WO1999060332A1 - Erfassung der räumlichen struktur einer dreidimensionalen oberfläche - Google Patents

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WO1999060332A1
WO1999060332A1 PCT/DE1999/001277 DE9901277W WO9960332A1 WO 1999060332 A1 WO1999060332 A1 WO 1999060332A1 DE 9901277 W DE9901277 W DE 9901277W WO 9960332 A1 WO9960332 A1 WO 9960332A1
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pixel
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PCT/DE1999/001277
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Rüdger Rubbert
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Orametrix Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/50—Depth or shape recovery
    • G06T7/521—Depth or shape recovery from laser ranging, e.g. using interferometry; from the projection of structured light
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30004—Biomedical image processing

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting the spatial structure of a three-dimensional surface by projecting a pattern onto the surface along a projection direction, which defines a first axis, and by pixel-wise detection of at least a region of the pattern projected onto the surface with the aid of one or more sensors in a viewing direction of the sensor or sensors which defines a second axis, the first and second axes (or a straight line parallel to the second axis) intersecting at an angle other than 0 °, so that the first and second axes ( or the parallel straight line) spanning a triangulation plane, the pattern being defined, at least when projected into a plane perpendicular to the first axis, by a changing physical variable that can be detected by the sensor (sensors), and the pattern being designed such that the Difference of physically measurable size, measured between predeterminable image pixels or pixel groups along a predeterminable, preferably parallel to the triangulation plane, row of pixels assumes at least two different values
  • the pattern specifically disclosed in this patent specification has a great deal of similarity to the bar codes, such as have been used for a long time, e.g. B. in retail to identify products and prices use, the sequence of different thick bars or bars defines a series of binary numbers, z. B. is clearly assigned to a product and its price.
  • the line widths and distances between such lines are distorted depending on the concrete structure of the surface, and the known method is characterized by facilities and measures which, despite the distortion, identify certain areas of the surface Enable line patterns so that the detected, distorted pattern can be matched to the projected pattern, the parameters of such an adjustment provide the structure of the surface, which causes the said distortions.
  • German patent application 196 38 727 which method is not limited to encoding a pattern in one direction only, but from individual different baren pattern elements each with a similar structure and size is composed, the pattern elements also mutually different in mutually perpendicular directions.
  • a coded pattern is characterized in that at least sections of the pattern that have a certain minimum size are not repeated anywhere on the entire pattern surface. Even if this requirement is not met in the strict sense, this means that repetitions of pattern structures can also occur, as long as these repetitions on the sample surface are only sufficiently far apart, so that when evaluating a depicted pattern structure there is a confusion between two randomly identical areas the pattern is practically excluded.
  • the line width in the illustration depends not only on inclinations of the surface in a direction parallel to the triangulation plane, but also on inclinations of the object or the surface with respect to a normal to the triangulation plane. This means that when projecting lines of different widths, due to an unfavorable formation of the spatial extent of the surface, for example, a narrow line in the image is shown in a width which is in the order of magnitude of the image of a line which is wide in the projected pattern and accordingly in the. Evaluation can lead to incorrect information.
  • This object is achieved in that only changes in the physical size between the predetermined pixels or predetermined pixel groups of one or more, preferably parallel to the triangulation, pixel rows are detected and evaluated in spatial coordinates of the surface for evaluating the depicted pattern structure.
  • the changes in the physical size are recorded at least in their component parallel to the triangulation plane and converted into spatial coordinates.
  • the change in the values of the specifically evaluated physical quantity recorded or reproduced in the image pixels can assume at least two different values, these different change values, which can occur from pixel to pixel or from pixel group to pixel group, can be used to define and recognize structures without the special properties of the surface playing a role.
  • the pattern is expediently aligned in such a way that in a predetermined measuring direction, along which pixels or groups of pixels are compared, the amount of the maximum change values is at least partially, while the other occurring change values are comparatively small or have the value zero.
  • a plurality of pixels one above the other in a column from pixel rows adjacent in the column direction are combined to form a pixel group, and the changes in the physical size and in each case between such pixel groups adjacent in the row direction are evaluated.
  • groups of neighboring pixels could also be compared, each consisting of a plurality of pixels lying side by side in the line direction.
  • the pixels combined to form a group from several rows can also be offset from one another, that is to say they come from different, but preferably closely spaced, columns.
  • An embodiment of the invention is particularly preferred in which the pattern is designed as a coded pattern, this requirement not being to be understood in the strict sense.
  • the pattern structures are expediently relatively small in comparison to the overall extent of the pattern, and the minimum size of the surface areas that have a pattern structure that does not repeat should be as small as possible in comparison to the total surface of the pattern, since this way the respective clearly identifiable ones Have pattern structures precisely localized accordingly. In some applications, however, pattern repetitions may also occur at a sufficiently large distance.
  • the pattern is formed by individual pattern elements which each occupy approximately equal areas in a plane perpendicular to the projection direction.
  • the equally large surface areas of individual sample elements facilitate evaluation if, for. B. Transitions from one
  • pattern elements are particularly distinctive and can thus be clearly detected, or if certain areas of individual pattern elements have major changes in the physical size to be measured in the line direction of the image pixels and thus serve as a well-located pattern recognition point.
  • An embodiment of the present invention is particularly preferred in which at least two types of sample elements are provided, in the area of which the physical size has a constant level or a constant value, this value of the relevant physical size being between the two types of Pattern elements each clearly distinguishable.
  • the transitions from a sample element of the first type to a sample element of the second type and vice versa can be determined very easily.
  • the differences that are formed between adjacent pixels or pixel groups take on the value zero for such pattern elements if the pixels or pixel groups to be compared are within the same pattern element and take the clearly measurable difference value between the two types of pattern elements if the one pixel or the one pixel group depicting one of the two pattern elements, while the adjacent pixel or the adjacent pixel group depict the other pattern element.
  • an embodiment of the present invention is preferred, in which at least one type or a further type of a pattern element is provided, in the surface area of which the value of the physical variable to be detected changes continuously along a predetermined direction.
  • a pattern element the changes in the physical size between adjacent pixels or pixel groups are generally relatively small, and due to the continuous change in the physical size in the area or in a partial area of this pattern element, these change values are in each case the same between all adjacent pixels or pixel groups.
  • An embodiment of the present invention is particularly preferred in which two types of such pattern elements with a continuous change in the physical size are provided within at least a partial area of these pattern elements, these two types differing from one another in that along the predetermined direction with respect to the progressive comparisons of neighboring ones Pixel or pixel groups the sign of the change in the physical quantity is just reversed.
  • the value of the physical quantity of interest increases, for. B. from pixel to pixel in each case by the same value, while in the other type of pattern element this value decreases from pixel to pixel in each case by a corresponding amount.
  • the pattern elements with a more or less continuous change in the physical size at least in certain areas make it possible to obtain a clear jump in the physical size in each case in the same direction in the transition to neighboring pixels or pixel groups at the transition to a further pattern element, while the ones previously defined Types of sample elements, within whose surface area the physical measurand has a constant value, the sign of the change at the transition to the next sample element, if there is any change, is clearly determined by the value of the physical size in the preceding sample element.
  • the change can take on two different values, each around it. Signs differ from each other, depending on which of the two types of pattern elements from the transition to the other type has taken place, however, after a previously positive change in the value of the physical measured variable with such pattern elements, only a negative or none at the transition to the next pattern element Change and vice versa.
  • a preferred example of a coded distribution is simply a random distribution of the different types of pattern elements on the entire projection surface. It is particularly preferred if all of the types of pattern elements defined above, i. H. Both those within whose area the physical size has a constant level and those that have an area within which the physical size changes continuously are used to generate such a pattern.
  • the surface area of a pattern element in the imaging plane should expediently correspond to a maximum of mxn pixels, where m and n are each greater than 2, but at the same time m is significantly smaller than M, and n is significantly smaller than N if M x N is the total number of captured or imaged image pixels.
  • the evaluation of the image data is made considerably easier if, when the pattern is projected onto a reference plane, the lines of the pattern are displayed on the image converter essentially parallel to the lines of the image converter.
  • the reference plane is the plane that is formed in the following way: (i) an auxiliary line is defined that runs parallel to the optical axis of the projection unit and intersects the optical axis of the recording unit, the line passing through this line and the optical axis of the Acquisition unit spanned plane in the sense of this invention is referred to as "triangulation plane"; (ii) the bisector of the optical axis of the recording unit and the auxiliary straight line is defined as the normal vector of the reference plane (the reference plane is thus perpendicular to the triangulation plane); (iii) the reference plane is placed so that the distance between the points of intersection of the two optical axes through the reference plane is minimal.
  • This definition takes into account the fact that the two optical axes will not intersect exactly in a real device, even if this is provided for in the design. If the lines of the pattern now run parallel to the triangulation level, the image of these lines on the image converter will run parallel to the lines of the image converter. When this pattern is projected onto a surface that does not correspond to the reference plane, the deviation from parallelism will only be of a small second order.
  • the pattern is designed in such a way and the projection of this pattern is carried out in such a way that when the pattern is projected onto a flat surface perpendicular to the triangulation plane, a structure arranged in lines results in a structure arranged in lines, these lines parallel to the triangulation plane lie and the characteristic dimensions of the change mentioned above result along these lines.
  • the pattern is projected onto the object to be measured using a beam source and suitable optical means;
  • the pattern to be projected is flat, with rows and columns essentially at right angles to one another, each with a uniform division, and different geometrical elements are arranged in the resulting division, which are optically permeable, impermeable or partially permeable;
  • the transparency of the partially permeable elements in the row direction increases either steadily from impermeable to permeable or from permeable decreases too impermeably;
  • the geometric elements in the pattern to be projected are arranged in such a way that in the division of the columns between the geometric elements there is a change from permeable to impermeable or from impermeable to permeable such that from the different sign of the dimension distributed over the pattern the change in the division grid of the columns can be determined from the image recording of the projected pattern of arbitrarily limited contiguous surface segments of the object of sufficient size, an unambiguous assignment to the respective projected pattern
  • a pattern consists of black and white elements arranged in a checkerboard pattern
  • the pattern is projected onto a white object with any three-dimensional extent using visible light and suitable optical means,
  • an image of the object is underneath
  • suitable optical means are generated on a flat image converter
  • the projection direction is different from the recording direction
  • the signal of the image converter is digitized, temporarily stored in an electronic storage device and fed to a data processing unit
  • the image converter is at right angles to one another organized rows and columns
  • the pattern is positioned in the projection device such that the lines of the checkerboard pattern extend in the direction of the lines of the image converter
  • the pattern are both the projection device and the recording device formed and positioned such that the triangulation angle extends to a distortion of the image of the checkerboard pattern in the column direction of the image converter (in other words: does the plane spanned by the triangulation angle extend in the direction of the columns of the projected pattern as
  • the image data which represent the projected pattern with the named statistical distribution of the pattern elements and thus the corresponding coding, are checked with respect to the individual pattern elements to determine whether the information content of the individual element can be clearly recognized on the basis of the recording. If this uniqueness is not guaranteed, the corresponding sample element must be excluded from further data processing.
  • the information elements are subsequently generated by edge detection and evaluation and adjacent, uniquely recognized information elements are assigned to so-called clusters.
  • a cluster is a group of adjacent information elements. The plausibility of the arrangement of the decoded information can be checked by comparing the decoded information of the recorded pattern projected onto the object with the pattern content to be projected become.
  • the deviating information element is falsified and discarded. If the corresponding information element is on the edge of the cluster, a correspondingly corrected limitation results. If the information element is in the middle of a cluster, the cluster may need to be divided and the clear assignment of the two resulting partial clusters checked again. If the smaller clusters cannot be clearly assigned, all corresponding information elements must be falsified and discarded. As a result, the clusters show connected surface segments whose pattern elements of the projected pattern can be clearly assigned to the corresponding pattern element in the pattern to be projected due to the information content of the adjacent pattern elements available in the cluster.
  • three-dimensional coordinates can be calculated as support points of the surface of the object by means of triangulation.
  • three adjacent base points not lying in a row can advantageously be defined according to the invention as a triangle and thus also as a triangular surface, so that a surface return from a point cloud required in other methods is not necessary.
  • Pattern, and Figure 3 illustrations of a human head with and without projected on it
  • FIG. 1 shows a section of a coded pattern in the upper area, specifically in a plane perpendicular to the projection axis, and in the lower area the structures which result from the evaluation method according to the present invention.
  • a square field of 8 ⁇ 8 pattern elements with a total of four different types of pattern elements can be seen.
  • a grid of image pixels is placed over the pattern shown, on which a corresponding pattern can be mapped.
  • each pattern element occupies an area of 8 5 image pixels.
  • the four different types of pattern elements are all recognizable within the upper left area of 3 x 2 pattern elements.
  • the degree of blackening of a pixel or the degree of blackening of a group of five pixels one above the other can be used as a physically measurable variable for identifying the pattern structures.
  • the maximum degree of blackening of this pattern occurs on the left edge, the degree of blackening then continuously decreasing from left to right and could be concretely recorded as the sum of the degrees of blackening of all five pixel elements in a column one above the other the area of this pattern element fall.
  • the eighth group of five pixels of this pattern element arranged one above the other in a column no longer has any degree of blackening and is completely white.
  • Another pattern element 3 which has the maximum degree of blackening over its entire surface. This pattern element 3 is specifically designated here by the reference number 1.
  • pattern element 2 is largely similar to pattern element 1, with the only difference that the degree of blackening of the eight pixel groups of this pattern element arranged in columns increases continuously from left to right, whereas it continuously decreased in pattern element 1.
  • a pattern element 4 can be seen under the pattern element 1, which differs from the pattern element 2 in that it has no degree of blackening on its entire surface. What is characteristic of the pattern is above all the transitions between adjacent pattern elements, which can form a transition from white to black or from black to white, pattern elements 1 and 3 also making it possible for identical transitions from black to white or from white Repeat after black on successive pattern elements several times.
  • next five pixels remain white, which means that they show the minimum degree of blackening, and a jump to the maximum degree of blackening takes place in this line when moving to the next pattern element. Since this pattern element is identical to the previous one, the curve is repeated. At the transition to the next pattern element, there is again a jump to the maximum degree of blackening, which, however, remains constant until the transition to the fourth pattern element takes place, which is completely white. Within its area, the pixel line 8, which indicates the degree of blackening, remains at the minimum value, as shown in line 10. The continuation of the curve is analogous to the description above.
  • the underlying curve 1 1 is obtained in a somewhat different way.
  • the degrees of blackening of five superimposed pixels in the group of pixel rows are shown, which are identified by 9 in the upper part of the image and which define a series of pattern elements.
  • a white pattern element 4 On the far left is a white pattern element 4, so that a corresponding minimal degree of blackening is displayed in line 11 in the area of this pattern element.
  • a jump to a completely black pattern element so that the maximum degree of blackening is then continuously reproduced in the area of the second pattern element.
  • the sixth pattern element differs from the third and fourth pattern element only in the sign of the change in the degree of blackening, ie in the sixth element The degree of blackening continuously decreases from a maximum initial value from left to right to the minimum value.
  • the seventh pattern element of this pattern element row is identical to the second, and the eighth pattern element again corresponds to the third and fourth pattern element of this row.
  • line 1 2 an evaluation of this structure is shown, which could also be described as a derivative of the curve shown in line 1 1.
  • line 12 shows the differences in the degrees of blackening of two successive pixel columns, each consisting of five pixels one above the other, in the row 9 of pattern elements. These changes are at a maximum at the transition from one pattern element to the next pattern element if this is a transition from a purely black pixel column to a purely white pixel column or vice versa.
  • FIG. 3 shows a surface which is curved in space and on which a pattern is projected, the viewing direction being the direction perpendicular to the paper plane, while the Direction of the projection on the pattern is inclined relative to the viewing direction by the triangulation angle.
  • the viewing direction being the direction perpendicular to the paper plane
  • the Direction of the projection on the pattern is inclined relative to the viewing direction by the triangulation angle.
  • FIG. 2 which conventional pattern recognition methods would face in the depicted image ratios, but which is easily overcome by the method of the present invention.
  • FIG. 2 With the surface shown, the incidence of light is evidently such that reflections appear in the right edge area of the recognizable pattern, so that the pattern appears much brighter in this area than in the rest of the area.
  • a negative representation of the upper pattern can be seen in the lower part of FIG. 2, so that in this case the right-hand area of the pattern appears much darker. This makes the pattern recognition with conventional pattern recognition methods very difficult or even impossible.
  • FIG. 3 shows a concrete application example in the form of the detection of the spatial structures of a human face. While the model of a human face is shown on the left in FIG. 3 as a photo at approximately 30 ° to the plane of symmetry of the face and once at approximately 75 ° to the plane of symmetry of the face, the same views can be seen on the right with a pattern projected onto the face .
  • the direction of projection lies in the plane of symmetry of the face and essentially horizontally.
  • the distances of the individual light-dark transitions in the shown projection pattern with the help of corresponding evaluation algorithms capture the spatial structure of the face surface and save it digitally. This in turn can be used for the purpose of personal recognition or for medical purposes, such as. B. in computer-assisted, minimally invasive surgery.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der räumlichen Struktur einer dreidimensionalen Oberfläche durch Projizieren eines Musters auf die Oberfläche entlang einer Projektionsrichtung, die eine erste Achse definiert, und durch pixelweise Erfassung mindestens eines Bereiches des auf die Oberfläche projizierten Musters mit Hilfe eines oder mehrerer Sensoren in einer Betrachtungsrichtung des Sensors oder der Sensoren, welche eine zweite Achse definiert, wobei die erste und die zweite Achse (oder eine zur zweiten Achse parallele Gerade) sich unter einem von 0° verschiedenen Winkel schneiden, so daß die erste und die zweite Achse (bzw. die hierzu parallele Gerade) eine Triangulationsebene aufspannen, wobei das Muster mindestens bei Projektion in eine Ebene senkrecht zur ersten Achse durch eine sich ändernde, von dem Sensor (Sensoren) erfaßbare physikalische Größe definiert ist.

Description

ERFASSUNG DER RAUMLICHEN STRUKTUR EINER DREIDIMENSIONALEN OBERFLACHE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der räumlichen Struktur einer dreidimensionalen Oberfläche durch Projizieren eines Musters auf die Oberfläche entlang einer Projektionsrichtung, die eine erste Achse definiert, und durch pixelweise Erfassung mindestens eines Bereiches des auf die Oberfläche projizierten Musters mit Hilfe eines oder mehrerer Sensoren in einer Betrachtungsrichtung des Sensors oder der Sensoren, welche eine zweite Achse definiert, wobei die erste und die zweite Achse (oder eine zur zweiten Achse parallele Gerade) sich unter einem von 0° verschiedenen Winkel schneiden, so daß die erste und die zweite Achse (bzw. die hierzu parallele Gerade) eine Triangulationsebene aufspannen, wobei das Muster mindestens bei Projektion in eine Ebene senkrecht zur ersten Achse durch eine sich ändernde, von dem Sensor (Sensoren) erfaßbare physikalische Größe definiert ist und wobei das Muster derart ausgestaltet ist, daß die Differenz der physikalisch meßbaren Größe, gemessen zwischen vorgebbaren Bildpixeln oder Pixelgruppen entlang einer vorgebbaren, vorzugsweise zur Triangulationsebene parailelelen, Pixelreihe mindestens zwei verschiedene Werte annimmt
Ein solches Verfahren ist beispielsweise bekannt geworden durch das US-Patent 5,615,003.
Das in dieser Patentschrift konkret offenbarte Muster hat sehr viel Ähnlichkeit mit den Strichcodes, wie sie schon seit langem z. B. im Einzelhandel zur Identifizierung von Produkten und Preisen Verwendung finden, wobei die Folge unterschiedlich dicker Striche oder Balken eine Reihe von Binärzahlen definiert, die z. B. einem Produkt und seinem Preis eindeutig zugeordnet ist. Für die Zwecke der Erfassung der räumlichen Struktur einer dreidimensionalen Oberfläche werden allerdings die Strichbreiten und Abstände zwischen derartigen Strichen je nach der konkreten Struktur der Oberfläche verzerrt, und das bekannte Verfahren zeichnet sich durch Einrichtungen und Maßnahmen aus, die trotz der Verzerrung eine Identifizierung bestimmter Bereiche des Strichmusters ermöglichen, so daß das erfaßte, verzerrte Muster an das projizierte Muster angepaßt werden kann, wobei die Parameter einer solchen Anpassung die Struktur der Oberfläche liefern, weiche die genannten Verzerrungen hervorruft.
Ein anderes, ähnliches Verfahren, welches ein kodiertes Muster verwendet, ist aus der deutschen Patentanmeldung 196 38 727 bekannt, wobei dieses Verfahren sich nicht auf die Kodierung eines Musters nur in einer Richtung beschränkt, sondern aus einzelnen unterscheid- baren Musterelementen mit jeweils ähnlicher Struktur und Größe zusammengesetzt ist, wobei sich die Musterelemente auch in zueinander senkrechten Richtungen wechselseitig voneinander unterscheiden. Ein kodiertes Muster ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Ausschnitte des Musters, die eine bestimmte Mindestgröße haben, sich an keiner Stelle auf der gesamten Musterfläche wiederholen. Auch wenn diese Forderung nicht im strengen Sinne erfüllt ist, so bedeutet dies, daß durchaus auch Wiederholungen von Musterstrukturen vorkommen können, solange diese Wiederholungen auf der Musterfläche nur hinreichend weit auseinanderliegen, so daß bei der Auswertung einer abgebildeten Musterstruktur eine Verwechselung zwischen zwei zufällig identischen Bereichen des Musters praktisch ausgeschlossen ist.
Alle bisher bekannten Verfahren arbeiten jedoch grundsätzlich nach dem Prinzip der Mustererkennung, d. h. der rechnerisch nachvollzogenen Abbildung des ebenen Musters auf das aus der Betrachtungsrichtung auf einer nichtebenen Oberfläche abgebildete, verzerrte Muster. Dabei treten jedoch immer dann Probleme auf, wenn sich in der Abbildung abhängig von der räumlichen Erstreckung oder sonstigen Ausbildung der Oberfläche der Informationsgehalt des projizierten Musterelementes verändern kann. Wenn z. B. die zu messende und sich ändernde physikalische Größe, durch welche die Musterstruktur definiert wird, die Farbe des Musters oder einzelner Musterelemente beinhaltet, so kann die Interpretation von Farbinformation im projizierten Muster durch eine farbliche Ausgestaltung der Oberfläche gestört oder gar unmöglich gemacht werden. Bei der Verwendung unterschiedlicher Linienbreiten für ein Muster hängt die Linienbreite in der Abbildung nicht nur von Neigungen der Oberfläche in einer Richtung parallel zur Triangulationsebene, sondern auch von Neigungen des Objektes bzw. der Oberfläche bezüglich einer Normalen zur Triangulationsebene. Dies bedeutet, daß bei der Projektion unterschiedlich breiter Linien aufgrund einer ungünstigen Ausbildung der räumlichen Erstreckung der Oberfläche sich beispielsweise eine schmale Linie im Abbild in einer Breite darstellt, die in der Größenordnung des Abbilds einer im projizierten Muster breiten Linie liegt und dementsprechend bei der. Auswertung zu einer falschen Information führen kann.
Außerdem stellt die Auswertung kodierter Muster mit unterschiedlicher geometrischer Ausbildung von Musterelementen sehr hohe Anforderungen an die auswertende Datenverarbeitung, da sich im Abbild die Geometrie der projizierten Mustereiemente stark verzeichnet wiederfinden kann.
Gegenüber dem vorstehend geschilderten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erfassung der räumlichen Struktur einer dreidimensionalen Oberfläche zu schaffen, welches von verschiedenen Neigungen bezüglich einer Normalen zur Triangulationsebene und auch von den sonstigen Oberflächeneigenschaften, weiche unabhängig von der räumlichen Erstreckung der Oberfläche die zu messende physikalische Größe beeinflussen können, weitgehend unabhängig ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Auswertung der abgebildeten Musterstruktur jeweils nur Änderungen der physikalischen Größe zwischen den vorgebenen Pixeln oder vorgegebenen Pixelgruppen einer oder mehrerer, vorzugsweise zur Triangulationsebene parallelen, Pixelreihen erfaßt und in räumliche Koordinaten der Oberfläche umgerechnet werden.
Dabei werden die Änderungen der physikalischen Größe mindestens in Ihrer zur Triangulatai- onsebene parallelen Komponente erfaßt und in räumliche Koordinaten umgerechnet.
Dadurch daß lediglich Änderungen der zu erfassenden physikalischen Meßgröße des Musters, vorzugsweise zwischen benachbarten Pixeln oder benachbarten Pixelgruppen, erfaßt werden, werden spezielle Oberflächeneigenschaften gleichsam eliminiert, da die Oberflächenbereiche, die vor allem durch benachbarte Pixel abgebildet werden, im Regelfall die gleichen Eigenschaften haben. Auch die Neigung der Oberfläche gegenüber einer Normalen zur Triangulationsebene wirkt sich in keiner Weise auf die Erfassung und gegebenenfalls Identifizierung der Musterstruktur aus, da nicht das Muster hinsichtlich seiner speziellen Maße und Formen erfaßt und mit dem ursprünglichen Projektionsmuster verglichen und angepaßt wird, sondern da lediglich die in vorgebenen, vorzugsweise benachbarten, Pixeln oder Pixelgruppen gemessenen Werte der interessierenden physikalischen Größe miteinander verglichen werden, konkret durch Bilden der Differenz. Das konkret abgebildete Muster ergibt sich dann einfach anhand charakteristischer Veränderungen der physikalischen Größe von bestimmten Pixeln zu anderen vorgebenen Pixeln, vor allem ihren Nachbarpixeln, bzw. von bestimmten Pixelgruppen zu anderen vorgegebenen, vorzugsweise benachbarten, Pixelgruppen, oder entlang einer anderen geeigneten Folge von miteinander zu vergleichenden Pixeln.
Da erfindungsgemäß die Änderung der in den Bildpixeln erfaßten bzw. wiedergegebenen Werte der konkret ausgewerteten physikalischen Größe mindestens zwei verschiedene Werte annehmen kann, lassen sich durch diese unterschiedlichen Änderungswerte, die von Pixel zu Pixel bzw. von Pixelgruppe zu Pixelgruppe auftreten können, Strukturen definieren und wiedererkennen, ohne daß die speziellen Eigenschaften der Oberfläche dabei eine Rolle spielen. Zweckmäßigerweise wird das Muster so ausgerichtet, daß sich in einer vorgebenen Meßrichtung, entlang welcher Pixel oder Pixelgruppen miteinander verglichen werden, mindestens teilweise dem Betrag nach maximale Änderungswerte ergeben, während die übrigen auftretenden Änderungsswerte dem Betrag nach vergleichsweise klein sind oder den Wert Null haben.
In einer bevorzugten Variante der bevorzugten Erfindung werden jeweils mehrere in einer Spalte übereinanderliegende Pixel von in Spaltenrichtung benachbarten Pixelreihen zu einer Pixelgruppe zusammengefaßt, und es werden die Änderungen der physikalischen Größe und jeweils zwischen derartigen in Zeilenrichtung benachbarten Pixelgruppen ausgewertet. Es könnten jedoch auch Gruppen von benachbarten Pixeln verglichen werden, die jeweils aus mehreren, in Zeiienrichtung nebeneinanderliegenden Pixeln bestehen. In einer Variante dieser Ausgestaltung können die zu je einer Gruppe zusammengefassten Pixel aus mehreren Zeilen auch jeweils gegeneinander versetzt sein, also aus verschiedenen, vorzugsweise aber nahe beieinander liegenden Spalten stammen.
Es versteht sich im übrigen, daß die "Zeilen" und "Spalten" von Pixeln eines Bildsensors oder Bildes, so wie diese Begriffe im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, nicht notwendigerweise entlang gerader und einander senkrecht schneidender Linien verlaufen müssen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Muster als kodiertes Muster ausgebildet ist, wobei diese Anforderung nicht im strengen Sinne zu verstehen ist.
Zweckmäßigerweise sind die Musterstrukturen im Vergleich zur Gesamtausdehnung des Musters relativ klein, und auch die Mindestgröße der Flächenbereiche, die eine Musterstruktur aufweisen, welche sich nicht wiederholt, sollte im Vergleich zur Gesamtfläche des Musters möglichst klein sein, da sich auf diese Weise die jeweiligen eindeutig identifizierbaren Musterstrukturen entsprechend genau lokalisieren lassen. In hinreichend großem Abstand dürfen jedoch bei manchen Anwendungsfällen auch Musterwiederholungen auftreten.
Weiterhin ist eine Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, bei welcher das Muster von einzelnen Musterelementen gebildet wird, die in einer Ebene senkrecht zur Projektionsrichtung jeweils in etwa gleich große Flächen beanspruchen. Die gleich großen Flächenbereiche einzelner Musterelemente erleichtern die Auswertung, wenn z. B. Übergänge von einem Mustereiement zum anderen besonders markant sind und damit deutlich erfaßt werden oder wenn bestimmte Bereiche einzelner Musterelemente starke Änderungen der zu messenden physikalischen Größe in Zeilenrichtung der Bildpixel aufweisen und damit als gut lokalisierbarer Mustererkennungspunkt dienen.
Dabei ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, bei welcher mindestens zwei Typen von Mustereiementen vorgesehen sind, in deren Bereich die physikalische Größe jeweils ein konstantes Niveau bzw. einen konstanten Wert hat, wobei sich dieser Wert der betreffenden physikalischen Größe zwischen den beiden Typen von Musterelementen jeweils deutlich meßbar unterscheidet. Auf diese Weise können sehr einfach die Übergänge von einem Musterelement des ersten Typs zu einem Musterelement des zweiten Typs und umgekehrt festgestellt werden. Die Differenzen, die zwischen benachbarten Pixeln bzw. Pixelgruppen gebildet werden, nehmen bei derartigen Musterelementen den Wert Null an, wenn sich die zu vergleichenden Pixel bzw. Pixelgruppen innerhalb desselben Musterelementes befinden und nehmen den deutlich meßbaren Unterschiedswert zwischen den beiden Typen von Musterelementen an, wenn das eine Pixel bzw. die eine Pixelgruppe das eine der beiden Musterelemente abbildet, während das benachbarte Pixel bzw. die benachbarte Pixelgruppe das jeweils andere Musterelement abbildet. Auf diese Weise ergeben sich an den Übergängen von einem Musterelement zum anderen jeweils deutlich meßbare Änderungen und insofern auch Meßpunkte zur Identifizierung der Musterstruktur und der Lage dieser Übergänge. Dies gilt selbst dann, wenn die Oberflächeneigenschaften des untersuchten Gegenstandes sich im projizierten Musterbereich erheblich ändern, so daß die gleichen Übergänge zwischen identischen Musterelementen, jedoch an verschiedenen Orten der Oberfläche, deutlich verschiedene Differenzen zeigen und dennoch als gleichartige Übergänge erkannt werden, weil die Differenz sich in beiden Fällen immer noch deutllich von anderen auftretenden Differenzwerten (zum Beispiel dem Differenzwert Null) unterscheiden.
Darüberhinaus ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, bei welcher mindestens ein Typ bzw. ein weiterer Typ eines Musterelementes vorgesehen ist, in dessen Flächenbereich sich entlang einer vorgegebenen Richtung der Wert der zu erfassenden physikalischen Größe kontinuierlich verändert. Bei einem derartigen Musterelement sind die Änderungen der physikalischen Größe zwischen benachbarten Pixeln oder Pixelgruppen im allgemeinen relativ klein, wobei aufgrund der kontinuierlichen Veränderung der physikalischen Größe im Bereich bzw. in einem Teilbereich dieses Musterelementes diese Änderungswerte zwischen allen benachbarten Pixeln oder Pixelgruppen jeweils gleich sind. Erst beim Übergang zu einem anderen Musterelement oder aber wenn man einen Bereich des Musterelementes erreicht, in weichem die physikalische Größe sich nicht mehr kontinuierlich entsprechend dem vorher definierten Maß ändert, kann eine größere Differenz der physikalischen Größe zwischen benachbarten Pixeln oder Pixeigruppen auftreten, die wiederum charakteristisch für einen bestimmten Bereich des Musters ist.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher zwei Typen derartiger Musterelemente mit kontinuierlicher Änderung der physikalischen Größe innerhalb mindestens eines Teilbereiches dieser Musterelemente vorgesehen ist, wobei sich diese beide Typen voneinander dadurch unterscheiden, daß entlang der vorgegebenen Richtung bezüglich der fortschreitenden Vergleiche benachbarter Pixel oder Pixelgruppen das Vorzeichen der Änderung der physikalischen Meßgröße gerade umgekehrt ist. In dem betreffenden Flächenbereich des Musterelementes eines ersten Typs nimmt also der Wert der interessierenden physikalischen Größe z. B. von Pixel zu Pixel jeweils um den gleichen Wert zu, während dieser Wert bei dem anderen Typ von Musterelement von Pixel zu Pixel jeweils um einen entsprechenden Betrag abnimmt.
Beim Übergang zu einem benachbarten Musterelement können allerdings erheblich größere Differenzen in den Werten der physikalischen Größe zwischen benachbarten Pixeln oder Pixelgrupen auftreten.
Die Mustereiemente mit einer mindestens bereichsweise mehr oder weniger kontinuierlichen Änderung der physikalischen Größe ermöglichen es, daß man beim Übergang zu benachbarten Pixeln oder Pixelgruppen am Übergang zu einem weiteren Musterelement einen deutlichen Sprung der physikalischen Größe jeweils in derselben Richtung erhalten kann, während bei den zuvor definierten Typen von Musterelementen, innerhalb deren Flächenbereich die physikalische Meßgröße jeweils einen konstanten Wert hat, das Vorzeichen der Änderung beim Übergang zum nächsten Musterelement, sofern überhaupt eine Änderung vorhanden ist, eindeutig durch den Wert der physikalischen Größe in dem voraufgehenden Mustereiement festgelegt ist.
Die Änderung kann dabei zwar zwei verschiedene Werte annehmen, die sich jeweils um ihr . Vorzeichen voneinander unterscheiden, je nachdem von welchem der zwei Typen von Musterelementen aus der Übergang zu dem jeweils anderen Typ stattgefunden hat, jedoch kann nach einer zuvor erfolgten positiven Änderung des Wertes der physikalischen Meßgröße bei derartigen Musterelementen beim Übergang zum nächsten Mustereiement nur eine negative oder keine Änderung erfolgen und umgekehrt. Dagegen ist es bei den Typen von Muster- elementen, die eine bereichsweise kontinuierliche Änderung aufweisen, die aber zwischen jeweils benachbarten Pixeln innerhalb dieser Bereiche relativ klein ist und deshalb ignoriert werden kann, der Wert der physikalischen Größe kontinuierlich immer wieder auf einen zuvor schon erreichten Wert gebracht werden, der dann beim Übergang zum nächsten Musterelement oder auch innerhalb des gegebenen Musterelementes abrupt geändert wird, wobei diese abrupte Änderung als charakteristisches Strukturelement des Musters erfaßt wird und eine bestimmte Richtung bzw. ein bestimmtes Vorzeichen hat, wobei ohne weiteres Änderungen mit dem gleichen Vorzeichen oder etwa mit entgegengesetzten Vorzeichen sich anschließen können, je nachdem welcher Typ von Musterelement der nächstfolgende und der als übernächstes folgende ist.
Bei solchen verschiedenen Typen von Musterelementen ist es selbstverständlich zweckmäßig, wenn diese Typen in einer kodierten Verteilung auf der Fläche des projizierten Musters angeordnet sind, wobei der Begriff der kodierten Verteilung oben bereits erläutert wurde. Ein bevorzugtes Beispiel einer kodierten Verteilung ist einfach eine Zufallsverteilung der verschiedenen Typen von Musterelementen auf der gesamten Projektionsfläche. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn alle vorstehend definierten Typen von Musterelementen, d. h. sowohl diejenigen, innerhalb deren Flächenbereich die physikalische Größe jeweils ein konstantes Niveau hat, als auch diejenigen, die einen Flächenbereich haben, innerhalb dessen die physikalische Größe sich jeweils kontinuierlich ändert, für die Erzeugung eines solchen Musters verwendet werden.
Zweckmäßigerweise sollte der Flächenbereich eines Musterelementes in der Abbildungsebene maximal eine Anzahl von m x n Pixeln entsprechen, wobei m und n jeweils größer als 2 sind, gleichzeitig m jedoch deutlich kleiner als M, und n deutlich kleiner als N ist, wenn M x N die Gesamtzahl der erfaßten bzw. abgebildeten Bildpixel ist.
Dabei ist es weiterhin zweckmäßig, wenn für die Musterkodierung und Identifikation von Musterelementen bzw. charakteristischen Bereichen des Musters nur Änderungen ausgewertet werden, welche größer sind als die Änderungen zwischen benachbarten Pixelgruppen innerhalb derjenigen Musterelementtypen, die mindestens teilweise eine kontinuierliche Änderung der physikalischen Größe aufweisen. Bereits weiter oben wurde schon erwähnt, daß die kleinen Änderungen der physikalischen Größe, die entlang dieses Bereiches zwischen benachbarten Pixeln oder Pixelgruppen auftreten, im Vergleich zu den relativ starken Änderungen, die zwischen benachbarten Musterelementen auftreten können, ignoriert werden können. Darüberhinaus ist eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei welcher zwei Messungen mit relativ zueinander abgewinkelten Triangulationsebenen vorgenommen werden, wobei bei den beiden Messungen die Triangulationsebenen vorzugsweise um ca. 90° gegeneinander abgewinkelt sind.
Es erleichtert die Auswertung der Bilddaten wesentlich, wenn bei der Projektion des Musters auf eine Referenzebene die Abbildung der Zeilen des Musters auf dem Bildwandler im wesentlichen parallel zu den Zeilen des Bildwandlers erfolgt. Als Referenzebene wird hier diejenige Ebene bezeichnet, die auf folgende Weise gebildet wird: (i) es wird eine Hilfsgerade definiert, die parallel zur optischen Achse der Projektionseinheit verläuft und die optische Achse der Aufnahmeeinheit schneidet, wobei die durch diese Gerade und die optische Achse der Aufnahmeeinheit aufgespannte Ebene im Sinne dieser Erfindung als "Triangulationsebene" bezeichnet wird; (ii) die Winkelhalbierende der optischen Achse der Aufnahmeeinheit und der Hilfsgeraden wird als Normalenvektor der Referenzebene festgelegt (die Referenzebene liegt damit senkrecht zur Triangulationsebene); (iii) die Referenzebene wird so gelegt, daß der Abstand zwischen den Durchstoßpunkten der beiden optischen Achsen durch die Referenzebene minimal ist. Diese Definition trägt der Tatsache Rechnung, daß sich die beiden optischen Achsen bei einer realen Vorrichtung nicht exakt schneiden werden, auch wenn dies konstruktiv vorgesehen ist. Wenn nun die Zeilen des Musters parallel zur Triangulationsebene verlaufen, so wird das Abbild dieser Zeilen auf dem Bildwandler parallel zu den Zeilen des Bildwandlers verlaufen. Bei der Projektion dieses Musters auf eine Oberfläche, die nicht der Referenzebene entspricht, wird die Abweichung von der Parallelität lediglich klein zweiter Ordnung sein.
Vorteilhaft ist es auch, wenn das Muster derart ausgebildet ist und die Projektion dieses Musters in der Art erfolgt, daß sich bei Projektion des Musters auf eine zur Triangulationsebene senkrecht liegende ebene Fläche mit einheitlicher Oberflächenausbildung eine in Zeilen geordnete Struktur ergibt, diese Zeilen parallel zur Triangulationsebene liegen und sich die charakteristischen vorstehend benannten Maße der Änderung entlang dieser Zeilen ergeben.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn (i) das Muster unter Verwendung einer Strahiquelle und geeigneter optischer Mittel auf das zu vermessende Objekt projiziert wird; (ii) das zu projizierende Muster flächig, mit im wesentlichen rechtwinklig zueinanderstehenden Zeilen und Spalten mit jeweils gleichmäßiger Teilung ausgebildet ist und in der sich daraus ergebenden Teilung unterschiedliche geometrische Elemente angeordnet sind, die optisch durchlässig, undurchlässig oder teildurchlässig sind; (iii) die Transparenz der teildurchlässigen Elemente in Zeilenrichtung sowohl stetig von undurchlässig zu durchlässig zunimmt oder von durchlässig zu undurchlässig abnimmt; (iv) die geometrischen Elemente im zu projizierenden Muster derart angeordnet sind, daß sich in der Teilung der Spalten zwischen den geometrischen Elementen ein Wechsel von durchlässig zu undurchlässig oder von undurchlässig zu durchlässig derart ergibt, daß aus dem über das Muster verteilten unterschiedlichen Vorzeichen des Maßes der Änderung im Teilungsraster der Spalten sich aus der Bildaufnahme des projizierten Musters von beliebig begrenzten zusammenhängenden Flächensegmenten des Objektes hinreichender Größe eine eindeutige Zuordnung zu der jeweiligen projizierten Musterpartie bestimmen läßt; (v) die vom Objekt reflektierte Strahlung zumindest in Teilen durch geeignete optische Mittel auf einen flächigen CCD-Bildwandler, dessen strahlungsempfindliche Elemente ebenfalls in Zeilen und Spalten organisiert sind, abgebildet und von diesem in ein elektrisches Signal gewandelt wird und in diesem elektrischen Signal der Informationsgehalt der vom Objekt reflektierten Anteile des projizierten Musters zumindest in Teilen enthalten ist; (vi) die Richtungen der optischen Achsen für die Projektion des Musters und für die Abbildung des Objektes auf den Bildwandler voneinander verschieden sind; (vii) die Zeilen des zu projizierenden Musters parallel zur Ebene, die von den optischen Achsen für die Projektion und für die Abbildung der reflektierten Strahlung auf den Bildwandler gebildet wird, ausgerichtet sind; (viii) die elektrischen Signale des Bildwandlers in diskrete Daten umgewandelt und einer Einheit für die Verarbeitung und Speicherung von Daten zugeführt werden; (ix) die Daten der strahlungsempfindlichen Elemente des Bildwandlers in Zeilen, die parallel zu der Triangulationsebene liegen, hinsichtlich des Maßes der Änderung der Strahlungsintensität ausgewertet werden; (x) die sich dabei ergebenden Flanken bei im wesentlichen sprunghaften Änderungen entsprechend dem jeweiligen Vorzeichen des Maßes der Änderung den binären Informationselementen Null und Eins zugeordnet werden und (xi) die sich ergebenden Binärfolgen dazu dienen, Teile des Musters von anderen Teilen des Musters zu unterscheiden.
Besteht beispielsweise ein Muster (i) aus schachbrettartig angeordneten schwarzen und weißen Elementen, wird (ii) das Muster unter Verwendung von sichtbarem Licht und geeigneten optischen Mitteln auf ein weißes Objekt mit beliebiger dreidimensionaler Erstreckung projiziert, wird (iii) von dem Objekt ein Abbild unter Verwendung geeigneter optischer Mittel auf einem flächigen Bildwandler erzeugt, ist (iv) die Projektionsrichtung verschieden von der Aufnahmerichtung, wird (v) das Signal des Bildwandlers digitalisiert, in einer elektronischen Speichereinrichtung zwischengespeichert und einer Datenverarbeitungseinheit zugeführt, ist (vi) der Bildwandler in rechtwinklig zueinander stehenden Zeilen und Spalten organisiert, ist (vii) das Muster in der Projektionseinrichtung derart positioniert, daß sich die Zeilen des schachbrettartigen Musters in Richtung der Zeilen des Bildwandlers erstrecken, sind (viii) sowohl die Projektionseinrichtung als auch die Aufnahmeeinrichtung derart ausgebildet und positioniert, daß der Triangulationswinkel zu einer Verzeichnung des Abbilds des schachbrettartigen Musters in Spaltenrichtung des Bildwandlers erstreckt (mit anderen Worten: erstreckt sich die vom Triangulationswinkel aufgespannte Ebene in Richtung der Spalten des projizierten Musters wie auch des Bildwandlers), ist (ix) die Ausbildung der Musterelemente größer als die Auflösung des Bildwandlers, so lassen sich im Bildspeicher Werte finden, die die Zeileninformation des Bildwandlers repräsentieren und die den Helligkeitswerten der weißen und schwarzen Elemente des schachbrettartigen Musters entsprechen. Wertet man (x) diese Informationen entlang der entsprechenden Zeile des Bildwandlers aus, ergeben sich sprungartige Änderungen der Helligkeitsinformationen entsprechend dem Raster des projizierten Musters. Die Abweichungen der maßlichen Verhältnisse der Helligkeitssprünge entlang einer Bildzeile gegenüber dem entsprechenden projizierten Muster repräsentieren bei bekanntem Strahlengang die räumliche Erstreckung des Objektes. Ist (xi) das Objekt im betrachteten Bereich hinreichend stetig und sowohl aus der Projektions- als auch aus der Aufnahmerichtung optisch zugänglich, ergeben sich in der Folge der Zeileninformation alternierend Helligkeitssprünge von hell nach dunkel und von dunkel nach hell. Werden (xii) die Helligkeitsinformationen durch die Digitalisierung als numerische Werte mit einer zu den Helligkeitswerten proportionalen Zuordnung dargestellt und berechnet man (xiii) die Helligkeitsänderung entlang der bezeichneten Spalte des Bildwandlers aus der Differenz zwischen dem jeweiligen Helligkeitswert an einer bestimmten Stelle und der Helligkeitsinformation der in Zeilenrichtung nachfolgenden Bildstelle, ergeben sich abwechselnd positive und negative Werte, die dem Maß der Helligkeitsänderung entsprechen. Interpretiert man diese diskrete Folge von Werten als Helligkeitssignal, kann von positiven bzw. negativen Flanken dieses Signals gesprochen werden.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Bilddaten, die das aufprojizierte Muster mit der benannten statistischen Verteilung der Musterelemente und damit die entsprechende Kodierung repräsentieren, bezüglich der einzelnen Musterelemente dahingehend überprüft, ob sich anhand der Aufnahme der Informationsgehalt des einzelnen Elementes eindeutig erkennen läßt. Ist diese Eindeutigkeit nicht gewährleistet, ist das entsprechende Musterelement von der weiteren Datenverarbeitung auszuschließen. Aus den eindeutig zu erkennenden Musterelementen werden durch Flankenerkennung und -auswertung im weiteren die Informationselemente generiert und benachbarte eindeutig erkannte Informationselemente sogenannten Clustem zugeordnet. Ein Cluster ist im Sinne dieser Erfindung eine Gruppe benachbarter Informationselemente. Aus dem Vergleich der decodierten Informationen des aufgenommenen, auf das Objekt aufprojizierten Musters mit dem zu projizierenden Musterinhalt kann die Plausibilität der Anordnung der decodierten Informationen überprüft werden. Kommt es hierbei zu Abweichungen, wird das abweichende Informationselement falsifiziert und ausgesondert. Falls das entsprechende Informationselement am Rand des Clusters liegt, ergibt sich eine entsprechend korrigierte Begrenzung. Falls das Informations- eiement in der Mitte eines Clusters liegt, ist unter Umständen das Cluster zu teilen und die eindeutige Zuordnung beider sich ergebenden Teiicluster neu zu überprüfen. Sofern sich die kleineren Cluster nicht eindeutig zuordnen lassen, sind sämtliche entsprechende Informationselemente zu falsifizieren und auszusondern. Im Ergebnis sind in den Clustem zusammenhängende Oberflächensegmente dargestellt, deren Musterelemente des auf projizierten Musters sich aufgrund des im Cluster verfügbaren Informationsgehalts der aneinandergrenzenden Musterelemente eindeutig zu dem entsprechenden Musterelement im zu projizierenden Muster zuordnen lassen. Aus der Position beispielsweise des Schwerpunktes oder der sich ergebenden Flanken im Abbild im Vergleich zu der Anordnung im zu projizierenden Muster lassen sich vermittels Triangulation dreidimensionale Koordinaten als Stützpunkte der Oberfläche des Objektes berechnen. Jeweils drei benachbarte nicht in einer Reihe liegende Stützpunkte lassen sich erfindungsgemäß vorteilhaft als Dreieck und damit auch als dreieckige Fläche definieren, so daß eine bei anderen Verfahren erforderliche Flächenrückführung aus einer Punktewolke nicht erforderlich ist. Im Ergebnis dieser Analyse und Berechnung der Bildinformationen aus einem Einzelbild sind digitale Abbilder von eindeutig in ihrer Gestalt bestimmten zusammenhängenden Oberflächensegmenten des Objektes verfügbar. Diese gegebenfalls nicht zusammenhängenden Segmente sind jedoch in ihrer dreidimensionalen Position und Ausrichtung zueinander bekannt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
Figur 1 einen Ausschnitt aus einem kodierten Muster und im unteren Teil Aspekte einer
Auswertestrategie, Figur 2 zwei Abbildungen einer gekrümmten Fläche mit einem darauf projizierten
Muster, und Figur 3 Abbildungen eines menschlichen Kopfes mit und ohne darauf projeziertes
Muster, jeweils unter verschiedenen Blickrichtungen.
Figur 1 zeigt im oberen Bereich einen Ausschnitt aus einem kodierten Muster, und zwar in einer zur Projektionsachse senkrechten Ebene, und im unteren Bereich die Strukturen, die sich durch das Auswertungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben. In dem Muster gemäß Figur 1 erkennt man ein quadratisches Feld von 8 x 8 Musterelementen mit insgesamt vier verschiedenen Musterelementtypen. Gleichzeitig ist über das abgebildete Muster auch ein Gitternetz von Bildpixeln gelegt, auf welches ein entsprechendes Muster abgebildet werden kann. Wie man erkennt, beansprucht jedes Musterelement einen Flächenbereich von 8 5 Bildpixeln. Die vier verschiedenen Musterelementtypen sind allesamt innerhalb des oberen linken Bereiches von 3 x 2 Musterelementen erkennbar. Als physikalisch meßbare Größe für die Identifizierung der Musterstrukturen kann hier beispielsweise der Schwärzungsgrad eines Pixels oder aber der Schwärzungsgrad einer Gruppe jeweils fünf übereinanderliegender Pixel verwendet werden. Umgekehrt könnte man selbstverständlich auch ein Negativ dieses Musters verwenden, in welchem schwarze gegen weiße Flächen ausgetauscht wären.
Bei dem Musterelement ganz oben links in Figur 1 hat man am linken Rand den maximal auftretenden Schwärzungsgrad dieses Musters, wobei anschließend der Schwärzungsgrad von links nach rechts kontinuierlich abnimmt und konkret erfaßt werden könnte als Summe der Schwärzungsgrade aller fünf Pixelelemente in einer Spalte übereinander, die in den Flächenbereich dieses Musterelementes fallen. Die achte Gruppe aus in einer Spalte übereinander angeordneten fünf Pixeln dieses Musterelementes weist keinerlei Schwärzungsgrad mehr auf und ist vollständig weiß. Rechts daneben folgt ein weiteres Musterelement 3, welches über seine ganze Fläche hinweg den maximalen Schwärzungsgrad hat. Dieses Musterelement 3 ist hier konkret mit der Bezugszahl 1 bezeichnet.
Das nächstfolgende Musterelement 2 ist dem Musterelement 1 weitgehend ähnlich, mit dem einzigen Unterschied, daß der Schwärzungsgrad der acht spaltenweise angeordneten Pixelgruppen dieses Musterelements von links nach rechts kontinuierlich zunimmt, während er beim Musterelement 1 kontinuierlich abnahm.
Unter dem Musterelement 1 ist ein Musterelement 4 erkennbar, welches sich von dem Musterelement 2 dadurch unterscheidet, daß es auf seiner gesamten Fläche keinerlei Schwärzungsgrad hat. Charakteristisch sind für das Muster vor allem die Übergänge zwischen benachbarten Musterelementen, die einen Übergang von weiß nach schwarz oder von schwarz nach weiß bilden können, wobei die Mustereiemente 1 und 3 es auch ermöglichen, daß sich identische Übergänge von schwarz nach weiß bzw. von weiß nach schwarz an aufeinanderfolgenden Musterelementen mehrfach wiederholen.
Im einzelnen soll dies nun anhand des unteren Bereiches der Figur 1 erläutert werden. Man betrachtet z. B. im oberen Teil der Figur 1 die mit 8 bezeichnete Reihe von Pixeln in der (von oben gezählt) 7. Reihe von Musterelementen des Musters. Wenn man diese Pixelzeile 8 von links nach rechts durchläuft und in vertikaler Richtung jeweils den Schwärzungsgrad des erfaßten Pixels aufträgt, so ergibt sich der in der Zeile 10 des unteren Bildteiies dargestellte Verlauf des Schwärzungsgrades. Zunächst ist in der Zeile 8 von Pixeln der Schwärzungsgrad auf einem Maximalwert, springt dann beim Übergang vom dritten auf das vierte Pixel dieser Reihe auf einen minimalen Wert, der einem weißen Pixel entspricht. Die nächsten fünf Pixel bleiben weiß, zeigen also den minimalen Schwärzungsgrad an, wobei beim Übergang zum nächsten Musterelement in dieser Zeile wiederum ein Sprung auf den maximalen Schwärzungsgrad stattfindet. Da dieses Musterelement mit dem vorangehenden identisch ist, wiederholt sich der Kurvenveriauf. Beim Übergang zum nächsten Musterelement findet wiederum ein Sprung auf den maximalen Schwärzungsgrad statt, der dann allerdings auch konstant erhalten bleibt, bis der Übergang zum vierten Musterelement stattfindet, welches vollständig weiß ist. Innerhalb dessen Flächenbereich bleibt die Pixelzeile 8, die den Schwärzungsgrad anzeigt, auf dem minimalen Wert, wie es in der Zeile 10 dargestellt ist. Die Fortsetzung des Kurvenverlaufs ergibt sich analog zu der vorstehenden Beschreibung.
Der Kurvenverlauf gemäß der Zeile 10 würde sich im übrigen auch dann ergeben, wenn man jeweils fünf Pixel einer Spalte aus dieser Reihe von Musterelementen zusammenfassen würde und lediglich einen Schwellwert für den Schwärzungsgrad festlegen würde, oberhalb dessen die Kurve auf ihren Maximalwert springt und unterhalb dessen sie den Minimalwert annimmt.
Die darunterliegende Kurve 1 1 wird in etwas anderer Weise gewonnen. In diesem Fall werden jeweils die Schwärzungsgrade fünf übereinanderiiegender Pixel in der Gruppe von Pixelreihen wiedergegeben, die im oberen Bildteil mit 9 gekennzeichnet sind und die eine Reihe von Musterelementen definieren. Ganz links befindet sich ein weißes Musterelement 4, so daß entsprechend in der Zeile 1 1 im Bereich dieses Musterelementes ein minimaler Schwärzungsgrad angezeigt wird. Dann findet ein Sprung auf ein vollständig schwarzes Musterelement statt, so daß- anschließend im Bereich des zweiten Musterelementes durchgehend der maximale Schwärzungsgrad wiedergegeben wird. Dann erfolgt wiederum ein Sprung nach unten in eine weiße Pixelspalte ohne jeden Schwärzungsgrad, anschließend nimmt jedoch der Schwärzungsgrad von Pixelspalte zu Pixelspalte kontinuierlich zu, bis am Ende des dritten Musterelementes wieder der maximale Schwärzungsgrad erreicht ist. Dies wiederholt sich im vierten Musterelement, während das fünfte Musterelement wieder dem ersten entspricht. Das sechste Musterelement unterscheidet sich von dem dritten und vierten Musterelement nur durch das Vorzeichen der Änderung des Schwärzungsgrades, d. h. bei dem sechsten Element nimmt der Schwärzungsgrad von einem maximalen Anfangswert von links nach rechts kontinuierlich ab auf den Minimalwert. Das siebte Musterelement dieser Musterelementreihe ist mit dem zweiten identisch, und das achte Musterelement entspricht wiederum dem dritten und vierten Musterelement dieser Reihe.
In der darunter wiedergegebenen Zeile 1 2 ist eine Auswertung dieser Struktur wiedergegeben, die man anschaulich auch als Ableitung der in der Zeile 1 1 wiedergegebenen Kurve beschreiben könnte. Konkret sind in der Zeile 12 jeweils die Differenzen der Schwärzungsgrade zweiter aufeinanderfolgender Pixelspalten aus jeweils fünf übereinanderliegenden Pixeln in der Reihe 9 von Musterelementen wiedergegeben. Maximal sind diese Änderungen jeweils am Übergang von einem Musterelement zum nächsten Musterelement, wenn dies ein Übergang von einer rein schwarzen Pixelspalte zu einer rein weißen Pixelspalte ist oder umgekehrt. Den Wert Null haben diese Änderungen innerhalb der rein weißen oder rein schwarzen Musterelemente oder bei einem (hier nicht vorkommenden) Übergang von einem rein weißen oder rein schwarzen zu einem gleichartigen Musterelement ( alsao von Musterlement 3 zu 3 oder von 4 zu 4), und einen vergleichsweise kleinen Wert haben diese Änderungen in dem Bereich, in welchem sich der Schwärzungsgrad der Musterelemente kontinuierlich von links nach rechts ändert.
Wie man in der Zeile 12 erkennt, ergibt sich beim Übergang von weiß nach schwarz ein Ausschlag der Kurve nach oben, während sich beim Übergang von schwarz nach weiß ein Ausschlag der Kurve nach unten ergibt. Die Musterelemente mit kontinuierlicher Änderung des Schwärzungsgrades, hier konkret in Form von Dreiecken, ermöglichen es, daß, wie man in der Zeile 12 erkennt, mehrere positive oder negative Peaks aufeinanderfolgen können, was die Herstellung eines kodierten Musters erleichtert.
In der Zeile 13 sind die positiven und negativen Peaks am Bereich der Musterelementübergänge lediglich durch aufwärts oder abwärts weisende Pfeile ersetzt, und in der Zeile 14 ist eine binäre Darstellung dieser Pfeilrichtungen oder Peakrichtungen in Form der Ziffern 1 und 0 wiedergegeben, wobei positive Peaks bzw. aufwärts weisende Pfeile durch eine Ziffer 1 repräsentiert werden, während negative Peaks oder abwärts gerichtete Pfeile durch eine Ziffer 0 repräsentiert werden. Damit läßt sich die erfaßte Struktur in Form von digitalen Zahlen, konkret in Binärzahlen, in einfacher Weise verarbeiten.
In Figur 3 erkennt man eine im Raum gekrümmte Fläche, auf welcher ein Muster aufprojiziert ist, wobei die Betrachtungsrichtung die Richtung senkrecht zur Papierbene ist, während die Richtung der Projektion auf das Muster gegenüber der Betrachtungsrichtung um den Triangulationswinkel geneigt ist. Unter der Annahme, daß sämtliche erkennbaren Musterelemente im Prinzip den gleichen Flächenbereich beanspruchen, ergibt sich aus der verzerrten größeren Form dieser Musterelemente, daß z. B. Bereiche, in welchen die Musterelemente in horizontaler Richtung langgestreckt erscheinen, relativ zur Projektionsrichtung stark geneigten, jedoch in Betrachtungsrichtung wenig geneigten Flächenbereichen entsprechen, während es sich dort, wo die Musterelemente scheinbar relativ eng beieinanderliegen bzw. in horizontaler Richtung verkürzt erscheinen, gerade umgekehrt ist. Unter Kenntnis des relativen Winkels zwischen Betrachtungsrichtung und Projektionsrichtung läßt sich die exakte Lage jedes Flächenbereiches im Raum ermitteln. Gleichzeitig wird jedoch aus der Figur 2 auch ein besonderes Problem deutlich, welchem sich herkömmliche Mustererkennungsverfahren bei den dargestellten Abbildungsverhältnissen gegenübersehen würden, welches jedoch durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung ohne weiteres bewältigt wird. Bei der abgebildeten Oberfläche ist nämlich offenbar der Lichteinfall gerade so, daß im rechten Randbereich des erkennbaren Musters offenbar Reflexe auftreten, so daß das Muster in diesem Bereich wesentlich heller erscheint als im übrigen Bereich. Im unteren Teil der Figur 2 erkennt man eine Negativdarstellung des oberen Musters, so daß in diesem Fall der rechte Bereich des Musters wesentlich dunkler erscheint. Dies erschwert die Erkennung des Musters mit herkömmlichen Mustererkennungsverfahren ganz erheblich oder macht sie sogar unmöglich. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden jedoch nur die Hell-Dunkel-Grenzen zwischen benachbarten Musterelementen als eindeutig lokalisierte Punkte erfaßt, und diese Hell-Dunkel-Übergänge finden sich nach wie vor auch in dem Bereich, der durch einen Reflex gestört wird und sind dort als solche immer noch deutlich erkennbar, so daß sie entsprechend der oben zu Figur 1 beschriebenen Auswertung z. B. eindeutig durch die Ziffern 0 und 1 gekennzeichnet werden könnten.
Figur 3 zeigt ein konkretes Anwendungsbeispiel in Form der Erfassung der räumlichen Strukturen eines menschlichen Gesichtes. Während links in Figur 3 das Modell eines menschlichen Gesichtes einmal unter ca. 30° zur Symmetrieebene des Gesichtes und einmal unter ca. 75° zur Symmetrieebene des Gesichtes als Foto wiedergegeben ist, sind rechts jeweils dieselben Ansichten mit einem auf das Gesicht projizierten Muster zu erkennen. Die Projektionsrichtung liegt dabei in der Symmetrieebene des Gesichtes und im wesentlichen horizontal. Unter Kenntnis des Triangulationswinkels, d. h. des Winkels zwischen der Symmetrieebene des Gesichts und der Betrachtungsrichtung, also der Normalen zur Bildebene, und weiterhin unter Kenntnis der realen Musterstruktur, die sich beim Projizieren auf eine zur Projektionsrichtung senkrechte Fläche ergeben würde, läßt sich anhand der Abstände der einzelnen Hell-Dunkel-Übergänge in dem abgebildeten Projektionsmuster mit Hilfe entsprechender Auswerteaigorithmen die räumliche Struktur der Gesichtsoberfläche erfassen und digital speichern. Dies wiederum kann verwendet werden für Zwecke der Personenerkennung oder aber für Zwecke der Medizin, wie z. B. bei der computergestützten, minimalinvasiven Chirurgie.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Verfahren zur Erfassung der räumlichen Struktur einer dreidimensionalen Oberfläche durch Projizieren eines Musters auf die Oberfläche entlang einer Projektionsrichtung, die eine erste Achse definiert, und durch pixelweise Erfassung mindestens eines Bereiches des auf die Oberfläche projizierten Musters mit Hilfe eines oder mehrerer Sensoren in einer Betrachtungsrichtung des Sensors oder der Sensoren, welche eine zweite Achse definiert, wobei die erste und die zweite Achse (oder eine zur zweiten Achse parallele Gerade) sich unter einem von 0° verschiedenen Winkel schneiden, so daß die erste und die zweite Achse (bzw. die hierzu parallele Gerade) eine Trianguia- tionsebene aufspannen, wobei das Muster mindestens bei Projektion in eine Ebene senkrecht zur ersten Achse durch eine sich ändernde, von dem Sensor (Sensoren) erfaßbare physikalische Größe definiert ist und wobei das Muster derart ausgestaltet ist, daß die Differenz der physikalisch meßbaren Größe, gemessen zwischen vorgebbaren Bildpixeln oder Pixelgruppen entlang einer vorgebbaren, vorzugsweise zur Triangulationsebene parallelelen, Pixelreihe mindestens zwei verschiedene Werte annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der abgebildeten Musterstruktur jeweils nur Änderungen der physikalischen Größe zwischen den vorgebenen Pixeln oder vorgegebenen Pixelgruppen einer oder mehrerer, vorzugsweise zur Triangulationsebene parallelen, Pixelreihen erfaßt und in räumliche Koordinaten der Oberfläche umgerechnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der physikalisch meßbaren Größe jeweils zwischen benachbarten Pixeln oder Pixelgruppen entlang einer vorgegebenen Richtung ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster derart ausgerichtet ist, daß die entlang einer Richtung auftretenden Änderungen der physikalisch meßbaren Größe dem Betrag nach mindestens teilweise die zwischen beliebigen, gleich großen Pixeln oder Pixelgruppen in dem abgebildeten Muster maximal auftretende Differenz annehmen, wobei die übrigen auftretenden Änderungen entlang dieser Richtung vergleichsweise kleine Werte annehmen
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in einer Spalte übereinanderliegende Pixel mehrerer paralleler Pixelreihen zu einer Pixelgruppe zusammengefaßt und die Änderungen der physikalischen Größe jeweils zwischen derartigen benachbarten Pixeigruppen ausgewertet werden.
5. Verfahren nach Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster ein kodiertes Muster ist, bei welchem verschiedene Musterbereiche einer hinreichenden Größe voneinander unterscheidbar und in ihrer Position innerhalb des Gesamtmusters festgelegt sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster aus Musterelementen gebildet wird, die in einer Ebene senkrecht zur Projektionsrichtung jeweils etwa gleich große Flächen beanspruchen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Typen von Musterelementen vorgesehen sind, in deren Flächenbereich die meßbare physikalische Größe jeweils einen nahezu konstanten Wert hat, wobei sich der Wert dieser physikalischen Größe zwischen den beiden Typen von Musterelementen deutlich meßbar unterscheidet.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Typ eines Musterelementes vorgesehen ist, bei welchem sich mindestens innerhalb eines Teiles seines Flächenbereiches entlang einer vorgegebenen Richtung der Wert der physikalischen Größe im wesentlichen kontinuierlich verändert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Typen von Musterelementen vorgesehen sind, die sich durch das Vorzeichen der Änderung der physikalischen Größe innerhalb ihres Flächenbereiches und entlang der vorgegebenen Richtung unterscheiden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die , verschiedenen Typen von Musterelementen in einer kodierten Verteilung auf der Fläche des projizierten Musters angeordnet sind.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Typen von Musterelementen in einer Zufallsanordnung über die Projektionsfläche verteilt sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenbereich eines Musterelementes in der Abbildungsebene einem Feld von m x n Pixeln entspricht mit m, n > 2 und m < < M und n < < N, wobei M x N die Gesamtzahl der erfaßten Bildpixel ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 1 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Musterkodierung und Identifizierung der Lage von Musterelementen nur Änderungen ausgewertet werden, welche größer sind als die Änderungen zwischen benachbarten Pixeln oder Pixelgruppen innerhalb der in den Ansprüchen 6 und 7 definierten Mustereiemente.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der räumlichen Struktur der dreidimensionalen Oberfläche mindestens zwei Messungen mit relativ zueinander abgewinkelten Triangulationsebenen durchgeführt und miteinander kombiniert werden.
PCT/DE1999/001277 1998-05-14 1999-04-29 Erfassung der räumlichen struktur einer dreidimensionalen oberfläche WO1999060332A1 (de)

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