DE112005002690B4

DE112005002690B4 - Verfahren und System zur optischen Kantenbestimmung

Info

Publication number: DE112005002690B4
Application number: DE112005002690T
Authority: DE
Inventors: Avner Segev
Original assignee: Cognitens Ltd
Current assignee: Hexagon Metrology Israel Ltd
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2025-06-21
Also published as: US8482743B2; WO2006048857A1; DE112005002690T5; US20070297665A1

Abstract

Verfahren zur Gewinnung von Kantendaten für Prozeduren zur Vermessung eines Objektes (10), umfassend: (a) Gewinnen wenigstens eines Bildes einer gewünschten Kante (12; 13; C) auf einer Oberfläche eines Objektes (10), das einen Kontrast mit einem Hintergrundmedium (150) bildet, wobei die Oberfläche und das Medium (150) frontbeleuchtet sind und wobei das Medium (150) einen Reflektionsgrad (RM) aufweist, der größer als der Reflektionsgrad (RO) der Oberfläche zumindest in der Nähe der Kante (12; 13; C) ist, zumindest unter Betrachtung unter einer Bildbetrachtungsachse (OA), die dem wenigstens einen Bild zugeordnet ist; und (b) Analysieren des Bildes, um daraus Kantendaten aus einer Grenzfläche (C) zwischen aneinandergrenzenden Bereichen (A, B) mit unterschiedlichen optischen Kontrasten zu erhalten, die entweder der Oberfläche oder dem Medium (150) entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt umfasst, bei welchem das dreidimensionale Profil der Kante (12; 13; C) bestimmt wird, wobei Schritt (a) umfasst: Gewinnen eines ersten Satzes von Bildern, der wenigstens zwei erste Bilder der Kante (12; 13; C) aus unterschiedlichen Blickachsen (OA) umfasst, und das Verfahren außerdem den Schritt umfasst, bei dem entsprechende Punkte der Kante (12; 13; C) aus den wenigstens zwei ersten Bildern abgeglichen werden, so dass man eine Reihe von abgeglichenen Punkten erhält, und den Schritt, wonach man das dreidimensionale Profil der Kante (12; 13; C) aus der Reihe von abgeglichenen Punkten bestimmt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft optische Verfahren und Systeme zur Bestimmung der Abmessungen von Objekten. Insbesondere betrifft die Erfindung Messungen an freien Kanten solcher Objekte, insbesondere wenn die Objekte hochreflektierend und/oder texturiert sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die optische Bestimmung der Kanten von hergestellten Objekten hat in der Industrie eine große Bedeutung, allerdings können derartige Messungen häufig nur schwierig mit großer Genauigkeit und Zuverlässigkeit durchgeführt werden. Industriell hergestellte Objekte, wie beispielsweise Fahrzeugteile aus Metall, Plastikbauteile und ähnliches, unterscheiden sich üblicherweise in ihren optischen Reflektionseigenschaften, wobei bei gegebener Intensität des einfallenden Lichtstrahls, einige mehr reflektieren als andere. Außerdem werden gleiche Bauteile, die mit denselben Spezifikationen hergestellt werden, beispielsweise eine Reihe von Panelen für Fahrzeugtüren des gleichen Modells, sich ebenfalls untereinander im Hinblick auf lokale Reflektionseigenschaften unterscheiden, welche diese Bauteile in der Nähe der Kanten der Bauteile besitzen. Diese Variationen hängen üblicherweise mit dem Herstellungsprozess und der von Bauteil zu Bauteil variierenden Eigenschaften des Rohmaterials zusammen. Außerdem treten häufig Variationen von Bauteil zu Bauteil oder von Los zu Los bei der Herstellung auf, weil sich die bei der Herstellung verwendeten Werkzeuge immer mehr abnutzen und verschleißen. Außerdem treten Unterschiede bei verschiedenen Produktionslinien auf, welche die gleichen Bauteile herstellen, usw. Beispielsweise besteht das zur Herstellung vieler Fahrzeugteile verwendete Metallblech aus Kohlenstoff und Ferrit: Geringfügige Unterschiede im Verhältnis von Kohlenstoff zu Ferrit und/oder bei der Dicke des Metallblechs in Verbindung mit unterschiedlichen Beschichtungen und Behandlungen, die angewendet werden können, führen häufig zu relativ großen Variationen der optischen Reflektionseigenschaften der hergestellten Bauteile. Außerdem kann es passieren, wenn man ein Bild eines Bauteils, welches eine Kante aufweist, erzeugen will, dass die Reflektionseigenschaften der Kante des Bauteils, welche beispielsweise spiegelnde Reflektionen, Oberflächentexturen und andere Formen von optischen Störungen in der Nähe der Kante umfassen können, dazu führen, dass die Kante oder ein Teil der Kante im Bild verschoben bezüglich der Lage erscheint, in welcher die wahre mechanische Kante des Bauteils im Bild erscheinen sollte.
Systeme zur industriellen Bildverarbeitung (machine vision) verwenden häufig unterschiedliche Beleuchtungsschemata, um dieses Problem zu überwinden. So hilft beispielsweise die Verwendung einer polarisierten Beleuchtung, spiegelnde Reflektionen zu vermeiden, die häufig zu einer Bildsättigung führen, so dass man die Bildsättigung verringern und ein genaueres Bild der Kanten erzeugen kann. Alternativ kann das Bilderfassungssystem mit Filtern mit unterschiedlicher spektraler Bandbreite ausgerüstet sein, um Bildtexturen herauszufiltern, welche die Kantenbestimmung stören. Rückbeleuchtungsverfahren basieren auf einer Beleuchtung des Objekts von hinten, was dazu führt, dass die Polaritäten des Bildes invertiert werden, d. h. das Objekt erscheint im Bild dunkel und der Hintergrund hell. Obwohl sie in unterschiedlichem Maße wirksam sind, erhöhen diese Verfahren nichtsdestoweniger die Komplexität der Bilderfassungssysteme. Außerdem ist es nicht in allen Anwendungsfällen möglich, derartige Techniken einzusetzen, beispielsweise wenn es sich bei dem abzubildenden Objekten um große Objekte, wie dies beispielsweise bei einigen Fahrzeugteilen der Fall ist, handelt, welche große und komplexe Rückbeleuchtungssysteme erfordern würden.
Aus DE-A-102 54 542 ist ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein System gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 13 bekannt, das eine Bestimmung der Kontur der Kante eines Objekts ermöglicht. Eine Bestimmung eines dreidimensionalen Kantenprofils ist aber nicht möglich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden bezieht sich der Ausdruck „Korrespondenz” auf eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung verschiedener Bilder eines Objektes, typischerweise auf Pixelniveau, beispielsweise auf der Basis einer nachbarschaftsartigen Codierung.
Der Ausdruck „Kennzeichnung” wird im Folgenden verwendet, um die richtige Identifizierung von Mustern, wie beispielsweise eindimensionale Linienmuster oder quasi eindimensionale Streifenmuster unter unterschiedlichen Bildern eines Objektes zu identifizieren.
Der Ausdruck „Abgleich” bezieht sich auf eine Sub-Pixel-zu-sub-Pixel-Abbildung von verschiedenen Bildern eines Objektes.
Der Ausdruck „Bild” wird zusätzlich zur herkömmlichen Verwendung im Folgenden auch dazu verwendet, um ein Ursprungsmuster zu bezeichnen, das auf ein Objekt projiziert wird.
Der Ausdruck „Gewinn” wird im Folgenden verwendet, um das Verhältnis der Reflektion einer Oberfläche eines Objektes zur Reflektion anzugeben, die man von einer standardisierten, weißen Streuoberfläche unter den gleichen Beleuchtungsbedingungen erhält, wobei dieses Verhältnis häufig in einer logarithmischen Skala ausgedrückt wird.
Der Ausdruck „Reflektionsgrad” bezieht sich auf das Verhältnis des Strahlungsflusses (emittierte Gesamtleistung, die in Form von elektromagnetischer Strahlung empfangen oder durchgelassen wird), die von einer Oberfläche reflektiert wird, zu dem auf die Oberfläche einfallendem Strahlungsfluss. Der Reflektionsgrad wird jedoch häufig als prozentualer Anteil angegeben, d. h. der Strahlungsfluss, welcher von einer Oberfläche reflektiert wird, als prozentualer Anteil des auf die Oberfläche fallenden Strahlungsflusses.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Methodik bereit, um eine dreidimensionale Oberflächenstruktur eines Objektes zu rekonstruieren. Der Ausdruck „Objekt” umfasst ein beliebiges zwei- oder dreidimensionales Objekt oder eine Ansammlung von Objekten, einschließlich einer Szenerie.
Erfindungsgemäß wird ein rückreflektierendes Material oder ein anderes geeignetes reflektierendes Material als optischer Hintergrund hinter dem auszumessenden Objekt angeordnet. Ein geeignetes Frontbeleuchtungssystem, welches üblicherweise in der Nähe der Kamera (s) platziert ist, wird zur Beleuchtung des Objekts und des reflektierenden Hintergrunds verwendet. Der Reflektionsgewinn des reflektierenden Materials ist vorzugsweise hoch, so dass nur eine geringe Beleuchtungsleistung benötigt wird, um hohe Bildsignale zu erzeugen. Das von dem Objekt wegreflektierte Signal ist wegen der niedrigen Beleuchtungsleistung in Verbindung mit den häufig diffusen Reflektionseigenschaften, d. h. den niedrigen „Gewinn” des Objektes, klein. Insgesamt ist das resultierende Bild in den Bereichen, welche dem Hintergrund entsprechen, hell und dunkel in den Bereichen, die dem Objekt entsprechen. Bei diesem Verfahren spielen die durch die Reflektionseigenschaften des Objektes in der Nähe der Kanten erzeugten Probleme im resultierenden Bild keine Rolle und die wahren Kanten können relativ leicht bestimmt werden.
Folglich wird erfindungsgemäß ein Verfahren bereitgestellt, welches Kantendaten liefert, die für bei Prozeduren nützlich sind, die mit der Bestimmung der Abmessungen eines Objektes zusammenhängen, wobei das Verfahren umfasst:

a) Gewinnen wenigstens eines Bildes einer gewünschten Kante einer Oberfläche eines Objektes, das mit einem Hintergrundmedium einen Kontrast bildet, wobei die Oberfläche und das Medium frontbeleuchtet sind und wobei das Medium einen Reflektionsgrad aufweist, der deutlich größer als ein Reflektionsgrad der Oberfläche wenigstens in der Nähe der Kante, wenigstens bei Betrachtung entlang einer Bildbetrachtungsachse, die dem wenigstens einen Bild zugeordnet ist, erfolgt; und
b) Analysieren des Bildes, um daraus Kantendaten aus einer Grenzfläche zwischen benachbarten Bereichen mit unterschiedlichem optischem Kontrast zu erhalten, die entweder der Oberfläche oder dem Medium entsprechen.

Schritt (a) kann umfassen:
Ausrichten der Oberfläche und der Kante bezüglich einer Bildbetrachtungsachse wenigstens einer Bildaufnahmevorrichtung, so dass die Oberfläche und die Kante zwischen der wenigstens einen Bildaufnahmevorrichtung und dem Hintergrundmedium angeordnet sind;
Frontbeleuchten wenigstens eines Bereichs der Oberfläche mit der Kante und wenigstens Bereichs des Mediums in der Nähe der Kante;
Erhalten wenigstens eines Bildes des wenigstens einen Abschnitts der Oberfläche, welcher die Kante umfasst und wenigstens einen Abschnitt des Mediums, betrachtet entlang der Sichtachse der wenigstens einen Bildaufnahmevorrichtung enthält.
Üblicherweise kann in Schritt (a) das wenigstens eine Bild wenigstens einen ersten Bildbereich umfassen, welcher dem Abschnitt der Oberfläche mit der wenigstens einen Kante entspricht, und wenigstens einen zweiten Bildbereich, der einen Abschnitt des Mediums in der Nähe der wenigstens einen Kante entspricht, wobei eine Grenzfläche zwischen dem oder jedem ersten Bildbereich und dem oder jedem zweiten Bildbereich wenigstens einer ersten Kante entspricht; und Schritt (b) umfasst:
Bestimmen der Bildkoordinaten, welche der ersten Grenzfläche entsprechen.
Das bevorzugte Medium kann einen Gewinn von mehr als 1 und vorzugsweise von mehr als 2 haben und das Medium kann gegebenenfalls eine rückreflektierende Schicht umfassen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird stets auch das dreidimensionale Profil der Kante bestimmt. Dazu umfasst der Schritt (a) die Maßnahme, dass man einen Satz erster Bilder gewinnt, die wenigstens zwei erste Bilder der Kante gemäß unterschiedlicher Blickachsen umfassen, wobei das Verfahren außerdem den Schritt umfasst, dass man entsprechende Punkte der Kanten zwischen den wenigstens zwei ersten Bildern aufeinander abgleicht, so dass man eine Reihe von abgeglichenen Punkten enthält, und den Schritt, dass man das dreidimensionale Profil (3D-Profil) der Kante aus der Reihe von abgeglichenen Punkten ermittelt. Der Abgleichschritt von entsprechenden Punkten zwischen den Bildern kann folgende Maßnahmen umfassen: Beleuchten der Oberfläche mit einem strukturierten Muster und Gewinnen eines Satzes von zweiten Bildern des so beleuchteten Objektes entlang der verschiedenen Blickachsen, die denjenigen des Satzes erster Bilder entsprechen, wobei jedem der zweiten Bilder, zumindest in einem virtuellen Sinne, ein entsprechendes erstes Bild überlagert wird, und man Überschneidungen zwischen den darin enthaltenen Mustern und der Grenzfläche des entsprechenden ersten Bildes findet, so dass man eine Reihe von Schnittpunkten für das zweite Bild erhält, wobei man Elemente, die den Schnittpunkten eines zweiten Bildes mit den Schnittpunkten eines anderen zweiten Bildes entsprechen, miteinander abgleicht und man 3D-Koordinaten aus den abgeglichenen Elementen ermittelt. Üblicherweise werden die 3D-Koordinaten unter Verwendung geeigneter Triangulations- oder Epipolar-Verfahren ermittelt, die auf die abgeglichenen Elemente angewendet werden, oder auch eine beliebige andere geeignete Methode.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei jedem geeigneten Objekt angewendet werden, das innere oder äußere Kanten aufweist, beispielsweise mechanische Komponenten, wie beispielsweise Fahrzeugbauteile.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein System zur Bereitstellung von Kantendaten, die in Prozeduren verwendet werden können, die mit optischen Messungen von Oberflächen eines Objektes mit wenigstens einer Kante zusammenhängen, umfassend:
wenigstens eine Bilderfassungsvorrichtung zur Aufnahme wenigstens eines Bildes wenigstens einer Kante entlang einer Blickachse;
ein Hintergrundmedium, wobei das Hintergrundmedium einen deutlich größeren Reflektionsgrad als der Reflektionsgrad der Oberfläche des Objektes zumindest in der Nähe der Kante aufweist;
wobei die wenigstens eine Bilderfassungsvorrichtung bezüglich des Mediums so angeordnet ist, dass sich die Oberfläche und die Kante zwischen der wenigstens einen Bilderfassungsvorrichtung und dem Medium befinden,
Beleuchtungsmittel zur Frontbeleuchtung wenigstens eines Teils der Oberfläche, welche die Kante umfasst, und wenigstens eines Teils des Mediums in der Nähe der Kante,
Mikroprozessormittel zur Analyse des von der wenigstens einen Bilderfassungsvorrichtung erfassten Bildes, um daraus Kantendaten aus der Grenzfläche zwischen benachbarten Bereichen mit unterschiedlichem optischen Kontrast darin zu enthalten, die entweder der Oberfläche oder dem Medium entsprechen.
Dabei sind mindestens zwei Bilderfassungsvorrichtungen vorgesehen, wobei jede Bilderfassungsvorrichtung auf einer bezüglich des Objektes verschiedenen relativen Blickachse positioniert ist.
Bei solchen und anderen Ausführungsformen können zwei oder mehr Bilderfassungsvorrichtungen vorgesehen sein, wobei jede der Bilderfassungsvorrichtungen auf einer unterschiedlichen relativen Blickachse bezüglich des Objektes positioniert ist.
In dieser oder anderen Ausführungsformen können zwei oder mehr optisch reflektierende Medien bereitgestellt werden, wobei jedes der Medien so positioniert ist, dass das Objekt zwischen dem Medium und der wenigstens einen Bilderfassungsvorrichtung angeordnet ist. Das Medium kann aus einem Material mit geeigneten Reflektionseigenschaften bestehen und/oder eine Beschichtung aufweisen, die geeignete Reflektionseigenschaften aufweist und/oder eine Außenschicht aufweisen, die so ausgelegt ist, dass sie geeignete Reflektionseigenschaften zeigt (und/oder aus einem Material mit geeigneten Reflektionseigenschaften besteht).
Üblicherweise umfasst das Medium eine Rückstrahlschicht und in jedem Fall weist das Medium einen Gewinn von mehr als 1 oder vorzugsweise von etwa 2 oder von mehr als 2 auf.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
Zum besseren Verständnis der Erfindung und zur Darstellung einer praktischen Umsetzung wird im Folgenden eine bevorzugte Ausführungsform im Rahmen eines nicht einschränkenden Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine schematische Darstellung der Elemente einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist;
2 eine Darstellung des Objektes und des Hintergrundmediums des Systems der 1 entlang der optischen Achse der Bilderfassungsvorrichtung zeigt;
3 ein Bild des Objektes und des Hintergrundmediums des Systems der 1 zeigt, das entlang der Bilderfassungsvorrichtung aufgenommen wurde;
4 eine schematische Darstellung der Elemente einer abgewandelten Version der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist;
5a und 5b Bilder des Objektes und des Hindergrundmediums des Systems der 4 sind, die von den beiden Bilderfassungsvorrichtungen des Systems aufgenommen wurden;
6 eine schematische Darstellung der Elemente der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist;
7a und 7b Bilder des Objekts und des Hintergrundmediums des Systems der 6 zeigen, die durch die beiden Bilderfassungsvorrichtungen des Systems aufgenommen wurden.
8a und 8b Bilder sind, die man erhält, wenn ein spezielles 1-dimensionales Streifenmuster auf das Objekt des Systems der 6 gestrahlt wird und man die Bilder mit den beiden Bilderfassungsvorrichtungen des Systems aufnimmt.
9a eine Ansicht eines relativ dünnen Objektes und Hintergrundmediums des Systems der 1 ist, das entlang der optischen Achse der ersten Bilderfassungsvorrichtung des Systems betrachtet wird, während
9b ein Bild des Objektes und des Hintergrundmediums der 9a ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein System gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist in 1 dargestellt. Das insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnete System umfasst wenigstens eine Beleuchtungsquelle 110, ein lichtreflektierendes Medium 150 und wenigstens eine optische Bilderfassungsvorrichtung 120.
Ein aufzunehmendes Objekt 10, welches typischerweise interessierende Oberflächen und Kanten 12 aufweist, wird vor dem Medium 150 angeordnet und so positioniert, dass es sich zwischen dem Medium 150 und der Beleuchtungsquelle 110 sowie zwischen dem Medium 150 und der Bilderfassungsvorrichtung 120 befindet. Insbesondere ist die Beleuchtungsquelle 110 in bezug auf das Objekt 10 und das Medium 150 räumlich so angeordnet, dass zumindest während des Betriebs des Systems 100 das Objekt 10 oder wenigstens ein Teil von dessen Oberfläche, der die Kanten 12 umfasst, und ein Teil 152 des Mediums 150, welcher die Kanten 12 umgibt, von der Quelle 110 beleuchtet werden. Während die Kanten 12 externe Kanten des Objekts 10 sind, betrifft die Erfindung außerdem Innenkanten, beispielsweise die Kante 13 einer durch das Objekt führenden Bohrung 14, wobei ein entsprechender Teil 15 des Mediums 150 durch die Bohrung 14 erkennbar ist. Während also die vorliegende Beschreibung im Allgemeinen auf Außenkanten Bezug nimmt, versteht es sich, dass die Erfindung in geeigneten Fällen mutatis mutandis auch auf Innenkanten anwendbar ist.
Folglich kann das Objekt 10 ein beliebiges mechanisches oder physikalisches Objekt umfassen, dessen Kanten bestimmt werden sollen. Das Objekt 10 kann Oberflächen und Kanten 12 umfassen, die im wesentlichen dreidimensional sein können, beispielsweise hergestellte Fahrzeugteile, wie formgepresste Tür- oder Fahrzeugkörperpanele. Das Objekt 10 kann jedoch auch Oberflächen und Kanten 12 umfassen, die man als „zweidimensional” betrachten kann, beispielsweise ein dünnes Metallblech, das eine spezielle ebene Form besitzt, was beispielsweise bei der Qualitätskontrolle dergestalt von Formstücken nützlich sein kann, bevor sie in Pressformen oder ähnliches gepresst werden.
Entsprechend ist die Bilderfassungsvorrichtung 120 räumlich bezüglich des Objekts 10 und des Mediums 150 so angeordnet, dass zumindest während des Betriebs des Systems 100 ein Bild des Objektes 10, oder wenigstens ein Teil von dessen Oberfläche mit Kanten 12 und ein Teil des Mediums 150, welches die Kanten 12 umgibt oder an sie angrenzt, mit der Bilderfassungsvorrichtung 120 gewonnen werden kann (2).
Im Betrieb beleuchtet die Beleuchtungsquelle 110 das Objekt 10 und das Medium 150 oder wenigstens einen Teil der Oberfläche des Objektes 10 mit den interessierenden Kanten 12 und einen Teil 152 des Mediums 150, welcher die Kanten 12 aus der Blickrichtung der Bilderfassungsvorrichtung 120 umgibt, und anschließend nimmt die Bilderfassungsvorrichtung 120 ein oder mehrere Bilder der Szenerie einschließlich der Kanten 112 und der Abschnitte 152 auf.
Bei der Bilderfassungsvorrichtung 120 kann es sich um eine beliebige geeignete Bilderfassungsvorrichtung oder ein entsprechendes System handeln, typischerweise eine geeignete Kamera, beispielsweise eine Videokamera oder eine beliebige CCD- oder CMOS-Kamera, welche ein Bild elektronisch an einen Mikroprozessor 160, wie beispielsweise einen geeigneten Computer beispielsweise mittels eines Video-Grabbers übertragen kann. Der Mikroprozessor 160 kann gegebenenfalls so konfiguriert sein, dass er auf die Beleuchtungsquelle 110 steuert, typischerweise so, dass die Beleuchtung des Objektes mit der Bilderfassung mittels der Vorrichtung 120 snychronisiert wird.
Die Beleuchtungsquelle 110 kann alle geeigneten Beleuchtungsmittel umfassen, typischerweise einen geeigneten Projektor oder Lichtstrahler, die außerdem üblicherweise Weißlicht ausstrahlen, aber gegebenenfalls das Objekt auch mit Licht aus anderen Wellenlängenbereichen des sichtbaren Spektrums beleuchten können oder sogar außerhalb des sichtbaren Spektrums, beispielsweise einschließlich des infraroten und ultravioletten Wellenlängenbereichs. Die Lichtquelle 110 kann beispielsweise geeignete Entladungslampen, LEDs, Laser-Lichtquellen usw. umfassen.
Das lichtreflektierende Medium 150 ist durch einen hohen Reflektionsgrad oder Gewinn gekennzeichnet, insbesondere im Vergleich zum Reflektionsgrad oder Gewinn des Objektes 10, und dort vor allem im Vergleich zu dem Teil der Oberfläche, welcher die Kanten 12 enthält.
Das Medium 150 umfasst üblicherweise eine rückreflektierende Schicht mit einer rückreflektierenden Oberfläche, jedoch können zahlreiche andere reflektierende oder halbreflektierende oder sogar matte Oberflächen geeignet sein, beispielsweise eine weißmattierte Oberfläche. Wie im Folgenden deutlicher werden wird, hängt der minimale Gewinn oder Reflektionsgrad des Mediums 150 üblicherweise von den Gewinn- oder Reflektionseigenschaften des Objektes 10 selbst ab. Das heißt, je reflektierender das Objekt 10 selbst ist, um so höher muss der Reflektionsgrad oder Gewinn des Mediums 150 sein, damit ein ausreichender Kontrast für die Bilderfassungsvorrichtung 120 vorhanden ist. Folglich ist der Gewinn oder der Reflektionsgrad des Objektes 10 insbesondere an den Kanten oder den Zonen oder Bereichen des Objektes 10, welche die Kanten 12 enthalten, deutlich geringer als der Gewinn oder der Reflektionsgrad des Mediums 150. Beispielsweise kann das Objekt 10 einen Gewinn von weniger als 1 und/oder einen Reflektionsgrad von weniger als etwa 5% aufweisen, während das Medium 150 einen Gewinn von 1 oder mehr, insbesondere von 2, 3, 4 usw. und/oder einen Reflektionsgrad von mehr als 5%, etwa 10%, 15%, 20%, 30%, 40% usw. aufweisen kann. Alternativ kann das Objekt einen Gewinn von 1 oder von mehr als 1, beispielsweise 1,3 und/oder einen Reflektionsgrad von mehr als 5%, etwa 10% aufweisen, während das Medium 150 so gewählt wird, dass der Gewinn deutlich größer als 1,3, beispielsweise 2 oder mehr als 2 und/oder der Reflektionsgrad deutlich mehr als 10%, beispielsweise 20% oder mehr beträgt.
Anders ausgedrückt ist das Verhältnis des Mediumgewinns G_M zum Objektgewinn G_O größer als 1, d. h. das Verhältnis des Reflektionsgrades des Mediums R_M zum Reflektionsgrad des Objektes R_O ist größer als 1. Anders ausgedrückt beträgt für einen gegebenen auf das Medium 150 und das Objekt 10 einfallenden Strahlungsfluss das Verhältnis von dem vom Medium 150 emittierten Strahlungsfluss zu dem vom Objekt 10 emittierten Strahlungsfluss (das im Folgenden als „Strahlungsflussverhältnis” bezeichnet wird), insbesondere in dem in der Nähe der Kante 12 liegenden Oberflächenbereich, mehr als 1.
Eine „rückreflektierende Oberfläche” ist eine Oberfläche, welche das einfallende Licht zurück zur Lichtquelle wirft. Derartige rückreflektierende Oberflächen sind im Stand der Technik bekannt und können beispielsweise unter Verwendung von kugelförmigen reflektierenden Kügelchen oder ähnlichem hergestellt werden, wobei Zusammensetzungen von rückreflektierenden Schichten und Verfahren zu deren Herstellung beispielsweise in den US-Patenten 2,432,928 , 2,440,584 , 2,543,800 , 2,397,702 oder 4,104,102 beschrieben sind, auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Rückreflektierende Oberflächen weisen üblicherweise einen Gewinn von mehr als 2 auf.
In den hier beschriebenen Ausführungsformen befindet sich die Beleuchtungsquelle 110 relativ nahe bei einer oder mehreren Bilderfassungsvorrichtungen 120, so dass das Beleuchtungslicht der Beleuchtungsquelle 110 mit relativ hoher Intensität von den Bilderfassungsvorrichtungen 120 aufgezeichnet wird, nachdem es von dem Medium 150 reflektiert wurde.
Gemäß anderen Ausführungsformen, bei denen sich die Beleuchtungsquelle(n) 110 und die Bilderfassungsvorrichtung(en) in einem größeren Abstand voneinander befinden, würde eine rückreflektierende Oberfläche nicht das meiste auf ihr eintreffende Licht zu der/den Bilderfassungsvorrichtung(en) zurückreflektieren, so dass das Medium 150 dann eine reflektierende Oberfläche aufweist, die so ausgelegt ist, dass ein nennenswerter Anteil des auf ihr eintreffenden Lichtes zu der (den) Bilderfassungsvorrichtung(en) zurückreflektiert wird. Beispielsweise kann das Hintergrundmedium 150 so bezüglich der Blickachse der Bilderfassungsvorrichtungen 120 orientiert sein, dass dieser Effekt bewirkt wird. In Fällen, bei denen mehrere Bilderfassungsvorrichtungen 120 vorhanden sind, die alle in deutlich anderen Positionen als die Quelle 110 positioniert sind, wird das Medium so ausgelegt, dass es das einfallende Licht in alle erforderlichen Blickrichtungen reflektiert, die jeweils durch die Blickrichtung einer entsprechenden Bilderfassungsvorrichtung 120 definiert werden, so dass das Medium 150 von jeder Vorrichtung 120 als hochreflektierend wahrgenommen wird.
Insbesondere in solchen Fällen kann das Medium 150 jegliche geeignete reflektierende, halbreflektierende oder sogar matte Oberfläche aufweisen, was üblicherweise vom Reflektionsgrad des Objektes 10 selbst abhängt, insbesondere solche, die das einfallende Licht in die erforderlichen Richtungen mit hohem Gewinn reflektieren. Eine nicht vollständige Anzahl von Beispielen derartiger Materialien für ein Medium 150 umfasst Matte White, High Contrast Matte White, Video Spectra, Glass Beaded, Silver Matte, High Power, und Silver Vision Leinwandgewebe, die von Da-Lite (USA) produziert werden oder Mocom 20X-Leinwände, die von Mocomtech produziert werden, usw.
Das Medium 150 ist üblicherweise ein starrer ebener Schirm mit einer geeigneten rückreflektierenden, reflektierenden, halbreflektierenden oder matten Oberfläche auf einem geeigneten Substrat, beispielsweise Glas oder Kunststoff. Alternativ kann das Medium auch nicht-eben sein und beispielweise eine konkave Form aufweisen. Alternativ kann das Medium 150 flexibel und aufrollbar sein, wobei man es im ausgerollten Zustand hinter dem Objekt 10 mittels eines Stativs oder eines Rahmens montieren kann, wenn sich das System 100 in Betrieb befindet.
3 zeigt ein typisches Bild I das man mit einer Bilderfassungsvorrichtung 120 unter Verwendung des Systems 100 erhält. Das Bild I umfasst einen relativ dunklen Bereich A, welcher der Oberfläche des Objektes 10 unter dem Blickwinkel der Bilderfassungsvorrichtung 120 entlang ihrer Blickachse OA entspricht, der einen starken Kontrast mit der relativ hellen Zone B aufweist, die an wenigstens einem Teil des Bereichs A angrenzt und typischerweise diesen umgibt und dem Teil 152 des Mediums 150 entspricht, der nicht der Quelle 110 direkt zu der Bilderfassungsvorrichtung 120 mit hohem Reflektionsgrad reflektiert. Der Kontrast zwischen den Bereichen A und B geht auf den unterschiedlichen Reflektionsgrad oder Gewinn zwischen dem Objekt 10 und dem Medium 150 zurück.
Ein oder mehrere mit der Bilderfassungsvorrichtung 120 gewonnenen Bilder, beispielsweise Bild I, werden an einen geeigneten Mikroprozessor 160 übermittelt, welcher die Bilder analysiert. Im allgemeinen besteht der erste Schritt einer solchen Analyse in der Identifikation der zweidimensionalen (2D)-Grenzfläche oder Kante C zwischen dem dunklen Bereich A und dem hellen Bereich B auf dem Bild I selbst, wobei diese Grenzfläche oder Kante C der mechanischen Kante 12 entsprechen sollte, wenn das Objekt 10 entlang der optischen Achse OA (oben auch als „Bildblickachse” oder „Blickachse” bezeichnet) der Bilderfassungsvorrichtung 120 betrachtet wird. Bei diesem Schritt wird das Bild I üblicherweise in Pixel unterteilt, und ein aus Pixelpaaren bestehender Datensatz ermittelt, bei dem jedes Pixelpaar, die aus dem Bild I benachbarten Pixeln bestehen, ein Pixel eine Lichtintensität aufweist, die deutlich höher als die Lichtintensität des anderen Pixels ist. Alternativ kann ein beliebiges geeignetes Kantendetektionsverfahren, einschließlich Sub-Pixel-Kantendetektionsverfahren, zur Bestimmung der Kante C verwendet werden, wie dies beispielsweise in „Edge Detection Techniques – An Overview”, D. Ziou und S. Tabbone, International Journal of Pattern Recognition and Image Analysis, Volume 8, No. 4, Seiten 537–559, 1998, beschrieben ist.
Der nächste Schritt einer solchen Analyse kann in unterschiedlichen Formen erfolgen, abhängig von der speziellen Abwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Beispielsweise kann es erwünscht sein, vorgegebene Profile von 3D-dimensionalen mechanischen Komponenten zu prüfen, die aus unterschiedlichen Richtungen betrachtet werden und als zweidimensionale Profile erscheinen, oder tatsächliche zweidimensionale Kanten eines Flachbauteils, beispielsweise im Vergleich zu Normprofilen, die in dem Prozessor 160 abgespeichert sind. Derartige Analysen können in verschiedensten Bereichen der Qualitätskontrolle nützlich sein. Beispielsweise bei der Massenherstellung von bestimmten mechanischen Komponenten kann es für einzelne Teile erforderlich sein, beispielsweise für eine Lasche oder eine Klammer, dass deren Abmessungen enge Toleranzen aufweisen. Bei mechanischen Bauteilen müssen diskrete interessierende Kantenpunkte, beispielsweise der oben genannten Lasche oder Klammer, genau gemessen werden, da diese Punkte des Bauteils zur Bildung einer Baugruppe mit anderen Bauteilen zusammengebaut werden. Insbesondere wenn sich diese Laschen oder Klammern auf der Außenseite der Komponenten befinden und Kanten des Profils umfassen, die für die Herstellungstoleranzen repräsentativ sind, können diese Kanten unter Verwendung des erfindungsgemäßen Systems genau abgebildet werden. Die Profile der Kanten können unter Verwendung einer geeigneten Software mit Normprofilen verglichen werden, die beispielsweise in den Prozessor 160 gespeichert sind.
Entsprechend sind Durchgangslöcher und Schlitze aus ähnlichen Gründen wichtig und können dadurch gemessen werden, dass man ihre genauen Kantenpositionen bestimmt. Die den Nutzer der vorliegenden Erfindung interessierenden kritischen Abmessungen können sich in der Tat auf Innenkanten von Durchgangslöchern oder ähnliches beziehen, wobei das Medium 150 durch diese Löcher entlang der Blickachse der Bilderfassungsvorrichtung 120 erkennbar ist.
In einigen Spezialfällen, die nicht notwendigerweise auf diese Ausführungsformen beschränkt sind, kann es vorteilhaft sein, ein Hintergrundmedium am Objekt zu montieren oder mehrere Hintergrundmedia an verschiedenen Teilen des Objektes zu montieren, und zwar an den interessierenden Kanten. Beispielsweise können verschiedene Teile eines Objektes stark unterschiedliche Reflektionsgrade aufweisen und es kann in einigen Fällen wünschenswert sein, unterschiedliche Hintergrundmedien an den einzelnen Teilen des Objektes vorzusehen, wobei jedes Hintergrundmedium einen Reflektionsgrad aufweist, der beispielsweise um einen gegebenen Faktor höher als derjenige des entsprechenden Teils des Objektes ist, statt ein einzelnes Hintergrundmedium zu verwenden, das im Vergleich mit einem Teil des Objektes einen hohen Reflektionsgrad aufweist, während es im Vergleich zu einem anderen, sehr reflektionsstarken Teil des Objektes nur geringfügig reflektiert. Alternativ kann dies beispielsweise in einem Fall interessant sein, wo ein Behälter eine in eine Innenkammer führende Bohrung aufweist, wobei die Bohrung aber von der gegenüberliegenden Seite des Behälters aus nicht sichtbar ist. In diesem Fall wäre ein hinter dem Behälter angeordnetes Hintergrundmedium durch die Bohrung nicht sichtbar. In solchen Fallen wird dann ein entsprechend dimensioniertes Teil des Hintergrundmediums im Inneren des Behälters hinter der Bohrung positioniert, vorzugsweise senkrecht zur Achse der Bohrung ausgerichtet, so dass dieses Hintergrundbauteil durch die Bohrung beleuchtet werden kann und die Kanten der Bohrung gemäß der Erfindung ausgemessen werden können.
In jedem Fall kann das Profil der Ecke einer speziellen Bohrung oder eines Schlitzes, das man erfindungsgemäß bestimmt hat, mit Profildaten in vielfältiger Weise verglichen und Abmessungsdaten daraus abgeleitet werden. Bei der Anwendung der Erfindung auf eine kreisförmige Bohrung in einer Maschinenkomponente sollte beispielsweise die Kante der Bohrung im Bild I als Ellipse erscheinen, wenn die Blickachse OA unter einem Winkel θ zur Achse der Bohrung orientiert ist. Das Streckungsverhältnis der Ellipse (d. h. das Verhältnis der Hauptachse zur Nebenachse) wird von der Größe des Winkels θ bestimmt. Ein Mikroprozessor 160, dem der Winkel zwischen der Blickachse OA und einem speziellen Objektdatum eingegeben wurde, bestimmt die Kante der Bohrung und vergleicht das Profil mit einer am besten passenden Ellipse gemäß vorgegebener Kriterien. Ein solches Datum kann beispielsweise einen speziellen Referenzpunkt oder einen Punktesatz umfassen, auf die alle anderen Abmessungen des Objektes dann bezogen werden. Wenn das Streckungsverhältnis der angepassten Ellipse von demjenigen abweicht, das bei einem Winkel θ erwartet wird, dann kann entweder angenommen werden, dass die Bohrung eine Fehlausrichtung bezüglich des oben genannten Datums aufweist (und daher bezüglich der Blickachse OA) und/oder dass die Oberfläche des Objektes in unmittelbarer Umgebung der Bohrung (und folglich die Kante der Bohrung) sich in einer Ebene befindet, die bezüglich der Achse der Bohrung verkippt ist. Eine weitergehende Analyse des Profils der Kante bezüglich der angepassten Ellipse kann beispielsweise die Koordinaten des Zentrums der Bohrung liefern und/oder Abweichungen des gemessenen Kantenprofils vom Umfang der am besten angepassten Ellipse können einen Hinweis auf die Rundung der Bohrung selbst liefern.
Unter Bezugnahme auf die 9(a) und 9(b) kann beispielsweise in einigen Anwendungen das Objekt 10 selbst relativ geringe Abmessungen in Richtung der Dicke t aufweisen, beispielsweise wenn es sich bei dem Objekt um eine aus Metallblech bestehende Komponente handeln. In solchen Fällen können einige solcher Bohrungen sehr flach sein, wobei die Dickenabmessung t sehr gering sein kann, aber auch beträchtlich im Vergleich zu deren Breite oder Durchmesser D. Dementsprechend kann, wenn die Blickachse OA in einem Winkel θ zur Achse der Bohrung (oder des Loches) 14 orientiert ist, das aufgenommene Bild I_H als Überlagerung eines Teils der Außenkante 14A der Bohrung 14, das sich am nächsten an der Bilderfassungsvorrichtung selbst befindet, d. h. die Kante des Loches auf der Oberfläche 10A des Objektes, die zur Bilderfassungsvorrichtung orientiert ist, und eines Teils der entfernten Kante oder Innenkante 14B des Loches sein, d. h. derjenigen Kante des Loches auf der anderen Seite 10B des Objektes, die von der Bilderfassungsvorrichtung wegorientiert ist. Folglich umfasst das Bild I_H einen relativ dunklen Bereich A'', welcher der Oberfläche 10A entspricht, und einen relativ hellen Bereich B'', welcher einen Teil des durch das Loch 14 gesehenen Hintergrundmediums entspricht. Die Grenze zwischen diesen beiden Bereichen umfasst zwei sich schneidende Bögen – C₁'' und C₂'', wobei C₁'' dem obengenannten Teil der Außenkante 14A und C₂'' dem Teil der Innenkante 14B entspricht. In einem solchen Fall können die beiden Bögen separat analysiert werden und Ellipsen werden zu jedem Bogen separat so angepasst, dass die Krümmung der am besten passenden Ellipse sich so nah wie möglich an den entsprechenden Bogen annähert. Entsprechend können die Abmessungen, wie beispielsweise der Durchmesser der Bohrung 14, auf jeder Seite 14A, 14B des Objektes bestimmt werden, sowie deren Zentren usw. Das obige Beispiel bezog sich auf eine im wesentlichen zylindrische Bohrung 14, bei welcher die Größe und Form der Kanten der Bohrung auf beiden Seiten 14A und 14B gleich sind und darüber hinaus entlang einer senkrecht zu den Flächen verlaufenden Achse ausgerichtet sind. Das Verfahren ist jedoch in entsprechender Weise mutatis mutandis auf andere Bohrungstypen anwendbar, die beispielsweise ein konisches oder stufenförmiges Profil aufweisen, bei denen die Größe und Form der Kanten der Bohrung auf den beiden Seien 14A und 14B nicht gleich sind und/oder die nicht notwendigerweise entlang einer zu diesen Flächen senkrechten Achse ausgerichtet sind.
Wenn die vorliegende Erfindung zur Überprüfung von Abmessungen statt zur Bestimmung von bislang unbekannten Abmessungsdaten eines Objektes verwendet wird, sind solche Verfahren zur besten Anpassung von Ellipsen usw. an Bildmerkmale üblicherweise direkter.
Ähnliche Analysen können für beliebige geometrische Merkmale des zu scannenden oder abzubildenden Objektes mutatis mutandis angewandt werden.
In den 4 und 5a, 5b wird eine Abwandlung der ersten Ausführungsform des Systems beschrieben, die allgemein mit der Bezugsziffer 100' bezeichnet und so ausgelegt ist, dass zwei vorgegebene Kantenprofile eines Objektes 10 gewonnen werden können. Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Objekt 10 vor zwei lichtreflektierenden Hintergrundmedien 150' und es sind zwei optische Bilderfassungsvorrichtungen 120' vorgesehen, die jeweils mit dem Objekt 10 und einem oder dem anderen der Medien 150' ausgerichtet sind. Eine Beleuchtungsquelle 110' ist zur Beleuchtung des Objektes 10 sowie eines Teils der beiden lichtreflektierenden Medien 150' vorgesehen, wie sie von den beiden optischen Bilderfassungsvorrichtungen 120' gesehen werden. Das Objekt 10 ist räumlich so bezüglich der Bilderfassungsvorrichtungen 120' und den Medien 150' angeordnet, dass eine vorgegebene Kante des Objektes von jedem der Bilderfassungsvorrichtungen 120' gesehen wird. Bei Beleuchtung durch die Quelle 110' erfassen die Bilderfassungsvorrichtungen 120' jeweils ein Bild I' der entsprechenden Kanten, wie sie entlang der entsprechenden optischen Achsen OA' gesehen werden, wobei jedes Bild einen dem Objekt entsprechenden dunklen Bereich A' und einen einem Teil des Mediums entsprechenden, benachbarten hellen Bereich B' umfasst sowie die dazwischen befindliche Grenzfläche oder Kante C', deren entsprechende Profile mittels des Prozessors 160' analysiert und mit Normprofilen verglichen werden können.
Selbstverständlich können mehr als zwei Bilderfassungsvorrichtungen vorgesehen sein, wobei entsprechende Medien mit diesen ausgerichtet und hinter dem Objekt angeordnet werden, so dass zahlreiche unterschiedliche Teile des Objektes gemäß der Erfindung entsprechend der beiden oben beschriebenen Vorrichtungen mutatis mutadis analysiert werden können.
Bei dieser Ausführungsform ist es also nicht notwendigerweise erforderlich, das dreidimensionale Profil der Kanten zu bestimmen, sondern vielmehr die zweidimensionalen Kanten, wie sie aus beliebigen speziellen Orientierungen gesehen werden, mit vorher festgelegten Normkanten zu vergleichen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die dreidimensionale Topographie der Kanten, gegebenenfalls einschließlich der Oberfläche des Objektes zumindest in der Nähe der Kanten, bestimmt werden. In 6 ist das System gemäß der zweiten Ausführungsform im allgemeinen mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet und umfasst wenigstens zwei Bilderfassungsvorrichtungen 220A, 220B, die so eingerichtet sind, dass sie Bilder der gleichen Kante C des Objektes 10 zusammen mit einem Teil des reflektierenden Mediums 250 aufnehmen, das in Bezug auf die Vorrichtungen 220A, 220B hinter dem Objekt angeordnet ist.
Die Bilderfassungsvorrichtungen 220A, 220B sind so ausgelegt, dass sie Bilder elektronisch beispielsweise über einen Videograbber an einen Mikroprozessor 260 übertragen, wie beispielsweise einen geeigneten Computer. Der Mikroprozessor 260 kann so ausgelegt sein, dass auch die Beleuchtungsquelle 210 gesteuert wird, typischerweise zur Synchronisation der Beleuchtung des Objektes mit dem Bilderfassungsprozess durch die Vorrichtungen 220A, 220B.
Die Beleuchtungsquelle 210, die, mutatis mutandis, beispielsweise der im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Beleuchtungsquelle entsprechen kann, beleuchtet das Objekt so, dass ein scharfer Kontrast zwischen dem Objekt 10 und dem Hintergrundmedium 250 erzeugt wird, wenn dies durch die Vorrichtungen 220A, 220B entlang der optischen Achsen OA_A, OA_B betrachtet wird. Jede Vorrichtung 220A, 220B erfasst ein Bild des Objektes 10, insbesondere unter Einbeziehung der gleichen Kante C und die 7a und 7b illustrieren typische Bilder I_A, I_B des so erfassten Objektes 10. Wie bei diesen vorher beschriebenen Ausführungsformen, mutatis mutandis, zeigt das Bild I_A einen relativ dunklen Bereich A1, der dem Objekt entspricht, und einen relativ hellen Bereich B1, der dem Medium 250 entspricht, mit einem Übergang zwischen den beiden Bereichen, der Kante C1, die der mechanischen Kante C, entlang OA_A betrachtet, entspricht. Entsprechend zeigt das Bild I_B einen relativ dunklen Bereich A₂, der dem Objekt entspricht, und einen relativ hellen Bereich B2, der dem Medium 250 entspricht, mit einem Übergang zwischen den beiden Bereichen, nämlich der Kante C2, die der mechanischen Kante C, entlang OA_B betrachtet, entspricht.
Als nächstes wird das Medium 250 durch ein gleichmäßiges, nicht hochreflektierendes Medium (nicht dargestellt) ersetzt und das Objekt wird so beleuchtet, dass dessen dreidimensionale Topographie bestimmt werden kann.
Beispielsweise wird das Objekt mit paralleler Linien oder Streifen in einer an sich bekannten Weise beleuchtet, so dass dreidimensionale topographische Daten von einem Bildersatz der Streifen, wie sie das Objekt beleuchten, abgeleitet werden können. Alternativ wird das Medium 250 nicht durch ein weniger reflektierendes Medium ersetzt, sondern wird beibehalten, und das Objekt wird so beleuchtet, dass dessen dreidimensionale Topographie bestimmt werden kann. In einem solchen Fall ist es nötig, dass der typischerweise hochreflektierende Hintergrund, der durch das Medium 250 bereitgestellt wird, mit der dreidimensionalen Rekonstruktion der Oberflächen in der Nähe der Kanten interferiert, aber er wird im allgemeinen nicht mit anderen Bereichen des Objektes interferieren, die weiter von den Kanten entfernt sind. Geeignete im Stand der Technik bekannte Bildverarbeitungsverfahren können verwendet werden, um den Einfluss der reflektierenden Störungen auf die Rekonstruktion in der Nähe der Kanten zu beseitigen.
Es stehen zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung, das Objekt mit Streifen oder einem anderen geeigneten Muster zu beleuchten. Es kann beispielsweise eine Lichtstrahlungsquelle verwendet werden, die eine Maske aufweist, wobei die Maske ermöglicht, ein Streifenmuster auf das Objekt zu strahlen. Bei der Maske kann es sich um eine so genannte „passive” Maske handeln, beispielsweise eine Maske, die ein festes Muster definiert und die selektiv in dem von der Lichtquelle erzeugten Strahlengang angeordnet werden kann, so dass gegebenenfalls auch normales Licht (d. h. ohne Streifenmuster) auf das Objekt projiziert werden kann. Eine solche passive Maske kann in Form einer rotierenden Scheibe vorliegen, deren eine Hälfte das Streifenmuster aufweist und deren andere Hälfe frei ist, wobei man die Scheibe um 180° dreht, um die benötigte Hälfte entlang der Lichtquelle auszurichten.
Alternativ kann die Maske eine so genannte „aktive” Maske in Form eines Spatial Light Modulators (SLM) sein, der mit einem Steuermodul in Wirkverbindung steht, wobei der SLM unter der Kontrolle des Steuermoduls das benötigte Streifenmuster oder gleichmäßiges Licht zur Verfügung stellt.
Alternativ kann der Lichtsender selbst so ausgelegt sein, dass er strukturiertes Licht in Form von Streifen erzeugt. Dies kann verwirklicht werden durch Verwendung einer Matrix aus lichtemittierenden Elementen. Eine solche Matrix kann gemäß einem festen Streifenmuster oder gemäß gleichmäßiger Beleuchtung konstruiert werden oder kann als geeigneter modulierter Lichtsender ausgelegt sein, der operativ mit einem Steuermodul verbunden ist, um das Objekt selektiv mit einem Streifenmuster oder mit gleichmäßiger Beleuchtung zu bestrahlen.
Bei Beleuchtung mit einem Streifenmuster werden Bilder I_A', I_B' dieser Streifen S_A bzw. S_B, durch die Vorrichtungen 220A bzw. 220B aufgenommen. Zu diesem Zweck bleiben die Vorrichtungen 220A, 220B im wesentlichen an den gleichen relativen Positionen bezogen auf das Objekt wie zuvor, als die Bilder I_A, I_B aufgenommen wurden.
Auf die Bilder I_A, I_B wird das zuvor erhaltene zweidimensionale Profil der Kanten C1 bzw. C2 zumindest in numerischem oder virtuellem Sinne mittels des Mikroprozessors 260 überlagert. Da die Vorrichtungen 220A, 220B ihre relativen Positionen bezogen auf das Objekt gegenüber dem Zeitpunkt, als die Bilder I_A, I_B aufgenommen wurden, nicht geändert haben, können die Kantenprofile C1, C2 in Bildern I_A, I_B direkt überlagert werden.
Eine Bewegung des Objektes 10 in bezug auf die Bilderfassungsvorrichtungen 220A, 220B kann, falls sie auftritt, in beliebiger geeigneter Weise behandelt werden, beispielsweise wie in WO 02/19687 mit dem Titel „Accurately Aligning Images in Digital Imaging Systems by Matching Points in the Images” behandelt werden, dessen Mitinhaber der vorliegende Anmelder ist und auf dessen Inhalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Wie durch die gepunkteten Linien C1, C2 in den 8a beziehungsweise 8b angedeutet, werden die Positionen der tatsächlichen mechanischen Kanten am Objekt 10, aus Richtung der Vorrichtungen 220A, 220B betrachtet, durch C1 beziehungsweise C2 angedeutet. Können die Originalbilder I_A, I_B auch eine Annäherung an diese Kanten umfassen, die als C1' bzw. C2' bezeichnet werden und die bezüglich C1 beziehungsweise C2 aufgrund von den in dem vorausgehenden Abschnitt vom Hintergrund diskutierten Kanteneffekten verschoben oder verzerrt erscheinen können.
Im nächsten Schritt werden die Schnittkoordinaten zwischen jedem im Bild I_A' betrachteten Streifen und dem Profil C1 bestimmt. Beispielsweise befinden sich für den Streifen S_A im Bild I_A' die Schnittpunkte bei (x_A, y_A). Entsprechend findet man die Schnittpunkte zwischen dem Profil C2 und den Streifen S_B im Bild I_B' bei (x_B, y_B).
Im nächsten Schritt kann ein geeignetes Verfahren verwendet werden, um wenigstens den Teil der Streifen S_A zu kennzeichnen, welcher die entsprechenden Schnitte (x_B, y_B) im Bild I_A' mit den entsprechenden Abschnitten der Streifen S_B im Bild I_B' umfasst, so dass die richtige Identifizierung der Schnittpunkte in den Bildern durchgeführt werden kann. Dies ist notwendig, um das Problem der Mehrdeutigkeit zu überwinden, das insbesondere dann auftreten kann, wenn das Objekt selbst komplex ist und steile Kanten oder steile Oberflächen enthält, wie dies bei hergestellten Gegenständen oft der Fall ist.
Beispielsweise kann das in WO 2005/010825 A2 der vorliegenden Anmelderin, auf deren gesamten Inhalt hiermit Bezug genommen wird, beschriebene Verfahren für eine derartige Kennzeichnung verwendet werden. Das beschriebene Verfahren ermöglicht einen eindeutigen Abgleich jedes reflektierten Punktes auf einem Objekt mit einem Beleuchtungsmuster mittels eines zweistufigen Vorgehens, wobei ein derartiger Abgleich auf einem Sub-Pixel-Niveau möglich ist. In einer ersten Stufe, die im allgemeinen aber nicht notwendigerweise durchgeführt wird, bevor man den Satz Streifenbilder gemäß 8a und 8b erhält, wird ein erster Satz von Bildern des Objektes erzeugt und ein räumliches Codierungsverfahren wird verwendet, um übereinstimmende Koordinaten aus dem ersten Bild und dem zweiten Bild (des ersten Satzes) eines Objektes miteinander abzugleichen. Zur Bestimmung dieser Übereinstimmung werden üblicherweise Nachbarschafts-Codierungsverfahren verwendet. Gegebenenfalls kann ein Zufallsgitter oder eine andere strukturierte Beleuchtung zum Ausleuchten des Objektes verwendet werden und die Bilder werden unter unterschiedlichen Objektwinkeln aufgenommen. Alternativ können Oberflächenmerkmale des Objektes ausreichend sein, damit der oben erwähnte Abgleich der Bilder unter Verwendung von unstrukturierter Beleuchtung stattfinden kann. In der zweiten Stufe wird eine zweite strukturierte Beleuchtung, die üblicherweise ein Streifengitter umfasst, beispielsweise das in der Ausführungsform der 6 verwendete Streifenmuster, verwendet, um einen zweiten Satz von Bildern zu erhalten, die typischerweise zwei weitere Bilder des Objektes, wie sie in den 8a und 8b dargestellt sind, umfassen und der in der ersten Stufe vorgesehene Abgleich liefert die richtige Kennzeichnung des Gitters zwischen den beiden Bildern des ersten Satzes. Der erste Satz der Bilder umfasst üblicherweise zwei Bilder, die unter unterschiedlichen Objektwinkeln aufgenommen wurden.
Folglich erhält man einen Abgleich wenigstens der Elemente, die den Schnittpunkten zwischen den beiden Bildern I_A' und I_B' entsprechen gemäß der folgenden Verfahrensschritte:

(a) Gewinnen wenigstens eines ersten Satzes von Bildern (nicht dargestellt) des Objektes mit einem ersten strukturierten Muster auf dessen Oberfläche und Bestimmen der Übereinstimmung von Bildpunkten zwischen Bildern des ersten Satzes der Bilder;
(b) Gewinnen eines zweiten Satzes von Bildern I_A' und I_B' des Objektes, auf dem sich ein zweites strukturiertes Muster befindet, und Kennzeichen des zweiten strukturierten Musters S_A, S_B zwischen Bildern des zweiten Satzes von Bildern auf der Basis der im Schritt (a) bestimmten Übereinstimmungen;
(c) Abgleichen von Elementen, die den Schnittpunkten (x_A, y_A) eines Bildes I_A' mit Elementen, die den Schnittpunkten (x_B, y_B) des anderen Bildes I_B' des zweiten Satzes von Bildern entsprechen, auf der Basis der im Schritt (b) durchgeführten Kennzeichnung.

Sobald das Element eines Streifens im Bild I_B', das den Schnittpunkt (x_B, y_B) in Übereinstimmung mit dem Schnittpunkt eines Elementes (x_A, y_A) im Bild I_A' aufweist, gefunden wurde, kann ein beliebiges Verfahren durchgeführt werden, um die dreidimensionalen Koordinaten des entsprechenden Schnittpunktes zu bestimmen, beispielsweise auf der Basis eines Triangulations- oder Epipolarverfahrens oder eines anderen geeigneten Verfahrens, beispielsweise des in der obengenannten WO 2005/010825 A2 beschriebenen Verfahrens.
Auf diese Weise können die dreidimensionalen Raumkoordinaten und somit das vollständige dreidimensionale Profil der Kante C bestimmt werden.
In einem ersten Schritt müssen die Bilderfassungsvorrichtungen 220A, 220B kalibriert werden, wie dies beispielsweise in dem amerikanischen Patent US 6,125,197 beschrieben ist oder in „Image-variant Intertor Orientation and Sensor Modelling of High-Quality Digital Cameras” bei H. Hastedt et al. ISPRS Symposium Comm. V, Korfu, 2002, wobei auf den Inhalt beider Artikel hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Darüber hinaus können ähnliche, im Stand der Technik bekannte Verfahren, insbesondere das in der obengenannten WO 2005/010825 A2 beschriebene Verfahren, zur Gewinnung von dreidimensionalen Koordinaten der von der zu rekonstruierenden Kante C entfernten Oberfläche des Objektes verwendet werden.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung liefert im allgemeinen genauere Ergebnisse, wenn die zu untersuchende Kante aus allen Knickachsen aller Bilderfassungsvorrichtungen vollständig sichtbar ist.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden die beiden Bilder jedes Satzes von Bildern im wesentlichen gleichzeitig aufgenommen, entweder indem man zwei Kameras verwendet oder unter Verwendung beliebiger anderer geeigneter Bilderfassungsvorrichtungen 220A, 220B. Gemäß anderer Abwandlungen dieser Ausführungsform kann eine einzelne Kamera oder eine andere geeignete Bilderfassungsvorrichtung verwendet und bezüglich des Objektes zwischen zwei Positionen bewegt werden, wobei die Positionen beispielsweise diejenigen sein können, an denen sich in 6 die Vorrichtungen 220A, 220B befinden. Bei derartigen Abwandlungen wird die genaue Position der einzelnen Bilderfassungsvorrichtungen für jeden Satz der aufgenommenen Bilder vorzugsweise präzise reproduziert. Alternativ stehen einige Verfahren zur Verfügung, beispielsweise das in der Photogrammetrie verwendete Bündelanpassungsverfahren, bei denen der dreidimensionale Bezugs- oder Datenpunkte und die Kamerapositionen und deren Platzierungen aus den aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommenen Bildern errechnet werden. Wenn es ausreichend viele Bezugspunkte auf dem Objekt gibt, die in den Bildern detektiert werden können, kann es gegebenenfalls nicht nötig sein, die exakte Position der Kamera zu reproduzieren, sondern die Position der Kamera kann aus den Bilddaten berechnet werden. Folglich können die bei verschiedenen Kamerapositionen aufgenommenen unterschiedlichen Bilder angepasst werden, um die unterschiedlichen Positionen zu kompensieren.
In anderen Ausführungsformen werden mehr als zwei Kameras verwendet, von denen jede, mutatis mutandis, ein Bild des Objektes in der oben beschriebenen Weise erzeugt.
In den folgenden Verfahrensansprüchen werden Buchstaben und römische Ziffern zur Bezeichnung verschiedener Schritte nur der Einfachheit halber verwendet und sollen keine spezielle Reihenfolge bei der Durchführung dieser Schritte festlegen.
Schließlich sei angemerkt, dass das Wort „umfassen”, wie es in den folgenden Ansprüchen verwendet wird, die Bedeutung von „einschließlich, aber nicht darauf beschränkt” haben soll.
Obwohl hier beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, versteht es sich, dass zahlreiche Abwandlungen möglich sind, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Kantendaten für Prozeduren zur Vermessung eines Objektes (10), umfassend: (a) Gewinnen wenigstens eines Bildes einer gewünschten Kante (12; 13; C) auf einer Oberfläche eines Objektes (10), das einen Kontrast mit einem Hintergrundmedium (150) bildet, wobei die Oberfläche und das Medium (150) frontbeleuchtet sind und wobei das Medium (150) einen Reflektionsgrad (R_M) aufweist, der größer als der Reflektionsgrad (R_O) der Oberfläche zumindest in der Nähe der Kante (12; 13; C) ist, zumindest unter Betrachtung unter einer Bildbetrachtungsachse (OA), die dem wenigstens einen Bild zugeordnet ist; und (b) Analysieren des Bildes, um daraus Kantendaten aus einer Grenzfläche (C) zwischen aneinandergrenzenden Bereichen (A, B) mit unterschiedlichen optischen Kontrasten zu erhalten, die entweder der Oberfläche oder dem Medium (150) entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt umfasst, bei welchem das dreidimensionale Profil der Kante (12; 13; C) bestimmt wird, wobei Schritt (a) umfasst: Gewinnen eines ersten Satzes von Bildern, der wenigstens zwei erste Bilder der Kante (12; 13; C) aus unterschiedlichen Blickachsen (OA) umfasst, und das Verfahren außerdem den Schritt umfasst, bei dem entsprechende Punkte der Kante (12; 13; C) aus den wenigstens zwei ersten Bildern abgeglichen werden, so dass man eine Reihe von abgeglichenen Punkten erhält, und den Schritt, wonach man das dreidimensionale Profil der Kante (12; 13; C) aus der Reihe von abgeglichenen Punkten bestimmt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Schritt (a) umfasst: Ausrichten der Oberfläche und der Kante (12; 13; C) bezüglich der Blickachse (OA) der wenigstens einen Bilderfassungsvorrichtung (120), so dass die Oberfläche und Kante (12; 13; C) sich zwischen der wenigstens einen Bilderfassungsvorrichtung (120) und dem Hintergrundmedium (150) befinden; Frontbeleuchtung wenigstens eines Abschnitts der Oberfläche, der die Kante (12; 13; C) enthält, und wenigstens eines Abschnitts (152) des Mediums (150) in der Nähe der Kante (12; 13; C); Erfassen wenigstens eines Bildes des wenigstens einen Abschnitts der Oberfläche, der die Kante (12; 13; C) enthält, und das den Abschnitt (152) des Mediums (150) aus der Blickrichtung der Bildblickachse (OA) der wenigstens einen Bilderfassungsvorrichtung (120) enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in Schritt (a) das wenigstens eine Bild wenigstens einen ersten Bildbereich (B), der den ersten Abschnitt der Oberfläche, der wenigstens eine Ecke (14A, 14B) umfasst, und wenigstens einen zweiten Bildbereich (A), der dem Abschnitt des Mediums (150) in der Nähe der wenigstens einen Ecke (14A, 14B) entspricht, umfasst, wobei die Grenzfläche (C) zwischen dem oder jedem ersten Bildbereich (A) und dem oder jedem zweiten Bildbereich (B) wenigstens einer Kante (12; 13) entspricht; und Schritt (b) umfasst Bestimmen der der Grenzfläche (C) entsprechenden Koordinaten in dem Bild.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Medium (150) einen Gewinn (G_M/G_O) von mehr als 1 aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Medium (150) eine rückreflektierende Schicht umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Medium (150) einen Gewinn (G_M/G_O) von mehr als 2 aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schritt des Abgleichens entsprechender Punkte der Bilder umfasst: Beleuchten der Oberfläche mit einem strukturierten Muster und Gewinnen eines Satzes von zweiten Bildern des so beleuchteten Objektes (10) aus unterschiedlichen Blickachsen (OA), der dem Satz erster Bilder entspricht; für jedes der zweiten Bilder, Überlagern eines entsprechenden ersten Bildes zumindest in einem virtuellen Sinne und Auffinden von Schnittpunkten zwischen den darin befindlichen Mustern und der Grenzfläche des entsprechenden ersten Bildes, so dass eine Reihe von Schnittpunkten des zweiten Bildes geliefert wird; Abgleichen von Elementen, die den Schnittpunkten eines zweiten Bildes mit den Schnittpunkten eines anderen zweiten Bildes entsprechen; Bestimmen der dreidimensionalen Koordinaten der abgeglichenen Elemente.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die dreidimensionalen Koordinaten bestimmt werden, indem man ein geeignetes Triangulations- oder Epipolarverfahren auf die abgeglichenen Elemente anwendet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Objekt (10) eine mechanische Komponente ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Objekt (10) eine Fahrzeugkomponente ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kante eine Außenkante (12) des Objektes (10) ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kante eine Innenkante (13) des Objektes (10) ist.
System zur Bereitstellung von Kantendaten für Verfahren zur optischen Vermessung von Oberflächen eines Objektes (10) mit wenigstens einer Kante (12; 13; C), umfassen: wenigstens eine Bilderfassungsvorrichtung (120) zur Aufnahme wenigstens eines Bildes der wenigstens einen Kante (12; 13; C) aus einer Blickachse (OA); ein Hintergrundmedium (150), wobei das Medium (150) einen Reflektionsgrad (R_M) aufweist, der größer als ein Reflektionsgrad (R_O) der Oberfläche des Objektes (10) zumindest in der Nähe der Kante (12; 13; C) ist, wenn diese aus der Blickachse (OA) betrachtet wird; wobei die wenigstens eine Bilderfassungsvorrichtung (120) so bezüglich des Mediums (150) angeordnet ist, dass sich die Oberfläche (10) und Kanten (12; 13; C) zwischen der wenigstens einen Bilderfassungsvorrichtung (120) und dem Medium (150) befinden; Beleuchtungsmittel (110) zur Frontbeleuchtung wenigstens eines Teils der Oberfläche mit der Kante (12; 13; C) und wenigstens eines Teils des Mediums (150) in der Nähe der Kante (12; 13; C); Mikroprozessormittel (160) zur Analyse der mit der wenigstens einen Bilderfassungsvorrichtung (120) aufgenommenen Bilder, um Kantendaten aus einer Grenzfläche (C) zwischen benachbarten Bereichen mit unterschiedlichen optischen Kontrasten darin zu erhalten, die entweder zur Oberfläche (10) oder zum Medium (150) gehören, dadurch gekennzeichnet das das System zur Bestimmung des dreidimensionalen Profils der Kante zwei oder mehr Bilderfassungsvorrichtungen (120) umfasst, wobei jede Bilderfassungsvorrichtung (120) auf einer unterschiedlichen relativen Blickachse (OA) bezüglich des Objektes (10) angeordnet ist.
System gemäß Anspruch 13, das zwei oder mehr optische Reflektionsmedien (150) umfasst, wobei jedes Medium (150) so angeordnet ist, dass das Objekt (10) zwischen dem Medium (150) und der wenigstens einen Bilderfassungsvorrichtung (120) ausgerichtet ist.
System gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei das Medium (150) eine rückreflektierende Schicht umfasst.
System gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Medium (150) einen Gewinn (G_M/G_O) von mehr als 1 aufweist.
System gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das Medium (150) einen Gewinn (G_M/G_O) von 2 oder mehr als 2 aufweist.