DE10049926A1 - Kamera zur kostengünstigen Erfassung der Raumform von Körpern - Google Patents
Kamera zur kostengünstigen Erfassung der Raumform von KörpernInfo
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Abstract
Bei der automatischen photogrammetrischen 3-D Digitalisierung eines mit einem markierten Überzugs gekennzeichneten Körpers oder Körperteils wird die zur Bildaufnahme eingesetzte Kamera durch zusätzliche, am Kamerakörper befestigte Lichtmusterprojektoren erweitert, welche geometrisch einfache Strukturen wie Punkte oder Linien auf den Körper projizieren. Diese visuell ohne das Sucherbild sichtbaren Strukturen erleichtern die manuelle Ausrichtung der Kamera und die Einnahme des korrekten Abstandes von Kamera zu Körper bei der Erstellung der zahlreichen, für die photogrammetrische Auswertung erforderlichen, sich überlappenden Einzelaufnahmen. Durch diese manuell vorgegebene Ausrichtung wird die automatische Zuordnung der photogrammetrischen Marken in den einzelnen Bildpaaren mit Hilfe von Bildverarbeitungsverfahren erleichtert und sicherer automatisiert durchführbar. Bei der eigentlichen Bildaufnahme werden die Projektoren ausgeschaltet.
Description
Zahlreiche Produkte müssen an die individuelle Form des Körpers angepasst werden, für den
sie bestimmt sind. So müssen viele im Kontakt zum menschlichen Körper stehende Produkte
wie Schuhwerk, Oberhemden, Hosen, Handschuhe, orthopädische Artikel wie
Kompressionsstrümpfe und Bandagen, Sportstützen, Brillengestelle usw. passen, d. h. ihre
dreidimensionale Geometrie muss der 3-dimensionalen Raumform des entsprechenden
Körperteils entsprechen. Diese Passbedingungen gelten nicht nur für Produkte, welche an den
menschlichen Körper angepasst werden müssen sondern im erweiterten Sinne auch für
Produkte oder Komponenten, welche an technische Körper angepasst werden müssen. Als
Beispiele seien die Anpassung eines Kunststoffgehäuses an den mechanischen Unterbau eines
Haushaltgerätes genannt.
Die Erfassung der Raumform, d. h. der dreidimensionalen Geometrie von Körpern geschieht
heute mit sog. 3D Scanner, welche in der Regel auf den Verfahren der Streifenprojektion, der
Lasertriangulation, der Stereovermessung, der Photogrammetrie und den Verfahren der
punktweisen Abtastung der Entfernung der Oberfläche des zu erfassenden Körpers mit einem
Abstandsmessgerät beruhen. Für die Vermessung des menschlichen Körpers werden diese
Geräte oft auch "Body-Scanner" genannt, für eher technische Anwendungen spricht man von
3D Digitalisierer. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, dass sie relativ komplexe und damit
auch teuere elektrooptische Systeme darstellen. Derzeitige BodyScanner kosten
beispielsweise zwischen 100.000.- und 250.000.- Euro.
In dem Patent EP 0 760 622 B1 "Digitised Sensing Process and Arrangement for the three
dimensional Shape in space of Bodies and Body parts" beschreibt der Erfinder R. Massen
eine extrem kostengünstige Art der Erfassung der Raumform von Körperteilen, welche auf
der Mehr-Kamera oder der Ein-Kamera Photogrammetrie beruht. Hierzu wird das zu
digitalisierende Körperteil mit einem eng anliegenden elastischen Überzug versehen, welcher
mit photogrammetrisch auswertbaren Marken versehen ist. Das Körperteil wird aus
verschiedenen Raumpositionen, welche nicht bekannt und raumfest sein müssen, abgebildet
und aus den sich überlappenden Einzelbildern mit Hilfe photogrammetrischer Rekonstruk
tionsverfahren die Raumkoordinaten der Marken bestimmt.
In der Patentanmeldung DPA 100 25 922.7 "Automatische photogrammetrische
Digitalisierung von Körpern und Objekten" beschreibt der Erfinder R. Massen verschiedene
Verfahren, wie durch eine Codierung des Hintergrundes zwischen den Marken eine
automatische Registrierung, d. h. Zuordnung der Marken in Bildpaaren, durchgeführt werden
kann. So wird z. B. beschrieben, wie durch eine flächenhafte farbige Markierung von
Hintergrundregionen durch eine einfache Farbklassifikation korrespondierende Regionen in
zwei Bildern mit den Verfahren der Digitalen Farbbildverarbeitung bestimmt werden können.
Für eine photogrammetrische Rekonstruktion ist es erforderlich, dass sich Bildpaare
ausreichend überlappen, d. h. dass möglichst viele gleich Marken in zwei korrespondierenden
Bildern enthalten sind.
Die Berechnung der 3D Koordinaten der Marken ist umso genauer, je senkrechter die
Kamerapositionen von einem Bildpaar zueinander ausgerichtet sind. Da in der Regel die
inneren Parameter der Kamera wie Brennweite, Anzahl und Grösse der Bildpunkte (im Fall
einer digitalen Kamera), Lage der optischen Achse relativ zur Bildebene usw. durch eine
vorherige Kalibrierung bestimmt wurden und für alle Aufnahmen konstant sein müssen, muss
die Brennweite konstant gehalten werden. Dies bedeutet, dass keine Zoom-Funktionen
benutzt werden und dass auch Autofocus-Einrichtungen ausgeschaltet werden müssen.
Scharfe Bilder sind damit nur zu erhalten, wenn der Abstand der Kamera zum abzutastenden
Körperteil bei allen Raumpositionen in etwa konstant ist.
Für einen Bediener, welcher die Kamera freihändig um den zu erfassenden Körperteil herum
führt, ist diese Bedingung nicht einfach einzuhalten.
Für die automatische photogrammetrische Auswertung der Bilder des durch den eng
anliegenden Überzugs markierten Körperteils sind die in der DPA 100 25 922.7
beschriebenen Hintergrundmarkierungen bereits sehr hilfreich. Es werden aber immer noch
hohe Anforderungen an die Bildverarbeitungsverfahren gestellt, wenn die korrespondierenden
Marken aus Bildpaaren gefunden werden müssen, bei denen über die Orientierung der
Kamera im Raum nichts bekannt ist. Es bedarf dann aufwendiger und damit auch
fehlerträchtiger Suchverfahren, um zu vermeiden, dass Marken in den jeweilig analysierten
zwei Bildern einander zugeordnet werden, welche in Wirklichkeit sich nicht entsprechen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zur photogrammetrischen Digitalisierung
eines mit Marken gekennzeichneten Körperteils geeignete Kamera zu entwickeln, welche es
dem in der Photogrammetrie unerfahrenen Benutzer erlaubt, sich überlappende Bilder des
markierten Körperteils so aufzunehmen, dass eine genaue, einfache und robuste automatische
photogrammetrische Auswertung ermöglicht wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass die zur photogrammetrischen Erfassung eingesetzte Kamera optische Hilfen in
Form einfacher Punkt- oder Linienprojektoren aufzeigt, anhand derer der Benutzer eine
vorteilhafte Ausrichtung der Kamera in Bezug auf den zu digitalisierenden Körperteil, einen
ungefähr konstanten Abstand zu diesem Körperteil sowie eine festgelegte Reihenfolge der
einzelnen erforderlichen Raumpositionen einhalten kann.
Das Verfahren und die Anordnung seien beispielhaft, aber nicht einschränkend an einem
Anwendungsfall aus dem Bereich der Orthopädie, nämlich der 3D Digitalisierung von
Beinen zur automatischen Anpassung von Kompressionsstrümpfen beschrieben. Hierbei wird
ebenfalls beispielhaft davon ausgegangen, dass das zu digitalisierende Bein nach EP 0 760 622 B1
mit einem eng anliegenden, markierten elastischen Überzug bekleidet ist und dass die
eingesetzte Kamera eine digitale Farbkamera ist, welche von dem Bediener freihändig in acht
sich überlappende Raumpositionen um des Bein herum geführt wird. Die in diesem Beispiel
benutzten linienhaften Markierungen sind ebenfalls als Beispiel zur Erklärung des
Erfindungsgedanken und nicht einschränkend zu sehen.
In Fig. 1 wird ein venenkrankes Bein 1 gezeigt, welches vom Fuß aufwärts bis etwa zum
Schritt in seiner Raumform erfasst werden soll, damit ein angepasster Kompressionstrumpf so
gefertigt werden kann, dass an den Stellen krankhafter Schwellungen 2 und 3 ein
stärkerer Druck auf das Gewebe ausgeübt wird als an den gesunden Stellen.
In Fig. 2 ist das Bein gemäß dem Patent EP 0 760 622 B1 mit einem markierten, eng
anliegenden Überzug 1 bekleidet, wobei als Markierungen senkrechte 2 und waagrechte
3 dunkle Linien verwendet werden. Die Kreuzungspunkte der Linien werden beispielhaft
als photogrammetrisch auswertbare Marken benutzt. Weiterhin sind beispielhaft die
erforderlichen acht sich überlappenden Aufnahmepositionen rund um das Bein herum durch
acht kreisförmige Punkte 4 im Oberteil gekennzeichnet, wobei zusätzlich zur Unterstützung
des Bedieners diese Punkte durchnumeriert sind.
Ohne eine Hilfe ist es für den Benutzer außerordentlich schwer, eine Kamera, welche wie
oben beschrieben, eine feste Brennweite und damit keine Autofokus-Möglichkeiten hat, in
einem konstanten Abstand von der Oberfläche zu führen und die Kamera so auszurichten,
dass die automatische Zuordnung der Bilder der Marken (hier der Linienkreuzungspunkte)
einfach ist. Es ist außerdem sehr schwer, die genaue Ausrichtung und den richtigen Abstand
lediglich durch den Blick durch den Sucher bzw. durch die Betrachtung des evtl. vorhandenen
LCD-Sucherbildschirms zu erreichen, da der Bediener der Kamera sich auf den Patienten
konzentrieren muss.
Erfindungsgemäß wird, wie in Fig. 3 gezeigt, die Kamera 1 mit zwei Punktprojektoren 2
und 3 ausgestattet, realisiert beispielweise durch zwei Laserdioden-Punktprojektoren,
welche in einem solchen Winkel angeordnet sind, dass sie beim Auftreffen auf den markierten
Überzug den von der Kamera erfassten Bildausschnitt in einer Dimension markieren. Damit
kann der Benutzer unmittelbar die Kamera so ausrichten, dass der erfasste Bildauschnitt sich
in einer bekannten und damit photogrammetrisch leicht automatisch auswertbaren Lage
befindet. Im vorliegenden Beispiel würde diese Vorschrift für die Handhabung der Kamera
lauten:
"Richte die Kamera so aus, dass der obere Laserpunkt den auf dem Überzug aufgebrachten
Punkt beleuchtet und richte die Kamera so aus, dass der zweite Laserpunkt die von dem
aufgedruckten Markierungspunkt ausgehende senkrechte Linie trifft". Diese Ausrichtung ist in
Fig. 4 dargestellt.
Werden nach dieser, durch die optische Hilfe der Punktprojektoren leicht und intuitiv,
eingenommenen Aufnahmepositionen Nr. 1 bis 8 die Bilder aufgenommen, so entsteht ein
Satz von Bildern, bei welchen die Orientierung der Kamera immer gleich und parallel zu den
senkrechten Markierungslinien ist. Damit ist es für eine automatische Zuordnung der Marken
aus den einzelnen, sich in einer bekannten Systematik folgenden Aufnahmen (z. B. in
steigender Numerierung der markierten Punkte) einfach, die korrespondierenden
Kreuzungspunkte mit Verfahren der 2D Bildverarbeitung und Mustererkennung
durchzuführen.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren erleichtert die Ausrichtung (Drehlage und Translation)
der Kamera zum zu digitalisierenden Körperteil, nicht jedoch das Einhalten eines (aus der
Brennweite der Kamera) vorgegebenen Abstandes D zum Körperteil. Erfindungsgemäß wird
daher wie in Fig. 4 dargestellt, ein weiterer Punktprojektor 4 so an der Kamera angebracht,
dass er in einem festen Winkel Alpha zu einem der anderen Punktprojektoren, z. B. zum
Projektor 2 abstrahlt. Der Winkel Alpha ist so gewählt, dass beim Erreichen des
vorgegebenen Abstandes D sich die Punkte des Projektors 4 und des Projektors 2
überlagern. Dies ist für den Bediener der Kamera eine sehr einfache visuelle Hilfe.
Ist der Abstand grösser oder kleiner als D, si sind zwei getrennte Leuchtpunkte auf der
Oberfläche des Körperteils sichtbar.
Die Regel zum Digitalisieren des gesamten Beines lautet demnach:
"Beginnend mit dem Markierungspunkt Nr. 1 und in aufsteigender Folge der Markierungen:
Richte die Kamera so aus, dass der obere Laserpunkt den Markierungspunkt beleuchtet UND dass der zweite Laserpunkt die von dem aufgedruckten Markierungspunkt ausgehende senkrechte Linie triff UND wähle den Abstand zum Körperteil so, dass sich die beiden unteren Laserpunkte überlagern; dann erstelle eine Aufnahme"
Richte die Kamera so aus, dass der obere Laserpunkt den Markierungspunkt beleuchtet UND dass der zweite Laserpunkt die von dem aufgedruckten Markierungspunkt ausgehende senkrechte Linie triff UND wähle den Abstand zum Körperteil so, dass sich die beiden unteren Laserpunkte überlagern; dann erstelle eine Aufnahme"
Die beschriebenen Markierungen durch drei projizierte Punkte können erfindungsgemäß auch
durch andere einfach zu projizierende Strukturen gebildet werden. Statt zwei Punkte kann z. B.
eine durchgehende Linie projiziert werden. Statt einen Punkt unter einem Winkel zu einem
anderen Punktprojektor kann der Abstand auch durch die Projektion eines Kreises visualisiert
werden. Dabei wird der Kreisdurchmesser beispielsweise so gewählt, dass beim korrekten
Abstand der sichtbare Kreis zu einem Punkt schrumpft. Der Erfindungsgedanke umfasst alle
projizierbaren Strukturen, welche die Ausrichtung der Kamera am Körperteil bzw an den
Markierungen des den Körperteil bekleidenden Überzugs visuell ermöglichen, ohne das
Sucherbild der Kamera oder das von der Kamera erzeugte elektronische Bild zur Ausrichtung
betrachten zu müssen. Es erfasst alle projizierbaren Strukturen, welche es visuell
ermöglichen, den korrekten Abstand zum Körperteil einzunehmen. Erfindungsgemäß kann
diese Hilfe auch an einer Videokamera angebaut werden, um bei laufender Videokamera
photogrammetrisch einfach auswertbare, einfach zueinander orientierte und im korrekten
Abstand aufgenommene Bildsequenzen zu erzeugen.
Erfindungsgemäß werden die Projektoren vor der Bildaufnahme ausgeschaltet, damit die
projizierten Strukturen die photogrammetrischen Marken bei der Bildaufnahme nicht stören.
Erfindungsgemäß können die Strukturen auch in einer für das Auge im Kontrast zum
Hintergrund gut sichtbaren Farbe projiziert werden. Mit Verfahren der Farbbildverarbeitung
können diese Farben automatisch aus den Markenbilder wieder entfernt werden, so dass die
Projektoren während der eigentlichen Bildaufnahme nicht ausgeschaltet werden müssen.
Erfindungsgemäß bleiben die Projektoren während der Bildaufnahme eingeschaltet und die
projizierten Strukturen mit Verfahren der Bildverarbeitung ausgewertet um Informationen
über die korrekte Aufnahme aus dem Bild selbst abzuleiten. So kann z. B. die Auswertung der
auf den Abstand reagierenden Struktur Aussagen ergeben, ob das Bild im richtigen Abstand
aufgenommen wurde.
Erfindungsgemäß können die projizierten Strukturen zur Überprüfung eines korrekten
Abstandes auch bei üblichen, ausserhalb der Photogrammetrie eingesetzten Kameras zum
Einsatz kommen, um dem Benutzer zu helfen, einen korrekten Abstand von einem
aufzunehmenden Objekt einzuhalten.
Claims (15)
1. Kamera zur kostengünstigen photogrammetrischen Erfassung der Raumform eines
mit photogrammetrischen Marken versehenen Körpers oder Körperteils
dadurch gekennzeichnet dass
eine für die Aufnahme des markierten Körperteils geeignete Kamera zusätzliche, am
Kamerakörper befestigte Lichtprojektoren aufzeigt, welche auf der Oberfläche des zu
digitalisierenden Körpers visuell leicht erkennbare Strukturen erzeugen, deren Form,
Anordnung und Anzahl so gewählt ist, da sie die manuelle Ausrichtung der Kamera an
den photogrammetrischen Marken und/oder den Abstand zu dem zu digitalisierenden
Körper ohne Betrachtung des optischen oder elektronischen Sucherbildes der Kamera
ermöglichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass
die aufprojizierten Strukturen kontrastreiche Punkte sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass
die aufprojizierten Strukturen Linien sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die aufprojizierten Strukturen einfache, zum Hintergrund kontrastreiche geometrische
Formen haben.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass
die aufprojizierten Strukturen zum Hintergrund kontrastierende Farben haben
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis dadurch gekennzeichnet dass
die aufprojizierten Strukturen zur Ausrichtung der Kamera die Bildweite und die
2-dimensionale Ausrichtung der Kamera visuell erkennen lassen.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Strukturen zur Erkennung des korrekten Abstandes zum Körperteil von zwei sich
in einer Triangulationsanordnung befindlichen Strukturprojektoren erzeugt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die aufprojizierten Strukturen bei korrektem Abstand eine visuell auffällige Form
und/oder Farbe annehmen.
9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die aufprojizierten Strukturen zwei Bildpunkte sind, welche sich bei korrektem
Abstand überlagern.
10. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet dass
die aufprojizierten mehrfarbigen Strukturen sich beim korrekten Abstand so
überlagern, dass ein sichtbarer Farbwechsel auftritt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die aufprojizierten Strukturen mit Laserlichtquellen erzeugt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die aufprojizierten Strukturen durch Licht emittierende Dioden erzeugt werden
13 Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass
während der Bildaufnahme die Strukturprojektoren ausgeschaltet werden.
14. Anordnung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet dass
an einer Kamera zur Aufnahme eines mit photogrammetrisch auswertbaren Marken
gekennzeichneten Körpers oder Körperteils Lichtpunktprojektoren unter einem
Winkel fest angebracht sind, dass der Winkel so gewählt ist, dass die Punkte beim
Auftreffen auf dem Körperteil den von der Kamera erfassten Bildauschnitt optisch
markieren und/oder dass mindestens ein weiterer Lichtpunktprojektor, unter einem
anderen Winkel in Bezug auf einen der vorher genannten Lichtpunktprojektoren an
dem Kamerakörper befestigt ist und dass diese Projektoren eine Triangulations
anordnung bilden dergestalt, dass bei dem korrekten Abstand von Kamera zur
Oberfläche die Punkte sich überlagern.
15. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet dass
an einer Kamera zur Aufnahme eines mit photogrammetrisch auswertbaren Marken
gekennzeichneten Körperteils ein Lichtlinienprojektor fest angebracht ist, dass der
Öffnungswinkel der Projektionsoptik so gewählt ist, dass die Linie beim Auftreffen
auf dem Körperteil den von der Kamera erfassten Bildauschnitt optisch markiert
und/oder dass ein weiterer Lichtpunktprojektor unter einem Winkel in Bezug auf den
vorher genannten Lichtlinienprojektor an dem Kamerakörper befestigt ist und dass
diese beiden Projektoren eine Triangulationsanordnung bilden dergestalt, dass bei dem
korrekten Abstand von Kamera zur Oberfläche der Punkte und die Linie sich visuell
erkennbar überlagern.
16. Anordnung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet dass
die Lichtmusterprojektoren mechanisch an einer stabilen Schiene befestigt sind und
über eine Stativverschraubung am Kamerakörper dort befestigt werden, wo sich
Befestigung für ein Stativ befindet.
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