DE19738179C1 - Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung von Objektpunkten - Google Patents
Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung von ObjektpunktenInfo
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Description
Es ist bekannt, daß zur hochgenauen dreidimensionalen Formerfassung Triangulations
verfahren eingesetzt werden, welche mit einem Streifenprojektor und einer Film- oder
Videokamera arbeiten. Dieses Meßprinzip bietet den Vorteil, daß eine flächenhafte Aus
wertung möglich ist, nämlich an allen Oberflächenpunkten eines Objektes, die sowohl
vom Projektor beleuchtet als auch von der Kamera beobachtet werden.
Um eine eindeutige Identifikation der projizierten Streifen zu ermöglichen, ist es erfor
derlich, eine Reihe unterschiedlicher Streifenmuster nacheinander zu projizieren und mit
der Kamera aufzunehmen. Hierzu sind verschiedene Verfahren bekannt, so z. B. das hier
archische Phasenshiftverfahren, das z. B. im Digitalisiersystem OptoShape der Fa.
Massen (Am Seerhein 8, 78467 Konstanz) verwendet wird, der codierte Lichtansatz
(T. G. Stahs, F. M. Wahl, "Close Range Photogrammetry Meets Machine Vision", SPIE
Vol. 1395 (1990) S. 496-503 sowie "Kurzbeschreibung LCD 320" zum Projektor Typ
LCD 320 der Fa. ABW, Gutenbergstraße 9, D-72636 Frickenhausen) oder das kombi
nierte CLA-Phasenshift-Verfahren (Patentschrift DE 41 20 115 C2). Bei diesen Techni
ken wird eine hohe Auflösung durch das aus der interferometrischen Meßtechnik stam
mende Phasenshiftverfahren erzielt. Beim Phasenshiftverfahren wird durch Projektion
phasenverschobener sinusförmiger Wellenfronten die Berechnung des Phasenwinkels für
jeden Punkt der untersuchten Streifen- bzw. Interferenzbilder ermöglicht. Hierzu werden
für jede der verwendeten Perioden- bzw. Wellenlängen jeweils mindestens 3 phasenver
schobene Wellenfronten benötigt, da Hintergrundintensität, Intensitätsamplitude und
Phasenwinkel bestimmt werden müssen (W. Osten, "Digitale Verarbeitung und Auswer
tung von Interferenzbildern", Kap. 6, Akademie Verlag ISBN 3-05-501294-1).
Das Phasenshiftverfahren besitzt den Nachteil, daß für jede der verwendeten Perioden-
bzw. Wellenlängen mindestens 3 Bilder benötigt werden. Beim Einsatz des Phasenshift
verfahrens in Kombination mit einem programmierbaren Liniengitter, z. B. in Form eines
LCD-Panels, ergibt sich ferner der Nachteil, daß zur Erzeugung der Sinusgitter, welche
um ganzzahlige Vielfache von 120° verschiebbar sein müssen, für die kürzeste darstell
bare Periode jeweils 6 Linien zu einer Sinuswellenperiode kombiniert werden, da der
120° Phasenshift durch Versetzen des Streifenmusters um 2 Linien erfolgt. Aus diesem
Grunde wird in der Praxis meistens der 4er Phasenshift verwendet, bei dem eine Periode
durch Kombination von nur 4 Linien erzeugt wird und der 90° Phasenshift durch Verset
zen des Streifenmusters um eine Linie durchgeführt wird. Hierdurch erhält man eine hö
here Streifendichte und damit Auflösung, benötigt aber insgesamt 4 Gitterprojektionen
um den Phasenwinkel zu berechnen.
Während der gesamten Aufnahmezeit, die benötigt wird, um alle Lichtmuster aufzuneh
men, muß die gesamte zu vermessende Szenerie unbeweglich sein, da sonst die mit der
Kamera aufgenommenen Bilder nicht korrelieren. Dies ist insbesondere dann ein Pro
blem, falls das aufzunehmende Objekt nur schwerlich in absoluter Ruhe verharrt, so wie
beispielsweise bei der Messung an lebenden Personen. Es ist daher zweckmäßig, die An
zahl der zu projizierenden Lichtmuster zu minimieren und damit die Aufnahmezeit zu
verkürzen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das zur hochauflösenden
Vermessung von Objekten mittels projizierter Lichtmuster geeignet ist und das eine in
der Auflösung gleichwertige und in der Aufnahmezeit überlegene Alternative zu den
obengenannten Verfahren darstellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen
Unteransprüchen angegeben.
Zur Berechnung des Phasenwinkels für jeden Bildpunkt der beobachtenden Kamera wird
eine Projektionseinheit mit programmierbarem oder mechanisch verstellbarem Gitter
verwendet. Erfindungsgemäß ist das Gitter so ausgebildet, daß entweder mindestens
zwei verschiedene Lichtflächen erzeugt bzw. projiziert werden können, die jeweils eine
gleichmäßige nicht durch Linien oder sonstige Strukturen durchzogene Intensitätsver
teilung aufweisen, die der Intensitätsverteilung einer mit der gleichen Projektionseinheit
erzeugten Gitterprojektion mit sinusförmiger Intensitätsverteilung an Orten mit konstan
tem Phasenwinkel bekannter oder berechenbarer Größe entspricht. Oder das Gitter ist so
ausgebildet, daß eine strukturfreie Lichtfläche projiziert werden kann, deren Intensitäts
verteilung punkteweise genau dem Mittelwert zwischen maximaler und minimaler In
tensität der mit der gleichen Projektionseinheit erzeugten Gitterprojektionen mit sinus
förmiger Intensitätsverteilung entspricht. Die mit strukturfreien Lichtflächenprojektionen
erzeugten und mit der Kamera aufgenommenen Abbildungen werden im Folgenden
Konstantphasenbilder genannt, da der an jedem Bildpunkt vorliegende Phasenwinkel
konstant ist.
Erfindungsgemäß werden die Konstantphasenbilder zur Berechnung der Hintergrundin
tensität oder der Intensitätsamplitude in den Abbildungen der mit der gleichen Projek
tionseinheit erzeugten Gitterprojektionen mit sinusförmiger Intensitätsverteilung ver
wendet. Es werden somit von den drei unbekannten Größen Hintergrundintensität, In
tensitätsamplitude und Phasenwinkel, welche, wie Eingangs erwähnt, bei sinusförmiger
Intensitätsverteilung zu bestimmen sind, entweder Hintergrundintensität oder Intensi
tätsamplitude oder Hintergrundintensität und Intensitätsamplitude aus Konstantphasen
bildern berechnet. Die so berechnete Hintergrundintensität oder Intensitätsamplitude
wird erfindungsgemäß dazu verwendet, um aus den Abbildungen der Gitterprojektionen
mit sinusförmiger Intensitätsverteilung punktweise den Phasenwinkel zu berechnen.
Formelmäßig ergeben sich dabei die folgenden Zusammenhänge:
Es gilt für die Intensität IS(x,y) eines Bildpunktes an den Bildkoordinaten (x, y) bei sinus
förmiger Intensitätsverteilung:
IS(x,y) = IA(x,y) . sinϕ(x,y) + IH(x,y)
mit:
IA(x,y): Intensitätsamplitude
ϕ(x,y): Phasenwinkel
IH(x,y): Hintergrundintensität
IA(x,y): Intensitätsamplitude
ϕ(x,y): Phasenwinkel
IH(x,y): Hintergrundintensität
Seien I1(x,y) und I2(x,y) die in den Konstantphasenbildern am Bildpunkt (x, y) enthaltenen
Intensitäten, welche den ortsunabhängigen Phasenwinkeln ϕ1 bzw. ϕ2 entsprechen.
Unter Verwendung des Ansatzes:
I1(x,y) = IA(x,y) . sinϕ1 + IH(x,y)
I2(x,y) = IA(x,y) . sinϕ2 + IH(x,y)
ergibt sich die Hintergrundintensität IH(x,y) zu:
und die Intensitätsamplitude IA(x,y) zu:
Die Projektionseinheit ist vorteilhafterweise konstruktiv so ausgebildet, daß ein Sinusgit
ter sowie ein in Intensitätsamplitude und Periodenlänge mit dem Sinusgitter identisches
aber um π/2 phasenverschobenes Gitter projiziert werden kann.
Zur Berechnung des Phasenwinkels für jeden Bildpunkt der Kamera werden vorteilhaf
terweise die Abbildungen der Projektionen eines Sinusgitters und des hierzu passenden
Cosinusgitters, also eines Gitters das gegenüber dem Sinusgitter um π/2 phasenverscho
ben ist, verwendet.
Der Phasenwinkel ϕ(x,y) am Bildpunkt (x, y) errechnet sich dann wie folgt:
Mit:
IC(x,y) = IA(x,y) . sin(ϕ(x,y) + π/2) + IH(x,y) = IA(x,y) . cosϕ(x,y) + IH(x,y)
gilt:
Es ist nun offensichtlich, daß zur Bestimmung des Phasenwinkels ϕ(x,y) nur zwei Gitter
projektionen mit sinusförmiger Intensitätsverteilung erforderlich sind.
Da der Phasenwinkel ϕ(x,y) durch die Arcustangensfunktion bestimmt wird, ist er 2π
moduliert, so daß um ganzzahlige Vielfache von 2π verschiedene Phasenwerte nicht un
terschieden werden können. Zur Berechnung der absoluten Phasenwinkel, d. h. zur Be
stimmung des n . 2π Offsets eines Phasenwinkels, wird das Verfahren deshalb vorteil
hafterweise mit dem Verfahren des codierten Lichtansatzes kombiniert, oder durch Ver
wendung unterschiedlicher Periodenlängen in den Sinus/Cosinus Gitterpaaren eine Serie
von Phasenbildern berechnet, die eine Berechnung des absoluten Phasenwinkels zuläßt.
In beiden Fällen lassen sich hierbei gegenüber der Verwendung des Phasenshiftverfah
rens Projektionen bzw. Bildaufnahmen einsparen.
Im ersten Fall führt man hierzu vorteilhafterweise die zur Auswertung der Streifenbilder
des codierten Lichtansatzes erforderliche Identifikation heller und dunkler Linien auf Ba
sis des Hintergrundintensitätsbildes durch, womit sich die Erzeugung des ansonsten er
forderlichen dynamischen Schwellwertbildes zur Binarisierung der Streifenmuster erüb
rigt.
Im zweiten Fall benötigt man zur Phasenberechnung nur zwei Gitterprojektionen pro
verwendeter Periodenlänge, da das nach obigen Verfahren erzeugte Hintergrundintensi
tätsbild für alle Periodenlängen gültig ist.
Da sich die nach dem hier beschriebenen neuen Verfahren berechneten Phasenbilder im
Ergebnis nicht von den mittels des bekannten Phasenshiftverfahrens erzeugten Phasen
bildern unterscheiden, muß die Verrechnung von Phasenbild mit Bildern des codierten
Lichtansatzes bzw. die Verrechnung von Phasenbildern unterschiedlicher Periodenlänge
zur Bestimmung des absoluten Phasenwinkels hier nicht weiter erläutert werden.
Im folgenden seien zwei Ausführungsbeispiele aufgeführt:
Ein Gitter mit den geforderten Eigenschaften erhält man durch Verwendung eines
programmierbaren LCD-Panels mit Linien- oder Punktelementen in der Projektionsein
heit (LCD-Projektor).
Wird nun ein Bild bei voll durchlässigem LCD-Panel und ein Bild bei voll abgedunkel
tem LCD-Panel aufgenommen, so erhält man die obere und die untere Einhüllende zu
sämtlichen mit dem LCD-Gitter projizierbaren Streifenmustern, unter der Vorausset
zung, daß zur Erzeugung der Streifenmuster ebenfalls die hellsten und dunkelsten Li
nien, welche mit dem LCD-Panel erzeugbar sind, verwendet werden.
Es gilt dann für die ortsunabhängigen Phasenwinkel ϕ1 = 90° und ϕ2 = 270° und somit
für die Hintergrundintensität IH(x,y):
Die dabei entstehenden Verhältnisse zeigt Fig. 1. Sie zeigt einen Schnitt durch die Ab
bildungsebene des Projektionsfeldes senkrecht zur Orientierung der Streifen. Dabei ist
die Intensität I über der Strecke s aufgetragen. Kurve 1 zeigt den Intensitätsverlauf bei
Projektion mit voll durchlässigem Gitter (Konstantphasenwinkel ϕ1 = 90°), Kurve 2 den
Intensitätsverlauf bei voll abgedunkeltem Gitter (Konstantphasenwinkel ϕ2 = 270°),
Kurve 3 die resultierende Hintergrundintensität IH und Kurve 4 den Intensitätsverlauf bei
Projektion eines Sinusgitters.
Wird hingegen ein Bild aufgenommen, bei welchem die durch die LCD-Elemente her
vorgerufene Abdunkelung genau dem Mittel zwischen maximaler Helligkeit bei voll
durchlässigem LCD-Panel und minimaler Helligkeit bei voll abgedunkeltem LCD-Panel
entspricht, so erhält man ein Konstantphasenbild zum Winkel ϕ1 = 0° und somit für die
Hintergrundintensität IH(x,y):
IH(x,y) = I1(x,y)
d. h. man erhält so direkt aus einem Bild die Hintergrundintensität. Diese Vorgehens
weise erfordert allerdings ein Gitter welches Graustufen darstellen kann und nicht nur
binäre hell/dunkel Muster. Die dabei entstehenden Verhältnisse zeigt Fig. 2. Sie zeigt
wiederum einen Schnitt durch die Abbildungsebene des Projektionsfeldes senkrecht zur
Orientierung der Streifen. Es ist die Intensität I über der Strecke s aufgetragen. Kurve 5
zeigt den Intensitätsverlauf bei Projektion mit halb durchlässigem Gitter
(Konstantphasenwinkel ϕ1 = 0°), der identisch ist mit dem Intensitätsverlauf der Hinter
grundintensität IH, und Kurve 6 den Intensitätsverlauf bei Projektion eines Sinusgitters.
Claims (8)
1. Verfahren zur optischen Vermessung räumlicher Koordinaten von Objektpunkten, bei
dem mittels eines Projektors Lichtmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert wer
den, Abbildungen dieser Lichtmuster auf dem Objekt mittels einer Kamera aufgenommen
werden und aus diesen Abbildungen über ein Triangulationsverfahren die Oberflächen
kontur des Objektes berechnet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß Lichtflächen auf das zu vermessende Objekt projiziert und aufgenommen werden,
deren jeweilige Intensitätsverteilung der Intensitätsverteilung einer mit der gleichen
Projektionseinheit erzeugten Gitterprojektion mit sinusförmiger Intensitätsverteilung an
Orten mit konstantem Phasenwinkel von bekannter oder berechenbarer Größe entspricht,
daß die Abbildungen dieser Lichtflächen zur punktweisen Berechnung der Hintergrundin
tensität oder der Intensitätsamplitude in den Abbildungen der Gitterprojektionen mit si
nusförmiger Intensitätsverteilung verwendet werden und daß die so berechnete Hinter
grundintensität oder Intensitätsamplitude dazu verwendet wird, um aus den Abbildungen
von Gitterprojektionen mit sinusförmiger Intensitätsverteilung punktweise den Phasen
winkel zu berechnen.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hintergrundintensität oder die Intensitätsamplitude punktweise aus den Projek
tionen der oberen und der unteren Einhüllenden der Gitterprojektionen mit sinusförmiger
Intensitätsverteilung ermittelt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hintergrundintensität punktweise aus der Projektion einer Lichtfläche ermittelt
wird, deren Intensitätsverteilung punktweise dem Mittelwert von maximaler und
minimaler Intensität der Gitterprojektionen mit sinusförmiger Intensitätsverteilung
entspricht.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1, 2 oder 3
dadurch gekennzeichnet,
daß der ortsabhängige Phasenwinkel punktweise aus der Projektion eines Sinusgitters und
der Projektion eines hierzu um ein Viertel der Periodenlänge verschobenen Sinusgitters
ermittelt wird.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3 oder 4
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verfahren zur Bestimmung der absoluten, nicht 2π modulierten Phasenwinkel mit
dem Verfahren des codierten Lichtansatzes kombiniert wird.
6. Verfahren nach Patentanspruch 5
dadurch gekennzeichnet,
daß die zur Berechnung der Hintergrundintensität oder Intensitätsamplitude aufgenom
menen Abbildungen zugleich zur Identifikation heller und dunkler Streifen in den Strei
fenbildern des codierten Lichtansatzes verwendet werden.
7. Verfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3 oder 4
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bestimmung der absoluten Phasenwinkel Gitterprojektionen mit unterschiedli
chen Periodenlängen verwendet werden, um eine Serie von Phasenbildern zu erhalten,
welche die Berechnung der absoluten, nicht 2π modulierten Phasenwinkel ermöglicht.
8. Verfahren nach Patentanspruch 7
dadurch gekennzeichnet,
daß die zur Berechnung der Hintergrundintensität oder Intensitätsamplitude verwendeten
Abbildungen genau einmal aufgenommenen werden und für die Phasenwinkelberechnung
aller benötigten Periodenlängen verwendet werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1997138179 DE19738179C1 (de) | 1997-09-02 | 1997-09-02 | Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung von Objektpunkten |
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Publications (1)
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