EP2852814A1 - Farbkodierung für 3d-messung insbesondere bei transparenten streuenden oberflächen - Google Patents

Farbkodierung für 3d-messung insbesondere bei transparenten streuenden oberflächen

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Publication number
EP2852814A1
EP2852814A1 EP13720338.6A EP13720338A EP2852814A1 EP 2852814 A1 EP2852814 A1 EP 2852814A1 EP 13720338 A EP13720338 A EP 13720338A EP 2852814 A1 EP2852814 A1 EP 2852814A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
line
color
contrast
lines
spectral components
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13720338.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anton Schick
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2852814A1 publication Critical patent/EP2852814A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2509—Color coding
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines

Definitions

  • Field of the present invention are devices for determining three-dimensional surface coordinates of an object by means of optical color triangulation and corresponding methods.
  • the measurement of the third dimension of a surface is becoming increasingly important in many areas of medical technology. For example, in minimally invasive surgery, the lack of size and distance estimation must be replaced by direct vision through measuring techniques.
  • surface data obtained, for example, within the abdomen during surgery can be matched with data collected by other diagnostic methods, such as magnetic resonance, computerized tomography, or ultrasound techniques, to organs or diseased tissue better to recognize or locate.
  • changes due to a "new" position of the patient during an operation or due to periodic changes in position caused, for example, by respiration should be taken into account.
  • 3D measurement methods such as phase-coded active triangulation or laser scanning, which are in principle suitable for the application described.
  • a method more suitable for medical 3D applications is disclosed in WO 01/48438.
  • This disclosure suggests that the design of a two-dimensional color pattern consisting of colored pattern elements to provide a particularly compact and therefore interference-proof color pattern for coding.
  • the aim is to determine a displacement position for a pattern element in the image recording of the two-dimensional color pattern projected onto an object. By subsequent triangulation with a known position of the projector in a camera, the three-dimensional data of an object point can be calculated.
  • Color Coded Triangulation was also developed for medical applications and has significant advantages in the measurement of semi-transparent diffuse scattering media.
  • Applications may be a three-dimensional measurement of the human face for biometric use in the cosmetic industry, a three-dimensional earcuff scan to produce optimally adapted hearing aids using this data, or a direct scan of the surface of the ear canal with a specially designed CCT. Scanner.
  • the advantage of this measurement method is that it has many advantages of 3D measurement by means of active triangulation and is also very fast and comparatively robust. Fast means that it is able to measure in real time since only one image capture is needed to reconstruct the three-dimensional datasets.
  • Robust means that by using the color coding of the projected pattern, a relatively good data reconstruction is possible even for biological surfaces, since it searches for color transitions or color edges during decoding and dispenses with the purely intensity-based data reconstruction.
  • color stripe patterns with identical stripe widths for all colors have hitherto been selected. This is a useful approach for objects that have no or very little depth of penetration into the object medium and the value of the modulation transfer function is almost the same for all colors (wavelengths of light).
  • the modulation transfer function breaks down with the degree of volume scattering, especially at high spatial frequencies. The volume spread tends to increase with wavelength. In fact, the effect also depends on the layer structure of, for example, the human skin. For the design of conventional color samples, corresponding variations are not considered.
  • wavelength-dependent penetrating power into the surface-forming materials and resulting volume scattering should be taken into account.
  • the object is achieved by a device according to the main claim and a method according to the independent claim.
  • an apparatus for determining three-dimensional surface coordinates of an object by means of optical color triangulation comprising a projector device for illuminating the object with a set color stripe pattern, wherein the color stripe pattern extends along an axis and perpendicular to each with one to neighboring lines there is a different selection of spectral components of the projected light; a detecting means arranged in known relative position to the projector means for taking an image of the object onto which the color stripe pattern has been projected once; a computer device for calculating the three-dimensional surface coordinates by detecting the selection of the spectral components of a respective line and detecting a respective transition between two adjoining lines, wherein for all lines, by means of the projector device, the width of a respective projected line corresponding to the volume scattering effects of the spectral components selected for the line is set in the recorded image of the line all contrast maxima of all spectral components of this line are equal to a contrast minimum value.
  • a method for determining three-dimensional surface coordinates of an object by means of optical color triangulation is claimed with the following steps. Illumination of the object with a set color stripe pattern carried out by means of a projector device, wherein the color stripe pattern extends along an axis and consists of perpendicular lines with a different selection of spectral portions of the projected light relative to adjacent lines; by means of a detection device arranged in a known relative position to the projector device, picking up an image of the object onto which the color strip pattern was projected once; calculating the three-dimensional surface coordinates by means of computer means by recognizing the selected spectral components of a respective line and detecting a respective transition of two adjacent lines and adjusting for all lines, by means of the projector means the width of a respective projected line corresponding to the volume scattering effects of the ones selected for the line Spectral components such that in the recorded image of the line all contrast maxima of all spectral components of this line are equal to a contrast minimum value.
  • Contrast value it is advantageous that the number of measured values which can be recognized as valid increases for biological objects. Hole areas in the 3D image are avoided. This applies to pixels along a critical line that is only weakly detectable.
  • the width of the respective line can be adjusted correspondingly to the volume scattering effects of the spectral components selected for the line in such a way that regions of maximum gradient of the contrast profiles of these spectral components coincide in the recorded image of the line.
  • the contrast minimum value may be the value of the contrast transfer function of a pattern line with a fixed minimum width and a single spectral component consisting of a short-wave color which produces a relatively smallest volume scattering effect.
  • the widths of the other lines may have remained unchanged or enlarged starting from this smallest width.
  • the color causing a relatively small volume scattering effect can be blue.
  • At least one spectral component can correspond to a single color. According to a further advantageous embodiment, the
  • Projector device produce the selected spectral components by mixing the individual colors red, green, blue.
  • the detection device can have a red-green-blue filter.
  • the invariable smallest width can be at least -mm.
  • Figure 1 shows an embodiment of a conventional color stripe pattern
  • FIG. 3a shows another embodiment of a conventional color stripe pattern
  • FIG. 3b shows an exemplary embodiment of a color stripe pattern according to the invention
  • FIG. 4 shows modulation transfer functions of various individual colors
  • FIG. 5a shows contrast profiles of a conventional line consisting of mixed colors
  • FIG. 5b shows an illustration (color-dependent broadening) of FIG
  • FIG. 5c contrast profiles of the invention set
  • FIG. 1 shows an embodiment of a conventional color stripe pattern 1.
  • the prerequisite for triangulation is that a pattern projected onto a surface is only deformed by the surface shape, since the information about the three-dimensional shape lies only in this deformation and not in addition due to penetration is changed in materials in its structure and its contrast. This causes increased measurement uncertainty, missing pixels and increased susceptibility to external light.
  • Figure 1 shows a conventionally used color-coded pattern for the CCT.
  • the color stripe pattern 1 extends along an axis x.
  • the color pattern 1 consists of lines 3 perpendicular to this axis x with a selection of spectral components of the projected light which is different in each case to adjacent lines.
  • Three-dimensional surface coordinates can be determined by detecting the selection of the spectral components of a respective line and detecting a respective transition 5 of two adjacent lines 3.
  • color stripe patterns with identical fringe patches have been chosen for all colors. If one were to project such a color stripe pattern 1, each with identical line widths, onto a surface, which diffuses the color neutral in all spatial directions, then the contrast would be equally good for all wavelengths and colors in an image taken with a detector or camera, the color transitions 5 could be easily detected.
  • color-selective different penetration of light into a body as well as different scattering ability change the pattern to be imaged in sharpness and contrast.
  • Figure 2 shows these influences.
  • FIG. 2 shows, on the right side, two modulation transfer functions which, once for a good system 15 and for a degraded system 17, represent contrast profiles as a function of the spatial frequency.
  • the spatial frequency is defined by the number of line pairs per mm.
  • a modulation transfer function MTF can also be named as a contrast transfer function.
  • FIG. 2 shows as functions on the right the modulation transfer function 15 of a good system and on the left a modulation transfer function 17 which is degraded as a result of volume dispersion compared to the modulation transfer function 15.
  • the optical parameters of Tissues are wavelength dependent and include an absorption coefficient, a scattering coefficient, an angular distribution of scattering and a refractive index.
  • the angular distribution of the scattering is characterized for example by a g-factor and a phase function.
  • a g-factor and a phase function.
  • Figure 3a shows another embodiment of a conventional color stripe pattern.
  • Each of the lines 3 each has a uniform width Br which is the same for all lines 3.
  • contrast curves for each of the lines 3 after scattering on a volume spreader can be detected by means of a detection device of the device according to the invention.
  • Each of these contrast gradients C shows an increase in contrast up to a contrast maximum CMax and a subsequent fall in a respective contrast curve.
  • the contrast curves are axisymmetric.
  • FIG. 3 a clearly shows that a volume scattering effect for the color blue B is smaller than the volume scattering effect of the color red
  • the contrast curve 19 of the color blue B has a greater contrast maximum CMax than the contrast curve 19 of the color red R.
  • FIG. 3 now shows a procedure according to the present invention.
  • the width of the projected lines 3 is adapted to the respective volume scattering effect of the respective color.
  • the width of a line 3 with red color R is increased in such a way that the contrast maximum CMax of the contrast course 19 of the red line 3 is increased. This widening can be carried out until the contrast maximum CMax of the red line corresponds to the contrast maximum CMax of the blue line.
  • the width of each blue line remains unchanged.
  • FIG. 4 shows a representation of the modulation transfer functions of lines of the color blue B and the color red R.
  • a specific contrast value is achieved for this width assigned to the color blue B. This is now set as contrast minimum value CMin.
  • CMin contrast minimum value
  • the widths of the red lines 3 have been doubled.
  • the legal value axis of the coordinate system according to FIG. 4 designates the number of line pairs per mm. Line pairs are labeled with the letter P.
  • FIGS. 5a to 5c show a solution according to the invention for the case that a respective color of a line 3 is generated by means of a projector device as a mixed color.
  • the image acquisition at the CCT takes place for example by means of single-chip cameras or three-chip cameras. That is, a color pattern is formed only by mixing the colors red, green and blue (RGB mixture) through the RGB filter of the detector or camera the color pattern again unmixed.
  • RGB mixture red, green and blue
  • FIGS. 5a to 5c now show a second exemplary embodiment of a color pattern according to the invention.
  • the color pattern has here only one illumination spot, which can also be referred to as line 3.
  • FIG. 5a shows the contrast profile in the recorded image after the volume scattering, wherein the illumination spot or the line 3 was produced by mixing the color red R and blue B.
  • the volume scattering effect can spatially separate the participating RGB components in the biological medium. This means that edge transitions each have a chromatic aberration (formation of a dyeing area).
  • FIG. 5b shows how the very small violet spot 3, which according to FIG. 5a was produced by mixing red and blue and projected onto an object to be measured, is recognized by an eye.
  • the corresponding observation with the eye according to FIG. 5b shows that the eye changes the violet spot 3 in its hue and produces a red color fringe on the left and on the right.
  • the mixed color is violet-segregated and would be detected as a blue and a dark red spot, with the red spot having a larger diameter.
  • FIG. 5c now shows an adaptation according to the invention of the original line according to FIG. 5a.
  • the width of the strip or line 3 produced with mixed colors is chosen such that the modulation transfer functions MTF for both colors - which are red and blue - is almost the same, exceeds a minimum value and additionally the areas of maximum slope the contrast curves 19 in the recorded image coincide.
  • the areas of maximum slope are marked with SMax.
  • a device and a method for determining three-dimensional surface coordinates of an object by means of optical color triangulation are proposed, wherein all lines of a color stripe pattern each have a width adjusted such that in a recorded image of the line all contrast maxima CMax of all spectral components of a line 3 equal one Contrast minimum value CMin are. Starting from an invariable smallest width of a pattern line 3a with a spectral component of greatest contrast, further lines 3 can be correspondingly widened.
  • the invention is particularly advantageous for a 3D measurement of biological tissue, which may be transparent and scattering.

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten eines Objektes mittels optischer Farbtriangulation vorgeschlagen, wobei alle Linien (3) eines Farbstreifenmusters (1) jeweils eine Breite (Br) derart eingestellt aufweisen, dass in einem aufgenommen Bild (7) der Linie (3) alle Kontrastmaxima (CMax) aller Spektralanteile einer Linie (3) gleich einem Kontrastmindestwert (CMin) sind. Ausgehend von einer unveränderlichen kleinsten Breite einer Musterlinie (3a) mit einem Spektralanteil größten Kontrastes können weitere Linien (3) entsprechend verbreitert werden. Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft für eine 3D-Messung bei biologischem Gewebe.

Description

Beschreibung
Farbkodierung für 3D-Messung insbesondere bei transparenten streuenden Oberflächen
Gebiet der vorliegenden Erfindung sind Vorrichtungen zur Ermittlung von dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten eines Objektes mittels optischer Farbtriangulation und entsprechende Verfahren.
Die Messung der dritten Dimension einer Oberfläche wird in vielen Bereichen der Medizintechnik zunehmend wichtig. Beispielsweise muss in der minimal invasiven Chirurgie das Fehlen der Größen- und Abstandseinschätzung über den direkten Blick durch messende Verfahren ersetzt werden. Darüber hinaus können Oberflächendaten ,die zum Beispiel innerhalb des Bauchraums während einer Operation gewonnen werden, mit Daten, die durch andere diagnostische Verfahren aufgenommen wurden, wie dies beispielsweise die Magnetresonanz, die Com- putertomographie oder Ultraschallverfahren sind, abgeglichen werden, um Organe oder erkranktes Gewebe besser zu erkennen oder zu lokalisieren. Es sollen ebenso Veränderungen durch eine "neue" Lage des Patienten während einer Operation oder durch periodische Lageveränderungen, die beispielsweise durch die Atmung verursacht werden, berücksichtigt werden. Herkömmlicherweise gibt es zahlreiche 3D-Messverfahren, wie beispielsweise die phasenkodierte aktive Triangulation oder das Laserscanning, welche prinzipiell für die beschriebene Anwendung geeignet sind. Jedoch sind diese Verfahren auf die Mes- sung von nicht transparenten Oberflächen, wie sie häufig in der industriellen Messtechnik vorkommen, zugeschnitten. Organische Gewebe weisen jedoch eine wesentlich komplexere Wechselwirkung mit Licht auf, sind teilweise wellenabhängig transparent und besitzen ein Lichtstreuvermögen im Volumen, welches die Struktur eines projizierten Musters deutlich verändert und seine Wiedererkennung in einem Kamerabild zu SD- Datenrekonstruktion bei aktiven Triangulationsverfahren er- schwert. Dadurch entstehen Lücken in der 3D-Oberflache oder die Messunsicherheit kann stark ansteigen.
Im Bereich der dentalen Medizin wird herkömmlicherweise mono- chromatisches Licht für die Phasentriangulation eingesetzt und zur Vermeidung des Eindringens von Licht in den Zahnschmelz eine weiße Farbe aufgesprüht. Dies ist für den Patienten ein unangenehmer zusätzlicher Prozessschritt, der die Akzeptanz des Verfahrens beeinträchtigt.
Ein für medizintechnische 3D-Anwendungen besser geeignetes Verfahren offenbart die WO 01/48438. Diese Offenbarung schlägt vor, dass durch die Ausgestaltung eines zweidimensionalen Farbmusters bestehend aus farbigen Musterelementen ein besonders kompaktes und daher störungssicheres Farbmuster für eine Kodierung bereitzustellen. Ziel ist die Ermittlung einer Verschiebeposition für ein Musterelement in der Bildaufnahme des zweidimensionalen auf ein Ojekt projizierten Farbmusters. Durch anschließende Triangulation bei bekannter Position des Projektors in einer Kamera können die dreidimensionalen Daten eines Objektpunktes berechnet werden.
Ursprünglich wurde die farbkodierte Triangulation (Colour co- ded Triangulation; CCT) ebenso für medizintechnische Applika- tionen entwickelt und weist deutliche Vorteile bei der Messung von halbtransparenten diffus streuenden Medien auf. Applikationen können eine dreidimensionale Messung des menschlichen Gesichts für den biometrischen Einsatz in der kosmetischen Industrie, ein dreidimensionales Scannen von Ohrabdrü- cken sein, um mittels dieser Daten optimal angepasste Hörgeräte zu produzieren, oder ein direktes Scannen der Oberfläche des Gehörgangs mit einem speziell entwickelten CCT-Scanner. Der Vorteil dieses Messverfahrens ist, dass es viele Vorteile der 3D-Messung mittels aktiver Triangulation aufweist und darüber hinaus sehr schnell und vergleichsweise robust ist. Schnell bedeutet, dass es in der Lage ist, in Echtzeit zu messen, da nur eine Bildaufnahme für die Rekonstruktion der dreidimensionalen Datensätze erforderlich ist. Robust heißt, dass es durch die Verwendung der Farbkodierung des projizierten Musters eine verhältnismäßig gute Datenrekonstruktion auch bei biologischen Oberflächen ermöglicht, da es bei der Dekodierung Farbübergänge beziehungsweise Farbkanten sucht und auf die rein intensitätsbasierte Datenrekonstruktion verzichtet .
Bei der Farbtriangulation CCT werden bisher Farbstreifenmuster mit identischen Streifenbreiten für alle Farben gewählt. Dies ist ein sinnvoller Ansatz bei Objekten, die keine oder eine sehr geringe Eindringtiefe in das Objektmedium besitzen und der Wert der Modulationstransferfunktion für alle Farben (Lichtwellenlängen) nahezu gleich ist. Bei biologischen Objekten bricht die Modulationstransferfunktion (MTF) mit dem Grad der Volumenstreuung insbesondere bei hohen Ortsfrequenzen ein. Tendenziell erhöht sich die Volumenstreuung mit der Wellenlänge. Tatsächlich hängt der Effekt auch vom Schicht - aufbau beispielsweise der menschlichen Haut ab. Für das Design herkömmlicher Farbmuster werden entsprechende Streuungen nicht berücksichtigt.
Im Dentalbereich wird die Oberfläche von Zähnen zur Anpassung von passgenauen Kronen usw. gescannt. Auch hierbei hat sich gezeigt, dass die Volumenstreuung die Registrierung von gül- tigen Messpunkten erschwert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dreidimensionalen Messung beziehungsweise 3D-Messung von transparenten, insbesondere teiltranspa- renten, und streuenden, insbesondere diffus streuenden, Oberflächen mit wirksam verringerter Kontrastminderung und wirksam vergrößerter Messgenauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen bereit zu stellen. Insbesondere sollen hierzu - beispielsweise bei biologischem Gewebe - wellenlängenabhängi- ges Eindringvermögen in die Oberflächen ausbildende Materialien und sich daraus resultierende Volumenstreuungen berücksichtigt sein. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Ermitt- lung von dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten eines Objektes mittels optischer Farbtriangulation beansprucht, aufweisend eine Projektoreinrichtung zur Beleuchtung des Objekts mit einem eingestellten Farbstreifenmuster, wobei das Farbstreifenmuster sich entlang einer Achse erstreckt und aus zu dieser senkrechten Linien mit einer jeweils zu benachbarten Linien unterschiedlichen Auswahl von Spektralanteilen des projizierten Lichts besteht; eine in bekannter Relativposition zur Projektoreinrichtung angeordneten Erfassungseinrichtung zur Aufnahme eines Bildes des Objektes, auf das das Farbstreifenmuster einmalig projiziert wurde; eine Rechnereinrichtung zur Berechnung der dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten mittels Erkennen der Auswahl der Spektralanteile einer jeweiligen Linie und Erfassung eines jeweiligen Übergangs zweier aneinander angrenzenden Linien, wobei für alle Linien, mittels der Projektoreinrichtung die Breite einer jeweiligen projizierten Linie entsprechend der Volumenstreueffekte der für die Linie ausgewählten Spektralanteile derart eingestellt wird, dass im aufgenommenen Bild der Linie alle Kontrastmaxima aller Spektralanteile dieser Linie gleich ei- nem Kontrastmindestwert sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung von dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten eines Objektes mittels optischer Farbtriangulation mit den folgenden Schrit- ten beansprucht. Mittels einer Projektoreinrichtung ausgeführtes Beleuchten des Objektes mit einem eingestellten Farbstreifenmuster, wobei das Farbstreifenmuster sich entlang einer Achse erstreckt und aus zu dieser senkrechte Linien mit einer jeweils zu benachbarten Linien unterschiedlichen Aus- wähl von Spektralanteilen des projizierten Lichts besteht; mittels einer in bekannter Relativposition zur Projektoreinrichtung angeordneter Erfassungseinrichtung ausgeführtes Aufnehmen eines Bildes des Objektes, auf das das Farbstreifen- muster einmalig projiziert wurde; mittels einer Rechnereinrichtung ausgeführtes Berechnen der dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten mittels Erkennen der ausgewählten Spektralanteile einer jeweiligen Linie und Erfassen eines jeweili- gen Übergangs zweier aneinander angrenzender Linien und Einstellen für alle Linien, mittels der Projektoreinrichtung der Breite einer jeweiligen projizierten Linie entsprechend den Volumenstreueffekten der für die Linie ausgewählten Spektralanteile derart, dass im aufgenommenen Bild der Linie alle Kontrastmaxima aller Spektralanteile dieser Linie gleich einem Kontrastmindestwert sind. Es ist vorteilhaft erkannt worden, dass mittels der Auslegung der Breite der Farbstreifen beziehungsweise Linien nach dem Grad der Volumenstreuung diese kompensiert werden kann. Auf diese Weise erzielt man für alle verwendeten Farben oder Spektralanteile den gleichen
Kontrastwert. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Zahl der als gültig erkennbaren Messwerte bei biologischen Objekten steigt. Es werden Lochbereiche im 3D-Bild vermieden. Dies betrifft Pixel entlang einer kritischen lediglich schwach er- kennbaren Linie.
Weitere Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht . Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann für Linien mit jeweils mindestens zwei ausgewählten Spektralanteilen, mittels der Projektoreinrichtung die Breite der jeweiligen Linie den Volumenstreueffekten der für die Linie ausgewählten Spektralanteile entsprechend derart eingestellt werden, dass im aufgenommen Bild der Linie Bereiche maximaler Steigung der Kontrastverläufe dieser Spektralanteile zusammentreffen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kontrastmindestwert der Wert der Kontrastübertragungsfunktion einer Musterlinie mit einer unveränderlichen kleinsten Breite und einem einzigen Spektralanteil bestehend aus einer einen relativ kleinsten Volumenstreueffekt bewirkenden kurzwelligen Farbe sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können ausgehend von der unveränderlichen kleinsten Breite der Musterlinie die Breiten der anderen Linien ausgehend von dieser kleinsten Breite unverändert verbleiben oder vergrößert worden sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die einen relativ kleinsten Volumenstreueffekt bewirkende Farbe blau sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mindestens ein Spektralanteil einer Einzelfarbe entsprechen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die
Projektoreinrichtung die ausgewählten Spektralanteile mittels Mischen der Einzelfarben Rot, Grün, Blau erzeugen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Er- fassungseinrichtung einen Rot -Grün-Blau- Filter aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die unveränderliche kleinste Breite mindestens —mm sein.
12 Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zei- gen :
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Farbstreifenmusters ;
Figur 2 Modulationstransferfunktionen unterschiedlicher
Systeme ; Figur 3a ein weiteres Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Farbstreifenmusters; Figur 3b ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Farbstreifenmusters ;
Figur 4 Modulationstransferfunktionen verschiedener Einzel- färben;
Figur 5a Kontrastverläufe einer herkömmlichen Linie bestehend aus Mischfarben; Figur 5b eine Abbildung (farbabhängige Verbreiterung) der
Linie im Auge nach Streuung an einem Volumen mit farbabhängigem Streuvermögen;
Figur 5c Kontrastverläufe der erfindungsgemäß eingestellten
Linie.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Farbstreifenmusters 1. Voraussetzung bei der Triangulation ist, dass ein auf eine Oberfläche projiziertes Muster ledig- lieh durch die Oberflächenform verformt wird, da lediglich in dieser Verformung die Information über die dreidimensionale Form steckt und nicht zusätzlich durch das Eindringen in Materialien in seiner Struktur und seinem Kontrast verändert wird. Dies bewirkt eine erhöhte Messunsicherheit, fehlende Pixel sowie eine erhöhte Störanfälligkeit hinsichtlich Fremdlicht. Figur 1 zeigt ein herkömmlicherweise verwendetes farbkodiertes Muster für die CCT. Das Farbstreifenmuster 1 erstreckt sich entlang einer Achse x. Das Farbmuster 1 besteht aus zu dieser Achse x senkrechten Linien 3 mit einer jeweils zu benachbarten Linien unterschiedlichen Auswahl von Spektralanteilen des projizierten Lichts. Dreidimensionale Oberflächenkoordinaten können mittels Erkennen der Auswahl der Spektralanteile einer jeweiligen Linie und Erfassen eines jeweiligen Übergangs 5 zweier aneinander angrenzender Linien 3 ermittelt werden. Herkömmlicherweise wurden Farbstreifenmuster mit identischen Streifenbreien für alle Farben gewählt. Würde man ein derartiges Farbstreifenmuster 1 mit jeweils identischen Linienbreiten auf eine Oberfläche projizieren, welche das Licht farbneutral in alle Raumrichtungen streut, dann wäre der Kontrast in einem mit einer Erfassungseinrichtung beziehungsweise Kamera aufgenommenen Bild für alle Wellenlängen und Farben gleich gut, wobei die Farbübergänge 5 einfach detektiert werden könnten. Farbselektives unterschiedliches Eindringen von Licht in einen Körper sowie unterschiedliches Streuvermögen verändern jedoch das abzubildende Muster in Schärfe und Kontrast. Figur 2 zeigt diese Einflüsse. Auf der linken Seite der Figur 2 ist in Pfeilrichtung dargestellt, wie ein Linienmuster auf einem Objekt im aufgenommenen Bild erfasst wird. Ein Streifenmuster 1 wird in ein entsprechendes Bild 7 transformiert. Bezugszeichen 9 zeigt die entsprechende Signalmodulation durch das Objekt. Bezugszeichen 11 zeigt die sich infolge der Kontrastverluste ergebene Modulation im aufgenommenen Bild 7. Technisch bedeutet das, dass eine ursprüngliche Modulation infolge der Modulationstransferfunktion (MTF) beispielsweise von biologischem Gewebe, verschlechtert wird. Figur 2 zeigt auf der rechten Seite zwei Modulationstransferfunktionen, die einmal für ein gutes System 15 und zum anderen für ein verschlechtertes System 17 Kontrastverläufe in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz darstellt. Die Ortsfrequenz ist durch die Anzahl von Linienpaaren pro mm definiert. Eine Modulations- transferfunktion MTF kann ebenso als Kontrastübertragungs - funktion benannt werden.
Figur 2 zeigt als Funktionen rechts die Modulationstransferfunktion 15 eines guten Systems und links eine Modulations- transferfunktion 17 die infolge Volumenstreuung gegenüber der Modulationstransferfunktion 15 verschlechtert ist.
Die folgenden Figuren erklären anhand von Ausführungsbeispielen die Idee der vorliegenden Erfindung. Für die Entwicklung neuer Farbcode-Muster für eine optische Triangulation insbesondere bei biologischen Oberflächen ist eine genaue Kenntnis der optischen Parameter und eine Beschreibung der Lichtausbreitungen im Gewebe notwendig. Die optischen Parameter von Gewebe sind wellenlängenabhängig und umfassen einen Absorptionskoeffizienten, einen Streukoeffizienten, eine Winkelverteilung der Streuung und einen Brechungsindex . Die Winkelverteilung der Streuung ist beispielsweise durch einen g-Faktor und eine Phasenfunktion charakterisiert. In grober Näherung kann jedoch gesagt werden, dass in homogenen diffus streuenden Medien langwelliges Licht stärker in das Material eindringt und einen größeren Volumenstreueffekt bewirkt. Dies bedeutet, dass wenn ein infinitesimal kleiner Lichtfleck auf das Objekt projiziert wird, so dringen die nicht unmittelbar elastisch reflektierten Photonen in das Medium ein, unterliegen einer Vielzahl von Photonenstreuprozessen, die sowohl elastisch auch inelastisch sein können, und erreichen die Oberfläche an anderen Orten. Es findet eine Verbreiterung des sichtbaren Lichtflecks statt, und zwar umso mehr, je länger die Wellenlänge des Lichts ist. Entscheidend bei der SD- Messung (dreidimensionalen Erfassung) mittels Farbtriangulation ist jedoch in erster Linie die Erkennung der Farbe beziehungsweise Linie und die Detektion des Farbüberganges be- ziehungsweise der jeweiligen Farbkante. Dies wird durch den Volumenstreueffekt teilweise verhindert, da der Kontrast aus ( (Max - Min) / (Max + Min) ) abnimmt und entsprechend das Signal-Rausch-Verhältnis geringer wird. Figur 3a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Farbstreifenmusters. Es sind abwechselnd rote Linien R und blaue Linien B hintereinander angeordnet. Jede der Linien 3 weist jeweils eine einheitliche Breite Br auf die für alle Linien 3 gleich ist. Darunter sind Kontrastverläufe für jede der Linien 3 nach der Streuung an einem Volumenstreuer dargestellt. Diese Kontrastverläufe können mittels einer Erfassungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfasst werden. Jeder dieser Kontrastverläufe C zeigt einen Anstieg des Kontrastes bis zu einem Kontrastmaxima CMax und ein sich daran anschließendes Abfallen einer jeweiligen Kontrastkurve. Die Kontrastkurven sind achsensymmetrisch. Figur 3a zeigt deutlich, dass ein Volumenstreueffekt für die Farbe Blau B kleiner ist als der Volumenstreueffekt der Farbe Rot R. Entsprechend weist der Kontrastverlauf 19 der Farbe Blau B ein größeres Kontrastmaxima CMax auf als der Kontrastverlauf 19 der Farbe Rot R. Figur 3 zeigt nun eine Vorgehensweise gemäß der vorliegenden Erfindung. Es wird die Breite der projizierten Linien 3 dem jeweiligen Volumenstreueffekt der jeweiligen Farbe angepasst. Gemäß Figur 3b wird die Breite einer Linie 3 mit roter Farbe R derart vergrößert, dass das Kontrastmaxima CMax des Kon- trastverlaufes 19 der roten Linie 3 vergrößert wird. Diese Verbreiterung kann solange ausgeführt werden, bis das Kontrastmaximum CMax der roten Linie dem Kontrastmaximum CMax der blauen Linie entspricht. Die Breite einer jeweiligen blauen Linie verbleibt unverändert.
Figur 4 zeigt eine Darstellung der Modulationstransferfunktionen von Linien der Farbe Blau B und der Farbe Rot R. Ausgehend von der Farbe Blau wird für diese bei einer der Farbe Blau B zugeordneten Breite ein bestimmter Kontrastwert er- reicht. Dieser wird nun als Kontrastmindestwert CMin festgelegt. Damit eine rote Linie ebenso den gleichen Kontrastmindestwert CMin im aufgenommenen Bild bewirkt muss die Breite für jede rote Linie größer gemacht werden, um den gleichen Kontrast wie bei dem blauen Streifen zu erhalten. Gemäß die- sem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Farbmusters 1 wurden die Breiten der roten Linien 3 verdoppelt. Die Rechts - wertachse des Koordinatensystems gemäß Figur 4 bezeichnet die Anzahl von Linienpaaren pro mm. Linienpaare sind mit dem Buchstaben P bezeichnet.
Figuren 5a bis 5c zeigen eine erfindungsgemäße Lösung für den Fall, dass eine jeweilige Farbe einer Linie 3 mittels einer Projektoreinrichtung als Mischfarbe erzeugt ist. Die Bildaufnahme bei der CCT erfolgt beispielsweise mittels Ein-Chip- Kameras oder Drei-Chip-Kameras. Das heißt, wird ein Farbmuster lediglich durch Mischen der Farben Rot, Grün und Blau gebildet (RGB-Mischung) wird durch die RGB-Filter der Erfassungseinrichtung beziehungsweise Kamera das Farbmuster wieder entmischt. Diesbezüglich stört eine Kantenüberlappung bei der Detektion des Farbüberganges nicht, da im Prinzip für jede Farbe eine Farbkante eindeutig bestimmt werden kann. Figuren 5a bis 5c zeigen nun ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Farbmusters. Das Farbmuster weist hier lediglich einen Beleuchtungsfleck auf, der ebenso als Linie 3 bezeichnet werden kann. Die Zusammensetzung der Spektralanteile dieser Linie wird hier mittels Mischfarben erzeugt. Figur 5a zeigt den Kontrastverlauf im aufgenommenen Bild nach der Volumenstreuung wobei der Beleuchtungsfleck beziehungsweise die Linie 3 mittels Mischen der Farbe Rot R und Blau B erzeugt wurde. Bei derartigen Mischfarben kann der Volumenstreueffekt die beteiligten RGB-Anteile im biologischen Medium räumlich entmischen. Dies bedeutet, dass Kantenübergänge jeweils eine chromatische Aberration aufweisen (Bildung eines Färbsaumes) .
Figur 5b zeigt wie der sehr kleine violette Fleck 3, der gemäß Figur 5a durch Mischen von Rot und Blau erzeugt und auf ein zu messendes Objekt projiziert wurde, von einem Auge erkannt wird. Die entsprechende Beobachtung mit dem Auge gemäß Figur 5b, zeigt, dass das Auge den violetten Fleck 3 in seinem Farbton ändert und links und rechts dazu einen roten Farbsaum erzeugt. Bei Verwendung einer Kamera mit RGB-Filter als Erfassungseinrichtung wird die Mischfarbe violett entmischt und würde als ein blauer und ein dunkelroter Fleck de- tektiert werden, wobei der rote Fleck einen größeren Durchmesser aufweisen würde. Figur 5c zeigt nun eine erfindungsgemäße Anpassung der ursprünglichen Linie gemäß Figur 5a. Die Breite des Streifens beziehungsweise der Linie 3, die mit Mischfarben erzeugt wurde, wird derart gewählt, dass die Modulationstransferfunktionen MTF für beide Farben - die hier Rot und Blau sind - nahe- zu gleich hoch ist, einen Minimalwert übersteigt und zusätzlich die Bereiche maximaler Steigung der Kontrastverläufe 19 in dem aufgenommenen Bild zusammentreffen. Die Bereiche maximaler Steigung sind mit SMax gekennzeichnet. Mittels den er- findungsgemäßen Lösungen wird eine dreidimensionale Messung mittels CCT wirksam verbessert.
Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten eines Objektes mittels optischer Farbtriangulation vorgeschlagen, wobei alle Linien eines Farbstreifenmusters jeweils eine Breite derart eingestellt aufweisen, dass in einem aufgenommen Bild der Linie alle Kontrastmaxima CMax aller Spektralanteile einer Li- nie 3 gleich einem Kontrastmindestwert CMin sind. Ausgehend von einer unveränderlichen kleinsten Breite einer Musterlinie 3a mit einem Spektralanteil größten Kontrastes können weitere Linien 3 entsprechend verbreitert werden. Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft für eine 3D-Messung bei biolo- gischem Gewebe, das transparent und streuend sein kann.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Ermittlung von dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten eines Objektes mittels optischer Farbtriangu- lation, mit
- einer Projektoreinrichtung zur Beleuchtung des Objektes mit einem eingestellten Farbstreifenmuster (1), wobei das Farbstreifenmuster (1) sich entlang einer Achse (x) erstreckt und aus zu dieser senkrechte Linien (3) mit einer jeweils zu be- nachbarten Linien unterschiedlichen Auswahl von Spektralanteilen des projizierten Lichts besteht;
- einer in bekannter Relativposition zur Projektoreinrichtung angeordneter Erfassungseinrichtung zur Aufnahme eines Bildes ( 7 ) des Objektes, auf das das Farbstreifenmuster (1) einmalig projiziert wurde;
- einer Rechnereinrichtung zur Berechnung der dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten mittels Erkennen der Auswahl der Spektralanteile einer jeweiligen Linie (3) und Erfassung eines jeweiligen Übergangs (5) zweier aneinander angrenzender Linien (3), dadurch gekennzeichnet, dass
für alle Linien (3), mittels der Projektoreinrichtung die Breite (Br) einer jeweiligen projizierten Linie (3) derart eingestellt ist, dass im aufgenommenen Bild ( 7 ) der Linie (3) alle Kontrastmaxima (Cmax) aller Spektralanteile dieser Linie (3) gleich einem Kontrastmindestwert (Cmin) sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für Linien (3) mit jeweils mindestens zwei ausgewählten Spektralanteilen, mittels der Projektoreinrichtung die Breite (Br) der jeweiligen Linie (3) derart eingestellt ist, dass im aufgenommenen Bild ( 7 ) der Linie (3) Bereiche maximaler Steigung der Kontrastverläufe (19) dieser Spektralanteile zusammentreffen .
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontrastmindestwert (Cmin) der Wert der Kontrastübertragungsfunktion (15) einer Musterlinie (3a) mit einer unveränderlichen kleinsten Breite und einem einzigen Spektralanteil bestehend aus einer einen relativ kleinsten Volumenstreueffekt bewirkenden kurzwelligen Farbe ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der unveränderlichen, kleinsten Breite der Musterlinie (3a) die Breiten (Br) der anderen Linien (3) ausgehend von dieser kleinsten Breite unverändert verblieben oder vergrößert worden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einen relativ kleinsten Volumenstreueffekt bewirkende Farbe Blau ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spektralanteil einer Einzelfarbe entspricht.
7 . Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung die aus- gewählten Spektralanteile mittels Mischen der Einzelfarben Rot -Grün-Blau erzeugt.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung ein Rot- Grün-Blau-Filter aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die unveränderliche kleinste Breite mindestens 1/12 mm im Objektbereich ist.
10. Verfahren zur Ermittlung von dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten eines Objektes mittels optischer Farbtriangulation, mit den Schritten
- mittels einer Projektoreinrichtung ausgeführtes Beleuchten des Objektes mit einem eingestellten Farbstreifenmuster (1) , wobei das Farbstreifenmuster (1) sich entlang einer Achse (x) erstreckt und aus zu dieser senkrechten Linien (3) mit einer jeweils zu benachbarten Linien unterschiedlichen Auswahl von Spektralanteilen des projizierten Lichts besteht;
- mittels einer in bekannter Relativposition zur Projektoreinrichtung angeordneter Erfassungseinrichtung ausgeführtes Aufnehmen eines Bildes ( 7 ) des Objektes, auf das das Farbstreifenmuster (1) einmalig projiziert wurde;
- mittels einer Rechnereinrichtung ausgeführtes Berechnen der dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten mittels Erkennen der ausgewählten Spektralanteile einer jeweiligen Linie (3) und Erfassen eines jeweiligen Übergangs (5) zweier aneinander angrenzender Linien (3), gekennzeichnet durch
Einstellen für alle Linien (3), mittels der Projektoreinrichtung der Breite (Br) einer jeweiligen projizierten Linie (3) derart, dass im aufgenommenen Bild ( 7 ) der Linie (3) alle Kontrastmaxima (Cmax) aller Spektralanteile dieser Linie (3) gleich einem Kontrastmindestwert (Cmin) sind.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für Linien (3) mit jeweils mindestens zwei ausgewählten Spektralanteilen, mittels der Projektoreinrichtung die Breite (Br) der jeweiligen Linie (3) derart eingestellt wird, dass im aufgenommenen Bild ( 7 ) der Linie (3) Bereiche maximaler Steigung der Kontrastverläufe dieser Spektralanteile zusammentreffen .
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontrastmindestwert (Cmin) der Wert der Kontrastübertragungsfunktion (15) einer Musterlinie (3a) mit einer unveränderlichen kleinsten Breite und einem einzigen Spektralanteil bestehend aus einer einen relativ kleinsten Volumenstreueffekt bewirkenden, kurzwelligen Farbe ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der unveränderlichen, kleinsten Breite der Mus- terlinie (3a) die Breiten (Br) der anderen Linien (3) ausgehend von dieser kleinsten Breite unverändert verbleiben oder vergrößert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einen relativ kleinen Volumenstreueffekt bewirkende Farbe Blau ist.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spektralanteil einer Einzelfarbe entspricht.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung die ausgewählten Spektralanteile mittels Mischen der Einzelfarben Rot- Grün-Blau erzeugt.
17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung ein Rot-Grün- Blau-Filter aufweist.
18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die unveränderliche kleinste Breite mindestens 1/12 mm ist.
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