DE19819992A1 - Einrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen mittels optischer Scanner und ein Verfahren zur dreidimensionalen Objekterfassung - Google Patents

Abstract

Die Erfindungsaufgabe, eine Einrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen mittels optischer Scanner in Verbindung mit Datenverarbeitungseinrichtungen und ein Verfahren zur Ansteuerung und Bedienung von optischen Scannern zu entwickeln, wurde dadurch gelöst, daß an einem Rechner ein softwaregesteuerter, handelsüblicher oder modifizierter optischer, mit einer nichtparallelen Abbildungsoptik ausgerüsteter Flachbettscanner, der mit Zusatzgeräten oder modifizierten austauschbaren Geräteteilen zur Positionierung der Aufnahmegegenstände und zur Optimierung der Objektausleuchtung für die dreidimensionale Abbildung ausgerüstet ist, und ein spezielles Display zur dreidimensionalen Darstellung oder ein übliches Display vorgesehen sind, wobei der Gegenstand zeitlich aufeinander und/oder gleichzeitig in zwei oder mehreren Aufnahmemodi erfaßt und hierzu die Scannereinrichtung angesteuert wird, die Daten der zeitlich aufeinanderfolgenden und/oder gleichzeitig erfolgenden Erfassung gespeichert und/oder nach Abschluß oder auch teilweise während des Scannprozesses zu einem räumlichen Modell rechnermäßig verarbeitet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Herstellung von drei­ dimensionalen Aufnahmen von Objekten mittels optischer Scanner in Verbindung mit einer Datenverarbeitungseinrichtung und ein Ver­ fahren zur Ansteuerung und Bedienung von optischen Scannern zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen.

Mit der Erfindung der Fotografie wurde ein technisches Verfahren entwickelt, mit dem optische Abbildungen von beliebigen Gegen­ ständen erstellt werden können. Bei der gewöhnlichen Fotografie geht aber die Tiefeninformation verloren und von der dreidimen­ sionalen Welt erhält man ein zweidimensionales Abbild. Schon vor über 100 Jahren wurde erkannt, daß man mit zwei getrennten Auf­ nahmen eines Objektes für beide Augen einen räumlichen Eindruck gewinnen kann. In weiten Bereichen der Technik wird dieses soge­ nannte stereoskopische Abbildungsverfahren bereits eingesetzt, z. B. in der Bodenkunde, Geodäsie, Raumfahrt, bei Satellitenauf­ nahmen und in der Kunst. Mit dem Aufkommen der Computertechnik und der digitalen Bildverarbeitung gewinnt die Erstellung, Mani­ pulation und Darstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen zunehmend an Bedeutung. Es gibt eine Reihe von Mög­ lichkeiten und Verfahren, um von Gegenständen der realen Welt dreidimensionale und von Computern verarbeitbare Aufnahmen zu er­ zeugen:

• 1) Einsatz von zwei Kameras und Übertragung der beiden Bilder in den Rechner
• 2) Einsatz einer Kamera in Verbindung mit einem rotierbaren Ob­ jektträger
• 3) Abtasten von Gegenständen durch Verfahren der optischen Tri­ angulation.
  • a) Dies kann entweder mit starken Laserstrahlen erfolgen
  • b) oder mit speziellen Beleuchtungsmustern, wie Streifen etc.
• 4) mechanisches Abtasten über Pantographen etc.

Alle Verfahren sind aufwendig und haben sich noch nicht auf breiter Front durchgesetzt:
bei Anwendung der unter 1) und 2) genannten Möglichkeiten bedarf es einer aufwendigen Justierung der Kamera bzw. Kameras. Es müssen auch die Beleuchtungsverhältnisse korrekt sein. Im allge­ meinen benötigt man einen speziellen Aufnahmeraum in der Art eines Photostudios. Die Anwendung der unter 3a) genannten Mög­ lichkeit ist sehr aufwendig und damit sehr teuer, z. T. gefährlich wegen der hohen Beleuchtungsstärken und zur Farbabbildung werden mehrere Laserstrahlen benötigt.

Bei der unter 3b) genannten Möglichkeit entsteht eine geringe Tiefenauflösung und eine aufwendige digitale Nachbearbeitung wird erforderlich. Das unter 4) genannte Verfahren ist sehr zeitauf­ wendig und ist wegen der direkten Berührung mit dem Gegenstand nicht für weiche Gegenstände und damit nur für den Hobbybereich oder zur semiprofessionellen Anwendung geeignet.

Seit einigen Jahren sind optische Scanner mit Abtastarrays im Handel, die bekanntesten Bauformen sind die sog. Handscanner und die Flachbettscanner. Beim Handscanner wird ein Abtastelement, bestehend aus einer Abtastleuchte und einem optischen Abtast­ array, meist ein CCD-Array, per Hand über die abzubildende Fläche geschoben. Beim Flachbettscanner wird das Abtastelement, eben­ falls bestehend aus einer Abtastleuchte und einem optischen Ab­ tastarray, unter einer Glasplatte maschinell verschoben. Hauptan­ wendungsgebiet der Flachbettscanner ist das Ablichten von Papier­ vorlagen. Aufgrund ihrer Tiefenschärfe von einigen Zentimetern eignen sie sich auch hervorragend zum Erfassen von kleineren und insbesondere von flachen Gegenständen, wie z. B. Leiterplatten etc. Hierbei ergeben sich eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber der konventionellen Fotografie:

• - Maßstabstreue in Bewegungsrichtung des Abtastschlittens (keine Parallaxeneffekte in dieser Richtung)
• - sehr hohe Reproduzierbarkeit ("Leitplatte an den Anschlag schieben")
• - sofortige Verfügbarkeit der Ergebnisse
• - direkte elektronische Verarbeitung möglich
• - nahezu ideale Beleuchtungsverhältnisse
• - sehr hohe Auflösung
• - geringer Aufwand
• - niedrige Kosten

Aufgrund der speziellen zylindrischen Abbildungsgeometrie ist es nun durch bloßes Verschieben von Gegenständen auf der Glasplatte senkrecht zur Bewegungsrichtung des Abtastschlittens möglich, Ab­ bildungen unter leicht verschiedenen Blickwinkeln zu erzeugen. Auf diese Weise kann man stereoskopische Aufnahmen höchster Qualität von Gegenständen erzeugen. Diese Eigenschaft ist druck­ schriftlich nirgends beschrieben und ist ein Nebeneffekt der kon­ struktiv bedingten nichtparallelen Abbildungsoptik. Diese Eigen­ schaft läßt sich ausschließlich hobbymäßig und mit unverhältnis­ mäßigem Aufwand zur Anfertigung von stereoskopischen Aufnahmen einsetzen. Dieser Effekt läßt sich im professionellen Bereich ohne Hilfsmittel oder entsprechende Veränderungen am Scanner nicht befriedigend ausnützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen mittels optischer Scanner in Verbindung mit Datenverarbeitungs­ einrichtungen und ein Verfahren zur Ansteuerung und Bedienung von optischen Scannern zur Herstellung von dreidimensionalen Auf­ nahmen zu entwickeln.

Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen mittels optischer Scanner in Verbindung mit einer Datenverarbei­ tungseinrichtung entwickelt wurde, bei der erfindungsgemäß an einem Rechner ein softwaregesteuerter, handelsüblicher oder modi­ fizierter optischer Scanner, der mit einer nichtparallelen Ab­ bildungsoptik ausgerüstet ist und ein spezielles Display zur dreidimensionalen Darstellung oder ein übliches Display vor­ gesehen sind.

Handelsübliche, mit einer nach einer nichtparallelen Optik ar­ beitenden Abtasteinrichtungen ausgerüstete Flachbettscanner sind zur dreidimensionalen Abbildung von Gegenständen erfindungsgemäß mit Zusatzgeräten oder mit modifizierten austauschbaren Geräte­ teilen zur Positionierung der Aufnahmeobjekte und zur Optimierung der Objektausleuchtung für die dreidimensionale Abbildung aus­ gerüstet.

Diese Zusatzgeräte bestehen aus als Objektträger ausgebildete Schachteln, aus als Objektträger ausgebildete Schachteln mit doppeltem Boden, aus Anschlaglineale nach der Art des Reiß­ schienensystems, aus modifizierte Scannerdeckel mit integrierter Objektträgerschachtel, aus modifizierte Scannerdeckel mit inte­ grierter Objektträgerschachtel für Kopfüberbetrieb, aus einer verschiebbaren Objektträgerschachtel für Kopfüberbetrieb, und aus Markierung für Objektträgerschachtel.

Die Objektträgerschachteln weisen eine unterschiedliche Länge, Breite, Tiefe und Innenauskleidung auf und sind speziell für einen Scannertyp und/oder eine Objektart ausgelegt.

Die Objektträger sind mit einer von der Software automatisch er­ kennbaren Markierung versehen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung können die Schachteln einen höhenverstellbaren Boden aufweisen, wobei der höhenverstellbare Boden in einer oder mehren bestimmten, vordefinierten Höhen arre­ tierbar angeordnet ist.

Ferner ist eine aufsetzbare und am Scanner lagestabil befestigte Einrichtung vorgesehen, mit der die Gegenstände oder die Objekt träger auf oder über der Glasplatte des Scanners reproduzierbar und in definierter Orientierung positionierbar sind, wobei diese Einrichtung mit einer Skalierung in Längenmaßen und/oder mit einer geräteabhängen Skalierung versehen ist.

Die Einrichtung zur Positionierung ist in der Art einer Reiß­ schiene, eines Pantographen, der Stiftansteuerung eines Plotters und dergleichen ausgebildet.

Die Schachteln können in einem austauschbaren Deckel des Scanners integriert sein, wobei der Deckel eine Einrichtung zur Verschie­ bung der Schachtel aufweist und/oder der gesamte Deckel mit der fixierten Schachtel verschiebbar angeordnet ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltungsvariante ist der Scanner ober­ halb des Objektträgers angeordnet, wobei dieser auf einen Geräte­ rahmen aufsetzbar oder über ein Scharnier in die Arbeitslage ein­ schwenkbar angeordnet ist.

Alle Verschiebungen erfolgen über Antriebselemente und/oder die durch Antriebselemente automatisch erfolgende und/oder manuell erfolgende Positionierung ist maschinell erfaßbar, wobei für die Erfassung der Verschiebung optische, elektromechanische, induk­ tive, akustische oder kapazitive Sensoren vorgesehen sind.

Die Datenübertragung erfolgt über sämtliche, in der Computer­ technik einsetzbare Schnittstellen.

Mit einem mit nichtparalleler Abbildungsoptik ausgerüsteter modi­ fizierten Flachbettscanner, der zur dreidimensionalen Erfassung von Gegenständen eingesetzt ist, erfolgt die Aufnahme des Gegen­ standes automatisch oder teilautomatisch softwaregesteuert über eine mehrdimensionale Verschiebeeinrichtung für das Abtastarray und/oder über mehrere feststehende oder verschiebbare Abtast­ arrays und/oder über eine Verschiebeeinrichtung wobei der Abtastschlitten entlang jeder beliebigen Kurvenform steuerbar geführt angeordnet ist und/oder mit mehreren Lichtquellen ausge­ stattet ist und/oder mit asymmetrisch aufgebauten Abtastarrays und/oder mit rotierbaren Objektträgern und/oder mit einem Scanner, der mit einer höhenverstellbaren Glasplatte und/oder mit verschiebbarer Glasplatte ausgestattet ist und/oder bei dem die Glasplatte weggelassen ist und/oder die der Glasplatte der gegenüberliegenden Abdeckung/Gehäusewand weggelassen oder eben­ falls durch eine Glasplatte ersetzt ist und/oder in dem die Funk­ tionalität der Zusatzgeräte integriert ist.

Der Scanner und/oder der Objektträger sind schwingungsgedämpft gehaltert.

Zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen wird als ein optischer. Scanner sowohl mit einer geräteinte­ grierter Bewegungseinrichtung als auch einer mit einer externen Abtastbewegung eingesetzt, wobei sowohl das Abtastarray am Gegen­ stand als auch der Gegenstand am Abtastarray vorbeiführbar vorge­ sehen ist, und die Relativbewegungen zueinander beliebig kon­ tinuierlich oder diskontinuierlich in Intervallen erfolgt.

Der Gegenstand wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zeit­ lich nacheinander und/oder gleichzeitig in zwei oder mehreren Aufnahmemodi erfaßt, wobei zur Erfassung des Gegenstandes die Scannereinrichtung angesteuert wird, die Daten der zeitlich auf­ einanderfolgenden und/oder gleichzeitig erfolgenden Erfassung ge­ speichert werden und nach Abschluß der Erfassung und/oder teil­ weise während des Scannprozesses die Daten zu einem räumlichen Modell und oder/oder zu einer räumlichen Abbildung rechnermäßig verarbeitet werden.

Die Aufnahmen werden nach diesem erfindungsgemäßen Verfahren automatisch ausgewertet, nach qualitativen Parametern geprüft, gegebenenfalls auch mehrfach wiederholt und dabei dann mit einer modifizierten Einstellung erneut eingescannt.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines kompletten Systems zur Her­ stellung, Auswertung und Darstellung von dreidimen­ sionalen Aufnahmen von Gegenständen mittels eines optischen Scanners,

Fig. 2 einen optischen Scanner mit nichtparalleler Abbildungs­ geometrie, beispielhaft in Form eines Flachbett­ scanners, wie er für die erfindungsgemäße dreidimen­ sionale Aufnahme von Gegenständen eingesetzt wird,

Fig. 3 Objektträger in Form von Schachteln unterschiedlicher Größe und Innenauskleidung,

Fig. 4 eine Markierung, dargestellt als Markierungsrahmen

Fig. 5 einen Objektträger in Form einer Schachtel mit höhen­ verstellbarem Boden,

Fig. 6 eine Positioniereinrichtung für Objekte oder Objekt­ träger,

Fig. 7 einen Scanner mit austauschbarem Deckel mit inte­ grierter Objektträgerschachtel,

Fig. 8 einen Scanner mit austauschbarem Deckel mit inte­ grierter Objektträgerschachtel für "Kopfüber-Betrieb", aufschwenkbare Ausführung,

Fig. 9 einen Scanner mit austauschbarem Deckel mit inte­ grierter Objektträgerschachtel für "Kopfüber-Betrieb", aufsetzbare Ausführung,

Fig. 10 einen Scanner mit elektrisch ansteuerbarem Zusatz,

Fig. 11 einen modifizierten Scanner in Kopfüber-Anordnung,

Fig. 12 einen Scanner mit zwei Abtastarrays,

Fig. 13 einen Scanner mit auf einer Kreisbahn geführtem Abtastarray,

Fig. 14 einen Scanner mit zwei Abtastarrays und zwei Abtast­ leuchten,

Fig. 15 asymmetrisch ausgeführte Abtastarrays,

Fig. 16 einen Scanner mit rotierbarem Objektträger,

Fig. 17 einen Scanner mit höhenverstellbarer Glasplatte,

Fig. 18 einen Scanner mit verschiebbarer Glasplatte,

Fig. 19 eine Sonderform eines Scanners, bei der zwei feste Abtastarrays über einem Förderband angeordnet sind,

Fig. 20 einen Scanner mit zwei Abtastarrays mit extern ver­ anlaßter Abtastbewegung,

Fig. 21 eine erweiterte Softwareschnittstelle zur Ansteuerung eines Scanners (TWAIN-Treiber),

Fig. 22 einen Scanner, nach Fig. 2 in detaillierter Darstellung.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Herstellung, Auswer­ tung und Darstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegen­ ständen besteht aus einem optischen Scanner 1, einer Datenver­ arbeitungseinrichtung 2, auf der der Scannertreiber 4 zur An­ steuerung des Scanners 1, und der Bilddatenverarbeitung 5, ent­ haltend je ein 3D-Anzeigemodul 6, einen 3D-Modellgenerator 7 und/oder einen Holographiegenerator 8, implementiert sind, und einer Anzeigevorrichtung 9. Die Bilddaten werden in allen gängigen Formaten, wie jpg, tif, png oder gif zwischengespreichert oder abgelegt. Die mit dieser Einrichtung erfaßten und als 3D-Modell abgelegten Bilddaten können typischerweise als Eingangsdaten für Programme nach dem Prinzip Finiter Elemente oder als Eingangsdaten zur Berechnung von Videosequenzen, wie bei­ spielsweise in Werbefilmen verwendet eingesetzt werden. Für Leiterplatten und Flachbaugruppen in der Industrie sind die so gewonnenen dreidimensionalen Daten sehr gut zur Qualitäts­ sicherung und Dokumentation einsetzbar. Im Kunstgewerbe können z. B. Gemälde dreidimensional erfaßt, und es kann so sehr leicht das Relief von dick aufgetragener Farbe vermessen werden. Weitere Objekte sind z. B. medizinische oder biologische Gewebeproben. Ein Arzt, kann auf diese Weise z. B. die Schwellung einer Hand kontinuierlich bei jedem Besuch des Patienten überwachen und archivieren. Eine solche Einrichtung unterstützet z. B. die Zu­ sammenarbeit an verschiedenen Standorten großer Unternehmen durch sehr schnelle Übermittelung, von realistischen dreidimensionalen Abbildungen von Arbeitsgegenständen, wobei als Übertragungsmedium beliebige Netze, wie z. B. das Internet eingesetzt werden. Mit einer entsprechenden Software 4 und 5 versehen, kann das System auch iterativ Aufnahmen mit anderen Aufnahmemodi "nachfassen" um so die Tiefenauflösung zu erhöhen, Uneindeutigkeiten in der 3D-Modellbildung zu eliminieren oder auch um die Beleuchtungsver­ hältnisse zu optimieren. Der in Fig. 2 dargestellte Scanner 1 mit nichtparalleler Abbildungsgeometrie besteht aus den wesentlichen funktionalen Elementen Gehäuse 10, Abtastschlitten 11, dieser wiederum bestehend aus Abtastarray 11a und Abtastleuchte 11b und einer Glasplatte 12 zur Auflage der einzuscannenden Gegenstände 13 und zum Schutz des Abtastschlittens 11. In den in Fig. 3 dargestellten Objektträgerschachteln 14 werden die einzuscannen­ den Gegenstände 13 fixiert. Die Objektträgerschachteln 14 werden dann an mehreren Stellen auf der Glasplatte 12 typischerweise entlang einer Verschiebung in y-Richtung aufgelegt und einge­ scannt. Länge, Breite und Tiefe sowie Innenauskleidung der Objektträgerschachteln sind scanner- und/oder objektspezifisch ausgelegt. Ein softwaremäßiges Hinterlegen der normierten Schachtelmaße erleichtert die Berechnung des für die Dar­ stellungen zu verwendenden Bildausschnittes. Die softwaremäßig hinterlegte Tiefe der Schachteln kann zur Normierung der Tiefeninformation eingesetzt werden. Die Innenauskleidung kann schließlich zur Farbeichung der Scans eingesetzt werden. Die in Fig. 4 dargestellte Markierung 15 an den Objektträgerschachteln 14 erlaubt ein softwaremäßiges Erkennen der Schachtelposition auf der Glasplatte 12 des Scanners 1. Anstelle des dargestellten Mar­ kierungsrahmens kann eine beliebige Markierung eingesetzt werden. Objektträgerschachteln mit höhenverstellbarem Boden 16 erlauben es, die gegebene Tiefenschärfe des Scanners 1 optimal aus zu­ nützen. Eine auf den Scanner 1 aufsetzbare Einrichtung (17) zur Positionierung der Gegenstände 13 oder Objektträger 14 anhand von Skalierungen in y-Richtung 18 und x-Richtung 19 ist in Fig. 6 dargestellt. Scannerspezifisch kann diese Einrichtung 17 z. B. über die für die Befestigung des Scannerdeckels (20) vorgesehen Löcher etc. erfolgen. Um typen- und markenübergreifend einsetzbar zu sein, ist eine unspezifische Fixierung in der Art von Saug­ näpfen, Riemen, Spanneinrichtungen etc. vorgesehen. Die Skalie­ rung 18 ist typischerweise in Längenmaßen und/oder scanner­ spezifisch unter exakter Berücksichtigung der für den Scannertyp gegebenen speziellen nichtparallelen Optik angebracht.

Fig. 7 zeigt einen Scannerdeckel mit integrierter Objektträger­ schachtel 21, der an die Stelle des vom Hersteller mitgelieferten Scannerdeckels 20 eingesetzt wird. Zur Herstellung von drei­ dimensionalen Aufnahmen ist die integrierte Objektträgerschachtel 14 und/oder der gesamte Scannerdeckel verschiebbar gehaltert. Die Objektträgerschachtel 14 kann auch in einen Rahmen 22, auf dem der Scanner 1 aufschwenkbar gehaltert wird, integriert sein. Scanner 1 und Rahmen 22 und/oder Objektträgerschachtel 14 sind auch hier zur Erzeugung dreidimensionaler Aufnahmen verschiebbar miteinander verbunden. In einer Anordnung, in der der Scanner 1 fest kopfüber auf einen Stützrahmen 25 aufgesetzt ist, ist zur Verschiebung der Objektträgerschachtel 14 eine Einrichtung in der Art eines Pfannenstiels 23 mit Skalierung 24 vorgesehen. In der Kopfüber-Anordnung entfällt das aufwendige Fixieren der Objekte 13 in der Objektträgerschachtel 14. Sehr leicht können so auch Schüttgüter etc. erfaßt werden. Durch einfache Integration der gewonnenen Oberflächenform kann so eine stereoskopische Volumen­ messung durchgeführt werden. In idealer Weise kann so auch die Füllmenge von Gebinden in der Industrie überwacht werden. Vor dem Einsatz eines handelsüblichen Scanners in der Kopfüber-Anordnung ist mit dem Hersteller abzuklären, ob die Mechanik in dieser Anordnung für den Dauerbetrieb ausgelegt ist. Ein weiteres An­ wendungsgebiet sind Keimlinge etc. in biologischen Labors etc. Gerade bei solchen sehr filigranen Strukturen ist eventuell eine schwingungsgedämpfte Halterung der Objektträger sinnvoll, um ein Schwingen der Objekte während des Scanvorgangs, beispielsweise ausgelöst durch das Arbeiten des Schrittmotors, der den Abtast­ schlitten 11 ansteuert, zu verhindern. Der Scanner kann bei­ spielsweise in festen Zeitintervallen auf die Keimlinge als Objekte aufgesetzt und aktiviert werden. Zwischenzeitlich kann er durch eine Lampe zum Anregen des Wachstums ersetzt werden. Man kann so das Wachstum der Keimling vierdimensional in Raum und Zeit erfassen und gegebenenfalls in Zeitraffer als Film, der das Wachstum in drei Dimensionen zeigt abspielen.

Für den Fall elektrisch ansteuerbarer Zusatzgeräte sind diese über alle in der Computertechnik üblichen Schnittstellen, wie SCSI, parallel, seriell, IRDA etc. mit dem Rechner verbunden. Hier ist jede Verbindungstopologie denkbar. Alle Geräte können direkt mit der Datenverarbeitungseinrichtung 2 verbunden werden. Die Leitung 26 der Schnittstelle kann aber auch durch mehrere Geräte durchgeschleift werden. In diesem Fall ist eine busspezifische Unterscheidung der Geräte, typischerweise über ID-Nummern nötig.

Alle oben beschriebenen Zusatzgeräte, können auch mit elek­ trischen Antriebselementen und Weg- und/oder Winkelgebern ausge­ rüstet sein, wie in Fig. 10 dargestellt. Das dreidimensionale Scannen ist hier völlig oder weitgehend automatisiert, alle Steuerinformationen werden automatisch an den Rechner 2 und von diesen übertragen. Als Übertragungsmedium kommen alle in der Computerindustrie üblichen Schnittstellen in Frage. Die Ansteue­ rung der Zusatzgeräte erfolgt direkt über einen Sannertreiber 4. Anstelle des Einsatzes von Zusatzgeräten zu handelsüblichen Scannern 1 bieten konstruktiv modifizierte Scanner noch weiter­ reichende Möglichkeiten der Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen. Eine Verschiebungsmöglichkeit des Ab­ tastschlittens 11 in y-Richtung nach Fig. 2 ermöglicht ein völlig automatisches Herstellen von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen. Um die Scanzeit möglichst kurz zu halten, würde man typischerweise eine Aufnahme bei der Vorwärtsbewegung des Ab­ tastschlittens 11, die andere bei der Rückwärtsbewegung er­ fassen, wobei in diesem Fall auf eine hohe Reproduzierbarkeit der Mechanik bei Bewegungsumkehr geachtet werden muß. Die Verschie­ bung in z-Richtung ermöglicht ein scheibenweises Abscannen der Gegenstände 13, sowie eine bessere Ausnützung der Tiefenschärfe des Scanners 1. Der in Fig. 11 dargestellte modifizierte Scanner in Kopfüber-Anordnung 27 integriert z. B. die Funktionalität eines handelsüblichen Scanners mit dem in Fig. 9 dargestellten Untersetzrahmens 22. Einer der Vorteils dieser Anordnung ist, daß man unter gewissen Umständen auf die Glasplatte 12 verzichten kann, wodurch der Einfluß von Reflexionen, Verunreinigungen, Kratzern und dergleichen vermieden wird. In dieser Anordnung kann die obere Scannerwand durch eine Glasplatte ersetzt, weggelassen und eventuell auch mit einem Deckel versehen werden. Man kann dann direkt von oben den Gegenstand 13 in der Objektträger­ schachtel 14 überwachen, was besonders zum Justieren von fili­ granen und instabilen Objekten wichtig ist. Durch diese Glasplatte/Öffnung könnte typischerweise auch die Beleuchtung von darunterliegenden biologischen Kulturen erfolgen, die als Objekte dienen. In analoger Weise können alle weiter oben aufgeführten Zusätze in den Scanner integriert werden. Besonders bei den elektrisch angesteuerten Zusätzen wie z. B. in Fig. 10 dar­ gestellt, entfällt die aufwendige externe Verkabelung, eventuell auch ein zweites Netzteil. Scanner und integriertes Zusatzgerät können so bereits in der Konstruktionsphase optimal aufeinander abgestimmt werden. In Fig. 12 ist ein Scanner 28 mit zwei gegeneinander versetzten Abtastarrays 11 dargestellt. Die beiden stereoskopischen Teilbilder können so in einem Scanvorgang erfaßt werden. Fig. 13 zeigt schematisch in der Seitenansicht das Prinzip, bei dem der Abtastschlitten, mit mehreren Abtastarray bestückt, auf einer beliebigen Bahn, hier als Kreisbahn 29 dargestellt, bewegt werden kann. In der Praxis wird man oft nur einen kleinen Teil einer solchen Bahn abfahren. Eine interessante Variante ergibt sich, wenn nur der untere Teil der Kreisbahn realisiert ist und eine zylinderförmige Glasabdeckung auf dem Teilstück aufgebracht ist. Diese Konstruktion kann man, in die Fahrbahn eingebracht, z. B. zum Vermessen von Profilstärken von Autoreifen verwenden. Neben den Abtastarrays 11a können mehrere Abtastleuchten 30 angebracht sein, um, einzeln oder in beliebigen Kombinationen betrieben, verschiedene Beleuchtungsverhältnisse zu schaffen. Auch das Abtasten mit anderen Teilen des elektro­ magnetischen Spektrums, wie z. B. Infrarot kann sinnvoll sein. Anstelle der beiden identischen Abtastarrays 11a nach Fig. 12 können auch asymmetrische Abtastarrays 31 mit außermittig liegenden virtuellen Projektionszentren 31 eingesetzt werden. Typischerweise verwendet man zwei identische, die um 180° gegen­ einander verdreht sind. Hierdurch kann die Scannerbreite effizienter genutzt werden. Die in Fig. 16 dargestellte ver­ drehbare Objektträgerschachtel 32 erlaubt das Einscannen der Gegenstände 13 in verschiedenen Orientierungen. Hiermit kann man sowohl die Beleuchtungsverhältnisse modifizieren, als auch die Orientierung der Objekte in bezug zur Verschiebungsrichtung ver­ ändern. Mit der in Fig. 17 dargestellten höhenverschiebbaren Glasplatte 33 kann man, wie mit den oben beschriebenen Objekt­ trägerschachteln mit höhenverstellbarem Boden 16 oder dem in z-Richtung bewegbaren Abtastschlitten 11, die Tiefenschärfe des Scanners besser ausnützen, die Schärfe gegebenenfalls automatisch nachregeln, das Objekt in mehreren Schärfezonen erfassen oder auch eine Eichung der stereoskopisch erfaßten Tiefe anhand der mechanisch eingestellten Höhenregelung vornehmen. Mit der in Fig. 18 dargestellten verschiebbaren Glasplatte 34 kann man im wesent­ lichen dieselbe Verschiebung der Objekte erreichen, wie mit der Einrichtung 17 nach Fig. 6. Zu beachten ist allerdings, daß im Fall von Fig. 18 Kratzer etc. auf der Glasplatte bei den Einzel­ aufnahmen immer annähernd an derselben Stelle im Bild auftreten, bei einer Anordnung nach Fig. 6 hingegen an verschiedenen Stellen. Eine Sonderform des Scanners ist in Fig. 19 dargestellt. Hier ist ein Doppel- oder Mehrfachabtastarray 35 über einem Förderband mit Objekten 13 typischerweise höhenverstellbar angeordnet. In dieser Anordnung können die Gegenstände 13 beim Vorbeilaufen dreidimensional erfaßt werden. Eventuell kann das Abtastarray 35 dynamisch und/oder mittels einer Regelung an die Gegenstände 13 herangeführt werden. Hiermit ist dann beispiels­ weise ein Heißluftfön an z. B. ständig schrumpfendes Dörrobst auf optimale Entfernung regelbar heranführbar. Im Gegensatz zu andern Abstandssensoren ergibt sich hier über die gesamte Breite eine annähernd gleiche Empfindlichkeit. Es ist so auch eine stereo­ skopische Volumenmessung von Schüttgütern möglich. Es kann das Abtastarray 35 aber auch um 90° gedreht angeordnet sein und so die Objekte 13 auf dem Förderband 36 diskontinuierlich in Querbewegung abtasten. In dieser Sonderform würde bei ent­ sprechender Koordinierung der Querbewegung des Abtastarrays 35 und Vorwärtsbewegung des Förderbandes auch nur ein einziges Abtastarray ausreichen. Fig. 20 zeigt einen Scanner mit Doppel­ abtastarray 35 mit extern veranlaßter Abtastbewegung. Dieser könnte typischerweise zum mobilen Erfassen von Reliefs eingesetzt werden. Typische Einsatzfelder sind die Erfassung der Rauhigkeit von Mauerwerk, z. B. zur Abschätzung der Menge der benötigten Streichfarbe oder auch die Zustandsüberwachung von Straßenbelägen und Schienen. Fig. 21 zeigt die Benützeroberfläche der modi­ fizierten Software-Schnittstelle zum Scanner, dem sogenannten TWAIN-Treiber. Neben dem auch beim klassischen TWAIN-Treiber vor­ handen Ein- und Ausgabefeld 38 und des Scanausschnittsfensters 39 existiert ein sog. Stereomodul 40. Über dieses werden alle Parameter ein- und ausgegeben, die zum stereoskopischen Erfassen notwendig sind, wie die Anzahl der Scans, die seitliche Verschiebung zwischen den Scans, und/oder die Auswahl der zu scannenden Fläche. Typischer-weise würde man hier z. B. im Fall der oben beschriebenen Scannerzusätze Anweisungen in Form einer graphischen Ausgabe geben, wo die Objektträgerschachtel 14 auf der Glasplatte 12 des Scanners 1 zu positionieren ist. Es könnten aber auch umgekehrt die an den Skalierungen 18 und 19 in Fig. 6 abgelesen Werte per Hand eingegeben werden. Ein so modifizierter Scanner-Treiber könnte von den Scannerherstellern zu bereits ausgelieferten Scannern über das Internet zum Download bereit­ gestellt werden.

Fig. 22 zeigt zur besseren Veranschaulichung des Prinzips der Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen einen optischen Scannern 1 mit nichtparalleler Optik 44, hier beispielhaft als zylindrische Optik dargestellt. Die Projektionslinien 42 laufen im virtuellen Projektionszentrum 43, das eine Gerade im Raum ist, zusammen. Der Gegenstand 13 wird an zwei Positionen, Position 45 für das rechte Auge und Position 46 für das linke Auge, auf der Glasplatte 12 des Scanners 1 aufgenommen. Die Projektionslinien 42 treffen auf den Gegenstand 13 an den beiden Positionen 45; 46 unter leicht unterschiedlichen Winkel, es entstehen zwei stereo­ skopische Teilbilder.

Bezugszeichenliste

1

optischer Scanner

2

Datenverarbeitungseinrichtung

4

Scannertreiber

5

Bilddatenverarbeitungssoftware

6

Anzeigemodul

7

3-D Modellgenerator

8

Holographiegenerator

9

Anzeigevorrichtung

10

Scannergehäuse

11

Abtastschlitten

11

a Abtastarray

11

b Abtastleuchte

12

Glasplatte

13

Gegenstand

14

Objektträgerschachtel

15

Markierung

16

höhenverstellbarer Boden

17

Reißschienensystem

18

y-Richtung

19

x-Richtung

20

Scannerdeckel

21

Scannerdeckel mit integrierter Objektträgerschachtel

22

Untersetzrahmen

23

Schachtelverschiebeeinrichtung in Form eines Pfannenstiels

24

Skalierung

25

Stützrahmen

26

Leitung der Schnittstelle

27

Kopfüber-Anordnung

28

Scanner

29

Kreisbahn

30

Abtastleuchte

31

Asymmetrisches Abtastarray

32

rotierbare Objektträgerschachtel

33

höhenverstellbare Glasplatte

34

verschiebbare Glasplatte

35

Doppelabtastarray

36

Förderband

37

Benützeroberfläche der Softwareschnittstelle zum Scanner

38

Ein- und Ausgabefeld

39

Scannerausschnittsfenster

40

Stereomodul

41

elektrische Bauteile

42

Projektionslinie

43

virtuelles Projektionszentrum

44

nichtparalle Optik

45

Position für rechtes Auge

46

Position für linkes Auge

Claims (20)

1. Einrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Auf­ nahmen mittels optischer Scanner in Verbindung mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Rechner (2) ein softwaregesteuerter, han­ delsüblicher oder modifizierter optischer Scanner (1), der mit einer nichtparallelen Abbildungsoptik (44) aus­ gerüstet ist und ein spezielles Display zur dreidimensio­ nalen Darstellung oder übliches Display (9) vorgesehen sind.

2. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur dreidimensionalen Abbildung han­ delsübliche Flachbettscanner (1), die mit Abtasteinrich­ tungen ausgerüstet sind, die nach einer nichtparallelen Optik (44) arbeiten, mit Zusatzgeräten oder modifizierten austauschbaren Geräteteilen zur Positionierung der Auf­ nahmegegenstände (13) und zur Optimierung der Objektaus­ leuchtung für die dreidimensionale Abbildung ausgerüstet sind.

3. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zusatzgeräte aus Schachteln als Objektträger (14), Schachteln mit doppeltem Boden (16) als Objektträger, Anschlaglineale nach der Art des Reiß­ schienensystems (17), modifizierte Scannerdeckel (21) mit integrierte Objektträgerschachtel, modifizierter Scannerdeckel mit integrierter Objektträgerschachtel für Kopfüberbetrieb, verschiebbare Objektträgerschachtel für Kopfüberbetrieb, Markierung (15) für Objektträger­ schachtel (14) bestehen.

4. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2 und 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Objektträgerschachteln (14) mit unterschiedlicher Länge, Breite, Tiefe und Innenaus­ kleidung versehen und speziell für einen Scannertyp und/oder eine Objektart (13) ausgelegt sind.

5. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Objektträger mit einer von der Software automatisch erkennbaren Markierung (15) versehen sind.

6. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schachteln (14) einen höhenverstellbaren Boden (16) aufweisen.

7. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der höhenverstellbare Boden (16) in einer oder mehreren bestimmten, vordefinierten Höhen arretierbar angeordnet ist.

8. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2 und 3, da­ durch gekennzeichnet, daß eine aufsetzbare und am Scanner (1) fixierbare Einrichtung (17) vorgesehen ist, mit der die Gegenstände (13) oder die Objektträger (14) auf oder über der Glasplatte (12) des Scanners (1) re­ produzierbar und in definierter Orientierung positio­ nierbar sind, wobei diese Einrichtung mit Skalierungen (18; 19) in Längenmaßen und/oder mit einer geräteab­ hängen Skalierung (18; 19) versehen ist.

9. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2, 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Posi­ tionierung in der Art einer Reißschiene, eines Panto­ graphen, der Stiftansteuerung eines Plotters und der­ gleichen ausgebildet ist.

10. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2 und 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schachtel (14) in einem austauschbaren Deckel (21) des Scanners integriert ist, wobei der Deckel (21) eine Einrichtung zur Verschiebung der Schachtel (14) aufweist und/oder der gesamte Deckel (21) mit der fixierten Schachtel (14) verschiebbar ange­ ordnet ist.

11. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2, 3 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner (1) oberhalb des Objektträgers angeordnet ist, wobei der Scanner (1) auf einen Geräterahmen (22) aufsetzbar oder über ein Scharnier einschwenkbar in die Arbeitslage angeordnet ist.

12. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß alle Verschiebungen über An­ triebselemente erfolgen und/oder die durch Antriebs­ elemente automatisch erfolgende und/oder manuell er­ folgende Positionierung maschinell erfaßbar ist.

13. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß für die Erfassung der Ver­ schiebung optische, elektromechanische, induktive, akustische oder kapazitive Sensoren vorgesehen sind.

14. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Datenübertragung über sämtliche, in der Computertechnik einsetzbare Schnitt­ stellen erfolgt.

15. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein modifizierter Flachbettscanner (1) mit nichtparalleler Abbildungsoptik (44) zur dreidimen­ sionalen Erfassung eingesetzt ist, mit dem die Aufnahme des Gegenstandes (13) automatisch oder teilautomatisch softwaregesteuert erfolgt, der über eine mehrdimensio­ nale Verschiebeeinrichtung für den Abtastschlitten (11) und/oder über mehrere feststehende oder verschiebbare Abtastschlitten (11) verfügt und/oder wobei der Abtast­ schlitten (11) entlang jeder beliebigen Kurvenform steuerbar geführt angeordnet ist und/oder mit mehreren Lichtquellen (30) ausgestattet ist und/oder mit asym­ metrisch aufgebauten Abtastarrays (31) und/oder mit rotierbaren Objektträgern (32) und/oder mit höhenver­ stellbarer Glasplatte (33) und/oder mit verschiebbarer Glasplatte (34) ausgestattet ist und/oder die Glasplatte weggelassen ist und/oder die der Glasplatte (12) gegen­ überliegende Abdeckung/Gehäusewand weggelassen oder ebenfalls durch eine Glasplatte (12) ersetzt ist und/oder die Funktionalität der Zusatzgeräte integriert ist.

16. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Scanner und/oder der Objektträger (14) schwingungsgedämpft gehaltert sind.

17. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als ein optischer Scanner (1) sowohl ein Scanner mit geräteintegrierter Bewegungseinrichtung als auch mit externer Abtastbewegung eingesetzt wird.

18. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sowohl das Abtastarray (11a) bzw. ein Mehrfachabtastarray (35) am Gegenstand (13), als auch der Gegenstand (13) am Abtastarray (11a) bzw. am Doppel­ abtastarray (35) vorbeiführbar vorgesehen ist, wobei die Relativbewegungen zueinander beliebig kontinuierlich oder diskontinuierlich in Intervallen ist.

19. Verfahren zur Objekterfassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (13) zeitlich nach­ einander und/oder gleichzeitig in zwei oder mehreren Aufnahmemodi erfaßt wird und zur Erfassung die Scanner­ einrichtung angesteuert wird, die Daten der zeitlich aufeinander folgenden und/oder gleichzeitig erfolgenden Erfassung gespeichert werden und nach Abschluß und/oder teilweise während des Scannprozesses zu einem räumlichen Modell und oder/oder räumlichen Abbildung rechnermäßig verarbeitet wird.

20. Verfahren zur Objekterfassung nach Anspruch 1 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen automatisch ausgewertet, nach qualitativen Parametern geprüft gegebenenfalls auch mehrfach wiederholt, mit modifi­ zierten Einstellungen eingescannt werden.