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Die
Erfindung betrifft ein 3D-Geometrie-Erfassungsverfahren und eine
3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung.
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Verfahren,
mit denen die dreidimensionale Geometrie eines zu vermessenden Objektes
erfasst werden können,
sind in Form von triangulationsbasierten Laserscan- und Lichtschnitttechniken
seit über
20 Jahren bekannt. Bei den meisten bekannten Ansätzen werden zwei Kameras und/oder
ein relativ teurer Lichtprojektor benötigt. Andere Systeme arbeiten
mit nur einer Kamera und einer Licht- bzw. Laserebene. Dazu kann
beispielsweise ein Laserstrahl per Linse zu einer Ebene aufgefächert werden.
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Mit
einer derartigen Laserebene wird die Oberfläche des zu vermessenden Objektes
beleuchtet, und die an der Oberfläche des zu scannenden Objektes
reflektierten Lichtstrahlen mit der Kamera aufgefangen. Ist die
räumliche
Lage der Laserebene bezüglich
der Kamera bekannt, kann per Triangulation, also durch Bestimmen
des Schnittpunktes des Sehstrahls der Kamera mit der Laserebene
der Punkt auf der Oberfläche
des Objektes exakt bestimmt werden.
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Die
Lichtquelle zum Erzeugen der Licht- oder Laserebene wird meist per
Schrittmotor über
das zu vermessende Objekt geschwenkt, um über die Oberfläche des
Objektes zu rastern und so ein dreidimensionales Abbild des zu vermessenden
Objektes zu erhalten. Alternativ kann die Laserebene auch mit einem
externen Messsystem bestimmt werden. Dabei wird die Winkelposition
der Lichtquelle durch einen Winkelsensor gemessen und die Kamera
so mit dem Schrittmotor synchronisiert, dass jedem Bild genau eine
Winkelposition zugeordnet werden kann.
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Neuere
Arbeiten auf diesem Gebiet schlagen vor, die räumliche Lage der Licht- oder
Laserebene über
eine automatische Analyse des Kamerabildes zu vermessen. Dazu muss
stets eine bekannte Kalibriergeometrie im Kamerabild sichtbar sein.
Beispielsweise kann aus der Lage der projizierten Lichtlinien auf
der Kalibriergeometrie die Lage der zugehörigen Lichtebene errechnet
werden.
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Nachteilig
bei den bekannten Lösungen
ist, dass entweder die Laser- oder Lichtebene über zusätzliche Aktorik rotiert und
verschoben oder die Lage der Ebene über eine externe Sensorik vermessen
werden muss. Aufgrund der hohen Genauigkeit, die bei der 3D-Geometrie-Erfassung
benötigt
wird, sind beide Lösungen
teuer. Zudem ist eine beispielsweise per Schrittmotor schwenkbare
Laserebene unflexibel, da insbesondere bei komplizierten zu vermessenden
Objekten manche Bereiche der Oberfläche nicht erfasst werden können, da
sie im Schatten anderer Bereiche liegen.
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Wird
die Lage der Licht- oder Laserebene über eine Analyse des Kamerabildes
bestimmt, muss immer eine bekannte Geometrie in die zu vermessende
Szene gestellt werden. Dies macht das Verfahren unflexibel, da insbesondere
große
Objekte und Ausschnitte großer
Objekte nicht vermessen werden können,
da in diesen Fällen
keine Kalibriergeometrie im Kamerabild sichtbar ist. Zudem ist es nicht
immer möglich,
eine Kalibriergeometrie in das Kamerabild zu stellen, beispielsweise
wenn archäologische
Funde vermessen werden sollen, die sich noch im Erdboden befinden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die 3D-Geometrie-Erfassung
zu verbessern.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe durch ein 3D-Geometrie-Erfassungsverfahren mit den Schritten
- a) Bereitstellen eines Objektes mit einer Oberfläche, deren
Geometrie zu vermessen ist,
- b) Bestimmung von Stützkoordinaten
von Stützpunkten
auf der Oberfläche
des Objektes in einem Koordinatensystem,
- c) Aussenden von Licht in einer dynamischen Lichtebene, so dass
die Oberfläche
des Objektes beleuchtet wird und genügend Stützpunkte in der dynamischen
Lichtebene liegen, um eine Lage der dynamischen Lichtebene in dem
Koordinatensystem zu berechnen,
- d) Aufnehmen von Kamerabildern des beleuchteten Objektes mit
einer außerhalb
der dynamischen Lichtebene angeordneten Kamera, deren Position in
dem Koordinatensystem bekannt ist,
- e) Errechnen der Lage der dynamischen Lichtebene zumindest auch
aus den Stützkoordinaten von
Stützpunkten,
die in der dynamischen Ebene liegen,
- f) Errechnen von Oberflächenkoordinaten
des Objektes in der dynamischen Lichtebene aus der Lage der dynamischen
Lichtebene und Daten der Kamerabilder.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
sollen die Koordinaten der Punkte auf der Oberfläche des Objektes bestimmt werden,
die in der dynamischen Lichtebene liegen. Dazu wird im Verfahrensschritt
c) Licht in der dynamischen Lichtebene ausgesandt, so dass auf der
Oberfläche
des Objektes ein beleuchteter Streifen erscheint.
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Im
Verfahrensschritt d) werden Kamerabilder des so beleuchteten Objektes
mit einer Kamera aufgenommen, die außerhalb der dynamischen Lichtebene
angeordnet ist.
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Einige
der Punkte auf der Oberfläche,
die auf dem beleuchteten Streifen liegen, sind Stützpunkte, deren
Stützkoordinaten
im Verfahrensschritt b) bestimmt wurden. Durch Auswerten der in
Verfahrensschritt d) aufgenommenen Kamerabilder werden die Stützpunkte
identifiziert, die in der dynamischen Lichtebene liegen, die also
auf dem beleuchteten Streifen liegen. Aus den Stützkoordinaten dieser Stützpunkte
wird die Lage der dynamischen Lichtebene errechnet. Ist die Lage
der dynamischen Lichtebene bekannt, können dann die Oberflächenkoordinaten
der Oberflächenpunkte
des Objektes bestimmt werden, die auf dem beleuchteten Streifen
liegen, indem der Sehstrahl der Kamera mit der Lichtebene geschnitten
wird. Zum Errechnen der Lage der dynamischen Lichtebene im Verfahrensschritt
e) ist es beispielsweise ausreichend, wenn die Stützkoordinaten dreier
Stützpunkte
in der dynamischen Lichtebene bekannt sind, sofern diese nicht auf
einer Geraden liegen.
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Zum
Bestimmen von Koordinaten weiterer Punkte auf der Oberfläche des
Objektes wird anschließend
das Verfahren ab Verfahrensschritt c) mit dem Aussenden von Licht
in einer neuen dynamischen Lichtebene wiederholt. Die im Verfahrensschritt
f) errechneten Oberflächenkoordinaten
werden dabei vorteilhafterweise als weitere Stützkoordinaten für das Errechnen
der Lage der neuen dynamischen Lichtebene mit verwendet.
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Vorteilhafterweise
umfasst der Verfahrensschritt b) die folgenden Schritte:
- b1) Aussenden von Licht in zumindest einer
statischen Lichtebene, deren Lage im Koordinatensystem bekannt ist,
so dass die Oberfläche
des Objektes bestrahlt wird,
- b2) Aufnehmen von Stützpunktkamerabildern
des beleuchteten Objektes mit der Kamera, die außerhalb der mindestens einen
statischen Lichtebene angeordnet ist,
- b3) Errechnen von Stützkoordinaten
auf der Oberfläche
des Objektes in der mindestens einen statischen Lichtebene aus Daten
der Stützpunktkamerabilder
und der Lage der mindestens einen statischen Lichtebene.
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Im
Verfahrensschritt b3) werden wieder über die Triangulation die Schnittpunkte
der Sehstrahlen der Kamera mit der mindestens einen statischen Lichtebene
berechnet. Da die Lage der mindestens einen statischen Lichtebene
im Koordinatensystem bekannt ist, ist dies ohne Probleme möglich. Die
so gewonnenen Stützkoordinaten
von Stützpunkten
auf der Oberfläche
des Objektes werden im Verfahrensschritt e) zum Errechnen der Lage
der dynamischen Lichtebene verwendet.
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Vorteilhafterweise
wird im Verfahrensschritt b1) Licht in zumindest drei statischen
Lichtebenen ausgesandt, die parallel zueinander verlaufen, beispielsweise
vertikal. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass jede dynamische
Lichtebene, in der im Verfahrensschritt c) Licht ausgesandt wird
und die nicht parallel zu den statischen Lichtebenen ist, zumindest
drei statische Lichtebenen schneidet und somit wenigstens drei Stützpunkte
enthält,
deren Stützkoordinaten
bekannt sind. Sofern diese mindestens drei Stützpunkte nicht auf einer Geraden
liegen, kann die Lage der dynamischen Lichtebene ermittelt werden.
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Vorzugsweise
werden beim Errechnen der Lage der dynamischen Lichtebene im Verfahrensschritt
e) Stützkoordinaten
von wenigstens zwei Punkten auf der Oberfläche des zu vermessenden Objektes
in der dynamischen Lichtebene verwendet. Sind die Stützkoordinaten
von mehr als zwei Stützpunkten
in der dynamischen Lichtebene bekannt, wird die Lage der dynamischen
Lichtebene aus diesen Stützkoordinaten
errechnet.
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Enthält die dynamische
Lichtebene jedoch nur zwei Stützpunkte,
deren Stützkoordinaten
bekannt sind, wird zum Errechnen der Lage der dynamischen Lichtebene
ein weiterer Punkt benötigt.
Dies ist beispielsweise die Position der Lichtquelle, die das Licht
in der dynamischen Lichtebene aussendet.
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Vorzugsweise
werden beim Errechnen der Lage der dynamischen Lichtebene im Verfahrensschritt
e) die Stützkoordinaten
wenigstens eines Punktes auf der Oberfläche des zu vermessenden Objektes
in der dynamischen Lichtebene und ein Winkel der dynamischen Lichtebene
zur Horizontalen verwendet.
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Vorzugsweise
wird im Verfahrensschritt c) die Oberfläche des Objektes sowohl direkt,
indirekt über
einen ersten Spiegel, als auch indirekt über einen zweiten Spiegel bestrahlt,
so dass das Objekt über
seinen Umfang in der dynamischen Lichtebene beleuchtet wird und
die Kamera im Verfahrensschritt d) Bilder des vollständigen beleuchteten
Umfangs des Objektes in der dynamischen Lichtebene aufnimmt. Auf
diese Weise ist sichergestellt, dass auch der von der Kamera abgewandte
Teil der Oberfläche des
zu vermessenden Objektes mit erfasst wird.
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Eine
erfindungsgemäße 3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung
umfasst mindestens eine statische Lichtquelle, die eingerichtet
ist zum Abgeben von Licht in einer statischen Lichtebene und eine
außerhalb
der statischen Lichtquelle relativ zu der mindestens einen statischen
Lichtquelle unbeweglich angeordnete Kamera.
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Ein
zu vermessendes 3D-Objekt wird dann so angeordnet, dass es sowohl
vom Licht der statischen Lichtquelle bestrahlt wird, als sich auch
in dem Kamerabild der Kamera befindet. Da die statische Lichtquelle
relativ zur Kamera unbeweglich ist, ist ihre Position im Koordinatensystem
der Kamera bekannt. Somit ist auch die Lage der mindestens einen statischen
Lichtebene bekannt. Die Vermessung der Oberflächenkoordinaten einer von einem
statischen Laser beleuchteten Oberfläche ist mathematisch einfach
und schnell durchführbar.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist es folglich möglich,
die für
die Durchführung
eines erfindungsgemäßen 3D-Geometrie-Erfassungsverfahrens
notwendigen Stützkoordinaten
von Stützpunkten
auf der Oberfläche
zu bestimmen. Dazu werden einfach die im Kamerabild sichtbaren Laser-
bzw. Lichtlinien analysiert, die beim Auftreffen des von der mindestens
einen statischen Lichtquelle ausgesandten Lichtes auf der Oberfläche des
zu erfassenden Objektes entstehen.
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Vorzugsweise
umfasst die 3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung eine dynamische Lichtquelle, die
eingerichtet ist zum Abgeben von Licht in einer dynamischen Lichtebene.
Bevorzugt ist diese dynamische Lichtquelle ein separates Bauteil
ohne Verbindung zur Kamera. Dabei handelt es sich beispielsweise
um eine frei bewegliche, handgeführte
Lichtquelle, die Licht in einer Lichtebene abgeben kann, nämlich der
oben beschriebenen dynamischen Lichtebene. Sobald die dynamische
Lichtebene der frei beweglichen Lichtquelle auf bereits vermessene Punkte
der Oberfläche
trifft, kann die räumliche
Lage der dynamischen Lichtebene einfach automatisch berechnet werden,
wodurch im Folgenden die restlichen Oberflächenpunkte entlang der Lichtlinie
vermessen werden können.
Dadurch, dass die dynamische Lichtquelle frei beweglich und ohne
Verbindung zur Kamera ist, können
insbesondere alle Punkt der Oberfläche des Objektes vermessen
werden. Beispielsweise ist die dynamische Lichtquelle ein Hand-Fächerlaser.
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Alternativ
ist die dynamische Lichtquelle schwenkbar mit der Kamera verbunden.
Auf diese Weise ist die Lage der dynamischen Lichtebene bis auf
einen Freiheitsgrad/Parameter bekannt, so dass zum Errechnen der
Lage der dynamischen Lichtebene die Koordinaten der dynamischen
Lichtquelle mit verwendet werden und somit weniger Stützpunkte auf
der Oberfläche
des Objektes benötigt
werden.
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Vorzugsweise
umfasst eine erfindungsgemäße 3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung
eine elektrische Steuerung, die eingerichtet ist zum Durchführen eines
oben beschriebenen Verfahrens.
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Vorteilhaft
an der Erfindung ist, dass ein externes Sensorsystem zur Vermessung
der räumlichen
Lage der dynamischen Lichtebene entbehrlich ist. Dadurch werden
die Herstellungskosten für
die 3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung deutlich reduziert. Zudem
wird keine Aktorik benötigt,
um die dynamische Lichtebene über
das zu erfassende Objekt wandern zu lassen. Da die Kamera unsynchronisiert arbeiten
kann, ist zum Beispiel eine einfache Webcam verwendbar. Zudem sind
das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung äußerst flexibel,
da auch große
Objekte oder Objekte, die durch ihre Lage die Verwendung einer separaten
Kalibriergeometrie unmöglich
machen, vermessen werden können.
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Die
Anwendungsgebiete eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
finden sich im Rapid Prototyping, der Qualitätskontrolle, der Orthopädie, Dentaltechnik oder
Archäologie
ebenso wie in der Computergrafik oder Modellierung, dem Design,
der Architektur oder der Kriminologie.
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Vorteilhafterweise
umfasst die 3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung einen ersten Spiegel
und einen zweiten Spiegel zum Reflektieren eines Teils des von der
dynamischen Lichtquelle ausgesandten Lichtes, wobei die beiden Spiegel
einen Winkel von weniger als 180° bilden
und so angeordnet sind, dass das zu vermessende Objekt über seinen
Umfang in der dynamischen Lichtebene beleuchtbar ist und mit der
Ka mera ein Bild des vollständigen
Umfangs des Objektes in der dynamischen Lichtebene aufnehmbar ist.
Auf diese Weise kann auch die der Kamera abgewandte Seite der Oberfläche des
zu vermessenden Objektes vermessen werden, ohne dass das Objekt
bewegt oder die Vorrichtung umgebaut werden müsste. Dadurch wird die Dauer
der Vermessung eines Objektes deutlich reduziert, was insbesondere dann
von Vorteil ist, wenn das Objekt sich bewegt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 den
schematischen Aufbau einer 3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung nach
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung und
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2 den
schematischen Aufbau einer 3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung nach
einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist
der schematische Aufbau einer 3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung
nach einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die dort gezeigte 3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung
umfasst eine Kamera 2, die unbeweglich mit drei statischen
Lichtquellen 4.1, 4.2, 4.3 verbunden
ist. Die statischen Lichtquellen 4.1, 4.2, 4.3 sind eingerichtet
zum Aussenden von Licht einer ersten Farbe, beispielsweise rot,
in jeweils einer statischen Lichtebene 6.1, 6.2, 6.3.
Das von den statischen Lichtquellen 4.1, 4.2, 4.3 ausgesandte
Licht trifft auf ein zu vermessendes Objekt 8. Auf diesem
Objekt 8 entstehen durch das von den statischen Lichtquellen 4.1, 4.2, 4.3 ausgesandte
Licht statische Lichtlinien 10.1, 10.2, 10.3.
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Die
Position der statischen Lichtquellen 4.1, 4.2, 4.3 relativ
zur Kamera 2 ist bekannt. Somit ist auch die Lage der statischen
Lichtebenen 6.1, 6.2, 6.3 im Koordinatensystem
der Kamera 2 bekannt. Über
Triangulation können
somit die Stützkoordinaten
der Stützpunkte
auf den statischen Lichtlinien 10.1, 10.2, 10.3 einfach
errechnet werden.
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Die
in 1 gezeigte 3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung
umfasst weiter eine dynamische Lichtquelle 12, im vorliegenden
Fall in Form eines Hand-Fächerlasers,
der grünes
Licht abgibt. Die dynamischen Lichtquelle 12 sendet Licht
in einer dynamischen Lichtebene 14 aus. Auch das von der
dynamischen Lichtquelle 12 ausgesandte Licht trifft auf das
zu vermessende Objekt und bildet dort eine dynamische Lichtlinie 16.
Die dynamischen Lichtquelle 12 ist im in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
frei beweg- und schwenkbar, so dass in der Regel weder ihre Position
im Koor dinatensystem der Kamera 2 noch die Lage der dynamischen
Lichtebene 14 in diesem Koordinatensystem bekannt sind.
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Die
dynamischen Lichtlinie 16 schneidet im in 1 gezeigten
Beispiel die drei statischen Lichtlinien 10.1, 10.2, 10.3,
deren Stützkoordinaten
bekannt sind. Die dynamischen Lichtlinie 16 umfasst folglich
drei Stützpunkte 18.1, 18.2, 18.3,
die im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
nicht auf einer Geraden liegen. Aus den Stützkoordinaten dieser drei Stützpunkte 18.1, 18.2, 18.3 wird
die Lage der dynamischen Lichtebene 14 im Koordinatensystem der
Kamera 2 bestimmt. Sobald die Lage der dynamischen Lichtebene 14 bestimmt
ist, wird über
Triangulation die gesamte dynamische Lichtlinie 16 vermessen.
Beispielsweise werden die Koordinaten eines Punkts 20 dadurch
bestimmt, dass der Schnittpunkt zwischen der nun bekannten dynamischen
Lichtebene 14 mit einem Sehstrahl 22 berechnet
wird. Der Sehstrahl 22 wird errechnet aus dem von de Kamera 2 aufgenommenen
Bild des Punkts 20.
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Anschließend wird
die dynamische Lichtquelle 12 weiterbewegt, so dass eine
neue dynamische Lichtebene 14 entsteht. Auch diese lässt, solange
sie nicht parallel zu den statischen Lichtebenen 6.1, 6.2, 6.3 ist,
eine dynamische Lichtlinie 16 auf der Oberfläche des
Objektes 8 entstehen lassen, die die drei statischen Lichtlinien 10.1, 10.2, 10.3 schneidet, so
dass auch auf der neuen dynamischen Lichtlinie 16 die Stützkoordinaten
von wenigstens drei Stützpunkten
bekannt sind.
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Die
dynamische Lichtquelle wird nun so lange in unterschiedlichen Richtungen
auf dem Objekt gerichtet, bis für
hinreichend viele Punkte auf der Oberfläche die Koordinaten bestimmt
sind. Es ist möglich,
mehr als eine dynamische Lichtquelle zu verwenden, die vorzugsweise
Licht verschiedener Farben aussenden.
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In 2 ist
eine 3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Sie umfasst ebenfalls eine Kamera 2,
die mit einer statischen Lichtquelle 4.1 unbeweglich verbunden
ist.
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Die
statische Lichtquelle 4.1 sendet Licht in der statischen
Lichtebene 6.1 auf das zu vermessende Objekt 8,
so dass auf diesem die statische Lichtlinie 10.1 entsteht.
Die Stützkoordinaten
der Punkte auf der statischen Lichtlinie 10.1 werden über von
der Kamera 2 aufgenommene Bilder einfach errechnet, da
sowohl die Position der statischen Lichtquelle 4.1 als
auch die Lage der statischen Ebene 6.1 im Koordinatensystem
der Kamera 2 bekannt ist.
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Die
in 2 gezeigte 3D-Geometrie-Erfassungsvorrichtung
umfasst die dynamische Lichtquelle 12, deren Position relativ
zur Kamera 2 unveränderlich
ist. Die dynamische Lichtquelle 12 sendet Licht in der
dynamischen Lichtebene 14 aus, das auf das zu vermessende
Objekt 8 trifft und dort die dynamische Lichtlinie 16 entstehen
lässt.
Die dynamische Lichtquelle 12 ist in dem in 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
um eine Schwenkachse A um einen Winkel φ schwenkbar gelagert. Dabei
ist die Lage der Schwenkachse A bekannt.
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Die
dynamische Lichtlinie 16 schneidet im in 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
lediglich eine statische Lichtlinie 10.1. Sie umfasst folglich
auch nur einen Stützpunkt 18,
dessen Koordinaten aus denen der Lage der dynamischen Lichtebene 14 berechnet wird.
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Ist
die Lage der dynamischen Lichtebene 14 im Raum bekannt,
werden die Koordinaten der anderen Punkte auf der dynamischen Lichtlinie 16,
beispielsweise Punkt 20, mittels Triangulation ermittelt. Anschließend wird
der Winkel φ der
dynamischen Lichtebene 14 verändert, so dass eine neue dynamische
Lichtlinie 16 auf dem zu vermessenden Objekt 8 entsteht.
Solange die dynamische Lichtebene 14 nicht parallel zur
statischen Lichtebene 6.1 ist, werden die beiden Lichtebenen 6.1, 14 sich
schneiden, so dass auch hier wieder die Stützkoordinaten eines Stützpunktes
bekannt sind.
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Für die Berechnung
der Punkte auf der Oberfläche
des Objekts 8 muss der Winkel φ – anders als bei bekannten
Verfahren – nicht
gemessen werden, weil er viel genauer anhand des Stützpunkts 18 berechnet
werden kann. Dadurch kann ein etwaig vorhandener Schwenkantrieb
für die
dynamische Lichtquelle 14 unsynchronisiert zur Kamera 2 sein.
Auch ist ein Winkelmesser entbehrlich.
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- 2
- Kamera
- 4.1,
4.2, 4.3
- statische
Lichtquelle
- 6.1,
6.2, 6.3
- statische
Lichtebene
- 8
- Objekt
- 10.1,
10.2, 10.3
- statische
Lichtlinie
- 12
- dynamische
Lichtquelle
- 14
- dynamische
Lichtebene
- 16
- dynamischen
Lichtlinie
- 18
- Stützpunkt
- 20
- Punkt
- 22
- Sehstrahl
- A
- Schwenkachse
- Φ
- Winkel