DE202015101014U1

DE202015101014U1 - 3D Scanner

Info

Publication number: DE202015101014U1
Application number: DE202015101014.1U
Authority: DE
Original assignee: Mohn Media Mohndruck GmbH
Current assignee: Mohn Media Mohndruck GmbH
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2016-06-06
Anticipated expiration: 2025-03-04

Abstract

3D Scanner mit mehreren auf eine Objektplattform 14 gerichteten Kameramodulen (110), einer elektronischen Steuereinrichtung (16, 22, 24) zur Steuerung der Kameramodule und zur Aufnahme zweidimensionaler digitaler Bilder eines auf der Objektplattform (14) vorhandenen Objekts aus mehreren Richtungen, und einem Auswertungsrechnersystem (28) zum Umrechnen der zweidimensionalen Bilder in ein dreidimensionales Modell des Objekts, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameramodule (110) an mehreren einzeln und unabhängig voneinander um die Objektplattform (14) herum aufstellbaren Stelen (12) gehalten sind und dass die Steuereinrichtung eine Master/Client-Architektur aufweist, mit einem Steuerrechner (24), der mit dem Auswertungsrechnersystem (28) verbunden ist, als Master, und mit den einzelnen Kameramodulen (110) zugeordneten Aufnahmeeinheiten (16), die jeweils eine Kommunikationsschnittstelle (20) zur drahtlosen Kommunikation mit dem Steuerrechner (24) aufweisen, als Clients.

Description

Die Erfindung betrifft einen 3D Scanner mit mehreren auf eine Objektplattform gerichteten Kameramodulen, einer elektronischen Steuereinrichtung zur Steuerung der Kameramodule und zur Aufnahme zweidimensionaler digitaler Bilder eines auf der Objektplattform vorhandenen Objekts aus mehreren Richtungen, und einem Auswertungsrechnersystem zum Umrechnen der zweidimensionalen Bilder in ein dreidimensionales Modell des Objekts.
Aus DE 196 25 361 A1 ist ein 3D Scanner bekannt, bei dem die Kameramodule an einem gemeinsamen Gestell angeordnet sind, das die Objektplattform überbaut.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen 3D Scanner zu schaffen, der sich flexibler einrichten lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kameramodule an mehreren einzeln und unabhängig voneinander um die Objektplattform herum aufstellbaren Stelen gehalten sind und dass die Steuereinrichtung eine Master/Client-Architektur aufweist, mit einem Steuerrechner, der mit dem Auswertungsrechnersystem verbunden ist, als Master, und mit den einzelnen Kameramodulen zugeordneten Aufnahmeeinheiten, die jeweils eine Kommunikationsschnittstelle zur drahtlosen Kommunikation mit dem Steuerrechner aufweisen, als Clients.
Die zweidimensionalen Bilder, die mit den Kameramodulen aus verschiedenen Richtungen von demselben Objekt aufgenommen werden, weisen einerseits charakteristische Ähnlichkeiten, andererseits jedoch auch leichte Unterschiede auf, die aus den unterschiedlichen Blickwinkeln resultieren. In diesen Unterschieden ist implizit die Information über die dreidimensionale Struktur des Objekts sowie auch Information über die Positionen der Kameramodule enthalten, mit denen die Bilder aufgenommen werden. Es sind Algorithmen bekannt, mit denen sich diese Informationen aus den zweidimensionalen Bildern zurückrechnen lassen. Für die Berechnung des dreidimensionalen Modells werden deshalb keine zusätzlichen Informationen über die Orte der Kameramodule relativ zueinander und relativ zu dem Objekt benötigt. Diesen Umstand macht sich die Erfindung zunutze, um ein flexibles System zu schaffen, bei dem die Kameramodule an Stelen angeordnet sind, deren Anzahl und Positionen relativ zu der Objektplattform nach Belieben variiert und an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden können. Die Flexibilität wird dadurch weiter erhöht, dass die Aufnahmeeinheiten drahtlos mit dem Steuerrechner kommunizieren, so dass beim Einrichten des Systems keine Datenkabel verlegt zu werden brauchen.
Wenn ein zu scannendes Objekt auf der Objektplattform aufgestellt werden soll oder wenn eine Person gescannt werden soll, beispielsweise zur Messung der Konfektionsgrößen oder zur Simulation einer Kleideranprobe, so kann die betreffende Person einfach zwischen den Stelen hindurchgehen und sich auf die Objektplattform begeben, ohne dass die Gefahr besteht, dass sie über Kabel stolpert. An einer einzelnen Stele können dabei auch mehrere Kameramodule angeordnet sein, beispielsweise in unterschiedlichen Höhen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist in den Steuerrechner ein Node-JS / Socket-IO-Server für die Kommunikation mit den Aufnahmeeinheiten implementiert.
Weiterhin weist der Rechner bevorzugt einen Internetzugang auf, so dass das Auswertungsrechnersystem durch einen oder mehrere Cloud-Rechner im Internet gebildet werden kann. Die zweidimensionalen Bilder werden dann beispielsweise mit Hilfe eines FDP-Servers an das Auswertungsrechnersystem übermittelt.
Vorzugsweise ist in dem Steuerrechner außerdem ein Webserver implementiert, der es erlaubt, den 3D Scanner von irgendeinem internetfähigen Endgerät aus, beispielsweise von einem Smartphone aus zu bedienen.
Für die Kameramodule können wesentliche Komponenten kostengünstiger platinenmontierter Kameramodule verwendet werden, die im Handel beispielsweise als Zubehör für sogenannte Einplatinencomputer erhältlich sind. Allerdings wird vorzugsweise das in diesen Kameramodulen vorhandene einfache Kunststoffobjektiv durch ein hochwertigeres Objektiv ersetzt, das mit Hilfe eines Adapters in Bezug auf den Bildsensor positioniert wird, damit eine höhere Bildqualität erreicht wird.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen 3D-Scanners;
2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Kameramoduls; und
3 eine Ansicht der Rückseite eines Adapters des Kameramoduls nach 2.
Der in 1 gezeigte 3D-Scanner 10 weist mehrere (im gezeigten Beispiel drei) Stelen 12 auf, die einzeln und unabhängig voneinander aufstellbar sind, und jeweils mehrere (im gezeigten Beispiel ebenfalls drei) Kameramodule 110 aufweisen. Die Stelen 12 sind so um eine Objektplattform 14 herum angeordnet, dass die Kameramodule 110 auf die Objektplattform gerichtet sind, so dass ein auf der Objektplattform 14 angeordnetes Objekt oder eine auf dieser Plattform stehende Person mit Hilfe der Kameramodule 110 aus mehreren Richtungen fotografiert werden kann.
Jedes Kameramodul ist Teil einer Aufnahmeeinheit 16, zu der außerdem ein Mikrocontroller 18 und eine Kommunikationsschnittstelle 20 für ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk (z.B. WiFi) gehören. Über dieses Netzwerk kommunizieren die Aufnahmeeinheiten 16 drahtlos mit einem Router 22, der an einen zentralen Steuerrechner 24 angeschlossen ist. Der Steuerrechner 24 dient als Master, der die einzelnen Aufnahmeeinheiten 16 als Clients steuert. Der Steuerrechner 24 ist über einen Internetzugang mit dem Internet 26 verbunden und enthält beispielsweise einen Node-JS / Socket-IO-Server für die Kommunikation mit den Aufnahmeeinheiten 16 sowie einen Webserver und einen FTP-Server für die Kommunikation über das Internet 26.
Der Webserver erlaubt es, den 3D-Scanner 10 von jedem internetfähigen Gerät aus zu steuern, beispielsweise von einem Smartphone aus.
Damit aus den von den Aufnahmeeinheiten 16 aufgenommenen digitalen 2D-Bildern des Objekts ein dreidimensionales Modell des Objekts errechnet werden kann, ist es insbesondere bei beweglichen Objekten wie Personen wichtig, dass die Auslösezeitpunkte der Kameramodule 110 exakt miteinander synchronisiert sind. Zur Vorbereitung eines Aufnahmevorgangs sendet der Steuerrechner 24 einen Befehl an alle Aufnahmeeinheiten 16, der diese in einen aufnahmebereiten Zustand versetzt. Nachdem alle Aufnahmeeinheiten die Aufnahmebereitschaft bestätigt haben, wird vom Steuerrechner 24 aus ein Auslösesignal gesendet, durch das sämtliche Kameramodule 110 zeitgleich ausgelöst werden. Die aufgenommenen 2D-Bilder werden drahtlos an den Steuerrechner 24 übermittelt und über das Internet 26 an ein Auswertungsrechnersystem 28 (Cloud) weitergeleitet, das aus den 2D-Bildern der verschiedenen Aufnahmeeinheiten 16 ein 3D-Modell errechnet. Dazu müssen lediglich die Brennweiten der Kameraobjektive sowie die Abmessungen und Auflösungen der (CCD-)Sensorfelder der Kameramodule bekannt sein. Die Information über die genauen Positionen der Kameramodule 110 ist implizit in den zweidimensionalen Bildern enthalten und lässt sich aus Unterschieden zwischen den einzelnen Bildern, die sich aus den unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen ergeben, zurückrechnen. Die Stelen 12 können deshalb frei aufgestellt werden, ohne dass ihre genauen Positionen vermessen werden müssen.
Es versteht sich, dass jede Stele über eine Spannungsversorgung in der Form einer Batterie oder eines Netzanschlusses verfügt. Wahlweise kann jede Stele darüber hinaus mindestens ein Projektionssystem 30 enthalten, das es erlaubt, bestimmte Muster auf das zu scannende Objekt zu projizieren.
In 2 und 3 ist ein einzelnes Kameramodul 110 gezeigt. Dieses Kameramodul weist ein handelsübliches Objektiv 112 für Digitalkameras, einen scheibenförmigen Adapter 114 aus Kunststoff und ein Grundelement 116 auf, das die eigentliche Digitalkamera bildet.
Das Grundelement 116 weist eine Platine 118 auf, die mit Komponenten 120 einer digitalen Kameraelektronik bestückt ist und von der ein bandförmiger flexibler Leitungsträger 122 zu dem hier nicht gezeigten Mikrocontroller führt, der das Kameramodul steuert und die aufgenommenen digitalen Bilder aufzeichnet. Der Leitungsträger 122 weist nicht gezeigte Leiterbahnen auf, die mit entsprechenden Kontakten auf der Platine 118 verbunden sind.
Auf der Platine 118 ist ein Gehäuse 124 montiert, das einen rechteckigen (quaderförmigen) Sockel 126 bildet, von dessen Oberseite ein zylindrischer Objektivhalter 128 vorspringt. Der Boden des Gehäuses 124 wird durch optisches Sensorfeld 130 gebildet, beispielsweise eine matrixförmige Anordnung von CCD-Elementen, die beispielsweise durch Oberflächenmontage (SMD) auf der Platine befestigt und kontaktiert ist und dazu dient, ein von dem Objektiv 112 auf das Sensorfeld projiziertes Bild pixelweise in elektronische Signale umzuwandeln, die dann von der Kameraelektronik weiter verarbeitet werden.
Das Grundelement 116 wird aus einem im Handel erhältlichen Kameramodul gewonnen, bei dem in den Objektivhalter 128 ein Kunststoffobjektiv eingesetzt ist. Zum Aufbau des erfindungsgemäßen Kameramoduls wird dieses Kunststoffobjektiv entfernt, und statt dessen wird mit Hilfe des Adapters 114 das Objektiv 112 präzise in Bezug auf das Sensorfeld 130 positioniert.
Zu diesem Zweck weist der Adapter 114 eine durchgehende zentrale Bohrung 132 auf, in die der Objektivhalter 128 von der Rückseite her passend eingesteckt wird. Auf der Oberseite bildet der Adapter 114 einen Normgewindestutzen 134 mit einem Innengewinde, in das ein Außengewinde 136 des Objektivs 112 einschraubbar ist. Beispielsweise beträgt der Gewindedurchmesser des Normgewindestutzens 134 1 Zoll und ist damit deutlich größer als der Durchmesser der Bohrung 132 und des Objektivhalters 128.
Wie deutlicher in 3 zu erkennen ist, weist der Adapter 114 auf der Rückseite eine Nut 138 auf, in die der Sockel 126 des Grundelements 116 passend eingreift. Der Boden der Nut 138, in dem sich die Bohrung 132 befindet, bildet eine erste Referenzfläche 140, an der die (in 3 nach unten weisende) Oberseite des Sockels 126 satt anliegt. Auf diese Weise wird das Gehäuse 124 so positioniert, dass die Ebene des Sensorfeldes 130 exakt parallel zur Bildebene des in den Normgewindestutzen 134 eingeschraubten Objektivs 112 ausgerichtet ist.
Die Seitenwände der Nut 138 bilden eine zweite Referenzfläche 142 (im gezeigten Beispiel sogar zwei einander gegenüberliegende Referenzflächen) für die entsprechende Seitenfläche des Sockels 126. Durch Anlage der Seitenflächen des Sockels 126 an den zweiten Referenzflächen 142 wird die Winkelorientierung des Sensorfeldes 130 in Bezug auf den Adapter 114 festgelegt.
Im gezeigten Beispiel weist der Adapter 114 Befestigungsbohrungen 144 auf, die es erlauben, den Adapter 114 und damit das gesamte Kameramodul 110 in einer definierten Position an der Stele 12 zu befestigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19625361 A1 [0002]

Claims

3D Scanner mit mehreren auf eine Objektplattform 14 gerichteten Kameramodulen (110), einer elektronischen Steuereinrichtung (16, 22, 24) zur Steuerung der Kameramodule und zur Aufnahme zweidimensionaler digitaler Bilder eines auf der Objektplattform (14) vorhandenen Objekts aus mehreren Richtungen, und einem Auswertungsrechnersystem (28) zum Umrechnen der zweidimensionalen Bilder in ein dreidimensionales Modell des Objekts, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameramodule (110) an mehreren einzeln und unabhängig voneinander um die Objektplattform (14) herum aufstellbaren Stelen (12) gehalten sind und dass die Steuereinrichtung eine Master/Client-Architektur aufweist, mit einem Steuerrechner (24), der mit dem Auswertungsrechnersystem (28) verbunden ist, als Master, und mit den einzelnen Kameramodulen (110) zugeordneten Aufnahmeeinheiten (16), die jeweils eine Kommunikationsschnittstelle (20) zur drahtlosen Kommunikation mit dem Steuerrechner (24) aufweisen, als Clients.
3D Scanner nach Anspruch 1, bei dem der Steuerrechner (24) einen Node-JS / Socket-IO-Server für die Kommunikation mit den Aufnahmeeinheiten (16) aufweist.
3D Scanner nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Steuerrechner (24) einen Internetzugang für die Kommunikation mit dem Auswertungsrechnersystem (28) über das Internet (26) aufweist.
3D Scanner nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Steuerrechner (24) einen Internetzugang und einen Webserver aufweist, der dazu eingerichtet ist, den 3D Scanner von einem Endgerät aus über das Internet (26) zu bedienen.
3D Scanner nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine der Stelen (12) ein Projektionssystem (30) zur Projektion eines Musters auf das zu scannende Objekt aufweist.
3D-Scanner nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem jedes Kameramodul (110) einer Platine (118), die mit Komponenten (120) einer digitalen Kameraelektronik bestückt ist, und ein auf der Platine (118) angeordnetes optisches Sensorfeld (130) aufweist, das in einem Gehäuse (124) aufgenommen ist, das einen rechteckigen Sockel (126) und einen von der Oberseite des Sockels vorspringenden zylindrischen Objektivhalter (128) bildet, der passend in eine durchgehende Bohrung (132) eines einen scheibenförmigen Adapters (114) eingreift, der auf einer Seite einen auf die Bohrung (132) zentrierten Normgewindestutzen (134) für ein auswechselbares Objektiv (112) und auf der entgegengesetzten Seite eine rechtwinklig zur Achse der Bohrung (132) verlaufende ebene erste Referenzfläche (140) für die Oberseite des Sockels (126) sowie eine Stufe mit einer rechtwinklig zu der ersten Referenzfläche (140) verlaufenden zweiten Referenzfläche (142) für eine Seitenfläche des Sockels (126) aufweist.