WO2009018894A1 - Method and device for determining geometric data of a measured object - Google Patents

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WO2009018894A1
WO2009018894A1 PCT/EP2008/005742 EP2008005742W WO2009018894A1 WO 2009018894 A1 WO2009018894 A1 WO 2009018894A1 EP 2008005742 W EP2008005742 W EP 2008005742W WO 2009018894 A1 WO2009018894 A1 WO 2009018894A1
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WO
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image
measurement object
contour
data
calibration
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PCT/EP2008/005742
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German (de)
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Inventor
Rolf Beck
Original Assignee
Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2504Calibration devices
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00Image analysis
    • G06T7/50Depth or shape recovery
    • G06T7/55Depth or shape recovery from multiple images
    • G06T7/564Depth or shape recovery from multiple images from contours
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00Image analysis
    • G06T7/80Analysis of captured images to determine intrinsic or extrinsic camera parameters, i.e. camera calibration
    • G06T7/85Stereo camera calibration
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10Image acquisition modality
    • G06T2207/10004Still image; Photographic image
    • G06T2207/10012Stereo images
    • GPHYSICS
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    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30108Industrial image inspection
    • G06T2207/30164Workpiece; Machine component

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining geometry data of a measurement object which has at least one contour with a defined dimension, with the following steps:
  • the invention also relates to an apparatus for determining geometric data of a measurement object which has at least one contour with a defined dimension, with an image recorder for recording at least a first image of the measurement object at a first defined position, wherein the image recorder is movable relative to the measurement object and wherein the first image includes a first contour image showing the defined dimension in a first view, further comprising an image data determination unit for determining first image data of the measurement object from the first image, and a geometry data determination unit for determining the geometry data from the first image Image data using calibration data representing a mapping function between the first image and the measurement object.
  • Such a method and device are known, for example, from EP 0 866 308 B1.
  • This document describes an optical sensor for determining geometric data of a workpiece and in particular for determining the dimensions and the profile of an edge on an aircraft propeller blade.
  • the known device has two image sensors in the form of cameras, which look from different directions on the edge of the propeller blade. A light pattern is projected onto the edge.
  • An evaluation of the image data provided by both cameras makes it possible to determine the geometrical dimensions of the edge and its shape progression.
  • this requires that the two cameras are calibrated, i. the basic relationship between the image data of the cameras and the real dimensions of a recorded object must be known. This relationship is determined in a calibration process, which precedes the measurement of a propeller blade, with the aid of a known calibration object.
  • the calibration object for the known device has a reference pattern with a plurality of matrix-like arranged squares, the position of which is known exactly relative to a stop.
  • the calibration object is recorded using the cameras from varying distances. Based on the known positions of Squares can then be used to determine transformation equations describing the relationship between the image data and the real geometry data.
  • DE 10 2004 054 876 B3 discloses a measuring device for the 3D measurement of dental models, such as a dental prosthesis.
  • the measuring device includes a measuring camera with which the tooth model is recorded.
  • the model is arranged on a holder which is in a known position relative to the measuring camera.
  • the calibration of the measuring camera also takes place here using a reference object, which in this case is a very precisely manufactured cylinder body.
  • the calibration is carried out on the basis of a plate which is positioned at different distances from a measuring camera. At each distance, the plate is illuminated with a defined pattern of light and the associated distance is determined with a calibrated measure of length.
  • EP 0 216 587 B1 proposes an optical measuring device in which an optically generated reference grid is to be used instead of a mechanical reference object for calibration.
  • the known methods and devices have in common that the calibration must be carried out before performing the actual measurement task, so that the calibration represents an additional step that delays the execution of the measurement task.
  • This is particularly disadvantageous if the calibration has to be repeated frequently because, for example, the structure of the measuring device changes. The latter may for example be the case when the imager is provided with a zoom lens, because the calibration may vary depending on the zoom level used. If the zoom level is to be changed during the measurement of a DUT, it may be necessary to calibrate repeat before working with the new zoom level. It is easy to see that the calibration effort makes it difficult to carry out the measurement.
  • the measurement accuracy should not be affected, i.
  • the reduced calibration effort should not be at the expense of the measurement accuracy.
  • This object is achieved according to a first aspect of the invention by a method of the type mentioned, in which a second image of the measurement object including a second contour image is taken at a second known position of the image sensor relative to the measurement object, wherein the second contour image of the defined dimension in a second view, and wherein the calibration data is determined in dependence on the first and the second position and in dependence on the first and second views.
  • this object is achieved by a device of the aforementioned type, which has a Kalibrierskybeticiansaku, which is adapted to the calibration data in dependence on the first and a second position of the image sensor relative to the measurement object and in dependence the first and second views, the second image size representing the defined dimension in a second contour image taken at the second position of the image sensor relative to the measurement object.
  • the new method and the new device make it possible to carry out the calibration on the basis of the measurement object itself by recording the measurement object in at least two different positions. It does not matter in principle whether the object to be measured is displaced relative to the image sensor or whether the image sensor is moved relative to the measurement object, because it depends solely on the change of the relative position of the image sensor and the measurement object to each other.
  • the new method and apparatus utilize the fact that a real geometry feature on the measurement object remains the same when the measurement object is moved relative to the imager. In other words, the real geometry data of the measurement object is invariant with respect to a relative displacement of the measurement object and the image sensor.
  • the new method and the new device have the great advantage that the calibration can be carried out in the measuring process ("online") and, if necessary, also be repeated in the measuring process. "Moreover, the device and the new method do not have a calibration object known in its properties Thus, the user of the new device can concentrate on his measurement task without having to worry about a separate calibration process without eliminating the calibration or postponing to times well before the measurement task is done significantly reduced for the user who wants to carry out a measuring task. The above task is thus completely solved.
  • the calibration data are determined independently of the defined dimension of the contour.
  • the absolute value of the defined dimension is unknown. Only the fact is exploited that the defined dimension is invariant with respect to a change in the relative position of the object to be measured and the image sensor.
  • the new device and the new method can in principle also be used in addition and / or in combination with special calibration objects whose geometry data are already known, as is typically the case in the methods and devices of the prior art.
  • the preferred embodiment has the advantage that the calibration is performed on the real measurement object, so that the measurement can start directly. The effort for the calibration is correspondingly greatly reduced.
  • the calibration is done here in a direct temporal context with the implementation of the measurement, so that a change in the measuring device is practically excluded by environmental influences between calibration and measurement. Therefore, this embodiment allows a particularly high measurement accuracy despite the reduced cost of calibration.
  • first and the second contour image are automatically identified within the first and the second image.
  • the preferred embodiment allows a fully automatic measurement including the new calibration, so that the effort for the user is further reduced.
  • the first and the second position are approximately at the defined dimension or further apart.
  • the measurement object is moved relative to the image sensor approximately as far as the dimension of the contour used for calibration is. This achieves a "significant" change in the relative position of the imager and target, which makes calibration data easier to calibrate, and in this case, the calibration data is representative of much of the measurement volume, allowing consistently high measurement accuracy regardless of the measurement location.
  • a plurality of first and second views are determined at a plurality of first and second positions.
  • the image recorder is displaced at at least three positions relative to the measurement object, wherein at least three different contour images are recorded.
  • the calibration data will be determined several times based on different image pairs from the at least three contour images.
  • the multiply determined calibration data can be averaged. The averaging makes it possible to increase the robustness of the method.
  • quality factors can be determined from the plurality of data, such as a standard deviation, which is representative of the quality of the measurement and the quality of the calibration process.
  • quality factors are used to declare a measurement and calibration process valid or invalid.
  • a number of geometry data is determined, with associated calibration data being determined for each geometry datum.
  • an online calibration takes place for each individual measured value on the measurement object.
  • the preferred embodiment allows a particularly high measurement accuracy for all Measured values independent of the order in which the measured values are recorded.
  • the calibration data are used for a large number of geometry data.
  • the design speeds up the performance of a measurement because the calibration steps are performed only once or a few times.
  • the image recorder is designed to generate a two-dimensional image of the measurement object.
  • the imager may include a camera chip having a matrix-like arrangement of pixels.
  • this embodiment can also be implemented with an image recorder which generates the two-dimensional image by scanning the measurement object line-wise and / or column by column.
  • the image recorder has an image plane, wherein the first and second positions lie at a constant vertical distance from the image plane.
  • the constant vertical distance can be predetermined by a corresponding mechanical arrangement, which ensures that the image sensor can be moved only with the constant distance relative to the measurement object.
  • the constant vertical distance can also be realized by taking into account only the projection of the location change into the image plane during the relative displacement of the image recorder. In other words, only the positional change that takes place in the image plane is considered hereafter of the imager, even if the actual positional shift has a component orthogonal to the image plane of the imager.
  • This embodiment is particularly advantageous if the image recorder is designed to produce a two-dimensional image of the measurement object, because such image sensors themselves can only recognize the position shifts in the two-dimensional image plane.
  • the preferred embodiment leads to calibration data that allow a very accurate measured value determination.
  • the image recorder is designed to generate a three-dimensional image of the measurement object.
  • the imager has the ability to determine the distance to the individual measurement points on the measurement object. This can be done for example by a transit time measurement of a suitable transmission pulse or by a stereoscopic method. Another possibility is image sensors, which determine the distance to the measurement object based on auto-focus information. This embodiment has the advantage that the measurement object can be measured in three dimensions with little effort and high accuracy.
  • the image recorder has a zoom lens.
  • This embodiment is advantageous because the calibration is particularly complex when using zoom lenses.
  • devices in which the imager has a zoom obtive jectively benefit particularly from the advantages of the invention described above, because the calibration can be repeated online with or after each new zoom level in the measurement process.
  • the first and the second image are recorded without distortion.
  • This embodiment can be realized either by using at least largely distortion-free lenses and / or by a software correction of the images.
  • This refinement has the advantage that the recognition of the contour used for the calibration is largely independent of the position of the measurement object in the measurement volume. This embodiment therefore facilitates automatic recognition of the contour.
  • the "local" calibration data determined from a snapshot of the images can be applied to the entire image with a good approximation, making calibration even easier and faster.
  • the contour is circular.
  • This embodiment also facilitates the automatic recognition of the contour, which is evaluated for the calibration. It is of particular advantage that a circular contour is independent of the rotational position of the test object relative to the image sensor. Therefore, the defined dimension of the contour in this embodiment can be determined particularly easily.
  • the contour has a defined rotational position about an axis running perpendicular to the contour.
  • the contour is a rectangle with a defined length and an origin.
  • the contour may be, for example, an ellipse or a non-equilateral triangle.
  • These embodiments also facilitate the automatic recognition of the contour and the determination of the defined dimension in the at least two contour images. This makes the calibration particularly easy and quick to perform.
  • the image recorder is displaced relative to the measurement object without rotation. This embodiment is another preferred way to facilitate the recognition of the defined dimension in the contour images and to accelerate the calibration process.
  • FIG. 1 is a simplified representation of an embodiment of the new
  • FIG. 2 shows a first image with a first contour image of a measurement object according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a flowchart for explaining an exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • an embodiment of the new device is generally designated by the reference numeral 10.
  • the apparatus 10 includes an imager 12, shown here in the form of a camera. In other embodiments, the imager may merely be a camera chip that provides only limited camera functionality.
  • the image recorder 12 is here attached to a column 14, which is movable relative to a table 16.
  • the table 16 serves to receive a measuring object 18, which has at least one recognizable contour, here in the form of a Edge 19.
  • a drive which causes the movement of the column 14 relative to the table 16 is shown in simplified form with an arrow 20.
  • the relative movement of column 14 and table 16 can be done not only in the illustrated horizontal direction (x-axis) but also transversely thereto (y-axis). Furthermore, it is possible in principle that the image sensor 12 can also be moved perpendicular to the plane of the table (z-axis). Furthermore, it should be noted that for the realization of the present invention, it is only important that the image sensor 12 and the measurement object 18 can be displaced relative to one another in such a way that the views of the measurement object and in particular the position of the contour change within each image. Accordingly, the image sensor 12 may be rigidly arranged when the table 16 is movable with the measurement object 18 via suitable drives. It also does not depend on the kinematic structure of the device 10, i. For example, the imager 12 could be arranged on a gantry or a horizontal arm which are movable relative to the table 16.
  • the image sensor 12 here has an electronic chip 22 with a multiplicity of image points arranged in the manner of a matrix (not shown separately here).
  • the imager 12 is capable of taking a two-dimensional image of the measurement object 18.
  • the reference numeral 24 denotes an image plane which is defined by the position and arrangement of the pixels of the chip 22.
  • the measurement object 18 is located in a ⁇ ⁇ n H ör " D i 1 r ⁇ oK ⁇ n a OA in / -V-» O is moved relative to the measuring object 18.
  • the imager 12 has a zoom lens 26 that can be adjusted in the direction of arrow 28 to change the image capture area and the magnification factor.
  • the imager 12 may be provided with a fixed lens and / or with a port for replacing the lenses.
  • the reference numeral 30 denotes a light source, which here serves to illuminate the measurement object 18 with a light pattern. In many applications, such illumination is used to facilitate the measurement image evaluation and automatic contour recognition. However, the present invention is also applicable to devices that do without additional lighting 30.
  • the reference numeral 32 denotes a control unit, which here includes a processor 34 and a read-only memory 36 and a main memory 38.
  • the control unit is a PC running an operating program that performs the control of the apparatus 10 and the image evaluation.
  • FIG. 2 shows a first image 44 of the measurement object 18, which was recorded with the image sensor 12 at a first relative position to the measurement object 18.
  • the image 44 is shown here in a simplified manner and only shows a contour image 46 of the measurement object 18 in a first view.
  • the contour 19 and the corresponding contour image 46 are circular.
  • the contour image 46 has an inner diameter, which is designated here by an arrow 48.
  • the center 50 of the circular contour image 46 is shown.
  • the position of the center point 50 on the surface of the table 16 is illustrated by means of two arrows 52, 54, these arrows being related here to the center 56 of a coordinate system parallel to the table surface.
  • the first view thus shows the measurement object 18 in particular at a first position 50 and with a first image size.
  • FIG. 3 shows a second image 58 of the measurement object with a second contour image, which is designated by the reference number 46 'to distinguish it from the contour image from FIG.
  • the center point 50 'of the contour 46' is located at a different position 52 ', 54' relative to the center 56 of the coordinate system.
  • the diameter 48 'of the contour 46' here is virtually larger than the diameter 48 of the contour 46 of Figure 2.
  • the second image shows the measurement object so in a second view, here a second Position and a second image size includes.
  • the virtual size change as a result of the positional shift of the measuring object 18 relative to the image recorder 12 is exaggerated here and does not necessarily have to be present.
  • Calibration data can also be determined with the new method based on the virtual changed position.
  • the size ratios, ie the first and the second image size are preferably also evaluated.
  • the first and the second image are recorded and the calibration data are calculated while the image acquisition unit 12 is displaced relative to the measurement object 18. Furthermore, it is advantageous if the images are recorded when the zoom factor changes.
  • the chip 22 of the image sensor 12 has a scaling factor k that is the same in all dimensions, but that can vary from measurement to measurement. Furthermore, it is assumed that the real dimension of the contour 19 has a constant value over several measurements. In other words:
  • Gl metric denotes the real size or dimension of the contour 19 when taking the first image
  • G2met ⁇ sch denotes the real size or dimension of the contour 19 in the recording of the second image, and Grimetrically the real size of the contour 19 in recording the nth image referred.
  • Plmet ⁇ sch, P2 m et ⁇ sch, Primet ⁇ sch is the projected into the image plane 24 relative position of the image sensor 12
  • Llsens, L2 S ens, Ln Sen s is the position of the contour 46 in the recorded images.
  • the scaling factors k1, k2 can be determined on the basis of the size and position of the contour 46, 46 'in the images 44, 58 and on the basis of the real positional shift of the image recorder 12 relative to the measurement object 18. Subsequently, with the scaling factors k1, k2, the diameters 48, 48 'and the position 50, 50' of the contour 46, 46 'can be calculated.
  • the procedure described here can be generalized since the position and size of the contour 46 in the first measurement in the calibrated sensor coordinate system is equal to the position transformed back by the displacement of the sensor Size of the contour 46 'must be at the second measurement.
  • the calibration data are determined here using a system of equations whose equations represent the mathematical relationship between the known positional change of the image recorder relative to the measurement object and the detected "virtual" change in the size and position of the measurement object from one image to the next.
  • n equations based on n image pairs are used.
  • FIG. 4 shows a simplified flowchart for explaining an embodiment of the new method.
  • the image recorder 12 is first moved to a first position relative to the measurement object 18.
  • the first image 44 is then recorded.
  • the image recording can take place during the movement if the image recording is synchronized with the respective position of the image recording unit 12.
  • the first contour image 46 is identified (step 68), and a first image size 48 is determined on the basis of the contour image 46 (step 70).
  • the image size may be, for example, the diameter 48 of a circular contour image 46.
  • the area bounded by the contour 46 could be used as a measure of the image size.
  • the image size could be the length of a line or another dimension.
  • step 72 the position of the contour 46 within the first image 44 is determined. This is preferably done in coordinates, as shown in Figure 2 at the B ⁇ - zugsziffern 52, 54. All values determined in steps 64, 70 and 72 are stored in the memory 38 of the control unit 32. Subsequently, the imager 12 is moved to a second position relative to the measurement object 18 (step 74) and a second image 58 is taken (step 76). Based on the second image 58, a second contour image 46 'is identified (step 78), and its image size 48' and position 50 'are determined (steps 80, 82). In step 84, further images may be taken or the method may branch to step 86, with which the determination of the calibration data and the determination of the geometry data is initiated.
  • step 86 all required data is fetched from memory 38.
  • step 88 the calibration data k1, k2 are determined on the basis of the known positions of the image recorder 12 relative to the measurement object 18 and on the basis of the image sizes and contour positions.
  • step 90 an averaging can be performed by multiplying the calibration data based on several image pairs and then averaging.
  • step 90 is not absolutely necessary for carrying out the method and can accordingly be dispensed with.
  • the determination of the calibration data according to step 92 can be carried out several times using different image pairs in order to determine a quality factor in the form of a standard deviation. Subsequently, the geometry data of the measurement object 18, for example, the real value of the diameter 48 and the position 50, are determined as a function of the calibration data k1, k2.
  • individual calibration data can be determined for each geometry datum to be determined on the measurement object 18.
  • the calibration data determined on the basis of the contour 19 can be used for different measurements on the measurement object 18 or for measurements on another measurement object.
  • the new procedure makes it possible to carry out a calibration process and in particular the partial aspect of the linear scaling during the actual measurement, without having to have a calibrated reference standard available, and also without a special calibration process having to precede the actual measurement. It is only assumed that the position of the image sensor 12 relative to the measurement object 18 can be detected in exact position data, ie the movements of the image sensor 12 relative to the table 16 must be able to be detected with a calibrated measuring system. This is typically the case with coordinate measuring machines or digitizing machines in which a measuring head with an optical sensor is moved relative to a measuring table. The new method and the new device can therefore be implemented particularly easily in such coordinate measuring machines and digitizing machines.
  • the identification of the contour 46, 46 'in the images 44, 58 is automatic, whereby any contour recognition algorithm can be used. Suitable algorithms have been developed for various electronic image processing applications and known to those skilled in the art, for example from US 2007/0154097 A1 or US 2007/0127821 A1.
  • the size and position of the contour 46, 46 ' is evaluated, one can assume for each measurement of the measurement series of an individual calibration factor. Deviating from this, however, one can also realize a simplified variant of the new method, which is based on the assumption that the calibration factors are constant within a measurement series. It is then possible, for example, to determine the linear scaling factor only as a function of the image size in the first and second images and as a function of the first and second positions of the image recorder relative to the measurement object.

Abstract

A measured object (18) having at least one contour (19) with a defined dimension is recorded with the aid of an image recorder (12). Said image recorder (12) is located at a first known position relative to the measured object (18). The first image (44) shows the defined dimension in a first image size (48). Geometry data are determined from the image data, wherein calibration data are used to represent an imaging factor between the first image (44) and the measured object (18). According to one aspect of the invention, a second image of the measured object (18), including a second contour image (46'), is recorded at a second position of the image recorder (12) relative to the measured object (18). The calibration data are determined as a function of the first and second position and as a function of the first and second image size (48, 48').

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Geometriedaten eines Messobjekts Method and device for determining geometric data of a measurement object
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Geometriedaten eines Messobjekts, das zumindest eine Kontur mit einer definierten Abmessung aufweist, mit den Schritten:The present invention relates to a method for determining geometry data of a measurement object which has at least one contour with a defined dimension, with the following steps:
Aufnehmen von zumindest einem ersten Abbild des Messobjekts mit Hilfe eines Bildaufnehmers, der an einer ersten bekannten Position relativ zu dem Mess- objekt angeordnet ist, wobei das erste Abbild ein erstes Konturabbild enthält, das die definierte Abmessung in einer ersten Ansicht zeigt,Receiving at least a first image of the measurement object with the aid of an image recorder which is arranged at a first known position relative to the measurement object, wherein the first image contains a first contour image which shows the defined dimension in a first view,
Bestimmen von ersten Bilddaten des Messobjekts aus dem ersten Abbild, undDetermining first image data of the measurement object from the first image, and
Bestimmen der Geometriedaten aus den ersten Bilddaten unter Verwendung von Kalibrierdaten, die eine Abbildungsfunktion zwischen dem ersten Abbild und dem Messobjekt repräsentieren. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Bestimmen von Geometriedaten eines Messobjekts, das zumindest eine Kontur mit einer definierten Abmessung aufweist, mit einem Bildaufnehmer zum Aufnehmen von zumindest einem ersten Abbild des Messobjekts an einer ersten definierten Position, wobei der Bildaufnehmer relativ zu dem Messobjekt verfahrbar ist, und wobei das erste Abbild ein erstes Konturabbild enthält, das die definierte Abmessung in einer ersten Ansicht zeigt, ferner mit einer Bilddatenbestimmungseinheit zum Bestimmen von ersten Bilddaten des Messobjekts aus dem ersten Abbild, und mit einer Geometriedatenbestimmungsein- heit zum Bestimmen der Geometriedaten aus den ersten Bilddaten unter Verwendung von Kalibrierdaten, die eine Abbildungsfunktion zwischen dem ersten Abbild und dem Messobjekt repräsentieren.Determining the geometry data from the first image data using calibration data representing a mapping function between the first image and the measurement object. The invention also relates to an apparatus for determining geometric data of a measurement object which has at least one contour with a defined dimension, with an image recorder for recording at least a first image of the measurement object at a first defined position, wherein the image recorder is movable relative to the measurement object and wherein the first image includes a first contour image showing the defined dimension in a first view, further comprising an image data determination unit for determining first image data of the measurement object from the first image, and a geometry data determination unit for determining the geometry data from the first image Image data using calibration data representing a mapping function between the first image and the measurement object.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind beispielsweise aus EP 0 866 308 Bl bekannt.Such a method and device are known, for example, from EP 0 866 308 B1.
Diese Druckschrift beschreibt einen optischen Sensor zum Bestimmen von Geometriedaten eines Werkstücks und insbesondere zum Bestimmen der Abmessungen und des Profils einer Kante an einem Flugzeugpropellerblatt. Die bekannte Vorrichtung besitzt zwei Bildaufnehmer in Form von Kameras, die aus verschiedenen Richtungen auf die Kante des Propellerblattes blicken. Dabei wird ein Lichtmuster auf die Kante projiziert. Eine Auswertung der von beiden Kameras gelieferten Bilddaten ermöglicht es, die geometrischen Abmessungen der Kante und deren Formverlauf zu bestimmen. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die beiden Kameras kalibriert sind, d.h. der prinzipielle Zusammenhang zwischen den Bilddaten der Kameras und den realen Abmessungen eines aufgenommenen Objekts muss bekannt sein. Dieser Zusammenhang wird in einem Kalibriervorgang, der der Vermessung eines Propellerblattes vorausgeht, mit Hilfe eines bekannten Kalibrierobjekts ermittelt.This document describes an optical sensor for determining geometric data of a workpiece and in particular for determining the dimensions and the profile of an edge on an aircraft propeller blade. The known device has two image sensors in the form of cameras, which look from different directions on the edge of the propeller blade. A light pattern is projected onto the edge. An evaluation of the image data provided by both cameras makes it possible to determine the geometrical dimensions of the edge and its shape progression. However, this requires that the two cameras are calibrated, i. the basic relationship between the image data of the cameras and the real dimensions of a recorded object must be known. This relationship is determined in a calibration process, which precedes the measurement of a propeller blade, with the aid of a known calibration object.
Das Kalibrierobjekt für die bekannte Vorrichtung besitzt ein Referenzmuster mit einer Vielzahl von matrixartig angeordneten Quadraten, deren Position relativ zu einem Anschlag exakt bekannt ist. Das Kalibrierobjekt wird mit Hilfe der Kameras aus wechselnden Entfernungen aufgenommen. Anhand der bekannten Positionen der Quadrate lassen sich dann Transformationsgleichungen bestimmen, die den Zusammenhang zwischen den Bilddaten und den realen Geometriedaten beschreiben.The calibration object for the known device has a reference pattern with a plurality of matrix-like arranged squares, the position of which is known exactly relative to a stop. The calibration object is recorded using the cameras from varying distances. Based on the known positions of Squares can then be used to determine transformation equations describing the relationship between the image data and the real geometry data.
DE 10 2004 054 876 B3 offenbart eine Vermessungseinrichtung zur 3D-Vermessung von Zahnmodellen, wie etwa einer Zahnprothese. Die Vermessungseinrichtung beinhaltet eine Messkamera, mit der das Zahnmodell aufgenommen wird. Das Modell ist dabei auf einer Halterung angeordnet, die in einer bekannten Position relativ zu der Messkamera steht. Die Kalibrierung der Messkamera erfolgt auch hier anhand eines Referenzobjektes, das in diesem Fall ein sehr präzise gefertigter Zylinderkörper ist.DE 10 2004 054 876 B3 discloses a measuring device for the 3D measurement of dental models, such as a dental prosthesis. The measuring device includes a measuring camera with which the tooth model is recorded. The model is arranged on a holder which is in a known position relative to the measuring camera. The calibration of the measuring camera also takes place here using a reference object, which in this case is a very precisely manufactured cylinder body.
Nach einer Vorgehensweise, die in DE 197 43 811 C2 beschrieben ist, erfolgt die Kalibrierung anhand von einer Platte, die in unterschiedlichen Entfernungen von einer Messkamera positioniert wird. Bei jeder Entfernung wird die Platte mit einem definierten Lichtmuster beleuchtet und die zugehörige Entfernung wird mit einem geeichten Längenmaß bestimmt.According to a procedure which is described in DE 197 43 811 C2, the calibration is carried out on the basis of a plate which is positioned at different distances from a measuring camera. At each distance, the plate is illuminated with a defined pattern of light and the associated distance is determined with a calibrated measure of length.
EP 0 216 587 Bl schlägt eine optische Messeinrichtung vor, bei der ein optisch erzeugtes Referenzgitter anstelle von einem mechanischen Referenzobjekt zur Kalibrierung dienen soll.EP 0 216 587 B1 proposes an optical measuring device in which an optically generated reference grid is to be used instead of a mechanical reference object for calibration.
Den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist gemeinsam, dass die Kalibrierung vor der Durchführung der eigentlichen Messaufgabe erfolgen muss, so dass die Kalibrierung einen zusätzlichen Arbeitsschritt darstellt, der die Durchführung der Messaufgabe verzögert. Dies ist besonders von Nachteil, wenn die Kalibrierung häufig wiederholt werden muss, weil sich beispielsweise der Aufbau der Messvorrichtung verändert. Letzteres kann beispielsweise der Fall sein, wenn der Bildaufnehmer mit einem Zoomobjektiv versehen ist, weil die Kalibrierung in Abhängigkeit von der verwendeten Zoomstufe variieren kann. Soll die Zoomstufe während der Vermessung eines Messobjekts verändert werden, kann es erforderlich sein, die Kalibrierung zu wiederholen, bevor mit der neuen Zoomstufe gearbeitet wird. Es ist leicht einzusehen, dass der Kalibrieraufwand die Durchführung der Messung erschwert.The known methods and devices have in common that the calibration must be carried out before performing the actual measurement task, so that the calibration represents an additional step that delays the execution of the measurement task. This is particularly disadvantageous if the calibration has to be repeated frequently because, for example, the structure of the measuring device changes. The latter may for example be the case when the imager is provided with a zoom lens, because the calibration may vary depending on the zoom level used. If the zoom level is to be changed during the measurement of a DUT, it may be necessary to calibrate repeat before working with the new zoom level. It is easy to see that the calibration effort makes it difficult to carry out the measurement.
Angesichts dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufwand für die Kalibrierung bei einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zu reduzieren, um die Bestimmung von Geometriedaten eines Messobjekts mit Hilfe eines Bildaufnehmers zu vereinfachen. Allerdings soll die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigt werden, d.h. der reduzierte Kalibrieraufwand soll nicht zu Lasten der Messgenauigkeit gehen.In view of this, it is an object of the present invention to reduce the cost of calibration in a method and a device of the type mentioned in order to simplify the determination of geometric data of a measured object with the aid of an image sensor. However, the measurement accuracy should not be affected, i. The reduced calibration effort should not be at the expense of the measurement accuracy.
Diese Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem ein zweites Abbild des Messobjekts einschließlich eines zweiten Konturabbildes an einer zweiten bekannten Position des Bildaufnehmers relativ zu dem Messobjekt aufgenommen wird, wobei das zweite Konturabbild die definierte Abmessung in einer zweiten Ansicht zeigt, und wobei die Kalibrierdaten in Abhängigkeit von der ersten und der zweiten Position und in Abhängigkeit von der ersten und zweiten Ansicht bestimmt werden.This object is achieved according to a first aspect of the invention by a method of the type mentioned, in which a second image of the measurement object including a second contour image is taken at a second known position of the image sensor relative to the measurement object, wherein the second contour image of the defined dimension in a second view, and wherein the calibration data is determined in dependence on the first and the second position and in dependence on the first and second views.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die eine Kalibrierdatenbestimmungseinheit aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die Kalibrierdaten in Abhängigkeit von der ersten und von einer zweiten Position des Bildaufnehmers relativ zu dem Messobjekt und in Abhängigkeit von der ersten und einer zweiten Ansicht zu bestimmen, wobei die zweite Abbiluungsgrϋße die definierte Abmessung in einem zweiten Konturbild repräsentiert, das an der zweiten Position des Bildaufnehmers relativ zu dem Messobjekt aufgenommen wurde.According to a further aspect of the invention, this object is achieved by a device of the aforementioned type, which has a Kalibrierdatenbestimmungseinheit, which is adapted to the calibration data in dependence on the first and a second position of the image sensor relative to the measurement object and in dependence the first and second views, the second image size representing the defined dimension in a second contour image taken at the second position of the image sensor relative to the measurement object.
Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung machen es möglich, die Kalibrierung anhand des Messobjektes selbst durchzuführen, indem das Messobjekt an zumindest zwei unterschiedlichen Positionen aufgenommen wird. Dabei spielt es vom Prinzip her keine Rolle, ob das Messobjekt relativ zu dem Bildaufnehmer verschoben wird oder ob der Bildaufnehmer relativ zu dem Messobjekt verschoben wird, weil es allein auf die Änderung der relativen Position von Bildaufnehmer und Messobjekt zueinander ankommt. Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung nutzen die Tatsache, dass ein reales Geometriemerkmal an dem Messobjekt gleich bleibt, wenn das Messobjekt relativ zu dem Bildaufnehmer verschoben wird. Mit anderen Worten sind die realen Geometriedaten des Messobjekts invariant gegenüber einer relativen Verschiebung von Messobjekt und Bildaufnehmer.The new method and the new device make it possible to carry out the calibration on the basis of the measurement object itself by recording the measurement object in at least two different positions. It does not matter in principle whether the object to be measured is displaced relative to the image sensor or whether the image sensor is moved relative to the measurement object, because it depends solely on the change of the relative position of the image sensor and the measurement object to each other. The new method and apparatus utilize the fact that a real geometry feature on the measurement object remains the same when the measurement object is moved relative to the imager. In other words, the real geometry data of the measurement object is invariant with respect to a relative displacement of the measurement object and the image sensor.
Selbst wenn man die Absolutwerte der Geometriedaten des Messobjekts vor oder während der Durchführung der Messaufgabe nicht oder noch nicht vollständig kennt, lassen sich aus den veränderten Bilddaten und den als invariant angenommenen Geometriedaten einer Kontur Kalibrierdaten bestimmen, die es möglich machen, in einem nachfolgenden Schritt auch die Absolutwerte des Messobjekts zu bestimmen. Voraussetzung ist lediglich, dass die erste und die zweite relative Position von Bildaufnehmer und Messobjekt bekannt sind und dass mit Hilfe einer geeigneten Merkmalserkennung sichergestellt wird, dass das erste und das zweite Konturabbild jeweils dieselbe Kontur des Messobjekts zeigen. Zusammenfassend ist ein Kerngedanke der neuen Vorrichtung und des neuen Verfahrens, dass eine ausgewählte Kontur an einem unbekannten Messobjekt über mehrere Messungen an verschiedenen Messpositionen erkannt und verfolgt wird, und dass aus den veränderten Konturabbildern die Kalibrierdaten bestimmt werden.Even if one does not know the absolute values of the geometry data of the measurement object before or during the execution of the measurement task, calibration data can be determined from the changed image data and the geometry data of a contour adopted as invariant, which make it possible in a subsequent step as well to determine the absolute values of the DUT. The only prerequisite is that the first and the second relative position of the image sensor and the measurement object are known and that it is ensured by means of suitable feature recognition that the first and the second contour image respectively show the same contour of the measurement object. In summary, a core idea of the new device and the new method is that a selected contour on an unknown measurement object is detected and tracked over several measurements at different measurement positions, and that the calibration data is determined from the changed contour images.
Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung besitzen den großen Vorteil, dass die Kalibrierung im Messablauf („online") erfolgen kann und ggf. auch im Messablauf wiederholt werden kann. Zudem kommen die Vorrichtung und das neue Verfahren ohne ein in seinen Eigenschaften bekanntes Kalibrierobjekt aus. Der Anwender der neuen Vorrichtung kann sich also ganz auf seine Messaufgabe konzentrieren und muss sich nicht um einen separaten Kalibrierprozess kümmern, ohne dass die Kalibrierung entfällt oder auf Zeiten verschoben wird, die weit vor der Durchführung der Messaufgabe liegen. Der Aufwand für die Kalibrierung ist für den Anwender, der eine Messaufgabe durchführen möchte, deutlich reduziert. Die oben genannte Aufgabe ist damit vollständig gelöst.The new method and the new device have the great advantage that the calibration can be carried out in the measuring process ("online") and, if necessary, also be repeated in the measuring process. "Moreover, the device and the new method do not have a calibration object known in its properties Thus, the user of the new device can concentrate on his measurement task without having to worry about a separate calibration process without eliminating the calibration or postponing to times well before the measurement task is done significantly reduced for the user who wants to carry out a measuring task. The above task is thus completely solved.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Kalibrierdaten unabhängig von der definierten Abmessung der Kontur bestimmt.In a preferred embodiment of the invention, the calibration data are determined independently of the defined dimension of the contour.
In dieser Ausgestaltung ist der Absolutwert der definierten Abmessung unbekannt. Es wird allein die Tatsache ausgenutzt, dass die definierte Abmessung invariant gegenüber einer Veränderung der relativen Position von Messobjekt und Bildaufnehmer ist. Alternativ hierzu können die neue Vorrichtung und das neue Verfahren prinzipiell auch in Ergänzung und/oder in Kombination mit speziellen Kalibrierobjekten eingesetzt werden, deren Geometriedaten bereits bekannt sind, wie dies typischerweise bei den Verfahren und Vorrichtungen aus dem Stand der Technik der Fall ist. Die bevorzugte Ausgestaltung besitzt demgegenüber den Vorteil, dass die Kalibrierung am realen Messobjekt erfolgt, so dass die Messung direkt beginnen kann. Der Aufwand für die Kalibrierung wird entsprechend stark reduziert. Außerdem erfolgt die Kalibrierung hier in direktem zeitlichem Zusammenhang mit der Durchführung der Messung, so dass eine Veränderung der Messvorrichtung durch Umwelteinflüsse zwischen Kalibrierung und Messung praktisch ausgeschlossen wird. Daher ermöglicht diese Ausgestaltung eine besonders hohe Messgenauigkeit trotz des reduzierten Aufwandes für die Kalibrierung.In this embodiment, the absolute value of the defined dimension is unknown. Only the fact is exploited that the defined dimension is invariant with respect to a change in the relative position of the object to be measured and the image sensor. Alternatively, the new device and the new method can in principle also be used in addition and / or in combination with special calibration objects whose geometry data are already known, as is typically the case in the methods and devices of the prior art. The preferred embodiment has the advantage that the calibration is performed on the real measurement object, so that the measurement can start directly. The effort for the calibration is correspondingly greatly reduced. In addition, the calibration is done here in a direct temporal context with the implementation of the measurement, so that a change in the measuring device is practically excluded by environmental influences between calibration and measurement. Therefore, this embodiment allows a particularly high measurement accuracy despite the reduced cost of calibration.
In einer weiteren Ausgestaltung werden das erste und das zweite Konturabbild innerhalb des ersten bzw. des zweiten Abbildes automatisch identifiziert.In a further embodiment, the first and the second contour image are automatically identified within the first and the second image.
Alternativ hierzu ist es grundsätzlich denkbar, die Kontur des Messobjekts in jedem Abbild bedienergestützt zu identifizieren. Die bevorzugte Ausgestaltung ermöglicht demgegenüber eine vollautomatische Messung einschließlich der neuen Kalibrierung, so dass der Aufwand für den Anwender noch weiter reduziert ist.As an alternative to this, it is fundamentally conceivable to identify the contour of the measurement object in each image in a user-assisted manner. In contrast, the preferred embodiment allows a fully automatic measurement including the new calibration, so that the effort for the user is further reduced.
In einer weiteren Ausgestaltung liegen die erste und die zweite Position in etwa um die definierte Abmessung oder weiter auseinander. In dieser Ausgestaltung wird das Messobjekt relativ zu dem Bildaufnehmer in etwa so weit verschoben, wie die Abmessung der zur Kalibrierung verwendeten Kontur beträgt. Hierdurch wird eine „nennenswerte" Änderung der relativen Position von Bildaufnehmer und Messobjekt erreicht, was die Bestimmung der Kalibrierdaten Kalibrierung erleichtert. Außerdem sind die Kalibrierdaten in diesem Fall für einen großen Teil des Messvolumens repräsentativ, was eine gleichbleibend hohe Messgenauigkeit unabhängig vom Messort ermöglicht.In a further embodiment, the first and the second position are approximately at the defined dimension or further apart. In this embodiment, the measurement object is moved relative to the image sensor approximately as far as the dimension of the contour used for calibration is. This achieves a "significant" change in the relative position of the imager and target, which makes calibration data easier to calibrate, and in this case, the calibration data is representative of much of the measurement volume, allowing consistently high measurement accuracy regardless of the measurement location.
In einer weiteren Ausgestaltung werden eine Vielzahl von ersten und zweiten Ansichten an einer Vielzahl von ersten und zweiten Positionen bestimmt.In a further embodiment, a plurality of first and second views are determined at a plurality of first and second positions.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Bildaufnehmer an zumindest drei Positionen relativ zu dem Messobjekt verschoben, wobei zumindest drei verschiedene Konturabbilder aufgenommen werden. Die Kalibrierdaten werden anhand verschiedener Bildpaare aus den zumindest drei Konturabbildern mehrfach bestimmt werden. Vorteilhafterweise können die mehrfach bestimmten Kalibrierdaten gemittelt werden. Die Mittelwertbildung ermöglicht es, die Robustheit des Verfahrens zu steigern. Alternativ oder ergänzend hierzu können aus der Vielzahl der Daten Gütefaktoren ermittelt werden, wie zum Beispiel eine Standardabweichung, die für die Qualität der Messung und die Qualität des Kalibriervorgangs repräsentativ ist. Vorteilhafterweise werden solche Gütefaktoren verwendet, um in Abhängigkeit davon einen Mess- und Kalibriervorgang für gültig oder ungültig zu erklären.In a further embodiment, the image recorder is displaced at at least three positions relative to the measurement object, wherein at least three different contour images are recorded. The calibration data will be determined several times based on different image pairs from the at least three contour images. Advantageously, the multiply determined calibration data can be averaged. The averaging makes it possible to increase the robustness of the method. Alternatively or additionally, quality factors can be determined from the plurality of data, such as a standard deviation, which is representative of the quality of the measurement and the quality of the calibration process. Advantageously, such quality factors are used to declare a measurement and calibration process valid or invalid.
In einer weiteren Ausgestaltung werden eine Vieizahi von Geometriedaten bestimmt, wobei für jedes Geometriedatum zugehörige Kalibrierdaten bestimmt werden.In a further embodiment, a number of geometry data is determined, with associated calibration data being determined for each geometry datum.
In dieser Ausgestaltung findet eine Online-Kalibrierung für jeden einzelnen Messwert an dem Messobjekt statt. Alternativ hierzu wäre es auch möglich, eine Kalibrierung für eine Vielzahl nachfolgender Messwerte vorzunehmen. Die hier bevorzugte Ausgestaltung ermöglicht demgegenüber eine besonders hohe Messgenauigkeit für alle Messwerte unabhängig von der Reihenfolge, in der die Messwerte aufgenommen werden.In this embodiment, an online calibration takes place for each individual measured value on the measurement object. Alternatively, it would also be possible to perform a calibration for a large number of subsequent measured values. In contrast, the preferred embodiment allows a particularly high measurement accuracy for all Measured values independent of the order in which the measured values are recorded.
In einer alternativen Ausgestaltung werden die Kalibrierdaten für eine Vielzahl von Geometriedaten verwendet.In an alternative embodiment, the calibration data are used for a large number of geometry data.
Die Ausgestaltung beschleunigt die Durchführung eines Messvorgangs, weil die Kalibrierungsschritte nur einmal oder wenige Male durchgeführt werden.The design speeds up the performance of a measurement because the calibration steps are performed only once or a few times.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Bildaufnehmer dazu ausgebildet, ein zweidimensionales Abbild des Messobjekts zu erzeugen.In a further embodiment, the image recorder is designed to generate a two-dimensional image of the measurement object.
In dieser Ausgestaltung kann der Bildaufnehmer einen Kamerachip mit einer matrixartigen Anordnung von Bildpunkten (Pixeln) enthalten. Prinzipiell kann diese Ausgestaltung jedoch auch mit einem Bildaufnehmer realisiert sein, der das zweidimensionale Abbild durch zeilen- und/oder spaltenweises Abtasten des Messobjekts erzeugt. Die Vorteile der neuen Vorgehensweise wirken sich bei zweidimensional messenden Einrichtungen besonders aus, da die bekannten Vorgehensweisen zum Kalibrieren solcher Messeinrichtungen besonders aufwändig sind.In this embodiment, the imager may include a camera chip having a matrix-like arrangement of pixels. In principle, however, this embodiment can also be implemented with an image recorder which generates the two-dimensional image by scanning the measurement object line-wise and / or column by column. The advantages of the new procedure have a particularly significant effect on two-dimensional measuring devices, since the known procedures for calibrating such measuring devices are particularly complex.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Bildaufnehmer eine Bildebene auf, wobei die erste und zweite Position in einem konstanten senkrechten Abstand zu der Bildebene liegen.In a further embodiment, the image recorder has an image plane, wherein the first and second positions lie at a constant vertical distance from the image plane.
Der konstante senkrechte Abstand kann durch eine entsprechende mechanische Anordnung vorgegeben sein, die dafür sorgt, dass der Bildaufnehmer nur mit dem konstanten Abstand relativ zu dem Messobjekt verschoben werden kann. Alternativ oder ergänzend hierzu kann der konstant senkrechte Abstand auch dadurch realisiert sein, dass bei der relativen Verschiebung des Bildaufnehmers nur die Projektion der Ortsveränderung in die Bildebene berücksichtigt wird. Mit anderen Worten wird hiernach nur diejenige Positionsveränderung berücksichtigt, die sich in der Bildebene des Bildaufnehmers widerspiegelt, selbst wenn die tatsächliche Positionsverschiebung eine Komponente orthogonal zu der Bildebene des Bildaufnehmers aufweist. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn der Bildaufnehmer dazu ausgebildet ist, ein zweidimensionales Abbild des Messobjekts zu erzeugen, weil solche Bildaufnehmer für sich genommen nur die Positionsverschiebungen in der zweidimensionalen Bildebene erkennen können. Die bevorzugte Ausgestaltung führt zu Kalibrierdaten, die eine sehr exakte Messwertbestimmung ermöglichen.The constant vertical distance can be predetermined by a corresponding mechanical arrangement, which ensures that the image sensor can be moved only with the constant distance relative to the measurement object. Alternatively or additionally, the constant vertical distance can also be realized by taking into account only the projection of the location change into the image plane during the relative displacement of the image recorder. In other words, only the positional change that takes place in the image plane is considered hereafter of the imager, even if the actual positional shift has a component orthogonal to the image plane of the imager. This embodiment is particularly advantageous if the image recorder is designed to produce a two-dimensional image of the measurement object, because such image sensors themselves can only recognize the position shifts in the two-dimensional image plane. The preferred embodiment leads to calibration data that allow a very accurate measured value determination.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Bildaufnehmer dazu ausgebildet, ein dreidimensionales Abbild des Messobjekts zu erzeugen.In a further refinement, the image recorder is designed to generate a three-dimensional image of the measurement object.
In dieser Ausgestaltung besitzt der Bildaufnehmer die Fähigkeit, die Entfernung zu den einzelnen Messpunkten an dem Messobjekt zu bestimmen. Dies kann beispielsweise durch eine Laufzeitmessung eines geeigneten Sendeimpulses oder durch eine stereoskopisches Verfahren erfolgen. Eine weitere Möglichkeit sind Bildaufnehmer, die die Entfernung zu dem Messobjekt anhand von Autofokus-Informationen ermitteln. Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass das Messobjekt mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit in drei Dimensionen vermessen werden kann.In this embodiment, the imager has the ability to determine the distance to the individual measurement points on the measurement object. This can be done for example by a transit time measurement of a suitable transmission pulse or by a stereoscopic method. Another possibility is image sensors, which determine the distance to the measurement object based on auto-focus information. This embodiment has the advantage that the measurement object can be measured in three dimensions with little effort and high accuracy.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Bildaufnehmer ein Zoomobjektiv auf.In a further embodiment, the image recorder has a zoom lens.
Diese Ausgestaltung ist von Vorteil, weil die Kalibrierung bei der Verwendung von Zoomobjektiven besonders aufwändig ist. Daher profitieren Vorrichtungen, bei denen der Bildaufnehmer ein Zoomob jcktiv aufweist, besonders stark von den oben beschriebenen Vorteilen der Erfindung, weil die Kalibrierung mit bzw. nach jeder neuen Zoomstufe online im Messablauf wiederholt werden kann.This embodiment is advantageous because the calibration is particularly complex when using zoom lenses. Thus, devices in which the imager has a zoom obtive jectively benefit particularly from the advantages of the invention described above, because the calibration can be repeated online with or after each new zoom level in the measurement process.
In einer weiteren Ausgestaltung werden das erste und das zweite Abbild verzeichnungsfrei aufgenommen. Diese Ausgestaltung kann entweder durch Verwendung von zumindest weitgehend verzeichnungsfreien Objektiven und/oder durch eine Softwarekorrektur der Abbilder realisiert werden. Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass die Erkennung der für die Kalibrierung verwendeten Kontur weitgehend unabhängig von der Position des Messobjekts im Messvolumen ist. Diese Ausgestaltung erleichtert daher eine automatische Erkennung der Kontur. Darüber hinaus lassen sich die anhand eines Ausschnitts aus den Abbildern bestimmten, „lokalen" Kalibrierdaten mit guter Näherung auf das gesamte Abbild übertragen. Die Kalibrierung wird weiter vereinfacht und beschleunigt.In a further embodiment, the first and the second image are recorded without distortion. This embodiment can be realized either by using at least largely distortion-free lenses and / or by a software correction of the images. This refinement has the advantage that the recognition of the contour used for the calibration is largely independent of the position of the measurement object in the measurement volume. This embodiment therefore facilitates automatic recognition of the contour. In addition, the "local" calibration data determined from a snapshot of the images can be applied to the entire image with a good approximation, making calibration even easier and faster.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Kontur kreisförmig.In a further embodiment, the contour is circular.
Auch diese Ausgestaltung erleichtert die automatische Erkennung der Kontur, die für die Kalibrierung ausgewertet wird. Von besonderem Vorteil ist, dass eine kreisförmige Kontur unabhängig von der Drehlage des Messobjekts relativ zum Bildaufnehmer ist. Daher kann die definierte Abmessung der Kontur in dieser Ausgestaltung besonders einfach bestimmt werden.This embodiment also facilitates the automatic recognition of the contour, which is evaluated for the calibration. It is of particular advantage that a circular contour is independent of the rotational position of the test object relative to the image sensor. Therefore, the defined dimension of the contour in this embodiment can be determined particularly easily.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Kontur eine definierte Drehlage um eine senkrecht zu der Kontur verlaufende Achse auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Kontur ein Rechteck mit einer definierten Länge und einem Ursprung. Alternativ kann die Kontur beispielsweise eine Ellipse oder ein ungleichseitiges Dreieck sein.In a further embodiment, the contour has a defined rotational position about an axis running perpendicular to the contour. In a preferred embodiment, the contour is a rectangle with a defined length and an origin. Alternatively, the contour may be, for example, an ellipse or a non-equilateral triangle.
Auch diese Ausgestaltungen erleichtern die automatische Erkennung der Kontur sowie die Bestimmung der definierten Abmessung in den zumindest zwei Konturabbildern. Damit ist die Kalibrierung besonders einfach und schnell durchzuführen.These embodiments also facilitate the automatic recognition of the contour and the determination of the defined dimension in the at least two contour images. This makes the calibration particularly easy and quick to perform.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Bildaufnehmer relativ zu dem Messobjekt rotationsfrei verschoben. Diese Ausgestaltung ist eine weitere bevorzugte Möglichkeit, um die Erkennung der definierten Abmessung in den Konturabbildern zu erleichtern und den Kalibriervorgang zu beschleunigen.In a further embodiment, the image recorder is displaced relative to the measurement object without rotation. This embodiment is another preferred way to facilitate the recognition of the defined dimension in the contour images and to accelerate the calibration process.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:
Figur 1 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuenFigure 1 is a simplified representation of an embodiment of the new
Vorrichtung,Contraption,
Figur 2 ein erstes Abbild mit einem ersten Konturabbild eines Messobjekts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,FIG. 2 shows a first image with a first contour image of a measurement object according to an exemplary embodiment of the invention,
Figur 3 ein zweites Abbild mit einem zweiten Konturabbild des Messobjekts, und3 shows a second image with a second contour image of the measurement object, and
Figur 4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.FIG. 4 shows a flowchart for explaining an exemplary embodiment of the method according to the invention.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 beinhaltet einen Bildaufnehmer 12, der hier in Form einer Kamera dargestellt ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Bildaufnehmer lediglich ein Kamerachip sein, der nur eingeschränkte Kamerafunktionen bietet. Der Bildaufnehmer 12 ist hier an einer Säule 14 befestigt, die relativ zu einem Tisch 16 verfahrbar ist. Der Tisch 16 dient zur Aufnahme eines Messobjekts 18, das zumindest eine erkennbare Kontur aufweist, hier in Form einer Kante 19. Ein Antrieb, der die Bewegung der Säule 14 relativ zum Tisch 16 bewirkt, ist vereinfacht mit einem Pfeil 20 dargestellt.In Figure 1, an embodiment of the new device is generally designated by the reference numeral 10. The apparatus 10 includes an imager 12, shown here in the form of a camera. In other embodiments, the imager may merely be a camera chip that provides only limited camera functionality. The image recorder 12 is here attached to a column 14, which is movable relative to a table 16. The table 16 serves to receive a measuring object 18, which has at least one recognizable contour, here in the form of a Edge 19. A drive which causes the movement of the column 14 relative to the table 16 is shown in simplified form with an arrow 20.
Die relative Bewegung von Säule 14 und Tisch 16 kann nicht nur in der dargestellten Horizontalrichtung (x- Achse), sondern auch quer dazu erfolgen (y- Achse). Des Weiteren ist es prinzipiell möglich, dass der Bildaufnehmer 12 auch senkrecht zur Tischebene (z-Achse) verfahren werden kann. Des Weiteren sei angemerkt, dass es für die Realisierung der vorliegenden Erfindung nur darauf ankommt, dass der Bildaufnehmer 12 und das Messobjekt 18 derart relativ zueinander verschoben werden können, dass sich die Ansichten des Messobjekts und insbesondere die Position der Kontur innerhalb jedes Abbildes verändert. Dementsprechend kann der Bildaufnehmer 12 starr angeordnet sein, wenn der Tisch 16 mit dem Messobjekt 18 über geeignete Antriebe verfahrbar ist. Es kommt auch nicht auf den kinematischen Aufbau der Vorrichtung 10 an, d.h. der Bildaufnehmer 12 könnte beispielsweise an einem Portal oder einem Horizontalarm angeordnet sein, die relativ zu dem Tisch 16 verfahrbar sind.The relative movement of column 14 and table 16 can be done not only in the illustrated horizontal direction (x-axis) but also transversely thereto (y-axis). Furthermore, it is possible in principle that the image sensor 12 can also be moved perpendicular to the plane of the table (z-axis). Furthermore, it should be noted that for the realization of the present invention, it is only important that the image sensor 12 and the measurement object 18 can be displaced relative to one another in such a way that the views of the measurement object and in particular the position of the contour change within each image. Accordingly, the image sensor 12 may be rigidly arranged when the table 16 is movable with the measurement object 18 via suitable drives. It also does not depend on the kinematic structure of the device 10, i. For example, the imager 12 could be arranged on a gantry or a horizontal arm which are movable relative to the table 16.
Der Bildaufnehmer 12 besitzt hier einen elektronischen Chip 22 mit einer Vielzahl von matrixartig zueinander angeordneten Bildpunkten (hier nicht gesondert dargestellt). Damit ist der Bildaufnehmer 12 in der Lage, ein zweidimensionales Abbild von dem Messobjekt 18 aufzunehmen. Mit der Bezugsziffer 24 ist eine Bildebene bezeichnet, die durch die Lage und Anordnung der Bildpunkte des Chips 22 definiert ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich das Messobjekt 18 in einem τ?Λn H ör "D i 1 r\ oKαn a O A in /-V-» O
Figure imgf000014_0001
relativ zu dem Messobjekt 18 verfahren wird.
The image sensor 12 here has an electronic chip 22 with a multiplicity of image points arranged in the manner of a matrix (not shown separately here). Thus, the imager 12 is capable of taking a two-dimensional image of the measurement object 18. The reference numeral 24 denotes an image plane which is defined by the position and arrangement of the pixels of the chip 22. In a preferred embodiment, the measurement object 18 is located in a τ Λn H ör " D i 1 r \ oKαn a OA in / -V-» O
Figure imgf000014_0001
is moved relative to the measuring object 18.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Bildaufnehmer 12 ein Zoomobjektiv 26, das in Richtung des Pfeils 28 verstellt werden kann, um den Bilderfassungsbereich und den Vergrößerungsfaktor zu verändern. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Bildaufnehmer 12 mit einem Festobjektiv und/oder mit einem Anschluss zum Auswechseln der Objektive versehen sein. Mit der Bezugsziffer 30 ist eine Lichtquelle bezeichnet, die hier dazu dient, das Messobjekt 18 mit einem Lichtmuster zu beleuchten. In vielen Anwendungsfällen wird eine solche Beleuchtung verwendet, um die Messbildauswertung und die automatische Konturerkennung zu erleichtern. Die vorliegende Erfindung ist allerdings auch bei Vorrichtungen einsetzbar, die ohne Zusatzbeleuchtung 30 auskommen.In the illustrated embodiment, the imager 12 has a zoom lens 26 that can be adjusted in the direction of arrow 28 to change the image capture area and the magnification factor. In other embodiments, the imager 12 may be provided with a fixed lens and / or with a port for replacing the lenses. The reference numeral 30 denotes a light source, which here serves to illuminate the measurement object 18 with a light pattern. In many applications, such illumination is used to facilitate the measurement image evaluation and automatic contour recognition. However, the present invention is also applicable to devices that do without additional lighting 30.
Mit der Bezugsziffer 32 ist eine Steuereinheit bezeichnet, die hier einen Prozessor 34 sowie einen Festwertspeicher 36 und einen Arbeitsspeicher 38 beinhaltet. In einfachen Ausführungsbeispielen ist die Steuereinheit ein PC, auf dem ein Betriebsprogramm abläuft, das die Steuerung der Vorrichtung 10 und die Bildauswertung ausführt.The reference numeral 32 denotes a control unit, which here includes a processor 34 and a read-only memory 36 and a main memory 38. In simple embodiments, the control unit is a PC running an operating program that performs the control of the apparatus 10 and the image evaluation.
Figur 2 zeigt ein erstes Abbild 44 von dem Messobjekt 18, das mit dem Bildaufnehmer 12 an einer ersten relativen Position zu dem Messobjekt 18 aufgenommen wurde. Das Abbild 44 ist hier vereinfacht dargestellt und zeigt von dem Messobjekt 18 lediglich ein Konturabbild 46 in einer ersten Ansicht. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kontur 19 und das entsprechende Konturabbild 46 kreisförmig. Das Konturabbild 46 besitzt einen Innendurchmesser, der hier mit einem Pfeil 48 bezeichnet ist. Des Weiteren ist der Mittelpunkt 50 des kreisförmigen Konturabbildes 46 dargestellt. Die Position des Mittelpunktes 50 auf der Oberfläche des Tisches 16 ist mit Hilfe von zwei Pfeilen 52, 54 dargestellt, wobei diese Pfeile hier auf den Mittelpunkt 56 eines Koordinatensystems parallel zu der Tischoberfläche bezogen sind. Die erste Ansicht zeigt das Messobjekt 18 also insbesondere an einer ersten Position 50 und mit einer ersten Abbildungsgröße.FIG. 2 shows a first image 44 of the measurement object 18, which was recorded with the image sensor 12 at a first relative position to the measurement object 18. The image 44 is shown here in a simplified manner and only shows a contour image 46 of the measurement object 18 in a first view. In this embodiment, the contour 19 and the corresponding contour image 46 are circular. The contour image 46 has an inner diameter, which is designated here by an arrow 48. Furthermore, the center 50 of the circular contour image 46 is shown. The position of the center point 50 on the surface of the table 16 is illustrated by means of two arrows 52, 54, these arrows being related here to the center 56 of a coordinate system parallel to the table surface. The first view thus shows the measurement object 18 in particular at a first position 50 and with a first image size.
Figur 3 zeigt ein zweites Abbild 58 des Messobjekts mit einem zweiten Konturabbild, die zur Unterscheidung von dem Konturabbild aus Figur 2 mit der Bezugsziffer 46' bezeichnet ist. Wie aus der Darstellung in Figur 3 zu erkennen ist, befindet sich der Mittelpunkt 50' der Kontur 46' an einer anderen Position 52', 54' relativ zu dem Mittelpunkt 56 des Koordinatensystems. Außerdem ist der Durchmesser 48' der Kontur 46' hier virtuell größer als der Durchmesser 48 der Kontur 46 aus Figur 2. Das zweite Abbild zeigt das Messobjekt also in einer zweiten Ansicht, die hier eine zweite Position und eine zweite Abbildungsgröße beinhaltet. Die virtuelle Größenänderung in Folge der Positionsverschiebung des Messobjekts 18 relativ zu dem Bildaufnehmer 12 ist hier übertrieben dargestellt und muss auch nicht zwingend vorliegen. Es ist auch möglich, dass trotz Änderung der relativen Position zwischen Bildaufnehmer 12 und Messobjekt 18 keine virtuelle Größenänderung auftritt und sich lediglich die virtuelle Position des Konturabbildes 46' geändert hat. Auch allein anhand der virtuell geänderten Position können Kalibrierdaten mit dem neuen Verfahren bestimmt werden. Vorzugsweise werden die Größenverhältnisse, also die erste und die zweite Abbildungsgröße jedoch ebenfalls ausgewertet.FIG. 3 shows a second image 58 of the measurement object with a second contour image, which is designated by the reference number 46 'to distinguish it from the contour image from FIG. As can be seen from the illustration in FIG. 3, the center point 50 'of the contour 46' is located at a different position 52 ', 54' relative to the center 56 of the coordinate system. In addition, the diameter 48 'of the contour 46' here is virtually larger than the diameter 48 of the contour 46 of Figure 2. The second image shows the measurement object so in a second view, here a second Position and a second image size includes. The virtual size change as a result of the positional shift of the measuring object 18 relative to the image recorder 12 is exaggerated here and does not necessarily have to be present. It is also possible that despite changing the relative position between imager 12 and measurement object 18 no virtual size change occurs and only the virtual position of the contour image 46 'has changed. Calibration data can also be determined with the new method based on the virtual changed position. However, the size ratios, ie the first and the second image size, are preferably also evaluated.
In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel werden das erste und das zweite Abbild aufgenommen und die Kalibrierdaten werden berechnet, während die Bildaufnahmeeinheit 12 relativ zu dem Messobjekt 18 verschoben wird. Des weiteren ist es von Vorteil, wenn die Abbilder bei Änderungen des Zoomfaktors aufgenommen werden.In a particularly advantageous embodiment, the first and the second image are recorded and the calibration data are calculated while the image acquisition unit 12 is displaced relative to the measurement object 18. Furthermore, it is advantageous if the images are recorded when the zoom factor changes.
Zur Erläuterung des neuen Verfahrens sei in einem Ausführungsbeispiel vereinfacht angenommen, dass der Chip 22 des Bildaufnehmers 12 einen in allen Dimensionen gleichen Skalierungsfaktor k besitzt, der allerdings von Messung zu Messung variieren kann. Des Weiteren sei angenommen, dass die reale Abmessung der Kontur 19 einen über mehrere Messungen gleichbleibenden Wert aufweist. Mit anderen Worten gilt:To explain the new method, in one exemplary embodiment it is assumed in a simplified manner that the chip 22 of the image sensor 12 has a scaling factor k that is the same in all dimensions, but that can vary from measurement to measurement. Furthermore, it is assumed that the real dimension of the contour 19 has a constant value over several measurements. In other words:
Gl mmeettrriisscchh —
Figure imgf000016_0001
—— G vjnilmetπsch,
Glmetettrriisscchh -
Figure imgf000016_0001
- G vjnilmetπsch,
wobeiin which
Gl metrisch die reale Größe bzw. Abmessung der Kontur 19 bei der Aufnahme des ersten Abbildes bezeichnet,Gl metric denotes the real size or dimension of the contour 19 when taking the first image,
G2metπsch die reale Größe bzw. Abmessung der Kontur 19 bei der Aufnahme des zweiten Abbildes bezeichnet, und Grimetrisch die reale Größe der Kontur 19 bei der Aufnahme des n-ten Abbildes bezeichnet.G2metπsch denotes the real size or dimension of the contour 19 in the recording of the second image, and Grimetrically the real size of the contour 19 in recording the nth image referred.
Demgegenüber kann die Größe Glsens der Kontur 19 im ersten Abbild von der Größe G2sens im zweiten Abbild variieren. Es gelten daher folgende Zusammenhänge:In contrast, the size Glsen of the contour 19 in the first image of the size G2sens in the second image vary. Therefore, the following relationships apply:
G l metπsch = G2metrisch =Gnmetπsch = kl X Glsens = k2 X G2sens = kn X Gnsens 1 1 metrisch "
Figure imgf000017_0001
= Kl X Llsens " KZ X LZsens Pl metrisch " Pnmetπsch = kl X Llsens - kn X Lnsens,
G l metπsch = G2 = G m etrisch etπsch m = kl X k2 = Glsens G2sens X = kn X Gnsens 1 1 metric "
Figure imgf000017_0001
= Kl X Llsens "KZ X LZsens Pl metric" Pn me tπsch = kl X Llsens - kn X Lnsens,
wobei Plmetπsch, P2metπsch, Primetπsch die in die Bildebene 24 projizierte relative Position des Bildaufnehmers 12 ist, und Llsens, L2Sens, LnSens die Position der Kontur 46 in den aufgenommen Bildern ist.wherein Plmetπsch, P2 m etπsch, Primetπsch is the projected into the image plane 24 relative position of the image sensor 12, and Llsens, L2 S ens, Ln Sen s is the position of the contour 46 in the recorded images.
Aus diesen Zusammenhängen lassen sich folgende Gleichungen herleiten:From these relationships, the following equations can be derived:
kl = (G2sens X (Pl metrisch - Pnmetπsch) / (G2sens X Llsens " Glsens X L2sens) k2 = (Glsens X (Plmetnsch - Pnmetπsch) / (G2sens X Llsens - Glsens X L2sens).kl = (G2sens X (Pl metric - Pn me tπsch) / (G2sens X Llsens "Glsens X L2sens) k2 = (Glsens X (Plmetnsch - Pn me tπsch) / (G2sens X Llsens - Glsens X L2sens).
Damit lassen sich die Skalierungsfaktoren kl, k2 anhand der Größe und Position der Kontur 46, 46' in den Abbildern 44, 58 und anhand der realen Positionsverschiebung des Bildaufnehmers 12 relativ zu dem Messobjekt 18 ermitteln. Anschließend kann mit den Skalierungsfaktoren kl, k2 der Durchmesser 48, 48' und die Position 50, 50' der Kontur 46, 46' berechnet werden.Thus, the scaling factors k1, k2 can be determined on the basis of the size and position of the contour 46, 46 'in the images 44, 58 and on the basis of the real positional shift of the image recorder 12 relative to the measurement object 18. Subsequently, with the scaling factors k1, k2, the diameters 48, 48 'and the position 50, 50' of the contour 46, 46 'can be calculated.
Die hier beschriebene Vorgehensweise lässt sich verallgemeinern, da die Position und Größe der Kontur 46 bei der ersten Messung im kalibrierten Sensorkoordinatensystem gleich der um die Verschiebung des Sensors rücktransformierten Position und Größe der Kontur 46' bei der zweiten Messung sein muss. Allgemein kann man sagen, dass die Kalibrierdaten hier anhand eines Gleichungssystems bestimmt werden, dessen Gleichungen den mathematischen Zusammenhang zwischen der bekannten Positionsveränderung des Bildaufnehmers relativ zu dem Messobjekt und der detektierten „virtuellen" Veränderung der Größe und Position des Messobjekts von einem Abbild zum nächsten repräsentieren. Für die Bestimmung einer Anzahl von n Kalibrierdaten werden vorzugsweise n Gleichungen anhand von n Bildpaaren verwendet.The procedure described here can be generalized since the position and size of the contour 46 in the first measurement in the calibrated sensor coordinate system is equal to the position transformed back by the displacement of the sensor Size of the contour 46 'must be at the second measurement. In general, one can say that the calibration data are determined here using a system of equations whose equations represent the mathematical relationship between the known positional change of the image recorder relative to the measurement object and the detected "virtual" change in the size and position of the measurement object from one image to the next. For the determination of a number of n calibration data, preferably n equations based on n image pairs are used.
Figur 4 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens. Gemäß Schritt 64 wird der Bildaufnehmer 12 zunächst an eine erste Position relativ zu dem Messobjekt 18 verfahren. Gemäß Schritt 66 wird dann das erste Abbild 44 aufgenommen. Die Bildaufnahme kann während der Bewegung erfolgen, wenn die Bildaufnahme mit der jeweiligen Position der Bildaufnahmeeinheit 12 synchronisiert ist. Anschließend wird das erste Konturabbild 46 identifiziert (Schritt 68), und es wird eine erste Abbildungsgröße 48 anhand des Konturabbildes 46 bestimmt (Schritt 70). Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, kann die Abbildungsgröße beispielsweise der Durchmesser 48 eines kreisförmigen Konturabbildes 46 sein. Alternativ hierzu könnte die Fläche, die von der Kontur 46 eingegrenzt wird, als Maß für die Abbildungsgröße verwendet werden. Des Weiteren könnte die Abbildungsgröße die Länge einer Linie oder eine andere Abmessung sein.FIG. 4 shows a simplified flowchart for explaining an embodiment of the new method. According to step 64, the image recorder 12 is first moved to a first position relative to the measurement object 18. In step 66, the first image 44 is then recorded. The image recording can take place during the movement if the image recording is synchronized with the respective position of the image recording unit 12. Subsequently, the first contour image 46 is identified (step 68), and a first image size 48 is determined on the basis of the contour image 46 (step 70). As shown in FIGS. 2 and 3, the image size may be, for example, the diameter 48 of a circular contour image 46. Alternatively, the area bounded by the contour 46 could be used as a measure of the image size. Furthermore, the image size could be the length of a line or another dimension.
Gemäß Schritt 72 wird die Position der Kontur 46 innerhalb des ersten Abbildes 44 bestimmt. Dies erfolgt vorzugsweise in Koordinaten, wie sie in Figur 2 bei den Bε- zugsziffern 52, 54 dargestellt sind. Sämtliche in den Schritten 64, 70 und 72 bestimmten Werte werden in dem Speicher 38 der Steuereinheit 32 gespeichert. Anschließend wird der Bildaufnehmer 12 an eine zweite Position relativ zu dem Messobjekt 18 verfahren (Schritt 74) und es wird ein zweites Abbild 58 aufgenommen (Schritt 76). Anhand des zweiten Abbildes 58 wird ein zweites Konturabbild 46' identifiziert (Schritt 78), und es wird dessen Abbildungsgröße 48' und Position 50' bestimmt (Schritte 80, 82). Gemäß Schritt 84 können weitere Abbilder aufgenommen werden oder das Verfahren kann zum Schritt 86 verzweigen, mit dem die Bestimmung der Kalibrierdaten und die Bestimmung der Geometriedaten eingeleitet wird.According to step 72, the position of the contour 46 within the first image 44 is determined. This is preferably done in coordinates, as shown in Figure 2 at the Bε- zugsziffern 52, 54. All values determined in steps 64, 70 and 72 are stored in the memory 38 of the control unit 32. Subsequently, the imager 12 is moved to a second position relative to the measurement object 18 (step 74) and a second image 58 is taken (step 76). Based on the second image 58, a second contour image 46 'is identified (step 78), and its image size 48' and position 50 'are determined (steps 80, 82). In step 84, further images may be taken or the method may branch to step 86, with which the determination of the calibration data and the determination of the geometry data is initiated.
Gemäß Schritt 86 werden alle benötigten Daten aus dem Speicher 38 geholt. Gemäß Schritt 88 werden anhand der bekannten Positionen des Bildaufnehmers 12 relativ zu dem Messobjekt 18 und anhand der Abbildungsgrößen und Konturpositionen die Kalibrierdaten kl, k2 bestimmt.In step 86, all required data is fetched from memory 38. According to step 88, the calibration data k1, k2 are determined on the basis of the known positions of the image recorder 12 relative to the measurement object 18 and on the basis of the image sizes and contour positions.
Gemäß Schritt 90 kann eine Mittelwertbildung erfolgen, indem die Kalibrierdaten anhand mehrerer Bildpaare mehrfach bestimmt und dann gemittelt werden. Schritt 90 ist für die Durchführung des Verfahrens jedoch nicht zwingend erforderlich und kann dementsprechend entfallen.According to step 90, an averaging can be performed by multiplying the calibration data based on several image pairs and then averaging. However, step 90 is not absolutely necessary for carrying out the method and can accordingly be dispensed with.
Des weiteren kann die Bestimmung der Kalibrierdaten gemäß Schritt 92 mehrfach anhand verschiedener Bildpaare erfolgen, um einen Gütefaktor in Form einer Standardabweichung zu bestimmen. Anschließend werden die Geometriedaten des Messobjekts 18, beispielsweise also der reale Wert des Durchmessers 48 und der Position 50, in Abhängigkeit von den Kalibrierdaten kl, k2 bestimmt.Furthermore, the determination of the calibration data according to step 92 can be carried out several times using different image pairs in order to determine a quality factor in the form of a standard deviation. Subsequently, the geometry data of the measurement object 18, for example, the real value of the diameter 48 and the position 50, are determined as a function of the calibration data k1, k2.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung des neuen Verfahrens ersichtlich ist, können individuelle Kalibrierdaten für jedes Geometriedatum bestimmt werden, das an dem Messobjekt 18 bestimmt werden soll. Alternativ hierzu können die anhand der Kontur 19 bestimmten Kalibrierdaten für verschiedene Messungen an dem Messobjekt 18 oder für Messungen an einem anderen Messobjekt verwendet werden.As can be seen from the above description of the new method, individual calibration data can be determined for each geometry datum to be determined on the measurement object 18. Alternatively, the calibration data determined on the basis of the contour 19 can be used for different measurements on the measurement object 18 or for measurements on another measurement object.
Die neue Vorgehensweise erlaubt es, einen Kalibriervorgang und insbesondere den Teilaspekt der linearen Skalierung während der eigentlichen Messung durchzuführen, ohne dass dazu ein kalibriertes Referenznormal zur Verfügung stehen muss und auch ohne dass ein spezieller Kalibrierprozess der eigentlichen Messung vorausgehen muss. Vorausgesetzt wird lediglich, dass die Position des Bildaufnehmers 12 relativ zu dem Messobjekt 18 in exakten Positionsdaten erfasst werden kann, d.h. die Bewegungen des Bildaufnehmers 12 relativ zu dem Tisch 16 müssen mit einem kalibrierten Messsystem erfasst werden können. Dies ist typischerweise bei Koordinatenmessgeräten oder Digitalisiermaschinen der Fall, bei denen ein Messkopf mit einem optischen Sensor relativ zu einem Messtisch bewegt wird. Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung können daher besonders einfach in solchen Koordinatenmessgeräten und Digitalisiermaschinen implementiert werden.The new procedure makes it possible to carry out a calibration process and in particular the partial aspect of the linear scaling during the actual measurement, without having to have a calibrated reference standard available, and also without a special calibration process having to precede the actual measurement. It is only assumed that the position of the image sensor 12 relative to the measurement object 18 can be detected in exact position data, ie the movements of the image sensor 12 relative to the table 16 must be able to be detected with a calibrated measuring system. This is typically the case with coordinate measuring machines or digitizing machines in which a measuring head with an optical sensor is moved relative to a measuring table. The new method and the new device can therefore be implemented particularly easily in such coordinate measuring machines and digitizing machines.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung erfolgt die Identifizierung der Kontur 46, 46' in den Abbildern 44, 58 automatisch, wobei ein beliebiger Konturerkennungsalgorithmus zur Anwendung kommen kann. Geeignete Algorithmen sind für verschiedene Anwendungen der elektronischen Bildverarbeitung entwickelt worden und den einschlägigen Fachleuten bekannt, beispielsweise aus US 2007/0154097 Al oder US 2007/0127821 Al.In preferred embodiments of the invention, the identification of the contour 46, 46 'in the images 44, 58 is automatic, whereby any contour recognition algorithm can be used. Suitable algorithms have been developed for various electronic image processing applications and known to those skilled in the art, for example from US 2007/0154097 A1 or US 2007/0127821 A1.
Dadurch, dass in bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung die Größe und Position der Kontur 46, 46' ausgewertet wird, kann man für jede Messung der Messreihe von einem individuellen Kalibrierungsfaktor ausgehen. Abweichend hiervon kann man jedoch auch eine vereinfachte Variante des neuen Verfahrens realisieren, die auf der Annahme beruht, dass die Kalibrierungsfaktoren innerhalb einer Messreihe konstant sind. Dann ist es beispielsweise möglich, den linearen Skalierungsfaktor lediglich in Abhängigkeit von der Abbildungsgröße im ersten und zweiten Abbild und in Abhängigkeit von der ersten und zweiten Position des Bildaufnehmers relativ zu dem Messobjekt zu bestimmen.Characterized in that in preferred embodiments of the invention, the size and position of the contour 46, 46 'is evaluated, one can assume for each measurement of the measurement series of an individual calibration factor. Deviating from this, however, one can also realize a simplified variant of the new method, which is based on the assumption that the calibration factors are constant within a measurement series. It is then possible, for example, to determine the linear scaling factor only as a function of the image size in the first and second images and as a function of the first and second positions of the image recorder relative to the measurement object.
Andererseits kann man weitere Kalibrierungsfaktoren einführen, die beispielsweise die Korrektur von Verzeichnungen oder eine Verkippung der Kontur bei einer Verschiebung des Bildaufnehmers relativ zum Messobjekt berücksichtigen, wenn mehr als zwei Messungen der Kontur durchgeführt werden. On the other hand, one can introduce further calibration factors which take into account, for example, the correction of distortions or a tilting of the contour during a displacement of the image recorder relative to the measurement object when more than two measurements of the contour are carried out.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Bestimmen von Geometriedaten eines Messobjekts (18), das zumindest eine Kontur (19) mit einer definierten Abmessung aufweist, mit den Schritten:A method of determining geometry data of a measurement object (18) having at least one contour (19) with a defined dimension, comprising the steps of:
Aufnehmen (66) von zumindest einem ersten Abbild (44) des Messobjekts (18) mit Hilfe eines Bildaufnehmers (12), der an einer ersten bekannten Position relativ zu dem Messobjekt (18) angeordnet ist, wobei das erste Abbild (44) ein erstes Konturabbild (46) enthält, das die definierte Abmessung in einer ersten Ansicht (48) zeigt,Receiving (66) at least a first image (44) of the measurement object (18) by means of an image sensor (12) arranged at a first known position relative to the measurement object (18), the first image (44) being a first image Contour image (46) showing the defined dimension in a first view (48)
Bestimmen von ersten Bilddaten (70, 72) des Messobjekts (18) aus dem ersten Abbild (44), undDetermining first image data (70, 72) of the measurement object (18) from the first image (44), and
Bestimmen der Geometriedaten (94) aus den ersten Bilddaten unter Verwendung von Kalibrierdaten, die eine Abbildungsfunktion zwischen dem ersten Abbild (44) und dem Messobjekt (18) repräsentieren,Determining the geometry data (94) from the first image data using calibration data representing a mapping function between the first image (44) and the measurement object (18),
dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Abbild (58) des Messobjekts (18) einschließlich eines zweiten Konturabbildes (46') an einer zweiten bekannten Position des Bildaufnehmers (12) relativ zu dem Messobjekt (18) aufgenommen wird, wobei das zweite Konturabbild (46') die definierte Abmessung in einer zweiten Ansicht (48') zeigt, und wobei die Kalibrierdaten in Abhängigkeit von der ersten und der zweiten Position und in Abhängigkeit von der ersten und zweiten Ansicht (48, 48') bestimmt werden.characterized in that a second image (58) of the measurement object (18) including a second contour image (46 ') is taken at a second known position of the image recorder (12) relative to the measurement object (18), the second contour image (46'; ) shows the defined dimension in a second view (48 '), and wherein the calibration data is determined as a function of the first and the second position and in dependence on the first and second views (48, 48').
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdaten unabhängig von der definierten Abmessung der Kontur (19) bestimmt werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that the calibration data are determined independently of the defined dimension of the contour (19).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Konturabbild (46, 46') innerhalb des ersten bzw. des zweiten Abbildes (44, 58) automatisch identifiziert werden.3. The method of claim 1 or 2, characterized in that the first and second contour image (46, 46 ') within the first and the second image (44, 58) are automatically identified.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Position in etwa um die definierte Abmessung oder weiter auseinander liegen.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the first and the second position are approximately in the defined dimension or further apart.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von ersten und zweiten Ansichten (48, 48') an einer Vielzahl von ersten und zweiten Positionen bestimmt werden (84).A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a plurality of first and second views (48, 48 ') are determined (84) at a plurality of first and second positions.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Geometriedaten bestimmt werden, wobei für jedes Geometriedatum zugehörige Kalibrierdaten bestimmt werden.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a plurality of geometric data are determined, wherein for each geometry datum associated calibration data are determined.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdaten für eine Vielzahl von Geometriedaten verwendet werden.7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the calibration data are used for a plurality of geometry data.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer (12) dazu ausgebildet ist, ein zweidimensionales Abbild (44, 58) des Messobjekts (18) zu erzeugen.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the image sensor (12) is adapted to produce a two-dimensional image (44, 58) of the measuring object (18).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer (12) dazu ausgebildet ist, ein dreidimensionales Abbild des Messobjekts zu erzeugen.9. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the image sensor (12) is adapted to generate a three-dimensional image of the measurement object.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer (12) eine Bildebene (24) aufweist, wobei die erste und zweite Position in einem konstanten senkrechten Abstand (D) zu der Bildebene (24) liegen. 10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the image sensor (12) has an image plane (24), wherein the first and second positions in a constant vertical distance (D) to the image plane (24).
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer (12) ein Zoomobjektiv (26) aufweist.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the image sensor (12) has a zoom lens (26).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das erste und zweite Abbild (44, 58) verzeichnungsfrei aufgenommen werden.12. The method according to any one of claims 1 to 11, the first and second image (44, 58) are recorded without distortion.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (19) kreisförmig ist.13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the contour (19) is circular.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (19) eine definierte Drehlage um eine senkrecht zu der Kontur (19) verlaufende Achse aufweist.14. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the contour (19) has a defined rotational position about a perpendicular to the contour (19) extending axis.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer (12) relativ zu dem Messobjekt (18) rotationsfrei verschoben wird.15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that the image sensor (12) relative to the measurement object (18) is rotated without rotation.
16. Vorrichtung zum Bestimmen von Geometriedaten eines Messobjekts (18), das zumindest eine Kontur (19) mit einer definierten Abmessung aufweist, mit16. An apparatus for determining geometric data of a measuring object (18), which has at least one contour (19) with a defined dimension, with
einem Bildaufnehmer (12) zum Aufnehmen von zumindest einem ersten Abbild (44) des Messobjekts (18) an einer ersten definierten Position, wobei der Bildaufnehmer (12) relativ zu dem Messobjekt (18) ver- fahrbar ist, und wobei das erste Abbild (44) ein erstes Konturabbild (46) enthält, das die definierte Abmessung in einer ersten Ansicht (48) zeigt,an image recorder (12) for recording at least a first image (44) of the measurement object (18) at a first defined position, wherein the image recorder (12) is movable relative to the measurement object (18), and wherein the first image ( 44) includes a first contour image (46) showing the defined dimension in a first view (48),
einer Bilddatenbestimmungseinheit (32, 68-72) zum Bestimmen von ersten Bilddaten des Messobjekts (18) aus dem ersten Abbild (44), undan image data determination unit (32, 68-72) for determining first image data of the measurement object (18) from the first image (44), and
einer Geometriedatenbestimmungseinheit (32, 94) zum Bestimmen der Geometriedaten aus den ersten Bilddaten unter Verwendung von Kalib- rierdaten, die eine Abbildungsfunktion zwischen dem ersten Abbild (44) und dem Messobjekt (18) repräsentieren,a geometry data determination unit (32, 94) for determining the geometry data from the first image data using calibration data rier data representing a mapping function between the first image (44) and the measurement object (18),
gekennzeichnet durch eine Kalibrierdatenbestimmungseinheit (32, 90), die dazu ausgebildet ist, die Kalibrierdaten in Abhängigkeit von der ersten und von einer zweiten Position des Bildaufnehmers (12) relativ zu dem Messobjekt (18) und in Abhängigkeit von der ersten und einer zweiten Ansicht (48') zu bestimmen, wobei die zweite Ansicht (48') die definierte Abmessung in einem zweiten Konturabbild (46') repräsentiert, das an der zweiten Position des Bildaufnehmers (12) relativ zu dem Messobjekt (18) aufgenommen wurde.characterized by a calibration data determination unit (32, 90) which is designed to display the calibration data in dependence on the first and second positions of the image recorder (12) relative to the measurement object (18) and on the first and second views ( 48 '), the second view (48') representing the defined dimension in a second contour image (46 ') taken at the second position of the imager (12) relative to the measurement object (18).
17. Computerprogramm mit Programmcode, der dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 durchzuführen, wenn der Programmcode auf einem Computer abläuft, der als Steuereinheit für eine Vorrichtung nach Anspruch 16 dient. A computer program with program code adapted to perform a method according to any one of claims 1 to 15 when the program code is run on a computer serving as a control unit for a device according to claim 16.
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