DE10020893A1

DE10020893A1 - Verfahren zur optischen Formerfassung von Gegenständen

Info

Publication number: DE10020893A1
Application number: DE10020893A
Authority: DE
Inventors: Christoph Wagner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2020-04-29
Also published as: DE50009995D1; JP2002543411A; CA2370156A1; US6590669B1; ATE292784T1; DE10020893B4; CA2370156C; EP1190211A1; WO2000066973A1; EP1190211B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Gestalt eines dreidimensionalen Gegenstandes mit den Schritten: DOLLAR A a) Relatives Bewegen des Gegenstandes (1) zu einer Kamera (3) auf einer vorgegebenen Bahn (2), DOLLAR A b) Aufnehmen von Bildern (6) des Gegenstandes (1) im Laufe der Bewegung, DOLLAR A c) Rückverschieben (R) von Bildpunkten (P¶1¶, P¶2¶) eines der aufgenommenen Bilder jeweils um einen gleichen, vorgebbaren Weg (W), wobei die Richtung der Rückverschiebung (R) entgegen der Bewegungsrichtung des Gegenstandes (1) erfolgt, DOLLAR A d) Vergleich der Helligkeits- und/oder Farbeigenschaften von in Rückverschiebungsrichtung (R) benachbarten Bildpunkten zumindest zweier Bilder, DOLLAR A e) Vergleich der ermittelten Helligkeits- und/oder Farbeigenschaften von jeweils einem Bildpunkt zweier Bilder, wobei diese Bildpunkte dieselben Punktkoordinaten (a, b) besitzen, DOLLAR A f) Verknüpfen der Helligkeits- und/oder Farbeigenschaften der beiden Bildpunkte mit denselben Punktkoordinaten (a, b), DOLLAR A g) erneutes Rückverschieben der Bildpunkte und Wiederholen der Verfahrensschritte e) und f), DOLLAR A h) Vergleich der zumindest zwei Verknüpfungsergebnisse miteinander, und DOLLAR A i) Ermitteln der Rückverschiebeweglänge (R) bis zum Erreichen eines vorgebbaren Verknüpfungsergebnisses.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Formerfassung von Gegenständen.

In vielen Bereichen der industriellen Produktion und insbesondere der Qualitätskontrolle werden Ver fahren zur Formerfassung von Objekten benötigt. Die geometrischen Daten des Objekts werden mit Hilfe von geeigneten Messeinrichtungen in numerische Da ten auf einem Computer gewandelt. Die Kontrolle von Maßhaltigkeit und anderen Parametern kann durch Software erfolgen.

Ein weiteres Einsatzfeld der optischen Formerfas sung ist auch im Bereich des Internet zu sehen. Es besteht großes Interesse, Objekte automatisiert zu erfassen und in numerische Daten zu wandeln, die im Internet übertragen und visualisiert werden können. Ein Objekt von Interesse könnte dann interaktiv von einem Benutzer aus den verschiedensten Richtungen angesehen werden.

Optische Verfahren zur Formerfassung von Objekten beziehungsweise Gegenständen lösen immer mehr die bisher verwendeten mechanisch abtastenden Verfahren ab. Ein großer Vorteil der optischen Verfahren ist darin zu sehen, dass die Messung berührungslos und damit ohne mechanische Beeinflussung des Objektes abläuft. Es können damit Verformungen des Objekts durch die Messung selbst ausgeschlossen werden. Insbesondere ist dies bei optischen Formerfassungs verfahren von Vorteil, wenn die Oberfläche des Ge genstandes verformbar ist, wie dies beispielsweise bei elastischen Materialien der Fall ist. Ein wei terer Vorteil bei den berührungslos arbeitenden Formerfassungsverfahren besteht darin, dass eine sehr große Anzahl von Objektpunkten, also sehr kleinen Flächenelementen, gleichzeitig erfasst wer den kann. Dies führt zu wesentlich geringeren Mess zeiten im Vergleich zu den mechanisch abtastenden Verfahren. Darüber hinaus sind auch Strukturen, die Höhenstufen enthalten, messbar, was bei mechanisch tastenden Verfahren oft zu Schwierigkeiten führt.

Bekannte optische Formerfassungsverfahren basieren meist auf Triangulations- oder interferometrischen Techniken.

Bei einem bekannten Triangulationsverfahren wird ein Lichtpunkt auf die Oberfläche des zu vermessen den Objekts projiziert und aus einer von der Be leuchtungsrichtung abweichenden Richtung beobach tet. Die Koordinaten des beleuchteten Punktes kön nen aus der Kenntnis der Orientierung des Projekti onsstrahls im Raum und der Richtung, aus der der beobachtete Punkt wahrgenommen wird, berechnet wer den. Das Verfahren ist relativ genau und eindeutig. Da die Oberfläche des zu vermessenden Gegenstandes aber Punkt für Punkt abgetastet werden muss, wird für eine vollständige Formerfassung eines Objekts viel Zeit benötigt. Außerdem können nur solche Punkte der Oberfläche erfasst werden, die sowohl vom Ort der Lichtquelle als auch von einer beobach tenden Kamera direkt sichtbar sind. Ein durch eine solche Messung erhaltener Datensatz, der die er fassten Punkte digital wiedergibt, ist daher nie mals vollständig. Zwar können mehrere Datensätze, also beispielsweise mehrere Bilder aus unterschied lichen Beobachtungsrichtungen, durch wiederholte Messungen aus unterschiedlichen Beobachtungs- be ziehungsweise Beleuchtungsperspektiven gewonnen werden; um die Form des Gegenstands in seiner Ge samtheit zu erfassen, müssen die einzelnen Daten sätze jedoch in eine geometrische Beziehung zuein ander gebracht werden. Dies wird als sogenanntes Matching bezeichnet. Dafür ist häufig noch der Ein griff eines Benutzers erforderlich.

Weiterentwickelte, auf der Triangulation beruhende Verfahren sind die Lichtschnitttechnik und die Streifenprojektion. Bei Ersterer wird anstatt eines einzelnen Punktes eine Linie auf die Oberfläche des zu vermessenden Gegenstandes projiziert. Diese Li nie wird aus einer von der Beleuchtungsrichtung ab weichenden Richtung von einer Kamera beobachtet be ziehungsweise aufgezeichnet. Die Raumkoordinaten der beleuchteten Punkte werden in gleicher Weise wie bei dem oben beschriebenen Triangulationsver fahren gewonnen. Das Verfahren der Lichtschnitt technik ist zwar schneller als die punktweise Tri angulation, aber immer noch langsamer als andere Verfahren, die eine größere Fläche auf einmal er fassen können. Auch hier sind mehrere Messungen un ter verschiedenen Perspektiven und deren Matching nötig, um zu einer vollständigen Darstellung des Gegenstands zu gelangen.

Bei der Streifenprojektion handelt es sich um eine Weiterentwicklung der Lichtschnitttechnik, bei der mehrere Linien gleichzeitig auf die Oberfläche des zu vermessenden Gegenstandes projiziert werden. Die Intensität dieser Linien variiert periodisch in la teraler Richtung und macht die einzelnen Linien für die Beobachtungskamera unterscheidbar. Das Verfah ren ist zwar schneller als die Lichtschnitttechnik, da ein größerer Oberflächenbereich auf einmal er fasst werden kann, Linien gleicher Intensität sind jedoch nicht unterscheidbar. Dadurch geht die Ein deutigkeit der Messung zumindest teilweise verlo ren. Somit ist es auch bei der Streifenprojektion nach Durchführung von mehreren Messungen, also Auf zeichnung von verschiedenen Bildern, notwendig, diese durch Matching zusammen zu fügen.

Für genauere Messungen werden häufig interfero metrische Verfahren eingesetzt, die an dieser Stel le nicht weiter beschrieben werden sollen, da die vorliegende Erfindung nicht auf ihnen aufbaut. An zumerken ist jedoch, dass auch bei den interfero metrischen Verfahren das Problem besteht, dass die Ergebnisse mehrerer Einzelmessungen durch Matching zusammengefügt werden müssen, um zu einer vollstän digen dreidimensionalen Darstellung des Messgegen standes zu gelangen.

Es besteht somit das Problem bei den bekannten Ver fahren, dass verschiedene Bilder eines Gegenstan des, die aus verschiedenen Blickwinkeln aufgezeich net sind, nicht eindeutig zu einem dreidimensiona len Bild zusammengefügt werden können, da gleiche Objektpunkte, also Flächenelemente des Gegenstands, auf den Bildern nicht eindeutig einander zugeordnet werden können, so dass ein Korrespondenzproblem be steht.

Zur Lösung dieses Problems wird ein Verfahren vor geschlagen, das die automatische Erfassung der Ges talt eines dreidimensionalen Gegenstandes aus un terschiedlichen Blickwinkeln ermöglicht, ohne dass dabei eine Matching-Prozedur durchgeführt werden muss.

Dieses Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 umfasst folgende Schritte:

a) Relatives Bewegen des Gegenstandes zu einer Kame ra auf einer vorgegebenen Bahn,
b) Aufnehmen von Bildern des Gegenstands im Laufe der Bewegung,
c) Rückverschieben von Bildpunkten eines der aufge nommenen Bilder jeweils um einen gleichen, vor gebbaren Weg, wobei die Richtung der Rückver schiebung entgegen der Bewegungsrichtung des Ge genstandes erfolgt,
d) Vergleich der Helligkeits- und/oder Farbeigen schaften von in Rückverschiebungsrichtung benach barten Bildpunkten zumindest zweier Bilder,
e) Vergleich der ermittelten Helligkeits- und/oder Farbeigenschaften von jeweils einem Bildpunkt zweier Bilder, wobei diese Bildpunkte dieselben Punktkoordinaten auf der Bildfläche besitzen,
f) Verknüpfen der Helligkeits- und/oder Farbeigen schaften der beiden Bildpunkte mit denselben Punktkoordinaten,
g) erneutes Rückverschieben der Bildpunkte und wie derholen der Verfahrensschritte e) und f),
h) Vergleich der zumindest zwei Verknüpfungsergeb nisse miteinander und
i) Ermitteln der Rückverschiebungsweglänge bis zum Erreichen eines vorgebbaren Verknüpfungsergebnis ses.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren macht man sich folgende Grundidee zu Nutze: Das zu vermessen de Objekt beziehungsweise der zu vermessende Ge genstand bewegt sich mit konstanter Bewegungsrich tung und vorzugsweise konstanter Geschwindigkeit am Beobachter, also an der Kamera vorbei. Flächenele mente des Gegenstands, die nahe an der Kamera lie gen, ziehen unter schneller Änderung des "Sehwinkels" vorbei, während sich bei weiter ent fernten Flächenelementen der Sehwinkel langsamer ändert. Flächenelemente, die nahe an der Kamera liegen, ziehen also scheinbar schneller vorbei als weiter entfernte Flächenelemente, die ihre Lage im Raum somit weniger ändern. Stellt man sich also ei nen Gegenstand vor, dessen Oberfläche Vertiefungen oder Erhebungen aufweist, bewegen sich diese somit unterschiedlich weit von der Kamera entfernten Flä chenelemente unterschiedlich schnell an der Kamera beziehungsweise an der Aufzeichnungsebene der Kame ra vorbei. Aus der Änderung des "Sehwinkels" in Ab hängigkeit von der Zeit kann somit auf die Entfer nung des Objektpunktes beziehungsweise des Flächen elementes von der Aufzeichnungsebene der Kamera ge schlossen werden. Mithin verbleibt bei diesem Ver fahren das Problem, festzustellen, wie weit der mit der Kamera aufgezeichnete Flächenpunkt während ei nem bestimmten Zeitabstand gewandert ist. Es muss also das Korrespondenzproblem gelöst werden, auf zwei unterschiedlichen Bildern, die zu unterschied lichen Zeitpunkten aufgenommen wurden, dieselben Bildpunkte zu ermitteln. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren löst man das Korrespondenzproblem da durch, dass ein aufgezeichneter Bildpunkt entgegen der Bewegungsrichtung des Gegenstandes rückverscho ben wird, um anschließend den rückverschobenen Bildpunkt mit einem Bildpunkt eines vorangegangenen aufgenommenen Bildes zu vergleichen hinsichtlich ihrer Helligkeits- und/oder Farbeigenschaften, wo bei die zu vergleichenden Bildpunkte dieselben Punktkoordinaten besitzen. Durch Verknüpfen der Helligkeits- und/oder Farbeigenschaft dieser beiden Bildpunkte mit denselben Bildkoordinaten entsteht ein Verknüpfungsergebnis. Ein erneutes Rückver schieben dieses Bildpunktes lässt wieder einen Ver gleich mit einem anderen Bildpunkt zu, der diesel ben Punktkoordinaten besitzt. Es wird also ein zweiter Vergleich der ermittelten Helligkeits- und/oder Farbeigenschaften durchgeführt. Ein an schließendes Verknüpfen dieser Helligkeits- und/oder Farbeigenschaft der beiden Bildpunkte lie fert wiederum ein Verknüpfungsergebnis. Man kann nun beide Verknüpfungsergebnisse miteinander ver gleichen. Selbstverständlich ist es auch möglich, jedes oder eines der Verknüpfungsergebnisse mit ei nem vorgebbaren Kriterium, also beispielsweise ei nem Sollwert, zu vergleichen. Durch diesen Ver gleich der Verknüpfungsergebnisse lässt es sich feststellen, ob der rückverschobene Bildpunkt nun so weit rückverschoben ist, dass er mit dem korres pondierenden Bildpunkt des anderen Bildes in De ckung gebracht wurde, der bei einem später aufge nommenen Bild an einer bestimmten Punktkoordinate vorliegt. Diese beiden Bildpunkte korrespondieren miteinander, zeigen also im Idealfall auf zwei un terschiedlichen Bildern dasselbe Flächenelement des Gegenstandes. Mithin kann die Weglänge der Rückver schiebung ermittelt werden und daraus die Entfer nung des Bildpunktes zu der Kamera. Führt man die ses Vergleichen, Verknüpfen und erneutes Verschie ben mit allen, vorzugsweise gleichzeitig, Bildpunk ten durch, kann der Abstand jedes Bildpunkts von der Kamera bestimmt werden. Somit lässt sich die Oberflächenstruktur des Gegenstandes sehr genau bestimmen.

Im Laufe der Bewegung des Gegenstandes relativ zur Kamera kann also eine Vielzahl von Bildern des Ge genstandes unter jeweils variierenden Perspektiven aufgenommen werden. Durch das Rückverschieben der Bildpunkte und das Vergleichen beziehungsweise Ver knüpfen der Helligkeits- beziehungsweise Farbeigen schaft können korrespondierende Bildpunkte zweier Bilder sicher einander zugeordnet werden, wenn das Verknüpfungsergebnis ein vorbestimmtes Kriterium, beispielsweise bei Helligkeit ein Maximum, erreicht ist. So wird das Korrespondenzproblem sicher ge löst.

Um nach der Ermittlung von zumindest zwei korres pondierenden Bildpunkten den Gegenstand bildlich darstellen zu können, werden in bevorzugter Ausfüh rungsform die Koordinaten des Punktes im Raum, also die Koordinaten des Flächenpunktes am Gegenstand, berechnet.

Bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, bei der die Bewegung des Gegenstands geradlinig er folgt. Außerdem ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt und der Zeitabstand zwischen zwei Bildaufnahmen zumindest über eine längere Bildfolge konstant ist. Ohne größere Korrekturrechnungen kann somit auf be sonders einfache Art und Weise der Abstand des Flä chenelements von der Kamera bestimmt werden, so dass die Oberfläche des Gegenstandes leicht visuell als dreidimensionales Bild darstellbar ist.

Um in einem aufgenommenen Bild Merkmale wie Hellig keitsübergänge, Kanten und Ränder des Gegenstands hervorzuheben, werden die aufgenommenen Bilder in einer bevorzugten Ausführungsform örtlich differen ziert, in dem für im Wesentlichen jeden Punkt eines Bildes die Differenz zwischen einem Helligkeitswert dieses Punktes und dem eines benachbarten Punktes berechnet wird.

Um gleiche Merkmale des Gegenstands an Punkten von unterschiedlichen Bildern zu identifizieren, werden bevorzugt mehrere Bilder vorzugsweise relativ zu einander verschoben und dabei punktweise vergli chen. In diesem Fall sind die zwei Punkte eines Bildes, zwischen deren Helligkeitswerten eine Dif ferenz berechnet wird, vorzugsweise in Richtung der Rückverschiebebewegung beabstandet zueinander.

Der Vergleich der Bilder wird vorzugsweise derart durchgeführt, indem ein Summenbild durch Addition von Parameterwerten von Punkten gebildet wird, die durch die Verschiebung überlappen, wobei jeweils Punkte, an denen das durch die Addition erhaltene Summenbild Extrema aufweist, gleichen Merkmalen des Objektes zugeordnet werden können. Das heißt, wer den Helligkeitswerte zweier Punkte miteinander ad diert, zeigt das Additionsergebnis ein Maximum, wenn die Helligkeitswerte beider Bildpunkte iden tisch sind. Werden hingegen Farbeigenschaften be trachtet, wäre ein Extremum beispielsweise dann er reicht, wenn ein "Übereinanderlegen" zweier Farb bildpunkte einen Farbton liefern, der den Ausgangs farben der Bildpunkte entspricht. Mithin würden Bildpunkte mit gleichem Farbton übereinander lie gen.

Um die Identifizierung der Extrema möglichst sicher und rauscharm zu machen, wird Vorteilhafterweise eine große Anzahl von Bildern aufgenommen und um eine zu der Bilderanzahl mal Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern proportionale Strecke rückverschoben. Das Summenbild wird durch Addition der Parameterwerte überlappender Punkte der Bilder gebildet. Merkmale des Gegenstandes, die sich in einer zum gewählten Proportionalitätsfaktor der Verschiebung passenden Entfernung von der Kame ra befinden, Überlappen in allen Bildern, so dass sich ihre Beiträge zum Summenbild stets mit glei chem Vorzeichen aufaddieren. Andere Strukturen der Bilder, die eventuell Merkmalen des Gegenstandes mit einer anderen Entfernung zur Kamera entspre chen, Überlappen hingegen nicht, so dass sich ihre Beiträge zum Summenbild herausmitteln.

Indem an einem gegebenen Satz von Bildern eine Mehrzahl von Rückverschiebeoperationen von jeweils unterschiedlichen Entfernungen mit unterschiedli chen Proportionalitätsfaktoren durchgeführt wird, ist es möglich, diese Bilder systematisch nach Merkmalen des Gegenstandes abzusuchen, die jeweils dem Ausmaß der Rückverschiebung beziehungsweise dem Proportionalitätsfaktor entsprechende, unterschied liche Abstände zur Kamera haben.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unter ansprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausfüh rungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 stark schematisiert eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 veranschaulicht das Verfahren in ei ner Schnittdarstellung parallel zur Bewegungsrichtung des zu erfassenden Gegenstandes,

Fig. 3a und 3b das Erfassungsergebnis einer Pi xelzeile einer CCD-Kamera aus Fig. 2 zu zwei verschiedenen Zeitpunkten,

Fig. 4a und 4b das differenzierte Erfassungsergeb nis,

Fig. 5 das differenzierte Erfassungsergeb nis für eine Vielzahl von Bildern des Gegenstandes in einer quasi dreidimensionalen Darstellung,

Fig. 6 die Summe der Erfassungsergebnisse aus Fig. 5 für unterschiedliche Verschiebungen, und

Fig. 7 und 8 einen CCD-Chip der Kamera, auf dem unterschiedliche Bildpunkte bezie hungsweise aktivierte Pixel darge stellt sind.

Fig. 1 zeigt eine schematisch-perspektivische An sicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens. Ein Gegenstand 1, dessen Form beziehungsweise Oberflächenstruktur erfasst werden soll, wird auf einem Förderband 2 in vor zugsweise geradliniger Bewegung durch das Blickfeld einer Kamera 3 bewegt und dabei von einer Licht quelle 4 angestrahlt. Die optische Achse der Kamera 3 verläuft in einer zu der x-Richtung senkrechten Richtung z. Vorzugsweise erfolgt die Bewegung des Gegenstands senkrecht zur z-Achse beziehungsweise parallel zur x-Achse.

Die Kamera 3 ist teilweise aufgebrochen darge stellt, auf ihrer Bildebene 5 sind Abb. 6 des Gegenstands zu erkennen, die zu verschiedenen Zeitpunkten im Laufe der Bewegung des Gegenstandes 1 auf dem Förderband 2 in der Bildebene 5 entste hen. Die Bildebene 5 liegt vorzugsweise parallel zur x-y-Ebene. Die Bewegung des Gegenstandes er folgt somit vorzugsweise parallel zur Bildebene 5.

Die Transportrichtung des Förderbands entspricht der x-Achse des in der Figur dargestellten Koordi natensystems. Die z-Achse liegt parallel zur opti schen Achse der Kamera 3, die y-Achse verläuft ver tikal. Im Laufe der Bewegung des Gegenstandes 1 än dert sich laufend der Winkel, unter dem der Gegen stand von der Kamera wahrgenommen beziehungsweise auf der Bildebene 5 abgebildet wird.

Die von der Kamera 3 aufgezeichneten Bilder werden von einem an sich bekannten Computer 7 in einen einheitlichen Datensatz umgerechnet, der dreidimen sionale Koordinaten aller für die Gestalt des Ge genstandes wesentlichen Merkmale beziehungsweise Bildpunkte angibt. Selbstverständlich könnte an stelle des Computer 7 auch eine auf die hier vorge sehene Verarbeitung spezialisierte Schaltung ver wendet werden, die ein Fachmann anhand der nachfol genden Angaben zum Verfahren ohne Schwierigkeiten wird zusammenstellen können.

Das von dem Computer 7 beziehungsweise der Schal tung durchzuführende Verfahren wird nachfolgend an hand der Fig. 2 bis 8 erläutert.

Fig. 2 zeigt den Gegenstand 1 in einem horizonta len Schnitt parallel zur x- und z-Achse des Koordi natensystems aus Fig. 1 an verschiedenen Positio nen seines Weges, mit x₀, x₁ . . . x_i, . . ., x_n be zeichnet. In den ersten Positionen x₀, x₁ bis ein schließlich x_i ist eine Schmalseite 10 und die rechte Breitseite 11 des hier zu Beispielzwecken als im Querschnitt rechteckig angenommenen Gegens tandes 1 für die Abbildungsoptik 17 der Kamera sichtbar. Der Kamera zugewandte Ecken 13, 15 des Gegenstandes 1 werden in der Position x₀ auf Werte 13'₀, 15'₀ der Bildebene 5, in der Position x_i auf Punkte 13'_i, 15'_i und in der Position x_n auf Punkte 13'_n, 15'_n abgebildet. Eine abgewandte Ecke 14 der Breitseite 11 bildet in den Positionen x₀ und x_i auf Punkte 14'₀, 14'_i ab, in der Position x_n ist diese für die Kamera 3 nicht mehr sichtbar; die stattdes sen sichtbar gewordene Ecke 16 wird auf den Punkt 16'_n abgebildet. Die Kamera 3 nimmt Bilder des Ge genstandes 1 an den Positionen x₀ bis x_n auf.

Wie man leicht sieht, unterscheiden sich die Ab stände d₁₃, d₁₄ zwischen nacheinander aufgenommenen Bildpunkten, wie etwa 13'₀, 13'_i beziehungsweise 14'₀, 14'_i der zwei Ecken 13, 14. Die Geschwindig keit, mit der ein Bildpunkt des Gegenstandes im Laufe von dessen Bewegung in x-Richtung durch das Blickfeld der Kamera durch die Bildebene 5 der Ka mera wandert, ist umgekehrt proportional zum Ab stand des zugehörigen abgebildeten Merkmals von der Abbildungsoptik 17, das heißt von der z-Koordinate des Merkmals. Das heißt, je nach Abstand von der Abbildungsoptik sieht die Kamera ein Merkmal bezie hungsweise ein Flächenelement des Gegenstandes 5 mehr oder weniger schnell vorbeiziehen.

Fig. 3 zeigt die Verteilung der Beleuchtungsstärke L auf der Bildebene 5 entlang der in Fig. 2 darge stellten Schnittlinie in Zeile a für die Position x₀ und Zeile b für die Position x_i. Ein solches Sig nal kann auf einfache Weise praktisch gewonnen wer den, indem eine digitale Kamera als Kamera 3 einge setzt wird, die einen sogenannten CCD-Chip auf weist, der in der Bildebene 5 liegt. Auf dem CCD- Chip sind eine Vielzahl von matrixartig angeordne ten lichtempfindlichen Pixel ausgebildet. Das Sig nal gibt also den Helligkeitsverlauf in einer Pi xelreihe wieder, wobei diese Pixelreihe parallel zur x-Bewegungsrichtung liegt. Die matrixartig an geordneten Pixel liegen also parallel zur x-y- Ebene.

Die Beleuchtungsverteilung in Fig. 3a hat drei Pe gel, einen als 0 angenommen Hintergrundpegel, einen mittleren Pegel zwischen dem Punkt 14'₀ und einem Punkt 15'₀, der der Abbildung der Schmalseite 10 entspricht. Diese ist nur einem streifenden Licht einfall seitens der Lichtquelle 4 ausgesetzt und daher nur mittelmäßig hell. Der Bereich zwischen den Punkten 15'₀ und 13'₀ entspricht im Wesentlichen der frontal beleuchteten und entsprechend hellen Schmalseite 10. In Zeile b von Fig. 3, die der Po sition x_i in Fig. 2 entspricht, ist der Abstand zwischen den Punkten 14'_i und 15'_i, der der Breit seite 11 entspricht, infolge des veränderten Blick winkels schmaler geworden. Der Signalpegel ist in folge der als weit entfernt angenommenen Lichtquel le 4 unverändert. Breite und Signalpegel des der Schmalseite 10 entsprechenden Abschnitts zwischen den Punkten 15'_i und 13'_i ist ebenfalls unverändert.

Die in Fig. 3 gezeigten Intensitätsverläufe werden vom Computer 7 differenziert. Dies kann in einfa cher Weise dadurch erfolgen, dass jeweils die Dif ferenz zwischen den Intensitätswerten eines Pixels und eines unmittelbar benachbarten gebildet wird. Am Bildrand wo ein Nachbarpixel fehlt, kann diese Differenz zwar nicht gebildet werden, doch ist dies für das Verfahren ohne wesentliche Bedeutung.

Fig. 4 zeigt in den Zeilen a und b das Ergebnis dieser Differenzierung in x-Richtung für die in Fig. 3a, 3b gezeigten Verteilungen der Beleuchtungs stärke L. An jedem der Punkte, die einer der Ecken des Gegenstands 1 entsprechen, ergibt sich ein deutliches Extremum, an anderen Stellen ist das Er gebnis der Differenzierung im Wesentlichen 0. Diese Extrema sind in der Figur jeweils mit Eµν bezeich net, wobei µ = 13, 14 oder 15 das Merkmal des Gegen standes 1 angibt, dem ein Extremum entspricht, und ν = 0, . . ., n die Position des Gegenstandes bezeichnet, in der das Bild aufgenommen wurde. Durch die Diffe renzierung werden somit die für die Erfassung der Form des Gegenstandes 1 wesentlichen Merkmale auf einfache Weise hervorgehoben.

Wenn die Form des zu erfassenden Gegenstandes ein fach und im Computer "bekannt" ist, und es nur dar um geht, die Position der Merkmale des zu vermes senden Gegenstandes genau zu bestimmen, so kann der Computer 7 eine direkte Zuordnung der Extrema zu Merkmalen des Gegenstandes 1 durchführen und den Abstand wie etwa d₁₃, d₁₄ zwischen gleiche Merkmale darstellenden Punkten in zwei verschiedenen Bildern direkt messen.

Die Entfernung des Merkmals von der Kamera in Rich tung von deren optischer Achse, das heißt seiner z- Koordinate, kann dann auf einfache Weise anhand der Formel

z = f.D/d

berechnet werden, wobei d der gemessene Abstand zwischen zwei einem gleichen Merkmal entsprechenden Bildpunkten wie etwa d₁₃, d₁₄ ist, D der bekannte Abstand (Weg zwischen den Positionen x₀, x_i) des zu messenden Gegenstandes, an denen die Bilder aufge nommen wurden, und f die Brennweite der Abbildungs optik ist. Der Gegenstand 1 sei so weit entfernt, dass die Bildweite der Brennweite f der Abbildungs optik angenähert werden kann. Die Entfernung D kann der Computer 7 zum Beispiel mit Hilfe einer (nicht dargestellten) Schnittstelle zur Steuerung des För derbandes 2 erfassen, die jeweils zum Zeitpunkt der Gewinnung des i-ten Bildes die Position x_i des För derbandes liefert; einfacher ist jedoch, das För derband mit konstanter, bekannter Geschwindigkeit v zu betreiben und den Abstand zwischen zwei Positio nen des Gegenstandes anhand der Formel

D = v.T

zu berechnen, wobei T der Zeitabstand zwischen zwei Bildern ist.

Eine weiterentwickelte Ausgestaltung des Verfahrens erlaubt die Vermessung von Gegenständen mit belie biger, auch komplizierterer Gestalt, ohne dass bei der Auswertung der Bilder irgendwelche Vorwegannah men über die Gestalt gemacht werden müssen. Hierzu werden die von der Kamera 3 an den Positionen x₀, x₁, x₂ . . . des Förderbandes aufgenommenen Bilder, wie mit Bezug auf Fig. 3 und 4 beschrieben, dif ferenziert. Das Ergebnis ist in Fig. 5 gezeigt. Jede der mit 0, 1, i, i + 1, . . ., n bezeichneten Zei len zeigt das Ergebnis der Differenzierung einer Bildzeile der Bilder 0 bis n. Dabei entsprechen die Zeilen 0 und i Fig. 4a beziehungsweise Fig. 4b. Man erkennt, dass die den Ecken 13 und 15 des Ge genstandes entsprechenden Extrema E_13,0 . . . E_13,n be ziehungsweise E_15,0 . . . E_15,n entlang zweier paralle ler Linien aufgereiht sind, die mit G₁₃ beziehungs weise G₁₅ bezeichnet sind. Die zur Ecke 14 gehören den Extrema sind entlang einer weiteren Linie G₁₄ aufgereiht, die G₁₃ am Punkt P₁ schneidet. Dieser Punkt entspricht einer Stellung des Gegenstandes 1 relativ zur Kamera 3, an der die Kamera frontal vor die Schmalseite 10 blickt und die Breitseite 11 für sie unsichtbar wird. Wenn sich der Gegenstand über diese Stellung hinaus weiter in x-Richtung bewegt, wird seine gegenüberliegende Breitseite mit der ab gewandten Ecke 16 für die Kamera 3 sichtbar. Es er scheint daher in den differenzierten Bildern ein neues Extremum, das der Ecke 16 entspricht und in der Zeile n von Fig. 5 dargestellt ist. Alle auf die Ecken 16 zurückgehenden Extrema liegen an einer Linie G₁₆, die sich am Punkt P₂ von G₁₅ löst und pa rallel zu G₁₄ verläuft.

Zur Auswertung der in Fig. 5 dargestellten Daten wird eine Folge von Werten eines Proportionalitäts faktors α festgelegt und für jeden Wert wird dieses Bild im Computer um die Entfernung α.T.i entgegen gesetzt zur Bewegungsrichtung des Gegenstandes rückverschoben. Diese Rückverschiebung kann als Formel geschrieben werden:

H'_i(x, y) = H_i(x + α. T. i, y)

wobei H_i, H'_i jeweils die differenzierte Beleuch tungsstärke dL/dx des i-ten Bildes vor und nach der Verschiebung bezeichnen. Die so rückverschobenen Bilder werden addiert. Das heißt die einzelnen Hel ligkeitswerte der Pixel, die übereinander liegen, werden addiert.

Das Ergebnis der Addition (Verknüpfung) ist für fünf verschiedene Werte von α in Fig. 6 gezeigt. Entlang einer dem Wert α = 0 entsprechenden Linie sind zur Orientierung noch einmal die Extrema (Vergleichskriterien) von Fig. 4a eingezeichnet. Die mit α₁ bezeichnete Zeile zeigt das Ergebnis für eine kleinen Wert von α, das heißt eine geringe Rückverschiebung. Da die Extrema jeweils unter schiedliche x-Koordinatenwerte haben, ist die Summe recht gleichmäßig entlang der x-Achse verteilt. Die Beträge sind gering. Am nächst größeren Wert α₂ be ginnen zwei Spitzen σ₁₄, σ₁₆, sich abzuzeichnen.

Der dritte Wert des Proportionalitätsfaktors α₃ ist gleich d₁₄/(T.i). Bei diesem Wert des Proportionali tätsfaktors fallen die Extrema, die den von der Ka mera 3 entfernten Ecken 14, 16 des Gegenstandes 1 entsprechen, übereinander. Man erhält zwei scharfe Spitzen Σ₁₄, Σ₁₆ des Summenbildes.

Der vierte Wert des Proportionalitätsfaktors α₄ ist gleich d₁₃/(T. i). Bei diesem Wert fallen die den der Kamera zugewandten Ecken 13, 15 entsprechenden Ex trema übereinander. Man erhält ebenfalls sehr scharfe Spitzen Σ₁₃, Σ₁₅ auf geringem Untergrund. Bei einem noch höheren Wert α₅ des Proportionali tätsfaktors fallen keine Extrema übereinander und das Summenbild weist lediglich geringe, um 0 schwankende Werte auf.

Wie man sieht, entspricht jeder Ecke des Gegenstan des 1 eine Spitze in den Summenbildern. Durch ein faches Vorbeifahren des Gegenstandes an der Kamera ist also die vollständige Information über den Querschnitt dieses Gegenstandes zu bekommen. Bemer kenswert ist dabei, dass das dem Proportionalitäts faktor α₃ entsprechende Summenbild Spitzen der zwei Ecken 14 und 16 gleichzeitig aufweist, obwohl die Kamera zu keinem Zeitpunkt beide Ecken gleichzeitig sehen kann. Es ist also mit diesem Verfahren mög lich, einheitliche Datensätze aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen Bildern vollautomatisch zu gewinnen, ohne dass eine Bedienungsperson von hand ein Matching-Verfahren durchführen müsste.

Die Information über die Abmessungen des Gegenstan des 1 ist enthalten in der x-Koordinate und dem Wert des Parameters α, für die die Summe der abge leiteten und verschobenen Beleuchtungsstärken H' ein lokales Extremum aufweisen.

Die weitere Auswertung der Ergebnisse ist einfach. Lokale Extrema, die eine vorgegebene Mindestgröße (Vergleichkriterium) nicht erreichen, können ver nachlässigt werden. Der Wert des Proportionalitäts faktors α für eine Spitze Σ wird nach der Formel z = f.D/α.T in die z-Koordinate des entsprechenden Merkmals umgerechnet. Anhand der bekannten Entfer nung f zwischen Abbildungsoptik und Bildebene der Kamera und der wie oben angegebenen ermittelten z- Koordinate können x- und y-Koordinate des Merkmals im Raum durch einfache Proportionalitätsrechnung aus den Koordinaten des zugehörigen Bildpunktes in der Bildebene bestimmt werden.

Fig. 7 zeigt die Bildebene 5 der Kamera 3 stark vereinfacht dargestellt. Licht- beziehungsweise farbempfindliche Pixel 5a sind die matrixartig auf einem CCD-Chip angeordnet. Die Koordinaten eines einzelnen Pixels 5a sind anhand der Koordinatenach sen a und b der Bildebene 5 eindeutig identifizier bar. Die Koordinatenachsen a und b der Bildebene 5 liegen vorzugsweise parallel zu den Koordinatenach sen x und y in Fig. 1. Wird mit der Kamera 3 ein Bild des Gegenstandes 1 aufgenommen, so werden auf den Pixel 5a entsprechend der Oberfläche des Ge genstandes 1 Flächenmerkmale als Bildpunkte abge bildet. Rein beispielhaft sind zwei Bildpunkte P₁ und P₂ auf der Bildebene 5 dargestellt. Aufgrund der Relativbewegung des Gegenstandes 1 bezüglich der Kamera 3 wandern die Bildpunkte P₁ und P₂ auf der Bildebene 5 zu einer Position P'₁ beziehungs weise P'₂. Das heißt, dass zu einem ersten Zeit punkt beziehungsweise bei einer ersten Bildaufnahme Merkmale des Gegenstandes 1 an den Pixel der Bild punkte P₁ beziehungsweise P₂ abgebildet werden. Durch die Bewegung des Gegenstandes 1 werden die selben Merkmale des Gegenstandes 1 zu einem späte ren Zeitpunkt auf den Pixel als Bildpunkte P'₁ und P'₂ abgebildet. Es wird angenommen, dass das Merk mal des Gegenstandes 1, welches auf dem Bildpunkt P₁ abgebildet wird, näher an der Bildebene 5 liegt als das Merkmal, das auf dem Bildpunkt P₂ abgebil det wird. Das heißt, dass in z-Richtung der Abstand des Flächenmerkmals, das den Bildpunkt P₁ abbildet, einen geringeren Abstand zur Bildebene 5 aufweist als das Merkmal, das den Punkt P₂ auf der Bildebene 5 abbildet. Bei der Aufnahme eines Bildes liefert jedes Pixel 5a einen Grauwert beziehungsweise In tensitätswert beziehungsweise Farbwert, der dem O berflächenmerkmal des Gegenstandes 1 entspricht.

Der Bildpunkt P₁ wandert in einer bestimmten Zeit spanne um einen größeren Weg W₁ als der Bildpunkt P₂, der auf der Bildebene 5 einen Weg W₂ zurücklegt. Um nun den Verschiebeweg W₁ beziehungsweise W₂ er mitteln zu können, wird nun auf elektronischem Wege der Bildpunkt P₁' beziehungsweise P₂' zurückverscho ben, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. Der Rück verschiebungsweg R₁ beziehungsweise R₂ wird dadurch ermittelt, dass zunächst um bestimmte Rückverschie bungswegeabschnitte Δa rückverschoben wird, wobei Δa vorzugsweise der Breite eines Pixels 5a ent spricht. In Rückverschiebungsrichtung R₁ bezie hungsweise R₂ lässt sich nun jeweils der in Rich tung R₁ beziehungsweise R₂ benachbart liegende Bild punkt mit dem Bildpunkt P₁' beziehungsweise P₂' ver gleichen. Das heißt, dass die Graustufen bezie hungsweise Farben der beiden benachbart zueinander liegenden Bildpunkte verglichen werden. Die Rück verschiebungen in Richtung R₁, R₂ der Bildpunkte P₁' beziehungsweise P₂' erfolgt also vorzugsweise immer um ein Pixel, also um den Abstand Δa. Liegen glei che beziehungsweise sehr ähnliche Graustufen bezie hungsweise Farbwerte vor, wird angenommen, dass die Rückverschiebung des Bildpunktes P₁' beziehungswei se P₂' soweit erfolgt ist, dass er an den Koordina ten des Bildpunktes P₁ beziehungsweise P₂' angekom men ist. Aufgrund der Rückverschiebebewegung R₁ be ziehungsweise R₂ kann somit auf den Weg W₁ bezie hungsweise W₂ zurückgeschlossen werden. Da die Ge schwindigkeit des Gegenstandes 1 und der Weg W₁ be ziehungsweise W₂ des Merkmals auf der Bildebene 5 bekannt sind, kann somit auf den Abstand in z- Richtung des Merkmals zur Bildebene 5 rückgeschlos sen werden. Damit lässt sich die Tiefe des jeweili gen Bildpunktes bestimmen, so dass auf die Oberflä chenstruktur des Gegenstandes 1 zurückgeschlossen werden kann.

Beim Rückverschieben eines Bildpunktes P₁' bezie hungsweise P₂' wird also festgestellt, ob sich Hel ligkeitsänderungen nach der Rückverschiebung bewe gen oder ob sie am selben Ort bleiben. Dies er reicht man durch Addition der verschobenen Bilder, also durch Verschieben vorzugsweise aller Bildpunk te, die auf der Bildebene 5 abgebildet sind. Ob jektpunkte im untersuchten Tiefenbereich äußern sich dadurch, dass sich die Werte für die Hellig keit beziehungsweise Farbwerte aufaddieren und bei elektronischer Auswertung sogenannte Peaks bilden, während Bildpunkte außerhalb dieser Tiefebene sich bewegen und positive beziehungsweise negative Hel ligkeitswerte sich aufheben. Anschließend werden die Maxima beziehungsweise Minima dieser Summe über den verschiedenen Tiefenschichten gebildet, weil positive und negative Peaks festgestellt werden sollen. An den entsprechenden Punkten im Raum, de ren kartesische Koordinaten man aus a, b und z ge winnen kann, befinden sich die Objektpunkte, so dass auf die Oberflächenstruktur rückgeschlossen werden kann.

Diverse Weiterentwicklungen des Verfahrens sind möglich. Da eine Differenzierung in einer Richtung nur Konturen in einem Bild hervorzuheben vermag, die senkrecht zu dieser Richtung verlaufen, kann es zum Beispiel sinnvoll sein, zusätzlich zu der mit Bezug auf Fig. 4 beschriebenen Differenzierung nach der x-Koordinate noch eine zweite Differenzie rung in der dazu senkrechten Richtung, also nach der y-Koordinate durchzuführen. Die Ergebnisse der zwei Differenzierungsoperationen können unabhängig voneinander mit der mit Bezug auf Fig. 5 und 6 be schriebenen Weise weiterverarbeitet werden. Belie bige andere Methoden zur Kontrastverbesserung kön nen selbstverständlich auch im Rahmen dieses Ver fahrens eingesetzt werden.

Ferner kann es zweckmäßig sein, die Form des Ge genstandes mit mehreren Kameras gleichzeitig zu er fassen, die zum Beispiel einander gegenüberliegend oder im rechten Winkel zueinander angeordnet sein können. Die mit Hilfe beider Kameras gegebenenfalls unabhängig voneinander erhaltenen Datensätze, die Koordinaten des Gegenstandes in Bezug auf die Ab bildungsoptik der Kamera enthalten, können bei ge nauer Kenntnis der relativen Positionen der Kameras zueinander ohne Schwierigkeiten in ein gemeinsames Bezugssystem umgerechnet und so vollautomatisch zu einem einheitlichen Datensatz zusammengefügt wer den.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung der Gestalt eines drei dimensionalen Gegenstandes mit den Schritten.

a) Relatives Bewegen des Gegenstandes (1) zu einer Kamera (3) auf einer vorgegebenen Bahn (2),
b) Aufnehmen von Bildern (6) des Gegenstandes (1) im Laufe der Bewegung,
c) Rückverschieben (R) von Bildpunkten (P₁, P₂) eines der aufgenommenen Bilder (6) jeweils um einen gleichen, vorgebbaren Weg (W), wobei die Rich tung der Rückverschiebung (R) entgegen der Bewe gungsrichtung des Gegenstandes (1) erfolgt,
d) Vergleich der Helligkeits- und/oder Farbeigen schaften von in Rückverschiebungsrichtung (R) benachbarten Bildpunkten zumindest zweier Bil der,
e) Vergleich der ermittelten Helligkeits- und/oder Farbeigenschaften von jeweils einem Bildpunkt zweier Bilder, wobei diese Bildpunkte dieselben Punktkoordinaten (a, b) besitzen.
f) Verknüpfen der Helligkeits- und/oder Farbeigen schaften der beiden Bildpunkte mit denselben Punktkoordinaten (a, b),
g) erneutes Rückverschieben der Bildpunkte und wie derholen der Verfahrensschritte e) und f),
h) Vergleich der zumindest zwei Verknüpfungsergeb nisse miteinander, und
i) Ermitteln der Rückverschiebeweglänge (R) bis zum Erreichen eines vorgebbaren Verknüpfungsergeb nisses.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Koordinaten des Punktes im Raum be rechnet werden, wobei dies anhand der Lage der Bildpunkte und der gewählten Rückverschiebung (R) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Bahn (2) geradlinig ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Bewegung des Gegenstandes (1) mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass der Zeitabstand zwischen zwei Bildaufnah men über eine längere Bildfolge konstant ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass für im Wesentli chen jeden Punkt eines Bildes die Differenz zwi schen dem Helligkeitswert eines Punktes und des be nachbarten Punktes berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der Vergleich eine Addition von Parameterwerten von durch Rückverschiebung (R) ü berlappenden Bilder umfasst, wobei jeweils Punkte, an denen das durch die Addition erhaltene Summen bild Spitzen aufweist, gleichen Merkmalen des Ge genstandes (1) zugeordnet werden können.

8. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der Betrag der Rückverschiebung jedes Bildes proportional zum Produkt aus dem zeit lichen Abstand (T) der Aufnahmen und dem Index (i) der Aufnahme gewählt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Rückverschiebungsoperationen durchgeführt wird, um Merkmale (13, 14, 15, 16) des Gegenstandes (1) mit un terschiedlichen Abständen zur Kamera (3) identifi zieren.