DE4120115C2 - Berührungsfrei arbeitendes Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Koordinaten von Objektpunkten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmeßverfahren gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Ein Verfahren dieser Art ist als Phasenshiftverfahren aus dem Beitrag von Zumbrunn "Automated Fast Shape Determination of Diffuse Reflecting Objects at Close Range, by Means of Structured Light and Digital Phase Measurement", ISPRS Intercommission Conference, 2.-4. Juni 1987, Interlaken, bekannt und beispielsweise - dort unter Anwendung der Holographie - in der Arbeit "Ein rechnerge­ stütztes Holographiesystem für den industriellen Einsatz" von Breuckmann und Thieme in den VDI-Berichten 552, 9. GESA-Symposium, 9/10.05.1985, im einzelnen beschrieben. Daher braucht auf dieses Verfahren hier nicht in allen Einzelheiten eingegangen zu werden. Das Phasenshiftverfahren arbeitet mit der Projektion periodischer Strahlungsintensitätsverläufe und der Auswertung der auf den Objektoberflächen dadurch hervorgerufenen Streifenmustern. Ihm schließt sich ein übliches Triangulationsverfahren zur Koordinatenermittlung an. Durch Verwendung beispielsweise eines Projektionsdias mit ent­ sprechender Grauwertverteilung oder Defokussierung eines binären Musters wird eine sinusförmige Intensitätsverteilung projiziert, und mittels einer CCD-Kamera die lokale Intensität einzelner Punkte im Streifenmuster auf der Objektoberfläche ermittelt. Daraus wiederum wird die Phasenlage dieser Punkte und aus der Phasenlage die jeweilige Koordinaten­ beziehung zugehöriger Objektpunkte durch Triangulation gewonnen. Da die mathematische Beziehung für die projizierte sinusförmige Intensitätsver­ teilung außer der Phasenlage des jeweiligen Punktes im Streifen­ muster noch zwei weitere Unbekannte, nämlich die Hintergrundinten­ sität und den Streifenkontrast, enthält, wird das Streifenmuster zusätzlich in zwei weiteren, um bekannte Phasenwinkel verschobenen Projektionen aufgenommen, so daß sich die konstanten Werte für Hin­ tergrundintensität und Streifenkontrast ermitteln lassen. Diese Verschiebung des Projektionsmusters um zwei vorgegebene Phasenwinkel kann mit Hilfe eines Projektors mit LCD-Shutter auf einfache Weise realisiert werden.

Dieses insoweit bekannte Verfahren bietet eine Reihe von bei der Koordinatenermittlung wichtigen Vorteilen. Zum einen ist die Koor­ dinatenerfassung sehr schnell, zum anderen erfolgt sie mit hoher Genauigkeit und hoher Auflösung, da die Phasenlage im Streifen­ muster für jedes Bildelement der Kamera bestimmt wird und dies unabhängig von der Anzahl der Streifen ist. Probleme bereitet jedoch die Tatsache, daß nicht ohne weiteres diejenige Periode im Streifenmuster erfaßt wird, in der sich der betrachtete Punkt befindet. Die aus der das Streifenmuster beschreibenden Formel nach der erläuterten Bestimmung von Hintergrundintensität und Streifen­ kontrast abgeleitete Funktion für die Phase ist nämlich diskonti­ nuierlich (2 π-Sprünge) und muß daher "entfaltet" werden. Dies wiederum ist insbesondere dann schwierig, wenn die Oberfläche des Objekts starke oder gar sprunghafte Veränderungen in ihrer Kontur aufweist.

Ein anderes bekanntes berührungsfrei arbeitendes Verfahren zur Er­ mittlung der räumlichen Koordinaten von Objektpunkten ist das soge­ nannte Verfahren des codierten Lichtansatzes (CLA). Nähere Einzel­ heiten dieses Verfahrens sind dem Aufsatz von Stahs und Wahl: "Fast and Robust Range Data Acquisition in a Low-Cast Environment" SPIE Vol. 1395 (1990), Seiten 496 bis 503, zu entnehmen. Vom Prinzip her arbeitet das CLA-Verfahren so, daß mittels eines Pro­ jektors individuell codierte parallele Lichtebenen in den Objekt­ raum projiziert sowie von ihnen als Schnittlinien mit dem Objekt erzeugte Profillinien punktweise mittels einer Kamera abgetastet werden. Dies dient der Gewinnung von Meßsignalen für die relative Lage von Objektpunkten auf den Profillinien. Aus diesen Meßsignalen sowie aus Daten für Relativlage und Ausrichtung von Projektor, Kamera und Objekt werden dann durch Triangulation die Raum­ koordinaten der Punkte der Profillinien und damit der Objektpunkte berechnet.

Damit die Abbildung jeder Profillinie im Kamerabild der zuge­ hörigen, vom Projektor projizierten Lichtebene zugeordnet werden kann, werden die Lichtebenen über einen dualen Code gleichsam numeriert. Dies kann über eine zeitlich aufeinanderfolgende Pro­ jektion binärer Hell-Dunkel-Muster, die jeweils eine Bitebene des Codes darstellen, geschehen. Die verschiedenen Muster können beispielsweise mit Hilfe eines Projektors erzeugt werden, der einen programmierbaren LCD-Shutter enthält.

Dieses CLA-Verfahren ist zwar schnell und unempfindlich gegenüber Unterschieden der Objektoberflächenbeschaffenheit, Helligkeitsun­ terschieden an der Objektoberfläche und Oberflächendiskontinuitä­ ten, jedoch ist seine relative Genauigkeit für viele Fälle zu gering.

Des weiteren befaßt sich die Veröffentlichung "Adaptive Light Encoding for 3-D-Sensing with Maximum Measurement Efficiency" von R. Malz, 11. DAGM-Symposium Mustererkennung, Springer-Verlag Hamburg, 1989, S. 98-105, mit den nachrichtentechnischen Problemen der Oberflächenmarkierung und Abtastung. Dabei wird die Übertragungsstrecke vom Projektor über die Objektoberfläche, die Kamera, den AD-Wandler bis zum Bildspeicher als Bündel von Nachrichtenkanälen aufgefaßt, deren Übertragungskapazität möglichst effizient genutzt werden soll. Die Wortlänge des verwendeten hybriden (digital/analogen) Codes wird dabei automatisch an die verfügbare Kanalkapazität angepaßt.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein nach dem Prinzip des Phasenshiftverfahrens arbeitendes Verfahren zu schaffen, das die diesem innewohnenden Schwierigkeiten hinsichtlich der Zuordnung der Periode des Streifenmusters zu den einzelnen erfaßten Objektpunkten vermeidet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1, eine vorteilhafte Ausbildung beschreibt der Unteranspruch.

Schlagwortartig kann man das erfindungsgemäße Verfahren als sinnvolle Kombination von Merkmalen des Phasenshiftverfahrens mit Merkmalen des CLA-Verfahrens charakterisieren, mit der Folge, daß zwar die Vorteile beider Verfahren erhalten bleiben, jedoch ihre jeweiligen Nachteile vermieden sind.

Die bisher insbesondere bei Sprünge aufweisenden Objektoberflächen schwierige "Entfaltung" der Phasenfunktion beim Phasenshiftverfah­ ren wird in einfacher Weise praktisch unabhängig von der jeweiligen Struktur der Objektoberfläche dadurch vorgenommen, daß Streifen des Streifenmusters, die in ihrer Breite genau einer Periode dieses Musters entsprechen, nach Art des CLA-Verfahrens codiert und damit gekennzeichnet werden.

Mit der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren ge­ schaffen, das mit einfachen, bekannten Mitteln das Phasenshiftver­ fahren hinsichtlich der Zuordnung von Objektpunkten zu Perioden des Streifenmusters optimiert. Angesichts des geringen Geräteaufwands und der erzielbaren hohen Genauigkeit und Geschwindigkeit ist dieses Verfahren besonders für den Einsatz in der taktweisen Fertigung - beispielsweise von Automobilen - zur Qualtitätssicherung geeignet.

Claims (2)

1. Berührungsfrei arbeitendes Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Koordinaten von Objektpunkten, insbesondere zur Qualitätskontrolle in der Fertigung, bei dem nach dem Phasenshiftverfahren mittels eines Projektors eine Beleuchtungsstruktur aus parallelen Streifen mit sinusförmiger Intensitätsverteilung mit unterschiedlicher Phasenverschiebung in den Objektraum projiziert und das dadurch auf der Objektoberfläche hervorgerufene Streifenmuster jeweils mittels einer Kamera punktweise zur Gewinnung von Intensitätssignalen für die einzelnen Punkte erfaßt sowie aus diesen unter Berücksichtigung der Hintergrundintensität und des Streifenkontrasts die Phasenlagen der Punkte im Streifenmuster und in einem Triangulationsverfahren daraus die Koordinaten zugehöriger Objektpunkte ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihrer Breite einer Periode des Streifenmusters entsprechenden Streifen zu ihrer Unterscheidung codiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifencodierung nach dem Verfahren des codierten Lichtansatzes erfolgt.