DE19738480C1 - Verfahren und Einrichtung zur optischen Vermessung von Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtung zur optischen Vermessung von Objek­ ten. Es gibt mittlerweile eine Reihe von optischen Meßverfahren, die durch Projektion von Lichtmustern, welche in der Regel mit einer Videokamera aufgezeichnet werden, die flächenhafte Berechnung von 3 dimensionalen Verschiebungs- und Konturdaten ermögli­ chen. Zu diesen Verfahren gehören beispielsweise die 3D Konturvermessung mittels pro­ jizierter Streifen oder die Verschiebungs- und Dehnungsmessung mittels der Speckle Interferometrie oder die Mehrfachpuls-Holografie. Zur Berechnung der 3-dimensionalen Gestalt eines Objektes oder des Verschiebungs- bzw. Dehnungsfeldes wird hierbei ein digitales Bildverarbeitungssystem verwendet, das aus ein oder mehreren Kamerabildern die gewünschten Ergebnisdaten berechnet. Bei der Auswertung der aufprojizierten Strei­ fen- bzw. Specklemuster wird dabei entweder unterschieden, ob die am gerade betrachte­ ten Bildpunkt auftreffende Linie im gerade betrachteten Bild hell- oder dunkelgeschaltet ist (Beispiel CLA-Verfahren (CLA: coded light approach)), oder es wird, unter Annahme einer sinusförmigen Intensitätsmodulation der auftreffenden Linie oder des auftreffenden Speckles, die im gerade betrachteten Bild vorliegende Phasenlage bestimmt (Beispiel Phasenshiftverfahren). Als Rechenverfahren kommen Streifenidentifikationsverfahren (T. G. Stahs, F. M. Wahl, "Close Range Photogrammetry Meets Machine Vision", SPIE Vol. 1395 (1990) S. 496-503) oder Phasenshift-Verfahren (W. Osten, "Digitale Verar­ beitung und Auswertung von Interferenzbildern", Kap. 6, Akademie Verlag ISBN 3-05- 501294-1) zum Einsatz. Die in den Kamerabildern, welche innerhalb einer Meßbildse­ quenz aufgenommen werden, vorhandene Bildinformation setzt sich zusammen aus ei­ nem Anteil an gleichbleibender Helligkeitsinformation durch hell/dunkel-Kontraste auf der Objektoberfläche, Umgebungslicht usw., die als Hintergrundintensität bezeichnet wird, und einem Anteil an gezielt modulierter Lichtintensität, die durch unterschiedliche optische Gitter oder eine Phasenschiebeeinheit erzeugt wird. Die in den Bildern vorlie­ gende Information über die Hintergrundintensität wird bei diesen Auswerteverfahren ausnahmslos rechnerisch beseitigt und die Amplitude der Intensitätsmodulation normiert.

Folglich ist bei diesen Meßverfahren weder die Hintergrundintensität noch die Amplitude der Intensitätsmodulation von Interesse.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bei den oben genannten Meßverfahren die aufprojizierten Streifen- bzw. Specklemuster, aus denen die Meßdaten gewonnen werden, über den gesamten Bildsensor betrachtet, häufig weder in ihrer Intensitätsampli­ tude noch in ihrer Hintergrundintensität konstant sind. Als Ursachen hierfür sind die va­ riablen Reflexionseigenschaften der beobachteten Objekte, die ungewollt ungleichmäßige Ausleuchtung der Szenerie durch die Projektionseinheit und die Einflüsse des Umge­ bungslichtes zu nennen. Je höher dabei die Dynamik der Hintergrundintensität ist, desto geringer muß die Amplitude der überlagerten Intensitätsmodulation durch Streifen- bzw. Specklemuster sein, damit das Kamerabild während der Aufnahme der Meßbildsequenz weder Übersteuerungen noch Unterbelichtungen aufweist. Es ist offensichtlich, daß sich mit relativ zur Hintergrundintensität kleiner werdender Amplitude der Intensitätsmodula­ tion das Signal/Rausch-Verhältnis zunehmend verschlechtert. Mit anderen Worten: je un­ gleichmäßiger die Helligkeitsverteilung auf dem mit der Kamera beobachteten Objekt ist, desto schlechter ist die Qualität der Ergebnisdaten. Übersteigt die Dynamik der Hinter­ grundintensität bereits den Dynamikbereich der Kamera, so ist eine lückenlose Auswer­ tung bisher generell unmöglich.

Um eine möglichst gleichmäßige Helligkeit der zu vermessenden Objekte im Kamerabild zu erzielen, werden diese üblicherweise weiß eingefärbt. Hiermit lassen sich die Probleme beseitigen, die man sonst mit einem wie auch immer gearteten Farbmuster auf der Ob­ jektoberfläche bei der Aufnahme der Meßwertbilder hätte. Diese Maßnahme kann jedoch zur Beschädigung der Objektoberfläche führen und erfordert in jedem Fall eine nachträg­ liche Reinigung, die insbesondere bei Serienprüfungen unzumutbar sein kann. Ferner wird durch das Einfärben des Objektes eine in der Praxis fast immer vorhandene un­ gleichmäßige Ausleuchtung des Objektes durch die Projektionseinheit nicht ausgeglichen. Für viele Anwendungen (z. B. 3D-Vermessung von Gesichtern oder Kunstgegenständen) ist außerdem der Erhalt der Originalfarbgebung des Objektes erwünscht, d. h. man will die Originalfarbgebung zusammen mit den Meßdaten aufnehmen um später z. B. zu Ani­ mationszwecken 3D Kontur und Farbe überlagern zu können.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zur intensitätsmo­ dulierenden optischen Messung anzugeben, welche gegen Unterschiede der Hinter­ grundintensität weitgehend unempfindlich sind. Diese Aufgabe wird durch das in Patent­ anspruch 1 aufgeführte Verfahren und die in Anspruch 7 angegebene Einrichtung gelöst. Es werden hiermit sowohl die örtlichen Schwankungen der Hintergrundintensität als auch unterschiedlich hohe Intensitätsamplituden optisch eliminiert. Vorteilhafte Weiter­ bildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird in den Strahlengang zwischen Objekt und der beobachtenden Kamera ein Filter eingesetzt, um Bildbereiche, die zu hell sind, abzudunkeln während dunkle Bildbereiche nicht oder nur geringfügig abgedunkelt werden. Durch diese Maß­ nahme wird erreicht, daß sowohl die Hintergrundintensität als auch die Intensitätsampli­ tude in hellen Bereichen abgeschwächt und damit denen in den dunkleren Bildbereichen angeglichen werden. Hierdurch kann die Gesamthelligkeit bei der Ausleuchtung durch die Projektionseinheit erhöht und / oder die Lichtempfindlichkeit der Kamera gesteigert werden, ohne daß Übersteuerungen in den zuvor, d. h. bei voll lichtdurchlässigem Filter, hellen Bildbereichen auftreten.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Filter in Form eines Lichtmodulators als Matrix mit n × m in ihrer Lichtdurchlässigkeit unabhängig voneinander einstellbaren Ele­ menten eingebracht. Dadurch kann das Intensitätenfilter dynamisch an die vorliegenden Lichtverhältnisse angepaßt werden. Für die geometrische Anordnung von Bildsensor und Lichtmodulator wurden bereits mehrere Lösungen beschrieben, z. B. in den Patentschrif­ ten DE 43 05 807 A1 oder DE 44 20 637 A1, und sie muß daher nicht in allen Details beschrieben werden. Neben der hier ausnahmslos vorgeschlagenen Verwendung von LCD-Panels können auch Mikro-Spiegel-Modulatoren (MMD: micro-mirror-device) verwendet werden, bei denen die unerwünscht hohen Lichtverluste der mit Polarisa­ tionsfiltern arbeitenden LCD-Panels vermieden werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Berechnung der In­ tensitätsabschwächung auf Basis eines Bildes durchgeführt, welches nur die Hinter­ grundintensität enthält, so daß durch die Hintereinanderschaltung von Objekt und Lichtmodulator eine vollständige Elimination der Schwankungen der Hintergrundintensi­ tät auf dem Bildsensor der Kamera erfolgt. Hierdurch wird eine optimale Wirkung er­ zielt.

Vorteilhafterweise wird die Aufnahme aller zur Messung gehörenden Intensitätsbilder dann mit der zuvor berechneten und eingestellten Intensitätsabschwächung durchgeführt, wobei diese nicht mehr verändert wird. Hierdurch wird die Einhaltung einer konstanten Hintergrundintensität sichergestellt, die eine Grundbedingung für die Anwendbarkeit der Eingangs erwähnten Berechnungsverfahren darstellt.

Mit der Erfindung ist somit eine Möglichkeit geschaffen, die unerwünschten örtlichen Schwankungen der Hintergrundintensität optisch zu beseitigen und gleichzeitig die In­ tensitätsamplitude der Projektionseinrichtung für alle untersuchten Bildpunkte anzuglei­ chen. Dadurch kann die durch Streifenprojektion oder Phasenlagenänderung erzeugte Intensitätsmodulation nun mit maximaler Amplitude aufgetragen werden, d. h. die Dy­ namik der Kamera wird nun ausschließlich zur Messung der Intensitätsmodulation ge­ nützt, womit eine lückenlose Auswertung bei gleichzeitig optimalem Signal/Rausch-Ver­ hältnis erreicht wird.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Fig. 1 erläutert. Die Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Einrichtung zur opti­ schen Vermessung von Objekten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Einrichtung zur optischen Vermessung eines Objektes 3 enthält eine Projektionseinrich­ tung 1, mit der ein Lichtmuster 2 auf dem zu vermessenden Objekt 3 erzeugt wird. Mit­ tels einer Optik 9 wird eine Abb. 4 des auf das Objekt projizierten Lichtmusters auf einem Bildsensor 5 erzeugt. Optik 9 und Bildsensor 5 können Bestandteile einer Kamera bzw. Videokamera sein. Mittels einer Auswerteeinheit 6 wird aus der Abbildung des projizierten Lichtmusters 2 die Oberflächenkontur des zu vermessenden Objekts 3 be­ rechnet. Die Auswerteeinheit 6 kann in einem Mikrocomputer eines optischen Bildverar­ beitungssystems bestehen.

Ein als optisches Filterelement 7 dienender Lichtmodulator ist als Array von intensitäts­ abschwächenden Elementen ausgebildet und zwischen das Objekt 3 und dem Bildsensor 5 geschaltet und läßt eine möglichst feinstufige, voneinander unabhängige und gegebe­ nenfalls voneinander verschiedene Abschwächung der von verschiedenen Oberflächen­ punkten des betrachteten Objektes ausgehenden Strahlenbündel zu. Die Ansteuerung des Lichtmodulators 7 erfolgt mittels einer elektronischen Schaltung 8, welche die Erzeu­ gung bzw. Anzeige von beliebigen Abblendmustern mittels des Lichtmodulators 7 er­ möglicht und in der Lage ist, diese während der Aufnahme beliebig vieler Kamerabilder ununterbrochen unverändert beizubehalten. Hierzu ist beispielsweise die Verwendung einer zur Auflösung des Lichtmodulators 7 passenden Computer-Grafikkarte denkbar. Ist der Lichtmodulator 7, wie in Fig. 1 dargestellt, als Mikro-Spiegel-Modulator aus­ gebildet, so wird ferner eine Optik 10 zur Erzeugung einer Zwischenabbildung des Ob­ jektes 3 auf dem Lichtmodulator 7 verwendet.

Die Aufnahme des Referenzbildes zur Berechnung des mit dem Lichtmodulator 7 zu er­ zeugenden Abblendmusters erfolgt zweckmäßigerweise bei voll durchlässigem Modu­ lator. Dabei wird bei der Wahl der Objektivblende und der Belichtungszeit bzw. der Ausleuchtung der Szenerie so vorgegangen, daß die dunkelsten Bereiche ausreichend hell abgebildet werden. Danach kann ein zum Referenzbild negatives Abblendmuster berechnet und mit dem Lichtmodulator 7 dargestellt werden, das die Dynamik des Hin­ tergrundbildes vollständig kompensiert oder zumindest unter einen bestimmten Schwell­ wert verkleinert. Zur Berechnung des mittels des Lichtmodulators 7 zu erzeugenden Abblendmusters bedient man sich zweckmäßigerweise der zur Meßdatenerfassung und - auswertung ohnehin erforderlichen Kamera und des daran angeschlossenen Bildverar­ beitungssystems.

Claims (11)

1. Verfahren zur optischen Vermessung von Objekten, bei dem Lichtmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert werden, Abbildungen von den auf das zu vermessende Ob­ jekt projizierten Lichtmustern erzeugt werden, und aus den erzeugten Abbildungen die Oberflächenkontur, die Verschiebung oder der Spannungs-/Dehnungszustand des Objek­ tes berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem aufzunehmenden Objekt und den Abbildungen eine optische Filterung vorgenommen wird, welche die von verschiedenen Objektpunkten ausgehenden Strah­ lenbündel unabhängig und gegebenenfalls verschieden voneinander in ihrer Intensität so abschwächt, daß die örtliche Schwankung der resultierenden Hintergrundintensität ge­ genüber Abbildungen ohne diese Filterung verkleinert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Filterung während der Messung nicht verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterung durch ein Array von unabhängig voneinander einstellbaren Intensitäts­ abschwächern oder Mikroblenden erfolgt, welches über eine elektronische Steuerung dynamisch an die vorliegenden Lichtverhältnisse angepaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der mit der Filterung zu erzeugenden bündelweisen Intensitätsab­ schwächung auf Basis der mit einer Meßbildkamera aufgenommenen Bilder und unter Verwendung eines digital arbeitenden Bildverarbeitungssystems erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der mit der Filterung zu erzeugenden bündelweisen Intensitätsab­ schwächung mithilfe desselben Bildverarbeitungssystems erfolgt, das auch zur Messung verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterung mittels einer Matrix von Miniaturspiegeln (micro mirror device) erfolgt.

7. Einrichtung zur optischen Vermessung von Objekten mit einer Projektionseinrichtung (1) zur Erzeugung von Lichtmustern (2) auf dem zu vermessenden Objekt (3), einer Optik (9) zur Erzeugung von Abbildungen (4) der auf das Objekt projizierten Lichtmu­ ster (2) auf einen Bildsensor (5), und einer Auswerteeinrichtung (6) zur Berechnung der Oberflächenkontur, der Verschiebung oder des Spannungs-/Dehnungszustandes des zu vermessenden Objektes (3) aus den erzeugten Abbildungen (4), dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Filterelement (7) zwischen dem aufzunehmenden Objekt und dem Bild­ sensor (5) eingefügt ist, welches die von verschiedenen Objektpunkten ausgehenden Strahlenbündel unabhängig und gegebenenfalls verschieden voneinander in ihrer Intensi­ tät so abschwächt, daß die örtliche Schwankung der resultierenden Hintergrundintensität auf dem Bildsensor (5) gegenüber Aufnahmen ohne dieses Filterelement (7) verkleinert wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Filterelement (7) als Array von unabhängig voneinander einstellbaren Intensitätsabschwächern oder Mikroblenden ausgebildet ist, welches über eine elektro­ nische Steuerung (8) dynamisch an die vorliegenden Lichtverhältnisse angepaßt wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der mit dem Filterelement (7) zu erzeugenden bündelweisen Intensi­ tätsabschwächung auf Basis der mit einer Meßbildkamera aufgenommenen Bilder und unter Verwendung eines digital arbeitenden Bildverarbeitungssystems erfolgt.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der mit dem Filterelement (7) zu erzeugenden bündelweisen Intensi­ tätsabschwächung mithilfe derselben Auswerteeinrichtung (6) des Bildverarbeitungs­ systems erfolgt, das auch zur Auswertung der Meßbilder verwendet wird.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (7) in Form einer Matrix von Miniaturspiegeln (micro mirror de­ vice) ausgebildet ist.