DE19638758A1 - Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung von ObjektenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten
durch optische Aufnahmen, aufprojizierte Muster und Triangulationsberechnungen,
bei dem die Einrichtungen für die Projektion des Musters und für die Bildaufnahme
voneinander getrennt aufgebaut sind und für die Vermessung unabhängig
voneinander positioniert werden können.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für ein solches Verfahren.
Zum Zweck der Vermessung bietet der Einsatz von Verfahren, die auf optischer
Grundlage arbeiten, eine Vielzahl von Vorteilen. Eine Vermessung kann schnell und
berührungslos erfolgen. Zum Stand der Technik gehören elektronische Bildwandler,
beispielsweise CCD-Arrays, deren Ausgangssignale unmittelbar nach einer
Digitalisierung gespeichert oder ausgewertet werden können.
Bekannt sind Verfahren und Vorrichtungen zur Darstellung und optischen
dreidimensionalen Vermessung von räumlichen Oberflächen. Sie basieren auf
Triangulationsverfahren, bei denen unter einem bestimmten Winkel Punkt-, Linien- oder
beliebige andere Muster auf die betrachtete Oberfläche projiziert werden und die
projizierten Muster unter einem anderen Blickwinkel mit einer Optik und einem
Bildwandler aufgenommen werden. Die bekannte Geometrie zwischen
Projektionsrichtung und Aufnahmerichtung erlaubt die dreidimensionale Berechnung
von Stützpunkten der Oberfläche.
Projiziert man auf ein Objekt mit räumlichen Erstreckungen beispielsweise ein
gleichmäßiges Linienmuster, ergibt sich bei einer von der Projektionsrichtung
verschiedenen Blickrichtung aufgrund der Oberflächengestalt des Objekts ein
verzerrtes Linienmuster. Bildet man aus dieser Betrachtungsrichtung das Objekt
durch eine geeignete Optik auf ein CCD-Array ab, digitalisiert man die Bildsignale und
stellt sie einer Datenverarbeitungseinheit zur Verfügung, ist es möglich, an
verschiedenen Stellen des Bildes die Linien zu identifizieren und bei Kenntnis des
optischen Strahlengangs und unter Berücksichtigung der geometrischen Ausbildung
des projizierten Linienmusters über Triangulation 3D-Koordinaten zu errechnen.
Es gehört zum Stand der Technik, bei der Aufnahme mehrerer Einzelbilder mit
unterschiedlicher Aufnahmerichtung, die gewonnenen Teilinformationen über
dreidimensionale Oberflächen anhand der 3D-Koordinaten übereinstimmender
Oberflächensegmente mittels sogenannter "Matching-Algorithmen" zu einer
Gesamtinformation zu kombinieren.
Nun ist es beispielsweise für endoskopische Untersuchungen wünschenswert
- a) getrennte Einheiten für die Projektion des Musters und für die Bildaufnahme zu verwenden und diese mit einer frei wählbaren Ausrichtung gegenüber der zu vermessenenden Oberfläche einzusetzen. Um für die Triangulationsberechnung relevante Daten zu erhalten darf hierbei ein minimaler Winkel zwischen der Ausrichtung der beiden Einheiten nicht unterschritten werden;
- b) sofern eine Folge von Einzelbildern aufgenommen wird, während des Aufnahmevorgangs die Position und Ausrichtung der beiden Einheiten gegenüber dem Objekt, zur Vereinfachung der Handhabung, unabhängig voneinander zu verändern, beispielsweise um weitere Oberflächenbereiche durch zusätzlichen Bildaufnahmen vermessen zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren und die Vorrichtung zur
dreidimensionalen Vermessung von Objekten der eingangs beschriebenen Art zu
schaffen, bei dem die Position und Orientierung der Aufnahmeeinheit und der
Projektionseinheit zueinander bestimmt werden kann und für den Fall, daß mehr als
eine Aufnahme zweckdienlich ist, die im Verlauf des Aufnahmevorgangs erfolgte
unabhängige Bewegung der beiden Einheiten zueinander zuverfolgen. Für die
Triangulationsberechnung muß dann der für das jeweilige Einzelbild ermittelte
geometrische Zusammenhang zwischen Bildaufnahme und Musterprojektion
berücksichtigt werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Verfahren dadurch gelöst, daß unter
Verwendung
- a) eines flächigen elektronischen Bildwandlers ein Aufnahmevorgang durchgeführt wird;
- b) einer Strahlquelle und geeigneten optischen Mitteln ein Muster unter einem von der Aufnahmerichtung verschiedenen Winkel auf das zu vermessende Objekt projiziert wird;
- c) einer geeigneten Einheit die Ausgangssignale des Bildwandlers digitalisiert werden und diese Daten einer Datenverarbeitungsanlage zur Verfügung gestellt werden;
- d) einer Datenverarbeitungsanlage mittels geeigneter Schaltungen und/oder Algorithmen aus den Bilddaten der Einzelbilder über Triangulationsberechnungen 3D-Koordinaten von Punkten der Oberfläche des zu vermessenden Objekts bestimmt werden:
weitere Einrichtungen derart vorgesehen und/oder die zum Einsatz kommenden
Verfahren und/oder Einrichtungen derart ausgebildet werden, daß die Position und
Ausrichtung der Aufnahmeeinheit und der Projektionseinheit zueinander bestimmt
werden kann. Ist die Position und Ausrichtung beider Einheiten für die Aufnahme
eines Einzelbildes zueinander bekannt, können in der bekannten Art und Weise für
eine Anzahl von Punkten der Oberfläche über Triangulationsberechnung 3D-Koordinaten
ermittelt werden.
Es ist erfindungsgemäß vorteilhaft zu diesem Zweck zusätzliche Einrichtungen zu
verwenden, um die Position und Ausrichtung der Aufnahmeeinheit und der
Projektionseinheit zueinander zu messen.
Dies kann erfindungsgemäß vorteilhaft sowohl direkt als auch indirekt, sowohl tastend
oder mit den Meßmitteln verbunden als auch berührungslos, beispielsweise auf
optischem Weg erfolgen.
Sollen nun zusätzliche Informationen als zu den aus einer Einzelaufnahme
akquirierten Informationen über das Objekt erfaßt werden, muß die Aufnahmeeinheit
in der Lage sein eine Folge von Einzelbildern aufzunehmen. Für die
erfindungsgemäße Aufgabe, daß die Projektionseinheit und die Aufnahmeeinheit im
Verlauf des Aufnahmevorgangs unterschiedlich bewegt werden, müssen die
Einrichtungen und/oder Verfahren erfindungsgemäß vorteilhaft derart ausgebildet
sein, daß auch für die Folgebilder die geometrische Anordnung der Aufnahmeeinheit
und der Projektionseinheit zueinander bestimmt werden kann.
Dies kann erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch gewährleistet werden, daß die oben
genannten Meßmittel auch zum Zeitpunkt der zusätzlich durchgeführten Aufnahmen
ausgewertet und die Meßergebnisse in der beschriebenen Art und Weise in der
Triangulationsberechnung berücksichtigt werden.
Für den Fall, daß in der Folge der Einzelbilder das Objekt derart aufgenommen wird,
daß die aus dem Einzelbild ermittelten 3D-Koordinaten zu einem nennenswerten
Anteil übereinstimmende Oberflächensegmente beschreiben, können - wie oben
beschrieben - die jeweiligen 3D-Informationen durch zum Stand der Technik
gehörende "Matching-Algoritmen" kombiniert werden.
Erfolgt die Aufnahme der Einzelbilder in schneller Folge, kann bei entsprechender
Handhabung der Einheiten davon ausgegangen werden, daß - erstens - der Anteil
übereinstimmender Oberflächensegmente ausreichend ist und - zweitens - die
geometrische Zuordnung der Aufnahmeeinheit und der Projektionseinheit zueinander
nur in Maßen gegenüber der vorherigen Aufnahme verändert wurde.
War also die Zuordnung beider Einheiten bei beispielsweise der ersten Aufnahme
bekannt und konnte eine nennenswerte Anzahl von die Oberfläche beschreibenden
3D-Koordinaten berechnet werden, dann unterscheiden sich die in der nächsten
Aufnahme enthaltenen Informationen in folgenden Komponenten:
- a) die 3D-Koordinaten der übereinstimmenden Oberflächensegmente können linear in den drei Raumrichtungen versetzt abgebildet sein;
- b) die 3D-Koordinaten der übereinstimmenden Oberflächensegmente können bezogen auf die drei Raumrichtungen rotativ versetzt abgebildet sein;
- c) die relative Position der Aufnahmeeinheit und der Projektionseinheit zueinander kann linear in den drei Raumrichtungen zueinander verändert worden sein;
- d) die relative Position der Aufnahmeeinheit und der Projektionseinheit zueinander kann bezogen auf die drei Raumrichtungen rotativ verändert worden sein.
Diese Veränderungsmöglichkeiten werden im folgenden zum Zwecke der
Verallgemeinerung der Aussagen auch als "Freiheitsgrade" bezeichnet.
Zum Stand der Technik in dem Fachgebiet der grafischen Datenverarbeitung gehören
Matching-Algorithmen, die aus unterschiedlichen Datensätzen von 3D-Koordinaten
die Schnittmenge derjenigen Daten bilden, die übereinstimmenden
Oberflächensegmenten zuzuordnen sind, und die die vorstehend gelisteten möglichen
Veränderungen a) und b) variieren und derart optimieren, daß die Schnittmenge der
jeweiligen 3D-Daten beider Datensätze unter Berücksichtigung der entsprechenden
Verschiebungen und Drehungen optimal ineinander passen. Voraussetzung hierfür
ist, daß die vorstehend gelisteten Veränderungen c) und d) bekannt sind.
Aus der numerischen Mathematik sind Algorithmen bekannt, die eine endliche Anzahl
von Freiheitsgraden systematisch variieren und unter Berücksichtigung eines oder
mehrerer Gütekriterien optimieren. Bei einer systematischen Variation potenziert sich
jedoch der Rechenaufwand mit jedem zusätzlichen Freiheitsgrad.
Aus der Bionik sind im Zusammenhang mit dem Stichwort "Evolutionsstrategien"
rekursiv gestufte Verfahren bekannt, die durch stochastische Variation der
Freiheitsgrade und stufenweiser Auswahl der jeweils besten Variante unter der
Voraussetzung, daß die auszuwertenden Informationsmengen im wesentlichen
ähnlich sind, erstaunlich schnell einer optimalen Lösung zustreben.
Es ist in diesem Sinne erfindungsgemäß vorteilhaft zur Lösung der
erfindungsgemäßen Aufgabe erweiterte Matching-Algorithmen derart zu verwenden,
daß
- - erstens - in einem rekursiven numerischen Prozeß zunächst mehrfach sogenannte "Nachkommen"-Varianten durch stochastische Variation der vorstehend genannten Freiheitsgrade c) und d) gebildet werden,
- - zweitens - für jede Nachkommen-Variante der 3D-Datensatz unter Berücksichtigung der getroffenen Annahmen für die Freiheitsgrade c) und d) aus den Bildinformationen durch Triangulation in bekannter Weise berechnet werden,
- - drittens - für jede Nachkommen-Variante in einer Matching-Berechnung in bekannter Art und Weise aus den unterschiedlichen Datensätzen von 3D-Koordinaten die Schnittmenge derjenigen Daten gebildet werden, die übereinstimmenden Oberflächensegmenten zuzuordnen sind, und die vorstehend gelisteten Freiheitsgrade a) und b) derart variiert und optimiert werden, daß die gebildete Schnittmenge der jeweiligen 3D-Daten beider Datensätze sich optimal unter Berücksichtigung der jeweils gewählten geometrischen Veränderung bezüglich der Freiheitsgerade a) und b) ineinander transformieren läßt,
- - viertens - aus den Nachkommen-Varianten im Sinne einer Evolution diejenige ausgewählt wird, die die maximal erreichte Güte hinsichtlich der Übereinstimmung der dasselbe Oberflächensegment beschreibenden Daten aus beiden Datensätzen aufweist,
- - fünftens - entsprechend der beschriebenen Evolutionsstrategie ausgehend von den getroffenen Annahmen für die Freiheitsgrade c) und d) der zuvor ausgewählten besten Nachkommen-Variante mit reduzierten Grenzen die Freiheitsgrade c) und d) wieder in verschiedenen Varianten neue Nachkommen der nächsten Generation erneut stochastisch variiert werden und entsprechend den o. g. fünf Punkten - erstens bis fünftens - solange rekursiv verfahren wird, bis die Variationsgrenzen der Freiheitsgrade c) und d) und die Unterschiede zwischen den Generationen bzgl. der in jedem Durchlauf erreichten maximalen Güte hinreichend klein werden.
Im Ergebnis sind alle benötigten Informationen mit ausreichender Genauigkeit
bekannt.
Es ist erfindungsgemäß vorteilhaft, die Einrichtungen für die Projektion des Musters
und für die Bildaufnahme derart auszubilden, daß diese während der Aufnahme des
ersten Einzelbildes starr und in eindeutiger Position und Orientierung miteinander
verbunden sind. Im weiteren Verlauf der Aufnahme wird die Verbindung gelöst und
damit eine voneinander unabhängige Bewegung ermöglicht. Die zusätzlichen
dreidimensionalen Vermessungswerte des Objekts können dann für jede neue
Bildaufnahme mit dem vorstehend beschriebenen erweiterten Matching-Algorithmus
berechnet werden und wie oben beschrieben zu einer Gesamtinformation kombiniert
werden.
Es ist alternativ erfindungsgemäß vorteilhaft, die geometrische Anordnung der
Projektionseinheit und der Aufnahmeeinheit zueinander dadurch zu messen, daß das
verwendete Muster sowohl auf das Objekt als auch auf die Bildaufnahmeeinheit
projiziert wird und das sich auf einer definierten starr mit der Bildaufnahmeeinheit
verbundenen Oberfläche ergebende Muster durch einen Bereich des Bildwandlers
aufgenommen wird. In diesem Sinne kann der Bildwandler mit einem Teil seines
flächigen Sichtfelds das Objekt und mit dem anderen Teil das auf die
Bildaufnahmeeinheit selbst projizierte Muster aufnehmen.
Bei der Auswertung der Bildinformation wird dann erfindungsgemäß vorteilhaft
zunächst aus der Verzerrung des auf die beispielsweise ebene und als Mattscheibe
ausgebildete Oberfläche der Bildaufnahmeeinheit projizierten Musters die
geometrische Anordnung der beiden Einheiten zueinander über Triangulation
errechnet und im weiteren unter Berücksichtigung der Zuordnung der beiden
Einheiten zueinander in oben beschriebener Art und Weise das Objekt räumlich
vermessen.
Aus der deutschen Patentanmeldung "Verfahren zur Erhöhung der Signifikanz der
dreidimensionalen Vermessung von Objekten" vom 12. 9. 1996 desselben Anmelders
ist ein Verfahren bekannt, bei dem kodierte Muster auf das Objekt zur Vermeidung
von Mannigfaltigkeiten bei Triangulationsberechnungen projiziert werden.
Es ist erfindungsgemäß besonders vorteilhaft derart kodierte Muster für die
Bestimmung der Zuordnung der Projektionseinheit und der Aufnahmeeinheit
zueinander zu verwenden.
Aus der deutschen Patentanmeldung 196 36 354.3 desselben Anmelders ist ein
Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei dem durch synchron zur
Bildwechselfrequenz des Bildwandlers gestellte optische Mittel Strahlengänge
abwechselnd wirksam oder unwirksam geschaltet werden können.
Es ist erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, die Blickrichtung der Aufnahmeeinheit
in diesem Sinne beispielsweise durch zwei flächig wirksame LCD-Einheiten - die
beispielsweise an zwei optischen Achsen eines Strahlteilers angeordnet werden -
synchron zur Bildwechselfrequenz des Bildwandlers abwechselnd optisch durchlässig
und undurchlässig zu schalten. Dies hat den Vorteil, daß zum Zwecke der
Bestimmung der geometrischen Zuordnung der Projektions- zur Aufnahmeeinheit das
Sichtfeld des Bildwandlers und damit die Auflösung bei der Abbildung des Objekts
nicht reduziert werden muß.
Es ist erfindungsgemäß vorteilhaft zusätzlich weitere optische Mittel zur Projektion
eines beispielsweise unterschiedlichen Musters auf die Bildaufnahmeeinheit auf der
Projektionseinheit anzuordnen.
Es kann alternativ zu der oben beschriebenen starr mit der Aufnahmeeinheit
gekoppelten Oberfläche erfindungsgemäß vorteilhaft das Muster auf eine getrennt
angeordnete Oberfläche mit bekannter räumlicher Erstreckung zum Zwecke der
Bestimmung der Zuordnung der Aufnahme- und Projektionseinheit zueinander
projiziert und auf dem Bildwandler der Aufnahmeeinheit abgebildet werden.
Es kann erfindungsgemäß vorteilhaft eine zweite Aufnahmeeinheit zum Zwecke der
Bestimmung der Zuordnung der Aufnahme- und Projektionseinheit zueinander
angeordnet werden.
Sämtliche in dieser Erfindung beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens und
der Vorrichtung können erfindungsgemäß besonders vorteilhaft in vielfältiger Art und
Weise miteinander kombiniert werden.
Die Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten der eingangs
beschriebenen Art löst die Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Merkmale, daß
- a) mindestens ein flächiger elektronischer Bildwandler unter Verwendung einer zur Aufnahme von Bildern geeigneten Optik verwendet wird;
- b) mindestens eine Einrichtung verwendet wird, die die Digitalisierung der Ausgangssignale des mindestens einen Bildwandlers bewirkt und diese Daten einer Datenverarbeitungsanlage zur Verfügung stellt;
- c) mindestens eine Einrichtung verwendet wird, die die Projektion eines Musters erlaubt;
- d) die Einrichtungen zur Projektion des Musters und zur Bildaufnahme unabhängig voneinander aufgebaut sind;
- e) mindestens eine Datenverarbeitungsanlage unter Verwendung geeigneter Schaltungen und/oder Algorithmen sich für die Berechnung von 3D-Koordinaten nach dem Triangulationsverfahren eignet und
- f) sich mindestens eine Einrichtung für die Bestimmung der geometrischen Zuordnung zwischen der Projektionseinheit und der Aufnahmeeinheit eignet.
Bei einer erfindungsgemäß besonders vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung eignet
sich die Bildaufnahmeeinheit für die Aufnahme von mindestens zwei
aufeinanderfolgenden Bildern.
Eine erfindungsgemäß besonders vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung sieht
Einrichtungen vor, die die Daten von mindestens zwei Einzelbildern speichern
können.
Eine erfindungsgemäß besonders vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung sieht
Einrichtungen vor, die die Daten von mindestens zwei Einzelbildern verarbeiten und in
der Lage sind, diese mittels geeigneter Schaltungen und/oder Algorithmen zu
kombinieren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen Fig. 1, 2, 3
und 4. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform der Aufnahmeeinrichtung mit
voneinander getrennter Projektions- und Aufnahmeeinheit, welche
hier zum Zwecke der Aufnahme eines ersten Bildes unter definierten
geometrischen Bedingungen bzgl. Projektions- und
Aufnahmerichtung mit Hilfe von Positionierstiften
zusammengekoppelt sind.
Fig. 2 die gleiche Vorrichtung wie Fig. 1, jedoch entkoppelt zur
Durchführung weiterer Aufnahmen.
Fig. 3 schematisch eine weitere Ausführungsform der
Aufnahmeeinrichtung mit voneinander getrennter Projektions- und
Aufnahmeeinheit, gekennzeichnet durch die zusätzliche Projektion
desselben Musters über einen zweiten Strahlengang der
Projektionseinheit direkt auf eine Mattscheibe der Aufnahmeeinheit,
dies zum Zwecke der ständigen Berechnung ihrer geometrischen
Situation zueinander.
Fig. 4 beispielhaft eine Ausführungsform eines kodierten Musters.
Die Projektions- und Aufnahmeeinheiten in den Ausführungsformen gemäß Fig. 1, 2
und 3 sind zur Vereinfachung der Beschreibung ohne bekannte, selbstverständliche
Vorrichtungsteile nur schematisch wiedergegeben. Zur Vereinfachung der
Beschreibung wurde zudem darauf verzichtet, Ausführungsformen von
Vorrichtungsteilen, die zum Stand der Technik gehören, wie bestimmte
Ausführungsformen von Verbindungen oder der Fixierung von Teilen, im Detail zu
beschreiben.
In der Ausführungsform der Fig. 1 sind mit dem Grundgestell (2.3) der
Projektionseinheit starr verbunden: Die Strahlquelle (2.7), die optischen Mittel (2.4
und 2.6) und der Musterträger (2.5). In der hier gezeigten Ausführungsform handelt es
sich bei den optischen Mitteln um eine Strahlquelle (2.7), mit welcher sich das Objekt
flächig beleuchten läßt, einen Kondensor (2.6) sowie einen Musterträger, auf welchem
sich das Muster (eingeätzt oder in Form eines Dias) befindet. Der Träger (2.2) ist aus
hygienischen Gründen (zum Zwecke der Desinfektion) lösbar mit dem Grundgestell
(2.3) verbunden. Die Verbindung des Trägers (2.2) mit dem Grundgestell (2.3) ist
derart ausgebildet, daß nach einem Wechsel des Trägers (2.2) sich dessen
vorgesehene geometrische Position exakt (ohne Justage) wieder ergibt. Das auf dem
Musterträger (2.5) befindliche Muster wird vermittels einer Strahlumlenkung (2.1) auf
das aufzunehmende Objekt (1.1) projiziert. Um für die 3D-Berechnung relevante
Informationen zu bekommen, ist ein projiziertes Linienmuster quer zu der von dem
Triangulationswinkel aufgespannten Ebene gestreift.
Mit dem Grundgestell (3.3) der Aufnahmeeinheit sind starr verbunden: Das optische
Mittel (3.4), der elektronische Bildwandler (3.5) sowie die Positionierstifte (3.10). Der
Träger (3.2) ist aus hygienischen Gründen (zum Zwecke der Desinfektion) lösbar mit
dem Grundgestell (3.3) verbunden. Die Verbindung des Trägers (3.2) mit dem
Grundgestell (3.3) ist derart ausgebildet, daß nach einem Wechsel des Trägers (3.2)
sich dessen vorgesehene geometrische Position exakt (ohne Justage) wieder ergibt.
Der elektronische Bildwandler (3.5) ist als CCD-Array ausgebildet und über die
elektrischen Verbindungen (3.9) mit der Ansteuerheit (3.6), dem A/D-Wandler (3.7)
und der Datenverarbeitungseinheit (3.8) verbunden. Die vom Objekt (1.1) reflektierten
Strahlen werden vermittels des optischen Mittels (3.4), in diesem Fall eines Objektives
auf dem Bildwandler (3.5) abgebildet.
Zur Durchführung der ersten Aufnahme werden Projektions- und Aufnahmeeinheit
mithilfe zweier Positionierstifte (3.10) in eine definierte Position zueinander gebracht.
Der somit bekannte Triangulationswinkel erlaubt die Berechnung der 3D-Koordinaten
des aufgenommenen Bildes.
Die Fig. 2 zeigt die gleiche Projektions- und Aufnahmeeinheit, jedoch in entkoppeltem
Zustand nach Durchführung der ersten Aufnahme einer Bildfolge von Aufnahmen
desselben Objekts. Es können nun weitere Bilder von zusätzlichen Bereichen des
Objekts und/oder aus veränderter Blickrichtung aufgenommen werden. Infolge der
hohen Aufnahmefrequenz, beispielsweise in der gezeigten Ausgestaltung von 50 Hz
kann von einer hohen, in jedem Fall ausreichenden Überlappung der Bilder
ausgegangen werden, welche es erlaubt, mittels geeigneter Matching-Algorithmen
und numerischer Verfahren die sich gegenüber der jeweils vorhergehenden
Aufnahme verändernde relative Position von Projektions- und Aufnahmeeinheit
zueinander als auch zum Objekt und damit auch beispielsweise den jeweilig
relevanten Triangulationswinkel zu berechnen. Dies ermöglicht die Erfassung von 3D-Koordinaten
eines Objektes, welche mit einer Einzelaufnahme nicht hätten erfaßt
werden können.
Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher vermittels der Projektion desselben
Musters über einen zweiten - außerhalb der (invasiv) in Anwendung kommenden
Vorrichtungsteile - geführten Strahlengang von der Projektionseinheit zur
Aufnahmeeinheit die relative Position von Projektions- und Aufnahmeeinheit
zueinander zum Zeitpunkt jeder Aufnahme bekannt ist. Bei dieser Ausführungsform
wird das Muster über einen Strahlteiler (2.8) um 90 Grad umgelenkt und durch eine
an der Projektionseinheit befindliche Linse (2.9) mit divergentem Strahlengang auf
eine auf der Aufnahmeeinheit angeordnete Mattscheibe (3.12) projiziert. Das sich
hierdurch ergebende Abbild eines Teils des Musters wird über eine Strahlumlenkung
(3.11) um 90 Grad derart in den Strahlengang des Trägers der Aufnahmeeinheit
gelenkt, daß es auf einer Hälfte des flächigen Sichtfeldes des elektronischen
Bildwandlers (3.5) abgebildet wird. Durch Auswertung der signifikanten
Mustersegmente des Abbildes vermittels geeigneter numerischer Verfahren in der
Datenverarbeitungseinheit (3.8) ist die relative Lage von Projektions- zu
Aufnahmeeinheit für jede einzelne Aufnahme bekannt. Die erreichbare Genauigkeit
der 3D-Koordinaten kann mit dieser Ausführungsform gegenüber der vorstehend
beschrieben insbesondere bei komplexen Objekten, deren 3D-Koordinaten sich nur
durch die Auswertung einer Vielzahl von Aufnahmen berechnen lassen signifikant
gesteigert werden.
Die Fig. 4 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform des Musters, durch welche
aufgrund der unterschiedlichen Ausführung eines jeden einzelnen konzentrischen
Elements (Kodierung) Mannigfaltigkeiten bei der Triangulationsberechnung vermieden
werden können.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist im invasiv-medizinischen
Bereich zu sehen. Für die optische dreidimensionale Erfassung beispielsweise eines
Organs im menschlichen Körpers führt man den vorderen Teil des Trägers (2.3) sowie
des Trägers (3.2) beispielsweise durch die Bauchdecke ein, startet den
Aufnahmevorgang durch ein in den Abbildungen nicht gezeigtes, im Rahmen der
Datenverarbeitungseinheit (3.8) verfügbares Betätigungselement und bewegt im
Verlauf des Aufnahmevorgangs die Projektions- und Aufnahmeeinheit derart, daß
nach und nach alle relevanten Oberflächenbereiche des Objekts (1.1) sowohl auf dem
Bildwandler (3.5) abgebildet als auch gleichermaßen von der Projektion des
Linienmusters erfaßt werden. Man beendet den Aufnahmevorgang durch eine weitere
Betätigung des vorstehend genannten Betätigungselements.
In der Folge der aufgenommenen Einzelbildinformationen befinden sich jetzt die
Abbilder des aufgrund der Oberflächengestalt des Objekts (1.1) verzeichneten
Linienmusters. Aus der Verzeichnung des Linienmusters lassen sich bei Kenntnis des
optischen Strahlengangs und unter Berücksichtigung der geometrischen Ausbildung
des projizierten Linienmusters für die entsprechenden Einzelaufnahmen für eine
Vielzahl von Stützpunkten 3D-Koordinaten errechnen. Aus der Folge der den
Einzelbildern zugeordneten 3D-Koordinaten lassen sich im weiteren die 3D-Koordinaten
in der oben beschriebenen Art und Weise kombinieren, so daß im
Ergebnis trotz der Begrenzungen der Projektionsfläche und des Sichtfelds der
Aufnahmeeinheit die 3D-Koordinaten der gesamten untersuchten Oberfläche
vorliegen. Hierbei sind Informationslücken aufgrund von Hinterschneidungen nicht
mehr vorhanden. Durch eine online-Berechnung und -Anzeige der jeweiligen
Zwischenergebnisse kann der Bediener zudem die Führung der Aufnahmevorrichtung
von Hand optimieren.
Die hier gezeigten Ausführungsformen zeichnen sich u. a. dadurch aus, daß
- a) in der Projektions- und Aufnahmeeinheit keine bewegten Teile Verwendung finden;
- h) der optische Aufbau einfach ausgebildet ist;
- d) sich außer für die Träger (2.2 und 3.2), die Grundgestelle (2.3 und 3.3) und den Musterträger zur Projektion des Musters (2.5) handelsübliche Hardware-Komponenten verwenden lassen.
Aus der deutschen Patentanmeldung 196 36 354.3 desselben Anmelders ist ein
Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei dem durch synchron zur
Bildwechselfrequenz des Bildwandlers optische Mittel derart gestellt werden, daß
abwechselnd ein Muster auf die zu vermessende Oberfläche projiziert und die
betrachtete Oberfläche vollständig ausgeleuchtet wird.
Bei einer erfindungsgemäß besonders vorteilhaften Ausbildung der
Aufnahmevorrichtung werden in dem vorstehenden Sinne zusätzliche Mittel derart
angeordnet und gestellt, daß aus einer Folge von Einzelbildern sowohl 3D-Informationen
als auch beispielsweise farbige Ansichten der erfaßten Oberfläche
gewonnen werden können.
Bezugszeichenliste
1.1 Objekt mit dreidimensionaler Erstreckung
2. Projektionseinheit
2.1 Strahlumlenkung (Spiegel)
2.2 Träger (hier ausgeführt als Körper aus optischem Glas)
2.3 Grundgestell
2.4 Optische Mittel (Objektiv)
2.5 Musterträger (mit eingeätztem Muster oder z. B. Dia)
2.6 Optische Mittel (Kondensor)
2.7 Strahlquelle
2.8 Strahlteiler
2.9 Optische Mittel (Linse)
3. Aufnahmeeinheit
3.1 Strahlumlenkung (Spiegel)
3.2 Träger (hier ausgeführt als Körper aus optischem Glas)
3.3 Grundgestell
3.4 Optische Mittel (Objektiv)
3.5 Elektronischer Bildwandler (CCD-Array)
3.6 Ansteuereinheit
3.7 A/D-Wandler (Frame-Grabber)
3.8 Datenverarbeitungseinheit
3.9 Elektrische Verbindungen
3.10 Positionierstifte
3.11 Strahlumlenkung (Umlenkprisma)
3.12 Mattscheibe
2. Projektionseinheit
2.1 Strahlumlenkung (Spiegel)
2.2 Träger (hier ausgeführt als Körper aus optischem Glas)
2.3 Grundgestell
2.4 Optische Mittel (Objektiv)
2.5 Musterträger (mit eingeätztem Muster oder z. B. Dia)
2.6 Optische Mittel (Kondensor)
2.7 Strahlquelle
2.8 Strahlteiler
2.9 Optische Mittel (Linse)
3. Aufnahmeeinheit
3.1 Strahlumlenkung (Spiegel)
3.2 Träger (hier ausgeführt als Körper aus optischem Glas)
3.3 Grundgestell
3.4 Optische Mittel (Objektiv)
3.5 Elektronischer Bildwandler (CCD-Array)
3.6 Ansteuereinheit
3.7 A/D-Wandler (Frame-Grabber)
3.8 Datenverarbeitungseinheit
3.9 Elektrische Verbindungen
3.10 Positionierstifte
3.11 Strahlumlenkung (Umlenkprisma)
3.12 Mattscheibe
Claims (24)
1. Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten (1.1) durch
optische Aufnahmen, aufprojizierte Muster und Triangulationsberechnungen,
unter Verwendung mindestens eines elektronischen Bildwandlers (3.5) mit
flächigem Sichtfeld, mindestens eines optischen Mittels (3.4) für die Abbildung
des Objektes auf dem Bildwandler (3.5) und mindestens einer Strahlquelle (2.7)
und geeigneter optischer Mittel (2.4, 2.5 und 2.6) für die Projektion von Mustern,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Mittel (2.1 bis 2.7) für die Projektion des Musters von den Mitteln (3.1 bis 3.5) für die Bildaufnahme räumlich getrennt, nicht mit ihnen verbunden und ihnen gegenüber in allen Freiheitsgraden beweglich sind.
- b) für mindestens eine Bildaufnahme im Verlauf des Aufnahmevorgangs die geometrische Anordnung der Mittel (2.1 bis 2.7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3.1 bis 3.5) für die Bildaufnahme nicht von vornherein bekannt ist und unter Verwendung weiterer Mittel bestimmt werden muß.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den
weiteren Mitteln, die zur Bestimmung der geometrischen Anordnung der Mittel
(2.1 bis 2.7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3.1 bis 3.5)
für die Bildaufnahme verwendet werden, um Mittel zur Vermessung dieser
geometrischen Anordnung handelt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermessung
der geometrischen Anordnung der Mittel (2.1 bis 2.7) für die Projektion des
Musters gegenüber den Mitteln (3.1 bis 3.5) für die Bildaufnahme auf optischem
Wege erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die optische
Vermessung der geometrischen Anordnung der Mittel (2.1 bis 2.7) für die
Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3.1 bis 3.5) für die Bildaufnahme
Triangulationsberechnungen unter Verwendung markanter Muster zum Einsatz
kommen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die markanten
Muster für die optische Vermessung der geometrischen Anordnung der Mittel
(2.1 bis 2.7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3.1 bis 3.5)
für die Bildaufnahme durch Projektion gebildet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang
der Projektion des Musters für die Vermessung des Objekts (1.1) ein Strahlteiler
(2.8) angeordnet ist, so daß das auf dem Musterträger (2.5) aufgebrachte Muster
gleichermaßen zur Vermessung des Objekts verwendet wird und auf einer starr
mit dem Grundgestell (3.3) verbundenen und in ihrer räumlichen Erstreckung
bekannten Oberfläche (3.12) abgebildet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch optische
Mittel (3.11) das auf die Oberfläche (3.12) projizierte Muster auf dem
Bildwandler (3.5) abgebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der
Oberfläche (3.12) um eine Mattscheibe handelt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den
optischen Mitteln (3.11) um einen Spiegel handelt.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) es sich bei den optischen Mitteln (3.11) um einen Strahlteiler handelt, der den gesamten Strahlengang abdeckt,
- b) mindestens zwei Einzelaufnahmen im Verlauf des Aufnahmevorgangs angefertigt werden und
- c) zusätzlich schaltbare optische Mittel an zwei optischen Achsen des Strahlteilers angeordnet werden, die synchron zur Bildwechselfrequenz des Bildwandlers abwechselnd optisch durchlässig und undurchlässig geschaltet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) mindestens zwei Einzelaufnahmen im Verlauf des Aufnahmevorgangs angefertigt werden,
- b) die geometrische Anordnung der Mittel (2.1 bis 2.7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3.1 bis 3.5) für die Bildaufnahme für die Aufnahme eines Einzelbildes bekannt ist,
- c) für wesentliche Bereiche des Objekts, für die bereits in dieser Bildaufnahme - die mit bekannter geometrischer Anordnung der Mittel (2.1 bis 2.7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3.1 bis 3.5) für die Bildaufnahme durchgeführt wurde -, eine ausreichende Anzahl von 3D-Koordinaten von Oberflächenbereichen gebildet werden konnte, für die auch in den nachfolgenden Einzelbildern entsprechende Bildinformationen vorliegen und
- c) die geometrische Anordnung der Mittel (2.1 bis 2.7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3.1 bis 3.5) für die Bildaufnahme aus dem Vergleich der aus den Einzelbildern stammenden Daten bezüglich der Informationen hinsichtlich gleichermaßen abgebildeter Oberflächenbereiche des Objekts unter Verwendung numerischer Algorithmen berechnet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische
Anordnung der Mittel (2.1 bis 2.7) für die Projektion des Musters gegenüber den
Mitteln (3.1 bis 3.5) für die Bildaufnahme für die Aufnahme eines Einzelbildes
dadurch bekannt ist, daß die Positionierstifte (3.10) abgesteckt wurden.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den
verwendeten numerischen Algorithmen, die die geometrische Anordnung der
Mittel (2.1 bis 2.7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3.1 bis
3.5) für die Bildaufnahme berechnen, um Verfahren nach einer optimierenden
Evolutionsstrategie handelt.
14. Verwendung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für die
medizinische Diagnostik, Therapie oder Dokumentation.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Bildwandler (3.5) als CCD-Array ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15, dadurch
gekennzeichnet, daß das Grundgestell (2.3) oder der Träger (2.2) mindestens
zwei der Mittel (2.4 bis 2.7) starr verbindet.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 und 16, dadurch
gekennzeichnet, daß das Grundgestell (3.3) oder der Träger (3.2) die Mittel
(3.4 und 3.5) starr verbindet.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger (2.2) mit seinen Aufbauten mit dem
Grundgestell (2.3) lösbar verbunden und im übrigen derart ausgebildet ist, daß
er sich für eine separate Sterilisation bzw. Desinfektion eignet.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger (3.2) mit seinen Aufbauten mit dem
Grundgestell (3.3) lösbar verbunden und im übrigen derart ausgebildet ist, daß
er sich für eine separate Sterilisation bzw. Desinfektion eignet.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß an dem Träger (3.2) mindestens ein Linsensystem zur
optischen Abbildung des Objekts (1.1) auf dem Bildwandler (3.5) befestigt ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß an dem Träger (2.2) mindestens ein Linsensystem zur
optischen Projektion des Musters auf das Objekt (1.1) befestigt ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger (2.2) mindestens über eine optische
Umlenkeinrichtung (2.1) verfügt.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger (3.2) mindestens über eine optische
Umlenkeinrichtung (3.1) verfügt.
24. Verwendung der Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 15 bis 23 für
invasive medizinische Zwecke.
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