DE60038556T2

DE60038556T2 - Verfahren zum Identifizieren von Messpunkten in einem optischen Mess-System

Info

Publication number: DE60038556T2
Application number: DE60038556T
Authority: DE
Inventors: Timothy Alan Bishop's Stortford Clark; Xinchi New Barnet WANG
Original assignee: Leica Geosystems AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2020-09-12
Also published as: EP1186860B1; JP2004508572A; ATE391895T1; US20040027589A1; AU2001283752A1; EP1186860A1; JP5048204B2; US7184151B2; DE60038556D1; ES2304938T3; WO2002023127A1

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Metrologie und betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des ersten unabhängigen Anspruchs. Das Verfahren dient der Identifizierung von Messpunkten in einem optischen Mess-System. Optische Mess-Systeme werden insbesondere verwendet, um die Position und die Orientierung von Gegenständen in einem dreidimensionalen Raum zu bestimmen, jedoch auch z. B. zur Bestimmung einer zweidimensionalen Verformung oder einer dreidimensionalen Form. Für diesen Zweck werden optische Messvorrichtungen, z. B. Kameras, Laser-Messvorrichtungen (z. B. Laser-Zielgeber) oder Kombinationen davon, in Richtung auf den der Messung zu unterwerfenden Gegenstand angelegt und die räumliche Position von ausgewählten Punkten (Messpunkten) auf der Oberfläche des Gegenstands erfasst. Die aus einer derartigen Erfassung erhaltenen Daten werden dann einer geeigneten Berechnung unterzogen, aus der Daten ermittelt werden, welche die räumliche Position der ausgewählten Punkte betreffen, aus denen eine Information betreffend die Position und die Orientierung des Gegenstands oder eine andere Information hergeleitet wird.
Die ausgewählten Punkte auf dem Gegenstand werden üblicherweise mit Messzielen markiert. Diese Messziele können aktiv sein, d. h. Licht emittierende Ziele (z. B. emittierende Dioden), oder passiv, d. h. Licht reflektierende Messziele (z. B. Reflektoren, weiße Stellen auf einem schwarzen Hintergrund, schwarze Stellen auf einem weißen Hintergrund oder auf den Gegenstand projizierte Leuchtflecken) sein.
Da in den meisten Fällen eine Vielzahl von Punkten erforder lich ist, um ausreichend Daten für die Ermöglichung der Berechnung der gewünschten Information zu erhalten, ist es wichtig, dass die Erfassung von Messpunkten unmissverständlich mit realen Messpunkten korreliert werden können. Diese Korrelation kann durch aufeinanderfolgende Messung von selektiv beleuchteten Messzielen verwirklicht werden, indem ein Bildvergleich durch eine Bedienperson durchgeführt wird, oder indem jeder Messpunkt mit einer einzigartigen, maschinenlesbaren Identität versehen wird. Derartige maschinenlesbare Identitäten können die Position eines Messpunktes in einem vorgegebenen geometrischen Muster von Messpunkten sein oder sie können mit der Markierung der Messpunkte mit Messzielen verknüpft sein.
Gemäß dem Stand der Technik wird die messzielverknüpfte Identifizierung z. B. durch Codemuster verwirklicht, beispielsweise durch in der Nähe des Messzieles angeordnetes Schwarz und Weiß, und wird gewöhnlich durch Modellvergleich (Bildvergleich) decodiert. Derartige Codemuster sind z. B. Kreissegment-Codes oder kreisförmige Flecken-Codes, deren Codes binär sind, d. h. für jedes Code-Positionsmerkmal bedeutet das Vorhandensein des Codemerkmals (z. B. Segment oder Fleck) "Eins", und bedeutet das Fehlen des Codemerkmals "Null".
Die DE-19733466 A1 beschreibt ein Beispiel eines binären Ringcodes, welcher für eine Messpunkt-Identifizierung geeignet ist, wobei der Ringcode einen Ring von Codebits in Form von Ringsegmenten umfasst, welche alle die gleiche Größe aufweisen. Die DE-19632058 C1 beschreibt einen binären Ringcode, welcher für die Identifizierung von Messpunkten geeignet ist, wobei der Code eine Vielzahl von Coderingen umfasst und die Codebits Flecken sind, welche alle die gleiche Größe aufweisen.
Derartige Identifizierungssysteme haben einige Nachteile. Da die Codes binär sind, ist die Anzahl von Permutationen relativ gesehen derart klein, dass eine große Anzahl von Codemerkmalen (Segmente oder Flecken) erforderlich ist, um eine große Anzahl von Messzielen zu identifizieren. Um einer Fehlidentifizierung vorzubeugen, müssen die Codemerkmale derart angeordnet sein, dass sie separat aufgezeichnet werden können, d. h. große Mengen derartiger Merkmale erfordern eine große Menge Raum, d. h. sie beschränken die Zieldichte. Da die Codemerkmale entweder vorhanden sind oder fehlen, können nur vorhandene Messziele für die Messung verwendet werden. Ein Maschinenauslesen solcher Identifizierungsmuster erfordert die Aufzeichnung und Analyse einer großen Anzahl von Merkmalen (z. B. Codesegmente oder -Flecken). Außerdem erfordert das Decodieren durch Mustervergleich eine beträchtliche Computerkapazität.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Identifizierung von Messpunkten in einem optischen Mess-System bereitzustellen, wobei das Verfahren zur Identifizierung von Messpunkten es ermöglicht, die Nachteile zu verringern, wie sie oben für eine messzielverknüpfte Identifizierung unter Verwendung bekannter Muster von Codemerkmalen beschrieben wurde. Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Identifizierung von Messpunkten sehr universell verwendbar sein, es soll einfach daran anpassbar sein, über die Identifizierungsinformation hinaus weitere nützliche Information zu liefern und es soll nicht nur durch Modellvergleichverfahren "lesbar" sein, sondern auch durch andere, weniger rechenintensive Verfahren. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Identifizierung von Messpunkten in einem optischen Mess-System gelöst, wie es in den Ansprüchen definiert ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Messpunkte mit Hilfe eines oder mehrerer Messziele markiert, wobei jedes Messziel eine spezifische Intensität und/oder Größe hat. Dies bedeutet, dass jeder Messpunkt entweder durch die Intensität und/oder Größe eines Messzieles, welches im Wesentlichen innerhalb des Messpunktes angeordnet ist, oder durch eine Vielzahl von Messzielen, welche in einem vorgegebenen Muster angeordnet sind, identifiziert wird, wobei die Muster der Messziele in einem vorgegebenen Verhältnis zu den Messpunkten angeordnet sind und die Identität des Messpunktes durch ihre unterschiedlichen Intensitäten und/oder Größen codieren.
Messziele mit unterschiedlicher Intensität werden z. B. als Licht emittierende Mittel, welche unterschiedliche Energiemengen emittieren, oder als passive Messziele mit unterschiedlicher Helligkeit (Schattierungen von Grau anstelle von oder zusätzlich zu Schwarz und Weiß, unterschiedliche Intensitäten einer bestimmten Farbe) verwirklicht. Messziele mit unterschiedlicher Größe werden z. B. als aktive Messziele, welche aus einer Ansammlung von Licht emittierenden Elementen bestehen, oder als passive Messziele in Form von reflektierenden Stellen oder weißen Stellen auf Schwarz oder schwarzen Stellen auf Weiß mit unterschiedlichen Größen verwirklicht. Die Messziele werden durch einen Pixeldetektor (z. B. einen CCD-Detektor) aufgenommen, d. h. als Pixelbilder, welche vorteilhaft zwischen etwa 10 und 100 Pixel umfassen. Die Intensität und/oder die Größe eines Messzieles kann ermittelt werden, indem die Intensitäten aller Pixel, welche von dem Pixelbild des Messziels (welches eine Intensität über oder unter einer vorgegebenen Grenze zeigt) aufaddiert werden. Die Größe eines Messziels kann ermittelt werden, indem die Pixel, welche von dem Bild des Messziels umfasst sind, gezählt werden, und die Intensität kann ermittelt werden, indem die Intensität erfasst wird, welche von dem einen Punkt des Bildes erfahren wird, welcher die maximale (oder minimale) Intensität zeigt.
Im Falle eines photogrammetischen Verfahrens müssen alle Daten, welche zur Ermittlung der Intensität und/oder der Größe eines Messzieles aufgenommen werden sollen, auch für die Erfassung des Schwerpunktes des Bildes aufgenommen werden, welcher die genaue Position des Messzielbildes auf dem Pixeldetektor repräsentiert. Dies bedeutet, dass eine Identifizierung ohne zusätzliche Datenerhebung möglich ist.
Pixelbilder von identifizierungscodierenden Mustern einer Vielzahl von Messzielen mit unterschiedlichen Intensitäten und/oder Größen können auch durch Modellvergleich decodiert werden, in der gleichen Weise wie es bei Bildern bekannter Codemuster erfolgen kann, welche mit Messpunkten verknüpft sind. Eine Identifizierung "von Hand" ist ebenfalls möglich.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Identifizierung von Messpunkten gegenüber bekannten Verfahren zur Identifizierung von Messpunkten beruhen insbesondere auf der Tatsache, dass erstens kein Messziel jemals nicht vorhanden sein braucht (eine Null-Intensität oder eine Null-Größe werden vorzugsweise nicht verwendet), und auf der Tatsache, dass mehr als zwei Stufen der Intensität und/oder der Größe zu mehr als Binärcodes und daher zu größeren Anzahlen von Permutationen führen können.
Aus der obigen kurzen Beschreibung kann gefolgert werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Messziel-Identifizierung sehr umfassend angewendet werden kann. Jeder Messpunkt kann mit einem Messziel einer spezifischen Intensität und/oder Größe oder durch eine Vielzahl von Messzielen markiert werden, welche in einem vorgegebenen Muster angeordnet sind, wobei jedes Messziel eine spezifische Intensität und/oder Größe aufweist und wobei das Muster die Identität des Messpunktes codiert. Alle Messziele eines codierenden Messzielmusters können Messpunkte derart repräsentieren, dass die Muster als Gesamtheit geeignete Mittel bilden, um abgesehen von der Identifizierungsinformation weitere nützliche Information zu liefern, z. B. betreffend die räumliche Orientierung des Messpunktes bzw. der Oberfläche, auf welcher er angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Identifizierung von Messpunkten wird weiter in Verbindung mit den nachfolgenden Figuren beschrieben, in welchen:
1 die Erfassung der Intensität und/oder Größe eines Messzieles aus einem Pixelbild eines solchen Messziels veranschaulicht;
2 vier Codemuster zeigt, wovon jede sieben passive Identifizierungs-Messziele mit unterschiedlichen Größen umfasst;
3 ein Beispiel einer Anordnung von passiven Messzielen zur Codierung der Identität eines Messzieles zeigt und außerdem die räumliche Position und Orientierung des Messpunktes definiert;
4 ein Beispiel einer Anordnung von aktiven Messzielen zeigt, welche die Identität eines Messpunktes im Wesentlichen auf die gleiche Weise codieren wie das Muster nach 3.
1 zeigt oben eine helle Stelle 1 auf einem dunkleren Hintergrund 2, was das Bild eines Messziels mit einer spezifischen Intensität und Größe sowie unterhalb der Intensitätsverteilung I über das Bild des Messziels und Intensitäten I_i repräsentiert, welche von Pixeln P_i eines Pixeldetek tors in dem Bereich des Messzielbildes erfasst werden. Wie oben erläutert wurde, können die Intensität und/oder die Größe des Bildes ermittelt werden, indem die Intensitäten I_i der Pixel P_i analysiert werden, welche von dem Bild mit den Stellen umfasst sind. Um lediglich die Größe zu ermitteln, kann die Anzahl der Pixel P_i innerhalb des Bildes mit den Stellen ermittelt werden, und zur Bestimmung lediglich der Intensität kann es ausreichen, die maximale Intensität I_M, welche von dem Pixel P_M erfasst wird, zu registrieren.
2 zeigt vier beispielhafte kreisförmige Anordnungen 3 von Identifizierungs-Messzielen 4 um ein zentrales Messziel 5 herum, welches einen Messpunkt markiert. Die Identifizierungs-Messziele 4 haben drei unterschiedliche Größen, was 3ô7, d. h. 2187 Permutationen ermöglicht. Das zentrale Messziel 5 kann auch ohne Komplikationen in den Identifizierungscode integriert werden, indem es unterschiedliche Größen in unterschiedlichen Mustern 3 anstelle von stets der gleichen Größe hat, wie es in 2 gezeigt ist.
Es ist nicht notwendig, dass die Codeflecken-Muster in einem Satz von Anordnungen solcher Codeflecken immer die gleiche ist, wie dies aus dem Satz von Anordnungen, wie sie in 2 gezeigt sind, geschlossen werden könnte. Es ist durchaus möglich, dass ein Satz von Anordnungen unterschiedliche Muster umfasst.
Die Muster, wie sie in 2 gezeigt sind, sind beispielsweise als Aufkleber verwirklicht, welche die Muster in schwarz und weiß zeigen, in weiß und schwarz oder in geeignet kontraststarken Farben, oder die Codeflecken können aus einem reflektierenden Material gebildet sein.
3 zeigt ein Identifizierungsmuster 3 mit sieben Identifizierungs-Messzielen 4 ähnlich 2, in welchem jedoch das zentrale Messziel (5) fehlt, welches den Messpunkt markiert. Über die Ermittlung der Identität des Messpunktes hinaus können die Daten, welche aus einem Pixelbild der Anordnung erhalten werden, außerdem dazu dienen, sowohl die räumliche Position des Mittelpunkts der Anordnung (Messpunkt) als auch die Orientierung der Anordnung (räumliche Orientierung des Messpunktes bzw. räumliche Orientierung einer Oberfläche, auf welcher der Messpunkt angeordnet ist) zu erfassen, wenn die Identifizierungs-Messziele 3 wie Messpunkt-Messziele behandelt werden.
4 zeigt ein weiteres veranschaulichendes Ausführungsbeispiel einer Messziel-Anordnung zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Identifizierung von Messpunkten. Diese Messziel-Anordnung umfasst Licht emittierende Dioden 10, welche in einem Ring angeordnet sind und mit Widerständen 11 unterschiedlicher Größe parallelgeschaltet verdrahtet sind. Die Verwendung von drei unterschiedlichen Widerstandstypen führt zu drei verschiedenen Intensitäten der Lichtemission durch die Dioden. Die Verwendung der in 4 gezeigten Anordnung kann den gleichen Effekt bewirken, wie die in 3 gezeigte Anordnung.

Claims

Verfahren zur Identifizierung von Messpunkten in einem optischen Mess-System, bei dem eine Vielzahl von aktiven oder passiven Messzielen dazu verwendet wird, die Messpunkte zu markieren, wobei bei einem bestimmten System die Messpunkte entweder mit einem einzelnen Messziel oder mit einer Anordnung einer Vielzahl von Messzielen markiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Messziel ein Codefleck mit einer spezifischen Intensität und/oder Größe ist, und dass die Intensitäten und/oder Größen der Codeflecken (4, 10) zur Identifizierung der Messpunkte erfasst werden, wobei in einem System, in welchem ein einzelner Codefleck mit jedem Messpunkt verknüpft ist, die Messpunkt-Intensität mittels der spezifischen Intensität und/oder Größe jedes Codeflecks verschlüsselt ist, welche sich von der Intensität und/oder Größe der übrigen Codeflecken unterscheidet, und wobei in einem System, bei welchem eine Messziel-Anordnung mit jedem Messpunkt verknüpft ist, die Codeflecken in der Anordnung eine von wenigstens drei unterschiedlichen Intensitäten und/oder Größen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Codeflecken (4, 10) in Pixelbildern (1) abgebildet sind und dass Intensitäten und/oder Größen der Pixelbilder (1) dadurch ermittelt werden, dass Intensitäten (I_i), welche von Pixeln (P_i) wahrgenommen werden, die von dem Bild (1) eines Codeflecks umfasst sind, aufsummiert werden, indem die Pixel (P_i), welche von dem Bild (1) eines Codeflecks umfasst sind, gezählt werden, oder indem die maximale Intensität (I_M), die von einem der Pixel (P_m) wahrgenommen wird, welcher von dem Bild (1) eines Codeflecks umfasst ist, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Codeflecken (10) Licht emittierende Mittel sind, welche unterschiedliche Mengen Lichtenergie emittieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Codeflecken (4) Licht reflektierende Stellen oder weiße Stellen auf einem schwarzen Hintergrund oder schwarze Stellen auf einem weißen Hintergrund sind und dass die Stellen unterschiedliche Größen haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Codeflecken Stellen unterschiedlicher Schattierungen von grau auf einem weißen oder schwarzen Hintergrund oder Stellen unterschiedlicher Intensität von wenigstens einer Farbe sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messziel-Anordnung mit jedem Messpunkt verknüpft ist und dass zur Berechnung der räumlichen Lage und/oder Ausrichtung eines Messpunkts die räumliche Lage der Codeflecken (4, 10) in der mit dem Messpunkt verknüpften Anordnung (3) bestimmt wird.
Satz einer Vielzahl von Messziel-Anordnungen, wobei jede Anordnung eine Vielzahl von Messzielen (4, 10) umfasst und jede Messziel-Anordnung zur Identifizierung eines Messpunkts in einem optischen Mess-System dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Messziele Codeflecken (4, 10) sind und dass die Codeflecken in einem spezifischen Muster (3) angeordnet sind und wenigstens drei unterschied liche Intensitäten und/oder Größen aufweisen.
Satz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (3) der Codeflecken ein Kreis ist.
Satz nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Codeflecken (10) Licht emittierende Mittel sind, welche unterschiedliche Mengen Lichtenergie emittieren.
Satz nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Codeflecken (4) Licht reflektierende Stellen unterschiedlicher Größe sind.
Satz nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Codeflecken (4) schwarze Stellen auf einem weißen Hintergrund oder weiße Stellen auf einem schwarzen Hintergrund sind und unterschiedliche Größen aufweisen.
Satz nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Codeflecken Stellen unterschiedlicher Grauschattierungen auf einem weißen oder schwarzen Hintergrund oder Stellen wenigstens einer bestimmten Farbe mit unterschiedlichen Intensitäten sind.