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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischen, dreidimensionalen
Erfassung und Darstellung einer Oberfläche mit einem Projektionssystem,
bei dem ein zeitlich konstantes Muster mit einem Projektor des Projektionssystems
unter einer Projektionsrichtung auf die Oberfläche projiziert wird, ein erstes
Einzelbild der Oberfläche
mit dem darauf projizierten Muster aus einer von der Projektionsrichtung
unterschiedlichen Erfassungsrichtung mit einem Bildaufnehmer des
Projektionssystems aufgezeichnet wird und aus dem ersten Einzelbild mittels
Triangulation erste 3D-Punkte der Oberfläche bestimmt und als Bild visualisiert
werden, wobei in zeitlicher Abfolge jeweils während oder nach einer Relativbewegung
zwischen der Oberfläche
und einem den Projektor und den Bildaufnehmer zumindest zum Teil
tragenden Scankopf ein oder mehrere weitere Einzelbilder der Oberfläche mit
dem darauf projizierten Muster erfasst und zur Bestimmung von weiteren
3D-Punkten der Oberfläche
ausgewertet werden, die ersten und weiteren 3D-Punkte registriert werden
und das visualisierte Bild mit den weiteren 3D-Punkten ergänzt wird.
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In
vielen technischen Bereichen muss die äußere Form dreidimensionaler
Objekte vermessen und in digitalisierter Form bereitgestellt werden.
Beispiele hierfür
sind die Bereiche der computergestützten Fertigung, der Roboternavigation,
Anwendungen auf dem Gebiet der virtuellen Realität und der Computergraphik sowie
Anwendungen im Bereich der Medizintechnik. Gerade für die Erfassung
von dreidimensionalen Knochengeometrien oder Zahngeometrien, wie
sie für
die Erstellung von Prothesen oder ähnlichen Ersatzteilen erforderlich
sind, besteht ein Bedarf an einfach zu handhabenden und kostengünstigen
Lösungen.
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Bekannte
Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung und Darstellung einer
Oberfläche
eines Objektes nutzen die Technik der Triangulation, um 3D-Punkte
der Oberfläche
zu erhalten, aus denen die Oberflächenform abgeleitet werden
kann. Hierbei werden auf die Oberfläche zunächst ein bekanntes Muster projiziert
und von der Oberfläche
mit dem darauf projizierten Muster aus einer von der Projektionsrichtung
unterschiedlichen Erfassungsrichtung ein oder mehrere Bilder aufgezeichnet.
Durch geeignete Kalibrierung des eingesetzten Erfassungssystems bestehend
aus Projektor und Bildaufnehmer lassen sich aus den aufgezeichneten
Bildern über
das projizierte Muster 3D-Punkte der Oberfläche bestimmen und als Bild
visualisieren.
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So
ist bspw. aus O. Hall-Holt und S. Rusinkiewicz, "Stripe Boundary Codes for Real-Time Structured-Light
Range Scanning of Moving Objects" eine
derartige Technik bekannt, bei der in zeitlicher Abfolge mehrere
speziell kodierte Streifenmuster auf die Oberfläche des Objekts projiziert
und in der gleichen zeitlichen Abfolge mehrere Bilder von der Oberfläche mit
dem jeweils projizierten Muster aufgezeichnet werden. Über eine
aufwändige
Zuordnung der auf den Bildern erkennbaren Streifen können auf diese
Weise aus mehreren Einzelbildern 3D-Punkte der Oberfläche bestimmt
und in einem Bild dargestellt werden.
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Aus
der Veröffentlichung
von F. Devernay et al., „Structured
light on dynamic scenes using standard stereosopy algorithms", INRIA, Rapport
de recherche No. 4477, 6/2002, Seiten 1 – 16 ist eine weitere Technik
für die
dreidimensionale Erfassung und Darstellung einer Oberfläche bekannt,
bei der auf die Oberfläche
ein zeitlich konstantes Zufallsmuster projiziert wird und 3D-Punkte
der Oberfläche
aus einem Einzelbild der Oberfläche
mit dem darauf projizierten Muster bestimmt werden. Durch die Projektion
eines Zufalls-Graustufenmusters
lassen sich für
die zur Bestimmung der 3D-Punkte erforderliche Zuordnung, d. h.
für die
Herstellung der sog. Korrespondenzen, bekannte Korrelationstechniken
der Stereoskopie einsetzen. Durch die Möglichkeit der Bestimmung der 3D-Punkte
aus einem Einzelbild lässt
sich diese (single shot-) Technik auch für die Erfassung dynamischer
Objekte einsetzen.
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Die
DE 198 21 611 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Erfassung der räumlichen Struktur einer dreidimensionalen
Oberfläche,
bei dem ebenfalls ein speziell codiertes Muster auf die Oberfläche projiziert wird.
Das projizierte Muster wird und unter einer von der Projektionsrichtung
verschiedenen Erfassungsrichtung als Bild erfasst und mit einer
Triangulationstechnik ausgewertet.
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Aus
der
US 6359680 B1 ist
ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung und Darstellung einer Oberfläche eines
Objektes bekannt, bei dem ebenfalls ein Einzelbildverfahren unter
Projektion eines zeitlich konstanten Musters auf die Oberfläche eingesetzt
wird. Aus dem Einzelbild werden mittels Triangulation erste 3D-Punkte
der Oberfläche
bestimmt und als Bild in Echtzeit visualisiert. In zeitlicher Abfolge
werden jeweils während
oder nach einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche und
dem Bildaufnehmer ein oder mehrere weitere Einzelbilder der Oberfläche mit
dem darauf projizierten Muster erfasst und zur Bestimmung 3D-Punkten
ergänzt.
Dies gibt einem Benutzer des zugehörigen Erfassungssystems die
Möglichkeit,
interaktiv noch nicht oder nur unzureichend erfasste Bereiche der
Oberfläche
des Objekts zu erkennen und sogleich durch eine entsprechende Relativbewegung
zwischen der Oberfläche
und dem Bildaufnehmer zu erfassen. Als zeitlich konstantes Muster
wird bei dieser Technik ein kodiertes Muster auf die Oberfläche projiziert.
Dies erfordert entweder den Einsatz eines Videoprojektors (Beamers),
dem dieses kodierte Muster in digitaler Form übermittelt wird, oder die Herstellung
eines Diapositivs mit hoher Präzision,
das mit einem herkömmlichen
Projektor auf die Oberfläche
projizierbar ist.
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Ausgehend
von dem bekannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung und
Darstellung einer Oberfläche
eines Objekts anzugeben, das sich kostengünstig realisieren lässt und
eine einfache Handhabung für
den Benutzer ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel
entnehmen.
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Beim
vorliegenden Verfahren zur dynamischen, dreidimensionalen Erfassung
und Darstellung einer Oberfläche
eines Objektes mit einem Projektionssystem wird mit einem Projektor
des Projektionssystems auf die Oberfläche unter einer Projektionsrichtung
ein zeitlich konstantes Muster projiziert und ein erstes Einzelbild
der Oberfläche
mit dem darauf projizierten Muster aus zumindest einer von der Projektionsrichtung
unterschiedlichen Erfassungsrichtung mit einem Bildaufnehmer des
Projektionssystems aufgezeichnet. Als Bildaufnehmer kommt hierbei
vorzugsweise eine Kamera, insbesondere eine CCD-Kamera, zum Einsatz.
Aus dem ersten Einzelbild werden mittels Triangulation erste 3D-Punkte
der Oberfläche
bestimmt und als Bild, vorzugsweise in 3D-Darstellung, visualisiert. In zeitlicher
Abfolge werden jeweils während
oder nach einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche und
einem den Projektor und den Bildaufnehmer zumindest zum Teil tragenden
Scankopf ein oder mehrere weitere Einzelbilder der Oberfläche mit dem
darauf projizierten Muster erfasst und zur Bestimmung von weiteren 3D-Punkten
der Oberfläche
ausgewertet. Die ersten und weiteren 3D-Punkte werden jeweils registriert und
das visualisierte Bild mit den weiteren 3D-Punkten ergänzt. Das
Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass als Muster ein nicht codiertes
Schwarzweiß-
oder Graustufen-Muster hoher Entropie auf die zu erfassende Oberfläche projiziert
wird, welches dem Projektionssystem vor einem anfänglichen
Kalibrierungsschritt nicht bekannt ist, bei dem eine Kalibrierung
des Projektors durch Projektion des Musters auf in Lage und Orientierung
bekannte Projektionsebenen erfolgt, wobei ein mit dem Bildaufnehmer
des Projektionssystems aufgezeichnetes Projektionsbild des Musters
auf eine der bekannten Projektionsebenen als Basisbild für die Auswertung
der Einzelbilder dient.
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Das
vorliegende Verfahren lässt
sich bei einer in Echtzeit durchgeführten Visualisierung der bereits
erfassten 3D-Punkte sehr einfach handhaben, da der Benutzer der
Erfassungseinrichtung sofort noch nicht erfasste Bereiche oder Löcher in
dem visualisierten Datensatz erkennen und durch eine geeignete Relativbewegung
zwischen Bildaufnehmer und Objektoberfläche schließen kann. Der Scankopf der
Erfassungseinrichtung ist dabei vorzugsweise manuell vom Benutzer
führbar.
Selbstverständlich lässt sich
die Relativbewegung jedoch auch durch eine entsprechende Bewegung
des zu erfassenden Objektes erzeugen.
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Durch
den Einsatz einer Einzelbildtechnik (single shot) lassen sich mit
dem vorliegenden Verfahren auch dynamische Objekte mit hoher Genauigkeit
vermessen. Dies spielt insbesondere im Bereich der medizinischen
Technik eine wichtige Rolle, da Patienten in der Regel während der
Bilderfassung nicht ausreichend starr fixierbar sind.
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Beim
vorliegenden Verfahren wird als Muster ein nichtcodiertes, vor Prozessbeginn
unbekanntes Graustufen-Muster hoher Entropie auf die Oberfläche projiziert,
welches auch im Prozessabschnitt der Projektorkalibrierung Anwendung
findet. Es ist daher kein Musterwechsel notwendig.
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Ein
wesentlicher Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht in der
kostengünstigen
Realisierbarkeit. So ist aufgrund des bei dem Verfahren eingesetzten
nicht codierten Graustufen-Musters hoher Entropie kein Beamer bzw.
Videoprojektor erforderlich, um das Muster auf die Oberfläche zu projizieren. Es
lassen sich vielmehr einfache Projektoren oder Projektionsvorrichtungen
wie bspw. Goboprojektoren einsetzen, bei denen das Muster über ein
Diapositiv (mögliche
Fertigungsvariante: Chrom-auf-Glas) auf die Oberfläche projiziert
wird. Durch die geringen Anforderungen an das projizierte Muster,
das weder codiert noch eine bestimmte vorgegebene Form aufweisen
muss – eben
nicht bekannt sein muss –,
sondern vielmehr ein Zufallsmuster darstellen kann, erfordert die
Herstellung des Diapositivs keine hohe Präzision. Die Herstellungskosten
für ein
derartiges Diapositiv liegen daher deutlich unter den Herstellungskosten,
wie sie für
die Herstellung eines speziell codierten, vorgegebenen Musterdias
erforderlich sind. Dies betrifft vor allem hitzebeständige Diapositive,
die in der Regel durch Metallabscheidung und Strukturierung auf
einem transparenten Substrat, insbesondere einem Glassubstrat, erzeugt
werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens
wird daher auch ein derartiges Diapositiv angesetzt, das aus einer
das Muster vorgebenden Metallmaske auf einem optisch transparenten
Substrat, insbesondere einer Chrommaske auf einem Glassubstrat,
gebildet ist.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens
wird als Lichtquelle für
die Projektion eine Blitzlichtquelle, insbesondere ein Stroboskop,
eingesetzt. Dies ermöglicht
sehr kurze Belichtungszeiten, bspw. im Bereich von etwa 2 μs, mit denen
gerade bei dynamischen Objekten oder manueller, freigeführter Bewegung
des Scankopfes durch den Benutzer die Bewegungsunschärfe mit
geringem Kostenaufwand auf ein Minimum reduzierbar ist.
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Neben
dem Einsatz einer Blitzlichtquelle sowie eines Diapositivs für die Projektion
des Musters lässt
sich das vorliegende Verfahren selbstverständlich auch mit einem Videoprojektor
durchführen,
dem das Muster in digitalisierter Form zugeführt wird. Das Muster ist beim
vorliegenden Verfahren ein schwarz-weiß- oder Graustufen-Muster,
ist allerdings im Gegensatz zu den bekannten Ansätzen des Standes der Technik
dem System anfänglich
nicht bekannt und erfordert entsprechend auch keine hohe Herstellungsgenauigkeit.
Vorzugsweise repräsentiert dieses
Muster weißes
Rauschen, mit dem die spätere
Zuordnung von Musterbereichen, in der vorliegenden Patentanmeldung
auch als Musterzellen bezeichnet, über eine Kreuzkorrelation zu
eindeutigen Ergebnissen führt.
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Vor
der dreidimensionalen Erfassung der Oberfläche mit dem vorliegenden Verfahren
ist eine Kalibrierung des Bildaufnehmers sowie der Projektionseinrichtung
erforderlich. Die Kalibrierung des Bildaufnehmers kann dabei in
bekannter Weise mit der sog. Testfeld-Kalibrierung erfolgen, bei der mehrere
parallel übereinander
liegende Ebenen des Erfassungsbereiches aufgezeichnet werden, auf
die ein bekanntes Testmuster mit bekannten Abständen von Markierungen projiziert
wird. Die Kalibrierung der Projektionseinrichtung erfolgt vorzugsweise
direkt durch Projektion des für
die Erfassung eingesetzten Musters auf mehrere übereinander liegende parallel Projektionsebenen,
wobei ein mit dem Bildaufnehmer aufgezeichnetes Bild einer dieser
Ebenen mit dem projizierten Muster als Basisbild für die Herstellung
der Korrespondenzen zwischen einzelnen Musterzellen dient. Die Herstellung
der Korrespondenzen der Musterzellen der bei der Vermessung erfassten Einzelbilder
mit den Musterzellen dieses Basisbildes wird über einen schnellen Suchalgorithmus durchgeführt, der
die Musterzellen in den jeweiligen Bildern identifiziert. Beispiele
für derartige
Suchalgorithmen, die im vorliegenden Verfahren beispielsweise auf
Basis einer Kreuzkorrelation zwischen den einzelnen Bildern durchgeführt werden,
sind dem Fachmann bekannt (vgl. auch entsprechend SSD (Sum-of-Squares Difference)
oder Algorithmus nach Grün
(Least Squares Correlation)).
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 schematisch
ein Beispiel für
den Aufbau einer Einrichtung, die gemäß dem vorliegenden Verfahren
arbeitet;
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2 ein
Beispiel für
ein bei dem vorliegenden Verfahren eingesetztes Muster; und
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3 ein
Beispiel für
den schematischen Verfahrensablauf bei der Durchführung des
vorliegenden Verfahrens.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
in schematisierter Darstellung ein Beispiel für den Aufbau einer Einrichtung
zur Durchführung
des vorliegenden Verfahrens. Die Einrichtung umfasst eine Projektionseinrichtung 3,
mit der über
ein Diapositiv 4 ein zeitlich konstantes Muster auf die
Oberfläche 1 eines
Objektes 10 projiziert wird. Unter einer von der Projektionsrichtung
verschiedenen Erfassungsrichtung ist eine Kamera 5 angeordnet,
mit der Einzelbilder der Oberfläche 1 mit dem
darauf projizierten Muster aufgezeichnet werden können. Im
vorliegenden Beispiel wird zwischen Projektionsrichtung und Erfassungsrichtung
ein Triangulationswinkel von etwa 20° eingehalten. Das Diapositiv 4 ist
ein Chrom-auf-Glas-Dia,
durch dessen Projektion das Zufallsmuster auf der Oberfläche 1 erzeugt
wird. Die Kamera 5 ist mit einer Auswerteeinrichtung 7 verbunden,
die die empfangenen Bilder in Echtzeit auswertet und die aus den
Bildern bestimmten 3D-Punkte der Oberfläche an einem Monitor 8 in perspektivischer
Ansicht als Bild 6 darstellt. Die Projektoreinrichtung 3 selbst
besteht in diesem Beispiel (in der Figur nicht erkennbar) aus einem
extern triggerbaren Stroboskop mit der entsprechenden Projektionsoptik.
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Selbstverständlich kann
auch nur ein Teil der Projektionsoptik sowie der Optik für den Bildaufnehmer
in einen entsprechenden Scankopf 11 integriert sein, der
vom Benutzer frei über
die Oberfläche
des Objekts geführt
werden kann. Der Bildaufnehmer, bspw. ein CCD-Array, kann hierbei direkt in den Scankopf 11 integriert
sein oder über
flexible Lichtleitfasern an den Scankopf 11 angekoppelt
sein. In gleicher Weise kann auch die Projektionseinrichtung das Muster über flexible
Lichtleitfasern auf die Oberfläche 1 projizieren,
wobei dann lediglich die vorderen Bereiche der Lichtleitfasern in
den Scankopf 11 integriert sind.
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2 zeigt
beispielhaft ein auf eine weiße Fläche projiziertes
Muster 2, ein nicht codiertes Graustufen-Muster hoher Entropie,
wie es beim vorliegenden Verfahren zum Einsatz kommen kann. Dieses in der 2 dargestellte
Muster repräsentiert
weißes Rauschen,
so dass weder eine Codierung noch irgendeine Periodizität innerhalb
des Musters auftritt.
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Weiterhin
wird in 2 die Vorgehensweise bei der
Kalibrierung der Projektoreinrichtung 3 veranschaulicht,
bei der das Muster 2 nacheinander auf unterschiedliche
Ebenen projiziert wird und in den mit der Kamera erfassten Bildern
der jeweiligen Ebenen die Zentren 9 korrespondierender
Musterzellen identifiziert werden, wie dies im Zusammenhang mit
der 3 noch näher
ausgeführt
wird.
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3 zeigt
ein Beispiel für
die Vorgehensweise bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens
zur dreidimensionalen Erfassung und Darstellung einer Oberfläche eines
Objektes.
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Zunächst wird
vor der Durchführung
der Messung eine Kamerakalibrierung mittels Testfeldplatten durchgeführt, die
mit einem bekannten, ausgemessenen Punktemuster bedruckt sind. Von
diesen Testfeldplatten werden mit der Kamera mehrere Aufnahmen gemacht,
bei denen sich die Testfeldplatten in unterschiedlichen, parallel übereinander
liegenden Ebenen des Erfassungsbereiches der Kamera befinden, in
dem später
das zu vermessende Objekt angeordnet wird. Die Kalibrierung der
Kamera selbst kann mittels einer Vielzahl bekannter Algorithmen
durchgeführt
werden, wie bspw. die Algorithmen von Tsai, Zhang oder die Direkte
Lineare Transformation (DLT). Im vorliegenden Fall wird ein Kalibrieralgorithmus
nach H. Hoppe et al., „A
New, Accurate and Easy to Implement Camera and Video Projector Model" in: Medicine Meets
Virtual Reality (MMVR), NewPort Beach / San Diego, 2002, eingesetzt,
welcher die DLT hinsichtlich radialer Verzerrungen erweitert.
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Im
nächsten
Schritt wird die Projektionseinrichtung kalibriert. Hierbei wird
ein durch die Kamera aufgezeichnetes Bild des auf eine Basisebene
des Erfassungsbereiches projizierten gleichen Musters als Korrelationsgrundlage
verwendet, das auch bei der späteren
dreidimensionalen Erfassung der Oberfläche eingesetzt wird. Durch
Nutzung dieses Basisbildes mit dem projizierten Muster als Korrelationsgrundlage
muss auch das Muster dem System nicht mehr anfänglich bekannt sein und muss
daher auch keinen besonderen Genauigkeitsanforderungen genügen. Im
vorliegenden Beispiel wird ein binäres Zufallsmuster benutzt,
auf dem sich Korrespondenzen bzw. korrespondierende Musterzellen
eindeutiger und sicherer auffinden lassen als bei Mustern, die Periodizitäten aufweisen.
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Nach
der Bildaufzeichnung des ersten Projektionsmusters als Basis wird
das Muster nun im Kalibrierprozess auf verschiedene parallele Ebenen
bekannter Höhe
projiziert. Zum Auffinden bestimmter Punkte bei den nachfolgenden
Ebenen wird der gleiche Korrelationsalgorithmus genutzt, der später auch zur
Bestimmung der 3D-Punkte eingesetzt wird (vgl. auch: Grün, A. W., „Adaptive
Least Squares Correlation: A Powerful Image Matching Technique" in: South African
Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Cartography, Vol.
14, No. 3, 1985, Seiten 175 – 187).
Die Korrespondenz von Musterzellen in den aufgezeichneten Mustern
der jeweiligen Ebenen ist in der 2 anhand
zweier Ebenen veranschaulicht. Sind aus den verschiedenen bekannten Höhen nun
die entsprechenden Punkte aufgenommen bzw. erkannt worden, so kann
die Projektorkalibrierung ebenfalls nach dem bereits genannten Verfahren
von Hoppe et al., angewandt werden.
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Im
Anschluss an diese Kalibrierung kann die eigentliche Messung erfolgen.
Selbstverständlich muss
die Kalibrierung nicht unmittelbar vor jeder Messung durchgeführt werden.
Vielmehr genügt
eine einmalige Kalibrierung für
eine Vielzahl von Messungen, solange sich an der Projektions- und
Erfassungsgeometrie nichts ändert.
Bei der Messung wird der Projektor dann mit dem Muster-Diapositiv
bestückt
und das zu scannende Objekt in den Blickbereich der Kamera und den
Tiefenschärfebereich
des Projektors eingebracht. Mit der Kamera wird dann ein erstes
Einzelbild der Oberfläche
mit dem darauf projizierten Muster aufgezeichnet. Das aufgezeichnete Einzelbild
wird zunächst
durch lokalen schwarz/weiß Abgleich
normalisiert, um Helligkeitsschwankungen durch eine Objekttextur
herausrechnen zu können. Anschließend erfolgt
die Suche nach lokalen Musterzellen, um die Zentren dieser Musterzellen
lokalisieren und zuordnen zu können
(Auflösung
des Korrespondenzproblems). Mit diesen identifizierten Zentren kann
schließlich
die Triangulation zur Bestimmung der 3D-Koordinaten bzw. 3D-Punkte
der Oberfläche durchgeführt werden.
Die letztgenannten Schritte erfolgen in Echtzeit, ebenso wie die
anschließende
Visualisierung der 3D-Punkte an einem Monitor sowie die gegebenenfalls
der Visualisierung vorausgehende Registrierung. Die Visualisierung
kann bspw. durch Darstellung der 3D-Punktewolke in einem Rendering-Fenster
erfolgen, implementiert bspw. mittels der 3D-Bibliothek OpenGL.
Weiterhin sind selbstverständlich
auch andere Arten der Visualisierung möglich bspw. durch Visualisierung
der dreiecksvernetzten 3D-Punktewolke. Für die Darstellung lassen sich anstelle
eines Monitors auch andere Anzeigegeräte, bspw. ein Videoprojektor
o. ä. Anzeigeeinrichtungen einsetzen.
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Durch
diese Darstellung der bereits bestimmten 3D-Punkte der zu erfassenden Oberfläche kann
der Benutzer am Monitor interaktiv das momentane Ergebnis verfolgen
und auf Abschattungen oder Löcher
im der dargestellten 3D-Punktewolke sofort reagieren, indem er durch
Veränderung
der Relativposition zwischen Objekt und Scankopf ein oder mehrere
erneute Scans, d. h. Einzelbildaufnahmen mit entsprechender Auswertung,
durchführt
und jeweils am Monitor verfolgt. Die Relativbewegung zwischen Scankopf
und Objekt kann entweder durch Bewegung des Scankopfes mit der Kamera
oder durch Bewegung des Objektes im Erfassungsbereich der Kamera
erfolgen. Unter Bewegung wird hierbei neben einer Verschiebung selbstverständlich auch
eine Rotation des Objektes oder eine Bewegung des Scankopfes um
das Objekt verstanden. Die mit jedem weiteren auf diese Weise aufgezeichneten
Einzelbild erhaltenen 3D-Koordinaten
bzw. 3D-Punkte werden ebenfalls in Echtzeit in der gleichen Bilddarstellung
am Monitor visualisiert, indem diese Bilddarstellung mit den neuen
3D-Punkten ergänzt
wird.
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Die
ergänzte
Darstellung erfordert eine vorangehende Registrierung der jeweils
neu gewonnenen 3D-Punkte mit den bereits vorhandenen 3D-Punkten.
Für diesen
Registrierungsprozess wird im vorliegenden Beispiel ein angepasster
ICP-Algorithmus (Iterative-Closest-Point)
eingesetzt, wie er bspw. aus S. Rusinkiewicz et al., „Efficient
Variants of the ICP Algorithm",
in: Proceedings of the 3. International Converence on 3D Digital
Imaging and Modeling (3DIM), Quebec, 2001, bekannt ist.
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Der
Benutzer kann somit an dem in Echtzeit visualisierten Bild sofort
erkennen, ob die Oberfläche des
zu vermessenden Objektes ausreichend erfasst wurde. Mit dieser Interaktionsmöglichkeit
wird ein hoher Produktivitätsgewinn
erzielt, da das jeweilige Scanergebnis sofort verbessert werden
kann, ohne den Erfassungsprozess abzubrechen und nach Erkennung
von möglichen
Lücken
erneut starten zu müssen.
Weiterhin ermöglicht
das vorliegende Verfahren eine sehr präzise Erfassung der Oberflächengeometrie
bewegter Szenen, da die beispielsweise in einer Beleuchtungsvariante
einsetzbare eingesetzte Stroboskop-Lichtquelle sehr kurze Belichtungszeiten liefert.
Der Einsatz eines Musterdias mit einem Zufallsmuster, das dem System
vor der Durchführung der
Messung nicht bekannt sein muss und daher auch keinen präzisen Fertigungsprozess
erfordert, ermöglicht
eine sehr kostengünstige
Realisierung des vorliegenden Verfahrens.
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- 1
- Oberfläche
- 2
- projiziertes
Muster
- 3
- Projektionseinrichtung
- 4
- Diapositiv
- 5
- Kamera
- 6
- visualisiertes
Bild
- 7
- Auswerteeinrichtung
- 8
- Monitor
- 9
- Zentren
korrespondierender Musterzellen
- 10
- Objekt
- 11
- Scankopf