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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Abstandsmessung.
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Der
Umgebungserfassung insbesondere im Bereich von Gefahrenbereiche
mit sich bringenden Bearbeitungsmaschinen kommt in der Praxis eine immer
größere Bedeutung
zu. Objekte müssen
erkannt und voneinander unterschieden werden, und die Abstände der
Objekte von den Erfassungseinrichtungen müssen bestimmt werden können.
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Es
existiert eine Fülle
von Möglichkeiten,
mit denen Erfassungseinrichtungen ihre Umgebung erkennen und auswerten
können.
Für Abstandsmessungen
beispielsweise sind nach dem Pulslaufzeitprinzip arbeitende Lasermesssysteme
weit verbreitet. Dieser Ansatz wird mit der vorliegenden Anmeldung
nicht verfolgt.
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Es
ist ein weiterer Ansatz bekannt, der auf der Auswertung von stereoskopischen
Bildern beruht, um hierdurch Tiefeninformationen zu erhalten. Eine
entsprechende Bildverarbeitungsvorrichtung ist aus der
DE 198 51 993 A1 bekannt.
Es wird hierbei mittels zweier Kameras gearbeitet, die von dem betreffenden
Objekt aus unterschiedlichen Richtungen Bilder aufnehmen. Die Stereobilder
werden anschließend
einer speziellen Bildverarbeitung unterworfen, mit der die stereoskopischen
Bilder in Echtzeit verarbeitet werden. Diese Bildverarbeitung ist
ausführlich in
der vorstehend genannten
DE
198 51 993 A1 beschrieben.
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Nachteilig
hieran sind insbesondere die für viele
Anwendungen nicht akzeptablen hohen Kosten, die mit der Verwendung
von zwei Kameras verbunden sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, die eine einfach durchführbare und
zuverlässig
arbeitende Abstandsmessung bei möglichst
geringen Kosten ermöglichen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs
und insbesondere dadurch, dass ein Objekt zeitlich nacheinander
insbesondere aus unterschiedlichen Richtungen strukturiert beleuchtet, für jede Beleuchtung
ein Bild des Objekts aufgenommen, und anhand der aufgenommenen Bilder
aus dem lokalen Versatz der Beleuchtungsstrukturen auf dem Objekt
dessen Abstand berechnet wird.
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Zum
anderen erfolgt die Lösung
der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe durch die Merkmale des
unabhängigen
Vorrichtungsanspruchs und insbesondere dadurch, dass wenigstens
eine zur insbesondere zeitlich nacheinander erfolgenden strukturierten
Beleuchtung eines Objekts, eine der Beleuchtungseinrichtung zugeordnete
Aufnahmeeinrichtung zur zeitlich auf die Beleuchtung abgestimmten
Aufnahme von Bildern des strukturiert beleuchteten Objekts, und
eine Auswerteeinrichtung vorgesehen sind, mit der anhand der aufgenommenen
Bilder aus dem lokalen Versatz der Beleuchtungsstrukturen auf dem
Objekt dessen Abstand berechenbar ist. Dabei kann erfindungsgemäß mit wenigstens
zwei räumlich
voneinander entfernt angeordneten Beleuchtungseinrichtungen, aber
auch mit genau einer Beleuchtungseinrichtung gearbeitet werden.
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Es
werden erfindungsgemäß also mehrere Bilder
des Objektes aufgenommen und einer weiteren Verarbeitung zugeführt, wobei
erfindungsgemäß aber nicht
der Blickwinkel, aus dem die Bilder aufgenommen werden, verschieden
sein muss, sondern stattdessen für
die Bilder unterschiedliche Beleuchtungen vorgenommen werden, die
sich hinsichtlich der Beleuchtungsrichtung voneinander unterscheiden
können.
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Durch
die Verwendung strukturierter Beleuchtungen, also Beleuchtungen
mit einer wie auch immer gearteten ungleichmäßigen räumlichen Verteilung der Intensität der verwendeten
Strahlung, ist das erfindungsgemäße Verfahren
unabhängig
von eventuell vorhandenen Kontraststrukturen des Objektes selbst.
Das Objekt kann zwar dreidimensionale Strukturen aufweisen, und
in der Tat sollen durch die Erfindung bevorzugt gerade derartige
Objektstrukturen vermessen werden. Ein aufgrund dreidimensionaler
Strukturen vorhandener Kontrast des Objektes, also Objektkontraststrukturen,
auf die übliche
Stereokamera-Anordnungen nicht verzichten können, ist für die Erfindung aber gerade
nicht erforderlich, um eine brauchbare Abstandsmessung zu ermöglichen. Die
Objektoberfläche
muss lediglich in der Lage sein, die für die Beleuchtung verwendete
Strahlung so zu reflektieren, dass bei der Aufnahme der Bilder die eingesetzten
Beleuchtungsstrukturen erkannt werden können. Mit anderen Worten: erfindungsgemäß können problemlos
kontrastarme oder sogar kontrastfreie Objekte unabhängig davon
vermessen werden, ob die jeweilige Objektoberfläche dreidimensionale Strukturen
aufweist – was
bei der Mehrzahl der praktischen Anwendungen der Fall sein wird – oder nicht.
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Zwischen
den Beleuchtungen kommt es auf dem Objekt zu einem Versatz der Beleuchtungsstrukturen,
wobei dieser Versatz mit den jeweils für eine Beleuchtung aufgenommenen
Bildern des strukturiert beleuchteten Objekts festgehalten wird.
Durch einen Vergleich der nacheinander aufge nommenen Bilder kann
folglich aus dem lokalen Versatz der Beleuchtungsstrukturen und
ggf. anderer bekannter geometrischer Parameter der Messanordnung
der Objektabstand berechnet werden.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass – sobald
die Objektbilder vorhanden sind – für die Bildauswertung bekannte,
auf der Analyse eines Versatzes von bestimmten Strukturen basierende
Bildverarbeitungseinrichtungen und -verfahren zum Einsatz kommen
können.
Insbesondere kann nach der Methode gearbeitet werden, die in der
eingangs erwähnten
DE 198 51 993 A1 beschrieben
ist. Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
besteht also darin, dass die Auswertung der erfindungsgemäß aufgenommenen
Bilder zur Bestimmung des Objektabstands nach in
DE 198 51 993 A1 beschriebenen
Verfahren erfolgt.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung werden die Bilder aus derselben Richtung und insbesondere
von demselben Ort aus aufgenommen.
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Des
Weiteren ist bevorzugt, dass für
mehrere und insbesondere für
alle Beleuchtungseinrichtungen die gleiche Beleuchtungsstruktur
verwendet wird. Grundsätzlich
ist es erfindungsgemäß möglich, für die aufzunehmenden
Bilder unterschiedliche Beleuchtungsstrukturen zu verwenden und
dies bei der Auswertung der Bilder zu berücksichtigen. Bevorzugt ist
allerdings die Verwendung identischer Beleuchtungsstrukturen.
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Ferner
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
das Objekt genau zweimal nacheinander zu beleuchten, d.h. es werden
nacheinander zwei Bilder aufgenommen und ausgewertet. Die Anzahl
der Beleuchtungsvorgänge und
insbesondere die Anzahl der benötigten
Beleuchtungseinrichtungen ist hierdurch minimiert.
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Erfindungsgemäß ist es
des Weiteren möglich,
z.B. im Fall von bewegten Objekten mit lediglich einer einzigen
Beleuchtungseinrichtung zu arbeiten. Es können dann mit dieser einzigen
Beleuchtungseinrichtung zeitlich nacheinander mehrere, insbesondere
zwei, Beleuchtungsvorgänge
an einem z.B. relativ zur Beleuchtungseinrichtung bewegten Objekt durchgeführt werden,
wodurch ebenfalls mehrere bzw. zwei anschließend auszuwertende Bilder aufgenommen
werden können.
Alternativ ist es sogar möglich,
mit einer einzigen Beleuchtungseinrichtung lediglich einen einzigen
Beleuchtungsvorgang durchzuführen,
d.h. lediglich ein einziges Bild eines bewegten oder auch unbewegten
Objektes im Normalbetrieb aufzunehmen, und bei der weiteren Auswertung dieses
Bild mit wenigstens einem zuvor z.B. in einem Teach-In-Betrieb ermittelten
Bild zu vergleichen. Auch diese erfindungsgemäßen Varianten stellen jeweils
zeitlich nacheinander erfolgende strukturierte Beleuchtungen im
Sinne der Erfindung dar.
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Als
für die
Berechnung des Objektabstands verwendbare geometrische Parameter
der Messanordnung kommen insbesondere die Entfernung zwischen den
Beleuchtungsquellen und/oder die Entfernungen der Beleuchtungsquellen
jeweils zu dem Bildaufnahmeort in Frage, wobei bevorzugt diese Entfernungen
in einer senkrecht zur Richtung des Objektabstands verlaufenden
Messebene gemessen werden.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die
Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisch
eine erfindungsgemäße Messanordnung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
und
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2 eine
Darstellung zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Prinzips.
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Die
Messanordnung gemäß 1 umfasst eine
Bildaufnahmeeinrichtung in Form einer Kamera 21 und zwei
als Beleuchtungseinrichtungen dienende Strahlungsquellen 17a, 17b,
die in diesem Ausführungsbeispiel
symmetrisch zu beiden Seiten der Kamera 21 angeordnet sind.
Die Kamera 21 und die beiden Beleuchtungseinrichtungen 17a, 17b liegen
in einer gemeinsamen Messebene 19, die senkrecht zu der
Richtung des zu messenden Abstandes D zu einem Objekt 11 verläuft.
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Die
Kamera 21 kann grundsätzlich
beliebig ausgestaltet und z.B. in Form einer Zeilenkamera (eindimensionales
Konzept) oder einer Matrixkamera (zweidimensionales Konzept) vorgesehen
sein.
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Die
die von den Beleuchtungseinrichtungen 17a, 17b ausgesandte
elektromagnetische Strahlung reflektierende, der Kamera 21 und
den Beleuchtungseinrichtungen 17a, 17b zugewandte
Oberfläche des
Objekts 11 ist hier als ebene, strukturlose Fläche dargestellt.
Die Erfindung ist jedoch unabhängig
von der Oberflächenstruktur
des Objekts 11, d.h. für
die Erfindung ist es ohne Belang, ob das Objekt 11 selbst strukturiert
ist oder nicht. Insbesondere braucht das Objekt 11 keine
eigenen Kontraststrukturen aufzuweisen.
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Die
Kamera 21 und die beiden Beleuchtungseinrichtungen 17a, 17b sind
mit einer Auswerteeinrichtung 23 verbunden, über welche
die Messanordnung außerdem
derart ansteuerbar ist, dass das Objekt 11 nacheinander
zunächst
mittels der einen Beleuchtungseinrichtung 17a und anschließend mittels
der anderen Beleuchtungseinrichtung 17b strukturiert beleuchtet
und für
jede Beleuchtung jeweils mittels der Kamera 21 ein Bild
des beleuchteten Objekts 11 bzw. dessen Oberfläche aufgenommen
wird. Diese auf der Basis unterschiedlicher Beleuchtungsrichtungen
erzeugten Bilder werden in der Auswerteeinrichtung 23 einer
Bildverarbeitung unterzogen, um den gewünschten Objektabstand D zu
berechnen.
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2 zeigt
auf der linken Seite rein beispielhaft und schematisch zwei nacheinander
mittels der Kamera 21 aufgenommene Bilder 13a, 13b,
die unterschiedlichen Beleuchtungen des Objekts 11 entsprechen.
Beleuchtungsstrukturen 15 und Objektkontraststrukturen 25,
auf die nachstehend näher eingegangen
wird, sind lediglich in einem kleineren Bildausschnitt 27 dargestellt.
Hierdurch ist angedeutet, dass es erfindungsgemäß nicht erforderlich ist, das
gesamte von der Kamera 21 erfassbare Sichtfeld für die Abstandsmessung
zu verwenden, sondern dass es zumindest in vielen Fällen genügen kann, hierfür einen
kleineren Bildausschnitt 27 zu verwenden.
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Die
in dem Bildausschnitt 27 jeweils schraffiert dargestellten
Bereiche stellen Objektkontraststrukturen 25 dar, d.h.
es ist hierdurch zur Klarstellung angedeutet, dass das betreffende
Objekt eigene Kontraststrukturen aufweisen kann – und in der Praxis meist auch
aufweisen wird, da bevorzugt durch die Erfindung zu vermessende
Erhöhungen
und/oder Vertiefungen auf bzw. in der Objektoberfläche in den meisten
Fällen
einen Kontrast hervorrufen, welcher aber – wie eingangs bereits diskutiert – für die Erfindung
nicht notwendig ist. Da die beiden Bilder 13a, 13b von
dem selben Kamerastandort aus aufgenommen werden, befinden sich diese
Objektkontraststrukturen 25 in den beiden Bildern 13a, 13b jeweils an
der gleichen Stelle.
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Mit
den senkrechten Strichen sind in den Bildausschnitten 27 Beleuchtungsstrukturen 15 angedeutet.
Diese Beleuchtungsstrukturen 15 können grundsätzlich jede beliebige regelmäßige oder
unregelmäßige Form
annehmen. Wie eingangs bereits erwähnt, werden für die beiden
mittels der Beleuchtungseinrichtung 17a, 17b erfolgenden
Objektbeleuchtungen identische Beleuchtungsstrukturen verwendet,
d.h. die die strukturierten Beleuchtungen 15 bildende ungleichmäßige Intensitätsverteilung
der Strahlung auf dem Objekt ist für beide Bilder 13a, 13b gleich.
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Die
Erzeugung der Beleuchtungsstrukturen ist auf vielerlei Arten möglich. So
können
beispielsweise identische Muster auf eine Folie oder einen anderen
geeigneten Träger
gedruckt und die Folien in den Strahlengang vor insbesondere identische
Lichtquellen gebracht werden. Alternativ oder zusätzlich ist
es möglich,
lediglich einen einzigen strukturierten Lichtstrahl in Verbindung
mit einem optischen Strahlteiler zu verwenden und auf diese Weise
zwei Beleuchtungseinrichtungen – hier
in Form zweier identischer Teillichtstrahlen – im Sinne der Erfindung zu
erhalten.
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Aufgrund
der unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen für die beiden Bilder 13a, 13b befinden
sich die von der Kamera 21 "gesehenen" Beleuchtungsstrukturen 15 in
den Bildern 13a, 13b an unterschiedlichen Stellen,
d.h. es existiert auf dem Objekt ein lokaler Versatz der Beleuchtungsstrukturen 15,
der von der Kamera 21 durch die nacheinander aufgenommenen
Bilder 13a, 13b festgehalten und der weiteren
Auswertung zugeführt
wird.
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Die
rechte Darstellung in 2 veranschaulicht, dass die
Auswertung des Versatzes der strukturierten Beleuchtungen 15 zur
Bestimmung des Objektabstands D unabhängig von der Oberflächenstruktur
bzw. der Oberflächenkontraststruktur
des Objekts ist. Identische Bereiche in den auszuwertenden Bildausschnitten 27 brauchen
nicht berücksichtigt
zu werden. Anschaulich gesprochen bleiben im Anschluss an die Bildung
einer Differenz der beiden Bilder 13a, 13b lediglich
die versetzt aufgenommenen Beleuchtungsstrukturen 15 übrig.
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Mittels
der Auswerteeinrichtung 23 und geeigneter Algorithmen zur
Bildverarbeitung kann nun aus dem mittels der Kamera 21 gemessenen
Versatz der Beleuchtungsstrukturen 15 und weiteren geometrischen
Parametern der Messanordnung der gewünschte Objektabstand D bestimmt
werden. Insbesondere der bekannte Standort der Kamera 21 relativ zu
den Beleuchtungseinrichtungen 17a, 17b geht in die
Auswertung der aufgenommenen Bilder 13a, 13b mit
ein. Bei der Vermessung von dreidimensionalen Strukturen von Objekten
ist die Feinheit der Beleuchtungsstruktur 15 an die Größe der zu
vermessenden Strukturen anzupassen, d.h. wird die Beleuchtungsstruktur
mit abnehmender Größe der zu
vermessenden Strukturen zunehmend feiner gewählt.
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Wie
eingangs bereits erwähnt,
kann die in der Auswerteeinrichtung
23 ablaufende Bildverarbeitung
das in
DE 198 51 993
A1 beschriebene Verfahren verwenden, das hiermit durch
Bezugnahme zum Gegenstand der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung
gemacht wird. Obwohl erfindungsgemäß anders als in
DE 198 51 993 A1 keine
Stereobilder im eigentlichen Sinne erzeugt und ausgewertet werden, können mittels
der bekannten Bildverarbeitungsverfahren auch aus den auf den unterschiedlichen
Beleuchtungen basierenden Bildern
13a,
13b die
gewünschten
Infor mationen abgeleitet und insbesondere die in
DE 198 51 993 A1 beschriebenen
Disparitäts-
und Validitätsaussagen
erhalten werden.
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- 11
- Objekt
- 13a
- Bild
- 13b
- Bild
- 15
- Beleuchtungsstruktur
- 17a
- Beleuchtungsquelle,
Beleuchtungseinrichtung
- 17b
- Beleuchtungsquelle,
Beleuchtungseinrichtung
- 19
- Messebene
- 21
- Aufnahmeort,
Aufnahmeeinrichtung, Kamera
- 23
- Auswerteeinrichtung
- 25
- Objektkontraststruktur
- 27
- Bildausschnitt
- D
- Objektabstand