RUBBERT RUEDGER (DE)
US5372502A | 1994-12-13 | |||
DE4445552A1 | 1995-06-29 | |||
CA2163934A1 | 1996-05-30 | |||
US5309243A | 1994-05-03 |
1. | P>Patentansprüche Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten (1 1 ) durch optische Aufnahmen, aufprojizierte Muster und Triangulationsberechnungen, unter Verwendung mindestens eines elektronischen Bildwandlers (3 5) mit flachigem Sichtfeld, mindestens eines optischen Mittels (3 4) für die Abbildung des Objektes auf dem Bildwandler (3 5) und mindestens einer Strahlquelle (2 7) und geeigneter optischer Mittel (2 4, 2 5 und 2 6) für die Projektion von Mustern, dadurch gekennzeichnet daà a) die Mittel (. |
2. | 1 bis. |
3. | 7) für die Projektion des Musters von den Mitteln (. |
4. | bis. |
5. | ) für die Bildaufnahme räumlich getrennt, nicht mit ihnen verbunden und ihnen gegenüber in allen FreiheitsgradeÏ beweglich sind b) für mindestens eine Bildaufnahme im Verlauf des Aufnahmevorgangs die geometrische Anordnung der Mittel (2 1 bis 2 7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3 1 bis 3 5) für die Bildaufnahme nicht von vornherein bekannt ist und unter Verwendung weiterer Mittel bestimmt werden muà Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daà es sich bei den weiteren Mitteln, die zur Bestimmung der geometrischen Anordnung der Mittel (2 1 bis 2 7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3 1 bis 3 5) für die Bildaufnahme verwendet werden, um Mittel zur Vermessung dieser geometrischen Anordnung handelt Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daà die Vermessung der geometrischen Anordnung der Mittel (2 1 bis 2 7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3 1 bis 3 5) für die Bildaufnahme auf optischem Wege erfolgt . |
6. | Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daà für die optische Vermessung der geometrischen Anordnung der Mittel (2 1 bis 2.7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3.1 bis 3.5) für die Bildaufnahme Triangulationsberechnungen unter Verwendung markanter Muster zum Einsatz kommen. |
7. | Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daà die markanten Muster für die optische Vermessung der geometrischen Anordnung der Mittel (2 1 bis 2.7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3.1 bis 3 5) für die Bildaufnahme durch Projektion gebildet werden. |
8. | Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daà im StrahlengaÏg der Projektion des Musters für die Vermessung des Objekts (1.1 ) ein Strahlteiler (2.8) angeordnet ist, sodaà das auf dem Musterträger (2.5) aufgebrachte Muster gleichermaÃen zur Vermessung des Objekts verwendet wird und auf einer starr mit dem Grundgestell (3.3) verbundenen und in ihrer räumlichen Erstreckung bekannten Oberfläche (3.12) abgebildet wird. |
9. | Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daà durch optische Mittel (3.1 1 ) das auf die Oberfläche (3 12) projizierte Muster auf dem Bildwandler (3 5) abgebildet wird . |
10. | Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daà es sich bei der Oberfläche (3.12) um eine Mattscheibe handelt. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daà es sich bei den optischen Mitteln (3 1 1 ) um einen Spiegel handelt, Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daà a) es sich bei den optischen Mitteln (3 1 1 ) um einen Strahlteiler handelt, der den gesamten Strahlengang abdeckt, b) mindestens zwei Einzelaufnahmen im Verlauf des Aufnahmevorgangs angefertigt werden und c) zusatzlich schaltbare optische Mittel an zwei optischen Achsen des Strahlteilers angeordnet werden, die synchron zur Bildwechselfrequenz des Bildwandlers abwechselnd optisch durchlassig und undurchlässig geschaltet werden Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daà a) mindestens zwei Einzelaufnahmen im Verlauf des Aufnahmevorgangs angefertigt werden, b) die geometrische Anordnung der Mittel (2 1 bis 2 7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3 1 bis 3 5) für die Bildaufnahme für die Aufnahme eines Einzelbildes bekannt ist, c) für wesentliche Bereiche des Objekts, für die bereits in dieser Bildaufnahme die mit bekannter geometrischer Anordnung der Mittel (2 1 bis 2 7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3 1 bis 3 5) für die Bildaufnahme durchgeführt wurde , eine ausreichende Anzahl von 3DKoordιnaten von Oberflachenbereichen gebildet werden konnte, für die auch in den nachfolgenden Einzelbildern entsprechende Bildinformationen vorliegen und c) die geometrische Anordnung der Mittel (2 1 bis 2 7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3 1 bis 3 5) für die Bildaufnahme aus dem Vergleich der aus den Einzelbildern stammenden Daten bezüglich der Informationen hinsichtlich gleichermaÃen abgebildeter Oberflachenbereiche des Objekts unter Verwendung numerischer Algorithmen berechnet wird 12 Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daà die geometrische Anordnung der Mittel (2 1 bis 2 7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3 1 bis 3 5) für die Bildaufnahme für die Aufnahme eines Einzelbildes dadurch bekannt ist, daà die Positionierstifte (3 10) abgesteckt wurden 13 Verfahren nach Anspruch 1 1 dadurch gekennzeichnet, daà es sich bei den verwendeten numerischen Algorithmen, die die geometrische Anordnung der Mittel (2 1 bis 2 7) für die Projektion des Musters gegenüber den Mitteln (3 1 bis 3 5) für die Bildaufnahme berechnen, um Verfahren nach einer optimierenden Evolutionsstrategie handelt 14 Verwendung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für die medizinische Diagnostik, Therapie oder Dokumentation 15 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daà mindestens ein Bildwandler (3 5) als CCDArray ausgebildet ist 16 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15, dadurch gekennzeichnet, daà das Grundgestell (2 3) oder der Trager (2 2) mindestens zwei der Mittel (2 4 bis 2 7) starr verbindet 17 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daà das Grundgestell (3 3) oder der Trager (3 2) die Mittel (3 4 und 3 5) starr verbindet 18 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet daà der Trager (2 2) mit seinen Aufbauten mit dem Grundgestell (2 3) losbar verbunden und im übrigen derart ausgebildet ist, daà er sich für eine separate Sterilisation bzw Desinfektion eignet Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 bis 18 dadurch gekennzeichnet daà der Trager (3 2) mit seinen Aufbauten mit dem Grundgestell (3 3) losbar verbunden und im übrigen derart ausgebildet ist, daà er sich für eine separate Sterilisation bzw Desinfektion eignet Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daà an dem Trager (3 2) mindestens ein Linsensystem zur optischen Abbildung des Objekts (1 1) auf dem Bildwandler (3 5) befestigt ist Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daà an dem Trager (2 2) mindestens ein Linsensystem zur optischen Projektion des Musters auf das Objekt (1 1 ) befestigt ist Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daà der Trager (2 2) mindestens über eine optische Umlenkeinrichtung (2 1 ) verfugt Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daà der Trager (3 2) mindestens über eine optische Umlenkeinrichtung (3 1 ) verfugt Verwendung der Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 15 bis 23 für invasive medizinische Zwecke. |
Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten durch optische Aufnahmen, aufprojizierte Muster und Triangulationsberechnungen, bei dem die Einrichtungen für die Projektion des Musters und für die Bildaufnahme voneinander getrennt aufgebaut sind und für die Vermessung unabhängig voneinander positioniert werden können
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für ein solches Verfahren
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, deren Ausgangssignale unmittelbar nach einer Digita sierung gespeichert oder ausgewertet werden können
Bekannt sind Verfahren und Vorrichtungen zur Darstellung und optischen dreidimensionalen Vermessung von räumlichen Oberflachen Sie basieren auf
Triangulationsverfahren, bei denen unter einem bestimmten Winkel Punkt-, Linien¬ oder beliebige andere Muster auf die betrachtete Oberfläche projiziert werden und die projizierten Muster unter einem anderen Blickwinkel mit einer Optik und einem Bildwandler aufgenommen werden Die bekannte Geometrie zwischen Projektionsrichtung und Aufnahmerichtung erlaubt die dreidimensionale Berechnung von Stutzpunkten der Oberflache
Projiziert man auf ein Objekt mit raumlichen Erstreckungen beispielsweise ein gleichmaÃiges Linienmuster, ergibt sich bei einer von der Projektionsrichtung verschiedenen Blickrichtung aufgrund der Oberflachengestalt 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, ist es möglich, an verschiedenen Stellen des Bildes die Linien zu identifizieren und bei Kenntnis des optischen Strahlengangs und unter Berücksichtigung der geometrischen Ausbildung des projizierten Linienmusters über Triangulation 3D-KoordιnateÏ zu errechnen
Es gehört zum Stand der Technik, bei der Aufnahme mehrerer Einzelbilder mit unterschiedlicher Aufnahmerichtung, die gewonnenen Tei nformationen über dreidimensionale Oberflachen anhand der 3D-Koordιnaten übereinstimmender
Oberflachensegmente mittels sogenannter "Matching-AlgoÏthmen" zu einer Gesamtinformation zu kombinieren
Nun ist es beispielsweise für endoskopische Untersuchungen wünschenswert
a) getrennte Einheiten für die Projektion des Musters und für die Bildaufnahme zu verwenden und diese mit einer frei wahlbaren Ausrichtung gegenüber der zu vermessenenden Oberflache einzusetzen Um für die Triangulationsberechnung
relevante Daten zu erhalten darf hierbei ein minimaler Winkel zwischen der Ausrichtung der beiden Einheiten nicht unterschritten werden,
b) sofern eine Folge von Einzelbildern aufgenommen wird, wahrend des AufnahmevorgaÏgs die Position und Ausrichtung der beiden Einheiten gegenüber dem Objekt, zur Vereinfachung der Handhabung, unabhängig voneinander zu verandern, beispielsweise um weitere Oberflachenbereiche durch zusätzlichen BildaufÏahmen vermessen zu können
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren und die Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem die Position und Orientierung der Aufnahmeeinheit und der Projektionseinheit zueinander bestimmt werden kann und für den Fall, daà mehr als eine Aufnahme zweckdienlich ist, die im Verlauf des Aufnahmevorgangs erfolgte unabhängige Bewegung der beiden Einheiten zueinander zuverfolgen Für die Triangulationsberechnung muà dann der für das jeweilige Einzelbild ermittelte geometrische Zusammenhang zwischen Bildaufnahme und Musterprojektion berücksichtigt werden
Die Aufgabe wird erfindungsgemaà bei dem Verfahren dadurch gelost, daà unter Verwendung
a) eines flächigen elektronischen Bildwandlers ein Aufnahmevorgang durchgeführt wird,
b) einer Strahlquelle und geeigneten optischen Mitteln ein Muster unter einem von der Aufnahmerichtung verschiedenen Winkel auf das zu vermessende Objekt projiziert wird,
c) einer geeigneten Einheit die Ausgangssignale des Bildwandlers digitalisiert werden und diese Daten einer Datenverarbeitungsanlage zur Verfügung gestellt werden,
d) einer Datenverarbeitungsanlage mittels geeigneter Schaltungen und/oder Algorithmen aus den Bilddaten der Einzelbilder über Triangulationsberechnungen 3D-Koordιnaten von Punkten der Oberfläche des zu vermessenden Objekts bestimmt werden,
weitere Einrichtungen derart vorgesehen und/oder die zum Einsatz kommenden Verfahren und/oder Einrichtungen derart ausgebildet werden, daà die Position und Ausrichtung der Aufnahmeeinheit und der Projektionseinheit zueinander bestimmt werden kann Ist die Position und Ausrichtung beider Einheiten für die Aufnahme eines Einzelbildes zueinander bekannt, können in der bekannten Art und Weise für eine Anzahl von Punkten der Oberflache über Triangulationsberechnung 3D- Koordinaten ermittelt werden
Es ist erfindungsgemaà vorteilhaft zu diesem Zweck zusätzliche Einrichtungen zu verwenden, um die Position und Ausrichtung der Aufnahmeeinheit und der
Projektionseinheit zueinander zu messen
Dies kann erfindungsgemaà vorteilhaft sowohl direkt als auch indirekt, sowohl tastend oder mit den MeÃmitteln verbunden als auch beruhrungslos, beispielsweise auf optischem Weg erfolgen
Sollen nun zusatzliche Informationen als zu den aus einer Einzelaufnahme akquiÏerten Informationen über das Objekt erfaÃt werden, muà die Aufnahmeeinheit in der Lage sein eine Folge von Einzelbildern aufzunehmen Für die erfinduÏgsgemaÃe Aufgabe, daà die Projektionseinheit und die Aufnahmeeinheit im
Verlauf des Aufnahmevorgangs unterschiedlich bewegt werden, müssen die Einrichtungen und/oder Verfahren erfindungsgemaà vorteilhaft derart ausgebildet sein, daà auch für die Folgebilder die geometrische Anordnung der Aufnahmeeinheit und der Projektionseinheit zueinander bestimmt werden kann
Dies kann erfindungsgemaà vorteilhaft dadurch gewahrleistet werden, daà die oben genannten MeÃmittel auch zum Zeitpunkt der zusätzlich durchgeführten Aufnahmen ausgewertet und die MeÃergebnisse in der beschriebenen Art und Weise in der Triangulationsberechnung berücksichtigt werden
Fur den Fall, daà in der Folge der Einzelbilder das Objekt derart aufgenommen wird, daà die aus dem Einzelbild ermittelten 3D-Koordιnaten zu einem nennenswerten Anteil übereinstimmende Oberflachensegmente beschreiben, können - wie oben beschrieben - die jeweiligen 3D-lnformatιonen durch zum Stand der Technik gehörende "Matchmg-AlgoÏtmen" kombiniert werden
Erfolgt die Aufnahme der Einzelbilder in schneller Folge, kann bei entsprechender Handhabung der Einheiten davon ausgegangen werden, daà - erstens - der Anteil übereinstimmender Oberflachensegmente ausreichend ist und - zweitens - die geometrische Zuordnung der Aufnahmeeinheit und der Projektionseinheit zueinander nur in MaÃen gegenüber der vorherigen Aufnahme verändert wurde
War also die Zuordnung beider Einheiten bei beispielsweise der ersten Aufnahme bekannt und konnte eine nennenswerte Anzahl von die Oberflache beschreibenden
3D-Koordιnaten berechnet werden, dann unterscheiden sich die in der nächsten Aufnahme enthaltenen Informationen in folgenden Komponenten
a) die 3D-Koordιnaten der übereinstimmenden Oberflachensegmente können linear in den drei Raumrichtungen versetzt abgebildet sein,
b) die 3D-Koordιnaten der übereinstimmenden Oberflachensegmente können bezogen auf die drei Raumrichtungen rotativ versetzt abgebildet sein,
c) die relative Position der AufnahmeeiÏheit und der Projektionseinheit zueinander kann linear in den drei Raumrichtungen zueinander verändert worden sein,
d) die relative Position der Aufnahmeeinheit und der Projektionseinheit zueinander kann bezogen auf die drei Raumrichtungen rotativ verändert worden sein,
Diese Veranderungsmoglichkeiten werden im folgenden zum Zwecke der Verallgemeinerung der Aussagen auch als "Freiheitsgrade" bezeichnet
Zum Stand der Technik in dem Fachgebiet der grafischen Datenverarbeitung gehören Matching-AlgoÏthmen, die aus unterschiedlichen Datensätzen von 3D-Koordιnaten die Schnittmenge derjenigen Daten bilden, die übereinstimmenden OberflacheÏsegmenten zuzuordnen sind, und die die vorstehend gelisteten möglichen Veränderungen a) und b) variieren und derart optimieren, daà die Schnittmenge der jeweiligen 3D-t ) aten beider Datensatze unter Berücksichtigung der entsprechenden Verschiebungen und Drehungen optimal ineinander passen Voraussetzung hierfür ist daà die vorstehend gelisteten Veränderungen c) und d) bekannt sind
Aus der numerischen Mathematik sind Algorithmen bekannt, die eine endliche Anzahl von Freiheitsgraden systematisch variieren und unter Berücksichtigung eines oder mehrerer Gutekriterien optimieren Bei einer systematischen Variation potenziert sich jedoch der Rechenaufwand mit jedem zusätzlichen Freiheitsgrad
Aus der Bionik sind im Zusammenhang mit dem Stichwort "Evolutionsstrategien" rekursiv gestufte Verfahren bekannt, die durch stochastische Variation der Freiheitsgrade und stufenweiser Auswahl der jeweils besten Variante unter der Voraussetzung, daà die auszuwertenden Informationsmengen im wesentlichen ähnlich sind erstaunlich schnell einer optimalen Losung zustreben
Es ist in diesem Sinne erfindungsgemaà vorteilhaft zur Losung der erfindungsgemaÃen Aufgabe erweiterte Matching-AlgoÏthmen derart zu verwenden, daÃ
. erstens - in einem rekursiven numerischen Prozeà zunächst mehrfach sogenannte "Nachkommen"-Varιanten durch stochastische Variation der vorstehend genannten Freiheitsgrade c) und d) gebildet werden,
- zweitens - für jede Nachkommen-Variante der 3D-Datensatz unter Berücksichtigung der getroffenen Annahmen für die Freiheitsgrade c) und d) aus den Bildinformationen durch Triangulation in bekannter Weise berechnet werden,
drittens - für jede Nachkommen-Variante in einer Matching-Berechnung in bekannter Art und Weise aus den unterschiedlichen Datensätzen von 3D- Koordmaten die Schnittmenge derjenigen Daten gebildet werden, die übereinstimmenden Oberflachensegmenten zuzuordnen sind, und die vorstehend gelisteten Freiheitsgrade a) und b) derart variiert und optimiert werden, daà die gebildete Schnittmenge der jeweiligen 3D-Daten beider Datensatze sich optimal unter Berücksichtigung der jeweils gewählten geometrischen Veränderung bezuglich der Freiheitsgerade a) und b) ineinander transformieren laÃt,
viertens - aus den Nachkommen-Varianten im Sinne einer Evolution diejenige ausgewählt wird die die maximal erreichte Gute hinsichtlich der Ãbereinstimmung der dasselbe Oberflachensegment beschreibenden Daten aus beiden Datensätzen aufweist,
- fünftens - entsprechend der beschriebenen Evolutionsstrategie ausgehend von den getroffenen Annahmen für die Freiheitsgrade c) und d) der zuvor ausgewählten besten Nachkommen-Variante mit reduzierten Grenzen die Freiheitsgrade c) und d) wieder in verschiedenen Varianten neue Nachkommen der nächsten Generation erneut stochastisch variiert werden und entsprechend den o g fünf Punkten - erstens bis fünftens - solange rekursiv verfahren wird, bis die VaÏationsgrenzen der Freiheitsgrade c) und d) und die Unterschiede zwischen den Generationen bzgl der in jedem Durchlauf erreichten maximalen Gute hinreichend klein werden
Im Ergebnis sind alle benotigten Informationen mit ausreichender Genauigkeit bekannt
Es ist erfindungsgemaà vorteilhaft, die Einrichtungen für die Projektion des Musters und für die Bildaufnahme derart auszubilden, daà diese wahrend der Aufnahme des ersten Einzelbildes starr und in eindeutiger Position und Orientierung miteinander verbunden sind Im weiteren Verlauf der Aufnahme wird die Verbindung gelost und damit eine voneinander unabhängige Bewegung ermöglicht Die zusatzlichen dreidimensionalen Vermessungswerte des Objekts können dann für jede neue
Bildaufnahme mit dem vorstehend beschriebenen erweiterten Matching-Algorithmus berechnet werden und wie oben beschrieben zu einer Gesamtinformation kombiniert werden.
Es ist alternativ erfindungsgemaà vorteilhaft, die geometrische Anordnung der
Projektionseinheit und der Aufnahmeeinheit zueinander dadurch zu messen, daà das verwendete Muster sowohl auf das Objekt als auch auf die Bildaufnahmeeinheit projiziert wird und das sich auf einer definierten starr mit der Bildaufnahmeeinheit verbundenen Oberfläche ergebende Muster durch einen Bereich des Bildwandlers aufgenommen wird In diesem Sinne kann der Bildwandler mit einem Teil seines flächigen Sichtfelds das Objekt und mit dem anderen Teil das auf die Bildaufnahmeeinheit selbst projizierte Muster aufnehmen.
Bei der Auswertung der Bildinformation wird dann erfindungsgemäà vorteilhaft zunächst aus der Verzerrung des auf die beispielsweise ebene und als Mattscheibe ausgebildete Oberfläche der Bildaufnahmeeinheit projizierten Musters die geometrische AnorduÏg der beiden Einheiten zueinander über Triangulation errechnet und im weiteren unter Berücksichtigung der Zuordnung der beiden Einheiten zueinander in oben beschriebener Art und Weise das Objekt räumlich vermessen.
Aus der deutschen Patentanmeldung "Verfahren zur Erhöhung der Signifikanz der dreidimensionalen Vermessung von Objekten" vom 12. 9 1996 desselben Anmelders ist ein Verfahren bekannt, bei dem kodierte Muster auf das Objekt zur Vermeidung von Mannigfaltigkeiten bei Triangulationsberechnungen projiziert werden.
Es ist erfindunggemaà besonders vorteilhaft derart kodierte Muster für die Bestimmung der Zuordnung der Projektionseinheit und der Aufnahmeeinheit zueinander zu verwenden.
Aus der deutschen Patentanmeldung 196 36 354 3 desselben Anmelders ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei dem durch synchron zur Bildwechselfrequenz des Bildwandlers gestellte optische Mittel Strahlengänge abwechselnd wirksam oder unwirksam geschaltet werden können.
Es ist erfindungsgemaà besonders vorteilhaft, die Blickrichtung der Aufnahmeeinheit in diesem Sinne beispielsweise durch zwei flachig wirksame LCD-Einheiten - die beispielsweise an zwei optischen Achsen eines Strahltellers angeordnet werden - synchron zur Bildwechselfrequenz des Bildwandlers abwechselnd optisch durchlassig und undurchlässig zu schalten Dies hat den Vorteil, daà zum Zwecke der
Bestimmung der geometrischen Zuordnung der Projektions- zur Aufnahmeeinheit das Sichtfetd des Bildwandlers und damit die Auflosung bei der Abbildung des Objekts nicht reduziert werden muÃ
Es ist erfindungsgemaà vorteilhaft zusätzlich weitere optische Mittel zur Projektion eines beispielsweise unterschiedlichen Musters auf die Bildaufnahmeeinheit auf der Projektionseinheit anzuordnen
Es kann alternativ zu der oben beschriebenen starr mit der Aufnahmeeinheit gekoppelten Oberflache erfindungsgemaà vorteilhaft das Muster auf eine getrennt angeordnete Oberflache mit bekannter räumlicher Erstreckung zum Zwecke der Bestimmung der Zuordnung der Aufnahme- und Projektionseinheit zueinander projiziert und auf dem Bildwandler der Aufnahmeeinheit abgebildet werden
Es kann erfindungsgemaà vorteilhaft eine zweite Aufnahmeeinheit zum Zwecke der
Bestimmung der Zuordnung der Aufnahme- und Projektionseinheit zueinander angeordnet werden
Sämtliche in dieser Erfindung beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung können erfindungsgemaà besonders vorteilhaft in vielfaltiger Art und
Weise miteinander kombiniert werden
Die Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten der eingangs beschriebenen Art lost die Aufgabe gemäà der Erfindung durch die Merkmale, daÃ
a) mindestens ein flächiger elektronischer Bildwandler unter Verwendung einer zur Aufnahme von Bildern geeigneten Optik verwendet wird,
b) mindestens eine Einrichtung verwendet wird, die die Digitalisierung der Ausgangssignale des mindestens einen Bildwandlers bewirkt und diese Daten einer Datenverarbeitungsanlage zur Verfugung stellt,
c) mindestens eine Einrichtung verwendet wird, die die Projektion eines Musters erlaubt,
d) die Einrichtungen zur Projektion des Musters und zur Bildaufnahme unabhängig voneinander aufgebaut sind,
e) mindestens eine Datenverarbeitungsanlage unter Verwendung geeigneter Schaltungen und/oder Algorithmen sich für die Berechnung von 3D-Koordιnaten nach dem Triangulationsverfahren eignet und
f) sich mindestens eine Einrichtung für die Bestimmung der geometrischen
Zuordnung zwischen der Projektionseinheit und der Aufnahmeeinheit eignet
Bei einer erfindungsgemaà besonders vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung eignet sich die Bildaufnahmeeinheit für die Aufnahme von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Bildern
Eine erfindungsgemaà besonders vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung sieht Einrichtungen vor, die die Daten von mindestens zwei Einzelbildern speichern können
Eine erfindungsgemaà besonders vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung sieht Einrichtungen vor, die die Daten von mindestens zwei Einzelbildern verarbeiten und in der Lage sind, diese mittels geeigneter Schaltungen und/oder Algorithmen zu kombinieren
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmoglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen Fig 1 , 2, 3 und 4 Es zeigen
Fig 1 schematisch eine Ausfuhrungsform der Aufnahmeeinrichtung mit voneinander getrennter Projektions- und Aufnahmeeinheit, welche hier zum Zwecke der Aufnahme eines ersten Bildes unter definierten geometrischen Bedingungen bzgl Projektions- und Aufnahmerichtung mit Hilfe von Positionierstiften zusammengekoppelt sind
Fig 2 die gleiche Vorrichtung wie Fig 1 , jedoch entkoppelt zur
Durchfuhrung weiterer Aufnahmen
Fig 3 schematisch eine weitere Ausfuhrungsform der
AufnahmeemÏchtung mit voneinander getrennter Projektions- und Aufnahmeeinheit, gekennzeichnet durch die zusatzliche Projektion desselben Musters über einen zweiten Strahlengang der Projektionseinheit direkt auf eine Mattscheibe der Aufnahmeeinheit, dies zum Zwecke der standigen Berechnung ihrer geometrischen Situation zueinander
Fig 4 beispielhaft eine Ausfuhrungsform eines kodierten Musters
Die Projektions- und Aufnahmeeinheiten in den Ausfuhrungsformen gemäà Fig 1 , 2 und 3 sind zur Vereinfachung der Beschreibung ohne bekannte, selbstverständliche Vorrichtungsteile nur schematisch wiedergegeben Zur Vereinfachung der Beschreibung wurde zudem darauf verzichtet, Ausfuhrungsformen von Vorrichtungstellen, die zum Stand der Technik gehören, wie bestimmte
Ausfuhrungsformen von Verbindungen oder der Fixierung von Teilen, im Detail zu beschreiben
In der Ausfuhrungsform der Fig 1 sind mit dem Grundgestell (2 3) der Projektionseinheit starr verbunden Die Strahlquelle (2 7), die optischen Mittel (2 4 und 2 6) und der Mustertrager (2 5) In der hier gezeigten Ausfuhrungsform handelt es sich bei den optischen Mitteln um eine Strahlquelle (2 7), mit welcher sich das Ob j ekt flachig beleuchten laÃt, einen Kondensor (2 6) sowie einen Mustertrager auf welchem sich das Muster (eingeatzt oder in Form eines Dias) befindet Der Trager (2 2) ist aus hygienischen Gründen (zum Zwecke der Desinfektion) losbar mit dem Grundgestell (2 3) verbunden Die Verbindung des Tragers (2 2) mit dem GruÏdgestell (2 3) ist derart ausgebildet, daà nach einem Wechsel des Tragers (2 2) sich dessen vorgesehene geometrische Position exakt (ohne Justage) wieder ergibt Das auf dem
Mustertrager (2 5) befindliche Muster wird vermittels einer Strahlumlenkung (2 1 ) auf das aufzunehmende Objekt (1 1 ) projiziert Um für die 3D-Berechnung relevante Informationen zu bekommen, ist ein projiziertes Linienmuster quer zu der von dem TÏangulationswinkel aufgespannten Ebene gestreift
Mit dem Grundgestell (3 3) der Aufnahmeeinheit sind starr verbunden Das optische Mittel (3 4), der elektronische Bildwandler (3 5) sowie die Positionierstifte (3 10) Der Trager (3 2) ist aus hygienischen Gründen (zum Zwecke der Desinfektion) losbar mit dem Grundgestell (3 3) verbunden Die Verbindung des Tragers (3 2) mit dem Grundgestell (3 3) ist derart ausgebildet, daà nach einem Wechsel des Tragers (3 2) sich dessen vorgesehene geometrische Position exakt (ohne Justage) wieder ergibt Der elektronische Bildwandler (3 5) ist als CCD-Array ausgebildet und über die elektrischen Verbindungen (3 9) mit der Ansteuerheit (3 6), dem A/D-Wandler (3 7) und der Datenverarbeitungseinheit (3 8) verbunden Die vom Objekt (1 1 ) reflektierten Strahlen werden vermittels des optischen Mittels (3 4), in diesem Fall eines Objektives auf dem Bildwandler (3 5) abgebildet
Zur Durchfuhrung der ersten Aufnahme werden Projektions- und AufÏahmeeinheit mithilfe zweier Positionierstifte (3 10) in eine definierte Position zueinander gebracht Der somit bekannte Triangulationswinkel erlaubt die Berechnung der 3D-KoordιnateÏ des aufgenommenen Bildes
Die Fig 2 zeigt die gleiche Projektions- und Aufnahmeeinheit, jedoch in entkoppeltem Zustand nach Durchfuhrung der ersten Aufnahme einer Bildfolge von Aufnahmen desselben Objekts Es können nun weitere Bilder von zusätzlichen Bereichen des Objekts und/oder aus veränderter Blickrichtung aufgenommen werden Infolge der hohen Aufnahmefrequenz beispielsweise in der gezeigten Ausgestaltung von 50 Hz, kann von einer hohen, in jedem Fall ausreichenden Ãberlappung der Bilder ausgegangen werden welche es erlaubt, mittels geeigneter Matching-AlgoÏthmen und numerischer Verfahren die sich gegenüber der jeweils vorhergehenden Aufnahme verändernde relative Position von Projektions- und Aufnahmeeinheit zueinander als auch zum Objekt und damit auch beispielsweise den jeweilig relevanten Triangulationswinkel zu berechnen Dies ermöglicht die Erfassung von 3D- Koordinaten eines Objektes, welche mit einer Einzelaufnahme nicht hatten erfaÃt werden können
Die Fig 3 zeigt eine Ausfuhrungsform, bei welcher vermittels der Projektion desselben
Musters über einen zweiten - auÃerhalb der (invasiv) in Anwendung kommenden Vorrichtungsteile - geführten Strahlengang von der Projektionseinheit zur AufnahmeeiÏheit die relative Position von Projektions- und Aufnahmeeinheit zueinander zum Zeitpunkt jeder Aufnahme bekannt ist Bei dieser Ausfuhrungsform wird das Muster über einen Strahlteiier (2 8) um 90° Grad umgelenkt und durch eine an der Projektionseinheit befindliche Linse (2 9) mit divergentem Strahlengang auf eine auf der Aufnahmeeinheit angeordnete Mattscheibe (3 12) projiziert Das sich hierdurch ergebende Abbild eines Teils des Musters wird über eine Strahlumlenkung (3 1 1 ) um 90° Grad derart in den Strahlengang des Tragers der Aufnahmeeinheit gelenkt, daà es auf einer Hälfte des flächigen Sichtfeldes des elektronischen
Bildwandlers (3 5) abgebildet wird Durch Auswertung der Signifikaten Mustersegmente des Abbildes vermittels geeigneter numerischer Verfahren in der Datenverarbeitungseinheit (3 8) ist die relative Lage von Projektions- zu Aufnahmeeinheit für jede einzelne Aufnahme bekannt Die erreichbare Genauigkeit der 3D-Koordιnaten kann mit dieser Ausfuhrungsform gegenüber der vorstehend beschrieben insbesondere bei komplexen Objekten, deren 3D-Koordιnaten sich nur durch die Auswertung einer Vielzahl von Aufnahmen berechnen lassen signifikant gesteigert werden
Die Fig 4 zeigt beispielhaft eine Ausfuhrungsform des Musters, durch welche aufgrund der unterschiedlichen Ausfuhrung eines jeden einzelnen konzentrischen Elements (Kodierung) Mannigfaltigkeiten bei der Triangulationsberechnung vermieden werden können
Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist im tnvasiv-medizinischen Bereich zu sehen Für die optische dreidimensionale Erfassung beispielsweise eines Organs im menschlichen Korpers fuhrt man den vorderen Teil des Tragers (2 3) sowie des Tragers (3 2) beispielsweise durch die Bauchdecke ein, startet den
Aufnahmevorgang durch ein in den Abbildungen nicht gezeigtes, im Rahmen der Datenverarbeitungseinheit (3 8) verfugbares Betatigungselement und bewegt im Verlauf des Aufnahmevorgangs die Projektions- und Aufnahmeeinheit derart, daà nach und nach alle relevanten Oberflachenbereiche des Objekts (1 1 ) sowohl auf dem Bildwandler (3 5) abgebildet als auch gleichermaÃen von der Projektion des
Linienmusters erfaÃt werden Man beendet den Aufnahmevorgang durch eine weitere Betätigung des vorstehend genannten Betatigungselements
In der Folge der aufgenommenen Einzelbildinformationen befinden sich jetzt die Abbilder des aufgrund der Oberflachengestalt des Objekts (1 1 ) verzeichneten
Linienmusters Aus der Verzeichnung des Linienmusters lassen sich bei Kenntnis des optischen Strahlengangs und unter Berücksichtigung der geometrischen Ausbildung des projizierten Linienmusters für die entsprechenden Einzelaufnahmen für eine
Vielzahl von Stutzpunkten 3D-Koordιnaten errechnen Aus der Folge der den Einzelbildern zugeordneten 3D-Koordιnaten lassen sich im weiteren die 3D-
Koordinaten in der oben beschriebenen Art und Weise kombinieren, so daà im
Ergebnis trotz der Begrenzungen der Projektionsflache und des Sichtfelds der
Aufnahmeeinheit die 3D-Koordιnaten der gesamten untersuchten Oberflache vorliegen Hierbei sind InformatioÏslucken aufgrund von Hinterschneidungen nicht mehr vorhanden Durch eine online-Berechnung und -Anzeige der jeweiligen
Zwischenergebnisse kann der Bediener zudem die Fuhrung der Aufnahmevorrichtung von Hand optimieren
Die hier gezeigten Ausfuhrungsformen zeichnen sich u a dadurch aus, daÃ
a) in der Projektions- und Aufnahmeeinheit keine bewegten Teile Verwendung finden,
b) der optische Aufbau einfach ausgebildet ist,
d) sich auÃer für die Trager (2 2 und 3 2), die Grundgestelle (2 3 und 3 3) und den Mustertrager zur Projektion des Musters (2 5) handelsübliche Hardware- Komponenten verwenden lassen,
Aus der deutschen Patentanmeldung 196 36 354 3 desselben Anmelders ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei dem durch synchron zur Bildwechselfrequenz des Bildwandlers optische Mittel derart gestellt werden, daà abwechselnd ein Muster auf die zu vermessende Oberflache projiziert und die betrachtete Oberflache vollständig ausgeleuchtet wird
Bei einer erfindungsgemaà besonders vorteilhaften Ausbildung der Aufnahmevorrichtung werden in dem vorstehenden Sinne zusätzliche Mittel derart angeordnet und gestellt, daà aus einer Folge von Einzelbildern sowohl 3D-
Informationen als auch beispielsweise farbige Ansichten der erfaÃten Oberflache gewonnen werden können
Bezugszeichenliste
1.1 Objekt mit dreidimensionaler Erstreckung
Projektionseinheit
2.1 Strahlumlenkung (Spiegel)
2.2 Träger (hier ausgeführt als Körper aus optischem Glas)
2.3 Grundgestell
2.4 Optische Mittel (Objektiv)
2.5 Musterträger (mit eingeätztem Muster oder z. B. Dia)
2.6 Optische Mittel (Kondensor)
2.7 Strahlquelle
2.8 Strahlteiler
2.9 Optische Mittel (Linse)
3. Aufnahmeeinheit
3.1 Strahlumlenkung (Spiegel)
3.2 Träger (hier ausgeführt als Körper aus optischem Glas)
3.3 Grundgestell
3.4 Optische Mittel (Objektiv)
3.5 Elektronischer Bildwandler (CCD-Array)
3.6 Ansteuereinheit
3.7 A/D-Wandler (Frame-Grabber)
3.8 Datenverarbeitungseinheit
3.9 Elektrische Verbindungen
3.10 Positionierstifte
3.11 Strahlumlenkung (Umlenkprisma)
3.12 Mattscheibe