DE19949275A1

DE19949275A1 - Meßverfahren und Meßvorrichtung zur Vermessung der Form von Objekten

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Publication number: DE19949275A1
Application number: DE1999149275
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-12
Filing date: 1999-10-12
Publication date: 2001-05-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Form eines Objektes, des Teilvolumens von Objektbereichen, des Betrags der Fläche von gedachten Schnittebenen durch das Objekt und von Querschnittprofilen gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.

Bekannte 3D-Sensoren zur Vermessung der Form von Teilbereichen eines Objektes arbeiten z. B. dem Codierten Lichtansatzes in Kombination mit dem Phasenshiftverfahren /1/. Weitere gängige Sensortypen arbeiten mit dem Triangulationsverfahren als Laserscanner oder mit dem Lichtschnittverfahren oder nach einem der Licht-Laufzeit-Verfahren. Diese 3D- Sensoren können naturgemäß jeweils nur die ihnen zugewandte Seite eines Objektes erfassen. Für die Rundummessung muß entweder das Objekt gedreht werden oder der Sensor um das Objekt herum bewegt werden oder es müssen mehrere stationäre Sensoren rund um das Objekt herum angeordnet werden.

Hier wird die Anordnung mehrerer stationärer Sensoren zur Rundumvermessung herangezogen. Bei diesen Sensortypen bilden jeweils ein Projektor und eine Kamera zusammen einen Sensor. Wenn mehrere stationäre Sensoren verwendet werden, können dieselben Projektoren und Kameras in unterschiedlichen Kombinationen zu neuen Sensoren zusammengefaßt werden.

Die Orientierung der in den einzelnen Sensoren gemessenen Teilflächen zueinander wird in einem ersten bekannten Verfahren durch zusätzlich auf das Objekt oder die Umgebung des Objektes aufgebrachte Marken photogrammetrisch ermittelt /2/, so daß man anschließend die Daten aller Teilflächen in einem einheitlichen Koordinatensystem darstellen kann.

In einer weiteren Ausführung /3/ werden keine zusätzlichen Marken benötigt. Hier werden die Teilbereiche so gewählt, daß sie sich gegenseitig überlappen. Die geometrische Form der Überlappungsbereiche wird dann dazu benutzt, um die Bilder der Teilbereiche gegeneinander auszurichten.

Diese Verfahren sind umständlich, und/oder nicht sehr genau, da die Orientierung der Daten der einzelnen Teilbereiche nachträglich durch ein zusätzliches Meßverfahren ermittelt wird oder durch das Fitten der Daten in den Überlappungsbereichen eine Abhängigkeit von der Objektform gegeben ist, so daß sich insbesonders ebene, zylindrische oder kugelförmige Objektbereiche nicht gegenseitig orientieren lassen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die genannten Verfahren und Vorrichtungen so zu verbessern, daß lediglich wenige Messungen benötigt werden und die Daten der Teilbereiche sofort in einem einheitlichen Koordinatensystem vorliegen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach den Patentansprüchen 1 und 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem Verfahren nach Fig. 1 wird eine hinreichende Anzahl von 3D-Sensoren um das Objekt herum so stationär angeordnet, daß alle zu messende Objektbereiche von mindesten einem 3D-Sensor eingesehen werden können.

Der Zusammenhang zwischen den Messungen der Teilbereiche wird inhärent dadurch hergestellt, daß die Sensoren simultan kalibriert werden. Für die Kalibrierung werden ein oder mehrere unterschiedliche, in sich stabile Kalibrierkörper verwendet, die sich während des Kalibriervorganges im Rahmen der Meßgenauigkeit nicht in Ihrer Form verändern. Diese Kalibrierkörper weisen Form- und/oder Texturmerkmale auf, die sich in den Kamerabildern charakteristisch darstellen und deren Ort im Kamerabild mit Hilfe eines Bildverarbeitungs systems mit hoher Genauigkeit bestimmt wird. Es wird angestrebt, daß die Form- und/oder Texturmerkmale über das das gesamte Meßvolumen verteilt sind.

Die simultane Kalibrierung wird dadurch erreicht, daß der Kalibrierkörper in seiner jeweiligen Position von möglichst vielen der Sensoren aufgenommen wird und erst dann in die nächste Kalibrierposition gebracht wird.

Um dies zu erreichen, werden in einer Ausführung nach Fig. 2 entsprechend räumlich ausgedehnte Kalibrierkörper 4 verwendet. Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit können die Kalibrierkörper 4 wahlweise in unterschiedliche Positionen gebracht und dort die absolute Lage und die relative Lage der Merkmale zueinander gemessen werden. Dabei sind sowohl Rechenverfahren einsetzbar, die die Kenntnis der absoluten Position der Kalibrierkörper voraussetzen, als auch solche, die sich allein auf die Eigenschaft der konstanten relativen Lage der Merkmale zueinander auf dem in sich starren Kalibrierkörper stützen. Hierzu gibt es bekannte Arbeiten z. B. aus dem Institut für Photogrammetrie in Braunschweig (Prof. Wester- Ebbinghaus).

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung nach Fig. 3 wird ein ebener Kalibrierkörper 5 benutzt, der punkt- oder ringförmige oder andere gut identifizierbare Marken 8 aufweist. Der Vorteil der ebenen Kalibrierplatte 5 liegt hier in der guten optischen Zugänglichkeit der Marken, da keine Abschattungen wir bei räumlich ausgedehnten Kalibrierkörpern auftreten. So können viele Marken in einer Aufnahme digitalisiert werden. Zusätzlich lassen sich ebene Kalibrierplatten kostengünstig herstellen, selbst wenn sie viele Marken 8 enthalten. Die Kalibrierplatte wird in verschiedenen Positionen aufgenommen. Eine besonders einfache Auswertung ergibt sich, wenn die Marken in bekannten Abständen in x- und y-Richtung ausgerichtet sind, und diese Kalibrierplatte für die Messungen in bekannte z-Positionen parallel verschoben wird. Beim Einsatz in Messanlagen, die das Objekt sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite erfassen sollen, ist die Kalibrierplatte sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite mit Marken versehen. Wenn es nicht durch fertigungstechnische Maßnahmen gelingt, die Marken exakt übereinander anzuordnen, muß die relative Lage der Marken auf der Ober- und Unterseite zueinander vorab ausgemessen werden und als zusätzlicher Parameter in die Kalibrierungsrechnung aufgenommen werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung nach Fig. 4 wird eine ebene semi-transparente Fläche 6 mit aufgebrachten Marken 8 verwendet. Die Marken sind sowohl von der Ober- als auch von der Unterseite 7 her sichtbar. Die Fläche selbst ist matt und diffus reflektierend.

Damit ist sie ebenfalls von beiden Seiten her meßbar.

Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß die identischen Marken von beiden Seiten meßbar sind und sich somit naturgemäß keine relative Verschiebung der Messung von oben und von unten ergeben kann.

Um die ebene semi-transparente Fläche herzustellen, gibt es verschiedene Möglichkeiten wie z. B. das Spannen einer Folie 6 mit einen Rahmen, das Kleben einer Folie auf eine ebene transparente Platte, eine semi-transparente Lackschicht auf einer transparenten Platte, eine aufgerauhte Schicht auf einer sonst transparenten Platte etc.

Die statische Anordnung der Sensoren wie oben beschrieben, kann natürlich durch bewegliche Zusatzsensoren ergänzt werden, um z. B. schlecht zugängliche Stellen nachträglich zu digitalisieren.

Literaturangaben

/1/ Wolf, Henning: "Strukturierte Beleuchtung zur schnellen dreidimensionalen Vermessung von Objekten", Abstraktband des 2. bundesweiten Transputer-Anwender- Treffens TAT '90, Klinikum der RWTH Aachen, 17. und 18. Sept. 1990, S. 93 und 92.
/2/ Patentanmeldung DE 195 02 459 "Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung der Oberfläche von Objekten"
/3/ Datenblatt: "SLIM, Software für Reverse Engineering", UM Erlangen, Optische Meßtechnik - Lehrstuhl für Optik.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Form eines Objektes, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere optische 3D-Sensoren

- in fester Orientierung zueinander angeordnet sind und
- von unterschiedlichen Seiten auf das Meßvolumen gerichtet sind und
- simultan gemeinsam mit Hilfe eines oder mehrerer Kalibrierkörper kalibriert werden und
- auf dem/den Kalibrierkörper(n) Textur- und/oder geometrische Marken fest aufgebracht sind und
- mit den Kameras die Textur- und/oder geometrische Marken der Kalibrierkörper aufgenommen und die Position der Marken in den Kamerabildern rechnerisch bestimmt wird und
- daß durch die simultane Aufnahme der Kalibrierkörper mit den 3D-Sensoren ein gemeinsames Koordinatensystem für alle 3D-Sensoren definiert wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß:

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Kalibrierkörper eine ebene Platte ist und
- oben und unten mit Texturmarken versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Kalibrierkörper eine ebene Platte ist und
- oben und unten mit erhabenen und/oder vertieften Marken versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Marken ringförmig sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Marken als Kreisfläche oder Kugelfläche ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Kalibrierkörper eine semitransparente Fläche enthält und
- die Marken sowohl von oben als auch von unten sichtbar sind

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

- die semitransparente Fläche als Folie ausgebildet ist, in die Marken als Textur eingearbeitet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

- die semitransparente Folie in einen Rahmen eben eingespannt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

- die semitransparente Folie in auf eine ebene transparente Platte aufgebracht ist

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

- die semitransparente Folie zwischen zwei ebene transparente Platten eingelegt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

- die semitransparente Fläche durch einseitiges Aufrauhen einer transparenten ebenen Platte realisiert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

- die semitransparente Fläche durch Lackieren oder sonstiges Beschichten einer Fläche einer ebenen transparenten Platte erzeugt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Abstände und die Orientierung der Marken auf einem Kalibrierkörper die Richtung und die Skalierung der gemeinsamen Koordinatenachsen definiert.

15. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß

- bei der Kalibrierung mindestens ein Kalibrierkörper in bekannten Positionen verschoben und dort aufgenommen wird

16. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß

- mindestens ein Kalibrierkörper exakt entlang einer Koordinatenrichtung in bekannten Positionen verschoben und aufgenommen wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß

- mindestens ein ebener Kalibrierkörper exakt in Richtung zu seiner Flächennormalen in bekannten Positionen verschoben und aufgenommen wird.