DE3712958C1 - Method and device for photographically measuring a three-dimensional object - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur photogrammetrischen Ver­ messung eines dreidimensionalen Objektes, das während seiner Ver­ messung in Ruhe gehalten wird und auf einem Objektträger liegt, der auf zumindest einer Plattenoberfläche mit optisch abtastbaren Markierungen versehen ist, die exakt in einer vorbestimmten An­ ordnung positioniert werden und die Trennfläche zwischen den Me­ dien Luft und Werkstoff definieren.

Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur photogramme­ trischen Vermessung eines dreidimensionalen Objektes, mit einem das zu vermessende Objekt aufnehmenden, plattenförmigen Objekt­ träger, der auf zumindest einer Plattenoberfläche in einer exakt vorbestimmten Anordnung mit optisch abtastbaren Markierungen ver­ sehen ist.

Dieser Stand der Technik läßt sich entnehmen der Vorveröffentli­ chung Photogrammetric Engineering Vol. 47, No. 12, Dec. 1981, Seiten 1717 bis 1724. Verfahren und Einrichtung gestatten jeweils nur die Vermessung der dem Objektträger abgewandten Oberfläche des Objektes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ruhendes Objekt zu­ gleich auf allen Objektflächen vermessen zu können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Lichtstrahlen zur Markierung und Vermessung des Objektes auch durch den aus transparentem Material hergestellten Objektträger hindurchgeschickt werden, wobei simultan die genannten Markierun­ gen erfaßt werden. Dadurch ist es möglich, das Objekt ohne Lage­ änderung allseitig zu erfassen, wobei etwaige Formänderungen des Objektträgers aufgrund des Objektgewichtes kompensiert werden. Diese allseitige Objekterfassung ohne Lageänderung des Objektes macht aufwendige Vorrichtungen zur präzisen Drehung des Objektes und/oder der Kameras relativ zueinander überflüssig. Dies führt zu einer Kosten- und Zeitersparnis und eliminiert eine Fehler­ quelle. Vorteilhaft ist ferner, daß ein einheitliches Bezugs­ system zur Orientierung der Meßkameras und des Objektes durch die Markierungen vorgegeben ist.

Eine geeignete Einrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Durchführung des Verfahrens der Objektträger aus einem transparenten, homogenen Werkstoff besteht und in hori­ zontaler Lage zwischen oberen und unteren Meßkammern angeordnet ist, von denen zumindest zwei den vom Objekt reflektierten Licht­ strahl einer Lichtquelle erfassen.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die genannte Lichtquelle ein Pro­ jektor ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist flexibel und programmierbar, wobei sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der bean­ spruchten Einrichtung Teile unterschiedlicher Größe, Form und Stabilität auf z.B. ihre Einbaufähigkeit untersuchen lassen.

Die unbekannten 3D-Koordinaten eines Punktes im Raum können be­ kanntlich durch räumlichen Vorwärtsschnitt von zwei bekannten Punkten aus bestimmt werden. Beim klassischen Verfahren mit Theodoliten muß der Punkt genau anvisiert und dann die Richtungs­ winkel gemessen werden. Beim photogrammetrischen Verfahren hin­ gegen können aus zwei oder mehr Einzelbildern, in denen der Punkt abgebildet ist, die 3D-Koordinaten aus den Bildkoordinaten be­ rechnet werden. Dazu muß die genaue Lage der Bilder im Raum be­ kannt sein.

Die Prüfobjekte werden erfindungsgemäß auf einem transparenten Objektträger, z.B. einer Glasplatte, in geeigneter Lage positio­ niert, so daß sie von allen Seiten berührungslos abgetastet wer­ den können. Der transparente Objektträger erfordert eine Berück­ sichtigung der Brechung der Abbildungsstrahlen beim Übergang Luft/Glas/Luft (sog. Mehrmedien-Photogrammetrie).

Die Meßkammern arbeiten nach dem Reseau-Scanning-Verfahren. Das Prüfobjekt wird über eine Optik scharf auf einem CCD-Flächensen­ sor abgebildet, der hinter einer Reseau-Platte in der Abbildungs­ ebene maschenweise in x- und y-Richtung verschoben wird und da­ mit das ganze Bild erfassen kann. Damit die Reseaumasche vom Sensor unabhängig vom Bild deutlich erkannt werden kann, ist es vorteilhaft, wenn das Objektiv kurzzeitig geschlossen und das Reseau durch eine separate, punktförmige Beleuchtung über einen Teilerspiegel auf den Sensor projiziert und im Bildspeicher zur Sensororientierung abgelegt wird.

Zur Markierung des Prüfobjektes sind zwei verschiedene Projek­ tionseinrichtungen denkbar nämlich das Laserscanning oder eine Meßmarkenprojektion. Bei letzterem Verfahren können mit einem Diaprojektor beliebig geformte, sehr genaue Meßmarken auf dem Prüfobjekt abgebildet werden. Als Einstellicht kann normales Halogenlicht verwendet werden, während für ein verwacklungsfreies Signal eine Pulslichtquelle verwendet wird, die direkt auf den Einlesezyklus des Sensors getriggert werden muß. Zur Positionie­ rung des Projektionsstrahls aus verschiedenen Richtungen auf das momentane Meßfeld können Ablenkspiegel mit Positioniersteuerung eingesetzt werden. Alternativ könnte die gesamte Projektionsein­ richtung schwenkbar gelagert werden.

Der transparente Objektträger, z.B. eine Glasplatte, ist für praktisch alle Prüfobjekte, auch für flexible Prüfobjekte geeig­ net. Er ermöglicht eine allseitige ungehinderte Objekterkennung sowie eine einfache Anbringung von Orientierungspunkten. Letzte­ re ermöglichen bei Bedarf eine on-line-Kalibrierung des Meß­ systems. Zur Positionierung des Prüfobjektes auf dem Objekt­ träger können Signale auf den Objektträger projiziert oder auto­ matische Einstellhilfen (z.B. Anschläge) vorgesehen werden. Die Sollposition kann direkt über die Meßkammern am Bildschirm kon­ trolliert werden.

Die fest montierten Meßkammern können den ganzen Prüfraum mit ihrer Optik einsehen und abschnittsweise, hochauflösend digi­ talisieren. Sie sind so verteilt, daß immer mindestens zwei Meßkammern die Objektmarkierungen simultan erfassen, so daß eine räumliche Lageberechnung möglich wird.

In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Einrichtung ge­ mäß der Erfindung schematisch dargestellt.

Das zu vermessende Objekt 1 liegt auf einem transparenten Objekt­ träger 2 und wird während der Vermessung in Ruhe gehalten. Licht­ strahlen zur Markierung und Vermessung des Objektes 1 werden von Projektoren 3 über Ablenkspiegel 4 auf das Objekt 1 geleitet, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Objektmarkierung mit dem Bezugszeichen 5 versehen ist. Diese Lichtstrahlen werden auch durch den Objektträger 2 hindurchgeschickt.

Der Objektträger 2 ist in horizontaler Lage zwischen oberen und unteren Meßkammern 6 angeordnet, von denen zumindest zwei den vom Objekt 1 reflektierten Lichtstrahl des Projektors 3 messen.

Die Prüfkammer besteht aus einem steifen Rahmen 12, an dem alle an der Objekterfassung beteiligten Komponenten fest montiert sind. Das Gehäuse ist vollständig gekapselt, um störendes Fremd­ licht sowie Schmutz, Staub und Feuchtigkeit fern zu halten. Zum Schutz gegen Vibrationen aus dem Boden steht das System auf Schwingungsisolatoren 13. Durch eine Belüftung 14 mit Staubfil­ ter, Temperaturkontrolle und leichtem Oberdruck wird die Prüf­ kammer sauber und frei von Deformationen durch Temperaturschwan­ kungen gehalten.

Die genaue Lage der Meßkammern 6 in der Prüfkammer muß nach der Montage, nach jedem Auswechseln und sonst in geeigneten Zeitab­ schnitten bestimmt werden. Dazu sind speziell markierte, feste Orientierungspunkte im Prüfraum verteilt, die von den Meßkammern automatisch erkannt werden. Durch Simultankalibrierung aller Meß­ kammern kann die gesamte Meßanordnung auf ihre Genauigkeit über­ prüft werden.

In den Einzelkomponenten sind jeweils Steuerrechner vorgesehen, die alle über eine gemeinsame Steuerleitung 7 kontrolliert wer­ den. Zusätzlich ist eine Synchronleitung vorgesehen, die die Projektoren 3 mit den CCD-Sensoren der Meßkammern 6 taktet. Zur simultanen Mehrbilderfassung sind zusätzlich Video-Leitungen von jeder Meßkammer 6 zu Bildspeicherkarten geführt. Die Zeichnung läßt lediglich eine Steuerleitung 7 erkennen, die zu einer Bild­ verarbeitung 8 und einem Steuerrechner 9 führt. In diesem System­ rechner werden die momentanen Meßbilder simultan erfaßt, real-time verarbeitet und die 3D-Objektkoordinaten berechnet (Bezugszeichen 10). Angedeutet ist noch eine Stromversorgung 11.

Auf der Oberfläche des Objektträgers 2 sind optisch abtastbare Markierungen 15 vorgesehen, die exakt in einer vorbestimmten An­ ordnung positioniert sind und die Trennfläche zwischen den Medien Luft und Werkstoff definieren.

Die am Objekt 1 ausgemessenen 3D-Koordinaten repräsentieren die momentane Ist-Form. Diese kann durch mangelnde Eigenstabilität oder Deformation aus dem Herstellungsprozeß mehr oder weniger stark von der Soll-Form abweichen. Es ist daher erforderlich, die Ist-Form durch rechnerische Simultation in die Soll-Form bestmöglich einzupassen. Der Soll-Ist-Vergleich kann mit Finite- Elemente-Methoden durchgeführt werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur photogrammetrischen Vermessung eines drei­ dimensionalen Objektes (1), das während seiner Vermessung in Ruhe gehalten wird und auf einem Objektträger (2) liegt, der auf zumindest einer Plattenoberfläche mit optisch ab­ tastbaren Markierungen (15) versehen ist, die exakt in einer vorbestinmten Anordnung positioniert werden und die Trenn­ fläche zwischen den Medien Luft und Werkstoff definieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen zur Markierung und Vermessung des Objektes (1) auch durch den aus transpa­ rentem Material hergestellten Objektträger (2) hindurchge­ schickt werden, wobei simultan die genannten Markierungen erfaßt werden.

2. Einrichtung zur photogrammetrischen Vermessung eines drei­ dimensionalen Objektes (1), mit einem das zu vermessende Ob­ jekt (1) aufnehmenden, plattenförmigen Objektträger (2), der auf zumindest einer Plattenoberfläche in einer exakt vorbe­ stimmten Anordnung mit optisch abtastbaren Markierungen (15) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 der Objektträger (2) aus einem transparenten, homogenen Werkstoff besteht und in horizontaler Lage zwischen oberen und unteren Meßkammern (6) angeordnet ist, von denen zumindest zwei den vom Objekt (1) reflektierten Lichtstrahl einer Lichtquelle (3) erfassen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Lichtquelle (3) ein Projektor ist.