DE19626889A1

DE19626889A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Geometriedaten aus unterschiedlichen Beobachtungspositionen

Info

Publication number: DE19626889A1
Application number: DE1996126889
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Breuckmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-04
Filing date: 1996-07-04
Publication date: 1998-01-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung und Vermessung der Lage, Form, Formtreue und dergleichen von Objekten bzw. deren Veränderungen unter Anwendung von optischen 3D-Meßverfahren, bei denen das zu untersuchende Objekt aus unterschiedlichen Beobachtungspositionen erfaßt wird, wobei die Lage des verwendeten 3D-Sensors relativ zum Objekt für die einzelnen Beobachtungspositionen anhand der Vermessung von Lichtstrukturen erfolgt, die mit einem Textur-Projektor auf das Objekt aufprojiziert werden. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Vermessung von Objekten unter Anwendung von optischen 3D-Meßverfahren, bei denen das zu untersuchende Objekt aus unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen erfaßt wird, mit einem Textur-Projektor, Lichtstrukturen auf der Objektoberfläche, einem optischen 3D-Sensor sowie einer Speicher - und Auswerte-Einheit.

Zur Vermessung der Lage und Form von Objekten bzw. deren Veränderungen werden optische 3D-Meßverfahren wie z. B. Lichtschnittverfahren, Topometrie, Photogrammetrie eingesetzt. Eine komplette Erfassung der Objektgeometrie kann dabei i.a. nur erfolgen, wenn das zu untersuchende Objekt bzw. die Meßszene aus unterschiedlichen Beobachtungspositionen bzw. -richtungen aufgenommen wird. Die in den einzelnen Aufnahmen gemessenen 3D-Daten sind a priori auf das Koordinatensystem des verwendeten 3D-Sensors bezogen, müssen aber für die weitere Verarbeitung meistens auf ein gemeinsames Koordinatensystem (Welt- bzw. Objektkoordinatensystem) umgerechnet werden können. Aus der Literatur sind im wesentlichen 3 unterschiedliche Ansätze zur Lösung dieser Aufgabe bekannt, welche häufig als "Matching-Problem" bezeichnet wird.

In "Bildverarbeitung und optische Meßtechnik", Bernd Breuckmann, Franzis-Verlag 1993, wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein topometrischer 3D-Sensor von einer hochgenauen Koordinatenmeßmaschine (KMM) geführt wird. Das Objekt ist stationär auf der Meßplatte der KMM befestigt; seine Lage und Orientierung relativ zur KMM wird durch eine Einmessung mittels mechanischem Taster bestimmt. Die aktuelle Position und Orientierung des 3D-Sensors ist durch die Stellung der Koordinatenmeßmaschine definiert. Damit kann auch die relative Lage des Sensors zum Objekt - auch "äußere Orientierung" genannt - für die jeweilige Beobachtungsrichtung berechnet werden. Ist die äußere Orientierung des Sensors für jede Beobachtungsposition bekannt, so lassen sich nach den Gesetzen der Koordinatentransformation alle gemessenen 3D-Daten auf ein gemeinsames Koordinatensystem umrechnen. Alternativ zur Führung des Sensors kann auch das Objekt mit einem Positioniersystem bewegt werden. Ebenso sind Kombinationen von hochgenauer Sensor- bzw. Objektpositionierung möglich. Diese Verfahren erfordern jedoch ein hinreichend genaues - und damit zumeist teures - Positioniersystem, wodurch außerdem die Mobilität des Meßsystems stark eingeschränkt wird.

Ein anderes Verfahren ist aus der photogrammetrischen Meßtechnik bekannt und wird in der gleichen Literatur ebenfalls am Beispiel der topometrischen Meßtechnik beschrieben. Dabei werden Paßmarken auf die Oberfläche des zu messenden Objektes aufgeklebt bzw. zusätzliche Vorrichtungen mit Paßmarken in die Meßszene eingebracht. Die räumliche Lage der Paßmarken wird aus den verschiedenen Beobachtungsrichtungen gemessen, wobei aus den Koordinaten von jeweils mindestens 3 Paßmarken die äußere Orientierung des Sensors bestimmt werden kann. Das Aufbringen der Paßmarken auf das Objekt bzw. das Einbringen zusätzlicher Vorrichtungen ist jedoch häufig nicht möglich - z. B. bei heißen Objekt oberflächen - bzw. mit einem erheblichen Zusatzaufwand verbunden, insbesondere bei komplexen bzw. großen Meßobjekten, für die eine Vielzahl von Teilaufnahmen benötigt wird.

In Optik, Annual Report 1995, Erlangen, wird ein weiteres Verfahren beschrieben, bei dem das Matchen der 3D-Datensätze anhand von am Objekt ohnehin vorhandenen Merkmalen, z. B. Grauwertstrukturen bzw. Oberflächenkrümmungen, erfolgt, ohne daß die äußere Orientierung des Sensors bekannt ist. Dieses Verfahren setzt jedoch das Vorhandensein von hinreichend unterscheidbaren natürlichen Objektmerkmalen voraus und erfordert zudem einen sehr großen Rechenaufwand.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche es gestatten, das Matching-Problem zu lösen und dabei die Nachteile der bekannten Verfahren und Ausführungen zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 8, vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt mittels eines optischen 3D-Sensors vermessen wird, wobei die äußere Orientierung des 3D-Sensors, d. h. seine Lage und Orientierung relativ zum Objekt, anhand von Lichtmarken erfaßt und bestimmt wird, welche mit einem Textur-Projektor auf das Objekt bzw. in die Meßszene projiziert werden. Dies wird im folgenden Beispiel anhand der Fig. 1 erläutert.

Der Textur-Projektor 1 projiziert ein - im einfachsten Fall - gleichmäßiges Muster von Lichtmarkten 2 auf eine Objektoberfläche 3, ein 3D-Sensor 4 beobachtet ein Meßfeld 5 der Objektoberfläche aus Position 6. Aus der Messung der räumlichen Lage von mindestens drei Lichtmarken 7 kann die äußere Orientierung des 3D-Sensors für die aktuelle Beobachtungsposition bestimmt werden. Anschließend wird der 3D-Sensor in eine neue Position 8 gebracht, aus der ein zweites Meßfeld 9 beobachtet wird, welches das erste Meßfeld so überlappt, daß die gleichen Lichtmarken sichtbar sind und vermessen werden können. Damit ist auch die äußere Orientierung des 3D-Sensors für diese zweite Beobachtungsposition bekannt. Zusätzlich kann in dieser Position ein Satz weiterer Lichtmarken 10 vermessen werden, welcher dann auch aus einer dritten Sensor-Position 11 beobachtet werden. Auf diese Weise kann die gesamte vom Textur-Projektor ausgeleuchtete Objektoberfläche abschnittsweise vermessen werden.

Eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Unteranspruch 2 dargestellt. Durch die rechnersteuerbare Schaltung der projizierten Lichtmuster können diese bei der eigentlichen 3D-Vermessung der Objektoberfläche, wenn erforderlich, ausgeschaltet werden. Auf diese Weise bleibt die Meßwerterfassung auch bei 3D-Meßverfahren, die selbst mit strukturierter Beleuchtung arbeiten, z. B. Topometrische Verfahren, unbeeinflußt. Die Vermessung der projizierten Lichtstrukturen kann in diesem Falle in einem separaten Meßvorgang erfolgen. Ein weiterer Vorteil eines schaltbaren Projektors liegt in der Tatsache, daß Form, Lage und gegebenenfalls Farbe der Lichtmarken anwendungsbezogen definiert werden können.

In den Unteransprüchen 3-5 werden vorteilhafte Ausführungen der projizierten Lichtstrukturen beschrieben. So gestattet die Verwendung von Lichtstrukturen mit unterscheidbaren Merkmalen, daß jede einzelne Lichtmarke bei der Auswertung automatisch erkannt und identifiziert werden kann. Dadurch können die aus verschiedenen Beobachtungspositionen aufgenommenen Lichtmarken einander eindeutig zugeordnet werden. Unterscheidbare Lichtstrukturen lassen sich insbesondere durch Farbcodierung bzw. mittels stochastischen Mustern erzeugen. In diesen Fällen kann eine Erkennung der Strukturmerkmale in einfacher Weise mittels Farbklassifikation bzw. mit Hilfe von Korrelationsverfahren erfolgen.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemaßen Verfahrens besteht in der Tatsache, daß - wie in Unteranspruch 6 beschrieben - ohne Zusatzaufwand bei der Messung eine große Anzahl von Lichtmarken projiziert werden kann. Damit kann die Bestimmung der äußeren Orientierung des Sensors jeweils auf einer überbestimmten Menge von Merkmalsdaten erfolgen, woraus nach den Regeln der Ausgleichsrechnung eine erhöhte Genauigkeit resultiert.

In einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Textur- Projektor gemäß Unteranspruch 7 beweglich angeordnet. Damit können auch größere Meßszenen bzw. Rundum-Vermessungen erfolgen, die mit einem feststehenden Projektor nicht als Ganzes ausgeleuchtet werden können. In diesem Fall ist eine sukzessive Erweiterung des Meßfeldes möglich, wenn die Position bzw. Orientierung des Textur-Projektors bei sonst konstanter Meßanordnung, d. h. bei fester Position des 3D-Sensors relativ zum Objekt, verändert wird. Durch eine Vermessung der projizierten Lichtstrukturen vor und nach der Bewegung des Textur-Projektors können beide Positionen des Projektors in Bezug auf die unveränderte Meßanordnung bestimmt werden. Damit ist auch die räumliche Orientierung der beiden Projektorpositionen bekannt. Danach kann in bekannter Weise die Meßanordnung verändert bzw. der 3D-Sensor bewegt und dessen äußere Orientierung zum Objekt anhand der jetzt eingemessenen neuen Projektorposition ermittelt werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vermessung von Objekten unter Anwendung von optischen 3D-Meßverfahren besteht aus

- einem Textur-Projektor
- Lichtmarken auf der Objektoberfläche
- einem optischen 3D-Sensor
- einem Speicher und/oder Rechner,

und ist dadurch gekennzeichnet, daß

- die Lichtmarken mittels des Textur-Projektors auf die Objektoberfläche projiziert werden
- die Objektgeometrie und die Lichtmarken aus unterschiedlichen Beobachtungspositionen erfaßt und vermessen werden und
- die Lage des 3D-Sensors relativ zum Objekt anhand der vermessenen Lichtmarken bestimmt wird.

Dabei werden gemäß Unteranspruch 9 vorzugsweise rechnersteuerbare Projektoren mit schaltbaren Lichtstrukturen eingesetzt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 10 und 11 beschrieben. Bei Verwendung eines LCD-Projektors lassen sich beispielsweise bis zu 680 _* 480 Bildpunkte getrennt schalten und als Lichtmarken in die Meßszene projizieren. Die Selektion der Bildpunkte kann in Video-Echtzeit erfolgen und erfordert keine beweglichen Vorrichtungen. Dabei können wahlweise s/w-Strukuren oder farbige Lichtmuster generiert werden. In einer anderen Ausführungsform werden Laser- Scanner eingesetzt, mit denen Lichtmarken und -strukturen mit hoher Geschwindigkeit und Ortsauflösung projiziert werden können.

Durch den in den Unteransprüchen 12 und 13 beschriebenen Einsatz von mehreren Textur- Projektoren, die wahlweise beweglich angeordnet sein können, werden die Flexibilität und Einsatzbreite der Meßvorrichtung erhöht, da größere Meßszenen bzw. komplexe Objektstrukturen einfacher und schneller meßtechnisch erfaßbar sind.

Ebenso können gemäß Unteranspruch 14 vorteilhaft mehrere 3D-Sensoren eingesetzt werden, die gegebenenfalls auf unterschiedlichen 3D-Meßprinzipien berühren können. Beispielsweise kann eine Kombination von topometrischen und photogrammetrischen Sensoren verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung und Vermessung der Lage, Form, Formtreue und dergleichen von Objekten bzw. deren Änderungen unter Anwendung von optischen 3D-Meßverfahren dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Textur-Projektor Lichtmarken auf das Objekt projiziert werden

- daß das zu untersuchende Objekt mittels eines 3D-Sensors aus unterschiedlichen Beobachtungspositionen erfaßt bzw. vermessen wird,
- daß die aufprojizierten Lichtmarken ebenfalls aus den unterschiedlichen Beobachtungspositionen erfaßt und vermessen werden und
- daß für eine oder mehrere Beobachtungspositionen die Lage und Orientierung des 3D-Sensors relativ zum Objekt aus den vermessenen Lichtmarken berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufprojizierten Lichtmarken rechnergesteuert definiert und geschaltet werden können.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die projizierten Lichtmarken unterscheidbare Strukturmerkmale aufweisen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß farbcodierte Lichtstrukturen projiziert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß stochastische verteilte Lichtstrukturen projiziert werden.

6. Verfahren nach einem-der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine so große Anzahl von Lichtmarken projiziert und ausgewertet wird, daß die Berechnung der Lage und Orientierung des verwendeten 3D-Sensors anhand einer überbestimmten Anzahl von Strukturmerkmalen erfolgen kann.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Textur- Projektor beweglich angeordnet ist, wobei eine Veränderung der Projektorposition oder -orientierung bei sonst konstanter Meßanordnung erfolgt und die projizierten Lichtstrukturen sowohl vorher als auch nachher vermessen werden.

8. Vorrichtung zur Erfassung und Vermessung der Lage, Form, Formtreue und dergleichen von Objekten bzw. deren Änderungen unter Anwendung von optischen 3D-Meßverfahren, mit

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Lichtmarken mittels des Textur-Projektors auf die Objektoberfläche projiziert werden
- daß die Erfassung bzw. Vermessung der Objektgeometrie mit Hilfe des optischen 3D- Sensors aus unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen erfolgt
- daß die aufprojizierten Lichtmarken ebenfalls aus den unterschiedlichen Beobachtungs positionen erfaßt und vermessen werden und
- daß für eine oder mehrere Beobachtungspositionen die Lage und Orientierung des 3D-Sensors relativ zum Objekt anhand der vermessenen Lichtmarken bestimmt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein rechnersteuerbarer Textur- Projektor mit schaltbaren Lichtstrukturen verwendet wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein LCD- Projektor verwendet wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser- Scanner zur Projektion der Lichtmarken verwendet wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Textur-Projektoren eingesetzt werden.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Textur-Projektoren beweglich angeordnet sind, wobei eine Veränderung der Projektorposition oder -orientierung bei sonst konstanter Meßanordnung erfolgt und die projizierten Lichtstrukturen sowohl vorher als auch nachher vermessen werden.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere 3D-Sensoren eingesetzt werden.