-
Hintergrund der Erfindung
-
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft einen dreidimensionalen Scanner und insbesondere einen dreidimensionalen Scanner mit einem kodierten strukturierten Lichtmuster.
-
Dreidimensionale(3D-)Scanner werden bei mehreren Anwendungen zur Erzeugung von dreidimensionalen Computerbildern eines Objekts oder zur Verfolgung der Bewegung eines Objekts oder einer Person eingesetzt. Ein Scannertyp projiziert ein strukturiertes Lichtmuster auf eine Oberfläche. Dieser Scannertyp umfasst einen Projektor und eine Kamera, die in einer bekannten geometrischen Beziehung zueinander angeordnet sind. Das Licht des strukturierten Lichtmusters wird von der Oberfläche reflektiert und von der Digitalkamera aufgenommen. Da das Muster strukturiert ist, kann der Scanner Triangulationsverfahren nutzen, um die Entsprechung zwischen dem projizierten Bild und dem aufgenommenen Bild zu ermitteln und die dreidimensionalen Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche zu ermitteln. Sobald die Koordinaten der Punkte berechnet wurden, kann eine Darstellung der Oberfläche erzeugt werden.
-
Für die Erzeugung von 3D-Bildern wurden mehrere strukturierte Lichtmuster vorgeschlagen. Viele dieser Muster wurden aus einer Folge von Mustern erzeugt, die für die Verwendung mit Scannern geeignet waren, die an einer festen Position gehalten wurden. Zu den Beispielen für diese Muster gehören binäre Muster und Gray-Kodierung, Phasenverschiebung und Photometrie. Bei noch weiteren Mustern wurden einzelne Fotomaskenmuster verwendet, die indiziert waren, also beispielsweise mit Streifenindizierung und Gitterindizierung. Wegen der Bewegung des Scanners relativ zu dem einzuscannenden Objekt konnten mit der Entwicklung tragbarer bzw. in der Hand gehaltener Scanner viele dieser Muster jedoch nicht das gewünschte Niveau der Auflösung oder Genauigkeit bereitstellen.
-
Obwohl existierende dreidimensionale Scanner für ihre beabsichtigten Zwecke geeignet sind, besteht nach wie vor Verbesserungsbedarf, und zwar besonders bei der Bereitstellung eines dreidimensionalen Scanners mit einem strukturierten Lichtmuster, das eine verbesserte Leistung bei der Ermittlung dreidimensionaler Koordinaten von Punkten auf einer Oberfläche zur Verfügung stellt.
-
Kurze Beschreibung der Erfindung
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein dreidimensionaler Scanner vorgesehen. Der Scanner umfasst einen Projektor, der dafür konfiguriert ist, ein Lichtmuster auf eine Oberfläche zu emittieren. Das Lichtmuster umfasst einen ersten Bereich mit einem ersten Paar von einander gegenüberliegenden sägezahnförmigen Kanten, wobei der erste Bereich eine erste Phase aufweist. In dem Lichtmuster ist ein zweiter Bereich mit einem zweiten Paar von einander gegenüberliegenden sägezahnförmigen Kanten vorgesehen, wobei der zweite Bereich eine zweite Phase aufweist, wobei der zweite Bereich um eine erste Phasendifferenz gegenüber dem ersten Bereich verschoben ist. In dem Lichtmuster ist ein dritter Bereich mit einem dritten Paar von einander gegenüberliegenden sägezahnförmigen Kanten vorgesehen, wobei der dritte Bereich eine dritte Phase aufweist, wobei der dritte Bereich um eine zweite Phasendifferenz gegenüber dem zweiten Bereich verschoben ist. Eine Kamera ist an den Projektor gekoppelt und dafür konfiguriert, Licht des von der Oberfläche reflektierten Lichtmusters zu empfangen. Ein Prozessor ist elektrisch an die Kamera gekoppelt, um dreidimensionale Koordinaten von mindestens einem Punkt auf der Oberfläche aus dem reflektierten Licht des ersten Bereichs, des zweiten Bereichs und des dritten Bereichs zu ermitteln.
-
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein dreidimensionaler Scanner vorgesehen. Der Scanner umfasst ein Gehäuse und einen Projektor. Der Projektor ist in dem Gehäuse angeordnet und dafür konfiguriert, ein Lichtmuster mit einer ersten Vielzahl von Bereichen zu emittieren. Jeder von der ersten Vielzahl von Bereichen weist ein erstes Paar von Kanten mit Sägezahnform auf, wobei die erste Vielzahl von Bereichen eine vorgegebene Zahl gleichmäßig beabstandeter Phasen umfasst, wobei die gleichmäßig beabstandeten Phasen in einer ersten Richtung entlang der Länge der ersten Vielzahl von Bereichen voneinander verschoben sind. Eine Digitalkamera ist in dem Gehäuse angeordnet und dafür konfiguriert, Licht des von einer Oberfläche reflektierten Lichtmusters zu empfangen. Ein Prozessor ist für die Kommunikation an die Digitalkamera gekoppelt, wobei der Prozessor auf ausführbare Computeranweisungen anspricht, wenn sie auf dem Prozessor ausgeführt werden, um die dreidimensionalen Koordinaten von mindestens einem Punkt auf der Oberfläche als Reaktion auf den Empfang von Licht des Lichtmusters zu ermitteln.
-
Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung dreidimensionaler Koordinaten eines Punkts auf der Oberfläche vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Emittieren eines Lichtmusters aus einem Projektor, wobei das Lichtmuster eine erste Vielzahl von Bereichen umfasst, die jeweils ein Paar von Kanten mit einer Sägezahnform aufweisen, wobei die benachbarten Bereiche in der ersten Vielzahl von Bereichen eine verschiedene Phase aufweisen, wobei der Projektor eine Quellebene aufweist. Licht des von der Oberfläche reflektierten Lichtmusters wird mit einer Digitalkamera empfangen, wobei die Digitalkamera eine Bildebene aufweist, wobei die Digitalkamera und der Projektor durch einen Basislinienabstand beabstandet sind. Ein Bild des Lichtmusters wird auf der Bildebene aufgenommen. Mindestens ein Mittelpunkt auf dem Bild wird für mindestens einen der ersten Vielzahl von Bereichen ermittelt. Eine Bildepipolarlinie wird durch den mindestens einen Mittelpunkt auf der Bildebene definiert. Mindestens ein Bildpunkt wird auf der Quellebene ermittelt, der dem mindestens einen Mittelpunkt entspricht. Eine Quellepipolarlinie wird durch diesen mindestens einen Bildpunkt auf der Quellebene definiert. Die dreidimensionalen Koordinaten werden für mindestens einen Punkt auf einer Oberfläche basierend zumindest teilweise auf dem mindestens einen Mittelpunkt, dem mindestens einen Bildpunkt und dem Basislinienabstand ermittelt.
-
Diese und andere Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die in Verbindung mit den Zeichnungen gegeben wird.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird in den Ansprüchen am Ende der Patentbeschreibung besonders hervorgehoben und eindeutig beansprucht. Die vorangehenden und anderen Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
-
1: eine perspektivische Darstellung eines 3D-Scanners gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
-
2: eine schematische Darstellung des 3D-Scanners von 1;
-
3 und 4: schematische Darstellungen, die den Betrieb der Vorrichtung von 1 veranschaulichen;
-
5 und 5A: eine vergrößerte Darstellung eines strukturierten Lichtmusters gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
-
6: ein strukturiertes Lichtmuster mit einer trapezförmigen Kontur gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung; und
-
7: ein strukturiertes Lichtmuster mit einer quadratförmigen Kontur gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
-
Die ausführliche Beschreibung erläutert Ausgestaltungen der Erfindung zusammen mit den Vorteilen und Merkmalen beispielhaft anhand der Zeichnungen.
-
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
Dreidimensionale Scanner (3D-Scanner) werden bei verschiedenen Anwendungen eingesetzt, um Koordinaten von Oberflächenpunkten und ein Computerbild eines Objekts zu ermitteln. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung stellen Vorteile bei der Verbesserung der Auflösung und Genauigkeit der Messungen zur Verfügung. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung stellen dahingehend noch weitere Vorteile bereit, dass sie die kontaktlose Messung eines Objekts vorsehen. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung stellen Vorteile bei der Reduzierung der Berechnungszeit für die Ermittlung von Koordinatenwerten für Oberflächenpunkte zur Verfügung. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung stellen dahingehend Vorteile bereit, dass sie das Maß der zulässigen Unschärfe erhöhen und ein vergrößertes Sichtfeld zur Verfügung stellen. Noch weitere Ausgestaltungen der Erfindung stellen dahingehend Vorteile bereit, dass sie die Linienzahl in dem zur Identifizierung eines Oberflächenpunkts verwendeten Muster reduzieren.
-
Der hierin verwendete Begriff „strukturiertes Licht“ bezieht sich auf ein zweidimensionales Lichtmuster, das auf einen durchgehenden Bereich eines Objekts projiziert wird und eine Information übermittelt, die für die Ermittlung von Koordinaten von Punkten auf dem Objekt benutzt werden kann. Ein strukturiertes Lichtmuster enthält mindestens drei nicht kollineare Musterelemente, die in dem durchgehenden und umschlossenen Bereich angeordnet sind. Jedes der drei nicht kollinearen Musterelemente übermittelt Informationen, die zur Ermittlung der Punktkoordinaten verwendet werden können.
-
Im Allgemeinen gibt es zwei Arten strukturierten Lichts, nämlich ein kodiertes Lichtmuster und ein unkodiertes Lichtmuster. Ein kodiertes Lichtmuster in der hierin verwendeten Bedeutung ist ein Muster, bei dem die dreidimensionalen Koordinaten einer beleuchteten Oberfläche des Objekts durch die Aufnahme eines einzigen Bilds festgestellt werden können. In einigen Fällen kann sich die Projektionsvorrichtung relativ zu dem Objekt bewegen. Mit anderen Worten: bei einem kodierten Lichtmuster gibt es keine signifikante zeitliche Beziehung zwischen dem projizierten Muster und dem aufgenommenen Bild. Normalerweise enthält ein kodiertes Lichtmuster einen Satz von Elementen, die derart angeordnet sind, dass mindestens drei der Elemente nicht kollinear sind. Der Satz von Elementen kann in einigen Fällen zu Sammlungen von Linien oder Musterbereichen angeordnet werden. Dadurch, dass mindestens drei der Elemente nicht kollinear sind, wird gewährleistet, dass das Muster nicht ein einfaches Linienmuster ist, wie es beispielsweise durch einen Laserlinienscanner projiziert würde. Infolgedessen sind die Musterelemente wegen der Anordnung der Elemente erkennbar.
-
Im Gegensatz dazu ist ein unkodiertes strukturiertes Lichtmuster in der hierin verwendeten Bedeutung ein Muster, das normalerweise keine Messung mittels eines einzigen Musters zulässt, wenn sich der Projektor relativ zu dem Objekt bewegt. Ein Beispiel für ein unkodiertes Lichtmuster ist eines, das eine Folge aufeinanderfolgender Muster und demzufolge die Aufnahme einer Folge aufeinanderfolgender Bilder benötigt. Wegen der zeitlichen Besonderheit des Projektionsmusters und der Aufnahme des Bilds sollte keine relative Bewegung zwischen dem Projektor und dem Objekt stattfinden.
-
Es versteht sich, dass strukturiertes Licht von dem Licht verschieden ist, das von einer Laserliniensonde oder einer Laserlinienscanner-artigen Vorrichtung projiziert wird, die eine Lichtlinie erzeugt. Insofern als mit Gelenkarmen benutzte Laserliniensonden gegenwärtig Ungleichmäßigkeiten oder andere Aspekte aufweisen, die man als Merkmale in den erzeugten Linien ansehen kann, sind diese Merkmale in einer kollinearen Anordnung angeordnet. Demnach werden solche Merkmale in einer einzigen erzeugten Linie nicht so angesehen, dass sie das projizierte Licht zu einem strukturierten Licht machen.
-
In 1 und 2 ist ein 3D-Scanner 20 dargestellt, der derart bemessen und geformt ist, dass er tragbar ist, und derart konfiguriert ist, dass er von einem einzigen Bediener benutzt werden kann. Der Scanner 20 umfasst ein Gehäuse 22 mit einem Griffabschnitt 24, der derart bemessen und geformt ist, dass der Bediener ihn ergreifen kann. Einer oder mehrere Knöpfe 26 sind auf einer Seite des Griffs 24 angeordnet, damit der Bediener den Scanner 20 aktivieren kann. Auf einer Vorderseite 28 sind ein Projektor 30 und eine Kamera 32 angeordnet. Der Scanner 20 kann auch eine optionale Anzeige 34 umfassen, die derart positioniert ist, dass sie dem Bediener die Ansicht eines Bilds der eingescannten Daten ermöglicht, während es aufgenommen wird.
-
Der Projektor 30 umfasst eine Lichtquelle 36, die einen Mustererzeuger 38 beleuchtet. Bei einer Ausgestaltung ist die Lichtquelle sichtbar. Die Lichtquelle 36 kann ein Laser, eine Superluminiszenzdiode, eine Glühlampe, eine Leuchtdiode (LED; light emitting diode), eine Xenonleuchte oder eine andere geeignete Leuchtvorrichtung sein. Das Licht der Lichtquelle wird durch einen Mustererzeuger 38 gerichtet, um das Lichtmuster zu erzeugen, das auf die zu messende Oberfläche projiziert wird. Bei der beispielhaften Ausgestaltung ist der Mustererzeuger 38 eine Chrommaske mit einem auf ihr aufgeätzten strukturierten Lichtmuster. Bei anderen Ausgestaltungen kann das Quellmuster ein Licht sein, das von einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD; digital micromirror device) wie beispielsweise einem von der Firma Texas Instruments Corporation hergestellten digitalen Lichtprojektor (DLP), einer Flüssigkristallanzeige (LCD; liquid crystal display) oder einer Flüssigkristall-auf-Silizium-Vorrichtung (LCOS; liquid crystal on silicon) reflektiert oder durchgelassen wird. Jedwede dieser Vorrichtungen kann entweder in einem Durchlassmodus oder einem Reflexionsmodus verwendet werden. Der Projektor 30 kann ferner ein Linsensystem 40 umfassen, das das ausgehende Licht derart verändert, dass es das gewünschte Muster auf der zu messenden Oberfläche reproduziert.
-
Die Kamera 32 umfasst einen photosensitiven Sensor 42, der ein elektrisches Signal von digitalen Daten erzeugt, die das durch den Sensor erfasste Bild repräsentieren. Der Sensor kann ein Sensor vom Typ ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD; charge-coupled device) oder ein Sensor vom Typ komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS; complementary metal-oxide semiconductor) sein, der beispielsweise eine Pixelanordnung aufweist. Die Kamera kann bei anderen Ausgestaltungen beispielsweise einen Lichtfeldsensor, ein System mit hohem Dynamikumfang oder einen Quantenpunktbildsensor aufweisen. Die Kamera 32 kann ferner andere Komponenten wie beispielsweise eine Linse 44 und andere optische Vorrichtungen umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Wie nachfolgend ausführlicher besprochen wird, ist in den meisten Fällen mindestens eines von dem Projektor 30 und der Kamera 32 derart in einem Winkel angeordnet, dass die Kamera und der Projektor im Wesentlichen das gleiche Sichtfeld haben.
-
Der Projektor 30 und die Kamera 32 sind elektrisch an eine Steuervorrichtung 46 gekoppelt, die in dem Gehäuse 22 angeordnet ist. Die Steuervorrichtung 46 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren 48, digitale Signalprozessoren, einen nichtflüchtigen Speicher 50, ein flüchtiges Element 52, Kommunikationsschaltungen 54 und Signalkonditionierschaltungen umfassen. Bei einer Ausgestaltung wird die Bildverarbeitung zur Ermittlung der x-, y-, z-Koordinaten der ein Objekt verkörpernden Punktwolke von der Steuervorrichtung 46 durchgeführt. Bei einer anderen Ausgestaltung werden Bilder zu einem Ferncomputer 56 oder einem tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgerät 58 („Gelenkarm-KMG“) übertragen und wird die Berechnung der Koordinaten von der Fernvorrichtung durchgeführt.
-
Die Steuervorrichtung 46 ist bei einer Ausgestaltung derart konfiguriert, dass sie entweder über ein drahtgebundenes oder über ein drahtloses Kommunikationsmedium mit einer externen Vorrichtung wie beispielsweise dem Gelenkarm-KMG 58 oder dem Ferncomputer 56 kommuniziert. Die von dem Scanner 20 erfassten Daten können auch in einem Speicher gespeichert und entweder periodisch oder aperiodisch übertragen werden. Die Übertragung kann automatisch oder als Reaktion auf eine manuelle Betätigung durch den Bediener erfolgen (z. B. durch Übertragung über einen Speicherstick).
-
Es versteht sich, dass, obwohl sich Ausgestaltungen hierin auf den Scanner 20 als in der Hand gehaltene Vorrichtung beziehen, dies nur als Beispiel dient und die beanspruchte Erfindung so nicht eingeschränkt sein sollte. Der Scanner 20 kann bei anderen Ausgestaltungen an einer Haltevorrichtung wie beispielsweise einem Stativ oder einem Roboter angebracht werden. Der Scanner 20 kann bei anderen Ausgestaltungen ortsfest sein und das zu messende Objekt kann sich relativ zu dem Scanner bewegen wie beispielsweise bei einem Verfahren der Fertigungsprüfung oder mit einem Gamecontroller.
-
Nun Bezug nehmend auf 3 und 4, wird der Betrieb des Scanners 20 beschrieben. Der Scanner 20 emittiert zuerst ein strukturiertes Lichtmuster 59 mit dem Projektor 30, der eine Projektorebene 31 aufweist, die das Muster durch die Linse 40 auf eine Oberfläche 62 des Objekts 64 projiziert. Das strukturierte Lichtmuster 59 kann das in den 5–7 dargestellte Muster 59 umfassen. Das Licht 68 des Projektors 30 wird von der Oberfläche 62 reflektiert und das reflektierte Licht 70 wird von einer photosensitiven Anordnung 33 in der Kamera 32 empfangen. Es versteht sich, dass Abweichungen bei der Oberfläche 62 wie beispielsweise ein Vorsprung 72 Verzerrungen in dem strukturierten Lichtmuster erzeugen, wenn das Bild des Musters von der Kamera 32 aufgenommen wird. Da das Muster durch strukturiertes Licht gebildet wird, sind die Steuervorrichtung 46 oder die Fernvorrichtungen 56, 58 in einigen Fällen in der Lage, eine 1:1-Entsprechung zwischen den Pixeln in dem emittierten Muster, z. B. einem Pixel 86, und den Pixeln in dem bildlich erfassten Muster, z. B. einem Pixel 88, zu ermitteln. Diese Entsprechung bietet die Möglichkeit, Prinzipien der Triangulation einzusetzen, um die Koordinaten jedes Pixels in dem bildlich erfassten Muster zu ermitteln. Die Sammlung dreidimensionaler Koordinaten von Punkten der Oberfläche 62 wird manchmal als „Punktwolke“ bezeichnet. Durch Bewegen des Scanners 20 über die Oberfläche 62 (oder Bewegen der Oberfläche 62 an dem Scanner 20 vorbei) kann eine Punktwolke des gesamten Objekts 64 erzeugt werden.
-
Für die Ermittlung der Koordinaten des Pixels ist bekannt, dass der Winkel jedes projizierten Lichtstrahls 68, der das Objekt 64 in einem Punkt 76 schneidet, einem Projektionswinkel Phi (Φ) entspricht, so dass die Φ-Information in das emittierte Muster hineinkodiert wird. Bei einer Ausgestaltung ist das System derart konfiguriert, dass es die Feststellung des Φ-Werts, der jedem Pixel in dem bildlich erfassten Muster entspricht, ermöglicht. Ferner sind ein Winkel Omega (Ω) für jedes Pixel in der Kamera sowie auch der Basislinienabstand „D“ zwischen dem Projektor 30 und der Kamera 32 bekannt. Da die zwei Winkel Ω, Φ und der Basislinienabstand D ziwschen dem Projektor 30 und der Kamera 32 bekannt sind, kann man den Abstand Z zu dem Werkstückpunkt 76 ermitteln. Dies ermöglicht die Ermittlung der dreidimensionalen Koordinaten des Oberflächenpunkts 72. Die Oberflächenpunkte über die gesamte Oberfläche 62 (oder einen beliebigen Abschnitt davon) können in ähnlicher Weise ermittelt werden.
-
Das strukturierte Lichtmuster 59 ist bei der beispielhaften Ausgestaltung ein in den 5–7 dargestelltes Muster, das ein Wiederholungsmuster aufweist, das durch Sägezahnbereiche mit einem Paar von einander gegenüberliegenden sägezahnförmigen Kanten ausgebildet ist. Wie nachstehend erläutert wird, können die Phasen durchgehender Sägezahnbereiche verglichen werden, um einen Code für jede Sammlung durchgehender Muster zu erhalten. Ein solches kodiertes Muster bietet die Möglichkeit, das Bild mittels eines einzigen aufgenommenen Bilds zu analysieren.
-
Epipolarlinien sind mathematische Linien, die durch die Schnittlinie von Epipolarebenen und der Quellebene 78 oder der Bildebene 80 (der Ebene des Kamerasensors) gebildet werden. Eine Epipolarebene kann eine beliebige Ebene sein, die durch das perspektivische Zentrum 82 des Projektors und das perspektivische Zentrum 84 der Kamera verläuft. Die Epipolarlinien auf der Quellebene 78 und der Bildebene 80 können in einigen Fällen parallel sein, sind im Allgemeinen aber nicht parallel. Ein Aspekt von Epipolarlinien besteht darin, dass eine bestimmte Epipolarlinie auf der Projektorebene 78 eine entsprechende Epipolarlinie auf der Bildebene 80 hat.
-
Die Kamera 32 ist bei einer Ausgestaltung derart angeordnet, dass ihre optische Achse senkrecht zu einer Basislinienabmessung verläuft, die die perspektivischen Zentren der Kamera und des Projektors verbindet. Eine solche Anordnung ist in 1 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung sind alle Epipolarlinien auf der Kamerabildebene zueinander parallel und kann der Kamerasensor derart angeordnet werden, dass die Pixelspalten mit den Epipolarlinien zusammentreffen. Eine solche Anordnung kann von Vorteil sein, weil sie die Ermittlung der Phasen durchgehender Sägezahnbereiche vereinfacht, wie nachstehend erläutert wird.
-
Ein Beispiel für eine Epipolarlinie 551, die mit einer Pixelspalte des Bildsensors zusammentrifft, ist in 5 dargestellt. Ein Abschnitt 552 des Sägezahnmusters ist für die nähere Überprüfung in 5A vergrößert. Es sind drei der Sägezahnbereiche – 94B, 94C und 94D – dargestellt. Die Epipolarlinie 551 von 5 schneidet die drei Sägezahnbereiche in drei Sägezahnsegmenten 560, 562 und 564. Die erfassten Daten werden nach einer Messung ausgewertet, um die Breite jedes Sägezahnsegments zu ermitteln. Dieses Verfahren wird für die Sägezahnsegmente in jeder der Spalten wiederholt. Die Periode eines bestimmten Sägezahnbereichs in x-Richtung wird ermittelt, indem man die Zahl der Pixel zwischen Stellen notiert, an welchen sich die Steigung der Sägezahnsegmentbreite von negativ zu positiv ändert. Drei Mittelpunkte von Sägezahnperioden sind in 5A als 554, 556 und 558 gekennzeichnet. Diese Mittelpunkte können ermittelt werden, indem man die Mitte zwischen dem Anfangs- und Endpunkt jeder Periode nimmt. Alternativ dazu können die Mittelpunkte ermittelt werden, indem man einen Flächenschwerpunkt jeder Sägezahnperiode nimmt, wie nachstehend weiter besprochen wird.
-
Die Differenz bei den x-Positionen der Mittelpunkte 554 und 556 ergibt in dem Beispiel von 5A 5/11 einer Periode. Die Differenz bei den x-Positionen der Mittelpunkte 556 und 558 ergibt in dem Beispiel 7/11 einer Periode. Bei einer Ausgestaltung erhält der mittelste Sägezahnbereich 94C dann einen als „57“ bezeichneten Code, wobei die 5 vom Zähler von 5/11 kommt und die 7 vom Zähler von 7/11 kommt.
-
Der Mittelpunkt des Sägezahnsegments 580 ist mit einem „X“ gekennzeichnet. Die dreidimensionalen Koordinaten dieses Punkts werden mit einem Verfahren ermittelt, das nun beschrieben wird. Bezug nehmend auf 4, ist bekannt, dass Licht, das von einem Punkt 76 auf einer Objektoberfläche aus verläuft, durch ein perspektivisches Zentrum 84 der Kameralinse geht und die photosensitive Anordnung 33 an einer Position 88 trifft. Der Abstand zwischen dem perspektivischen Zentrum und der photosensitiven Anordnung ist infolge der Kompensationsverfahren bekannt, die in der Produktionsstätte im Anschluss an die Herstellung der Vorrichtung 20 durchgeführt wurden. Die x- und y-Pixelpositionen reichen demzufolge aus, um einen Schnittwinkel in Bezug auf die optische Achse der Kamera zu ermitteln, die in 4 als gestrichelte Linie dargestellt ist. Der Winkel der optischen Achse in Bezug auf die Basislinie (die sich von Punkt 82 zu Punkt 84 erstreckt) ist ebenfalls aus den Messungen bekannt, die in der Produktionsstätte durchgeführt wurden. Daher ist der Winkel Ω bekannt.
-
Wie vorstehend besprochen wurde, besteht eine 1:1-Entsprechung zwischen Epipolarlinien in der Kamerabildebene und der Projektorebene. Der betreffende Punkt auf der entsprechenden Epipolarlinie auf der Projektorebene wird gefunden, indem man den Sägezahnbereich ermittelt, der den Code hat, der dem X-Punkt 580 entspricht. In diesem Fall ist dieser Code „57“. Wählt man denjenigen Abschnitt der Projektorepipolarlinie aus, der einen Code „57“ aufweist, können die Pixelkoordinaten auf der Projektorebene gefunden werden, was die Ermittlung des Winkels Φ in 4 ermöglicht. Der Basislinienabstand D ist ein vorgegebener Wert und für eine bestimmte Scannervorrichtung konstant/fest. Daher sind zwei Winkel und eine Seite des Dreiecks bekannt, das die Ecken 76, 84, 82 aufweist. Dies ermöglicht die Ermittlung aller Seiten und Winkel einschließlich des Abstands „Z“, der der Abstand zwischen den Ecken 76 und 84 ist. Dieser Abstand stellt zusätzlich zu dem Winkel Ω die Information bereit, die für die Ermittlung der dreidimensionalen Koordinaten des Punkts 76 notwendig ist. Das gleiche Verfahren kann zur Feststellung der Koordinaten aller Punkte auf der Oberfläche 62 eingesetzt werden. Ein allgemeiner Begriff für die Feststellung dreidimensionaler Koordinaten durch Ermitteln von zwei Winkeln und eines Abstands lautet „Triangulation“.
-
Bei der obigen Besprechung wurde ein kleiner Bereich eines Sägezahnmusters ausführlich betrachtet. Das strukturierte Lichtmuster 59 hat bei einer beispielhaften Ausgestaltung eine Vielzahl von Sägezahnbereichen 94, die voneinander phasenverschoben sind. Bei der Ausgestaltung, wo das Muster durch eine Chrommaske erzeugt wird, ist der Abschnitt des Sägezahnsegments derjenige Bereich, wo Licht durch die Fotomaske durchgeht. Jeder Sägezahnbereich 94 umfasst ein Paar von geformten Kanten 61, 63, die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Jede Kante 61, 63 umfasst ein Wiederholungsmuster 65 mit einem ersten Abschnitt 67 und einem zweiten Abschnitt 69. Der erste Abschnitt 67 ist mit einem ersten Endpunkt 71 angeordnet und erstreckt sich entlang einer ersten Steigung zu einem zweiten Endpunkt 73. Der zweite Abschnitt 69 ist ausgehend von dem zweiten Endpunkt 73 angeordnet und erstreckt sich entlang einer zweiten Steigung zu einem dritten Endpunkt 75. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der zweite Endpunkt 73 eine Spitze in dem Muster 65 für die Kante 61 (oder ein Tal entlang der Kante 63) bildet. Die Steigungen der Abschnitte 67, 69 sind bei einer Ausgestaltung gleich, aber entgegengesetzt. Es versteht sich, dass die gegenüberliegende Kante 63 in ähnlicher Weise einen Satz von Wiederholungsmustern (aber gegenüberliegend) mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt umfasst, die jeweils eine Steigung aufweisen. Dieses Wiederholungsmuster 65 wird hierin als „Sägezahnform“ bezeichnet. Demnach hat jeder Sägezahnbereich 94 ein Paar von einander gegenüberliegenden Sägezahnkanten 61, 63.
-
Das Muster 59 ist mit einer eingestellten, vorgegebenen Zahl von Sägezahnbereichen 94 angeordnet, die an einer bestimmten Phase konfiguriert sind. Jedem Sägezahnbereich 94 ist eine Phasenzahl von null bis zu der vorgegebenen Zahl (z. B. 0–11) zugeordnet. Die Phasenlinien sind so angeordnet, dass sie derart gleichmäßig beabstandet sind, dass die Phasenverschiebung Folgendem gleicht: Phasenzahl / vorgegebene Zahl von Phasenlinien·Periode (2)
-
Der hierin verwendete Begriff „Periode“ bezieht sich auf den Abstand „P“ zwischen zwei benachbarten Spitzen. Das Muster
59 hat bei der beispielhaften Ausgestaltung
11 Phasenlinien. Die Verschiebung bei jeder der Linien wäre demzufolge:
| Phasenlinie Nr. | Verschiebungsbetrag |
| Phase 0 | Basislinie |
| Phase 1 | Linienverschiebung von der Basislinie um (1/11)·Periode |
| Phase 2 | Linienverschiebung von der Basislinie um (2/11) ·Periode |
| Phase 3 | Linienverschiebung von der Basislinie um (3/11) ·Periode |
| Phase 4 | Linienverschiebung von der Basislinie um (4/11) ·Periode |
| Phase 5 | Linienverschiebung von der Basislinie um (5/11) ·Periode |
| Phase 6 | Linienverschiebung von der Basislinie um (6/11) ·Periode |
| Phase 7 | Linienverschiebung von der Basislinie um (7/11) ·Periode |
| Phase 8 | Linienverschiebung von der Basislinie um (8/11) ·Periode |
| Phase 9 | Linienverschiebung von der Basislinie um (9/11) ·Periode |
| Phase 10 | Linienverschiebung von der Basislinie um (10/11)·Periode |
Tabelle 1
-
Bei der beispielhaften Ausgestaltung sind die Zahlen der Phasenlinien nicht nacheinander, sondern vielmehr in einer Reihenfolge derart angeordnet, dass die Phasenänderung (die „Phasendifferenz“, z. B. Phase Nr. „N“-Phase Nr. „N-1”) eine gewünschte Beziehung aufweist. Die Beziehung der Phasendifferenz ist bei einer Ausgestaltung derart angeordnet, dass die Phasendifferenz bei einem ersten Abschnitt 90 des Musters 59 eine ungerade Zahl ist, während die Phasendifferenz bei einem zweiten Abschnitt 92 eine gerade Zahl ist. Wenn der Sägezahnbereich 94E beispielsweise eine Phasenzahl von „10“ hat und der Sägezahnbereich 94D eine Phasenzahl von „1“ aufweist, dann ist die Phasendifferenz von dem Sägezahnbereich 94D zu dem Sägezahnbereich 94E eine ungerade Zahl (10 – 1 = 9). Wenn der Sägezahnbereich 94E zum Beispiel eine Phasenzahl von „8“ hat und der Sägezahnbereich 94D eine Phasenzahl von „6“ aufweist, dann ist die Phasenänderung von dem Sägezahnbereich 94D zu 94E eine gerade Zahl (8 – 6 = 2).
-
Bei jeder Pixelspalte des aufgenommenen Bilds werden Sägezahnsegmente unter Verwendung der Steigung einer Intensitätskurve identifiziert.
-
Die Intensitätskurve ist eine Reihe von Grauwerten, die auf der Intensität basieren, wobei eine hellere Farbe eine höhere Intensität ergibt und umgekehrt eine dunklere Farbe eine niedrigere Intensität aufweist.
-
Während die Werte der Intensitäten in einer Pixelspalte ermittelt werden, kann man eine Intensitätskurve erzeugen. Es versteht sich, dass der Intensitätswert in den schwarzen Abschnitten des Musters niedrig ist und bei Pixeln im Übergansgbereich an der Kante des schwarzen Abschnitts zunimmt. Die niedrigsten Werte befinden sich am Mittelpunkt des schwarzen Bereichs. Die Werte nehmen bis zum Mittelpunkt der weißen Linie weiter zu und fallen dann am Übergang zum nächsten schwarzen Bereich auf niedrigere Werte zurück. Wenn die Steigung der Intensitätskurve vom Negativen ins Positive geht, wurde ein Minimalwert gefunden. Wenn die Steigung der Intensitätskurve vom Positiven ins Negative geht, wurde ein Maximalwert gefunden. Wenn zwei Minimalwerte in der Intensitätskurve durch einen Maximalwert getrennt sind und die Differenz der Intensität einem Schwellwert entspricht, ist ein Sägezahnbereich 94 identifiziert. Der Schwellwert dient bei einer Ausgestaltung dazu, Fehler zu vermeiden, die durch Rauschen bedingt sind. Ein Mittelpunkt jedes Sägezahnsegments kann bis zur Subpixel-Genauigkeit ermittelt werden. Die Breite des Sägezahnbereichs 94 wird berechnet, indem die Zahl von Pixeln zwischen den zwei Minimalwerten in der Intensitätskurve summiert wird.
-
Bei einer Ausgestaltung wird ein Sägezahnbereich-Flächenschwerpunkt (z. B. der Punkt 554) ermittelt, indem man einen gewichteten Durchschnitt (über die optische Intensität in der Bildebene) aller Punkte in jedem Sägezahnbereich nimmt. Die bedeutet genauer, dass an jeder Position entlang des Sägezahnsegments ein Pixel einen durch y(j) gegebenen y-Wert – wobei j ein Pixelindex ist – sowie eine digitale Auslesespannung V(j) aufweist, die fast schon proportional zu der optischen Energie ist, die auf dieses betreffende (j)-Pixel während der Belichtungszeit der Kamera fiel. Der Flächenschwerpunkt ist der gewichtete Durchschnitt der Positionen y(j) über die Auslesespannungen V(j). Das heißt mit anderen Worten, dass der Flächenschwerpunkt: Y = yFlächenschwerpunkt = Summierung(y(j)·V(j)/Summierung(V(j)) (Gl. 1) über alle j-Werte in einem bestimmten Sägezahnbereich ist.
-
Bei einer anderen Ausgestaltung wird eine Mitte des Sägezahnbereichs 94 statt eines Sägezahnbereich-Flächenschwerpunkts verwendet.
-
Sobald ein Sägezahnbereich 94 identifiziert wurde, werden diese Schritte erneut durchgeführt, wobei entlang der Linie (in der Richtung von 6 und 7 horizontal gesehen) vorgegangen wird und wobei die Sägezahnbereichsbreite des Sägezahnbereichs 94 an Stelle von Intensitätswerten benutzt wird, um jede Sägezahnperiode zu ermitteln. Auf diese Weise kann man die X- und Y-Positionen für die Flächenschwerpunkte jeder Sägezahnperiode ermitteln (z. B. jeden „Rautenabschnitt“ des Sägezahnmusters). Diese Periode entlang der Pixelzeilen wird als „Pixel-pro-Phase“ bezeichnet. Wenn die Zahl von Pixeln von dem „horizontalen (Zeilen-)Flächenschwerpunkt“ einer Sägezahnperiode zu einem bestimmten Sägezahnbereich X beträgt, dann beträgt die Phase für den betreffenden Spalten-Flächenschwerpunkt 360°·(X/Pixel-pro-Phase). Zur Vereinfachung der Angabe der Phase werden ganzzahlige Werte von 0 bis 10 statt Graden verwendet. Die Phase der Linie kann berechnet werden als: (X-Position/Pixel-pro-Phase) modulo (vorgegebene Zahl) (Gl. 2)
-
Hierbei ist die „vorgegebene Zahl“ die Zahl von eindeutigen Phasenlinien in dem Muster. Bei der beispielhaften Ausgestaltung ist die vorgegebene Zahl 11. Die Phasenänderung zwischen den benachbarten Linien kann dann berechnet werden als: ((X2-X1)/Pixel-pro-Phase) modulo (vorgegebene Zahl) (Gl. 3)
-
Der hierin verwendete Begriff „modulo“ bedeutet das Dividieren der Menge durch die vorgegebene Zahl und Ermitteln des Rests.
-
Diese Anordnung, die Sägezahnbereichen Phasenzahlen zuordnet und die Phasenänderung ermittelt, stellt dahingehend Vorteile bereit, dass sie der Steuervorrichtung 46 die Möglichkeit bietet, einen Code für die Ermittlung der 1:1-Entsprechung mit der Projektorebene, für die Bestätigung und für die Vermeidung von durch Rauschen bedingten Fehlern festzulegen. Wenn beispielsweise der von der Kamera 32 aufgenommene Sägezahnbereich identifiziert wird, prüft die Steuervorrichtung 46 die Phasendifferenz zwischen zwei Sägezahnbereichen; und wenn die Phasendifferenz eine gerade Zahl ist und die Steuervorrichtung 46 basierend auf der Stelle im Bild bestimmt, dass die Phasendifferenz eine ungerade Zahl sein sollte, kann sie ermitteln, dass eine Verzerrung in dem Bild vorhanden ist, die einen Fehler verursacht, und können diese Linien verworfen werden.
-
Bei einer Ausgestaltung definieren jede drei Sägezahnbereiche einen Code, der auf der Phasendifferenz basiert, die in dem Muster eindeutig ist. Dieser Code kann anschließend in dem Bestätigungsverfahren benutzt werden, um festzustellen, ob die richtigen Sägezahnbereiche identifiziert wurden. Zur Festlegung des Codes wird die Phasendifferenz der ersten zwei Sägezahnbereiche als erste Ziffer des Codes definiert. Die Phasendifferenz der zweiten zwei Sägezahnbereiche wird anschließend als zweite Ziffer des Codes definiert. Beispielsweise wären die Codes für den Bereich
94 bei der beispielhaften Ausgestaltung folgende:
| Sägezahnbereiche | Code | Definition |
| 94A, 94B, 94C | 35 | (3 Phasenänderung, 5 Phasenänderung) |
| 94B, 94C, 94D | 57 | (5 Phasenänderung, 7 Phasenänderung) |
| 94C, 94D, 94E | 79 | (7 Phasenänderung, 9 Phasenänderung) |
| 94D, 94E, 94F | 91 | (9 Phasenänderung, 1 Phasenänderung) |
| 94E, 94F, 94G | 15 | (1 Phasenänderung, 5 Phasenänderung) |
Tabelle 3
-
Das Lichtmuster
59 umfasst bei der in
6 und
7 dargestellten beispielhaften Ausgestaltung
60 Sägezahnbereiche
94. Bei einer Ausgestaltung ist jeder Sägezahnbereich
94 horizontal um eines oder mehrere Vielfache einer Phasenmenge dP gegenüber dem vorangehenden Sägezahnbereich verschoben. Bei anderen Ausgestaltungen sind die Sägezahnbereichpaare derart zueinander phasengleich, dass die Verschiebung null dP beträgt. Jedem Sägezahnbereich
94 wird eine Phasenzahl zugeordnet und es gibt 11 gleichmäßig beabstandete Phasenzahl-Sägezahnbereiche. Jeder Phasenzahl-Sägezahnbereich ist basierend auf der Periode beabstandet, wie vorstehend besprochen wurde. Der Sägezahnbereich
94 ist nicht der Reihe nach, sondern wie in Tabelle 2 dargestellt angeordnet:
| Bereich Nr. | Phase | Phasendifferenz | | Bereich Nr. | Phase | Phasendifferenz |
| 1 | 8 | | | 31 | 3 | 2 |
| 2 | 0 | 3 | | 32 | 9 | 6 |
| 3 | 5 | 5 | | 33 | 6 | 8 |
| 4 | 1 | 7 | | 34 | 6 | 0 |
| 5 | 10 | 9 | | 35 | 8 | 2 |
| 6 | 0 | 1 | | 36 | 1 | 4 |
| 7 | 5 | 5 | | 37 | 0 | 10 |
| 8 | 3 | 9 | | 38 | 4 | 4 |
| 9 | 6 | 3 | | 39 | 10 | 6 |
| 10 | 2 | 7 | | 40 | 10 | 0 |
| 11 | 3 | 1 | | 41 | 7 | 8 |
| 12 | 10 | 7 | | 42 | 9 | 2 |
| 13 | 2 | 3 | | 43 | 8 | 10 |
| 14 | 0 | 9 | | 44 | 3 | 6 |
| 15 | 5 | 5 | | 45 | 5 | 2 |
| 16 | 6 | 1 | | 46 | 2 | 8 |
| 17 | 4 | 9 | | 47 | 6 | 4 |
| 18 | 2 | 9 | | 48 | 6 | 0 |
| 19 | 9 | 7 | | 49 | 5 | 10 |
| 20 | 5 | 7 | | 50 | 4 | 10 |
| 21 | 10 | 5 | | 51 | 1 | 8 |
| 22 | 4 | 5 | | 52 | 9 | 8 |
| 23 | 7 | 3 | | 53 | 4 | 6 |
| 24 | 10 | 3 | | 54 | 10 | 6 |
| 25 | 0 | 1 | | 55 | 3 | 4 |
| 26 | 1 | 1 | | 56 | 7 | 4 |
| 27 | 1 | 0 | | 57 | 9 | 2 |
| 28 | 5 | 4 | | 58 | 0 | 2 |
| 29 | 2 | 8 | | 59 | 0 | 0 |
| 30 | 1 | 10 | | 60 | 0 | 0 |
Tabelle 2
-
Als Ergebnis davon umfasst das Muster 59 eine erste Vielzahl von Sägezahnbereichen 90, wobei die Phasendifferenz eine ungerade Zahl ist, und eine zweite Vielzahl von Sägezahnbereichen 92, wo die Phasendifferenz eine gerade Zahl ist. Wie vorstehend besprochen wurde, bietet diese Anordnung Vorteile bei der Bestätigung des von der Kamera 32 aufgenommenen Bilds, um Verzerrungen zu erkennen und Fehler bei der Ermittlung der Sägezahnbereichszahl in dem aufgenommenen Bild zu vermeiden. Bei der Ausgestaltung von 5 und 6 haben die ersten 25 Sägezahnbereiche eine Phasendifferenz, die eine ungerade Zahl ist, während die übrigen 35 Sägezahnbereiche eine Phasendifferenz aufweisen, die eine gerade Zahl ist. Bei einer in 6 dargestellten Ausgestaltung ist das Muster 59 derart in einer Trapezform angeordnet, dass ein erstes Ende 96 eine kleinere Breite als ein zweites Ende 98 aufweist. Die Trapezform stellt die Kompensation für die Korrektur von perspektivischen Verzerrungen zur Verfügung, die während des Betriebs durch den Winkel des Scanners 20 relativ zu der Oberfläche verursacht wurden. Bei einer anderen Ausgestaltung wie beispielsweise der in 7 dargestellten hat das Muster 59 eine Quadratform. Die Form des Projektormusters kann von dem Winkel des Projektors bezogen auf die Basislinie abhängen.
-
Obwohl die Erfindung ausführlich in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausgestaltungen beschrieben wurde, versteht es sich ohne Weiteres, dass die Erfindung nicht auf solche offenbarte Ausgestaltungen beschränkt ist. Statt dessen kann die Erfindung derart modifiziert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Abweichungen, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen einbezieht, die bisher nicht beschrieben wurden, aber dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Obwohl verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben wurden, versteht sich ferner, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausgestaltungen einschließen können. Die Erfindung ist demgemäß nicht als durch die vorangehende Beschreibung eingeschränkt zu verstehen und ist lediglich durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche eingeschränkt.
