WO2009065418A1 - Hochauflösende optische erfassung der raumform von körpern - Google Patents

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WO2009065418A1
WO2009065418A1 PCT/EP2007/009993 EP2007009993W WO2009065418A1 WO 2009065418 A1 WO2009065418 A1 WO 2009065418A1 EP 2007009993 W EP2007009993 W EP 2007009993W WO 2009065418 A1 WO2009065418 A1 WO 2009065418A1
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camera
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photogrammetric
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light pattern
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PCT/EP2007/009993
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Dirk Rutschmann
Rene Pfeiffer
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Corpus.E Ag
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    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1126—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb using a particular sensing technique
    • A61B5/1127—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb using a particular sensing technique using markers

Definitions

  • a stable spatial triangular arrangement of light projector, camera and body for pointwise determination of the distance of the observed body surface of the triangulation of camera and light projector, also called measuring head. From the sum of these distance data, an XYZ point model of the considered surface is determined.
  • camera / projector arrangements In order to capture the entire body, either several camera / projector arrangements have to be mounted or moved around the body (eg in the body scan of the Breumann company) or a camera / projector arrangement has to be moved mechanically over the body surface (eg in the case of Foot scanner PEDUS of the company Vitronic Dr. Stein).
  • the angle arrangement of camera / projector is sensitive: even small angle errors lead to large measurement errors in the measured distances.
  • the movement of the triangulation arrangement in space is equally sensitive: small errors in the position determination of the measuring head lead to large measurement errors in the generated 3D point model.
  • This sensitivity means that these scanners often have to be recalibrated even with a very robust and expensive opto-mechanical design, especially after each transport and every movement of the Scanner. Since these scanners often also carry the weight of the customer (eg pedus foot scanner), the requirement for a rigid construction can be achieved only with considerable effort, so that the calibration must be repeated often from this point of view.
  • Strip projection working 3D scanners using different standards provides a large number of parameters, which directly determine the measurement accuracy. These are, for example:
  • the calibration of a 3D scanner is a complex process to be performed with the aid of high-precision calibration bodies, in which the sales personnel are e.g. of an orthopedic specialty store is often overwhelmed and therefore rejected.
  • Lightbeam® has developed a photogrammetric foot scanner that works without a projector and thus without a sensitive triangulation arrangement, whereby the foot is covered with a specially marked elastic sock and a video camera is mechanically moved around the foot (see also WO 2004/078040 A1).
  • the foot stands on a photogrammetrically marked surface, so that the spatial position, from which the camera measures, permanently can be determined automatically with the methods of photogrammetry (the so-called “outer” parameters of a photogrammetric measuring arrangement).
  • the so-called “internal” parameters of the camera itself such as focal length, image sensor, optical axis penetration point, object distortion, etc., can be determined automatically from the evaluation of overlapping 2D images of the marked surface and the marked foot. It can be commissioned at any time after a transport without calibration, it never needs to be recalibrated after a load change, the mechanical stability of the design can be simple and inexpensive as it does not feed into the end result, the 3D model being measured.
  • the 3D digitizer should therefore be inexpensive, high-resolution and calibration-free, or self-calibrating.
  • the 3D spatial shape of the body or body part is then determined by photogrammetric methods by evaluating the position of the light pattern on the body or body part in the images taken by the at least one camera. Since the parameters are each determined, the requirements for the stability of the triangulation are low and the mechanical guide and the drive can be made very simple and inexpensive, since their mechanical accuracy is not incorporated into the accuracy of the photogrammetric determination of the camera position.
  • photogrammetric marks are distributed over the entire image field.
  • the Depth of field would not be enough and the entire volume of the 3D digitizer would be too big for many orthopedic businesses.
  • photogrammetric marks are placed in a portion of the body in the upper region, in a preferred embodiment, these photogrammetric marks on a narrow, elastic band, which in turn is attached to the body or body part itself in the upper area, ie so that the band as possible far from the marked area.
  • the multiple registration of the marks on the surface and band allow a much more stable bundle compensation and thus a more robust calculation of the internal and external parameters of the camera.
  • the marked band is also required to determine a possible tilt angle of the light line of the projector.
  • the mark in the form of an inexpensive narrow band is compared to the complete clothing of the entire body with a photogrammetrically marked elastic coating a great simplification.
  • the surface of the body / body of interest actually remains free for a high-resolution 3D digitization according to the number of light sections analyzed and leads therefore generating a very dense XYZ point cloud of the body to be digitized.
  • other forms of application of the brands as over a tape conceivable.
  • the entire 3D Digtalizer is inexpensive to produce by this self-calibration, since all mechanical components simple and only with moderate mechanical stability and accuracy must be designed and produced.
  • the photogrammetric marks of the area and on the body can be designed purely in b / w.
  • the projected light pattern or the light line can be easily recognized in the image of a b / w camera due to their high brightness.
  • the method according to the invention therefore does not require a color camera, which in turn represents a considerable simplification and cost reduction.
  • the method according to the invention can be used not only for biological but also for technical or artistic bodies, e.g. for the digitization of artistically valuable sculptures, casting bodies, etc.
  • the inventive concept also covers methods in which the light projector not only has a simple line, but more complex light patterns such as e.g. generated several parallel lines, color or b / w coded lines. Such light pattern projectors are known to those skilled in image processing.
  • the triangulation probe may also be hand-held, i. Without mechanical guidance to be moved around the body to be digitized, only care must be taken that the field of view of the camera at each
  • Body up to and including the marks on the body is enough, even if it is Depending on the body shape can give individual recording positions in which the tape is covered.
  • the method and the arrangement according to the invention therefore permit the construction of very cost-effective yet accurate and high-resolution self-calibrating 3D digitizers in comparison with the prior art.
  • FIG. 1 shows a basic arrangement according to the invention in FIG. 1
  • Figure 2 shows schematically an arrangement according to the invention in a plan view
  • FIG. 3 schematically shows a detail of the arrangement according to FIG. 2 with twisted line-of-light projector
  • FIG. 4 shows a detail of a marked band according to the invention with two lines of light lines.
  • the selected embodiment describes the 3D digitization of a
  • FIG. 1 shows a photogrammetric marking in a side view
  • a triangulation assembly 18 with camera and light line projector can be mechanically moved around the patient.
  • a projector that projects a more complicated pattern of light can also be used.
  • the mechanical arrangement can be performed easily, even a movement of the triangulation arrangement by hand without guidance is possible.
  • a narrow, preferably elastic, photogram metrically marked band 20 fits snugly against a leg above the foot to be digitized, it is of course also possible to attach a band to both feet, or to choose a different mounting method for the marks.
  • the tape 20 is mounted so that it is located at the upper limit of the field of view just captured by the camera, that is detected in a region of the image field which is opposite to the marked surface, in order to obtain stable calibration values.
  • Suitable automatically evaluable photogrammetric markings which can be easily produced eg as knit textile, are described in EP 01 986759.7.
  • the exemplary embodiment is a black and white camera and the shape and / or brightness design of the marks of the surface 10 and the belt 20 and the light pattern projector are selected so that they in the gray value images of the b / w camera with known methods the optical pattern recognition can be detected and distinguished.
  • a camera suitable for color and to select the colors of the photogrammetric marks of the area 10 and the belt 20 and the color or color of the light pattern projector so that they recognized and distinguished in the color images of the color camera with the methods of color classification can be.
  • the colors of the photogrammetric marks of the area and the ribbon, as well as the color or color of the light pattern projector, as well as the shape and / or brightness of the marks of the area and the ribbon and of the light pattern projector can also be chosen to be in the color images of the camera can be detected and distinguished by the methods of optical pattern recognition.
  • the light pattern projector is preferably alternately switched between a patternless illumination suitable for detecting surface properties of the body or body part to be digitized and a patterned illumination suitable for recognizing the spatial form of the body and / or body part to be digitized.
  • the photogrammetric marks can also be optically designed so that they reflect the light of the light pattern projector in a manner that can be distinguished automatically in the image of the camera with methods of image processing of the reflection of the body and / or body part, including the Light polarization can be used advantageously.
  • a projected light line 22 extends from the marked area 10 over the digitized, unmarked foot to above the marked band 20.
  • the field of view of the camera is designed accordingly by selecting the focal length.
  • an image pickup control 24 indicated in Figure 2 initiates a plurality of shots including both a portion of the marked area 10, a portion of the foot 12, and depict a section of the marked band 20.
  • the recordings must overlap. The smaller the spatial recording distances are, the more accurate both the calibration and the digitization.
  • FIG. 2 shows in a top view the marked area 10 with photogrammetric marks 26, the triangulation arrangement 18 comprising the camera 28 and the light line projector 30, as well as the light line 22 generated by the light line projector and beginning on the marked area 10.
  • Two arrows 32 indicate that the Camera 28 of the measuring head 18 detects a section of the marked area 10.
  • An arrow 34 indicates the direction of movement of the triangulation arrangement.
  • a computer 36 is indicated, which evaluates the images of the camera.
  • the feet 12 are shown schematically. Successive images have a large overlap area, so that the photogrammetrically marked marks 26 easily by a automatic recognition of their coding can be found in the individual recordings and assigned to each other. It is known to the person skilled in Photogramm metrie that this allows all internal and external parameters of the camera such as absolute position in space, focal length, position of the sensor in the camera, etc. can be determined.
  • FIG. 3 shows a section of the arrangement from FIG. 2 with the surface 10, a foot 12, marks 26 and the triangulation arrangement 18.
  • a slight rotation of the light line projector 30 is indicated, with which the triangulation angle changes.
  • the rotation of the light line projector 30 in a plane parallel to the marked surface 10 results in a rotation of the light line 22 from a position 38 to a position 40 on the marked surface 10. This rotated light line is picked up by the camera 28 Rotation angle determined by evaluating the recordings.
  • FIG. 4 schematically shows a section of the marked band 20, as can be seen in the field of view of the camera 28.
  • a tilting of the vertical alignment of the light line projector 30 leads to a tilting of the light line or light line 22 on the marked band 20 from a position 42 to a position 44, which is recorded by the camera 28.
  • the marks on the tape allow the absolute determination of the position shift.
  • the computer 36 to which the image data are forwarded, with a program for automatic photogrammetric determination by evaluating the photogrammetric marks 26 of the surface 10 and the Bandes 20 and the light pattern of the light projector 30 on the marked area 10 and the marked band 20, the internal and external parameters of the triangulation 18 for each picking position accurately calculate.
  • the automatic detection of the light line 22 in the image field of the camera 28 is known to those skilled in the image processing.
  • the automatic detection of the photogrammetric marks 26 on the surface 10 and on the elastic band 20 are from the products, product descriptions, publications and disclosed property rights of corpus.e AG and are part of the general knowledge of the person skilled in the art. They therefore need not be explained here.

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Abstract

Kostengünstiges Verfahren und Anordnung zur 3D Digitalisierung von Körpern und Körperteilen, welches trotz ungenauer Optik und Mechanik dichte und genaue Raumkoordinaten erzeugt. Der zu digitalisierende Körper wird auf eine photogrammetrisch markierte Fläche gestellt, ein photogrammetrisch markiertes Band wird an dem zu digitalisierenden Körper oder Körperteil angebracht, und eine Triangulationsanordnung bestehend aus Kamera und Lichtmusterprojektor wird auf einer Bahn um den Körper herum bewegt. Durch photogrammetrische Auswertung der sich im Bildfeld der Kamera befindlichen photogrammetrischen Marken der Fläche und des Bandes sowie der Lichtspuren des Lichtprojektors auf der markierten Fläche und dem markierten Band werden alle unbekannten inneren und äußeren Parameter der Triangulationsanordnung bestimmt und aus den Lichtspuren auf dem nicht markierten Körper werden die absoluten Raumkoordinaten des Körpers oder des Körperteils ohne gesonderte Kalibrierungsverfahren mit hoher Punktedichte und hoher Genauigkeit ermittelt.

Description

Hochauflösende optische Erfassung der Raumform von Körpern
Die Erfassung der 3-dimensionalen Raumform von Körpern oder Körperteilen, insbesondere von menschlichen Körperteilen wie Beine, Rumpf und Füßen ist ein wichtiger Bestandteil bei der Herstellung oder Zuordnung passender Bekleidungsstücke, orthopädischer Hilfsmittel wie Kompressionsstrümpfe, Prothesen und Orthesen als auch bei der Herstellung bzw. Zuordnung passender Schuhe. Es sind zahlreiche optische 3D Scanner auf dem Markt, welche meistens entweder mit den Verfahren der Lasertriangulation (siehe z.B. PEDUS Fußscanner der Firma Vitronic Dr. Stein, www.vitus.de) oder der Streifenprojektion (siehe z.B. bodyScan der Firma Breuckmann, www.breuckmann.com) arbeiten. Beide Verfahren beruhen auf der Grundlage der Triangulation, d.h. einer stabilen räumlichen Dreiecksanordnung von Lichtprojektor, Kamera und Körper zur punktweisen Bestimmung der Entfernung der beobachteten Körperfläche von der Triangulationsanordnung aus Kamera und Lichtprojektor, auch Messkopf genannt. Aus der Summe dieser Entfernungsdaten wird ein XYZ Punktemodell der betrachteten Oberfläche bestimmt. Um den gesamten Körper zu erfassen, müssen entweder mehrere Kamera/Projektor-Anordnungen um den Körper herum angebracht bzw. bewegt werden (z.B. beim bodyScan der Firma Breumann) oder es muss eine Kamera/Projektor-Anordnung mechanisch über die Köperoberfläche bewegt werden (z.B. beim Fußscanner PEDUS der Firma Vitronic Dr. Stein).
Die Winkelanordnung von Kamera/Projektor ist empfindlich: bereits kleine Winkelfehler führen zu großen Messfehlern in den gemessenen Entfernungen. Die Bewegung der Triangulationsanordnung im Raum ist gleichermaßen empfindlich: kleine Fehler bei der Positionsbestimmung des Messkopfes führen zu großen Messfehlern im erzeugten 3D Punktemodell. Diese Empfindlichkeit führt dazu, dass diese Scanner sogar bei einer sehr robusten und aufwendigen opto-mechanischen Bauweise häufig neu kalibriert werden müssen, insbesondere auch nach jedem Transport und bei jeder Bewegung des Scanners. Da diese Scanner außerdem häufig noch das Gewicht des Kunden tragen (z.B. beim pedus Fußscanner), ist die Forderung nach einer steifen Konstruktion nur mit erheblichem Aufwand zu erreichen, so dass auch unter diesem Gesichtspunkt die Kalibration häufig wiederholt werden muss.
Die Kalibrierung eines auf der Triangulation mit Laser- oder
Streifenprojektion arbeitenden 3D Scanners mit Hilfe verschiedener Normale liefert eine große Zahl von Parametern, welche direkt die Messgenauigkeit bestimmen. Dies sind z.B.:
die genaue Raumlage zwischen Kamera und Projektor (Triangulationswinkel, Messbasis, gegenseitige Ausrichtung, ...)
- die genauen inneren Parameter von Kamera und Projektor (Brennweiten, Sensordimension, Geometrie der Bildpunkte, Kipp- und Drehwinkel des Laserlinienprojektors ...)
- die genauen Raumpositionen der Triangulationsanordnung bei jeder Messaufnahme, die sog. äußeren Parameter.
Daher ist die Kalibrierung eines 3D Scanners ein aufwendiger, mit Hilfe von hochgenauen Kalibrierkörpern durchzuführender Vorgang, bei welchem das Verkaufspersonal z.B. eines orthopädischen Fachgeschäftes häufig überfordert ist und der daher abgelehnt wird.
Diese 3D Scanner können wegen der erforderlichen mechanischen Stabilität auch nicht sehr preiswert angeboten werden, so dass derzeit viele potentiellen Anwendungen des sog. mass-customization (der Herstellung individuell passender Bekleidungen u.a.) wegen der hohen Kosten der 3D Scanner nicht umgesetzt werden.
Die Firma corpus.e AG (www.corpus-e.com) hat unter der Bezeichnung
„lightbeam®" einen photogrammetrischen Fußscanner entwickelt, welcher ohne Projektor und damit auch ohne empfindliche Triangulationsanordnung arbeitet. Hierbei wird der Fuß mit einem speziell markierten elastischen Socken bekleidet und eine Videokamera mechanisch um den Fuß herum bewegt (siehe auch WO 2004/078040 A1). Der Fuß steht auf einer photogrammetrisch markierten Unterlage, so dass die Raumposition, aus welcher die Kamera misst, permanent automatisch mit den Verfahren der Photogrammetrie bestimmt werden kann (die sog." äußeren" Parameter einer photogrammetrischen Messanordnung). Ebenso können die sog. „inneren" Parameter der Kamera selbst wie Brennweite, Bildsensor, Durchstoßpunkt der optischen Achse, Objektiwerzerrungen usw.) automatisch aus der Auswertung überlappender 2D Aufnahmen der markierten Unterlage und des markierten Fußes bestimmt werden. Damit ist dieses System völlig kalibrierungsfrei. Es kann jederzeit nach einem Transport ohne Kalibrierung in Betrieb genommen werden; es braucht niemals nach einem Lastwechsel nachkalibriert werden; die mechanische Stabilität der Konstruktion kann einfach und preiswert sein, da sie nicht in das Endergebnis, das gemessene 3D Modell, einfließt.
Es gibt allerdings einen inhärenten Nachteil dieses ansonsten mächtigen Verfahrens: durch die konstruktionsbedingte beschränkte Dichte der photogrammetrischen Markierungen auf dem elastischen Socken, ist die Dichte der erzeugten XYZ Punktewolke gegenüber einem Laser- oder Streifenprojektions-verfahren deutlich niedriger (typ. 4000 XYZ Punkte gegenüber ca. 1 Million XYZ Punkte). Während diese geringere Punktedichte bei flachen Körperteilen wie dem Oberfuß keinen Nachteil darstellt, ist sie in dem Bereich hoher Raumkrümmungen wie bei den Zehen, der Ferse, dem Übergang vom Oberfuß zur Fußsohle usw. kritisch.
Die Forderung, dass der zu vermessende Körper mit einem photogrammetrisch markierten elastischen Überzug bekleidet werden muss, stellt einen weiteren Nachteil dar. Solche Überzüge sind nicht einfach zu produzieren; es werden mehrere Größen und Formen je nach Körperteil wie Rumpf, Beine, Fuß usw. benötigt.
Es kann auch wichtig sein, dass z.B. beim Digitalisieren von Füßen für die
Auswahl geeigneter Ski-Stiefel, der Kunde seinen eigenen Wintersocken anbehält, damit dieser bei der Formanpassung mit berücksichtigt wird. Es ist aber nicht möglich, mit einfachen Mitteln einen beliebigen Socken photogrammetrisch zu markieren. - A -
Es besteht daher ein hohes wirtschaftliches und technisches Interesse daran, einen 3D Digitalisierer bereitzustellen, der nicht aufwändig kalibriert werden muss und eine Dichte von Raumpunkten erzeugt, ohne einen photogrammetrisch markierten elastischen Überzug verwenden zu müssen. Der 3D Digitalisierer sollte somit kostengünstig, hochauflösenden und kalibrierungsfrei, bzw. selbstkalibrierend sein.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 12 erreicht. Durch Auswertung der photogrammetrischen Marken der Fläche und der Marken auf dem Körper sowie des Lichtmusters des mindestens einen Lichtprojektors auf der markierten Fläche und im Bereich der Marken auf dem Körper werden die inneren und äußeren Parameter der mindestens einen Triangulationsanordnung für jede Aufnahmeposition bei jedem Aufnahmevorgang mitbestimmt. Damit sind alle inneren und äußeren Parameter des aus Kamera und Lichtprojektor bestehenden Messkopfes automatisch mit photogrammetrischen Verfahren bestimmbar und zwar gleichzeitig mit der eigentlichen 3D Vermessung, ohne dass es einer eigenen, komplizierten Kalibrierungsprozedur mit Kalibrierungskörper bedarf. Dabei werden die Parameter der Kamera durch Auswertung der photogrammetrischen Marken und die Parameter der Triangulationsanordnung durch die Auswertung der Postition der Lichtspur auf der markierten Fläche und des mit Marken versehenen Körperbereichs im Verhältnis zu den Marken bestimmt. Unter Verwendung der so bestimmten Parameter wird dann die 3D Raumform des Körpers oder Körperteils mit Verfahren der Photogrammetrie durch Auswertung der Position des Lichtmusters auf dem Körper oder Körperteil in den von der mindestens einen Kamera erstellten Aufnahmen bestimmt. Da die Parameter jeweils mitbestimmt werden, sind die Anforderungen an die Stabilität der Triangulationsanordnung gering und die mechanische Führung und der Antrieb können sehr einfach und preiswert gestaltet werden, da deren mechanische Genauigkeit nicht in die Genauigkeit der photogrammetrische Bestimmung der Kameraposition einfließt.
Um stabile Werte für die Selbstkalibrierung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn photogrammetrische Marken über das gesamte Bildfeld verteilt sind. Es ist aber für einen einfachen und leicht zugänglichen Digitalisierer umständlich, weitere markierte Flächen im Hintergrund des oberen Bildfeldes anzuordnen. Die Tiefenschärfe würde nicht ausreichen und das gesamte Volumen des 3D Digitalisierers wäre für viele orthopädische Geschäfte zu groß. Erfindungsgemäß werden daher photogrammetrische Marken in einem Teilbereich des Körpers im oberen Bereich angebracht, in einer bevorzugten Ausführungsform sind diese photogrammetrischen Marken auf einem schmalen, elastischen Band, das wiederum am Körper oder Körperteil selbst im oberen Bereich angebracht ist, d.h. so, dass das Band möglichst weit von der markierten Fläche entfernt ist. Die mehrfache Erfassung der Marken auf Fläche und Band erlauben einen wesentlich stabileren Bündelausgleich und damit eine robustere Berechnung der inneren und äußeren Parameter der Kamera. Das markierte Band ist ebenfalls erforderlich, um einen möglichen Kippwinkel der Lichtlinie des Projektors zu bestimmen. Die Markierung in Form eines preiswerten schmalen Bandes stellt gegenüber der vollständigen Bekleidung des gesamten Körpers mit einem photogrammetrisch markierten elastischen Überzug eine große Vereinfachung dar. Außerdem bleibt die Oberfläche des eigentlich interessierenden Körpers/Körperteils frei für eine hochauflösende 3D Digitalisierung entsprechend der Zahl ausgewerteter Lichtschnitte und führt daher zur Erzeugung einer sehr dichten XYZ Punktewolke des zu digitalisierenden Körpers. Natürlich sind auch andere Formen der Aufbringung der Marken als über ein Band denkbar.
Um einen kalibrierungsfreien, bzw. selbstkalibrierenden 3D Digitalisierer, welcher vorzugsweise nach dem Lichtschnittverfahren arbeitet, zu erhalten, reicht die Kenntnis der inneren und äußeren Parameter der Kamera alleine nicht aus. Es müssen auch die Raumpositionen des mit der Kamera in einer Triangulationsanordnung angebrachten Lichtlinienprojektors bekannt sein, insbesondere der Winkel zwischen der optischen Achse der Kamera und der des Projektors, die vertikale Raumlage der projizierten Lichtlinie, sowie der Abstand Kamera-Projektor, die sog. Messbasis der Triangulation.
Diese unbekannten Parameter werden erfindungsgemäß durch die Auswertung der Positionen der Lichtspuren in den Kamerabildern erreicht, welche die projizierte Lichtlinie auf der markierten Fläche und dem markierten Band, bzw. im Bereich der angebrachten Marken erzeugt.
Erfindungsgemäß ist durch diese Selbstkalibrierung der gesamte 3D Digtalisierer kostengünstig herzustellen, da alle mechanischen Komponenten einfach und nur mit moderater mechanischer Stabilität und Genauigkeit konstruiert und produziert werden müssen.
Da die photogrammetrische Selbstkalibrierung fortlaufend mit der eigentlichen Digitalisierung des Fußes durchgeführt wird, ist damit das erfindungsgemäße Ziel eines sehr kostengünstigen, selbstkalibrierenden und hochauflösenden 3D Digitalisierers erreicht, welcher bis auf ein zusätzliche photogrammetrische Marken auf dem Körper, z.B mit über ein einfaches elastisches Band angebracht, ohne photogrammetrische Markierung des zu digitalisierenden Körpers auskommt.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass die photogrammetrischen Marken der Fläche und auf dem Körper (vorzugsweise auf einem Band) rein in s/w ausgestaltet werden können. Das projizierte Lichtmuster bzw. die Lichtlinie kann aufgrund ihrer hohen Helligkeit leicht im Bild einer s/w Kamera erkannt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt daher keine Farbkamera, was wiederum eine erhebliche Vereinfachung und Kostenreduzierung darstellt.
Es versteht sich von selbst, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für biologische, sondern auch für technische oder künstlerische Körper eingesetzt werden kann, z.B. zur Digitalisierung von künstlerisch wertvollen Plastiken, von Gusskörpern u.a. Von dem Erfindungsgedanken sind ebenfalls Verfahren abgedeckt, bei welchem der Lichtprojektor nicht nur eine einfache Linie, sondern komplexere Lichtmuster wie z.B. mehrere parallele Linien, farblich oder s/w codierte Linien erzeugt. Solche Lichtmusterprojektoren sind dem Fachmann der Bildverarbeitung bekannt.
Ferner ist es auch bekannt, einen Triangulationsmesskopf so zu gestalten, dass zu beiden Seiten einer einzigen Kamera jeweils ein Lichtmusterprojektor angeordnet ist; hierdurch können insbesondere konkave Raumformen besser erfasst werden.
Vorteilhafter Weise kann der Triangulationsmesskopf auch per Hand, d.h. ohne mechanische Führung um den zu digitalisierenden Körper bewegt werden, wobei lediglich darauf zu achten ist, dass das Bildfeld der Kamera bei jeder
Aufnahmeposition von der markierten Fläche über den zu digitalisierenden
Körper bis einschließlich der Markierungen auf dem Körper reicht, auch wenn es je nach Körperform einzelne Aufnahmepositionen geben kann, in denen das Band verdeckt ist.
Wesentlich für den Erfindungsgedanken ist, dass über das erfindungsgemäße
Verfahren der Selbstkalibration der bewegten Kamera und des mitbewegten Lichtprojektors alle inneren und äußeren Parameter des gesamten Messkopfes und des gesamten Aufbaus automatisch anhand der Auswertung der von der
Kamera zusätzlich zur Lichtlinie mit aufgenommenen photogrammetrisch markierten Fläche und des vorzugsweise verwendeten photogrammetrischen
Bandes sowie der Lichtspur des Lichtprojektors auf der markierten Fläche und dem markierten Band fortlaufend und gleichzeitig mit der 3D Abtastung des
Körpers bestimmt werden und damit keinerlei aufwendige separate Kalibrierung für den erfindungsgemäßen Digitalisierer benötigt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung erlauben daher den Bau von sehr kostengünstigen und trotzdem genauen und hochauflösenden selbstkalibrierenden 3D Digitalisierer im Vergleich zum Stand der Technik.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind den angefügten Unteransprüchen zu entnehmen und werden aus der Beschreibung eines Anwendungsbeispiels deutlich, das einen 3D Digitalisierer für einen Fuß beschreibt. Wir greifen dabei auf folgende Abbildungen zurück:
Figur 1 zeigt eine prinzipielle erfindungsgemäße Anordnung in
Seitenansicht;
Figur 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung in einer Draufsicht;
Figur 3 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus der Anordnung gemäß Figur 2 mit verdrehtem Lichtlinienprojektor;
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen markierten Band mit zwei Lichtlinienverläufen.
Das gewählte Ausführungsbeispiel beschreibt die 3D Digitalisierung eines
Fußes beispielsweise zur Herstellung eines angepassten orthopädischen Schuhs. Figur 1 zeigt in einer Seitenansicht eine photogrammetrisch markierte
Fläche 10, auf der ein Patient steht, von dem seine Füße 12 zu sehen sind. Entlang einer im wesentlichen kreisförmigen Führung 14, welche an einem Support 16 angebracht ist, kann eine Triangulationsanordnung 18 mit Kamera und Lichtlinienprojektor mechanisch um den Patienten herum bewegt werden. Statt eines Lichtlinienprojektors kann auch ein Projektor verwendet werden, der ein komplizierteres Lichtmuster projiziert. Die mechanische Anordnung kann einfach ausgeführt werden, auch eine Bewegung der Triangulationsanordnung per Hand ohne Führung ist möglich. Ein schmales, vorzugsweise elastisches, photogram metrisch markiertes Band 20 liegt eng an einem Bein oberhalb des zu digitalisierenden Fußes an, es kann selbstverständlich auch je ein Band an beiden Füßen angebracht werden, oder eine andere Anbringungsform für die Marken gewählt werden. Das Band 20 wird so angebracht, dass es an der oberen Grenze des von der Kamera gerade noch erfassten Bildfeldes liegt, d.h. in einem Bereich des Bildfeldes erfasst wird, der der markierten Fläche gegenüberliegt, um damit stabile Kalibrationswerte zu erhalten. Geeignete automatisch auswertbare photogrammetrische Markierungen, welche sich z.B. leicht als Stricktextil herstellen lassen, sind in der EP 01 986759.7 beschrieben.
Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine s/w Kamera und die Form- und/oder Helligkeits-Gestaltung der Marken der Fläche 10 und des Bandes 20 sowie des Lichtmusterprojektors sind so gewählt, dass sie in den Grauwertbildern der s/w Kamera mit bekannten Verfahren der optischen Mustererkennung erkannt und unterschieden werden können. Ebenso ist es aber möglich, eine farbtaugliche Kamera zu verwenden und die Farben der photogrammetrischen Marken der Fläche 10 und des Bandes 20 sowie die Farbe oder Farben des Lichtmusterprojektors so zu wählen, dass sie in den Farbbildern der Farbkamera mit den Verfahren der Farbklassifikation erkannt und unterschieden werden können.
Im Fall einer Farbkamera können die Farben der photogrammetrischen Marken der Fläche und des Bandes sowie die Farbe oder Farben des Lichtmusterprojektors sowie die Form- und/oder Helligkeits-Gestaltung der Marken der Fläche und des Bandes sowie des Lichtmusterprojektors auch so gewählt werden, dass sie in den Farbbildern der Kamera mit den Verfahren der optischen Mustererkennung erkannt und unterschieden werden können. Sollen die Oberflächeneigenschaften des Körpers ebenfalls bestimmt werden, so wird der Lichtmusterprojektor vorzugsweise abwechselnd zwischen einer musterlosen zur Erkennung von Oberflächeneigenschaften des zu digitalisierenden Körpers oder Körperteils geeigneten Beleuchtung und einer gemusterten, zur Erkennung der Raumform des zu digitalisierenden Körper und/oder Körperteils geeigneten Beleuchtung umgeschaltet.
Bei der Gestaltung der photogrammetrischen Marken können diese auch optisch so ausgelegt werden, dass sie das Licht des Lichtmusterprojektors in einer Weise reflektieren, welche im Bild der Kamera automatisch mit Verfahren der Bildverarbeitung von der Reflektion des Körpers und/oder Körperteils unterschieden werden kann, auch die Lichtpolarisation kann in vorteilhafter Weise genutzt werden.
Eine projizierte Lichtlinie 22 reicht von der markierten Fläche 10 über den zu digitalisierenden, nicht markierten Fuß bis über das markierte Band 20. Das Bildfeld der Kamera ist durch Wahl der Brennweite entsprechend ausgelegt.
Während die Triangulationsanordnung 18 (oder Messkopf) um den Patienten herum bewegt wird, werden von einer Bildaufnahmesteuerung 24, die in Figur 2 angedeutet ist, eine Vielzahl von Aufnahmen ausgelöst, welche sowohl einen Ausschnitt der markierten Fläche 10, einen Ausschnitt des Fußes 12 als auch einen Ausschnitt des markierten Bandes 20 abbilden. Die Aufnahmen müssen sich überlappen. Je geringer die räumlichen Aufnahmeabstände sind, desto genauer wird sowohl die Kalibration als auch die Digitalisierung.
Figur 2 zeigt in einer Aufsicht die markierte Fläche 10 mit photogrammetrischen Marken 26, die Triangulationsanordnung 18 umfassend die Kamera 28 und den Lichtlinienprojektor 30, sowie die vom Lichtlinienprojektor erzeugte, auf der markierten Fläche 10 beginnende Lichtlinie 22. Zwei Pfeile 32 deuten an, dass die Kamera 28 des Messkopfes 18 einen Ausschnitt der markierten Fläche 10 erfasst. Ein Pfeil 34 deutet die Beweg ungsrichtung der Triangulationsanordnung an. Neben der bereits erwähnten Bildaufnahmesteuerung 24 ist ein Rechner 36 angedeutet, der die Aufnahmen der Kamera auswertet. Die Füße 12 sind schematisch gezeigt. Aufeinanderfolgende Aufnahmen haben einen großen Überlappungsbereich, so dass die photogrammetrisch markierten Marken 26 leicht anhand einer automatischen Erkennung ihrer Codierung in den einzelnen Aufnahmen wiedergefunden und einander zugeordnet werden können. Es ist dem Fachmann der Photogram metrie bekannt, dass hierdurch alle inneren und äußeren Parameter der Kamera wie absolute Position im Raum, Brennweite, Position des Sensors in der Kamera usw. bestimmt werden können.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt der Anordnung aus Figur 2 mit der Fläche 10, einem Fuß 12, Marken 26 und der Triangulationsanordnung 18. Eine leichte Verdrehung des Lichtlinienprojektors 30 ist angedeutet, womit sich der Triangulationswinkel verändert. Wie bereits ausgeführt ist die Genauigkeit der Messung sehr stark abhängig vom Triangulationswinkel. Die Verdrehung des Lichtlinienprojektors 30 in einer zur markierten Fläche 10 parallelen Ebene führt zu einer Rotation der Lichtlinie 22 von einer Position 38 in eine Position 40 auf der markierten Fläche 10. Diese rotierte Lichtlinie wird von der Kamera 28 aufgenommen, aufgrund der Marken 26 ist der Rotationswinkel durch Auswertung der Aufnahmen bestimmbar.
Figur 4 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus dem markierten Band 20, wie es im Bildfeld der Kamera 28 erkennbar ist. Eine Verkippung der vertikalen Ausrichtung des Lichtlinienprojektors 30 führt zu einer Verkippung der Lichtspur bzw. Lichtlinie 22 auf dem markierten Band 20 von einer Position 42 in eine Position 44, die von der Kamera 28 aufgenommen wird. Auch hier erlauben die Marken auf dem Band die absolute Bestimmung der Positionsverschiebung.
Unter der optisch-konstruktiv leicht erreichbaren Voraussetzung, dass der Lichtlinienprojektor 30 eine ausreichend gerade Linie erzeugt, kann der Rechner 36, an den die Bilddaten weitergeleitet werden, mit einem Programm zur automatischen photogrammetrischen Bestimmung durch eine Auswertung der photogrammetrischen Marken 26 der Fläche 10 und des Bandes 20 sowie des Lichtmusters des Lichtprojektors 30 auf der markierten Fläche 10 und dem markierten Band 20 die inneren und äußeren Parameter der Triangulationsanordnung 18 für jede Aufnahmeposition genau errechnen.
Die automatische Erkennung der Lichtlinie 22 im Bildfeld der Kamera 28 ist dem Fachmann der Bildverarbeitung bekannt. Die automatische Erkennung der photogrammetrischen Marken 26 auf der Fläche 10 und auf dem elastischen Band 20 sind aus den Produkten, Produktbeschreibungen, Veröffentlichungen und offengelegten Schutzrechte der Firma corpus.e AG bekannt und gehören zum allgemeinen Wissen des Fachmanns. Sie brauchen daher hier nicht näher erläutert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur genauen optischen Erfassung der 3D Raumform von Körpern oder Körperteilen, das folgende Schritte umfasst:
Positionieren des zu digitalisierenden Körpers oder des zu digitalisierenden Körperteils (12) auf einer mit photogrammetrischen Marken (26) photogrammetrisch markierten Fläche (10),
Anbringen photogrammetrischer Marken (27) in einem Teilbereich des zu digitalisierenden Körpers oder Körperteils (12),
Bewegen mindestens einer Triangulationsanordnung (18), die mindestens eine Kamera (28) und mindestens einen Lichtmusterprojektor (30) umfasst und durch innere und äußere Parameter gekennzeichnet ist, um den zu digitalisierenden Körper oder Körperteil herum, wobei die mindestens eine Kamera eine Folge von Aufnahmen erstellt und der Lichtmusterprojektor ein Lichtmuster auf den Körper oder das Körperteil projiziert, wobei - jede Aufnahme ein Bildfeld erfasst, welches von der markierten Fläche
(10) über den zu vermessenden, nicht markierten Körper oder das Körperteil (12) reicht,
- die photogrammetrischen Marken (27) so am zu digitalisierenden Körper oder Körperteil (12) befestigt sind, dass sie zumindest in der Mehrzahl der Aufnahmen erfasst werden,
- die photogrammetrischen Marken (27) so am zu digitalisierenden Körper oder Körperteil (12) befestigt sind, dass sie in einem Bereich des Bildfeldes erfasst werden, der der markierten Fläche (10) gegenüberliegt, und
- sich die Bildfelder aufeinanderfolgender Aufnahmen überlappen, Auswertung der photogrammetrischen Marken (26) der Fläche (10) und der photogrammetrischen Marken (27) sowie des Lichtmusters des mindestens einen Lichtprojektors (30) auf der markierten Fläche und im Bereich der photogrammetrischen Marken (27) zur Bestimmung der inneren und äußeren Parameter der mindestens einen Triangulationsanordnung (18) für jede Aufnahmeposition,
Bestimmung der 3D Raumform des Körpers oder Körperteils (12) mit Verfahren der Photogrammetrie unter Verwendung dieser Parameter und durch Auswertung der Position des Lichtmusters auf dem Körper oder Körperteil in den von der mindestens einen Kamera erstellten Aufnahmen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die photogrammetrischen Marken (27) auf wenigstens einem Band (20) aufgebracht sind, und das Band (20) am Körper angebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtmusterprojektor (30) eine Lichtlinie projiziert und die 3D Raumform nach dem Lichtschnittverfahren ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (28) farbtauglich ist und dass die Farben der photogrammetrischen Marken (26) der Fläche (10) und der photogrammetrischen Marken (27), sowie die Farbe oder Farben des Lichtmusterprojektors (30) so gewählt sind, dass sie in den Farbbildern der Farbkamera mit den Verfahren der Farbklassifikation erkannt und unterschieden werden können.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kamera (28) eine s/w Kamera ist und dass die Form- und/oder Helligkeits- Gestaltung der Marken (26) der Fläche (10) und der photogrammetrischen Marken (27) sowie des Lichtmusterprojektors (30) so gewählt sind, dass sie in den Grauwertbildern der s/w Kamera mit den Verfahren der optischen Mustererkennung erkannt und unterschieden werden können.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (28) eine Farbkamera ist und dass die Farben der photogrammetrischen Marken (26) der Fläche (10) und der photogrammetrischen Marken (27) sowie die Farbe oder Farben des Lichtmusterprojektors (30) sowie die Form- und/oder Helligkeits-Gestaltung der Marken der Fläche und des Bandes sowie des Lichtmusterprojektors so gewählt sind, dass sie in den Farbbildern der Kamera mit den Verfahren der optischen Mustererkennung erkannt und unterschieden werden können.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtmusterprojektor (30) abwechselnd zwischen einer musterlosen zur
Erkennung von Oberflächeneigenschaften des zu digitalisierenden Körpers oder Körperteils (12) geeigneten Beleuchtung und einer gemusterten, zur Erkennung der Raumform des zu digitalisierenden Körper und/oder Körperteils geeigneten Beleuchtung umschaltet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die photogrammetrischen Marken (26) der Fläche (10) und die photogrammetrischen Marken (27) optisch so ausgelegt sind, dass sie das Licht des Lichtmusterprojektors in einer Weise reflektieren, welche im Bild der Kamera automatisch mit Verfahren der Bildverarbeitung von der Reflektion des Körpers und/oder Körperteils unterschieden werden kann.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die photogrammetrischen Marken (26) der Fläche (10) und die photogrammetrischen
Marken (27) die Polarisation des Lichtmusterprojektors anders beeinflussen als der reflektierende Körper und/oder Körperteil.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Triangulationsanordnung (18) manuell um den zu digitalisierenden Körper geführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper und/oder Körperteil (12) ein lebender oder verstorbener biologische Körper ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper und/oder Körperteil ein technischer und/oder unbelebter Körper ist.
13. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend eine Fläche (10), welche mit photogram metrisch auswertbaren Marken (26) versehen ist und auf der ein zu digitalisierender Körper oder Körperteil (12) positioniert werden kann, eine Triangulationsanordnung (18) bestehend aus einer Kamera (28) und einem Lichtmusterprojektor (30), photogram metrisch auswertbare Marken (27), die an dem Körper oder Körperteil angebracht werden können, welcher sich am weitesten von der markierten Fläche (10) entfernt befindet, eine Bewegungseinrichtung (14), zum Bewegen der Triangulationsanordnung (18) um den zu digitalisierenden Körper oder Körperteil herum, und eine Bildaufnahmesteuerung (24), zum Auslösen von Bildaufnahmen während der Bewegung, wobei das Bildfeld der Kamera von der markierten Fläche über den zu digitalisierende Körper oder Körperteil bis zu den photogrammetrischen Marken (27) reicht, einen Rechner (36), an den die Bilddaten weitergeleitet werden, mit einem Programm zur automatischen photogrammetrischen Bestimmung aller unbekannten inneren und äußeren Parameter der Triangulationsanordnung und der Raumform des zu digitalisierenden Körpers und/oder Körperteils.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein Band (20) umfasst, auf dem die photogrammetrischen Marken (27) aufgebracht sind, und das Band (20) am Körper angebracht werden kann.
15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung durch manuelle Bewegung der
Triangulationsanordnung (18) gebildet wird.
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