DE19819992C2 - Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung räumlicher Gegenstände mit einem Flachbettscanner und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung räumlicher Gegenstände mit einem Flachbettscanner und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Er
fassung räumlicher Gegenstände mittels optischer Scanner, d. h.
zur Ansteuerung und Bedienung von optischen Scannern und eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von
dreidimensionalen Aufnahmen von Objekten in Verbindung mit einer
Datenverarbeitungseinrichtung.
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.
Nach der DE 197 09 050 A1 ist eine Anordnung zur bildhaften, far
bigen Erfassung von räumlichen Gegenständen mit einem Flachbett
scanner bekannt. Bei dieser Lehre erfolgt die bildhafte, farbige
Erfassung von räumlichen Gegenständen durch eine am Flachbett
scanner vorgesehene Zusatzoptik und nicht durch den Scanner
selbst. Über diese Zusatzoptik werden Bilddaten von räumlichen
Objekten durch den Flachbettscanner erfaßt und in bekannter Weise
aus den speziellen Informationen durch ein Rechenprogramm drei
dimensionale Datensätze erarbeitet. Dieser Lösung haftet der
kostenmäßige Zusatzaufwand der Verwendung einer Zusatzoptik zur
bildhaften, farblichen Erfassung räumlicher Objekte an.
Einen Flachbettscanners seiner Eigenschaften wegen ohne Einsatz
einer Zusatzoptik zur bildhaften, farblichen Erfassung räumlicher
Objekte ist druckschriftlich nirgends beschrieben. Diese Eigen
schaft ist ein Nebeneffekt der konstruktiv bedingten nicht
parallelen Abbildungsoptik. Diese Eigenschaft läßt sich aus
schließlich hobbymäßig und mit unverhältnismäßigem 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, ein Verfahren zur drei
dimentionalen Erfassung räumlicher Gegenstände mit einem Flach
bettscanner, d. h. zur Ansteuerung und Bedienung von optischen
Scannern zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen und eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von
dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen in Verbindung mit
Datenverarbeitungseinrichtungen zu entwickeln.
Diese Aufgabe wurde durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst.
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 augerüsteter 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 detailierter 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
wiederrum 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 auszu
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, beispielsweis
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 sinvoll 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 Softwareschnittstelle 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.
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 (17)
1. Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung räumlicher Gegen
stände mit einem Flachbettscanner, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gegenstand in mehreren, im Bereich der geräte
spezifischen Vorlagenebene des Flachbettscanners zueinander
seitlich verschobenen Positionen abgetastet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gegenstand an vorgebbaren Positionen abgetastet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gegenstand an die vorgebbaren Positionen manuell oder
automatisch bewegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Koordinaten der mehreren Positionen erfaßt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Koordinaten aus beim Abtasten des Gegenstandes gewonnenen
Informationen abgeleitet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Koordinaten mit separaten Sensoren erfaßt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gegenstand (13) zeitlich nacheinander und/oder gleichzeitig
in zwei oder mehreren Aufnahmemodi erfaßt wird und zur Er
fassung die Scannereinrichtung angesteuert wird, die Daten
der zeitlich aufeinanderfolgenden und/oder gleichzeitig er
folgenden Erfassung gespeichert werden und nach Abschluß
und/oder teilweise während des Scannprozesses zu einem
räumlichen Modell und oder/oder räumlichen Abbildung rech
nermäßig verarbeitet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Aufnahmen automatisch ausgewertet, nach qualitativen
Parametern geprüft, gegebenenfalls auch mehrfach wiederholt
mit modifizierten Einstellungen eingescannt werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Flachbettscanner mit einem
Tiefenschärfenbereich eingesetzt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Objektträger zur Fixierung des abzutastenden Gegen
standes vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
als Objektträger Schachteln eingesetzt werden.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zusatzgeräte aus Schachteln als Objektträger (14),
Schachteln mit doppeltem Boden (16) als Objektträger, An
schlaglineale nach der Art des Reißschienensystems (17),
modifizierte Scannerdeckel (21) mit integrierter Objekt
trägerschachtel, modifizierter Scannerdeckel mit inte
grierter Objektträgerschachtel für Kopfüberbetrieb, ver
schiebbarer Objektträgerschachtel für Kopfüberbetrieb, und
Markierung (15) für Objektträgerschachtel (14) bestehen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zur Positionierung in der Art einer
Reißschiene, eines Pantographen, der Stiftansteuerung eines
Plotters und der gleichen ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 13, dadurch 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 angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Erfassung der Verschiebung optische, elektro
mechanische, induktive, akustische oder kapazitive Sensoren
vorgesehen, sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der höhenverstellbare Boden (16) in einer oder mehreren
bestimmten, vordefinierten Höhen arretierbar angeordnet
ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Objektträgerschachteln (14) mit unterschiedlicher
Länge, Breite, Tiefe und Innenauskleidung versehen und
speziell für einen Scannertyp und/oder eine Objektart (13)
ausgelegt sind.
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---|---|---|---|
DE19819992A DE19819992C2 (de) | 1998-05-05 | 1998-05-05 | Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung räumlicher Gegenstände mit einem Flachbettscanner und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
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PCT/EP1999/003078 WO1999057597A2 (de) | 1998-05-05 | 1999-05-05 | Einrichtung zur herstellung von dreidimensionalen aufnahmen von gegenständen mittels optischer scanner und ein verfahren zur dreidimensionalen objekterfassung |
EP99920852A EP1076839A2 (de) | 1998-05-05 | 1999-05-05 | Einrichtung zur herstellung von dreidimensionalen aufnahmen von gegenständen mittels optischer scanner und ein verfahren zur dreidimensionalen objekterfassung |
AU38275/99A AU3827599A (en) | 1998-05-05 | 1999-05-05 | Device for producing three-dimensional images of objects by means of optical scanners and method for acquiring three-dimensional image of an object |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19819992A1 DE19819992A1 (de) | 1999-11-11 |
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---|---|---|---|---|
DE19709050A1 (de) * | 1997-03-06 | 1998-01-22 | Burkhard Prof Dr Neumann | Anordnung zur bildhaften, farblichen Erfassung von räumlichen Gegenständen mit einem Flachbettscanner |
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1998
- 1998-05-05 DE DE19819992A patent/DE19819992C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
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DE19709050A1 (de) * | 1997-03-06 | 1998-01-22 | Burkhard Prof Dr Neumann | Anordnung zur bildhaften, farblichen Erfassung von räumlichen Gegenständen mit einem Flachbettscanner |
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