DE69513989T2

DE69513989T2 - Verfahren zur korrelation von-durch bilderfassungssystemen ausgefuhrten- dreidimensionalen messungen und anordnung zur durchfuhrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE69513989T2
Application number: DE69513989T
Authority: DE
Inventors: Michel Divet; Guy Rolet; Jacques Sciandra
Original assignee: ORTEN LYON
Current assignee: ORTEN LYON
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1995-09-14
Publication date: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2015-09-15
Also published as: CA2198022C; DE69513989D1; FR2724720B1; DK0781396T3; ES2142492T3; JP3540321B2; JPH10505898A; ATE187818T1; WO1996008691A1; EP0781396A1; FR2724720A1; US6327380B1; CA2198022A1; EP0781396B1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der dreidimensionalen Messung von Objekten im allgemeinen Sinne, die mit Hilfe von optischen Bildererfassungssystemen durchgeführt wird, und sie hat insbesondere die Meßmethoden zum Gegenstand, die auf dem Verfahren der Projektion von Streifen und der Analyse der Verformung der Streifen auf dem Objekt beruhen.
Die Erfindung findet eine besonders vorteilhafte Anwendung auf dem Gebiet der Messung der Körperteile des Menschen im Hinblick darauf, die teilweise oder vollständige Reproduktion der gemessenen Körperteile zu erhalten.
Bei einer bevorzugten, jedoch nicht ausschließlichen Anwendung hat der Gegenstand der Erfindung zum Ziel, den Rumpf eines Menschen in drei Dimensionen zu vermessen, um die automatisierte Herstellung von orthopädischen Korsetts zu gewährleisten.

STAND DER TECHNIK

Auf dem Gebiet der Messung mit Hilfe von Bildererfassungssystemen wie etwa Kameras zeigt es sich bei zahlreichen Anwendungen, daß der Blickwinkel einer Kamera unzureichend ist, um die Oberfläche des zu erfassenden Objekts abzudecken. Um dieses Problem zu lösen, werden verschiedene Aufnahmen gemacht und wird eine Korrelation der Bilder zwischen ihnen vorgenommen.
Ein erstes Verfahren zur Korrelation der Bilder wird durch die Patentanmeldung FR 88-15 483 vorgeschlagen. Dieses Verfahren besteht darin, ein Koordinatensystem an dem Objekt zu fixieren und während der Aufnahmen die Kamera relativ zum Objekt zu bewegen. Die Anbringung eines Koordinatensystems am Objekt erweist sich in der Praxis als ein Arbeitsgang, dessen erfolgreiche Ausführung schwierig ist, insbesondere wenn das Objekt einen Teil eines Menschen darstellt. Es ist anzumerken, daß insbesondere bei dieser Art von Anwendung aufgrund der Bewegung der Personen während der Aufnahmen Meßfehler auftreten können. Außerdem macht es das Prinzip dieser Methode selbst erforderlich, daß das Koordinatensystem für die Kamera ständig sichtbar ist, was das Aufnahmefeld begrenzt. Dieses Verfahren macht es somit insbesondere unmöglich, ein komplettes Volumen zu rekonstruieren, das sich über 360º erstreckt.
Um diesen Nachteil der Anbringung eines Koordinatensystems am Objekt zu beseitigen, wurde ein anderes Verfahren zur Korrelation der Bilder vorgeschlagen, das darin besteht, mehrere Kameras zu verwenden, deren Positionen relativ zueinander bekannt und vorherbestimmt sind. Diese Methode erfordert es, dimensionsmäßige Vermessungen durchzuführen, deren erfolgreiche Ausführung sich als langwierig, heikel und mühselig erweist. Außerdem müssen die Halterungen der Kameras eine große Robustheit und Starrheit aufweisen, um genaue Messungen zu bewahren.
Der Gegenstand der Erfindung hat daher das Ziel, die Nachteile der bekannten Verfahren zu beseitigen, indem ein Verfahren zur Korrelation der dreidimensionalen Messungen vorgeschlagen wird, die durch wenigstens zwei optische Bildererfassungssysteme vorgenommen werden, welches den Vorteil bietet, daß es keinen Einsatz von Koordinatensystemen am Objekt erfordert und keine dimensionsmäßigen Vermessungen zwischen den besagten Systemen verlangt.

DARLEGUNG DER ERFINDUNG

Um dieses Ziel zu erreichen, besteht das erfindungsgemäße Verfahren zur Korrelation darin, für die Eichungsphase:
- eine Eichmusterkugel herzustellen, die so angebracht ist, daß sie eine Rotationsbewegung um eine Achse ausführen kann, die von der durch den Mittelpunkt der Kugel verlaufenden Achse verschieden ist,
- durch aufeinanderfolgende Drehungen die Eichmusterkugel so zu verlagern, daß sie in wenigstens eine erste und eine zweite Meßposition gebracht wird, welche für die zwei optischen Bildererfassungssysteme gleichzeitig sichtbar sind,
- durch Drehung die Eichmusterkugel so zu verlagern, daß sie in wenigstens eine Meßposition gebracht wird, welche für wenigstens das erste optische Bildererfassungssystem sichtbar ist und von der ersten und zweiten Meßposition verschieden ist,
- durch Drehung die Eichmusterkugel so zu verlagern, daß sie in wenigstens eine Meßposition gebracht wird, welche für wenigstens das zweite optische Bildererfassungssystem sichtbar ist und von der ersten und zweiten Meßposition verschieden ist,
- für jede der Meßpositionen die Kalotte der Eichmusterkugel zu messen, die von jedem der optischen Bildererfassungssysteme gesehen wird,
- für jede der Meßpositionen den Mittelpunkt der Kalotte der Eichmusterkugel zu bestimmen, die von jedem der optischen Bildererfassungssysteme gesehen wird, um zu ermöglichen, dasselbe Bezugssystem in einem ersten Koordinatensystem, das von dem ersten optischen Bildererfassungssysteme gesehen wird, und in einem zweiten Koordinatensystem, das von dem zweiten optischen Bildererfassungssysteme gesehen wird, auszudrücken,
- und die Übergangsmatrix zwischen dem ersten und dem zweiten Koordinatensystem zu berechnen, um eine Korrelation der Messungen zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Bildererfassungssystem sicherzustellen.
Ein solches Verfahren ermöglicht somit, wenigstens zwei optische Bildererfassungssysteme zu eichen, die es gestatten, in einem einzigen Koordinatensystem die verschiedenen Flächen zu verbinden, die von den besagten Systemen gemessen werden.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung hat das Ziel, die Rekonstruktion der beobachteten Flächen zu verbessern, indem er die Effekte von an Reliefs des Objekts vorhandenen Schatten, die auf die Ausrichtung der Beleuchtung zurückzuführen sind, beseitigt.
Um dieses Ziel zu erreichen, besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin:
- für wenigstens ein optisches Bildererfassungssystem zwei Geber zu verwenden, die jeweils aus einer Kamera und einem Streifenprojektor gebildet werden,
- und eine Korrelation zwischen den zwei Gebern durch die Verwendung einer Ebene zu gewährleisten, die ein physikalisches Bezugsobjekt begrenzt, welches den beiden Gebern gemeinsam ist.
Verschiedene weitere Merkmale werden aus der Beschreibung ersichtlich, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, welche als die Erfindung nicht einschränkende Beispiele Ausführungsformen und Durchführungsformen des Gegenstands der Erfindung zeigen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Schnittansicht in der Draufsicht, die eine Anlage für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht im Aufriß, im wesentlichen entlang der Linien x-x von Fig. 1.
Fig. 3A bis 3D sind Prinzipschemata, welche die charakteristischen Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen.
Fig. 4 ist ein Aufriß analog zu Fig. 2, der eine Anlage zeigt, welche die Realisierung eines speziellen Merkmals des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.
Fig. 5A bis 5C sind Ansichten von Visiereinrichtungen, die jeweils spezielle Merkmale der Übertragung und/oder Änderung der Teilung aufweisen und mit denen Streifenprojektoren ausgestattet sind, die im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNG

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, ist die Anlage 1 so gestaltet, daß sie die Messung eines Objekts im allgemeinen Sinne und insbesondere des Rumpfes eines Menschen in drei Dimensionen mit Hilfe wenigstens eines ersten I und eines zweiten 11 optischen Bildererfassungssystems ermöglicht. Es ist wichtig zu verstehen, daß jedes optische Bildererfassungssystem die Funktion hat, eine Menge von für das dimensionsmäßig erfaßte Objekt repräsentativen Punkten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem zu liefern, welches mit dem optischen Bildererfassungssystem verknüpft ist. Aus Gründen der Vereinfachung und der Klarheit wird ein optisches Bildererfassungssystem im nachfolgenden Teil der Beschreibung als Erfassungssystem bezeichnet. In dem dargestellten Beispiel umfaßt die Anlage vier Erfassungssysteme I bis IV, die paarweise um 90º versetzt sind, so daß die Messung des Objekts auf seinem gesamten Umfang gewährleistet wird. Jedes Erfassungssystem I bis IV mißt einen anderen Teil des Objekts, das im Inneren einer Zone Z angeordnet ist, die in der Umgebung des Schnittpunktes der optischen Achsen O&sub1; bis O&sub4; der Erfassungssysteme I bis IV abgegrenzt ist. Die Erfassungssysteme I bis IV sind mit einer nicht dargestellten Steuer- und Verarbeitungseinheit verbunden, die so beschaffen ist, daß sie die Steuerung und die Erfassung der Messungen und die Herstellung der Zuordnung der Bilder zueinander zur Rekonstruktion des Objekts gewährleistet.
Der Gegenstand der Erfindung zielt darauf ab, ein Eichungsverfahren zwischen den verschiedenen Erfassungssystemen I bis IV vorzuschlagen, derart, daß alle Flächen, die von einem Erfassungssystem gesehen werden, untereinander verbunden werden. Um das Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erleichtern, beschreibt die nachfolgende Beschreibung die Herstellung der Zuordnung des ersten I und des zweiten 11 Erfassungssystems. Selbstverständlich wird die Methode durchgeführt, indem die verschiedenen Etappen für jedes Paar von benachbarten Erfassungssystemen wiederholt werden.
Zur Eichung der Erfassungssysteme besteht das Verfahren darin, wie in Fig. 2 abgebildet eine Eichmusterkugel 4 zu verwenden, die von einem Arm 5 getragen wird, der auf einer Halterung 6 frei drehbar um eine Drehachse 7 angebracht ist, die von der durch den Mittelpunkt der Eichmusterkugel 4 verlaufenden Achse verschieden ist. Wie aus Fig. 3A genauer ersichtlich ist, wird die Eichmusterkugel 4 in eine erste Position a gebracht, in welcher sie für die Erfassungssysteme I und 11 gleichzeitig sichtbar ist. Aus Gründen der Vereinfachung ist die Eichmusterkugel 4 in der Position a so angeordnet, daß sie auf der optischen Achse O&sub1; des ersten Erfassungssystems I im wesentlichen zentriert ist. Jedes Erfassungssystem I, 11 mißt dann die sichtbare Kugelkalotte der Kugel 4. Das Verfahren besteht anschließend darin, mit klassischen Berechnungsverfahren die Mittelpunkte SI&sub1; und SII&sub0; der Eichmusterkugel zu bestimmen, die von den Erfassungssystemen I bzw. II gesehen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, durch eine Drehung um die Achse 7 die Eichmusterkugel 4 in eine zweite Meßposition b zu bringen, in der die letztere für die beiden Erfassungssysteme I, II gleichzeitig sichtbar ist (Fig. 3B). Aus Gründen der Vereinfachung ist die Eichmusterkugel 4 in der Position b so angeordnet, daß sie im wesentlichen auf der optischen Achse O&sub2; des Erfassungssystems 11 zentriert ist. In der Position b messen die Erfassungssysteme I und 11 die sichtbare Kugelkalotte der Eichmusterkugel 4. Das Verfahren besteht anschließend darin, die Mittelpunkte SI&sub2; und SII&sub1; der Eichmusterkugel zu bestimmen, die von den Erfassungssystemen I bzw. II gesehen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht weiterhin darin, durch Drehung um die Achse 7 die Eichmusterkugel 4 so zu bewegen, daß sie in eine dritte Position c gebracht wird, die wenigstens für das erste Erfassungssystem I sichtbar ist und von den Positionen a und b verschieden ist. In dem in Fig. 3C dargestellten Beispiel ist die Position c symmetrisch zur Position b bezüglich der optischen Achse O&sub1; des ersten Erfassungssystems I. Es wird die für das Erfassungssystem I sichtbare Kugelkalotte gemessen, und es wird der Mittelpunkt SI&sub0; der von dem Erfassungssystem I gesehenen Eichmusterkugel 4 berechnet.
Wie aus Fig. 3D ersichtlich ist, wird die Eichmusterkugel 4 in eine Position d gebracht, in welcher die Kugel wenigstens für das zweite Erfassungssystem II sichtbar ist und die von den Positionen a und b verschieden ist. In dem dargestellten Beispiel entspricht die Anbringung der Kugel 4 in der Position d einer Position, die zur Position a bezüglich der optischen Achse O&sub2; des Erfassungssystems 11 im wesentlichen symmetrisch ist. Anschließend wird die Kugelkalotte der von dem zweiten Erfassungssystem 11 gesehenen Eichmusterkugel 4 gemessen. Das Verfahren besteht anschließend darin, den Mittelpunkt SII&sub2; der Eichmusterkugel zu bestimmen, die von dem Erfassungssystem 11 gesehen wird. Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, hat jedes Erfassungssystem I, 11 ermöglicht, drei Punkte SI&sub0;, SI&sub1;, SI&sub2; bzw. SII&sub0;, SII&sub1;, SII&sub2; zu bestimmen, die sich aufgrund der Bewegung der Kugel 4 mittels aufeinanderfolgender Drehungen um eine feststehende dezentrierte Achse 7 auf ein und demselben Kreis im Raum und in ein und derselben Ebene befinden.
Das Verfahren besteht darin, mittels einer an sich bekannten geeigneten Methode den Mittelpunkt AI des Kreises zu bestimmen, welcher durch die Punkte SI&sub0;, SI&sub1;, SI&sub2; verläuft. Der Punkt AI ist als der Schnittpunkt der Drehachse 7 der Kugel 4 mit der Ebene definiert, die durch den Mittelpunkt der Kugel beschrieben wird.
Ausgehend von den obigen Punkten kann ein Koordinatensystem RI (AI , , , ) bestimmt werden, das aus einem Koordinatenursprung AI besteht, der den Mittelpunkt des Koordinatensystems darstellt, und aus einer Basis BI , die von drei Einheitsvektoren , , gebildet wird, derart, daß gilt:
= = und = ^
Auf dieselbe Weise kann der Mittelpunkt A" des Kreises berechnet werden, welcher durch die Punkte SII&sub0;, SII&sub1;, SII&sub2; verläuft. Anschließend wird ein Koordinatensystem RII (AII , ) bestimmt, das aus einem Koordinatenursprung AI = und aus einer Basis BII, die von drei Einheitsvektoren 1311, VII, W" gebildet wird, besteht, derart, daß gilt:
= = und = ^ .
Die Kenntnis eines Bezugssystems, das durch die verschiedenen Positionen der Eichmusterkugel verkörpert und in zwei verschiedenen Koordinatensystemen RI, RII ausgedrückt wird, ermöglicht es, die Übergangsmatrix des Übergangs vom ersten Koordinatensystem zum zweiten Koordinatensystem mathematisch zu berechnen und somit jeden im ersten Koordinatensystem gemessenen Punkt im zweiten Koordinatensystem auszudrücken und umgekehrt. Diese Übergangsmatrix ermöglicht es, die von den Erfassungssystemen I, II durchgeführten Messungen eines Objekts in einem einzigen Koordinatensystem auszudrücken.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgeht, umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren eine Phase der Eichung der Erfassungssysteme, die, nachdem sie durchgeführt worden ist, die Messung der Objekte im Relief ermöglicht, ohne die Anbringung von Koordinatensystemen am Objekt zu erfordern. Das einzige Erfordernis betrifft die Tatsache, daß das zu messende Objekt in der Zone Z anzuordnen ist, die durch die Sichtfelder der Erfassungssysteme abgegrenzt wird. Ansonsten erfordert ein solches Eichungsverfahren, das es ermöglicht, die relativen Positionen der Erfassungssysteme genau zu ermitteln, keine Durchführung dimensionsmäßiger Vermessungen, die immer schwierig auszuführen sind.
Selbstverständlich kann die Eichungsmethode auf eine beliebige Anzahl von Paaren von Erfassungssystemen übertragen werden. Diese Eichungsmethode weist auch den Vorteil auf, daß ausgehend von einer gegebenen Fläche relativ leicht ein materieller Punkt bestimmt werden kann, insoweit als eine Eichmusterkugel verwendet wird, deren sichtbare Fläche unabhängig von dem Winkel, unter dem das Erfassungssystem sie betrachtet, stets eine Kugelkalotte ist, die mit einem einzigen Punkt des Raums verknüpft ist, nämlich ihrem Mittelpunkt. Das erfindungsgemäße Verfahren weist auch den Vorteil auf, daß es vermieden wird, ein Eichmuster-Objekt zu bestimmen, insoweit als es möglich ist, gleichzeitig über alle für die Eichung erforderlichen Punkte zu verfügen. Außerdem erfordert diese Methode es nicht, die genaue Position der für die Eichung benötigten Punkte zu kennen.
In der Praxis läßt sich das erfindungsgemäße Eichungsverfahren relativ einfach erfolgreich durchführen. Für eine Korrelation der Erfassungssysteme I, II kann in Betracht gezogen werden, auf folgende Weise vorzugehen:
- Anbringung der Kugel 4 in der Position c, Erfassung der Meßwerte mit dem ersten Erfassungssystem I und Bestimmung des Mittelpunkts SI&sub0; der Kugel bezüglich des ersten Erfassungssystems I,
- Drehung der Kugel 4 um eine Viertelumdrehung in einer gegebenen Richtung, zum Beispiel entgegen dem Uhrzeigersinn, um sie in die Position a zu bringen, Erfassung der Meßwerte mit dem ersten und zweiten Erfassungssystem I, 11 und Bestimmung der Mittelpunkte SI&sub1;, SII&sub0;, die von den Erfassungssystemen I bzw. 11 gesehen werden,
- Drehung der Kugel 4 um eine Viertelumdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn, um sie in die Position b zu bringen, Erfassung der Meßwerte mit dem ersten und zweiten Erfassungssystem I, II und Bestimmung der Mittelpunkte SI&sub2;, SII&sub1;, die von den Erfassungssystemen I bzw. 11 gesehen werden, Drehung der Kugel 4 um eine Viertelumdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn, um sie in die Position d zu bringen, Erfassung der Meßwerte mit dem zweiten Erfassungssystem 11 und Bestimmung des Mittelpunkts SII&sub2;, der von dem zweiten Erfassungssystem 11 gesehen wird.
Im vorhergehenden Beispiel war vorgesehen, zwei unterschiedliche Meßpositionen c und d zu wählen, die jeweils ausschließlich für eines der Erfassungssysteme sichtbar sind. Selbstverständlich kann in Betracht gezogen werden, für die Meßposition c, die wenigstens für das erste Erfassungssystem sichtbar ist, und für die Meßposition d, die wenigstens für das zweite Erfassungssystem sichtbar ist, eine einzige Meßposition zu wählen, die für die beiden Erfassungssysteme gleichzeitig sichtbar ist. Unter dieser Annahme ist es für die Ausführung der Korrelationsphase ausreichend, die Eichmusterkugel 4 in eine dritte Position zu bringen, die zwischen den Positionen a und b eingenommen wird.
Es muß beachtet werden, daß jedes Erfassungssystem I bis IV von einem Geber gebildet werden kann, dessen Bilder mit denen der benachbarten Kamera korreliert sind. Bei einer bevorzugten, jedoch nicht ausschließlichen Ausführungsform wird wenigstens eins und zum Beispiel jedes der Erfassungssysteme I bis IV jeweils von zwei Gebern Is-Ii bis IVs-IVi gebildet, die jeweils aus einer Kamera und einem Projektor, der von einer geeigneten Visiereinrichtung stammende Streifen erzeugt und im nachfolgenden Teil der Beschreibung Streifenprojektor genannt wird, bestehen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, für die beiden Geber ein und desselben Erfassungssystems eine gemeinsame Kamera zu verwenden. Somit besteht, wie aus Fig. 4 genauer ersichtlich ist, jeder Geber Is bis IVs aus einer Kamera Ic bis IVc und einem oberer Streifenprojektor genannten Streifenprojektor Ips bis IVps, während jeder Geber 11 bis IVi aus der Kamera Ic bis IVc und einem unterer Streifenprojektor genannten Streifenprojektor Ipi bis IVpi besteht. Wie aus Fig. 4 klar ersichtlich ist, sind die Projektoren Ips und Ipi des Erfassungssystems I an einem Pfosten oder einer Säule 101 befestigt, wobei sie in einer Ebene auf eine etwa symmetrische Weise bezüglich der Kamera Ic angeordnet sind, die ebenfalls an der Stütze 101 befestigt ist. Jeder Projektor Ips, Ipi hat von der Kamera Ic einen gegebenen Abstand Vps bzw. Vpi. Die Erfassungssysteme 11 bis IV sind auf dieselbe Weise zusammengesetzt wie das Erfassungssystem I und sind jeweils an einem Pfosten 102 bis 104 befestigt. Die Anlage 1 umfaßt somit vier Säulen 101 bis 10&sub4;, die untereinander durch obere und untere Traversen und einen Boden 11, auf dem das zu messende Objekt 2 angebracht werden soll, verbunden sind. Die Meßanlage 1 weist die Form einer einheitlichen starren Konstruktion auf, die aus vier Säulen 10&sub1; bis 10&sub4; besteht, von denen jede starr ein Erfassungssystem I bis IV trägt und die untereinander fest verbunden sind.
Es muß beachtet werden, daß jedes Paar Kamera-Projektor Is bis IVs und I1 bis IVi einen autonomen Geber darstellt, der seine eigene Eichung und seine eigene mathematische Bezugsbasis besitzt, in welcher die Messungen ausgedrückt werden. Die Bestimmung dieser mathematischen Basen wird für jedes Paar Kamera-Projektor mittels des Verfahrens der zwei parallelen Ebenen durchgeführt, das an sich bekannt ist und insbesondere in der Veröffentlichung von GREMBAN K. D., THORPE C. E., KANADE T., Geometric Camera Calibration Using System of Linear Equation, Proceedings IEEE of Int. Conference on Robotics and Automation, Philadelphia, S. 947-951, (1988), beschrieben wird. Dieses Eichungsverfahren besteht darin, eine Platte 15, die eine Bezugsebene begrenzt, in einer Entfernung Lc von einer Kamera Ic bis IVc und in Entfernungen Lps und Lpi von den Projektoren Ips bis IVps bzw. Ipi bis IVpi anzubringen. Um zwischen den zwei Basen der zu ein und demselben Erfassungssystem gehörenden Geber die Zuordnung herzustellen, definiert man üblicherweise ein gemeinsames und durch die zwei Paare Kamera-Projektor identifizierbares physikalisches Koordinatensystem durch:
- einen Koordinatenursprung, der als der Schnittpunkt der optischen Achse der Kamera mit der Bezugsebene definiert wird,
- einen zur optischen Achse parallelen und zur Kamera gerichteten Vektor ,
- zwei in der Bezugsebene befindliche orthogonale Vektoren und , die zu den Zeilen und Spalten der lichtempfindlichen Zellen der Kamera parallel sind, wobei die Vektoren , , eine direkte Basis bilden.
Um eine genaue Zuordnung der zwei Basen zu ermöglichen, die zusammen das jeweilige Erfassungssystem I-IV bilden, müssen die Bezugsebenen, von denen die eine mit der Eichung des Paars Ii-IVi verknüpft ist und von denen die andere mit der Eichung des Paars Is-IVs verknüpft ist, entweder zusammenfallen oder parallel und um einen genau bekannten Abstand verschoben sein.
Zum Zwecke der Vereinfachung des geometrischen Modells ist die Achse des Objektivs der Kamera senkrecht zur Bezugsebene angeordnet.
Das Verfahren besteht darin, für das Erfassungssystem I zuerst das auf der Platte 15 gebildete und aus den von einem der Projektoren, zum Beispiel dem Projektor Ips, projizierten Streifen bestehende Bild zu erfassen und das auf der Platte gebildete und aus den von dem anderen Projektor, zum Beispiel dem Projektor Ipi, projizierten Streifen bestehende Bild zu erfassen. Das Verfahren besteht anschließend darin, die Platte 15 um ein Maß Pf bezüglich der Bezugsebene zu verschieben. Das Verfahren besteht darin, zuerst das auf der Platte 15 gebildete und aus den von einem der Projektoren, zum Beispiel Ips, projizierten Streifen bestehende Bild zu erfassen und anschließend das auf der Platte 15 gebildete und aus den von dem anderen Projektor, nämlich Ipi, projizierten Streifen bestehende Bild zu erfassen. Die oben beschriebenen Arbeitsgänge werden für die Erfassungssysteme II bis IV wiederholt.
Es ist anzumerken, daß die Scharfeinstellung der Kamera so durchgeführt wird, daß die der Kamera nächstgelegene scharfe Ebene die Bezugsebene ist, wobei der Schärfenbereich das Maß Pf ist. Ebenso wird die Scharfeinstellung der Objektive der Projektoren so durchgeführt, daß die der Kamera nächstgelegene scharfe Ebene die Bezugsebene ist, wobei der Schärfenbereich das Maß Pf ist. Der Abstand Lc zwischen der Kamera und der Bezugsebene sowie der Abstand Pf zwischen der Bezugsebene und der verschobenen Ebene werden präzise gemessen. Außerdem sind die auf die Bezugsebene projizierten Streifen parallel zu den Zeilen der lichtempfindlichen Zellen der Kamera.
Andererseits werden die Maße Lpi, Lps, Vpi, Vps mittels der oben erwähnten Methode der zwei Ebenen ermittelt. Die Bestimmung der Parameter Lp, Vp, Le und die Kenntnis der Parameter Pccd, welche die Pixelabstände der Kamera definieren, ermöglichen es, alle Geber zu eichen. Tatsächlich kann die Höhe ΔZi eines beliebigen Punktes Mi des Raums bezüglich der Bezugsebene mittels der Funktion F von folgendem Typ modelliert werden:
ΔZi = ELc, Lp, Vp, Pccd (Δ Φ i)
Die Größe ΔZi ist die Höhe des Punktes Mi des gemessen Objektes 2, das heißt, der orthogonale Abstand des Punktes Mi von der Bezugsebene. Die Größe Δ Φ i ist die von der Kamera gesehene Verschiebung des im Kontakt mit dem Punkt Mi befindlichen Streifens. Diese Verschiebung wird auf der Höhe der Bezugsebene definiert, bezüglich der Position desselben Streifens auf der Bezugsebene. Jeder auf die Bezugsebene projizierte Streifen ist auf dem digitalisierten Bild um Δ Φ, i phasenverschoben, wenn er die verschobene Ebene erreicht. Jeder Phasenverschiebung Δ Φ i entspricht eine Höhe ΔZi, die unabhängig von dem betrachteten Radius i konstant ist, da die verschobene Ebene zur Bezugsebene parallel ist. Ausgehend von einer beträchtlichen Menge von Paaren (Δ Φ i ΔZi) können die Parameter Lp, Vp mittels einer geeigneten Berechnungsmethode, die auf die Funktion F angewandt wird, optimiert werden.
Der Einsatz von zwei Gebern für jedes Erfassungssystem ermöglicht es, die Rekonstruktion der beobachteten Flächen zu verbessern und die Effekte von an den Reliefs vorhandenen Schatten, die auf die Ausrichtung der Beleuchtung zurückzuführen sind, zu beseitigen. Die Verwendung einer gemeinsamen Kamera für zwei Geber ermöglicht es, die physikalische Verknüpfung der Koordinatensysteme der zwei Geber zu vereinfachen.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel ist anzumerken, daß die Streifenprojektoren Ips bis IVps und Ipi bis IVpi bezüglich der Normalen zur Bezugsebene geneigt sind. Daraus ergibt sich, daß die Beleuchtungsstärke von einem Punkt der Bezugsebene zum anderen beträchtlich variiert. Daher ist vorgesehen, um die auf die erhebliche Neigung der Projektoren zurückzuführende Beleuchtungsänderung auf dem Objekt zu homogenisieren, eine Visiereinrichtung 16, wie in Fig. 5A dargestellt, zu realisieren, deren Übertragung sich nach einem für die geometrische Anordnung passenden Gesetz ändert. Ebenso verursacht die Neigung des Streifenprojektors eine Änderung der scheinbaren Teilung der Visiereinrichtung. Um die Änderung der projizierten Teilung zu kompensieren, ist vorgesehen, wie in Fig. 5B dargestellt, eine Visiereinrichtung 17 zu realisieren, deren Teilung einem für die geometrische Anordnung passenden Gesetz folgt. Diese Vorkehrung ermöglicht es, die Auflösung des Gebers in dem transversalen Feld zu homogenisieren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist jeder Streifenprojektor mit einer einzigen Visiereinrichtung 18 (Fig. 4 und 5C) ausgestattet, welche die Merkmale der Visiereinrichtungen 16, 17 in sich vereint, das heißt, eine variable Teilung und eine variable optische Übertragung aufweist.

INDUSTRIELLE ANWENDUNGSMÖGLICHKEIT

Der Gegenstand der Erfindung findet auf dem Gebiet der Messung von Objekten im allgemeinen Sinne auf optischem Wege im Hinblick auf ihre Rekonstruktion Anwendung. Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung betrifft die Messung der Teile des menschlichen Körpers.

Claims

1. Verfahren zur Korrelation der dreidimensionalen Messungen, die durch wenigstens ein erstes (I) und ein zweites (11) optisches Bildererfassungssystem vorgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Eichungsphase darin besteht:

- eine Eichmusterkugel (4) herzustellen, die so angebracht ist, daß sie eine Rotationsbewegung um eine Achse (7) ausführen kann, die von der durch den Mittelpunkt der Kugel verlaufenden Achse verschieden ist,

- durch aufeinanderfolgende Drehungen die Eichmusterkugel (4) so zu verlagern, daß sie in wenigstens eine erste (a) und eine zweite (b) Meßposition gebracht wird, welche für die zwei optischen Bildererfassungssysteme gleichzeitig sichtbar sind,

- durch Drehung die Eichmusterkugel so zu verlagern, daß sie in wenigstens eine Meßposition (c) gebracht wird, welche für wenigstens das erste optische Bildererfassungssystem (I) sichtbar ist und von der ersten und zweiten Meßposition verschieden ist,

- durch Drehung die Eichmusterkugel so zu verlagern, daß sie in wenigstens eine Meßposition (d) gebracht wird, welche für wenigstens das zweite optische Bildererfassungssystem (11) sichtbar ist und von der ersten und zweiten Meßposition verschieden ist,

- für jede der Meßpositionen die Kalotte der Eichmusterkugel zu messen, die von jedem der optischen Bildererfassungssysteme gesehen wird,

- für jede der Meßpositionen den Mittelpunkt der Eichmusterkugel zu bestimmen, die von jedem der optischen Bildererfassungssysteme gesehen wird, um zu ermöglichen, dasselbe Bezugssystem in einem ersten Koordinatensystem, das von dem ersten optischen Bildererfassungssystem gesehen wird, und in einem zweiten Koordinatensystem, das von dem zweiten optischen Bildererfassungssystem gesehen wird, auszudrücken,

- und die Übergangsmatrix zwischen dem ersten und dem zweiten Koordinatensystem zu berechnen, um eine Korrelation der Messungen zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Bildererfassungssystem sicherzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, für die Meßposition (c), die für wenigstens das erste optische Bildererfassungssystem sichtbar ist, und für die Meßposition (d), die für wenigstens das zweite optische Bildererfassungssystem sichtbar ist, eine einzige Meßposition zu wählen, die für die beiden optischen Bildererfassungssysteme gleichzeitig sichtbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, für die Meßposition (c), die für wenigstens das erste optische Bildererfassungssystem sichtbar ist, und für die Meßposition (d), die für wenigstens das zweite optische Bildererfassungssystem sichtbar ist, zwei verschiedene Meßpositionen zu wählen, die jeweils für eines der optischen Bildererfassungssysteme sichtbar sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, für die zwei verschiedenen Meßpositionen, die jeweils für eines der optischen Bildererfassungssysteme sichtbar sind, die Eichmusterkugel (4) in eine Position zu bringen, die bezüglich der optischen Achse des betrachteten Systems im wesentlichen symmetrisch zu der Position ist, die von der Eichmusterkugel eingenommen und für die beiden optischen Bildererfassungssysteme sichtbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, für die erste (a) und die zweite (b) Meßposition, die für die zwei optischen Bildererfassungssysteme gleichzeitig sichtbar sind, die Eichmusterkugel im wesentlichen in der optischen Achse des ersten (I) bzw. des zweiten (II) optischen Bildererfassungssystems anzuordnen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht:

- für wenigstens ein optisches Bildererfassungssystem (I bis IV) zwei Geber (Is-11 bis IVs-IVi) zu verwenden, die jeweils aus einer Kamera (Ic bis IVc) und einem Streifenprojektor (Ips-Ipi bis IVps- IVpi) gebildet werden,

- und eine Korrelation zwischen den zwei Gebern durch die Verwendung einer Ebene zu gewährleisten, die ein physikalisches Bezugselement begrenzt, welches den beiden Gebern gemeinsam ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, eine gemeinsame Kamera (Ic bis IVc) für die zwei Geber zu wählen.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, zur Gewährleistung der Korrelation zwischen den zwei Gebern durch die Verwendung einer Ebene, die ein den beiden Gebern gemeinsames physikalisches Bezugselement begrenzt:

- eine Platte (15), die eine Bezugsebene begrenzt, in einer Entfernung (Lc) von der Kamera und in Entfernungen (Lpi, Lps) von den Projektoren anzuordnen,

- das auf der Platte gebildete und aus den von dem einen Projektor projizierten Streifen bestehende Bild zu erfassen,

- das auf der Platte gebildete und aus den von dem anderen Projektor projizierten Streifen bestehende Bild zu erfassen,

- die Platte um ein Maß (Pf) bezüglich der Bezugsebene zu verschieben,

- und die Entfernungen zu bestimmen, welche die Bezugsebene von der Kamera und von den Projektoren trennen, so daß ermöglicht wird, die Korrelation zwischen den zwei Gebern sicherzustellen.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, jeden Streifenprojektor (Ips bis IVps und Ipi bis IVpi) mit einer Visiereinrichtung (16) auszustatten, deren Übertragung sich nach einem für die geometrische Anordnung passenden Gesetz ändert, um die Beleuchtungsänderung infolge der Neigung des Projektors bezüglich der Fläche, auf die die Streifen projiziert werden, zu homogenisieren.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, jeden Streifenprojektor (Ips bis IVps und Ipi bis IVpi) mit einer Visiereinrichtung (17) auszustatten, deren Teilung einem für die geometrische Anordnung passenden Gesetz folgt, um die Änderung der projizierten Teilung zu kompensieren.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, jeden Streifenprojektor (Ips bis IVps und Ipi bis IVpi) mit einer Visiereinrichtung (18) mit variabler Teilung und mit variabler optischer Übertragung auszustatten.

12. Anlage zur Sicherstellung einer Korrelation der dreidimensionalen Messungen, die durch wenigstens ein erstes (I) und ein zweites (11) optisches Bildererfassungssystem vorgenommen werden, welche untereinander durch eine Steuer- und Verarbeitungseinheit verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Gewährleistung der Eichungsphase nach Anspruch 1 eine Eichmusterkugel (4) umfaßt, die von einem Arm (5) getragen wird, der auf einer Halterung (6) frei drehbar um eine Drehachse (7) angebracht ist, die von der durch den Mittelpunkt der Kugel verlaufenden Achse verschieden ist.

13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie als optisches Bildererfassungssystem eine Kamera (Ic bis IVc) umfaßt, zu deren beiden Seiten auf eine im wesentlichen symmetrische Weise und auf einer eine Säule bildenden Halterung (101-104) zwei Streifenprojektoren (Ips-Ipi bis IVps-IVpi) angebracht sind.

14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (101-104) der optischen Bildererfassungssysteme fest miteinander verbunden sind, so daß sie eine starre Meßkonstruktion bilden.