DE19502459A1 - Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung der Oberfläche von Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung der Oberfläche von Objekten mit großer Punktdichte, das die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist.

Die bekannten Verfahren dieser Art lassen sich mit verschiedenen Beleuch­ tungsverfahren wie Lichtschnitt, codierter Lichtansatz und Moir´ durchführen. Sie liefern zumindest dann sehr genaue Meßergebnisse wenn das Auflösungsvermögen der Videokamera und die Ausleuchtung der Oberfläche mit der Lichtstruktur gut ist.

Mit diesen Verfahren ist es möglich, eine Massenpunktbestimmung mit sehr hoher Punktdichte durchzuführen. Zu jedem Bildpunkt des Videobildes lassen sich die Koor­ dinaten des entsprechenden Oberflächenpunktes berechnen. Man spricht deshalb auch von einer bildgebenden Vermessung der Oberfläche. Nachteilig ist jedoch der relativ große Aufwand für die erforderliche Kalibrierung, also die Bestimmung der inneren und äußeren Orientierung sowohl des Projektors als auch der Kamera sowie deren optischen Konstanten und Parameter zur Korrektur von Objektivfehlern. Der Aufwand für die Bestimmung von Position und Orientierung der Kamera und des Projektors erhöht sich noch weiter, wenn das Objekt es erforderlich macht, die Kamera und den Projektor in mehrere Positionen zu bringen, sei es, weil die mittels des Projektors mit einer für die Auswertung ausreichenden Intensität ausleuchtbare und von Kamera er­ faßbare Fläche kleiner ist als die zu vermessende Oberfläche, sei es, daß das Objekt es erforderlich macht, seine Oberfläche aus unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten und aufzunehmen.

Der Gesamtaufwand läßt sich selbst dann nicht wesentlich reduzieren, wenn man den Projektor und die Kamera relativ zueinander mechanisch fixiert, also eine Projektor/Kamera-Einheit bildet und diese Einheit längs einer genau vermessenen Bahn bewegt. Hinzu kommt, daß bei großen Objekten, die einen großen Abstand der Einheit vom Objekt erforderlich machen, eine genaue Führung in vielen Fällen nicht mehr mit noch vertretbarem Aufwand realisiert werden kann oder häufig auch aus Platzgründen nicht in Frage kommt. Außerdem ist es bei solchen Einheiten nachteilig, daß Projektor und Kamera oft nicht in die günstigste Meßposition gebracht werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bildgebendes Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das zumindest weitgehend von den Nachteilen der bekann­ ten Verfahren frei ist und dadurch verbesserte Einsatzmöglichkeiten bietet. Diese Auf­ gabe löst ein Verfähren mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Bei der erfindungsgemäßen Kalibrierung mit Hilfe von objektfesten homologen Punk­ ten auf der zu vermessenden Oberfläche des Objektes unter Anwendung der aus der Photogrammetrie bekannten Bildtriangulation im Rahmen einer kombinierten Netz­ ausgleichung (nachfolgend als Bündelausgleichung bezeichnet) entfällt die Notwen­ digkeit, vor Beginn der Vermessung der Oberfläche des Objektes die Position und Orientierung von Projektor und Kamera mit Hilfe von Referenzkörpern und Vermes­ sungsmitteln, beispielsweise einer Koordinatenmeßmaschine zu bestimmen. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren macht es nämlich möglich, gestützt auf die mit der Kamera aufgenommenen Bilder nicht nur die Positionen und Orientierungen von Kamera und Projektor rechnerisch zu bestimmen, sondern auch die optischen Konstanten von Ka­ mera und Projektor sowie die Parameter zur Korrektur von Objektivfehlern zu berech­ nen. Vorteilhaft ist hierbei ferner, daß alle erforderlichen Berechnungen ausgeführt werden können, nachdem alle Aufnahmen gemacht und in digitaler Form abgespei­ chert worden sind. Wenn die Bilder eines Objektes gemacht sind, kann sich deshalb unmittelbar die Vermessung eines anderen Objektes anschließen, was beispielsweise die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Vermessung von Produk­ ten einer Serienfertigung erlaubt.

Von besonderem Vorteil ist ferner, daß für Standortveränderungen von Kamera und Projektor keine teuren mechanischen Führungsmittel erforderlich sind und außerdem die bei dem bekannten Verfahren in solchen Fällen erforderliche Verbindung von Ka­ mera und Projektor zu einer nur gemeinsam bewegbaren Einheit entfällt. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren läßt sich deshalb überall dort mit großem Vorteil anwenden, wo das Objekt wegen seiner Form und/oder Größe nicht nur Ortsveränderungen der Kamera, sondern auch des Projektors erforderlich macht. Dank der freien Bewegbar­ keit von Kamera und Projektor ist das erfindungsgemäße Verfahren auch vorzüglich für den Einsatz unter ungünstigen äußeren Bedingungen, beispielsweise in Produk­ tionshallen, geeignet, zumal Umgebungslicht in der Regel nicht störend ist.

Die für die Auswertung der mittels der Videokamera aufgenommenen Bilder zum Zwecke der Kalibrierung und zur Bestimmung der Koordinaten der Oberflächenpunkte hängt in erheblichem Maße von der Rechengeschwindigkeit des für die Auswertung der Videobilder zur Verfügung stehenden Rechners ab. Rechenzeiten in der Größen­ ordnung von 10 Sekunden bei 200.000 Bildpunkten lassen sich ohne weiteres errei­ chen. Die für die Vermessung einer Oberfläche erforderliche Zeit kann außerdem da­ durch verringert werden, daß man wenigstens eine zusätzliche Videokamera verwen­ det, die aus einer anderen Position als die erste Videokamera den mit der Lichtstruktur beleuchteten Oberflächenbereich aufnimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Kalibrierung nur für die Videoka­ mera oder Videokameras durchzuführen, also auf eine Kalibrierung des Projektors oder der Projektoren zu verzichten, wenn zusätzliche Aufnahmen des vom Projektor beleuchteten Oberflächenbereiches aus unterschiedlichen Positionen aufgenommen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb insgesamt sehr flexibel, d. h., an unterschiedliche, sowohl durch das Objekt als auch dessen Umgebung vorgegebene Bedingungen anpaßbar.

Bei den homologen Punkten muß es sich nicht um mechanisch auf die zu vermessende Oberfläche aufgebrachte Markierungen handeln. Zusätzlich zu solchen Markierungen oder statt dieser können homologe Punkte auch durch Muster gebildet sein, die mittels eines Projektors auf die zu vermessende Oberfläche projiziert werden, wodurch auch beispielsweise die Vermessung von nicht, oder nur schwer zugänglichen Oberflächen möglich ist. Als homologe Punkte können auch markante Punkte der Objektoberfläche benutzt werden, die sich in mindestens zwei aus unterschiedlichen Positionen aufge­ nommenen Videoaufnahmen eindeutig identifizieren lassen. Während die Anzahl der mechanisch aufgebrachten Markierungen in der Regel relativ gering gehalten werden muß, können homologe Punkte, die auf die Objektoberfläche aufprojiziert werden oder durch markante Punkte derselben gebildet sind, in großer Anzahl zur Verfügung ge­ stellt werden, was eine entsprechend hohe Redundanz und entsprechend verbesserte Bedingungen für die Bündelausgleichsrechnung ergibt. Als sehr vorteilhafte Eigen­ schaft der Bündelausgleichung gilt ihre Unterdrückung der Fehlersummation (Sum­ menfehler) bei einer gegebenenfalls erforderlichen Aufteilung der Objektoberfläche in sich überlappende Teilbereiche, die nacheinander abgearbeitet werden.

Zweckmäßigerweise werden erfindungsgemäß zwei Typen von Musterprojektoren eingesetzt:

• 1. Projektoren, die einen ganzen Teilbereich ausleuchten können. Sie weisen meist ein programmiert schaltbares Muster auf. In einem typischen Meßablauf werden sie unmittelbar nach der Aufnahme eines Teilbereiches auf den nächsten Teil­ bereich ausgerichtet. Sie können Marken in sehr hoher Punktdichte für die Mas­ senpunktbestimmung erzeugen. Die Marken stehen zeitlich nur während der Aufnahme eines Teilbereiches zur Verfügung sie werden deshalb hier als "tem­ poräre homologe Marken" bezeichnet. Vorteilhafterweise wird ein programmiert schaltbares Linienmuster aus parallelen horizontalen und vertikalen Linien vor­ gesehen. Die Linien, die Linienkanten oder die Kreuzungspunkte der Linien bzw. Linienkanten werden z. B. mit dem bekannten Verfahren des "Codierten Lichtansatzes" eindeutig gekennzeichnet und dienen als temporäre homologe Marken.
• 2. Hinzu können wahlweise ein oder mehrere Einfachere Markenprojektoren, die jeweils meist nur ein einzelnes Muster erzeugen können und meist nur ein- und ausschaltbar sind verwendet werden. Diese Projektoren werden auf die Überlap­ pungsbereiche einzelner Teilflächen gerichtet. Sie bleiben solange auf denselben Ort ausgerichtet, bis alle Teilflächen abgearbeitet sind, zu deren Überlappungs­ bereich ihre Marke gehört. Die so erzeugten Marken werden hier "permanente projizierte homologe Marken" genannt. Als Projektionsmuster wird vorzugs­ weise eine Kreisfläche 20 mit optisch gut erfaßbarem Rand, ein Kreisring 22, mehrere konzentrische Kreisringe oder Kombinationen davon verwendet.

Damit die Bilder von Teilbereichen einander koordinatenmäßig richtig zugeordnet werden können, muß darauf geachtet werden, daß sich die Teilbereiche überlappen, sich das Objekt während der Messung nicht bewegt und in jedem Überlappungsbereich wenigstens drei homologe Punkte zur Verfügung stehen. Diese homologen Punkte dürfen in den Bildern nicht auf einer Linie liegen.

Herkömmliche Marken (Fig. 3) sind feste Marken mit einer Kreisfläche 20. Die In­ formation der Marke liegt in dem Hell-Dunkel-Übergang 21 der Begrenzungslinie. Erfindungsgemäß wird hier eine ringförmige Struktur 22 (Fig. 4) eingeführt. Diese weist den Vorteil auf, daß bei gleichem Außendurchmesser gleich zwei informations­ tragende Begrenzungslinien 22 und 23 pro Marke vorhanden sind. Die ringförmigen Marken können erfindungsgemäß als feste Marken oder als projizierte Marken reali­ siert sein.

Das Aufnehmen von Teilbereichen der Objektoberfläche erfolgt vorzugsweise mäan­ drierend, d. h. zeilen- oder spaltenweise in einer sprungfreien Folge. Die Arbeitsweise des Projektors und der Kamera können hierbei mit der Arbeitsweise eines Scanners verglichen werden.

Sofern die Form der Objektoberfläche dies zuläßt, ist es vorteilhaft, die Kamera oder Kameras und den Projektor für die zeilenweise Erfassung der Teilbereiche der Objekt­ oberfläche zu schwenken, was mit Hilfe von entsprechend ausgebildeten Stativen möglich ist. Sofern solche Stative eine Winkelmessung zulassen, können die Schwenkwinkel in die Kalibrierung mit einbezogen werden.

Wenn bei einer Unterteilung der Objektoberfläche in Teilbereiche der Projektor hin­ sichtlich seiner Position und Orientierung verändert werden muß, ist es zweckmäßig, die Position des Projektors so zu ändern, daß der in der neuen Position mit der Lichts­ truktur beleuchtete Teilbereich sich mit dem in der alten Position belichteten Teil­ bereich überlappt. Die Kamera bleibt während dieser Positionsänderung des Projektors in einer Position, in welcher sie den Überlappungsbereich erfassen kann. Dadurch können bei der Bildauswertung die beiden Teilbereiche einander richtig zugeordnet werden.

Als Beleuchtungsstruktur wird zur geometrischen Oberflächenerfassung vorteilhafter­ weise eine Linienstruktur verwendet, wobei in vielen Fällen eine aus parallelen Linien bestehende Linienstruktur ausreichend ist. Andernfalls kann eine Linienstruktur mit zwei sich vorzugsweise rechtwinklig kreuzenden Liniensystemen verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Liniensysteme hell und dunkel geschaltet wer­ den können, da dann alle Linien in einfacher Weise codiert werden können. Solche schaltbaren Linienstrukturen lassen sich mit besonderem Vorteil mittels LCD-Licht­ modulatoren erzeugen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Meßobjektes, des Projektors und der Kamera in den Meßpositionen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines großen Meßobjektes und der unterschiedlichen Standorte des Projektors und der Kamera bei der Erfassung von Teilbereichen der Objektoberfläche.

Ausführungsbeispiel zu Fig. 1:

Zur dreidimensionalen optischen Vermessung der Oberfläche eines Meßobjektes 1, bei dem es sich beispielsweise um das verkleinerte Modell eines Flügelprofils handelt, wird eine 3D-Digitalisierung der Oberfläche des Meßobjektes durchgeführt. Mit Hilfe eines Linienprojektors 2, in den ein schaltbarer LCD-Lichtmodulator integriert ist, wird ein aus parallelen Linien bestehendes Linienmuster auf die zu vermessende Ober­ fläche des Meßobjektes projiziert. Die Linien des Linienmusters können dank des schaltbaren LCD-Lichtmodulators im Wechsel hell und dunkel geschaltet werden, wodurch es möglich ist, jeder Linie eine sie kennzeichnende digitale Codierung zu­ zuordnen, welche aus der Hell-Dunkel-Folge entsprechenden Bitfolge besteht. Der Standort des Linienprojektors 2 wird so gewählt, daß die gesamte zu vermessende Oberfläche des Meßobjektes 1 gleichzeitig ausgeleuchtet wird, und zwar mit einer ausreichend großen Intensität.

Im Ausführungsbeispiel hat der Linienprojektor 2 sechshundertvierzig horizontale und sechshundertvierzig vertikale, schaltbare Linien. Bei geringeren Anforderungen an die Meßgenauigkeit könnte aber auch Linienprojektor mit beispielsweise dreihundert­ zwanzig schaltbaren Linien, bei höheren Anforderungen an die Meßgenauigkeit bei­ spielsweise ein solcher mit zwölfhundertachtzig schaltbaren Linien eingesetzt werden.

Eine CCD-Kamera 3, also eine Videokamera, die im Ausführungsbeispiel 512 × 512 Pixel aufweist, wird an wenigstens zwei unterschiedlichen Standorten auf­ gestellt, die im Ausführungsbeispiel durch ausgezogene bzw. gestrichelte Linien dar­ gestellt sind und die so gewählt werden, daß in jeder Position die gesamte zu vermes­ sende Oberfläche des Meßobjektes 1 erfaßt wird und außerdem die optische Achsen des Linienprojektors 2 und der Kamera in ihrer jeweiligen Position einen für die zu erzielende Meßgenauigkeit ausreichend großen Konvergenzwinkel einschließen.

Die CCD-Kamera 3 erfaßt in den unterschiedlichen Meßpositionen nicht nur die ge­ samte Oberfläche des Meßobjektes 1 in Form von etwa 250.000 Bildpunkten, sondern auch eine gewisse Anzahl von homologen Marken 4, die entweder auf die Objektober­ fläche vor der Vermessung mechanisch aufgebracht worden sind, durch markante und dadurch identifizierbare Punkte der Oberfläche gebildet werden, durch spezielle Mar­ kenprojektoren aufprojiziert wurden, also permanente Marken sind, oder mittels des Linienprojektors 2 erzeugt werden, also temporäre Marken sind. Die vorhandenen homologen Marken 4 können aus nur einer dieser drei Arten von homologen Marken, teilweise aus der einen und im übrigen aus einer der beiden anderen Arten oder aus allen drei Arten ausgewählt sein. Vorteilhaft ist, wenn die homologen Marken 4 mög­ lichst große Abstände voneinander haben und den zu vermessenden Objektbereich weitestgehend umschließen.

Die nacheinander auf die zu vermessende Objektoberfläche mit Hilfe des schaltbaren Lichtmodulators projizierten, codierten Linienmuster können zur Erhöhung der Orts­ auflösung auch mit einer sinusförmigen oder anderen in bekannter weise definierten Lichtintensitätsverteilung erzeugt werden. Ferner kann man durch in kurzen Zeitab­ ständen mit unterschiedlichem Schaltzustand des Lichtmodulators aufgenommene Bilderpaare durch Subtraktion der Helligkeitswerte Störeinflüsse, insbesondere des Umgebungslichtes, unterdrücken.

Die mit der CCD-Kamera 3 von den unterschiedlichen Positionen aus aufgenommenen Bilder der mit dem codierten Linienmuster überzogenen Objektoberfläche werden zunächst in digitaler Form gespeichert, d. h., von jedem der Bildpunkte der Videobil­ der, denen je ein Punkt auf der Oberfläche des Meßobjektes 1 entspricht, werden der Helligkeitswert und die Koordinaten gespeichert.

Aufgrund dieser gespeicherten Bilder werden zur Systemkalibrierung anhand der ho­ mologen Marken 4 mit Hilfe eines marktgängigen Programmes zu der aus der Photo­ grammetrie bekannten Bündelausgleichsrechnung von einem Rechner die Orte aller homologen Marken 4 im Meßkoordinatensystem, der Ort und die äußere Orientierung sowohl des Linienprojektors 2 als auch der CCD-Kamera 3 in beiden Meßpositionen und außerdem, falls nicht schon vorher bestimmt, die optischen Konstanten des Li­ nienprojektors 2 und der CCD-Kamera 3 sowie die Parameter zur Korrektur von Ob­ jektivfehlern ermittelt. Außerdem wird eine Skalierung aufgrund einer Meßstrecke vorgenommen. Sofern zumindest zwei Aufnahmen der gesamten Objektoberfläche aus unterschiedlichen Blickrichtungen mit mindestens 5 homologen Punkten in den Bil­ dern gemacht worden sind, braucht der Linienprojektor 2 nicht in die Kalibrierung einbezogen zu werden, d. h., seine Daten brauchen nicht berechnet zu werden.

Für die weitere Auswertung der aufgenommenen Bilder ist es in der Regel sinnvoll, vom Meßkoordinatensystem auf ein sogenanntes Weltkoordinatensystem überzuwechseln.

Nach der Kalibrierung berechnet der Rechner für jeden Oberflächenpunkt, der einem der Bildpunkte in einem der Videobilder entspricht, die Weltkoordinaten. Da diese Bildpunkte und damit auch die Oberflächenpunkte sehr eng nebeneinander liegen, die Punktdichte also sehr groß ist, spricht man hier von einem bildgebenden Meßverfah­ ren.

Aus verschiedenen Gründen kann es unmöglich sein, den gesamten interessierenden Teil der Oberfläche eines Meßobjektes mit einer einzigen Positionierung des Projek­ tors so auszuleuchten. Ferner kann eine Ausleuchtung nur eines Teilbereiches der Oberfläche mittels des Projektors notwendig sein, weil sonst der Abstand des Projek­ tors vom Objekt zu groß und damit die Intensität der Lichtstruktur zu gering werden würde. Weiterhin kann eine Vermessung von Teilbereichen notwendig sein, weil die Kamera von verschiedenen Standorten oder mit unterschiedlichen Orientierungen auf die Oberfläche des Objektes gerichtet werden muß, um alle Einzelheiten erfassen zu können oder weil die notwendige Auflösung es verlangt, nur einen Teilbereich der Oberfläche des Objektes mit der Kamera zu erfassen.

Ausführungsbeispiel zu Fig. 2:

Die zu vermessende Oberfläche des Meßobjektes 11, bei dem es sich beispielsweise um ein Flugzeugflügelprofil normaler Größe handelt, wird, wie Fig. 2 zeigt, in eine Vielzahl von sich überlappende Teilbereiche 15a bis 15o unterteilt. Ein wegen des erforderlichen relativ großen Abstandes vom Meßobjekt 11 mit einem Teleobjektiv ausgerüsteter Linienprojektor, der im übrigen wie der Linienprojektor 2 ausgebildet ist, wird zunächst an einem Ort P1 so positioniert und auf das Meßobjekt 11 ausgerichtet, daß dessen Teilbereich 15a vollständig von dem vom Linienprojektor erzeugten Li­ nienmuster überdeckt ist. Eine Videokamera 13, die wegen des relativ großen Abstan­ des vom Meßobjekt 11 ebenfalls mit einem Teleobjektiv ausgerüstet ist, im übrigen aber wie die CCD-Kamera 3 ausgebildet ist, wird zunächst an einem Ort Kl so aufge­ stellt, daß sie den gesamten Teilbereich 15a zu erfassen vermag und außerdem ein ausreichend großer Konvergenzwinkel zwischen ihrer optischen Achse und derjenigen des Linienprojektors vorhanden ist. Anschließend wird die Videokamera an einem Ort K2 positioniert, von dem aus sie den gesamten Teilbereich 15a unter einem anderen Blickwinkel aufnehmen kann. Dieser Ort K2 ist außerdem so gewählt, daß die optische Achse der Videokamera in dieser Position einen ausreichend großen Winkel mit der optischen Achse des Linienprojektors und der Videokamera in der Position am Ort K1 einschließt.

Die bildmäßige Erfassung des Teilbereiches 15a ist also identisch mit der bildmäßigen Erfassung der gesamten Oberfläche des relativ kleinen Meßobjektes 1 des ersten Aus­ führungsbeispiels. Deshalb ist es auch notwendig, daß jeder der Teilbereiche eine ge­ wisse Anzahl von homologen Marken aufweist, welche wie die homologen Marken 4 erzeugt werden können. Diese in Fig. 2 nicht dargestellten homologen Marken sind nach den gleichen Gesichtspunkten wie bei dem Meßobjekt 1 anzuordnen. Allerdings ist darauf zu achten, daß in jedem Überlappungsbereich 16 wenigstens drei homologe Marken vorhanden sind, weil diese dazu benötigt werden, die Bilder benachbarter Teilbereiche richtig aneinanderfügen zu können.

Wenn vom Teilbereich 15a alle für die Systemkalibrierung sowie für die dreidimensio­ nale optische Vermessung erforderlichen Aufnahmen mit der Videokamera gemacht worden sind, wird, während sich die Videokamera noch am Ort K2 in der für die Auf­ nahme des Teilbereiches 15a erforderlichen Position befindet, der Projektor auf den Teilbereich 15b gerichtet, der im Überlappungsbereich 16 sich mit dem Teilbereich 15a überlappt. Nun wird bei unveränderter Orientierung der Videokamera eine weitere Aufnahme gemacht, aufgrund deren wegen des von ihr erfaßten Überlappungsberei­ ches 16 mit Hilfe des Rechners später die vom Teilbereich 15b gemachten Aufnahmen koordinatenrichtig an die Aufnahmen des Teilbereiches 15a angefügt werden können. Danach wird der Teilbereich 15b mittels der Videokamera von den Positionen K2 und K1 aus aufgenommen.

Ehe die Videokamera danach auf den Teilbereich 15c gerichtet werden kann, muß zunächst der Projektor auf den Teilbereich 15c gerichtet werden. Der Projektor ist deshalb zweckmäßigerweise auf einem Stativ angeordnet, das die erforderlichen Schwenkbewegungen des Projektors für die nacheinander erforderliche Projektion des Linienmusters auf die Teilbereiche 15a bis 15c in einfacher Weise ermöglicht. Nach­ dem mit der Videokamera aus der gegenüber der letzten Aufnahme des Teilbereiches 15b unveränderten Position nochmals eine Aufnahme gemacht worden ist, welche den zwischen den Teilbereichen 15b und 15c sich befindenden Überlappungsbereich 16 mit den hier vorgesehenen homologen Marken erfaßt, können nun die verschiedenen Aufnahmen des Teilbereiches 15c von den Orten K1 und K2 aus ausgeführt werden.

Nun wird der Projektor auf den seitlich neben dem Teilbereich 15c liegenden Teil­ bereich 15d gerichtet. Hierzu bedarf es nur einer Schwenkung des Projektors. An­ schließend werden, wie vorstehend für die Teilbereiche 15a bis 15c geschildert, die Aufnahmen des Teilbereiches 15d gemacht. In entsprechender Weise erfolgt der Über­ gang zum folgenden Teilbereich und dessen bildmäßiger Erfassung für alle übrigen Teilbereiche 15e bis 15o.

Die gesamte Oberfläche des Meßobjektes 11 wird also zeilenweise ohne Sprung mäan­ drierend, d. h. bei aufeinanderfolgenden Zeilen in entgegengesetzter Richtung fort­ laufend erfaßt, weshalb man auch von einem Scanner-System mit einem Sendescanner und einem Empfangsscanner bei dem Projektor bzw. der Videokamera sprechen kann. Vorteilhaft ist die zeilenförmige, sprungfreie Folge bei der Erfassung der Teilbereiche nicht nur wegen der vereinfachten Ausrichtung von Projektor und Videokamera auf die Teilbereiche im Falle einer schwenkbaren Anordnung auf einem Stativ. Sie ist vor allem für die Beseitigung von Fehlern aufgrund der Anfügung eines Teilbereiches an den vorhergehenden Teilbereich vorteilhaft, wenn beispielsweise der Teilbereich 15f nicht nur an den vorausgehenden Teilbereich 15e, sondern auch an den seitlich neben ihm liegenden Teilbereich 15a rechnerisch angefügt werden kann.

Wie in Fig. 2 dargestellt, kann es bei großen Meßobjekten erforderlich sein, den Pro­ jektor an unterschiedlichen Orten anzuordnen, um alle Teilbereiche 15a bis 15o mit dem Linienmuster vollständig überziehen zu können. Im Ausführungsbeispiel ist es erforderlich, nach der Erfassung der Teilbereiche 15a bis 15f, während deren der Pro­ jektor sich am Ort P1 befindet, den Projektor für die Erfassung der Teilbereiche 15g bis 15o am Ort P2 aufzustellen. Im Ausführungsbeispiel kann der Projektor von die­ sem Ort aus durch Schwenkbewegungen um zwei im Winkel zueinander verlaufende Achsen nacheinander alle Teilbereiche 15b bis 15o ausleuchten. Für die von den Teil­ bereichen 15g bis 15o zu machenden Aufnahmen wird im Ausführungsbeispiel die Videokamera an den Orten K3 und K4 aufgestellt.

Nachdem die Aufnahmen aller Teilbereiche 15a bis 15o digital abgespeichert worden sind, wird zunächst die Systemkalibrierung in der im Zusammenhang mit dem Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 1 beschrieben Weise durchgeführt. Danach kann der Rechner die Weltkoordinaten für alle einem der Bildpunkte entsprechenden Oberflä­ chenpunkte der Teilbereiche 15a bis 15o berechnen.

Selbstverständlich wäre es möglich, mehr als einen Linienprojektor zu verwenden und beispielsweise den einen am Ort P1 und den anderen am Ort P2 aufzustellen. Ebenso könnte mit wenigstens zwei Videokameras gearbeitet werden.

Claims (15)

1. Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung der Oberfläche von Objekten mit großer Punktdichte, bei dem mittels eines Projektors veränderbare Lichtstrukturen auf die zu vermessende Oberfläche projiziert, zumindest ein Teil der so beleuchteten Oberfläche mittels einer Videokamera aufgenommen, in einer Kalibrierung die inneren und äußeren Orientierungen der Kamera und des Projektors bestimmt und die Koordinaten der den Bildpunkten entsprechenden Punkte auf der Objektoberfläche berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein und derselbe Bereich der Objektoberfläche mindestens aus einer von der Projektionsrichtung unterschiedlichen Richtung bei unveränderter Position und Projektionsrichtung des Projektors aufgenommen wird und daß mit Hilfe von objektfesten homologen Marken auf der Objektoberfläche oder anderen statisch zu dem Objekt angeordneten Kalibrierflächen unter Anwendung der Bündelaus­ gleichsrechnung die Kalibrierung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Aufnah­ men mittels wenigstens einer zusätzlichen Videokamera gemacht und jede vor­ handene zusätzliche Kamera in die Kalibrierung einbezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrie­ rung nur für die Videokamera oder Videokameras durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß we­ nigstens ein Teil der homologen Marken durch Muster gebildet wird, die mittels des Projektors auf die Oberfläche des Objektes projiziert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Objektes in sich überlappende Teilbereiche mit wenigstens je drei homologen Marken in jedem Überlappungsbereich unterteilt wird und daß diese Teilbereiche einzeln mit der Lichtstruktur beleuchtet und aus den unter­ schiedlichen Richtungen aufgenommen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche in zeilen- oder spaltenweiser sprungfreier Folge d. h. mäandrierend erfaßt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auf­ nahme verschiedener Teilbereiche der Objektoberfläche die Videokamera und/oder der Projektor um meßbare Winkel geschwenkt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Positionsänderung des Projektors für eine Projektion der Lichtstruktur auf unterschiedliche Oberflächenbereiche mit sich überlappenden Teilbereichen letztere bei unveränderter Position der Videokamera sowohl vor als auch nach der Positionsänderung des Projektors aufgenommen werden und aufgrund dieser Aufnahmen die neue Position des Projektors rechnerisch bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbare Lichtstruktur mit Hilfe wenigstens eines LCD-Lichtmodulators erzeugt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem zusätzliche Projektor eine permanente Marke projiziert wird, und die Orientierung dieses Projektors solange unverändert bleibt, bis der Ort der zu­ gehörigen permanenten Marke in allen überlappenden Teilbereichen aufgenom­ men wurde.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die projizierte permanente Marke kreisförmig ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die projizierte permanente Marke kreisförmige Ringe enthält.

13. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Markenprojektor mehrere fest zueinander orientierte permanente Marken auf das Objekt projiziert.

14. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Markenprojektoren für permanente homologe Marken verwendet wer­ den und diese vorzugsweise auf die Überlappungsbereiche der Teilflächen ge­ richtet werden.

15. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Monüerungen und Bewegungsachsen von Projektor und Kameras kalibriert sind und daß nach der Bestimmung der äußeren Orientierungen auch Vorwärtsschrit­ te der projizierten Linienmuster mit den Aufnahmen durchgeführt werden.