Verfahren zur Erhöhung der Signifikanz der dreidimensionalen Vermessung von Objekten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Signifikanz der dreidimensionalen Vermessung von Objekten durch optische Aufnahmen, aufprojizierte Muster und Tπangulationsberechnung, bei dem ein kodiertes Muster auf das Objekt zur Vermeidung von Mannigfaltigkeiten bei der Auswertung der Bilddaten projiziert wird

Zum Zweck der Vermessung bietet der Einsatz von Verfahren, die auf optischer Grundlage arbeiten, eine Vielzahl von Vorteilen Eine Vermessung kann schnell und beruhrungslos erfolgen Zum Stand der Technik gehören elektronische Bildwandler,

beispielsweise CCD-Arrays αeren Ausgangssignale unmittelbar nach einer Digitahsierung gespeicher. oder ausgewertet werden können

Bekannt sind Verfahren und Vorrichtungen zur Darstellung und optischen dreidimensionalen Vermessung von räumlichen Oberflachen Sie basieren auf

Tπangulatioπsverfahren Dei denen unter einem bekannten Winkel Punkt- Linien¬ oder beliebige andere Muster auf die betrachtete Oberfläche projiziert werden und die projizierteπ Muster unter einem von dem Projektionswinkel verschiedenen Blickwinkel mit einer Optik und einem Bildwandler aufgenommen werden Die bekannte Geometrie zwischen Projektionsπchtung und Aufπahmenchtung erlaubt die dreidimensionale Berecnnung von Stutzpunkten αer Oberfläche

Projiziert man auf ein Objekt mit raumlichen Erstreckungen beispielsweise ein gleichmaßiges Linienmuster ergibt sich bei einer von der Projektionsrichtung verschiedenen Blickrichtung in Abhängigkeit von der Oberflacheπgestalt des Objekts ein verzerrtes Linienmuster Bildet man aus dieser Betrachtungsrichtung das Objekt durch eine geeignete Optik auf ein CCD-Array ab, digitalisiert man die Bildsignale und stellt sie einer Datenverarbeitungseinheit zur Verfugung, so ist es möglich an verschiedenen Stellen des Biides die Linien zu identifizieren und bei Kenntnis des optischen Strahlengangs und unter Berücksichtigung der geometrischen Ausbildung des projizierten Linienmusters über Triangulation 3D-Koordιnaten zu errecnnen

Bei einer einfachen räumlichen Ausbildung des Objekts können aufgrund des relativen Abstands der abgebildeten Linien zueinander inkrementelle Koordinaten berechnet werden

Es ist jedoch bekannt daß Hohenstufen in der zu vermessenden Oberflache unter bestimmten geometrischen Bedingungen zu relevanten Meßfehlern fuhren können Weist das Objekt bezüglich der Projektions- bzw der Aufnahmerichtung Hinterschneidungen auf, so ist nicht ohne weiteres ersichtlich, ob es sich bei benachbarten Linien im Abbild tatsächlich auch um benachbart projizierte Linien handelt Falls einzelne Linien nicht zur Darstellung gekommen sind, ist zudem nicht bekannt wie viele Linien "verschluckt" worden sind Als Hinterschneidungeπ sind hier Ausbildungen der dreidimensionalen Kontur zu verstehen die infolge der

Betrachtungs- oder der Projektionsπchtung durch Teile des Objekts selbst verdeckt und damit für eine Betrachtung oder Projektion nicht zugänglich sind •

In der europaischen Patentanmeldung 0 250 993 wird ein System zur Herstellung von Keramikmlays beschrieben, bei dem zum Vermessen der Kavitat eines Zahnes eine optische 3D-Meßvornchtuπg verwendet wird Dort wird die Bedeutung einer

"optimalen Sicht" aus zwei Gründen unterstrichen - erstens -, um die

Aufnahmeeinheit hinsichtlich Sicht- und Projektionsrichtung derart auszurichten, daß mit einer einzigen Aufnahme die relevanten Oberfiachensegmente des Objekts aufgenommen werden können und - zweitens -, um nicht aufgrund von

Hinterschneidungen die 3D-Koordιnaten fehlerhaft zu berechnen In diesem

Zusammenhang wird vorgeschlagen die Linien aufgund der partiell vorliegenden

Kontrastinformation bei der Berechnung zu "gewichten" Dies kann jedoch bei einer hinsichtlich des Kontrasts unterschiedlichen Ausbildung der Oberflachenstruktur des Objekts die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Berechnung nur zum Teil minimieren

Es gehört zum Stand der Technik, die aus Einzelbildern mit unterschiedlicher Aufnahmerichtung gewonnenen Tei nformationen über dreidimensionale Oberflachen anhand der 3D-Koordιnaten übereinstimmender Oberfiachensegmente mittels sogenannter "Matching -Algorithmen" zu einer Gesamtinformation zu kombinieren Es ist offensichtlich, daß Mannigfaltigkeiten bzw Unsicherheiten bezüglich der Richtigkeit der eingehenden Koordinaten eine sinnvolle numerische Berechnung verunmoglichen können, insbesondere wenn diese automatisch und online wahrend des Aufnahmevorgaπgs vorgenommen werden soll

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren zur Erhöhung der Signifikanz der dreidimensionalen Vermessung von Objekten der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dem jeder Bereich des projizierten Musters in dem Aufnahmebild für sich betrachtet eindeutig identifiziert werden kann, ohne daß eine Stetigkeit der Oberfläche hinsichtlich der Betrachtungs- und Projektioπsπchtung in der oben beschriebenen Art und Weise vorausgesetzt werden muß

Die Aufgabe wird erfindungsgemaß bei dem Verfahren dadurch gelost daß die zum Zwecke der dreidimensionalen Vermessung von Objekten mit raumlicnen Erstreckungen nach dem Triangulationsverfahren projizierten Musterbereiche derart kodiert sind daß sich anhand eines partiellen Bildausschnitts die Zuordnung zu dem entsprechenden Bereich des projizierten Musters erkennen laßt Aus der Kenntnis des Strahlengangs, der geometrischen Ausbildung des projizierten Musters und der Kenntnis der Lage des entsprechenden Musterausschπittes in der Bildaufπahme können mittels einfacher Triangulationsberechnung absolute 3D-Koordιnaten bestimmt werden

Wenn jetzt Teile des projizierten Musters in einen abgeschatteten Bereich fallen so kann dennoch partiell das Muster identifiziert und eine exakte 3D-Berechnung ausgeführt werden Zwar ist die dreidimensionale Vermessung der Oberflache bezuglich des abgeschatteten Bereichs nicht möglich, aber für die anderen Bereiche aufgrund der eindeutigen Zuordnung der jeweiligen Musterpartien korrekt

Es ist denkbar, daß die Ausbildung des kodierten Musters gegenüber einem einfachen Streifenmuster unter Umstanden die Anzahl der berechenbaren 3D- Informationen reduziert Bewegt man jedoch mit geringer Geschwindigkeit die Aufnahmeeinheit gegenüber dem Objekt und nimmt währenddessen eine Folge unterschiedlicher Einzelbilder auf, so können durch geeignete Kombination der den Einzelbildern zugeordneten Informationen die 3D-lπformatιonen verdichtet als auch sukzessive vervollständigt werden, sei es, um die aufgrund von Hinterschneidungen in Einzelbildern fehlenden Informationen zu erganzen, sei es um größere Objekte darzustellen, als dies aufgrund der Begrenzungen des Sichtfelds der Aufnahmeeinheit in einer Einzelaufnahme möglich ist

Durch das erfindungsgemaße Verfahren können in dem vorstehend beschriebenen Sinne Mannigfaltigkeiten bei der Triangulationsberechnung vermieden und die Signifikanz dieser Berechnungen erhöht werden

"Kodiert" sind im Sinne dieser Erfindung Bereiche des aufprojizierteπ Musters die hinsichtlich ihrer geometrischen Ausbildung und/oder Erstreckung und/oder ihrer sonstigen beispielsweise farbigen Ausgestaltung signifikant unterscheidbar sind.

Wird als Muster für die Projektion ein Linienmuster verwendet, erhält man für die SD-

Berechnung ^" relevante Informationen, wenn die Linien mit einer wesentlichen Komponente quer zu der von der zwischen Blick- und Projektionsrichtung aufgespannten Ebene gestreift sind.

Bei Verwendung eines Linienmusters können die Linien erfindungsgemaß vorteilhaft z. B. durch Variation der Strichstarke innerhalb der jeweiligen Linie kodiert werden Hierbei können binare andere diskrete und analoge Kodierungen zum Einsatz kommen.

Werden beispielsweise - erstens - helle Linien auf das Objekt projiziert, liegen

- zweitens - die Kontrastdaten der digitalisierten Bildinformationen im Speicher einer Datenverarbeitungseinheit flächig vor, sind also in Zeilen und Spalten organisiert und repräsentieren - drittens - die Spalteπdaten beispielsweise die Bildinformationen in Richtung der Ebene, die zwischen Aufnahme- und Projektionsnchtuπg aufgespannt wird, kann die automatisierte Auswertung der Daten in einem geeigneten Algorithmus zum Zwecke der Berechnung der absoluten 3D-Koordιnaten derart erfolgen, daß die Kontrastdaten entlang einer Bildspalte auf die Übereinstimmung mit der Musterfolge dunkel/ hell/dunkel überprüft werden Hierfür sind die entsprechenden statistischen und numerischen Methoden wie Kreuzkorrelation, Wiener-Filter etc. auch für die Subpixelauswertuπg bekannt.

Ist nun die Spaltensteile der Musterubereinstimmung bekannt, das heißt, hat man eine Linie identifiziert, kann über Kantenverfolgung der Verlauf und die Ausbildung der Linie in den benachbarten Spalten untersucht werden. Mit den zum Stand der Technik gehörenden Methoden der Mustererkeπnung kann damit die Linie selbst bezuglich ihrer Ausbildung und damit ihrer Kodierung untersucht werden.

Im Ergebnis ist - erstens - die Spaltenstelle bekannt, an der die Linie mit ihrem Musterschwerpunkt aufgenommen wurde und - zweitens - das entsprechende

Liniensegment dekodiert, somit läßt sich das Linieπsegment eindeutig zur entsprechenden Musterstelle in dem unverzerrten und zur Projektion gekommenen Muster zuordnen Aus diesen Informationen kann über Trianguiatioπsberechπung die 3D-Koordιnate für einen entsprechenden Punkt der betrachteten Oberfläche des Objekts bestimmt werden

Identifiziert man nun in der beschriebenen Art und Weise sowohl die anderen Linien in derselben Spalte und führt man dieses Verfahren auch in anderen Spalten durch, erhält man eine Anzahl von Koordinaten, die samtlich einzelnen Punkten auf der Oberfläche des Objekts entsprechen Derartige sogenannte "Punktewolken", mit denen die Ausbildung von Oberflächen beschrieben wird, sind in der Technik bekannt Die weitere Datenverarbeitung von Punktewolken beispielsweise zur Bildung von Gitternetzstrukturen oder von Flächensegmenten gehört ebenfalls zum Stand der Technik.

Insbesondere bei medizinischen Anwendungen ermöglicht die mit vorstehendem Verfahren mögliche exakte dreidimensionale digitale Beschreibung den Verzicht auf räumliche Abformungen (wie z. B. Gipsabdrucken) zur Dokumentation von Befunden dreidimensionalen Inhalts oder zur computergestützten Anfertigung von therapeutischen Mitteln (wie z. B. Zahπspaπgen, Zahnersatz, Implantate).

Es ist erfindungsgemaß vorteilhaft, entlang der jeweils betrachteten Linie abwechselnd Segmente mit einfacher und doppelter Strichstärke anzuordnen Werden beispielsweise zudem jeweils kurze und lange Liniensegmente verwendet, können aus der Variation kurzer und langer Liniensegmente mit einfacher oder doppelter Strichstärke entlang einer Linie analog zum Morsealphabet die Linien unterschiedlich kodiert werden Wenn jetzt Linien in einen abgeschatteten Bereich fallen, so kann dennoch für jedes einzelne sichtbare Liniensegment, das die vollständige Kodierung enthält, eine Berechnung absoluter 3D-Koordinaten ausgeführt werden, ohne daß hierfür Informationen bezüglich anderer Linien oder

Linienabschnitte erforderlich sind.

Es ist erfindungsgemaß vorteilhaft, in bestimmten Musterausschnitten in geometrisch eindeutiger Anordnung beispielsweise den schwarz/weiß -Anteil zu variieren, um aus

dem jeweiligen Verhältnis schwarz zu weiß die Musterpartie von anderen unterscheiden zu können Erfindungsgemaß besonders vorteilhaft können die Segmente mit unterschiedlichem Schwarzanteil linear oder konzentrisch angeordnet werden

Es ist erfindungsgemaß vorteilhaft, in bestimmten Musterausschnitten Unterbrechnungeπ der Linien anzuordnen und durch unterschiedliche Ausgestaltung dieser Unterbrechungen die Musterteile zu variieren

Alternativ oder zusätzlich zu einer schwarz/weiß-Ausbildung des Musters kann erfindungsgemaß besonders vorteilhaft eine Farbkodierung des Musters vorgenommen werden Bei Verwendung von Linien als Muster kann erfindungsgemaß vorteilhaft beispielsweise jede Linie in einer unterschiedlichen Farbe ausgeführt werden Dadurch bleibt die Informationsdichte je Linie vollständig erhalten, dennoch ist jede Linie eindeutig zu identifizieren, sofern der Farbgehalt der aufgenommenen

Oberflache eine solche Unterscheidung zulaßt

Unter "Farbe" wird im Sinne dieser Erfindung eine Auswahl von Spektrallinien und Spektralbereichen des sichtbaren, infraroten und/oder ultravioletten Lichts verstanden Im Sinne dieser Definition ist es unerheblich, ob die Farbe durch

Erzeugung bestimmter Spektren oder Spektralbereiche und gegebenenfalls durch additive Farbmischung gebildet oder durch Absorption und gegebenenfalls subtraktive Farbmischung aus einem breiteren Spektrum gefiltert wird

"Schwarz" wird im Sinne dieser Erfindung synonym für im wesentlichen unbeleuchtet und/oder für im wesentlichen ohne Ruckstrahl- oder Durchstrahlkomponente aufgrund von Absorption verwendet

"Weiß" wird im Sinne dieser Erfindung synonym für mit breitem Spektralband beleuchtet und für mit Ruckstrahl- oder Durchstrahlkomponente mit breitem

Spektralband verwendet

Sämtliche in dieser Erfindung beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens können erfindungsgemaß besonders vorteilhaft in vielfaltiger Art und Weise miteinander komoiniert werden

Weitere Vorteile Merkmale und Anwenduπgsmoglichkeiten der vorliegenden

Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele in Verbindung mit der anliegenden Zeichnung

Es zeigt die anliegende Zeichnung in den Figuren Fig 1 und 2 Ausfuhrungsformen von kodierten Mustern zur Durchfuhrung von optischen Aufnahmen zum Zwecke der dreidimensionalen Vermessung von Objekten durch aufprojizierte Muster und Triangulationsberechnungen nach der Erfindung, teilweise schematisiert

In dem in Ftg 1 gezeigten Linienmuster ist die Strichstarke entlang der jeweiligen Linie in regelmäßig wiederholter Folge abwechselnd in einfacher oder doppelter Breite

(Strichstarke) dergestalt ausgeführt, daß in einem definierten Linienabschnitt das Langenverhaltnis der Stucke mit einfacher und doppelter Strichstarke von Linie zu Linie unterschiedlich ausgebildet ist In analoger Anwendung der in der Signalverar beituπg üblichen Ausdrucksweise kann man mit anderen Worten in diesem Zusammenhang von einem unterschiedlichen schwarz/weiß-Tastverhaltnis innerhalb der Peπodizitat des Musters sprechen

Die in Fig 1 gezeigte Ausfuhrungsform zeichnet sich zusätzlich zu der Kodierung der Musterteile dadurch aus, daß aufgrund der besonderen Ausbildung des Musters eine hohe Dichte der berechenbaren Stutzpunkte erreicht werden kann

In Fig 2 wird eine Anordung von konzentrischen Musterelementen gezeigt, wobei die einzelnen Elemente dergestalt kodiert sind, daß - erstens - der innere Kreis in 90°- Segmenten unterschiedlich geschwärzt ist, - zweitens - der äußere konzentrische Ring in 90°-Segmenten unterschiedlich geschwärzt ist und - drittens - die

Winkelstetlung des äußeren konzentrischen Ringmusters zur übergeordneten Elementanordnung unterschiedlich ausgebildet ist Die in Fig 2 gezeigte Ausfuhruπgsform zeichnet sich zusatzlich zu der Kodierung der Musterteile dadurch aus, daß

a) durch die drei genannten Möglichkeiten der unterschiedlichen- Ausbildung des einzelnen Musterelements eine hohe Signifikanz der Kodierung erreicht werden kann und insofern

b) eine große Anzahl von Elementen sicher unterschieden werden können, beziehungsweise

c) redundante Informationen zu Prüfzwecken dargestellt werden können,

d) sich die konzentrische Ausbildung der Musterelemente für die automatische Mustererkenπung eignet und

e) sich der innere Kreis in seinen unterschiedlichen Ausbildungen für die exakte Bestimmung der Stelle im verzerrten Abbild des projizierten Musters mittels

Mustererkenπungsalgorithmen eignet.