WO1999057597A2

WO1999057597A2 - Einrichtung zur herstellung von dreidimensionalen aufnahmen von gegenständen mittels optischer scanner und ein verfahren zur dreidimensionalen objekterfassung

Info

Publication number: WO1999057597A2
Application number: PCT/EP1999/003078
Authority: WO
Inventors: Richard Schubert
Original assignee: Richard Schubert
Priority date: 1998-05-05
Filing date: 1999-05-05
Publication date: 1999-11-11
Also published as: WO1999057597A9; DE19839339A1; WO1999057597A3; EP1076839A2; AU3827599A

Abstract

Die Erfindungsaufgabe, eine Einrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen (13) mittels optischer Scanner (1) in Verbindung mit Datenverarbeitungseinrichtungen und ein Verfahren zur Ansteuerung und Bedienung von optischen Scannern zu entwickeln, wurde dadurch gelöst, daß an einem Rechner ein softwaregesteuerter, optischer, mit einer nichtparallelen oder parallelen Abbildungsoptik (44) ausgerüsteter Flachbettscanner (1), der mit Zusatzgeräten oder modifizierten austauschbaren Geräteteilen zur Positionierung der Aufnahmegegenstände (13) und zur Optimierung der Objektausleuchtung für die dreidimensionale Abbildung ausgerüstet ist, und ein spezielles Display zur dreidimensionalen Darstellung oder ein übliches Display vorgesehen sind, wobei der Gegenstand zeitlich aufeinander und/oder gleichzeitig in zwei oder mehreren Aufnahmemodi erfaßt und hierzu die Scannereinrichtung angesteuert wird, die Daten der zeitlich aufeinanderfolgenden und/oder gleichzeitig erfolgenden Erfassung gespeichert und/oder nach Abschluß oder auch teilweise während des Scannprozesses zu einem räumlichen Modell rechnermäßig verarbeitet werden.

Description

Einrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen mittels optischer Scanner und ein Verfahren zur dreidimensionalen Objekterfassung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Objekten mittels optischer Scanner in Verbindung mit einer Datenverarbeitungseinrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung und Bedienung von optischen Scannern zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen.

Mit der Erfindung der Fotografie wurde ein technisches Verfahren entwickelt, mit dem optische Abbildungen von beliebigen Gegenständen erstellt werden können. Bei der gewöhnlichen Fotografie geht aber die Tiefeninformation verloren und von der dreidimensionalen Welt erhält man ein zweidimensionales Abbild. Schon vor über 100 Jahren wurde erkannt, daß man mit zwei getrennten Aufnahmen eines Objektes für beide Augen einen räumlichen Eindruck gewinnen kann. In weiten Bereichen der Technik wird dieses sogenannte stereoskopische Abbildungsverfahren bereits eingesetzt, z.B. in der Bodenkunde, Geodäsie, Raumfahrt, bei Satellitenaufnahmen und in der Kunst. Mit dem Aufkommen der Computertechnik und der digitalen Bildverarbeitung gewinnt die Erstellung, Manipulation und Darstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen zunehmend an Bedeutung. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten und Verfahren, um von Gegenständen der realen Welt dreidimensionale und von Computern verarbeitbare Aufnahmen zu erzeugen:

1) Einsatz von zwei Kameras und Übertragung der beiden Bilder in den Rechner

2) Einsatz einer Kamera in Verbindung mit einem rotierbaren Objektträger

3) Abtasten von Gegenständen durch Verfahren der optischen Triangulation. a) Dies kann entweder mit starken Laserstrahlen erfolgen b) oder mit speziellen Beleuchtungsmustern, wie Streifen etc.

4) mechanisches Abtasten über Pantographen etc.

Alle Verfahren sind aufwendig und haben sich noch nicht auf breiter Front durchgesetzt:

Bei Anwendung der unter 1) und 2) genannten Möglichkeiten bedarf es einer aufwendigen Justierung der Kamera bzw. Kameras. Es müssen auch die Beleuchtungsverhältnisse korrekt sein. Im allgemeinen benötigt man einen speziellen Aufnahmeraum in der Art eines Photostudios. Die Anwendung der unter 3a) genannten Möglichkeit ist sehr aufwendig und damit sehr teuer, z.T. gefährlich wegen der hohen Beleuchtungsstärken und zur Farbabbildung werden mehrere Laserstrahlen benötigt. Bei der unter 3b) genannten Möglichkeit entsteht eine geringe Tiefenauflösung und eine aufwendige digitale Nachbearbeitung wird erforderlich. Das unter 4) genannte Verfahren ist sehr zeitaufwendig und ist wegen der direkten Berührung mit dem Gegenstand nicht für weiche Gegenstände und damit nur für den Hobbybereich oder zur semiprofessionellen Anwendung geeignet.

Seit einigen Jahren sind optische Scanner mit Abtastarrays im Handel, die bekanntesten Bauformen sind die sog. Handscanner und die Flachbettscanner. Beim Handscanner wird ein Abtastelement, bestehend aus einer Abtastleuchte und einem optischen Abtast- array, meist ein CCD-Array, per Hand über die abzubildende Fläche geschoben. Beim Flachbettscanner wird das Abtastelement, ebenfalls bestehend aus einer Abtastleuchte und einem optischen Ab- tastarray, unter einer Glasplatte maschinell verschoben. Hauptanwendungsgebiet der Flachbettscanner ist das Ablichten von Papiervorlagen. Aufgrund ihrer Tiefenschärfe von einigen Zentimetern eignen sie sich auch hervorragend zum Erfassen von kleineren und insbesondere von flachen Gegenständen, wie z.B. Leiterplatten etc.. Hierbei ergeben sich eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber der konventionellen Fotografie:

- Maßstabstreue in Bewegungsrichtung des Abtastschlittens

(keine Parallaxeneffekte in dieser Richtung)

- sehr hohe Reproduzierbarkeit ("Leiterplatte an den Anschlag schieben")

- sofortige Verfügbarkeit der Ergebnisse

- direkte elektronische Verarbeitung möglich

- nahezu ideale Beleuchtungsverhältnisse

- sehr hohe Auflösung

- geringer Aufwand

- niedrige Kosten Aufgrund der speziellen zylindrischen Abbildungsgeometrie ist es nun durch bloßes Verschieben von Gegenständen auf der Glasplatte senkrecht zur Bewegungsrichtung des Abtastschlittens möglich, Abbildungen unter leicht verschiedenen Blickwinkeln zu erzeugen. Auf diese Weise kann man stereoskopische Aufnahmen höchster Qualität von Gegenständen erzeugen. Diese Eigenschaft ist druckschriftlich nirgends beschrieben und ist ein Nebeneffekt der konstruktiv bedingten nichtparallelen Abbildungsoptik. Diese Eigenschaft läßt sich ausschließlich hobbymäßig und mit unverhältnismäßigem Aufwand zur Anfertigung von stereoskopischen Aufnahmen einsetzen. Dieser Effekt läßt sich im professionellen Bereich ohne Hilfsmittel oder entsprechende Veränderungen am Scanner nicht befriedigend ausnützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen mittels optischer Scanner in Verbindung mit Datenverarbeitungseinrichtungen und ein Verfahren zur Ansteuerung und Bedienung von optischen Scannern zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen zu entwickeln.

Diese Aufgabe wurde_ dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen mittels optischer Scanner in Verbindung mit einer Datenverarbeitungseinrichtung entwickelt wurde, bei der erfindungsgemäß an einem Rechner ein softwaregesteuerter, handelsüblicher oder modifizierter optischer Scanner, der mit einer nichtparallelen oder parallelen Abbildungsoptik ausgerüstet ist und ein spezielles Display zur dreidimensionalen Darstellung oder ein übliches Display vorgesehen sind. Handelsübliche, mit einer nach einer nichtparallelen oder parallelen Optik arbeitenden Abtasteinrichtungen ausgerüstete Flachbettscanner sind zur dreidimensionalen Abbildung von Gegenständen erfindungsgemäß mit Zusatzgeräten oder mit modifizierten austauschbaren Geräteteilen zur Positionierung der Aufnahmeobjekte und zur Optimierung der Objektausleuchtung für die dreidimensionale Abbildung ausgerüstet.

Diese Zusatzgeräte bestehen aus als Objektträger ausgebildete Schachteln, aus als Objektträger ausgebildete Schachteln mit doppeltem Boden, aus Anschlaglineale nach der Art des Reißschienensystems, aus modifizierte Scannerdeckel mit integrierter Objektträgerschachtel, aus modifizierte Scannerdeckel mit integrierter Objektträgerschachtel für Kopfüberbetrieb, aus einer verschiebbaren Objektträgerschachtel für Kopfüberbetrieb, und aus Markierung für Objektträgerschachtel.

Die Objektträgerschachteln weisen eine unterschiedliche Länge, Breite, Tiefe und Innenauskleidung auf und sind speziell für einen Scannertyp und/oder eine Objektart ausgelegt.

Die Objektträger sind mit einer von der Software automatisch erkennbaren Markierung versehen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung können die Schachteln einen höhenverstellbaren Boden aufweisen, wobei der höhenverstellbare Boden in einer oder mehren bestimmten, vordefinierten Höhen arretierbar angeordnet ist. Ferner ist eine aufsetzbare und am Scanner lagestabil befestigte Einrichtung vorgesehen, mit der die Gegenstände oder die Objektträger auf oder über der Glasplatte des Scanners reproduzierbar und in definierter Orientierung positionierbar sind, wobei diese Einrichtung mit einer Skalierung in Längenmaßen und/oder mit einer geräteabhängen Skalierung versehen ist.

Die Einrichtung zur Positionierung ist in der Art einer Reißschiene, eines Pantographen, der Stiftansteuerung eines Plotters und dergleichen ausgebildet.

Die Schachteln können in einem austauschbaren Deckel des Scanners integriert sein, wobei der Deckel eine Einrichtung zur Verschiebung der Schachtel aufweist und/oder der gesamte Deckel mit der fixierten Schachtel verschiebbar angeordnet ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltungsvariante ist der Scanner oberhalb des Objektträgers angeordnet, wobei dieser auf einen Geräterahmen aufsetzbar oder über ein Scharnier in die Arbeitslage einschwenkbar angeordnet ist.

Alle Verschiebungen erfolgen über Antriebselemente und/oder die durch Antriebselemente automatisch erfolgende und/oder manuellerfolgende Positionierung ist maschinell erfaßbar, wobei für die Erfassung der Verschiebung optische, elektromechanische, induktive, akustische oder kapazitive Sensoren vorgesehen sind.

Die Datenübertragung erfolgt über sämtliche, in der Computertechnik einsetzbare Schnittstellen. Mit einem mit nichtparalleler oder paralleler Abbildungsoptik augerüsteter modifizierten Flachbettscanner, der zur dreidimensionalen Erfassung von Gegenständen eingesetzt ist, erfolgt die Aufnahme des Gegenstandes automatisch oder teilautomatisch softwaregesteuert über eine mehrdimensionale Verschiebeeinrichtung für das Abtastarray und/oder über mehrere feststehende oder verschiebbare Abtastarrays und/oder über eine Verschiebeeinrichtung wobei der Abtastschlitten entlang jeder beliebigen Kurvenform steuerbar geführt angeordnet ist und/oder mit mehreren Lichtquellen ausgestattet ist und/oder mit asymmetrisch aufgebauten Abtastarrays und/oder mit rotierbaren Objektträgern und/ oder mit einem Scanner, der mit einer höhenverstellbaren Glasplatte und/oder mit verschiebbarer Glasplatte ausgestattet ist und/oder bei dem die Glasplatte weggelassen ist und/oder die der Glasplatte der gegenüberliegenden Abdeckung/Gehäusewand weggelassen oder ebenfalls durch eine Glasplatte ersetzt ist und/oder in dem die Funktionalität der Zusatzgeräte integriert ist.

Der Scanner und/oder der Objektträger sind schwingungsgedämpft gehaltert.

Zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen wird als ein optischer Scanner sowohl mit einer geräteintegrierter Bewegungseinrichtung als auch einer mit einer externen Abtastbewegung eingesetzt, wobei sowohl das Abtastarray am Gegenstand als auch der Gegenstand am Abtastarray vorbeiführbar vorgesehen ist, und die Relativbewegungen zueinander beliebig kontinuierlich oder diskontinuierlich in Intervallen erfolgt. Der Gegenstand wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zeitlich nacheinander und/oder gleichzeitig in zwei oder mehreren Aufnahmemodi erfaßt, wobei zur Erfassung des Gegenstandes die Scannereinrichtung angesteuert wird, die Daten der zeitlich aufeinanderfolgenden und/oder gleichzeitig erfolgenden Erfassung gespeichert werden und nach Abschluß der Erfassung und/oder teilweise während des Scannprozesses die Daten zu einem räumlichen Modell und oder/oder zu einer räumlichen Abbildung rechnermäßig verarbeitet werden.

Die Aufnahmen werden nach diesem erfindungsgemäßen Verfahren automatisch ausgewertet, nach qualitativen Parametern geprüft, gegebenenfalls auch mehrfach wiederholt und dabei dann mit einer modifizierten Einstellung erneut eingescannt.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines kompletten Systems zur Herstellung, Auswertung und Darstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen mittels eines optischen Scanners,

Fig. 2 einen optischen Scanner mit nichtparalleler Abbildungsgeometrie, beispielhaft in Form eines Flachbettscanners, wie er für die erfindungsgemäße dreidimensionale Aufnahme von Gegenständen eingesetzt wird,

Fig. 3 Objektträger in Form von Schachteln unterschiedlicher Größe und Innenauskleidung,

Fig. 4 eine Markierung, dargestellt als Markierungsrahmen

Fig. 5 einen Objektträger in Form einer Schachtel mit höhenverstellbarem Boden,

Fig. 6 eine Positioniereinrichtung für Objekte oder Objektträger,

Fig. 7 einen Scanner mit austauschbarem Deckel mit integrierter Objektträgerschachtel,

Fig. 8 einen Scanner mit austauschbarem Deckel mit integrierter Objektträgerschachtel für "Kopfüber-Betrieb" , aufschwenkbare Ausführung, Fig. 9 einen Scanner mit austauschbarem Deckel mit integrierter Objektträgerschachtel für "Kopfüber-Betrieb", aufsetzbare Ausführung,

Fig. 10 einen Scanner mit elektrisch ansteuerbarem Zusatz,

Fig. 11 einen modifizierten Scanner in Kopfüber-Anordnung,

Fig. 12 einen Scanner mit zwei Abtastarrays,

Fig. 13 einen Scanner mit auf einer Kreisbahn geführtem Abtastarray,

Fig. 14 einen Scanner mit zwei Abtastarrays und zwei Abtastleuchten,

Fig. 15 asymmetrisch ausgeführte Abtastarrays,

Fig. 16 einen Scanner mit rotierbarem Objektträger,

Fig. 17 einen Scanner mit höhenverstellbarer Glasplatte,

F g. 18 einen Scanner mit verschiebbarer Glasplatte,

Fig. 19 eine Sonderform eines Scanners, bei der zwei feste Abtastarrays über einem Förderband angeordnet sind,

Fig. 20 einen Scanner mit zwei Abtastarrays mit extern ver- anlaßter Abtastbewegung,

Fig. 21 eine erweiterte Softwareschnittstelle zur Ansteuerung eines Scanners (TWAIN-Treiber) , Fig. 22 einen Scanner, nach Fig. 2 in detailierter Darstellung,

Fig. 23 einen optischen Scanner mit paralleler Abbildungsoptik (Abtaststrahlen zur Seite ausgelenkt)

Fig. 24 Gegenstand auf Scanner mit paralleler Abbildungsoptik

Fig. 25 Gegenstand auf Scanner mit paralleler Abbildungsoptik, um 180° gedreht

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Herstellung, Auswertung und Darstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen besteht aus einem optischen Scanner 1, einer Datenverarbeitungseinrichtung 2, auf der der Scannertreiber 4 zur Ansteuerung des Scanners 1, und der Bilddatenverarbeitung 5, enthaltend je ein 3D-Anzeigemodul 6, einen 3D-Modellgenerator 7 und/ oder einen Holographiegenerator 8, implementiert sind, und einer Anzeigevorrichtung 9. Die Bilddaten werden in allen gängigen Formaten, wie jpg, tif, png oder gif zwischengespreichert oder abgelegt. Die mit dieser Einrichtung erfaßten und als 3D-Modell abgelegten Bilddaten können typischerweise als Eingangsdaten für Programme nach dem Prinzip Finiter Elemente oder als Eingangsdaten zur Berechnung von Videosequenzen, wie beispielsweise in Werbefilmen verwendet eingesetzt werden. Für Leiterplatten und Flachbaugruppen in der Industrie sind die so gewonnenen dreidimensionalen Daten sehr gut zur Qualitäts-sicherung und Dokumentation einsetzbar. Im Kunstgewerbe können z.B. Gemälde dreidimensional erfaßt, und es kann so sehr leicht das Relief von dick aufgetragener Farbe vermessen werden. Weitere Objekte sind z.B. medizinische oder biologische Gewebeproben. Ein Arzt, kann auf diese Weise z.B. die Schwellung einer Hand kontinuierlich bei jedem Besuch des Patienten überwachen und archivieren. Eine solche Einrichtung unterstützet z.B. die Zu-sammenarbeit an verschiedenen Standorten großer Unternehmen durch sehr schnelle Übermittelung, von realistischen dreidimensionalen Abbildungen von Arbeitsgegenständen, wobei als Übertragungsmedium beliebige Netze, wie z.B: das Internet eingesetzt werden. Mit einer entsprechenden Software 4 und 5 versehen, kann das System auch iterativ Aufnahmen mit anderen Aufnahmemodi "nachfassen" um so die Tiefenauflösung zu erhöhen, Uneindeutigkeiten in der SD- Modellbildung zu eliminieren oder auch um die Beleuchtungsverhältnisse zu optimieren. Der in Fig. 2 dargestellte Scanner 1 mit nichtparalleler Abbildungsgeometrie besteht aus den wesentlichen funktionalen Elementen Gehäuse 10, Abtastschlitten 11, dieser wiederrum bestehend aus Abtastarray 11a und Abtastleuchte 11b und einer Glasplatte 12 zur Auflage der einzuscannenden Gegenstände 13 und zum Schutz des Abtastschlittens 11. In den in Fig. 3 dargestellten Objektträgerschachteln 14 werden die einzuscannenden Gegenstände 13 fixiert. Eine solche Schachtel ist ein idealer Probenträger zum steroskopischen Einscannen kleiner Gegenstände. Sie ermöglicht, die Gegenstände um ein definiertes Maß zu verschieben und dabei die Orientierung beizubehalten. Durch die Schachtel wird störendes Fremdlicht weitgehend abgeschirmt, auch wenn sich der Deckel des Scanners nicht schließen läßt. Die Verwendung der Schachtel engt den Winkelbereich weiter ein, unter dem die Abtastleuchte den Gegenstand anstrahlt. So vermindert sie eine unerwünschte Teilschattenbildung parallel zur Leuchtröhre. Außerdem ergibt sich an den verschiedenen Scanpositionen eine homogene Beleuchtungsstärke. Ohne die Schachtel werden Gegenstände, oder bestimmte Teile davon, wenn sie relativ weit von der Glasplatte entfernt sind, an den extremen Scanpositionen (am linken und rechten Rand der Glasplatte) etwas weniger beleuchtet . Hier deckt die Abtastleuchte vom Gegenstand aus betrachtet einen kleineren Winkelbereich ab .

Die Obj ektträgerschachteln 14 werden dann an mehreren Stellen auf der Glasplatte 12 typischerweise entlang einer Verschiebung in y- Richtung aufgelegt und einge-scannt . Länge, Breite und Tiefe sowie Innenauskleidung der Obj ektträgerschachteln sind scannerund/oder obj ektspezifisch ausgelegt . Ein softwaremäßiges Hinterlegen der normierten Schachtelmaße erleichtert die Berechnung des für die Darstellungen zu verwendenden Bildausschnittes . Die softwaremäßig hinterlegte Tiefe der Schachteln kann zur Normierung der Tiefeninformation eingesetzt werden . Die Innenauskleidung kann schließlich zur Farbeichung der Scans eingesetzt werden. Die in Fig . 4 dargestellte Markierung 15 an den Obj ektträgerschachteln 14 erlaubt ein softwaremäßiges Erkennen der Schachtelposition auf der Glasplatte 12 des Scanners 1 . Anstelle des dargestellten Markierungsrahmens kann eine beliebige Markierung eingesetzt werden . Obj ektträgerschachteln mit höhenverstellbarem Boden 16 erlauben es , die gegebene Tiefenschärfe des Scanners 1 optimal auszunützen . Eine auf den Scanner 1 aufsetzbare Einrichtung ( 17 ) zur Positionierung der Gegenstände 13 oder Obj ektträger 14 anhand von Skalierungen in y-Richtung 18 und x- Richtung 19 ist in Fig . 6 dargestellt . Scannerspezifisch kann diese Einrichtung 17 z .B . über die für die Befestigung des Scannerdeckels (20 ) vorgesehen Löcher etc . erfolgen . Um typen- und markenübergreifend einsetzbar zu sein, ist eine unspezifische Fixierung in der Art von Saugnäpfen, Riemen, Spanneinrichtungen etc . vorgesehen . Die Skalierung 18 ist typischerweise in Längenmaßen und/oder scannerspezifisch unter exakter Berücksichtigung der für den Scannertyp gegebenen speziellen nichtparallelen Optik angebracht . Fig. 7 zeigt einen Scannerdeckel mit integrierter Objektträgerschachtel 21, der an die Stelle des vom Hersteller mitgelieferten Scannerdeckels 20 eingesetzt wird. Zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen ist die integrierte Objektträgerschachtel 14 und/oder der gesamte Scannerdeckel verschiebbar gehaltert. Die Objektträgerschachtel 14 kann auch in einen Rahmen 22, auf dem der Scanner 1 aufschwenkbar gehaltert wird, integriert sein. Scanner 1 und Rahmen 22 und/oder Objektträgerschachtel 14 sind auch hier zur Erzeugung dreidimensionaler Aufnahmen verschiebbar miteinander verbunden. In einer Anordnung, in der der Scanner 1 fest kopfüber auf einen Stützrahmen 25 aufgesetzt ist, ist zur Verschiebung der Objektträgerschachtel 14 eine Einrichtung in der Art eines Pfannenstiels 23 mit Skalierung 24 vorgesehen. In der Kopfüber-Anordnung entfällt das aufwendige Fixieren der Objekte 13 in der Objektträgerschachtel 14. Sehr leicht können so auch Schüttgüter etc. erfaßt werden. Durch einfache Integration der gewonnenen Oberflächenform kann so eine stereoskopische Volumenmessung durchgeführt werden. In idealer Weise kann so auch die Füllmenge von Gebinden in der Industrie überwacht werden. Vor dem Einsatz eines handelsüblichen Scanners in der Kopfüber-Anordnung ist mit dem Hersteller abzuklären, ob die Mechanik in dieser Anordnung für den Dauerbetrieb ausgelegt ist. Ein weiteres Anwendungsgebiete sind Keimlinge etc. in biologischen Labors etc. Gerade bei solchen sehr filigranen Strukturen ist eventuell eine schwingungsgedämpfte Halterung der Objektträger sinnvoll, um ein Schwingen der Objekte während des Scanvorgangs, beispielsweis ausgelöst durch das Arbeiten des Schrittmotors, der den Abtastschlitten 11 ansteuert, zu verhindern. Der Scanner kann beispielsweise in festen Zeitintervallen auf die Keimlinge als Objekte aufgesetzt und aktiviert werden. Zwischenzeitlich kann er durch eine Lampe zum Anregen des Wachstums ersetzt werden. Man kann so das Wachstum der Keimling vierdimensional in Raum und Zeit erfassen und gegebenenfalls in Zeitraffer als Film, der das Wachstum in drei Dimensionen zeigt abspielen.

Für den Fall elektrisch ansteuerbarer Zusatzgeräte sind diese über alle in der Computertechnik üblichen Schnittstellen, wie SCSI, parallel, seriell, IRDA etc. mit dem Rechner verbunden. Hier ist jede Verbindungstopologie denkbar. Alle Geräte können direkt mit der Datenverarbeitungseinrichtung 2 verbunden werden. Die Leitung 26 der Schnittstelle kann aber auch durch mehrere Geräte durchgeschleift werden. In diesem Fall ist eine busspezifische Unterscheidung der Geräte, typischerweise über ID- Nummern nötig.

Alle oben beschriebenen Zusatzgeräte, können auch mit elektrischen Antriebselementen und Weg- und/oder Winkelgebern ausgerüstet sein, wie in Fig. 10 dargestellt. Das dreidimensionale Scannen ist hier völlig oder weitgehend automatisiert, alle Steuerinformationen werden automatisch an den Rechner 2 und von diesen übertragen. Als Übertragungsmedium kommen alle in der Computerindustrie üblichen Schnittstellen in Frage. Die Ansteuerung der Zusatzgeräte erfolgt direkt über einen Sannertreiber 4. Anstelle des Einsatzes von Zusatzgeräten zu handelsüblichen Scannern 1 bieten konstruktiv modifizierte Scanner noch weiterreichende Möglichkeiten der Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen. Eine Verschiebungsmöglichkeit des Abtastschlittens 11 in y-Richtung nach Fig. 2 ermöglicht ein völlig automatisches Herstellen von dreidimensionalen Aufnahmen von Gegenständen. Um die Scanzeit möglichst kurz zu halten, würde man typischerweise eine Aufnahme bei der Vorwärtsbewegung des Abtastschlittens 11, die andere bei der Rückwärtsbewegung er- fassen, wobei in diesem Fall auf eine hohe Reproduzierbarkeit der Mechanik bei Bewegungsumkehr geachtet werden muß. Die Verschiebung in z-Richtung ermöglicht ein scheibenweises Abscannen der Gegenstände 13, sowie eine bessere Ausnützung der Tiefenschärfe des Scanners 1. Der in Fig. 11 dargestellte modifizierte Scanner in Kopfüber-Anordnung 27 integriert z.B. die Funktionalität eines handelsüblichen Scanners mit dem in Fig. 9 dargestellten Untersetzrahmens 22. Einer der Vorteils dieser Anordnung ist, daß man unter gewissen Umständen auf die Glasplatte 12 verzichten kann, wodurch der Einfluß von Reflexionen, Verunreinigungen, Kratzern und dergleichen vermieden wird. In dieser Anordnung kann die obere Scannerwand durch eine Glasplatte ersetzt, weggelassen und eventuell auch mit einem Deckel versehen werden. Man kann dann direkt von oben den Gegenstand 13 in der Objektträgerschachtel 14 überwachen, was besonders zum Justieren von filigranen und instabilen Objekten wichtig ist. Durch diese Glasplatte/Öffnung könnte typischerweise auch die Beleuchtung von darunterliegenden biologischen Kulturen erfolgen, die als Objekte dienen. In analoger Weise können alle weiter oben aufgeführten Zusätze in den Scanner integriert werden. Besonders bei den elektrisch angesteuerten Zusätzen wie z.B. in Fig. 10 dargestellt, entfällt die aufwendige externe Verkabelung, eventuell auch ein zweites Netzteil. Scanner und integriertes Zusatzgerät können so bereits in der Konstruktionsphase optimal aufeinander abgestimmt werden. In Fig. 12 ist ein Scanner 28 mit zwei gegeneinander versetzten Abtastarrays 11 dargestellt. Die beiden stereoskopischen Teilbilder können so in einem Scanvorgang erfaßt werden. Fig. 13 zeigt schematisch in der Seitenansicht das Prinzip, bei dem der Abtastschlitten, mit mehreren Abtastarrays bestückt, auf einer beliebigen Bahn, hier als Kreisbahn 29 dargestellt, bewegt werden kann. In der Praxis wird man oft nur einen kleinen Teil einer solchen Bahn abfahren. Eine interessante Variante ergibt sich, wenn nur der untere Teil der Kreisbahn realisiert ist und eine zylinderförmige Glasabdeckung auf dem Teilstück aufgebracht ist. Diese Konstruktion kann man, in die Fahrbahn eingebracht, z.B. zum Vermessen von Profilstärken von Autoreifen verwenden. Neben den Abtastarrays 11a können mehrere Abtastleuchten 30 angebracht sein, um, einzeln oder in beliebigen Kombinationen betrieben, verschiedene Beleuchtungsverhältnisse zu schaffen. Auch das Abtasten mit anderen Teilen des elektromagnetischen Spektrums, wie z.B. Infrarot kann sinvoll sein. Anstelle der beiden identischen Abtastarrays 11a nach Fig. 12 können auch asymmetrische Abtastarrays 31 mit außermittig liegenden virtuellen Projektionszentren 31 eingesetzt werden. Typischerweise verwendet man zwei identische, die um 180° gegeneinander verdreht sind. Hierdurch kann die Scannerbreite effizienter genutzt werden. Die in Fig. 16 dargestellte verdrehbare Objektträgerschachtel 32 erlaubt das Einscannen der Gegenstände 13 in verschiedenen Orientierungen. Hiermit kann man sowohl die Beleuchtungsverhältnisse modifizieren, als auch die Orientierung der Objekte in bezug zur Verschiebungsrichtung verändern. Mit der in Fig. 17 dargestellten höhenverschiebbaren Glasplatte 33 kann man, wie mit den oben beschriebenen Objektträgerschachteln mit höhenverstellbarem Boden 16 oder dem in z- Richtung bewegbaren Abtastschlitten 11, die Tiefenschärfe des Scanners besser ausnützen, die Schärfe gegebenenfalls automatisch nachregeln, das Objekt in mehreren Schärfezonen erfassen oder auch eine Eichung der stereoskopisch erfaßten Tiefe anhand der mechanisch eingestellten Höhenregelung vornehmen. Mit der in Fig. 18 dargestellten verschiebbaren Glasplatte 34 kann man im wesentlichen dieselbe Verschiebung der Objekte erreichen, wie mit der Einrichtung 17 nach Fig. 6. Zu beachten ist allerdings, daß im Fall von Fig. 18 Kratzer etc. auf der Glasplatte bei den Einzelaufnahmen immer annähernd an derselben Stelle im Bild auftreten, bei einer Anordnung nach Fig. 6 hingegen an verschiedenen Stellen. Eine Sonderform des Scanners ist in Fig. 19 dargestellt. Hier ist ein Doppel- oder Mehrfachabtastarray 35 über einem Förderband mit Objekten 13 typischerweise höhenverstellbar angeordnet. In dieser Anordnung können die Gegenstände 13 beim Vorbeilaufen dreidimensional erfaßt werden. Eventuell kann das Abtastarray 35 dynamisch und/oder mittels einer Regelung an die Gegenstände 13 herangeführt werden. Hiermit ist dann beispielsweise ein Heißluftfön an z.B. ständig schrumpfendes Dörrobst auf optimale Entfernung regelbar heranführbar. Im Gegensatz zu andern Abstandssensoren ergibt sich hier über die gesamte Breite eine annähernd gleiche Empfindlichkeit. Es ist so auch eine stereoskopische Volumenmessung von Schüttgütern möglich. Es kann das Abtastarray 35 aber auch um 90° gedreht angeordnet sein und so die Objekte 13 auf dem Förderband 36 diskontinuierlich in Querbewegung abtasten. In dieser Sonderform würde bei entsprechender Koordinierung der Querbewegung des Abtastarrays 35 und Vorwärtsbewegung des Förderbandes auch nur ein einziges Abtastarray ausreichen. Fig. 20 zeigt einen Scanner mit Doppel- abtastarray 35 mit extern veranlaßter Abtastbewegung. Dieser könnte typischerweise zum mobilen Erfassen von Reliefs eingesetzt werden. Typische Einsatzfelder sind die Erfassung der Rauhigkeit von Mauerwerk, z.B. zur Abschätzung der Menge der benötigten Streichfarbe oder auch die Zustandsüberwachung von Straßenbelägen und Schienen. Fig. 21 zeigt die Benutzeroberfläche der modifizierten Softwareschnittstelle zum Scanner, dem sogenannten TWAIN-Treiber. Neben dem auch beim klassischen TWAIN-Treiber vorhanden Ein- und Ausgabefeld 38 und des Scanausschnittsfensters 39 existiert ein sog. Stereomodul 40. Über dieses werden alle Parameter ein- und ausgegeben, die zum stereoskopischen Erfassen notwendig sind, wie die Anzahl der Scans, die seitliche Verschiebung zwischen den Scans, und/oder die Auswahl der zu scannenden Fläche. Typischer-weise würde man hier z.B. im Fall der oben beschriebenen Scannerzusätze Anweisungen in Form einer graphischen Ausgabe geben, wo die Objektträgerschachtel 14 auf der Glasplatte 12 des Scanners 1 zu positionieren ist. Es könnten aber auch umgekehrt die an den Skalierungen 18 und 19 in Fig. 6 abgelesen Werte per Hand eingegeben werden. Ein so modifizierter Scanner-Treiber könnte von den Scannerherstellern zu bereits ausgelieferten Scannern über das Internet zum Download bereitgestellt werden.

Fig. 22 zeigt zur besseren Veranschaulichung des Prinzips der Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen einen optischen Scannern 1 mit nichtparalleler Optik 44, hier beispielhaft als zylindrische Optik dargestellt. Die Projektionslinien 42 laufen im virtuellen Projektionszentrum 43, das eine Gerade im Raum ist, zusammen. Der Gegenstand 13 wird an zwei Positionen, Position 45 für das rechte Auge und Position 46 für das linke Auge, auf der Glasplatte 12 des Scanners 1 aufgenommen. Die Projektionslinien 42 treffen auf den Gegenstand 13 an den beiden Positionen 45; 46 unter leicht unterschiedlichen Winkel, es entstehen zwei stereoskopische Teilbilder.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 optischer Scanner

2 Datenverarbeitungseinrichtung

4 Scannertreiber

5 Bilddatenverarbeitungssoftware

6 Anzeigemodul

7 3-D Modellgenerator

8 Holographiegenerator

9 Anzeigevorrichtung

10 Scannergehäuse

11 Abtastschlitten 11a Abtastarray 11b Abtastleuchte

12 Glasplatte

13 Gegenstand

14 Objektträgerschachtel

15 Markierung

16 höhenverstellbarer Boden

17 Reißschienensystem

18 y - Richtung

19 x - Richtung

20 Scannerdeckel

21 Scannerdeckel mit integrierter Obj ektträgerschachtel

22 Untersetzrahmen

23 Schachtelverschiebeeinrichtung in Form eines Pfannenstiels

24 Skalierung

25 Stützrahmen

26 Leitung der Schnittstelle

27 Kopfüber-Anordnung

28 Scanner

29 Kreisbahn Abtastleuchte Asymmetrisches Abtastarray rotierbare Objektträgerschachtel höhenverstellbare Glasplatte verschiebbare Glasplatte Doppelabtastarray Förderband Benutzeroberfläche der Softwareschnittstelle zum Scanner Ein- und Ausgabefeld Scannerausschnittsfenster Stereomodul elektrische Bauteile Proj ektionslinie virtuelles Proj ektionszentrum nichtparalle Optik Position für rechtes Auge Position für linkes Auge Parallele Optik

Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Aufnahmen mittels optischer Scanner in Verbindung mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Rechner (2) ein softwaregesteuerter, handelsüblicher oder modifizierter optischer Scanner (1), der mit einer nichtparallelen oder parallelen Abbildungsoptik (44) ausgerüstet ist und ein spezielles Display zur dreidimensionalen Darstellung oder übliches Display (9) vorgesehen sind.

Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur dreidimensionalen Abbildung handelsübliche Flachbettscanner (1) , die mit Abtasteinrichtungen ausgerüstet sind, die nach einer nichtparallelen oder parallelen Optik (44) arbeiten, mit Zusatzgeräten oder modifizierten austauschbaren Geräteteilen zur Positionierung der Aufnahmegegenstände (13) und zur Optimierung der Objektausleuchtung für die dreidimensionale Abbildung ausgerüstet sind.

3. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzgeräte aus Schachteln als Objektträger (14), Schachteln mit doppeltem Boden (16) als Objektträger, Anschlaglineale nach der Art des Reißschienensystems (17), modifizierte Scannerdeckel (21) mit integrierter Objektträgerschachtel, modifizierter Scannerdeckel mit integrierter Objektträgerschachtel für Kopfüberbetrieb, verschiebbare Objektträgerschachtel für Kopfüberbetrieb, Markierung (15) für Objektträgerschachtel (14) bestehen.

4. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektträgerschachteln (14) mit unterschiedlicher Länge, Breite, Tiefe und Innenauskleidung versehen und speziell für einen Scannertyp und/ oder eine Objektart (13) ausgelegt sind.

5. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektträger mit einer von der Software automatisch erkennbaren Markierung (15) versehen sind.

6. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2 bis 4, da- ^' durch gekennzeichnet, daß die Schachteln (14) einen höhenverstellbaren Boden (16) aufweisen.

7. Einrichtung zur Herstellung nach .Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der höhenverstellbare Boden (16) in einer oder mehreren bestimmten, vordefinierten

Höhen arretierbar angeordnet ist.

8. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine aufsetzbare und am Scanner (1) fixierbare Einrichtung (17) vorgesehen ist, mit der die Gegenstände (13) oder die Objektträger (14) auf oder über der Glasplatte (12) des Scanners (1) reproduzierbar und in definierter Orientierung positionierbar sind, wobei diese Einrichtung mit Skalierungen

(18; 19) in Längenmaßen und/oder mit einer geräteab- hängen Skalierung (18; 19) versehen ist.

9. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2, 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Positionierung in der Art einer Reißschiene, eines Panto- graphen, der Stiftansteuerung eines Plotters und dergleichen ausgebildet ist.

10. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schachtel (14) in einem austauschbaren Deckel (21) des Scanners integriert ist, wobei der Deckel (21) eine Einrichtung zur Verschiebung der Schachtel (14) aufweist und/oder der gesamte Deckel (21) mit der fixierten Schachtel (14) verschiebbar angeordnet ist.

11. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner (1) oberhalb des Objektträgers angeordnet ist, wobei der Scanner (1) auf einen Geräterahmen (22) aufsetzbar oder über ein Scharnier einschwenkbar in die Arbeitslage angeordnet ist.

12. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß alle Verschiebungen über Antriebselemente erfolgen und/oder die durch Antriebselemente automatisch erfolgende und/oder manuell erfolgende Positionierung maschinell erfaßbar ist.

13. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erfassung der Verschiebung optische, elektromechanische, induktive, akustische oder kapazitive Sensoren vorgesehen sind.

14. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübertragung über sämtliche, in der Computertechnik einsetzbare Schnittstellen erfolgt.

15. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein modifizierter Flachbettscanner (1) mit nichtparalleler oder paralleler Abbildungsoptik (44) zur dreidimensionalen Erfassung eingesetzt ist, mit dem die Aufnahme des Gegenstandes (13) automatisch oder teilautomatisch softwaregesteuert erfolgt, der über eine mehrdimensionale Verschiebeeinrichtung für den Abtastschlitten (11) und/oder über mehrere feststehende oder verschiebbare Abtastschlitten (11) verfügt und/oder wobei der Abtastschlitten (11) entlang jeder beliebigen Kurvenform steuerbar geführt angeordnet ist und/oder mit mehreren Lichtquellen (30) ausgestattet ist und/oder mit asymmetrisch und/oder mit schwenkbarem Strahlengang aufgebauten Abtastarrays (31) und/oder mit rotierbaren Objektträgern (32) und/oder mit höhenverstellbarer Glas- platte (33) und/oder mit verschiebbarer Glasplatte (34) ausgestattet ist und/oder die Glasplatte weggelassen ist und/oder die der Glasplatte (12) gegenüberliegende Abdeckung/Gehäusewand weggelassen oder ebenfalls durch eine Glasplatte (12) ersetzt ist und/oder die Funktionalität der Zusatzgeräte integriert ist.

16. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer nichtparallelen oder parallelen Abbildungsoptik (50) ausgerüstete Abtasteinrichtung (11) in seitlicher Richtung schwenkbar angeordnet ist und/oder der Abtaststrahlen (55) über optische oder elektrischer Systeme schwenkbar sind.

17. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß zum Scannen des Gegenstandes in unterschiedlicher Abtastrichtung die Abtasteinrichtung in und gegen die Bewegungsrichtung des Abtastschlittens kippbar angeordnet ist oder der Abtaststrahlen (55) über optische oder elektrische Systeme in Bewegungsrichtung ablenkbar sind.

18. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1 und 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwei identische Abtastleuchten vor und nach dem Abtastarray (11a) vorgesehen sind.

19. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere identische und/oder nicht identische und/oder modulierbare und/oder schwenkbare und/oder farbige strukurierte Abtastleuchten (54) vorgesehen sind.

20. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner und/oder der Objektträger

(14) schwingungsgedämpft gehaltert sind.

21. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als ein optischer Scanner (1) sowohl ein Scanner mit geräteintegrierter Bewegungseinrichtung als auch mit externer Abtastbewegung eingesetzt wird.

22. Einrichtung zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Abtastarray (11a) bzw. ein Mehrfachabtastarray (35) am Gegenstand (13), als auch der Gegenstand (13) am Abtastarray (11a) bzw. am Doppel- abtastarray (35) vorbeiführbar vorgesehen ist, wobei die Relativbewegungen zueinander beliebig kontinuierlich oder diskontinuierlich in Intervallen ist.

23. Verfahren zur Objekterfassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (13) zeitlich nacheinander und/oder gleichzeitig in zwei oder mehreren Aufnahmemodi erfaßt wird und zur Erfassung die Scannereinrichtung angesteuert wird, die Daten der zeitlich aufeinanderfolgenden _.und/oder gleichzeitig erfolgenden Erfassung gespeichert werden und nach Abschluß und/oder teilweise während des Scannprozesses zu einem räumlichen Modell und oder/oder räumlichen Abbildung rechnermäßig verarbeitet wird.

24. Verfahren zur Objekterfassung nach Anspruch 1 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Einscannen eines Gegenstandes in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung in zwei Aufnahmen unter verschiedenen Blickwinkeln vorgenommen wird.

25. Verfahren zur Objekterfassung nach Anspruch 1 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand in zwei um 180° gegeneinader verdrehten Orientierungen aufgenommen wird.

26. Verfahren zur Objekterfassung nach Anspruch 1 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen automatisch ausgewertet, nach qualitativen Parametern geprüft gegebenenfalls auch mehrfach wiederholt, mit modifizierten Einstellungen eingescannt werden.