DE1673927A1 - Verfahren und Anordnung zur Wiedererkennung eines Koerpers oder seiner Position und Orientierung im Raum - Google Patents
Verfahren und Anordnung zur Wiedererkennung eines Koerpers oder seiner Position und Orientierung im RaumInfo
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Description
ΡΚιί.--Λ- .' tii---. -.
>Γ0DH-
PHD- 891
ArT.f-.a-r« /"»■ 6.Februar 1968
Philips Patentverwaltung GmfrH., 2 Hamburg 1,
Mono keb ergs tr. 7
Verfahren und Anordnung zur Wiedererkennung eines
Körpers oder seiner Position und Orientierung im Raum
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dessen Hilfe ein Körper oder seine Position und Orientierung im Raum
wiedererkannt werden kann, sowie Anordnungen zur Durch.«
führung dieses Verfahrens. Solche Verfahren sind erforderlich, wenn z.B. bei der Fertigung ein Körper nach einem
Bearbeitungsprozeß wieder in eine bestimmte lage gebracht werden muß, die er zuvor eingenommen hatte. Außerdem be«
nötigt man solche Verfahren bei vielen meßtechnischen
Problemen, bei denen z.B. eine Längenänderung, Winkeländerung oder dgl. gemessen werden soll. Ferner kann das
hier beschriebene Verfahren bei der Analyse von Körperschwingungen und von Materialveränderungen angewandt
werden.
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Es sind verschiedene Verfahren bekannt, nach denen man die Position und die Orientierung eines Körpers im Raum wiedererkennen
kann. Bei den optischen Verfahren bringt man in der Regel Markierungen, die in geeigneter Weise auf dem
Körper angebracht sind, durch Abbildung mit vorgegebenen Marken (z.B. Fadenkreuzen) zur Deckung. Position und Orientierung
sind dann auf diese vorgegebenen Marken bezogen»
Diese Verfahren besitzen eine Reihe von Nachteilen.
Erstens ist eine subjektive Beobachtung erforderlich, d.h. ein Beobachter muß entscheiden, welche Änderung von Position und Orientierung zu einer besseren und letzten Endes
zur besten Deckung der abgebildeten und der vorgegebenen Markierung führt. Eine Automatisierung der Justierung ist
also nur schwierig zu erreichen. Außerdem ist man bezüglich der Einstellgeschwindigkeit und bei der Beurteilung schnei«
ler Änderungen von Position und Orientierung durch die Träg heit des menschlichen Auges eingeschränkt.
Zweitens sind bei Positionierungen mit mehreren Freiheitsgraden,
z.B. Linear- und Drehbewegungen, entsprechend viele Bezugsmarken mit den entsprechenden Abbildungssystemen erforderlich.
Die auf dem Körper angebrachten Markierungen müssen in mehreren Justierungszyklen mit den Bezugsmarken
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zur Deckung gebracht werden. Eine integrale Anzeige der Lage des Körpers ist nicht möglich.
Drittens müssen geeignete Markierungen auf dem Körper angebracht werden, wenn er nicht zufällig hinreichend markante
Strukturen enthält, auf die eingestellt werden kann·
Diese Nachteile bekannter Verfahren werden durch die vorliegende Erfindung beseitigt. Darüber hinaus ermöglicht das
vorgeschlagene Verfahren einige weitere noch nicht bekannte Anwendungen·
Das hier beschriebene Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsverteilung, die bei Streuung kohärenter
Wellen an dem Körper entsteht, in einem Teil des Raumes registriert und gespeichert wird, und daß die bei einer
Änderung des Körpers oder seiner Position und Orientierung veränderte Intensitätsverteilung mit der gespeicherten verglichen
wird·
Da diese die Information über die Streueigenschaften der beleuchteten Teile des Körpers und über deren Lage relativ
zu den einfallenden Wellen enthält, sind hiermit sowohl der Körper als auch seine Position und Orientierung eindeutig
bestimmt. Zur Wiedererkennung eines Körpers oder seiner Ortekoordinaten wird die durch Streuung an dem zu unter-
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suchenden Körper entstandene Intensitätsverteilung mit der gespeicherten verglichen. Das Bezugssystem, in dem die Meßwerte
bestimmt werden, ist durch die einfallenden Wellen und durch die Lage und Form der Registrieranordnung definiert.
Beider Eigenschaften und die lage relativ zueinander müssen also im Rahmen der gewünschten Meßgenauigkeit konstant
gehalten werden. Dagegen kann das gesamte Bezugssystem beliebig im Raum bewegt werden. Ebenso ist die Lage des
Speichers ohne Einfluß, sofern jener nicht mit der Registrierapparatur identisch oder starr verbunden ist.
Das Verfahren kann mit allen Arten von kohärenten Wellen (z.B. akustischen, elektromagnetischen Wellen oder Materiewellen
der verschiedensten Wellenlängen) durchgeführt v/erden. Durch Wahl der physikalischen Natur der verwendeten
Wellen und deren Wellenlänge kann man das Verfahren dem jeweiligen Problem optimal anpassen. Wenn sich daher die
folgenden Ausführungen vor allem auf Laserlicht beziehen, so geschieht das nur der Übersichtlichkeit halber und stellt
im Sinne der Erfindung keine Einschränkung dar.
Für die Anwendungen des Verfahrens sind zwei Größen beachtlich,
die Meßempfindlichkeit und der Einfangbereich. Letzterer ist gegeben durch die Größe der Änderung der
Streueigenschaften oder der Lage des Körpers, bei der
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gerade noch eine meßbare Korrelation zwischen der gespeicherten und der jeweils gemessenen Intensitätsverteilung
besteht, so daß man z.B. den Körper in Richtung wachsender Korrelation bewegen kann, um ihn zu justieren. Die Meßempfindlichkeit
ist durch die Größe der Änderung bestimmt, mit der das Vergleichssignal auf eine De justierung des
Körpers reagiert. Beide Größen können entsprechend der vorliegenden Erfindung durch Wahl der Anzahl und der Eigenschaften
der beleuchtenden Wellen (z.B. physikalische Natur, Wellenlänge, Polarisationszustand, Konvergenz- bzw. Divergenzwinkel,
seitliche Ausdehnung) in weiten Grenzen vorgegeben werden. Außerdem können Meßempfindlichkeit und Einfangbereich
durch die Ausbildung bestimmter Streueigens'chaften (z.B. Vorzugsrichtungen, periodische Anteile) der beleuchteten
Teile des Körpers in gewünschter Weise beeinflußt werden.
Einige spezielle Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens werden im folgenden beschrieben.
Bei einer Anordnung (siehe Fig.1, in der nur ein Strahl gezeichnet
ist) werden ein oder mehrere Laserstrahlen (1) auf den Körper (2) gerichtet. Der Konvergenzwinkel (3) und die
seitliche Ausdehnung der beleuchteten Stelle können ebenso wie der Polarisationszustand duroh ein optisohes System (4)
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eingestellt werden. Die von der charakteristischen Granulation durchzogene Intensitätsverteilung des gestreuten
Lichtes (5) wird in einer photographischen Emulsion (6) registriert und ist dort nach der Entwicklung gespeichert.
Da durch den photographischen Prozeß ein Negativ der Intensitätsverteilung entsteht, wird im Idealfall (linearer
photographischer Prozeß) das am Körper (2) gestreute Licht (5) gerade abgedeckt, d.h. die Intensität des z.B. mit
einer Linse (7) gesammelten, durchtretenden Lichtes (8) ist minimal und im Idealfall Null. Eine Veränderung der
Streueigenschaften des Körpers oder seiner Position und Orientierung "bewirkt eine Aufhellung, die mit Hilfe eines
lichtempfindlichen Detektors (9) und eines Anzeigegerätes (10) gemessen werden kann. Der im allgemeinen auftretende
Verlauf des Ausgangssignales y (Intensität) dieses Kreuz« korrelators gemessen als Funktion einer Veränderung x(z.B.
ist in Pig· 2 dargestellt. Der Einfangbereich (11) ist durch die Breite dieser Kreuzkorrelationsfunktion gegeben und
hängt außer von den Eigenschaften des Lichtes und den Streueigenschaften des Körpers noch von der Art der Veränderung
ab. So wird z.B. bei Beleuchtung mit einem kollimierten
Laserstrahl eine Tiefenvariation um Größenordnungen unempfindlicher angezeigt als eine seitliche Verschiebung
des Körpers. Von solchen Eigenschaften kann man bei manchen Anwendungen nützlichen Gebrauch machen. Andererseits kann
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man bei dem genannten Beispiel die Empfindlichkeit durch Verwendung mehrerer Laserstrahlen oder größerer Konvergenz—
winkel auch wieder steigern.
Bis hierher sind nur die natürlichen Streueigenschaften des Körpers ausgenutzt worden. In vielen Fällen ist es jedoch
möglich, irgendwelchen Teilen des Körpers besonders vorteilhafte Streueigenschaften zu geben. So kann man z.B.
leicht erreichen, daß die Rauhigkeit der streuenden Fläche zwei Vorzugsrichtungen besitzt. Die Intensitätsverteilung ^
des gestreuten Lichtes enthält dann außer der üblichen Granulation ein heller leuchtendes Kreuz, das z.B. eine
Verdrehung des Körpers unmittelbar sichtbar zu machen gestattet. Um den Einfangbereich bei gleichbleibender Keßempfindlichkeit
zu vergrößern, ist es manchmal vorteilhaft, der statistischen Rauhigkeit einen periodischen Anteil zu
überlagern, indem man z.B. ein Gitter in die rauhe Oberfläche ritzt. Die Kreuzkorrelationsfunktion der Granulation
enthält dann ebenfalls einen periodischen Anteil, wodurch der Einfangbereich vergrößert wird.
Bei einer anderen Anordnung wird gemäß der vorliegenden Erfindung die photographische Platte (6) in Fig. 1 durch
die Photokathode einer Fernsehaufnahmeröhre ersetzt und die Intensitätsverteilung in einem Fernsehbildspeicher
gespeichert. Die veränderte Intensitätsverteilung wird dann in einem elektrischen oder optischen Korrelator
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Verglichen. Elektrisch ist es einfacher, die Differenz zu bilden, wobei dann zum Vergleich das Differenzbild auf einem
Monitor dargestellt wird. Zusätzlich kann z.B. der über ein Bild gemittelte Wert der positiven Anteile der Intensität des
Differenzbildes als Maß für die Abweichung von der ursprünglichen Streueigenschaft oder der Position und Orientierung
angezeigt werden.
Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung ist es ohne Schwierigkeiten
möglich, durch Modifikationen diese Anordnungen diesem oder jenem Problem optimal anzupassen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ferner,eine Reihe von
neuartigen Verfahren durchzuführen, die im folgenden besprochen werden«
So ist es z.B. möglich, die Veränderung von Position und Orientierung eines Körpers oder eines Teiles des Körpers
berührungslos zu messen, indem man Sender und Empfänger meßbar so nachführt, daß jeweils optimale Übereinstimmung
zwischen der gespeicherten und der jeweils entstehenden Intensitätsverteilung besteht. Dabei kann eine beliebige
unbearbeitete Fläche des Körpers benutzt werden. Zusätzliche Markierungen sind nicht erforderlich,, da die Granulation
(wie ein Fingerabdruck) bereits die Information über das Flächenelement enthält.
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Außerdem kann man das Verfahren zur loerührungslosen Messung
von Körperschwingungen benutzen, indem man bei ruhendem
Körper die Granulation registriert und speichert und bei schwingendem Körper die zeitliche Änderung der Kreuzkorrelationsfunktion
analysiert.
Bei einer weiteren Gruppe von Anwendungen bleiben Position und Orientierung des Körpers konstant. In diesen Fällen
wird eine Änderung Kreuzkorrelationsfunktion oder einer entsprechenden Vergleichsfunktion durch eine Veränderung
der Streueigenschaften des Körpers hervorgerufen., Man kann
so z.B. einen Körper in einer Schar von ähnlichen Körpern wiedererkennen, ohne daß man ihn mit besonderen Markierung
gen versehen müßte. Bei einer anderen Anwendung kann man Ermüdungserscheinungen bei mechanisch beanspruchten Materialien
untersuchen, indem man die Veränderung der Streu— eigenschaften des Materials als Maß für die Ermüdung nimmt.
Ebenso kann man den zeitlichen Verlauf von Korrosionsoder Sedimentationserscheinungen bereits verfolgen, wenn
das mikroskopische Bild noch keine oder nur geringe Änderungen zeigt. Da nämlich die Granulation durch die
Interferenz der gestreuten Elementarwellen hervorgerufen wird, genügen bereits geringfügige Veränderungen der
optischen Weglängen, um die Granulation zu beeinflussen·
Bei Anwendungen, die auf einer Messung der Veränderungen
der Streueigenachaften beruhen, ist es zweckmäßig, eine
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oder mehrere Ortskoordinaten periodisch, mit einer Amplitude
d
zu altern, die größer als der jeweilige Einfangbereicn (11) ist, oder den Laserstrahl entsprechend zu bewegen. Auf diese Weise wird am Ausgang des Kreuzkorrelators ein periodisches Signal der doppelten Frequenz erzeugt, deren Amplitude der maximalen Korrelation proportional ist.
zu altern, die größer als der jeweilige Einfangbereicn (11) ist, oder den Laserstrahl entsprechend zu bewegen. Auf diese Weise wird am Ausgang des Kreuzkorrelators ein periodisches Signal der doppelten Frequenz erzeugt, deren Amplitude der maximalen Korrelation proportional ist.
Patentansprüche
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Claims (15)
1. Verfahren zur Wiedererkennung eines Körpers oder seiner
Position und Orientierung in Raum, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsverteilung, die bei Streuung kohärenter
Wellen an dem Körper ent-steht, in einem Teil des Raumes
registriert und gespeichert wird, und daß die bei einer Änderung des Körpers oder seiner Position und Orientierung
veränderte Intensitätsverteilung mit der gespeicherten verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anzahl und die Eigenschaften der den Körper
beleuchtenden Wellen (z.B. physikalischer Natur, Wellenlänge, Polarisationszustand, Konvergenz- bzw. Oivergenzwinkel,
seitliche Ausdehnung) die Korrelationsbreite bezüglich einer Verschiebung oder Drehung des Körpers
im Räume innerhalb bestimmter Grenzen vorgegeben wird, wodurch Meßempfindlichkeit und Einfangbereich bestimmt
sind,
3. Verfahren nach Ansprucn 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßempfindlichkeit und der Einfangbereich durch die Veränderung der Streueigenschaften der "beleuchteten
Seile des Körpers gewählt werden»
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4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Granulation mit einer Fernsehkamera aufgenommen und in einem Fernsehbildspeicher (z.B. Magnetbandgerät)
gespeichert wird, wobei zur Wiedererkennung die jeweilige Intensitätsverteilung mit der gespeicherten in einem
elektrischen oder optischen Korrelator verglichen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wiedererkennung die Differenz zwischen der jeweiligen
Intensitätsverteilung und der gespeicherten gebildet und z.B. auf einem Monitor dargestellt wird.
6. Verfahren zur Messung der Veränderung von Position und
Orientierung eines Körpers oder eines Teils des Körpers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sender der kohärenten Wellen und der Empi'änger so meßbar nachgeführt werden, daß jeweils
optimale Übereinstimmung zwischen der gespeicherten und der jeweils entstehenden Intensitätsverteilung besteht.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur berührungslosen
Messung von Körperschwingungen die zeitliche Änderung der Kreuzkorrelationsfunktion gemessen wird.
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8. Verfahren nach, einem oder mehreren der Ansprüche' 1-5,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Analyse von Ermüdungserscheinungen "bei mechanisch beanspruchten Materialien
bei fester Position die Veränderung der Streueigenschaften als Maß für die Ermüdung des Materials verwendet wird,
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Analyse von Korrosionsund
Sedimentationserscheinungen "bei fester Position der Streustelle die Veränderung der Streueigenschaften als
Maß für die Korrosion bzw. Sedimentation ausgenutzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem zu untersuchenden Körper eine oder mehrere
seiner Ortskoordinaten periodisch mit einer Amplitude geändert werden, die größer als der jeweilige Einfangbereich
ist.
11. Verfahren nach Anspruch-10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserstrahl entsprechend bewegt wird.
12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß ein oder mehrere Laserstrahlen auf den Körper gerichtet sind und eine photographische Emulsion für die Registrierung
und Speicherung der bei der Streuung des Laoerlichtes
entstehenden Granulation vorgesehen ist.
109833/0058 „h-
13· Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Vergleich ein Kreuzkorrelator vorgesehen ist, in dem das durch die belichtete und entwickelte photographische Emulsion fallende Licht mit einem optischen System gesammelt und auf eine lichtempfindliche Meßanordnung
projiziert wird.
zum Vergleich ein Kreuzkorrelator vorgesehen ist, in dem das durch die belichtete und entwickelte photographische Emulsion fallende Licht mit einem optischen System gesammelt und auf eine lichtempfindliche Meßanordnung
projiziert wird.
14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der die Welle streuende Teil des Körpers mindestens
eine Vorzugsrichtung der Streueigenschaft (z.B'.
Rauhigkeit) besitzt.
Rauhigkeit) besitzt.
15. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der die V/elle streuende Teil des Körpers mindestens
einen periodischen Anteil der Streueigenschaft
(z.B. Rauhigkeit) besitzt.
(z.B. Rauhigkeit) besitzt.
109833/0058
Applications Claiming Priority (1)
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