufnahmeszene zu bestimmen. Dies stellt ein bei Optimierungsalgorithmen übliches Vorgehen dar.
Günstigerweise kann eine als Konvergenzkriterium verwendete Bewertungsfunktion beispielsweise eine Differenz der Helligkeitswerte der einzelnen Pixel des gemessenen Bildes und des virtuellen Bildes angeben. Von diesem Punkt ausgehend und abhängig vom Maß der Abweichung können dann rückwärts, beispielsweise über ein mathematisches Gradientenverfahren, Parameter der virtuellen Aufnahmeszene angepasst werden.
Hiermit wird ein iteratives Optimierungsverfahren durchgeführt, das in jedem Schritt ein neues Bild erzeugt und mit dem gemessenen Bild vergleicht, bis die Bewertungsfunktion als Konvergenzkriterium ein Optimum erreicht hat.
Insbesondere kann bei dem iterativen Verfahren auch die genaue Position und Orientierung des zu vermessenden Objekts anhand vorgegebener Startwerte optimiert werden. Hierdurch können ungenaue Messungen kompensiert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Computer ausgebildet sein, das virtuelle Bild des Objekts mittels Verfolgen von Lichtstrahlen, die von der wenigstens einen Lichtquelle ausgesendet sind und von Lichtstrahlen, die an wenigstens dem Objekt reflektiert sind auf einem Weg in die wenigstens eine Kamera zu bestimmen. Insbesondere kann dabei der Computer ausgebildet sein, das virtuelle Bild des Objekts mittels eines inversen Raytracing-Verfahrens zu bestimmen.
Vorteilhaft kann so eine ideale Darstellung des untersuchten Objekts angenommen und anhand der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle unter Verfolgung und Reflexion der Lichtstrahlen ein 2D-Bild aus der 3D-Szene erzeugt werden. Das so erzeugte Bild wird daraufhin mit dem in Realität gemessenen Bild verglichen und über eine Bewertungsfunktion bewertet.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung können Parameter des Objekts wenigstens eine Position des Objekts und eine Form und Oberflächeneigenschaften des Objekts umfassen. Weiter können Parameter der wenigstens einen Lichtquelle wenigstens eine Art der Lichtquelle und eine Position der Lichtquelle umfassen. Weiter können Eigenschaften der virtuellen Aufnahmeszene wenigstens eine Position einer Projektionsfläche und/oder der wenigstens einen Kamera umfassen. Mittels dieser Parameter kann eine virtuelle Szene für die Simulation der Messung aufgebaut werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Computer ausgebildet sein, beim Verändern von Parametern des Objekts zur Bestimmung eines neuen virtuellen Bildes freie Parameter der virtuellen Aufnahmeszene nach der Bewertungsfunktion abzuleiten. Durch eine differenzierbare Darstellung der virtuellen Aufnahmeszene können mittels der inversen Raytracing-Methode die Lichtstrahlen rückverfolgt werden. Dabei werden bei der Berechnung eines neuen virtuellen Bildes freie Parameter der virtuellen Aufnahmeszene, wie beispielsweise Oberflächeneigenschaften des Objekts, Position des Objekts, Position der Lichtquelle, Eigenschaften der Lichtquelle, mathematisch differenziert, um daraus neue Werte für die Simulation der Aufnahmeszene zu bestimmen. Abhängig vom Maß der Abweichung zwischen gemessenem und virtuellem Bild können dann rückwärts, beispielsweise über ein mathematisches Gradientenverfahren, Parameter der virtuellen Aufnahmeszene angepasst werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann die wenigstens eine Lichtquelle ausgebildet sein, das Objekt aus unterschiedlichen Positionen und Winkeln zur Aufnahme mehrerer Bilder auszuleuchten. Insbesondere kann die Sonne die Lichtquelle darstellen und die wenigstens eine Kamera ausgebildet sein, mehrere Bilder des Objekts bei unterschiedlichen Sonnenständen aufzunehmen. Durch Aufnahmen mit veränderten Positionen der Lichtquellen oder mehreren Lichtquellen kann vorteilhaft das Problem der Unterbestimmung der Abbildung von der dreidimensionalen Geometrie des Objekts auf das zweidimensionale Bild gelöst werden.
Vorteilhaft können mehrere Lichtquellen zum Beleuchten des Objekts bei der Aufnahme des wenigstens einen Bildes des Objekts vorgesehen sein. Durch Aufnahmen mit veränderten Positionen der Lichtquellen oder mehreren Lichtquellen kann das Problem einer Unterbestimmung der Abbildung von der dreidimensionalen Geometrie des Objekts auf das zweidimensionale Bild günstig gelöst werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann das Konvergenzkriterium eine Bewertungsfunktion umfassen. Mittels dieser Bewertungsfunktion, welche auch als Verlustfunktion ausgebildet sein kann, lässt sich eine Konvergenz eines Optimierungsverfahrens bei der Anpassung der simulierten Bilder an die gemessenen Bilder bewerten.
Vorteilhaft können mehrere Kameras zur Aufnahme von Bildern des Objekts vorgesehen sein. Auch mit Hilfe von Aufnahmen von mehreren Kameras lässt sich das Problem der Unterbestimmung der Abbildung von der dreidimensionalen Geometrie des Objekts auf das zweidimensionale Bild lösen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann eine Projektionsfläche vorgesehen sein, auf welche ein Bild des Objekts zur Aufnahme mit der wenigstens einen Kamera abbildbar ist. Hierbei können insbesondere Abbilder der Sonne als Lichtquelle, wie sie beispielsweise bei der Kalibration von Heliostaten in Solarturmkraftwerken aufgenommen werden, vorteilhaft für die Oberflächenvermessung der Heliostate verwendet werden.
Insbesondere kann die Projektionsfläche eine matte weiße Oberfläche aufweisen. Für eine indirekte Abbildung der Objektoberfläche, beispielsweise über Beleuchtung mit Sonnenstrahlen, kann vorteilhaft beispielsweise eine absolut matte weiße Oberfläche, eine sogenannte Lambert'sche Oberfläche, eingesetzt werden. Es sind jedoch auch andere geeignete Oberflächen denkbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels einer entsprechend eingerichteten Datenverarbeitungseinrichtung, beispielsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Datenverarbeitung, insbesondere automatisch oder teilautomatisch, durchgeführt werden. Als derartige Datenverarbeitungseinrichtung kann beispielsweise ein herkömmlicher Computer, eine herkömmliche Workstation, ein Großrechner oder dergleichen verwendet werden. Aufgrund der Möglichkeit der Parallelisierung des Verfahrens kann die Verwendung einer Grafikkarte besonders vorteilhaft sein.
Die Datenverarbeitungseinrichtung kann also insbesondere einen Prozessor, einen Mikrochip, eine integrierte Schaltung, eine Hardwareschaltung oder dergleichen zum Ausführen eines das Verfahren kodierenden oder repräsentierenden Computerprogramms oder Programmcodes umfassen. Weiter kann die Datenverarbeitungseinrichtung insbesondere einen damit verbundenen flüchtigen und/oder nicht-flüchtigen Datenspeicher, eine oder mehrere Schnittstellen zum Empfangen und zum Ausgeben von Daten und/oder dergleichen mehr aufweisen. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann eine oder mehrere Teileinrichtungen zum Ausführen der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweisen. Diese Teileinrichtungen können entsprechende Hardwareschaltungen oder Hardwaremodule, aber ebenso entsprechende Programmteile oder Programmmodule des genannten Computerprogramms, also beispielsweise eines Betriebsprogramms für die Datenverarbeitungseinrichtung, sein oder umfassen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das Befehle oder Steueranweisungen umfasst, die bei ihrer Ausführung durch einen Computer, insbesondere eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung oder die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannte Datenverarbeitungseinrichtung, diesen Computer dazu veranlasst, zumindest eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere automatisch oder teilautomatisch, auszuführen. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt kann ein Computerprogramm sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dementsprechend also ganz oder teilweise computerimplementiert oder computerimplementierbar sein, also durch ein solches Computerprogramm oder einen entsprechenden Programmcode kodiert oder repräsentiert werden. Ebenso kann das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ein computerlesbarer Datenträger sein, auf dem ein entsprechendes Computerprogramm gespeichert ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung vorgeschlagen. Diese Vorrichtung weist Mittel zum, insbesondere automatisierten oder teilautomatisierten, Ausführen zumindest einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens auf. Diese Mittel können insbesondere die im Zusammenhang mit der genannten Datenverarbeitungseinrichtung beschriebenen Mittel sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Ausführen des Verfahrens beziehungsweise des entsprechenden Computerprogramms oder Programmcodes also insbesondere einen entsprechenden Prozessor, einen Datenspeicher und wenigstens eine Eingabe- und/oder Ausgabeschnittstelle aufweisen. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfassen.
Da die erfindungsgemäße Vorrichtung also insbesondere zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein kann und das erfindungsgemäße Verfahren also mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt werden kann, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend einige oder alle der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft in schematischer Darstellung:

1 eine Vorrichtung zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche eines Objekts nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Kamera direkt an dem Objekt reflektiertes Licht aufnimmt, das von mehreren Lichtquellen ausgesendet wird;
2 eine Vorrichtung zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche eines Objekts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Kamera auf eine Projektionsfläche reflektiertes Licht aufnimmt, das von mehreren Lichtquellen ausgesendet wird;
3 eine Vorrichtung zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche eines Objekts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das Objekt einen Heliostaten eines Solarturmkraftwerks darstellt, wobei die Sonne in mehreren Positionen als Lichtquelle eingesetzt wird;
4 ein Ablaufdiagramm eines computergestützten Verfahrens zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche eines Objekts nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
5 eine schematische Darstellung einer Datenverarbeitungsvorrichtung zum Ausführen eines computergestützten Verfahrens zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche eines Objekts nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche 22 eines Objekts 20 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei nimmt eine Kamera 30 Licht 28 auf, das direkt an dem Objekt 20 reflektiert wird.
Die Vorrichtung 100 umfasst in diesem Beispiel vier voneinander beabstandete Lichtquellen 10, welche Lichtstrahlen 18 aus entsprechend voneinander beabstandeten Lichtquellen-Positionen auf das Objekt 20 senden. Die Vorrichtung 100 umfasst weiter eine Kamera 30 und wenigstens einen Computer 50. Die Kamera 30 nimmt wenigstens ein Bild 40 des Objekts 20 auf.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel in 1 dargestellt, können die Lichtquellen 10 beispielsweise in linearer Anordnung nebeneinander angeordnet sein.
Durch Aufnahmen mit veränderten Positionen von Lichtquellen 10 oder mehreren Lichtquellen 10 gleichzeitig kann vorteilhaft das Problem einer Unterbestimmung der Abbildung von der dreidimensionalen Geometrie des Objekts 20 auf das zweidimensionale Bild 40 gelöst werden
Der Computer 50 ist dazu ausgebildet, eine virtuelle Aufnahmeszene wenigstens mit Parametern des Objekts 20, Parametern der wenigstens einen Lichtquelle 10, und Eigenschaften einer virtuellen Aufnahmeszene aufzusetzen, wenigstens ein virtuelles Bild 44_n des Objekts 20 mit der virtuellen Aufnahmeszene zu berechnen und Abweichungen des virtuellen Bildes 44_n von dem gemessenen Bild 40 zu bestimmen. Dabei kennzeichnet der Index n eine n-te Iterationsschleife, wobei n eine ganze Zahl 1, 2, 3,... darstellt. Mittels dieser Parameter kann eine virtuelle Szene für die Simulation der Messung aufgebaut werden.
Der Computer 50 ist weiter dazu ausgebildet, wenn die Abweichungen wenigstens ein vorgegebenes Konvergenzkriterium verletzen, Parameter des Objekts 20 zu verändern und ein neues virtuelles Bild 44_n+1 zu bestimmen. Dabei kennzeichnet der Index n+1 eine n+1-te Iterationsschleife, wobei n eine ganze Zahl 1, 2, 3,... darstellt. Der Computer 50 ist weiter dazu ausgebildet, das Berechnen des virtuellen Bildes 44_n, 44_n+1 und das Bestimmen der Abweichungen des virtuellen Bildes 44_n, 44_n+1 von dem gemessenen Bild 40 zu iterieren, bis die Abweichungen das wenigstens eine Konvergenzkriterium erfüllen. Das Konvergenzkriterium kann beispielsweise eine Bewertungsfunktion umfassen. Mittels dieser Bewertungsfunktion, welche auch als Verlustfunktion ausgebildet sein kann, lässt sich eine Konvergenz eines Optimierungsverfahrens bei der Anpassung der simulierten Bilder 44 an die gemessenen Bilder 40 bewerten.
Als Bewertungsfunktion kann beispielsweise eine Differenz der Helligkeitswerte der einzelnen Pixel des gemessenen Bildes 40 und des virtuellen Bildes 44 herangezogen werden.
Bei der Berechnung eines neuen virtuellen Bildes 44 können freie Parameter der virtuellen Aufnahmeszene, wie beispielsweise Oberflächeneigenschaften des Objekts 20, Position des Objekts 20, Position der Lichtquelle 10, Eigenschaften der Lichtquelle 10, mathematisch differenziert werden, um daraus neue Werte für die Simulation der Aufnahmeszene zu bestimmen. Dies stellt ein bei Optimierungsalgorithmen übliches Vorgehen dar. Abhängig vom Maß der Abweichung zwischen gemessenem und virtuellem Bild können dann rückwärts, beispielsweise über ein mathematisches Gradientenverfahren, Parameter der virtuellen Aufnahmeszene angepasst werden.
Der Computer 50 ist dazu ausgebildet, das virtuelle Bild 44 des Objekts 20 mittels Verfolgen von Lichtstrahlen 18, die von der wenigstens einen Lichtquelle 10 ausgesendet sind und von Lichtstrahlen 28, die an wenigstens dem Objekt 20 reflektiert sind, auf einem Weg in die Kamera 30 zu bestimmen. Das virtuelle Bild 44 des Objekts 20 kann so vorteilhaft mittels eines inversen Strahlverfolgungsverfahrens, auch als Raytracing bekannt, bestimmt werden.
Vorteilhaft kann so eine ideale Darstellung des untersuchten Objekts 20 angenommen und anhand der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle 10 unter Verfolgung und Reflexion der Lichtstrahlen 18, 28 ein 2D-Bild 44 aus der 3D-Szene erzeugt werden. Das so erzeugte Bild 44 wird daraufhin mit dem in Realität gemessenen Bild 40 verglichen und über eine Bewertungsfunktion bewertet.
Um die virtuelle Aufnahmeszene aufzusetzen, umfassen Parameter des Objekts 20 wenigstens eine Position des Objekts 20, eine Form des Objekts 20 und Oberflächeneigenschaften des Objekts 20. Parameter der wenigstens einen Lichtquelle 10 umfassen dabei wenigstens eine Art der wenigstens einen Lichtquelle 10 und die Position der wenigstens einen Lichtquelle 10. Eigenschaften der virtuellen Aufnahmeszene umfassen dabei wenigstens eine Position einer Projektionsfläche 32 und/oder der Kamera 30.
Der Computer 50 ist weiter ausgebildet, beim Verändern von Parametern des Objekts 20 zur Bestimmung eines neuen virtuellen Bildes 44 freie Parameter der virtuellen Aufnahmeszene nach Eigenschaften des virtuellen Bildes abzuleiten.
Die Lichtquelle 10 kann das Objekt 20 aus unterschiedlichen Positionen und Winkeln zur Aufnahme mehrerer Bilder 40 ausleuchten. Insbesondere kann als Lichtquelle 10 die Sonne verwendet werden und mit der Kamera 30 so mehrere Bilder 40 des Objekts 20 bei unterschiedlichen Sonnenständen 12, 14, 16 aufgenommen werden.
Vorteilhaft können auch mehrere Kameras 30 zur Aufnahme von Bildern 40 des Objekts 20 vorgesehen sein.
Durch Aufnahmen mit veränderten Positionen der Lichtquellen 10 oder mehreren Lichtquellen 10 gleichzeitig oder Aufnahmen mit mehreren Kameras 30 kann vorteilhaft das Problem der Unterbestimmung der Abbildung von der dreidimensionalen Geometrie des Objekts 20 auf das zweidimensionale Bild 40 gelöst werden.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung 100 zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche 22 eines Objekts 20 kann beispielsweise vorteilhaft in der industriellen Produktion eingesetzt werden. So sind beispielsweise in der Automobil- oder Flugzeugproduktion nicht immer ideale Bedingungen zum Einsatz gegeben, bei denen Deflektometrie zur Beurteilung von reflektierenden Oberflächen sinnvoll eingesetzt werden kann. Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung 100 kann anstelle eines dort üblicherweise eingesetzten Projektors zur Projektion eines Streifenmusters auf das Objekt 20 eine beliebige gerichtete Lichtquelle 10, etwa ein LED-Array oder eine Taschenlampe, auf die zu untersuchende Stelle (Objekt 20) gerichtet werden. Dies stellt eine kostengünstige und einfach zu handhabende Möglichkeit zur Vermessung der Oberfläche dar. Das inverse Rendering-Verfahren benötigt zudem nur eine grobe Information darüber, wo sich das Objekt 20 genau befindet. Sollte das Objekt 20 nicht ganz an der definierten Position stehen, kann die Position ebenfalls im Optimierungsverfahren bestimmt werden. Vorteilhaft kann beispielsweise an der Schnittstelle zwischen Rumpf eines Flugzeugs und dessen Tragflächen, an dem sich ein konkaver Übergang befindet, eine Vermessung der Oberflächen beider Komponenten gleichzeitig durchgeführt werden. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem bisherigen deflektometrischen Verfahren dar, wo sich im ungünstigen Fall Linien überlappen und somit die Messung unbrauchbar machen können.
Weitere mögliche Anwendungsgebiete ergeben sich bei der Vermessung von Spiegelteleskopen, optischen Linsen, Glasscheiben, und dergleichen. Weitere Anwendungsfelder finden sich in industriellen Prozessen bei Objekten mit glänzenden oder transparenten Oberflächen.
2 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche 22 eines Objekts 20 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei nimmt die Kamera 30 auf eine Projektionsfläche 32 reflektiertes Licht auf.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Bild 40 des Objekts 20 zur Aufnahme mit der Kamera 30 auf die Projektionsfläche 32 abgebildet. Die Projektionsfläche 32 kann vorteilhaft eine matte weiße Oberfläche aufweisen.
Das Objekt 20 wird, wie bei dem Ausführungsbeispiel in 1, mit Lichtstrahlen 18 mehrerer Lichtquellen 10 ausgeleuchtet. Die am Objekt 20 reflektierten Strahlen 28 fallen auf die Projektionsfläche 32. Das Bild 42 auf der Projektionsfläche 32 wird im Kamerabildfeld 29 von der Kamera 30 aufgenommen.
Der Iterationsprozess im Computer 50 zur Vermessung der Oberfläche 22 des Objekts 20 läuft wie bei dem vorigen Ausführungsbeispiel ab. Die virtuelle Aufnahmeszene umfasst lediglich zusätzlich Parameter der Projektionsfläche 32 zur Berechnung des virtuellen Bildes 44.
3 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche 22 eines Objekts 20 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei stellt das Objekt 20 einen Spiegel 26 eines Heliostaten 24 eines Solarturmkraftwerks mit einem Solarturm 60 dar.
Beim hierbei genutzten Aufbau wird ein Abbild der Sonne als Lichtquelle 10 auf einer Projektionsfläche 32 erzeugt. Die hierbei genutzen Brennfleckbilder 42 sind für die Nutzung der Oberflächenvermessung geeignet. Eine Kamera 30 nimmt Bilder 40 bei mehreren Sonnenständen, d.h. Lichtquellen-Positionen 12, 14, 16 auf. Im Computer 50 findet die schon beschriebene Auswertung der aufgenommenen Bilder 40 durch inverses Raytracing statt.
Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung 100 können die im Betrieb erzeugten Aufnahmen dazu genutzt werden, ein inverses Rendern der Bilder 44 aufzusetzen und daraus die Oberfläche des Heliostaten 24 abzuleiten. Eine regelmäßige Oberflächenvermessung ist auf diese Weise möglich.
Das vorgeschlagene Verfahren weist wesentliche Vorteile gegenüber der bisher eingesetzten Deflektometrie auf. Derartige Messungen lassen sich bei Tag durchführen, so dass eine Nutzung der Sonne als Lichtquelle 10 möglich ist. Die Kalibrierung der Heliostate 24 kann so vollautomatisch mit dem Computer 50 durchgeführt werden.
Das Verfahren kann in bestehenden und zukünftig geplanten kommerziellen Solarturmkraftwerken eingesetzt werden. Für bestehende Kraftwerke ist keine zusätzliche Hardware erforderlich, so dass eine Nachrüstung der bestehenden Kraftwerke möglich ist.
In 4 ist ein Ablaufdiagramm eines computergestützten Verfahrens zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche 22 eines Objekts 20 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Nach dem vorgeschlagenen Verfahren wird das Objekt 20 mit wenigstens einer Lichtquelle 10, die sich in wenigstens einer Lichtquellen-Position befindet, beleuchtet. Dabei wird wenigstens ein Bild 40 des Objekts 20 mit einer Kamera 30 mit der wenigstens einen Lichtquelle 10 in ihrer Lichtquellen-Position aufgenommen.
In Schritt S120 des dargestellten Ablaufdiagramms in 4 werden Parameter des Objekts 20, Parameter der wenigstens einen Lichtquelle 10 und Eigenschaften der virtuellen Aufnahmeszene definiert. Parameter des Objekts 20 können dabei wenigstens eine Position des Objekts 20 und eine Form und/oder Oberflächeneigenschaften des Objekts 20, Parameter der Lichtquelle 10 wenigstens eine Art der Lichtquelle 10 und eine Position der Lichtquelle 10 und Eigenschaften der virtuellen Aufnahmeszene wenigstens eine Position einer Projektionsfläche 32 und/oder einer Kamera 30 umfassen.
Die in Schritt S120 definierten Parameter werden in Schritt S100 zu einer virtuellen Aufnahmeszene aufgesetzt.
Danach wird in Schritt S102 wenigstens ein virtuelles Bild 44, 44_n des Objekts 20 mit der virtuellen Aufnahmeszene berechnet. Das Berechnen des virtuellen Bildes 44 des Objekts 20 umfasst ein Verfolgen von Lichtstrahlen 18, die von der Lichtquelle zum Objekt 20 ausgesendet werden und von Lichtstrahlen 28, die an wenigstens dem Objekt 20 reflektiert werden, auf einem Weg in die Kamera 30. Insbesondere umfasst das Berechnen des virtuellen Bildes 44 des Objekts 20 ein inverses Raytracing-Verfahren.
In Schritt S104 wird das in derselben Lichtquellen-Position gemessene Bild 40 in den Computer 50 geladen.
Es können auch mehrere Bilder 40 des Objekts 20 mit unterschiedlichen Positionen und Winkeln der wenigstens einen Lichtquelle 10 aufgenommen und mit entsprechenden virtuellen Bildern 44 verglichen werden. Insbesondere kann dabei als Lichtquelle 10 die Sonne verwendet werden und mehrere Bilder 40 des Objekts 20 bei unterschiedlichen Sonnenständen 12, 14, 16 aufgenommen werden. Vorteilhaft können auch mehrere Lichtquellen 10 zum Beleuchten des Objekts 20 bei der Aufnahme des wenigstens einen Bildes 40 des Objekts 20 verwendet werden. Es können vorteilhaft mehrere Bilder 40 mit mehreren Kameras 30 aufgenommen werden.
Weiter kann als wenigstens ein Bild 40 des Objekts 20 ein auf eine Projektionsfläche 32 abgebildetes Bild 42, 62 des Objekts 20 mit der Kamera 30 aufgenommen werden. Die Projektionsfläche 32 kann dabei vorteilhaft eine matte weiße Oberfläche aufweisen.
Abweichungen des virtuellen Bildes 44, 44_n von dem gemessenen Bild 40 werden beim Vergleich des virtuellen Bildes 44, 44_n mit dem gemessenen Bild 40 in Schritt S106 bestimmt. Wenn die Abweichungen wenigstens ein vorgegebenes Konvergenzkriterium verletzen, werden Parameter des Objekts verändert und ein neues virtuelles Bild 44, 44_n+1 berechnet. Als Konvergenzkriterium kann vorteilhaft eine Bewertungsfunktion eingesetzt werden.
In Schritt S108 wird überprüft, ob das vorgegebene Konvergenzkriterium erfüllt ist. Falls das der Fall ist, wird in Schritt S110 das Oberflächenprofil des Objekts 20 gespeichert.
Falls das nicht der Fall ist, werden in Schritt S112 Parameter der Oberfläche 22 des Objekts 20, beispielsweise über ein an sich bekanntes Gradientenverfahren, geändert und die Berechnung des virtuellen Bildes 44, 44_n+1 in Schritt S102 wiederholt. So können bei einem Verändern von Parametern des Objekts 20 zur Bestimmung eines neuen virtuellen Bildes 44, 44_n+1 Eigenschaften des virtuellen Bildes 44 nach freien Parametern der virtuellen Aufnahmeszene abgeleitet werden.
Dabei werden bei der Berechnung eines neuen virtuellen Bildes 44 freie Parameter der virtuellen Aufnahmeszene, wie beispielsweise Oberflächeneigenschaften des Objekts 20, Position des Objekts 20, Position der Lichtquelle 10, Eigenschaften der Lichtquelle 10, mathematisch differenziert, um daraus neue Werte für die Simulation der Aufnahmeszene zu bestimmen. Dies stellt ein bei Optimierungsalgorithmen übliches Vorgehen dar.
Günstigerweise kann die als Konvergenzkriterium verwendete Bewertungsfunktion beispielsweise eine Differenz der Helligkeitswerte der einzelnen Pixel des gemessenen Bildes 40 und des virtuellen Bildes 44 angeben. Von diesem Punkt ausgehend und abhängig vom Maß der Abweichung können dann rückwärts, beispielsweise über ein mathematisches Gradientenverfahren, Parameter der virtuellen Aufnahmeszene angepasst werden.
Das Berechnen des virtuellen Bildes 44, 44_n und das Bestimmen der Abweichungen des virtuellen Bildes 44, 44_n, 44_n+1 von dem gemessenen Bild 40 wird so lange iteriert, bis die Abweichungen das wenigstens eine Konvergenzkriterium erfüllen.
Bei dem computergestützten Verfahren zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche eines Objekts kann ein nachfolgend beispielhaft dargestellter Pseudo-Code verwendet werden:
Der Pseudo-Code beschreibt eine Funktion zum Optimieren einer Oberfläche (OptimizeSurface), welche als Eingabeparameter eine Anzahl von Bildszenen (Epochs), Bildern (Images), Lichtquellen-Positionen (LightPositions), Lichtverteilung (LightDistribution), eine Anzahl von Lichtstrahlen (NumRays) und eine Kameraebene (CameraPlane) verlangt.
Es wird ein ideal geformtes diskretisiertes Objekt geladen (ReflectingObject). Es wird eine Matrix mit derselben Höhe, Breite, Auflösung wie die Kameraebene (Bitmap) erzeugt. Es wird eine Optimierfunktion (Optimizer) gewählt, Es wird ein Scheduler (Scheduler) gewählt.
Die Berechnungen werden über die Anzahl an Bildszenen, an Bildern und Lichtquellen-Positionen, an Lichtstrahl-Parametern iteriert. Dabei wird jeweils eine Bewertungsfunktion (Loss) als Konvergenzkriterium berechnet. Nach einem Gradientenverfahren werden neue veränderte Parameter des Objekts bestimmt.
6 zeigt hierzu eine schematische Darstellung einer Datenverarbeitungsvorrichtung 500, beispielsweise eines Computers 50, zum Ausführen eines Verfahrens zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche 22 eines Objekts 20. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 500 weist hier einen Datenspeicher 514, einen damit verbundenen Prozessor 512 und eine mit diesem verbundene Schnittstelle 516 zum Empfangen und Ausgeben von Daten auf. Weiter weist die Datenverarbeitungsvorrichtung 500 eine Schnittstelle zu externen Einrichtungen 518, wie beispielsweise einem Netzwerk oder einem externen Speichersystem, auf. Auf dem Datenspeicher 514 ist hier ein Computerprogramm 520 gespeichert, das das Verfahren implementiert. Entsprechende Programmmodule 522 repräsentieren hier die Verfahrensschritte, wie sie in 4 dargestellt sind.
Bezugszeichenliste

10: Lichtquelle
12: Sonnenstand
14: Sonnenstand
16: Sonnenstand
18: ausgesendeter Lichtstrahl
20: Objekt
22: Oberfläche
24: Heliostat
26: Spiegel
28: reflektierter Lichtstrahl
29: Kamerabildfeld
30: Kamera
32: Projektionsfläche
40: Bild
42: Bild auf Projektionsfläche
44: virtuelles Bild
50: Computer
60: Solarturm
62: Brennfleck
100: Vorrichtung
500: Datenverarbeitungsvorrichtung
512: Prozessor
514: Datenspeicher
516: Schnittstelle zum Empfangen und Ausgeben von Daten
518: externe Einrichtungen
520: Computerprogramm
522: Programmmodul
S100: Aufsetzen virtuelle Aufnahmeszene
S102: Bestimmen virtuelles Bild
S104: Laden gemessenes Bild
S106: Vergleichen virtuelles Bild mit gemessenem Bild
S108: Prüfen auf Konvergenz
S110: Speichern Oberflächenprofil
S112: Ändern Objektoberfläche
S120: Definieren Eingabeparameter

Claims

Computergestütztes Verfahren zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche (22) eines Objekts (20), wenigstens umfassend - Beleuchten des Objekts (20) mit wenigstens einer Lichtquelle (10) in wenigstens einer Lichtquellen-Position; - Aufnehmen wenigstens eines Bildes (40) des Objekts (20) mit wenigstens einer Kamera (30) mit der wenigstens einen Lichtquelle (10) in der wenigstens einen Lichtquellen-Position; - Eingeben einer virtuellen Aufnahmeszene wenigstens mit Parametern des Objekts (20), Parametern der wenigstens einen Lichtquelle (10) und Eigenschaften der virtuellen Aufnahmeszene; - Berechnen wenigstens eines virtuellen Bildes (44, 44_n) des Objekts (20) mit der virtuellen Aufnahmeszene; - Bestimmen von Abweichungen des virtuellen Bildes (44, 44_n) von dem gemessenen Bild (40); - Wenn die Abweichungen wenigstens ein vorgegebenes Konvergenzkriterium verletzen, Verändern von Parametern des Objekts und Berechnen eines neuen virtuellen Bildes (44, 44_n+1); - Iterieren des Berechnens des virtuellen Bildes (44, 44_n) und des Bestimmens der Abweichungen des virtuellen Bildes (44, 44_n, 44_n+1) von dem gemessenen Bild (40) bis die Abweichungen das wenigstens eine Konvergenzkriterium erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Berechnen des virtuellen Bildes (44) des Objekts (20) Lichtstrahlen (18), die von der Lichtquelle zum Objekt (20) ausgesendet werden und Lichtstrahlen (28), die an wenigstens dem Objekt (20) reflektiert werden, auf einem Weg in die wenigstens eine Kamera (30) verfolgt werden, insbesondere wobei zum Berechnen des virtuellen Bildes (44) des Objekts (20) ein inverses Strahlverfolgungsverfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Parameter des Objekts (20) wenigstens eine Position des Objekts (20) und eine Form und/oder Oberflächeneigenschaften des Objekts (20) umfassen, wobei Parameter der Lichtquelle (10) wenigstens eine Art der wenigstens einen Lichtquelle (10) und eine Position der Lichtquelle (10) umfassen, wobei Eigenschaften der virtuellen Aufnahmeszene wenigstens eine Position einer Projektionsfläche (32) und/oder der wenigstens einen Kamera (30) umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einem Verändern von Parametern des Objekts (20) zur Bestimmung eines neuen virtuellen Bildes (44, 44_n+1) freie Parameter der virtuellen Aufnahmeszene nach Eigenschaften des virtuellen Bildes (44) abgeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Bilder (40) des Objekts (20) mit unterschiedlichen Positionen und Winkeln der wenigstens einen Lichtquelle (10) aufgenommen und mit entsprechenden virtuellen Bildern (44) verglichen werden, insbesondere wobei als Lichtquelle (10) die Sonne verwendet wird und mehrere Bilder (40) des Objekts (20) bei unterschiedlichen Sonnenständen (12, 14, 16) aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Konvergenzkriterium eine Bewertungsfunktion eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als wenigstens ein Bild (40) des Objekts (20) ein auf eine Projektionsfläche (32) abgebildetes Bild (42, 62) des Objekts (20) mit der wenigstens einen Kamera (30) aufgenommen wird, insbesondere wobei die Projektionsfläche (32) eine matte weiße Oberfläche aufweist.
Vorrichtung (100) zum Vermessen wenigstens einer Oberfläche (22) eines Objekts (20) mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend wenigstens eine Lichtquelle (10), wenigstens eine Kamera (30) und wenigstens einen Computer (50), wobei die wenigstens eine Lichtquelle (10) zum Beleuchten des Objekts (20) in wenigstens einer Lichtquellen-Position ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Kamera (30) zum Aufnehmen wenigstens eines Bildes (40) des Objekts (20) ausgebildet ist, wobei der wenigstens eine Computer (50) ausgebildet ist, - eine virtuelle Aufnahmeszene wenigstens mit Parametern des Objekts (20), Parametern der wenigstens einen Lichtquelle (10), und Eigenschaften einer virtuellen Aufnahmeszene aufzusetzen; - wenigstens ein virtuelles Bildes (44_n) des Objekts (20) mit der virtuellen Aufnahmeszene zu berechnen; - Abweichungen des virtuellen Bildes (44_n) von dem gemessenen Bild (40) zu bestimmen; - wenn die Abweichungen wenigstens ein vorgegebenes Konvergenzkriterium verletzen, Parameter des Objekts (20) zu verändern und ein neues virtuelles Bild (44_n+1) zu bestimmen; - das Berechnen des virtuellen Bildes (44_n, 44_n+1) und das Bestimmen der Abweichungen des virtuellen Bildes (44_n, 44_n+1) von dem gemessenen Bild (40) zu iterieren, bis die Abweichungen das wenigstens eine Konvergenzkriterium erfüllen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Computer (50) ausgebildet ist, das virtuelle Bild (44) des Objekts (20) mittels Verfolgen von Lichtstrahlen (18), die von der wenigstens einen Lichtquelle ausgesendet sind und von Lichtstrahlen (28), die an wenigstens dem Objekt (20) reflektiert sind, auf einem Weg in die wenigstens eine Kamera (30) zu bestimmen, insbesondere wobei der Computer (50) ausgebildet ist, das virtuelle Bild (44) des Objekts (20) mittels eines inversen Strahlverfolgungsverfahrens zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei Parameter des Objekts (20) wenigstens eine Position des Objekts (20) und eine Form und Oberflächeneigenschaften des Objekts (20) umfassen, wobei Parameter der wenigstens einen Lichtquelle (10) wenigstens eine Art der Lichtquelle (10) und eine Position der Lichtquelle (10) umfassen, wobei Eigenschaften der virtuellen Aufnahmeszene wenigstens eine Position einer Projektionsfläche (32) und/oder der wenigstens einen Kamera (30) umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Computer (50) ausgebildet ist, beim Verändern von Parametern des Objekts (20) zur Bestimmung eines neuen virtuellen Bildes (44) freie Parameter der virtuellen Aufnahmeszene nach Eigenschaften des virtuellen Bildes abzuleiten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die wenigstens eine Lichtquelle (10) ausgebildet ist, das Objekt (20) aus unterschiedlichen Positionen und Winkeln zur Aufnahme mehrerer Bilder (40) auszuleuchten, insbesondere wobei die Sonne die Lichtquelle (10) darstellt und die wenigstens eine Kamera (30) ausgebildet ist, mehrere Bilder (40) des Objekts (20) bei unterschiedlichen Sonnenständen (12, 14, 16) aufzunehmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Konvergenzkriterium eine Bewertungsfunktion umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei eine Projektionsfläche (32) vorgesehen ist, auf welche ein Bild (40) des Objekts (20) zur Aufnahme mit der wenigstens einen Kamera (30) abbildbar ist, insbesondere wobei die Projektionsfläche (32) eine matte weiße Oberfläche aufweist.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei ihrer Ausführung durch einen Computer (50) diesen dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, insbesondere automatisch, auszuführen.
Vorrichtung (500) zur Datenverarbeitung, aufweisend Mittel (50, 510, 512, 514, 516, 520, 522) zum, insbesondere automatisierten, Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.