DE102015205187A1

DE102015205187A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Projektion von Linienmustersequenzen

Info

Publication number: DE102015205187A1
Application number: DE102015205187.0A
Authority: DE
Inventors: Patrick Wissmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: INFINISENSE TECHNOLOGIES GMBH, DE
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2016-09-29
Also published as: WO2016150527A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objektes (0) mittels einer strukturierten Beleuchtung, insbesondere mit Laserlicht, mittels folgender Schritte: – mittels mindestens einer Projektoreinrichtung (1) ausgeführtes Projizieren eines Messelemente aufweisenden Gesamtmessmusters auf die Oberfläche des Objekts; – mittels mindestens einer Erfassungseinrichtung (3) ausgeführtes Erfassen des Gesamtmessmusters auf der Oberfläche des Objekts; – mittels einer Rechnereinrichtung (5) ausgeführtes Berechnen, insbesondere Triangulieren, zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Gesamtmessmuster (GM) als Messelemente eine Reihenfolge von Messlinien (L) aufweist; in dem Gesamtmessmuster (GM) alle möglichen Positionen von Messlinien (L) in sich entlang der Reihenfolge räumlich wiederholenden als Fenster (F) bezeichneten Abschnitten enthalten sind, wobei in den Fenstern (F) eine jeweilige Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien (L) im Gesamtmessmuster (GM) den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster (GM) kodiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rekonstruktion einer dreidimensionalen Oberfläche eines Objektes mittels einer strukturierten Beleuchtung zur Projektion von Messmustern auf das Objekt.
In der optischen Messtechnik ist das Verfahren einer sogenannten strukturierten Beleuchtung weit verbreitet. Bei diesem Verfahren werden ein oder mehrere Messmuster auf ein Objekt projiziert und aus einem anderen Winkel von einer Kamera aufgenommen. Aus der Verzerrung des Musters kann die dreidimensionale Oberfläche des Objekts mittels einer Vielzahl von Messpunkten rekonstruiert werden.
Beim messtechnischen Verfahren nach dem Prinzip der strukturierten Beleuchtung werden ein oder mehrere Muster, die ebenso als Messmuster bezeichnet werden können. Auf ein Objekt projiziert und aus einem unterschiedlichen Sichtwinkel von einer Kamera aufgenommen. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen minimalen Konfiguration, bestehend aus einer Kamera als eine Erfassungseinrichtung 3 und einem Projektor als eine Projektoreinrichtung 1. 1 zeigt eine herkömmliche minimale Konfiguration zur dreidimensionalen Messung mittels strukturierter Beleuchtung, bestehend aus einer Kamera und einem Projektor, die in einem Abstand einer Basis B voneinander beabstandet sind.
Der Projektor projiziert ein Linienmuster, das zur vereinfachten Darstellung lediglich aus zwei Linien besteht, wobei in der Praxis wirksam mehr Linien verwendet werden. Die Linie beziehungsweise Lichtebene e1 wird von einem Musterprojektor als Projektionseinrichtung 1 projiziert und erscheint als Bild einer Erfassungseinrichtung 3, insbesondere einer Kamera, als Linie e1‘. Ein Sensorelement der Kamera erfasst einen Punkt p1‘ der Linie e1‘. Aus der Position von p1‘ im Kamerabild kann eine Sichtlinie s1 abgeleitet werden. Durch geometrische Berechnung des Schnittpunktes aus Ebene e1 und Sichtstrahl s1 kann die dreidimensionale Position des Punktes p1 auf der Oberfläche des Messobjekts bestimmt werden, sodass ein Messpunkt gegeben ist. Entsprechend ist dabei die korrekte Zuordnung von Projektionsebene und Sichtlinie, beispielsweise würde eine irrtümliche Zuordnung von p1‘ (beziehungsweise s1) zur projizierten Linie e2 ein falsches Messergebnis erzeugen. 1 zeigt eine minimale Konfiguration zur 3D-Messung mittels strukturierter Beleuchtung, und zwar mittels eines minimalen Linienmusters. Die Konfiguration besteht dabei aus einer Kamera und einem Projektor. In 1 ist ein zu vermessendes Messobjekt 0 mit entsprechend codiertem Linienmuster und kameraseitig ein Koordinatensystem dargestellt. B bezeichnet eine Basis, die für Triangulationsberechnungen verwendbar ist.
Es existieren zahlreiche herkömmliche Verfahren zur Projektion von Messmustern sowie zahlreiche Gestaltungsvarianten der Messmuster als Messlinien.
Aufgrund der in der Praxis großen Anzahl, und zwar oft > 100, optisch gleichartiger Linienprojektionen sind Methoden zur Identifikation der korrekten Linienprojektion erforderlich. Hierzu finden sich im Stand der Technik verschiedene Ansätze zur Codierung des Linienindex beziehungsweise der Identifikation der korrekten Linie unter der Vielzahl von Linien im Projektionsmuster. Es werden Ansätze angeführt, die auf Basis optischer Merkmale eine direkte Zuordnung einer Linie oder eines Bündels benachbarter Linien ermöglichen. Ansätze, die zur eindeutigen Unterscheidung einzelner Linien ausgelegt sind, beispielsweise über einen eindeutigen Zusammenhang von Linienfarbe oder Lichtwellenlänge und Linienindex, sind in der Praxis praktisch nicht vertreten, da eine robuste Zuordnung unter typischen Messbedingungen, die insbesondere durch das Signal-Rausch-Verhältnis beeinträchtigt sind, lediglich mit vergleichsweise wenigen Linien möglich ist. Es ist jedoch in der Regel das Ziel, eine hohe Messdatendichte zu erreichen, das heißt mit der gegebenen Kameraauflösung möglichst viele Datenpunkte aus einer Messung zu gewinnen. Hierfür muss die Anzahl der decodierbaren Linien maximiert werden. Deutlich verbreiteter sind in der Praxis deshalb Ansätze, die zur eindeutigen Zuordnung benachbarter Linienbündel ausgelegt sind. Hier kann typischerweise die maximale Anzahl an Linien projiziert und ausgewertet werden, die aufgrund des Auflösungsvermögens der Kamera unabhängig detektierbar sind. Beispiele für linienbündelbasierte Verfahren sind in [1], [2], [3] und [4] beschrieben. Die Identifikation der Linienbündel geschieht dort meist mittels verschiedener Kombinationen aus Linienfarben innerhalb solcher Bündel. In der Praxis versucht man, die minimale Anzahl der Linien zur Eindeutigkeit eines Bündels zu minimieren. Je kleiner diese Anzahl, desto kleinere Objekte können unabhängig von ihrer Umgebung im Raum aufgelöst werden.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Unterklasse von Verfahren, bei denen die Muster mittels Lichtbeugung, das heißt diffraktiv, projiziert werden. Diese Methoden sind besonderes lichteffizient.
Im Gegensatz zu abbildenden, und zwar refraktiv projizierenden Verfahren wird zur Erzeugung der Muster nahezu kein Licht absorbiert. Hierdurch kann in der Praxis die zur Ausleuchtung einer Messfläche erforderliche Lichtleistung um bis zu mehrere Größenordnungen reduziert werden. Dies geht jedoch einher mit Einschränkungen bei der Ausgestaltung der Messmuster. Für eine lichteffiziente und hochauflösende diffraktive Projektion ist die Verwendung kohärenten, quasi monochromatischen Lichts erforderlich, und zwar in der Regel Laserlicht. Aufgrund dieser Beschränkung entfällt eine Verwendung unterschiedlicher Linienfarben zur Identifikation eines Streifenbündels bei Verwendung einer einzelnen Lichtquelle. Das monochromatische Licht hat jedoch zugleich den Vorteil, dass bei Verwendung kameraseitiger Bandpassfilter ein großer Teil des Umgebungslichts eliminiert werden kann, was den Dynamikumfang und die Robustheit des Messsystems erhöht.
In der Regel werden bei der diffraktiven Projektion zahlreiche Punkte projiziert, wobei in der lokalen Anordnung eine Information steckt, die den jeweiligen Ort im Messmuster codiert. Die Information kann sich durch eine nichtperiodische Anordnung der Messpunkte ergeben.
Die US 5,548,418 offenbart eine Vorrichtung zur Projektion von Mustern mittels diffraktiven, optischen Elementen und deren Anwendung in der 3D-Messtechnik, wobei sich die Information durch eine nichtperiodische Anordnung der Messpunkte ergibt.
Die US 7,433,024 B2 offenbart, dass diese Information ebenso allgemein in sich in allen drei Dimensionen, und hier im speziellen abhängig vom Abstand zum Projektor, veränderlichen Mustern, insbesondere Specklemustern, beinhaltet sein kann.
Die WO 2007/043036 A1 beschreibt ebenso eine Vorrichtung zur Projektion von Mustern mittels diffraktiven optischen Elemente (DOEs) und deren Anwendung in der 3D Messtechnik.
In der Regel ist es erwünscht, eine möglichst detailreiche beziehungsweise hochauflösende Rekonstruktion des Messobjekts mit einer einzigen Aufnahme zu erzielen. Dies entspricht einer hohen Messpunktdichte, das heißt, über die Messfläche des Objekts soll die Zahl der Messpunkte maximal hoch sein. Dieses Ziel steht meist im Spannungsfeld mit den Anforderungen an Kosteneffizienz, da eine höhere Datendichte in der Regel mit höherem technischem Aufwand verbunden ist. Ist die zur erfolgreichen Rekonstruktion erforderliche nichtperiodische Information in der 2D-Punktanordnung enthalten, ist die Anzahl der Messpunkte und somit die Datendichte begrenzt durch einen Mindestabstand der Punkte zueinander. Eine höhere Datendichte, und zwar in der Praxis typsicherweise um den Faktor 4 bis 10, kann durch Linienmuster erzielt werden, da hier der Punktabstand in einer Dimension eliminiert wird.
Im Stand der Technik sind Verfahren zur diffraktiven Projektion periodischer Linienmuster vertreten. Aufgrund der Periodizität kann eine eindeutige Zuordnung der Linien nur unter Zuhilfenahme zusätzlicher geometrischer Rahmenbedingungen erreicht werden. Im Falle einer einzelnen Kamera kann diese Rahmenbedingung der begrenzte Messraum sein. Mit dieser Einschränkung lässt sich jedoch, abhängig vom Triangulationswinkel, lediglich eine sehr geringe Anzahl Linien unterscheiden. Eine andere Möglichkeit besteht in einer Einschränkung der zu vermessenden Oberflächen. Können Höhenstufen und Unterbrechungen in der Oberfläche ausgeschlossen werden, sind die projizierten Linien in der Reihenfolge ihres Auftretens im Kamerabild indizierbar. Dies schränkt jedoch mögliche Anwendungen des Messsystems sehr stark ein. Wird eine zweite Kamera hinzugenommen, und zwar bei Stereo Vision, kann die Vielzahl der Linien aufgrund engerer geometrischer Rahmenbedingungen, auf der Grundlage von Epipolargeometrie, erhöht werden. Die Anzahl der Linien und somit die Messdatendichte liegt jedoch in der Praxis nahezu eine Größenordnung unter Ansätzen, die nichtperiodische Informationen verwenden. Eine zusätzliche Kamera erhöht zudem signifikant die Kosten eines derartigen Systems.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rekonstruktion einer dreidimensionalen Oberfläche eines Objektes mittels einer strukturierten Beleuchtung zur Projektion von Messmustern auf das Objekt bereit zu stellen, wobei die Projektion schnell, kostengünstig und lichteffizient ausführbar sein soll. Messmuster sollen leistungsfähig hinsichtlich einer robusten Dekodierbarkeit und insbesondere hinsichtlich der Anzahl von Messelementen, das heißt hinsichtlich der Datendichte sein.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objekts mittels eine strukturierten Beleuchtung, insbesondere mit Laserlicht, mittels folgender Schritte vorgeschlagen:

– mittels mindestens einer Projektoreinrichtung ausgeführtes Projizieren eines Messelemente aufweisenden Gesamtmessmusters auf die Oberfläche des Objekts;
– mittels mindestens einer Erfassungseinrichtung ausgeführtes Erfassen des Gesamtmessmusters auf der Oberfläche des Objekts;
– mittels einer Rechnereinrichtung ausgeführtes Berechnen, insbesondere Triangulieren, zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters,

Ein Gesamtmessmuster ist hier ein Begriff für ein allgemeines Messmuster, das insbesondere aus einer Gesamtheit an Messlinien besteht.
Eine Reihenfolge von Messlinien bezeichnet hier insbesondere eine Sequenz von Messlinien. Sequenz, sequentiell oder sequenziell (von lateinisch für „Aufeinanderfolge“) steht für:

– Reihenfolge, allgemein eine räumliche, zeitliche oder gedankliche, lineare Aufreihung oder Abfolge
– Sequenz (Mathematik), sortierte Folge von Zahlen.

Zur Codierung einer örtlich variierenden Information im Messmuster, die zur Lösung des Korrespondenzproblems notwendig ist, wird erfindungsgemäß folgender Ansatz vorgeschlagen. Eine zeitliche und/oder örtliche Codierung erfolgt mittels aktiven und inaktiven Messlinien im Messmuster, wobei hier inaktiv das Auslassen von Messlinien in einem ansonsten voll besetzten Messmuster, insbesondere in einem Fenster, bezeichnet.
Ein Fenster ist hier insbesondere ein gleichförmiger räumlicher Ausschnitt des Gesamtmessmusters entlang der Reihenfolge der Messlinien, wobei eine Reihenfolge aller Ausschnitte zusammengefasst das Gesamtmessmuster ergeben.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objektes mittels einer strukturierten Beleuchtung, insbesondere mit Laserlicht, vorgeschlagen, die aufweist:

– mindestens eine Projektoreinrichtung zum diffraktiven Projizieren eines Messelemente aufweisenden Gesamtmessmusters auf die Oberfläche des Objekts;
– mindestens eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Gesamtmessmusters auf der Oberfläche des Objekts;
– eine Rechnereinrichtung zum Berechnen, insbesondere Triangulieren, zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtmessmuster als Messelemente eine Reihenfolge von Messlinien aufweist;

Es wird eine 3D-Erfassung hoher Datendichte mittels diffraktiver Linienprojektionen und insbesondere unter Verwendung lediglich einer Kamera als Erfassungseinrichtung vorgeschlagen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die mindestens eine Projektoreinrichtung eine Vielzahl von Messmustern auf die Oberfläche des Objektes projizieren, wobei die Messmuster überlagert das Gesamtmessmuster ausbilden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung zum Unterscheiden von Messmustern diese in einer zeitlichen Abfolge projizieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung zum Unterscheiden von Messmustern, diese mit zueinander unterschiedlichen Lichtwellenlängen und insbesondere gleichzeitig projizieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung das Gesamtmessmuster als eine, insbesondere horizontale, Aneinanderreihung zueinander beabstandeter und zueinander parallel angeordneter Messlinien, insbesondere gleicher Breite und/oder Intensität, erzeugen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung in mindestens einem als Primärmessmuster bezeichneten Messmuster, insbesondere in den Fenstern, immer alle Messlinien erzeugen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann mindestens eines der Muster voll besetzt sein, d.h. es weist bei einer gegebenen Linienperiode LP die maximal im Muster darstellbare Anzahl von Linien L auf. Diese primären Muster PM dienen vorteilhaft der Synchronisation der Musterdecodierung und der korrekten Zuordnung von Linien L der Sekundärmuster.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung drei Messmuster erzeugen, wobei in jedem Fenster in einem der Messmuster des Gesamtmessmusters immer eine Messlinie erzeugt ist und in den beiden anderen Messmustern jeweils maximal eine Messlinie erzeugt ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung innerhalb der Vielzahl an Fenstern jeweils lediglich Codierungen mit einer Mindestanzahl von erzeugten Messlinien ausbilden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Symbolsequenz so gestaltet, dass über alle projizierten Muster so viele Linien L wie möglich projiziert werden, beispielsweise mittels Auslassen des Symboles 3, das gemäß Tabelle 1 keine Sekundärlinien projiziert. Dies hat den Vorteil, dass so viele Messdaten wie möglich generiert werden, da Messdaten lediglich entlang der Linien L erzeugt werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung in einem Fenster eine Position als ein Wort projizieren, das aus einer Reihenfolge von Symbolen besteht, die mittels einer jeweiligen Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien geschaffen werden können.
In der Kodierungstheorie nennt man die Elemente, aus denen ein Code besteht, „Codewörter“, die Symbole aus denen die Codewörter bestehen, bilden ein „Alphabet“. Gemäß dieser Erfindung sind die Codewörter lediglich als Wörter bezeichnet, die aus Symbolen gebildet werden, denen jeweils ein Symbolindex zugeordnet werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung in der Gesamtheit aller benachbarten Fenster eine Symbolsequenz entlang der Reihenfolge der Messlinien erzeugen. Die vorgeschlagene Erzeugung von Messlinien in jeweiligen Messmustern, die überlagert werden, und das daraus sich ergebende Gesamtmessmuster entspricht einer als Symbolsequenz bezeichneten Gesamtheit an projizierten Symbolen, wobei ein Symbol einer Kombination in einem jeweiligen als Fenster bezeichneten räumlichen Abschnitt ausgewählter erzeugter und nicht erzeugter Linien entspricht, wobei ein Symbolindex durch ein Erzeugen und/oder Auslassen von Messlinien in dem Fenster codiert ist, erlaubt eine vorteilhafte Lösung des Korrespondenzproblems mittels eines nicht-periodischen Gesamtmessmusters unter Beibehaltung einer hohen Messliniendichte, wobei die Erzeugung einer längeren Symbolsequenz mit einer Mehrzahl von möglichen Symbole aufweisenden Wörtern, wobei ein Wort mittels des dazugehörigen Fensters festgelegt wird, führt zu einer fehlertoleranteren Decodierung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung ein Wort innerhalb einer Symbolsequenz oder eines Gesamtmessmusters lediglich so oft erzeugen, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geometrischer Rahmenbedingungen zwischen Kamera und Projektoreinrichtung, insbesondere mittels Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung die Symbolsequenz bei einer Hamming-Distanz von mindestens 2 ein beliebiges Wort von einem anderen beliebigen Wort an mindestens zwei Stellen unterschiedliche Symbole aufweisend erzeugen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Symbolsequenz so gestaltet sein, dass zwischen zwei beliebigen Worten eine Hamming-Distanz h von mindestens 2 besteht, d.h., dass zwei beliebige Worte aus mindestens zwei Stellen unterschiedliche Symbole aufweisen. Im Fall von h = 2 können fehlerhafte Symbole erkannt werden, bei h > 2 können ein oder mehrere Symbolfehler korrigiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung die Symbolsequenz mit einer Hamming-Distanz derart erzeugen, dass ein jeweiliges Wort bei einer Symbollänge kleiner oder gleich 4 eindeutig ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Symbolsequenz so gestaltet sein, dass das Eindeutigkeitsfenster bzw. Fenster besonders klein ist, d.h., dass mit einer relativ kleinen Wortlänge eine Eindeutigkeit oder eine entsprechende Ausführung geforderter Hamming-Distanz erreicht wird. Ein kleines Eindeutigkeitsfenster weist den Vorteil auf, dass die minimal auflösbare Objektgröße verkleinert wird, wenn Objekte eine vom Rest des Messobjekts isolierte Oberfläche oder einen großen Höhensprung aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung die Symbolsequenz mit einer Hamming- Distanz und einer Größe der Fenster derart oft aneinander reiht, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geometrischer Rahmenbedingungen zwischen Erfassungseinrichtung und Projektoreinrichtung, insbesondere mittels Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Symbolsequenz derart gestaltet sein, dass das Eindeutigkeitsfenster oder Fenster um die Hamming-Distanz h erhalten bleiben, wenn die Symbolsequenz mehrmals aneinandergereiht ist, d.h., sich das projizierte Linienmuster wiederholt. Eine Eindeutigkeit kann dann in gewissen Grenzen mittels geometrischer Rahmenbedingungen hergestellt werden, und zwar beispielsweise über den Arbeitsbereich des Messsystems oder den Einsatz mehrerer Kameras. Ein Vorteil liegt dann darin, dass das Eindeutigkeitsfenster gegebenenfalls kleiner ausgelegt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung die Symbolsequenz derart erzeugen, dass das Auftreten von Messlinien achsen- oder punktsymmetrisch ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Symbolsequenz so gestaltet sein, dass sie eine achsen- oder punktsymmetrische Mustersequenz erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass die Mustersequenz mit geringem Aufwand mittels beispielsweise diffraktiven optischen Elementen projiziert werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung zur Erhöhung einer Messelementdichte mittels rotatorisch oder translatorisch aktuierter Komponenten, insbesondere mittels eines Scanspiegels, eine zeitlich variierende Verschiebung zwischen Messmustern ausführen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung für jedes aus Messlinien bestehende Messmuster räumlich getrennt jeweils eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser, sowie eine linienerzeugende Optik und ein diffraktives optisches Element oder ein linienerzeugendes diffraktives optisches Element aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung, insbesondere entlang der Messlinien, eine lineare Anordnung, einer Mehrzahl von jeweils eine Lichtquelle sowie eine linienerzeugende Optik und ein diffraktives optisches Element oder ein linienerzeugendes diffraktives optisches Element aufweisender Projektoren aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung für alle aus Messlinien bestehenden Messmuster eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser, sowie eine Einrichtung zum Auswechseln einer Anzahl von linienerzeugenden Optiken und diffraktiven optischen Elementen und/oder einer Anzahl von linienerzeugenden diffraktiven optischen Elementen aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Lichtquelle beziehungsweise können die Lichtquellen eine Temperaturregelung(en) aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Lichtquellen jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge emittieren und die Erfassungseinrichtungen Farbkameras sind.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung;
2 eine erste Darstellung eines Ausführungsbeispiels von erfindungsgemäßen Messmustern und eines dazugehörigen erfindungsgemäßen Gesamtmessmusters;
3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Ausgestaltung eines Flussdiagramms;
4 eine zweite Darstellung des Ausführungsbeispiels von erfindungsgemäßen Messmustern und des dazugehörigen erfindungsgemäßen Gesamtmessmusters;
5a eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Messmusters;
5b eine Draufsicht des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Messmusters;
5c eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion von Messmustern;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt eine erste Darstellung eines Ausführungsbeispiels von erfindungsgemäßen Messmustern und eines dazugehörigen erfindungsgemäßen Gesamtmessmusters. Es sind Messmuster P, S1 und S2 sowie ein Gesamtmessmuster GM dargestellt. Eine eindeutige Identifikation eines Linienindexes wird mittels der Verwendung einer codierten Serie oder Reihenfolge aus Linienmustern bewirkt, die insbesondere sequentiell projiziert und von einer Kamera detektiert wird. Es wird zwischen einem primären Muster P und mehreren sekundären Mustern S1, S2, ... unterschieden. Das primäre Muster P ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung voll besetzt, periodisch und hat eine maximal auflösbare Liniendichte bzw. eine kleinste Linienperiode LP, sowie dies in 2 angegeben ist, d.h. es werden so viele Linien L projiziert, wie im Rahmen eines Auflösungsvermögens und von Schärfentiefenanforderungen von der Erfassungseinrichtung 3, die insbesondere als Kamera ausgeführt ist, auflösbar sind. Die sekundären Muster S1, S2 usw., wobei hier lediglich zwei sekundäre Muster S1 und S2 dargestellt sind und verwendet werden, weisen die gleiche Linienperiode LP auf wie das Primärmuster P, jedoch sind Sekundärmuster S1 und S2 fortschreitend zueinander und zum Primärmuster P verschoben. Eine Linienperiode LP ist dabei ein Abstand zwischen erzeugten Linien L. Die Verschiebung bewirkt eine signifikante Erhöhung der Messdatendichte, da lediglich an Stellen einer Linie L Datenpunkte erzeugt werden können und so wirksam Anzahl und auftreffende Orte der Linien L erhöht werden, wobei sich das Gesamtmuster GM ergibt. Das Gesamtmuster GM weist als Messelemente eine Aneinanderreihung von Messlinien L auf, wobei in dem Gesamtmessmuster GM alle möglichen Positionen von Messlinien L in sich entlang der Aneinanderreihung der Messlinien L räumlich wiederholende als Fenster F bezeichnete Abschnitte geschaffen werden können, wobei in einem Fenster F jeweils eine Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien L im Gesamtmessmuster GM den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster GM codiert. 2 zeigt, dass mittels einer Projektoreinrichtung 1 eine Vielzahl von Messmustern P, S1, S2 auf die Oberfläche eines Objektes O projizieren kann, wobei die Messmuster P, S1 und S2 überlagert das dargestellte Gesamtmessmuster GM erzeugen. In einem räumlichen Abschnitt PS, der durch zwei vertikale Linien eingegrenzt ist, ist die interne Verschiebung der Muster P, S1, S2 ersichtlich. Ein Fenster F kann ebenso als ein Eindeutigkeitsfenster bezeichnet werden. In dem Gesamtmessmuster GM, das auch als akkumuliertes Muster bezeichnet werden kann, sind wirksame Datenpunkte erzeugt, wobei die jeweiligen Sekundärmuster S1 und S2 codieren.
Sind eine Linienperiode LP und eine Anzahl von N_sek Sekundärmustern, und zwar hier ist N_sek = 2, gegeben, so weist eine vorteilhafte Ausführungsform eine Verschiebung von LP/(N_sek + 1) auf, d.h., eine gleichförmige Verteilung und Verschiebung der Linie entlang einer zeitlichen Abfolge einer Musterprojektion kann damit geschaffen werden.

Im Gegensatz zum Primärmuster P sind die sekundären Linienmuster S1 und S2 nicht voll besetzt. Innerhalb der Sequenz oder Reihenfolge des Gesamtmessmusters GM, das gemäß 2 hier beispielsweise aus drei Mustern besteht, können bei N Linien L im primären Muster P genau N benachbarte Gruppen Gi aus anwesenden Linien L und nicht anwesenden Linien L in den Sekundärmustern S1 und S2 gebildet werden, wobei gemäß 2 beispielsweise Gruppen G1 und G2 dargestellt sind. Die Anwesenheit oder Abwesenheit von Linien L in den Sekundärmustern S1 und S2 enthält als Ganzes eine binäre Information mit einer Bittiefe in Höhe der Anzahl der Sekundärmuster N_sek, d.h. bei N_sek Sekundärmustern können 2^N_sek oder 2 hoch N_sek Gruppen, die ebenso als Symbole bezeichnet werden können, mit verschiedenen Kombinationen aus an- oder abwesenden Linien erzeugt werden. Hierzu wird auf die folgende Tabelle 1 verwiesen:
Die codierte Serie von Linienmustern beispielsweise in Form von dem Primärmuster P und den Sekundärmustern S1 und S2 ermöglicht Symbole, die aus entsprechenden Kombinationen von an- oder abwesenden Linien L bei einer beispielhaften Anzahl von N_sek = 2 Sekundärmustern geschaffen werden können. Tabelle 1:

Symbol index:	0	1	2	3
Primärmuster P:	Linie	Linie	Linie	Linie
Sekundärmuster S1:	Linie	Linie	Keine	Keine
			Linie	Linie
Sekundärmuster S2:	Linie	Keine	Linie	Keine
		Linie		Linie

Die Gesamtheit an projizierten Symbolen kann als Symbolsequenz bezeichnet werden. Die Symbolsequenz hat eine Länge N, wobei N der Anzahl an Linien L im primären Muster P entspricht. Die Symbolsequenz kann beispielsweise so gestaltet sein, dass innerhalb eines sogenannten Fensters F, das ebenso als Eindeutigkeitsfenster bezeichnet werden kann, von benachbarten Symbolen, die Kombination aus Symbolen einmalig ist. Tabelle 2 zeigt eine beispielhafte Symbolsequenz mit einem Fenster F der Länge 3 sowie die ersten sechs Symbolsequenz- bzw. Streifenindizes und deren Symbole im Fenster F. Tabelle 2: Symbolsequenz:
Symbolsequenzindizes und Symbolsequenzwörter:
0:0,0,0
1:0,0,1
2:0,1,0
3:1,0,0
4:0,0,2
5:0,2,0
...
Damit zeigt Tabelle 2 ein Ausführungsbeispiel einer Symbolsequenz, ein Eindeutigkeitsfenster bzw. Fenster F sowie Sequenz- bzw. Streifenindizes.
Gemäß diesem insbesondere mittels der Symbolsequenz gemäß Tabelle 2 dargestellten Ausführungsbeispiel können im Kamerabild des primären Musters P drei benachbarte Linien L gefunden werden. Die An- und Abwesenheit von Linien L in den Sekundärmustern S1 und S2 im entsprechenden Suchbereich, wobei die Sekundärlinien L zwischen den Primärlinien L liegen müssen, stellt eine Sequenz der Symbole, und zwar hier im Fenster F die Kombination 0,2,0 dar, die aus der Tabelle 1 abgeleitet werden kann und ein sogenanntes Wort W erzeugt. So wird das Symbol 2 derart erzeugt, dass eine Linie L ausschließlich im Sekundärmuster S2 erzeugt ist. Das Symbol 0 wird derart erzeugt, dass Linien L in beiden Sekundärmustern S1 und S2 erzeugt sind. Symbol 3 wird dadurch erzeugt, dass keine Linien L in den Sekundärmustern S1 und S2 erzeugt sind. Eine Suche in der Symbolsequenz, mit der die Linienmuster generiert wurden, ergibt, dass das Wort W:0,2,0 an Stelle 6 auftritt bzw. beginnt. Damit ist bekannt, dass die drei Streifen des primären Musters P die Streifenindizes 6, 7 und 8 besitzen. Mit den Streifenindizes sind die geometrischen Gleichungen der Lichtebenen, sowohl der entsprechenden drei Linien L des Primärmusters P, als auch der in diesem Fall 2 + 1 + 2 = 5 Sekundärlinien L, bekannt. Mit den Ebenengleichungen und den entsprechenden Sichtstrahlen aus dem Kamerabild können mittels Triangulation Messpunkte berechnet werden. 3 zeigt ein Flussdiagramm dieses Ablaufs.
Eine Verwendung eines voll besetzten Primärmusters P und mehrerer Sekundärmuster S1, S2, ... bewirkt eine Maximierung einer Datendichte und eine erhöhte Robustheit der Musterdecodierung, wobei eine gleichförmigere Messdatendichte über eine gesamte Messfläche bewirkt werden kann. Eine Verschiebung von Positionen von Linien L zwischen Mustern innerhalb der Sequenz oder des Gesamtmusters GM bewirkt eine wirksame Erhöhung der Messdatendichte, da lediglich an Stellen einer Linie L Datenpunkte erzeugt werden können und so effektiv Anzahl und auftretende Orte der Linien L erhöht werden können. Ein Auslassen von Symbolen mit niedriger oder gar keiner Besetzung von Linien L bewirkt vorteilhaft eine höhere Anzahl an Messpunkten in der Sequenz bzw. dem Gesamtmessmuster GM.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Ausgestaltung eines Flussdiagramms. Auf der Grundlage einer zu erzeugenden Symbolsequenz 0,0,0,1,0,0,2 ..., die hier beispielhaft angegeben ist, können Messmuster in der Ausgestaltung eines Primärmusters P und in Ausgestaltung von Sekundärmustern S1, S2 ... S(Ni – 1) auf ein Messobjekt O projiziert werden. Aus jedem projizierten Muster P, S1, S2 ... kann ein Kamerabild CIi mit i = 1, 2 ... Ni erzeugt werden. Mittels einer Erfassungseinrichtung 3, die insbesondere eine Kamera sein kann, können primäre Streifen einerseits und sekundäre Streifen bzw. Linien L andererseits erfasst werden. Mittels einer Rechnereinrichtung 5 können den erfassten Linien L in einem Schritt SR1 entsprechende Symbole zugeordnet werden. Mittels eines zweiten Schrittes SR2 kann in der Rechnereinrichtung 5 die erzeugte Symbolstruktur wieder decodiert werden, wobei die ursprüngliche projizierte Symbolsequenz dazu herangezogen werden kann. Mit einem dritten Schritt SR3 können mittels der Rechnereinrichtung 5 der Linienindex bzw. Symbolindex aus den primären und sekundären Linien für einen vierten Schritt SR4 der Triangulation herangezogen werden, wobei mittels eines fünften Schrittes SR5 mittels der Rechnereinrichtung 5 aus der Triangulation eine 3D-Punktwolke generiert werden kann. Für den vierten Schritt SR4 können mittels eines Nebenschrittes SR4.1 Kalibrierungsdaten verwendet werden. 3 zeigt damit ein Flussdiagramm beginnend von der Musterprojektion, über ein Kamerabild CIi zu einer 3D-Punktwolke.
4 zeigt eine zweite Darstellung des Ausführungsbeispiels von erfindungsgemäßen Messmustern P, S1 und S2 sowie des dazugehörigen erfindungsgemäßen Gesamtmessmusters GM gemäß 2. Auf ein dargestelltes Messobjekt O werden diese beispielhaften Muster projiziert. Als Messergebnis aus dem Primärmuster P und den zwei Sekundärmustern S1 und S2, die eine jeweilige Anordnung von Linien L aufweisen, kann eine sogenannte 3D-Punktwolke generiert werden. Die Verarbeitung erfolgt insbesondere mittels einer Rechenvorrichtung 5.
5a zeigt eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Messmusters. Ein derartiges Messmuster kann beispielsweise ein primäres Messmuster P oder sekundäre Messmuster S1 oder S2 sein.
Im Gegensatz zur abbildenden Projektion, wobei das projizierte Muster vorwiegend mittels Lichtbrechung, das heißt refraktiv, erzeugt wird, wird bei der diffraktiven Projektion das Muster vorwiegend mittels Beugung erzeugt, und zwar in der Regel mittels sogenannter diffraktiver, optischer Elemente (DOEs). Die diffraktive Projektion von Messmustern ist besonders lichteffizient, schränkt aber die Gestaltung der Messmuster ein. Die Dichte der Messlinien im Messraum ist begrenzt durch die Auflösung der Kameras, die zur Auswertung verwendet werden. Ist die Liniendichte zu hoch ausgelegt, können gegebenenfalls Messlinien, wie diese beispielsweise in 2 dargestellt sind, nicht mehr zuverlässig unterschieden werden. Eine weitere Begrenzung liegt in der optischen Informationskapazität der diffraktiven optischen Elemente. Es können nicht beliebig komplexe Muster in beliebiger Auflösung reproduziert werden. Die maximal mögliche Liniendichte kann in der Regel nicht ausgeschöpft werden, da die Anordnung der Linien Informationen zur Decodierung des Linienmusters tragen muss. Im Falle eines vollständig besetzten Musters, beispielsweise bei der maximalen Liniendichte, würde das Linienmuster keine solchen Informationen tragen, das heißt das Linienmuster wäre nicht lokal einzigartig, sondern gleichförmig beziehungsweise periodisch. Die lokale Einzigartigkeit wird aber benötigt, da zur 3D-Rekonstruktion mittels Triangulation eine Beziehung zwischen dem Ursprung einer jeweiligen projizierten Linie und der Sichtlinie einer oder mehrerer Kameras beziehungsweise Erfassungseinrichtungen hergestellt werden muss, was als Korrespondenzproblem bezeichnet wird. In der Praxis werden zur lokal variierenden Codierung der Information nicht alle auflösbaren Linien projiziert. Dies führt allerdings zu einer reduzierten Anzahl an auflösbaren Messlinien, da diese nur am Ort einer projizierten Linie ermittelt werden können.
5a zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform eines diffraktiven Mustersequenzprojektors als ein Ausführungsbeispiel einer Projektoreinrichtung 1. Eine Lichtquelle 6, die vorzugsweise ein Laser sein kann, bestrahlt ein optisches Element 7 zur Erzeugung einer jeweiligen Linie L. Vorzugsweise kann ein optisches Element 7 eine sogenannte Powell-Linse sein, es kann jedoch ebenso ein diffraktives optisches Element DOE oder ein anderes Verfahren zur Erzeugung von Linien L verwendet werden. Eine Powell-Linse bewirkt vorteilhaft eine homogene Lichtverteilung und eine hohe Linienqualität, insbesondere in Bezug auf eine Schärfe und eine Homogenität. Zudem weist eine resultierende Linie L keine 0. Beugungsordnung auf. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer Auslegung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines "Lichtbudgets" im Rahmen der Augensicherheit.
Eine Laserlinie trifft auf ein Element zur mehrfachen Strahlteilung mit individuell definierten Umlenkwinkeln, wobei dieses Element vorzugsweise ein diffraktives optisches Element DOE sein kann. Die selektive Strahlteilung bewirkt die Erzeugung eines Musters von Linien L entsprechend der Vorgaben einer Symbolsequenz. Dieses Muster kann periodisch, und zwar beispielsweise im Falle eines Primärmusters P, oder nicht periodisch, und zwar im Falle eines sekundären Musters S1 oder S2 sein. Vorteilhaft ist die Verwendung einer Symbolsequenz, die eine spiegelsymmetrische Mustersequenz erzeugt oder aus der Mustersequenz ableitbar ist, da diese mit geringem Aufwand mit diffraktiven optischen Elementen DOEs dargestellt werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können das Element zur Linienerzeugung sowie der Strahlteiler in einem einzigen optischen Element zusammengefasst sein, und zwar beispielsweise in einem diffraktiven optischen Element DOE. Zwar ist eine Regulierung der Temperatur von Laserdioden nicht erforderlich, aber es ist vorteilhaft, da die erzeugte Laserwellenlänge und damit eine Wiedergabe eines jeweiligen Musters reproduzierbarer wird. Mittels einer gezielten Temperaturregelung individueller Laserdioden kann eine herstellungsbedingte Streuung von Laserwellenlängen teilweise oder ganz kompensiert werden.
Eine Verwendung einer codierten, monochromatischen Liniensequenz bewirkt vorteilhaft eine Lösung des sogenannten Korrespondenzproblems. Eine monochromatische Liniensequenz ist diffraktiv projizierbar, wobei dies zu einer signifikant höheren Lichteffizienz führt, so dass die Kosten der Lichtquelle 6 sinken, sehr große Flächen des Messobjekts O vermessen werden können und/oder vergleichsweise viel Umgebungslicht toleriert werden kann. Eine monochromatische Projektion ermöglicht die Verwendung kameraseitiger Bandpassfilter, die zusätzlich zur Eliminierung von Umgebungslicht beitragen können. Eine Verwendung einer Kombination aus einer Powell-Linse und einem diffraktiven Strahlteiler bewirkt eine hohe Qualität von erzeugten Linien L sowie eine drastische Reduzierung einer Intensität in der 0. Beugungsordnung, so dass eine Erhöhung eines augensicheren Lichtbudgets um ein Vielfaches bewirkt wird.
5b zeigt eine Draufsicht des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Messmusters gemäß 5a. Entsprechend sind in 5b die mittels insbesondere diffraktiver Projektion erzeugten Messlinien L sichtbar, die auf ein Messobjekt O projiziert werden können. Zusätzlich ist in 5b dargestellt, dass in einer vorteilhaften Ausführungsform sich hinter einem diffraktiven optischen Element DOE eine Einrichtung zur variablen Strahlumlenkung befinden kann, so dass Messmuster zur Erhöhung einer Datendichte im Raum verschoben werden können. 5b zeigt, dass nach den Mustererzeugungselementen ein Scan-Spiegel SM zur Bereitstellung einer derartigen Verschiebung positioniert wurde.
5c zeigt eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion von Messmustern. Gemäß 5c sind zur Erzeugung einer Mustersequenz bzw. eines Gesamtmessmusters GM eine Mehrzahl von Laserprojektoren nebeneinander angeordnet. Dabei können die Laserprojektoren jeweils eine Einheit aus einem Laser, einem Liniengenerator und einem Strahlteiler sein. Diese Laserprojektoren können zur Erzeugung einer Mustersequenz bzw. eines Gesamtmusters GM sequentiell aktiviert und deaktiviert werden, so dass jeweils lediglich ein Laserprojektor aktiv ist. Zeitgleich kann mittels mindestens einer Kamera eine Bildaufnahme des jeweilig projizierten Musters, das beispielsweise ein Primärmuster P oder ein Sekundärmuster S1 oder S2 sein kann, auf dem Messobjekt O erzeugt werden. Die Laserprojektoren können mittels einer nicht dargestellten Steuereinrichtung sequentiell aktiviert und deaktiviert werden. Die Laserprojektoren können beliebig zueinander angeordnet sein. Eine lineare Anordnung der Projektoren parallel zum Verlauf der erzeugten Linien L der Muster ist jedoch besonders vorteilhaft, da dies die Zuordnung der Linien L wirksam erleichtert. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können Laser verschiedener Wellenlängen verwendet werden. Bei einer entsprechenden Auslegung einer dazugehörigen Erfassungseinrichtung 3, die insbesondere eine Kamera, und zwar insbesondere eine Farbkamera sein kann, können auf diese Weise mehrere Muster bzw. gegebenenfalls alle Muster gleichzeitig projiziert, aufgenommen und getrennt ausgewertet werden. Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung von Laser-Arrays mit je einer Linienoptik und einem diffraktiven Mehrfach-Strahlteiler, da eine leistungsfähige und lichteffiziente sowie kosteneffiziente Projektion von Mustersequenzen mit schnellen Projektionszyklen und Musterwechseln bereitgestellt werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zur Projektion einer Sequenz von Linien L lediglich eine Lichtquelle 6, die vorzugweise ein Laser sein kann, verwendet werden. Die Projektion der Sequenz von Linien L wird mittels einer steuerbaren und hier nicht dargestellten Einrichtung zum Wechsel selektiver Strahlteiler erzeugt.
Alle beschriebenen Varianten von Mustersequenzen von Linien L sind geeignet, mittels diffraktiver Laserprojektion erzeugt zu werden, was die Projektion mittels refraktiven Techniken jedoch nicht ausschließt. Die diffraktive Laserprojektion hat folgende Vorteile. Eine signifikant höhere Lichteffizienz im Vergleich zu einer abbildenden oder absorptiven Projektion. Eine schmalbandig-monochromatische Projektion ermöglicht effektives Ausblenden von Umgebungslicht mittels kameraseitiger Bandpassfilter. Eine monochromatische Projektionswellenlänge kann in weiten Grenzen gewählt werden, und zwar ebenso zur unsichtbaren Nah-Infrarot-Projektion. Ein Aufbau einer Projektoreinrichtung 1 kann kosteneffizient und kompakt erfolgen. Die mittels einer Anordnung gemäß 5c erzeugten Muster können beispielsweise ein Primärmuster P, ein Sekundärmuster S1 sowie ein zweites Sekundärmuster S2 sein.
Eine technische Möglichkeit zur Erhöhung der Liniendichte liegt in der zeitlich aufeinanderfolgenden, sequentiellen Projektion mehrerer Messmuster. Die zeitliche Variation der Messmuster, beispielsweise mittels eines Scanspiegels SM gemäß 5b, bietet dann einen zusätzlichen Informationskanal für die Decodierung des Musters, so dass es gegebenenfalls möglich ist, die durch die Kameraauflösung begrenzte, maximal mögliche Punktdichte zu erreichen.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren dient zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objektes O mittels einer strukturierten Beleuchtung, wobei folgende Schritte ausgeführt werden. Mit einem ersten Schritt Sr1 erfolgt ein diffraktives Projizieren von aus Messlinien L, bestehenden Messmustern auf die Oberfläche des Objekts, wobei die Projektoreinrichtung 1 eine Abfolge von aus Messlinien bestehenden Messmustern auf die Oberfläche des Objektes projiziert, wobei die Abfolge der Messmuster überlagert ein Gesamtmessmuster ausbildet, in dem alle möglichen Positionen von Messlinien in sich wiederholenden Fenstern dargestellt und zusammengefasst sind, in denen eine jeweilige Kombination von vorhandenen und/oder nicht vorhandenen Messlinien in einem Fenster den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster codiert. Mit einem zweiten Schritt Sr2 erfasst eine Erfassungseinrichtung 3 gleichzeitig zum Schritt Sr1 die Messmuster auf der Oberfläche des Objektes. Mit einem dritten Schritt Sr3 kann mittels einer Rechnereinrichtung die Oberfläche des Objektes aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters rekonstruiert werden. Als Rechenverfahren beziehungsweise als Verfahren zur Berechnung von 3D-Koordinaten eignet sich insbesondere die Triangulation.

[1] Forster, „Real-Time Range Imaging for Human-Machine Interfaces", Dissertation an der Technischen Universität München, 2004.
[2] Li Zhang, Brian Curless, and Steven M. Seitz, "Rapid shape acquisition using color structured light and multi-pass dynamic programming", in the 1st IEEE International Symposium on 3D Data Processing, Visualization, and Transmission, pages 24–36, 2002.
[3] Chen, "3-D shape measurement by composite pattern projection and hybrid processing", College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China, 2007.
[4] Schmalz, Angelopoulou, "Robust Single-Shot Structured Light", Siemens AG, München, Universität Erlangen, 2010.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5548418 [0010]
US 7433024 B2 [0011]
WO 2007/043036 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Forster, „Real-Time Range Imaging for Human-Machine Interfaces“, Dissertation an der Technischen Universität München, 2004 [0074]
Li Zhang, Brian Curless, and Steven M. Seitz, “Rapid shape acquisition using color structured light and multi-pass dynamic programming”, in the 1st IEEE International Symposium on 3D Data Processing, Visualization, and Transmission, pages 24–36, 2002 [0074]
Chen, “3-D shape measurement by composite pattern projection and hybrid processing”, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China, 2007 [0074]
Schmalz, Angelopoulou, “Robust Single-Shot Structured Light”, Siemens AG, München, Universität Erlangen, 2010 [0074]

Claims

Verfahren zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objektes (0) mittels einer strukturierten Beleuchtung, insbesondere mit Laserlicht, mittels folgender Schritte: – mittels mindestens einer Projektoreinrichtung (1) ausgeführtes Projizieren eines Messelemente aufweisenden Gesamtmessmusters auf die Oberfläche des Objekts; – mittels mindestens einer Erfassungseinrichtung (3) ausgeführtes Erfassen des Gesamtmessmusters auf der Oberfläche des Objekts; – mittels einer Rechnereinrichtung (5) ausgeführtes Berechnen, insbesondere Triangulieren, zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtmessmuster (GM) als Messelemente eine Reihenfolge von Messlinien (L) aufweist; in dem Gesamtmessmuster (GM) alle möglichen Positionen von Messlinien (L) in sich entlang der Reihenfolge räumlich wiederholenden als Fenster (F) bezeichneten Abschnitten enthalten sind, wobei in den Fenstern (F) eine jeweilige Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien (L) im Gesamtmessmuster (GM) den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster (GM) kodiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Projektoreinrichtung (1) eine Vielzahl von Messmustern (P, S1, S2) auf die Oberfläche des Objekts projiziert, wobei die Messmuster (P, S1, S2) überlagert das Gesamtmessmuster (GM) ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) zum Unterscheiden von Messmustern (P, S1, S2) diese in einer zeitlichen Abfolge projiziert.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) zum Unterscheiden von Messmustern (P, S1, S2), diese mit zueinander unterschiedlichen Lichtwellenlängen und insbesondere gleichzeitig projiziert.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) das Gesamtmessmuster als eine Aneinanderreihung zueinander beabstandeter und zueinander parallel angeordneter Messlinien (L), insbesondere gleicher Breite und/oder Intensität, erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) in mindestens einem als Primärmessmuster (P) bezeichneten Messmuster, insbesondere in den Fenstern (F), immer alle Messlinien (L) erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) drei Messmuster (P, S1, S2) erzeugt, wobei in jedem Fenster (F) in einem der Messmuster (P) des Gesamtmessmusters (GM) immer eine Messlinie (L) erzeugt ist und in den beiden anderen Messmustern (S1, S2) jeweils maximal eine Messlinie (L) erzeugt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) innerhalb der Vielzahl an Fenstern (F) jeweils lediglich Kodierungen mit einer Mindestanzahl von erzeugten Messlinien (L) ausbildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) in einem Fenster (F) eine Position als ein Wort (W) projiziert, das aus einer Reihenfolge von Symbolen besteht, die mittels einer jeweiligen Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien (L) geschaffen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) in der Gesamtheit aller benachbarten Fenster (F) eine Symbolsequenz entlang der Reihenfolge der Messlinien (L) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) ein Wort (W) innerhalb einer Symbolsequenz oder eines Gesamtmessmusters (GM) lediglich so oft erzeugt, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geometrischer Rahmenbedingungen zwischen Erfassungseinrichtung (3) und Projektoreinrichtung (1), insbesondere mittels Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbolsequenz bei einer Hamming-Distanz (h) von mindestens zwei ein beliebiges Wort (W1) von einem anderen beliebigen Wort (W2) an mindestens zwei Stellen unterschiedliche Symbole aufweisend erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbolsequenz mit einer Hamming-Distanz (h) derart erzeugt, dass ein jeweiliges Wort (W) bei einer Symbollänge kleiner oder gleich 4, eindeutig ist.
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbolsequenz mit einer Hamming-Distanz (h) und einer Größe der Fenster (F) derart oft aneinander reiht, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geometrischer Rahmenbedingungen zwischen Erfassungseinrichtung (3) und Projektoreinrichtung (1), insbesondere mittels Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist.
Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbolsequenz derart erzeugt, dass das Auftreten von Messlinien (L) achsen- oder punktsymmetrisch ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) zur Erhöhung einer Messelementdichte mittels rotatorisch oder translatorisch aktuierter Komponenten, insbesondere eines Scanspiegels (SM), eine zeitlich variierenden Verschiebung jeweiliger Messmuster (P, S1, S2) zueinander ausführt.
Vorrichtung zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objektes (0) mittels einer strukturierten Beleuchtung, insbesondere mit Laserlicht, aufweisend: – mindestens eine Projektoreinrichtung (1) zum, insbesondere diffraktiven, Projizieren eines Messelemente aufweisenden Gesamtmessmusters (GM) auf die Oberfläche des Objekts; – mindestens eine Erfassungseinrichtung (3) zum Erfassen des Gesamtmessmusters auf der Oberfläche des Objekts; – eine Rechnereinrichtung (5) zum Berechnen, insbesondere Triangulieren, zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters (GM), dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtmessmuster (GM) als Messelemente eine Reihenfolge von Messlinien (L) aufweist; in dem Gesamtmessmuster (GM) alle möglichen Positionen von Messlinien (L) in sich entlang der Reihenfolge räumlich wiederholenden als Fenster (F) bezeichneten Abschnitten enthalten sind, wobei in den Fenstern (F) eine jeweilige Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien (L) im Gesamtmessmuster (GM) den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster (GM) kodiert.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Projektoreinrichtung (1) eine Vielzahl von Messmustern (P, S1, S2) auf die Oberfläche des Objekts projiziert, wobei die Messmuster (P, S1, S2) überlagert das Gesamtmessmuster (GM) ausbilden.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) zum Unterscheiden von Messmustern (P, S1, S2) diese in einer zeitlichen Abfolge projiziert.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) zum Unterscheiden von Messmustern (P, S1, S2), diese mit zueinander unterschiedlichen Lichtwellenlängen und insbesondere gleichzeitig projiziert.
Vorrichtung nach Anspruch 17, 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) das Gesamtmessmuster als eine Aneinanderreihung zueinander beabstandeter und zueinander parallel angeordneter Messlinien (L), insbesondere gleicher Breite und/oder Intensität, erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) in mindestens einem als Primärmessmuster (P) bezeichneten Messmuster, insbesondere in den Fenstern (F), immer alle Messlinien (L) erzeugt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) drei Messmuster (P, S1, S2) erzeugt, wobei in jedem Fenster (F) in einem der Messmuster (P) des Gesamtmessmusters (GM) immer eine Messlinie (L) erzeugt ist und in den beiden anderen Messmustern (S1, S2) jeweils maximal eine Messlinie (L) erzeugt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) innerhalb der Vielzahl an Fenstern (F) jeweils lediglich Kodierungen mit einer Mindestanzahl von erzeugten Messlinien (L) ausbildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) in einem Fenster (F) eine Position als ein Wort (W) projiziert, das aus einer Reihenfolge von Symbolen besteht, die mittels einer jeweiligen Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien (L) geschaffen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) in der Gesamtheit aller benachbarten Fenster (F) eine Symbolsequenz entlang der Reihenfolge der Messlinien (L) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) ein Wort (W) innerhalb einer Symbolsequenz oder eines Gesamtmessmusters (GM) lediglich so oft erzeugt, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geometrischer Rahmenbedingungen zwischen Erfassungseinrichtung (3) und Projektoreinrichtung (1), insbesondere mittels Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) bei einer Hamming-Distanz (h) von mindestens zwei ein beliebiges Wort (W1) von einem anderen beliebigen Wort (W2) an mindestens zwei Stellen unterschiedliche Symbole aufweisend erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 26, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbolsequenz mit einer Hamming-Distanz (h) derart erzeugt, dass ein jeweiliges Wort (W) bei einer Symbollänge kleiner oder gleich 4 eindeutig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, 27, 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbolsequenz mit einer Hamming-Distanz (h) und einer Größe der Fenster (F) derart oft aneinander reiht, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geometrischer Rahmenbedingungen zwischen Erfassungseinrichtung (3) und Projektoreinrichtung (1), insbesondere mittels Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, 27, 28, 29 oder 30 dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbolsequenz derart erzeugt, dass das Auftreten von Messlinien (L) achsen- oder punktsymmetrisch ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) zur Erhöhung einer Messelementdichte mittels einer zeitlich variierenden zueinander ausgeführten Verschiebung jeweiliger Messmuster (GM, P, S1, S2) rotatorisch oder translatorisch aktuierte Komponenten, insbesondere einen Scanspiegel (SM), aufweist, so dass insbesondere Messmuster im Raum verschoben werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) für jedes aus Messlinien (L) bestehende Messmuster (GM, P, S1, S2) räumlich getrennt jeweils eine Lichtquelle (6), insbesondere einen Laser, sowie eine Messlinien (L) erzeugende Optik (7) und ein diffraktives optisches Element (DOE) oder ein Messlinien (L) erzeugendes diffraktives optisches Element (DOE) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1), insbesondere entlang der Messlinien (L), eine lineare Anordnung, einer Mehrzahl von jeweils eine Lichtquelle (6) sowie eine Messlinien (L) erzeugende Optik (7) und ein diffraktives optisches Element (DOE) oder ein Messlinien (L) erzeugendes diffraktives optisches Element (DOE) aufweisender Projektoren aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) für alle aus Messlinien (L) bestehenden Messmuster (GM, P, S1, S2) eine Lichtquelle (6), insbesondere einen Laser, sowie eine Einrichtung zum Auswechseln einer Mehrzahl von Linien erzeugenden Optiken (7) und diffraktiven optischen Elementen (DOE) und/oder einer Mehrzahl von Messlinien (L) erzeugenden diffraktiven optischen Elementen (DOE) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle(n) (6) eine Temperaturregelung(en) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 34 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (6) jeweils eine Wellenlänge mit zueinander unterschiedlichen Wellenlängen emittieren und die Erfassungseinrichtungen (3) Farbkameras sind.