DE19709050A1

DE19709050A1 - Anordnung zur bildhaften, farblichen Erfassung von räumlichen Gegenständen mit einem Flachbettscanner

Info

Publication number: DE19709050A1
Application number: DE1997109050
Authority: DE
Inventors: Burkhard Prof Dr Neumann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 1998-01-22

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur bildhaften Erfassung von räumli chen Gegenständen mit einem Flachbettscanner mit einer sehr hohen Pixelauflö sung bei einem günstigen Kosten-Leistungsverhältnis.

Bisher ist es üblich, räumliche Gegenstände mit Videokameras (meist CCD-Array- Kameras) oder mit Zeilensensorkameras zu erfassen, um sie dann einer Datenver arbeitung weitergeben zu können.

Aus einer Aufstellung (Heinz-Georg Fehn: Tutorial über "Grundlagen, Systeme und Anwendungen" (der digitalen Bildverarbeitung), gehalten anläßlich des Anwender symposiums 5. und 6. September 1996 in Aachen zum Thema "Aktuelle Entwicklun gen und industrieller Einsatz der Bildverarbeitung") geht hervor, daß es S/W Kame ratypen mit einer maximalen Pixelauflösung von 2048 × 2048 (1 Bild/sec) zum Preis von ca. 32 000,- DM und Farbkameras mit einer maximalen Pixelauflösung von 4400 × 3400 (CCD-Shift Technik) zum Preis von ca. 15 000.- DM gibt.

Der Nachteil dieser Art von Bilderfassung liegt darin, daß es auf dem Markt bis jetzt keine reinen CCD-Kameras gibt, die über mehr als 4400 × 3400 Pixel verfügen und daher die Luftbilder auch nur mit dieser Pixelzahl erfaßt werden können. Für viele Meßanwendungen, insbesondere für die dreidimensionale geometrische Vermes sung von Gegenständen, reicht diese Auflösung jedoch noch nicht aus.

Aus diesem Grund wird von der Fa. ROLLEI eine "Reseau-Scan-Camera" angebo ten, die mit einem 756 × 581 CCD-Sensor ausgerüstet ist, der in den Richtungen x, y und z verfahren werden kann, so daß daraus eine effektive Pixelauflösung von 7050 × 5500 resultiert. Da es sich hierbei um eine Spezialentwicklung handelt, die auch nur in relativ kleinen Stückzahlen gebaut wird, ist damit im Gegensatz zur er findungsgemäßen Anordnung auch ein entsprechend hoher Kaufpreis verbunden, der in vielen Fällen eine wirtschaftliche Problemlösung unmöglich macht.

Man steht also bei dem Einsatz derartiger Kamerasysteme vor dem Problem, daß die Kaufpreise dafür extrem hoch sind und Meßaufgaben in vielen Fällen, wo es nicht so sehr auf die Meßgeschwindigkeit ankommt, nicht mehr wirtschaftlich gelöst werden können.

Andererseits besitzen derzeit handelsübliche Flachbettscanner eine optische Auflö sung von 400 dpi sowie eine elektronische Auflösung von bis zu 1600 dpi bei einem maximalen Scanbereich von 216 × 356 mm (z. B. der Scanner HP ScanJet IIc der Fa. Hewlett-Packard). Aus diesem Grund wird ein den gesamten Scanbereich einneh mendes Objekt mit bis zu 13 600 × 22 400 Bildpunkten = 304640000 Bildpunkten digita lisiert.

Bemerkenswert ist dabei, daß diese hohe Auflösung auch dann erreicht wird, wenn die Objekte in Farbe aufgenommen werden.

Diese Scanner haben aber alle den Nachteil, daß sie nur für die Erfassung flacher Vorlagen geeignet sind, die direkt auf die Glasscheibe dieser Geräte gelegt werden können.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur bildhaften Erfassung farbiger, räumlicher Objekte mit einem Flachbettscanner anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die hohe optische bzw. digitale Auflösung der Flachbettscanner erweist sich beson ders dann als vorteilhaft, wenn ein großes Objekt unter verschiedenen Drehwinkeln für eine dreidimensionale Rekonstruktion optisch erfaßt werden soll. Die photo grammetrische Auswertung dieser Bilder wird um so genauer, je präziser die Posi tionen der homologen Objektpunkte gemessen werden können.

Aufgrund dieser hohen Auflösung eignet sich die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung besonders gut zur geometrischen Vermessung räumlicher Objekte, so daß an einen Einsatz in der Qualitätskontrolle für eine Stichprobenkontrolle der Maßhal tigkeit von CNC-gefertigten Maschinenbauteilen zu denken ist.

Die Möglichkeit der Anordnung, Objekte fotorealistische als farbige 3D-Objekte ein scannen zu können, kann auch als ein wichtiges Hilfsmittel zur Schaffung virtueller Welten dienen.

Dabei muß nochmals daraufhin gewisser werden, daß durch die Verwendung eines Flachbettscanners eine sehr kostengünstigen Bilderfassung mit dem als Massen produkt verfügbaren Flachbettscanner ermöglicht wird, der zudem einer laufenden Weiterentwicklung in Richtung noch höherer Auflösung und noch günstigerem Preis- Leistungsverhältnis unterliegt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 2 ermöglicht es, das Objekt um definierte Winkel exakt zu drehen und damit Bildserien aufzunehmen, so daß mit Mitteln der Photo grammetrie die Generierung eines 3D-Datensatzes von dem Objekt ermöglicht wird. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist durch den Patentanspruch 3 gegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht es, die abzuscannenden Objekte neben den Flachbettscanner zu stellen, so daß eine günstigere Objektlage rung auf einem Drehteller erzielt werden kann.

In dem Anspruch 4 wird explizit erwähnt, daß die Zusatzoptik (2) eine Zerstreuungs linse sein muß, wenn die Gegenstandsweite für größere räumliche Objekte erhöht wird.

Die Patentansprüche 5 bis 8 beinhalten eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, die dadurch gegeben ist, daß die Verwendung einer geeigneten Zylinder linse (18) in Höhe des Eintrittsspaltes (19) am Sensorschlitten in Kombination mit ei ner als Anamorphot ausgebildeten Zusatzoptik (2) in horizontaler- wie vertikaler Richtung zu einer Parallelprojektion führt. Hierdurch wird eine objektseitig telezentri sche Abbildung realisiert, mit der die geometrische Vermessung räumlicher Objekte bekanntermaßen verbessert wird. Der Grund ist darin zu sehen, daß bei einer Defo kussierung der Abbildungsmaßstab erhalten bleibt.

Eine zusätzliche Verbesserung der Erfindung stellt eine vertikale Anordnung des Flachbettscanners dar, was der Patentanspruch 9 beinhaltet, sofern diese Orientie rung durch die Bauart des Flachbettscanners zulässig ist (Fig. 3). Die Vorteile liegen darin, daß durch den Wegfall des Planspiegels (9) die Herstellkosten herabgesetzt werden und mehr Platz für die Beleuchtung (3), (3a) zur Verfügung steht.

Die automatische Suche homologer Objektpunkte in durch Objektdrehung erzeugter Bildserien kann bei Objekten mit geringer Oberflächenstruktur zu unlösbaren Pro blemen führen. Durch die Ansprüche 10 bis 13 wird die Erfindung vorteilhaft dahin gehend ausgestaltet, daß auch ohne Objektstrukturierung eine räumliche Rekon struktion möglich wird. Dabei ermöglichen die Ansprüche 10 bis 13 die Rundumpro jektion von regelmäßigen oder unregelmäßigen Projektionsmustern auf die Objekto berfläche. Die mechanisch starre Verbindung der Einrichtung für die strukturierte Beleuchtung (21) des Anspruches 10 garantiert die synchrone Drehung von Objekt und Projektion, so daß keine Relativbewegung zwischen der Objektoberfläche und dem Projektionsmuster besteht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnung Fig. 1 bis 3 schematisch dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 die Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung

Fig. 2 die Draufsicht mit geänderter Orientierung des Planspiegels (9) und

Fig. 3 die Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung mit vertikal angeordne ten Flachbettscanner.

Der prinzipielle Aufbau eines Flachbettscanners (1) ist als schematische Schnitt zeichnung in Fig. 1 dargestellt. Bisher werden üblicherweise flache Vorlagen auf die Glasplatte (12) gelegt die durch das Abfahren mit dem Sensorschlitten (17), der aus einem Objektiv (5) und einem Zeilensensor (15) besteht, abgetastet werden. Das Objektiv (5) ist dabei so ausgelegt, daß ein exakt scharfes Bild der Vorlage auf dem Zeilensensor entworfen wird.

Durch die erfindungsgemäße Zusatzoptik (2), bestehend aus einem optischen Un tersystem (20), das im einfachsten Fall neben dem Objektiv eine Zerstreuungslinse enthält und einer Zylinderlinse (18), die aber auch entfallen kann, wenn auf eine op tische Beeinflussung der Perspektive verzichtet wird, können räumliche Objekte (4) vom Scanner erfaßt werden. Die Zerstreuungslinse hat dann die Wirkung einer Bril le, welche die starke "Kurzsichtigkeit" der Scanneroptik korrigiert. Es ist nützlich, über den Scanner einen Planspiegel (9) unter 45° Neigung anzuordnen, damit der Lichtweg zur Seite oder zu einer Stirnfläche des Scanners abgelenkt wird. Hierdurch ist eine für die Erfindung vorteilhafte Lagerung der Objekte auf dem Objektträger (7) möglich. Der Objektträger kann ein Drehteller sein und von einem Motor (8) oder aber per Hand um vorgegebene Winkel gedreht werden. Sowohl der Scannerbetrieb als auch die Steuerung des Drehtellers können in bekannter Weise von einem Rechner (16) übernommen werden. Die Scannerlichtquelle (10) ist für die Beleuch tung des Objektes (4) in aller Regel ungeeignet, so daß zusätzliche Lichtquellen (3), (3a), beispielsweise Neonröhren mit Hochfrequenzansteuerung und passender Farbtemperatur eingesetzt werden müssen. Für eine automatische, räumliche Erfas sung der Objekte kann eine zusätzliche strukturierte Beleuchtung von Nutzen sein. Hierfür können einerseits Projektionsleuchten (21) eingesetzt werden. Sie müssen aus sämtlichen Richtungen auf das Objekt einstrahlen, weil eine komplette Erfas sung der Oberflächenpunktlagen im Raum eine Rundumabtastung des Objektes er fordert. Außerdem ist zu fordern, daß sich die auf die Objektoberfläche projizierten Muster synchron mit dem Objekt drehen, was mit einer starren, mechanischen Kopplung der Projektionsleuchten mit dem Drehteller erzielt wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin, die Projektionsleuchten mit Lasern zu bestücken. Sollte konstruktionsbedingt wenig Platz für derartige Leuchten sein, dann kann die Lichtzuführung über Lichtwellenleiter (23) Fig. 2 erfolgen, wobei dann der Laser (22) neben dem erfindungsgemäßen Aufbau zu montieren ist. Eine sehr nützliche Ergänzung der erfindungsgemäßen Anordnung wird durch die Zylinderlin se (18) erzielt. Ihr optisch wirksamer Schnitt ist parallel zum Eintrittsspalt (19) des Sensorschlittens (17) orientiert, und sie ist auch oberhalb oder in nicht zu großem Abstand unterhalb des Eintrittsspaltes anzuordnen.

Damit die Zylinderlinse (18) in ihrer Orientierungsrichtung eine Parallelprojektion er zeugt, muß ihr bildseitiger Brennpunkt genau in der Eintriftspupille des optischen Untersystems (20) liegen, welches seinerseits als Anamorphot auszubilden ist, so daß die Zusatzoptik (2) in Orientierungsrichtung der Zylinderlinse (18) und auch senkrecht dazu ein scharfes Bild vom Objekt auf den Scannersensor (15) entwirft.

In der erfindungsgemäßen Anordnung kann das beispielsweise mit einer Zerstreu ungslinse (25) und einer zur Zylinderlinse (18) ausgerichteten streuenden, weiteren Zylinderlinse im Untersystem (20) erzielt werden. Scanner (1) und Objektträger (7) werden vorteilhaft von einem Rechner (16) aus betrieben. Die Bildaufnahme und -verarbeitung geschehen mit einer hierfür geeigneten Software (26). Der optische Teil der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorteilhaft von einem lichtundurchlässi gen Gehäuse (13) umschlossen, um damit störende äußere Lichteinflüsse auszu schließen.

In der Fig. 2 ist zur Erläuterung die erfindungsgemäße Anordnung in der Draufsicht dargestellt. Der Umlenkspiegel (9) ist dabei um die Bewegungsrichtung des Sensor schlittens (17) gedreht angeordnet. Dabei schließen Glasplatte (12) und Umlenk spiegel (9) zweckmäßigerweise einen Winkel von 45° ein. In Fig. 3 ist eine Variante der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, bei welcher der Flachbettscanner (1) auf die Seite bzw. hochkant gestellt ist, so daß dadurch der Umlenkspiegel (9) ein gespart wird.

In den Fig. 1 bis 3 bedeuten:

Bezugszeichenliste

1 Flachbettscanner
2 Zusatzoptik
3, 3a Lichtquellen
4 Objekt
5 Objektiv des Flachbettscanners
6 Objektabstand
7 Objektträger
8 Drehvorrichtung (z. B. Motor)
9 Umlenkspiegel
10 Scannerlichtquelle
11 Fläche für Weißlichtabgleich
12 Glasplatte
13 lichtundurchlässiges Gehäuse
14 Drehachse
15 Scannersensor
16 Datenverarbeitung
17 Sensorschlitten
18 Zylinderlinse
19 Eintrittsspalt des Sensorschlittens
20 optisches Untersystem
21 Projektionsleuchten
22 Laser
23 Lichtleitfaser
24 Laserstrahlen zur strukturierten Beleuchtung
25 Vorsatzlinsensystem
26 Rechnerprogramm(e)

Claims

1. Anordnung zur bildhaften, farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände

- mit einem Flachbettscanner (1) und einer Datenverarbeitung (16) zur Quantisie rung der Ortskoordinaten und der Grauwerte bzw. bei multispektralen Bildern zur Quantisierung der Grauwerte der einzelnen Kanäle, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (5) des Flachbettscanners (1) mit einer Zusatzoptik (2) versehen ist, welche die Gegenstandsweite (6) den Anforderungen entsprechend vergrößert und die bildseitige Apertur sowie die optische Perspektive verändert oder auch nicht, je nachdem für welche Bildaufnahme die Schärfentiefe, Lichtstärke und optische Perspektive der erweiterten Scanneroptik gebraucht werden und
- daß Lichtquellen das räumliche Objekt beleuchten, so daß die Beleuchtungsstär ke, Lichtart und Beleuchtungsweise der Empfindlichkeit des Scannersensors (15) bzw. der Bildauswertung angepaßt sind
- daß ein Rechnerprogramm (26) die auf übliche Weise mit einem Scanner erfaß ten Bilddaten hinsichtlich ihrer speziellen Perspektiven in mechanischer Scanrich tung und senkrecht dazu in optischer Abtastrichtung entzerrt.

2. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Rechner oder per Hand drehba rer Objektträger (7) das Objekt (4) um eine Achse (14) um definierte Winkel drehen kann, damit das Objekt unter mehreren Ansichten räumlich und in Farbe erfaßt wer den kann.

3. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein unter 45° über dem Scanner angeordneter Planspiegel (9) vorzugsweise ein Vorderflächenspiegel, die optische Achse des Systems um 90° zur Seite hin umlenkt.

4. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzoptik (2) aus einer Zerstreuungslinse besteht.

5. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach den Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß über dem Eintrittsspalt (19) des Sensorschlittens (17) eine Zylinderlinse (18) oder ein derart wirkendes op tisches Funktionselement so angeordnet ist, daß der wirksame Schnitt parallel zum Eintrittsspalt (19) orientiert ist und daß deren Brennweite genau oder näherungswei se dem Abstand Zylinderlinse (18) und Eintrittspupille des optischen Untersystems (20) entspricht, welches sich aus Objektiv (5) und dem Vorsatzlinsensystem (25) zu sammensetzt, und daß das Vorsatzlinsensystem (25) ein Anamorphot ist, der in Richtung des wirksamen Schnittes der Zylinderlinse (18) und auch senkrecht dazu die Objektpunkte exakt auf den Zeilensensor (15) abbildet.

6. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsatzlinsensy stem (25) aus einem Anamorphot besteht, der sich aus zwei gekreuzten Zylinderlin sen zusammensetzt und deren Brennweiten derart bemessen sind, daß in beiden Richtungen eine exakte optische Abbildung des räumlichen Gegenstandes (4) auf den Zeilensensor (15) gegeben ist.

7. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsatzlinsensy stem (25) aus einem Anamorphot besteht, der sich aus einer Zerstreuungslinse und einer Zylinderlinse zusammensetzt, deren wirksamer Schnitt in die gleiche Richtung weist wie derjenige der Zylinderlinsen (18), und die Brennweite dieser zusätzlichen Zylinderlinse in dem optischen System so bemessen ist, daß in beiden Richtungen senkrecht zur optischen Achse eine exakte Abbildung des räumlichen Gegenstan des (4) auf den Zeilensensor (15) erreicht wird.

8. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsatzlinsensys tem (25) aus einer Zerstreuungslinse mit Zylinderschliff besteht und deren Zylinder in die gleiche Richtung weist wie derjenige der Zylinderlinsen (18) und die Brenn weiten der beiden senkrecht zueinander stehenden Achsen Werte aufweisen, die eine exakte Abbildung des räumlichen Gegenstandes (4) auf den Zeilensensor (15) garantieren.

9. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner, sofern dies sein Aufbau ermöglicht, vertikal angeordnet ist und mithin ein Planspiegel (9) entfallen kann.

10. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach den Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß ergänzend zu der Be leuchtung (3), (3a) eine zusätzliche oder auch ausschließliche Beleuchtungsvor richtung (21) mit dem Objektträger (7) mechanisch fest verbunden ist, und mit der das Objekt von allen Richtungen aus strukturiert beleuchtet werden kann, wobei sich bei der Drehung des Objektträgers (7) die Lichtstruktur auf der Objektoberfläche nicht verschiebt.

11. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsein richtung (21) in der Art von Diaprojektoren aufgebaut ist und die Projektionen auf die Objektoberfläche regelmäßige oder unregelmäßige Strukturen aufweisen können.

12. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsvor richtung mit Laserlicht arbeitet und die Projektionen auf die Objektoberfläche regel mäßige oder unregelmäßige Strukturen aufweisen können.

13. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht von ei nem räumlich entfernten Laser über eine Lichtleitfaser (23) zur Projektionsvorrich tung (21) geleitet wird.