DE19516656A1

DE19516656A1 - Verfahren zum Erfassen der dreidimensionalen Form von Objekten

Info

Publication number: DE19516656A1
Application number: DE1995116656
Authority: DE
Inventors: Thomas Wagner; Robert Frischholz; Norbert Bauer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-05-05
Filing date: 1995-05-05
Publication date: 1996-11-14

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Erfassung von Forminformationen über einen dreidimensionalen Gegenstand.

Die dreidimensionale Form von Objekten liefert wichtige Informationen über einen Gegenstand, die z. B. bei industriellen Inspektionsaufgaben (Identifikation, Lagebestimmung, Vollständigkeitsprüfung o. ä.) Verwendung finden kann. Hierfür wir jedoch zuerst eine sichere und robuste Erfassungsmethode für die Forminformation benötigt.

Bei den herkömmlichen Erfassungsmethoden werden als Eingangssignale meist Bilder von z. B. CCD-Kameras verwendet. Durch die Kombination von Bildern aus unterschiedlichen Objektansichten läßt sich mit Hilfe stereoskopischer Algorithmen die dreidimensionale Form des Objekts teilweise zurückberechnen. Im Prinzip basieren die Auswertungsalgorithmen auf sogenannten Block-matching-Techniken, d. h. sie versuchen, Bildbereiche aus einem Teilbereich in dem oder den anderen Teilbildern wiederzufinden.

Eine andere Art von Erfassungsmethoden basiert auf dem sogenannten Lichtschnittverfahren, bei dem ein punktförmiger Lichtstrahl eine Oberfläche sehr schnell (z. B. mit Hilfe einer Drehspiegel-Mechanik) zeilenweise beleuchtet. Im aufgenommenen Bild kann aus der seitlichen Versetzung des Lichtstrahls in einem einzigen Kamerabild auf die dreidimensionale Form geschlossen werden.

Beide Verfahren weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Das letztgenannte ist aufgrund der Störanfälligkeit der notwendigen Mechanik teuer und nicht in jedem Fall einsetzbar. Außerdem ist die Auflösung aufgrund der zeilenweisen Rasterung des Objekts begrenzt. Beim Einsatz des ersten Verfahrens besteht oft das Problem, daß einfarbige und unstrukturierte Objekte nicht genügend "Ansatzpunkte" für eine Block-matching-Technik bieten und sich deshalb einem Bildbereich in einem Teilbild kein Bildbereich im anderen Teilbild eindeutig zuordnen läßt. Gerade in einem industriellen Umfeld sind derartige unstrukturierte Objekte (z. B. Metallgußteile) jedoch sehr häufig anzutreffen.

Die vorliegende Erfindung stellt nun ein Verfahren zum Erfassen der dreidimensionalen Form von Objekten bereit, das die vorgenannten Nachteile nicht aufweist. Es umfaßt (a) das Beleuchten des Objekts mit Hilfe mindestens einer Lichtquelle, wobei vor mindestens einer Lichtquelle ein mit einem Muster versehenes, ansonsten lichtdurchlässiges Flächengebilde derart angeordnet ist, daß das/die Muster auf der Oberfläche des Objekts abgebildet werden, (b) das Aufnehmen optischer Daten des beleuchteten Objekts mit Hilfe von mindestens zwei Aufnahmegeräten und (c) das Berechnen der Information über die dreidimensionale Gestalt des Objekts.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden die Objekte "strukturiert beleuchtet", wodurch auch Bilder von unstrukturierten Objekten genügend eindeutige Merkmale erhalten, die sich in einer stereoskopischen Auswertung in den Teilbildern wiederfinden lassen und somit die Berechnung der dreidimensionalen Gestalt erlauben.

Der Aufbau für die Objektbeleuchtung und Bildaufnahme ist in Fig. 1 beispielhaft dargestellt. Das beleuchtete Objekt wird von mindestens zwei Aufnahmegeräte (hier Kameras) bevorzugt gleichzeitig aufgenommen. Deren Anordnung ist in geeigneter Weise selbstverständlich frei wählbar. Fig. 1 zeigt eine Lichtquelle, vor der eine "Maske", d. h. ein lichtdurchlässiges Flächengebilde wie beispielsweise eine durchsichtige Folie oder Glasscheibe angebracht ist. Selbstverständlich können auch mehrere Lichtquellen aus unterschiedlichen Richtungen zur Beleuchtung verwendet werden, deren Licht sich überlagern kann, um eine gleichzeitige Berechnung der Objektform von allen Seiten zu ermöglichen. Dabei kann sich das Muster nach Wahl vor beliebig vielen dieser Lichtquellen befinden.

Vorzugsweise sind vor der Lichtquelle weiterhin Linsen und/oder Blenden derart angeordnet, daß das Muster scharf auf die Objektoberfläche abgebildet wird.

Die aufgenommenen optischen Daten (Kamerabilder) werden schließlich einer Auswertungseinheit zugeführt, die aus den strukturiert beleuchteten Bildern mit Hilfe bekannter stereoskopischer Verfahren (z. B. dem oben beschriebenen Block-matching) die dreidimensionale Form des Objekts berechnet.

Als Muster zur strukturierten Beleuchtung verwendet werden kann jedes regelmäßige oder unregelmäßige Muster. Beispielsweise können schwarze Punkte unterschiedlicher Größe zufällig auf der Folie oder dergleichen angebracht oder erzeugt werden. Statt dessen können selbstverständlich jedoch auch andere kleinflächige Flächen oder Objekte beliebiger - unregelmäßiger und/oder regelmäßiger - Form verwendet werden; ferner kann eine regelmäßige oder unregelmäßige Anordnung der Flecken vorliegen. Die Flecken müssen nicht unbedingt diskret sein, sie können statt dessen auch ineinander übergehen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können farbige Flecken zur Beleuchtung verwendet werden. Hierdurch erzielt man eine zusätzliche Verbesserung der Auflösung, da nun neben der Form und Größe des Fleckens zusätzlich noch seine Farbe zur eindeutigen Zuordnung zu einem Flecken im anderen Teilbild zur Verfügung steht. Durch diese Zusatzinformation läßt sich die Gefahr von Fehlzuordnungen von Flecken/Punkten weiter reduzieren und somit die Güte der berechneten dreidimensionalen Forminformation steigern. Die exakte Farbe der Flecken/Punkte auf dem strukturiert beleuchteten Objekt kann dabei auch berechnet werden, indem von einem strukturiert beleuchteten Objektbild ein unmittelbar vorher aufgenommenes unstrukturiert beleuchtetes Objektbild abgezogen wird. Nach der Differenzbildung zwischen den beiden Bildern bleibt (unabhängig von der Farbe des eigentlichen Objekts) nur noch die genaue Farbinformation der zur Beleuchtung aufgebrachten Punkte übrig.

Beispiele

Fig. 2 zeigt beispielhaft ein Muster zur strukturierten Beleuchtung.

Fig. 3 zeigt zwei Teilbilder eines Objektes, die mit diesem Muster strukturiert beleuchtet wurden. Willentlich wurde in diesem Beispiel der ungünstigste Aufnahmefall (weißes Objekt vor weißem Hintergrund) gewählt, so daß für den menschlichen Betrachter nicht einmal das Objekt (ein Buch) zu erkennen ist; Die dreidimensionale Forminformation scheint völlig verschwunden zu sein. Fig. 4 zeigt die berechnete Oberflächenform, die mittels eines einfachen, konventionellen Block-Matching-Verfahrens aus den beiden Teilbildern gewonnen wurde.

Es zeigt sich also, daß bereits mit dieser einfachen Auswertungsart die Form des Buches klar zurückgewinnen läßt.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen der dreidimensionalen Form eines Objektes, umfassend

(a) das Beleuchten des Objekts mit Hilfe mindestens einer Lichtquelle, wobei vor mindestens einer Lichtquelle ein mit einem Muster versehenes, ansonsten lichtdurchlässiges Flächengebilde derart angeordnet ist, daß das/die Muster auf der Oberfläche des Objekts abgebildet werden,
(b) das Aufnehmen optischer Daten des beleuchteten Objekts mit Hilfe von mindestens zwei Aufnahmegeräten, und
(c) das Berechnen der Information über die dreidimensionale Gestalt des Objekts.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der/den Lichtquelle(n) Linsen und/oder Blenden derart angeordnet sind, daß das/die Muster auf der Oberfläche des Objekts scharf abgebildet wird/werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengebilde eine Folie oder eine Glasscheibe ist.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster aus kleinflächigen, unregelmäßigen oder regelmäßigen Flecken unterschiedlicher oder gleicher Größe besteht, die regelmäßig oder unregelmäßig verteilt sind.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Berechnen der Information über die dreidimensionale Gestalt des Objekts mit dem Block-Matching-Verfahren erfolgt.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Muster farbig ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Verfahrensschritten (a) und (b) das Objekt beleuchtet wird und eine Aufnahme von dem beleuchteten Objekt vorgenommen wird, ohne daß vor der/den Lichtquelle(n) ein mit einem Muster versehenes Flächengebilde angeordnet ist, und daß das Berechnen der Information über die dreidimensionale Gestalt des Objekts die Subtraktion des ohne gemustertes Flächengebilde aufgenommenen Objektbildes vom mit diesem Flächengebilde beleuchteten Objektbild umfaßt.