DE4120115A1 - Beruehrungsfrei arbeitendes verfahren zur ermittlung der raeumlichen koordinaten von objektpunkten - Google Patents
Beruehrungsfrei arbeitendes verfahren zur ermittlung der raeumlichen koordinaten von objektpunktenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmeßverfahren gemäß dem Ober
begriff des Patentanspruchs 1.
Ein Verfahren dieser Art ist als Phasenshiftverfahren aus dem
Beitrag von Zumbrunn "Automated Fast Shape Determination of Diffuse
Reflecting Surfaces at Close Range, by Means of Structured Light
and Digital Phase Measurement", ISPRS Intercommission Conference,
2.-4. Juni 1987, Interlaken, bekannt und beispielsweise - dort
unter Anwendung der Holographie - in der Arbeit "Ein rechnerge
stütztes Holographiesystem für den industriellen Einsatz" von
Breuckmann und Thieme in den VDI-Berichten 552, 9. GESA-Symposium,
9/10.05.1985, im einzelnen beschrieben. Daher braucht auf dieses
Verfahren hier nicht in allen Einzelheiten eingegangen zu werden.
Das Phasenshiftverfahren arbeitet mit Herstellung und Auswertung
periodischer Strahlungsintensitätsverläufe auf Objektoberflächen
durch strukturierte Beleuchtung der Objektoberflächen. Ihm schließt
sich ein übliches Triangulationsverfahren zur Koordinatenermittlung
an. Durch Verwendung beispielsweise eines Projektionsdias mit ent
sprechender Grauwertverteilung oder Defokussierung eines binären
Streifenmusters wird auf der Objektoberfläche eine sinusförmige
Intensitätsverteilung, d. h. ein Streifenmuster, erzeugt, und
mittels einer CCD-Kamera die lokale Intensität einzelner Punkte im
Streifenmuster ermittelt. Daraus wiederum wird die Phasenlage
dieser Punkte und aus der Phasenlage die jeweilige Koordinaten
beziehung zugehöriger Objektpunkte durch Triangulation gewonnen. Da
die mathematische Beziehung für die sinusförmige Intensitätsver
teilung außer der Phasenlage des jeweiligen Punktes im Streifen
muster noch zwei weitere Unbekannte, nämlich die Hintergrundinten
sität und den Streifenkontrast, enthält, wird das Streifenmuster
zusätzlich in zwei weiteren, um bekannte Phasenwinkel verschobenen
Positionen aufgenommen, so daß sich die konstanten Werte für Hin
tergrundintensität und Streifenkontrast ermitteln lassen. Diese
Verschiebung des Streifenmusters um zwei vorgegebene Phasenwinkel
kann mit Hilfe eines Projektors mit LCD-Shutter auf einfache Weise
durch eine Veränderung des Streifenmusters realisiert werden.
Dieses insoweit bekannte Verfahren bietet eine Reihe von bei der
Koordinatenermittlung wichtigen Vorteilen. Zum einen ist die Koor
dinatenerfassung sehr schnell, zum anderen erfolgt sie mit hoher
Genauigkeit und hoher Auflösung, da die Phasenlage im Streifen
muster für jedes Bildelement der Kamera bestimmt wird und dies
unabhängig von der Anzahl der Streifen ist. Probleme bereitet
jedoch die Tatsache, daß nicht ohne weiteres diejenige Periode im
Streifenmuster erfaßt wird, in der sich der betrachtete Punkt
befindet. Die aus der das Streifenmuster beschreibenden Formel nach
der erläuterten Bestimmung von Hintergrundintensität und Streifen
kontrast abgeleitete Funktion für die Phase ist nämlich diskonti
nuierlich (2 π-Sprünge) und muß daher "entfaltet" werden. Dies
wiederum ist insbesondere dann schwierig, wenn die Oberfläche des
Objekts starke oder gar sprunghafte Veränderungen in ihrer Kontur
aufweist.
Ein anderes bekanntes, berührungsfrei arbeitendes Verfahren zur Er
mittlung der räumlichen Koordinaten von Objektpunkten ist das soge
nannte Verfahren des codierten Lichtansatzes (CLA). Nähere Einzel
heiten dieses Verfahrens sind einem Aufsatz von Stahs und Wahl in
SPIE Vol. 1395 (1990), Seiten 496 und folgende, zu entnehmen. Vom
Prinzip her arbeitet das CLA-Verfahren so, daß mittels eines Pro
jektors individuell codierte parallele Lichtebenen in den Objekt
raum projiziert sowie von ihnen als Schnittlinien mit dem Objekt
erzeugte Profillinien punktweise mittels einer Kamera abgetastet
werden. Dies dient der Gewinnung von Meßsignalen für die relative
Lage von Objektpunkten auf den Profillinien; aus diesen Meßsignalen
sowie aus Daten für Relativlage und Ausrichtung von Projektor,
Kamera und Objekt werden dann durch Triangulation die Raum
koordinaten der Punkte der Profillinien und damit der Objektpunkte
berechnet.
Damit die Abbildung jeder Profillinie im Kamerabild der zuge
hörigen, vom Projektor projizierten Lichtebene zugeordnet werden
kann, werden die Lichtebenen über einen dualen Code gleichsam
numeriert. Dies kann über eine zeitlich aufeinanderfolgende Pro
jektion von Streifenmustern, die jeweils eine Bitebene des Codes
darstellen, geschehen. Die verschiedenen Streifenmuster können
beispielsweise mit Hilfe eines Projektors erzeugt werden, der einen
programmierbaren LCD-Shutter enthält.
Dieses CLA-Verfahren ist zwar schnell und unempfindlich gegenüber
Unterschieden der Objektoberflächenbeschaffenheit, Helligkeitsun
terschieden an der Objektoberfläche und Oberflächendiskontinuitä
ten, jedoch ist seine relative Genauigkeit für viele Fälle zu
gering.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge
mäßes, nach dem Prinzip des Phasenshiftverfahrens arbeitendes Ver
fahren zu schaffen, das die diesem innewohnenden Schwierigkeiten
hinsichtlich der Zuordnung der Periode des Streifenmusters zu den
einzelnen erfaßten Objektpunkten vermeidet.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn
zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine vorteilhafte
Ausführung beschreibt der Unteranspruch.
Schlagwortartig kann man das erfindungsgemäße Verfahren als sinn
volle Kombination von Merkmalen des Phasenshiftverfahrens mit Merk
malen des CLA-Verfahrens charakterisieren, mit der Folge, daß zwar
die Vorteile beider Verfahren erhalten bleiben, jedoch ihre jewei
ligen Nachteile vermieden sind.
Die bisher insbesondere bei Sprünge aufweisenden Objektoberflächen
schwierige "Entfaltung" der Phasenfunktion beim Phasenshiftverfah
ren wird in einfacher Weise praktisch unabhängig von der jeweiligen
Struktur der Objektoberfläche dadurch vorgenommen, daß Streifen des
Streifenmusters, die in ihrer Breite genau einer Periode dieses
Musters entsprechen, nach Art des CLA-Verfahrens codiert und damit
gekennzeichnet werden.
Mit der Erfindung ist demgemäß ein gattungsgemäßes Verfahren ge
schaffen, das mit einfachen, bekannten Mitteln das Phasenshiftver
fahren hinsichtlich der Zuordnung von Objektpunkten zu Perioden des
Streifenmusters optimiert. Angesichts des geringen Geräteaufwands
und der erzielbaren hohen Genauigkeit und Geschwindigkeit ist
dieses Verfahren besonders für den Einsatz in der taktweisen
Fertigung beispielsweise von Automobilen zur Qualtitätssicherung
geeignet.
Claims (2)
1. Berührungsfrei arbeitendes Verfahren zur Ermittlung der räum
lichen Koordinaten von Objektpunkten, insbesondere zur Quali
tätskontrolle in der Fertigung, bei dem nach dem Phasenshift
verfahren mittels eines Projektors parallele Streifen gleich
zeitig in den Objektraum projiziert, die durch sie auf der
Objektoberfläche hervorgerufene sinusförmige Intensitätsver
teilung (Streifenmuster) mittels einer Kamera punktweise zur
Gewinnung von Intensitätssignalen für die Punkte erfaßt sowie
aus diesen unter Berücksichtigung der Hintergrundintensität und
des Streifenkontrasts die Phasenlagen der Punkte im Streifen
muster sowie in einem Triangulationsverfahren daraus die
Koordinaten zugehöriger Objektpunkte ermittelt werden, dadurch
gekennzeichnet, daß die in ihrer Breite einer Periode des
Streifenmusters entsprechenden Streifen zu ihrer Unterscheidung
codiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Codierung nach dem Verfahren des codierten Lichtansatzes
erfolgt.
Priority Applications (1)
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