WO2004113831A1 - Verfahren und messvorrichtung zur berührungslosen vermessung einer kontur einer oberfläche sowie verfahren zur automatischen entzerrung von koordinaten von bildpunkten - Google Patents

Verfahren und messvorrichtung zur berührungslosen vermessung einer kontur einer oberfläche sowie verfahren zur automatischen entzerrung von koordinaten von bildpunkten Download PDF

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WO2004113831A1
WO2004113831A1 PCT/EP2004/006829 EP2004006829W WO2004113831A1 WO 2004113831 A1 WO2004113831 A1 WO 2004113831A1 EP 2004006829 W EP2004006829 W EP 2004006829W WO 2004113831 A1 WO2004113831 A1 WO 2004113831A1
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calibration
recording
coordinates
areas
laser
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PCT/EP2004/006829
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Inventor
Viktor Lutz
Original Assignee
Schreck-Mieves Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2504—Calibration devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2531—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object using several gratings, projected with variable angle of incidence on the object, and one detection device

Definitions

  • the invention relates to a method and a measuring device for the contactless measurement of a contour of a surface, preferably for the measurement of rail profiles, wherein at least one laser line projected onto the surface from a laser beam plane is recorded at least in regions with a recording device.
  • the present invention relates to a method for the automatic correction of coordinates of pixels in a digital recording, in particular for the correction of laser line points in the contactless measurement of a contour of a surface.
  • Measuring systems that use the light section method are used for non-contact profile measurement of components.
  • one or more laser beam planes generated by a laser device are projected onto the surface to be measured and the laser line represented on the profile is recorded by a recording device.
  • a computer device evaluates the recorded laser line and calculates a calibrated 2D profile section of the measured surface.
  • each measurement is logged and is available, for example, for quality assurance measures.
  • Existing measuring systems which operate according to the light section method have a rigid arrangement of the laser device and the recording device with precisely defined dimensions. This enables a geometric assignment and thus the subsequent equalization of the laser line recorded on the basis of the recording.
  • the parameters of the recording device must be precisely defined and calibrated before the measurement.
  • both the pick-up device and the evaluation algorithm provided for equalizing the picked-up laser line must be recalibrated. This is complex and leads to high costs for non-contact profile measurement.
  • the known measuring devices are characterized by a high level of equipment and thus high investment and Operating costs.
  • the known measuring devices have a large construction volume.
  • the object of the present invention is to provide a method and a measuring device of the type mentioned at the outset, with which contactless measurement of a contour of a surface can be carried out in a simple and inexpensive manner.
  • a plurality of calibration areas is provided, the calibration areas being arranged in at least one common calibration plane and the calibration plane intersecting the surface to be measured at an angle that reference coordinates the calibration areas are determined in the calibration plane, that the calibration areas and the laser line are recorded together in at least one recording, that the coordinates of the calibration areas and the coordinates of the laser line are determined in the recording, that from the reference coordinates and the coordinates of the calibration areas in the recording a transformation matrix or calculation rule is calculated and that the coordinates of the laser line in the recording are equalized with the transformation matrix.
  • At least one calibration device is provided with a carrier for a plurality of calibration means, that each calibration means has a calibration range and that the calibration means are arranged on the carrier in such a way that the calibration ranges are in one Calibration plane are arranged and the calibration plane in the measuring state of the measuring device intersects the surface at an angle, so that the calibration areas can be recorded together with the laser line in one recording.
  • the method according to the invention and the measuring device according to the invention allow the contactless measurement of a contour of a surface to be carried out much more cost-effectively and with less effort than is the case with the measuring methods and measuring devices known from the prior art.
  • the measuring device according to the invention has a smaller overall volume. Is essential to the invention that together with the laser line projected onto the surface to be measured by a laser device, a plurality of calibration areas are recorded together with the laser line in one recording. In order to obtain a reference to scale and to enable a transformation of the coordinates "distorted" of the laser line depicting the surface contour into those coordinates of the laser line that correspond to the real or non-distorted surface contour, the laser line and the calibration ranges recorded together.
  • the calibration areas are arranged in at least one common calibration plane which intersects the surface to be measured at an angle. This makes it possible to dispense with a rigid arrangement of the receiving device relative to the laser device.
  • the laser line can be recorded by the recording device together with the calibration areas at any angle to the surface.
  • the recording device can be held in the hand by an operator, for example, in order to take a picture, the operator being able to record the laser line together with the calibration areas from any angle.
  • the arrangement of the recording device is therefore arbitrary, so that only one recording device is required to record the entire contour of the surface to be measured from several sides.
  • the receiving device can also be arranged in a stationary manner.
  • a change of the recording device can also be carried out without any problems, since neither the geometric position of the recording device relative to the laser device nor the specific location or Position parameters of the recording device must be recorded before the measurement is carried out.
  • calibration is carried out by evaluating the calibration areas recorded together with the laser line.
  • the calibration areas are arranged in at least one common calibration plane, the calibration plane intersecting the surface to be measured at an angle.
  • the arrangement of the calibration areas in a common plane and the defined intersection angle of the calibration plane with the surface to be measured simplifies the later equalization of the Coordinates of the recorded laser line, which will be discussed in more detail below.
  • the calibration areas it is also possible for the calibration areas to be arranged in a plurality of calibration levels, wherein the calibration levels can also cut the surface to be measured at different angles.
  • the location coordinates of the calibration areas and / or the distances between the calibration planes and / or the intersection angles of the calibration planes with the surface to be measured must be known in order to be able to carry out a subsequent equalization of the distorted coordinates of the laser line in the recording ,
  • the calibration areas are arranged at a distance from the surface of the component, i.e. do not rest on or are on the surface, so that the recording of the calibration areas together with the laser line even with changing recording angles of the recording device relative to the Laser line in a large angular range is possible. Equalization is also simplified.
  • the correction of the coordinates of the recorded laser line now proceeds as follows. First of all, it is necessary to determine reference coordinates of the calibration areas in the calibration plane, and in the simplest case the coordinates to be determined can be distance measurements between the calibration areas. In order to facilitate the determination of the reference coordinates, it can be provided according to the invention that the calibration areas are arranged at regular intervals. A further simplification of the method according to the invention can be seen in the fact that punctiform calibration areas are provided, the coordinates of which can be determined with high precision. This also contributes to the fact that the evaluation accuracy of the method according to the invention is very high.
  • the coordinates of the calibration areas and the coordinates of the laser line in the recording are determined, so that when the reference coordinates and the coordinates are known, dinate the calibration areas in the recording, a transformation matrix for equalizing the distorted coordinates of the recorded laser line can be calculated.
  • the equalization can be carried out in accordance with the methods known per se from photogrammetry.
  • the equalization is used to convert the coordinates which are not real or which are distorted in the recording - due to the dependence of the coordinates of the laser line in the recording on the angle of the recording device relative to the laser line - into a profile representation of the measured surface, which shows the real size relationships or reproduces the rectified contour.
  • the recording device can be a photo camera and / or a video camera that is suitable for digital image and / or video recording.
  • Any digital photo camera can preferably be used in the method according to the invention, which contributes to the simplicity and the low cost of the method according to the invention.
  • a particularly simple embodiment of the method according to the invention provides that the calibration plane is placed in the laser beam plane or that the calibration regions are arranged in the laser beam plane. This reduces the effort required to calculate the transformation matrix, since only the coordinates of the calibration areas and the laser line in the X / Y direction need to be known. In principle, however, it is also possible that the calibration plane is not in the laser beam plane, the intersection angle and / or the distance between the laser beam plane and the calibration plane having to be determined.
  • the invention preferably allows the laser line to be recorded from several angles or perspectives and positions of the recording device. It is equally possible that the laser line is picked up in sections, especially with larger surfaces, or that a plurality of laser lines is picked up. After the equalization, the recorded laser lines can be overlaid at least in some areas in order to describe the contour of the measured surface as completely as possible.
  • the term surface can refer to the surface of a component, a living being or to any conceivable surface whose contour or height profile is to be measured.
  • the method according to the preamble of claim 4 provides that image points are recorded together with calibration areas with known reference coordinates, the coordinates of the calibration areas and the image points in the recording being preferably determined automatically, a transformation matrix is preferably automatically calculated from the reference coordinates and the coordinates of the calibration areas in the recording, and the correction of the coordinates of the image points in the recording takes place automatically on the basis of the transformation matrix.
  • a recording of a laser line of a surface to be measured is first selected and displayed on a screen of the computer device so that it is visible to a user.
  • the calibration areas in the image are preferably determined automatically, the invention also permitting the user to identify the evaluation area in which the calibration areas and / or the laser line are shown in the image.
  • the user can also manually select individual pixels or calibration areas.
  • the position of the calibration areas can also be nü be stored, which data can be queried in an input mask and stored on a storage device of the computing device.
  • the calibration areas in the recording can be automatically recognized and / or marked and / or displayed to the user on the basis of contrast values and or brightness values. This contributes to the simple evaluation of the measurement or equalization of the recorded laser line and increases user comfort when carrying out the method according to the invention.
  • the accented coordinates of the calibration areas and the image points of the laser line in the image are preferably detected automatically.
  • a threshold value for the contrast and / or the brightness above or below which a calibration range and / or an image point in the recording is recognized and / or marked and or displayed, automatically as a function of contrast values or brightness values the recording, i.e. the image quality of the recording, is changed.
  • the contrasts, brightness and response thresholds for recognizing, marking or displaying the calibration areas and / or the image points of the laser line in the recording to be set in a user-controlled manner, so that the calibration areas and / or to be able to recognize the pixels of the laser line with high accuracy and high security.
  • the computer automatically determines the transformation matrix from the reference coordinates of the calibration areas and the coordinates of the calibration areas in the recording.
  • the laser line is preferably scanned point by point, the image points of the laser line being automatically equalized.
  • the distorted coordinates of the image points in the image are converted into corrected coordinates using the transformation matrix, which reflect the true length, size and distance dimensions of the measured surface contour.
  • the laser line is automatically scanned following the contour of the pixels in the image, with the value range in the recording, in which the calibration ranges and / or the image points of the laser line are recognized and / or marked and / or displayed, can be determined automatically by the computer device or, if necessary, user-controlled. For example, if the brightness values and / or the contrast values of the laser line in the recording and the brightness values and / or contrast values of other pixels in the recording are very close to one another, it is advantageous according to the invention to provide a user-controlled limitation of the evaluation areas in the recording. In this way it can be ensured in any case that the desired laser line and the calibration areas are equalized.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that an automatic and / or user-controlled correction of incorrectly recognized pixels and / or calibration surfaces of the recording is provided. This ensures high accuracy and safety when evaluating the measurement. For example, the brightness values and / or the contrast values of the pixels of the laser line and or the calibration areas in the image can be compared with setpoints or limit values, and if the brightness and / or contrast values of the pixels and / or the calibration surfaces deviate from specified setpoints or limit values, the one Pixel or that calibration surface is not included in the evaluation of the recording. Visual control of the user is also possible and advantageous.
  • the recording as such and / or the coordinates of the calibration areas in the recording and / or the coordinates of the image points in the recording and / or the reference coordinates and / or the transformation matrix is preferably stored together or stored on a memory of the computer device. It is also possible for the transformation matrix to be stored in a memory of the computer device and for the coordinates of the calibration areas and the image points in the image to be determined only at a later point in time.
  • FIG. 2 shows a basic illustration of the method according to the invention for the contactless measurement of a contour of a surface using an embodiment of a device according to the invention for measuring the surface contour according to the light section method
  • Fig. 3 is a side view of the measuring device shown in Fig. 2 for
  • a laser beam level 2 is generated by a laser device 1 and projects a laser line 3 onto a profiled surface 4.
  • the laser line 3 is recorded by a recording device 5, which can be, for example, a digital photo and / or video camera.
  • a display device 6 is connected to the recording device 5, which displays a recording of the laser line 3.
  • the one in the recording The laser line 3 'shown differs from the laser line 3 projected onto the surface 4 in that the laser line 3' represents a perspective-distorted image of the real contour of the measured surface 4.
  • the surface contour of the measurement object represented by the laser line 3 ' is displayed in "distorted" coordinates.
  • the geometrical assignment of the recording device 5 to the laser device 1 and its arrangement relative to the surface 4 to be measured which is provided or defined in the known methods, enables the measurement method to be calibrated.
  • the calibration and an evaluation algorithm based on the calibration make it possible to correct the perspective distortions that occur when the laser line 3 is recorded, or to transform the distorted coordinates in the recording into preferably two-dimensionally corrected X / Y coordinates, the rectified Coordinates of the image points of the laser line 3 'correspond to the true size, length and distance ratios of the measured surface contour.
  • the measuring device 7 shows an embodiment of a measuring device 7 according to the invention for non-contact measurement of a contour of a surface 4, in the present case for profile measurement of a rail 8.
  • the measuring device 7 has two laser devices 1, each of which generates a laser beam plane 2.
  • the laser devices 1 are arranged such that in the measuring state of the measuring device 7 shown in FIGS. 2 and 3, a laser line 3 is projected onto the surface of the rail 8 to be measured.
  • the measuring device 7 also has a calibration device 9 with a carrier 10 for a plurality of calibration means 11.
  • the calibration means 11 each have a calibration area.
  • the caliber means 11 are arranged on the carrier 10 in such a way that the tion provided calibration areas are arranged in a common calibration plane and the calibration plane in the measuring state of the measuring device 7 intersects the surface of the rail 8 at an angle.
  • the measuring device 7 is arranged such that the laser beam plane 2 and the calibration plane having the calibration areas are arranged perpendicular to the surface of the rail 8. In principle, however, any other angular arrangement would also be possible.
  • the calibration areas 11 together with the laser line 3 can be or are recorded in a recording with the recording device 5.
  • This is shown in FIG. 3, it being pointed out that with the measuring device 7 according to the invention it is not necessary to connect the receiving device 5 to the measuring device 7.
  • the receiving device 5 can thereby be freely arranged at any angle relative to the laser line 3, so that recordings of the laser line 3 are possible from any desired perspective. This applies as long as the calibration areas can be recorded together with the laser line 3. In principle, however, it is also possible for the receiving device 5 to be firmly connected to the measuring device 7.
  • the carrier 10 is arranged parallel to the laser beam plane 2, the laser device 1 being firmly connected to the carrier 10.
  • the fixed arrangement of the laser device 1 relative to the carrier 10 facilitates the calculation of a transformation matrix for equalizing the coordinates of the recorded laser line 3 'in the recording.
  • the calibration plane and the laser beam plane 2 coincide, that is to say the calibration plane lies in the laser beam plane 2.
  • the calibration plane and the laser beam plane 2 it is also possible for the calibration plane and the laser beam plane 2 to be spaced apart from one another.
  • the carrier 10 has calibration means 11, which are preferably designed as calibration pins and are arranged perpendicular to the laser beam plane 2.
  • the calibration pins are spherical at the free end 12 facing the laser beam plane 2.
  • the vertical arrangement of the calibration pins on the carrier 10 ensures that all free ends 12 can dip into the laser beam plane 2 at the same time.
  • the free ends 12 just touch the laser beam level 2, it being possible, if the calibration means 11 are designed accordingly, for the calibration means 11 to intersect the laser beam level 2 at least in regions.
  • the calibration means 11 are arranged such that at least four free ends dip into the laser beam plane 2, with at most two free ends 12 lying on a common straight line. 3 that the calibration means 11 are arranged on the carrier 10 at regular intervals, which facilitates the determination of the reference coordinates of the free ends 12 of the calibration means 11 or the calibration areas.
  • the measuring device according to the invention has a clamping device 13 with which the measuring device 7 is attached to an angle measuring device, not shown in detail, such as a spirit level. can be clamped, whereby the preferably rectangular arrangement of the measuring device 7 on the surface 4 of the rail 8 can be set or predetermined by the angle measuring device.
  • the wire measuring device is a track width measuring device to which the measuring device 7 is connected via the clamping device 13.
  • two laser devices 1 are shown, which can be, for example, line laser projectors. In principle, more than two laser devices can also be provided.
  • the laser devices 1 are arranged relative to one another in such a way that, in the measuring state of the measuring device 7, the laser beam planes 2 generated by the laser devices 1 lie in the same geometric plane and intersect in regions. If a plurality of laser devices 1 are used, it is possible for each laser beam level 2 to be assigned a plurality of calibration means 11 and / or for a calibration means 11 to be arranged to intersect or touch a plurality of laser beam levels 2.
  • the measuring device 7 can be connected to a computer device which is provided for evaluating the recordings.
  • the recorded laser line 3 ' which maps the surface contour or the height profile of the rail 8 transversely to the longitudinal axis of the rail 8 in distorted coordinates, is recorded point by point in a coordinate system and with one of the reference coordinates of the calibration ranges and the coordinates of the calibration ranges in the recording determined transformation matrix or calculation rule equalized.
  • the equalization can take place according to the laws of projective geometry.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messvorrichtung (7) zur berüh­rungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche (4), vorzugsweise zur Vermessung von Schienenprofilen, wobei zumindest eine von einer Laserstrahl­ebene (2) auf die Oberfläche (4) projizierte Laserlinie (3) mit einer Aufnahme­einrichtung (5) zumindest bereichsweise aufgenommen wird. Um ein Verfahren und eine Messvorrichtung jeweils der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem bzw. mit der die berührungslose Vermessung einer Kontur einer Oberfläche (4) in einfacher Weise und kostengünstig durchführbar ist, ist erfin­dungsgemäss vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Kalibrierbereichen vorgesehen wird, wobei die Kalibrierbereiche in wenigstens einer gemeinsamen Kalibrierebene angeordnet sind und wobei die Kalibrierebene die zu vermessende Oberfläche (4) unter einem Winkel schneidet, dass Referenzkoordinaten der Kalibrier­bereiche in der Kalibrierebene bestimmt werden, dass die Kalibrierbereiche und die Laserlinie (3) in wenigstens einer Aufnahme gemeinsam aufgenommen wer­ den, das die Koordinaten der Kalibrierbereiche und die Koordinaten der Laserlinie (Y) in der Aufnahme ermittelt werden, dass aus den Referenzkoordinaten und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme eine Transformations­matrix berechnet wird und dass mit der Transforrnationsmatrix die Koordinaten der Laserlinie (Y) in der Aufnahme entzerrt werden.

Description

Verfahren und Meßvorrichtung zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche sowie Verfahren zur automatischen Entzerrung von Koordinaten von Bildpunkten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßvorrichtung zur berüh- rungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche, vorzugsweise zur Vermessung von Schienenprofilen, wobei zumindest eine von einer Laser- strahlebene auf die Oberfläche projizierte Laserlinie mit einer Aufnahmeeinrichtung zumindest bereichsweise aufgenommen wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur automatischen Entzerrung von Koordinaten von Bildpunkten in einer digitalen Aufnahme, insbesondere zur Entzerrung von Laserlinienpunkten bei der berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche.
Meßsysteme, die nach dem Lichtschnittverfahren arbeiten, werden zur berührungslosen Profilvermessung von Bauteilen eingesetzt. Dabei werden eine oder mehrere von einer Lasereinrichtung erzeugte Laserstrahlebenen auf die zu vermessende Oberfläche projiziert und die sich auf dem Profil darstellende Laserlinie von einer Aufnahmeeinrichtung aufgenommen. Eine Rechnerein- richtung wertet die aufgenommene Laserlinie aus und berechnet dabei einen kalibrierten 2D-Profllschnitt der vermessenen Oberfläche. In der Regel wird jede Messung protokolliert und steht zum Beispiel für Maßnahmen der Qualitätssicherung zur Verfügung. Vorhandene Meßsysteme, die nach dem Licht- schnittverfahren arbeiten, weisen eine starre Anordnung der Lasereinrichtung und der Aufnahmeeinrichtung mit genau definierten Abmessungen auf. Dadurch ist eine geometrische Zuordnung und somit die anschließende Entzerrung der aufgenommenen Laserlinie anhand der Aufnahme möglich. Die Parameter der Aufnahmeeinrichtung müssen allerdings vor der Messung exakt festgelegt und kalibriert werden. Wird die Anordnung der Aufhahmeeinrich- tung verändert oder eine andere Aufnahmeeinrichtung eingesetzt, muß sowohl die Aufnahmeeinrichtung als auch der zur Entzerrung der aufgenommenen Laserlinie vorgesehene Auswertungsalgorithmus neu kalibriert werden. Das ist aufwendig und führt zu hohen Kosten bei der berührungslosen Profilver- messung. Darüber hinaus zeichnen sich die bekannten Meßvorrichtungen durch einen hohen apparativen Aufwand und somit hohe Investitions- und Betriebskosten aus. Schließlich weisen die bekannten Meßvorrichtungen ein großes Bauvolumen auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Meßvor- richtung jeweils der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem bzw. mit der die berührungslose Vermessung einer Kontur einer Oberfläche in einfacher Weise und kostengünstig durchführbar ist.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorgesehen, daß eine Mehrzahl von Kalibrierbereichen vorgesehen wird, wobei die Kalibrierbereiche in wenigstens einer gemeinsamen Kalibrierebene angeordnet sind und wobei die Kalibrierebene die zu vermessende Oberfläche unter einem Winkel schneidet, daß Referenzkoordinaten der Kalibrierbereiche in der Kalibrierebene bestimmt werden, daß die Kalibrierbereiche und die Laserlinie in wenigstens einer Aufnahme gemeinsam aufgenommen werden, daß die Koordinaten der Kalibrierbereiche und die Koordinaten der Laserlinie in der Aufnahme ermittelt werden, daß aus den Referenzkoordinaten und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme eine Transformationsmatrix bzw. -berechnungsvorschrift berechnet wird und daß mit der Transformationsmatrix die Koordinaten der Laserlinie in der Aufnahme entzerrt werden. Bei einer Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 ist dementsprechend vorgesehen, daß wenigstens eine Kalibriereinrichtung mit einem Träger für eine Mehrzahl von Kalibriermitteln vorgesehen ist, daß jedes Kalibriermittel einen Kalibrierbereich aufweist und daß die Kalibriermittel derart auf dem Träger angeordnet sind, daß die Kalibrierbereiche in einer Kalibrierebene angeordnet sind und die Kalibrierebene im Meßzustand der Meßvorrichtung die Oberfläche unter einem Winkel schneidet, so daß die Kalibrierbereiche gemeinsam mit der Laserlinie in einer Aufnahme aufnehmbar sind.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Meßvorrichtung kann die berührungslose Vermessung einer Kontur einer Oberfläche wesentlich kostengünstiger und mit geringerem Aufwand durchgeführt werden, als dies mit den aus dem Stand der Technik bekannten Meßverfahren und Meßvorrichtungen der Fall ist. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung ein geringeres Bauvolumen auf. Erfindungswesentlich ist, daß zusammen mit der von einer Lasereinrichtung auf die zu vermessende Oberfläche projizierten Laserlinie eine Mehrzahl von Kalibrierbereichen gemeinsam mit der Laserlinie in einer Aufnahme aufgenommen werden. Um einen Maßstabsbezug zu erhalten und eine Transformation der in der Aufnahme "gezerrt" dargestellten Koordinaten der die Oberflächenkontur abbildenden Laserlinie in solche Koordinaten der Laserlinie zu ermöglichen, die der realen bzw. der nicht-gezerrten Oberflächenkontur entsprechen, werden in der gleichen Aufnahme die Laserlinie und die Kalibrierbereiche gemeinsam aufgenommen. Die Kalibrierbereiche werden in wenigstens einer gemeinsamen Kalibrierebene angeordnet, welche die zu vermessende Oberfläche unter einem Winkel schneidet. Dadurch ist es möglich, auf eine starre Anordnung der Aufnahmeeinrichtung relativ zu der Lasereinrichtung zu verzichten.
Die Laserlinie kann zusammen mit den Kalibrierbereichen unter einem belie- bigen Winkel zur Oberfläche von der Aufiiahmeeinrichtung aufgenommen werden. Die Aufiiahmeeinrichtung kann von einem Bediener beispielsweise in der Hand gehalten werden, um eine Aufnahme zu machen, wobei der Bediener von jedem beliebigen Blickwinkel aus die Laserlinie zusammen mit den Kalibrierbereichen aufnehmen kann. Die Anordnung der Aufnahmeeinrich- tung ist also beliebig, so daß nur eine Aufnahmeeinrichtung erforderlich ist, um die gesamte Kontur der zu vermessenden Oberfläche von mehreren Seiten aufzunehmen. Grundsätzlich kann die Aufnahmeeinrichtung allerdings auch ortsfest angeordnet sein. Ein Wechsel der Aufiiahmeeinrichtung ist ebenso unproblematisch durchführbar, da weder die geometrische Lage der Aufnah- meeinrichtung relativ zu der Lasereinrichtung noch die spezifischen Ortsbzw. Lageparameter der Aufiiahmeeinrichtung vor der Durchführung der Messung erfaßt werden müssen.
Die Kalibrierung erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Auswertung der zusammen mit der Laserlinie aufgenommenen Kalibrierbereiche. Die Kalibrierbereiche sind in wenigstens einer gemeinsamen Kalibrierebene angeordnet, wobei die Kalibrierebene die zu vermessende Oberfläche unter einem Winkel schneidet. Die Anordnung der Kalibrierbereiche in einer gemeinsamen Ebene und der festgelegte Schnittwinkel der Kalibrierebe- ne mit der zu vermessenden Oberfläche vereinfacht die spätere Entzerrung der Koordinaten der aufgenommenen Laserlinie, worauf nachfolgend noch im einzelnen eingegangen wird.
Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, daß die Kalibrierbereiche in einer Mehrzahl von Kalibrierebenen angeordnet werden, wobei die Kalibrierebenen die zu vermessende Oberfläche auch unter verschiedenen Winkeln schneiden können. Voraussetzung dabei ist jedoch, daß die Ortkoordinaten der Kalibrierbereiche und/oder die Abstände der Kalibrierebenen und/oder die Schnittwinkel der Kalibrierebenen mit der zu vermessenden Oberfläche be- kannt sein müssen, um eine anschließende Entzerrung der gezerrten Koordinaten der Laserlinie in der Aufnahme durchführen zu können.
Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Kalibrierbereiche von der Oberfläche des Bauteils beabstandet angeordnet werden, also nicht auf der Oberfläche aufliegen bzw. sich auf dieser befinden, so daß die Aufnahme der Kalibrierbereiche zusammen mit der Laserlinie auch bei wechselnden Aufnahmewinkeln der Aufiiahmeeinrichtung relativ zu der Laserlinie in einem großen Winkelbereich möglich ist. Darüber hinaus wird die Entzerrung vereinfacht.
Die Entzerrung der Koordinaten der aufgenommenen Laserlinie läuft nun wie folgt ab. Zunächst ist es erforderlich, Referenzkoordinaten der Kalibrierbereiche in der Kalibrierebene zu bestimmen, wobei es sich im einfachsten Fall bei den zu bestimmenden Koordinaten um Abstandsmaße zwischen den Kali- brierbereichen handeln kann. Um die Ermittlung der Referenzkoordinaten zu erleichtern, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Kalibrierbereiche in regelmäßigen Abständen angeordnet vorgesehen werden. Eine weitere Vereinfachung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß punkt- förmige Kalibrierbereiche vorgesehen werden, deren Koordinaten mit einer hohen Präzision ermittelbar sind. Dies trägt auch dazu bei, daß die Auswertegenauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr hoch ist.
Nach der gemeinsamen Aufnahme der Kalibrierbereiche und der Laserlinie in wenigstens einer digitalen Bild- und/oder Videoaufhahme werden die Koordi- naten der Kalibrierbereiche und die Koordinaten der Laserlinie in der Aufnahme ermittelt, so daß bei Kenntnis der Referenzkoordinaten und der Koor- dinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme eine Transformationsmatrix zur Entzerrung der gezerrten Koordinaten der aufgenommenen Laserlinie berechenbar ist.
Die Entzerrung kann gemäß den aus der Fotogrametrie an sich bekannten Verfahren erfolgen. Die Entzerrung dient dazu, die in der Aufnahme - aufgrund der Abhängigkeit der Koordinaten der Laserlinie in der Aufnahme von dem Winkel der Aufnahmeeinrichtung relativ zur Laserlinie - nicht-realen bzw. gezerrten Koordinaten umzurechnen in eine Profildarstellung der vermessenen Oberfläche, die die realen Größenverhältnisse bzw. die entzerrte Kontur wiedergibt.
Grundsätzlich kann es sich bei der Aufnahmeeinrichtung um eine Fotokamera und/oder um eine Videokamera handeln, die zur digitalen Bild- und/oder Vi- deoaufnahme geeignet ist. Vorzugsweise ist jede beliebige digitale Fotokamera bei dem erfmdungsgemäßen Verfahren einsetzbar, was zur Einfachheit und zu den geringen Kosten des erfindungsgemäßen Verfahrens beiträgt.
Eine besonders einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Kalibrierebene in die Laserstrahlebene gelegt wird bzw. daß die Kalibrierbereiche in der Laserstrahlebene angeordnet werden. Dadurch sinkt der Aufwand zur Berechnung der Transformationsmatrix, da lediglich die Koordinaten der Kalibrierbereiche und der Laserlinie in X/Y-Richtung bekannt sein müssen. Es ist grundsätzlich jedoch auch möglich, daß die Kali- brierebene nicht in der Laserstrahlebene liegt, wobei der Schnittwinkel und/oder der Abstand zwischen der Laserstrahlebene und der Kalibrierebene ermittelt werden muß.
Um eine Transformationsmatrix aus den Referenzkoordinaten der Kalibrierbe- reiche und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme ermitteln zu können, ist es bei den üblicherweise zur Entzerrung eingesetzten mathematischen Verfahren notwendig, daß wenigstens vier Kalibrierbereiche in der Kalibrierebene vorgesehen werden, wobei, vorzugsweise, höchstens zwei Kalibrierbereiche auf einer gemeinsamen Geraden liegend angeordnet werden. Im einfachsten Fall kann es jedoch bereits ausreichend sein, zwei oder drei Kalibrierbereiche vorzusehen, um die Entzerrung der aufgenommenen Laser- linie durchfuhren zu können. Die Anzahl der benötigten Kalibrierbereiche und deren Anordnung steht in Abhängigkeit zu dem zur Berechnung der Transformationsmatrix eingesetzten Algorithmus und die tolerierbare Rechenleistung und -dauer. Im übrigen können bedarfsweise die aus der projektiven Geometrie an sich bekannten Algorithmen zur Berechnung der Transformationsmatrix bzw. zur Entzerrung der Koordinaten der Bildpunkte der aufgenommenen Laserlinie eingesetzt werden.
Die Erfindung läßt es vorzugsweise zu, daß die Laserlinie aus mehreren Blickwinkeln bzw. Perspektiven und Stellungen der Aufiiahmeeinrichtung aufgenommen wird. Ebenso gut ist es möglich, daß die Laserlinie - vor allem bei größeren Oberflächen - abschnittsweise aufgenommen wird oder daß eine Mehrzahl von Laserlinien aufgenommen wird. Die aufgenommenen Laserlinien können nach der Entzerrung zumindest bereichsweise überlagert werden, um die Kontur der vermessenen Oberfläche möglichst vollständig zu beschreiben. Der Begriff Oberfläche kann sich auf die Oberfläche eines Bauteils, eines Lebewesens oder auf jede denkbare Oberfläche beziehen, deren Kontur bzw. Höhenprofil vermessen werden soll.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ist bei dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 vorgesehen, daß Bildpunkte gemeinsam mit Kalibrierbereichen mit bekannten Referenzkoordinaten aufgenommen werden, wobei die Koordinaten der Kalibrierbereiche und der Bildpunkte in der Aufnahme vorzugsweise automatisch bestimmt werden, wobei eine Trans- formationsmatrix aus den Referenzkoordinaten und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme vorzugsweise automatisch berechnet wird und wobei die Entzerrung der Koordinaten der Bildpunkte in der Aufnahme automatisch auf Grundlage der Transformationsmatrix erfolgt. Dabei ist vorgesehen, daß eine Aufnahme einer Laserlinie einer zu vermessenden Oberflä- ehe zunächst ausgewählt und auf einem Bildschirm der Rechnereinrichtung für einen Benutzer sichtbar dargestellt wird. Die Ermittlung der Kalibrierbereiche im Bild erfolgt vorzugsweise automatisch, wobei es die Erfindung auch zuläßt, daß der Benutzer den Auswertebereich kennzeichnet, in dem die Kalibrierbereiche und/oder die Laserlinie in der Aufnahme abgebildet sind. Der Benutzer kann auch manuell einzelne Bildpunkte bzw. Kalibrierbereiche auswählen. Die Position der Kalibrierbereiche kann darüber hinaus in einem Me- nü hinterlegt werden, wobei diese Daten in einer Eingabemaske abgefragt und auf einer Speichereinrichtung der Rechnereinrichtung gespeichert werden können.
Die Kalibrierbereiche in der Aufnahme können ebenso wie die Bildpunkte der Laserlinie in der Aufnahme anhand von Kontrastwerten und oder Helligkeitswerten automatisch erkannt und/oder markiert und/oder dem Benutzer angezeigt werden. Dies trägt zur einfachen Auswertung der Messung bzw. Entzerrung der aufgenommenen Laserlinie bei und erhöht den Benutzerkomfort bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Ergebnis werden die gezenten Koordinaten der Kalibrierbereiche und der Bildpunkte der Laserlinie in der Aufnahme vorzugsweise automatisch detektiert.
Von Vorteil ist weiterhin, daß ein Schwellenwert für den Kontrast und/oder die Helligkeit, bei dessen Über- oder Unterschreiten ein Kalibrierbereich und/oder ein Bildpunkt in der Aufnahme erkannt und/oder markiert und oder angezeigt wird, automatisch in Abhängigkeit von Kontrastwerten oder Helligkeitswerten der Aufnahme, also der Bildqualität der Aufnahme, verändert wird. Es ist jedoch auch möglich, daß Kontraste, Helligkeit und Ansprech- schwellen für das Erkennen, das Markieren oder die Anzeige der Kalibrierbereiche und/oder der Bildpunkte der Laserlinie in der Aufnahme benutzergesteuert eingestellt werden, um bei wechselnden Verhältnissen im Bild die Kalibrierbereiche und/oder die Bildpunkte der Laserlinie mit hoher Genauigkeit und hoher Sicherheit erkennen zu können.
Um die Einfachheit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter zu erhöhen, ist es erfindungsgemäß möglich, daß aus den Referenzkoordinaten der Kalibrierbereiche und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme automatisch von der Rechnereinrichtung die Transformationsmatrix ermittelt wird. Nach Berechnung der Kalibrationsmatrix wird die Laserlinie vorzugsweise punktweise abgetastet, wobei die Bildpunkte der Laserlinie automatisch entzerrt werden. Dabei werden die gezerrten Koordinaten der Bildpunkte in der Aufnahme mittels der Transformationsmatrix in entzerrte Koordinaten umgerechnet, die die wahren Längen-, Größen- und Abstandsmaße der messenen Oberflächenkontur wiedergeben. Die automatische Abtastung der Laserlinie erfolgt der Kontur der Bildpunkte in der Aufnahme folgend, wobei der Aus- wertebereich in der Aufnahme, in dem die Kalibrierbereiche und/oder die Bildpunkte der Laserlinie erkannt und oder markiert und/oder angezeigt werden, automatisch durch die Rechnereinrichtung oder auch bedarfsweise benutzergesteuert festgelegt werden kann. Liegen beispielsweise die Helligkeits- werte und/oder die Kontrastwerte der Laserlinie in der Aufnahme und die Helligkeitswerte und/oder Kontrastwerte anderer Bildpunkte in der Aufnahme sehr nahe beieinander, ist es erfindungsgemäß von Vorteil, eine benutzergesteuerte Eingrenzung der Auswertebereiche in der Aufnahme vorzusehen. Somit kann in jedem Fall sichergestellt werden, daß die gewünschte Laserlinie und die Kalibrierbereiche entzerrt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß eine automatische und/oder benutzergesteuerte Korrektur von falsch erkannten Bildpunkten und/oder Kalibrierflächen der Aufnahme vorge- sehen wird. Dadurch wird eine hohe Genauigkeit und Sicherheit bei der Auswertung der Messung erreicht. Beispielsweise können die Helligkeitswerte und/oder die Kontrastwerte der Bildpunkte der Laserlinie und oder der Kalibrierbereiche in der Aufnahme mit Sollwerten oder Grenzwerten verglichen werden, wobei bei Abweichung der Helligkeits- und/oder Kontrastwerte der Bildpunkte und/oder der Kalibrierflächen von vorgegebenen Sollwerten oder Grenzwerten derjenige Bildpunkt bzw. diejenige Kalibrierfläche nicht in die Auswertung der Aufnahme einbezogen wird. Auch eine visuelle Kontrolle des Benutzers ist möglich und vorteilhaft.
Im übrigen ist es nicht erforderlich, das eine eine Laserlinie zeigende Aufnahme unmittelbar nach der Messung ausgewertet wird. Es ist ebenso gut möglich, daß die Auswertung nur bedarfsweise erfolgt, wobei zu einem späteren Zeitpunkt darüber entschieden werden kann, welche Aufnahme ausgewertet werden soll und welche nicht. Das trägt dazu bei, den Aufwand bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vermessung einer Oberflächenkontur möglichst gering zu halten. Die Aufnahmen können in einfacher Weise archiviert und bedarfsweise ausgewertet werden. Dabei darf darauf hingewiesen werden, daß unter dem Begriff "auswerten" nicht nur die Entzerrung der aufgenommenen Laserlinie anhand der Transformationsmatrix verstanden wer- den kann, sondern auch alle der Entzerrung folgenden, üblicherweise bei der berührungslosen Vermessung von Oberflächenkonturen vorgesehenen Aus- wertungsabläufe, beispielsweise die visuelle Darstellung der Meßergebnisse und/oder deren Weiternutzung. Um auch zu einem späteren Zeitpunkt die Aufnahmen auswerten zu können, ist es erfindungsgemäß weiter von Vorteil, daß die Aufnahme als solche und/oder die Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme und/oder die Koordinaten der Bildpunkte in der Aufnahme und/oder die Referenzkoordinaten und/oder die Transformationsmatrix vorzugsweise gemeinsam gespeichert bzw. auf einem Speicher der Rechnereinrichtung hinterlegt werden. Es ist auch möglich, daß die Transformationsmatrix auf einem Speicher der Rechnereinrichtung hinterlegt wird, und die Er- mittlung der Koordinaten der Kalibrierbereiche und der Bildpunkte in der Aufnahme erst zu einem späteren Zeitpunkt erfolgt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 im einzelnen beschrieben, ohne daß dadurch die Erfindung auf die beschriebenen Ausfüh- rungsformen beschränkt wird. Es zeigen
Fig. 1 das Grundprinzip der berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche nach dem Lichtschnittverfahren,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche unter Verwendung einer Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vermessung der Oberflächenkontur nach dem Lichtschnittverfahren und
Fig. 3 eine Seitenansicht der in Fig. 2 dargestellten Meßvorrichtung zur
Vermessung einer Oberflächenkontur.
In Fig. 1 ist das Grundprinzip der berührungslosen Oberflächenvermessung nach dem Lichtschnitt- Verfahren dargestellt. Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird von einer Lasereinrichtung 1 eine Laserstrahlebene 2 erzeugt, die eine Laserlinie 3 auf eine profilierte Oberfläche 4 projiziert. Die Laserlinie 3 wird von einer Aufnahmeeinrichtung 5, bei der es sich beispielsweise um eine digitale Foto- und/oder Videokamera handeln kann, aufge- nommen. Mit der Aufnahmeeinrichtung 5 ist eine Anzeigeeinrichtung 6 verbunden, die eine Aufnahme der Laserlinie 3 abbildet. Die in der Aufnahme abgebildete Laserlinie 3 ' unterscheidet sich von der auf die Oberfläche 4 pro- jizierten Laserlinie 3 dadurch, daß die Laserlinie 3' eine perspektivisch gezerrte Abbildung der realen Kontur der vermessenen Oberfläche 4 darstellt. Dabei wird die durch die Laserlinie 3' dargestellte Oberflächenkontur des Meßobjektes in "gezerrten" Koordinaten angezeigt. Um aus der angezeigten Laserlinie 3' Rückschlüsse auf die Oberflächenkontur der Oberfläche 4 ziehen zu können, ist es notwendig, die Laserlinie 3' zu entzerren, wobei bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur berührungslosen Vermessung einer Oberflächenkontur nach dem Lichtschnittverfahren eine starre An- Ordnung der Lasereinrichtung 1 relativ zu der Aufiiahmeeinrichtung 5 vorgesehen sein muß.
Die bei den bekannten Verfahren vorgesehene bzw. festgelegte geometrische Zuordnung der Aufiiahmeeinrichtung 5 zur Lasereinrichtung 1 und deren An- Ordnung relativ zu der zu vermessenden Oberfläche 4 ermöglicht die Kalibrierung des Meßverfahrens. Durch die Kalibrierung und einen auf der Kalibrierung beruhenden Auswertungsalgorithmus ist es möglich, die beim Aufnehmen der Laserlinie 3 auftretenden perspektivischen Verzerrungen zu entzerren bzw. die gezerrten Koordinaten in der Aufnahme in vorzugsweise zweidimen- sionale entzerrte X/Y-Koordinaten zu transformieren, wobei die entzerrten Koordinaten der Bildpunke der Laserlinie 3 ' den wahren Größen-, Längen- und Abstandsverhältnissen der vermessenen Oberflächenkontur entsprechen.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 7 zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche 4, im vorliegenden Fall zur Profilvermessung einer Schiene 8 dargestellt. Die Meßeinrichtung 7 weist gemäß der Fig. 2 zwei Lasereinrichtungen 1 auf, die jeweils eine Laserstrahlebene 2 erzeugen. Die Lasereinrichtungen 1 sind derart angeordnet, daß in dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Meßzustand der Meßvor- richtung 7 jeweils eine Laserlinie 3 auf die zu vermessende Oberfläche der Schiene 8 projiziert wird.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung 7 weist weiterhin eine Kalibriereinrichtung 9 mit einem Träger 10 für eine Mehrzahl von Kalibriermitteln 11 auf. Die Kalibriermittel 11 weisen jeweils einen Kalibrierbereich auf. Die Kali- briennittel 11 sind derart auf dem Träger 10 angeordnet, daß die zur Kalibra- tion vorgesehenen Kalibrierbereiche in einer gemeinsamen Kalibrierebene angeordnet sind und die Kalibrierebene im Meßzustand der Meßvorrichtung 7 die Oberfläche der Schiene 8 unter einem Winkel schneidet. Gemäß den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 7 ist die Meßvorrichtung 7 derart angeordnet, daß die Laserstrahlebene 2 und die die Kalibrierbereiche aufweisende Kalibrierebene senkrecht zur Oberfläche der Schiene 8 angeordnet sind. Grundsätzlich wäre aber auch jede andere winklige Anordnung möglich.
Wesentlich ist, daß die Kalibrierbereiche 11 zusammen mit der Laserlinie 3 in einer Aufnahme mit der Aufiiahmeeinrichtung 5 aufnehmbar sind bzw. aufgenommen werden. Dies ist in Fig. 3 dargestellt, wobei darauf hingewiesen wird, daß es mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 7 nicht notwendig ist, die Aufhahmeeinrichtung 5 mit der Meßvorrichtung 7 zu verbinden. Die Aufhahmeeinrichtung 5 kann dadurch frei in beliebigen Winkeln relativ zu der Laserlinie 3 angeordnet werden, so daß Aufnahmen der Laserlinie 3 aus jeder gewünschten Perspektive möglich sind. Dies gilt solange, als daß zusammen mit der Laserlinie 3 die Kalibrierbereiche aufnehmbar sind. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, daß die Aufnahmeeinrichtung 5 mit der Meßvorrich- tung 7 fest verbunden ist.
Gemäß der in der Fig. 3 dargestellten Ausfuhrungsform ist der Träger 10 parallel zur Laserstrahlebene 2 angeordnet, wobei die Lasereinrichtung 1 fest mit dem Träger 10 verbunden ist. Die feste Anordnung der Lasereinrichtung 1 re- lativ zum Träger 10 erleichtert die Berechnung einer Transformationsmatrix zum Entzerren der Koordinaten der aufgenommenen Laserlinie 3 ' in der Aufnahme.
Wie aus Fig. 3 weiter hervorgeht, fallen die Kalibrierebene und die Laser- strahlebene 2 zusammen, die Kalibrierebene liegt also in der Laserstrahlebene 2. Es ist jedoch auch möglich, daß die Kalibrierebene und die Laserstrahlebene 2 durch einen Abstand voneinander beabstandet sind. Zur Entzerrung der Koordinaten der Laserlinie 3 ' in der Aufnahme ist es dann jedoch erforderlich, den Abstand zwischen der Kalibrierebene und der Laserstrahlebene 2 bei der Berechnung der Transformationsmatrix zu ermitteln. Um eine Kalibrierung in einfacher Weise zu ermöglichen, weist der Träger 10 Kalibriermittel 11 auf, die vorzugsweise als Kalibrierstifte ausgebildet und senkrecht zur Laserstrahlebene 2 angeordnet sind. Die Kalibrierstifte sind an dem der Laserstrahlebene 2 zugewandten freien Ende 12 kugelförmig ausge- bildet. Dadurch wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 7 sichergestellt, daß beim Eintauchen des freien Endes 12 der Kalibrierstifte in die Laserstrahlebene 2 ein Teil der Laserstrahlen von dem kugelförmigen freien Ende 12 der Kalibrierstifte reflektiert wird. Dadurch wird in einfacher Art und Weise an jedem freien Ende 12 eines Kalibriermittels 11 ein Kalibrierbereich in der Art einer punktformigen Lichtquelle geschaffen, wobei die von dem freien Ende 12 reflektierten Strahlen der Laserebene 2 zusammen mit der Laserlinie 3 aufgenommen werden und in der Aufnahme anschließend als leicht erkennbare punktförmige Kalibrierflächen oder -bereiche erkennbar sind. Die Kalibrierbereiche und die projizierte Laserlinie 3 liegen bei dieser Ausführungsform der Erfindung in der gleichen geometrischen Ebene. Die Laserlinie 3' und die von den reflektierten Laserstrahlen erzeugten punktformigen Kalibrierflächen in der Aufnahme weisen in etwa dieselben Helligkeitswerte und/oder Kontrastwerte auf, so daß eine Erkennung leicht möglich ist.
Die senkrechte Anordnung der Kalibrierstifte auf dem Träger 10 stellt dabei sicher, daß alle freien Enden 12 gleichzeitig in die Laserstrahlebene 2 eintauchen können. Dabei tangieren die freien Enden 12 gerade die Laserstrahlebene 2, wobei es bei entsprechender Ausbildung der Kalibriermittel 11 auch mög- lieh ist, daß die Kalibriermittel 11 die Laserstrahlebene 2 zumindest bereichsweise schneiden. Wie bereits zuvor erläutert, sind die Kalibriermittel 11 derart angeordnet, daß zumindest vier freie Enden in die Laserstrahlebene 2 eintauchen, wobei höchstens zwei freie Enden 12 auf einer gemeinsamen Geraden liegen. Aus der Fig. 3 ist weiter zu ersehen, daß die Kalibriermittel 11 in re- gelmäßigen Abständen auf dem Träger 10 angeordnet sind, was die Ermittlung der Referenzkoordinaten der freien Enden 12 der Kalibriermittel 11 bzw. der Kalibrierbereiche erleichtert.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung eine Klemmein- richtung 13 auf, mit der die Meßvorrichtung 7 an eine nicht im einzelnen dargestellte Winkelmeßeinrichtung, wie beispielsweise eine Wasserwaage, ange- klemmt werden kann, wobei durch die Winkelmeßeinrichtung die vorzugsweise rechtwinklige Anordnung der Meßvorrichtung 7 auf der Oberfläche 4 der Schiene 8 eingestellt werden kann bzw. vorgegeben ist. Der Einfachheit halber handelt es sich bei der Wirikelmeßeinrichtung um ein Spurweiten- Meßgerät, mit dem die Meßvorrichtung 7 über die Klemmeinrichtung 13 verbunden wird.
Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 7 sind zwei Lasereinrichtungen 1 dargestellt, bei de- nen es sich beispielsweise um Linienlaserprojektoren handeln kann. Grundsätzlich können auch mehr als zwei Lasereinrichtungen vorgesehen sein. Die Lasereinrichtungen 1 sind derart zueinander angeordnet, daß im Meßzustand der Meßvorrichtung 7 die von den Lasereinrichtungen 1 erzeugten Laserstrahlebenen 2 in derselben geometrischen Ebene liegen und sich bereichswei- se schneiden. Werden mehrere Lasereinrichtung 1 eingesetzt, ist es möglich, daß jeder Laserstrahlebene 2 eine Mehrzahl von Kalibriermitteln 11 zugeordnet ist und/oder das ein Kalibriermittel 11 mehrere Laserstrahlebenen 2 schneidend oder tangierend angeordnet ist.
Nicht im einzelnen dargestellt ist, daß die Meßvorrichtung 7 mit einer Rechnereinrichtung verbunden sein kann, die zur Auswertung der Aufnahmen vorgesehen wird. Dabei wird die aufgenommene Laserlinie 3', die die Oberflächenkontur bzw. das Höhenprofil der Schiene 8 quer zur Längsachse der Schiene 8 in gezerrten Koordinaten abbildet, in einem Koordinatensystem punktweise erfaßt und mit einer aus den Referenzkoordinaten der Kalibrierbereiche und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme ermittelten Transformationsmatrix bzw. -berechnungsvorschrift entzerrt. Die Entzerrung kann nach den Gesetzmäßigkeiten der projektiven Geometrie stattfinden.
Für den Fall, daß in einer Aufnahme nicht die gesamte Kontur der Oberfläche 4 sichtbar ist, können von der Oberfläche 4 mehrere Aufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven gemacht werden. Die entzerrten Koordinaten der Konturenlinien können dann überlagert werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche, vorzugsweise zur Vermessung von Schienenprofilen, wobei zumindest eine von einer Laserstrahlebene (2) auf die Oberfläche (4) projizierte Laserlinie (3) mit einer Aufhahmeeinrichtung (5) zumindest bereichsweise aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Kalibrierbereichen vorgesehen wird, wobei die Kalibrierbereiche in wenigstens einer gemeinsamen Kalibrierebene angeordnet sind und wobei die Kalibrierebene die zu vermessende Oberfläche (4) unter einem Winkel schneidet, daß Referenzkoordinaten der Kalibrierbereiche in der Kalibrierebene bestimmt werden, - daß die Kalibrierbereiche und die Laserlinie (3) in wenigstens einer Aufnahme gemeinsam aufgenommen werden, daß die Koordinaten der Kalibrierbereiche und die Koordinaten der Laserlinie (3 ') in der Aufnahme ermittelt werden, daß aus den Referenzkoordinaten und den Koordinaten der Kalibrierbe- reiche in der Aufnahme eine Transformationsmatrix berechnet wird und daß mit der Transformationsmatrix die Koordinaten der Laserlinie (3 ') in der Aufnahme entzerrt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrier- ebene in die Laserstrahlebene (2) gelegt wird oder daß der Schnittwinkel und/oder der Abstand zwischen der Laserstrahlebene (2) und der Kalibrierebene bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenig- stens vier Kalibrierbereiche vorgesehen werden, wobei, vorzugsweise, höchstens zwei Kalibrierbereiche auf einer gemeinsamen Geraden liegend angeordnet werden.
4. Verfahren zur automatischen Entzerrung von Koordinaten von Bildpunk- ten in einer digitalen Aufnahme, insbesondere zur Entzerrung von Laserlinienpunkten bei der berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberflä- che (4), vorzugsweise bei der berührungslosen Vermessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bildpunkte gemeinsam mit Kalibrierbereichen mit bekannten Referenzkoordinaten aufgenommen werden, wobei die Koordinaten der Kalibrierbereiche und der Bildpunkte in der Aufnahme vorzugsweise automatisch bestimmt werden, wobei eine Transformationsmatrix aus den Referenzkoordinaten und den Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme vorzugsweise automatisch berechnet wird und wobei die Entzerrung der Koordinaten der Bildpunkte in der Aufnahme automatisch auf Grundlage der Transformationsmatrix erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierbereiche und/oder die Bildpunkte in der Aufnahme automatisch, vorzugsweise anhand von Kontrastwerten und/oder Helligkeitswerten, erkannt und/oder markiert und/oder angezeigt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwellenwert für den Kontrast und/oder die Helligkeit, bei dessen Über- oder Unterschreiten eine Kalibrierfläche und/oder ein Bildpunkt in der Aufnahme erkannt wird, automatisch verändert wird, vorzugsweise in Abhän- gigkeit von Kontrastwerten und/oder Helligkeitswerten der Aufnahme.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme und/oder die Koordinaten der Kalibrierbereiche in der Aufnahme und/oder die Koordinaten der Bildpunkte in der Aufnahme und/oder die Referenzkoordinaten und/oder die Transformationsmatrix gemeinsam gespeichert werden und daß, vorzugsweise, die Entzerrung der Bildpunkte in der Aufnahme bedarfsweise erfolgt.
8. Meßvorrichtung (7) zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche (4), vorzugsweise zur Vermessung von Schienenprofilen, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einer eine Laserstrahlebene (2) erzeugenden Lasereinrichtung (1), wobei die Lasereinrichtung (1) derart angeordnet ist, daß im Meßzustand der Meßvorrichtung (7) eine Laserlinie (3) auf die zu vermes- sende Oberfläche (4) projizierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kalibiereinrichtung (9) mit einem Träger (10) für eine Mehrzahl von Kalibriermitteln (11) vorgesehen ist, daß jedes Kalibriermittel (11) einen Kalibrierbereich aufweist und daß die Kalibriermittel (11) derart auf dem Träger (10) angeordnet sind, daß die Kalibrierbereiche in einer Kalibrierebene angeordnet sind und die Kalibrierebene im Meßzustand der Meßvorrichtung (7) die Oberfläche (4) unter einem Winkel schneidet, so daß die Kalibrierbereiche gemeinsam mit der Laserlinie (3) in einer Aufnahme aufhehmbar sind.
9. Meß Vorrichtung (7) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) parallel zur Laserstrahlebene (2) angeordnet ist und daß, vorzugs- weise, die Lasereinrichtung (1) fest mit dem Träger (10) verbunden ist.
10. Meßvorrichtung (7) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) als Kalibriermittel Kalibrierstifte aufweist und daß, vorzugsweise, die Kalibrierstifte senkrecht zur Laserstrahlebene (2) an- geordnet sind.
11. Meßvorrichtung (7) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierstifte an dem der Laserstrahlebene (2) zugewandten freien Ende (12) kugelförmig und/oder reflektierend ausgebildet sind, wobei die Kalibrierstifte mit ihrem freien Ende (12) die Laserstrahlebene (2) schneidend und/oder die Laserstrahlebene (2) tangierend angeordnet sind.
12. System zur berührungslosen Vermessung einer Kontur einer Oberfläche (4), vorzugsweise zur Vermessung von Schienenprofilen, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, mit wenigstens einer Meßvorrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, mit einer Auf ahmeeinrichtung (5), vorzugsweise einer Fotokamera und/oder einer Videokamera, und mit einer Rechnereinrichtung.
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