DE19709050A1 - Anordnung zur bildhaften, farblichen Erfassung von räumlichen Gegenständen mit einem Flachbettscanner - Google Patents
Anordnung zur bildhaften, farblichen Erfassung von räumlichen Gegenständen mit einem FlachbettscannerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur bildhaften Erfassung von räumli
chen Gegenständen mit einem Flachbettscanner mit einer sehr hohen Pixelauflö
sung bei einem günstigen Kosten-Leistungsverhältnis.
Bisher ist es üblich, räumliche Gegenstände mit Videokameras (meist CCD-Array-
Kameras) oder mit Zeilensensorkameras zu erfassen, um sie dann einer Datenver
arbeitung weitergeben zu können.
Aus einer Aufstellung (Heinz-Georg Fehn: Tutorial über "Grundlagen, Systeme und
Anwendungen" (der digitalen Bildverarbeitung), gehalten anläßlich des Anwender
symposiums 5. und 6. September 1996 in Aachen zum Thema "Aktuelle Entwicklun
gen und industrieller Einsatz der Bildverarbeitung") geht hervor, daß es S/W Kame
ratypen mit einer maximalen Pixelauflösung von 2048 × 2048 (1 Bild/sec) zum Preis
von ca. 32 000,- DM und Farbkameras mit einer maximalen Pixelauflösung von
4400 × 3400 (CCD-Shift Technik) zum Preis von ca. 15 000.- DM gibt.
Der Nachteil dieser Art von Bilderfassung liegt darin, daß es auf dem Markt bis jetzt
keine reinen CCD-Kameras gibt, die über mehr als 4400 × 3400 Pixel verfügen und
daher die Luftbilder auch nur mit dieser Pixelzahl erfaßt werden können. Für viele
Meßanwendungen, insbesondere für die dreidimensionale geometrische Vermes
sung von Gegenständen, reicht diese Auflösung jedoch noch nicht aus.
Aus diesem Grund wird von der Fa. ROLLEI eine "Reseau-Scan-Camera" angebo
ten, die mit einem 756 × 581 CCD-Sensor ausgerüstet ist, der in den Richtungen x, y
und z verfahren werden kann, so daß daraus eine effektive Pixelauflösung von
7050 × 5500 resultiert. Da es sich hierbei um eine Spezialentwicklung handelt, die
auch nur in relativ kleinen Stückzahlen gebaut wird, ist damit im Gegensatz zur er
findungsgemäßen Anordnung auch ein entsprechend hoher Kaufpreis verbunden,
der in vielen Fällen eine wirtschaftliche Problemlösung unmöglich macht.
Man steht also bei dem Einsatz derartiger Kamerasysteme vor dem Problem, daß
die Kaufpreise dafür extrem hoch sind und Meßaufgaben in vielen Fällen, wo es
nicht so sehr auf die Meßgeschwindigkeit ankommt, nicht mehr wirtschaftlich gelöst
werden können.
Andererseits besitzen derzeit handelsübliche Flachbettscanner eine optische Auflö
sung von 400 dpi sowie eine elektronische Auflösung von bis zu 1600 dpi bei einem
maximalen Scanbereich von 216 × 356 mm (z. B. der Scanner HP ScanJet IIc der Fa.
Hewlett-Packard). Aus diesem Grund wird ein den gesamten Scanbereich einneh
mendes Objekt mit bis zu 13 600 × 22 400 Bildpunkten = 304640000 Bildpunkten digita
lisiert.
Bemerkenswert ist dabei, daß diese hohe Auflösung auch dann erreicht wird, wenn
die Objekte in Farbe aufgenommen werden.
Diese Scanner haben aber alle den Nachteil, daß sie nur für die Erfassung flacher
Vorlagen geeignet sind, die direkt auf die Glasscheibe dieser Geräte gelegt werden
können.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
eine Anordnung zur bildhaften Erfassung farbiger, räumlicher Objekte mit einem
Flachbettscanner anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Die hohe optische bzw. digitale Auflösung der Flachbettscanner erweist sich beson
ders dann als vorteilhaft, wenn ein großes Objekt unter verschiedenen Drehwinkeln
für eine dreidimensionale Rekonstruktion optisch erfaßt werden soll. Die photo
grammetrische Auswertung dieser Bilder wird um so genauer, je präziser die Posi
tionen der homologen Objektpunkte gemessen werden können.
Aufgrund dieser hohen Auflösung eignet sich die im Patentanspruch 1 angegebene
Erfindung besonders gut zur geometrischen Vermessung räumlicher Objekte, so daß
an einen Einsatz in der Qualitätskontrolle für eine Stichprobenkontrolle der Maßhal
tigkeit von CNC-gefertigten Maschinenbauteilen zu denken ist.
Die Möglichkeit der Anordnung, Objekte fotorealistische als farbige 3D-Objekte ein
scannen zu können, kann auch als ein wichtiges Hilfsmittel zur Schaffung virtueller
Welten dienen.
Dabei muß nochmals daraufhin gewisser werden, daß durch die Verwendung eines
Flachbettscanners eine sehr kostengünstigen Bilderfassung mit dem als Massen
produkt verfügbaren Flachbettscanner ermöglicht wird, der zudem einer laufenden
Weiterentwicklung in Richtung noch höherer Auflösung und noch günstigerem Preis-
Leistungsverhältnis unterliegt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben.
Die Weiterbildung nach Anspruch 2 ermöglicht es, das Objekt um definierte Winkel
exakt zu drehen und damit Bildserien aufzunehmen, so daß mit Mitteln der Photo
grammetrie die Generierung eines 3D-Datensatzes von dem Objekt ermöglicht wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist durch den Patentanspruch
3 gegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht es, die abzuscannenden
Objekte neben den Flachbettscanner zu stellen, so daß eine günstigere Objektlage
rung auf einem Drehteller erzielt werden kann.
In dem Anspruch 4 wird explizit erwähnt, daß die Zusatzoptik (2) eine Zerstreuungs
linse sein muß, wenn die Gegenstandsweite für größere räumliche Objekte erhöht
wird.
Die Patentansprüche 5 bis 8 beinhalten eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung, die dadurch gegeben ist, daß die Verwendung einer geeigneten Zylinder
linse (18) in Höhe des Eintrittsspaltes (19) am Sensorschlitten in Kombination mit ei
ner als Anamorphot ausgebildeten Zusatzoptik (2) in horizontaler- wie vertikaler
Richtung zu einer Parallelprojektion führt. Hierdurch wird eine objektseitig telezentri
sche Abbildung realisiert, mit der die geometrische Vermessung räumlicher Objekte
bekanntermaßen verbessert wird. Der Grund ist darin zu sehen, daß bei einer Defo
kussierung der Abbildungsmaßstab erhalten bleibt.
Eine zusätzliche Verbesserung der Erfindung stellt eine vertikale Anordnung des
Flachbettscanners dar, was der Patentanspruch 9 beinhaltet, sofern diese Orientie
rung durch die Bauart des Flachbettscanners zulässig ist (Fig. 3). Die Vorteile liegen
darin, daß durch den Wegfall des Planspiegels (9) die Herstellkosten herabgesetzt
werden und mehr Platz für die Beleuchtung (3), (3a) zur Verfügung steht.
Die automatische Suche homologer Objektpunkte in durch Objektdrehung erzeugter
Bildserien kann bei Objekten mit geringer Oberflächenstruktur zu unlösbaren Pro
blemen führen. Durch die Ansprüche 10 bis 13 wird die Erfindung vorteilhaft dahin
gehend ausgestaltet, daß auch ohne Objektstrukturierung eine räumliche Rekon
struktion möglich wird. Dabei ermöglichen die Ansprüche 10 bis 13 die Rundumpro
jektion von regelmäßigen oder unregelmäßigen Projektionsmustern auf die Objekto
berfläche. Die mechanisch starre Verbindung der Einrichtung für die strukturierte
Beleuchtung (21) des Anspruches 10 garantiert die synchrone Drehung von Objekt
und Projektion, so daß keine Relativbewegung zwischen der Objektoberfläche und
dem Projektionsmuster besteht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnung Fig. 1 bis 3 schematisch
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 die Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung
Fig. 2 die Draufsicht mit geänderter Orientierung des Planspiegels (9) und
Fig. 3 die Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung mit vertikal angeordne
ten Flachbettscanner.
Der prinzipielle Aufbau eines Flachbettscanners (1) ist als schematische Schnitt
zeichnung in Fig. 1 dargestellt. Bisher werden üblicherweise flache Vorlagen auf die
Glasplatte (12) gelegt die durch das Abfahren mit dem Sensorschlitten (17), der aus
einem Objektiv (5) und einem Zeilensensor (15) besteht, abgetastet werden. Das
Objektiv (5) ist dabei so ausgelegt, daß ein exakt scharfes Bild der Vorlage auf dem
Zeilensensor entworfen wird.
Durch die erfindungsgemäße Zusatzoptik (2), bestehend aus einem optischen Un
tersystem (20), das im einfachsten Fall neben dem Objektiv eine Zerstreuungslinse
enthält und einer Zylinderlinse (18), die aber auch entfallen kann, wenn auf eine op
tische Beeinflussung der Perspektive verzichtet wird, können räumliche Objekte (4)
vom Scanner erfaßt werden. Die Zerstreuungslinse hat dann die Wirkung einer Bril
le, welche die starke "Kurzsichtigkeit" der Scanneroptik korrigiert. Es ist nützlich,
über den Scanner einen Planspiegel (9) unter 45° Neigung anzuordnen, damit der
Lichtweg zur Seite oder zu einer Stirnfläche des Scanners abgelenkt wird. Hierdurch
ist eine für die Erfindung vorteilhafte Lagerung der Objekte auf dem Objektträger (7)
möglich. Der Objektträger kann ein Drehteller sein und von einem Motor (8) oder
aber per Hand um vorgegebene Winkel gedreht werden. Sowohl der Scannerbetrieb
als auch die Steuerung des Drehtellers können in bekannter Weise von einem
Rechner (16) übernommen werden. Die Scannerlichtquelle (10) ist für die Beleuch
tung des Objektes (4) in aller Regel ungeeignet, so daß zusätzliche Lichtquellen (3),
(3a), beispielsweise Neonröhren mit Hochfrequenzansteuerung und passender
Farbtemperatur eingesetzt werden müssen. Für eine automatische, räumliche Erfas
sung der Objekte kann eine zusätzliche strukturierte Beleuchtung von Nutzen sein.
Hierfür können einerseits Projektionsleuchten (21) eingesetzt werden. Sie müssen
aus sämtlichen Richtungen auf das Objekt einstrahlen, weil eine komplette Erfas
sung der Oberflächenpunktlagen im Raum eine Rundumabtastung des Objektes er
fordert. Außerdem ist zu fordern, daß sich die auf die Objektoberfläche projizierten
Muster synchron mit dem Objekt drehen, was mit einer starren, mechanischen
Kopplung der Projektionsleuchten mit dem Drehteller erzielt wird. Eine vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin, die Projektionsleuchten mit Lasern
zu bestücken. Sollte konstruktionsbedingt wenig Platz für derartige Leuchten sein,
dann kann die Lichtzuführung über Lichtwellenleiter (23) Fig. 2 erfolgen, wobei dann
der Laser (22) neben dem erfindungsgemäßen Aufbau zu montieren ist. Eine sehr
nützliche Ergänzung der erfindungsgemäßen Anordnung wird durch die Zylinderlin
se (18) erzielt. Ihr optisch wirksamer Schnitt ist parallel zum Eintrittsspalt (19) des
Sensorschlittens (17) orientiert, und sie ist auch oberhalb oder in nicht zu großem
Abstand unterhalb des Eintrittsspaltes anzuordnen.
Damit die Zylinderlinse (18) in ihrer Orientierungsrichtung eine Parallelprojektion er
zeugt, muß ihr bildseitiger Brennpunkt genau in der Eintriftspupille des optischen
Untersystems (20) liegen, welches seinerseits als Anamorphot auszubilden ist, so
daß die Zusatzoptik (2) in Orientierungsrichtung der Zylinderlinse (18) und auch
senkrecht dazu ein scharfes Bild vom Objekt auf den Scannersensor (15) entwirft.
In der erfindungsgemäßen Anordnung kann das beispielsweise mit einer Zerstreu
ungslinse (25) und einer zur Zylinderlinse (18) ausgerichteten streuenden, weiteren
Zylinderlinse im Untersystem (20) erzielt werden. Scanner (1) und Objektträger (7)
werden vorteilhaft von einem Rechner (16) aus betrieben. Die Bildaufnahme und
-verarbeitung geschehen mit einer hierfür geeigneten Software (26). Der optische
Teil der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorteilhaft von einem lichtundurchlässi
gen Gehäuse (13) umschlossen, um damit störende äußere Lichteinflüsse auszu
schließen.
In der Fig. 2 ist zur Erläuterung die erfindungsgemäße Anordnung in der Draufsicht
dargestellt. Der Umlenkspiegel (9) ist dabei um die Bewegungsrichtung des Sensor
schlittens (17) gedreht angeordnet. Dabei schließen Glasplatte (12) und Umlenk
spiegel (9) zweckmäßigerweise einen Winkel von 45° ein. In Fig. 3 ist eine Variante
der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, bei welcher der Flachbettscanner (1)
auf die Seite bzw. hochkant gestellt ist, so daß dadurch der Umlenkspiegel (9) ein
gespart wird.
In den Fig. 1 bis 3 bedeuten:
Bezugszeichenliste
1 Flachbettscanner
2 Zusatzoptik
3, 3a Lichtquellen
4 Objekt
5 Objektiv des Flachbettscanners
6 Objektabstand
7 Objektträger
8 Drehvorrichtung (z. B. Motor)
9 Umlenkspiegel
10 Scannerlichtquelle
11 Fläche für Weißlichtabgleich
12 Glasplatte
13 lichtundurchlässiges Gehäuse
14 Drehachse
15 Scannersensor
16 Datenverarbeitung
17 Sensorschlitten
18 Zylinderlinse
19 Eintrittsspalt des Sensorschlittens
20 optisches Untersystem
21 Projektionsleuchten
22 Laser
23 Lichtleitfaser
24 Laserstrahlen zur strukturierten Beleuchtung
25 Vorsatzlinsensystem
26 Rechnerprogramm(e)
2 Zusatzoptik
3, 3a Lichtquellen
4 Objekt
5 Objektiv des Flachbettscanners
6 Objektabstand
7 Objektträger
8 Drehvorrichtung (z. B. Motor)
9 Umlenkspiegel
10 Scannerlichtquelle
11 Fläche für Weißlichtabgleich
12 Glasplatte
13 lichtundurchlässiges Gehäuse
14 Drehachse
15 Scannersensor
16 Datenverarbeitung
17 Sensorschlitten
18 Zylinderlinse
19 Eintrittsspalt des Sensorschlittens
20 optisches Untersystem
21 Projektionsleuchten
22 Laser
23 Lichtleitfaser
24 Laserstrahlen zur strukturierten Beleuchtung
25 Vorsatzlinsensystem
26 Rechnerprogramm(e)
Claims (13)
1. Anordnung zur bildhaften, farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände
- - mit einem Flachbettscanner (1) und einer Datenverarbeitung (16) zur Quantisie rung der Ortskoordinaten und der Grauwerte bzw. bei multispektralen Bildern zur Quantisierung der Grauwerte der einzelnen Kanäle, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (5) des Flachbettscanners (1) mit einer Zusatzoptik (2) versehen ist, welche die Gegenstandsweite (6) den Anforderungen entsprechend vergrößert und die bildseitige Apertur sowie die optische Perspektive verändert oder auch nicht, je nachdem für welche Bildaufnahme die Schärfentiefe, Lichtstärke und optische Perspektive der erweiterten Scanneroptik gebraucht werden und
- - daß Lichtquellen das räumliche Objekt beleuchten, so daß die Beleuchtungsstär ke, Lichtart und Beleuchtungsweise der Empfindlichkeit des Scannersensors (15) bzw. der Bildauswertung angepaßt sind
- - daß ein Rechnerprogramm (26) die auf übliche Weise mit einem Scanner erfaß ten Bilddaten hinsichtlich ihrer speziellen Perspektiven in mechanischer Scanrich tung und senkrecht dazu in optischer Abtastrichtung entzerrt.
2. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach
Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Rechner oder per Hand drehba
rer Objektträger (7) das Objekt (4) um eine Achse (14) um definierte Winkel drehen
kann, damit das Objekt unter mehreren Ansichten räumlich und in Farbe erfaßt wer
den kann.
3. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach
den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein unter 45° über dem
Scanner angeordneter Planspiegel (9) vorzugsweise ein Vorderflächenspiegel, die
optische Achse des Systems um 90° zur Seite hin umlenkt.
4. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach
den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzoptik (2) aus einer
Zerstreuungslinse besteht.
5. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach
den Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß über dem Eintrittsspalt
(19) des Sensorschlittens (17) eine Zylinderlinse (18) oder ein derart wirkendes op
tisches Funktionselement so angeordnet ist, daß der wirksame Schnitt parallel zum
Eintrittsspalt (19) orientiert ist und daß deren Brennweite genau oder näherungswei
se dem Abstand Zylinderlinse (18) und Eintrittspupille des optischen Untersystems
(20) entspricht, welches sich aus Objektiv (5) und dem Vorsatzlinsensystem (25) zu
sammensetzt, und daß das Vorsatzlinsensystem (25) ein Anamorphot ist, der in
Richtung des wirksamen Schnittes der Zylinderlinse (18) und auch senkrecht dazu
die Objektpunkte exakt auf den Zeilensensor (15) abbildet.
6. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach
den Ansprüchen 1 bis 3 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsatzlinsensy
stem (25) aus einem Anamorphot besteht, der sich aus zwei gekreuzten Zylinderlin
sen zusammensetzt und deren Brennweiten derart bemessen sind, daß in beiden
Richtungen eine exakte optische Abbildung des räumlichen Gegenstandes (4) auf
den Zeilensensor (15) gegeben ist.
7. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach
den Ansprüchen 1 bis 3 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsatzlinsensy
stem (25) aus einem Anamorphot besteht, der sich aus einer Zerstreuungslinse und
einer Zylinderlinse zusammensetzt, deren wirksamer Schnitt in die gleiche Richtung
weist wie derjenige der Zylinderlinsen (18), und die Brennweite dieser zusätzlichen
Zylinderlinse in dem optischen System so bemessen ist, daß in beiden Richtungen
senkrecht zur optischen Achse eine exakte Abbildung des räumlichen Gegenstan
des (4) auf den Zeilensensor (15) erreicht wird.
8. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach
den Ansprüchen 1 bis 3 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsatzlinsensys
tem (25) aus einer Zerstreuungslinse mit Zylinderschliff besteht und deren Zylinder
in die gleiche Richtung weist wie derjenige der Zylinderlinsen (18) und die Brenn
weiten der beiden senkrecht zueinander stehenden Achsen Werte aufweisen, die
eine exakte Abbildung des räumlichen Gegenstandes (4) auf den Zeilensensor (15)
garantieren.
9. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände nach
den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner, sofern dies sein
Aufbau ermöglicht, vertikal angeordnet ist und mithin ein Planspiegel (9) entfallen
kann.
10. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände
nach den Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß ergänzend zu der Be
leuchtung (3), (3a) eine zusätzliche oder auch ausschließliche Beleuchtungsvor
richtung (21) mit dem Objektträger (7) mechanisch fest verbunden ist, und mit der
das Objekt von allen Richtungen aus strukturiert beleuchtet werden kann, wobei sich
bei der Drehung des Objektträgers (7) die Lichtstruktur auf der Objektoberfläche
nicht verschiebt.
11. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände
nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsein
richtung (21) in der Art von Diaprojektoren aufgebaut ist und die Projektionen auf die
Objektoberfläche regelmäßige oder unregelmäßige Strukturen aufweisen können.
12. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände
nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsvor
richtung mit Laserlicht arbeitet und die Projektionen auf die Objektoberfläche regel
mäßige oder unregelmäßige Strukturen aufweisen können.
13. Anordnung zur bildhaften und farblichen Erfassung räumlicher Gegenstände
nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht von ei
nem räumlich entfernten Laser über eine Lichtleitfaser (23) zur Projektionsvorrich
tung (21) geleitet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997109050 DE19709050A1 (de) | 1997-03-06 | 1997-03-06 | Anordnung zur bildhaften, farblichen Erfassung von räumlichen Gegenständen mit einem Flachbettscanner |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997109050 DE19709050A1 (de) | 1997-03-06 | 1997-03-06 | Anordnung zur bildhaften, farblichen Erfassung von räumlichen Gegenständen mit einem Flachbettscanner |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19709050A1 true DE19709050A1 (de) | 1998-01-22 |
Family
ID=7822362
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1997109050 Withdrawn DE19709050A1 (de) | 1997-03-06 | 1997-03-06 | Anordnung zur bildhaften, farblichen Erfassung von räumlichen Gegenständen mit einem Flachbettscanner |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19709050A1 (de) |
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