DE19720160A1 - Verfahren zum Bestimmen von dreidimensionalen Oberflächen - Google Patents
Verfahren zum Bestimmen von dreidimensionalen OberflächenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen
von dreidimensionalen Oberflächen nach dem Oberbe
griff des Hauptanspruchs.
Es sind dreidimensionale optische Meßverfahren für
die Bestimmung von Objekten bekannt, die zum Ziel
haben, die X-, Y-, Z-Koordinaten einer Oberfläche zu
bestimmen. Bei dem optischen Meßverfahren werden Git
terstrukturen auf das Objekt projiziert und es wird
das Bild des Objekts mit einer Kamera oder derglei
chen aufgenommen. Bei dem sogenannten Phasenschiebe
verfahren werden die Gitter verschoben und aus den
phasenverschobenen Intensitäten können Phasenwerte
bestimmt werden. Da jedoch keine absoluten Phasenwer
te bestimmt werden können sondern lediglich Phasen
werte mod 2π, wurde das sogenannte codierte Verfahren
verwendet. Bei diesem Verfahren werden verschiedene
Streifensysteme sequentiell projiziert. Beispielswei
se werden in Graycode codierte Streifenmuster als
Sequenz von binär gestuften Gittern projiziert und
eine Kamera nimmt für jedes Pixel Intensitäten, die
anhand von Binärisierungsschwellen in zwei Bereiche
("0" und "1") unterteilt werden, auf, d. h., das Meß
ergebnis nach der Sequenz ist eine Folge von "0" und
"1" für jedes einzelne Pixel im Bild. Die Anzahl der
unterscheidbaren Bereiche ergibt sich als Anzahl der
verschiedenen "0" und "1" Sequenzen, die durch den
Graycode realisiert werden können. Beispielsweise
werden aus sieben einzelnen Gray-Code Bildern maximal
2⁷ = 128 verschiedene unterscheidbare Bereiche ge
bildet.
Die Meßgenauigkeit ist beim codierten Verfahren mit
Graycode schlechter als die Phasenmeßgenauigkeit bei
dem Phasenschiebeverfahren, daher werden die Grayco
deverfahren häufig mit dem Phasenschiebeverfahren
kombiniert, wobei als Ergebnis ein absoluter Phasen
wert erhalten wird, der sich aus der mit dem Grayco
deverfahren erhaltenen Streifenordnungszahl als ganz
zahligen Teil des absoluten Phasenwertes und dem mit
dem Phasenmeßverfahren erhaltenen Phasenwert als Pha
senbruchteil oder auch "Streifenordnungsbruchteil"
zusammensetzt. Eine Darstellung der absoluten Phase,
des Phasenwertes und der Ordnungszahl über die Pixel
ist in Fig. 1 dargestellt. Dabei treten, wie zu er
kennen ist, einzelne Fehler (Sprungstellen) auf, die
dadurch bedingt sind, daß die mit dem Graycodeverfah
ren bestimmten Ordnungszahlen nicht für jedes Pixel
mit den zugehörigen Phasenwerten korrelieren. Dies
ergibt sich daraus, daß die aus phasenverschobenen
Intensitäten bestimmten Phasenwerte Φ₁ nur mod 2π
berechnet werden können. Für Phasenwerte nahe ± π er
gibt ein kleiner Rauschanteil im Signal ein mögliches
Phasenspringen von ± 2π. Damit passen das Graycodebild
und das Phasenbild nicht mehr zusammen. Es kommt so
mit zu den oben erwähnten Fehlern durch Sprungstel
len, wobei diese Sprünge durch eine pixelweise Dekor
relation zwischen der Ordnungszahl Ω der Streifen,
die aus dem Graycodeverfahren bestimmt wird, und der
Phase Φ₁ entstehen (siehe Fig. 1).
Es sind mathematische Verfahren mit Verstetigungsal
gorithmen bekannt, die Nachbarschaftsbeziehungen und
die Phasendifferenzen zwischen benachbarten Pixeln
auswerten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah
ren zum Bestimmen von dreidimensionalen Oberflächen
zu schaffen, bei dem die die Information über die
dreidimensionalen Oberflächen enthaltenden absoluten
Phasenwerte fehlerlos bestimmt werden können, ohne
daß nachträgliche mathematische Fehlerbereinigungen
notwendig werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn
zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können absolute
Phasenwerte Φabs ohne Verstetigungsalgorithmus in we
sentlich besserer Qualität als bisher bestimmt wer
den. Die bisherige nachträgliche Filterung der abso
luten Phasen zur Bestimmung der Sprungstellen ent
fällt. Damit verbunden ist die Möglichkeit, die ab
solute Phase Φabs einzelner Pixel zu bestimmen, ohne
die absolute Phase Φabs benachbarten Pixel kennen zu
müssen.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren nä
her erläutert, wobei die beigefügte Zeichnung zu der
Erläuterung mit herangezogen wird. Es zeigen:
Fig. 1 die absolute Phase, Ordnungszahl und
Phasenwerte über die Pixelnummer, die
mit dem Verfahren nach dem Stand der
Technik gefunden werden,
Fig. 2 eine Zuordnung der Phasenwerte Φ₁ zu
unterschiedlichen Mengen, und
Fig. 3 Phasenwerte und Ordnungszahlen über
die Pixel mit einem Verfahren nach der
vorliegenden Erfindung.
Entsprechend dem im Stand der Technik bekannten Gray
codeverfahren wird das zu messende Objekt mit im
Graycode codierten Streifenmustern bestrahlt und eine
vorzugsweise als CCD-Kamera ausgebildete Kamera nimmt
das Bild des mit Streifenmustern bestrahlten Objekts
auf. Um die Binarisierungsschwelle festzulegen, wird
vor der eigentlichen Messung das Objekt mit einem
durchgehend dunklen "Muster" und anschließend mit
einem durchgehend hellen "Muster" bestrahlt und das
entsprechende Bild aufgenommen. Auf diese Weise kann
das Störlicht ausgeschaltet werden. Anschließend wer
den nacheinander beispielsweise sechs im Graycode
codierte Streifenmuster auf das Objekt projiziert,
wodurch für jedes Pixel eine Hell-/Dunkelbeleuch
tungs-Sequenz bestimmt wird, wobei diese Information
im von der Kamera aufgenommenen Bild durch Binarisie
rung unter Berücksichtigung der Binarisierungsschwel
le gewonnen wird.
In einem nächsten Verfahrensschritt wird das Objekt
mit einem sogenannten "Sinus"-Streifenmuster be
strahlt und die Kamera nimmt das Intensitätsbild auf,
das ebenso wie das binarisierte Bild im Graycodever
fahren in einem Bildspeicher gespeichert wird. Dabei
kann die Intensität mit folgender Formel beschrieben
werden:
Ik = Io (1+m·cos(Φ+ΔΦk))
m: Modulation zwischen 0 und 1
ΔΦk: Phasenschritt
k: Nummer des Phasenschrittes (1 . . . 3)
ΔΦk: Phasenschritt
k: Nummer des Phasenschrittes (1 . . . 3)
Unter einem Linienpaar wird eine Periode des "Sinus"-
Streifenmusters, welche gleich einem hellen und einem
dunklen Streifen im Intensitätsbild ist, verstanden.
Das "Sinus"-Streifenmuster wird phasenverschoben und
es werden die Intensitätsbilder der phasenverschobe
nen Streifenmuster aufgenommen. In der vorliegenden
Erfindung sollten mindestens drei phasenverschobene
Intensitätsbilder aufgenommen werden, beispielsweise
mit den Phasen (0°, 120°, 240°) oder (0°, 90°, 180°
und 270°), es können jedoch auch mehr Messungen
durchgeführt werden.
Wesentlich für die Erfindung ist, wie weiter unten zu
erkennen ist, daß die im Graycode codierten Streifen
muster und die beim Phasenschiebeverfahren verwende
ten "Sinus"-Streifenmuster so gewählt werden, daß
durch den Gray-Code doppelt so viele unterscheidbare
Bereiche codiert werden, wie Linienpaare im Bild der
Sinus-Streifenmuster enthalten sind. Die Streifen
dichte bezieht sich dann genaugenommen auf das Gray-
Code-Muster mit den feinsten Streifen. Bei den Gray
code codierten Streifenmustern hat somit das letzte
Streifenmuster der Sequenz die halbe Streifenfrequenz
wie das Streifenmuster beim Phasenschiebeverfahren.
Die Auswertung der im Bildspeicher gespeicherten In
formationen über die Graycodesequenz und über die
phasenverschobenen Intensitätsbilder wird unter Her
anziehung der Fig. 2 und 3 beschrieben.
In bekannter Weise wird aus den Binärwerten der ein
zelnen Pixel, die bei dem Graycodeverfahren gemessen
wurden, die jeweilige Ordnungszahl bestimmt, wobei im
vorliegenden Falle die Ordnungszahl Ωdoppel für die dop
pelte Streifenanzahl im Vergleich zu der Streifenan
zahl bei der Phasenmessung definiert ist. Damit er
gibt sich für eine Phasenänderung von π eine Änderung
der Ordnungszahl Ω von 1 bzw. von 2π eine Ordnungs
zahländerung von 2. Die Ordnungszahl Ωdoppel wird in
folgender Weise in zwei neue Funktionen transformiert
(siehe Fig. 3):
Ω1 = Ωdoppel - (Ωdoppel mod 2)
Ω2 = Ωdoppel + (Ωdoppel mod 2).
Ω2 = Ωdoppel + (Ωdoppel mod 2).
Aus den im vorliegenden Fall vier phasenverschobenen
Intensitätsbildern können gleichfalls in bekannter
Weise für jedes Pixel die Phasenwerte entsprechend
der folgenden Formel
Φ₁ = (I₂-I₄)/(I₁-I₃)
berechnet werden.
Die Phase Φ₁ kann in mindestens zwei Mengen einge
teilt werden, wobei die eine Menge Phasenwerte um 0°
herum und die andere Menge Phasenwerte um ± π herum
umfassen sollte. In Fig. 3 sind drei Mengen für die
Phasenwerte Φ₁ dargestellt. Bei zwei Mengen ergibt
sich im in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
folgende Definition:
Φ₁ ⊂ (-π/2, π/2) → Bereich 1 = B₁
Φ₁ ⊄ (-π/2, π/2) → Bereich 2 = B₂.
Φ₁ ⊄ (-π/2, π/2) → Bereich 2 = B₂.
Die Einteilung nach Fig. 2 ist wie folgt:
Φ₁ ⊂ (-π/2+δ, π/2-δ) → Bereich 1 = B₁
Φ₁ ⊂ (-π, -π/2-δ) oder
Φ₁ ⊂ (π/2+δ, π) → Bereich 2 = B₂
Φ₁ ⊂ (-π/2-δ, -π/2+δ) oder Φ₁ ⊂ (π/2-δ, π/2+δ) → Bereich 3 = B₃ mit 0 < δ < π/2.
Φ₁ ⊂ (-π, -π/2-δ) oder
Φ₁ ⊂ (π/2+δ, π) → Bereich 2 = B₂
Φ₁ ⊂ (-π/2-δ, -π/2+δ) oder Φ₁ ⊂ (π/2-δ, π/2+δ) → Bereich 3 = B₃ mit 0 < δ < π/2.
Für weitere Betrachtungen, wie auch in Fig. 3 darge
stellt, wird δ = 0 angenommen, dies entspricht eine
Unterteilung in zwei Bereiche, da dann B₃ eine leere
Menge ist.
Es werden Phasenwerte ein weiteres Mal berechnet,
wobei eine zyklische Vertauschung der Intensitätswer
te vorgenommen wird. Aus den Intensitäten
I₁₁(Φ₁+Δϕ₁); I₁₂(Φ₁+Δϕ₂); I₁₃(Φ₁+Δϕ₃) und I₁₄(Φ1+Δϕ₄)
mit den im Ausführungsbeispiel angegebenen Phasenver
schiebungen von
mit Δϕ₁ = 0°; Δϕ₂ = 90°; Δϕ₃ = 180°; Δϕ₄ = 270°
ergeben sich Intensitäten zu:
I₂₁(Φ₁+Δϕ₃); I₂₂(Φ₁+Δϕ₄); I₂₃(Φ₁+Δϕ₁) und I₂₄(Φ₁+Δϕ₂).
Aus diesen Intensitäten werden die Phasenwerte
Φ₂ (I₂₁; I₂₂; I₂₃; I₂₄) entsprechend der oben angegebenen
Formel berechnet und diese Phasenwerte Φ₂ unterschei
den sich von Φ₁ dadurch, daß sie einerseits um ± π
verschoben sind und andererseits ihre "Unstetigkeits
stellen" verschoben sind. Dies ist aus Fig. 3 zu er
kennen, in der im oberen Bild die Phasenwerte Φ1 und
Φ₂ mit entsprechenden Zuordnungen der Mengen B₁, B₂
und im unteren Teil des Bildes die Ordnungszahlen
Ωdoppel, Ω₁ und Ω₂ dargestellt sind. Die gepunktete Linie
nach Fig. 3 stellt zwei Fälle dar:
- 1. einen Bereich mit den oben verschobenen Punkten, ausgehend von der durchgezogenen Linie; dieser beschreibt den Übergang von Ωdoppel zu Ω₂ und
- 2. einen Bereich mit den nach unten verschobenen Punkten, ausgehend von der durchgezogenen Linie; dieser beschreibt den Übergang von Ωdoppel zu Ω₁.
Die absolute Phase Φabs wird unter Heranziehung der
obigen Werte nach folgender Formel berechnet:
Φabs = Φ₁ + Ω₁·π; falls Φ₁ ⊂ B₁
Φabs = Φ₂ + Ω₂·π; falls Φ₁ ⊂ B₂.
Φabs = Φ₂ + Ω₂·π; falls Φ₁ ⊂ B₂.
Das Ergebnis dieser zweifachen Berechnung der Phasen
Φ₁ und Φ₂ ist, daß keine Unstetigkeitsstellen der Ord
nungszahl mit Unstetigkeitsstellen der Phasen Φ₁ und
Φ₂ zusammenfallen, wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist.
Es wird jeweils ein Bereich Φ₁ mit einem Bereich Ω₁
verrechnet (B₁) und ein Bereich Φ₂ mit einem Bereich
Ω₂ verrechnet (B₂). Damit sind keine rauschbedingten
Unstetigkeiten der verstetigten Phase Φ mehr zu er
warten, solange das Phasenrauschen unter einer von δ
abhängigen Größe bleibt. Wenn die Einteilung von Φ₁
mit 0 < δ < π/2 erfolgt, dann ergeben sich durch den
Bereich B₃ zusätzliche Sicherheitsgrenzen, um Phasen
mit einer größeren Rauschamplitude der Phasenmeßwerte
auswerten zu können.
Claims (2)
1. Verfahren zum Bestimmen von dreidimensionalen
Oberflächen, bei dem auf die Oberfläche nachein
ander eine Folge von im Graycode codierten
Streifenmustern projiziert wird und das jeweili
ge Bild der Oberfläche pixelweise erfaßt wird,
derart, daß für jedes Pixel im Bild eine Folge
von Gray-Code-Intensitäten erhalten wird, bei
dem weiterhin auf die Oberfläche ein Streifenmu
ster projiziert wird, das nacheinander in der
Phase verschoben wird und das jeweilige Bild des
Objekts mit Streifenmuster als phasenverschobene
Intensitäten erfaßt wird und bei dem aus der
Folge von Gray-Code-Intensitäten und den phasen
verschobenen Intensitätswerten Streifenordnungs
zahlen und Phasenwerte zur Bildung von absoluten
Phasenwerten bestimmt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Folge von im Graycode codierten Strei
fenmustern im Vergleich zu den in der Phase ver
schobenen Streifenmuster derart gewählt wird,
daß die Anzahl der unterscheidbaren Bereiche bei
der Messung mit im Graycode codierten Streifen
muster doppelt so groß ist wie bei der Messung
mit Phasenverschiebung, wobei jeweils durch die
im Graycode codierten Streifenmuster die Ord
nungszahl (Ωdoppel) für die doppelte Anzahl von
Linienpaaren bestimmt wird, daß die bestimmten
Phasenwerte als erste Phasenwerte (Φ₁) in minde
stens zwei Mengen unterteilt werden, von denen
die eine Menge Phasenwerte um π und -π und die
andere Menge Phasenwerte um 0° umfaßt, daß zwei
te Phasenwerte (Φ₂) unter zyklischer Vertau
schung der Intensitätswerte bestimmt werden, daß
die Ordnungszahl (Ωdoppel) jeweils in zwei neue
Ordnungszahlen (Ω₁, Ω₂) entsprechend den Formeln:
Ω₁ = Ωdoppel - (Ωdoppel mod 2)
Ω₂ = Ωdoppel + (Ωdoppel mod 2)transformiert wird und daß die absoluten Phasen werte entsprechend der Formel:Φabs = Φ₁ + Ω₁·π,wenn der erste Phasenwert Bestandteil der ersten Menge ist, undΦabs = Φ₂ + Ω₂·π,wenn der erste Phasenwert Bestandteil der zwei ten Menge ist,
bestimmt werden.
Ω₂ = Ωdoppel + (Ωdoppel mod 2)transformiert wird und daß die absoluten Phasen werte entsprechend der Formel:Φabs = Φ₁ + Ω₁·π,wenn der erste Phasenwert Bestandteil der ersten Menge ist, undΦabs = Φ₂ + Ω₂·π,wenn der erste Phasenwert Bestandteil der zwei ten Menge ist,
bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die erste Menge Phasenwerte zwischen -π
und -π/2 sowie +π/2 und π und die zweite Menge
Phasenwerte zwischen -π/2 und +π/2 einschlie
ßen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19720160A DE19720160C2 (de) | 1996-05-06 | 1997-05-05 | Verfahren zum Bestimmen von dreidimensionalen Oberflächen |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19618141 | 1996-05-06 | ||
DE19720160A DE19720160C2 (de) | 1996-05-06 | 1997-05-05 | Verfahren zum Bestimmen von dreidimensionalen Oberflächen |
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Publication Number | Publication Date |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country | Link |
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