DE10309788A1

DE10309788A1 - Einfache optische Erfassung der Raumform von Körpern und Körperteilen mit mechanisch nur ungenau positionierten Bildgebern

Info

Publication number: DE10309788A1
Application number: DE10309788A
Authority: DE
Inventors: Dirk Rutschmann
Original assignee: corpuse AG
Current assignee: corpuse AG
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2004-09-16
Also published as: ES2349921T3; US20060140463A1; CA2518017C; EP1599136B1; WO2004078040A1; US7433502B2; EP1599136A1; DE502004011736D1; CA2518017A1; ATE483399T1

Abstract

Es wird ein photogrammetrisches Verfahren und eine Anordnung zur optischen Digitalisierung von Körpern und Körperteile beschrieben, welche mit einem markierten, elastischen Überzug bekleidet sind und aus verschiedenen Raumpositionen photographiert werden. Hierzu wird eine Kamera mit einer einfachen, ungenauen Führung näherungsweise kreisförmig um den Körper herum bewegt und aus verschiedenen Raumpositionen sich überlappende Aufnahmen erstellt. Die photogrammetrische Auswertung liefert genaue 3-D-Daten trotz wenig bekannter Kameraaufnahmepositionen. Eine beispielhafte Anwendung ist die Digitalisierung der Fuß/Unterbein-Partie zur Auswahl oder Maßanfertigung anatomisch passender Fußbekleidungen, die Digitalisierung der Beinpartie zur Fertigung oder Auswahl passender Kompressionsstrümpfe.

Description

Die Erfassung der Raumform, d.h. der 3-dimensionalen Koordinaten der Oberfläche von Körpern und Körperteilen wie z.B. dem menschlichen Rumpf, der Beinpartien, der Füsse usw. zur Auswahl passender Bekleidungen, orthopädischer oder sportlicher Artikel oder zur maßgenauen Herstellung dieser Produkte, zur Gewinnung anatomisch und medizinisch interessierende Daten geschieht heute mit relativ aufwendigen optischen 3D-Scanner, welche üblicherweise auf der Grundlage der Lasertriangulation, der Streifenprojektion oder der Nahbereichs-Photogrammetrie arbeiten. Eine besonders kostengünstige Anordnung eines solchen Scanners ist der sog. „MagicalSkin Scanner" der Fa. corpus.e AG, Stuttgart (www.corpus-e.com). Hierbei wird der zu digitalisierende Körperteil mit einem speziell markierten elastischen, eng anliegenden Überzug bekleidet und mit einer üblichen Digitalkamera freihändig und aus mehreren sich überlappenden Ansichten photographiert. Die photogrammetrische Registrierung, d.h. die Zuordnung korrespondierender Marken aus den einzelnen Bilder erfolgt anhand der speziellem Codierung dieser Marken sowie einer ebenfalls markierten Bodenplatte, auf welcher der zu digitalisierende Kunde steht. Dieses Verfahren ist in einer Reihe von erteilten Patenten und Patentanmeldung beschrieben, so z.B. in dem grundlegenden Patent:
EP 0 760 622 : Digital Sensing Process and arrangement for the 3-dimensional shape in space of bodies and body parts (Erfinder: Robert Massen)
Die freihändige Positionierung der Digitalkamera um den aufrecht stehenden Kunden herum führt zu einer extrem kostengünstigen Lösung, da keinerlei mechanische Ausbauten, Stative oder kalibrierte Anordnungen von Beleuchtung und Kameras erforderlich sind. Sie erfordert aber eine gewisse Übung in der Handhabung der Kamera, damit sich die einzelnen Bildaufnahmen ausreichend überlappen und die Bildfelder einigermaßen vollständig das zu fotografierende Körperteil erfassen. Diese Übung ist insbesondere bei Geschäften mit stark wechselndem Personal nicht immer vorhanden. Die falsche Handhabung der Kamera kann zu falschen, d.h. nicht korrekt auswertbaren Aufnahmen führen. Es wäre daher sowohl ein technischer als auch ein wirtschaftlicher Vorteil, wenn unter Beibehaltung der Vorteile dieses extrem kostengünstigen Digitalisierprinzips die Bewegung der Kamera in die verschiedenen, nur ungefähr im Raum definierten Aufnahmepositionen unabhängig von der Geschicklichkeit des Bedienungspersonals durchgeführt werden könnte.
In dem og. Patent wird u.a. eine Anordnung von mehreren fest im Raum positionierten Kameras zur photographischen Aufnahme des Körperteils beschrieben, wobei hierbei als Vorteil die zeitgleiche Aufnahme und die damit kurze Scan-Zeit erwähnt wird. Dieser Vorteil wird allerdings durch die Kosten der zahlreichen benötigten Kameras, deren Halterung, Verbindungen zum Auswerterechner usw. erkauft.
Es ist auch bekannt, bei optischen Streifenprojektionssystemen oder Systemen, welche die Silhouette des menschlichen Körpers unter mehreren Ansichten erfassen, den zu digitalisierenden Körper auf eine Drehplatte zu stellen und motorisch in die verschiedenen Aufnahmepositionen zu drehen. Auch dieser Ansatz ist aufwendig, da diese Mechanik das gesamte Körpergewicht tragen muss. Es ist insbesondere auch für ältere Kunden unangenehm, da sie aufrecht und unbeweglich stehen müssen, ohne sich während der motorischen Drehung festhalten zu können.
Es besteht daher ein technisches und wirtschaftliches Interesse daran, über ein kostengünstiges Digitalisiersystem nach Art des MagicalSkin zu verfügen, bei welchem die einzelnen, sich überlappenden Aufnahmen auch durch ein ungeübtes Personal sicher durchgeführt werden können, bei dem der gesamte Körper des Kunden nicht in die einzelnen Aufnahmepositionen bewegt werden muss und bei dem die Kosten des gesamten Systems sehr niedrig bleiben.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, der zu digitalisierende Körper, das Körperteil oder die Körperteile mit einem elastischen, eng anliegenden Überzug bekleidet wird oder werden, welcher kontrastreiche, photogrammetrisch auswertbare Marken enthält, dass der Körper, das Körperteil oder die Körperteile auf eine mit ebenfalls photogrammetrischen Marken versehene Unterlage gestellt wird oder werden, dass mindestens ein bildgebender Sensor mechanisch auf einer annähernd kreisförmigen Raumbahn um den Körper, das Köperteil oder die Körperteile herum bewegt wird oder werden, dass in aufeinander folgenden Aufnahmepositionen, deren Bildauschnitte sich teilweise überlappen jeweils mindestens eine Bildaufnahme erfolgt, welche sowohl den Körper, das Körperteil oder die Körperteile als auch gleichzeitig mindestens einige der Marken der Unterlage erfasst, und dass diese Bildaufnahmen mit Verfahren der Photogrammetrie und der digitalen Bildverarbeitung und Mustererkennung so ausgewertet werden, dass trotz der nur ungenauen Kenntnis der Raumposition des oder der bildgebenden Sensoren genaue Raumkoordinaten des aufgenommenen Körpers, des Körperteils oder der Körperteile bestimmt werden Wir beschreiben den Erfindungsgedanken beispielhaft an einer Anordnung und einem Verfahren zur 3D-Digitalisierung der Füsse von Kunden im Rahmen des Verkaufs passender Fussbekleidungen.
Wie 1 in einer Ansicht von vorne und von oben zeigt, steht der Kunde – 1 – aufrecht auf einer mit photogrammetrisch auswertbaren Marken – 2 – versehenen Platte – 3 – und trägt zwei elastische, eng anliegende Strümpfe – 4 –, welche mit kontrastreichen Marken versehen sind. Die Platte befindet sich auf einem flachen, kreisförmigen Podest – 5 –, entlang dessen Umfanges eine umlaufende Linearführung – 6 – verläuft. In dieser Linearführung wird ein senkrechter Arm – 7 – bewegt, welcher eine Kamera – 8 – und eine Beleuchtung – 9 – trägt. Diese Arm wird motorisch so bewegt, dass sich die Kamera kreisförmig um die beiden Füsse/Unterschenkel Partien des Kunden bewegt und es werden in typ. acht bis zwölf Positionen Aufnahmen der Fuss/Bein-Partien einschließlich zumindest einiger Marken der Bodenplatte erstellt.
Da die photogrammetrische Auswertung dieser sich überlappender Aufnahmen die Raumposition der einzelnen Kamerapositionen anhand der Marken der Bodenplatte und der Marken des elastischen Überzugs zurück berechnet, ist keine genaue Kenntnis der jeweiligen Aufnahmeposition erforderlich. Damit kann die Genauigkeit der mechanischen Kameraführung und der einzelnen Aufnahmepositionen sehr gering sein. Die gesamte Mechanik kann einfach, leicht und kostengünstig konstruiert sein. Sie darf sich durchaus unter dem Einfluss des Körpergewichts, von Temperaturschwankungen oder sonstigen Einflüssen verformen, ohne dass darunter die Messgenauigkeit leidet.
Ein weiterer Erfindungsgedanke ist, die Kamerahalterung klappbar zu gestalten, so dass zum Transport der herausragende Arm auf die markierte Platte nach umgeklappt werden kann.
Ein weiterer Erfindungsgedanke ist, die Kamera auf einer elliptischen Bahn um die zu digitalisierenden Körperteile herum zu fahren. Dies hat insbesondere bei der Aufnahme der Fuss/Bein Partie einer stehenden Person den Vorteil, dass die Abstände von Kamera zu Bein/Fuss in etwa konstant sind.
Die Drehbewegung des Kameraarms kann durch einen elektrischen Antrieb oder aber auch durch einen mechanischen Antrieb erfolgen. Da das Gewicht der Kamera und Beleuchtung sehr gering sind, werden hierzu keine grossen Kräfte benötigt.
Ein weiterer Erfindungsgedanken ist es, gleichzeitig auf der Kreisbahn mehrere Kameras zu führen, um die Anzahl der Aufnahmepositionen und damit auch die Aufnahmezeit zu verringern.
Ein weiterer Erfindungsgedanke ist, dass auf dem Kamerahalter mehrere Kameras so angebracht sind, dass jede ein anderes Bildfeld mit den gleichen oder mit unterschiedlichen Bildfeldgrössen abdeckt.
Ein weiterer Erfindungsgedanke ist, dass zur optischen Erfassung eines vertikalen Bereiches, welcher grösser ist als der aus einer Kameraposition erfassbare, die Kamera kreisförmig um den Kunden in unterschiedlichen Höhen, bezogen auf die Bodenplatte, die Fuss/Bein Partie aufnimmt. Hierzu wird der Kameraarm mit einer zusätzlichen vertikalen Linearführung versehen und die Kamera in unterschiedliche vertikale Positionen positioniert. Alternativ kann erfindungsgemäß die Kamera in verschiedene Winkelstellungen gebracht werden.
Alle diesen erfindungsgemäßen Varianten ist gemeinsam, dass sie mit wenig technischem Aufwand realisiert werden können, da wie bereits oben erwähnt die Kenntnis der genauen Raumposition nicht erforderlich ist.
Ein weiterer Erfindungsgedanke ist, dass die Kamera eine Videokamera ist, welche fortlaufend während der mechanischen Bewegung um den Körper herum Bilder aufnimmt und dass mit Verfahren der Mustererkennung automatisch durch Auswertung der Marken der Bodenplatte diejenigen, sich teilweise überlappenden einzelnen Bilder ermittelt werden, welche für die photogrammetrische Auswertung erforderlich sind. In der Tat ist es für den Fachmann der Bildverarbeitung und Mustererkennung geläufig, aus den jeweiligen Einzelbilder der Videosequenz den Bereich der Bodenmarken zu extrahieren, diese Marken zu dekodieren und hieraus die Winkelposition der betreffenden Aufnahme zu ermitteln. Die photogrammetrische Auswertung benötigt typischerweise 10 Aufnahmen um den Körper herum, d.h. eine Aufnahme alle 36 Grad. Durch Vergleich der mit Hilfe der Musterekennung ermittelten Aufnahmeposition mit dieser Aufnahmevorschrift können alle diejenigen Bilder der Videosequenz gelöscht werden, welche für die photogrammetrische Auswertung nicht benötigt werden. Die Erstellung von Videoaufnahmen im Vergleich zur Einzelbildaufnahme hat den Vorteil, dass die Bildauslösung nur einmal bestätigt werden muss, dass die mechanische Bewegung nicht in den einzelnen Aufnahmepositionen gestoppt werden muss und damit insgesamt schneller erfolgen kann.
Ein weiterer Erfindungsgedanke ist, dass jeweils mehrere, senkrecht übereinander angeordnete Bildgeber um den Körper bewegt werden, um auch grössere Körper wie z.B. den gesamten aufrecht stehenden Menschen zu erfassen.
Ein weiterer Erfindungsgedanke ist, dass ein Bildgeber mehrfach in unterschiedlichen Höhen, bezogen auf die markiert Unterlage, um den Körper herum bewegt wird um auch grössere Körper wie z.B. den gesamten, aufrecht stehenden Menschen zu erfassen.
Ein weiterer Erfindungsgedanke ist, dass innerhalb der Platte, auf welchen der Kunde steht, Sensoren zur Erfassung physikalischer Grössen wie Fussdruckmeßfelder, Gewichtsmessfelder, Sensoren zur elektroimpedanz-technischen Bestimmung des Körperfettgehaltes und ähnliche, dem Fachmann der Orthopädie und der Medizin bekannte Sensoren angebracht sind. Damit können gleichzeitig zur Digitalisierung der Bein/Fusspartie wichtige anatomische und physiologische Daten des Patienten erfasst werden, welche bei der Auswahl bzw. Maßanfertigung einer Fußbekleidung mit berücksichtigt werden müssen.
Ein weiterer Erfindungsgedanke ist, dass nach der Aufnahme des mit dem elastischen Überzug bekleideten Körpers der Körper unbekleidet in ungefähr dergleichen Stellung aufgenommen wird und damit anatomisch und medizinisch interessierende Aufnahmen erstellt werden.
Ein weiterer Erfindungsgedanken ist, dass diese Aufnahmen des unbekleideten Körpers dem photogrammetrisch erstellten 3D Datensatz in Form einer Textur überlagert werden.
Die beschriebene Anwendung der Fuß/Bein Digitalisierung ist beispielhaft zu verstehen. Der Erfindungsgedanke deckt auch die Digitalisierung anderer Körperpartien wie z.B. den Rumpf ab. Es ist für den Fachmann ein leichtes, die mechanische Anordnung der Kamera und die zu deren Bewegung erforderliche Führungen und Antrieben entsprechend zu gestalten.
Der Erfindungsgedanke ist keineswegs nur auf die Digitalisierung von menschlichen oder biologischen Körper beschränkt, sondern umfasst alle Objekte, welche zur Digitalisierung mit einem eng anliegenden markierten Überzug bekleidet werden.

Claims

Verfahren zur kostengünstigen optischen Erfassung der Raumform von Körpern oder Körperteilen, dadurch gekennzeichnet dass der zu digitalisierende Körper, das Körperteil oder die Körperteile mit einem elastischen, eng anliegenden Überzug bekleidet wird oder werden, welcher kontrastreiche, photogrammetrisch auswertbare Marken enthält, dass der Körper, das Körperteil oder die Körperteile auf eine mit ebenfalls photogrammetrischen Marken versehene Unterlage gestellt wird oder werden, dass mindestens ein bildgebender Sensor mechanisch auf einer annähernd kreisförmigen Raumbahn um den Körper, das Köperteil oder die Körperteile herum bewegt wird oder werden, dass in aufeinander folgenden Aufnahmepositionen, deren Bildauschnitte sich teilweise überlappen jeweils mindestens eine Bildaufnahme erfolgt, welche sowohl den Körper, das Körperteil oder die Körperteile als auch gleichzeitig mindestens einige der Marken der Unterlage erfasst, und dass diese Bildaufnahmen mit Verfahren der Photogrammetrie und der digitalen Bildverarbeitung und Mustererkennung so ausgewertet werden, dass trotz der nur ungenauen Kenntnis der Raumposition des oder der bildgebenden Sensoren genaue Raumkoordinaten des aufgenommenen Körpers, des Körperteils oder der Körperteile bestimmt werden
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der oder die bildgebenden Sensoren nach Art einer Videokamera fortlaufend während der kontinuierlichen mechanischen Bewegung um den Körper, das Körperteil oder die Körperteile herum Bilder aufnimmt bzw. aufnehmen und dass mit Verfahren der Mustererkennung automatisch durch Auswertung der mitaufgenommenen Marken der Bodenplatte diejenigen, sich teilweise überlappenden einzelnen Bilder ermittelt werden, welche für die photogrammetrische Auswertung ausreichend sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass der oder die bildgebenden Sensoren zusätzlich zur mechanischen Bewegung um den Körper, das Körperteil oder die Körperteile herum in vertikaler und/oder azimutaler Richtung verstellt werden können
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass die im Kontakt zum Körper, dem Körperteil oder den Körperteilen befindliche, mit photogrammetrisch auswertbaren Marken versehene Unterlage Sensoren zur Messung von physikalischen, physiologische, medizinischen oder anatomischen Grössen enthält
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass die Körper, das Körperteil oder die Körperteile biologische Körper oder Körperteile sind, deren Raumform bestimmt wird, um anatomisch passende Bekleidungen oder orthopädische Hilfsmittel passgenau auszusuchen und/oder herzustellen und/oder um anatomisch und medizinisch interessierende Daten der Raumform zu erfassen
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass die Körperteile die beiden Fuss/Unterschenkel-Partien eines auf einer mit Referenzmarken versehenen Unterlage stehenden Menschen sind und dass die ermittelten Raumdaten zur Auswahl oder zur Maßkonfektion anatomisch passender Fussbekleidung verwendet werden
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass das Körperteil den Unterkörper eines auf einer mit Referenzmarken versehenen Unterlage stehenden Menschen darstellt und die ermittelten 3D Daten zur Auswahl oder zur Maßkonfektion anatomisch passender Kompressionsstrümpfe, passender Strumpfhosen oder passender Hosenbekleidungen verwendet werden
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet dass ein zu digitalisierender Körper, Körperteil oder Körperteile mit einem eng anliegenden, elastischen und mit photogrammetrisch auswertbaren Marken versehene Überzug bekleidet auf eine Vorrichtung gestellt wird, welche aus einer ebenen, vorzugsweise kreisförmigen Stellfläche besteht, welche zumindest teilweise ebenfalls mit photogrammetrisch auswertbaren Marken versehen ist, dass diese Stellfläche auf einem Sockel aufliegt, welcher auf seinem Umfang eine zumindest näherungsweise kreisförmige mechanische Führung trägt, die mindestens einen senkrechten, die Kamera tragenden Halter auf dieser Bahn um den Körper herum motorisch so bewegt, dass das Bildfeld der Kamera die zu digitalisierende Körperteile aus verschiedenen, sich teilweise überlappenden Aufnahmen erfasst sowie gleichzeitig zumindest einige der photogrammetrischen Marken der Stellfläche miterfasst, dass in vorgegebenen Umfangspositionen jeweils die Bildaufnahme ausgelöst wird und dass die aufgenommen Bilder in einen Rechner übertragen werden, welcher mit Verfahren der Bildverarbeitung, Mustererkennung und Photogrammetrie die Raumform des Körpers, des Körperteils oder der Körperteile berechnet, ohne dass die genaue Kenntnis Raumlage der verschiedenen Aufnahmepositionen verwendet wird.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet dass die Kamerahalterung ebenfalls eine oder mehrere Beleuchtungseinrichtungen trägt
Anordnung nach Anspruch 8 bis 9 dadurch gekennzeichnet dass die Kamera auf dem Halter zusätzlich zur Umfangspositionierung auch in vertikaler und/oder azimutaler Richtung motorisch positioniert werden kann
Anordnung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Transport und zum Verstauen der Vorrichtung der oder die Kamerahalter auf die Ebene der Stellfläche geklappt werden können
Anordnung nach Anspruch 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet dass der Sockel sowohl die motorischen Komponenten enthält, welche zur Bewegung der Kamera benötigt werden als auch die Rechnerkomponenten, welche zur Erfassung der Bilddaten und der Vorverarbeitung und Vorort-Auswertung erforderlich sind
Anordnung nach Anspruch 8 bis 12 dadurch gekennzeichnet dass die Bewegung der Kamera oder Kameras über einen manuellen Antrieb erfolgt
Anordnung nach Anspruch 6 bis 13 dadurch gekennzeichnet dass die Stellfläche Sensoren enthält zur Messung physiologischer, anatomischer und medizinischer Grössen des zu digitalisierenden Patienten wie z. B. Gewichtssensoren, Elektroimpedanz- Sensoren zur Bestimmung des Fettgehalts, Sensoren zur Erfassung des Pulschlages, Sensoren zur Erfassung des Fußsohlen-Druckbildes oder Fußsohlen-Temperaturverlaufs, Sensoren zur Bestimmung der Gewichtsunsymmetrie zwischen beiden Füssen usw.