DE19747061A1 - Verfahren und Einrichtung zur flächenhaften, dreidimensionalen, optischen Vermessung von Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtung zur flächenhaften, dreidimensionalen, optischen Vermessung von Objekten. Es gibt mittlerweile eine Reihe von optischen Meßverfahren, die durch Projektion von Streifenmustern, welche in der Regel mit einer Videokamera aufgezeichnet werden, die flächenhafte Berechnung von dreidimensionalen Konturdaten ermöglichen. Zur Berechnung der dreidimensionalen Gestalt eines Objektes wird hierbei ein digitales Bildverarbeitungssystem verwendet, das aus einem oder meh­ reren Kamerabildern die gewünschten Ergebnisdaten berechnet. Die bekanntesten Ver­ fahren sind das Verfahren des codierten Lichtansatzes. (T.G. Stahs, F.M. Wahl, "Close Range Photogrammetry Meets Machine Vision", SPIE Vol. 1395 (1990) S. 496-503) und ein mittels Phasenshift und rotierendem Liniengitter arbeitendes Projektionsverfahren (Patentschrift US 5289264).

Die Berechnung der Oberflächenpunkte erfolgt bei diesen Verfahren durch Berechnung des Schnittpunktes der Lichtschnittebenen mit Beobachtungsstrahlen, da die Verschnei­ dung einer Ebene mit einer hierzu nicht parallelen Geraden einen Punkt ergibt. Durch Abbildungsfehler des Projektorobjektivs sind die Lichtschnittebenen mehr oder weniger stark gekrümmt. Geometrische Fehler der Lichtschnittebenen, d. h. Abweichun­ gen der realen Lichtschnittebenen von mathematisch exakten Ebenen, werden bisher ent­ weder als systematische Fehler in Kauf genommen oder durch eine Kalibrierung derart kompensiert, daß die theoretischen bzw. rechnerischen Ergebnisse durch Vergleich mit Istkoordinaten korrigiert werden. Hierbei wird ein Kalibrierkörper durch das Meßvolu­ men geschoben und in bestimmten Abständen vermessen. Zwischen den Meßpositionen des Kalibrierkörpers bzw. den Kalibriermarken werden die Korrekturwerte durch Inter­ polation berechnet.

Der in Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß die tatsächliche Geometrie der Lichtschnittebenen nicht bestimmbar ist, weil innerhalb einer Lichtschnittebene nicht zwischen einzelnen Teilflächen unterschieden werden kann.

Durch den mit der Kamera aufgezeichneten Lichtcode wird nämlich, unabhängig von der verwendeten Codierung, lediglich die Lichtschnittebene als solche identifiziert. Es müs­ sen folglich bezüglich der Lichtschnittebene Annahmen gemacht werden, nämlich daß es sich um exakte Ebenen handelt und diese senkrecht auf der durch die optischen Achsen von Projektor und Kamera aufgespannten Triangulationsebene stehen.

Bei der Verwendung von Lichtschnittebenen kann außerhalb des kalibrierten Meßvolu­ mens keine exakte Triangulation mehr durchgeführt werden, weil die Korrekturdaten aufgrund fehlender Kalibriermessungen nicht berechnet werden können.

Werden Objektive mit kurzen Brennweiten verwendet, so sind die hierdurch verursach­ ten geometrischen Verzerrungen der Lichtschnittebenen so komplex, daß häufig die In­ terpolation über längere Strecken zwischen den Stützpunkten der Kalibrierung nicht mehr ausreicht, um die Fehler exakt genug zu beschreiben bzw. zu kompensieren. Es muß dann der Kalibrierkörper in engen Abständen durch das Meßvolumen geschoben und vermessen werden. Der rechnerische und zeitliche Aufwand für die Systemkalibrie­ rung ist hierbei erheblich.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zur dreidimensio­ nalen, optischen Vermessung von Objekten mittels projizierter Liniengitter und einer Kamera anzugeben, die eine exakte Bestimmung der vorliegenden projektionsseitigen Strahlengeometrie ermöglichen und somit Annahmen über die Ebenheit und die Ausrich­ tung der Lichtschnittebenen erübrigen.

Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 aufgeführte Verfahren und die in An­ spruch 7 angegebene Einrichtung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jewei­ ligen Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß werden zwei Liniengittersequenzen projiziert und aufgenommen, de­ ren Gitterlinien in Projektionsrichtung gegeneinander verdreht sind. Erfindungsgemäß unterteilen die Lichtschnittebenen der einen Liniengittersequenz die Lichtschnittebenen der anderen Liniengittersequenz in eine große Anzahl eindeutig unterscheidbarer Pro­ jektionsstrahlen, welche von ortsfesten Punkten des diese Lichtschnittebenen erzeugen­ den Projektionsgitters ausgehen. Die erzeugten Projektionsstrahlen sind also die Schnitt­ linien von jeweils zwei Lichtschnittebenen.

Man erhält so eine Matrix aus n × m eindeutig identifizierbaren Projektionsstrahlen, wo­ bei n die Anzahl der mit der einen Liniengittersequenz erzeugten Lichtschnittebenen und m die Anzahl der mit der anderen Liniengittersequenz erzeugten Lichtschnittebenen ist. Zur eindeutigen Codierung der Projektionsstrahlen kombiniert man vorteilhafterweise die aus beiden Liniengittersequenzen erzeugten Lichtcodes zu 2-Tupeln oder hängt die Stellen der beiden Codewörter zu einem neuen, längeren Codewort aneinander. Damit das erzeugte Bündel von Projektionsstrahlen für eine Triangulation, d. h. Berechnung von dreidimensionalen Punktkoordinaten verwendet werden kann, wird erfindungsgemäß jedem Projektionsstrahl durch eine Kalibrierung ein Ortsvektor und ein Richtungsvektor zugewiesen. Erfindungsgemäß wird die Triangulation durch Berechnung des Schnitt­ punktes des durch die Position des betrachteten Bildpunktes auf dem Bildsensor festge­ legten Beobachtungsstrahls mit dem durch den eindeutigen Code an diesem Bildpunkt indentifizierten Projektionsstrahl durchgeführt.

Die Unterscheidbarkeit einzelner Projektionsstrahlen innerhalb des Projektionskegels vereinfacht Kalibrierung und Triangulation gegenüber der Verwendung von Lichtschnitt­ ebenen ganz erheblich, da nun lediglich eine geradlinige Ausbreitung der Projektions­ strahlen außerhalb des Projektorobjektivs vorausgesetzt werden muß. Diese ist unab­ hängig von den optischen Qualitäten des Projektionsgitters und der Abbildungsoptik immer gegeben, da die Projektionsstrahlen von ortsfesten Punkten des Projektionsgitters ausgehen und sich damit, unabhängig von den geometrischen Fehlern der Lichtschnitt­ ebenen, innerhalb des Projektionskegels exakt geradlinig ausbreiten. Vorteilhafterweise werden die Linien der einen Liniengittersequenz senkrecht und die Linien der anderen Liniengittersequenz waagerecht zu der von den optischen Achsen von Projektor und Kamera aufgespannten Triangulationsebene ausgerichtet. Hierdurch wird die größtmögliche Auflösung bzw. Meßempfindlichkeit erzielt.

Als Liniengittersequenz wird vorteilhafterweise eine solche Folge von Linienmustern verwendet, die den Projektionskegel in eine möglichst hohe Anzahl eindeutig unter­ scheidbarer Sektoren bzw. Lichtschnittebenen unterteilt. Hierzu kann beispielsweise die Liniengittersequenz nach dem Verfahren des Codierten Lichtansatzes verwendet werden oder ein Phasenshiftverfahren, bei dem durch Projektion von sinusförmigen Streifenmu­ stern unterschiedlicher Wellenlänge absolute Phasenwinkel berechnet werden können. Eine weitere Alternative bieten ferner die in der Patentanmeldung AZ 197 38 179.0-52 offengelegten Verfahren.

Es ist somit ein Verfahren geschaffen, das nicht mehr auf Lichtschnittebenen aufsetzt, sondern auf einem Bündel eindeutig unterscheidbarer Projektionsstrahlen. Die Annahme über das Vorliegen ebener Lichtschnittebenen entfällt also.

Die Abbildungsfehler des Projektorobjektivs können praktisch beliebig groß sein, da nun lediglich eine geradlinige Ausbreitung der Projektionsstrahlen außerhalb des Projektor­ objektivs vorausgesetzt wird. Die Verwendung kurzbrennweitiger Objektive ist damit möglich, ohne daß darunter die Genauigkeit des Meßsystems leidet. Hierdurch läßt sich in vielen Anwendungsfällen, z. B. bei der Vermessung großer Objekte, der Meßabstand erheblich verkürzen. Ferner muß das Projektionsgitter weder sehr genau gefertigt sein noch exakt auf die Triangulationsebene ausgerichtet werden. Dadurch lassen sich Kosten einsparen.

Die aufwendige Kalibrierung, bei der der Kalibrierkörper in engen Abständen innerhalb des Meßvolumens zur Bestimmung der Korrekturwerte vermessen werden muß, entfällt. Die Kalibrierung der Projektionsstrahlen ist auch außerhalb der Meßpositionen des Kali­ brierkörpers uneingeschränkt gültig.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die Gesamtdarstellung eines System zur optischen Vermessung von Objekten mittels Projektion zweier gekreuzter Liniengittersequenzen

Fig. 2 die Darstellung des Triangulationsvorganges durch Erzeugung von Projektions­ strahlen mittels Verschneidung von Lichtschnittebenen

Fig. 3 die Darstellung der Kalibrierung der Projektionseinrichtung bzw. der Projektions­ strahlen.

Die Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Einrichtung zur opti­ schen Vermessung von Objekten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Einrichtung zur optischen Vermessung eines Objektes 4 enthält eine Projektionseinrich­ tung, bestehend aus Lichtquelle 1, Projektionsgitter 2 und Optik 8, mit der vertikale Li­ nienmuster 3' und horizontale Linienmuster 3'' auf dem zu vermessenden Objekt 4 er­ zeugt werden. Mittels einer Optik 9 wird eine Abb. 5 der auf das Objekt projizier­ ten Linienmuster 3' und 3'' auf einem Bildsensor 6 erzeugt. Optik 9 und Bildsensor 6 können Bestandteile einer Kamera bzw. Videokamera sein. Mittels eines Bildverarbei­ tungssystems 7 wird aus der Abbildung des projizierten Linienmusters 3' und 3'' die Oberflächenkontur des zu vermessenden Objekts 4 berechnet. Das Bildverarbeitungs­ system 7 kann aus einem Mikrocomputer mit eingebauter Bildeinzugskarte (Framegrabber) bestehen. Mittels des Projektionsgitters 2 werden die zwei Liniengittersequenzen 2' und 2'' nach­ einander erzeugt und auf das Objekt 4 projiziert. Die dargestellten Gittersequenzen ent­ sprechen in der gezeigten Ausführung denen des CLA-Verfahrens, wobei die Liniengit­ tersequenz 2'' gegenüber der Liniengittersequenz 2' um 90° gedreht ist. Die einzelnen Liniengitter der Liniengittersequenzen 2' und 2'' sind in ihrer zeitlichen Abfolge entlang der Zeitachse t dargestellt. Sie werden zweckmäßigerweise mit nur einem Projektions­ gitter, z. B. der Punktematrix eines LCD-Panels erzeugt. Alle projizierten Liniengitter werden mit dem Bildsensors 6 aufgenommen und dem Bildverarbeitungssystem 7 zur Weiterverarbeitung zugeführt. Das Bildverarbeitungssystem berechnet aus den Bilddaten über eine Triangulationsrechnung die dreidimensionale Gestalt des Objektes 4.

Die Erzeugung von Projektionsstrahlen durch Verschneidung von Lichtschnittebenen ist in Fig. 2 dargestellt. Sind beide Liniengittersequenzen projiziert, so identifiziert die eine Liniengittersequenz die Lichtschnittebene E' und die andere Liniengittersequenz die Lichtschnittebene E''. Die vertikale Lichtschnittebene E' geht dabei von der vertikalen Linie L' des Projektionsgitters 2 aus, die horizontale Lichtschnittebene E'' von der hori­ zontalen Linie L''. Die Verschneidung der beiden Lichtschnittebenen E' und E'' ergibt den Projektionsstrahl p mit Richtungsvektor der, ausgehend vom Schnittpunkt G der Gitterlinie L' mit Git­ terlinie L'', am Punkt O des Objektes 4 auftrifft. Der Punkt O wird entlang des Beob­ achtungsstrahls b mit Richtungsvektor der Bildkoordinate auf dem Bildsensor 6 abgebildet. Die Raumkoordinate des Punktes O ergibt sich also als Schnittpunkt des Projektionsstrahls p mit Beobachtungsstrahl b.

Für die Kalibrierung der Kamera sind zahlreiche Verfahren bekannt. Sie muß deshalb hier nicht weiter erläutert werden. Die Kalibrierung der Projektionseinrichtung mit Un­ terscheidung einzelner Projektionsstrahlen ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei wird eine Kalibrierplatte 10 mit Kalibriermarken entlang des Vektors verschoben. Die Abbil­ dung zeigt exemplarisch die Kalibrierung des vom Punkt des Projektionsgitters 2 aus­ gehenden Projektionsstrahls p. Der Durchstoßpunkt des Projektionsstrahls p durch die Kalibrierplatte 10 liefert den Ortsvektor des Projektionsstrahles p, die Richtung des Projektionsstrahles p ergibt sich als die Summe der Vektoren und ( = + ). Die Verschiebung des Durchstoßpunktes von Projektionsstrahl p und Kalibrierplatte 10 kann auf dem Bildsensor 6 als Verschiebung beobachtet werden. Zur Verschie­ bung der Kalibrierplatte wird zweckmäßigerweise ein präzis arbeitender Linearversteller verwendet, so daß mit großer Genauigkeit bekannt ist. Besteht der Bildsensor aus einer diskreten Anzahl von Bildpunkten, so wird die Verschiebung u. U. keinem ganzzahligen Vielfachen des Bildpunktabstandes entsprechen. Der genaue Durchstoß­ punkt des Beobachtungsstrahls durch den Bildsensor wird dann zweckmäßigerweise durch Interpolation aus den ihn umgebenden Bildpunkten berechnet.

Claims (13)

1. Verfahren zur flächenhaften, dreidimensionalen, optischen Vermessung von Objekten, bei dem mittels eines Projektors Lichtmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert, Abbildungen von den auf das zu vermessende Objekt projizierten Lichtmustern auf dem Bildsensor einer Kamera erzeugt, und aus den erzeugten Abbildungen über Entschlüsse­ lung des Lichtcodes und die Position der Bildpunkte auf dem Bildsensor der Kamera eine Triangulationsrechnung zur Berechnung der Oberflächenkontur des Objektes durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei in Projektionsrichtung gegeneinander verdrehte Liniengittersequenzen zur Er­ zeugung eindeutig unterscheidbarer Lichtschnittebenen projiziert und mit der Kamera aufgenommen werden, wobei die mit einer Liniengittersequenz erzeugten Lichtschnitt­ ebenen dazu verwendet werden, um die mit der anderen Liniengittersequenz erzeugten Lichtschnittebenen in einzelne, eindeutig unterscheidbare und von ortsfesten Punkten des diese Lichtschnittebenen erzeugenden Projektionsgitters ausgehende Projektions­ strahlen aufzuteilen,
daß jedem Projektionsstrahl durch Kombination der aus den beiden Liniengittersequen­ zen erzeugten eindeutigen Codierungen der Lichtschnittebenen eine eindeutige Codie­ rung zugewiesen wird,
daß für jeden Projektionsstrahl innerhalb des dem zu vermessenden Objektes zugewand­ ten Projektionskegels durch eine Kalibrierung unmittelbar oder mittelbar ein Ortsvektor und ein Richtungsvektor bestimmt werden,
daß die Triangulation für alle auszuwertenden Bildpunkte des Bildsensors jeweils durch Berechnung des Schnittpunktes des durch die Position des Bildpunktes auf dem Bildsensor festgelegten Beobachtungsstrahls mit dem durch die eindeutige Codierung an diesem Bildpunkt identifizierten Projektionsstrahl durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien der einen Liniengittersequenz senkrecht und die Linien der anderen Li­ niengittersequenz waagerecht zu der durch die optischen Achsen von Projektor und Ka­ mera aufgespannten Triangulationsebene ausgerichtet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kalibrierung der Projektionsstrahlen ein Kalibrierkörper geradlinig verschoben wird und Ort und Richtung der Projektionsstrahlen aus den Schnittpunkten der Pro­ jektionsstrahlen mit dem Kalibrierkörper bzw. aus der Verschiebung des Kalibrierkör­ pers und aus den hierdurch erzeugten Lageänderungen der Schnittpunkte der Pro­ jektionsstrahlen mit dem Kalibrierkörper berechnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Liniengittersequenz eine solche verwendet wird, die einer der in der Patentan­ meldung AZ 197 38 179.0752 offengelegten Verfahren zur Ermittlung absoluter, nicht 2π modulierter Phasenwinkel entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Liniengittersequenz die des Codierten Lichtansatzes verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Liniengittersequenz die eines Phasenshiftverfahrens zur Berechnung absoluter, nicht 2π modulierter Phasenwinkel verwendet wird.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Projektionseinrichtung bestehend aus Lichtquelle (1), Projektionsgitter (2) und Optik (8) zur Erzeugung von Linienmustern auf dem zu vermessenden Objekt (4), einer Optik (9) zur Erzeugung von Abbildungen (5) der auf das Objekt projizierten Linienmu­ ster auf einem Bildsensor (6), und einem Bildverarbeitungssystem (7) zur Berechnung der Oberflächenkontur aus den erzeugten Abbildungen (5), dadurch gekennzeichnet, daß ein Projektionsgitter (2) zwei in Projektionsrichtung gegeneinander verdrehte Li­ niengittersequenzen (2') und (2'') erzeugt, wobei die mit einer Liniengittersequenz (2'') erzeugten Lichtschnittebenen die mit der anderen Liniengittersequenz (2') erzeugten Lichtschnittebenen in einzelne, eindeutig unterscheidbare und von ortsfesten Punkten des Projektionsgitters (2) ausgehende Projektionsstrahlen aufteilen.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Punktematrix ausgebildetes Projektionsgitter die beiden Liniengittersequen­ zen (2') und (2'') erzeugt, wobei die Linien der einen Liniengittersequenz durch die Zei­ len der Punktematrix gebildet werden und die Linien der anderen Liniengittersequenz durch die Spalten der Punktematrix gebildet werden.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktematrix aus einem LCD-Panel besteht.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktematrix aus einem Mikro-Spiegel-Modulator (MMD = micro mirror device) besteht.

11. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionsgitter (2) aus zwei auf der optischen Achse der Optik (8) unmittelbar hintereinander angeordneten Liniengittern besteht.

12. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Gitterebene drehbares Liniengitter die beiden Liniengittersequenzen er­ zeugt.

13. Einrichtung nach Anspruch 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kalibrierung der Projektionsstrahlen eine Verschiebevorrichtung einen Kali­ brierkörper (10) geradlinig verschiebt, ein Bildsensor (6) die Schnittpunkte der Projek­ tionsstrahlen mit dem Kalibrierkörper (10) und die durch die Verschiebung des Kali­ brierkörpers (10) erzeugten Lageänderungen der Schnittpunkte der Projektionsstrahlen mit dem Kalibrierkörper (10) beobachtet und ein an den Bildsensor (6) angeschlossenes Bildverarbeitungssystem daraus Ort und Richtung der Projektionsstrahlen berechnet (Fig. 3).