DE202021105219U1

DE202021105219U1 - Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen von Objekten sowie Computerprogrammprodukt

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Publication number: DE202021105219U1
Application number: DE202021105219.8U
Authority: DE
Original assignee: ZIMMERMANN HOLDING AG; Zimmermann Holding Aktiengesellschaft
Current assignee: ZIMMERMANN HOLDING AG; Zimmermann Holding Aktiengesellschaft
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2021-10-06
Anticipated expiration: 2031-09-29

Abstract

Vorrichtung (1) zum dreidimensionalen Erfassen von Objekten umfassend:- zumindest eine optische Erfassungseinrichtung (3a, 3b);- eine Objektaufnahme (7), durch welche ein dreidimensionales Objekt (9) aufnehmbar ist,- einen Antrieb (11), wobei die Objektaufnahme mittels des Antriebs um eine Längsachse (Z) in einem vorbestimmbaren Polarwinkel relativ zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung (3a, 3b) positionierbar ist;- eine Steuereinrichtung (13), welche ausgelegt ist, um N Polarwinkeln α1bis αNund N Polarwinkeln β1bis βNbereitzustellen, wobei gilt: βi= αi+ δ für alle i e [1...N] mit der Polarwinkeldifferenz δ und wobei die Steuereinrichtung (13) ausgelegt ist für jedes i e [1...N] folgende Schritte durchzuführen:- Positionieren des Objekts (9) mit dem Polarwinkel αizu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung (3a, 3b) mittels des Antriebs (11);- Erfassen eines i-ten ersten Bildes Lides Objekts (9) mittels einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung (3a, 3b) und Speichern des i-ten ersten Bildes Liin einem Datenspeicher (19);- Positionieren des Objekts (9) mit dem Polarwinkel βizu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung (3a, 3b) mittels des Antriebs (11);- Erfassen eines i-ten zweiten Bildes Rides Objekts (9) mit einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung (3a, 3b) und Speichern des erfaßten i-ten zweiten Bildes Ri;- eine Signalverarbeitungseinrichtung (21), welche ausgelegt ist, einen Bilddatensatzes umfassend eine erste Kodierung der ersten Bilder L1...LNdes Objekts (9) und eine zweite Kodierung der zweiten Bilder R1...RNdes Objekts (9) zu erstellen und zu speichern.

Description

Die vorliegende Beschreibung betrifft eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen von Objekten sowie ein Computerprogrammprodukt.
Aufgrund der technischen Entwicklungen in Bezug auf die möglichst realitätsgetreue Darstellung von Objekten im Bereich der Unterhaltung, der Produktpräsentation und der industriellen Produktion, das heißt im Bereich der „virtual reality“ und der „augmented reality“, besteht die Notwendigkeit reale Objekte für die weitere Bearbeitung und Präsentation derart zu digitalisieren, daß diese Objekte dreidimensional dargestellt werden können. Um eine dreidimensionale Darstellung zu generieren, muß in der Regel ein dreidimensionales Modell des Objektes vorliegen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erfassen von dreidimensionalen Objekten sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, um die notwendigen Informationen für eine dreidimensionale Darstellung in einfacher und zeitsparender Weise zu erzeugen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Beispielhaftes Erfassungsverfahren
Ein Beispiel betrifft ein Verfahren zum dreidimensionalen Erfassen von Objekten mit den Schritten:

- Bereitstellen zumindest einer optischen Erfassungseinrichtung;
- Anordnen eines dreidimensionalen Objekts mit einer Längsachse Z, wobei das Objekt um vorbestimmte Polarwinkel mit Bezug zu der Längsachse Z zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung positionierbar ist;
- Bestimmen von N Polarwinkeln α₁ bis α_N;
- Bestimmen von N Polarwinkeln β₁ bis β_N, wobei gilt: β_i = α_ö + δ für alle i e [1...N] mit der Polarwinkeldifferenz δ;
- Durchführen der folgenden Erfassungsschritte für jedes i e [1...N]:
- Positionieren des Objekts mit dem Polarwinkel α_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung
- Erfassen eines i-ten ersten Bildes Li des Objekts mit einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung und Speichern des i-ten ersten Bildes L_i;
- Positionieren des Objekts mit dem Polarwinkel β_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung
- Erfassen eines k-ten zweiten Bildes Ri des Objekts mit einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung und Speichern des erfaßten i-ten zweiten Bildes R_i;
- Erstellen und Speichern eines Bilddatensatzes umfassend eine erste Kodierung der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts und eine zweite Kodierung der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts.

Vorteilhafterweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine verbesserte Qualität des Bilddatensatzes erreicht, so daß eine verbesserte dreidimensionale Darstellung des Objektes ermöglicht wird. Weiter vorteilhafterweise ist das Verfahren automatisch durchführbar, so daß der Bilddatensatz in einfacher und zeitsparender Weise durchführbar erzeugbar ist.
Das Objekt wird mittels zumindest einer optischen Erfassungseinrichtung optisch erfaßt, wobei beim jedem Erfassen ein digitales Bild des Objektes erzeugt wird. Es versteht sich, daß das erzeugte Bild in computerlesbarer Form erzeugt wird, so daß das Bild durch eine computer-implementiertes erfindungsgemäßes Verfahren verarbeitbar ist. Beispielsweise kann das Objekt durch eine digitale Fotokamera bzw. durch eine digitale Videokamera erfaßt werden. Das erfaßte bzw. erzeugte Bild des Objektes kann als solches oder in einer weiter bearbeiteten Form auf einem Speichermedium gespeichert werden. Bevorzugt kann genau eine optische Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Objektes vorgesehen sein. Alternativ können aber auch zwei, drei, vier, fünf, oder mehr optische Erfassungseinrichtungen bereitgestellt werden, welche vorzugsweise eine gleichzeitige Erfassung des Objektes aus verschiedenen Blickwinkeln bzw. Perspektiven ermöglichen.
Die Anordnung des dreidimensionalen Objekts relativ zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung kann durch drei Größen eindeutig beschrieben werden: dem Polarwinkel, dem Azimutwinkel und dem Abstand zwischen dem Objekt und der optischen Erfassungseinrichtung. Unter der Annahme, daß das Objekt während des Erfassens auf einer Fläche steht bzw. angeordnet ist und damit seine Längsachse Z durch die Senkrechte bzw. Lotrechte definiert ist, beschreibt der Polarwinkel die relative Drehung des Objekts um die Längsachse Z bzw. die relative Drehung der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung um die Längsachse Z mit Bezug zu einem vorbestimmbaren Nullpunkt innerhalb einer Äquatorebene, die senkrecht zur Längsachse orientiert ist. Der Polarwinkel weist einen Wertebereich von 0° bis 360° auf. Der Azimutwinkel beschreibt den Winkel, den die Verbindungslinie zwischen dem Objekt und der optischen Erfassungseinrichtung mit der Längsachse Z einschließt. Der Azimutwinkel weist einen Wertebereich von - 90° bis 90° auf. Das Vorzeichen des Azimutwinkels kann derart definiert sein, daß die optische Erfassungseinrichtung für Azimutwinkel kleiner als 0° unterhalb der Äquatorebene positioniert ist, also von der Äquatorebene aus entgegen der orientierten Längsachse Z bzw. in Richtung des Erdmittelpunktes verschoben. Entsprechend ist die optische Erfassungseinrichtung für Azimutwinkel größer als 0° dann oberhalb der Äquatorebene positioniert.
Das Bestimmen von N Polarwinkeln α₁ bis α_N kann ein freies Wählen der Polarwinkel umfassen, wobei N eine natürliche Zahl ist. Bevorzugt wird jedoch der Wertebereich des Polarwinkels in gleich große Intervalle eingeteilt. Beispielsweise können die Polarwinkel mittels der Beziehung α_i = i × 360°/N für alle i e [1...N] bestimmt sein. Dabei kann der Wert für N beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 16, 18, 20, 24, 30, 36, 40, 45, 48, 60, 72 usw. betragen. Besonders bevorzugt wird N derart gewählt, daß α_i eine ganze Zahl ist. Weiter bevorzugt ist die Differenz des Polarwinkels αi zwischen benachbarten Positionen für alle gewählten Polarwinkel α_j gleich groß. Mit anderen Worten kann eine äquidistante Einteilung des Wertebereiches des Polarwinkels erfolgen.
Für jeden vorbestimmten Polarwinkel αi erfolgt ein relatives Positionieren des Objekts mit einem der vorbestimmten Polarwinkel αi zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung. Dabei kann das relative Positionieren durch eine Verlagerung bzw. Drehung des Objektes und/oder durch eine Verlagerung bzw. Drehung der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Positionierung motorisch durch einen Antrieb. Vorteilhafterweise können durch den Antrieb computergesteuert alle vorbestimmten und durch die Polarwinkel αi definierten Positionen angefahren und das Objekt in dieser Position optisch erfaßt werden. Weiter bevorzugt ist der Azimutwinkel für die vorbestimmten Polarwinkel αi konstant, insbesondere gleich 0°. Zu jeder i-ten der N Positionen des Objektes mit dem zugehörigen Polarwinkel αi erfolgt das optische Erfassen und Speichern eines zugeordneten i-ten ersten Bildes L_j des Objekts.
Durch die Wahl der Polarwinkel αj sind zugehörige N weitere Polarwinkeln β₁ bis β_N durch die Beziehung β_i = α_i + δ für alle i e [1...N] definiert. Dabei wird die Differenz zwischen zwei zueinander gehörigen Polarwinkeln als Polarwinkeldifferenz δ bezeichnet. Bevorzugt wird die Polarwinkeldifferenz δ derart ausgewählt, daß der euklidsche Abstand zwischen der zu dem Polarwinkel α_i zugehörigen Position der optischen Erfassungseinrichtung und der zu dem Polarwinkel β_i zugehörigen Position der optischen Erfassungseinrichtung in etwa dem Abstand d der Augen bzw. der Pupillardistanz eines Menschen entspricht. Der Abstand d kann etwa 50 mm bis etwa 75 mm, insbesondere etwa 60 mm bis etwa 65 mm, betragen. In Abhängigkeit von dem Abstand R zwischen dem Objekt und der optischen Erfassungseinrichtung kann die entsprechende Polarwinkeldifferenz δ durch die Beziehung sin(δ/2) = d/2R, also δ = 2arcsin(d/2R), berechnet werden. Bevorzugt liegt die Polarwinkeldifferenz δ zwischen etwa 3° und etwa 20°, besonders bevorzugt zwischen etwa 5° und etwa 10°. Vorteilhafterweise wird durch diese Polarwinkeldifferenz δ ein möglichst realistischer stereoskopischer Effekt bei einem Betrachter erzielt, wenn ein in dieser Konfiguration erfaßter Bilddatensatz zu einem späteren Zeitpunkt visualisiert wird. Weiter bevorzugt ist der Azimutwinkel für jede Position entsprechend zweier zugehöriger Polarwinkel α_i und β_i identisch. Besonders bevorzugt gilt für alle i e [1...N] für die Polarwinkel βi = α_i + δ = α_j mit j ∈ [1...N]. Mit anderen Worten entspricht der Polarwinkel βi des i-ten zweiten Bildes dem Polarwinkel α_j des j-ten ersten Bildes. Somit können besonders vorteilhafterweise die ersten und zweiten Bilder mit genau einer optischen Erfassungseinrichtung erfaßt werden.
Für jeden berechneten Polarwinkel β_i erfolgt ein relatives Positionieren des Objekts mit einem der vorbestimmten Polarwinkel β_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung. Wie bereits oben beschrieben, kann das relative Positionieren durch eine Verlagerung bzw. Drehung des Objektes und/oder durch eine Verlagerung bzw. Drehung der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung erfolgen. Zu jeder i-ten der N Positionen des Objektes mit dem zugehörigen Polarwinkel β_i erfolgt das optische Erfassen und Speichern eines zugeordneten i-ten zweiten Bildes R_i des Objekts.
Die erfaßten ersten und zweiten Bilder können zu einem Bilddatensatz zusammengefaßt und gespeichert werden. Um die ersten Bilder L₁...L_N, welche bevorzugt ausgelegt sind, um bei einer späteren Visualisierung durch ein linkes Auge des Betrachters wahrgenommen zu werden, von den zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts, welche bevorzugt ausgelegt sind, um bei einer späteren Visualisierung durch ein rechtes Auge des Betrachters wahrgenommen zu werden, zu unterscheiden, können die ersten und zweiten Bilder entsprechend kodiert werden.
Die Kodierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die ersten und das zweiten Bilder voneinander getrennt in dem Bilddatensatz gespeichert werden, so daß durch ein entsprechendes Auslesen eines der ersten bzw. eines der zweiten Bilder ausgelesen und visualisiert werden können. Insbesondere kann jedes der ersten Bilder und jedes der zweiten Bilder mit einer fortlaufenden Nummer versehen sein, so daß die zugehörigen ersten und zweiten Bilder identifiziert werden können.
Weiter bevorzugt kann jedes der ersten Bilder mit einem ersten Filter als bevorzugter ersten Kodierung gefiltert werden und jedes der zweiten Bilder mit einem zweiten Filter als bevorzugter zweiten Kodierung gefiltert werden, wobei die beiden gefilterten Bilder zu einem resultierenden Bild zusammengefaßt werden können. Beispielsweise kann das resultierende Bild ein RGB-Format (Rot-Grün-Blau-Format) aufweisen, wobei eine Helligkeit jedes ersten Bildes als Rot-Wert gespeichert wird und wobei eine Helligkeit jedes zweiten Bildes als Grün-Wert gespeichert wird. Das resultierende zusammengefaßte Bild umfaßt lediglich Rot und Grün, wobei jedes Farbe einen anderen Blickwinkel repräsentieren kann.
Vorzugsweise werden zwei optische Erfassungseinrichtungen bereitgestellt, welche relativ zu der Längsachse Z des Objektes um die Polarwinkeldifferenz δ voneinander beabstandet positioniert sind, um das i-te ersten Bild L_i und das i-te zweite Bild R_i des Objekts gleichzeitig zu erfassen. Vorteilhafterweise kann somit die für die Erfassung des Objektes benötigte Zeit reduziert werden.
Bevorzugt kann der Abstand zwischen den zwei optischen Erfassungseinrichtungen durch eine starre Verbindung konstant gehalten werden, wodurch sich vorteilhafterweise eine verbesserte Konstanz der stereoskopischen Effektes realisieren läßt. Weiter vorteilhafterweise ist lediglich ein Antrieb notwendig, um die beiden optischen Erfassungseinrichtungen zu positionieren, wobei die Positionierung durch die starre Verbindung synchron bzw. gemeinsam erfolgt.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren das Erstellen des Bilddatensatzes, weiter umfassend folgende Schritte:

- Erstellen eines ersten Tessellationsmodells anhand der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts umfassend ML erste Flächenelemente;
- Erstellen eines ersten Texturmodells für alle ML ersten Flächenelemente anhand der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts;
- Erstellen eines zweiten Tessellationsmodells anhand der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts umfassend M_R erste Flächenelemente;
- Erstellen eines zweiten Texturmodells für alle MR zweiten Flächenelemente anhand der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts.

Das erste und das zweite Tessellationsmodell sowie das erste und zweite Texturmodell werden zweckmäßigerweise auf gleiche Weise erstellt, so daß im folgenden stellvertretend für beide Modelle das Erstellen des ersten Tessellationsmodells und des ersten Texturmodells detailliert beschrieben wird.
Das erste Tessellationsmodell umfaßt eine Näherung der Oberfläche des erfaßten bzw. virtuellen Objekts durch eine Vielzahl von zweidimensionalen Dreiecken, wobei die Eckpunkte jedes Dreiecks bevorzugt genau auf der Oberfläche des virtuellen Objekts liegen. Um das erste Tessellationsmodell zu erstellen, werden bevorzugt die Schritte des Freistellens, der Formerstellung und der Oberflächenglättung durchgeführt.
Besonders bevorzugt erfolgt ein Freistellen des erfaßten Objekts von dem ebenfalls erfaßten Hintergrund. Dazu kann der Hintergrund in einem initialen Schritt des Verfahrens derart gewählt werden, daß der Hintergrund einfarbig bzw. monochrom ausgestaltet ist, wobei sich der Farbton beispielsweise repräsentiert im RGB-Farbraum) nicht im zu erfassenden Objekt selbst wiederfindet. Bekannt ist ein solches Verfahren unter dem Begriff „Blue Box“, wobei ein einfarbiger blauer Hintergrund gewählt wird und das vor bzw. auf dem Hintergrund positionierte Objekt diesen Blauton nicht aufweist.
Durch eine logische XOR-Operation einer Farbkodierung (z. B. den RGB-Wert) jedes erfaßten Bildpunktes des ersten Bildes mit der Farbkodierung der Hintergrundfarbe, ergibt sich ein schwarz-weiße Repräsentation, in der beispielsweise weiß den Wert „falsch“ und schwarz den Wert „wahr“ repräsentiert. In dieser schwarz-weißen Repräsentation sind alle schwarzen Bereiche zum erfaßten Objekt gehörig. Mit anderen Worten ergibt sich für jedes erfaßte erste Bild eine schwarze Silhouette des Objektes in der zugehörigen Position. Werden die Bereiche der Silhouette wieder mit den erfaßten Farben des Objektes belegt, so ergibt sich ein vom Hintergrund freigestelltes erstes Bild. Der Hintergrund kann nach der Freistellung durch einen beliebigen Hintergrund ersetzt werden, beispielsweise durch einen monochromen Hintergrund oder durch eine beliebige Szene.
Die erstellte Silhouette des ersten Bildes bzw. die Silhouetten der Vielzahl von ersten Bildern können verwendet werden, um ein dreidimensionales Volumenmodell des erfaßten Objektes zu erzeugen. Das als „Silhouettenverfahren“ bekannte Verfahren nutzt die Erkenntnis, daß sich das erfaßte Objekt immer innerhalb seiner Silhouette befindet. Die aus dem i-ten der ersten Bilder generierte Silhouette definiert zusammen mit der dem i-ten ersten Bild zugeordneten Position der optischen Erfassungseinrichtung ein konusförmiges Volumen, wobei sich die Spitze des Konus an der Position der optischen Erfassungseinrichtung befindet und der Umriß der Silhouette die Mantelfläche des unregelmäßigen Konus definiert. Innerhalb des Volumens des Konus befindet sich das erfaßte Objekt. Dies gilt für alle durch die N ersten Bilder und Positionen der optischen Erfassungseinrichtung definierten konusförmigen Volumina. Daher kann das dreidimensionale Volumenmodell des erfaßten Objektes durch die Schnittmengenbildung aller konusförmigen Volumina berechnet werden. Bevorzugte wird dabei der dreidimensionale Raum in hexaedrische Volumenelemente (sogenannte Voxel) unterteilt. Ein beispielhaftes Verfahren zur Formerstellung überprüft dann für alle Voxel, ob ein Voxel zumindest bereichsweise oder vollständig innerhalb aller konusförmigen Volumina liegt und markiert dieses dann als zum erfaßten Objekt gehörig. Es ergibt sich durch die Voxel definierte konvexe Hülle des erfaßten Objekts.
Die durch die Voxel definierte Hülle des erfaßten Objekts umfaßt eine Stufung, welche durch die Hexaederform der Voxel bedingt ist. Um eine möglichst glatte Oberfläche des erfaßten Objektes zu erzeugen, erfolgt vorzugsweise ein Oberflächenglättung. Diese kann durch eine Tessellation (beispielsweise einer Delaunay-Triangulation) der auf der Oberfläche liegenden Punkte mittels Dreiecken erfolgen. Weiter bevorzugt können die Punkte auf der Oberfläche des erfaßten Objekts beispielsweise durch eine Spline-Funktion angenähert werden, wodurch eine Glättang der Oberfläche erzielt werden kann. Das Ergebnis der Tessellation ist ein Drahtgittermodell des erfaßten Objekts.
Die durch das Drahtgittermodell definierten Dreiecksflächen können dann mit aus den erfaßten ersten Bildern entnommenen Texturen versehen werden, um ein Texturmodell zu erzeugen. Bevorzugt wird für jede Dreiecksfläche der Normalenvektor berechnet und die Position der optischen Erfassungseinrichtung bestimmt, welche den kleinsten Winkelabstand zu diesem Normalenvektor aufweist. Das aus dieser Position der optischen Erfassungseinrichtung erfaßte erste Bild entspricht somit im wesentlichen einer Draufsicht auf die Dreiecksfläche. Weiter kann ein Ausschnitt aus diesem ersten Bild ausgewählt werden, welcher in seiner Ausdehnung der Dreiecksfläche entspricht, um die Textur dieses Ausschnitts für diese Dreiecksfläche zu übernehmen. Bevorzugt kann die Textur aus dem Ausschnitt des ersten Bildes durch Interpolation oder Kriging an eine abweichende Geometrie der Dreiecksfläche angepaßt werden. Durch die Texturierung der Dreiecksflächen des Tessellationsmodells bzw. des Drahtgittermodells entsteht vorteilhafterweise eine realistisch anmutende dreidimensionale Repräsentation bzw. Visualisierung des Objekts.
Es versteht sich, daß mit Hilfe der Tessellationsmodelle und der Texturmodelle auch Positionen des Objektes durch Interpolation erzeugt werden können, welche nicht während des Erfassens des Objektes durch die zumindest eine optische Erfassungseinrichtung angefahren wurde. Da die Interpolation jedoch die Bildqualität beeinträchtigen könnte ist es bevorzugt, möglichst viele Positionen optisch zu erfassen. Durch das unabhängige Bereitstellen der optisch erfaßten Bilder des Objekts für ein linkes und rechtes Auge eines Betrachters in einem Bilddatensatz, wird die Qualität der Visualisierung vorteilhafterweise erhöht. Es versteht sich jedoch, daß das Erstellen der Tessellationsmodelle und der Texturmodelle nicht notwendig ist, da die optisch erfaßten Bilder als solche oder nach Durchführen der Freistellung bereits zur dreidimensionalen Visualisierung verwendet werden können.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren den weiteren Schritt:

Darstellen des Bilddatensatzes mittels einer Ausgabevorrichtung, wobei ein i-tes der ersten Bilder Li lediglich vom linken Auge eines Betrachters erfaßbar ist und wobei ein zugeordnetes i-tes der zweiten Bilder Rj lediglich vom rechten Auge des Betrachters erfaßbar ist.

Das Darstellen des Bilddatensatzes mittels der Ausgabevorrichtung kann simultan mit dem Erstellen des Bilddatensatzes erfolgen oder später anhand eines gespeicherten Bilddatensatzes. Die Ausgabevorrichtung kann beispielsweise zumindest einen Bildschirm oder zumindest einen Projektor umfassen.
Beispielsweise kann eine Farbkodierung oder eine Polarisationskodierung der ersten Bilder Li und der zweiten Bilder Ri erfolgen, wobei der Betrachter eine entsprechende Vorrichtung (3D-Brille) vor seinen Augen trägt, so daß die ersten Bilder Li lediglich vom linken Auge des Betrachters erfaßbar sind und die zweiten Bilder Ri lediglich vom rechten Auge des Betrachters erfaßbar sind. Eine solche 3D-Brille kann beispielsweise ausgelegt sein, eine rote Folie vor dem linken Auge und eine grüne Folie vor dem rechten Auge zu positionieren.
Um eine dreidimensionale Visualisierung in Farbe zu ermöglichen kann die 3D-Brille beispielsweise für das linke und rechte Auge Folien bzw. Brillengläser mit unterschiedlichen Polarisationseigenschaften aufweisen. Dementsprechend muß der Bildschirm bzw. der Projektor die ersten Bilder mit einer entsprechend anderen Polarisation des Lichts darstellen als die zweiten Bilder.
Weiter kann auch eine Farbkodierung derart erfolgen, daß die Wellenlängenbereiche des Lichts für Blau, Grün und Rot jeweils geteilt werden, so daß dem linken Auge jeweils ein Bereich des blauen, grünen und roten Lichts zugeordnet wird, welcher jeweils verschieden von dem Bereich des blauen, grünen und roten Lichts ist, welcher dem rechten Auge zugeordnet wird. Dieses bevorzugte Verfahren ist auch als „Interferenzfiltertechnologie“ bekannt. Beispielsweise können die Grundfarben der ersten Bilder mit folgenden Wellenlängen dargestellt werden: Rot etwa 629 nm, Grün etwa 532 nm, Blau etwa 446 nm. Davon verschieden können die Grundfarben der zweiten Bilder mit folgenden Wellenlängen dargestellt werden: Rot etwa 615 nm, Grün etwa 518 nm, etwa Blau 432 nm. Die Zuordnung der ersten Bilder für das linke Auge und der zweiten Bilder für das reche Auge erfolgt mit einer 3D-Brille, die über trennscharfe Interferenzfilter für das linke und rechte Auge jeweils das entsprechende Wellenlängen-Tripel herausfiltert.
Weiter bevorzugt kann die Ausgabevorrichtung genau zwei Bildschirme bzw. Projektoren umfassen, wobei einer der beiden dem linken Auge des Betrachters zugeordnet ist und der andere der beiden dem rechten Auge. So kann beispielsweise eine 3D-Brille zwei Projektoren bzw. Bildschirme umfassen sowie entsprechende Okulare, so daß dem Betrachter die ersten Bilder direkt auf die Netzhaut des linken Auges projiziert wird und die zweiten Bilder entsprechend auf das rechte Auge.
Weiter bevorzugt erfolgt eine interaktive Darstellung des Bilddatensatzes, so daß der Betrachter über eine Schnittstelle (beispielsweise eine Maus, einen Trackball, ein Touchpad, eine Tastatur, einen Touchscreen usw.) auswählen kann, welches zugehörige Paar der ersten und zweiten Bilder dargestellt wird. Vorteilhafterweise kann der Betrachter das dreidimensional visualisierte Objekt nach Belieben drehen und verschieben. Besonders bevorzugt kann der Bilddatensatz als dreidimensionaler Film dargestellt werden, insbesondere wenn das Objekt mittels zumindest einer Videokamera als optischer Erfassungseinrichtung erfaßt wurde.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren den weiteren Schritt:

- Bestimmen von M Azimutwinkeln θ₁ bis θ_M;
- Durchführen der N Erfassungsschritte für jedes j ∈ [1...M] mit den Schritten
- Positionieren des Objekts mit dem Azimutwinkel θ_j zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung;
- Positionieren des Objekts mit dem Polarwinkel α_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung
- Erfassen eines ersten Bildes L_i,j des Objekts mit einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung und Speichern des ersten Bildes L_i,j;
- Positionieren des Objekts mit dem Polarwinkel β_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung
- Erfassen eines zweiten Bildes R_i,j des Objekts mit einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung und Speichern des erfaßten zweiten Bildes R_i,j;
- Erstellen und Speichern eines Bilddatensatzes umfassend eine erste Kodierung der ersten Bilder L₁...L_N×M des Objekts und eine zweite Kodierung der zweiten Bilder R₁...R_N×M des Objekts.

Das Bestimmen von M Azimutwinkeln θ₁ bis θ_M kann ein freies Wählen der Azimutwinkel umfassen, wobei M eine natürliche Zahl ist. Bevorzugt wird jedoch der Wertebereich des Azimutwinkels in gleich große Intervalle eingeteilt. Beispielsweise können die Azimutwinkel mittels der Beziehung θ_j = j × 180°/M für alle j e [1...M] bestimmt sein. Dabei kann der Wert für M beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 15, 18, 20, 30, 45, 60, usw. betragen. Besonders bevorzugt wird M derart gewählt, daß θj eine ganze Zahl ist. Weiter bevorzugt ist die Differenz des Azimutwinkels θ_i zwischen benachbarten Positionen für alle gewählten Azimutwinkel θ_i gleich groß. Mit anderen Worten kann eine äquidistante Einteilung des Wertebereiches des Azimutwinkels erfolgen.
Für jeden vorbestimmten Azimutwinkel θ_j erfolgt ein relatives Positionieren des Objekts mit einem der vorbestimmten Azimutwinkel θ_j und allen der vorbestimmten Polarwinkel ai und βi zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung. Mit anderen Worten erfolgt eine flächige Erfassung der äußeren Hülle des Objektes. Dabei erfolgt das relative Positionieren entsprechend des vorbestimmten Azimutwinkel θ_j zweckmäßigerweise durch eine Verlagerung bzw. Drehung der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung, bevorzugt mittels eines motorischen Antriebs. Vorteilhafterweise können durch den Antrieb computergesteuert alle vorbestimmten und durch die Polarwinkel α_i, β_i und Azimutwinkel θ_j definierten N × M Positionen angefahren und das Objekt in diesen Positionen optisch erfaßt werden.
Vorrichtung gemäß einem Aspekt
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen von Objekten umfassend:

- zumindest eine optische Erfassungseinrichtung;
- eine Objektaufnahme, durch welche ein dreidimensionales Objekt aufnehmbar ist,
- einen Antrieb, wobei die Objektaufnahme mittels des Antriebs um eine Längsachse Z in einem vorbestimmbaren Polarwinkel relativ zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung positionierbar ist;
- eine Steuereinrichtung, welche ausgelegt ist, um N Polarwinkeln α₁ bis α_N und N Polarwinkeln β₁ bis β_N bereitzustellen, wobei gilt: β_i = α_i + δ für alle i e [1...N] mit der Polarwinkeldifferenz δ und wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist für jedes i e [1...N] folgende Schritte durchzuführen:
- Positionieren des Objekts mit dem Polarwinkel α_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung mittels des Antriebs;
- Erfassen eines i-ten ersten Bildes L_i des Objekts mittels einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung und Speichern des i-ten ersten Bildes L_i in einem Datenspeicher;
- Positionieren des Objekts mit dem Polarwinkel β_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung mittels des Antriebs;
- Erfassen eines i-ten zweiten Bildes R_i des Objekts mit einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung und Speichern des erfaßten i-ten zweiten Bildes R_i;
- eine Signalverarbeitungseinrichtung, welche ausgelegt ist, einen Bilddatensatzes umfassend eine erste Kodierung der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts und eine zweite Kodierung der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts zu erstellen und zu speichern.

Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung ein Objekt automatisch dreidimensional Erfassen und insbesondere die Positionierung von dem Objekt relativ der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung steuern, so daß ein Erfassen des Objekts mit einem geringen Handhabungsaufwand erfolgen kann.
Durch die zumindest eine optische Erfassungseinrichtung ist ein digitales Bild des Objektes erzeugbar, welches anschließend durch ein computer-implementiertes Verfahren verarbeitbar ist. Dazu umfaßt die optische Erfassungseinrichtung zumindest einen digitalen Bildsensor, wie zum Beispiel einen CCD Sensor oder einen CMOS Sensor, welcher bevorzugt Teil einer digitalen Fotokamera bzw. einer digitale Videokamera sein kann. Besonders bevorzugt sind die erfaßten Bilder von der optischen Erfassungseinrichtung mittels des „picture transfer protocol“ (PTP) auslesbar.
Die Vorrichtung umfaßt weiter bevorzugt zumindest ein Speichermedium, welches die von der optischen Erfassungseinrichtung erfaßten Bilder speichern kann. Besonders bevorzugt werden die erfaßten Bilder unmittelbar zum Speichermedium übertragen, insbesondere mittels des picture transfer protocol, und dort gespeichert, so daß vorteilhafterweise dafür kein Speichermedium in der optischen Erfassungseinrichtung bereitgestellt werden muß. Das Speichermedium kann beispielsweise einen Speicherbaustein (zum Beispiel einen RAM- bzw. EEPROM-Speicherbaustein), eine Diskette und/oder eine Festplatte. Das Speichermedium kann insbesondere Teil eines Computers sein, welche beispielsweise über eine „universal serial bus“ (USB) Verbindung mit der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung verbunden ist.
Die Objektaufnahme ist ausgelegt ein dreidimensionales Objekt zumindest bereichsweise aufzunehmen. Beispielsweise kann die Objektaufnahme eine Fläche aufweisen, auf welche das zu erfassende Objekt legbar ist. Weiter bevorzugt kann die Fläche konkav ausgebildet sein, um das Objekt bereichsweise in die konkave Mulde zu legen, wodurch das Objekt lateral fixiert ist. Beispielsweise kann ein kugelförmiges Objekt nicht aus der konkaven Mulde herausrollen.
Für jeden vorbestimmten Polarwinkel α_i bzw. β_i erfolgt ein relatives Positionieren des Objekts mit einem der vorbestimmten Polarwinkel α_i bzw. β_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung mittels des Antriebs. Der Antrieb ist durch die Steuereinrichtung steuerbar bzw. regelbar. Mit anderen Worten kann durch den Antrieb die vorbestimmte Position innerhalb einer vorbestimmbaren Toleranz angefahren werden. Dazu kann der Antrieb beispielsweise einen Schrittmotor umfassen.
Der Antrieb positioniert die Objektaufnahme relativ zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung. Mit anderen Worten kann die Objektaufnahme durch den Antrieb bewegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die optische Erfassungseinrichtung mittels des Antriebs bewegt werden.
Vorzugsweise weist die Objektaufnahme einen Drehteller auf, welcher um die Längsachse Z drehbar ist.
Vorzugsweise ist die zumindest eine optische Erfassungseinrichtung an einer Erfassungseinrichtungshalterung befestigt, welche um die Längsachse Z schwenkbar ist und/oder welche entlang einer zur Längsachse Z senkrechten Schwenkachse X schwenkbar ist. Dadurch sind vorteilhafterweise verschiedene Azimutwinkel einstellbar.
Besonders bevorzugt weist die Objektaufnahme eine monochrome Färbung auf, um vorteilhafterweise das Freistellen des Objektes zu erleichtern. Weiter bevorzugt umfaßt die Vorrichtung zumindest eine künstliche Lichtquelle, um das Objekt auszuleuchten. Insbesondere kann die zumindest eine künstliche Lichtquelle durch die Steuereinrichtung gesteuert sein. So kann beispielsweise die zumindest eine künstliche Lichtquelle nur dann zum Leuchten gebracht sein, wenn das Objekt durch die zumindest eine optischen Erfassungseinrichtung erfaßt wird. Insbesondere kann die künstliche Lichtquelle ein Elektronenblitz sein, welcher zweckmäßigerweise lediglich zum Erfassen des Objektes gezündet wird.
Die Signalverarbeitungseinrichtung kann insbesondere mit der Steuereinrichtung eine Einheit bilden und beispielsweise Teil eines Computers sein. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist ausgelegt einen Bilddatensatzes zu erzeugen, welcher eine erste Kodierung der ersten Bilder und eine zweite Kodierung der zweiten Bilder umfaßt. Besonders bevorzugt umfaßt die Signalverarbeitungseinrichtung integrierte Schaltkreise (IC) bzw. digitale Signalprozessoren (DSP), welche eine entsprechende Kodierung der Bilder durchführen.
Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung zwei optische Erfassungseinrichtungen, welche relativ zu der Längsachse Z um die Polarwinkeldifferenz δ voneinander beabstandet positioniert sind, wobei das i-te ersten Bild L_i und das i-te zweite Bild R_i des Objekts gleichzeitig erfaßbar sind.
Bevorzugt sind die zwei optischen Erfassungseinrichtungen starr miteinander verbunden, so daß insbesondere lediglich ein Antrieb notwendig ist für den Fall, daß die optischen Erfassungseinrichtungen zur Positionierung bewegt werden. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand der optischen Erfassungseinrichtungen, also der Abstand zwischen deren optischen Achsen beim Eintritt in die Erfassungseinrichtungen, etwa dem Abstand d der Augen bzw. der Pupillardistanz eines Menschen. Der Abstand d beträgt bevorzugt etwa 50 mm bis etwa 75 mm, insbesondere etwa 60 mm bis etwa 65 mm.
Vorzugsweise ist die Signalverarbeitungseinrichtung ausgelegt, einen Bilddatensatz zu erstellen, wobei mittels der Signalverarbeitungseinrichtung ein erstes Tessellationsmodell anhand der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts umfassend M_L erste Flächenelemente erzeugbar ist,
wobei mittels der Signalverarbeitungseinrichtung ein erstes Texturmodell für alle ML ersten Flächenelemente anhand der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts erzeugbar ist, wobei mittels der Signalverarbeitungseinrichtung ein zweites Tessellationsmodell anhand der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts umfassend MR erste Flächenelemente erzeugbar ist und
wobei mittels der Signalverarbeitungseinrichtung ein zweites Texturmodell für alle MR zweiten Flächenelemente anhand der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts erzeugbar ist. Computerprogrammprodukt gemäß einem Aspekt
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, insbesondere verkörpert als ein Signal und/oder als ein Datenstrom, welches computerlesbare Instruktionen umfaßt, wobei die Instruktionen das oben beschriebene beispielhafte Verfahren durchführen, wenn sie auf einem geeigneten Computersystem geladen und ausgeführt werden.
Mit anderen Worten wird ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, welches Programmteile zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer bevorzugten Ausführungsform davon umfaßt. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Verfahren ein computer-implementiertes Verfahren sein. Ferner wird ein Computerprogramm bereitgestellt, welches, wenn auf einen Computer geladen, das Verfahren gemäß der Erfindung oder einer bevorzugten Ausführungsform ausführen kann. Der Computer kann Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein. Beispielsweise kann der Computer die Steuereinrichtung und/oder die Signalverarbeitungseinrichtung umfassen. Mit anderen Worten kann bzw. können die Steuereinrichtung und/oder die Signalverarbeitungseinrichtung ausgelegt sein, computerlesbare Instruktionen zu laden und auszuführen, welches insbesondere von dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt geladen werden können.
Ferner wird ein computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf dem ein solches Computerprogramm gespeichert ist. Dieses Speichermedium kann beispielsweise eine CompactDisc, eine Digital Versatile Disc, eine SD-Karte, eine Diskette, eine Festplatte oder einen Speicherbaustein umfassen.
Figurenliste
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert. Einzelne Merkmale der gezeigten bevorzugten Ausführungsformen können zu weiteren bevorzugten Ausführungsformen kombiniert werden. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines schematischen Aufbaus einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen von Objekten;
2 den Aufbau der in 1 gezeigten Ausführungsform in einer Draufsicht;
3 das Funktionsprinzip des Silhouettenverfahrens;
4 das Funktionsprinzip des Silhouettenverfahrens mit zumindest einer ersten und zumindest einer zweiten optischen Erfassungseinrichtung;
5 ein Ablaufschema einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum dreidimensionalen Erfassen von Objekten;
6a-6c drei beispielhafte Tessellationsmodelle eines Objektes mit unterschiedlichen Auflösungen.

Die 1 und 2 zeigen einen schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum dreidimensionalen Erfassen von Objekten. Die Vorrichtung 1 umfaßt in dieser Ausführungsform zwei optische Erfassungseinrichtungen 3a, 3b, welche bevorzugt durch einen gemeinsamen Erfassungseinrichtungshalter 5 starr miteinander verbunden sind. Des weitere umfaßt die Vorrichtung 1 eine Objektaufnahme 7, welche ein dreidimensionales Objekt 9 aufnehmen kann. Bevorzugt kann die Objektaufnahme 7 als Drehteller 7 ausgebildet sein, welcher durch einen Antrieb 11 um eine Längsachse Z gedreht werden kann. Dadurch ist ein vorbestimmbarer Polarwinkel αi relativ zwischen der ersten optischen Erfassungseinrichtung 3a und dem Objekt 9 und ein vorbestimmbarer Polarwinkel βi relativ zwischen der zweiten optischen Erfassungseinrichtung 3b und dem Objekt 9 einstellbar.
Die Objektaufnahme 7 bzw. der Drehteller 7 und ein optionales Hintergrundelement 8 kann einfarbig bzw. monochrom ausgestaltet sein, wobei sich der Farbton vorzugsweise nicht im zu erfassenden Objekt 9 selbst wiederfindet. Beispielsweise können Drehteller 7 bzw. Hintergrundelement 8 einfarbig blau sein.
Eine Steuereinrichtung 13 ist ausgelegt, um N Polarwinkel αi bis αN und N Polarwinkel β1 bis βN bereitzustellen, wobei gilt: βi = αi + δ für alle i e [1...N] mit der Polarwinkeldifferenz δ. Die Polarwinkeldifferenz δ ist bevorzugt derart ausgewählt, daß der euklidsche Abstand zwischen der ersten optischen Erfassungseinrichtung 3a und der zweiten optischen Erfassungseinrichtung 3b vorzugsweise etwa 60 mm bis etwa 65 mm beträgt, welches in etwa der Pupillardistanz eines Menschen entspricht. In der Folge beträgt die Polarwinkeldifferenz δ bevorzugt etwa 5° bis etwa 10°. Weiter wird die Positionierung des Drehtellers 7 durch die Steuereinrichtung 13 durchgeführt, wobei die Steuereinrichtung 13 den Antrieb 11 derart steuert, daß der mit dem Antrieb 11 verbundene Drehteller 7 die gewünschten N Positionen, die durch die Polarwinkel αi definiert sind, nacheinander erreicht. Dazu umfaßt der Antrieb vorzugsweise einen Schrittmotor.
Die Steuereinrichtung 13 veranlaßt weiter das Erfassen eines i-ten ersten Bildes L_i des Objekts 9 mittels der ersten optischen Erfassungseinrichtung 3a und das Erfassen eines i-ten zweiten Bildes R_i des Objekts 9 mittels der zweiten optischen Erfassungseinrichtung 3b, sobald der Drehteller 7 die zugehörige vorbestimmte Position erreicht hat. Bevorzugt umfaßt die Vorrichtung 1 zumindest eine künstliche Lichtquelle 17, welche insbesondere durch die Steuereinrichtung 13 gesteuert ist und lediglich dann zum Leuchten gebracht wird, wenn das Objekt 9 optisch erfaßt wird. Das erfaßte erste Bild L_i und das zweite Bildes R_i des Objekts 9 werden dann über die Datenleitungen 15a, 15b zur Steuereinrichtung 13 übertragen und dort in einem Datenspeicher 19 auslesbar gespeichert.
Eine Signalverarbeitungseinrichtung 21 ist ausgelegt, um anhand der erfaßten ersten und zweiten Bilder einen Bilddatensatzes zu erzeugen, welcher eine erste Kodierung der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts 9 und eine zweite Kodierung der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts 9 beinhaltet. Der Bilddatensatz kann bevorzugt ebenfalls im Datenspeicher 19 auslesbar gespeichert werden.
3 zeigt das Funktionsprinzip des Silhouettenverfahrens. Gezeigt sind beispielhafte fünf optische Erfassungseinrichtungen 3a bis 3e in verschiedenen Positionen relativ zum Objekt 9. Es versteht sich, daß alternativ eine einzige optische Erfassungseinrichtung entsprechend dieser fünf Positionen positioniert werden kann.
Um ein dreidimensionales Volumenmodell des erfaßten Objektes aus einer Vielzahl von N erfaßten Bildern zu erzeugen, werden zu jedem der N Bilder die entsprechenden Silhouette wie weiter oben beschrieben erzeugt. Die aus dem ersten Bild generierte Silhouette definiert zusammen mit der zugeordneten Position der optischen Erfassungseinrichtung 3a ein konusförmiges Volumen 4a, wobei sich die Spitze des Konus an der Position der optischen Erfassungseinrichtung 3a befindet und der Umriß der Silhouette die Mantelfläche des unregelmäßigen Konus definiert. Entsprechend definiert die Silhouette des zweiten Bildes zusammen mit der zugeordneten Position der optischen Erfassungseinrichtung 3b ein ähnliches konusförmiges Volumen 4b und so weiter.
Das erfaßte Objekt 9 muß sich innerhalb der Schnittmenge 23 aller konusförmigen Volumina befinden. Die Güte der Anpassung der Schnittmenge 23 an die tatsächlichen Umrisse des Objektes 9, d. h. die maximale räumliche Auflösung des Objekts 9 wird unter anderem durch die Anzahl der Positionen bestimmt, an den das Objekt 9 durch eine der optischen Erfassungseinrichtungen 3a-3e erfaßt wurde. Durch die Auswahl der Größe der Volumenelemente (Voxel) 25 zur Unterteilung des Raumes kann die tatsächlich erzielte Auflösung gesenkt werden. Ein beispielhaftes Verfahren zur Formerstellung überprüft für alle Voxel, ob ein Voxel zumindest bereichsweise oder vollständig innerhalb aller konusförmigen Volumina liegt und markiert dieses Voxel dann als zum erfaßten Objekt 9 gehörig. Die daraus resultierende konvexe Hülle 27 des erfaßten Objekts 9 repräsentiert in dem in 2 gezeigten Fall die tatsächliche Hülle des Objekts 9 nur unzureichend, was durch ein Verkleinern der Voxel 25 verbesserbar ist.
4 zeigt das Funktionsprinzip des Silhouettenverfahrens ausgeführt mit einer Vorrichtung, welche fünf erste optische Erfassungseinrichtungen 3a, 3c, 3e, 3g, 3i und fünf zweite optische Erfassungseinrichtungen 3b, 3d, 3f, 3h, 3j aufweist. Die zweiten optische Erfassungseinrichtungen 3b, 3d, 3f, 3h, 3j sind jeweils einer ersten optischen Erfassungseinrichtung 3a, 3c, 3e, 3g, 3i zugeordnet, wobei der Winkel δ zwischen zwei zugeordneten ersten und zweiten Erfassungseinrichtungen um eine Achse Z des Objekts 9 in Abhängigkeit vom Abstand R der Erfassungseinrichtungen von der Achse Z derart gewählt ist, daß der euklidsche Abstand zwischen zwei zugeordneten ersten und zweiten Erfassungseinrichtungen etwa 50 mm bis etwa 80 mm beträgt. Es versteht sich, daß alternativ eine einzige optische Erfassungseinrichtung entsprechend der in 4 gezeigten zehn Positionen positioniert werden kann. Alternativ können eine erste optische Erfassungseinrichtung 3a und eine zweite optische Erfassungseinrichtung 3b miteinander gekoppelt sein, um die gezeigten relativen Positionen zum Objekt 9 nacheinander einzunehmen.
Das Erfassen des Objekts 9 erfolgt bevorzugt zeitgleich durch die zumindest eine erste optischen Erfassungseinrichtung 3a, 3c, 3e, 3g, 3i und die zugeordnete(n) zweite(n) optische(n) Erfassungseinrichtung(en) 3b, 3d, 3f, 3h, 3j. Es versteht sich, daß eine Vielzahl von optischen Erfassungseinrichtungen äquidistant um einen Umfang um das Objekt positioniert sein können, wobei jede optische Erfassungseinrichtung als erste und zweite optische Erfassungseinrichtung dienen kann. Dazu beträgt der Abstand zwischen zwei der äquidistant positionierten optischen Erfassungseinrichtungen bevorzugt zwischen etwa 50 mm bis etwa 80 mm oder weiter bevorzugt zwischen etwa 60 mm bis etwa 65 mm.
Das Erstellen eines dreidimensionalen Volumenmodells des erfaßten Objektes 9 erfolgt für die mittels der ersten optischen Erfassungseinrichtungen 3a, 3c, 3e, 3g, 3i erfaßten Bildern wie zu 3 erläutert. Zusätzlich erfolgt unabhängig davon das Erstellen eines dreidimensionalen Volumenmodells des erfaßten Objektes 9 anhand der mittels der zweiten optischen Erfassungseinrichtungen 3b, 3d, 3f, 3h, 3j erfaßten Bildern analog wie zu 3 erläutert. Dadurch ergeben sich zwei unabhängige Volumenmodelle, welche die Grundlage eines Bilddatensatzes für Visualisierungen umfassend eine erste und zweite Kodierung bilden können, wobei die für das linke und rechte Auge des Betrachters bereitgestellten Visualisierungen bzw. Bilder bzw. erste und zweite Kodierung getrennt voneinander sein können.
Die 5 zeigt ein Ablaufschema einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum dreidimensionalen Erfassen von Objekten. Für die das Erstellen des Volumenmodells mittles des Silhouettenverfahrens kann es erforderlich sein, daß zunächst ein Kalibrierungsschritt S1 zur Kalibrierung der Vorrichtung durchgeführt wird, um die Bildposition eines abgebildeten Punktes innerhalb eines erfaßten Bildes mit der räumlichen Position in den drei Raumrichtungen zu korrelieren. Hierzu wird im Kalibrierungsschritt S1 vor einer Aufnahme eines Objekts ein bekanntes, vermessenes Kalibriermuster, beispielsweise das in 5 gezeigte Gittermuster, durch die Objektaufnahme aufgenommen und in vorbestimmten Positionen mittels der ersten und zweiten optischen Erfassungseinrichtungen erfaßt, wobei zu den Positionen zugeordnete erste und zweite Bilder erzeugt werden. Aus der bekannten Geometrie des Kalibriermusters und den zugeordneten erfaßten ersten und zweiten Bilder lassen sich in einem Kalibrierungsschritt S3 die erforderlichen Kalibrierparameter berechnen. Vorteilhafterweise kann eine Kalibrierung zur Erfassung einer Vielzahl von Objekten verwendet werden, die mit einer Vorrichtung mit gleichbleibender Aufnahmegeometrie erfaßt werden. Alternativ können Kalibrierpunkte an der Objektaufnahme angeordnet sein, welche beim Erfassen der ersten und zweiten Bilder mit erfaßt werden und eine Korrelation von Positionen in einem erfaßten Bild mit räumlichen Positionen ausgehend von jedem der erfaßten Bilder ermöglicht.
Das nach den Kalibrierungsschritten S1 und S3 durchzuführende Verfahren zum Erfassen eines dreidimensionalen Objekts umfaßt das N-fache Durchführen von Erfassungsschritten S5, wobei wie weiter oben beschrieben für jeden der N Erfassungsschritte ein Positionieren des Objekts mit einem vorbestimmten Polarwinkel α_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung, ein Erfassen eines i-ten ersten Bildes L_i des Objekts mit einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung, ein Speichern des i-ten ersten Bildes L_i, ein Positionieren des Objekts mit einem Polarwinkel β_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung, ein Erfassen eines i-ten zweiten Bildes R_i des Objekts mit einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung und ein Speichern des erfaßten i-ten zweiten Bildes R_i umfaßt.
Ausgehend von den erfaßten ersten und zweiten Bildern kann in einem Tessellationsschritt S7 auf Grundlage der erfaßten ersten Bilder ein erstes Tessellationsmodell und anhand der zweiten Bilder ein zweites Tessellationsmodell erstellt werden. Dabei umfaßt jedes Tessellationsmodell die räumlichen Koordinaten des erfaßten Objekts. Um diese räumlichen Koordinaten zu berechnen, werden vorzugsweise die in dem Kalibrierungsschritt S3 berechneten Kalibrierparameter verwendet. Die räumliche Koordinaten des Objektes werden in jedem der Tessellationsmodelle zu Dreiecken zusammengefaßt, welche die Oberfläche des erfaßten Objekts approximieren bzw. annähern. Beispielhaft ist in den 6a-6c drei Tessellationsmodelle eines Objektes mit unterschiedlichen Auflösungen dargestellt. Dabei zeigt die 6a ein Tessellationsmodell mit 12954 Dreiecken, die 6b ein Tessellationsmodell mit 1558 Dreiecken und die 6c ein Tessellationsmodell mit 638 Dreiecken.
Weiter mit Bezug zur 5 kann unter Verwendung des ersten und zweiten Tessellationsmodells in einem Texturierungsschritt S9 ein erstes Texturmodell und ein zweites Texturmodell berechnet werden. Um die optimalen für das Texturieren erforderlichen ersten und zweiten erfaßten Bilder auszuwählen, können die in dem Kalibrierungsschritt S3 berechneten Kalibrierparameter verwendet werden.
In einem Kodierungsschritt S11 können das erste und zweite Texturmodell kodiert in einem Bilddatensatz auf einem Speichermedium gespeichert werden. Mit anderen Worten umfaßt der gespeicherte Bilddatensatz eine erste Kodierung der ersten Bilder des Objekts und eine zweite Kodierung der zweiten Bilder des Objekts.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen von Objekten
3a, 3b: optische Erfassungseinrichtung
4a, b: konusförmiges Volumen
5: Erfassungseinrichtungshalter
7: Objektaufnahme, Drehteller
8: Hintergrundelement
9: Objekt
11: Antrieb
13: Steuereinrichtung
15a, b: Datenleitungen
17: Lichtquelle
19: Datenspeicher
21: Signalverarbeitungseinrichtung
23: Schnittmenge
25: Volumenelement
Z: Längsachse

Claims

Vorrichtung (1) zum dreidimensionalen Erfassen von Objekten umfassend: - zumindest eine optische Erfassungseinrichtung (3a, 3b); - eine Objektaufnahme (7), durch welche ein dreidimensionales Objekt (9) aufnehmbar ist, - einen Antrieb (11), wobei die Objektaufnahme mittels des Antriebs um eine Längsachse (Z) in einem vorbestimmbaren Polarwinkel relativ zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung (3a, 3b) positionierbar ist; - eine Steuereinrichtung (13), welche ausgelegt ist, um N Polarwinkeln α₁ bis α_N und N Polarwinkeln β₁ bis β_N bereitzustellen, wobei gilt: β_i = α_i + δ für alle i e [1...N] mit der Polarwinkeldifferenz δ und wobei die Steuereinrichtung (13) ausgelegt ist für jedes i e [1...N] folgende Schritte durchzuführen: - Positionieren des Objekts (9) mit dem Polarwinkel α_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung (3a, 3b) mittels des Antriebs (11); - Erfassen eines i-ten ersten Bildes L_i des Objekts (9) mittels einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung (3a, 3b) und Speichern des i-ten ersten Bildes L_i in einem Datenspeicher (19); - Positionieren des Objekts (9) mit dem Polarwinkel β_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung (3a, 3b) mittels des Antriebs (11); - Erfassen eines i-ten zweiten Bildes R_i des Objekts (9) mit einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung (3a, 3b) und Speichern des erfaßten i-ten zweiten Bildes R_i; - eine Signalverarbeitungseinrichtung (21), welche ausgelegt ist, einen Bilddatensatzes umfassend eine erste Kodierung der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts (9) und eine zweite Kodierung der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts (9) zu erstellen und zu speichern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit zwei optischen Erfassungseinrichtungen (3a, 3b), welche relativ zu der Längsachse (Z) um die Polarwinkeldifferenz δ voneinander beabstandet positioniert sind, wobei das i-te ersten Bild L_i und das i-te zweite Bild R_i des Objekts (9) gleichzeitig erfaßbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (21) ausgelegt ist, einen Bilddatensatz zu erstellen, wobei mittels der Signalverarbeitungseinrichtung (21) ein erstes Tessellationsmodell anhand der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts (9) umfassend M_L erste Flächenelemente erzeugbar ist, wobei mittels der Signalverarbeitungseinrichtung (21) ein erstes Texturmodell für alle M_L ersten Flächenelemente anhand der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts (9) erzeugbar ist, wobei mittels der Signalverarbeitungseinrichtung (21) ein zweites Tessellationsmodell anhand der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts (9) umfassend M_R erste Flächenelemente erzeugbar ist und wobei mittels der Signalverarbeitungseinrichtung (21) ein zweites Texturmodell für alle M_R zweiten Flächenelemente anhand der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts (9) erzeugbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Objektaufnahme einen Drehteller (7) aufweist, welcher um die Längsachse (Z) drehbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die zumindest eine optische Erfassungseinrichtung (3a, 3b) an einer Erfassungseinrichtungshalterung (5) befestigt ist, welche um die Längsachse (Z) schwenkbar ist und/oder welche entlang einer zur Längsachse (Z) senkrechten Schwenkachse schwenkbar ist.
Computerprogrammprodukt, insbesondere verkörpert als ein Signal und/oder als ein Datenstrom, welches computerlesbare Instruktionen umfaßt, wobei die Instruktionen, wenn sie in eine Steuereinrichtung (13) einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 geladen und ausgeführt werden, ein Verfahren zum dreidimensionalen Erfassen eines dreidimensionalen Objekts (9) ausführen mit den Schritten: - Anordnen eines dreidimensionalen Objekts (9) mit einer Längsachse (Z), wobei das Objekt um vorbestimmte Polarwinkel mit Bezug zu der Längsachse (Z) zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung (3a, 3b) positionierbar ist; - Bestimmen von N Polarwinkeln α₁ bis α_N; - Bestimmen von N Polarwinkeln β₁ bis β_N, wobei gilt: β_i = α_i + δ für alle i e [1...N] mit der Polarwinkeldifferenz δ; - Durchführen der folgenden Erfassungsschritte für jedes i e [1...N]: - Positionieren des Objekts (9) mit dem Polarwinkel αi zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung - Erfassen eines i-ten ersten Bildes L_i des Objekts (9) mit einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung und Speichern des i-ten ersten Bildes L_i; - Positionieren des Objekts (9) mit dem Polarwinkel β_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung - Erfassen eines i-ten zweiten Bildes R_i des Objekts (9) mit einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung und Speichern des erfaßten i-ten zweiten Bildes R_i; - Erstellen und Speichern eines Bilddatensatzes umfassend eine erste Kodierung der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts (9) und eine zweite Kodierung der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts (9).
Computerprogrammprodukt nach den Ansprüchen 6 und 2, wobei das i-te erste Bild L_i und das i-te zweite Bild R_i des Objekts (9) gleichzeitig erfaßt werden.
Computerprogrammprodukt nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Erstellen des Bilddatensatzes folgende Schritte umfaßt: - Erstellen eines ersten Tessellationsmodells anhand der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts umfassend M_L erste Flächenelemente; - Erstellen eines ersten Texturmodells für alle ML ersten Flächenelemente anhand der ersten Bilder L₁...L_N des Objekts (9); - Erstellen eines zweiten Tessellationsmodells anhand der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts umfassend M_R erste Flächenelemente; - Erstellen eines zweiten Texturmodells für alle M_R zweiten Flächenelemente anhand der zweiten Bilder R₁...R_N des Objekts (9).
Computerprogrammprodukt nach einem der Ansprüche 6 bis 8 ausführend den weiteren Schritt: - Darstellen des Bilddatensatzes mittels einer Ausgabevorrichtung, wobei ein i-tes der ersten Bilder Li lediglich vom linken Auge eines Betrachters erfaßbar ist und wobei ein zugeordnetes i-tes der zweiten Bilder R_i lediglich vom rechten Auge des Betrachters erfaßbar ist.
Computerprogrammprodukt nach einem der Ansprüche 6 bis 9 ausführend die weiteren Schritte: - Bestimmen von M Azimutwinkeln θ₁ bis θ_M; - Durchführen der N Erfassungsschritte für jedes j ∈ [1...M] mit den Schritten - Positionieren des Objekts (9) mit dem Azimutwinkel θ_j zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung; - Positionieren des Objekts (9) mit dem Polarwinkel α_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung - Erfassen eines ersten Bildes L_i,j des Objekts (9) mit einer der zumindest einen optischen Erafassungseinrichtung (3a, 3b) und Speichern des ersten Bildes L_i,j; - Positionieren des Objekts (9) mit dem Polarwinkel β_i zu der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung - Erfassen eines zweiten Bildes R_i,j des Objekts (9) mit einer der zumindest einen optischen Erfassungseinrichtung (3a, 3b) und Speichern des erfaßten zweiten Bildes R_i,j; - Erstellen und Speichern eines Bilddatensatzes umfassend eine erste Kodierung der ersten Bilder L₁...L_N×M des Objekts (9) und eine zweite Kodierung der zweiten Bilder R₁...R_N×M des Objekts (9).