WO1997010488A1 - Verfahren und vorrichtung zum erfassen und vermessen dreidimensionaler körper oder von beliebigen flächen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erfassen und vermessen dreidimensionaler körper oder von beliebigen flächen Download PDF

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WO1997010488A1
WO1997010488A1 PCT/EP1996/003900 EP9603900W WO9710488A1 WO 1997010488 A1 WO1997010488 A1 WO 1997010488A1 EP 9603900 W EP9603900 W EP 9603900W WO 9710488 A1 WO9710488 A1 WO 9710488A1
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light
points
point
track
calibration
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Alain Piaget
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Alain Piaget
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    • 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
    • G01B11/2545—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 with one projection direction and several detection directions, e.g. stereo
    • 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
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material

Definitions

  • the invention relates to a method for capturing and measuring three-dimensional bodies or of any surface, two-dimensional images of the surface of a body or the like object to be measured being displayed from different positions by means of at least one camera and reference points located in the field of view of the surface images being determined and saved.
  • the Moii e method is also known, in which a light grid is projected onto the surface of the object to be measured and the deformation of the light grid by the surface contour of the surface to be measured becomes the actual geometric shape of the surface is calculated. This procedure is complicated and quickly reaches its limits in terms of accuracy.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device with which a non-contact, automatic measurement sequence is possible and surfaces or bodies of any shape can be precisely measured three-dimensionally.
  • a high-precision resolution should also be possible without significantly increasing the processing effort.
  • a light track or marking track visible to the camera is generated on the surface of the object to be detected and that the light or marking track is broken down into a plurality of chronologically successive measuring points by means of at least one video camera spatial position can be calculated and evaluated using image recognition using the known reference values.
  • the video camera provides a dynamic detection of the individual measuring points and that the number of measuring points is defined by the speed of movement of the light track or the light point moved to generate and the frame rate of the video camera.
  • the object to be measured is scanned by means of the light track or the like, this being possible for example in the form of a cell.
  • measuring points are formed within the light track at time intervals of, for example, a fiftieth second, and if two video cameras are used, two of which are spaced apart from one another
  • the spatial coordinates of the respective measuring point are calculated using the known spatial coordinates of reference points from a spatial calibration. Since the evaluation with the help of a known image recognition process and a calculation algorithm, this evaluation can run automatically with a computer. This makes it possible to process large amounts of data without any problems, so that a correspondingly high number of measuring points can be made available for very high imaging accuracies. For example, the coordinates can be easily calculated and processed from 2000 measuring points per second. The measuring point density can be chosen as desired. On the one hand, the time required for the evaluation and, on the other hand, the cost compared to the previous methods, in particular photogrammetry, are considerably reduced.
  • the measuring process is therefore contactless, automatic, simple and efficient, highly flexible and with the option of any measuring point density.
  • the position of the reference points and thus the calibration of the space in which the object to be measured is located can be determined before, during or after the measurement process.
  • the spatial coordinates of the respective measuring point can be calculated exactly from the position of the reference points and the coordinates of the respective measuring point images.
  • the light track by means of a light source, vzw. are generated by means of at least one laser and the light beam or beams can be variable with regard to their physical property, in particular with regard to the wavelength, the intensity and the like.
  • a calibration grid with at least six permanently assigned calibration points can be used for room calibration and for forming the calibration points.
  • Through these six non-planar reference points and their position, and by capturing the reference points as Point images in the two video cameras not only make it possible to calculate the camera locations, but also each further identifiable point in space, including the measuring points from the light track, with their spatial coordinates. It is preferably provided that systematic distortions are generated for the spatial calibration and for the formation of the calibration points by means of an optical system, and that the spatial coordinates of the calibration points are then calculated from the known optical parameters.
  • light points can be projected within the field of view of the surface images for spatial calibration and for forming the calibration points, preferably from the light source provided for the light track. This can be done, for example, by a mirror system. This reduces the expenditure on equipment.
  • a continuous, in the extreme case permanent, constant room calibration is particularly important if the video cameras can be swiveled or if the object measurement is carried out from one or more missiles or during continuous recording, for example of the street profile, i.e. wherever the spatial coordinates are change the video camera (s).
  • the light track is preferably projected onto the surface of the object to be detected by means of a laser.
  • a laser light projection results in very small-area measurement point images on the object to be detected and thus high measurement accuracy.
  • the center point of the measurement point mapping can also be determined mathematically. This is advantageous if a larger measuring point image is available by using a light source that scatters a little further or if there is a large distance between the projection light source and the object. Even when measuring surfaces with extreme profiling sections, strong distortions of the measurement point images can occur, so that the respective determination of the center point of the image also contributes to the measurement accuracy. Such correction calculations can easily be carried out in addition to the actual measurement sequence and practically without influencing it.
  • the light track can be generated on the surface of the object to be detected according to a proposal of the invention by means of at least one point light source moving along the surface.
  • the vertical distance of the light from the floor is subtracted in the computer program to maintain the definitive values.
  • a physical, visible point which differs optically from the surface of the object to be detected or the like, is moved along the surface of this object to be detected to form a light or marking track. So it's not necessarily a "wandering" point of light to the 'March of a light track lgung required but it can also ei ⁇ be different, recognizable and distinguishable point or object which moves on the surface of the object to be measured, and thus practically a Marking track forms.
  • a "negative point”, ie the surroundings, can also be used for the detection of reflecting surfaces, for example is illuminated and the point to be measured as measuring point is left out.
  • a plurality of light or point tracks can be generated simultaneously on the object to be detected or the like, and their number and / or their configuration can optionally be varied as a function of time.
  • the measuring process can be accelerated on the one hand and there is also the possibility that the existence of, for example, gaps can be easily recognized by a known configuration of several measuring points, the computer program used, for example in the case of rock walls or similar objects to be measured.
  • the invention also relates to a device for measuring and detecting the surface of a body or the like by means of at least one camera.
  • This device is characterized in that a device for projecting or generating at least one point of light or for generating at least one striking point on the surface of the object to be detected and for moving this point of light or the striking point for producing a light track or marking track is provided that at least a video camera to split the light or marking track into one
  • a large number of successive measuring points is provided and that the video camera (s) are connected to an image evaluation device for evaluating and calculating the spatial coordinates of the measuring points generated on the surface of the object to be detected.
  • the changing position of the striking point moving on or near the surface of the measurement object is formed within a recording sequence of the video cameras to form a chronological order of measuring points used and their respective three-dimensional position is calculated.
  • the known coordinates of reference points from a spatial calibration are used here. 5
  • the processing of the images supplied by the video camera or cameras can be carried out using a computer, in particular a PC, so that the outlay on equipment is low compared to the result achieved.
  • a large number of measuring points can be calculated in a very short time, so that a high measuring accuracy or a short processing time is possible.
  • the device preferably has at least two video cameras spaced from one another, both video cameras with
  • the required data can be acquired in one pass through the light or marking track over the surface of the measurement object. If necessary, more than two cameras can also be used to achieve an improvement in accuracy
  • the device can have at least one video camera and a theodolite or the like direction meter, the video camera (s) having an image evaluation device
  • position data of the measuring points can be recorded and used for evaluation.
  • a theodolite By using a theodolite or another angle-recording device, position data of the measuring points can be recorded and used for evaluation. In addition, if a theodolite is used, it is reduced to one
  • a Kai ⁇ era can also be used alone, with the necessary assignment of the measurement points generated on the surface to be recorded, inter alia, either by repetition of the movement or by assignment using stochastic Procedure is carried out.
  • FIG. 1 a schematic representation of a measuring device for three-dimensional detection of the surface of a measurement object.
  • the drawing shows a schematic representation of a measuring device 1 with which three-dimensional bodies or any surfaces, in the exemplary embodiment a relief, can be measured as a measuring object 2.
  • the measuring device 1 has two video cameras 3 and 4, which are arranged in such a way that they see approximately the same image section, the image sections K x and K 2 being symbolically assigned to the two video cameras 3 and 4.
  • the two video cameras 3 and 4 can be arranged so that their projection axes 5 and 6 are between about 30 degrees to about 150 degrees to each other.
  • the two video cameras are connected to a PC 7 for evaluating the recorded images.
  • a device 8 with which a bundled light beam 9 is generated and a light point P can thus be projected onto the measurement object.
  • the light beam 9 can be moved by means of the device 8- over the measurement object 2 to be detected, a light track 10 being generated.
  • this light track 10 is broken down into a plurality of measurement points which follow one another in time, one of which is used to display the Functional principle is shown as light point P.
  • the point projected with the light beam 9 traverses the entire surface of the measurement object 2 that can be seen by the two cameras 3 and 4.
  • the light point or measuring point P has the spatial coordinates x, y, z and, accordingly, as images P 'and P''on the camera images Kl and K2, the image coordinates x', y 'on Kl and x''andy''on K2.
  • spatial reference points from a room calibration are available.
  • the spatial coordinates x, y, z of the point P to be measured can be calculated from these parameters and the mapping coordinates of the measuring point P on the camera images K1 and K2. If the measurement object 2 is scanned with the light beam 9 and at the same time an image sequence of the projection light point P moving over the measurement object 2 is created with the video cameras 3 and 4, the spatial coordinates can be calculated for all temporally successive measurement points P and thus the measurement object 2 three-dimensionally be saved in the computer.
  • the "point cloud" of measurement data obtained from the measurement as a raw product can be used in a variety of ways. This enables conversion into contour lines and display algorithms of all kinds for visualization for the human eye or for further technical processing in industry and manufacturing.
  • a "mechanical calibration grid” can be placed in the common image section 1 : of both video cameras for room calibration and for forming calibration points.
  • This calibration grid has at least six non-planar points which, in their position relative to one another, are called points, for example formed by spheres. By capturing these six points in the camera images K 'and K'', both the camera locations and any other identifiable point become can be calculated in space with its spatial coordinates.
  • an optical method is preferably carried out, in which, for example, light spots with a predetermined position are projected into the image section of both video cameras. If necessary, the calibration points can be derived from the projection device 8 via a mirror system.
  • a plurality of measurement points for example 2, 4, 8, 16 etc.
  • both the number of light beams 9 or the measurement points projected therewith and their configuration can vary as a function of time.
  • These measuring points can also be varied over all physical properties, for example also with regard to their wavelength, where ranges from infrared to ultraviolet can be used.
  • the point geometry of the measuring points or light points can also be designed as desired, this relating to the relative and the absolute size and also the shape.
  • the center points of the measuring points and the like can be calculated using appropriate mathematical programs. The aforementioned measures can be used both in combination and cyclically as a function of time.
  • Different and also different camera types and, depending on the application, appropriate lenses can be used for the video cameras 3 and 4. It is also possible to provide any camera frequencies, including one below the other.
  • the cameras can also be attached to microscopes, for example. be closed, so that even very small objects can be measured. Means of glass fiber optics / glass fiber technology can also be included here.
  • the video camera images K1 and K2 can be read into the computer 7 directly from the camera as an online solution or from a video tape, for example if the object to be recorded is at an exposed or dangerous location, as is the case, for example, when measuring a cave chamber with difficult accessibility .
  • An application example is briefly outlined below, but can easily be transferred to architecture, interior architecture, monument preservation, inventories, industry and manufacturing, process engineering, etc.
  • a zero point is defined on an archaeological excavation field, which ideally also refers to the national network.
  • the excavation technician or archaeologist continuously or periodically records the excavation area three-dimensionally for the purpose of profiling and recording where and in what position found objects come out. He grasps important objects completely by zooming in on the object. The removed finds can then be measured as a whole body using the same equipment, for example an important bone with 30,000 measuring points. With the possibilities of macro recording and the microscope, scratch marks can also be detected on the find object, which, for example, enables stone tools to identify what the device was used for, for example scratches with side stripes in the event of scraping on bones. All recordings and measurements are connected to each other via the zero point and the archaeologist in the office can create overall connections at any time by computer and carry out corresponding special evaluations.

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Abstract

Ein Verfahren und eine Meßvorrichtung dienen zum Erfassen und Vermessen dreidimensionaler Körper oder von beliebigen Flächen. Beispielsweise werden zwei Videokameras (3, 4) verwendet, die ungefähr den gleichen Bildausschnitt, in dem sich das Meßobjekt (2) befindet, sehen. Auf der Oberfläche des Meßobjektes (2) wird dann eine für die Kameras sichtbare Lichtspur (10) oder Markierspur erzeugt, und mit Hilfe der Videokameras (3, 4) wird die Licht- oder Markierspur in eine Vielzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Meßpunkten (P) zerlegt. Deren räumliche Lage wird dann unter Verwendung von bekannten Bezugsgrößen, die aus einer Raumkalibration zur Verfügung stehen, jeweils mittels Bilderkennung berechnet und ausgewertet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen und Vermessen drei¬ dimensionaler Körper oder von beliebigen Flächen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen und Vermessen dreidimensionaler Körper oder von beliebigen Flächen, wobei mittels wenigstens einer Kamera von unterschiedlichen Positionen aus zweidimensionale Bilder der zu vermessenden Oberfläche eines Körpers oder dergleichen Gegenstandes abgebildet werden und im Blickfeld der Flächenbilder befindliche Bezugs¬ punkte ermittelt und abgespeichert werden.
Zum Erfassen und Vermessen dreidimensionaler Körper und dergleichen ist es bereits bekannt, mit Hilfe der Photogrammetrie durch Zuordnung korrespondierender Punkte von Meßbildern eine räumliche Rekonstruktion des zu erfassenden Objektes zu ermöglichen. Nachteilig ist hierbei, daß die Auswertung der Bilder trotz Computerunterstützung sehr aufwendig und mit hohen Kosten verbunden ist und immernoch einen erheblichen Anteil an manueller Arbeit beinhaltet. Insbesondere bei einer hohen geforderten Auflösung, d.h. einer Bearbeitung einer Vielzahl von Objektpunkten ist ein sehr hoher Kosten- und Zeitaufwand erforderlich. Die Photogrammetrie wird insbesondere zur Vermessung von Geländeausschnitten und anderen, größeren Objekten eingesetzt.
Zur Vermessung kleinerer Objekte ist es auch bekannt, mechanisch geführte Berührungssensoren (Taster) einzusetzen, deren EinsatzDereich aber sehr besc rankt ist.
Schließlich ist auch das Moii e-Verfahren bekannt, bei dem ein L:.chtgitter auf die zu vermessende Fläche des Gegenstandes projiziert wird und aus der Deformation des Lichtgitters durch die Oberflächenkontur der zu vermess"iιden Fläche, wird die tatsächliche, geometrische Form der Fläche errechnet. Dieses Verfahren ist kompliziert und stößt bezüglich der Genauigkeit rasch an Grenzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, womit ein berührungsloser, automatischer Meßablauf möglich ist und beliebig geformte Flächen oder Körper dreidimensional exakt vermessen werden können. Dabei soll auch eine hochgenaue Auflösung möglich sein, ohne daß dadurch der Bearbeitungsaufwand wesentlich erhöht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens vorgeschlagen, daß auf der Oberfläche des zu erfassenden Gegenstandes eine für die Kamera sichtbare Lichtspur oder Markierspur erzeugt wird und daß mittels wenigstens einer Videokamera die Licht- oder Markierspur in eine Vielzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Meßpunkten zerlegt wird, deren räumliche Lage unter Verwendung der bekannten Bezugsgrößen jeweils mittels Bilderkennung berechnet und ausgewertet werden. Wesentlich ist hierbei, daßdurch die Videokamera eine dynamische Erfassung der einzelnen Meßpunkte vorhanden ist und durch die Bewegungsgeschwindigkeit der Lichtspur bzw. des zur Erzeugung bewegten Lichtpunktes und der Bildfolgefrequenz der Videokamera die Anzahl der Meßpunkte definiert ist. Mittels der Lichtspur oder dergleichen wird das zu vermessende Objekt abgefahren, wobei dies zum Beispiel zellenförmig erfolgen kann. Entsprechend der Bildfolgefrequenz der Videokamera werden innerhalb der Lichtspur in zeitlichen Abständen von zum Beispiel einer fünfzigsten Sekunde Meßpunkte gebildet und bei Verwendung von zwei zueinander beabstandeten Videokameras aus den beiden
Meßpunktabbildungen die Raumkoordinaten des jeweiligen Meßpunϊttes unter Verwendung der bekannten Raumkoordinaten von Bezugspunkten aus einer Raumkalibration, errechnet. Da die Auswertung mit Hilfe eines an sich bekannten Bild- erkennungsverfahrens und eines Rechenalgorithmus erfolgt, kann diese Auswertung mit einem Rechner automatisch ablaufen. Dadurch ist problemlos die Verarbeitung von großen Datenmengen möglich, so daß für sehr hohe Abbildungsgenauigkeiten eine entsprechend hohe Anzahl von Meßpunkten zur Verfügung gestellt werden kann. Beispielsweise lassen sich ohne weiteres die Koordinaten aus 2000 Meßpunkten pro Sekunde berechnen und verarbeiten. Die Meßpunktdichte kann beliebig wählbar sein. Es sind somit einerseits der Zeitaufwand für die Auswertung und andererseits auch der Kostenaufwand gegenüber den bisherigen Verfahren, insbesondere der Photogrammetrie erheblich reduziert. Der Meßvorgang ist somit berührungslos, automatisch ablaufend, einfach und rationell, hochflexibel und mit der Option der beliebigen Meßpunktdichte. Das Ermitteln der Lage der Bezugspunkte und damit die Kalibration des Raumes, in dem sich das zu vermessende Objekt befindet, kann vor, während oder nach dem Meßvorgang erfolgen. Aus der Lage der Bezugspunkte und den Koordinaten der jeweiligen Meßpunktabbildungen lassen sich die Raumkoordinaten des jeweiligen Meßpunktes exakt berechnen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Lichtspur mittels einer Lichtquelle, vzw. mittels wenigstens eines Lasers erzeugt werden und der oder die Lichtstrahlen können hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaft, insbesondere bezüglich der Wellenlänge, der Intensität und dergleichen variabel sein.
Während des Abfahrens des Meßobjektes besteht dadurch die Möglichkeit, bei kontrastarmer Darstellung des Lichtpunktes auf dem Meßobjekt, beispielsweise durch Gleichfarbigkeit, die Wellenlänge der Lichtquelle zu ändern. Zur Raumkaiibration und zur Bildung der Kalibrationjpunkte kann ein Kalibrationsgitter mit wenigstens sechs einander fest zugeordneten Kalibrationspunkten verwendet werden. Durch diese sechs nichtplanaren und in ihrer Lage Dekannten Bezugspunkte und durch das Erfassen der Bezugspunkte als Punktabbildungen bei den beiden Videokameras werden nicht nur die Kamera-Standorte, sondern auch jeder weitere identifizierbare Punkt im Raum, also auch die Meßpunkte aus der Lichtspur, mit ihren Raumkoordinaten berechenbar. Bevorzugt ist vorgesehen, daß zur Raumkalibration und zur Bildung der Kalibrationspunkte mittels einer Optik systematisch Verzerrungen erzeugt werden und daß dann aus den bekannten optischen Parametern die Raumkoordinaten der Kalibrationspunkte errechnet werden. Dadurch kann die Raumkalibration schneller, rationeller und auch besser vorgenommen werden. Auch besteht dadurch die Möglichkeit, laufend die Raumkalibration zu aktualisieren. Nach einer Ausgestaltung können zur Raumkalibration und zur Bildung der Kalibrationspunkte Lichtpunkte innerhalb des Blickfeldes der Flächenbilder projiziert werden, vorzugsweise aus der für die Lichtspur vorgesehenen Lichtquelle. Dies kann beispielsweise durch ein Spiegelsystem erfolgen. Der apparative Aufwand ist dadurch reduziert. Eine laufende, im Extremfall permanente, stetige Raumkalibration ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Videokameras schwenkbar sind oder die Objektvermessung von einem oder mehreren Flugkörpern aus durchgeführt wird oder aber bei der fortlaufenden Aufnahme zum Beispiel des Straßenprofiles, also überall dort, wo sich die Raumkoordinaten der Videokamera(s) ändern. Im Falle von Luftaufnahmen ist es zur absoluten Orientierung vorteilhaft, definierte Bodenmarken und/oder ein GPS-System einzubeziehen.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß auf die Oberfläche des zu erfassenden Gegenstandes die Lichtspur vorzugsweise mittels eines Lasers projiziert wird. Eine solche Laser-Lichtprojektion ergibt sehr kleinflächige Meßpunktabbildungen auf dem zu erfassenden Gegenstand und damit eine hohe Meßgenauigkeit. In speziellen Fällen kann der Mittelpunkt der Meßpunktabbildung auch rechnerisch ermittelt werden. Dies ist dann vorteilhaft, wenn durch Verwendung einer etwas weiter streuenden Lichtquelle oder aber, wenn ein großer Abstand zwischen Projektionslicht¬ quelle und Objekt vorhanden ist, eine großflächigere Meßpunkt¬ abbildung vorhanden ist. Auch beim Vermessen von Oberflächen mit extremen Profilierungsabschnitten können starkeVerzerrungen der Meßpunktabbildungen auftreten, so daß auch hier das jeweilige Ermitteln des Mittelpunktes der Abbildung zur Meßgenauigkeit beiträgt. Solche Korrekturberechnungen können ohne weiteres neben dem eigentlichen Meßablauf und praktisch ohne Beeinflussung von diesem durchgeführt werden.
Anstatt eines projizierten Lichtpunktes zur Erzeugung der Lichtspur kann nach einem Vorschlag der Erfindung auf der Oberfläche des zu erfassenden Gegenstandes die Lichtspur mittels wenigstens einer an der Oberfläche entlang bewegten Punkt¬ lichquelle erzeugt werden.
Dies kann beispielsweise bei Geländevermessungen eingesetzt werden, wo dann die Lichtquelle zum Beispiel in Verbindung mit einem Fahrzeug auf dem Gelände geführt wird. Der vertikale Abstand des Lichtes zum Boden wird im Rechenprogramm für die Erhaltung der definitiven Werte abgezogen.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß zur Bildung einer Licht¬ oder Markierspur ein gegenständlicher, sichtbarer Punkt, der sich optisch von der Oberfläche des zu erfassenden Gegenstandes oder dergleichen unterscheidet, an der Oberfläche dieses zu erfassenden Gegenstandes entlang bewegt wird. Es ist also nicht unbedingt ein "wandernder" Lichtpunkt zur ' rz lgung einer Lichtspur erforderlich, sondern es kann auch ei~ anderer, erkennbarer bzw. unterscheidbarer Punkt oder Gegenstand sein, der sich auf der Oberfläche des zu vermessenden Objektes bewegt, und damit praktisch eine Markierspur bildet. Auch kann zum Beispiel für die Erfassung von reflektierenden Flächen ein "Negativpunkt" verwendet werden, d.h. die Umgebung wird beleuchtet und der zu vermessende Punkt als Meßpunkt bleibt ausgespart.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können auch mehrere Licht- oder Punktspuren gleichzeitig auf dem zu erfassenden Gegenstand oder dergleichen erzeugt werden und es kann gegebenenfalls deren Anzahl und/oder deren Konfiguration in Funktion der Zeit variiert werden. Der Meßablauf kann dadurch einerseits beschleunigt werden und es besteht außerdem die Möglichkeit, daß durch eine bekannte Konfiguration mehrerer Meßpunkte das verwendete Rechenprogramm beispielsweise bei Felswänden oder dergleichen zu vermessenden Objekten das Vorhandensein zum Beispiel von Spalten problemlos erkannt werden können.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Vermessen und Erfassen der Oberfläche eines Körpers oder dergleichen Gegenstandes mittels wenigstens einer Kamera. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Prσjizieren oder Erzeugen wenigstens eines Lichtpunktes oder zum Erzeugen wenigstens eines markanten Punktes auf der Oberfläche des zu erfassenden Gegenstandes und zum Bewegen dieses Lichtpunktes oder des markanten Punktes zur Erzeugung einer Lichtspur oder Markierspur vorgesehen ist, daß wenigstens eine Videokamera zum Zerlegen der Licht- oder Markierspur in eine
Vielzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Meßpunkten vorgesehen ist und daß die Videokamera(s) mit einer Bildauswerteeinrichtung zur Auswertung und Berechnung der Raumkoordinaten der erzeugten Meßpunkte auf der Oberfläche des erfassenden Gegenstandes verbunden sind.
Wie bereits in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, wird innerhalb einer Aufnahmesequenz der Videokame¬ rats) die sich ändernde Lage des auf oder bei der Oberfläche des Meßobjektes bewegten, markanten Punktes zur Bildung einer zeitlichen Reihenfolge von Meßpunkten verwendet und deren jeweilige dreidimensionale Position errechnet. Dabei werden die bekannten Koordinaten von Bezugspunkten aus einer Raumkali¬ bration zu Hilfe genommen. 5 Die Verarbeitung der von der oder den Videokameras gelieferten Bilder kann über einen Computer, insbesondere einen PC erfolgen, so daß der apparative Aufwand im Vergleich zum erzielten Ergebnis gering ist. Es können mit der erfindunsgemäßen Meßvorrichtung sehr viele Meßpunkte in sehr kurzer Zeit berechnet 10 werden, so daß eine hohen Meßgenauigkeit bzw. auch eine kurze Bearbeitungszeit möglich ist.
Bevorzugt weist die Vorrichtung wenigstens zwei zueinander beabstandete Videokameras auf, wobei beide Videokameras mit
15 der Bildauswerteeinrichtung verbunden sind.
Dadurch können die erforderlichen Daten in einem Durchlauf der Licht- oder Markierspur über die Fläche des Meßobjektes erfaßt werden. Bedarfsweise lassen sich auch mehr als zwei Kameras zur Erzielung einer Verbesserung der Genauigkeit ober bei
20 Problemstellungen mit eingeschränkter Sicht einsetzen.
Weiterhin kann die Vorrichtung wenigstens eine Videokamera und einen Theodoliten oder dergleichen Richtungsmesser aufweisen, wobei die Videokamera(s) mit einer Bildauswerteeinrichtung
25 verbunden ist.
Durch Verwendung eines Theodoliten oder eines anderen winkel- registrierenden Gerätes können Positionsdaten der Meßpunkte aufgenommen und zur Auswertung herangezogen werden. Außerdem iεt bei Verwendung eines Theodoliten eine Reduktion auf eine
Z l Videokamera besondre:; einfach möglich.
Es kann aber auch eine Kaiτera allein verwendet werden, wobei die notwendige Zuordnung der erzeugten Meßpunkte auf der zu erfassenden Fläche unter anderem entweder durch Repetition des Abfahrens oder durch eine Zuordnung mittels stochastischen Verfahren erfolgt.
Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher erläutert .
Die einzige Figur zeigt:
eineschematischeDarstellungeinerVermessungs-Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen der Oberfläche eines Meßobjektes .
In der Zeichnung ist eine schematische Darstellung einer Meßvorrichtung 1 wiedergegeben, mit der dreidimensionale Körper oder beliebige Flächen, im Ausführungsbeispiel ein Relief als Meßobjekt 2 vermessen werden können.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Meßvorrichtung 1 zwei Videokameras 3 und 4 auf, die so angeordnet sind, daß sie ungefähr den gleichen Bildausschnitt sehen, wobei die Bildaus¬ schnitte Kx und K2 symbolisch den beiden Videokameras 3 und 4 zugeordnet sind. Die beiden Videokameras 3 und 4 können so angeordnet sein, daß ihre Projektionsachsen 5 und 6 zwischen etwa 30 Grad bis etwa 150 Grad zueinander stehen. Die beiden Videokameras sind zur Auswertung der aufgenommenen Bilder mit einem PC 7 verbunden. Schließlich erkennt man noch eine Einrichtung 8 mit der ein gebündelter Lichtstrahl 9 erzeugt und damit auf dem Meßobjekt ein Lichtpunkt P projiziert werden kann. Der Lichtstrahl 9 ist mit Hilfe der Einrichtung 8- über das zu erfassende Meßobjekt 2 bewegbar, wobei eine Lichtspur 10 erzeugt wird. Durch die Bildfolge der Videokameras 3 und 4 wird diese Lichtspur 10 in eine Vielzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Meßpunkten zerlegt, von denen einer zur Darstellung des Funktionsprinzips als Lichtpunkt P dargestellt ist. Der mit dem Lichtstrahl 9 projizierte Punkt fährt die ganze, von den beiden Kameras 3 und 4 zu sehende Fläche des Meßobjektes 2 ab. Im betrachteten Zeitpunkt besitzt der Lichtpunkt oder Meßpunkt P die Raumkoordinaten x, y, z und dementsprechend als Abbildung P' und P' 'auf den Kamerabildern Kl und K2 die Abbildungs¬ koordinaten x', y' auf Kl und x' ' und y' ' auf K2. Zusätzlich stehen noch Raumbezugspunkte aus einer Raumkalibration zur Verfügung. Aus diesen Kenngrößen sowie den Abbildungs¬ koordinaten des Meßpunktes P auf den Kamerabildern Kl und K2 , lassen sich die Raumkoordinaten x, y, z des gerade zu vermessenden Punktes P berechnen. Wird mit dem Lichtstrahl 9 das Meßobjekt 2 abgescannt und gleichzeitig dabei mit den Videokameras 3 und 4 eine Bildfolge des sich über das Meßobjekt 2 bewegenden Projektions-Lichtpunktes P erstellt, so können für alle zeitlich aufeinanderfolgenden Meßpunkte P die Raumkoordinaten berechnet und damit das Meßobjekt 2 dreidimensional im Rechner abgespeichert werden. Die aus der Messung als Rohprodukt erhaltene "Punktwolke" an Meßdaten kann vielfältig weiterverwendet werden. So ist eine Umwandlung in Höhenlinien und Darstellungsalgorithmen aller Art zur Visualisierung für das menschliche Auge oder zur technischen Weiterverarbeitung in Industrie und Fertigung möglich.
Zur Raumkalibration und zur Bildung von Kalibrationspunkten kann im einfachsten Falle ein "mechanisches Kalibrationsgitter" in den gemeinsamen Bi Idausschnit1: beider Videokameras gestellt werden. Dieses Kalibrationsgitter bositzt wenigstens sechs nichtplanare und in ihrer Lage zueinander berannte, beispiels¬ weise durch Kugeln gebildete Punkte. Lurch das Erfassen dieser sechs Punkte in den Kamerabildern K' und K' ' werden sowohl die Kamerastandorte als auch jeder weitere identifizierbare Punkt im Raum mit seinen Raumkoordinaten berechenbar. Anstatt der "mechanischen" Raumkalibration wird bevorzugt ein optisches Verfahren durchgeführt, bei dem zum Beispiel Lichtpunkte mit vorgegebener Lage in den Bildausschnitt beider Videokameras projiziert werden. Gegebenenfalls können die Kalibrationspunkte von der Projektionseinrichtung 8 über ein Spiegelsystem abgeleitet werden.
Abweichend von dem Ausführungsbeispiel, wo mit Hilfe der Projektionseinrichtung 8 eine Lichtspur mit einem Lichtstrahl 9 erzeugt wird, können auf dem Meßobjekt 2 auch mehrere Meßpunkte, zum Beispiel 2, 4, 8, 16 usw. projiziert werden, die zusätzlich zueinander in einer bestimmten Konfiguration stehen können. Zusätzlich kann sowohl die Anzahl der Licht- strahlen 9 bzw. der damit projizierten Meßpunkte sowie deren Konfiguration in Funktion der Zeit variieren. Dabei können diese Meßpunkte auch über alle physikalischen Eigenschaften variiert werden, beispielsweise auch bezüglich ihrer Wellenlänge, wo Bereiche unter anderem von Infrarot bis Ultraviolet einsetzbar sind.
Auch die Punktgeometrie der Meßpunkte oder Lichtpunkte kann beliebig gestaltet werden, wobei dies die relative und die absolute Größe und auch die Form betrifft. Außerdem können durch entsprechende mathematischen Programme die Mittelpunkte der Meßpunkte und dergleichen berechnet werden. Die vorerwähnte Maßnahmen können sowohl im Kombination als auch zyklisch in Funktion der Zeit angewendet werden.
Für die Videokameras 3 und 4 können verschiedene- und auch unterschiedliche Kameratypen und je nach Anwendungsfall entsprechende Objektive verwendet werden. Dabei besteht auch die Möglichkeit, beliebige Kamerafrequenzen, auch untereinander, vorzusehen. Auch können die Kameras beispielsweise an Mikroskope an- geschlossen sein, so daß auch sehr kleine Meßobjekte vermessen werden können. Auch Mittel der Glasfiberoptik/Glasfibertechnik können hier mit einbezogen werden.
Außerdem besteht die Möglichkeit, den gesamten Meßvorgang über Spiegel umzulenken, das heißt, daß das Meßobjekt via Spiegel oder Spiegelsystem indirekt gesehen wird.
Erwähnt sei noch, daß auch eine Kombination mit Farberfassung möglich ist, wobei das Video die Farbwerte eines Punktes innerhalb des Kamerabildes Kl, K2 ohnehin festhält, so daß es genügt, den vermessenen Punkt mit einer oder mehreren Aufnahmen vor oder nach der Punkterfassung, also zeitversetzt zu kombinieren, um die jeweiligen Raumkoordinaten x, y, z mit den elektronisch gespeicherten Farbwerten zu ergänzen.
Das Einlesen der Videokamerabilder Kl und K2 in den Computer 7 kann direkt ab Kamera als Onlinelösung erfolgen oder aber ab Videoband, beispielsweise, wenn der aufzunehmende Gegenstand an exponierter oder gefährlicher Stelle liegt, wie dies beispielsweise bei der Vermessung einer Höhlenkammer mit erschwerter Erreichbarkeit der Fall ist.
Viele Aufgabenstellungen lassen sich erst mit dem erfinduns- gemäßen Verfahren realisieren. Beispielsweise sei hier die Digitalisierung großer Skulpturen direkt auf dem Felde genannt. Zwei Punkte seien an dieser Stelle nochmals hervorgehoben: durch die hohe Automatik wird das Verfahren sehr billig, jedenfalls besteht kein Vergleich zu heutigen Methoden und mit den zur Verfügung stehenden Rechnern kann das Verfahren stark ausgebaut werden, was sowohl Spezialfälle als auch Verfahrens¬ geschwindigkeit betrifft.
Nachfolgend wird noch kurz ein Anwendungsbeispiel umrissen, daß sich aber ohne weiteres auf die Architektur, Innearchitektur, Denkmalpflege, Inventarisierungen, Industrie und Fertigung, Verfa renstechnik usw. übertragen läßt. Auf einem archäologischen Grabungsfeld wird ein Nullpunkt definiert, der idealerweise auch auf das Landesnetz bezogen wird.
Auf dem gerade aktuellen Grabungsabschnitt werden zwei Kameras gerichtet, der entsprechende Raum kalibriert und auf den Nullpunkt bezogen. Stetig oder periodisch erfaßt der Grabungs¬ techniker oder Archäologe die Grabungsfläche dreidimensional zum Zwecke der Profilaufnahmen und der Festhaltung wo und in welcher Lage Fundobjekte hervorkommen. Wichtige Objekte erfaßt er vollständig, in dem er den Gegenstand heranzoomt. Die entfernten Fundobjekte können anschließend mit dem gleichen Equipment nun als ganzer Körper vermessen werden, beispielsweise ein wichtiger Knochen mit 30.000 Meßpunkten. Mit den Möglichkeiten der Makroaufnahme und des Mikroskops können am Fundobjekt Kratzspuren ebenfalls erfaßt werden, was beispielsweise bei Steinwerkzeugen die Identifikation ermöglicht, wozu das Gerät verwendet wurde, beispielsweise Kratzer mit Seitenstriemen im Falle einer Schabertätigkeit auf Knochen. Über den Nullpunkt sind alle Aufnahmen und Messungen unterein- ander verbunden und jederzeit kann der Archäologe im Büro Gesamtzusammenhänge per Computer erzeugen und entsprechende Spezialauswertungen vornehmen.
Unebene Profilflächen, was ohnehin den Regefall darstellt, sind jetzt durchgehend korrekt und stetig echt dreidimensional erfaßt. Stratigraphische Zusammenhänge können nun zumindest ohne meßtechnische Schwierigkeiten eruiert und rekonstruiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Erfassen und Vermessen dreidimensionaler Körper oder von beliebigen Flächen, wobei mittels wenigstens einer Kamera von unterschiedlichen Positionen aus zweidimensionale Bilder der zu vermessenden Oberfläche eines Körpers oder dergleichen Gegenstandes abgebildet werden und im Blickfeld der Flächenbilder befindliche Bezugspunkte ermittelt und abgespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des zu erfassenden
Gegenstandes (2) eine für die Kamera sichtbare Lichtspur
(10) oder Markierspur erzeugt wird und daß mittels wenigstens einer Videokamera (3,4) die Licht-oder
Markierspur (10) in eine Vielzahl von zeitlich_aufeinand- erfolgenden Meßpunkten (P) zerlegt wird, deren räumliche Lage unter Verwendung der bekannten Bezugsgrößen jeweils mittels Bilderkennung berechnet und ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des zu erfassenden Gegenstandes die
Lichtspur (10) vorzugsweise mittels eines Lasers projiziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtspur mittels einer Lichtquelle, vzw. mittels wenigstens eines Lasers erzeugt wird und daß der oder die Lichtstrahlen hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaft, insbesondere bezüglich der Wellenlänge, der Intensität und dergleichen variabel sind.
Verfahren nach Anspruc. 1, dadurch gekennzeichnet, daß aui der Oberfläche d^s zu erfassenden Gegenstandes die Lichtspur mittels wenigstens einer an der Oberfläche entlang bewegten Punktlichtquelle erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer Licht- oder Punktspur (10) ein gegen¬ ständlicher, sichtbarer Punkt, der sich optisch von der Oberfläche des zu erfassenden Gegenstandes oder dergleichen unterscheidet, an der Oberfläche dieses zu erfassenden Gegenstandes entlang bewegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Licht- oder Markierspur ein Negativpunkt mit Markierung oder Beleuchtung zumindest der unmittelbaren Umgebung der den jeweiligen Meßpunkt der Licht- oder Markierspur bildenden Stelle vorgesehen ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Licht-oder Markierspuren (10) gleichzeitig auf dem zu erfassenden Gegenstand (2) oder dergleichen erzeugt werden und daß gegebenenfalls deren Anzahl und/oder deren Konfiguration in Funktion der Zeit variiert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor, während oder nach dem Meßvorgang mit jeweils dreidimensionaler Erfassung der Meßpunkte, mehrere im Bildausschnitt der Videokamera(s) (3,4) befindliche, einander fest zugeordnete Kalibrationspunkte als Bezugspunkte abgebildet und deren Raumkoordinaten berechnet und abgespeichert werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumkalibration diskret in
Zeitabständen oder stetig vorgenommen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung zweier Videokameras (3,4) die Videobilder (K,, K2) der beiden Videokameras etwa zeitgleich aufgezeichnet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Raumkalibration und zur Bildung der Kalibrationspunkte ein Kalibrationsgitter mit wenigstens sechs einander fest zugeordneten Kalibrationspunkten verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Raumkalibration und zur Bildung der Kalibrationspunkte, mittels einer Optik systematisch Verzerrungen erzeugt werden und daß dann aus den bekannten optischen Parametern die Raumkoordinaten der Kalibrations- punkte errechnet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Raumkalibration und zur Bildung der Kalibrationspunkte Lichtpunkte innerhalb des Blickfeldes der Videokameras projiziert werden, vorzugsweise aus der für die Lichtspur vorgesehenen Lichtquelle.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, daß der abzubildende Gegenstand (2) mit wenigstenszweizueinanderbeabstandetenVideokameras (3,4) , deren Punkt- und Raumkoordinaten bekannt oder berechenbar sind und die jeweils eine Entfernungsmeßeinrichtung aufweisen, erfaßt wird.
15. Verfahren nech einem dei Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der jeweiligen Bild¬ koordinaten der Kalibrationspunkte mittels Bilderkennung vorgenommen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise auf der Oberfläche des zu erfassenden Gegenstandes (2) ein Referenzpunkt als Bezugs- und/oder Nullkoordinatenpunkt erzeugt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Meßpunkten der am Meßobjekt in diesem Bereich vorhandene Farbwert zugeordnet wird und daß dies vorzugsweise zeitversetzt zum Meßvorgang der Koordinaten vorgenommen wird.
18. Vorrichtung zum Vermessen und Erfassen der Oberfläche eines Körpers oder dergleichen Gegenstandes mittels wenigstens einer Kamera zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (8) zum Projizieren oder Erzeugen wenigstens eines Lichtpunktes (P) oder zum Erzeugen wenigstens eines markanten Punktes auf der Oberfläche des zu erfassenden Gegenstandes (2) und zum Bewegen dieses Lichtpunktes oder des markanten Punktes zur Erzeugung einer Lichtspur oder
Markierspur vorgesehen ist, daß wenigstens eine Videokamera (3,4) zum Zerlegen der Licht- oder Markierspur in eine Vielzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Meßpunkten (P) vorgesehen ist und daß die Videokamera(s) (3,4) mit einer Bildauswerteeinrichtung (7) zur Auswertung und Berechnung der Raumkoordinaten der erzeugten Meßpunkte auf der Oberfläche des zu erfassenden Gegenstandes (2) verbunden sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens zwei zueinander beabstandete Videokameras (3,4) aufweist und daß beide Videokameras mit der Bildauswerteeinrichtung (7) verbunden sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß sie eine Videokamera und einen Theodoliten oder dergleichen Richtungsmesser aufweist und daß die Videokamera mit einer Bildauswerteeinrichtung verbunden ist.
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