DE19956646C1 - Colored surface spatial coordinates measuring device uses computer-controlled topometric surface measurement via phase measuring profilometry - Google Patents

Colored surface spatial coordinates measuring device uses computer-controlled topometric surface measurement via phase measuring profilometry

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Abstract

The measuring device has at least one flat image sensor, e.g. a video camera (2,3), for reception of a colored raster image, which is digitally processed for determining the positions of differently colored image areas, with calculation of the corresponding spatial coordinates. The computer-controlled topometric surface measurement is effected using phase measuring profilometry. An Independent claim for a method for measuring the spatial coordinates of a colored surface is also included.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung der Raumkoordi­ naten von farblich differenzierten Oberflächenbereichen mit Mitteln zur topometrischen Oberflächenmessung, mit mindestens einem flächenhaften Bildsensor zur Aufnahme farbi­ ger Rasterbilder und mit Mitteln zur Datenverarbeitung, die anhand der von dem Bildsen­ sor aufgezeichneten Rasterbilder die farblich differenzierten Oberflächenbereiche als Bild­ punkte lokalisieren und die korrespondierenden Raumkoordinaten ermitteln.The invention relates to a device and a method for detecting the spatial coordinates naten of color-differentiated surface areas with means for topometric Surface measurement, with at least one flat image sensor for recording color ger raster images and with means for data processing based on that of the image sor recorded raster images, the color-differentiated surface areas as an image Localize points and determine the corresponding spatial coordinates.

Ein häufig auftretendes Problem bei der topometrischen Vermessung von Objektoberflä­ chen ist die gezielte Analyse von Bereichen, die sich lediglich durch Farbmerkmale von der umgebenden Fläche abheben, wobei hier der Begriff Farbe im Sinne von DIN 5033 Grau­ wertunterschiede bei Graustufenbildern mit einschließt.A common problem with the topometric measurement of object surfaces Chen is the targeted analysis of areas that only differ from the color features Lift off the surrounding area, using the term color in the sense of DIN 5033 gray Includes differences in grayscale images.

Aktive topometrische Verfahren wie die auf der Projektion von Streifensystemen beruhen­ de phasenmessende Profilometrie (siehe z. B. Bollmann et al. in der Dtsch Zahnärztl Z 52, 105-108 (1997)) liefern jedoch nur Informationen über die Oberflächengeometrie. Die klassische, d. h. passiv arbeitende, Photogrammetrie leidet auf der anderen Seite unter dem bekannten Manko, daß in mindestens zwei Kamerabildern, die aus unterschiedlichen Per­ spektiven aufgenommen wurden, korrespondierende (homologe) Punkte, identifiziert wer­ den müssen. Sind die zu vermessenden Oberflächenstrukturen nicht durch einzelne Punkte sondern durch flächenhafte Farbverläufe gekennzeichnet, ist diese Zuordnung nicht mehr mit hinreichender Genauigkeit möglich. Der häufig beschrittene Ausweg, Meßmarken auf dem Objekt anzubringen, beschränkt die Messung auf wenige Einzelpunkte des zu erfas­ senden Flächenbereichs und stellt somit keine zufriedenstellende Lösung dar. Die ebenfalls angewendete Methode, Rasterbildanteile auf eine nach topometrischer Messung rekonstru­ ierte, räumlich orientierte Oberfläche zu projizieren ("texture mapping") ist mit den glei­ chen Einschränkungen verbunden und zudem für Meßobjekte mit zu komplexer Oberflä­ chenstruktur nicht anwendbar, da in diesen Fällen die zuvor notwendigen Flächenrückfüh­ rung, d. h. die rechnerische Rekonstruktion der Objektoberfläche aus den Raumkoordinaten in Form von Polygonen, häufig versagt. Dies gilt insbesondere, wenn das Farbbild durch den Bildsensor nicht in gleicher räumlicher Lage zum Topometriebild aufgenommen wird, wie z. B. in der Druckschrift WO 97/05449 A1 beschrieben, und die Zuordnung anhand einzelner photogrammetrischer Paßpunkte vorgenommen werden muß. Bekannt sind ferner auch Verfahren (siehe z. B. die Druckschriften US 5177556 und WO 97/33139 A1) in de­ nen eine Kombination von Topometrie- und Farbmessung bei punktueller Triangulation beschrieben ist, die jedoch durch den höheren Zeitaufwand bei sequentiellen Messungen für viele Anwendungen nicht geeignet sind.Active topometric methods such as the phase-measuring profilometry based on the projection of strip systems (see e.g. Bollmann et al. In Dtsch Zahnärztl Z 52, 105-108 ( 1997 )) only provide information about the surface geometry. The classic, ie passive, photogrammetry, on the other hand, suffers from the well-known shortcoming that corresponding (homologous) points must be identified in at least two camera images taken from different perspectives. If the surface structures to be measured are not characterized by individual dots but by flat color gradients, this assignment is no longer possible with sufficient accuracy. The frequently used way out of applying measuring marks to the object limits the measurement to a few individual points of the area to be recorded and is therefore not a satisfactory solution. The method also used to project raster image parts onto a spatially oriented surface reconstructed after topometric measurement ( "Texture mapping") is associated with the same restrictions and, moreover, cannot be used for measurement objects with a surface structure that is too complex, since in these cases the previously required surface return, ie the mathematical reconstruction of the object surface from the spatial coordinates in the form of polygons, often fails . This applies in particular if the color image is not recorded by the image sensor in the same spatial position as the topography image, such as. B. described in the publication WO 97/05449 A1, and the assignment must be made using individual photogrammetric control points. Also known are methods (see, for example, the documents US 5177556 and WO 97/33139 A1) in which a combination of topometry and color measurement with selective triangulation is described, but this is due to the higher expenditure of time in sequential measurements for many applications are not suitable.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dreidimensionalen Koordina­ ten von Oberflächenbereichen eines Meßobjektes, die sich auf einem Kamerabild lediglich durch ihren Farbwert von umgebenden Flächenbereichen unterscheiden zu vermessen.The present invention has for its object the three-dimensional coordina th of surface areas of a measurement object, which are only on a camera image to be measured by their color value to distinguish them from surrounding areas.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung bzw. dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die topometrische Oberflächenmessung auf der Grundlage der phasenmessenden Profilometrie erfolgt und die Mittel zur Datenver­ arbeitung Rasterdaten des Bildsensors in gleicher räumlicher Lage sowohl für die topome­ trische Messung als auch zusätzlich für die Lokalisierung der farblich differenzierten Ober­ flächenbereiche verarbeiten. Die aufgenommenen Farbbilder können unmittelbar oder durch einen nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler in Rasterform digital bereitgestellt werden. Anhand des Rasterbildes können die zu vermessenden Flächenbereiche identifi­ ziert und über eine digitale Maske und eine Zuordnungstabelle die zu ihnen korrespondie­ renden Raumkoordinaten als Resultat der topometrischen Messung aufgesucht werden. Dabei stellt die digitale Maske eine zum Rasterbild deckungsgleiche zweidimensionale Matrix dar, in der während der topometrischen Messung die Bildkoordinaten derjenigen Bildpunkte, zu denen eine Raumkoordinate erfolgreich bestimmt wurde, markiert werden, während die Zuordnungstabelle ein eindeutiges Auffinden der zu diesen Bildpunkten gehö­ renden Raumkoordinaten ermöglicht.This object is achieved in the device mentioned at the outset Method according to the invention solved in that the topometric surface measurement based on the phase-measuring profilometry and the means for data processing Processing raster data of the image sensor in the same spatial position for both the topome measurement as well as additionally for the localization of the color-differentiated upper Process surface areas. The color images recorded can be taken immediately or digitally provided by a downstream analog-to-digital converter in raster form  become. The surface areas to be measured can be identified using the raster image adorns and via a digital mask and an assignment table the corresponding to them spatial coordinates as a result of the topometric measurement. The digital mask represents a two-dimensional congruent with the raster image Matrix in which the image coordinates of those during the topometric measurement Pixels for which a spatial coordinate was successfully determined are marked, while the assignment table clearly locates the pixels belonging to these space coordinates.

Die Erfindung erlaubt demnach die optische Vermessung von lediglich durch farbliche Merkmale differenzierten Oberflächenstrukturen eines Meßobjekts, ohne die in der Photo­ grammetrie notwendige Identifizierung homologer Punkte innerhalb dieser Strukturen in unterschiedlichen Bildern. Dadurch ist es möglich, anhand eines einzelnen zusätzlich auf­ genommenen Rasterbildes manuell, d. h. interaktiv mit einem Zeigegerät, oder automatisiert mit merkmalsextrahierenden Bildverarbeitungsalgorithmen, die dort erkennbaren Struktu­ ren zu markieren und ihre Raumkoordinaten ermitteln zu lassen.The invention therefore allows the optical measurement of only by color Characteristics of differentiated surface structures of a measuring object without those in the photo necessary identification of homologous points within these structures different images. This makes it possible to additionally look at an individual taken raster image manually, d. H. interactive with a pointing device, or automated with feature-extracting image processing algorithms, the structure recognizable there mark them and have their spatial coordinates determined.

Mit dieser Erfindung, die sich insbesondere im zahnmedizinischen Bereich für die exakte Vermessung von Kontaktbahnen der Zahnführung, wie sie durch Anfärben von nach Ab­ druck angefertigten Gipsmodellen mit einer Folie im Artikulator entstehen, aber auch für die topometrische Vermessung von Bodenverfärbungen bei Grabungsschnitten in der Ar­ chäologie eignet, wird durch Erhöhung der Meßgenauigkeit gegenüber konventionellen manuellen und photografischen Meßtechniken im ersten Fall eine Verbesserung und Aus­ weitung der Möglichkeiten der medizinischen Diagnostik erreicht, im zweiten Fall eine erheblich beschleunigte und genauere Grabungsdokumentation ermöglicht.With this invention, which is particularly accurate in the dental field Measurement of contact paths of the tooth guide, as is done by staining from top to bottom pressure-produced plaster models with a film in the articulator, but also for the topometric measurement of soil discoloration during excavation cuts in the ar archeology, is increased by increasing the measuring accuracy compared to conventional manual and photographic measurement techniques in the first case an improvement and out expansion of the possibilities of medical diagnostics achieved, in the second case one significantly accelerated and more accurate excavation documentation.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.An embodiment of the invention will become apparent from the accompanying drawings explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Eine Übersichtszeichnung eines mit zwei Videokameras und einem Projektor arbeitenden topometrischen Meßsystems auf der Basis der phasenmessenden Profilometrie. Fig. 1 An overview drawing of a topometric measuring system working with two video cameras and a projector on the basis of the phase-measuring profilometry.

Fig. 2 Eine schematische Darstellung der digitalen Maske zum Rasterbild einer der beiden Videokameras und der Zuordungstabelle mit Rasterbild- und Raumkoordinaten. Fig. 2 is a schematic representation of the digital mask for the raster image of one of the two video cameras and the assignment table with raster image and spatial coordinates.

Zu Fig. 1To Fig. 1

Die gesamte Meßvorrichtung besteht aus einem Projektor (1) zur Generierung von Streifenmustern, die auf ein zu vermessende Objekt mit farblich differenzierbaren Oberflächenanteilen (4) abgebildet werden, zwei Videokameras (2, 3) für die Aufnahme von Farbrasterbildern zur aktiven topometrische Erfassung des Meßvolumens und die Aufnahme eines zusätzlichen Farbrasterbildes sowie einem Rechner (5) für die Steuerung des Systems, die Digitalisierung der Videodaten und die Auswertung der Daten.The entire measuring device consists of a projector ( 1 ) for the generation of stripe patterns which are imaged on an object to be measured with color-differentiable surface portions ( 4 ), two video cameras ( 2 , 3 ) for the recording of color screen images for active topometric detection of the measurement volume and the recording of an additional color raster image and a computer ( 5 ) for controlling the system, digitizing the video data and evaluating the data.

Zu Fig. 2To Fig. 2

In a) ist schematisch ausschnittsweise die digitale Maske wiedergegeben, bestehend aus dem nach dem Digitalisiervorgang als zweidimensonale Matrix (1) vorliegenden Rasterbild einer Videokamera mit den Bildpunkten (2), die einen farblich differenzierten Oberflächenbereich des abgebildeten Objektes darstellen und der Markierung derjenigen Bildpunkte (3), zu denen eine Raumkoordinate bestimmt wurde. In b) ist ausschnittsweise die Zuordungstabelle dargestellt, die die Rasterbildkoordinaten derjenigen Bildpunkte (3), zu denen eine Raumkoordinate bestimmt wurde, mit den entsprechenden Raumkoordinaten verknüpft. In a) schematically detail of the digital mask is shown, consisting of the after digitizing as zweidimensonale matrix present raster image (1) of a video camera to the pixels (2) that represent a color differentiated surface area of the imaged object and that of the mark image points (3 ) for which a spatial coordinate was determined. In section b), the assignment table is shown, which links the raster image coordinates of those pixels ( 3 ) for which a spatial coordinate was determined with the corresponding spatial coordinates.

Literaturliterature

F. Bollmann, D. Dirksen, J. Koslow, V. Saulin, G von Bally: "Koordinatenerfassung mittels computerunterstützter Profilometrie für zahnmedizinische Modellanalysen",
Dtsch Zahnärztl Z 52, 105-108 (F. Bollmann, D. Dirksen, J. Koslow, V. Saulin, G von Bally: "Coordinate acquisition using computer-aided profilometry for dental model analysis",
Dtsch Zahnärztl Z 52, 105-108 (

19971997

).).

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Raumkoordinaten von farblich differenzierten Oberflächenbereichen mit Mitteln zur topometrischen Oberflächenmessung, mit mindestens einem flächenhaften Bildsensor zur Aufnahme farbiger Rasterbilder, und mit Mitteln zur Datenverarbeitung, die anhand der von dem Bildsensor aufgezeichneten Rasterbilder die farblich differenzierten Oberflächenbereiche als Bildpunkte lokalisieren und die korrespondierenden Raumkoordinaten ermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß die topometrische Oberflächenmessung auf der Grundlage der phasenmessenden Profilometrie erfolgt und die Mittel zur Datenverarbeitung Rasterbilddaten des Bildsensors in gleicher räumlicher Lage sowohl für die topometrische Messung als auch zusätzlich für die Lokalisierung der farblich differenzierten Oberflächenbereiche verarbeiten.1.Device for detecting the spatial coordinates of color-differentiated surface areas with means for topometric surface measurement, with at least one areal image sensor for recording colored raster images, and with means for data processing which, based on the raster images recorded by the image sensor, localize the color-differentiated surface areas as pixels and the Determine corresponding spatial coordinates, characterized in that the topometric surface measurement takes place on the basis of the phase-measuring profilometry and the means for data processing process raster image data of the image sensor in the same spatial position both for the topometric measurement and additionally for the localization of the color-differentiated surface areas. 2. Verfahren zur Erfassung der Raumkoordinaten von farblich differenzierten Oberflächenbereichen, bei dem die Oberfläche topometrisch vermessen wird, mit mindestens einem flächenhaften Bildsensor farbige Rasterbilder aufgenommen werden und anhand der von dem Bildsensor aufgezeichneten Rasterbilder die farblich differenzierten Oberflächenbereiche als Bildpunkte lokalisiert und die korrespondierenden Raumkoordinaten ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die topometrische Oberflächenmessung auf der Grundlage der phasenmessenden Profilometrie erfolgt und die Rasterbilddaten des Bildsensors in gleicher räumlicher Lage sowohl für die topometrische Messung als auch zusätzlich für die Lokalisierung der farblich differenzierten Oberflächenbereiche verwendet werden.2. Procedure for capturing the spatial coordinates of color-differentiated Surface areas in which the surface is measured topometrically with Color raster images are recorded at least one areal image sensor and based on the raster images recorded by the image sensor, the color differentiated Localized surface areas as pixels and the corresponding ones Spatial coordinates are determined, characterized in that the topometric Surface measurement is based on the phase-measuring profilometry and the Raster image data of the image sensor in the same spatial position both for the topometric Measurement as well as additionally for the localization of the color differentiated Surface areas are used. 3. Verfahren zur Erfassung der Raumkoordinaten von farblich differenzierten Oberflächenmerkmalen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zum Rasterbild des Bildsensors deckungsgleiche zweidimensionale Matrix als digitale Maske generiert wird, in der während der topometrischen Messung die Bildkoordinaten derjenigen Bildpunkte, zu denen eine Raumkoordinate erfolgreich bestimmt wurde, markiert werden.3. Procedure for recording the spatial coordinates of color-differentiated Surface features according to claim 2, characterized in that one for Raster image of the image sensor congruent two-dimensional matrix as a digital mask is generated in which the image coordinates of those during the topometric measurement Pixels for which a spatial coordinate was successfully determined are marked. 4. Verfahren zur Erfassung der Raumkoordinaten von farblich differenzierten Oberflächenmerkmalen nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der topometrischen Messung für das Rasterbild des Bildsensors eine Zuordnungstabelle generiert wird, die eine eindeutige Zuordnung der in der digitalen Maske markierten Bildpunkte zu den zu ihnen korrespondierenden topometrisch gemessenen Raumkoordinaten erlaubt.4. Procedure for recording the spatial coordinates of color-differentiated Surface features according to claim 2 and 3, characterized in that during the topometric measurement for the raster image of the image sensor an assignment table is generated, which uniquely assigns those marked in the digital mask Pixels to the topometrically measured ones corresponding to them Room coordinates allowed. 5. Verfahren zur Erfassung der Raumkoordinaten von farblich differenzierten Oberflächenmerkmalen nach Anspruch 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß anhand des Rasterbildes entweder manuell mit einer Zeigevorrichtung oder automatisiert mit merkmalsextrahierenden Bildverarbeitungsalgorithmen die durch ihre Farbmerkmale gekennnzeichneten Bildbereiche markiert und für jeden markierten Bildpunkt, dessen korrespondierender Punkt in der digitalen Maske gleichfalls markiert ist, mittels der Zuordnungstabelle eine Raumkoordinate ermittelt wird.5. Procedure for recording the spatial coordinates of color-differentiated Surface features according to claim 2, 3 and 4, characterized in that based on of the raster image either manually with a pointing device or automatically with feature-extracting image processing algorithms through their color features marked image areas marked and for each marked pixel whose corresponding point in the digital mask is also marked by means of the Allocation table a room coordinate is determined.
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