DE19749435A1

DE19749435A1 - Vorrichtung zur dreidimensionalen, flächenhaften, optischen Vermessung von Objekten

Info

Publication number: DE19749435A1
Application number: DE1997149435
Authority: DE
Inventors: Bernward Maehner
Original assignee: Individual
Current assignee: Maehner Bernward 82275 Emmering De
Priority date: 1997-11-09
Filing date: 1997-11-09
Publication date: 1999-05-27
Anticipated expiration: 2017-11-10
Also published as: DE19749435B4

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen, flächenhaften, optischen Vermessung von Objekten. Es gibt mittlerweile eine Reihe von optischen Meßverfahren, die durch Projektion von Streifenmustern, welche mit einer Videokamera aufgezeichnet werden, die flächenhafte Berechnung von dreidimensionalen Konturdaten ermöglichen.

Zur Berechnung der dreidimensionalen Gestalt eines Objektes wird hierbei ein digitales Bildverarbeitungssystem verwendet, das aus einem oder mehreren Kamerabildern die ge wünschten Ergebnisdaten berechnet.

Die Erzeugung von eindeutig unterscheidbaren Lichtschnitten oder Projektionsstrahlen erfordert eine Lichtcodesequenz, die aus mehreren Linienmustern besteht. Die erforderli che Anzahl der zu projizierenden Linienmuster hängt im allgemeinen von der verwende ten Kodierung und der geforderten Auflösung des Meßsystems ab, also wie viele Licht schnittebenen oder Projektionsstrahlen im Projektionskegel der Projektionseinrichtung unterschieden werden können.

Die bekanntesten Verfahren zur Erzeugung eines Lichtcodes sind das Phasenshiftverfah ren und das Verfahren des kodierten Lichtansatzes (CLA-Verfahren). Ferner wird in der Patentschrift DE 41 20 115 C2 das kombinierte CLA-Phasenshiftverfahren beschrieben, das die Vorteile des Phasenshiftverfahrens, nämlich die hohe Tiefenauflösung, mit den Vorteilen des Verfahrens nach dem kodierten Lichtansatz kombiniert, so daß absolute Tiefendaten mit hoher Auflösung gewonnen werden können. Bei diesem Verfahren ist die Anzahl der zu projizierenden Linienmuster gleich der Summe aus der Anzahl der zum CLA-Verfahren gehörenden Linienmuster zuzüglich der zum Phasenshiftverfahren gehö renden Linienmuster. Bei Verwendung eines Projektionsgitters mit 1024 Linien ergibt dies z. B. eine Sequenz von 15 zu projizierenden Linienmustern (2 Referenzbilder + 9 Graycodebilder + 4 Phasenshiftbilder). Die unterschiedlichen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Linienmuster werden dabei typischerweise mit einem programmierbarem LCD-Paneel oder einem mechanisch verstellbaren Liniengittern erzeugt.

Ein weiteres in der Patentanmeldung AZ 197 38 179.0-52 beschriebenes Verfahren zeigt eine Alternative zum kombinierten CLA-Phasenshiftverfahren auf. Hierbei erfolgt die Gewinnung hochaufgelöster Tiefendaten nicht durch das Phasenshiftverfahren sondern durch ein neuartiges Verfahren, welches neben den Tiefendaten gleichzeitig das für die Binarisierung der Graycodebilder erforderliche dynamische Schwellwertbild liefert. Hier durch verkürzt sich die Sequenz um 2 Bilder, so daß sich für obiges Beispiel die Anzahl der zu projizierenden Linienmuster auf 13 verringert.

Während der gesamten Abspieldauer der Lichtcodesequenz muß das zu vermessende Objekt oder die zu vermessende Szenerie in absoluter Ruhe verharren, da sonst die Li nienmuster in den aufgenommenen Kamerabildern nicht korrelieren. Die genannten Ver fahren sind daher nicht für die Messung an bewegten Objekten geeignet. Dies muß als ein prinzipbedingter Nachteil in Kauf genommen werden.

Zur Vermeidung dieses Nachteil, ist ein Verfahren (sh. Patentschrift EP 0 419 936) ent wickelt worden, welches unter der Bezeichnung "direkte Phasenmessung" oder "räumliches Phasenshiftverfahren" bekannt ist. Dieses Verfahren benötigt nur noch eine Gitterprojektion bzw. ein Kamerabild um 2π modulierte Tiefendaten zu berechnen. Der hierdurch gewonnenen Echtzeitfähigkeit stehen jedoch neben der Tatsache, daß nur 2π modulierte und nicht absolute Tiefendaten gewonnen werden können, weitere gravie rende Nachteile gegenüber:
Bei der Durchführung des Phasenshifts wird vorausgesetzt, daß die Periodenlänge im Streifenbild einer konstanten Anzahl von Pixeln entspricht. Ferner wird vorausgesetzt, daß die Hintergrundintensität benachbarter Pixel identisch ist. Beide Voraussetzungen werden jedoch bei der Vermessung realer Objekte nur in grober Näherung erfüllt. Dies resultiert in relativ großen Phasenfehlern im Ergebnis. Deshalb ist dieses Verfahren für exakte Messungen ungeeignet.

In vielen Anwendungsfällen, z. B. bei der Vermessung von Gesichtern, Rückenpartien, usw. an lebenden, aber in Ruhe verharrenden Personen oder der Vermessung nicht völlig starrer Objekte, kann die Verwendung einer längeren Lichtcodesequenz akzeptiert wer den, falls die gesamte zum Abspielen und Aufnehmen einer Lichtcodesequenz benötigte Zeit hinreichend kurz ist, also z. B. nur Bruchteile einer Sekunde beträgt, und dafür abso lute und genaue Tiefendaten gewonnen werden können.

Der in Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß einem schnellen Abspielen der Lichtcodesequenz durch das notwendige Umprogrammieren oder Verstellen des Projektionsgitters Grenzen gesetzt sind. Während durch den Einsatz von schnellen Videokameras, z. B. mit frequenzverdoppeltem CCD-Chip, die Aufnahme einer 13 Bilder langen Lichtcodesequenz in 0,26 s problemlos möglich ist, kann ein LCD-Pro jektor mit der Projektion der unterschiedlichen Lichtmuster hier nicht Schritt halten.

Die Einstellzeit des Projektionsgitters liegt meistens beträchtlich über der Zeit, die zwi schen zwei Kamerabildern hierfür zur Verfügung stünde. Der japanische Hersteller SONY gibt beispielsweise als Antwortzeit des TFT Panels Typ LCX012AL bei 25°C für das Ausschalten eines Punktes 27 ms an. In dieser Zeit steigt die relative Lichtdurchlässig keit von 0% auf 90% an, die Abweichung vom Sollwert beträgt nach 27 ms also noch 10%. Für den inversen Schaltvorgang werden 11 ms angegeben. In dieser Zeit sinkt die relative Lichtdurchlässigkeit von 100% auf 10%. Zuzüglich der Zeit, die zum Program mieren der LCD-Treibereinheit, also z. B. einer Grafikkarte, erforderlich ist, beträgt die Einstellzeit für das Projektionsgitter somit mindestens 30-35 ms. Wird eine Belichtung bei noch nicht voll erreichtem Endwert durchgeführt, so ist der Streifenkontrast und damit das Signal/Rausch-Verhältnis dementsprechend schlechter. Ferner ändert sich dann die Lichtdurchlässigkeit der LCD Elemente noch während der Belichtungszeit der Kamera und zwar in Abhängigkeit von der vorhergehenden Einstellung. Dies führt insbesondere bei Verwendung des Phasenshiftverfahrens zu beträchtlichen Fehlern, da dann an den einzelnen Bildpunkten die Amplitude der sinusförmigen Intensitätsmodulation entgegen den Anforderungen des Phasenshiftverfahrens nicht konstant ist.

Noch ungünstiger sind die Verhältnisse, wenn das Gitter mechanisch bewegt wird. Die Fa. ABW (Automatisierung Bildverarbeitung Dr. Wolf, Gutenbergstr. 9, D-72636 Frickenhausen) gibt beispielsweise für den "Miniatur Linien- und Musterprojektor nach Malz" eine Schaltzeit von ca. 120 ms an. Die Aufnahme eines Linienmusters bei nicht völ lig geschaltetem Projektionsgitter ist hierbei völlig ausgeschlossen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur dreidimensionalen, flächenhaften, optischen Vermessung von Objekten mittels projizierter Lichtmuster anzugeben, die die schnelle Projektion der unterschiedlichen, zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Licht muster ermöglicht und so die Aufnahmezeit der Meßbildsequenz verkürzt.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 aufgeführte Vorrichtung gelöst. Vor teilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Die Aufgabe der Projektionseinrichtung, die unterschiedlichen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster auf einer optischen Projektionsachse zu projizieren, wird erfin dungsgemäß gleichmäßig auf zwei oder mehrere Projektionsgitter aufgeteilt. Die Pro jektionsgitter werden erfindungsgemäß entweder deckungsgleich oder entsprechend den Erfordernissen der verwendeten Lichtcodesequenz aufeinanderjustiert in der Bildebene der Projektionseinrichtung abgebildet. Werden beispielsweise zur Erzeugung eindeutig unterscheidbarer Projektionsstrahlen zwei in der Projektionsebene aufeinander senkrecht stehende Linienmuster verwendet, so werden zweckmäßigerweise die Linien des einen Projektionsgitters senkrecht zu denen des zweiten Projektionsgitters ausgerichtet.

Die Projektionsgitter werden erfindungsgemäß zeitlich voneinander getrennt mittels schaltbarer Lichtquellen projiziert, so daß die Projektionsgitter unabhängig voneinander projiziert werden können.

Erfindungsgemäß werden bei der Projektion der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster die Projektionszeitpunkte der Projektionsgitter zyklisch hinter einander angeordnet und mit der Bildaufnahme des Bildsensors so synchronisiert, daß während der Aufnahme eines Lichtmusters durch den Bildsensor genau ein Projektions gitter projiziert wird. Die Synchronisation kann auf Basis der Zeitsignale der Kamera er folgen oder durch einen Mikrocomputer, welcher die zeitlichen Abläufe im Meßsystem koordiniert, übernommen werden. In diesem Fall ist eine extern triggerbare Kamera er forderlich.

Ferner wird erfindungsgemäß bei der Projektion der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster die Einstellung des nächsten von einem Projektionsgitter anzu zeigenden Lichtmusters unmittelbar oder kurzzeitig nach der Projektion des aktuell von diesem Projektionsgitter anzuzeigenden Lichtmusters gestartet und die zur Einstellung dieses Projektionsgitters benötigte Zeit zur Projektion von Lichtmustern mit den jeweils anderen Projektionsgittern genutzt. Dadurch steht jedem Projektionsgitter einerseits eine maximal lange Zeit zur Einstellung des nächsten mit diesem Projektionsgitter zu projizie renden Lichtmusters zur Verfügung, andererseits wird die Aufnahmegeschwindigkeit der Kamera optimal genutzt.

Der notwendige Zeitabstand den die Projektionseinheit zwischen der aufeinanderfolgen den Projektion von zwei unterschiedlichen Lichtmustern benötigt, beträgt bei der Ver wendung dieser neuen Vorrichtung nur noch einen Bruchteil der ursprünglichen Einstell zeit des Projektionsgitters. Durch den Einsatz von n Projektionsgittern kann somit pro jektionsseitig die Aufnahmegeschwindigkeit um einen Faktor n erhöht werden.

In der Praxis ist insbesondere die Verwendung von 3 Projektionsgittern zweckmäßig, da hierzu die ausgereifte Optik handelsüblicher LCD Projektoren mit 3 LCD-Paneelen fast unverändert übernommen werden kann. Dadurch halten sich die Kosten für eine solche Projektionseinrichtung in Grenzen. Lediglich die Umrüstung auf drei getrennt schaltbare Lichtquellen und das Entfernen der für diese Meßtechnik überflüssigen Farbfilter ist er forderlich. Bei einer typischen Verzögerungszeit von 0,03 s für das LCD-Paneel bis zum Erreichen des vollen Kontrastes ergibt sich durch die Verwendung von 3 Gittern eine theoretische Projektionsfrequenz von 1/0.03 s/3=100 Hz. Bei einer Sequenzlänge von 13 Lichtmustern ergibt dies bei Verwendung einer entsprechend schnellen CCD-Kamera eine Aufnahmezeit von ca. 0,15 s.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen er läutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Den Aufbau eines Meßsystems zur Gewinnung dreidimensionaler Konturdaten mit einer Projektionseinheit mit zwei Projektionsgittern.

Fig. 2 Das Zeitdiagramm für das in der Fig. 1 gezeigte System.

Das in der Fig. 1 gezeigte Meßsystem besitzt eine Projektionseinrichtung, welche zwei unabhängige Projektionsgitter G1 und G2 besitzt. Das Gitter G1 wird durch eine Licht quelle, bestehend aus Blitzlichtlampe L1, Reflektor R1 und Kondensor K1, beleuchtet und über die Abbildungsoptik 2 auf dem zu vermessenden Objekt 4 abgebildet. Das Pro jektionsgitter G2 wird durch eine Lichtquelle, bestehend aus Blitzlichtlampe L2, Reflektor R2 und Kondensor K2, über den teildurchlässigen Spiegel 1 und die Abbildungsoptik 2 auf der gleichen Projektionsachse wie Gitter G1 auf dem Objekt 3 abgebildet. Die mittels der Projektionsgitter G1 und G2 auf dem Objekt 4 erzeugten Linienmuster 3 werden über die Abbildungsoptik 5 auf dem Bildsensor 6 abgebildet. Optik 5 und Bildsensor 6 können Bestandteile einer Kamera bzw. Videokamera sein. Die mit dem Bildsensor 6 aufgenom menen Abbildungen und die Zeitsteuerungssignale (Timing-Signale) des Bildsensors wer den zur Weiterverarbeitung zum Bildverarbeitungssystem 7 übertragen. Das Bildverar beitungssystem 7 kann aus einem Mikrocomputer mit eingebauter Bildeinzugskarte (Framegrabber) bestehen. Das Bildverarbeitungssystem 7 übernimmt auf Basis der Zeitsi gnale des Bildsensors 6 die Koordination über die Programmierung der Treibereinrich tung 8 zur Ansteuerung des Projektionsgitters G1, die Programmierung der Treiberein richtung 11 des Projektionsgitters G2, sowie über das Auslösen der Blitzlampen L1 und L2 über deren Triggereinrichtungen 10 bzw. 13. Das Einstellen und Projizieren der Pro jektionsgitter G1 und G2 erfolgt derart, daß abwechselnd ein Linienmuster mit dem Pro jektionsgitter G1 und ein Linienmuster mit dem Projektionsgitter G2 projiziert wird.

Die genaue Synchronisation der zeitlichen Abläufe des in Fig. 1 gezeigten Meßsystems ist in Fig. 2 dargestellt. Sie zeigt in den obersten beiden Zeilen das typische Belichtungs zeitverhalten einer Videokamera, welche im Zeilensprungverfahren (interlaced Modus) zwei Halbbilder mit ca. 40% Zeitüberlappung belichtet. Die Kamera besitzt als Bildsensor einen frequenzverdoppelten CCD-Chip der 50 Vollbilder pro Sekunde liefert bzw. für ein Halbbild 10 ms und ein Vollbild 20 ms benötigt. Die Einstellung des Gitters G1 ist in der 3. Zeile von oben gezeigt. Die für die Einstellung des Projektionsgitters benötigte Zeit wird mit 35 ms angenommen und setzt sich aus der Zeit zur Ausführung der entsprechenden Programmschritte, Signallaufzeiten sowie der Antwortzeit des Projektionsgitters auf ein neues Lichtmuster zusammen. Nach Beendigung der Einstellung wird das Projektionsgit ter G1 nach Verstreichen einer Sicherheitszeitspanne durch das Einschalten der Lampe L1 projiziert. Der Lichtblitz der Lampe L1 liegt genau in dem Zeitintervall, in dem die Ka mera beide Halbbilder belichtet, so daß das projizierte Lichtmuster mit der vollen Auflö sung des CCD-Chips aufgenommen wird.

Die Einstellung des Gitters G2 und das Einschalten der dem Gitter G2 zugeordneten Blitzlichtlampe L2 erfolgt analog zum Gitter G1 und dessen Blitzlichtlampe L1, aber mit einer Zeitverschiebung von 20 ms. Dadurch wird jedes zweite Vollbild der Kamera, das zeitlich innerhalb des Zeitintervalls zur Einstellung des Gitters G1 liegt, durch Projektion des Gitters G2 mit Lampe L2 belichtet. Trotz der Verwendung eines frequenzverdoppel ten CCD-Chips und der Einhaltung der für die Einstellung der Projektionsgitter erforder lichen Einstellzeiten bleiben so keine Bilder der Videokamera ungenutzt.

Claims

1. Vorrichtung zur dreidimensionalen, flächenhaften, optischen Vermessung von Objek ten, bei der eine Projektionseinrichtung mit einer Projektionsachse und mindestens zwei Projektionsgittern eine Serie unterschiedlicher Lichtmuster auf das zu vermessende Ob jekt projiziert, Abbildungen von den auf das zu vermessende Objekt projizierten Licht mustern auf dem Bildsensor einer Kamera erzeugt, aus den erzeugten Abbildungen Pro jektionsstrahlen oder Lichtschnitte bestimmt werden, und durch Verschneidung der Pro jektionsstrahlen oder Lichtschnitte mit den Beobachtungsstrahlen der Kamera über eine Triangulationsrechnung die Oberflächenkontur des Objektes berechnet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Projektionsgitter entweder deckungsgleich oder entsprechend den Erfordernissen der verwendeten Lichtcodesequenz aufeinander justiert in der Bildebene der Projektions einrichtung abgebildet werden,
daß die Projektionsgitter zeitlich voneinander getrennt mittels schaltbarer Lichtquellen projiziert werden,
daß die Projektionen der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster gleichmäßig auf die vorhandenen Projektionsgitter verteilt werden,
daß bei der Projektion der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster die Projektionszeitpunkte der Projektionsgitter zyklisch hintereinander angeordnet und mit der Bildaufnahme des Bildsensors so synchronisiert sind, daß während der Aufnahme eines Lichtmusters durch den Bildsensor genau ein Projektionsgitter projiziert wird,
daß bei der Projektion der einzelnen zu einer Lichtcodesequenz gehörenden Lichtmuster die Einstellung des nächsten von einem Projektionsgitter anzuzeigenden Lichtmusters unmittelbar oder kurzzeitig nach der Projektion des aktuell von diesem Projektionsgitter anzuzeigenden Lichtmusters gestartet wird und die zur Einstellung dieses Projektionsgit ters benötigte Zeit zur Projektion von Lichtmustern mit den jeweils anderen Projek tionsgittern genutzt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Projektionsgitter mit jeweils einer Blitzlichtquelle projiziert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektionszeitpunkt und die Projektionsdauer jedes Projektionsgitters durch je weils eine mechanische Verschlußeinrichtung gesteuert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsgitter als LCD Paneele ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtcodesequenz eine Liniengittersequenz verwendet wird, die einem der in der Patentanmeldung AZ 197 38 179.0-52 offengelegten Verfahren zur Ermittlung absoluter, nicht 2π modulierter Phasenwinkel entspricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtcodesequenz eine solche verwendet wird, die einem der in der Patentanmel dung AZ 197 47 061.0 offengelegten Verfahren zur Erzeugung eindeutig unterscheidba rer Projektionsstrahlen entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der mit einer durch die Projektionseinrichtung projizierten Lichtcode sequenz erfaßbaren Anzahl von Meßpunkten zusätzliche, mit der ersten Meßbildkamera synchronisierte Kameras um die Projektionseinrichtung angeordnet werden.