DE19956646C1

DE19956646C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung der Raumkoordinaten von farblich differenzierten Oberflächenmerkmalen

Info

Publication number: DE19956646C1
Application number: DE19956646A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dirksen; Gert Von Bally; Friedhelm Bollmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2019-11-26

Abstract

Bei der messtechnischen Erfassung einer Objektoberfläche in Form dreidimensionaler Oberflächenkoordinaten besteht ein häufig auftretendes Problem darin, gezielt solche Bereiche zu vermessen, die sich lediglich in ihrer Farbe von benachbarten Arealen unterscheiden. Sowohl aktive topometrische Verfahren wie etwa Laserscanner als auch die klassische Photogrammetrie sind hierzu nicht oder nur mit unzureichender Genauigkeit in der Lage. DOLLAR A Mit einer computergesteuerten topometrischen Messvorrichtung auf der Grundlage der phasenmessenden Profilometrie, die mit mindestens einem flächenhaften Bildsensor zur Aufnahme von Farbbildern versehen ist, wird zusätzlich zu topometrischen Messung mit dem Bildsensor in gleicher räumlicher Lage zum Messobjekt ein digitales Rasterbild aufgenommen, anhand dessen die zu vermessenden Flächenbereiche identifiziert und über eine digitale Maske und eine Zuordnungstabelle die zu ihnen korrespondierenden Raumkoordinaten als Resultat der topometrischen Messung ausgesucht werden. DOLLAR A Die Vorrichtung und das Verfahren eignen sich beispielsweise im Bereich der Zahnmedizin zur dreidimensionalen Vermessung angefärbter Kontaktflächen an Kiefermodellen oder im Bereich der Archäologie zur Erfassung und Dokumentation der räumlichen Lage von Verfärbungen bei Grabungsschnitten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung der Raumkoordi naten von farblich differenzierten Oberflächenbereichen mit Mitteln zur topometrischen Oberflächenmessung, mit mindestens einem flächenhaften Bildsensor zur Aufnahme farbi ger Rasterbilder und mit Mitteln zur Datenverarbeitung, die anhand der von dem Bildsen sor aufgezeichneten Rasterbilder die farblich differenzierten Oberflächenbereiche als Bild punkte lokalisieren und die korrespondierenden Raumkoordinaten ermitteln.

Ein häufig auftretendes Problem bei der topometrischen Vermessung von Objektoberflä chen ist die gezielte Analyse von Bereichen, die sich lediglich durch Farbmerkmale von der umgebenden Fläche abheben, wobei hier der Begriff Farbe im Sinne von DIN 5033 Grau wertunterschiede bei Graustufenbildern mit einschließt.

Aktive topometrische Verfahren wie die auf der Projektion von Streifensystemen beruhen de phasenmessende Profilometrie (siehe z. B. Bollmann et al. in der Dtsch Zahnärztl Z 52, 105-108 (1997)) liefern jedoch nur Informationen über die Oberflächengeometrie. Die klassische, d. h. passiv arbeitende, Photogrammetrie leidet auf der anderen Seite unter dem bekannten Manko, daß in mindestens zwei Kamerabildern, die aus unterschiedlichen Per spektiven aufgenommen wurden, korrespondierende (homologe) Punkte, identifiziert wer den müssen. Sind die zu vermessenden Oberflächenstrukturen nicht durch einzelne Punkte sondern durch flächenhafte Farbverläufe gekennzeichnet, ist diese Zuordnung nicht mehr mit hinreichender Genauigkeit möglich. Der häufig beschrittene Ausweg, Meßmarken auf dem Objekt anzubringen, beschränkt die Messung auf wenige Einzelpunkte des zu erfas senden Flächenbereichs und stellt somit keine zufriedenstellende Lösung dar. Die ebenfalls angewendete Methode, Rasterbildanteile auf eine nach topometrischer Messung rekonstru ierte, räumlich orientierte Oberfläche zu projizieren ("texture mapping") ist mit den glei chen Einschränkungen verbunden und zudem für Meßobjekte mit zu komplexer Oberflä chenstruktur nicht anwendbar, da in diesen Fällen die zuvor notwendigen Flächenrückfüh rung, d. h. die rechnerische Rekonstruktion der Objektoberfläche aus den Raumkoordinaten in Form von Polygonen, häufig versagt. Dies gilt insbesondere, wenn das Farbbild durch den Bildsensor nicht in gleicher räumlicher Lage zum Topometriebild aufgenommen wird, wie z. B. in der Druckschrift WO 97/05449 A1 beschrieben, und die Zuordnung anhand einzelner photogrammetrischer Paßpunkte vorgenommen werden muß. Bekannt sind ferner auch Verfahren (siehe z. B. die Druckschriften US 5177556 und WO 97/33139 A1) in de nen eine Kombination von Topometrie- und Farbmessung bei punktueller Triangulation beschrieben ist, die jedoch durch den höheren Zeitaufwand bei sequentiellen Messungen für viele Anwendungen nicht geeignet sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dreidimensionalen Koordina ten von Oberflächenbereichen eines Meßobjektes, die sich auf einem Kamerabild lediglich durch ihren Farbwert von umgebenden Flächenbereichen unterscheiden zu vermessen.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung bzw. dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die topometrische Oberflächenmessung auf der Grundlage der phasenmessenden Profilometrie erfolgt und die Mittel zur Datenver arbeitung Rasterdaten des Bildsensors in gleicher räumlicher Lage sowohl für die topome trische Messung als auch zusätzlich für die Lokalisierung der farblich differenzierten Ober flächenbereiche verarbeiten. Die aufgenommenen Farbbilder können unmittelbar oder durch einen nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler in Rasterform digital bereitgestellt werden. Anhand des Rasterbildes können die zu vermessenden Flächenbereiche identifi ziert und über eine digitale Maske und eine Zuordnungstabelle die zu ihnen korrespondie renden Raumkoordinaten als Resultat der topometrischen Messung aufgesucht werden. Dabei stellt die digitale Maske eine zum Rasterbild deckungsgleiche zweidimensionale Matrix dar, in der während der topometrischen Messung die Bildkoordinaten derjenigen Bildpunkte, zu denen eine Raumkoordinate erfolgreich bestimmt wurde, markiert werden, während die Zuordnungstabelle ein eindeutiges Auffinden der zu diesen Bildpunkten gehö renden Raumkoordinaten ermöglicht.

Die Erfindung erlaubt demnach die optische Vermessung von lediglich durch farbliche Merkmale differenzierten Oberflächenstrukturen eines Meßobjekts, ohne die in der Photo grammetrie notwendige Identifizierung homologer Punkte innerhalb dieser Strukturen in unterschiedlichen Bildern. Dadurch ist es möglich, anhand eines einzelnen zusätzlich auf genommenen Rasterbildes manuell, d. h. interaktiv mit einem Zeigegerät, oder automatisiert mit merkmalsextrahierenden Bildverarbeitungsalgorithmen, die dort erkennbaren Struktu ren zu markieren und ihre Raumkoordinaten ermitteln zu lassen.

Mit dieser Erfindung, die sich insbesondere im zahnmedizinischen Bereich für die exakte Vermessung von Kontaktbahnen der Zahnführung, wie sie durch Anfärben von nach Ab druck angefertigten Gipsmodellen mit einer Folie im Artikulator entstehen, aber auch für die topometrische Vermessung von Bodenverfärbungen bei Grabungsschnitten in der Ar chäologie eignet, wird durch Erhöhung der Meßgenauigkeit gegenüber konventionellen manuellen und photografischen Meßtechniken im ersten Fall eine Verbesserung und Aus weitung der Möglichkeiten der medizinischen Diagnostik erreicht, im zweiten Fall eine erheblich beschleunigte und genauere Grabungsdokumentation ermöglicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Übersichtszeichnung eines mit zwei Videokameras und einem Projektor arbeitenden topometrischen Meßsystems auf der Basis der phasenmessenden Profilometrie.

Fig. 2 Eine schematische Darstellung der digitalen Maske zum Rasterbild einer der beiden Videokameras und der Zuordungstabelle mit Rasterbild- und Raumkoordinaten.

Zu Fig. 1

Die gesamte Meßvorrichtung besteht aus einem Projektor (1) zur Generierung von Streifenmustern, die auf ein zu vermessende Objekt mit farblich differenzierbaren Oberflächenanteilen (4) abgebildet werden, zwei Videokameras (2, 3) für die Aufnahme von Farbrasterbildern zur aktiven topometrische Erfassung des Meßvolumens und die Aufnahme eines zusätzlichen Farbrasterbildes sowie einem Rechner (5) für die Steuerung des Systems, die Digitalisierung der Videodaten und die Auswertung der Daten.

Zu Fig. 2

In a) ist schematisch ausschnittsweise die digitale Maske wiedergegeben, bestehend aus dem nach dem Digitalisiervorgang als zweidimensonale Matrix (1) vorliegenden Rasterbild einer Videokamera mit den Bildpunkten (2), die einen farblich differenzierten Oberflächenbereich des abgebildeten Objektes darstellen und der Markierung derjenigen Bildpunkte (3), zu denen eine Raumkoordinate bestimmt wurde. In b) ist ausschnittsweise die Zuordungstabelle dargestellt, die die Rasterbildkoordinaten derjenigen Bildpunkte (3), zu denen eine Raumkoordinate bestimmt wurde, mit den entsprechenden Raumkoordinaten verknüpft.

Literatur

F. Bollmann, D. Dirksen, J. Koslow, V. Saulin, G von Bally: "Koordinatenerfassung mittels computerunterstützter Profilometrie für zahnmedizinische Modellanalysen",
Dtsch Zahnärztl Z 52, 105-108 (

1997

).

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung der Raumkoordinaten von farblich differenzierten Oberflächenbereichen mit Mitteln zur topometrischen Oberflächenmessung, mit mindestens einem flächenhaften Bildsensor zur Aufnahme farbiger Rasterbilder, und mit Mitteln zur Datenverarbeitung, die anhand der von dem Bildsensor aufgezeichneten Rasterbilder die farblich differenzierten Oberflächenbereiche als Bildpunkte lokalisieren und die korrespondierenden Raumkoordinaten ermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß die topometrische Oberflächenmessung auf der Grundlage der phasenmessenden Profilometrie erfolgt und die Mittel zur Datenverarbeitung Rasterbilddaten des Bildsensors in gleicher räumlicher Lage sowohl für die topometrische Messung als auch zusätzlich für die Lokalisierung der farblich differenzierten Oberflächenbereiche verarbeiten.

2. Verfahren zur Erfassung der Raumkoordinaten von farblich differenzierten Oberflächenbereichen, bei dem die Oberfläche topometrisch vermessen wird, mit mindestens einem flächenhaften Bildsensor farbige Rasterbilder aufgenommen werden und anhand der von dem Bildsensor aufgezeichneten Rasterbilder die farblich differenzierten Oberflächenbereiche als Bildpunkte lokalisiert und die korrespondierenden Raumkoordinaten ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die topometrische Oberflächenmessung auf der Grundlage der phasenmessenden Profilometrie erfolgt und die Rasterbilddaten des Bildsensors in gleicher räumlicher Lage sowohl für die topometrische Messung als auch zusätzlich für die Lokalisierung der farblich differenzierten Oberflächenbereiche verwendet werden.

3. Verfahren zur Erfassung der Raumkoordinaten von farblich differenzierten Oberflächenmerkmalen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zum Rasterbild des Bildsensors deckungsgleiche zweidimensionale Matrix als digitale Maske generiert wird, in der während der topometrischen Messung die Bildkoordinaten derjenigen Bildpunkte, zu denen eine Raumkoordinate erfolgreich bestimmt wurde, markiert werden.

4. Verfahren zur Erfassung der Raumkoordinaten von farblich differenzierten Oberflächenmerkmalen nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der topometrischen Messung für das Rasterbild des Bildsensors eine Zuordnungstabelle generiert wird, die eine eindeutige Zuordnung der in der digitalen Maske markierten Bildpunkte zu den zu ihnen korrespondierenden topometrisch gemessenen Raumkoordinaten erlaubt.

5. Verfahren zur Erfassung der Raumkoordinaten von farblich differenzierten Oberflächenmerkmalen nach Anspruch 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß anhand des Rasterbildes entweder manuell mit einer Zeigevorrichtung oder automatisiert mit merkmalsextrahierenden Bildverarbeitungsalgorithmen die durch ihre Farbmerkmale gekennnzeichneten Bildbereiche markiert und für jeden markierten Bildpunkt, dessen korrespondierender Punkt in der digitalen Maske gleichfalls markiert ist, mittels der Zuordnungstabelle eine Raumkoordinate ermittelt wird.