DE10241752A1

DE10241752A1 - Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung

Info

Publication number: DE10241752A1
Application number: DE2002141752
Authority: DE
Inventors: Mladen Dr. Gomercic; Jan Dr. Thesing; Detlef Dr. Winter
Original assignee: GOM Gesellschaft fuer Optische Messtechnik mbH
Current assignee: GOM Gesellschaft fuer Optische Messtechnik mbH
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Bei einem Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung einer mit Referenzmarken (A, B, C, ... und X, Y, Z, ...) versehenen Oberfläche eines Objektes (1) durch DOLLAR A - Aufnahmen mehrerer Bilder (3a, 3b, 3c, ...) des Objektes (1) aus verschiedenen Perspektiven, DOLLAR A - Bestimmen von Bildkoordinaten (A¶1¶, A¶2¶, A¶3¶; B¶1¶, B¶2¶, B¶3¶; C¶1¶, C¶2¶, C¶3¶; ...) der Referenzmarken (A, B, C, ... und X, Y, Z, ...) in den aufgenommenen Bildern (3a, 3b, 3c, ...) und DOLLAR A - Bestimmen der Objektkoordinaten der Referenzmarken (A, B, C, ...) aus den Bildkoordinaten (A¶1¶, A¶2¶, A¶3¶; B¶1¶, B¶2¶, B¶3¶; C¶1¶, C¶2¶, C¶3¶; ...) mittels Berechnung der Schnittpunkte der Abbildungsstrahlen (S) für die in verschiedenen Perspektiven aufgenommenen Referenzmarken (A, B, C, ... und X, Y, Z, ...) DOLLAR A werden zusätzlich zu auf der Oberfläche aufgebrachten codierten Referenzmarken (X, Y, Z, ...) mit einer für den Schritt der Bestimmung der Bildkoordinaten (A¶1¶, A¶2¶, A¶3¶; B¶1¶, B¶2¶, B¶3¶; C¶1¶, C¶2¶, C¶3¶; ...) definierten Form Referenzmarken (A, B, C, ...) mit einem Markierungsmittel unmittelbar auf der Oberfläche aufgezeichnet, wobei die aufgezeichneten Referenzmarken (A, B, C, ...) eine für den Schritt der Bestimmung der Bildkoordinaten (A¶1¶, A¶2¶, A¶3¶; B¶1¶, B¶2¶, B¶3¶; C¶1¶, C¶2¶, C¶3¶; ...) nicht definierte Form haben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung einer mit Referenzmarken versehenen Oberfläche eines Objektes durch

– Aufnehmen mehrerer Bilder des Objektes aus verschiedenen Perspektiven,
– Bestimmen der Bildkoordinaten der Referenzmarken in den Bildern, und
– Bestimmen der Objektkoordinaten der Referenzmarken aus den Bildkoordinaten mittels Berechnung der Schnittpunkte der Abbildungsstrahlen für die in verschiedenen Perspektiven aufgenommenen Referenzmarken.

Zur dreidimensionalen exakten Ermittlung der Koordinaten von Objektoberflächen sind photogrammetrische Messverfahren hinreichend bekannt. Hierbei werden die zu messenden Objektmerkmale herkömmlicherweise mit Referenz-Punktmarken markiert, die auf die Oberfläche des zu vermessenden Objektes aufgeklebt werden. Dann wird das Objekt mit einer digitalen Kamera aus verschiedenen Richtungen fotografiert und die Bildkoordinaten der aufgeklebten Referenz-Punktmarken mit computergestützten Bildauswerteverfahren automatisch und hoch präzise gemessen. Aus den gemessenen Bildkoordinaten werden die Objektkoordinaten der markierten Referenzpunkte bestimmt, indem jeweils der Schnittpunkt der Abbildungsstrahlen berechnet wird, der sich für einen in unterschiedlichen Kamerapositionen aufgenommenen Referenzpunkt ergibt.

Die aufklebbaren Referenzmarken bestehen häufig aus einem Punkt mit einer Umrandung oder aus einem vorab bekannten Muster. Vielfach befindet sich in der direkten Umgebung der Marken noch spezielle Muster (Buchstaben, Zahlen, Ringcode), die eine eindeutige Erkennung der jeweiligen Marken in den einzelnen Bildern ermöglichen.

Mit einem solchen photogrammetrischen Koordinaten-Messverfahren kann beispielsweise der dreidimensionale Ist-Zustand eines Objektes aufgenommen, die Objektgeometrie bezüglich der Konstruktionszeichnung überprüft oder die Objektverformung unter Belastung durch Aufnahme mehrerer Epochen erfasst werden.

Eine Skalierung der Messung kann erfolgen, indem ein exakter Maßstab neben dem Objekt positioniert und mit aufgenommen und photogrammetrisch ausgewertet wird.

Bei einem solchen, beispielsweise aus der DE 197 28 513 A1 bekannten, photogrammetrischen Messverfahren müssen die Referenzmarken aufwendig aufgeklebt werden, wobei durch die Auftragshöhe der Referenz-Klebemarken ein systematischer Fehler bei der Vermessung vorgegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung einer mit Referenzmarken versehenen Oberfläche eines Objektes zu schaffen.

Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass zusätzlich zu auf der Oberfläche aufgebrachten codierten Referenzmarken, die eine für den Schritt der Bestimmung der Bildkoordinaten definierte Form haben, Referenzmarken mit einem Markierungsmittel unmittelbar auf der Oberfläche aufgezeichnet werden, wobei die aufgezeichneten Referenzmarken eine für den Schritt der Bestimmung der Bildkoordinaten nicht definierte Form haben.

Im Unterschied zu den herkömmlichen Klebe-Referenzmarken wird nunmehr vorgeschlagen, die Oberfläche unmittelbar mit einem Markierungsmittel, wie z. B. einen Stift oder Pinsel, zu markieren. Das heißt, dass nicht nur definierte Referenzmarken mit festgelegtem Muster gemessen werden können, sondern beliebige linienförmige Gebilde auf der Oberfläche (z. B. Kreuze, Kreise, Raster) aufgemalt werden können. Zur Auswertung wird dann nicht der Grauwertkontrast der Referenz-Klebemarken, sondern der Kontrast der beliebigen Referenzmarkierungen zu der Objektoberfläche zur Vermessung ausgenutzt. Die Referenzmarkierungen sind mit dem Markierungsmittel sehr leicht und schnell anzubringen und liegen vorteilhafterweise genau auf der Oberfläche auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Erkenntnis zunutze, dass zur hoch genauen optischen Vermessung keine definierte Kontur der Referenzmarke erforderlich ist, wie sie herkömmlicherweise eingesetzt wurde. Vorzugsweise werden die mit dem Markierungsstift oder Pinsel aufgezeichneten Referenzmarken beliebiger Form mit Hilfe von Mustererkennungsverfahren gesucht und übereinstimmende Referenzmarkenmuster in den in verschiedenen Perspektiven aufgenommenen Bildern des Objektes erkannt. Für die erkannten übereinstimmenden Referenzmarkenmuster werden dann die Objektkoordinaten berechnet. Diese Mustererkennungsverfahren sind nicht auf vorgegebene Punktmarkierungen oder ähnliche Muster beschränkt, sondern bieten die Möglichkeit, übereinstimmende; Merkmale in den Bildern zu erkennen, die in unterschiedlichen Bildpositionen aufgenommen wurden.

Zur Ermittlung von Fertigungsabweichungen werden die berechneten Objektkoordinaten vorzugsweise mit zugehörigen Konstruktionsdaten verglichen, wobei insbesondere zur automatischen Auswertung in einem Computersystem abgespeicherte CAD-Daten als Konstruktionsdaten ausgewertet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 Skizze des erfindungsgemäßen Verfahrens zur dreidimensionalen optischen Vermessung mit Referenzmarken beliebiger Form.
Die 1 lässt einen Ausschnitt eines Kraftfahrzeuges als Objekt 1 schematisch erkennen, das neben einigen aufgeklebten codierten Referenzmarken X, Y, Z mit definierter Form auch mehrere mit einem Markierungsstift per Hand unmittelbar auf die Oberfläche des Objektes 1 aufgetragene Referenzmarken A, B, C hat. Diese Referenzmarken A, B, C haben eine beliebige Form und Länge und sind vorzugsweise linienförmige Gebilde (Kreise, Kreuze, Raster).
Das Objekt 1 wird im Abstand in mehreren Kamerapositionen P₁, P₂, P₃ mit einer digitalen Kamera 2 aufgenommen und die aufgenommenen Bilder 3a, 3b und 3c ausgewertet. Dabei werden zunächst die Bildkoordinaten A₁, A₂, A₃, B₁, B₂, B₃, C₁, C₂, C₃ der Abbildungen der Referenzmarken A, B, C mit undefinierter Form sowie die der Übersicht halber nicht dargestellten Bildkoordinaten der Abbildungen der codierten Referenzmarken X, Y, Z mit definierter Form bestimmt. Für jeden Bildpunkt ist durch das Kameraobjektiv 4 und den festgelegten Abstand d des Kameraobjektivs 4 zu der Abbildungsfläche 5 der Abbildungsstrahl von der Abbildungsfläche 5 zu dem entsprechenden Punkt auf der Oberfläche des Objektes 1 definiert. Durch bekannte rechnerische Verfahren kann in für den Fachmann bekannter Weise der Schnittpunkt der Abbildungsstrahlen berechnet werden, der sich für gleiche Bildpunkte ergibt, die in unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen wurden. Durch den Schnittpunkt sind dann die dreidimensionalen Koordinaten des entsprechenden Punktes auf der Oberfläche des Objektes 1 bekannt.
Zur Skalierung der Messung wird vorzugsweise ein exakter Maßstab 6 neben dem Objekt 1 positioniert, wobei die Skalen des Maßstabs 6 ebenfalls photogrammetrisch vermessen werden.
Nachdem die Bilder 3a, 3b, 3c in unterschiedlichen Positionen aufgenommen wurden, folgt vorzugsweise eine Erkennung übereinstimmender Referenzmarkenmuster durch bekannte computergestützte Mustererkennungsverfahren. Es werden somit übereinstimmende Merkmale in den Bildern 3a, 3b, 3c gesucht und für die erkannten übereinstimmenden Referenzmarkenmuster die Objektkoordinaten photogrammetrisch, beispielsweise durch Triangulation, berechnet.
Anschließend können die berechneten Objektkoordinaten mit zugehörigen Konstruktionsdaten verglichen werden, um Fertigungsabweichungen zu vergleichen. Die Messergebnisse können aber auch in bekannter Weise zur Erfassung der Objektverformung unter Belastung durch Aufnahme und Auswertung mehrerer Epochen verwendet oder einfach nur zur Aufnahme des dreidimensionalen Ist-Zustandes des Objektes 1 eingesetzt werden.
Da sich die ermittelten Schnittpunkte der Abbildungsstrahlen aus dem Schnitt mehrerer Abbildungsstrahlen ergeben, kann neben den Objektkoordinaten auch die Standardabweichung des Messwertes bestimmt werden. Während der Berechnung der Objektkoordinaten können zudem auch die Standpunkte und die Abbildungseigenschaften der mindestens einen Aufnahmekamera 2 simultan mitbestimmt werden.

Claims

Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung einer mit Referenzmarken (A, B, C, ... und X, Y, Z, ...) versehenen Oberfläche eines Objektes (1) durch Aufnehmen mehrerer Bilder (3a, 3b, 3c, ... ) des Objektes (1) aus verschiedenen Perspektiven, Bestimmen der Bildkoordinaten (A₁, A₂, A₃; B₁, B₂, B₃; C₁, C₂, C₃; ...) der Referenzmarken (A, B, ,... und X, Y, Z,... ) in den Bildern (3a, 3b, 3c, ...), und Bestimmen der Objektkoordinaten der Referenzmarken (A, B, C,... und X, Y, Z, ... ) aus den Bildkoordinaten (A₁, A₂, A₃; B₁, B₂, B₃; C₁, C₂, C₃; ...) mittels Berechnung der Schnittpunkte der Abbildungsstrahlen (S) für die in verschiedenen Perspektiven aufgenommenen Referenzmarken (A, B, C, ... und X, Y, Z, ... ), dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu auf der Oberfläche aufgebrachten codierten Referenzmarken (X, Y, Z,... ) mit einer für den Schritt der Bestimmung der Bildkoordinaten (A₁, A₂, A₃; B₁, B₂, B₃; C₁, C₂, C₃; ... ) definierten Form Referenzmarken (A, B, C, ... ) mit einem Markierungsmittel unmittelbar auf der Oberfläche aufgezeichnet werden, wobei die aufgezeichneten Referenzmarken (A, B, C, ... ) eine für den Schritt der Bestimmung der Bildkoordinaten (A₁, A₂, A₃; B₁, B₂, B₃; C₁, C₂, C₃; ... ) nicht definierte Form haben.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch – Erkennen von übereinstimmenden Referenzmarkenmustern mittels Mustererkennungsverfahren in Bildern, die in verschiedenen Perspektiven aufgenommen sind, – Berechnen der Objektkoordinaten für die erkannten übereinstimmenden Referenzmarkenmuster.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Vergleichen iler berechneten Objektkoordinaten mit zugehörigen Konstruktionsdaten zur Ermittlung von Fertigungsabweichungen.