DE19502459A1 - Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung der Oberfläche von Objekten - Google Patents
Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung der Oberfläche von ObjektenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung der
Oberfläche von Objekten mit großer Punktdichte, das die Merkmale des Oberbegriffs
des Anspruches 1 aufweist.
Die bekannten Verfahren dieser Art lassen sich mit verschiedenen Beleuch
tungsverfahren wie Lichtschnitt, codierter Lichtansatz und Moir´ durchführen. Sie
liefern zumindest dann sehr genaue Meßergebnisse wenn das Auflösungsvermögen
der Videokamera und die Ausleuchtung der Oberfläche mit der Lichtstruktur gut ist.
Mit diesen Verfahren ist es möglich, eine Massenpunktbestimmung mit sehr hoher
Punktdichte durchzuführen. Zu jedem Bildpunkt des Videobildes lassen sich die Koor
dinaten des entsprechenden Oberflächenpunktes berechnen. Man spricht deshalb auch
von einer bildgebenden Vermessung der Oberfläche. Nachteilig ist jedoch der relativ
große Aufwand für die erforderliche Kalibrierung, also die Bestimmung der inneren
und äußeren Orientierung sowohl des Projektors als auch der Kamera sowie deren
optischen Konstanten und Parameter zur Korrektur von Objektivfehlern. Der Aufwand
für die Bestimmung von Position und Orientierung der Kamera und des Projektors
erhöht sich noch weiter, wenn das Objekt es erforderlich macht, die Kamera und den
Projektor in mehrere Positionen zu bringen, sei es, weil die mittels des Projektors mit
einer für die Auswertung ausreichenden Intensität ausleuchtbare und von Kamera er
faßbare Fläche kleiner ist als die zu vermessende Oberfläche, sei es, daß das Objekt es
erforderlich macht, seine Oberfläche aus unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten
und aufzunehmen.
Der Gesamtaufwand läßt sich selbst dann nicht wesentlich reduzieren, wenn man den
Projektor und die Kamera relativ zueinander mechanisch fixiert, also eine
Projektor/Kamera-Einheit bildet und diese Einheit längs einer genau vermessenen
Bahn bewegt. Hinzu kommt, daß bei großen Objekten, die einen großen Abstand der
Einheit vom Objekt erforderlich machen, eine genaue Führung in vielen Fällen nicht
mehr mit noch vertretbarem Aufwand realisiert werden kann oder häufig auch aus
Platzgründen nicht in Frage kommt. Außerdem ist es bei solchen Einheiten nachteilig,
daß Projektor und Kamera oft nicht in die günstigste Meßposition gebracht werden
können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bildgebendes Verfahren der eingangs
genannten Art zu schaffen, das zumindest weitgehend von den Nachteilen der bekann
ten Verfahren frei ist und dadurch verbesserte Einsatzmöglichkeiten bietet. Diese Auf
gabe löst ein Verfähren mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Bei der erfindungsgemäßen Kalibrierung mit Hilfe von objektfesten homologen Punk
ten auf der zu vermessenden Oberfläche des Objektes unter Anwendung der aus der
Photogrammetrie bekannten Bildtriangulation im Rahmen einer kombinierten Netz
ausgleichung (nachfolgend als Bündelausgleichung bezeichnet) entfällt die Notwen
digkeit, vor Beginn der Vermessung der Oberfläche des Objektes die Position und
Orientierung von Projektor und Kamera mit Hilfe von Referenzkörpern und Vermes
sungsmitteln, beispielsweise einer Koordinatenmeßmaschine zu bestimmen. Das erfin
dungsgemäße Verfahren macht es nämlich möglich, gestützt auf die mit der Kamera
aufgenommenen Bilder nicht nur die Positionen und Orientierungen von Kamera und
Projektor rechnerisch zu bestimmen, sondern auch die optischen Konstanten von Ka
mera und Projektor sowie die Parameter zur Korrektur von Objektivfehlern zu berech
nen. Vorteilhaft ist hierbei ferner, daß alle erforderlichen Berechnungen ausgeführt
werden können, nachdem alle Aufnahmen gemacht und in digitaler Form abgespei
chert worden sind. Wenn die Bilder eines Objektes gemacht sind, kann sich deshalb
unmittelbar die Vermessung eines anderen Objektes anschließen, was beispielsweise
die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Vermessung von Produk
ten einer Serienfertigung erlaubt.
Von besonderem Vorteil ist ferner, daß für Standortveränderungen von Kamera und
Projektor keine teuren mechanischen Führungsmittel erforderlich sind und außerdem
die bei dem bekannten Verfahren in solchen Fällen erforderliche Verbindung von Ka
mera und Projektor zu einer nur gemeinsam bewegbaren Einheit entfällt. Das erfin
dungsgemäße Verfahren läßt sich deshalb überall dort mit großem Vorteil anwenden,
wo das Objekt wegen seiner Form und/oder Größe nicht nur Ortsveränderungen der
Kamera, sondern auch des Projektors erforderlich macht. Dank der freien Bewegbar
keit von Kamera und Projektor ist das erfindungsgemäße Verfahren auch vorzüglich
für den Einsatz unter ungünstigen äußeren Bedingungen, beispielsweise in Produk
tionshallen, geeignet, zumal Umgebungslicht in der Regel nicht störend ist.
Die für die Auswertung der mittels der Videokamera aufgenommenen Bilder zum
Zwecke der Kalibrierung und zur Bestimmung der Koordinaten der Oberflächenpunkte
hängt in erheblichem Maße von der Rechengeschwindigkeit des für die Auswertung
der Videobilder zur Verfügung stehenden Rechners ab. Rechenzeiten in der Größen
ordnung von 10 Sekunden bei 200.000 Bildpunkten lassen sich ohne weiteres errei
chen. Die für die Vermessung einer Oberfläche erforderliche Zeit kann außerdem da
durch verringert werden, daß man wenigstens eine zusätzliche Videokamera verwen
det, die aus einer anderen Position als die erste Videokamera den mit der Lichtstruktur
beleuchteten Oberflächenbereich aufnimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Kalibrierung nur für die Videoka
mera oder Videokameras durchzuführen, also auf eine Kalibrierung des Projektors
oder der Projektoren zu verzichten, wenn zusätzliche Aufnahmen des vom Projektor
beleuchteten Oberflächenbereiches aus unterschiedlichen Positionen aufgenommen
werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb insgesamt sehr flexibel, d. h., an
unterschiedliche, sowohl durch das Objekt als auch dessen Umgebung vorgegebene
Bedingungen anpaßbar.
Bei den homologen Punkten muß es sich nicht um mechanisch auf die zu vermessende
Oberfläche aufgebrachte Markierungen handeln. Zusätzlich zu solchen Markierungen
oder statt dieser können homologe Punkte auch durch Muster gebildet sein, die mittels
eines Projektors auf die zu vermessende Oberfläche projiziert werden, wodurch auch
beispielsweise die Vermessung von nicht, oder nur schwer zugänglichen Oberflächen
möglich ist. Als homologe Punkte können auch markante Punkte der Objektoberfläche
benutzt werden, die sich in mindestens zwei aus unterschiedlichen Positionen aufge
nommenen Videoaufnahmen eindeutig identifizieren lassen. Während die Anzahl der
mechanisch aufgebrachten Markierungen in der Regel relativ gering gehalten werden
muß, können homologe Punkte, die auf die Objektoberfläche aufprojiziert werden oder
durch markante Punkte derselben gebildet sind, in großer Anzahl zur Verfügung ge
stellt werden, was eine entsprechend hohe Redundanz und entsprechend verbesserte
Bedingungen für die Bündelausgleichsrechnung ergibt. Als sehr vorteilhafte Eigen
schaft der Bündelausgleichung gilt ihre Unterdrückung der Fehlersummation (Sum
menfehler) bei einer gegebenenfalls erforderlichen Aufteilung der Objektoberfläche in
sich überlappende Teilbereiche, die nacheinander abgearbeitet werden.
Zweckmäßigerweise werden erfindungsgemäß zwei Typen von Musterprojektoren
eingesetzt:
- 1. Projektoren, die einen ganzen Teilbereich ausleuchten können. Sie weisen meist ein programmiert schaltbares Muster auf. In einem typischen Meßablauf werden sie unmittelbar nach der Aufnahme eines Teilbereiches auf den nächsten Teil bereich ausgerichtet. Sie können Marken in sehr hoher Punktdichte für die Mas senpunktbestimmung erzeugen. Die Marken stehen zeitlich nur während der Aufnahme eines Teilbereiches zur Verfügung sie werden deshalb hier als "tem poräre homologe Marken" bezeichnet. Vorteilhafterweise wird ein programmiert schaltbares Linienmuster aus parallelen horizontalen und vertikalen Linien vor gesehen. Die Linien, die Linienkanten oder die Kreuzungspunkte der Linien bzw. Linienkanten werden z. B. mit dem bekannten Verfahren des "Codierten Lichtansatzes" eindeutig gekennzeichnet und dienen als temporäre homologe Marken.
- 2. Hinzu können wahlweise ein oder mehrere Einfachere Markenprojektoren, die jeweils meist nur ein einzelnes Muster erzeugen können und meist nur ein- und ausschaltbar sind verwendet werden. Diese Projektoren werden auf die Überlap pungsbereiche einzelner Teilflächen gerichtet. Sie bleiben solange auf denselben Ort ausgerichtet, bis alle Teilflächen abgearbeitet sind, zu deren Überlappungs bereich ihre Marke gehört. Die so erzeugten Marken werden hier "permanente projizierte homologe Marken" genannt. Als Projektionsmuster wird vorzugs weise eine Kreisfläche 20 mit optisch gut erfaßbarem Rand, ein Kreisring 22, mehrere konzentrische Kreisringe oder Kombinationen davon verwendet.
Damit die Bilder von Teilbereichen einander koordinatenmäßig richtig zugeordnet
werden können, muß darauf geachtet werden, daß sich die Teilbereiche überlappen,
sich das Objekt während der Messung nicht bewegt und in jedem Überlappungsbereich
wenigstens drei homologe Punkte zur Verfügung stehen. Diese homologen Punkte
dürfen in den Bildern nicht auf einer Linie liegen.
Herkömmliche Marken (Fig. 3) sind feste Marken mit einer Kreisfläche 20. Die In
formation der Marke liegt in dem Hell-Dunkel-Übergang 21 der Begrenzungslinie.
Erfindungsgemäß wird hier eine ringförmige Struktur 22 (Fig. 4) eingeführt. Diese
weist den Vorteil auf, daß bei gleichem Außendurchmesser gleich zwei informations
tragende Begrenzungslinien 22 und 23 pro Marke vorhanden sind. Die ringförmigen
Marken können erfindungsgemäß als feste Marken oder als projizierte Marken reali
siert sein.
Das Aufnehmen von Teilbereichen der Objektoberfläche erfolgt vorzugsweise mäan
drierend, d. h. zeilen- oder spaltenweise in einer sprungfreien Folge. Die Arbeitsweise
des Projektors und der Kamera können hierbei mit der Arbeitsweise eines Scanners
verglichen werden.
Sofern die Form der Objektoberfläche dies zuläßt, ist es vorteilhaft, die Kamera oder
Kameras und den Projektor für die zeilenweise Erfassung der Teilbereiche der Objekt
oberfläche zu schwenken, was mit Hilfe von entsprechend ausgebildeten Stativen
möglich ist. Sofern solche Stative eine Winkelmessung zulassen, können die
Schwenkwinkel in die Kalibrierung mit einbezogen werden.
Wenn bei einer Unterteilung der Objektoberfläche in Teilbereiche der Projektor hin
sichtlich seiner Position und Orientierung verändert werden muß, ist es zweckmäßig,
die Position des Projektors so zu ändern, daß der in der neuen Position mit der Lichts
truktur beleuchtete Teilbereich sich mit dem in der alten Position belichteten Teil
bereich überlappt. Die Kamera bleibt während dieser Positionsänderung des Projektors
in einer Position, in welcher sie den Überlappungsbereich erfassen kann. Dadurch
können bei der Bildauswertung die beiden Teilbereiche einander richtig zugeordnet
werden.
Als Beleuchtungsstruktur wird zur geometrischen Oberflächenerfassung vorteilhafter
weise eine Linienstruktur verwendet, wobei in vielen Fällen eine aus parallelen Linien
bestehende Linienstruktur ausreichend ist. Andernfalls kann eine Linienstruktur mit
zwei sich vorzugsweise rechtwinklig kreuzenden Liniensystemen verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Liniensysteme hell und dunkel geschaltet wer
den können, da dann alle Linien in einfacher Weise codiert werden können. Solche
schaltbaren Linienstrukturen lassen sich mit besonderem Vorteil mittels LCD-Licht
modulatoren erzeugen.
Im folgenden ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfüh
rungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Meßobjektes, des Projektors und
der Kamera in den Meßpositionen,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines großen Meßobjektes und der
unterschiedlichen Standorte des Projektors und der Kamera bei der
Erfassung von Teilbereichen der Objektoberfläche.
Ausführungsbeispiel zu Fig. 1:
Zur dreidimensionalen optischen Vermessung der Oberfläche eines Meßobjektes 1, bei
dem es sich beispielsweise um das verkleinerte Modell eines Flügelprofils handelt,
wird eine 3D-Digitalisierung der Oberfläche des Meßobjektes durchgeführt. Mit Hilfe
eines Linienprojektors 2, in den ein schaltbarer LCD-Lichtmodulator integriert ist,
wird ein aus parallelen Linien bestehendes Linienmuster auf die zu vermessende Ober
fläche des Meßobjektes projiziert. Die Linien des Linienmusters können dank des
schaltbaren LCD-Lichtmodulators im Wechsel hell und dunkel geschaltet werden,
wodurch es möglich ist, jeder Linie eine sie kennzeichnende digitale Codierung zu
zuordnen, welche aus der Hell-Dunkel-Folge entsprechenden Bitfolge besteht. Der
Standort des Linienprojektors 2 wird so gewählt, daß die gesamte zu vermessende
Oberfläche des Meßobjektes 1 gleichzeitig ausgeleuchtet wird, und zwar mit einer
ausreichend großen Intensität.
Im Ausführungsbeispiel hat der Linienprojektor 2 sechshundertvierzig horizontale und
sechshundertvierzig vertikale, schaltbare Linien. Bei geringeren Anforderungen an die
Meßgenauigkeit könnte aber auch Linienprojektor mit beispielsweise dreihundert
zwanzig schaltbaren Linien, bei höheren Anforderungen an die Meßgenauigkeit bei
spielsweise ein solcher mit zwölfhundertachtzig schaltbaren Linien eingesetzt werden.
Eine CCD-Kamera 3, also eine Videokamera, die im Ausführungsbeispiel
512 × 512 Pixel aufweist, wird an wenigstens zwei unterschiedlichen Standorten auf
gestellt, die im Ausführungsbeispiel durch ausgezogene bzw. gestrichelte Linien dar
gestellt sind und die so gewählt werden, daß in jeder Position die gesamte zu vermes
sende Oberfläche des Meßobjektes 1 erfaßt wird und außerdem die optische Achsen
des Linienprojektors 2 und der Kamera in ihrer jeweiligen Position einen für die zu
erzielende Meßgenauigkeit ausreichend großen Konvergenzwinkel einschließen.
Die CCD-Kamera 3 erfaßt in den unterschiedlichen Meßpositionen nicht nur die ge
samte Oberfläche des Meßobjektes 1 in Form von etwa 250.000 Bildpunkten, sondern
auch eine gewisse Anzahl von homologen Marken 4, die entweder auf die Objektober
fläche vor der Vermessung mechanisch aufgebracht worden sind, durch markante und
dadurch identifizierbare Punkte der Oberfläche gebildet werden, durch spezielle Mar
kenprojektoren aufprojiziert wurden, also permanente Marken sind, oder mittels des
Linienprojektors 2 erzeugt werden, also temporäre Marken sind. Die vorhandenen
homologen Marken 4 können aus nur einer dieser drei Arten von homologen Marken,
teilweise aus der einen und im übrigen aus einer der beiden anderen Arten oder aus
allen drei Arten ausgewählt sein. Vorteilhaft ist, wenn die homologen Marken 4 mög
lichst große Abstände voneinander haben und den zu vermessenden Objektbereich
weitestgehend umschließen.
Die nacheinander auf die zu vermessende Objektoberfläche mit Hilfe des schaltbaren
Lichtmodulators projizierten, codierten Linienmuster können zur Erhöhung der Orts
auflösung auch mit einer sinusförmigen oder anderen in bekannter weise definierten
Lichtintensitätsverteilung erzeugt werden. Ferner kann man durch in kurzen Zeitab
ständen mit unterschiedlichem Schaltzustand des Lichtmodulators aufgenommene
Bilderpaare durch Subtraktion der Helligkeitswerte Störeinflüsse, insbesondere des
Umgebungslichtes, unterdrücken.
Die mit der CCD-Kamera 3 von den unterschiedlichen Positionen aus aufgenommenen
Bilder der mit dem codierten Linienmuster überzogenen Objektoberfläche werden
zunächst in digitaler Form gespeichert, d. h., von jedem der Bildpunkte der Videobil
der, denen je ein Punkt auf der Oberfläche des Meßobjektes 1 entspricht, werden der
Helligkeitswert und die Koordinaten gespeichert.
Aufgrund dieser gespeicherten Bilder werden zur Systemkalibrierung anhand der ho
mologen Marken 4 mit Hilfe eines marktgängigen Programmes zu der aus der Photo
grammetrie bekannten Bündelausgleichsrechnung von einem Rechner die Orte aller
homologen Marken 4 im Meßkoordinatensystem, der Ort und die äußere Orientierung
sowohl des Linienprojektors 2 als auch der CCD-Kamera 3 in beiden Meßpositionen
und außerdem, falls nicht schon vorher bestimmt, die optischen Konstanten des Li
nienprojektors 2 und der CCD-Kamera 3 sowie die Parameter zur Korrektur von Ob
jektivfehlern ermittelt. Außerdem wird eine Skalierung aufgrund einer Meßstrecke
vorgenommen. Sofern zumindest zwei Aufnahmen der gesamten Objektoberfläche aus
unterschiedlichen Blickrichtungen mit mindestens 5 homologen Punkten in den Bil
dern gemacht worden sind, braucht der Linienprojektor 2 nicht in die Kalibrierung
einbezogen zu werden, d. h., seine Daten brauchen nicht berechnet zu werden.
Für die weitere Auswertung der aufgenommenen Bilder ist es in der Regel sinnvoll,
vom Meßkoordinatensystem auf ein sogenanntes Weltkoordinatensystem überzuwechseln.
Nach der Kalibrierung berechnet der Rechner für jeden Oberflächenpunkt, der einem
der Bildpunkte in einem der Videobilder entspricht, die Weltkoordinaten. Da diese
Bildpunkte und damit auch die Oberflächenpunkte sehr eng nebeneinander liegen, die
Punktdichte also sehr groß ist, spricht man hier von einem bildgebenden Meßverfah
ren.
Aus verschiedenen Gründen kann es unmöglich sein, den gesamten interessierenden
Teil der Oberfläche eines Meßobjektes mit einer einzigen Positionierung des Projek
tors so auszuleuchten. Ferner kann eine Ausleuchtung nur eines Teilbereiches der
Oberfläche mittels des Projektors notwendig sein, weil sonst der Abstand des Projek
tors vom Objekt zu groß und damit die Intensität der Lichtstruktur zu gering werden
würde. Weiterhin kann eine Vermessung von Teilbereichen notwendig sein, weil die
Kamera von verschiedenen Standorten oder mit unterschiedlichen Orientierungen auf
die Oberfläche des Objektes gerichtet werden muß, um alle Einzelheiten erfassen zu
können oder weil die notwendige Auflösung es verlangt, nur einen Teilbereich der
Oberfläche des Objektes mit der Kamera zu erfassen.
Ausführungsbeispiel zu Fig. 2:
Die zu vermessende Oberfläche des Meßobjektes 11, bei dem es sich beispielsweise
um ein Flugzeugflügelprofil normaler Größe handelt, wird, wie Fig. 2 zeigt, in eine
Vielzahl von sich überlappende Teilbereiche 15a bis 15o unterteilt. Ein wegen des
erforderlichen relativ großen Abstandes vom Meßobjekt 11 mit einem Teleobjektiv
ausgerüsteter Linienprojektor, der im übrigen wie der Linienprojektor 2 ausgebildet ist,
wird zunächst an einem Ort P1 so positioniert und auf das Meßobjekt 11 ausgerichtet,
daß dessen Teilbereich 15a vollständig von dem vom Linienprojektor erzeugten Li
nienmuster überdeckt ist. Eine Videokamera 13, die wegen des relativ großen Abstan
des vom Meßobjekt 11 ebenfalls mit einem Teleobjektiv ausgerüstet ist, im übrigen
aber wie die CCD-Kamera 3 ausgebildet ist, wird zunächst an einem Ort Kl so aufge
stellt, daß sie den gesamten Teilbereich 15a zu erfassen vermag und außerdem ein
ausreichend großer Konvergenzwinkel zwischen ihrer optischen Achse und derjenigen
des Linienprojektors vorhanden ist. Anschließend wird die Videokamera an einem Ort
K2 positioniert, von dem aus sie den gesamten Teilbereich 15a unter einem anderen
Blickwinkel aufnehmen kann. Dieser Ort K2 ist außerdem so gewählt, daß die optische
Achse der Videokamera in dieser Position einen ausreichend großen Winkel mit der
optischen Achse des Linienprojektors und der Videokamera in der Position am Ort K1
einschließt.
Die bildmäßige Erfassung des Teilbereiches 15a ist also identisch mit der bildmäßigen
Erfassung der gesamten Oberfläche des relativ kleinen Meßobjektes 1 des ersten Aus
führungsbeispiels. Deshalb ist es auch notwendig, daß jeder der Teilbereiche eine ge
wisse Anzahl von homologen Marken aufweist, welche wie die homologen Marken 4
erzeugt werden können. Diese in Fig. 2 nicht dargestellten homologen Marken sind
nach den gleichen Gesichtspunkten wie bei dem Meßobjekt 1 anzuordnen. Allerdings
ist darauf zu achten, daß in jedem Überlappungsbereich 16 wenigstens drei homologe
Marken vorhanden sind, weil diese dazu benötigt werden, die Bilder benachbarter
Teilbereiche richtig aneinanderfügen zu können.
Wenn vom Teilbereich 15a alle für die Systemkalibrierung sowie für die dreidimensio
nale optische Vermessung erforderlichen Aufnahmen mit der Videokamera gemacht
worden sind, wird, während sich die Videokamera noch am Ort K2 in der für die Auf
nahme des Teilbereiches 15a erforderlichen Position befindet, der Projektor auf den
Teilbereich 15b gerichtet, der im Überlappungsbereich 16 sich mit dem Teilbereich
15a überlappt. Nun wird bei unveränderter Orientierung der Videokamera eine weitere
Aufnahme gemacht, aufgrund deren wegen des von ihr erfaßten Überlappungsberei
ches 16 mit Hilfe des Rechners später die vom Teilbereich 15b gemachten Aufnahmen
koordinatenrichtig an die Aufnahmen des Teilbereiches 15a angefügt werden können.
Danach wird der Teilbereich 15b mittels der Videokamera von den Positionen K2 und
K1 aus aufgenommen.
Ehe die Videokamera danach auf den Teilbereich 15c gerichtet werden kann, muß
zunächst der Projektor auf den Teilbereich 15c gerichtet werden. Der Projektor ist
deshalb zweckmäßigerweise auf einem Stativ angeordnet, das die erforderlichen
Schwenkbewegungen des Projektors für die nacheinander erforderliche Projektion des
Linienmusters auf die Teilbereiche 15a bis 15c in einfacher Weise ermöglicht. Nach
dem mit der Videokamera aus der gegenüber der letzten Aufnahme des Teilbereiches
15b unveränderten Position nochmals eine Aufnahme gemacht worden ist, welche den
zwischen den Teilbereichen 15b und 15c sich befindenden Überlappungsbereich 16
mit den hier vorgesehenen homologen Marken erfaßt, können nun die verschiedenen
Aufnahmen des Teilbereiches 15c von den Orten K1 und K2 aus ausgeführt werden.
Nun wird der Projektor auf den seitlich neben dem Teilbereich 15c liegenden Teil
bereich 15d gerichtet. Hierzu bedarf es nur einer Schwenkung des Projektors. An
schließend werden, wie vorstehend für die Teilbereiche 15a bis 15c geschildert, die
Aufnahmen des Teilbereiches 15d gemacht. In entsprechender Weise erfolgt der Über
gang zum folgenden Teilbereich und dessen bildmäßiger Erfassung für alle übrigen
Teilbereiche 15e bis 15o.
Die gesamte Oberfläche des Meßobjektes 11 wird also zeilenweise ohne Sprung mäan
drierend, d. h. bei aufeinanderfolgenden Zeilen in entgegengesetzter Richtung fort
laufend erfaßt, weshalb man auch von einem Scanner-System mit einem Sendescanner
und einem Empfangsscanner bei dem Projektor bzw. der Videokamera sprechen kann.
Vorteilhaft ist die zeilenförmige, sprungfreie Folge bei der Erfassung der Teilbereiche
nicht nur wegen der vereinfachten Ausrichtung von Projektor und Videokamera auf
die Teilbereiche im Falle einer schwenkbaren Anordnung auf einem Stativ. Sie ist vor
allem für die Beseitigung von Fehlern aufgrund der Anfügung eines Teilbereiches an
den vorhergehenden Teilbereich vorteilhaft, wenn beispielsweise der Teilbereich 15f
nicht nur an den vorausgehenden Teilbereich 15e, sondern auch an den seitlich neben
ihm liegenden Teilbereich 15a rechnerisch angefügt werden kann.
Wie in Fig. 2 dargestellt, kann es bei großen Meßobjekten erforderlich sein, den Pro
jektor an unterschiedlichen Orten anzuordnen, um alle Teilbereiche 15a bis 15o mit
dem Linienmuster vollständig überziehen zu können. Im Ausführungsbeispiel ist es
erforderlich, nach der Erfassung der Teilbereiche 15a bis 15f, während deren der Pro
jektor sich am Ort P1 befindet, den Projektor für die Erfassung der Teilbereiche 15g
bis 15o am Ort P2 aufzustellen. Im Ausführungsbeispiel kann der Projektor von die
sem Ort aus durch Schwenkbewegungen um zwei im Winkel zueinander verlaufende
Achsen nacheinander alle Teilbereiche 15b bis 15o ausleuchten. Für die von den Teil
bereichen 15g bis 15o zu machenden Aufnahmen wird im Ausführungsbeispiel die
Videokamera an den Orten K3 und K4 aufgestellt.
Nachdem die Aufnahmen aller Teilbereiche 15a bis 15o digital abgespeichert worden
sind, wird zunächst die Systemkalibrierung in der im Zusammenhang mit dem Aus
führungsbeispiel gemäß Fig. 1 beschrieben Weise durchgeführt. Danach kann der
Rechner die Weltkoordinaten für alle einem der Bildpunkte entsprechenden Oberflä
chenpunkte der Teilbereiche 15a bis 15o berechnen.
Selbstverständlich wäre es möglich, mehr als einen Linienprojektor zu verwenden und
beispielsweise den einen am Ort P1 und den anderen am Ort P2 aufzustellen. Ebenso
könnte mit wenigstens zwei Videokameras gearbeitet werden.
Claims (15)
1. Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung der Oberfläche von
Objekten mit großer Punktdichte, bei dem mittels eines Projektors veränderbare
Lichtstrukturen auf die zu vermessende Oberfläche projiziert, zumindest ein Teil
der so beleuchteten Oberfläche mittels einer Videokamera aufgenommen, in
einer Kalibrierung die inneren und äußeren Orientierungen der Kamera und des
Projektors bestimmt und die Koordinaten der den Bildpunkten entsprechenden
Punkte auf der Objektoberfläche berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß
ein und derselbe Bereich der Objektoberfläche mindestens aus einer von der
Projektionsrichtung unterschiedlichen Richtung bei unveränderter Position und
Projektionsrichtung des Projektors aufgenommen wird und daß mit Hilfe von
objektfesten homologen Marken auf der Objektoberfläche oder anderen statisch
zu dem Objekt angeordneten Kalibrierflächen unter Anwendung der Bündelaus
gleichsrechnung die Kalibrierung durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Aufnah
men mittels wenigstens einer zusätzlichen Videokamera gemacht und jede vor
handene zusätzliche Kamera in die Kalibrierung einbezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrie
rung nur für die Videokamera oder Videokameras durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß we
nigstens ein Teil der homologen Marken durch Muster gebildet wird, die mittels
des Projektors auf die Oberfläche des Objektes projiziert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberfläche des Objektes in sich überlappende Teilbereiche mit wenigstens je
drei homologen Marken in jedem Überlappungsbereich unterteilt wird und daß
diese Teilbereiche einzeln mit der Lichtstruktur beleuchtet und aus den unter
schiedlichen Richtungen aufgenommen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche in
zeilen- oder spaltenweiser sprungfreier Folge d. h. mäandrierend erfaßt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auf
nahme verschiedener Teilbereiche der Objektoberfläche die Videokamera
und/oder der Projektor um meßbare Winkel geschwenkt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei
einer Positionsänderung des Projektors für eine Projektion der Lichtstruktur auf
unterschiedliche Oberflächenbereiche mit sich überlappenden Teilbereichen
letztere bei unveränderter Position der Videokamera sowohl vor als auch nach
der Positionsänderung des Projektors aufgenommen werden und aufgrund dieser
Aufnahmen die neue Position des Projektors rechnerisch bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
veränderbare Lichtstruktur mit Hilfe wenigstens eines LCD-Lichtmodulators
erzeugt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit
einem zusätzliche Projektor eine permanente Marke projiziert wird, und die
Orientierung dieses Projektors solange unverändert bleibt, bis der Ort der zu
gehörigen permanenten Marke in allen überlappenden Teilbereichen aufgenom
men wurde.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
projizierte permanente Marke kreisförmig ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
projizierte permanente Marke kreisförmige Ringe enthält.
13. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Markenprojektor mehrere fest zueinander orientierte permanente Marken auf
das Objekt projiziert.
14. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Markenprojektoren für permanente homologe Marken verwendet wer
den und diese vorzugsweise auf die Überlappungsbereiche der Teilflächen ge
richtet werden.
15. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die
Monüerungen und Bewegungsachsen von Projektor und Kameras kalibriert sind
und daß nach der Bestimmung der äußeren Orientierungen auch Vorwärtsschrit
te der projizierten Linienmuster mit den Aufnahmen durchgeführt werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995102459 DE19502459A1 (de) | 1995-01-28 | 1995-01-28 | Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung der Oberfläche von Objekten |
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DE19502459A1 true DE19502459A1 (de) | 1996-08-01 |
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DE1995102459 Ceased DE19502459A1 (de) | 1995-01-28 | 1995-01-28 | Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung der Oberfläche von Objekten |
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