DE19738179C1

DE19738179C1 - Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung von Objektpunkten

Info

Publication number: DE19738179C1
Application number: DE1997138179
Authority: DE
Inventors: Bernward Maehner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2017-09-03

Description

Es ist bekannt, daß zur hochgenauen dreidimensionalen Formerfassung Triangulations verfahren eingesetzt werden, welche mit einem Streifenprojektor und einer Film- oder Videokamera arbeiten. Dieses Meßprinzip bietet den Vorteil, daß eine flächenhafte Aus wertung möglich ist, nämlich an allen Oberflächenpunkten eines Objektes, die sowohl vom Projektor beleuchtet als auch von der Kamera beobachtet werden.

Um eine eindeutige Identifikation der projizierten Streifen zu ermöglichen, ist es erfor derlich, eine Reihe unterschiedlicher Streifenmuster nacheinander zu projizieren und mit der Kamera aufzunehmen. Hierzu sind verschiedene Verfahren bekannt, so z. B. das hier archische Phasenshiftverfahren, das z. B. im Digitalisiersystem OptoShape der Fa. Massen (Am Seerhein 8, 78467 Konstanz) verwendet wird, der codierte Lichtansatz (T. G. Stahs, F. M. Wahl, "Close Range Photogrammetry Meets Machine Vision", SPIE Vol. 1395 (1990) S. 496-503 sowie "Kurzbeschreibung LCD 320" zum Projektor Typ LCD 320 der Fa. ABW, Gutenbergstraße 9, D-72636 Frickenhausen) oder das kombi nierte CLA-Phasenshift-Verfahren (Patentschrift DE 41 20 115 C2). Bei diesen Techni ken wird eine hohe Auflösung durch das aus der interferometrischen Meßtechnik stam mende Phasenshiftverfahren erzielt. Beim Phasenshiftverfahren wird durch Projektion phasenverschobener sinusförmiger Wellenfronten die Berechnung des Phasenwinkels für jeden Punkt der untersuchten Streifen- bzw. Interferenzbilder ermöglicht. Hierzu werden für jede der verwendeten Perioden- bzw. Wellenlängen jeweils mindestens 3 phasenver schobene Wellenfronten benötigt, da Hintergrundintensität, Intensitätsamplitude und Phasenwinkel bestimmt werden müssen (W. Osten, "Digitale Verarbeitung und Auswer tung von Interferenzbildern", Kap. 6, Akademie Verlag ISBN 3-05-501294-1).

Das Phasenshiftverfahren besitzt den Nachteil, daß für jede der verwendeten Perioden- bzw. Wellenlängen mindestens 3 Bilder benötigt werden. Beim Einsatz des Phasenshift verfahrens in Kombination mit einem programmierbaren Liniengitter, z. B. in Form eines LCD-Panels, ergibt sich ferner der Nachteil, daß zur Erzeugung der Sinusgitter, welche um ganzzahlige Vielfache von 120° verschiebbar sein müssen, für die kürzeste darstell bare Periode jeweils 6 Linien zu einer Sinuswellenperiode kombiniert werden, da der 120° Phasenshift durch Versetzen des Streifenmusters um 2 Linien erfolgt. Aus diesem Grunde wird in der Praxis meistens der 4er Phasenshift verwendet, bei dem eine Periode durch Kombination von nur 4 Linien erzeugt wird und der 90° Phasenshift durch Verset zen des Streifenmusters um eine Linie durchgeführt wird. Hierdurch erhält man eine hö here Streifendichte und damit Auflösung, benötigt aber insgesamt 4 Gitterprojektionen um den Phasenwinkel zu berechnen.

Während der gesamten Aufnahmezeit, die benötigt wird, um alle Lichtmuster aufzuneh men, muß die gesamte zu vermessende Szenerie unbeweglich sein, da sonst die mit der Kamera aufgenommenen Bilder nicht korrelieren. Dies ist insbesondere dann ein Pro blem, falls das aufzunehmende Objekt nur schwerlich in absoluter Ruhe verharrt, so wie beispielsweise bei der Messung an lebenden Personen. Es ist daher zweckmäßig, die An zahl der zu projizierenden Lichtmuster zu minimieren und damit die Aufnahmezeit zu verkürzen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das zur hochauflösenden Vermessung von Objekten mittels projizierter Lichtmuster geeignet ist und das eine in der Auflösung gleichwertige und in der Aufnahmezeit überlegene Alternative zu den obengenannten Verfahren darstellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Zur Berechnung des Phasenwinkels für jeden Bildpunkt der beobachtenden Kamera wird eine Projektionseinheit mit programmierbarem oder mechanisch verstellbarem Gitter verwendet. Erfindungsgemäß ist das Gitter so ausgebildet, daß entweder mindestens zwei verschiedene Lichtflächen erzeugt bzw. projiziert werden können, die jeweils eine gleichmäßige nicht durch Linien oder sonstige Strukturen durchzogene Intensitätsver teilung aufweisen, die der Intensitätsverteilung einer mit der gleichen Projektionseinheit erzeugten Gitterprojektion mit sinusförmiger Intensitätsverteilung an Orten mit konstan tem Phasenwinkel bekannter oder berechenbarer Größe entspricht. Oder das Gitter ist so ausgebildet, daß eine strukturfreie Lichtfläche projiziert werden kann, deren Intensitäts verteilung punkteweise genau dem Mittelwert zwischen maximaler und minimaler In tensität der mit der gleichen Projektionseinheit erzeugten Gitterprojektionen mit sinus förmiger Intensitätsverteilung entspricht. Die mit strukturfreien Lichtflächenprojektionen erzeugten und mit der Kamera aufgenommenen Abbildungen werden im Folgenden Konstantphasenbilder genannt, da der an jedem Bildpunkt vorliegende Phasenwinkel konstant ist.

Erfindungsgemäß werden die Konstantphasenbilder zur Berechnung der Hintergrundin tensität oder der Intensitätsamplitude in den Abbildungen der mit der gleichen Projek tionseinheit erzeugten Gitterprojektionen mit sinusförmiger Intensitätsverteilung ver wendet. Es werden somit von den drei unbekannten Größen Hintergrundintensität, In tensitätsamplitude und Phasenwinkel, welche, wie Eingangs erwähnt, bei sinusförmiger Intensitätsverteilung zu bestimmen sind, entweder Hintergrundintensität oder Intensi tätsamplitude oder Hintergrundintensität und Intensitätsamplitude aus Konstantphasen bildern berechnet. Die so berechnete Hintergrundintensität oder Intensitätsamplitude wird erfindungsgemäß dazu verwendet, um aus den Abbildungen der Gitterprojektionen mit sinusförmiger Intensitätsverteilung punktweise den Phasenwinkel zu berechnen.

Formelmäßig ergeben sich dabei die folgenden Zusammenhänge:

Es gilt für die Intensität I_S(x,y) eines Bildpunktes an den Bildkoordinaten (x, y) bei sinus förmiger Intensitätsverteilung:

I_S(x,y) = I_A(x,y) . sinϕ_(x,y) + I_H(x,y)

mit:
I_A(x,y): Intensitätsamplitude
ϕ_(x,y): Phasenwinkel
I_H(x,y): Hintergrundintensität

Seien I_1(x,y) und I_2(x,y) die in den Konstantphasenbildern am Bildpunkt (x, y) enthaltenen Intensitäten, welche den ortsunabhängigen Phasenwinkeln ϕ₁ bzw. ϕ₂ entsprechen.

Unter Verwendung des Ansatzes:

I_1(x,y) = I_A(x,y) . sinϕ₁ + I_H(x,y)

I_2(x,y) = I_A(x,y) . sinϕ₂ + I_H(x,y)

ergibt sich die Hintergrundintensität I_H(x,y) zu:

und die Intensitätsamplitude I_A(x,y) zu:

Die Projektionseinheit ist vorteilhafterweise konstruktiv so ausgebildet, daß ein Sinusgit ter sowie ein in Intensitätsamplitude und Periodenlänge mit dem Sinusgitter identisches aber um π/2 phasenverschobenes Gitter projiziert werden kann.

Zur Berechnung des Phasenwinkels für jeden Bildpunkt der Kamera werden vorteilhaf terweise die Abbildungen der Projektionen eines Sinusgitters und des hierzu passenden Cosinusgitters, also eines Gitters das gegenüber dem Sinusgitter um π/2 phasenverscho ben ist, verwendet.

Der Phasenwinkel ϕ_(x,y) am Bildpunkt (x, y) errechnet sich dann wie folgt:

Mit:

I_C(x,y) = I_A(x,y) . sin(ϕ_(x,y) + π/2) + I_H(x,y) = I_A(x,y) . cosϕ_(x,y) + I_H(x,y)

gilt:

Es ist nun offensichtlich, daß zur Bestimmung des Phasenwinkels ϕ_(x,y) nur zwei Gitter projektionen mit sinusförmiger Intensitätsverteilung erforderlich sind.

Da der Phasenwinkel ϕ_(x,y) durch die Arcustangensfunktion bestimmt wird, ist er 2π moduliert, so daß um ganzzahlige Vielfache von 2π verschiedene Phasenwerte nicht un terschieden werden können. Zur Berechnung der absoluten Phasenwinkel, d. h. zur Be stimmung des n . 2π Offsets eines Phasenwinkels, wird das Verfahren deshalb vorteil hafterweise mit dem Verfahren des codierten Lichtansatzes kombiniert, oder durch Ver wendung unterschiedlicher Periodenlängen in den Sinus/Cosinus Gitterpaaren eine Serie von Phasenbildern berechnet, die eine Berechnung des absoluten Phasenwinkels zuläßt. In beiden Fällen lassen sich hierbei gegenüber der Verwendung des Phasenshiftverfah rens Projektionen bzw. Bildaufnahmen einsparen.

Im ersten Fall führt man hierzu vorteilhafterweise die zur Auswertung der Streifenbilder des codierten Lichtansatzes erforderliche Identifikation heller und dunkler Linien auf Ba sis des Hintergrundintensitätsbildes durch, womit sich die Erzeugung des ansonsten er forderlichen dynamischen Schwellwertbildes zur Binarisierung der Streifenmuster erüb rigt.

Im zweiten Fall benötigt man zur Phasenberechnung nur zwei Gitterprojektionen pro verwendeter Periodenlänge, da das nach obigen Verfahren erzeugte Hintergrundintensi tätsbild für alle Periodenlängen gültig ist.

Da sich die nach dem hier beschriebenen neuen Verfahren berechneten Phasenbilder im Ergebnis nicht von den mittels des bekannten Phasenshiftverfahrens erzeugten Phasen bildern unterscheiden, muß die Verrechnung von Phasenbild mit Bildern des codierten Lichtansatzes bzw. die Verrechnung von Phasenbildern unterschiedlicher Periodenlänge zur Bestimmung des absoluten Phasenwinkels hier nicht weiter erläutert werden.

Im folgenden seien zwei Ausführungsbeispiele aufgeführt:

Ein Gitter mit den geforderten Eigenschaften erhält man durch Verwendung eines programmierbaren LCD-Panels mit Linien- oder Punktelementen in der Projektionsein heit (LCD-Projektor).

Wird nun ein Bild bei voll durchlässigem LCD-Panel und ein Bild bei voll abgedunkel tem LCD-Panel aufgenommen, so erhält man die obere und die untere Einhüllende zu sämtlichen mit dem LCD-Gitter projizierbaren Streifenmustern, unter der Vorausset zung, daß zur Erzeugung der Streifenmuster ebenfalls die hellsten und dunkelsten Li nien, welche mit dem LCD-Panel erzeugbar sind, verwendet werden.

Es gilt dann für die ortsunabhängigen Phasenwinkel ϕ₁ = 90° und ϕ₂ = 270° und somit für die Hintergrundintensität I_H(x,y):

Die dabei entstehenden Verhältnisse zeigt Fig. 1. Sie zeigt einen Schnitt durch die Ab bildungsebene des Projektionsfeldes senkrecht zur Orientierung der Streifen. Dabei ist die Intensität I über der Strecke s aufgetragen. Kurve 1 zeigt den Intensitätsverlauf bei Projektion mit voll durchlässigem Gitter (Konstantphasenwinkel ϕ₁ = 90°), Kurve 2 den Intensitätsverlauf bei voll abgedunkeltem Gitter (Konstantphasenwinkel ϕ₂ = 270°), Kurve 3 die resultierende Hintergrundintensität I_H und Kurve 4 den Intensitätsverlauf bei Projektion eines Sinusgitters.

Wird hingegen ein Bild aufgenommen, bei welchem die durch die LCD-Elemente her vorgerufene Abdunkelung genau dem Mittel zwischen maximaler Helligkeit bei voll durchlässigem LCD-Panel und minimaler Helligkeit bei voll abgedunkeltem LCD-Panel entspricht, so erhält man ein Konstantphasenbild zum Winkel ϕ₁ = 0° und somit für die Hintergrundintensität I_H(x,y):

I_H(x,y) = I_1(x,y)

d. h. man erhält so direkt aus einem Bild die Hintergrundintensität. Diese Vorgehens weise erfordert allerdings ein Gitter welches Graustufen darstellen kann und nicht nur binäre hell/dunkel Muster. Die dabei entstehenden Verhältnisse zeigt Fig. 2. Sie zeigt wiederum einen Schnitt durch die Abbildungsebene des Projektionsfeldes senkrecht zur Orientierung der Streifen. Es ist die Intensität I über der Strecke s aufgetragen. Kurve 5 zeigt den Intensitätsverlauf bei Projektion mit halb durchlässigem Gitter (Konstantphasenwinkel ϕ₁ = 0°), der identisch ist mit dem Intensitätsverlauf der Hinter grundintensität I_H, und Kurve 6 den Intensitätsverlauf bei Projektion eines Sinusgitters.

Claims

1. Verfahren zur optischen Vermessung räumlicher Koordinaten von Objektpunkten, bei dem mittels eines Projektors Lichtmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert wer den, Abbildungen dieser Lichtmuster auf dem Objekt mittels einer Kamera aufgenommen werden und aus diesen Abbildungen über ein Triangulationsverfahren die Oberflächen kontur des Objektes berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtflächen auf das zu vermessende Objekt projiziert und aufgenommen werden, deren jeweilige Intensitätsverteilung der Intensitätsverteilung einer mit der gleichen Projektionseinheit erzeugten Gitterprojektion mit sinusförmiger Intensitätsverteilung an Orten mit konstantem Phasenwinkel von bekannter oder berechenbarer Größe entspricht, daß die Abbildungen dieser Lichtflächen zur punktweisen Berechnung der Hintergrundin tensität oder der Intensitätsamplitude in den Abbildungen der Gitterprojektionen mit si nusförmiger Intensitätsverteilung verwendet werden und daß die so berechnete Hinter grundintensität oder Intensitätsamplitude dazu verwendet wird, um aus den Abbildungen von Gitterprojektionen mit sinusförmiger Intensitätsverteilung punktweise den Phasen winkel zu berechnen.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Hintergrundintensität oder die Intensitätsamplitude punktweise aus den Projek tionen der oberen und der unteren Einhüllenden der Gitterprojektionen mit sinusförmiger Intensitätsverteilung ermittelt wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Hintergrundintensität punktweise aus der Projektion einer Lichtfläche ermittelt wird, deren Intensitätsverteilung punktweise dem Mittelwert von maximaler und minimaler Intensität der Gitterprojektionen mit sinusförmiger Intensitätsverteilung entspricht.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß der ortsabhängige Phasenwinkel punktweise aus der Projektion eines Sinusgitters und der Projektion eines hierzu um ein Viertel der Periodenlänge verschobenen Sinusgitters ermittelt wird.

5. Verfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Bestimmung der absoluten, nicht 2π modulierten Phasenwinkel mit dem Verfahren des codierten Lichtansatzes kombiniert wird.

6. Verfahren nach Patentanspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die zur Berechnung der Hintergrundintensität oder Intensitätsamplitude aufgenom menen Abbildungen zugleich zur Identifikation heller und dunkler Streifen in den Strei fenbildern des codierten Lichtansatzes verwendet werden.

7. Verfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der absoluten Phasenwinkel Gitterprojektionen mit unterschiedli chen Periodenlängen verwendet werden, um eine Serie von Phasenbildern zu erhalten, welche die Berechnung der absoluten, nicht 2π modulierten Phasenwinkel ermöglicht.

8. Verfahren nach Patentanspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die zur Berechnung der Hintergrundintensität oder Intensitätsamplitude verwendeten Abbildungen genau einmal aufgenommenen werden und für die Phasenwinkelberechnung aller benötigten Periodenlängen verwendet werden.