DE4335121A1 - Automatische Flächenrückführung bei optischen 3D Digitalisierer - Google Patents
Automatische Flächenrückführung bei optischen 3D DigitalisiererInfo
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Description
Die berührungslose und schnelle Digitalisierung von dreidimensionalen Model
len und Formen ist ein wichtiges Verfahren zur Beschleunigung der Produktent
wicklung. Es sind zahlreiche optische Verfahren bekannt, welche mit Hilfe eines
optischen 3D Meßkopfes in kurzer Zeit mehrere hunderttausend Koordinaten
von Punkten der Oberfläche erzeugen können. Zahlreiche dieser Verfahren ver
wenden Triangulationsmeßköpfe mit eingebauten Bildsensoren, insbesondere
CCD-Matrix-Sensoren. So sind z. B. in einem Stereomeßkopf zwei Matrix-Bild
sensoren eingebaut, während in einem Streifenprojektionsmeßkopf ein Streifen
projektor und ein Matrix-Bildsensor verwendet werden.
Während die Gewinnung zahlreicher Oberflächenkoordinaten mit solchen 3D
Sensoren technologisch zufriedenstellend gelöst ist, ist die Erzeugung von klassi
schen CAD Daten, insbesondere die Erzeugung von durch Polynome beschriebe
nen Flächen wie Bi-Splines, B´zier oder NURBS aus dieser großen Menge redun
danter Punktedaten ein nur ungenügend gelöstes Problem. Zwar sind zahlreiche
Verfahren bekannt wie z. B. eine B´zier-Fläche aus einer begrenzten Menge von
Punktedaten gewonnen werden kann (die sog. Flächenrückführung). Allerdings
ist es hierzu notwendig, die Punktedaten, welche zu einer Fläche zurückgeführt
werden sollen, mit einer technisch/konstruktiv sinnvollen Berandung
auszugrenzen aus der großen Menge aller Punktedaten, welche aus der Digitali
sierung eines ganzen Modells entstehen. Die ist daher erforderlich, weil es nur in
den seltensten Fällen möglich ist, ein digitalisiertes Modell in eine einzige
Polynomfläche zurückzuführen. In der Regel muß die Oberfläche in eine Reihe
von sinnvollen Unterflächen eingeteilt werden, welche jeweils in eine eigene
Polynomfläche oder in einen eigenen Verband von Polynomflächen zurückgeführt
werden.
Es sind erste, einfache Verfahren bekannt, solche Berandungen automatisch aus
der durch die Digitalisierung erzeugten Punktewolke zu bestimmen. In der Regel
geschieht dies durch die automatische Ermittlung der Orte mit hoher
Raumkrümmung. Diese sog. Raumkanten werden dann als Berandungslinien für
die Erzeugung einer Polynomfläche oder eines Flächenverbandes herangezogen.
Solche Verfahren werden z. B. von der Fa. BCT, Dortmund unter der Bezeich
nung "scancad geo", von der amerikanischen Firma Imageware, Ann Arbor,
unter der Bezeichnung "Surfacer" angeboten. Solche global ermittelte Raumkan
ten sind oft nicht identisch mit technisch/konstruktiv sinnvollen Berandungen
für Flächen, d. h. mit einer solchen Aufteilung, wie sie ein Konstrukteur
durchführen würde. Bei vielen, lediglich durch Freiformflächen gekennzeichne
ten Modellen sind oft keine Linien mit einer hohen Raumkrümmung vorhanden.
Aus diesem Grunde ist die Qualität der automatisch erzeugten Berandungen sol
cher Programme bei weitem nicht ausreichend, da sie in der Regel nur bei
scharfkantigen Modellen einigermaßen sinnvolle Berandungen ermitteln und da
sie in keinem Fall über das gesamte, anwendungsspezifische Expertenwissen
eines Konstrukteurs verfügen. Alle diese Programme verfügen daher über
zusätzliche manuelle Editiermöglichkeiten, mit welchen solche Berandungen am
Bildschirm in der 3D Punktewolke eingezeichnet werden können.
Es braucht nicht weiter betont zu werden, daß diese zeitaufwendige Editierung
auch technisch sehr schwierig ist. Die Eingabe einer dreidimensionalen Beran
dung auf einer dreidimensionalen Punktewolke, welche lediglich auf einem
flachen Bildschirm darstellbar ist, verlangt ein ausgeprägtes räumliches
Vorstellungsvermögen und kann daher nur von Fachkräften durchgeführt wer
den.
Durch diese Schwierigkeiten wird z.Zt. der Einsatz von optischen 3D
Digitalisierer stark behindert, obschon die Vorteile solcher Digitalisierer für den
gesamten Bereich des Rapid Prototyping unbestritten sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu ent
wickeln, mit welchem die vollautomatische Rückführung von sinnvollen Flächen
aus Punktewolken, wie sie mit optischen Digitalisierer gewonnen werden,
ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Verfah
rensschritte gelöst:
- 1. auf dem zu digitalisierenden Objekt werden vorab die gewünsch ten Flächenberandungen durch kontrastreiche Linien markiert und/oder die Regionen von Punktedaten, über welche eine Flächenrückführung durchgeführt werden soll durch eine festgelegte Farbe und/oder Textur markiert.
- 2. das zu digitalisierende Objekt wird mit einem 3D Sensor erfaßt, in oder an dem mindestens ein bildgebender Sensor angebracht ist.
- 3. neben der Gewinnung von 3D Daten mit Hilfe des 3D Sensors werden ein oder mehrere Auflichtbilder mit Hilfe des bildgebenden Sensors erfaßt und aus diesen mit bekannten Verfahren der zwei-dimensionalen Bildverarbei tung die linienhaften und/oder flächenhaften Markierungen automatisch extrahiert.
- 4. durch Überlagerung dieser extrahierten Markierungen mit den drei-dimen sionalen Punktedaten werden diejenigen Raumpunkte automatisch gekenn zeichnet, welche von diesen Markierungen überdeckt werden.
- 5. Mit bekannten Verfahren der Flächenrückführung werden für alle durch eine geschlossene Berandung von linienhaften Markierungen und/oder von den flächenhaften Markierungen gekennzeichneten Raumpunkte eine für den Export nach CAD/CAM Systemen geeignete polynomiale Fläche bzw. Flächenverband erzeugt.
Das Verfahren sei beispielhaft, aber nicht einschränkend anhand der folgenden
Abbildungen erklärt:
Fig. 1 zeigt ein zu digitalisierendes Modell auf dessen Oberfläche beispiel
haft eine linienförmige Berandungsmarkierung und eine flächen
hafte Regionenmarkierung aufgebracht wurden.
Fig. 2 zeigt wie durch unterschiedliche Markierungen am gleichen Objekt
es möglich ist, diese Markierungen nicht nur automatisch zu erken
nen sondern auch zu unterscheiden
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des
Verfahrens.
Erfindungsgemäß werden vom Fachmann nach Fig. 1 auf dem zu digitalisieren
den Modell 1, im Beispiel ein Schuhleisten, linienhafte 2 oder flächenhafte
3 Markierungen aufgebracht, welche von dem im 3D Meßkopf 4 angebrachten
Bildsensor 5 detektiert werden können. Solche Markierungen können z. B. aus
kontrastreichen schwarz/weiß Linien, aus farblich vom Hintergrund abgesetzten
Linien, aus farbigen Flächen, aus Texturen und ähnliche, sich vom Hintergrund
unterscheidbaren Kennzeichnungen bestehen.
Dem Fachmann der zwei-dimensionalen Bildverarbeitung ist wohl bekannt, wie
solche linien- oder flächenhaften Markierungen gewählt und automatisch er
kannt werden können:
- - schwarz/weiße Linien können über Kantenfilter erkannt werden
- - farbige Linien und Flächen können durch lokale Farbklassifikation erkannt werden
- - Texturen können durch Texturoperatoren wie z. B. die Co-occurence Matri zen erkannt werden
Es ist dem Fachmann der Bildverarbeitung auch bekannt, wie Störungen bei der
automatischen Detektion dieser Markierungen durch lineare oder nicht-lineare
Filter und morphologische Operationen zu beseitigen sind.
Erfindungsgemäß werden solche Markierungen verwendet, welche die normale
3D Vermessung nicht stören, weil sie im Bereich der Wellenlänge des Lichtes,
welches zur 3D Digitalisierung verwendet wird, vom Bildsensor nicht erfaßt
werden. Dies ist z. B. durch die Verwendung von UV-fluoreszierenden Tinten und
durch eine getrennte UV Auflicht Beleuchtung leicht erreichbar.
Erfindungsgemäß wird eine farbliche Markierung verwendet, welche sich vom
Hintergrund unterscheidet und durch Farbklassifikation des Auflichtbildes auto
matisch erkannt wird.
Ein weiterer Erfindungsgedanke ist es, die einzelnen Markierungen so zu
wählen, daß sie nicht nur automatisch mit den Methoden der 2-dimensionalen
Bildverarbeitung erkennbar sondern auch unterscheidbar sind. Fig. 2 zeigt bei
spielhaft ein Modell 1, bei welchem vier Regionen 2, 3, 4, und 5 durch je
weils zwei unterschiedliche linienhafte 6 und 7 und zwei unterschiedliche
flächenhaften 8 und 9 Markierungen gekennzeichnet sind. Mit bekannten
Verfahren der Mustererkennung lassen sich diese Markierungen unterscheiden.
Die beiden flächenhaften Texturmarkierungen unterscheiden sich deutlich durch
ihre Ortsfrequenzen und lassen sich daher leicht mit entsprechenden, frequenz
selektiven Algorithmen unterscheiden.
Erfindungsgemäß wird die Unterscheidung der Markierungen dazu verwendet,
die rechnerische Flächenrückführung zu steuern. So wird z. B. anhand der er
kannten Markierung festgelegt, welches Toleranzband für eine gegebene
Flächenrückführung verwendet werden soll. Die Unterscheidbarkeit der Markie
rungen kann auch beispielhaft dazu verwendet werden, den Polynomgrad der
approximierenden Fläche festzulegen.
Da die Markierungen vom Fachmann am Modell festgelegt werden, kann der
nachfolgende Prozeß der Flächenrückführung vollautomatisch erfolgen, wobei
durch die automatische Erkennung der Markierungen die einzelnen
rückzuführenden Regionen innerhalb der Punktewolke automatisch bestimmt
werden und aus der Unterscheidbarkeit der Markierungen die Flächenrück
führungsalgorithmen für diese Regionen unterschiedlich gesteuert werden
können.
Durch die direkte Anbringung der Markierungen am Modell entfallen auch die
Schwierigkeiten der Markierungen einer drei-dimensionalen Punktewolke an
einem zwei-dimensionalen Bildschirm.
Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sei beispielhaft anhand von
Fig. 3 erklärt. Beispielhaft werden zur Markierungen flächenhaftige farbliche
Markierungen 1 verwendet. Als 3D Sensor kommt eine Streifenprojektions
meßkopf 2 zur Anwendung, wobei die benötigte CCD-Kamera 3 als Farbka
mera ausgelegt ist.
Zur Durchführung der 3D Digitalisierung wird das Luminanzsignal 4 im 3D
Bildrechner 5 verwendet. Zur automatischen Erkennung und Unterscheidung
der farblichen Markierungen wird das Farbsignal 6 im Farbbildrechner 7
verarbeitet. Beispielhaft seien zwei farblich unterschiedliche Markierungen ein
gesetzt . Der Farbbildrechner extrahiert aus dem Kamerabild automatisch die
Farbregionen 8 und 9. Im 3D Bildrechner werden die Punktewolken und die
Farbregionen überlagert und es werden an die CAD Anlage die Liste 10 der
dreidimensionalen Punktekoordinaten zu Regionen zusammengefaßt und und
mit entsprechenden Attributen versehen übertragen.
Erfindungsgemäß wird auf dem 3D Sensor ein eigener Bildsensor eingesetzt,
welcher durch seine Empfindlichkeit so ausgelegt ist, daß er nur die Markierun
gen erfaßt.
Bei der Verwendung von punktförmig oder linienförmig abtastenden 3D Senso
ren läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls einsetzen. Hierzu kann
z. B. der Sensor farbsensitiv ausgelegt werden und entsprechend abgestimmte
farbliche Markierungen verwendet werden.
Erfindungsgemäß werden als Markierungen räumlich lokal unterscheidbare Li
nien oder flächenmäßige Markierungen verwendet und diese durch lokale
Operationen im 3D Bild automatisch erkannt. So kann beispielhaft eine
linienförmige Berandung durch Aufkleben eines dünnen Drahtes erfolgen. Durch
eine Hochpaßfilterung im Abstandsbild des 3D Sensors bzw. durch Ermittlung
stark gekrümmter linienhaftiger Strukturen können diese Markierungen im 3D
Bildrechner ermittelt werden. Damit können auch Modelle mit wenig
gekrümmten Flächen automatisch in sinnvolle Regionen zerlegt und regionen
weise in Flächen zurückgeführt werden. Auch diese Verfahren der automati
schen Erkennung solcher räumlichen Markierungen sind dem Fachmann der 3D
Bildverarbeitung bekannt.
Als räumliche Markierungen kann auch eine bestimmte erhabene oder vertiefte
Textur aufgebracht werden, welche sich im 3D Bildrechner als Gebiet mit einer
bestimmten Ortsfrequenz automatisch erkennen läßt. Die räumliche Lage des
Hintergrundes des Modells läßt sich trotz solcher Markierungen durch
Glättungsfilter, Extrapolationen oder ähnliche, dem Fachmann bekannten Ver
fahren automatisch durchführen.
Durch die erfindungsgemäßen Verfahren und Anordnungen wird erreicht, daß ab
dem Vorgang der Digitalisierung vollautomatisch Oberflächenkoordinaten zu
technisch sinnvollen Regionen zusammengefaßt und in auf CAD/CAM Systeme
übertragbare Flächen zurückgeführt werden können, ohne daß an diesem Vor
gang noch ein Fachmann beteiligt zu werden braucht.
Claims (11)
1. Verfahren zur automatischen Flächenrückführung von punktförmig vorlie
genden Oberflächenkoordinaten, insbesondere zur Ankopplung von
optischen 3D Digitalisierer an CAD/CAM Anlagen, gekennzeichnet durch die folgenden
Schritte
- a) auf dem zu digitalisierenden Objekt werden vor der Digitalisierung die gewünschten Flächenberandungen durch kontrastreiche Linien markiert und/oder die Regionen von Punktedaten, über welche eine Flächenrückführung durchgeführt werden soll durch eine festgelegte Farbe und/oder Textur markiert.
- b) das zu digitalisierende Objekt wird mit einem 3D Sensor erfaßt, in oder an dem mindestens ein bildgebender Sensor angebracht ist.
- c) neben der Gewinnung von 3D Daten mit Hilfe des 3D Sensors werden ein oder mehrere Auflichtbilder mit Hilfe des bildgebenden Sensors erfaßt und aus dem Signal dieses Sensors mit bekannten Verfahren der zweidimensionalen Bildverarbeitung die linienhaften und/oder flächenhaften Markierungen automatisch extrahiert.
- d) durch Überlagerung der extrahierten Markierungen mit den drei dimensionalen Punktedaten werden diejenigen Raumpunkte gekenn zeichnet, welche von diesen Markierungen überdeckt werden und diese zu einzeln in Flächen rückzuführende Regionen zusammen gefaßt.
- e) mit bekannten Verfahren der Flächenrückführung werden für alle zu einer Region zusammengefaßte Raumpunkte jeweils eine für den Export nach CAD/CAM Systemen geeignete polynomiale Fläche bzw. ein Flächenverband erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die linienhaften und/oder flächenhaften Markierungen so ausgewählt wer
den, daß sie sich automatisch mit Verfahren der 2D Bildverarbeitung
voneinander unterscheiden lassen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
sich die linienhaften und/oder flächenhaften Markierungen durch ihre
Helligkeit und/oder Farbe und/oder Textur vom Hintergrund und/oder
untereinander unterscheiden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die automatische Unterscheidbarkeit der Markierungen zur Übergabe
von Informationen, welche die Algorithmen der Flächenrückführung
steuern verwendet wird
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Markierungen so gewählt sind, daß sie für den optischen 3D Digita
lisierer nicht sichtbar sind
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Markierungen nur bei einer besonderen Beleuchtung für den
Bildsensor sichtbar werden
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein optischer 3D Sensor verwendet wird, welcher im oder am Meßkopf
einen bildgebenden Sensor verwendet, daß dieser Sensor so ausgerichtet
ist, daß er das gleiche Bildfeld erfaßt wie der 3D Sensor, daß auf der Ober
fläche des zu digitalisierenden Objektes Markierungen angebracht sind,
daß die Signale des bildgebenden Sensors in einem Bildrechner mit Verfah
ren der zwei-dimensionalen Bildverarbeitung ausgewertet werden und die
Markierungen automatisch erkannt werden, daß im Rechner die 3D Punk
tekoordinaten und die Markierungskoordinaten überlagert werden, daß
die Punktekoordinaten zu Regionen zusammengefaßt werden, welche je
weils einer Markierung entsprechen und in einem Rechner regionenweise
zu Flächen oder Flächenverbänden zurückgeführt werden, welche auf
CAD/CAM Anlagen übertragen werden können.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der bildgebende Sensor ein Farbsensor ist.
9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Markierungen nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich sichtbar
sind und zur Detektion mit einer entsprechend abgestimmten Auflicht
beleuchtungsquelle beleuchtet werden
10. Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
als 3D Sensor ein punktförmig oder linienförmig abtastender Sensor
verwendet wird und die Empfindlichkeit des das zur 3D Vermessung re
flektierte Licht empfangenden Sensors so gewählt ist, daß er die Markie
rungen vom Hintergrund und von dem zur 3D Vermessung aufprojizierten
Punkt- oder Linien-Muster unterscheiden kann.
11. Verfahren zur automatische Flächenrückführung von punktförmig vorlie
genden Oberflächenkoordinaten, insbesondere zur Ankopplung von
optischen 3D Digitalisierer an CAD/CAM Anlagen, durch die folgenden
Schritte gekennzeichnet
- a) auf dem zu digitalisierenden Objekt werden vor der Digitalisierung die gewünschten Flächenberandungen durch räumlich als Erhabung oder Vertiefung kontrastierende Linien markiert und/oder die Regionen von Punktedaten, über welche eine Flächenrückführung durchgeführt werden soll durch eine festgelegte räumlich erhabene oder vertiefte Textur markiert.
- b) das zu digitalisierende Objekt wird mit einem 3D Sensor erfaßt.
- c) neben der Gewinnung von 3D Daten mit Hilfe des 3D Sensors werden aus dem 3D Bild mit bekannten Verfahren der drei-dimen sionalen Bildverarbeitung die erhabenen oder vertieften linienhaften und/oder flächenhaften Markierungen automatisch extrahiert.
- d) durch Überlagerung der extrahierten Markierungen mit den drei dimensionalen Punktedaten werden diejenigen Raumpunkte gekenn zeichnet, welche von diesen Markierungen überdeckt werden und diese zu in Flächen rückzuführende Regionen zusammengefaßt
- e) mit bekannten Verfahren der Flächenrückführung werden für alle zu einer Region zusammengefaßte Raumpunkte jeweils eine für den Export nach CAD/CAM Systemen geeignete polynomiale Fläche bzw. ein Flächenverband erzeugt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4335121A DE4335121A1 (de) | 1993-10-17 | 1993-10-17 | Automatische Flächenrückführung bei optischen 3D Digitalisierer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4335121A DE4335121A1 (de) | 1993-10-17 | 1993-10-17 | Automatische Flächenrückführung bei optischen 3D Digitalisierer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4335121A1 true DE4335121A1 (de) | 1995-05-04 |
Family
ID=6500179
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4335121A Withdrawn DE4335121A1 (de) | 1993-10-17 | 1993-10-17 | Automatische Flächenrückführung bei optischen 3D Digitalisierer |
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