DE19749974A1 - Verfahren und Apparat zur Erzeugung einer 3D-Punktwolke für die Topometrie (3D-Videometrie) oder die 3D-Vision für Multimedia-Applikationen - Google Patents
Verfahren und Apparat zur Erzeugung einer 3D-Punktwolke für die Topometrie (3D-Videometrie) oder die 3D-Vision für Multimedia-ApplikationenInfo
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Description
Das technische Anwendungsgebiet besteht in der Bestimmung der 3D-Form oder 3D-Gestalt
von Körpern im Raum und Szenen wie Theaterbühnen, vorzugsweise mit einer
Aufnahmekamera in einem Aufnahmesystem, die im weiteren als 3D-Kamera bezeichnet wird.
Die Anwendung dieses Verfahrens und Apparates zur Erzeugung einer 3D-Punktwolke, im
weiteren als 3D-Aufnahmeverfahren bezeichnet, wird zum einen im Sinne der Meßtechnik
gesehen und als 3D-Meßtechnik oder 3D-Videometrie bezeichnet. Die 3D-Punktwolke stellt
dabei das Ergebnis einer umfangreichen Berechnung aus optisch erzeugten Signalen dar.
Hierbei wird die mit der vorgeschlagenen Methode erzeugte Punktwolke beispielsweise im
Sinne der Überführung der Daten in ein CAD-System bearbeitet. Es werden Flächen- und
Volumenmodelle generiert und mit bereits vorhandenen Solldaten verglichen. Ein
Anwendungsgebiet kann dabei die 3D-Aufnahmetechnik im Kreislauf des Reverse-Engineerings
sein (s. a. Bieder, H.: "Optische Formerfassung und Reverse-Engineering - Anforderungen an
die Software (Daimler-Benz-AG), GMA-Bericht 30, DGZfP - VDI/VDE-GMA Fachtagung 28./29.
April 1997, Langen, Bundesrepublik Deutschland, S. 139-146). Ein derartiges System kann in
einer 3D-Koordiatenmeßmaschine als 3D-Meßkopf eingesetzt werden.
Der zweite Anwendungsfall stellt das Erzeugen von 3D-Bildern für die 3D-Wiedergabe dar.
Hierbei geht es um die 3D-Vision im 3D-Video- bzw. 3D-Fernsehbereich, bzw. um
3D-Multimedia-Anwendungen. Dabei kann es beispielsweise auch 3D-Effekte in Filmen geben oder
vollständige 3D-Filme erzeugt werden. Das Wiedergabemedium ist vorzugsweise elektronischer
Natur. Aus der 3D-Punktwolke, die auch bei dieser zweiten Applikation das Ergebnis einer
Berechnung aus optisch erzeugten Signalen ist, werden Flächen und Volumen von Körpern und
Szenen so berechnet, daß eine 3D-Wiedergabe durch elektronische Medien oder optische
Verfahren möglich ist. Dabei ist die elektronische Kopplung einer 3D-Kamera mit einer
entsprechend angepaßten, aber dennoch üblichen Farbkamera möglich, um 3D-Farbbilder zu
erzeugen.
Die 3D-Form von Oberflächen wird häufig mit den Methoden der Streifenprojektion, auch
Streifen-Triangulationsverfahren oder Moiré-Technik genannt, vermessen. Dabei wird mit
einem möglichst großen Einfallswinkel für die Prüflingsbeleuchtung, beispielsweise zwischen
20° und 70°, der Prüfling oder die Szene beleuchtet. Bei einem kleineren Einfallswinkel,
beispielsweise 10°, bei der Abbildung eines Streifenfeldes auf die Prüflingsoberfläche ergibt sich
für vorgegebene Meßaufgaben oft eine zu geringe Empfindlichkeit. Eine Erhöhung der
Empfindlichkeit kann bei einem gegebenen Einfallswinkel durch eine Erhöhung der
Streifendichte erfolgen. Dabei entstehen Probleme bei der Abbildung eines sehr dichten
Streifenmusters, da die verfügbaren Kamerachips in der Größenordnung von 1000×1000
Pixeln nur eine begrenzte Anzahl von Bildpunkten aufweisen und damit nur Streifenzahlen in
der Größenordnung von 102 gut auszuwerten sind. Um bei einem kleineren Einfallswinkel
(<10°) eine hohe Meßgenauigkeit zu erreichen, sind jedoch bis zu 104 Streifen in einer
Richtung auszuwerten. Dies ist durch optische Abbildungssysteme durchaus möglich.
Das Problem liegt in der immer noch bestehenden unterschiedlichen Übertragungsleistung der
elektronischen Bildverarbeitung und der optischer Systeme.
Die Erzeugung von Streifenfeldern mit kohärenten Planwellen, beschrieben in Technisches
Messen, 55. Jahrgang, Heft 12/1988, S. 481-491, führt zu Speckle-Effekten, welche die
sinnvolle Höhenauflösung häufig auf weniger als 1/100 der effektiven Wellenlänge begrenzen.
In der Zeitschrift Optical Engineering, Vol. 32, No. 6 (1993), S. 1374-1382, wird auch auf die
nicht zu unterschätzenden Fehlereinflüsse hingewiesen, die durch Speckle-Effekte bei der
Verwendung kohärenter Planwellen bei der Triangulationsmeßtechnik auftreten. Allein aus
Sicherheitsgründen verbietet sich bei der Aufnahme von Personen die Anwendung gerichteter
Laserstrahlung.
In der deutschen Patentschrift P 43 13 061.5 (Patentschrift der o. g. Autoren von 1993) ist ein
Lateral-Shear erzeugendes Strahlteilersystem mit Retroreflektoren und einer ausgedehnten
Lichtquelle beschrieben, welches einem holographischen Gitter, einer Abbildungsstufe und
einem Prüfling vorgeordnet ist. Damit ist die Erzeugung von variablen Interferenzstreifendichten
mit geöffneten Bündeln auf der Prüflingsoberfläche bei vernachlässigbaren Speckle-Einflüssen
möglich. Die Anzahl der erzeugten Streifen muß jedoch der lateralen Kameraauflösung
angepaßt werden. Dadurch ist eine hohe Meßempfindlichkeit an einen großen Einfallswinkel
der Teilbündel auf den Prüfling gebunden.
Um eine hohe Schärfentiefe bei der Vermessung von tiefen Objekten zu erreichen zu
erreichen, wird stark abgeblendet, also mit kleinen Objektivöffnungen gearbeitet. Dies
erfordert starke Lichtquellen, beispielsweise in Form von Blitzlampen oder es ist nur die
Ausleuchtung vergleichsweise kleiner Felder möglich, beispielsweise 200 mm×200 mm.
Ein weiteres Problem sind diskontinuierliche Oberflächen, die zu einer Verletzung des Sampling-
Theorems führen können. Hier wird auf der Grundlage des Gray-Code-Verfahrens zunächst
eine Folge von Binär-Bildern aufprojiziert und anschließend bei höheren
Genauigkeitsforderungen Sinusgitter auf die Objektoberfläche abgebildet und die bekannte
Phasenschiebemethode angewendet.
Der Stand der Technik bei der Erzeugung von 3D-Bildern basiert in der Regel auf der
Zweikammeratechnik. Es wird das biologische Modell kopiert, welches auf dem zweiäugigen
Sehen aufbaut. Grundsätzlich kann es durch die Verwendung von zwei Kameras zu Problemen
mit der lateralen Genauigkeit bei der Generierung der 3D-Punktwolke kommen. Deshalb ist bei
der hochgenauen 3D-Technik die Ein-Kamera-Technik von Vorteil.
Außerdem stehen die Daten des Objektraumes bei den herkömmlichen Verfahren nicht in
digitaler Form zur Verfügung.
Die Erfindung löst die Aufgabe der flächenhaften Prüfung der 3D-Gestalt technischer und
natürlicher Oberflächen von Körpern im Raum sowie kompletter Szenen auch auf Film- oder
Theaterbühnen. Oberflächen von Körpern im Raum sowie komplette Szenen können mit hoher
Meßgenauigkeit in der Tiefe und mit hoher Meßproduktivität gemessen oder aber in Form
elektronischer Bildwiedergabemedien als 3D-Objekte dargestellt werden. Durch die Möglichkeit
der Verwendung hochgeöffneter Objektive, also nahe der Maximalöffnung, z. B. 1 : 2,8 bis 1 : 5,6
relative Öffnung, wird die benötigte Lichtleistung für die Ausleuchtung der Szene reduziert,
bzw. es können größere Felder ausgeleuchtet werden. Durch das Auswerteverfahren wird eine
Auflösung auf bis zu 1/1000 der effektiven Wellenlänge in der Tiefe dadurch erreichbar. Dies ist
aber nicht in jedem Fall sinnvoll und möglich.
Der Prüfling steht etwa senkrecht zur optischen Achse des Aufnahmeobjektivs. Das gestattet
eine optimale laterale Auflösung und ist die Voraussetzung für die Anwendung
tomographischer oder tiefenscannender Verfahren.
Technisch wird dadurch die Prüfung der Oberflächengestalt von Werkstücken des
Maschinenbaus, des Fahrzeugbaus, einschließlich der Luft- und Raumfahrt weiter verbessert. Im
Grunde gibt es nur wenige Einschränkungen bezüglich der Vermessung von Körpern,
beispielsweise entspiegelte Glasoberflächen. Damit steht der Applikation in der automatisierten
Produktion, in der Robotik, im Bauwesen, in der Medizin und auch im künstlerischen Bereich,
beispielsweise bei der Vermessung von Großplastiken oder Fassaden nichts entgegen. Auch die
elektronische Unterstützung von Blinden zur Orientierung im Raum ist damit möglich.
Weiterhin ist die Vermessung unbekannter räumlicher Strukturen mit der Anwendung der
Erfindung möglich. Dies ist bei automatisierten Recyclingprozessen eine Möglichkeit der
Trennung von komplexen Objekten.
Selbstverständlich muß die Dynamik im optischen Aufnahmekanal den Reflexionseigenschaften
gegebenenfalls über mehrere Größenordnungen angepaßt werden, bzw. die Helligkeit der
Beleuchtungseinrichtung den realen Verhältnissen durch eine hochdynamische und genaue
Beleuchtungssteuerung.
Weiterhin können in Filmstudios Personen, Tiere, technische Objekte, aber auch nichttechnische
Objekte in ihrer räumlichen Struktur mit nur einer Aufnahmekamera erfaßt werden, wobei der
Raum, in welchem sich die Objekte befinden, strukturiert in unterschiedlichen Tiefen und
zeitlich nacheinander beleuchtet wird. Bei entsprechend hoher Dynamik des beschriebenen
3D-Verfahrens, also der eingesetzten elektronischen zur Bildaufnahme und mechanischen
Komponenten, können auch sich bewegende Objekte und Szenen erfaßt werden. Dadurch ist
die Echtzeitfähigkeit des Verfahrens grundsätzlich gegeben.
Die Anwendung der Erfindung vergrößert sehr wesentlich den Tiefenmeßbereich bei der
Prüfung der 3D-Gestalt von Oberflächen von Körpern und Szenen, besonders mit
Abmessungen im Bereich oberhalb einiger Zentimeter. Durch die Beleuchtung des Prüflings
unter einem vergleichsweise kleinen Winkel, beispielsweise um 10° oder darunter, können auch
glatte Oberflächen mit einem geringen Streuvermögen ohne Präparierung der Oberfläche - wie
in der Praxis heute oft noch üblich - geprüft werden, beispielsweise auch fein bearbeitete
metallische Oberflächen.
Die bei den bekannten optischen Triangulationsverfahren oft auftretenden und sehr störenden
Lichtschatten bei räumlichen Strukturen werden weitgehend vermieden.
Der in seiner 3D-Form zu erfassende Körper oder die gesamte Szene steht vorzugsweise
senkrecht zur optischen Achse des Aufnahmeobjektivs. Das gestattet aufgrund der optimalen
Abbildungsbedingungen eine hohe laterale Auflösung und den Einsatz tomographischer oder
tiefenscannender Verfahren. Diese basieren zum einen auf einer Änderung der Relativlage
zwischen der Aufnahmekamera und dem Körper. Dadurch entsteht kein Auswandern des
Bildes in der Kameraebene. Andererseits kann im Kopf der Aufnahmeeinheit, die die
Aufnahmekamera enthält, ein Scanner installiert sein, wodurch keine Relativbewegung
zwischen dem Objekt und der 3D-Aufnahmekamera erzeugt werden muß. Mittels Scanner wird
der Objektraum durchfokussiert. Dadurch ist es möglich, aus dem gesamten Objektraum in
sehr kurzen Zeiten, beispielsweise im ms-Bereich Informationen aufzunehmen.
So ermöglicht die Anwendung der Erfindung die nahezu vollständige Ausnutzung der hohen
Leistungsfähigkeit optischer Abbildungsysteme für die Prüfung der 3D-Oberflächengestalt unter
Berücksichtigung der geringeren Leistungsfähigkeit der elektronischen Bildverarbeitung.
Präzisionsobjektive bilden bis zu 10 000 Linienpaare über dem Bildfelddurchmesser ab.
Andererseits können komplette Szenen echtzeitnah als 3D-Szenen aufgenommen werden. Die
Grenze für das erfaßbare Volumen stellt die zum Einsatz gebrachte Lichtenergie, die Lichtstärke
der verwendeten Objektive sowie die photometrische Empfindlichkeit der verwendeten
Bildempfänger dar. Je mehr Lichtenergie, je höher die relative Öffnung der optischen Systeme
und der lichtoptische Durchsatz (Throughput) aller im 3D-Aufnahmesystem verwendeten
optischen Komponenten und die Empfindlichkeit des vorzugsweise elektronischen
Aufnahmemediums, um so größer ist der zu erfassende Raum. Dieser kann durchaus einige
Meter und bis 20 m betragen. Die Grenze ist hierbei nicht physikalischer, sondern eher
technischer Natur.
Durch die Auswertung der Farbinformation der Körper oder Szenen durch die grundsätzlich
mögliche Verwendung einer Farbkamera im 3D-Aufnahmesystem oder durch die Verwendung
einer zusätzlich installierten Farbkamera können die Körper oder Szenen farblich mittels
elektronischer Medien wiedergegeben werden. Die Verwendung einer zusätzlichen Farbkamera
ermöglicht eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit, da möglicherweise die Farbkamera eine
geringere laterale Auflösung besitzen kann. Die Farbinformation wird der 3D-Form zugeordnet.
Bildlich gesprochen wird das 3D-Bild eingefärbt, wobei spezielle Algorithmen eingesetzt
werden können. Diese Verfahren sind jedoch nicht Bestandteil der Erfindungsbeschreibung. Es
soll jedoch an dieser Stelle mit Nachdruck auf die Möglichkeit der Erzeugung bewegter
3D-Farbbilder hingewiesen werden.
Auf die Verwendung von Laserstrahlung wie bei Laser-Scannern notwendig kann völlig
verzichtet werden.
Ein weiterer, sehr wesentlicher Vorteil besteht darin, daß der Objektraum schnell und genau
digitalisiert werden kann, also die 3D-Koordinaten in digitaler Form für die weitere Bearbeitung
zur Verfügung stehen. Damit können die vorhandenen und noch zu entwickelnden digitalen
Werkzeuge (Tools) zur Be- und Verarbeitung ohne Einschränkung eingesetzt werden.
Es werden die Grundzüge des Verfahrens und der Anordnung gemeinsam beschrieben.
Das Verfahren besteht darin, daß mittels einer gerasterten Struktur, beispielsweise eines
körperliches Gitters, beispielsweise ein Liniengitter, oder eines Arrays aus mikrooptischen
Bauelementen, beispielsweise ein Mikrolinsen-Array mit einer Lichtquelle oder mittels eines
Interferometer mit einer kohärenten Lichtquelle, welches als Streifengenerator benutzt wird
und einem möglichst hochgeöffneten Beleuchtungsobjektiv
ein Lichtgitter im Objektraum erzeugt wird. Ziel ist dabei in der Tiefe des Raumes bei einer
Aufnahme nur eine möglichst geringe Ausdehnung des Schärfebereiches zu erhalten. Das
entspricht einem geringen Tiefenschärfebereich wie er aus der Photographie bekannt ist.
Zusätzlich zum Beleuchtungsobjektiv, vorzugsweise parallel zur optischen Achse des
Beleuchtungsobjektivs, ist ein Aufnahmeobjektiv angeordnet.
Beleuchtungs- und Aufnahmeobjektiv sind vorzugsweise von gleicher Bauart. Auch fallen die
Hauptebenen der Objektive vorzugsweise zusammen und die Objektive sind dicht beieinander
angeordnet oder die Linsen befinden sich sogar in einer gemeinsamen Fassung. Auch sind die
Objektive vorzugsweise mechanisch starre Präzisions-Objektive, also ohne Fokussiermöglichkeit
und mit vorzugsweise großem Objekt- und Bildfeld und auch in der Tiefe gut korrigiert. D. h.
beispielsweise für einen Bereich des Abbildungsmaßstabes zwischen 0,05x und 0,5x. Durch die
achsparallele Anordnung und die Koinzidenz der Hauptebenen sind die Objektive stets auf die
gleiche Objekt- und Bildebene eingestellt und bilden somit durch den geringen Abstand der
Achsen zumindest einen identischen Teil des Objektfeldes im Objektraum vorzugsweise
verkleinernd in den Bildraum ab. Im Bildraum bestehen jedoch getrennte Bildfelder, jedoch in
der gleichen Bildebene, die senkrecht auf der optischen Achse steht. Von jedem Objektpunkt
aus kann der Triangulationswinkel durch den Hauptbeleuchtungsstrahl und den
Hauptabbildungsstrahl bestimmt werden. Dieser ändert sich im Objektfeld etwas. Dies ist aber
aufgrund des Auswerte-Algorithmus nicht von Nachteil.
Während sich vor dem Beleuchtungsobjektiv in seiner Bildebene das Gitter oder das
mikrooptische Array befinden, ist in der Bildebene des Aufnahmeobjektivs (auch) ein
mikrooptisches Array angeordnet, welches vorzugsweise die gleiche Gitterkonstante wie das
Gitter oder das Array in der Bildebene des Beleuchtungsobjektivs aufweist. Das mikrooptische
Array in der Bildebene des Beleuchtungsobjektivs ist ein Mikrolinsen-Array aus diffraktiven oder
refraktiven Elementen, wobei der lichtoptische Wirkungsgrad der refraktiven Linsen nach dem
Stand der Technik höher ist und so vorzugsweise ein Mikrolinsen-Array aus refraktiven Linsen
gleicher Brennweite im gesamten Array eingesetzt wird.
Dem Mikrolinsen-Array nach dem Aufnahmeobjektiv ist ein weiteres Objektiv zugeordnet,
welches im Sinne der Lichtrichtung nachgeordnet ist und im weiteren als Aufnahmeobjektiv 2
bezeichnet wird. Diese Aufnahmeobjektiv 2 ist auf der dem Array zugeordneten Seite möglichst
gut telezentrisch ausgeführt. Auf der Zweiten Seite des Objektivs 2 befindet sich der
Bildaufnehmer vorzugsweise eine elektronische Aufnahmekamera. Das Gitter auf der Bildseite
des Beleuchtungsobjektivs und das Mikrolinsen-Array auf der Bildseite sind vorzugsweise fest
miteinander verbunden. Gleichzeitig sind das Gitter (bzw. das Mikrolinsenarray) und das
Mikrolinsen-Array auf der Bildseite des Aufnahmeobjektivs mit einem hochdynamischen
Scanner verbunden. Der Scanner ist mit einem Meßsystem verbunden und hat die
Bewegungsrichtung in Richtung der optischen Achse der beiden Objektive. Dem
Beleuchtungsobjektiv ist (wie schon gesagt) eine Lichtquelle zugeordnet. So entsteht im
Objektraum ein Lichtgitter, welches aber nur auf den Bereichen der Körper oder der Teile der
Szene scharf, also kontrastreich, zu sehen ist, welche sich in der Schärfeebene des
Beleuchtungsobjektivs befindet. Die anderen Bereiche zeigen eine mehr oder wenig
gleichmäßig beleuchtete Oberfläche. Das Aufnahmeobjektiv bildet die Streifenstruktur auf den
in der Schärfeebene sich befindenden Oberflächenteilen in den Bildraum ab, wobei die
Fokusebene der Mikrolinsen nach dem Aufnahmeobjektiv mit der Gitterebene oder der
Fokusebene des Mikrolinsen-Arrays zur Beleuchtung koinzidiert. So wird das Bild der
Objektoberfläche durch das Mikrolinsen-Array des Aufnahmeobjektivs nach Unendlich
abgebildet. Da das Mikrolinsen-Array des Aufnahmeobjektivs sich jedoch im Strahlraum des
telezentrischen Objektivs 2 befindet, wird das Mikrolinsen-Array als Objekt durch das Objektiv 2
auf den Bildaufnehmer (die Kamera) scharf abgebildet.
Durch das Bewegen des Gitters vor dem Beleuchtungsobjektiv und des mit dem Gitter starr
gekoppelten Mikrolinsen-Arrays mittels Scanner werden nach und nach die Teile des Objektes
oder der Szene in der Tiefe - natürlich innerhalb eines endlichen Tiefenbereiches durchfahren.
Vorausgesetzt das Mikrolinsen-Array bewegt sich mechanisch innerhalb des
Telezentriebereiches, entsteht stets im Sinne einer endlichen lateralen Auflösung ein scharfes
Bild der Objektoberfläche auf dem Bildempfänger - von den jeweils durch die Schärfeebenen
erfaßten Teilen des Objektes oder der Szenen. So ist innerhalb dieses Telezentrie-Bereiches
keine Bewegung der Kamera notwendig, um die jeweils scharfabgebildeten Teile der
Objektoberfläche zu erfassen. Natürlich kann auch der kameraseitige Teil des Objektivs 2
telezentrisch ausgeführt sein. In Sinne der besten lateralen Auflösung kann dann auch die
Kamera entsprechend der Tiefenübertragung des Objektivs verschoben werden. Dies erfordert
aber die Bewegung zum Mikrolinsen-Array vergleichsweise großer Massen, welches
beispielsweise massearm in Kunststoff oder in Glas ausgeführt ist.
Für eine hohe Tiefenempfindlichkeit wird eine hohe Streifendichte gewählt, beispielsweise 500
bis 1000 Streifen oder mehr. Die Kamera kann etwa 500 bis 1000 Bildpunkte lateral auflösen
und damit kann nach dem Abtast-Theorem ein derartiges Gitter nicht mehr aufgelöst werden.
Deshalb wird eine optische "Austastung" des Gitters vorgenommen. Dies bedeutet, daß nur
Teile des Gitters auf die Kamera zur Abbildung kommen, beispielsweise bezogen auf den
Streifenabstand maximal jeweils nur eine halbe Streifenperiode, besser nur eine viertel Periode.
Dies wird wie folgt erreicht: Das Aufnahmeobjektiv besitzt eine bestimmte (gegebene)
bildseitige numerische Apertur.
Dieser Apertur ist das Mikrolinsen-Array angepaßt. Es weist demzufolge eine ähnliche oder
sogar größere Apertur in den Mikrolinsen auf. Die Anzahl der Mikrolinsen entspricht
vorzugsweise der Anzahl der Bildpunkte des Bildempfängers. Zumindest ist jedoch die
Gitterkonstante des Gitters und das Rastermaß des Mikrolinsen-Arrays gleich. Durch die
näherungsweise übereinstimmende numerische Apertur von Aufnahmeobjektiv und
Mikrolinsen wird das Licht vom Aufnahmeobjektiv nahezu vollständig, im Sinne einer guten
Lichtausbeute erfaßt und nach Unendlich abgebildet. Dies gilt zumindest für achsnahe Punkte.
Das telezentrische Objektiv 2 weist eine geringere numerische Apertur auf als das
Aufnahmeobjektiv. Dies entspricht auch dem bekannten technischen Stand. In der Fokalebene
des Abbildungsobjektivs befindet sich beispielsweise eine Kreisblende, vorzugsweise auf der
optischen Achse. Damit ist die numerische Apertur für die Abbildung des Mikrolinsen-Arrays
durch das Objektiv 2 vorgegeben. Das Verhältnis der numerischen Aperturen bestimmt das
Tastverhältnis. Beträgt beispielsweise die numerische Apertur des Objektivs 2 nur ein Drittel der
des Aufnahme-Objektivs wird von dem Gitterbild näherungsweise nur ein Drittel einer
Streifenperiode auf den Bildempfänger abgebildet. So entsteht beim Scannen des Gitters
gemeinsam mit dem Mikrolinsen-Array ein zeitlich moduliertes Signal in den Bildpunktes des
Empfängers, vergleichbar dem Interferogramm einer breitbandigen Lichtquelle, weiterhin als
Korrelogramm bezeichnet. Der Scanner ist ein Linearscanner und muß sehr präzise scannen,
beispielsweise muß die Zuordnung des Weges über der Zeit bis auf wenige Nanometer genau
sein. Dies hängt aber von der Aufgabe ab. Ggfs. genügt auch eine Genauigkeit von einigen
Mikrometern.
Auf den Bildempfänger wird das Mikrolinsen-Array abgebildet. Durch die hohe Öffnung des
Beleuchtungs- und des Abbildungsobjektivs weist das Korrelogramm vorzugsweise einen
eindeutig erkennbaren Mitten-Peak auf. Das Auffinden des Mitten-Peaks, bzw. des Kontrast-
Maximums wird zur Bestimmung eines Nullpunktes in z-Richtung für jeden Punkt des Körpers
oder der Szene benutzt. Möglicherweise kann auch ein bestimmter Phasenwert als Kriterium
genutzt werden oder eine Kopplung von Merkmalen. Die Ausprägung des Mittenpeaks nimmt
mit kleiner werdendem Triangulationswinkel noch zu.
Grundsätzlich ist es beispielsweise für die Applikation dieses Verfahrens für die hochgenaue
Koordinatenmeßtechnik vorteilhaft, keinen Scanner für das Gitter und das Mikrolinsen-Array
einzusetzen und diese fest zu den Objektiven anzuordnen und eine Relativbewegung zwischen
dem Aufnahmesystem und dem zu vermessenden Körper durchzuführen. Die z-Bewegung
kann dabei durch die hochgenaue Achse einer Koordinatenmeßmaschine mit
Mikrometergenauigkeit durchgeführt werden.
Für die Erzeugung von 3D-Bildern für die nichtmeßtechnische Applikation dürfte dagegen eher
der vordem beschriebene Ansatz vorteilhaft ein. Auch wenn es um die Erfassung großer
Volumina geht, wird der Ansatz mit dem internen Scanner als der technisch günstigere, weil
schnellere angesehen.
Durch die Anwendung von Auswerte-Algorithmen auf der Basis der Erkennung von Kontrast-
Maxima von Signalen in der beschriebenen Form können für den gesamten Objektraum die
3D-Koordinaten, also die Raumpunkte, errechnet werden. Diese stellen die Punktwolke dar. Zur
Anwendung kommt beispielsweise die Wavelet-Transformation oder auch Phasenschiebe-
Auswerte-Algorithmen.
Grundsätzlich müssen das Beleuchtungs- und das Aufnahmeobjektiv nicht unbedingt parallel
angeordnet werden. Dies gilt als eine gute technische Lösung, um die Schärfeebenen zur
Koinzidenz zu bringen. Wesentlich ist nur, daß die Schärfeebenen der beiden Objektive im
Objektraum koinzidieren. Es müssen auch keine Ebenen sein. Die Schärfeflächen der Objektive
können beliebige im Raum gekrümmte Flächen sein. Die vollständige Koinzidenz in einer
möglichst Fläche ist für die schnelle Datenerfassung wegen sicher am besten. Für technische
Applikationen kann aber auch bereits die Koinzidenz der Schärfeflächen in einem Teilbereich
von Interesse sein. So kann die Achse des Beleuchtungsobjektivs auch eine Neigung zu der des
Aufnahmeobjektivs aufweisen. Die Schärfeebenen können auch im Raum gekrümmte
Schärfeflächen sein, also keine-Ebenen. In diesem Fall besitzt das Mikrolinsen-Array ggfs. auch
eine gekrümmte Oberfläche. Auch kann die Gitterfläche vor dem Beleuchtungsobjektiv
gekrümmt sein, bzw. Gitter und Fläche des Mikrolinsen-Arrays sind beide gekrümmt. Es gibt
auch Objektive, die eine gekrümmte Schärfefläche aufweisen, beispielsweise das P-Objektiv der
Fa. Jenoptik.
Das Beleuchtungsobjektiv kann weiterhin aus einer 4f-Anordnung oder einem afokalen
Teleskop bestehen und das Gitter zur optischen Achse geneigt sein. Diese Anordnung
ermöglicht einen größeren Triangulationswinkel und somit eine besonders hohe
Empfindlichkeit für die Tiefenmessung.
Es ist auch möglich mehrere Mikrolinsen-Arrays nacheinander anzuordnen, um mehrere Punkte
gleicher Phase zu erfassen. Dies ist jedoch nur für die Reduktion von Meßpunkten von
Interesse, wenn ebene Oberflächen vermessen werden sollen und ermöglicht eine besonders
schnelle Messung. Dagegen ist es eher von Vorteil möglichst scharf abzutasten, also in einem
möglichst kleinen Ausschnitt der Körperoberfläche oder der Szene.
In der Fig. 1 wird das Verfahren in den wesentlichen Verfahrensschritten dargestellt. Die
Beleuchtung der Objektoberfläche erfolgt mit einem Streifenmuster möglichst hoher Dichte,
beispielsweise mit mehr als 100 Streifen. Im weiteren erfolgt ein optisches Ausdünnen der
Daten mittels hier nicht dargestellter Mikrolinsen, so daß die Oberfläche wie mit einem
Nadelkissen abgetastet wird. Der erfaßte Lichtfleck oder Ausschnitt aus dem Streifenfeld wird
durch die einzelnen Mikrolinsen jeweils nach Unendlich abgebildet. Dabei können die
Mikrolinsen in Ihrer gesamten Fläche leuchten. Dies wird als Blow-up-Effekt bezeichnet und
stellt eine lichttechnische Anpassung dar. So entsteht eine nahezu vollständig leuchtende
Fläche, wenn der Füllgrad des Mikrolinsen-Arrays fast 100% beträgt. Es erfolgt weiterhin eine
flächenmäßige Anpassung an die Größe des Bildempfängers, der eine CCD-Matrix sein kann.
Fig. 2 zeigt die Aufnahme einer Szene. Die Beleuchtung ist nur symbolisch dargestellt. Das
Aufnahmeobjektiv erfaßt die Szene. Das Aufnahmeobjektiv bildet die Szene in den Bildraum ab,
wobei die Lichtverteilung in der Fokalebene des Mikrolinsen-Arrays, welches sich hier im
optischen Prozessor verbirgt, nach Unendlich abgebildet wird. Der Kamera, die eine CCD-Matrix
enthält, ist bereits mindestens ein eigener Prozessor zugeordnet, um eine
Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitung zu ermöglichen. Es erscheint sinnvoll für die
3D-Video-Applikation, um beispielsweise mit bis zu 1000 Bildern pro Sekunde abzutasten. Dabei
werden pro Videotakt bis zu 40 Bilder aus unterschiedlichen Tiefen des Objektraumes
aufgenommen, um eine hohe Auflösung in der Tiefe zu erreichen. Auch ist es möglich, daß
zwei oder drei oder noch mehr Kamerasysteme sich den Raum in der Tiefe aufteilen und so
zeitlich simultan arbeiten.
Auch ist es möglich, daß das Aufnahmesystem kleiner als die erfaßte Objektoberfläche oder
Szene gestaltet werden kann. So können mehrere Aufnahmesysteme parallel in Form einer
Zeile oder Matrix angeordnet werden, um sehr große Körper oder Szenen in ihrer 3D-Gestalt zu
erfassen, beispielsweise große Karossen oder Schiffs- oder Flugzeugteile. Natürlich bedeutet
dies das Management eines außerordentlich großen Datenstromes im Multi-Mega-Byte- bis
Multi-Giga-Byte-Bereich.
Auch ist es möglich, den gesamten Aufnahmekopf im Raum zum Objekt zu kippen oder um
das Objekt zu drehen. Dies dient der Vermeidung von Schatten oder der 3D-Aufnahme von
Innenräumen.
Fig. 3 zeigt die Abbildungstufe mit einem Aufnahmeobjektiv und dem nachgeschalteten
Mikrolinsen-Array und dem diesem wiederum nachgeschalteten telezentrischen Objektiv mit
Blende und der Kamera. Es ist jedoch für hochgenaue 3D-Meßaufgaben an Körpern bis
maximal 0,5 m Durchmesser auch möglich, ein objektseitig telezentrisches Aufnahmeobjektiv
einzusetzen.
Um die im Randbereich des Mikrolinsen-Arrays schräg vom Aufnahmeobjektiv auftreffenden
Hauptstrahlen optimal zu erfassen, kann grundsätzlich mit dezentrierten Mikrolinsen gearbeitet
werden. Dabei ist die Dezentrierung im Bereich der Achse null und nimmt zum Rand
kontinuierlich zu.
Auch sollte die numerische Apertur der Mikrolinsen in der Regel gleich oder größer als die des
Aufnahmeobjektivs sein. Auch ist es möglich, die Restverzeichnung des Aufnahmeobjektivs mit
dem Mikrolinsen-Array zu korrigieren.
Es wird von Mikrolinsen mit einer numerischen Apertur in der Größenordnung von 0,3
ausgegangen. Fig. 4 zeigt wie die Mikrolinsen Bildpunkte (A') nach Unendlich abbilden. Das
telezentrische Objektiv in Fig. 3 bildet das Mikrolinsen-Array innerhalb des
Telezentriebereiches scharf auf die CCD-Chip-Fläche ab. Die Blende im telezentrischen Objektiv
(Objektiv 2) bestimmt die effektive numerische Apertur und damit das optische
Austastverhältnis.
Fig. 5 zeigt ein Objekt und das Aufnahmeobjektiv sowie zwei Beleuchtungsobjektive mit den
zugehörigen Gittern. Dem Aufnahmeobjektiv ist das Mikrolinsen-Array zugeordnet. Die
Rasterkonstante des Mikrolinsen-Arrays entspricht der Gitterkonstante des Gitters vor den
Beleuchtungsobjektiven. Die Lichtquellen, der Scanner, und das telezentrische System sind
nicht dargestellt. Das Aufnahmeobjektiv kann beispielsweise bis zu 40 l/mm verarbeiten und
besitzt ein Bildfeld von über 100 mm Durchmesser.
Fig. 6 zeigt eine Mehrprojektor-Anordnung mit einem mittig angeordneten Aufnahmesystem.
Mehrere Projektoren, also Beleuchtungsobjektive mit Gittern, oder ein in verschiedenen
Positionen anzuordnender Projektor, beispielsweise um das Aufnahmeobjektiv drehbarer
Projektor, dienen zum Ausblenden von Reflexen und zum Vermeiden von nicht erfaßten Teilen
von Körpern oder in der Szene. Dabei ist die radialsymmetrische Wirkung der Mikrolinsen eines
Arrays von großem Vorteil, da das Austastungsprinzip stets funktioniert. Die Ausrichtung der
Streifen erfolgt vorteilhafterweise tangential. Es ist möglich, daß das Gitter für die Beleuchtung
als Mikrolinsen-Array mit Zylinderlinsen ausgeführt ist.
Fig. 7 zeigt eine optische Anordnung nach dem vorgeschlagenen Verfahren.
Ein beleuchtetes Gitter, welches mit einem Mikrolinsen-Array und mit einem nicht dargestellten
Linear-Scanner starr verbunden ist, wird durch ein Beleuchtungsobjektiv in den Objektraum
abgebildet. Der Ort, an dem das Gitterbild entsteht, stellt die aktuelle Meßebene dar. Der
Schärfebereich der Abbildung des Gitters ist in der Tiefe durch die große Öffnung des
Beleuchtungsobjektivs begrenzt. In der Meßebene entsteht auf der Objektoberfläche das Bild
des Gitters. Die Meßebene mit den Objektpunkten, beispielsweise mit dem Objektpunkt A,
wird von einem Abbildungsobjektiv erfaßt und in den Bildraum abgebildet. Es entsteht der
Bildpunkt A' in der Bildebene.
Durch das lineare Bewegen des Scanners mit dem Gitter und dem Mikrolinsen-Array wird der
Objektraum durchfokussiert. Dies bedeutet, in verschiedenen Tiefen des Objektraumes entsteht
das scharfe Bild des abgebildeten Gitters. Das optische System ist dabei so ausgeführt, daß die
Gitterebene in die Fokalebene der Mikrolinsen scharf abgebildet wird, wenn sich in der
Meßebene eine körperliche Objektfläche befindet. Dann sind die Gitterebenen, die Meßebene
und die Fokalebene der Mikrolinsen optisch konjugiert.
Das Mikrolinsen-Array bildet in diesem Fall jeweils vergleichsweise sehr kleine Flächenbereiche
der Objektoberfläche, die praktisch als Punkte angesehen werden, nach Unendlich ab. Die
einzelnen Linsen des Mikrolinsen-Array werden durch ein Objektiv 2, welches in Richtung des
Mikrolinsen-Arrays telezentrisch ausgeführt ist, auf eine CCD-Kamera abgebildet. Dabei ist das
System so ausgeführt, daß der Telezentriebereich des Objektivs 2 mindestens dem Scan-Bereich
des Linear-Scanners entspricht. So werden die Linsen des Mikrolinsen-Arrays faktisch selbst zu
leuchtenden Objektpunkten, die scharf auf die Pixel fest angeordnete CCD-Kamera abgebildet
werden. Durch die Wahl der numerischen Apertur der Mikrolinsen im Verhältnis zur Apertur
des telezentrischen Objektivs 2, welche durch die Blende bestimmt wird, wird die Größe der
Objektpunkte bestimmt.
Da die Objektpunkte (A) der Meßebene direkt in die Fokalebene des Objektivs 2 abgebildet
wird (A''), wo sich die Blende befindet, bestimmt die Größe dieser Blende die auf der
Objektoberfläche in der Meßebene erfaßte Fleckgröße. Diese liegt stets unterhalb der halben
Gitterperiode des abgebildeten Gitters. So entsteht ein gut moduliertes Signal als Folge der
Auslesung der Kamerapixel im Bereich der Schärfeebene, welches aber durch die Größe der
relativen Öffnung von Beleuchtungs- und Abbildungsobjektiv sehr schnell wieder abklingt, so
daß ein Mitten-Peak im Signal vorhanden ist.
Die Pupille der Mikrolinsen (B) wird in die Ebene der CCD-Kamera scharf abgebildet (B'). Dabei
sind die Pixel der CCD-Kamera etwa in der Größe der Bilder der Mikrolinsen.
Für eine besonders hohe Genauigkeit sind die auf die Pixel der Kamera abgebildeten
Mikrolinsen etwas kleiner als die Pixel. Die Anordnung ist so optimiert, daß jede Mikrolinse
genau auf ein Pixel abgebildet wird.
So werden aus dem Objektraum hinreichend kleine Bereiche der Oberfläche ausgetastet, die
faktisch als Punkte angesehen werden können. Mittels der Signalauswertung des Signals,
welches der Form eines Weißlichtinterferogrammes sehr ähnlich ist, wird der Z0-Punkt für jeden
so definierten Objektpunkt berechnet, beispielsweise aus dem Kontrastmaximum oder den
Phasenwerten.
Aus der Einrechnung des aktuellen Abbildungsmaßstabes werden schließlich die x,y,z-Koordinaten
für jeden so gewonnenen Punkt berechnet. Als Ergebnis entsteht die Punktwolke
für den Objektraum. Damit stehen die 3D-Koordinaten des Objektraumes in digitaler Form zur
Verfügung. Diese Punktwolke wird je nach Aufgabenstellung für meßtechnische Applikationen
oder Aufgaben mit einer 3D-Wiedergabe verwendet.
Claims (20)
1. Anordnung zur Erzeugung einer 3D-Punktwolke für die Topometrie (3D-Videometrie)
oder die 3D-Vision für Multimedia-Applikationen also für die messende und die
nichtmessende Bestimmung der 3D-Gestalt von Körpern und Szenen in einem Objektraum
mit einer Lichtquelle, einem Beleuchtungsobjektiv zur Abbildung einer gerasterten Struktur
(Gitter oder Mikrolinsen-Array) mindestens einem Aufnahmeobjektiv, einem Körper oder
einer Szene oder einem Körper und einer Szene, einem Beleuchtungsobjektiv und einer
Aufnahmekamera,
gekennzeichnet dadurch, daß dem Aufnahmeobjektiv bildseitig ein Array aus
mikrooptischen Bauelementen oder ein gerasterter Bildempfänger zugeordnet ist und dem
Array aus mikrooptischen Bauelementen oder dem gerasterten Bildempfänger ein zweites
Objektiv im Bildraum zugeordnet ist.
2. Anordnung nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Beleuchtungs- und das
Aufnahmeobjektiv mit ihren optischen Achsen parallel angeordnet sind.
3. Anordnung nach 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Hauptebenen von
Beleuchtungs- und das Aufnahmeobjektiv in einer gemeinsamen Ebene liegen
4. Anordnung nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Array aus mikrooptischen Linsen
besteht und die Rasterkonstante der Konstante der gerasterten Struktur oder einem
ganzzahligen Teil oder vielfachen derselben vor dem Beleuchtungsobjektiv entspricht.
5. Anordnung nach 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Linsen refraktive Linsen
sind.
6. Anordnung nach 1 und 4 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß das Linsenarray keinen
Füllgrad von 100% besitzt, sondern Leerstellen aufweist.
7. Anordnung nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß das zweite Objektiv zur Array-Seite
telezentrisch ausgeführt ist.
8. Anordnung nach 1, 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, die gerasterte Struktur des
Beleuchtungsobjektivs und das Mikrolinsen-Arrays starr miteinander verbunden sind.
9. Anordnung nach 1, 4, 5 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß die gerasterte Struktur vor
dem Beleuchtungsobjektiv und das Mikrolinsen-Arrays gemeinsam starr mit einem
Präzisions-Scanner, scannend in Richtung der optischen Achse, verbunden sind, das
Beleuchtungs- und das Aufnahmeobjektiv baugleich sind, wobei die optischen Achsen
parallel sind und die Hauptebenen koinzidieren.
10. Anordnung nach 1, 2, und 7, gekennzeichnet dadurch, daß das zweite Objektiv
beidseitig telezentrisch ausgeführt ist, und eine Bildverkleinerung erzeugt.
11. Anordnung nach 1 und 10, daß ein weiteres Linsenarray oder ein Bildempfänger (Kamera-
Chip) dem zweiten Objektiv nachgeordnet ist, die ebenfalls mit einem Linearscanner
verbunden sind.
12. Anordnung nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Gitter vor dem
Beleuchtungsobjektiv als Mikrolinsen-Aray mit Zylinderlinsen ausgeführt ist.
13. Anordnung nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß der gerasterte Bildempfängers nur einen
effektiven Füllgrad deutlich unter 100% aufweist.
14. Anordnung nach 1 und 13, gekennzeichnet dadurch, daß sich unmittelbar vor der
lichtempfindlichen Fläche des gerasterte Bildempfängers ein Liniengitter im Sinne einer Maske
oder Blende befindet.
15. Verfahren zur Erzeugung einer 3D-Punktwolke für die Topometrie (3D-Videometrie)
oder die 3D-Vision für Multimedia-Applikationen mit einer Beleuchtungseinrichtung mit
mindestens einem einem Beleuchtungsobjektiv zur strukturierten Beleuchtung des Raumes
und einer Bildaufnahmevorrichtung mit mindestens einem Aufnahmeobjektiv zur Aufnahme
von Bildern aus dem Raum,
gekennzeichnet dadurch, daß entweder der Tiefenschärfebereich des Beleuchtungsobjektivs
der Beleuchtungseinrichtung zur strukturierten Beleuchtung des Raumes oder der
Tiefenschärfebereich des Aufnahmeobjektivs der Bildaufnahmevorrichtung möglichst klein
gemacht sind oder daß sowohl der Tiefenschärfebereich des Beleuchtungsobjektivs
der Beleuchtungseinrichtung als auch der Tiefenschärfebereich des Aufnahmeobjektivs (also
beide) möglichst klein gemacht sind und in allen Fällen wenigstens Teilbereiche der
Schärfeflächen des Beleuchtungsobjektivs und möglicherweise weiterer
Beleuchtungsobjektive und der Schärfefläche des Aufnahmeobjektivs und möglicherweise
weiterer Aufnahmeobjektive koinzidieren, also ineinanderfallen. (Dabei wird davon
ausgegangen, daß es sich sich um dünne, möglicherweise auch gekrümmte
Schärfescheiben, also Volumina handelt, die umgangssprachlich als Schärfeflächen oder
Schärfeebenen bezeichnet werden.)
16. Verfahren nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß in der Bildebene des
Aufnahmeobjektivs ein Array aus mikrooptischen Bauelementen oder ein gerasterter
Bildempfänger eine Linearbewegung erfährt, und die Fläche des Arrays aus mikrooptischen
Bauelementen oder des gerasterten Bildempfängers im Objektraum des Aufnahmeobjektivs
eine reale Fläche besitzt, im Sinne der Optik eine relle Fläche.
17. Verfahren nach 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß durch das lineare Scannen der
Objektraum vor dem Aufnahmeobjektiv sehr schnell optisch in der Tiefe durchgescannt
werden kann, so daß die jeweils scharf abgebildeten Objektpunkte des Raumes durch die
strukturierte Beleuchtung ein Korrelogramm, ähnlich dem eines Zweistrahl-Interferometers
mit einer spektral breitbandigen Quelle, in jedem Punkt des Arrays aus mikrooptischen
Bauelementen oder des gerasterter Bildempfänger liefern.
18. Verfahren nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Relativbewegung zwischen dem
Objekt oder der gesamten Szene und der Aufnahmeeinrichtung bestehend aus mindestens
einem Beleuchtungsobjektiv zur strukturierten Beleuchtung des Raumes und einer
Bildaufnahmevorrichtung mit mindestens einem Aufnahmeobjektiv sowie weiteren bereits
genannten Komponenten, durchgeführt wird.
19. Verfahren nach 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Bild nach dem
Aufnahmeobjektiv durch ein mikroootisches Linsenarray nach unendlich abgebildet wird und
das Mikrolinsenarray selbst durch ein telezentrisches Objektiv arrayseitig telezentrisch auf
einen Bildempfänger abgebildet wird.
20. Verfahren nach 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß aus den Korrelogrammen die
durch Auslesung der Pixeln des gerasterten Bildempfängers für den Körper oder die gesamte
Szene erzeugt werden unter Berücksichtung der optischen Abbildungsverhältnisse die x,y,z-Raum
koordinaten errechnet werden und aus diesen mittels geeigneter Modelle Flächen- und
Köpermodelle errechnet werden und diese in einer geeigneten Form zur 3D-Vision gebracht
werden oder für metrische Zwecke weiterverarbeitet werden.
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