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Title:
METHOD AND APPARATUS FOR RECONSTRUCTING SURFACES BY PROJECTING CODED LINE PATTERN SEQUENCES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/150527
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an apparatus and a method for reconstructing a surface of an object (O) by means of structured illumination, in particular with laser light, by means of the following steps: - using at least one projector device (1) to project an overall measurement pattern having measuring elements onto the surface of the object; - using at least one recording device (3) to record the overall measurement pattern on the surface of the object; - using a computer device (5) to calculate, in particular triangulate, for the purpose of reconstructing the surface of the object from a particular distortion of the overall measurement pattern. The invention is distinguished by the fact that the overall measurement pattern (GM) has a sequence of measurement lines (L) as measuring elements; all possible positions of measurement lines (L) in sections which are spatially repeated along the sequence and are referred to as windows (F) are contained in the overall measurement pattern (GM), wherein a particular combination of measurement lines (L) which have been generated and/or have not been generated in the overall measurement pattern (GM) codes the particular location in the overall measurement pattern (GM) in the windows (F).

Inventors:
WISSMANN PATRICK (DE)
Application Number:
PCT/EP2015/075717
Publication Date:
September 29, 2016
Filing Date:
November 04, 2015
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
G01B11/25
Domestic Patent References:
WO2004010076A12004-01-29
WO2004001332A12003-12-31
WO2015014652A12015-02-05
Foreign References:
EP2259013A12010-12-08
DE102006037778A12008-02-14
EP1519141A22005-03-30
Other References:
LI ZHANG ET AL: "Rapid shape acquisition using color structured light and multi-pass dynamic programming", 3D DATA PROCESSING VISUALIZATION AND TRANSMISSION, 2002. PROCEEDINGS. FIRST INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON JUNE 19-21, 2002, PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, LOS ALAMITOS, CA, USA, 19 June 2002 (2002-06-19), pages 24 - 36, XP010596631, ISBN: 978-0-7695-1521-2
SALVI J ET AL: "Pattern codification strategies in structured light systems", PATTERN RECOGNITION, ELSEVIER, GB, vol. 37, no. 4, 1 April 2004 (2004-04-01), pages 827 - 849, XP004491495, ISSN: 0031-3203, DOI: 10.1016/J.PATCOG.2003.10.002
HJ CHEN, J ZHANG, DJ LV, J FANG: "3-D shape measurement by composite pattern projection and hybrid processing", OPTICS EXPRESS, vol. 15, no. 19, 17 September 2007 (2007-09-17), pages 12318 - 12330, XP002753618, DOI: 10.1364/OE.15.012318
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objektes (0) mittels einer strukturierten Beleuchtung, insbesonde- re mit Laserlicht, mittels folgender Schritte:

mittels mindestens einer Projektoreinrichtung (1) ausgeführtes Projizieren eines Messelemente aufweisenden Gesamt¬ messmusters auf die Oberfläche des Objekts;

mittels mindestens einer Erfassungseinrichtung (3) aus- geführtes Erfassen des Gesamtmessmusters auf der Oberfläche des Objekts;

mittels einer Rechnereinrichtung (5) ausgeführtes Be¬ rechnen, insbesondere Triangulieren, zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters,

dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtmessmuster (GM) als Messelemente eine Reihenfolge von Messlinien (L) aufweist; in dem Gesamtmessmuster (GM) alle möglichen Positionen von Messlinien (L) in sich entlang der Reihenfolge räumlich wie- derholenden als Fenster (F) bezeichneten Abschnitten enthalten sind, wobei in den Fenstern (F) eine jeweilige Kombinati¬ on von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien (L) im Gesamtmessmuster (GM) den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster (GM) kodiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Projektoreinrichtung (1) eine Vielzahl von Messmustern (P, Sl, S2) auf die Oberfläche des Objekts projiziert, wobei die Messmuster (P, Sl, S2) überlagert das Gesamtmessmuster (GM) ausbilden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) zum Unterscheiden von Messmustern (P, Sl, S2) diese in einer zeitlichen Abfolge proji- ziert.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) zum Unterscheiden von Mess- mustern (P, Sl, S2), diese mit zueinander unterschiedlichen Lichtwellenlängen und insbesondere gleichzeitig projiziert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) das Gesamtmess¬ muster als eine Aneinanderreihung zueinander beabstandeter und zueinander parallel angeordneter Messlinien (L) , insbesondere gleicher Breite und/oder Intensität, erzeugt. 6. Verfahren nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) in mindestens ei¬ nem als Primärmessmuster (P) bezeichneten Messmuster, insbesondere in den Fenstern (F) , immer alle Messlinien (L) erzeugt .

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) drei Messmuster (P, Sl, S2) erzeugt, wobei in jedem Fenster (F) in einem der Messmuster (P) des Gesamtmessmusters (GM) immer eine Messlinie (L) erzeugt ist und in den beiden ande¬ ren Messmustern (Sl, S2) jeweils maximal eine Messlinie (L) erzeugt ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) innerhalb der Vielzahl an Fenstern (F) jeweils lediglich Kodierungen mit einer Mindestanzahl von erzeugten Messlinien (L) ausbildet . 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass

die Projektoreinrichtung (1) in einem Fenster (F) eine Position als ein Wort (W) projiziert, das aus einer Reihenfolge von Symbolen besteht, die mittels einer jeweiligen Kombinati- on von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien (L) geschaffen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) in der Gesamtheit aller benachbarten Fenster (F) eine Symbolsequenz entlang der Reihenfolge der Messlinien (L) erzeugt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) ein Wort (W) innerhalb einer Symbolsequenz oder eines Gesamtmessmusters (GM) lediglich so oft erzeugt, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geometri- scher Rahmenbedingungen zwischen Erfassungseinrichtung (3) und Projektoreinrichtung (1), insbesondere mittels

Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich- net, dass die Projektoreinrichtung (l)die Symbolsequenz bei einer Hamming-Distanz (h) von mindestens zwei ein beliebiges Wort (Wl) von einem anderen beliebigen Wort (W2) an mindestens zwei Stellen unterschiedliche Symbole aufweisend er¬ zeugt .

13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbolsequenz mit einer Hamming-Distanz (h) derart erzeugt, dass ein jewei¬ liges Wort (W) bei einer Symbollänge kleiner oder gleich 4, eindeutig ist.

14. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbolsequenz mit einer Hamming-Distanz (h) und einer Größe der Fenster (F) derart oft aneinander reiht, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geometrischer Rahmenbedingungen zwischen Erfassungseinrichtung (3) und Projektoreinrichtung (1), insbesondere mittels Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist. 15. Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbol¬ sequenz derart erzeugt, dass das Auftreten von Messlinien (L) achsen- oder punktsymmetrisch ist.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) zur Erhöhung einer Messelementdichte mittels rotatorisch oder translatorisch aktuierter Komponenten, insbesondere eines Scanspiegels (SM) , eine zeitlich variierenden Verschiebung jeweiliger Messmuster (P, Sl, S2) zueinander ausführt.

17. Vorrichtung zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Ob- jektes (0) mittels einer strukturierten Beleuchtung, insbesondere mit Laserlicht, aufweisend:

mindestens eine Projektoreinrichtung (1) zum, insbesondere diffraktiven, Projizieren eines Messelemente aufweisenden Gesamtmessmusters (GM) auf die Oberfläche des Objekts; - mindestens eine Erfassungseinrichtung (3) zum Erfassen des Gesamtmessmusters auf der Oberfläche des Objekts;

eine Rechnereinrichtung (5) zum Berechnen, insbesondere Triangulieren, zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters (GM), dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtmessmuster (GM) als Messelemente eine Reihenfolge von Messlinien (L) aufweist; in dem Gesamtmessmuster (GM) alle möglichen Positionen von Messlinien (L) in sich entlang der Reihenfolge räumlich wiederholenden als Fenster (F) bezeichneten Abschnitten enthal- ten sind, wobei in den Fenstern (F) eine jeweilige Kombinati¬ on von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien (L) im Gesamtmessmuster (GM) den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster (GM) kodiert. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Projektoreinrichtung (1) eine Viel¬ zahl von Messmustern (P, Sl, S2) auf die Oberfläche des Ob¬ jekts projiziert, wobei die Messmuster (P, Sl, S2) überlagert das Gesamtmessmuster (GM) ausbilden.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) zum Unterscheiden von Mess- mustern (P, Sl, S2) diese in einer zeitlichen Abfolge projiziert .

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) zum Unterscheiden von Messmustern (P, Sl, S2), diese mit zueinander unterschiedlichen Lichtwellenlängen und insbesondere gleichzeitig proj iziert . 21. Vorrichtung nach Anspruch 17, 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) das Gesamt¬ messmuster als eine Aneinanderreihung zueinander

beabstandeter und zueinander parallel angeordneter Messlinien (L) , insbesondere gleicher Breite und/oder Intensität, er- zeugt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 18, 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) in mindestens einem als Primärmessmuster (P) bezeichneten Messmuster, ins- besondere in den Fenstern (F) , immer alle Messlinien (L) erzeugt .

23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) drei Messmuster (P, Sl, S2) erzeugt, wobei in jedem Fens¬ ter (F) in einem der Messmuster (P) des Gesamtmessmusters (GM) immer eine Messlinie (L) erzeugt ist und in den beiden anderen Messmustern (Sl, S2) jeweils maximal eine Messlinie (L) erzeugt ist.

24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) innerhalb der Vielzahl an Fenstern (F) jeweils lediglich Kodierungen mit einer Mindestanzahl von erzeugten Messlinien (L) ausbildet.

25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) in einem Fenster (F) eine Position als ein Wort (W) projiziert, das aus einer Reihenfolge von Symbolen besteht, die mittels einer jeweiligen Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien (L) geschaffen werden.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) in der Gesamtheit aller benachbarten Fenster (F) eine Symbolsequenz entlang der Reihenfolge der Messlinien (L) erzeugt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) ein Wort (W) innerhalb einer Symbolsequenz oder eines Gesamtmessmusters (GM) lediglich so oft erzeugt, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geo- metrischer Rahmenbedingungen zwischen Erfassungseinrichtung (3) und Projektoreinrichtung (1), insbesondere mittels

Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 25, 26 oder 27, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) bei einer

Hamming-Distanz (h) von mindestens zwei ein beliebiges Wort (Wl) von einem anderen beliebigen Wort (W2) an mindestens zwei Stellen unterschiedliche Symbole aufweisend erzeugt. 29. Vorrichtung nach Anspruch 26, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbolsequenz mit einer Hamming-Distanz (h) derart erzeugt, dass ein jewei¬ liges Wort (W) bei einer Symbollänge kleiner oder gleich 4 eindeutig ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 26, 27, 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbolse¬ quenz mit einer Hamming-Distanz (h) und einer Größe der Fenster (F) derart oft aneinander reiht, dass das Korrespondenz- problem aufgrund geometrischer Rahmenbedingungen zwischen Erfassungseinrichtung (3) und Projektoreinrichtung (1), insbesondere mittels Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 26, 27, 28, 29 oder 30 dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) die Symbol¬ sequenz derart erzeugt, dass das Auftreten von Messlinien (L) achsen- oder punktsymmetrisch ist.

32. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) zur Erhöhung einer Messelementdichte mittels einer zeit¬ lich variierenden zueinander ausgeführten Verschiebung jewei- liger Messmuster (GM, P, Sl, S2) rotatorisch oder

translatorisch aktuierte Komponenten, insbesondere einen Scanspiegel (SM) , aufweist, so dass insbesondere Messmuster im Raum verschoben werden. 33. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) für jedes aus Messlinien (L) bestehende Messmuster (GM, P, Sl, S2) räumlich getrennt jeweils eine Lichtquelle (6), insbesondere einen Laser, sowie eine Messlinien (L) erzeugen- de Optik (7) und ein diffraktives optisches Element (DOE) oder ein Messlinien (L) erzeugendes diffraktives optisches Element (DOE) aufweist.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1), insbesondere entlang der

Messlinien (L) , eine lineare Anordnung, einer Mehrzahl von jeweils eine Lichtquelle (6) sowie eine Messlinien (L) erzeu¬ gende Optik (7) und ein diffraktives optisches Element (DOE) oder ein Messlinien (L) erzeugendes diffraktives optisches Element (DOE) aufweisender Projektoren aufweist.

35. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoreinrichtung (1) für alle aus Messlinien (L) bestehenden Messmuster (GM, P, Sl, S2) eine Lichtquelle (6), insbesondere einen Laser, sowie eine Einrichtung zum Auswechseln einer Mehrzahl von Linien erzeugenden Optiken (7) und diffraktiven optischen Ele- menten (DOE) und/oder einer Mehrzahl von Messlinien (L) erzeugenden diffraktiven optischen Elementen (DOE) aufweist.

36. Vorrichtung nach Anspruch 33, 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (n) (6) eine Temperaturrege¬ lung (en) aufweisen.

37. Vorrichtung nach Anspruch 34 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (6) jeweils eine Wellenlänge mit zueinander unterschiedlichen Wellenlängen emittieren und die Erfassungseinrichtungen (3) Farbkameras sind.

Description:
Beschreibung

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR REKONSTRUKTION VON OBERFLÄCHEN MITTELS PROJEKTION VON KODIERTEN LINIENMUSTERSEQUENZEN

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rekonstruktion einer dreidimensionalen Oberfläche eines Objektes mittels einer strukturierten Beleuchtung zur Projektion von Messmustern auf das Objekt.

In der optischen Messtechnik ist das Verfahren einer sogenannten strukturierten Beleuchtung weit verbreitet. Bei diesem Verfahren werden ein oder mehrere Messmuster auf ein Objekt projiziert und aus einem anderen Winkel von einer Kamera aufgenommen. Aus der Verzerrung des Musters kann die dreidimensionale Oberfläche des Objekts mittels einer Vielzahl von Messpunkten rekonstruiert werden.

Beim messtechnischen Verfahren nach dem Prinzip der strukturierten Beleuchtung werden ein oder mehrere Muster, die ebenso als Messmuster bezeichnet werden können. Auf ein Objekt projiziert und aus einem unterschiedlichen Sichtwinkel von einer Kamera aufgenommen. Figur 1 zeigt ein Ausführungsbei ¬ spiel einer herkömmlichen minimalen Konfiguration, bestehend aus einer Kamera als eine Erfassungseinrichtung 3 und einem Projektor als eine Projektoreinrichtung 1. Figur 1 zeigt eine herkömmliche minimale Konfiguration zur dreidimensionalen Messung mittels strukturierter Beleuchtung, bestehend aus einer Kamera und einem Projektor, die in einem Abstand einer Basis B voneinander beabstandet sind.

Der Projektor projiziert ein Linienmuster, das zur vereinfachten Darstellung lediglich aus zwei Linien besteht, wobei in der Praxis wirksam mehr Linien verwendet werden. Die Linie beziehungsweise Lichtebene el wird von einem Musterprojektor als Projektionseinrichtung 1 projiziert und erscheint als Bild einer Erfassungseinrichtung 3, insbesondere einer Kamera, als Linie el λ . Ein Sensorelement der Kamera erfasst einen Punkt pl λ der Linie el λ . Aus der Position von pl λ im Kamera ¬ bild kann eine Sichtlinie sl abgeleitet werden. Durch geomet ¬ rische Berechnung des Schnittpunktes aus Ebene el und Sicht ¬ strahl sl kann die dreidimensionale Position des Punktes pl auf der Oberfläche des Messobjekts bestimmt werden, sodass ein Messpunkt gegeben ist. Entsprechend ist dabei die korrek ¬ te Zuordnung von Projektionsebene und Sichtlinie, beispiels ¬ weise würde eine irrtümliche Zuordnung von pl λ (beziehungs ¬ weise sl) zur projizierten Linie e2 ein falsches Messergebnis erzeugen. Figur 1 zeigt eine minimale Konfiguration zur 3D- Messung mittels strukturierter Beleuchtung, und zwar mittels eines minimalen Linienmusters. Die Konfiguration besteht da ¬ bei aus einer Kamera und einem Projektor. In Figur 1 ist ein zu vermessendes Messobjekt 0 mit entsprechend codiertem Li- nienmuster und kameraseitig ein Koordinatensystem dargestellt. B bezeichnet eine Basis, die für Triangulationsbe ¬ rechnungen verwendbar ist.

Es existieren zahlreiche herkömmliche Verfahren zur Projekti- on von Messmustern sowie zahlreiche Gestaltungsvarianten der Messmuster als Messlinien.

Aufgrund der in der Praxis großen Anzahl, und zwar oft >100, optisch gleichartiger Linienprojektionen sind Methoden zur Identifikation der korrekten Linienprojektion erforderlich. Hierzu finden sich im Stand der Technik verschiedene Ansätze zur Codierung des Linienindex beziehungsweise der Identifika ¬ tion der korrekten Linie unter der Vielzahl von Linien im Projektionsmuster. Es werden Ansätze angeführt, die auf Basis optischer Merkmale eine direkte Zuordnung einer Linie oder eines Bündels benachbarter Linien ermöglichen. Ansätze, die zur eindeutigen Unterscheidung einzelner Linien ausgelegt sind, beispielsweise über einen eindeutigen Zusammenhang von Linienfarbe oder Lichtwellenlänge und Linienindex, sind in der Praxis praktisch nicht vertreten, da eine robuste Zuord ¬ nung unter typischen Messbedingungen, die insbesondere durch das Signal-Rausch-Verhältnis beeinträchtigt sind, lediglich mit vergleichsweise wenigen Linien möglich ist. Es ist jedoch in der Regel das Ziel, eine hohe Messdatendichte zu errei ¬ chen, das heißt mit der gegebenen Kameraauflösung möglichst viele Datenpunkte aus einer Messung zu gewinnen. Hierfür muss die Anzahl der decodierbaren Linien maximiert werden. Deut- lieh verbreiteter sind in der Praxis deshalb Ansätze, die zur eindeutigen Zuordnung benachbarter Linienbündel ausgelegt sind. Hier kann typischerweise die maximale Anzahl an Linien projiziert und ausgewertet werden, die aufgrund des Auflö ¬ sungsvermögens der Kamera unabhängig detektierbar sind. Bei- spiele für linienbündelbasierte Verfahren sind in [1], [2], [3] und [4] beschrieben. Die Identifikation der Linienbündel geschieht dort meist mittels verschiedener Kombinationen aus Linienfarben innerhalb solcher Bündel. In der Praxis versucht man, die minimale Anzahl der Linien zur Eindeutigkeit eines Bündels zu minimieren. Je kleiner diese Anzahl, desto kleine ¬ re Objekte können unabhängig von ihrer Umgebung im Raum aufgelöst werden.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Unterklasse von Verfahren, bei denen die Muster mittels Lichtbeugung, das heißt diffraktiv, projiziert werden. Diese Methoden sind be ¬ sonderes lichteffizient.

Im Gegensatz zu abbildenden, und zwar refraktiv projizieren- den Verfahren wird zur Erzeugung der Muster nahezu kein Licht absorbiert. Hierdurch kann in der Praxis die zur Ausleuchtung einer Messfläche erforderliche Lichtleistung um bis zu mehre ¬ re Größenordnungen reduziert werden. Dies geht jedoch einher mit Einschränkungen bei der Ausgestaltung der Messmuster. Für eine lichteffiziente und hochauflösende diffraktive Projekti ¬ on ist die Verwendung kohärenten, quasi monochromatischen Lichts erforderlich, und zwar in der Regel Laserlicht. Auf ¬ grund dieser Beschränkung entfällt eine Verwendung unterschiedlicher Linienfarben zur Identifikation eines Streifen- bündels bei Verwendung einer einzelnen Lichtquelle. Das mono ¬ chromatische Licht hat jedoch zugleich den Vorteil, dass bei Verwendung kameraseitiger Bandpassfilter ein großer Teil des Umgebungslichts eliminiert werden kann, was den Dynamikumfang und die Robustheit des Messsystems erhöht.

In der Regel werden bei der diffraktiven Projektion zahlrei- che Punkte projiziert, wobei in der lokalen Anordnung eine Information steckt, die den jeweiligen Ort im Messmuster codiert. Die Information kann sich durch eine nichtperiodische Anordnung der Messpunkte ergeben. Die US 5,548,418 offenbart eine Vorrichtung zur Projektion von Mustern mittels diffraktiven, optischen Elementen und deren Anwendung in der 3D-Messtechnik, wobei sich die Information durch eine nichtperiodische Anordnung der Messpunkte ergibt .

Die US 7,433,024 B2 offenbart, dass diese Information ebenso allgemein in sich in allen drei Dimensionen, und hier im speziellen abhängig vom Abstand zum Projektor, veränderlichen Mustern, insbesondere Specklemustern, beinhaltet sein kann.

Die WO 2007/043036 AI beschreibt ebenso eine Vorrichtung zur Projektion von Mustern mittels diffraktiven optischen Elemente (DOEs) und deren Anwendung in der 3D Messtechnik. In der Regel ist es erwünscht, eine möglichst detailreiche beziehungsweise hochauflösende Rekonstruktion des Messobjekts mit einer einzigen Aufnahme zu erzielen. Dies entspricht ei ¬ ner hohen Messpunktdichte, das heißt, über die Messfläche des Objekts soll die Zahl der Messpunkte maximal hoch sein. Die- ses Ziel steht meist im Spannungsfeld mit den Anforderungen an Kosteneffizienz, da eine höhere Datendichte in der Regel mit höherem technischem Aufwand verbunden ist. Ist die zur erfolgreichen Rekonstruktion erforderliche nichtperiodische Information in der 2D-Punktanordnung enthalten, ist die An- zahl der Messpunkte und somit die Datendichte begrenzt durch einen Mindestabstand der Punkte zueinander. Eine höhere Da ¬ tendichte, und zwar in der Praxis typsicherweise um den Fak- tor 4 bis 10, kann durch Linienmuster erzielt werden, da hier der Punktabstand in einer Dimension eliminiert wird.

Im Stand der Technik sind Verfahren zur diffraktiven Projek- tion periodischer Linienmuster vertreten. Aufgrund der Periodizität kann eine eindeutige Zuordnung der Linien nur unter Zuhilfenahme zusätzlicher geometrischer Rahmenbedingungen erreicht werden. Im Falle einer einzelnen Kamera kann diese Rahmenbedingung der begrenzte Messraum sein. Mit dieser Ein- schränkung lässt sich jedoch, abhängig vom Triangulationswinkel, lediglich eine sehr geringe Anzahl Linien unterscheiden. Eine andere Möglichkeit besteht in einer Einschränkung der zu vermessenden Oberflächen. Können Höhenstufen und Unterbrechungen in der Oberfläche ausgeschlossen werden, sind die projizierten Linien in der Reihenfolge ihres Auftretens im

Kamerabild indizierbar. Dies schränkt jedoch mögliche Anwen ¬ dungen des Messsystems sehr stark ein. Wird eine zweite Kame ¬ ra hinzugenommen, und zwar bei Stereo Vision, kann die Vielzahl der Linien aufgrund engerer geometrischer Rahmenbedin- gungen, auf der Grundlage von Epipolargeometrie, erhöht wer ¬ den. Die Anzahl der Linien und somit die Messdatendichte liegt jedoch in der Praxis nahezu eine Größenordnung unter Ansätzen, die nichtperiodische Informationen verwenden. Eine zusätzliche Kamera erhöht zudem signifikant die Kosten eines derartigen Systems.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rekonstruktion einer dreidimensionalen Oberfläche eines Objektes mittels einer strukturierten Be- leuchtung zur Projektion von Messmustern auf das Objekt bereit zu stellen, wobei die Projektion schnell, kostengünstig und lichteffizient ausführbar sein soll. Messmuster sollen leistungsfähig hinsichtlich einer robusten Dekodierbarkeit und insbesondere hinsichtlich der Anzahl von Messelementen, das heißt hinsichtlich der Datendichte sein.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objekts mittels eine strukturier ¬ ten Beleuchtung, insbesondere mit Laserlicht, mittels folgen- der Schritte vorgeschlagen:

mittels mindestens einer Projektoreinrichtung ausgeführtes Projizieren eines Messelemente aufweisenden Gesamtmess ¬ musters auf die Oberfläche des Objekts;

mittels mindestens einer Erfassungseinrichtung ausge- führtes Erfassen des Gesamtmessmusters auf der Oberfläche des Obj ekts ;

mittels einer Rechnereinrichtung ausgeführtes Berechnen, insbesondere Triangulieren, zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmess- musters,

dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtmessmuster als Mess ¬ elemente eine Reihenfolge von Messlinien aufweist;

in dem Gesamtmessmuster alle möglichen Positionen von Messlinien in sich entlang der Reihenfolge räumlich wiederholenden als Fenster bezeichneten Abschnitten enthalten sind, wobei in den Fenstern eine jeweilige Kombination von erzeugten

und/oder nicht erzeugten Messlinien im Gesamtmessmuster den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster kodiert. Ein Gesamtmessmuster ist hier ein Begriff für ein allgemeines Messmuster, das insbesondere aus einer Gesamtheit an Messli ¬ nien besteht.

Eine Reihenfolge von Messlinien bezeichnet hier insbesondere eine Sequenz von Messlinien.

Sequenz, sequentiell oder sequenziell (von lateinisch für

„Aufeinanderfolge") steht für:

Reihenfolge, allgemein eine räumliche, zeitliche oder gedankliche, lineare Aufreihung oder Abfolge

- Sequenz (Mathematik), sortierte Folge von Zahlen.

Zur Codierung einer örtlich variierenden Information im Messmuster, die zur Lösung des Korrespondenzproblems notwendig ist, wird erfindungsgemäß folgender Ansatz vorgeschlagen. Eine zeitliche und/oder örtliche Codierung erfolgt mittels ak ¬ tiven und inaktiven Messlinien im Messmuster, wobei hier inaktiv das Auslassen von Messlinien in einem ansonsten voll besetzten Messmuster, insbesondere in einem Fenster, bezeichnet .

Ein Fenster ist hier insbesondere ein gleichförmiger räumlicher Ausschnitt des Gesamtmessmusters entlang der Reihenfolge der Messlinien, wobei eine Reihenfolge aller Ausschnitte zu- sammengefasst das Gesamtmessmuster ergeben.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objektes mittels einer strukturierten Beleuchtung, insbesondere mit Laserlicht, vorgeschlagen, die aufweist:

mindestens eine Projektoreinrichtung zum diffraktiven Projizieren eines Messelemente aufweisenden Gesamtmessmusters auf die Oberfläche des Objekts;

- mindestens eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Gesamtmessmusters auf der Oberfläche des Objekts;

eine Rechnereinrichtung zum Berechnen, insbesondere Triangulieren, zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtmessmuster als Mess ¬ elemente eine Reihenfolge von Messlinien aufweist;

in dem Gesamtmessmuster alle möglichen Positionen von Messlinien in sich entlang der Reihenfolge räumlich wiederholenden als Fenster bezeichneten Abschnitten enthalten sind, wobei in den Fenstern eine jeweilige Kombination von erzeugten

und/oder nicht erzeugten Messlinien im Gesamtmessmuster den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster kodiert.

Es wird eine 3D-Erfassung hoher Datendichte mittels

diffraktiver Linienprojektionen und insbesondere unter Verwendung lediglich einer Kamera als Erfassungseinrichtung vorgeschlagen . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die mindestens eine Projektoreinrichtung eine Vielzahl von Messmustern auf die Oberfläche des Objektes projizieren, wobei die Messmuster überlagert das Gesamtmessmuster ausbilden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung zum Unterscheiden von Messmustern diese in einer zeitlichen Abfolge projizieren.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung zum Unterscheiden von Messmustern, diese mit zueinander unterschiedlichen Lichtwellenlängen und insbesondere gleichzeitig projizieren.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung das Gesamtmessmuster als eine, insbeson- dere horizontale, Aneinanderreihung zueinander beabstandeter und zueinander parallel angeordneter Messlinien, insbesondere gleicher Breite und/oder Intensität, erzeugen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung in mindestens einem als Primärmessmuster bezeichneten Messmuster, insbesondere in den Fenstern, immer alle Messlinien erzeugen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann mindestens eines der Muster voll besetzt sein, d.h. es weist bei einer gegebenen Linienperiode LP die maxi- mal im Muster darstellbare Anzahl von Linien L auf. Diese primären Muster PM dienen vorteilhaft der Synchronisation der Musterdecodierung und der korrekten Zuordnung von Linien L der Sekundärmuster. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die

Projektoreinrichtung drei Messmuster erzeugen, wobei in jedem Fenster in einem der Messmuster des Gesamtmessmusters immer eine Messlinie erzeugt ist und in den beiden anderen Messmus ¬ tern jeweils maximal eine Messlinie erzeugt ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung innerhalb der Vielzahl an Fenstern jeweils lediglich Codierungen mit einer Mindestanzahl von erzeugten Messlinien ausbilden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Symbolsequenz so gestaltet, dass über alle projizierten Muster so viele Linien L wie möglich projiziert werden, beispielsweise mittels Auslassen des Symboles 3, das gemäß Tabelle 1 keine Sekundärlinien projiziert. Dies hat den Vorteil, dass so viele Messdaten wie möglich generiert wer ¬ den, da Messdaten lediglich entlang der Linien L erzeugt werden können.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung in einem Fenster eine Position als ein Wort projizieren, das aus einer Reihenfolge von Symbolen besteht, die mittels einer jeweiligen Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien geschaffen werden können.

In der Kodierungstheorie nennt man die Elemente, aus denen ein Code besteht, „Codewörter", die Symbole aus denen die Codewörter bestehen, bilden ein „Alphabet". Gemäß dieser Er- findung sind die Codewörter lediglich als Wörter bezeichnet, die aus Symbolen gebildet werden, denen jeweils ein Symbolindex zugeordnet werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung in der Gesamtheit aller benachbarten

Fenster eine Symbolsequenz entlang der Reihenfolge der Messlinien erzeugen. Die vorgeschlagene Erzeugung von Messlinien in jeweiligen Messmustern, die überlagert werden, und das daraus sich ergebende Gesamtmessmuster entspricht einer als Symbolsequenz bezeichneten Gesamtheit an projizierten Symbolen, wobei ein Symbol einer Kombination in einem jeweiligen als Fenster bezeichneten räumlichen Abschnitt ausgewählter erzeugter und nicht erzeugter Linien entspricht, wobei ein Symbolindex durch ein Erzeugen und/oder Auslassen von Messlinien in dem Fenster codiert ist, erlaubt eine vorteilhafte Lösung des Korrespondenzproblems mittels eines nicht ¬ periodischen Gesamtmessmusters unter Beibehaltung einer hohen Messliniendichte, wobei die Erzeugung einer längeren Symbol ¬ sequenz mit einer Mehrzahl von möglichen Symbole aufweisenden Wörtern, wobei ein Wort mittels des dazugehörigen Fensters festgelegt wird, führt zu einer fehlertoleranteren Decodie- rung .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung ein Wort innerhalb einer Symbolsequenz oder eines Gesamtmessmusters lediglich so oft erzeugen, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geometrischer Rahmenbedin- gungen zwischen Kamera und Projektoreinrichtung, insbesondere mittels Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung die Symbolsequenz bei einer Hamming- Distanz von mindestens 2 ein beliebiges Wort von einem ande ¬ ren beliebigen Wort an mindestens zwei Stellen unterschiedli ¬ che Symbole aufweisend erzeugen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Symbolsequenz so gestaltet sein, dass zwischen zwei beliebigen Worten eine Hamming-Distanz h von mindestens 2 besteht, d.h., dass zwei beliebige Worte aus mindestens zwei Stellen unterschiedliche Symbole aufweisen. Im Fall von h=2 können fehlerhafte Symbole erkannt werden, bei h>2 können ein oder mehrere Symbolfehler korrigiert werden .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung die Symbolsequenz mit einer Hamming- Distanz derart erzeugen, dass ein jeweiliges Wort bei einer Symbollänge kleiner oder gleich 4 eindeutig ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Symbolsequenz so gestaltet sein, dass das Eindeutigkeitsfenster bzw. Fenster besonders klein ist, d.h., dass mit einer relativ kleinen Wortlänge eine Eindeutigkeit oder eine entsprechende Ausführung ge- forderter Hamming-Distanz erreicht wird. Ein kleines Eindeu ¬ tigkeitsfenster weist den Vorteil auf, dass die minimal auf ¬ lösbare Objektgröße verkleinert wird, wenn Objekte eine vom Rest des Messobjekts isolierte Oberfläche oder einen großen Höhensprung aufweisen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung die Symbolsequenz mit einer Hamming- Distanz und einer Größe der Fenster derart oft aneinander reiht, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geometrischer Rahmenbedingungen zwischen Erfassungseinrichtung und

Projektoreinrichtung, insbesondere mittels Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Symbolsequenz derart gestaltet sein, dass das Ein- deutigkeitsfenster oder Fenster um die Hamming-Distanz h erhalten bleiben, wenn die Symbolsequenz mehrmals aneinandergereiht ist, d.h., sich das projizierte Linienmuster wiederholt. Eine Eindeutigkeit kann dann in gewissen Grenzen mit ¬ tels geometrischer Rahmenbedingungen hergestellt werden, und zwar beispielsweise über den Arbeitsbereich des Messsystems oder den Einsatz mehrerer Kameras. Ein Vorteil liegt dann darin, dass das Eindeutigkeitsfenster gegebenenfalls kleiner ausgelegt werden kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die

Projektoreinrichtung die Symbolsequenz derart erzeugen, dass das Auftreten von Messlinien achsen- oder punktsymmetrisch ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Symbolsequenz so gestaltet sein, dass sie eine achsen- oder punktsym- metrische Mustersequenz erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass die Mustersequenz mit geringem Aufwand mittels beispielsweise diffraktiven optischen Elementen projiziert werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung zur Erhöhung einer Messelementdichte mittels rotatorisch oder translatorisch aktuierter Komponenten, insbesondere mittels eines Scanspiegels, eine zeitlich variierende Verschiebung zwischen Messmustern ausführen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung für jedes aus Messlinien bestehende Messmuster räumlich getrennt jeweils eine Lichtquelle, insbe- sondere einen Laser, sowie eine linienerzeugende Optik und ein diffraktives optisches Element oder ein linienerzeugendes diffraktives optisches Element aufweisen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung, insbesondere entlang der Messlinien, eine lineare Anordnung, einer Mehrzahl von jeweils eine

Lichtquelle sowie eine linienerzeugende Optik und ein

diffraktives optisches Element oder ein linienerzeugendes diffraktives optisches Element aufweisender Projektoren auf- weisen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung für alle aus Messlinien bestehenden Messmuster eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser, sowie eine Einrichtung zum Auswechseln einer Anzahl von linienerzeugenden Optiken und diffraktiven optischen Elementen und/oder einer Anzahl von linienerzeugenden diffraktiven optischen Elementen aufweisen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die

Lichtquelle beziehungsweise können die Lichtquellen eine Tem ¬ peraturregelung (en) aufweisen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Lichtquellen jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge emit ¬ tieren und die Erfassungseinrichtungen Farbkameras sind.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung; Figur 2 eine erste Darstellung eines Ausführungsbeispiels von erfindungsgemäßen Messmustern und eines dazugehörigen erfindungsgemäßen Gesamtmessmusters; Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Verfahrens in Ausgestaltung eines Flussdiagramms;

Figur 4 eine zweite Darstellung des Ausführungsbeispiels von erfindungsgemäßen Messmustern und des dazugehö- rigen erfindungsgemäßen Gesamtmessmusters;

Figur 5a eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbei ¬ spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Messmusters;

Figur 5b eine Draufsicht des ersten Ausführungsbeispiels ei ¬ ner erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Messmusters;

Figur 5c eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbei ¬ spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion von Messmustern; Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungs ¬ gemäßen Verfahrens .

Figur 2 zeigt eine erste Darstellung eines Ausführungsbei ¬ spiels von erfindungsgemäßen Messmustern und eines dazugehö- rigen erfindungsgemäßen Gesamtmessmusters. Es sind Messmuster P, Sl und S2 sowie ein Gesamtmessmuster GM dargestellt. Eine eindeutige Identifikation eines Linienindexes wird mittels der Verwendung einer codierten Serie oder Reihenfolge aus Linienmustern bewirkt, die insbesondere sequentiell projiziert und von einer Kamera detektiert wird. Es wird zwischen einem primären Muster P und mehreren sekundären Mustern Sl, S2, ... unterschieden. Das primäre Muster P ist gemäß einer vorteil ¬ haften Ausgestaltung voll besetzt, periodisch und hat eine maximal auflösbare Liniendichte bzw. eine kleinste Linienpe ¬ riode LP, sowie dies in Figur 2 angegeben ist, d.h. es werden so viele Linien L projiziert, wie im Rahmen eines Auflösungs ¬ vermögens und von Schärfentiefenanforderungen von der Erfas- sungseinrichtung 3, die insbesondere als Kamera ausgeführt ist, auflösbar sind. Die sekundären Muster Sl, S2 usw., wobei hier lediglich zwei sekundäre Muster Sl und S2 dargestellt sind und verwendet werden, weisen die gleiche Linienperiode LP auf wie das Primärmuster P, jedoch sind Sekundärmuster Sl und S2 fortschreitend zueinander und zum Primärmuster P verschoben. Eine Linienperiode LP ist dabei ein Abstand zwischen erzeugten Linien L. Die Verschiebung bewirkt eine signifikante Erhöhung der Messdatendichte, da lediglich an Stellen einer Linie L Datenpunkte erzeugt werden können und so wirksam Anzahl und auftreffende Orte der Linien L erhöht werden, wo ¬ bei sich das Gesamtmuster GM ergibt. Das Gesamtmuster GM weist als Messelemente eine Aneinanderreihung von Messlinien L auf, wobei in dem Gesamtmessmuster GM alle möglichen Positionen von Messlinien L in sich entlang der Aneinanderreihung der Messlinien L räumlich wiederholende als Fenster F bezeichnete Abschnitte geschaffen werden können, wobei in einem Fenster F jeweils eine Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien L im Gesamtmessmuster GM den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster GM codiert. Figur 2 zeigt, dass mittels einer Projektoreinrichtung 1 eine Vielzahl von Messmustern P, Sl, S2 auf die Oberfläche eines Objektes 0 projizieren kann, wobei die Messmuster P, Sl und S2 überlagert das dargestellte Gesamtmessmuster GM erzeugen. In einem räumlichen Abschnitt PS, der durch zwei vertikale Linien ein- gegrenzt ist, ist die interne Verschiebung der Muster P, Sl, S2 ersichtlich. Ein Fenster F kann ebenso als ein Eindeutigkeitsfenster bezeichnet werden. In dem Gesamtmessmuster GM, das auch als akkumuliertes Muster bezeichnet werden kann, sind wirksame Datenpunkte erzeugt, wobei die jeweiligen Se- kundärmuster Sl und S2 codieren.

Sind eine Linienperiode LP und eine Anzahl von N_sek Sekun ¬ därmustern, und zwar hier ist N_sek = 2, gegeben, so weist eine vorteilhafte Ausführungsform eine Verschiebung von

LP/ (N_sek + 1) auf, d.h., eine gleichförmige Verteilung und Verschiebung der Linie entlang einer zeitlichen Abfolge einer Musterprojektion kann damit geschaffen werden.

Im Gegensatz zum Primärmuster P sind die sekundären Linienmuster Sl und S2 nicht voll besetzt. Innerhalb der Sequenz oder Reihenfolge des Gesamtmessmusters GM, das gemäß Figur 2 hier beispielsweise aus drei Mustern besteht, können bei N Linien L im primären Muster P genau N benachbarte Gruppen Gi aus anwesenden Linien L und nicht anwesenden Linien L in den Sekundärmustern Sl und S2 gebildet werden, wobei gemäß Figur 2 beispielsweise Gruppen Gl und G2 dargestellt sind. Die An ¬ wesenheit oder Abwesenheit von Linien L in den Sekundärmus- tern Sl und S2 enthält als Ganzes eine binäre Information mit einer Bittiefe in Höhe der Anzahl der Sekundärmuster N_sek, d.h. bei N_sek Sekundärmustern können 2 A N_sek oder 2 hoch N_sek Gruppen, die ebenso als Symbole bezeichnet werden kön ¬ nen, mit verschiedenen Kombinationen aus an- oder abwesenden Linien erzeugt werden. Hierzu wird auf die folgende Tabelle 1 verwiesen :

Die codierte Serie von Linienmustern beispielsweise in Form von dem Primärmuster P und den Sekundärmustern Sl und S2 ermöglicht Symbole, die aus entsprechenden Kombinationen von an- oder abwesenden Linien L bei einer beispielhaften Anzahl von N sek = 2 Sekundärmustern geschaffen werden können.

Tabelle 1:

Symbol index: 1 2 3

Primärmuster P Linie Linie Linie

Sekundärmuster Linie Keine Keine

Linie Linie

Sekundärmuster Keine Linie Keine

Linie Linie

Die Gesamtheit an projizierten Symbolen kann als Symbolsequenz bezeichnet werden. Die Symbolsequenz hat eine Länge N, wobei N der Anzahl an Linien L im primären Muster P entspricht. Die Symbolsequenz kann beispielsweise so gestaltet sein, dass innerhalb eines sogenannten Fensters F, das ebenso als Eindeutigkeitsfenster bezeichnet werden kann, von benach- barten Symbolen, die Kombination aus Symbolen einmalig ist. Tabelle 2 zeigt eine beispielhafte Symbolsequenz mit einem Fenster F der Länge 3 sowie die ersten sechs Symbolsequenzbzw. Streifenindizes und deren Symbole im Fenster F.

Tabelle 2:

Symbolsequ

0,0,0,1,0, 0,2,0,0,3, ^ 2 ^ 3^2^ 3 ^ 3 ^ 3

Symbolsequenzindizes und Symbolsequenzwörter

Damit zeigt Tabelle 2 ein Ausführungsbeispiel einer Symbolse ¬ quenz, ein Eindeutigkeitsfenster bzw. Fenster F sowie Sequenz- bzw. Streifenindizes.

Gemäß diesem insbesondere mittels der Symbolsequenz gemäß Ta- belle 2 dargestellten Ausführungsbeispiel können im Kamera ¬ bild des primären Musters P drei benachbarte Linien L gefun ¬ den werden. Die An- und Abwesenheit von Linien L in den Sekundärmustern Sl und S2 im entsprechenden Suchbereich, wobei die Sekundärlinien L zwischen den Primärlinien L liegen müs- sen, stellt eine Sequenz der Symbole, und zwar hier im Fens ¬ ter F die Kombination 0,2,0 dar, die aus der Tabelle 1 abge ¬ leitet werden kann und ein sogenanntes Wort W erzeugt. So wird das Symbol 2 derart erzeugt, dass eine Linie L aus- schließlich im Sekundärmuster S2 erzeugt ist. Das Symbol 0 wird derart erzeugt, dass Linien L in beiden Sekundärmustern Sl und S2 erzeugt sind. Symbol 3 wird dadurch erzeugt, dass keine Linien L in den Sekundärmustern Sl und S2 erzeugt sind. Eine Suche in der Symbolsequenz, mit der die Linienmuster generiert wurden, ergibt, dass das Wort W: 0,2,0 an Stelle 6 auftritt bzw. beginnt. Damit ist bekannt, dass die drei

Streifen des primären Musters P die Streifenindizes 6, 7 und 8 besitzen. Mit den Streifenindizes sind die geometrischen Gleichungen der Lichtebenen, sowohl der entsprechenden drei Linien L des Primärmusters P, als auch der in diesem Fall 2+1+2=5 Sekundärlinien L, bekannt. Mit den Ebenengleichungen und den entsprechenden Sichtstrahlen aus dem Kamerabild können mittels Triangulation Messpunkte berechnet werden. Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm dieses Ablaufs.

Eine Verwendung eines voll besetzten Primärmusters P und meh ¬ rerer Sekundärmuster Sl, S2, ... bewirkt eine Maximierung einer Datendichte und eine erhöhte Robustheit der Musterdecodie- rung, wobei eine gleichförmigere Messdatendichte über eine gesamte Messfläche bewirkt werden kann. Eine Verschiebung von Positionen von Linien L zwischen Mustern innerhalb der Sequenz oder des Gesamtmusters GM bewirkt eine wirksame Erhö ¬ hung der Messdatendichte, da lediglich an Stellen einer Linie L Datenpunkte erzeugt werden können und so effektiv Anzahl und auftretende Orte der Linien L erhöht werden können. Ein Auslassen von Symbolen mit niedriger oder gar keiner Besetzung von Linien L bewirkt vorteilhaft eine höhere Anzahl an Messpunkten in der Sequenz bzw. dem Gesamtmessmuster GM.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Ausgestaltung eines Flussdiagramms. Auf der Grundlage einer zu erzeugenden Symbolsequenz 0,0,0,1,0,0,2 die hier beispielhaft angegeben ist, können Messmuster in der Ausgestaltung eines Primärmusters P und in Ausgestaltung von Sekundärmustern Sl, S2 ... S(Ni-l) auf ein Messobjekt 0 projiziert werden. Aus jedem projizierten Muster P, Sl, S2 ... kann ein Kamerabild Cli mit i=l,2 ... Ni erzeugt werden. Mittels ei- ner Erfassungseinrichtung 3, die insbesondere eine Kamera sein kann, können primäre Streifen einerseits und sekundäre Streifen bzw. Linien L andererseits erfasst werden. Mittels einer Rechnereinrichtung 5 können den erfassten Linien L in einem Schritt SRI entsprechende Symbole zugeordnet werden. Mittels eines zweiten Schrittes SR2 kann in der Rechnereinrichtung 5 die erzeugte Symbolstruktur wieder decodiert werden, wobei die ursprüngliche projizierte Symbolsequenz dazu herangezogen werden kann. Mit einem dritten Schritt SR3 kön- nen mittels der Rechnereinrichtung 5 der Linienindex bzw.

Symbolindex aus den primären und sekundären Linien für einen vierten Schritt SR4 der Triangulation herangezogen werden, wobei mittels eines fünften Schrittes SR5 mittels der Rech ¬ nereinrichtung 5 aus der Triangulation eine 3D-Punktwolke ge- neriert werden kann. Für den vierten Schritt SR4 können mittels eines Nebenschrittes SR4.1 Kalibrierungsdaten verwendet werden. Figur 3 zeigt damit ein Flussdiagramm beginnend von der Musterprojektion, über ein Kamerabild Cli zu einer 3D- Punktwolke .

Figur 4 zeigt eine zweite Darstellung des Ausführungsbei ¬ spiels von erfindungsgemäßen Messmustern P, Sl und S2 sowie des dazugehörigen erfindungsgemäßen Gesamtmessmusters GM gemäß Figur 2. Auf ein dargestelltes Messobjekt 0 werden diese beispielhaften Muster projiziert. Als Messergebnis aus dem Primärmuster P und den zwei Sekundärmustern Sl und S2, die eine jeweilige Anordnung von Linien L aufweisen, kann eine sogenannte 3D-Punktwolke generiert werden. Die Verarbeitung erfolgt insbesondere mittels einer Rechenvorrichtung 5.

Figur 5a zeigt eine Seitenansicht eines ersten Ausführungs ¬ beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Messmusters. Ein derartiges Messmuster kann beispiels ¬ weise ein primäres Messmuster P oder sekundäre Messmuster Sl oder S2 sein.

Im Gegensatz zur abbildenden Projektion, wobei das projizierte Muster vorwiegend mittels Lichtbrechung, das heißt refraktiv, erzeugt wird, wird bei der diffraktiven Projektion das Muster vorwiegend mittels Beugung erzeugt, und zwar in der Regel mittels sogenannter diffraktiver, optischer Elemente (DOEs) . Die diffraktive Projektion von Messmustern ist be- sonders lichteffizient, schränkt aber die Gestaltung der

Messmuster ein. Die Dichte der Messlinien im Messraum ist begrenzt durch die Auflösung der Kameras, die zur Auswertung verwendet werden. Ist die Liniendichte zu hoch ausgelegt, können gegebenenfalls Messlinien, wie diese beispielsweise in Fig. 2 dargestellt sind, nicht mehr zuverlässig unterschieden werden. Eine weitere Begrenzung liegt in der optischen Informationskapazität der diffraktiven optischen Elemente. Es können nicht beliebig komplexe Muster in beliebiger Auflösung reproduziert werden. Die maximal mögliche Liniendichte kann in der Regel nicht ausgeschöpft werden, da die Anordnung der Linien Informationen zur Decodierung des Linienmusters tragen muss. Im Falle eines vollständig besetzten Musters, bei ¬ spielsweise bei der maximalen Liniendichte, würde das Linien ¬ muster keine solchen Informationen tragen, das heißt das Li- nienmuster wäre nicht lokal einzigartig, sondern gleichförmig beziehungsweise periodisch. Die lokale Einzigartigkeit wird aber benötigt, da zur 3D-Rekonstruktion mittels Triangulation eine Beziehung zwischen dem Ursprung einer jeweiligen projizierten Linie und der Sichtlinie einer oder mehrerer Kameras beziehungsweise Erfassungseinrichtungen hergestellt werden muss, was als Korrespondenzproblem bezeichnet wird. In der Praxis werden zur lokal variierenden Codierung der Information nicht alle auflösbaren Linien projiziert. Dies führt al ¬ lerdings zu einer reduzierten Anzahl an auflösbaren Messli- nien, da diese nur am Ort einer projizierten Linie ermittelt werden können.

Figur 5a zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform eines diffraktiven Mustersequenzprojektors als ein Ausführungsbei- spiel einer Projektoreinrichtung 1. Eine Lichtquelle 6, die vorzugsweise ein Laser sein kann, bestrahlt ein optisches Element 7 zur Erzeugung einer jeweiligen Linie L. Vorzugsweise kann ein optisches Element 7 eine sogenannte Powell-Linse sein, es kann jedoch ebenso ein diffraktives optisches Ele ¬ ment DOE oder ein anderes Verfahren zur Erzeugung von Linien L verwendet werden. Eine Powell-Linse bewirkt vorteilhaft ei ¬ ne homogene Lichtverteilung und eine hohe Linienqualität, insbesondere in Bezug auf eine Schärfe und eine Homogenität. Zudem weist eine resultierende Linie L keine 0. Beugungsord ¬ nung auf. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer Auslegung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines "Lichtbudgets" im Rahmen der Augensicherheit.

Eine Laserlinie trifft auf ein Element zur mehrfachen Strahl ¬ teilung mit individuell definierten Umlenkwinkeln, wobei dieses Element vorzugsweise ein diffraktives optisches Element DOE sein kann. Die selektive Strahlteilung bewirkt die Erzeu- gung eines Musters von Linien L entsprechend der Vorgaben ei ¬ ner Symbolsequenz. Dieses Muster kann periodisch, und zwar beispielsweise im Falle eines Primärmusters P, oder nicht pe ¬ riodisch, und zwar im Falle eines sekundären Musters Sl oder S2 sein. Vorteilhaft ist die Verwendung einer Symbolsequenz, die eine spiegelsymmetrische Mustersequenz erzeugt oder aus der Mustersequenz ableitbar ist, da diese mit geringem Aufwand mit diffraktiven optischen Elementen DOEs dargestellt werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können das Element zur Linienerzeugung sowie der Strahlteiler in einem einzigen optischen Element zusammengefasst sein, und zwar beispielsweise in einem diffraktiven optischen Element DOE. Zwar ist eine Regulierung der Temperatur von Laserdioden nicht erforderlich, aber es ist vorteilhaft, da die erzeugte Laserwellenlänge und damit eine Wiedergabe eines jeweiligen Musters reproduzierbarer wird. Mittels einer gezielten Temperaturregelung individueller Laserdioden kann eine herstellungsbedingte Streuung von Laserwellenlängen teilweise oder ganz kompensiert werden. Eine Verwendung einer codierten, monochromatischen Liniensequenz bewirkt vorteilhaft eine Lösung des sogenannten Korres ¬ pondenzproblems. Eine monochromatische Liniensequenz ist diffraktiv projizierbar, wobei dies zu einer signifikant hö- heren Lichteffizienz führt, so dass die Kosten der Lichtquelle 6 sinken, sehr große Flächen des Messobjekts 0 vermessen werden können und/oder vergleichsweise viel Umgebungslicht toleriert werden kann. Eine monochromatische Projektion er- möglicht die Verwendung kameraseitiger Bandpassfilter, die zusätzlich zur Eliminierung von Umgebungslicht beitragen können. Eine Verwendung einer Kombination aus einer Powell-Linse und einem diffraktiven Strahlteiler bewirkt eine hohe Qualität von erzeugten Linien L sowie eine drastische Reduzierung einer Intensität in der 0. Beugungsordnung, so dass eine Erhöhung eines augensicheren Lichtbudgets um ein Vielfaches be ¬ wirkt wird.

Figur 5b zeigt eine Draufsicht des ersten Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Messmusters gemäß Figur 5a. Entsprechend sind in Figur 5b die mittels insbesondere diffraktiver Projektion erzeugten Messlinien L sichtbar, die auf ein Messobjekt 0 projiziert werden können. Zusätzlich ist in Figur 5b dargestellt, dass in einer vorteilhaften Ausführungsform sich hinter einem diffraktiven optischen Element DOE eine Einrichtung zur variablen Strahlumlenkung befinden kann, so dass Messmuster zur Erhöhung einer Datendichte im Raum verschoben werden können. Figur 5b zeigt, dass nach den Mustererzeugungselementen ein Scan-Spiegel SM zur Bereitstellung einer derartigen Verschiebung positioniert wurde.

Figur 5c zeigt eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungs ¬ beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion von Messmustern. Gemäß Figur 5c sind zur Erzeugung einer Mustersequenz bzw. eines Gesamtmessmusters GM eine Mehrzahl von Laserprojektoren nebeneinander angeordnet. Dabei können die Laserprojektoren jeweils eine Einheit aus einem Laser, einem Liniengenerator und einem Strahlteiler sein. Diese Laserpro- jektoren können zur Erzeugung einer Mustersequenz bzw. eines Gesamtmusters GM sequentiell aktiviert und deaktiviert wer ¬ den, so dass jeweils lediglich ein Laserprojektor aktiv ist. Zeitgleich kann mittels mindestens einer Kamera eine Bildauf- nähme des jeweilig projizierten Musters, das beispielsweise ein Primärmuster P oder ein Sekundärmuster Sl oder S2 sein kann, auf dem Messobjekt 0 erzeugt werden. Die Laserprojekto ¬ ren können mittels einer nicht dargestellten Steuereinrich- tung sequentiell aktiviert und deaktiviert werden. Die Laser ¬ projektoren können beliebig zueinander angeordnet sein. Eine lineare Anordnung der Projektoren parallel zum Verlauf der erzeugten Linien L der Muster ist jedoch besonders vorteilhaft, da dies die Zuordnung der Linien L wirksam erleichtert. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können Laser verschiedener Wellenlängen verwendet werden. Bei einer entsprechenden Auslegung einer dazugehörigen Erfassungseinrichtung 3, die insbesondere eine Kamera, und zwar insbesondere eine Farbkamera sein kann, können auf diese Weise mehrere Muster bzw. gegebenenfalls alle Muster gleichzeitig projiziert, auf ¬ genommen und getrennt ausgewertet werden. Besonders vorteil ¬ haft ist eine Verwendung von Laser-Arrays mit je einer Li ¬ nienoptik und einem diffraktiven Mehrfach-Strahlteiler, da eine leistungsfähige und lichteffiziente sowie kosteneffizi- ente Projektion von Mustersequenzen mit schnellen Projektionszyklen und Musterwechseln bereitgestellt werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zur Projektion einer Sequenz von Linien L lediglich eine Lichtquelle 6, die vorzu ¬ gweise ein Laser sein kann, verwendet werden. Die Projektion der Sequenz von Linien L wird mittels einer steuerbaren und hier nicht dargestellten Einrichtung zum Wechsel selektiver Strahlteiler erzeugt.

Alle beschriebenen Varianten von Mustersequenzen von Linien L sind geeignet, mittels diffraktiver Laserprojektion erzeugt zu werden, was die Projektion mittels refraktiven Techniken jedoch nicht ausschließt. Die diffraktive Laserprojektion hat folgende Vorteile. Eine signifikant höhere Lichteffizienz im Vergleich zu einer abbildenden oder absorptiven Projektion. Eine schmalbandig-monochromatische Projektion ermöglicht ef ¬ fektives Ausblenden von Umgebungslicht mittels kameraseitiger Bandpassfilter. Eine monochromatische Projektionswellenlänge kann in weiten Grenzen gewählt werden, und zwar ebenso zur unsichtbaren Nah-Infrarot-Proj ektion . Ein Aufbau einer

Projektoreinrichtung 1 kann kosteneffizient und kompakt erfolgen. Die mittels einer Anordnung gemäß Figur 5c erzeugten Muster können beispielsweise ein Primärmuster P, ein Sekun- därmuster Sl sowie ein zweites Sekundärmuster S2 sein.

Eine technische Möglichkeit zur Erhöhung der Liniendichte liegt in der zeitlich aufeinanderfolgenden, sequentiellen Projektion mehrerer Messmuster. Die zeitliche Variation der Messmuster, beispielsweise mittels eines Scanspiegels SM ge ¬ mäß Fig. 5b, bietet dann einen zusätzlichen Informationskanal für die Decodierung des Musters, so dass es gegebenenfalls möglich ist, die durch die Kameraauflösung begrenzte, maximal mögliche Punktdichte zu erreichen.

Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren dient zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objektes 0 mittels einer strukturierten Be ¬ leuchtung, wobei folgende Schritte ausgeführt werden. Mit ei- nem ersten Schritt Sri erfolgt ein diffraktives Projizieren von aus Messlinien L, bestehenden Messmustern auf die Oberfläche des Objekts, wobei die Projektoreinrichtung 1 eine Ab ¬ folge von aus Messlinien bestehenden Messmustern auf die Oberfläche des Objektes projiziert, wobei die Abfolge der Messmuster überlagert ein Gesamtmessmuster ausbildet, in dem alle möglichen Positionen von Messlinien in sich wiederholenden Fenstern dargestellt und zusammengefasst sind, in denen eine jeweilige Kombination von vorhandenen und/oder nicht vorhandenen Messlinien in einem Fenster den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster codiert. Mit einem zweiten Schritt Sr2 er- fasst eine Erfassungseinrichtung 3 gleichzeitig zum Schritt Sri die Messmuster auf der Oberfläche des Objektes. Mit einem dritten Schritt Sr3 kann mittels einer Rechnereinrichtung die Oberfläche des Objektes aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters rekonstruiert werden. Als Rechenverfahren beziehungsweise als Verfahren zur Berechnung von SD- Koordinaten eignet sich insbesondere die Triangulation. [1] Forster, „Real-Time Range Imaging for Human-Machine In ¬ terfaces", Dissertation an der Technischen Universität

München, 2004. [2] Li Zhang, Brian Curless, and Steven M. Seitz, "Rapid shape acquisition using color structured light and multi-pass dynamic programming", in the I st IEEE International Symposium on 3D Data Processing, Visualization, and Transmission, pages 24-36, 2002.

[3] Chen, "3-D shape measurement by composite pattern projec- tion and hybrid processing", College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China, 2007. [4] Schmalz, Angelopoulou, "Robust Single-Shot Structured Light", Siemens AG, München, Universität Erlangen, 2010.