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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet der Vermessungsvorrichtungen und
-verfahren, mittels deren die Gestalt von Festkörpern mehrdimensional erfasst
werden kann.
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Ein
Anwendungsgebiet eines solchen Verfahrens ist die industrielle Qualitätskontrolle
an Prüflingen,
beispielsweise bei der Gussteilefertigung, bei der die Form und
Maßhaltigkeit
von Gussteilen durch dreidimensionale Vermessung überprüft und mit
Vorgaben verglichen werden muss. Bei diesem Schritt wird außer der äußeren Formgenauigkeit
auch das Vorhandensein von Lunkern bzw. Materialverwerfungen überprüft. Insgesamt
sind die tatsächlichen
Geometriedaten mit Soll-Daten, beispielsweise aus einem CAD-System,
zu vergleichen.
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Insbesondere
in dem Fall, dass auch interne Strukturen der zu prüfenden Körper, wie
z.B. Hohlräume
oder ein geschichteter Aufbau, mit erfasst werden sollen, ist es
notwendig, auch ein durchstrahlendes Verfahren, beispielsweise ein
röntgencomputertomographisches
Verfahren, zu verwenden. Bei einem derartigen Verfahren wird ein
zu vermessender Festkörper
nacheinander aus mehreren verschiedenen Richtungen durchstrahlt,
wobei meistens die Röntgenquelle
feststehend angeordnet ist und der Festkörper um eine feststehende Achse
gedreht wird. Von der Röntgenquelle
aus gesehen hinter dem Festkörper
liegt ein Detektor, beispielsweise als zweidimensional auflösender Detektor
in Form einer CCD-Matrix, der die Röntgenstrahlung nach Passieren
des Festkörpers
nachweist. Je nach Lage des Festkörpers ergeben sich verschiedene
Grauwerte, die in bekannter Weise durch Berechnung unter Berücksichtigung
der zwischen den einzelnen Messungen zurückgelegten Drehwinkel weiterverarbeitet werden
können.
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Dadurch
sind einzelnen Volumenelementen, in die der Festkörper zur
Berechnung aufgeteilt wird, sog. Voxeln, Intensitätswerte
zuordenbar, die dem Absorptionsgrad der Röntgenstrahlung in dem jeweiligen
Voxel entsprechen.
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Aus
dem Intensitätsgrad
kann auf die Konsistenz des Festkörpers in der jeweiligen Volumeneinheit
geschlossen werden. Hierdurch können
Konsistenzgrenzen des Festkörpers,
also beispielsweise Material- oder Dichtegrenzen oder Außenkonturen sowie
Grenzen von Hohlräumen
bestimmt werden.
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Die
Erfahrung zeigt, dass derartige Messungen unter Verwendung der Röntgencomputertomographie
noch nicht die gewünschte
Genauigkeit erreichen. Dies liegt einerseits daran, dass die verwendeten
Röntgenröhren polychromatische
Strahlung emittieren, und daran, dass die Wechselwirkung der Röntgenstrahlung
beim Durchgang durch die Materie nicht nur von den Absorptionseigenschaften
der jeweiligen Materie, sondern auch von der Wellenlänge der
Röntgenstrahlung
abhängt.
Zudem ergeben sich Streustrahlungseffekte, Störungen durch Strahlaufhärtung und
Nichtlinearitäten
des Detektors, wodurch sich Artefakte, Verzeichnungen und sog. Cupping-Effekte
einstellen, die die Bildqualität
verschlechtern.
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Es
ist wünschenswert,
eine neue, verbesserte Vermessungsvorrichtung zu schaffen und dabei die
Zuverlässigkeit
und Genauigkeit der Vermessung von Festkörpern zu erhöhen.
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Aus
dem Stand der Technik sind grundsätzlich Vermessungsverfahren
und entsprechende Vorrichtungen bekannt, bei denen verschiedene
Messverfahren und entsprechende Vorrichtungen kombiniert werden.
So ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 026 357 A1 die Kombination einer
optischen Sensorik mit einer Röntgensensorik
bekannt. Durch die Kombination der Messungen soll ein Messobjekt geometrisch
vermessen werden. Das Messobjekt befindet sich auf einer drehbar
antreibbar Halterung und wird mit beiden zur Verfügung stehenden
Sensoriken erfasst. Danach wird eine 3D-Rekonstruktion ermittelt,
wobei die Messergebnisse des Tomographieverfahrens unter Berücksichtigung
der Messergebnisse des anderen Messverfahrens ermittelt werden.
Die Messergebnisse der optischen Sensorik und der Röntgensensorik
werden in einem gemeinsamen Koordina tensystem ausgewertet.
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Gemäß dem Patent
Abstract of Japan 2002071345 A werden zwei Messverfahren mit entsprechenden
Messeinrichtungen derart kombiniert, dass mittels einer der Messeinrichtungen
ein Messpfad ermittelt wird, entlang dem die zweite Messeinrichtung
darauf folgend eine Messung durchführt.
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Aus
der
DE 103 31 419
A1 , ist die Kombination eines Computertomographen mit einem
taktilen oder optischen Koordinatenmessgerät bekannt, bei dem zunächst mittels
des taktilen oder optischen Messgeräts die Lage des zu vermessenden
Objekts untersucht und dieses mittels einer Manipulationseinrichtung
danach in den optimalen Erfassungsbereich der Computertomographiemesseinrichtung
gebracht wird.
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Aus
dem Sonderdruck „Quality
Engineering 6, Juni 2005 (www.qe-online.de)" ist ebenfalls die Kombination aus einer
Multisensorik und der Computertomographie bekannt, wobei nach Erfassung
eines Werkstücks
mit mehreren Sensoren die gelieferten Messergebnisse aufeinander
abgeglichen werden. Insbesondere die ungenauere Messung mittels der
Computertomographie kann durch Aufnahme von Kontrollpunkten mit
einem anderen hochgenauen Sensor korrigiert werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt nun gegenüber dem Stand der Technik die
Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung eines
Festkörpers
zu schaffen, die eine schnelle Auswertung mit hoher Messgenauigkeit
und der Möglichkeit
verbindet, auch die im Inneren des Festkörpers vorhandene Struktur zu
vermessen.
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Dabei
bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur dreidimensionalen
Vermessung eines Festkörpers
mit einer ersten Vermessungseinrichtung in Form eines Durchstrahlungscomputertomographen
und mit einer zweiten Vermessungseinrichtung zur Erfassung der äußeren Kontur
des Festkörpers,
wobei die zweite Vermessungseinrichtung wenigstens stellenweise
genauere Messergebnisse ermöglicht
als die erste Vermessungseinrichtung und wobei die erste und die
zweite Vermessungseinrichtung erste und zweite Daten liefern, die
in einem gemeinsamen Koordinatensystem darstellbar sind.
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Erfindungsgemäß wird ausgehend
von einer Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung eines Festkörpers, die
eine erste und eine zweite Vermessungseinrichtung aufweist, diese
Vorrichtung so weitergebildet, dass die erste Vermessungseinrichtung
einen Durchstrahlungscomputertomographen aufweist und die zweite
Vermessungseinrichtung eine oberflächenvermessende bzw. flächig auflösende Vermessungseinrichtung
ist. Als zweite Vermessungseinrichtung kann besonders vorteilhaft
eine Streifenprojektionseinrichtung verwendet werden, mit der, bei
Auswertung beispielsweise mittels eine Triangulationsverfahrens,
die äußere Oberfläche eines
Gegenstandes dreidimensional auf einer ganzen Fläche aufgelöst werden kann.
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Diese
Vorrichtung kann insbesondere eingesetzt werden, um ein Verfahren
durchzuführen,
wie es in der taggleich mit dieser Anmeldung von derselben Anmelderin
eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel „Verfahren zur Vermessung
eines Festkörpers" beschrieben ist.
Hierzu kann dann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Recheneinrichtung zur
Ermittlung von lokal geltenden Schwellwerten aufweisen zur Ermittlung
von lokal geltenden Schwellwerten für die Segmentierung der durch
die erste Vermessungseinrichtung gewonnenen ersten Daten durch Vergleich
von den ersten Daten mit durch die zweite Vermessungseinrichtung
gewonnenen zweiten Daten. Dabei bedeutet Segmentierung die Ermittlung
von Konsistenzgrenzen des Festkörpers
aus den in der Computertomographie ermittelten Daten.
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Eine
derartige Recheneinrichtung ist aus dem Stand der Technik bisher
nicht bekannt. Üblicherweise
werden zunächst
die mittels der Durchstrahlung mit Hilfe des Tomographen gewonnen zweidimensionalen
Daten durch Berücksichtigung der
Winkelposition des Festkörpers
bei den jeweiligen Aufnahmen in eine dreidimensionale Voxelmatrix umgerechnet,
in der jeder dreidimensionalen Volumeneinheit ein Grauwert bzw.
Intensitätswert
zugeordnet wird. Die entsprechenden Intensitätswerte korrelieren mit Absorptionswerten
des zu vermessenden Festkörpers
an der jeweiligen Stelle.
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Danach
wird gemäß dem Stand
der Technik ein globaler Schwellwert festgelegt, bei dessen Überschreiten
durch die entsprechenden Intensitätswerte in der Matrix vom Vorliegen
einer Konsistenzgrenze des Festkörpers
ausgegangen wird, d.h. beispielsweise von einer Oberfläche des
Festkörpers
oder einer Materialgrenzfläche.
Auf diese Weise kann in der Matrix die Gestalt des Festkörpers sowohl
bezüglich der äußeren Konturen
als auch bezüglich
innerer Hohlräume
ermittelt werden. Diese Auswertung ist jedoch mit den oben genannten
vielfältigen
Unsicherheiten behaftet und wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
verbessert.
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Hierzu
wird jedoch nicht, wie beim Stand der Technik, die schon extrahierte
Punktewolke mit den durch die zweite Vermessungseinrichtung gewonnen Daten
abgeglichen, sondern es wird in einem früheren Stadium der Auswertung
der Tomographiedaten bereits auf die Messdaten der zweiten Vermessungsvorrichtung
zurückgegriffen,
indem aus diesen lokale Schwellwerte für die Auswertung der Tomographiewerte
gewonnen werden. An den Stellen, an denen die genaueren Messwerte
der zweiten Vermessungseinrichtung vorliegen, ist nämlich bekannt,
an welchem Punkt innerhalb der Matrix der Computertomographiedaten
eine entsprechende Konsistenzgrenze liegt. Daraus kann der lokal
geltende Schwellwert bestimmt werden und die hierdurch ermittelten lokalen
Schwellwerte können
durch Interpolation, Extrapolation oder einfach Übertragung auf die unmittelbare
geometrische Umgebung soweit erweitert werden, dass für die gesamte
Matrix des Festkörpers entsprechende
lokale Schwellwerte gewonnen werden. Danach kann die entsprechende
Intensitätsmatrix
mit den lokalen Schwellwerten ausgewertet werden.
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Besonders
vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch ausgestaltet
sein, dass die erste Vermessungseinrichtung eine Röntgentomographieeinrichtung
ist, vorzugsweise mit einer Mikrofokusröntgenröhre.
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Vorteilhaft
kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die zweite Vermessungseinrichtung
eine Streifenprojektionseinrichtung verwendet. Bei einer solchen
Projektionseinrichtung wird ein bekanntes Muster, beispielsweise
gerade Streifen oder Gitterlinien, auf den zu vermessenden Festkörper projiziert
und diese aus einer von der Aufstrahlrichtung unterschiedlichen
Blickrichtung aus vermessen. Unregelmäßigkeiten in der Oberflächenform
des Festkörpers zeigen
sich durch Verzerrungen der Streifen und durch die Verzerrungen kann
durch Triangulationsverfahren auf die Form des Festkörpers an
seiner Oberfläche
rückgeschlossen
werden. Entsprechende Berechnungsalgorithmen erlauben die Berechnung der
dreidimensionalen Form der Oberfläche.
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Um
eine optimale Kombination bei der Auswertung der Messdaten der ersten
und der zweiten Vermessungseinrichtung zu erlauben, müssen diese Daten
in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorliegen oder zumindest
in einem gemeinsamen System darstellbar sein. Hierzu sind vorteilhaft
die beiden Vermessungseinrichtungen fest zueinander positioniert
oder zumindest in genau definierter Weise gegeneinander bewegbar.
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Dabei
kann der zu vermessende Festkörper in
einem gemeinsamen Erfassungsbereich der ersten und der zweiten Vermessungseinrichtung
positioniert und dort schrittweise drehbar sein, er kann jedoch
auch nachneinander in den Erfassungsbereich der ersten Vermessungseinrichtung
und danach in den Erfassungsbereich der zweiten Vermessungseinrichtung
bringbar sein.
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Die
entsprechende Positionierungseinrichtung weist einen Drehantrieb
zur schrittweisen Drehung des Festkörpers um eine fest stehende
Achse oder um mehrere fest stehende Achsen um jeweils feste Winkelschritte
auf.
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Zur
Veränderung
des Abbildungsmaßstabes bei
der Computertomographieeinrichtung kann der Festkörper auf
der Achse zwischen der ersten Strahlquelle der ersten Vermessungseinrichtung
und dem Sensorschirm bewegbar sein. Dabei kann die zweite Vermessungseinrichtung,
d.h. die Streifenprojektionseinrichtung, oder auch nur die zweite
Strahlquelle der zweiten Vermessungs einrichtung, entweder fest gegenüber der
ersten Vermessungseinrichtung positioniert sein oder auch mit dem
Festkörper
in fester Relation zu diesem bewegbar sein.
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Wichtig
ist, dass auch bei einer Vergrößerung des
Abbildungsmaßstabes
der Computertomographieeinrichtung dieser Maßstab genau kontrolliert und
bei der Verrechnung der gemeinsamen gewonnen Daten berücksichtigt
wird, um die durch die zweite Vermessungseinrichtung gewonnen Daten
entsprechend umrechnen zu können.
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Ein
weiteres Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung liegt in der
Korrektur von Lichtlinearitäten
eines Abbildungssystems durch ein a-priori-Wissen bei Durchstrahlungsaufnahmen.
Ein solches Verfahren zur Korrektur von Nichtlinearitäten ist in
der am 09. März
2005 beim Deutschen Patent- und Markenamt ebenfalls von der vorliegenden
Anmelderin hinterlegten Patentanmeldung (
DE 10 2005 011 161 ) beschrieben.
Hieraus wird in folgendem zitiert.
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(Zitatanfang)
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Dieses
Verfahren weist die folgenden Verfahrensstufen auf:
- • Initialisierung:
Die Orientierung des Prüflings wird
mit einer ersten schnellen Registrierung grob bestimmt.
- • Registrierung:
Ausgehend von der groben Positionierung wird eine auf Merkmale und/oder
auf Intensitäten
gestützte
Registrierung durchgeführt. Dies
ist eine genauere Registrierung.
- • Bewegung:
Nach erfolgreich durchgeführter
Regist rierung an einigen Projektionen kann die Lage des Prüflings,
z.B. relativ zur Drehachse für
weitere Projektionen berechnet werden.
- • Simulation:
Mit Hilfe dieses Wissens kann eine virtuelle CT simuliert werden,
welche die benötigten
Eingangsdaten für
die Korrekturverfahren der CT-Rekonstruktion liefert.
- • Korrektur:
Die Korrekturparameter werden während
der Datenaufnahme bestimmt. Eine Korrektur erfolgt; entweder hier
oder später.
- • Rekonstruktion:
Am Ende des Aufnahmeprozesses liegen korrigierte Projektionsdaten
für eine verbesserte
CT-Rekonstruktion des Prüflings
vor.
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Mit
der Initialisierung ist eine grob gerasterte Registrierung des Prüflings gemeint.
Eine grobe Rasterung ist also eine Registrierung, deren Genauigkeit
- • bezüglich der
Rotation wenige Grad, insbesondere oberhalb eines Winkelfehlers
von etwa einem Grad; und/oder
- • bezüglich der
Translation von etwa 1 mm bis 2 mm oder in einem Bereich von 1%
einer typischen Prüflingsabmessung
beträgt. Damit
bildet sich ein Startwert, der für
eine im folgenden ablaufende genauere Registrierung benutzt wird.
Dazu werden bspw. Merkmalspunkte verwendet. Diese sind bestimmte
Paare.
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Die
genaue Registrierung erfolgt in Abhängigkeit vom Prüfling merkmals-
und/oder intensitäts"basiert" im Sinne einer Auswertung
dieser Messwerte.
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Merkmalsbasierte Registrierung:
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Nach
erfolgter grober Registrierung, beispielsweise ein Festlegen eines
grob gerasterten Winkelwerts eines drehbar gelagerten Prüflings,
ggf. auch mit einer zugehörigen
Translation, werden singuläre
Punktepaare gesucht, wobei ein singulärer Punkt ein solcher ist,
der sich messbar von seiner Umgebung hervorhebt. Diese singulären Punkte
können
einmal solche sein, die ein Maximum oder ein Minimum besitzen, sowohl
zweidimensional wie auch eindimensional. Messbar ist der sich von
seiner Umgebung hervorhebende singuläre Punkt. Andere Möglichkeiten
von zu verstehenden singulären
Punkten sind solche, die Randpunkte des Objektschattens sind oder
Schnittpunkte von Kanten darstellen.
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Ein
Punkt eines digitalen Modell eines Prüflings (meist eines CAD-Modells)
wird bei Projektion auf dem Detektor abgebildet. Der singuläre Punkt des
Modells und der singuläre
Punkt der Abbildung bilden ein Punktepaar, das als "Merkmalspunkt" bezeichnet wird.
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Ist
das Modell grob registriert, können
Projektionen simuliert werden. Durch diese Simulation ergeben sich – entsprechend
der groben Registrierung – ungefähre Positionen
von Projektionen von Modell-Merkmalspunkten. Diese sind der Berechnung
bekannt. Eine solche Kenntnis kann aber erst durch die grobe Registrierung
des CAD-Modells erfolgen, welche in Folge die Simulation zur ungefähren Position
der Projektion bringt.
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Aus
den Messungen lassen sich ebenfalls Merkmalspunkte extrahieren.
Diese Extraktion von den genannten singulären Punkten (im Sinne möglichst
eindeutiger Merkmalspunkte) erfolgt mit Suchalgorithmen aus den
Messungen. Die Suchalgorithmen sind an die simulierte Projektion
des digitalen Modells angepasst.
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Bestehen
nunmehr Merkmalspunkte (als Punktepaare), kann die Position zu Beginn
der CT-Aufnahme registriert werden. Diese Registrierung erfolgt
aus einer Projektion. Mögliche
verwendbare Algorithmen, um diese Registrierung vorzunehmen, sind
der Prozess Soft-POSIT,
vgl. DeMenthon et al., SoftPOSIT, Simultaneous Pose and Correspondence Determination,
International Journal of Computer Vision, 59 (3), 2004, Seiten 259
bis 284. Diese Möglichkeit
der Registrierung der Startposition ist bei Anwendung des bekannten
Prozesses SoftPOSIT relativ unempfindlich gegen falsch zugeordnete
Merkmalspunkte(paare), wenn diese nicht zu sehr überhand nehmen.
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Intensitätsbasierte
Registrierung:
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Das
Vorgehen bei intensitätsbasierter
Registrierungen ist es, die Ähnlichkeit
zwischen Referenz- und Schablonenbild zu bestimmen. Hierbei werden Ähnlichkeiten
mit statistischen Methoden gewonnen, als Grundlage dienen alle Pixelinformationen,
vgl. Penney et al., "A
Comparison of Similarity Measures for Use in 2-D-3-D Medical Image Registration", IEEE Transactions
on Medical Imaging, 17(4), 1998, Seiten 586 bis 595.
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Intensitätsbasierte
2D oder 3D-Registrierungsalgorithmen optimieren, ausgehend von einem hinreichend
guten Startwert, die Ähnlichkeit
von Referenz und transformierter Schablone, vgl. Pluim, IEEE Transactions
on Medical Imaging, 22(8), 2003, Seiten 986 bis 1004.
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So
kann ein A-priori Wissen ausgenutzt werden, eine Registrierung erfolgreich
durchzuführen. Das
CT- Modell als Soll-Daten
des Prüflings
und das dadurch eingesetzte A-priori Wissen können an mehreren Projektionen
in unterschiedlichen Lagen des Prüflings eingesetzt werden. Jede
Lage ist durch einen anderen Drehwinkel charakterisiert, den der Prüfling relativ
zu einer Drehachse einnimmt. Die Registrierung als 2D-Registrierung
oder 3D-Registrierung erfolgt alternativ und veranlasst vom Anwendungsfall.
Aus einer 2D-Fächerstrahl-CT
kann problemlos auf eine 3D-Konusstrahl-CT
generalisiert werden. Jeweils nachgeführt wird die Art und Weise des
Detektors, der entweder als Zeilendetektor. bei einer 2D-CT ausgebildet
ist, oder als Flächendetektor
bei einer 3D-CT. In beiden Annahmefällen werden durch das Objekt
und durch die Durchstrahlung mit der Messstrahlung von der punktförmigen Quelle
aus abgeschwächte
Intensitäten
auf dem Detektor abgebildet, jeweils als eine Projektion bei jeweils
einem Drehwinkel des Prüflings.
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Der
Idealfall ist ein perfekt justiertes CT-Abbildungssystem. Hier braucht lediglich
noch die Lage der Drehachse bekannt zu sein, um den der Prüfling in
Winkelinkrementen verdreht wird.
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Diese
Winkelinkremente zwischen den Aufnahmepositionen des Prüflings sind
hinreichend genau bekannt. Die Registrierung ebenfalls. Mit einem registrierten
digitalen Modell des Prüflings
ist es jetzt möglich,
eine CT-Simulation vorzunehmen. Diese kann für beliebige Detektorpixel auf
dem Detektor bei einer beliebigen Drehlage des Prüflings die
zugehörig
eine von einem von der punktförmigen
Quelle jeweils gedacht ausgehenden Messstrahl durchstrahlte Länge liefert.
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Die
Registrierung an einigen Projektionen erlaubt es, an verbliebenen
Projektionen die CT so einzusetzen, dass die Lage des Prüflings für weitere Projektionen
berechenbar wird.
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Eine
Simulation in Form einer virtuellen CT kann auf Grund des vorstehenden
Wissens erfolgen. Sie liefert die benötigten Eingangsdaten für Korrekturverfahren
bei der Rekonstruktion.
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Eine
Korrektur, zumindest eine Bereitstellung von Korrekturparametern,
erfolgt während
der Datenaufnahme. Bei der virtuellen CT entstehen für beliebige
Detektorstellen (Pixel) bei jeder angenommenen inkrementellen Drehlage
des Prüflings
zugehörig
durchstrahlte Längen.
Eine jeweils durchstrahlte Länge
und eine zugehörig
gemessene Intensität am
Detektor werden zu Wertepaaren kombiniert. Um die Korrekturdaten
bei der Datenaufnahme zu bestimmen, sind nicht Daten von allen Projektionen
notwendig.
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Einige
Projektionen reichen, beispielsweise eine repräsentative Auswahl, die einen
Winkelbereich von unter 360° abdeckt,
insbesondere deutlich darunter. Nachdem die Korrekturdaten schon
während
der Datenaufnahme bestimmt werden und nicht alle Projektionen als
Eingangsgröße notwendig
sind, die Korrekturparameter zu bestimmen, kann mit der Bestimmung
der Korrekturdaten bereits begonnen werden, wenn diese repräsentative
Auswahl von Projektionen aufgenommen wurde. So läuft zumindest ein Teil der
Berechnung der Korrekturparameter und der weitere Aufnahmeprozess
parallel. Bevorzugt kann die Berechnung der Korrekturparameter abgeschlossen
sein, oder abgeschlossen werden im Wesentlichen mit dem Ende des
Aufnahmeprozesses, also auch derjenigen Projektionen, die für die repräsentative
Auswahl nicht benötigt
werden. Die Rekonstruktion kann im zeitlichen Bereich nach/bei Abschluss
der Aufnahme erfolgen, erlaubt also eine geringere Verzögerung bis
zum Vorliegen des Ergebnisses.
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Als
Korrekturverfahren können
solche Verfahren angewendet werden, die in "Quality Improvements for Conebeam CT
using Beam Hardening and Scattering Correction", Third World Congress on Industrial
Process Tomography, Banff, Canada, 2002, Seiten 90 s bis 95 herangezogen
werden. Für
die Rekonstruktion liegen bereits korrigierte Projektionsdaten vor,
so dass die erste Rekonstruktion bereits mit Korrekturdaten arbeiten
kann. Eine Rekonstruktion kann bereits auf korrigierte Messdaten
zurückgreifen. Bereits
die erste Rekonstruktion liefert ein vollständig korrigiertes Volumen des
rekonstruierten Prüflings. Es
ergibt sich eine verbesserte CT-Rekonstruktion.
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Dieses
Verfahren besitzt den Vorteil, das zeitaufwendige iterative Nachverarbeitungsschritte entfallen
können,
wenn die Solldaten des Prüflings als
a-priori-Wissen
verwendet werden können.
Dies schlägt
sich in einer besseren Rekonstruktion des Prüflings in den Computertomographiedaten
nieder.
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(Zitatende)
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
arbeitet bei diesem Verfahren dann besonders effektiv, wenn die
erste Vermessungseinrichtung und die zweite Vermessungseinrichtung
gleichzeitig betrieben werden oder zumindest zeitlich überlappend,
da bei der Auswertung der ersten Daten bereits teilweise zweite,
durch die zweite Vermessungseinrichtung gewonnene Daten, herangezogen
werden können.
Auf diese Weise muss nicht der Ab schluss einer Vermessung abgewartet
werden, bis die zweite Vermessung beginnen kann und die Dauer der
gesamten Vermessung wird insgesamt verkürzt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in den 1 bis 5 gezeigt
und nachfolgend beschrieben.
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Dabei
zeigt
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1 ein
Flussdiagramm, mittels dessen die Auswertung der Daten verdeutlicht
wird,
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2 schematisch
den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 an
einem zweidimensionalen Beispiel von Pixeln die Funktion der Erfindung,
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4 in
einer detaillierten Darstellung die Gestaltung der Auswerteinrichtung.
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1 zeigt
exemplarisch und schematisch vereinfacht drei zweidimensionale Durchleuchtungsbilder 1, 2, 3,
die mittels eines Röntgentomographieverfahrens
unter unterschiedlichen Durchleuchtungswinkeln bzgl. Des durchleuchteten
Gegenstands als Durchleuchtungsbilder auf einem Röntgenschirm aufgenommen
und gespeichert sind. Mittels des bekannten Computertomographie-Rechenverfahrens können diese
Durchleuchtungsbilder, die den zu vermessenden Festkörper aus
unterschiedlichen Winkeln durchleuchtet darstellen, in eine dreidimensionale
Abbildung des Gegenstandes umgerechnet werden. Dabei ist es selbstverständlich möglich, auch
weitaus mehr als drei Aufnahmen zur Berechnung heranzuziehen.
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Die
dreidimensionale Abbildung liegt in Form von Grauwerten bzw. Intensitätswerten
in einer dreidimensionalen Voxelmatrix 4 vor. Jedem Teilvolumenwürfel dieser
Matrix 4 ist ein gesonderter Intensitätswert zugeordnet.
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Auf
der rechten Seite der 1 ist beispielhaft eine Abbildung
einer Pyramide 5 dargestellt, die mit einem Oberflächen-Vermessungsverfahren
erzeugt worden ist. Diese Messung kann beispielsweise weniger Messpunkte
enthalten als die Messung, die durch das erste Vermessungsverfahren
gewonnen ist, jedoch sind die einzelnen Messpunkte gegenüber dem
Computertomographieverfahren genauer.
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Die
Messergebnisse 5 des durch das zweite Vermessungsverfahren
gewonnen Abbildes werden in die Matrix eingerechnet, indem anhand
der durch das zweite Vermessungsverfahren festliegenden Körpergrenzen
an den Punkten, an denen diese festgelegt sind, Schwellwerte für die Auswertung
der Computertomographiedaten festgelegt werden, und zwar als lokale,
gegebenenfalls lokal unterschiedliche Schwellwerte.
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Dort
wo nicht mittels des zweiten Vermessungsverfahrens entsprechende
Informationen vorliegen, werden die lokalen Schwellwerte durch Interpolation
der übrigen,
vorliegenden Schwellwerte ermittelt.
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Damit
liegen für
die gesamte Matrix 4 mit gleicher Dichte wie die Intensitätswerte
auch entsprechende lokale Schwellwerte vor, die in Form der Matrix 6 dargestellt
sind.
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Durch
Anwendung der in der Matrix 6 gespeicherten Schwellwerte
auf die in der Matrix 4 gespeicherten Intensitätswerte
der Computertomographie können
die Körpergrenzen
des zu vermessenden Festkörpers
genau berechnet werden. Das entsprechende Berechnungsergebnis ist
symbolisch in der Matrix 7 dargestellt und anschaulicher
in der Pyramide 8. Der Vorteil des endgültigen Messergebnisses 8 liegt
nun darin, dass einerseits teilweise Messwerte mit der hohen Messgenauigkeit
des zweiten Messverfahrens vorliegen, dass andererseits aber auch dort,
wo diese Messwerte nicht vorliegen, mittels des ersten Vermessungsverfahrens
verlässliche
Werte gewonnen werden können,
deren Genauigkeit durch Heranziehung des zweiten Vermessungsverfahrens erhöht worden
ist. Dadurch können
beispielsweise auch Hohlräume
in dem Festkörper,
die mittels des zweiten Vermessungsverfahrens, soweit dieses eine Oberflächenmessung
erfasst, nicht nachgewiesen werden, mittels eines Durchstrahlungsverfahrens
genau erfasst werden. Dies ist insbesondere beim Einsatz im Qualitätssicherungsverfahren
bei der Überprüfung von
Gussteilen oder ähnlichem
wichtig.
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Die 2 zeigt
beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens, wobei die einzelnen Elemente nur schematisch dargestellt
sind. Auf einer Grundplatte 9 ist eine Bewegungsvorrichtung 10 für den zu
vermessenden Festkörper 11 angeordnet,
mit einer antreibbaren Welle 12, einem Motor 13 und
einem Getriebe 14 sowie einem Drehteller 15. Der
Festkörper
ist auf dem Drehteller 15 fest positioniert und kann durch
den Antrieb um die senkrechte Achse 16 in kleinen Schritten,
beispielsweise von 0,9°,
gedreht und dazwischen angehalten werden.
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Auf
der Grundplatte 9 sind außerdem zwei Strahlquellen fest
montiert, eine Röntgenquelle 17, beispiels weise
in Form einer Mikrofokusröntgenröhre, die
den Festkörper 16 zu
einem Röntgenschirm 18 hin
durchstrahlt sowie eine Streifenprojektionsvorrichtung 19,
die ein geometrisches Muster auf den Festkörper 11 strahlt und
die Verzerrungen, die sich durch die Formgebung des Festkörpers 11 ergeben, detektiert.
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Anstelle
der Streifenprojektionsvorrichtung 19 kann auch eine andere
Oberflächenabbildungsvorrichtung,
beispielsweise eine Tastvorrichtung oder eine Abstandsmessvorrichtung,
unter Verwendung von Laufzeitmessungen sowie eine interferometrische
Vermessungseinrichtung vorgesehen sein.
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Wichtig
ist, dass die beiden Einrichtungen 17, 19 fest
zueinander positioniert sind bzw., wenn sie gegeneinander bewegt
werden, diese Bewegung in dem gemeinsamen Koordinatensystem genau
definiert ist.
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Die
Daten, die durch den Röntgenschirm 18 aufgenommen
werden, werden an eine Recheneinrichtung 20 geleitet, die
auch Daten von der Antriebseinrichtung 12, 13, 14 über die
Winkelstellung des Festkörpers 11 erhält. Die
Recheneinrichtung 20 erhält zusätzlich auch die Messergebnisse
der Streifenprojektionseirrichtung 19. Somit kann die Recheneinrichtung
die anhand der 1 dargestellten Rechnungen durchführen und
die erwähnten
dreidimensionalen Matrizen speichern und verarbeiten.
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Im
Ergebnis ermittelt die Recheneinrichtung 20 eine Repräsentation
des Festkörpers 11 in
drei Dimensionen, die beispielsweise in verschiedenen Ansichten
auf dem Bildschirm 21 darstellbar ist.
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Anhand
der 3 soll in einem vereinfachten sche matischen zweidimensionalen
Beispiel dargestellt werden, wie die Ergebnisse der beiden Vermessungsverfahren
rechnerisch kombiniert werden.
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Zunächst ist
in der Matrix 22 eine Menge von Pixeln dargestellt, denen
Intensitätswerte
in Form von Zahlen zugeordnet sind. Diese stellen ein Messergebnis
der Computertomographie dar.
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Außerdem sind
an zwei Stellen Messungen der Körpergrenze
des zu vermessenden Festkörpers eingezeichnet,
in Form von Strichen 23, 24. Diese Daten wurden
mit Hilfe der Streifenprojektionseinrichtung gewonnen.
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Würde nun
bei der Auswertung der Tomographiedaten das Ergebnis des zweiten
Vermessungsverfahrens nicht berücksichtigt,
so könnte
beispielsweise ein globaler Schwellwert zur Ermittelung der Formen
des Festkörpers
zwischen der Intensität
1 und der Intensität
2 festgelegt werden. Entsprechend würde rechnerisch überprüft, an welchen
Stellen in der zweidimensionalen Matrix (in Wirklichkeit in einer dreidimensionalen
Matrix) dieser Schwellwert überschritten
wird. Es ergäbe
sich eine Festkörpergrenze, die
in der 3 im rechten Teil in der Matrix 25 strichliniert
dargestellt ist und die zwischen den Pixeln, die die Intensität 1 darstellen
und den jeweiligen benachbarten Pixeln, die die Intensität 2 darstellen,
verläuft.
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Wird
die erfindungsgemäße Vorrichtung
genutzt, so werden lokale Schwellwerte anstelle eines einzigen globalen
Schwellwertes ermittelt, dadurch dass alle vorliegenden Messergebnisse
des zweiten Vermessungsverfahrens, dargestellt durch die beiden
Striche 23, 24 in der Matrix 22, berücksichtigt werden.
Dies führt
zu dem Ergebnis, dass im linken Teil der Matrix der lokale Schwellwert
zwischen 1 und 2 liegt, während
dieser im rechten Teil der Matrix, d.h. in einem anderen Bereich
des Festkörpers,
zwischen 2 und 3 liegt. Es wird nun näherungsweise dieser lokale
Schwellwert auf Nachbarbereiche ausgeweitet und erst danach mittels
der nun für
die gesamte Matrix bekannten Schwellwerte die entsprechende Festkörpergrenze
ermittelt. Diese stellt sich im Ergebnis in der Matrix 26 dar.
Es ergibt sich deutlich ein Unterschied zu dem Ergebnis aus der
Matrix 25, das unter Anwendung eines einzigen globalen
Schwellwertes entstanden ist.
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Somit
können
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Ergebnisse beider Vermessungsverfahren derart optimiert miteinander
kombiniert werden, dass Messfehler bei der Computertomographiemessung
ausgeglichen werden können.
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In 4 ist
in einer Übersicht
die Recheneinrichtung 20 detailliert dargestellt. Dabei
ist eine erste Auswerteinrichtung 27 beispielsweise in
Form eines Mikro-Controllers oder Mikroprozessors vorgesehen, dem über eine
Datenleitung 28 die zweidimensionalen Bilddaten vom Sensorschirm 18 des
Computertomographen zugeleitet werden. Gleichzeitig kommuniziert
die erste Auswerteinrichtung 27 über die Datenleitungen 29 mit
dem Antrieb 13 der Vorrichtung und kann die Antriebsvorrichtung
zum schrittweisen Zurücklegen
von Drehwinkelschritten ansteuern. Auf umgekehrtem Weg erhält die Auswerteinrichtung 27 von
der Antriebseinrichtung Informationen über die Drehwinkelstellung
des zu vermessenden Objekts 11.
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Aus
mehreren auf diese Weise gewonnen zweidimensionalen Röntgenaufnahmen,
die jeweils eine zweidimensio nale Bildmatrix bilden, kann mittels bekannter
Auswertverfahren eine dreidimensionale Voxelmatrix als Computertomographieabbild
des zu vermessenden Objekts gewonnen werden. Dieses wird in der
ersten Speichereinrichtung 30 als dreidimensionale Matrix
gespeichert. Es ist dies die erste Auswertung der Röntgencomputertomographieaufnahme
mit den ihr naturgemäß anhaftenden
Ungenauigkeiten und Fehlern.
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Gleichzeitig
wird über
ein Streifenprojektionsmesssystem, beispielsweise das von der Fraunhofer-Gesellschaft unter
dem Namen Kolibri, entwickelte System (vgl. http://www.iof.fraunhofer.de/departments/optical-systems/3d-shape-measurement/indexd.html)
die äußere Kontur
des Messobjekts erfasst.
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Die
Streifenprojektionseinrichtung ist in 2 mit 19 bezeichnet
und schematisch dargestellt. Grundsätzlich ist ein Projektor vorgesehen,
der ein Muster aus parallelen abwechselnd hellen und dunklen Streifen
und gegebenenfalls ein zweites Muster aus senkrecht dazu angeordneten
Streifen auf den Festkörper
das Messobjekt projiziert. Es ist außerdem mindestens ein Bildsensor,
beispielsweise in Form einer digitalen Kamera, vorgesehen, der winkelmäßig gegenüber dem
Projektor versetzt ist und über
ein Triangulationsverfahren die Projektion der Streifen auf der
Festkörperoberfläche aufnimmt. Durch
die Registrierung verschiedener Bilder in unterschiedlichen Drehwinkeln
des Körpers
kann in grundsätzlich
bekannter Weise die Oberfläche
des Körpers
berechnet werden.
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Das
Streifenprojektionssystem ist schematisch in der 5 dargestellt.
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Die
durch das Streifenprojektionssystem gewonnen Da ten werden der zweiten
Auswerteinrichtung 31 über
die Leitung 32 zugeführt
und dort wie beschrieben ausgewertet. Zusätzlich kommuniziert die zweite
Auswerteinrichtung 31 über
die Leitungen 33 mit dem Antrieb 12, 13, 14 der
Vorrichtung.
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Die
mittels der zweiten Auswerteinrichtung 31 gewonnenen dreidimensionalen
Daten über
die Oberflächenkontur
des Messobjektes werden mittels der Datenleitung 34 der
ersten Auswerteinrichtung 27 zugeleitet und mit den in
der ersten Speichereinrichtung 30 vorhandenen Daten derart
verrechnet, dass lokale Schwellwerte für die verschiedenen Volumenbereiche
des Messobjektes bestimmt werden. Diese lokalen Schwellwerte werden
in der zweiten Speichereinrichtung 35 gespeichert, wobei
grundsätzlich
ebenso viele lokale Schwellwert bestimmt werden, wie Volumeneinheiten
(Voxel) in der ersten Speichereinrichtung vorliegen. Es können jedoch auch
weniger Schwellwerte berechnet werden, wenn diese schematisch für größere Bereiche
des Messobjektes verwendet werden.
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In
der Subtraktionseinrichtung 36 werden nun die jeweils geltenden
lokalen Schwellwerte aus der zweiten Speichereinrichtung 35 von
den in der Speichereinrichtung 30 gespeicherten Intensitätswerten
voxelweise subtrahiert und das Ergebnis wird in der dritten Speichereinrichtung 37 gespeichert.
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Auf
die in dieser dritten Speichereinrichtung 37 gespeicherten,
gewissermaßen
korrigierten Intensitätswerte
kann nun ein globaler Schwellwert angewendet werden, um die Konturen
bzw. Konsistenzgrenzen des Messobjektes/zu vermessenden Festkörpers zu
berechnen. Die entsprechenden Messergebnisse können dann in einem Anzeigesystem,
beispielsweise mit einem Monitor 21, dargestellt werden.
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Grundsätzlich ist
zu festzustellen, dass die verschiedenen Speichereinrichtungen 30, 35, 37 physikalisch
in einem einzigen Speicher zusammengefasst sein können, beispielsweise
durch eine mehrdimensionale Organisation des Speichers.
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In
der 5 ist schematisch das Streifenprojektionssystem
dargestellt, mit einem Projektor 38, der ein Streifenmuster 39 auf
das Messobjekt 11 projiziert. Das Streifenmuster wird durch
eine Kamera 40 aus einem von der Projektionsrichtung abweichenden
Winkel aufgenommen. Über
ein Triangulationsverfahren kann, wenn der Abstand 41 zwischen
dem Projektor und der Kamera sowie die Winkel und die übrigen Abstände bekannt
sind, die Oberflächenkontur
des Festkörpers
bestimmt werden. Dieses Streifenprojektionssystem ist, obwohl es
komplexer als hier dargestellt aufgebaut ist, in der 2 lediglich sehr
schematisch in Form einer einzigen Box dargestellt, um die Übersichtlichkeit
der Darstellung zu erhalten.