DE10328523A1

DE10328523A1 - Verfahren und Meßvorrichtung zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche sowie Verfahren zur automatischen Entzerrung von Koordinaten von Bildpunkten

Info

Publication number: DE10328523A1
Application number: DE2003128523
Authority: DE
Inventors: Viktor Lutz
Original assignee: Schreck Mieves GmbH
Current assignee: Rs Gleisbau De GmbH
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: DE10328523B4; WO2004113831A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßvorrichtung (7) zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche (4), vorzugsweise zur Vermessung von Schienenprofilen, wobei zumindest eine von einer Laserstrahlebene (2) auf die Oberfläche (4) projizierte Laserlinie (3) mit einer Aufnahmeeinrichtung (5) zumindest bereichsweise aufgenommen wird. Um ein Verfahren und eine Meßvorrichtung jeweils der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem bzw. mit der die berührungslose Vermessung einer Kontur einer Oberfläche (4) in einfacher Weise und kostengünstig durchführbar ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine Mehrzahl von Kalibrierbereichen vorgesehen wird, wobei die Kalibrierbereiche in wenigstens einer gemeinsamen Kalibrierebene angeordnet sind und wobei die Kalibrierebene die zu vermessende Oberfläche (4) unter einem Winkel schneidet, daß Referenzkoordinaten der Kalibrierbereiche in der Kalibrierebene bestimmt werden, daß die Kalibrierbereiche und die Laserlinie (3) in wenigstens einer Aufnahme gemeinsam aufgenommen werden, daß die Koordinaten der Kalibrierbereiche und die Koordinaten der Laserlinie (3') in der Aufnahme ermittelt werden, daß aus den Referenzkoordinaten und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme eine Transformationsmatrix berechnet wird und daß mit der Transformationsmatrix die Koordinaten der Laserlinie (3') in der Aufnahme entzerrt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßvorrichtung zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche, vorzugsweise zur Vermessung von Schienenprofilen, wobei zumindest eine von einer Laserstrahlebene auf die Oberfläche projizierte Laserlinie mit einer Aufnahmeeinrichtung zumindest bereichsweise aufgenommen wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur automatischen Entzerrung von Koordinaten von Bildpunkten in einer digitalen Aufnahme, insbesondere zur Entzerrung von Laserlinienpunkten bei der berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche.

Meßsysteme, die nach dem Lichtschnittverfahren arbeiten, werden zur berührungslosen Profilvermessung von Bauteilen eingesetzt. Dabei werden eine oder mehrere von einer Lasereinrichtung erzeugte Laserstrahlebenen auf die zu vermessende Oberfläche projiziert und die sich auf dem Profil darstellende Laserlinie von einer Aufnahmeeinrichtung aufgenommen. Eine Rechnereinrichtung wertet die aufgenommene Laserlinie aus und berechnet dabei einen kalibrierten 2D-Profilschnitt der vermessenen Oberfläche. In der Regel wird jede Messung protokolliert und steht zum Beispiel für Maßnahmen der Qualitätssicherung zur Verfügung. Vorhandene Meßsysteme, die nach dem Lichtschnittverfahren arbeiten, weisen eine starre Anordnung der Lasereinrichtung und der Aufnahmeeinrichtung mit genau definierten Abmessungen auf. Dadurch ist eine geometrische Zuordnung und somit die anschließende Entzerrung der aufgenommenen Laserlinie anhand der Aufnahme möglich. Die Parameter der Aufnahmeeinrichtung müssen allerdings vor der Messung exakt festgelegt und kalibriert werden. Wird die Anordnung der Aufnahmeeinrichtung verändert oder eine andere Aufnahmeeinrichtung eingesetzt, muß sowohl die Aufnahmeeinrichtung als auch der zur Entzerrung der aufgenommenen Laserlinie vorgesehene Auswertungsalgorithmus neu kalibriert werden. Das ist aufwendig und führt zu hohen Kosten bei der berührungslosen Profilvermessung. Darüber hinaus zeichnen sich die bekannten Meßvorrichtungen durch einen hohen apparativen Aufwand und somit hohe Investitions- und Betriebskosten aus. Schließlich weisen die bekannten Meßvorrichtungen ein großes Bauvolumen auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Meßvorrichtung jeweils der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem bzw. mit der die berührungslose Vermessung einer Kontur einer Oberfläche in einfacher Weise und kostengünstig durchführbar ist.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorgesehen, daß eine Mehrzahl von Kalibrierbereichen vorgesehen wird, wobei die Kalibrierbereiche in wenigstens einer gemeinsamen Kalibrierebene angeordnet sind und wobei die Kalibrierebene die zu vermessende Oberfläche unter einem Winkel schneidet, daß Referenzkoordinaten der Kalibrierbereiche in der Kalibrierebene bestimmt werden, daß die Kalibrierbereiche und die Laserlinie in wenigstens einer Aufnahme gemeinsam aufgenommen werden, daß die Koordinaten der Kalibrierbereiche und die Koordinaten der Laserlinie in der Aufnahme ermittelt werden, daß aus den Referenzkoordinaten und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme eine Transformationsmatrix bzw. -berechnungsvorschrift berechnet wird und daß mit der Transformationsmatrix die Koordinaten der Laserlinie in der Aufnahme entzerrt werden. Bei einer Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 ist dementsprechend vorgesehen, daß wenigstens eine Kalibriereinrichtung mit einem Träger für eine Mehrzahl von Kalibriermitteln vorgesehen ist, daß jedes Kalibriermittel einen Kalibrierbereich aufweist und daß die Kalibriermittel derart auf dem Träger angeordnet sind, daß die Kalibrierbereiche in einer Kalibrierebene angeordnet sind und die Kalibrierebene im Meßzustand der Meßvorrichtung die Oberfläche unter einem Winkel schneidet, so daß die Kalibrierbereiche gemeinsam mit der Laserlinie in einer Aufnahme aufnehmbar sind.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Meßvorrichtung kann die berührungslose Vermessung einer Kontur einer Oberfläche wesentlich kostengünstiger und mit geringerem Aufwand durchgeführt werden, als dies mit den aus dem Stand der Technik bekannten Meßverfahren und Meßvorrichtungen der Fall ist. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung ein geringeres Bauvolumen auf. Erfindungswesentlich ist, daß zusammen mit der von einer Lasereinrichtung auf die zu vermessende Oberfläche projizierten Laserlinie eine Mehrzahl von Kalibrierbereichen gemeinsam mit der Laserlinie in einer Aufnahme aufgenommen werden. Um einen Maßstabsbezug zu erhalten und eine Transformation der in der Aufnahme "gezerrt" dargestellten Koordinaten der die Oberflächenkontur abbildenden Laserlinie in solche Koordinaten der Laserlinie zu ermöglichen, die der realen bzw. der nicht-gezerrten Oberflächenkontur entsprechen, werden in der gleichen Aufnahme die Laserlinie und die Kalibrierbereiche gemeinsam aufgenommen. Die Kalibrierbereiche werden in wenigstens einer gemeinsamen Kalibrierebene angeordnet, welche die zu vermessende Oberfläche unter einem Winkel schneidet. Dadurch ist es möglich, auf eine starre Anordnung der Aufnahmeeinrichtung relativ zu der Lasereinrichtung zu verzichten.

Die Laserlinie kann zusammen mit den Kalibrierbereichen unter einem beliebigen Winkel zur Oberfläche von der Aufnahmeeinrichtung aufgenommen werden. Die Aufnahmeeinrichtung kann von einem Bediener beispielsweise in der Hand gehalten werden, um eine Aufnahme zu machen, wobei der Bediener von jedem beliebigen Blickwinkel aus die Laserlinie zusammen mit den Kalibrierbereichen aufnehmen kann. Die Anordnung der Aufnahmeeinrichtung ist also beliebig, so daß nur eine Aufnahmeeinrichtung erforderlich ist, um die gesamte Kontur der zu vermessenden Oberfläche von mehreren Seiten aufzunehmen. Grundsätzlich kann die Aufnahmeeinrichtung allerdings auch ortsfest angeordnet sein. Ein Wechsel der Aufnahmeeinrichtung ist ebenso unproblematisch durchführbar, da weder die geometrische Lage der Aufnahmeeinrichtung relativ zu der Lasereinrichtung noch die spezifischen Orts- bzw. Lageparameter der Aufnahmeeinrichtung vor der Durchführung der Messung erfaßt werden müssen.

Die Kalibrierung erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Auswertung der zusammen mit der Laserlinie aufgenommenen Kalibrierbereiche. Die Kalibrierbereiche sind in wenigstens einer gemeinsamen Kalibrierebene angeordnet, wobei die Kalibrierebene die zu vermessende Oberfläche unter einem Winkel schneidet. Die Anordnung der Kalibrierbereiche in einer gemeinsamen Ebene und der festgelegte Schnittwinkel der Kalibrierebene mit der zu vermessenden Oberfläche vereinfacht die spätere Entzerrung der Koordinaten der aufgenommenen Laserlinie, worauf nachfolgend noch im einzelnen eingegangen wird.

Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, daß die Kalibrierbereiche in einer Mehrzahl von Kalibrierebenen angeordnet werden, wobei die Kalibrierebenen die zu vermessende Oberfläche auch unter verschiedenen Winkeln schneiden können. Voraussetzung dabei ist jedoch, daß die Ortkoordinaten der Kalibrierbereiche und/oder die Abstände der Kalibrierebenen und/oder die Schnittwinkel der Kalibrierebenen mit der zu vermessenden Oberfläche bekannt sein müssen, um eine anschließende Entzerrung der gezerrten Koordinaten der Laserlinie in der Aufnahme durchführen zu können.

Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Kalibrierbereiche von der Oberfläche des Bauteils beabstandet angeordnet werden, also nicht auf der Oberfläche aufliegen bzw. sich auf dieser befinden, so daß die Aufnahme der Kalibrierbereiche zusammen mit der Laserlinie auch bei wechselnden Aufnahmewinkeln der Aufnahmeeinrichtung relativ zu der Laserlinie in einem großen Winkelbereich möglich ist. Darüber hinaus wird die Entzerrung vereinfacht.

Die Entzerrung der Koordinaten der aufgenommenen Laserlinie läuft nun wie folgt ab. Zunächst ist es erforderlich, Referenzkoordinaten der Kalibrierbereiche in der Kalibrierebene zu bestimmen, wobei es sich im einfachsten Fall bei den zu bestimmenden Koordinaten um Abstandsmaße zwischen den Kalibrierbereichen handeln kann. Um die Ermittlung der Referenzkoordinaten zu erleichtern, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Kalibrierbereiche in regelmäßigen Abständen angeordnet vorgesehen werden. Eine weitere Vereinfachung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß punktförmige Kalibrierbereiche vorgesehen werden, deren Koordinaten mit einer hohen Präzision ermittelbar sind. Dies trägt auch dazu bei, daß die Auswertegenauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr hoch ist.

Nach der gemeinsamen Aufnahme der Kalibrierbereiche und der Laserlinie in wenigstens einer digitalen Bild- und/oder Videoaufnahme werden die Koordinaten der Kalibrierbereiche und die Koordinaten der Laserlinie in der Aufnahme ermittelt, so daß bei Kenntnis der Referenzkoordinaten und der Koor dinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme eine Transformationsmatrix zur Entzerrung der gezerrten Koordinaten der aufgenommenen Laserlinie berechenbar ist.

Die Entzerrung kann gemäß den aus der Fotogrametrie an sich bekannten Verfahren erfolgen. Die Entzerrung dient dazu, die in der Aufnahme – aufgrund der Abhängigkeit der Koordinaten der Laserlinie in der Aufnahme von dem Winkel der Aufnahmeeinrichtung relativ zur Laserlinie – nicht-realen bzw. gezerrten Koordinaten umzurechnen in eine Profildarstellung der vermessenen Oberfläche, die die realen Größenverhältnisse bzw. die entzerrte Kontur wiedergibt.

Grundsätzlich kann es sich bei der Aufnahmeeinrichtung um eine Fotokamera und/oder um eine Videokamera handeln, die zur digitalen Bild- und/oder Videoaufnahme geeignet ist. Vorzugsweise ist jede beliebige digitale Fotokamera bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar, was zur Einfachheit und zu den geringen Kosten des erfindungsgemäßen Verfahrens beiträgt.

Eine besonders einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Kalibrierebene in die Laserstrahlebene gelegt wird bzw. daß die Kalibrierbereiche in der Laserstrahlebene angeordnet werden. Dadurch sinkt der Aufwand zur Berechnung der Transformationsmatrix, da lediglich die Koordinaten der Kalibrierbereiche und der Laserlinie in X/Y-Richtung bekannt sein müssen. Es ist grundsätzlich jedoch auch möglich, daß die Kalibrierebene nicht in der Laserstrahlebene liegt, wobei der Schnittwinkel und/oder der Abstand zwischen der Laserstrahlebene und der Kalibrierebene ermittelt werden muß.

Um eine Transformationsmatrix aus den Referenzkoordinaten der Kalibrierbereiche und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme ermitteln zu können, ist es bei den üblicherweise zur Entzerrung eingesetzten mathematischen Verfahren notwendig, daß wenigstens vier Kalibrierbereiche in der Kalibrierebene vorgesehen werden, wobei, vorzugsweise, höchstens zwei Kalibrierbereiche auf einer gemeinsamen Geraden liegend angeordnet werden. Im einfachsten Fall kann es jedoch bereits ausreichend sein, zwei oder drei Kalibrierbereiche vorzusehen, um die Entzerrung der aufgenommenen Laser linie durchführen zu können. Die Anzahl der benötigten Kalibrierbereiche und deren Anordnung steht in Abhängigkeit zu dem zur Berechnung der Transformationsmatrix eingesetzten Algorithmus und die tolerierbare Rechenleistung und -dauer. Im übrigen können bedarfsweise die aus der projektiven Geometrie an sich bekannten Algorithmen zur Berechnung der Transformationsmatrix bzw. zur Entzerrung der Koordinaten der Bildpunkte der aufgenommenen Laserlinie eingesetzt werden.

Die Erfindung läßt es vorzugsweise zu, daß die Laserlinie aus mehreren Blickwinkeln bzw. Perspektiven und Stellungen der Aufnahmeeinrichtung aufgenommen wird. Ebenso gut ist es möglich, daß die Laserlinie – vor allem bei größeren Oberflächen – abschnittsweise aufgenommen wird oder daß eine Mehrzahl von Laserlinien aufgenommen wird. Die aufgenommenen Laserlinien können nach der Entzerrung zumindest bereichsweise überlagert werden, um die Kontur der vermessenen Oberfläche möglichst vollständig zu beschreiben. Der Begriff Oberfläche kann sich auf die Oberfläche eines Bauteils, eines Lebewesens oder auf jede denkbare Oberfläche beziehen, deren Kontur bzw. Höhenprofil vermessen werden soll.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ist bei dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 vorgesehen, daß Bildpunkte gemeinsam mit Kalibrierbereichen mit bekannten Referenzkoordinaten aufgenommen werden, wobei die Koordinaten der Kalibrierbereiche und der Bildpunkte in der Aufnahme vorzugsweise automatisch bestimmt werden, wobei eine Transformationsmatrix aus den Referenzkoordinaten und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme vorzugsweise automatisch berechnet wird und wobei die Entzerrung der Koordinaten der Bildpunkte in der Aufnahme automatisch auf Grundlage der Transformationsmatrix erfolgt. Dabei ist vorgesehen, daß eine Aufnahme einer Laserlinie einer zu vermessenden Oberfläche zunächst ausgewählt und auf einem Bildschirm der Rechnereinrichtung für einen Benutzer sichtbar dargestellt wird. Die Ermittlung der Kalibrierbereiche im Bild erfolgt vorzugsweise automatisch, wobei es die Erfindung auch zuläßt, daß der Benutzer den Auswertebereich kennzeichnet, in dem die Kalibrierbereiche und/oder die Laserlinie in der Aufnahme abgebildet sind. Der Benutzer kann auch manuell einzelne Bildpunkte bzw. Kalibrierbereiche auswählen. Die Position der Kalibrierbereiche kann darüber hinaus in einem Me nü hinterlegt werden, wobei diese Daten in einer Eingabemaske abgefragt und auf einer Speichereinrichtung der Rechnereinrichtung gespeichert werden können.

Die Kalibrierbereiche in der Aufnahme können ebenso wie die Bildpunkte der Laserlinie in der Aufnahme anhand von Kontrastwerten und/oder Helligkeitswerten automatisch erkannt und/oder markiert und/oder dem Benutzer angezeigt werden. Dies trägt zur einfachen Auswertung der Messung bzw. Entzerrung der aufgenommenen Laserlinie bei und erhöht den Benutzerkomfort bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Ergebnis werden die gezerrten Koordinaten der Kalibrierbereiche und der Bildpunkte der Laserlinie in der Aufnahme vorzugsweise automatisch detektiert.

Von Vorteil ist weiterhin, daß ein Schwellenwert für den Kontrast und/oder die Helligkeit, bei dessen Über- oder Unterschreiten ein Kalibrierbereich und/oder ein Bildpunkt in der Aufnahme erkannt und/oder markiert und/oder angezeigt wird, automatisch in Abhängigkeit von Kontrastwerten oder Helligkeitswerten der Aufnahme, also der Bildqualität der Aufnahme, verändert wird. Es ist jedoch auch möglich, daß Kontraste, Helligkeit und Ansprechschwellen für das Erkennen, das Markieren oder die Anzeige der Kalibrierbereiche und/oder der Bildpunkte der Laserlinie in der Aufnahme benutzergesteuert eingestellt werden, um bei wechselnden Verhältnissen im Bild die Kalibrierbereiche und/oder die Bildpunkte der Laserlinie mit hoher Genauigkeit und hoher Sicherheit erkennen zu können.

Um die Einfachheit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter zu erhöhen, ist es erfindungsgemäß möglich, daß aus den Referenzkoordinaten der Kalibrierbereiche und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme automatisch von der Rechnereinrichtung die Transformationsmatrix ermittelt wird. Nach Berechnung der Kalibrationsmatrix wird die Laserlinie vorzugsweise punktweise abgetastet, wobei die Bildpunkte der Laserlinie automatisch entzerrt werden. Dabei werden die gezerrten Koordinaten der Bildpunkte in der Aufnahme mittels der Transformationsmatrix in entzerrte Koordinaten umgerechnet, die die wahren Längen-, Größen- und Abstandsmaße der messenen Oberflächenkontur wiedergeben. Die automatische Abtastung der Laserlinie erfolgt der Kontur der Bildpunkte in der Aufnahme folgend, wobei der Aus wertebereich in der Aufnahme, in dem die Kalibrierbereiche und/oder die Bildpunkte der Laserlinie erkannt und/oder markiert und/oder angezeigt werden, automatisch durch die Rechnereinrichtung oder auch bedarfsweise benutzergesteuert festgelegt werden kann. Liegen beispielsweise die Helligkeitswerte und/oder die Kontrastwerte der Laserlinie in der Aufnahme und die Helligkeitswerte und/oder Kontrastwerte anderer Bildpunkte in der Aufnahme sehr nahe beieinander, ist es erfindungsgemäß von Vorteil, eine benutzergesteuerte Eingrenzung der Auswertebereiche in der Aufnahme vorzusehen. Somit kann in jedem Fall sichergestellt werden, daß die gewünschte Laserlinie und die Kalibrierbereiche entzerrt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß eine automatische und/oder benutzergesteuerte Korrektur von falsch erkannten Bildpunkten und/oder Kalibrierflächen der Aufnahme vorgesehen wird. Dadurch wird eine hohe Genauigkeit und Sicherheit bei der Auswertung der Messung erreicht. Beispielsweise können die Helligkeitswerte und/oder die Kontrastwerte der Bildpunkte der Laserlinie und/oder der Kalibrierbereiche in der Aufnahme mit Sollwerten oder Grenzwerten verglichen werden, wobei bei Abweichung der Helligkeits- und/oder Kontrastwerte der Bildpunkte und/oder der Kalibrierflächen von vorgegebenen Sollwerten oder Grenzwerten derjenige Bildpunkt bzw. diejenige Kalibrierfläche nicht in die Auswertung der Aufnahme einbezogen wird. Auch eine visuelle Kontrolle des Benutzers ist möglich und vorteilhaft.

Im übrigen ist es nicht erforderlich, das eine eine Laserlinie zeigende Aufnahme unmittelbar nach der Messung ausgewertet wird. Es ist ebenso gut möglich, daß die Auswertung nur bedarfsweise erfolgt, wobei zu einem späteren Zeitpunkt darüber entschieden werden kann, welche Aufnahme ausgewertet werden soll und welche nicht. Das trägt dazu bei, den Aufwand bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vermessung einer Oberflächenkontur möglichst gering zu halten. Die Aufnahmen können in einfacher Weise archiviert und bedarfsweise ausgewertet werden. Dabei darf darauf hingewiesen werden, daß unter dem Begriff "auswerten" nicht nur die Entzerrung der aufgenommenen Laserlinie anhand der Transformationsmatrix verstanden werden kann, sondern auch alle der Entzerrung folgenden, üblicherweise bei der berührungslosen Vermessung von Oberflächenkonturen vorgesehenen Aus wertungsabläufe, beispielsweise die visuelle Darstellung der Meßergebnisse und/oder deren Weiternutzung. Um auch zu einem späteren Zeitpunkt die Aufnahmen auswerten zu können, ist es erfindungsgemäß weiter von Vorteil, daß die Aufnahme als solche und/oder die Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme und/oder die Koordinaten der Bildpunkte in der Aufnahme und/oder die Referenzkoordinaten und/oder die Transformationsmatrix vorzugsweise gemeinsam gespeichert bzw. auf einem Speicher der Rechnereinrichtung hinterlegt werden. Es ist auch möglich, daß die Transformationsmatrix auf einem Speicher der Rechnereinrichtung hinterlegt wird, und die Ermittlung der Koordinaten der Kalibrierbereiche und der Bildpunkte in der Aufnahme erst zu einem späteren Zeitpunkt erfolgt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 im einzelnen beschrieben, ohne daß dadurch die Erfindung auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt wird. Es zeigen
1 das Grundprinzip der berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche nach dem Lichtschnittverfahren,
2 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche unter Verwendung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vermessung der Oberflächenkontur nach dem Lichtschnittverfahren und
3 eine Seitenansicht der in 2 dargestellten Meßvorrichtung zur Vermessung einer Oberflächenkontur.
In 1 ist das Grundprinzip der berührungslosen Oberflächenvermessung nach dem Lichtschnitt-Verfahren dargestellt. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform wird von einer Lasereinrichtung 1 eine Laserstrahlebene 2 erzeugt, die eine Laserlinie 3 auf eine profilierte Oberfläche 4 projiziert. Die Laserlinie 3 wird von einer Aufnahmeeinrichtung 5, bei der es sich beispielsweise um eine digitale Foto- und/oder Videokamera handeln kann, aufgenommen. Mit der Aufnahmeeinrichtung 5 ist eine Anzeigeeinrichtung 6 verbunden, die eine Aufnahme der Laserlinie 3 abbildet. Die in der Aufnahme abgebildete Laserlinie 3' unterscheidet sich von der auf die Oberfläche 4 projizierten Laserlinie 3 dadurch, daß die Laserlinie 3' eine perspektivisch gezerrte Abbildung der realen Kontur der vermessenen Oberfläche 4 darstellt. Dabei wird die durch die Laserlinie 3' dargestellte Oberflächenkontur des Meßobjektes in "gezerrten" Koordinaten angezeigt. Um aus der angezeigten Laserlinie 3' Rückschlüsse auf die Oberflächenkontur der Oberfläche 4 ziehen zu können, ist es notwendig, die Laserlinie 3' zu entzerren, wobei bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur berührungslosen Vermessung einer Oberflächenkontur nach dem Lichtschnittverfahren eine starre Anordnung der Lasereinrichtung 1 relativ zu der Aufnahmeeinrichtung 5 vorgesehen sein muß.
Die bei den bekannten Verfahren vorgesehene bzw. festgelegte geometrische Zuordnung der Aufnahmeeinrichtung 5 zur Lasereinrichtung 1 und deren Anordnung relativ zu der zu vermessenden Oberfläche 4 ermöglicht die Kalibrierung des Meßverfahrens. Durch die Kalibrierung und einen auf der Kalibrierung beruhenden Auswertungsalgorithmus ist es möglich, die beim Aufnehmen der Laserlinie 3 auftretenden perspektivischen Verzerrungen zu entzerren bzw. die gezerrten Koordinaten in der Aufnahme in vorzugsweise zweidimensionale entzerrte X/Y-Koordinaten zu transformieren, wobei die entzerrten Koordinaten der Bildpunke der Laserlinie 3' den wahren Größen-, Längen- und Abstandsverhältnissen der vermessenen Oberflächenkontur entsprechen.
In 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 7 zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche 4, im vorliegenden Fall zur Profilvermessung einer Schiene 8 dargestellt. Die Meßeinrichtung 7 weist gemäß der 2 zwei Lasereinrichtungen 1 auf, die jeweils eine Laserstrahlebene 2 erzeugen. Die Lasereinrichtungen 1 sind derart angeordnet, daß in dem in den 2 und 3 dargestellten Meßzustand der Meßvorrichtung 7 jeweils eine Laserlinie 3 auf die zu vermessende Oberfläche der Schiene 8 projiziert wird.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung 7 weist weiterhin eine Kalibriereinrichtung 9 mit einem Träger 10 für eine Mehrzahl von Kalibriermitteln 11 auf. Die Kalibriermittel 11 weisen jeweils einen Kalibrierbereich auf. Die Kalibriermittel 11 sind derart auf dem Träger 10 angeordnet, daß die zur Kalibra tion vorgesehenen Kalibrierbereiche in einer gemeinsamen Kalibrierebene angeordnet sind und die Kalibrierebene im Meßzustand der Meßvorrichtung 7 die Oberfläche der Schiene 8 unter einem Winkel schneidet. Gemäß den in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 7 ist die Meßvorrichtung 7 derart angeordnet, daß die Laserstrahlebene 2 und die die Kalibrierbereiche aufweisende Kalibrierebene senkrecht zur Oberfläche der Schiene 8 angeordnet sind. Grundsätzlich wäre aber auch jede andere winklige Anordnung möglich.
Wesentlich ist, daß die Kalibrierbereiche 11 zusammen mit der Laserlinie 3 in einer Aufnahme mit der Aufnahmeeinrichtung 5 aufnehmbar sind bzw. aufgenommen werden. Dies ist in 3 dargestellt, wobei darauf hingewiesen wird, daß es mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 7 nicht notwendig ist, die Aufnahmeeinrichtung 5 mit der Meßvorrichtung 7 zu verbinden. Die Aufnahmeeinrichtung 5 kann dadurch frei in beliebigen Winkeln relativ zu der Laserlinie 3 angeordnet werden, so daß Aufnahmen der Laserlinie 3 aus jeder gewünschten Perspektive möglich sind. Dies gilt solange, als daß zusammen mit der Laserlinie 3 die Kalibrierbereiche aufnehmbar sind. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, daß die Aufnahmeeinrichtung 5 mit der Meßvorrichtung 7 fest verbunden ist.
Gemäß der in der 3 dargestellten Ausführungsform ist der Träger 10 parallel zur Laserstrahlebene 2 angeordnet, wobei die Lasereinrichtung 1 fest mit dem Träger 10 verbunden ist. Die feste Anordnung der Lasereinrichtung 1 relativ zum Träger 10 erleichtert die Berechnung einer Transformationsmatrix zum Entzerren der Koordinaten der aufgenommenen Laserlinie 3' in der Aufnahme.
Wie aus 3 weiter hervorgeht, fallen die Kalibrierebene und die Laserstrahlebene 2 zusammen, die Kalibrierebene liegt also in der Laserstrahlebene 2. Es ist jedoch auch möglich, daß die Kalibrierebene und die Laserstrahlebene 2 durch einen Abstand voneinander beabstandet sind. Zur Entzerrung der Koordinaten der Laserlinie 3' in der Aufnahme ist es dann jedoch erforderlich, den Abstand zwischen der Kalibrierebene und der Laserstrahlebene 2 bei der Berechnung der Transformationsmatrix zu ermitteln.
Um eine Kalibrierung in einfacher Weise zu ermöglichen, weist der Träger 10 Kalibriermittel 11 auf, die vorzugsweise als Kalibrierstifte ausgebildet und senkrecht zur Laserstrahlebene 2 angeordnet sind. Die Kalibrierstifte sind an dem der Laserstrahlebene 2 zugewandten freien Ende 12 kugelförmig ausgebildet. Dadurch wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 7 sichergestellt, daß beim Eintauchen des freien Endes 12 der Kalibrierstifte in die Laserstrahlebene 2 ein Teil der Laserstrahlen von dem kugelförmigen freien Ende 12 der Kalibrierstifte reflektiert wird. Dadurch wird in einfacher Art und Weise an jedem freien Ende 12 eines Kalibriermittels 11 ein Kalibrierbereich in der Art einer punktförmigen Lichtquelle geschaffen, wobei die von dem freien Ende 12 reflektierten Strahlen der Laserebene 2 zusammen mit der Laserlinie 3 aufgenommen werden und in der Aufnahme anschließend als leicht erkennbare punktförmige Kalibrierflächen oder -bereiche erkennbar sind. Die Kalibrierbereiche und die projizierte Laserlinie 3 liegen bei dieser Ausführungsform der Erfindung in der gleichen geometrischen Ebene. Die Laserlinie 3' und die von den reflektierten Laserstrahlen erzeugten punktförmigen Kalibrierflächen in der Aufnahme weisen in etwa dieselben Helligkeitswerte und/oder Kontrastwerte auf, so daß eine Erkennung leicht möglich ist.
Die senkrechte Anordnung der Kalibrierstifte auf dem Träger 10 stellt dabei sicher, daß alle freien Enden 12 gleichzeitig in die Laserstrahlebene 2 eintauchen können. Dabei tangieren die freien Enden 12 gerade die Laserstrahlebene 2, wobei es bei entsprechender Ausbildung der Kalibriermittel 11 auch möglich ist, daß die Kalibriermittel 11 die Laserstrahlebene 2 zumindest bereichsweise schneiden. Wie bereits zuvor erläutert, sind die Kalibriermittel 11 derart angeordnet, daß zumindest vier freie Enden in die Laserstrahlebene 2 eintauchen, wobei höchstens zwei freie Enden 12 auf einer gemeinsamen Geraden liegen. Aus der 3 ist weiter zu ersehen, daß die Kalibriermitel 11 in regelmäßigen Abständen auf dem Träger 10 angeordnet sind, was die Ermittlung der Referenzkoordinaten der freien Enden 12 der Kalibriermittel 11 bzw. der Kalibrierbereiche erleichtert.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung eine Klemmeinrichtung 13 auf, mit der die Meßvorrichtung 7 an eine nicht im einzelnen dargestellte Winkelmeßeinrichtung, wie beispielsweise eine Wasserwaage, ange klemmt werden kann, wobei durch die Winkelmeßeinrichtung die vorzugsweise rechtwinklige Anordnung der Meßvorrichtung 7 auf der Oberfläche 4 der Schiene 8 eingestellt werden kann bzw. vorgegeben ist. Der Einfachheit halber handelt es sich bei der Winkelmeßeinrichtung um ein Spurweiten-Meßgerät, mit dem die Meßvorrichtung 7 über die Klemmeinrichtung 13 verbunden wird.
Bei der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 7 sind zwei Lasereinrichtungen 1 dargestellt, bei denen es sich beispielsweise um Linienlaserprojektoren handeln kann. Grundsätzlich können auch mehr als zwei Lasereinrichtungen vorgesehen sein. Die Lasereinrichtungen 1 sind derart zueinander angeordnet, daß im Meßzustand der Meßvorrichtung 7 die von den Lasereinrichtungen 1 erzeugten Laserstrahlebenen 2 in derselben geometrischen Ebene liegen und sich bereichsweise schneiden. Werden mehrere Lasereinrichtung 1 eingesetzt, ist es möglich, daß jeder Laserstrahlebene 2 eine Mehrzahl von Kalibriermitteln 11 zugeordnet ist und/oder das ein Kalibriermittel 11 mehrere Laserstrahlebenen 2 schneidend oder tangierend angeordnet ist.
Nicht im einzelnen dargestellt ist, daß die Meßvorrichtung 7 mit einer Rechnereinrichtung verbunden sein kann, die zur Auswertung der Aufnahmen vorgesehen wird. Dabei wird die aufgenommene Laserlinie 3', die die Oberflächenkontur bzw. das Höhenprofil der Schiene 8 quer zur Längsachse der Schiene 8 in gezerrten Koordinaten abbildet, in einem Koordinatensystem punktweise erfaßt und mit einer aus den Referenzkoordinaten der Kalibrierbereiche und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme ermittelten Transformationsmatrix bzw. -berechnungsvorschrift entzerrt. Die Entzerrung kann nach den Gesetzmäßigkeiten der projektiven Geometrie stattfinden.
Für den Fall, daß in einer Aufnahme nicht die gesamte Kontur der Oberfläche 4 sichtbar ist, können von der Oberfläche 4 mehrere Aufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven gemacht werden. Die entzerrten Koordinaten der Konturenlinien können dann überlagert werden.

Claims

Verfahren zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche, vorzugsweise zur Vermessung von Schienenprofilen, wobei zumindest eine von einer Laserstrahlebene (2) auf die Oberfläche (4) projizierte Laserlinie (3) mit einer Aufnahmeeinrichtung (5) zumindest bereichsweise aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, – daß eine Mehrzahl von Kalibrierbereichen vorgesehen wird, wobei die Kalibrierbereiche in wenigstens einer gemeinsamen Kalibrierebene angeordnet sind und wobei die Kalibrierebene die zu vermessende Oberfläche (4) unter einem Winkel schneidet, – daß Referenzkoordinaten der Kalibrierbereiche in der Kalibrierebene bestimmt werden, – daß die Kalibrierbereiche und die Laserlinie (3) in wenigstens einer Aufnahme gemeinsam aufgenommen werden, – daß die Koordinaten der Kalibrierbereiche und die Koordinaten der Laserlinie (3') in der Aufnahme ermittelt werden, – daß aus den Referenzkoordinaten und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme eine Transformationsmatrix berechnet wird und – daß mit der Transformationsmatrix die Koordinaten der Laserlinie (3') in der Aufnahme entzerrt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierebene in die Laserstrahlebene (2) gelegt wird oder daß der Schnittwinkel und/oder der Abstand zwischen der Laserstrahlebene (2) und der Kalibrierebene bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens vier Kalibrierbereiche vorgesehen werden, wobei, vorzugsweise, höchstens zwei Kalibrierbereiche auf einer gemeinsamen Geraden liegend angeordnet werden.
Verfahren zur automatischen Entzerrung von Koordinaten von Bildpunkten in einer digitalen Aufnahme, insbesondere zur Entzerrung von Laserlinienpunkten bei der berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberflä che (4), vorzugsweise bei der berührungslosen Vermessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bildpunkte gemeinsam mit Kalibrierbereichen mit bekannten Referenzkoordinaten aufgenommen werden, wobei die Koordinaten der Kalibrierbereiche und der Bildpunkte in der Aufnahme vorzugsweise automatisch bestimmt werden, wobei eine Transformationsmatrix aus den Referenzkoordinaten und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme vorzugsweise automatisch berechnet wird und wobei die Entzerrung der Koordinaten der Bildpunkte in der Aufnahme automatisch auf Grundlage der Transformationsmatrix erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierbereiche und/oder die Bildpunkte in der Aufnahme automatisch, vorzugsweise anhand von Kontrastwerten und/oder Helligkeitswerten, erkannt und/oder markiert und/oder angezeigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwellenwert für den Kontrast und/oder die Helligkeit, bei dessen Über- oder Unterschreiten eine Kalibrierfläche und/oder ein Bildpunkt in der Aufnahme erkannt wird, automatisch verändert wird, vorzugsweise in Abhängigkeit von Kontrastwerten und/oder Helligkeitswerten der Aufnahme.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme und/oder die Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme und/oder die Koordinaten der Bildpunkte in der Aufnahme und/oder die Referenzkoordinaten und/oder die Transformationsmatrix gemeinsam gespeichert werden und daß, vorzugsweise, die Entzerrung der Bildpunkte in der Aufnahme bedarfsweise erfolgt.
Meßvorrichtung (7) zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche (4), vorzugsweise zur Vermessung von Schienenprofilen, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einer eine Laserstrahlebene (2) erzeugenden Lasereinrichtung (1), wobei die Lasereinrichtung (1) derart angeordnet ist, daß im Meßzustand der Meßvorrichtung (7) eine Laserlinie (3) auf die zu vermessende Oberfläche (4) projizierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kalibiereinrichtung (9) mit einem Träger (10) für eine Mehrzahl von Kalibriermitteln (11) vorgesehen ist, daß jedes Kalibriermittel (11) einen Kalibrierbereich aufweist und daß die Kalibriermittel (11) derart auf dem Träger (10) angeordnet sind, daß die Kalibrierbereiche in einer Kalibrierebene angeordnet sind und die Kalibrierebene im Meßzustand der Meßvorrichtung (7) die Oberfläche (4) unter einem Winkel schneidet, so daß die Kalibrierbereiche gemeinsam mit der Laserlinie (3) in einer Aufnahme aufnehmbar sind.
Meßvorrichtung (7) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) parallel zur Laserstrahlebene (2) angeordnet ist und daß, vorzugsweise, die Lasereinrichtung (1) fest mit dem Träger (10) verbunden ist.
Meßvorrichtung (7) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) als Kalibriermittel Kalibrierstifte aufweist und daß, vorzugsweise, die Kalibrierstifte senkrecht zur Laserstrahlebene (2) angeordnet sind.
Meßvorrichtung (7) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierstifte an dem der Laserstrahlebene (2) zugewandten freien Ende (12) kugelförmig und/oder reflektierend ausgebildet sind, wobei die Kalibrierstifte mit ihrem freien Ende (12) die Laserstrahlebene (2) schneidend und/oder die Laserstrahlebene (2) tangierend angeordnet sind.
System zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche (4), vorzugsweise zur Vermessung von Schienenprofilen, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, mit wenigstens einer Meßvorrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, mit einer Aufnahmeeinrichtung (5), vorzugsweise einer Fotokamera und/oder einer Videokamera, und mit einer Rechnereinrichtung.