DE10301903A1

DE10301903A1 - Verfahren zur räumlichen Vermessung eigenbewegter Objekte mittels aktiver Triangulation

Info

Publication number: DE10301903A1
Application number: DE10301903A
Authority: DE
Inventors: Olaf Otahal; Marc Hensel; Marius Annoff
Original assignee: ATELION GmbH
Current assignee: ATELION GmbH
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2004-08-05

Abstract

Die Vermessung mittels aktiver Punkt- oder Linientriangulation erfordert eine Abtastung der zu vermessenden Fläche. Daher muss diese während der Messung unbewegt sein, was sich beispielsweise bei der Fingerkuppenvermessung zur biometrischen Personenidentifikation nicht gut erfüllen lässt. DOLLAR A Zur Lösung des Problems wird die Lage eines nicht notwendigerweise eindimensional bewegten Objektes 4 innerhalb eines ortsfesten Messaufbaus, bestehend aus Kamera 1 und Lichtquelle 2, bestimmt. Aus der Veränderung der Objektlage zwischen zwei Auswertungen lassen sich die ermittelten Messergebnisse in räumlichen Bezug zueinander bringen und kombinieren. Die Bestimmung der Fingerkuppenlage kann durch Auswertung der Fingerkontur erfolgen. Die gleichzeitige Analyse des Fingerabdrucks wird durch Betrachtungen in unterschiedlichen Farbbereichen ermöglicht. DOLLAR A Das Verfahren ermöglicht die Vermessung eigenbewegter Objekte, beispielsweise zur Personenidentifikation, Körpermaßerfassung oder Qualitätskontrolle unter Translationen und Rotation rutschender oder geschobener Werkstücke.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur räumlichen Vermessung von Gliedmaßen oder deren Teilflächen wie Fingerkuppen sowie nichtlebender Objekte mittels aktiver Triangulation, wobei zur Abtastung der zu vermessenden Fläche die nicht gesteuerte Bewegung des zu vermessenden Objektes im Sichtbereich des Messkopfes genutzt wird.
Ein derartiges Verfahren ist von großem praktischen Interesse, denn es ermöglicht die Vermessung sich nicht notwendigerweise eindimensional bewegender Objekte mittels aktiver Triangulation und benötigt keine mechanisch beweglichen Komponenten sowie Einheiten zu deren Steuerung, wie sie üblicherweise verwendet werden. Hierdurch wird insbesondere das Problem der Vermessung von Gliedmaßen (beispielsweise Fingerkuppenvermessung) im Bereich der biometrischen Personenidentifikation gelöst. Zudem ergeben sich neue Möglichkeiten beispielsweise zur Qualitätskontrolle von Werkstücken und Produkten, welche entlang einer Produktionsstraße geschoben werden oder rutschen und dabei Translationen und/oder Rotationen ausführen.
Es sind bereits Verfahren zur räumlichen Vermessung mittels aktiver Triangulation bekannt (Offenlegungsschriften DE 10064289 A1 und DE 19721688 A1 , Europäische Patentanmeldung EP 0913707 A1 ). Alle diese Verfahren beruhen auf der Projektion von Licht auf ein zu vermessendes Objekt, wobei zumeist Laserlicht verwendet wird. Aus der Position eines projizierten Lichtpunktes im Bild einer zum Messkopf gehörenden Kamera, welche in fester räumlichen Anordnung zur Lichtquelle steht, lässt sich die Lage des vermessenden Objektpunktes relativ zur Kamera errechnen. In der so genannten Punkttriangulation wird eine punktförmige Lichtquelle verwendet. Zur Vermessung einer Fläche ist daher eine zweidimensionale Abtastung der Fläche notwendig. Bei der Linientriangulation („Lichtschnittverfahren") wird ein durch eine geeignete Optik zur Linie aufgefächerter Lichtstrahl verwendet. Durch Auswertung aller Bildpunkte der projizierten Lichtlinie können in einem einzigen Kamerabild die Koordinaten aller Objektpunkte entlang dieser Linie berechnet werden. Zur Vermessung einer Fläche ist daher eine eindimensionale Abtastung der Fläche notwendig. Die Abtastung der zu vermessenden Fläche erfolgt entweder durch gesteuerte Ablenkung des Lichtes, beispielsweise über Schwenkspiegel, oder durch gesteuerte Bewegung des zu vermessenden Objektes im Sichtbereich eines ortsfesten Messkopfes, beispielsweise durch ein Förderband unterhalb eines ortsfesten Linienlasers (Europäische Patentanmeldung EP 0701104 A2 ).
Punkt- und Linientriangulation zeichnen sich in der Praxis vor allem durch verhältnismäßig geringe Anschaffungskosten sowie einen geringen Rechenaufwand aus. In vielen Anwendungen erweist sich die Notwendigkeit der Abtastung der zu vermessenden Fläche jedoch als nachteilig oder verhindert den Einsatz aktiver Triangulation. Die Anschaffungskosten für Messköpfe, in denen die Abtastung über Schwenkspiegel realisiert ist, werden maßgeblich mit durch die Komponenten zur Abtastung bestimmt.
Es ist eine aufwändige Steuerung notwendig. Des Weiteren sind hohe mechanische Ansprüche an die Komponenten zu stellen, um die erforderliche Präzision und Geschwindigkeit der Abtastung zu erreichen, welche zudem zu einem erhöhten Wartungsaufwand führen. Letztendlich sind Geräte mit präzisen mechanischen Komponenten wenig robust gegenüber äußeren Einflüssen wie Erschütterungen. Der für viele Anwendungen erheblichste Nachteil der Abtastung ist jedoch die Notwendigkeit, unbewegte Objekte zu vermessen beziehungsweise Objekte, deren Bewegung beispielsweise durch Transport auf einem Förderband exakt vorgegeben werden kann.
Diese Forderungen sind beispielsweise bei der Vermessung von Körpergliedmaßen nicht gut zu erfüllen, was nachfolgend anhand der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der biometrischen Personenidentifikation mittels Fingerkuppenanalyse, ausgeführt werden soll.
Es hat sich gezeigt, dass die Analyse der Fingerkuppenstruktur („Fingerabdruck") zwar bereits sehr ausgereift ist, aber die angebotenen Sensoren erhebliche Sicherheitsmängel beispielsweise durch so genannte Latenzbilder, welche durch feine Fettrückstände bei Auflage des Fingers auf die Sensorfläche verursacht werden, aufweisen. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit derartiger biometrischer Systeme wird daher die Entwicklung berührungslos arbeitender Sensoren und Verfahren (Offenlegungsschrift DE 10123561 A1 ) angestrebt, welche neben Merkmalen des Fingerabdrucks auch die Fingerkuppenform erfassen. Neben der Erweiterung um biometrische Merkmale wird hierdurch vor allem die Täuschung des Systems durch Fotografien der Fingerkuppe deutlich erschwert.
Bei der Vermessung der Fingerkuppenform ergibt sich das grundsätzliche Problem, dass es kaum möglich ist, den Finger über den Zeitraum der Messung exakt still zu halten. Daher können Verfahren, welche ortsfeste Messobjekte voraussetzen nicht eingesetzt werden, während die stereoskopische Tiefengewinnung, welche Objektbewegungen zulässt, rechenintensiv ist und die Verwendung zweier Kameras erfordert.
Das Problem wird durch die Erweiterung der aktiven Triangulation auf eigenbewegte Objekte gelöst. Hierzu werden die Lichtquelle 2, im beschriebenen Anwendungsfall vorzugsweise ein Linienlaser, sowie die Kamera 1 der Anordnung einer Linientriangulation entsprechend ortsfest montiert. Durch die ortsfeste Anordnung bleibt die Lage der durch den Linienlaser erzeugten Lichtebene 3 relativ zur Kamera stets unverändert. Bei Bewegung des Fingers 4 innerhalb des Messbereiches, beispielsweise beim Einführen des Fingers in eine entsprechende Apparatur, können mehrere Lichtschnitte aufgenommen werden, aus denen sich jeweils ein Höhenverlauf entlang der projizierten Lichtlinie berechnen lässt. Zur Verbindung der einzelnen Höhenverläufe zu einer Oberfläche sind die Höhenverläufe in räumlichen Bezug zueinander zu bringen. Dies geschieht durch Analyse der Lage des Objektes reaativ zur Lichtebene. Ist bekannt, wo genau sich das Objekt befindet, so kann berechnet werden, welcher Teil des Objektes von der Lichtlinie erfasst wurde. Eine andere Interpretation der gegebenen Verhältnisse ist die Folgende: Ist bekannt, wie sich das Objekt zwischen zwei Lichtschnitten bewegt hat, so können die konespondierenden Höhenprofile zueinander in räumlichen Bezug gesetzt werden, indem sie um die stattgefundene Objektbewegung verschoben werden. Zur Bestimmung der Fingerlage in Aufsicht kann die Kontur 8 des Fingers ausgewertet werden. Aus dieser lassen sich die zentrale Längsachse 10 des Fingers sowie die Position der Fingerspitze 11 auf dieser Achse bestimmen, welche die Lage des Fingers in Aufsicht beschreiben und daher geeignet sind, einen geometrischen Bezug zur Lage der Lichtlinie 9 zu formulieren.
In der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist die Vermeidung von Störungen durch die projizierte Lichtlinie Teil der Erfindung: Die im Kamerabild sichtbare Lichtlinie stört die Analyse des Fingerabdrucks. Das Problem wird gelöst, indem das Kamerabild zur aktiven Triangulation und zur Analyse des Fingerabdrucks in verschiedenen Farbbereichen untersucht wird. So kann beispielsweise bei Verwendung eines roten Linienlasers die aktive Triangulation direkt mit einem von der Kamera gelieferten Farbbild erfolgen, zur Analyse des Fingerabdrucks jedoch zuvor der Rotanteil aus dem Bild gefiltert werden. Auf diese Weise ist eine quasi parallele räumliche Vermessung sowie Analyse des Fingerabdrucks möglich.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens in der beschriebenen bevorzugten sowie anderen denkbaren Ausführungsformen ist der Umstand, dass die Vermessung bereits während des Einführens in die Apparatur beziehungsweise während einer anderen ohnehin durchgeführten Bewegung stattfinden kann.
Günstige Weiterbildungen der Erfindung sind beispielsweise die Vermessung der Handgeometrie zur Personenidentifikation sowie die automatische Erfassung von Körperextremitäten in der Bekleidungsindustrie.
Eine weitere Ausführungsform ist die Qualitätskontrolle produzierter Werkstücke 5, welche sich nicht auf einem Förderband unter dem Messkopf 1 und 2 bewegen, sondern bei möglichen Rotationen oder seitlichen Translationen unter dem Messkopf rutschen oder von anderen Werkstücken 7 geschoben werden.
Zur Veranschaulichung der Erfindung werden Zeichnungen beigefügt. Diese zeigen Folgendes:
1a: Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung am Beispiel einer Fingerkuppenvermessung mit einer Kamera und einem Linienlaser.
1b: Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung am Beispiel der Qualitätskontrolle von Werkstücken.
2: Eine Ausführungsform der Erkennung der Lage eines zu vermessenden Objektes am Beispiel einer Fingerkuppe von oben.
Die in 1a dargestellte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht aus einer Kamera 1 und einem Linienlaser 2, die sich über dem zu vermessenden Objekt 4, einer Fingerkuppe, befinden. Der Linienlaser erzeugt eine Lichtebene 3, mit welcher eine Lichtlinie auf die Fingerkuppe projiziert wird. Die Abtastung erfolgt durch Eigenbewegung der Fingerkuppe.
Die in 1b dargestellte bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich zu der in 1a dargestellten bevorzugte Ausführungsform durch die Art des Objektes und die Ursache der Bewegung. Bei den zu vermessenden Objekten 5 handelt es sich um Werkstücke beispielsweise einer Produktion. Die Bewegung wird durch das Gefälle einer Rampe 6 und/oder nachrückende Werkstücke 7 hervorgerufen.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform der Erkennung der Lage eines zu vermessenden Objektes am Beispiel einer Fingerkuppe zeigt die Kontur 8 der Fingerkuppe sowie die projizierte Lichtlinie 9 in Aufsicht. Die Lage der Fingerkuppe relativ zur ortsfesten Lichtlinie wird durch die zentrale Längsachse 10 der Fingerkuppe sowie die Lage der Fingerspitze 11 auf dieser Achse bestimmt.

Claims

Verfahren zur räumlichen Vermessung mittels aktiver Triangulation, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung der zu vermessenden Fläche durch nicht vorgegebene und nicht notwendigerweise eindimensionale Eigenbewegung der zu vermessenden Fläche unter einer oder mehreren Lichtquellen oder Projektoren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Kamerabildern, welche zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen wurden, ermittelten Daten durch Bestimmung der Lage des zu vermessenden Objektes relativ zur Triangulationsanordnung mittels geeigneter Sensoren und/oder Bildverarbeitungsmethoden in räumlichen Bezug zueinander gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Triangulation verwendete Lichtquellen oder Projektoren ortsfest sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass sich bewegende lebende Objekte oder Teilflächen von solchen, wie Fingerkuppen, Handformen oder Körpermaßen, vermessen werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass Fingerformen oder Fingerkuppenformen zur Bestimmung biometrischer Merkmale mit dem Ziel, der Personenidentifikation vermessen werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass Fingerformen oder Fingerkuppenformen zur Erhöhung der Täuschungssicherheit bestehender Verfahren der Personenidentifikation mittels biometrischer Merkmale wie der Fingerkuppenstruktur, dem so genannten „Fingerabdruck", vermessen werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass zur räumlichen Vermessung mittels Triangulation und Analyse der Fingerkuppenstruktur das aufgenommene Bildmaterial in unterschiedlichen Farbbereichen verarbeitet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vermessung von Fingerformen oder Fingerkuppenformen die Lage des Fingers relativ zur Triangulationsanordnung durch die Kontur 8 des Fingers bestimmt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vermessung von Fingerformen oder Fingerkuppenformen die Lage des Fingers relativ zur Triangulationsanordnung durch die zentrale Längsachse 10 des Fingers sowie die Lage der Fingerspitze 11 auf dieser Achse bestimmt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass sich bewegende nichtlebende Objekte, wie unter möglicher Rotation eine Rampe 6 herabrutschende Werkstücke 5, oder Teilflächen von solchen vermessen werden.