DE102012014330A1

DE102012014330A1 - Verfahren und Vorrichtung zur 3D-Vermessung

Info

Publication number: DE102012014330A1
Application number: DE201210014330
Authority: DE
Inventors: Jozsef Bugovics
Original assignee: API - Automotive Process Institute GmbH; API AUTOMOTIVE PROCESS INST GmbH
Current assignee: Twinner GmbH
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-01-23

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche (3) von Objekten (4) beschrieben, wobei mittels Projektion eines variablen Punktmusters auf die Oberfläche, abhängig von der gewünschten Auflösung mit entsprechender Datendichte, diese optisch unter Nutzung eines üblichen Stereokamerasystems (2.1; 2.2) erfasst und computergestützt dreidimensionale Messergebnisse der Topologie der Oberfläche (3) des Objekts (4) bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß erfolgt eine erste Projektion des Punktmusters (11) auf die Oberfläche (3) des Objekts (4) und eine erste optische Erfassung des Punktmusters (11), ein daraus resultierendes erstes Datenvolumen wird an das Computersystem (5) übertragen, es erfolgt eine zweite Projektion des Punktmusters (11), wobei die Position der Punkte des Punktmusters (11) der zweiten Projektion gegenüber der Position der Punkte im Punktmuster (11) der ersten Projektion abweichend ist, und eine zweite optische Erfassung des Punktmusters (11) der zweiten Projektion, ein daraus resultierendes zweites Datenvolumen wird an das Computersystem (5) übertragen, die Raumkoordinaten der Punkte aus dem ersten und zweiten Datenvolumen mittels des Computersystems (5) berechnet und eine Topologie der Oberfläche (3) des Objekts (4) mittels des Computersystems (5) erstellt. Des Weiteren wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen 3D-Vermessung einer Oberfläche eines Objekts.
Aus dem Stand der Technik sind optische 3D-Vermessungssysteme bekannt, bei denen mit hohem technischen Aufwand Farb- oder Linienmuster auf die Oberfläche des zu vermessenden Objekts projiziert, mit Hilfe von Stereokameras erfasst und computergestützt die Oberflächentopologie berechnet werden.
Es ist auch bekannt, ein Punktraster statisch auf das Objekt zu projizieren und mittels Stereokamera die Raumkoordinaten der Anzahl der Punkte für die 3D-Vermessung zu gewinnen. Die 3D-Auflösung letzterer Systeme entspricht zwangsläufig der optisch erfassten Menge der Punkte des Punktrasters in einem Oberflächenbereich des Objekts. Das Raster kann nicht beliebig eng ausgebildet werden, da beim Erfassen der Oberfläche mittels des optischen Systems der Stereokamera eine eindeutige Trennung der Punkte untereinander erfolgen muss. Eine variable Erzeugung von Punktrastern lediglich mit Videoprojektoren oder ähnlich komplexen Systemen ist ebenfalls möglich. Solche Verfahren bedingen jedoch eine sehr hohe Lichtleistung des Projektors und sind damit unter Umgebungslicht sehr schwer zu realisieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts zu entwickeln, das mittels Projektion eines Punktmusters auf die Oberfläche diese optisch unter Nutzung eines üblichen Stereokamerasystems erfasst und computergestützt dreidimensionale Messergebnisse der Topologie der Oberfläche des Objekts bereitstellt und dabei eine besonders hohe Auflösung ermöglicht.
Die Aufgabe wird in Bezug auf das Verfahren durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 aufgeführten Merkmale, sowie in Bezug auf die Vorrichtung durch die in den Patentansprüchen 11 und 12 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur 3D-Vermessung einer Oberfläche eines Objekts umfasst erfindungsgemäß mindestens eine Projektionseinheit zur Projektion von Mustern auf die Oberfläche des Objekts, ein Stereokamerasystem zur optischen Bilderfassung, sowie ein mit diesen Baugruppen gekoppeltes Computersystem mit geeigneter Software zur Bildauswertung. Günstigerweise erfolgt die Projektion eines regelmäßigen Punktmusters auf die Oberfläche des Objekts, da hierbei der Kontrast zwischen der Farbe und/oder Textur der Oberfläche groß eingestellt werden kann und die optische Bilderfassung eindeutige Werte liefert.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur 3D-Vermessung der Oberfläche des Objekts beruht auf einer optischen Erfassung der Oberfläche des zu vermessenden Objekts mit einem Stereokamerasystem und weist folgende Schritte auf, wobei vorausgesetzt wird, dass das Stereokamerasystem zuvor in bekannter Weise geeicht wurde:

– erste Projektion des Punktmusters, vorzugsweise eines regelmäßigen Punktmusters auf die Oberfläche des dreidimensional zu vermessenden Objekts;
– erste optische Erfassung der Punkte des projizierten Punktmuster und damit der Oberfläche des Objekts mittels des Stereokamerasystems sowie Übernahme eines erfassten ersten Datenvolumens in das Computersystem, wo es vorzugsweise zunächst gespeichert wird;
– zweite Projektion des Punktmusters, wobei die Position des Punktmusters gegernüber der Position des Punktmusters der ersten Projektion auf der Oberfläche des Objekts verschoben ist;
– zweite optische Erfassung des gleichen Bereichs der Oberfläche des Objekts mit dem auf diese projizierten geänderten Punktmuster mittels des Stereokamerasystems sowie Übernahme eines erfassten zweiten Datenvolumens in das Computersystem;
– mittels Computersystem werden aus dem ersten und zweiten Datenvolumen die Raumkoordinaten der Punkte der Punktmuster aus der ersten und zweiten Projektion berechnet und eine Topologie der Oberfläche des Objekts erstellt, die im Computersystem abrufbar zur Verfügung steht.

Mit der zweiten optischen Erfassung der Oberfläche mit dem verschoben projizierten Punktmuster, dem daraus resultierenden zweiten Datenvolumen, der Berechnung der Raumkoordinaten der Punkte des projizierten Punktmusters aus der zweiten optischen Erfassung und der Überlagerung mit den 3D-Daten aus der ersten optischen Erfassung der ersten Projektion ergibt sich bei gleicher Anzahl projizierter Punkte des Punktmusters die doppelte Datendichte und somit die doppelte Auflösung.
Vorzugsweise können der zweiten Projektion und zweiten optische Erfassung usw. eine dritte und weitere Projektion und dritte und weitere optische Erfassung usw. nachfolgen, wobei die erhöhten Datenvolumina aus allen Projektionen die erzielbare Auflösung noch weiter verbessern.
Also besonderer Vorteil können durch den zeitlichen Versatz der durchgeführten Projektionen die Abstände zwischen den Punkten aus zwei oder mehreren Projektionen dichter liegen, als dies aus den Gründen des erforderlichen Kontrasts bei nur einer Projektion möglich wäre. Mindestabstände zwischen den Punkten begrenzen nicht mehr die mögliche Auflösung.
Es ist ebenso möglich das jeweilige Datenvolumen der optischen Erfassungen an das Computersystem zu übertragen, diese zunächst zu überlagern und dann daraus die Raumkoordinaten der Punkte zu berechnen sowie auf deren Basis die Topologie der Oberfläche des Objekts zu erstellen.
Nach dem Anspruch 2 erfolgen als in eine alternative Variante des Verfahrens ebenfalls die Verfahrensschritte wie im Anspruch 1, jedoch mit dem Unterschied, dass in der zweiten Projektion nicht das gleiche Punktmuster lediglich verschoben projiziert wird, sondern dass ein anderes Punktmuster als in der ersten Projektion verwendet wird.
Das beschriebene Verfahren zur 3D-Vermessung der Oberfläche des Objekts erfolgt vorzugsweise mit einer Projektionseinheit zur Projektion eines Punktmusters, die mindestens einen Laser als Lichtquelle mit einer Optik zum Bereitstellen eines kollimierten Lichtstrahls und zwei in dessen Strahlengang als optischer Achse angeordnete bekannte diffraktive optische Elemente (DOE) zur Erzeugung und Projektion eines definierten Punktmusters auf die Oberfläche des dreidimensional zu vermessenden Objekts umfasst.
Nach Anspruch 3 wird in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der die zweite optische Erfassung der Oberfläche des dreidimensional zu vermessenden Objekts mit dem gleichen Punktmuster wie bei der ersten Erfassung erfolgt, das Punktmuster mittels radialem Drehen der Projektionseinheit radial verschoben auf die Oberfläche des Objekts projiziert. Radiales Drehen bezeichnet ein Drehen um die optische Achse.
Zur radialen Verschiebung des Punktmusters wird die Vorrichtung zur Projektion des Punktmusters nach der ersten Erfassung der Oberfläche des Objekts mit dem auf diese projizierten Punktmuster beispielsweise um einen solchen Winkel radial gedreht, dass die Punkte des Punktmusters nach der Drehung zwischen die Positionen der ursprünglichen Projektion des Punktmusters projiziert werden, um zu vermeiden, dass in der ersten und in der zweiten Projektion die gleichen Punkte der Oberfläche des Objekts von dem Punktmuster erfasst werden, da dies nicht zur Erhöhung der Auflösung führen würde.
Bei inkrementaler Winkeldrehung der Projektionseinheit ergibt sich bei gleicher Anzahl der Punkte des Punktmusters eine um die Anzahl der Winkelschritte erhöhte Datendichte und somit der Auflösung. Die Punkte des auf das Objekt projizierten Punktmusters verschieben sich radial um den Wert des jeweils gewählten Winkelschritts. Die Auflösung erhöht sich, ausgehend von der Anzahl der projizierten Punkte (pP) als originäre Auflösung, um die Anzahl der Winkelschritte (n). Mit dem ersten ausgeführten Winkelschritt verdoppelt sich die Datendichte und damit die Auflösung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung gemäß Anspruch 4 sind mindestens zwei DOE's vorhanden, wobei eines der DOE's radial drehbar im Strahlengang des Lasers angeordnet ist, wodurch mittels Verdrehen die Menge der projizierten Punkte je Flächeneinheit im Muster sowie deren Position verändert werden. Als besonderer Vorteil kann damit mit einem sehr einfachen Mittel eine Anpassung an die vorliegenden Messbedingungen, wie Oberflächenbeschaffenheit, gewünschte Auflösung usw., erfolgen.
In einer weiteren Variante der Durchführung des Verfahrens wird das ursprünglich auf die Oberfläche des Objekts projizierte Punktmuster vertikal verschoben, so dass die Projektion der Punkte des in der Y-Achse verschobenen Punktmusters auf der Oberfläche des Objekts zwischen den Positionen der Punkte der ursprünglichen Projektion liegt.
Nach der vertikalen Verschiebung des Punktmusters wird die Oberfläche mit dem projizierten Punktmuster erneut mittels des Stereokamerasystems optisch erfasst, das Datenvolumen der zweiten optischen Erfassung wird in den Speicher des Rechensystems übernommen, die Raumkoordinaten der Punkte des projizierten Punktmusters aus der zweiten optischen Erfassung berechnet und mit den 3D-Daten der ersten optischen Erfassung überlagert. Bei gleicher Anzahl projizierter Punkte bei der zweiten Projektion und der zweiten optischen Erfassung mit dem zweiten Datenvolumen resultiert die doppelte Datendichte und somit die doppelte Auflösung in Richtung der Y-Achse.
In Analogie hierzu ergibt sich in der Weiterbildung bei horizontal verschobener Projektion des Punktmusters als zweite Projektion und dessen zweiter optischer Erfassung mit einem zweiten Datenvolumen die doppelte Datendichte in Richtung der X-Achse.
Die Varianten des Verfahrens zur radialen und vertikalen Verschiebung sowie der Erhöhung der Anzahl der je Flächeneinheit des auf die Oberfläche des Objekts projizierten Punkte eines Punktmusters sind miteinander kombinierbar.
Auf diese Weise ist jeder Punkt der Oberfläche des dreidimensional zu vermessenden Objekts erfassbar und eine äußerst genaue Topologie der Oberfläche berechenbar.
In einer weiteren Variante des Verfahrens kann optional das Bestimmen eines interessierenden Bereichs der Oberfläche des Objekts erfolgen und der Bildbereich mittels der Bildverarbeitungssoftware auf einen interessierenden Bereich des Objekts zur Bestimmung der genauen Topologie der Oberfläche eingegrenzt werden. Nach der Übertragung eines ersten Datenvolumens aus der ersten optischen Erfassung des ersten Punktmusters an das Computersystem mittels der Bildverarbeitungssoftware erfolgt eine erste Auswertung des ersten Datenvolumens zur Bewertung der Qualität der 3D-Vermessung der Oberfläche, auf deren Basis eine Festlegung des Punktmusters oder einer Anzahl weiterer Projektionen erfolgt.
Nach der zweiten Projektion des festgelegten Punktmusters und der zweiten optischen Erfassung, der Berechnung der Raumkoordinaten der Punkte aus der ersten und zweiten Projektion steht die Topologie der Oberfläche des Objekts mit einer auf für den interessierenden Bereich ausreichenden hohen Auflösung zur Verfügung.
Das Festlegen der erforderlichen Auflösung für eine ausreichend genaue 3D-Vermessung, also der Anzahl der auf das Objekt zu projizierenden Punkte je Flächeneinheit für die zweite Projektion oder eine Festlegung der Anzahl weiterer Projektionen erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von der flächenhaften Ausdehnung des interessierenden Bereichs, um die Relation von erforderlicher Datenmengen und Auslösung zu optimieren.
Nach einer weitere bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird in einem Zwischenschritt die Farbe oder Textur der Oberfläche im Bildbereich bestimmt und die Wellenlänge des Lasers im Kontrast zur Oberflächenfarbe des Objekts (z. B. bei roter Oberflächenfarbe – grünes Licht) ausgewählt.
Gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 9 können können eine oder mehrere Projektionseinheiten je nach Farbe oder Textur der Oberfläche gleichzeitig oder nacheinander mehrere Laser zur Projektion des Punktmusters auf die Oberfläche des Objekts gesteuert werden, wodurch Projektionen von Punkten unterschiedlicher Farbe auf der Oberfläche des Objekts ermöglicht werden. Die Punkte liefern in Abhängigkeit von ihrer Farbe und zugleich von der Farbe bzw. Textur der Oberfläche qualitativ unterschiedliche Daten.
In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird in einem zusätzlichen Zwischenschritt mittels der Bildverarbeitungssoftware des Computersystems eine Kontrastpürung der optischen Erfassung der Oberfläche des Objekts mit der ersten Projektion des Punktmusters ausgeführt, wobei bei nicht ausreichendem Kontrast auf mindesten eine weitere vorhandene Projektionseinheit mit einem Laser anderer Wellenlänge umgeschaltet wird.
Eine Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche von Objekten nach Anspruch 11 weist mindestens eine Projektionseinheit auf, welche einen Laser, eine Optik, mindestens ein erstes diffraktives optischen Element (DOE) zur Erzeugung eines Punktmusters, ein Stereokamerasystem und ein Computersystem mit einer Bildverarbeitungssoftware enthält. Die Projektionseinheit ist erfindungsgemäß so, beispielsweise in einer Halterung, aufgenommen, dass eine radiale Drehung der Projektionseinheit in einem vorbestimmten Winkel realisiert werden kann, wobei die Drehung vorzugsweise durch das Computersystem gesteuert wird. Die Vorrichtung nach diesem Anspruch ermöglicht die Durchführung des Verfahrens zur 3D-Vermessung nach Anspruch 1. Die Drehung erfolgt zwischer der ersten und der zweiten Projektion – und gegebenenenfalls weiteren Projektionen –, wodurch das projizierte Punktmuster bei allen Projektionen zwar als solches betrachtet gleich bleibt, allerdings verdreht projiziert wird. Dies bedeutet, dass die Punkte des an sich gleichen Punktmusters bei jeder Projektion jeweils an einer anderen Position der Oberfläche projiziert werden.
In einer alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung zur 3D-Vermessung gemäß Anspruch 12 weist die Projektionseinheit weist zusätzlich mindestens ein zweites DOE auf, wobei mindestes ein DOE relativ zu dem mindesten einen weiteren DOE radial, also um die optischen Achse des Lasers, drehbar ist, wobei bei dessen Verdrehen das Punktmuster als solches verändert wird. So wird die Anzahl der Punkte im Punktmuster oder deren Position bei der Projektion auf die Oberfläche des Objekts verändert. Damit wurde überraschend ein sehr einfaches Mittel gefunden, die für die 3D-Vermessung zur Verfügung stehende Anzahl von projezierten Punkten, kumuliert über die mehreren Projektionen, und damit die Auflösung zu erhöhen. Zudem wird die Verdrehung der gesamten Projektionseinheit entbehrlich.
Die DOE's einer Projektionseinheit in einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung sind auf die Wellenlänge des vom Laser emittierten Lichts optimiert, um den Intensitätsverlust des vom Laser emittierten Lichts gering zu halten.
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weisen beide im Strahlengang des Lasers einer Projektionseinheit angeordnete DOE's in ihrer Funktion als Strahlteiler gleichartige Eigenschaften zur Diffraktion auf.
Eine weitere Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass mindestens eine der DOE's mithilfe einer in dessen Oberfläche eingebrachten Struktur die gleichzeitige Projektion eines Markers, wie ein Kreuz, auf die Oberfläche des zu vermessenden Objekts, erzeugt. Mit der gleichzeitigen Projektion des Markers ist die Projektion des Punktmusters auf der Oberfläche des Objekts auf eine bestimmte Position auch nach Änderung des Punktmusters ausrichtbar.
Die Leistung der Lichtquelle der Projektionseinheit ist in einer vorteilhaften Variante der Vorrichtung variabel. Die Laserleistung kann in bekannter Weise durch Änderung der Betriebsspannung und/oder der Stromstärke angepasst werden oder es werden mehrere Laserlichtquellen in einer Projektionseinheit angeordnet, die einzeln schaltbar sind. Der besondere Vorteil liegt in einer einfachen Anpassung an unterschiedliche Messbedingungen (z. B. Anzahl der Punkte pro Projektion, Farbe und Textur der Oberfläche usw.)
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Vorrichtung zur 3D-Vermessung ein Gehäuse auf, in dem mehrere Projektionseinheiten mit unterschiedlicher Farbe des jeweils emittierten Lichts des Lasers gleichzeitig aufgenommen sind. Je nach Farbvariante des zu vermessenden Objektes können selektiv jeweils die geeigneten Projektionseinheiten bzw. deren Laser aktiviert werden.
In einer vorteilhaften Variante sind die radial drehbaren DOE's der in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten mehreren Projektionseinheiten synchron, vorzugsweise mittels eines geeigneten Getriebes verstellbar, wodurch als Vorteil das Punktmuster aller Projektionseinheiten gleichzeitig verändert wird.
In einer anderen vorteilhaften Variante sind die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten mehreren radial drehbaren Projektionseinheiten synchron verstellbar, so dass die projizierten Punktmuster gleichzeitig und gleichartig verschoben werden.
In einer letzten vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist das Gehäuse mit den drei Projektionseinheiten vertikal kippbar in der Vorrichtung zur 3D-Vermessung angeordnet, um bei der Projektion von Punktmustern unterschiedlicher Farbe oder mehrerer Farben gleichzeitig, die Auflösung in Richtung der Y-Achse zu erhöhen.
Alternativ, gegebenenfalls auch kumulativ kann das Gehäuse mit den drei Projektionseinheit zur Projektion des Punktmusters auch horizontal schwenkbar aufgenommen sein.
Die Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung bestehen insbesondere in Verbindung mit einigen der Weiterbildungen in der einfachen Anpassung an die Farbe und/oder Textur der Oberfläche des dreidimensional zu vermessenden Objekts.
Es kann ein Punktmuster definierter Struktur mit hoher Tiefenschärfe projiziert werden.
Mit der Bereitstellung eines Punktmusters, das mittels Verdrehen der Projektionseinheit und/oder eines der DOE's ohne aufwendige Mechanik und Elektronik mit preiswerten Lichtquellen (bspw. Diodenlaser) dynamisch verschoben und verändert wird, ist eine variable Auflösung der 3D-Vermessung von Objekten bei geringem Aufwand realisierbar.
Die Vorrichtung weist zudem einen einfachen optischen Aufbau auf und ist kostengünstig herstellbar.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
1 als schematische Darstellung einer Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche von Objekten mit einer Projektionseinheit für ein Punktmuster auf die Oberfläche eines Objekts
und
2 als perspektivische Darstellung der prinzipiellen Ausführung einer Projektionseinheit mit mehreren Projektionseinheiten für die Projektion von Punktmustern auf die Oberfläche eines Objekts zur 3D-Vermessung
näher erläutert.
Nach 1 ist eine Vorrichtung zur 3D-Vermessung mit einer Projektionseinheit 1 zur Projektion eines Punktmusters zusammen mit einem Stereokamerasystem 2 (2.1; 2.2) gegenüber einer Oberfläche 3 eines Objekts 4 angeordnet. Das Stereokamerasystem 2 (2.1; 2.2) und die Projektionseinheit 1 sind mit einem Computersystem 5 verbunden. Das Stereokamerasystem 2 (2.1; 2.2) ist über ein Referenzmuster und den verbundenen Computer geeicht worden, so dass die Geometrie der eingesetzten Kameras des Stereokamerasystem 2 (2.1; 2.2) referenzierbar ist. Die Projektionseinheit 1 zur Projektion des Punktmusters 11 weist einen Laser 6 mit einer Optik 7 zum Bereitstellen eines kollimierten Lichtstrahls 8 und in dessen optischer Achse angeordnet, ein erstes diffraktives optisches Element (DOE) 9 sowie ein zweites DOE 10 zur Erzeugung eines definierten Punktmusters 11 auf. Das erste DOE 9 ist in der Projektionseinheit 1 in der optischen Achse radial drehbar angeordnet, so dass bei dessen Verdrehen die Anzahl der Punkte im Punktmuster 11 verändert werden kann. Das Punktmuster 11 wird auf die Oberfläche 3 des Objekts 4 projiziert.
Des Weiteren ist auch die Projektionseinheit 1 in der optischen Achse radial drehbar in einer geeigneten Halterung angeordnet und optional in der Y-Achse kippbar gelagert.
Für die 3D-Vermessung der Oberfläche 3 wird zunächst mit dem Stereokamerasystem 2 (2.1; 2.2) das Objekt 4 oder wie in 1 dargestellt, ein Bildbereich 12 optisch erfasst. Die Bilddaten werden an das Computersystem 5 übertragen und die Farbe der Oberfläche 3 zur Auswahl der Wellenlänge des Lasers 6, in einer Kontrastfarbe zur Farbe der Oberfläche 3, mittels Bildverarbeitungssoftware bestimmt.
Mittels der Bildverarbeitungssoftware wird ferner überprüft, ob im Bildbereich 12 eine Oberflächenanomalie 13 vorliegt. Entsprechend der ermittelten Oberflächenanomalie 13 kann der Bildbereich 12 auf einen interessierenden Bereich 14 eingegrenzt und die Auflösung, die Anzahl der auf das Objekt zu projizierenden Punkte je Flächeneinheit, in Abhängigkeit von der flächenhaften Ausdehnung des interessierenden Bereichs, berechnet werden; wie beispielsweise 400 Punkte auf einer Fläche von 70 × 70 mm. Nachfolgend erfolgt die Projektion des regelmäßigen Punktmusters 11 auf die Oberfläche 3 des dreidimensional zu vermessenden Objekts 4 und die optische Erfassung der Oberfläche 3 des Objekts 4 mit dem auf diese projizierten Punktmuster 11 mittels des Stereokamerasystems 2 (2.1; 2.2). Die Bilddaten werden an das Computersystem 5 übertragen und es werden mittels Software die Raumkoordinaten der Punkte berechnet und im Ergebnis als 3D-Vermessung der Oberflächentopologie des Objekts 4 ausgegeben.
Zur Verdopplung der zunächst benutzten Auflösung von 400 Punkten pro Flächeneinheit wird die Projektionseinheit 1 nach der optischen Erfassung des ersten Bildes im bestehenden Bildbereich 12 radial um einen solchen Winkel gedreht, dass die erneut projizierten Punkte des Punktmusters 11 des bestehenden Bildbereichs 12 auf einer Position zwischen zwei zuerst projizierten auf der Oberfläche 3 des Objekts 4 abgebildet werden. Es erfolgt eine zweite optische Erfassung der Oberfläche 3 des Objekts 4 mit dem auf diese projizierten Punktmuster 11 mittels des Stereokamerasystems 2 (2.1; 2.2), die Bilddaten werden ebenfalls an das Computersystem 5 übertragen, mittels Software die Raumkoordinaten der Punkte für das zweite Bild berechnet und mit den Raumkoordinaten des ersten Bildes überlagert, so dass das Ergebnis der 3D-Vermessung der Oberflächentopologie des Objekts 4 mit doppelter Auflösung vorliegt.
Eine andere Ausführungsform der Vorrichtung ist in 2 dargestellt, wonach drei Projektionseinheiten 1 (1.1; 1.2; 1.3), wie in 1 dargestellt, mit Lasern 6 unterschiedlicher Wellenlänge, wie zum Emittieren roten, blauen und grünen Lichts, [19] in einem Gehäuse 15 radial drehbar angeordnet sind. Die radial drehbaren DOE's 9 der Projektionseinheiten 1.1; 1.2; 1.3 sind mit Hilfe eines Getriebes 16 synchron verstellbar. Das Verstellen erfolgt computergesteuert in bekannter Weise mit einem in 2 nicht dargestellten Schrittmotor über eine Verbindung 17 zum Computersystem 5.
In Ausführungsvarianten können die DOE's 9 der Projektionseinheiten 1.1; 1.2; 1.3 einzeln verstellbar und/oder die Projektionseinheiten 1.1; 1.2; 1.3 auch synchron radial drehbar sein.
Sowohl bei der Ausführungform mit den drei Projektionseinheiten 1.1; 1.2; 1.3 im Gehäuse 15 nach 2 als auch bei der Ausführungsform nach nach 1 mit einer Projektionseinheit 1 kann mit Hilfe einer speziellen Aufnahme 18 mit einer Verstelleinrichtung ebenfalls computergesteuert das Gehause 15 bzw. die einzelne Projektionseinrichtung 1 um einen Winkel 19 vertikal gekippt werden, so dass die Auflösung in der Y-Achse erhöht wird.
Bei einer realisierbaren weiteren Ausführung der Vorrichtung ist ein horizontales Schwenken möglich, wodurch sich die Auflösung in der X-Achse erhöht.
Zur 3D-Vermessung in der Ausführungform der Vorrichtung mit den drei Projektionseinheiten 1.1; 1.2; 1.3 erfolgt in einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bestimmen der Farbe und Textur der Oberfläche 3 und der sich darauf stützenden Festlegung der geeigneten Farbe des Lasers 6 die optische Erfassung der Oberfläche 3 eines Objekts 4 mit dem Stereokamerasystem 2 (2.1; 2.2) zunächst ohne Projektion eines Punktmusters 11. Nachfolgend wird das Punktmuster 11 mit entsprechender Farbe einer der Projektionseinheiten 1.1; 1.2; 1.3 auf die Oberfläche 3 projiziert und vom Stereokamerasystem 2 (2.1; 2.2) optisch erfasst. Mittels des Computersystems 5 erfolgt mit Hilfe der Bildverarbeitungssoftware eine Kontrastprüfung daraufhin, ob die optische Erfassung der Oberfläche 3 des Objekts 4 mit dem projizierten Punktmuster 11 einen genügend großen Kontrast für die Bildverarbeitung zur Berechnung der Oberflächentopologie aufweist. Sollte der Kontrast nicht ausreichend sein, erfolgt die computergesteuerte Umschaltung auf eine Projektionseinheit 1.1; 1.2; 1.3 mit einem Laser 6 anderer Wellenlänge.
In Zwischenschritten des Verfahrens erfolgt vorzugsweise regelmäßig eine Kontrastprüfung.
Zur genauen 3D-Vermessung von Oberflächenanomalien 13, Segmenten von Oberflächen 3 oder Oberflächen 3 mit mehreren Farben und/oder Texturen kann es erforderlich sein, die Farbe des vom Laser 6 emittierten Lichts zu wechseln, da an Farb- und/oder Texturübergängen mit der für die erste optische Erfassung benutzten Farbe des Lasers 6 nur noch ein ungenügender Kontrast des Punktmusters 11 erzielt wird.
Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit mit mehr als einer der Projektionseinheiten 1.1; 1.2; 1.3 gleichzeitig ein Punktmuster unterschiedlicher Farbe auf die Oberfläche 3 des Objekts 4 zu projizieren, wobei auch unterschiedliche Muster projizierbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Projektionseinheit (1.1; 1.2; 1.3)
2: Stereokamerasystem (2.1; 2.2)
3: Oberfläche
4: Objekt
5: Computersystem
6: Laser
7: Optik
8: kollimierter Lichtstrahl
9: erstes DOE
10: zweites DOE
11: Punktmuster
12: Bildbereich
13: Oberflächenanomalie
14: interessierender Bereich
15: Gehäuse
16: Getriebe
17: Verbindung
18: Aufnahme
19: Winkel

Claims

Verfahren zur 3D-Vermessung einer Oberfläche eines Objekts, bei dem eine Projektion eines Punktmusters (11) mit einer Vielzahl von Punkten mittels einer Projektionseinheit (1; 1.1; 1.2; 1.3), welche einen Laser (6), eine Optik (7) und mindestens ein diffraktives optisches Element (DOE) (9; 10) aufweist, auf die Oberfläche (3) des Objekts (4) erfolgt, eine optische Erfassung des Punktmusters (11) aus der Projektion mittels eines Stereokamerasystems (2) erfolgt, das Datenvolumen aus der optischen Erfassung an ein Computersystem (5) mit einer Bildverarbeitungssoftware übertragen wird, durch das Computersystem (5) Raumkoordinaten der Punkte des Punktmusters (11) berechnet werden und auf der Basis der Raumkoordinaten eine Topologie der Oberfläche (3) des Objekts (4) erstellt wird und im Computersystem (5) ausgebbar zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Projektion des Punktmusters (11) und eine erste optische Erfassung des Punktmusters (11) aus der ersten Projektion erfolgt sowie ein daraus resultierendes erstes Datenvolumen aus der ersten optischen Erfassung der ersten Projektion des Punktmusters (11) an das Computersystem (5) übertragen wird, eine zweite Projektion des Punktmusters (11) erfolgt, wobei die Position des Punktmusters (11) der zweiten Projektion gegenüber der Position des Punktmusters (11) der ersten Projektion auf der Oberfläche (3) des Objekts (4) verschoben ist, eine zweite optische Erfassung des Punktmusters (11) aus der zweiten Projektion des Punktmusters (11) erfolgt sowie ein daraus resultierendes zweites Datenvolumen aus der zweiten optischen Erfassung der zweiten Projektion des Punktmusters (11) an das Computersystem (5) übertragen wird, durch das Computersystem (5) aus dem ersten und zweiten Datenvolumen die Raumkoordinaten der Punkte der Punktmuster (11) aus der ersten und zweiten Projektion mittels des Computersystems (5) berechnet werden und auf der Basis der Raumkoordinaten der Punkte der Punktmuster (11) aus der ersten und zweiter Projektion eine Topologie der Oberfläche (3) des Objekts (4) erstellt wird und im Computersystems (5) ausgebbar zur Verfügung steht.
Verfahren zur 3D-Vermessung einer Oberfläche eines Objekts, bei dem eine Projektion eines Punktmusters (11) mit einer Vielzahl von Punkten mittels einer Projektionseinheit (1; 1.1; 1.2; 1.3), welche einen Laser (6), eine Optik (7) und mindestens zwei diffraktive optische Elemente (DOE) (9; 10) aufweist, auf die Oberfläche (3) des Objekts (4) erfolgt, eine optische Erfassung des Punktmusters (11) aus der Projektion mittels eines Stereokamerasystems (2) erfolgt, das Datenvolumen aus der optischen Erfassung an ein Computersystem (5) mit einer Bildverarbeitungssoftware übertragen wird, durch das Computersystem (5) Raumkoordinaten der Punkte des Punktmusters (11) berechnet werden und auf der Basis der Raumkoordinaten eine Topologie der Oberfläche (3) des Objekts (4) erstellt wird und im Computersystem (5) ausgebbar zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Projektion des Punktmusters (11) und eine erste optische Erfassung des Punktmusters (11) aus der ersten Projektion erfolgt sowie ein daraus resultierendes erstes Datenvolumen aus der ersten optischen Erfassung der ersten Projektion des Punktmusters (11) an das Computersystem (5) übertragen wird, eine zweite Projektion des Punktmusters (11) erfolgt, wobei, in der zweiten Projektion ein anderes Punktmuster als in der ersten Projektion verwendet wird, eine zweite optische Erfassung des Punktmusters (11) aus der zweiten Projektion des Punktmusters (11) erfolgt sowie ein daraus resultierendes zweites Datenvolumen aus der zweiten optischen Erfassung der zweiten Projektion des Punktmusters (11) an das Computersystem (5) übertragen wir, durch das Computeresystem (5) aus dem ersten und zweiten Datenvolumen die der Punkte der Punktmuster (11) aus der ersten und zweiten Projektion mittels des Computersystems (5) berechnet werden und auf der Basis der Raumkoordinaten der Punkte der Punktmuster (11) aus der ersten und zweiten Projektion eine Topologie der Oberfläche (3) des Objekts (4) erstellt wird und im Computersystem (5) ausgebbar zur Verfügung steht.
Verfahren zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Punktmusters (11) der ersten Projektion zur Position des Punktmusters (11) der zweiten Projektion durch radiales Drehen der Projektionseinheit (1, 1.1, 1.2; 1.3) verschoben wird.
Verfahren zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Punktmuster (11) der zweiten Projektion als in der ersten Projektion durch radiales Drehen eines der DOE (9; 10) der Projektionseinheit (1, 1.1, 1.2; 1.3) erfolgt.
Verfahren zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Punktmuster (11) der zweiten Projektion gegenüber dem Punktmuster (11) der ersten Projektion vertikal verschoben wird.
Verfahren zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Punktmuster (11) der zweiten Projektion gegenüber dem Punktmuster (11) der ersten Projektion horizontal verschoben wird.
Verfahren zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Übertragung eines ersten Datenvolumens aus der ersten optischen Erfassung des ersten Punktmusters (11) an das Computersystem (5) mittels des Computersystems (5) eine erste Auswertung des ersten Datenvolumens zur Bewertung der Qualität der 3D-Vermessung der Oberfläche (3) erfolgt, auf deren Basis mittels des Computersystems (5) eine Festlegung des Punktmusters (11) für die zweite Projektion oder eine Festlegung der Anzahl weiterer Projektionen erfolgt.
Verfahren zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Lasers (6) im Kontrast zu einer Farbe oder Textur der Oberfläche (3) des Objekts (4) gewählt wird.
Verfahren zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Punktmuster (11) in mindestens einer der Projektionen Punkte unterschiedlicher Farbe aufweist.
Verfahren zur 3D-Vermessung der Oberfläche (3) von Objekten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Projektionseinheit (1.1; 1.2; 1.3) mit einem Laser (6) anderer Wellenlänge vorhanden ist, mittels des Computersystems (5) eine Kontrastprüfung erfolgt und bei nicht ausreichendem Kontrast auf eine Projektionseinheit (1.1; 1.2; 1.3) mit einem Laser (6) anderer Wellenlänge umgeschaltet wird.
Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts, aufweisend eine Projektionseinheit (1; 1.1, 1.2; 1.3), welche einen Laser (6), eine Optik (7) und mindestens ein diffraktives optisches Element (DOE) (9; 10) zur Erzeugung eines Punktmusters (11) aufweist, ein Stereokamerasystem (2.1; 2.2) und ein Computersystem (5) mit einer Bildverarbeitungssoftware, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinheit (1) radial drehbar aufgenommen ist.
Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche von Objekten mindestens aufweisend eine Projektionseinheit (1; 1.1, 1.2; 1.3), welche einen Laser (6), eine Optik (7) und ein erstes diffraktives optischen Element (DOE) (9) sowie mindestens ein zweites DOE (10) zur Erzeugung eines Punktmusters (11) aufweist, ein Stereokamerasystem (2.1; 2.2) und ein Computersystem (5) mit einer Bildverarbeitungssoftware, dadurch gekennzeichnet, dass eines der DOE's (9; 10) in der Projektionseinrichtung (1) radial drehbar angeordnet ist, wobei bei dessen Verdrehen die Anzahl der Punkte im Punktmuster (11) und/oder deren Position bei der Projektion auf die Oberfläche (3) des Objekts (4) verändert wird.
Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die DOE's (9; 10) der Projektionseinheit (1; 1.1, 1.2; 1.3) auf die Wellenlänge des vom Laser (6) emittierten Lichts optimiert sind.
Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die DOE's (9; 10) der Projektionseinheit (1; 1.1, 1.2; 1.3) gleichartige Eigenschaften zur Diffraktion aufweisen.
Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eines der DOE's (9; 10) der Projektionseinheit (1; 1.1, 1.2; 1.3) eine in dessen Oberfläche eingebrachte Struktur zur gleichzeitigen Projektion eines Markers mit dem Punktmuster (11) auf die Oberfläche (3) des Objekts (4) aufweist.
Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Lasers (6) der Projektionseinheit (1; 1.1, 1.2; 1.3) variabel ist.
Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung drei Projektionseinheiten (1.1; 1.2; 1.3) mit Lasern (6) unterschiedlicher Wellenlänge und ein Gehäuse aufweist, wobei die drei Projektionseinheiten (1.1; 1.2; 1.3) in dem Gehäuse (15) aufgenommen sind.
Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die radial drehbaren DOE's (9) der Projektionseinheiten (1.1; 1.2; 1.3) synchron verstellbar sind.
Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die radial drehbaren Projektionseinheiten (1.1; 1.2; 1.3) synchron verstellbar sind.
Vorrichtung zur 3D-Vermessung der Oberfläche eines Objekts nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (15) mit den drei Projektionseinheiten (1.1; 1.2; 1.3) vertikal kippbar angeordnet ist.