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DE102012002161A1 - Method for three-dimensional optical surface measurement of objects by measurement device, involves projecting spectral narrow band optical patterns on object, and detecting patterns as location-differing image pattern of object surface - Google Patents

Method for three-dimensional optical surface measurement of objects by measurement device, involves projecting spectral narrow band optical patterns on object, and detecting patterns as location-differing image pattern of object surface Download PDF

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DE102012002161A1
DE102012002161A1 DE201210002161 DE102012002161A DE102012002161A1 DE 102012002161 A1 DE102012002161 A1 DE 102012002161A1 DE 201210002161 DE201210002161 DE 201210002161 DE 102012002161 A DE102012002161 A DE 102012002161A DE 102012002161 A1 DE102012002161 A1 DE 102012002161A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
pattern
patterns
projected
measurement
measured
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE201210002161
Other languages
German (de)
Inventor
Prof. Dr. habil. Kowarschik Richard
Martin Schaffer
Marcus Große
Bastian Harendt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Original Assignee
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU filed Critical Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority to DE201210002161 priority Critical patent/DE102012002161A1/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

The method involves projecting multiple different spectral narrow band optical patterns to be changed and having higher image rate on the three-dimensional object surface to be measured. The projected different patterns with their changes are detected by a detector as location-differing corresponding image pattern of the object surface to be measured and are evaluated for gaining three-dimensional information of the object (1). Light waves of the spectral narrow band optical pattern are changed during the exposure time of the detector by a phase variation. The spectral narrow band optical patterns with their light wave changes are projected on the object and are detected by the detector as location-differing corresponding image pattern of the object surface to be measured. An independent claim is included for a device for three-dimensional measurement of objects.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellstmöglichen und hochgenauen 3D-Messung von Objekten, bei dem spektral schmalbandige Muster auf das zu vermessende Objekt projiziert werden, die von im Standort unterschiedlichen Bildansichten als korrespondierende Bildmuster des Objekts, beispielsweise durch Kameras, detektiert werden, wobei erfindungsgemäß auftretendes subjektives Specklerauschen zur Erhöhung des bildseitigen Signal-Rausch-Verhältnisses und somit zur weiteren Erhöhung der Auswertegenauigkeit unterdrückt wird. Aus dem Vergleich dieser unterschiedlichen Bildmuster werden Rauminformationen für die dreidimensionale Rekonstruktion des Objektes gewonnen.The invention relates to a method for the fastest possible and highly accurate 3D measurement of objects, in which spectrally narrow-band patterns are projected onto the object to be measured, which are detected by corresponding different image views of the object as corresponding image patterns of the object, for example by cameras subjective Specklerauschen to increase the image-side signal-to-noise ratio and thus to further increase the evaluation accuracy is suppressed. From the comparison of these different image patterns, spatial information for the three-dimensional reconstruction of the object is obtained.

In vielen Bereichen sind optisch messende 3D-Messsysteme erforderlich. Sie werden beispielsweise für die Qualitätskontrolle in Fließbandanwendungen, biometrische Aufzeichnungen sowie architektonische und kunsthistorische Bestandsaufnahme, Archivierung, Rekonstruktion und Replikation verwendet. Vor allem in zuletzt genanntem Anwendungsfeld befinden sich die Messobjekte oft in für die 3D-Vermessung ungünstigem Umgebungslicht. Der Einsatz von Projektoren für die strukturierte Beleuchtung unter solch ungünstigen Bedingungen ist jedoch aufgrund der technischen Limitierungen (geringe Lichtleistung) aktuell verfügbarer Projektoren nicht möglich, da der Kontrast zwischen Umgebungslicht und projiziertem Muster zu klein ist, um auswertbare Daten zu erhalten. Deshalb wird für solche Aufgaben (bspw. im Außenbereich bei Sonnenlicht) oftmals auf Messverfahren zurückgegriffen, die keine strukturierte Beleuchtung der Vermessungsobjekte vorsehen. Im Allgemeinen zeichnen sich jedoch Verfahren ohne strukturierte Beleuchtung oder sequentielle Projektion von Mustern durch eine geringere Messgenauigkeit aus, da sie allein auf die dem Objekt immanente Textur angewiesen sind. Gezwungenermaßen wird deshalb oft mit reduzierter Genauigkeit gemessen, obwohl prinzipiell genauer messende Verfahren bekannt sind. Im Detail besteht für die Verwendung von strukturierter Beleuchtung also die Schwierigkeit darin, eine bestmögliche Trennung zwischen dem projizierten Muster und dem Umgebungslicht zu gewährleisten. Für derlei Anwendungen kann zur Musterprojektion eine spektral schmalbandige Lichtquelle, z. B. eine Laserquelle, eingesetzt werden, deren Licht zum einen bildseitig filterbar ist, und die andererseits hohe Lichtausgangsleistungen realisiert. Durch die hohen Lichtausgangsleistungen sind derartige Musterprojektoren auch für die 3D-Vermessung von schwach streuenden Objekten im Innenbereich sehr interessant. Aufgrund der spektralen Schmalbandigkeit dieser Quellen, entstehen allerdings auf der Detektorfläche neben der projizierten Musterstruktur parasitär auftretende, störende subjektive Specklemuster, welche von der Oberflächenstruktur und der Detektorkonfiguration abhängig sind, und die 3D-Vermessung in ihrer Genauigkeit verschlechtern. In diesem Kontext ist daher die Entwicklung eines schmalbandigen Projektionssystem mit hoher Projektionsrate, welche kein subjektives Specklerauschen in den Detektoren verursacht, für hochgenaue und robuste messende Systeme sowie viele Anwendungsbereiche erforderlich.In many areas optically measuring 3D measuring systems are required. They are used, for example, for quality control in assembly line applications, biometric recordings as well as architectural and art historical inventory, archiving, reconstruction and replication. Especially in the last-mentioned field of application, the measurement objects are often in ambient light unfavorable for the 3D measurement. The use of projectors for structured illumination under such unfavorable conditions, however, is not possible because of the technical limitations (low light output) of currently available projectors, because the contrast between ambient light and projected pattern is too small to obtain evaluable data. Therefore, for such tasks (for example, outdoors in sunlight) often resort to measurement methods that do not provide structured illumination of the survey objects. In general, however, methods without structured illumination or sequential projection of patterns are characterized by lower measurement accuracy, since they depend solely on the texture immanent to the object. Forced is therefore often measured with reduced accuracy, although in principle more accurate measuring methods are known. In detail, therefore, the difficulty with using structured illumination is to ensure the best possible separation between the projected pattern and the ambient light. For such applications, a spectrally narrowband light source, for. As a laser source, are used, the light is on the one hand filterable, and on the other hand realizes high light output powers. Due to the high light output, such pattern projectors are also very interesting for the 3D measurement of weakly scattering objects indoors. However, due to the spectral narrowbandness of these sources, parasitic, disturbing subjective speckle patterns, which depend on the surface structure and the detector configuration, occur on the detector surface in addition to the projected pattern structure and degrade the 3D measurement in their accuracy. In this context, therefore, the development of a narrow projection projection system with high projection rate, which does not cause subjective speckle noise in the detectors, is required for highly accurate and robust measuring systems as well as many applications.

Bekannt sind Verfahren zur hochgenauen (relative Messunsicherheit < 10–4) und dichten 3D-Vermessung von Objekten unter Verwendung strukturierter Beleuchtung. Dazu zählen beispielsweise Verfahren der Streifenprojektion ( W. Schreiber and G. Notni: Theory and arrangements of self-calibrating whole-body three-dimensional measurement systems using fringe projection technique, Optical Engineering 39, 2000, 159–169 ; J. Gühring, Dense 3-D surface acquisition by structured light using off-the-shelf components, video-metrics and optical methods for 3D shape measurement 4309, 2001, 220–231 ) oder Verfahren unter Verwendung statistischer Muster ( DE 196 23 172 C1 ; A. Wiegmann, H. Wagner, R. Kowarschik: Human face measurement by projecting bandlimited random patterns, Optics Express 14, 2006, 7692–7698 ). Viele der genannten Verfahren verwenden als Leuchtmittel zur Projektion der Muster typischerweise Weißlichtquellen, die ihre gesamte optische Leistung auf einen breiten Spektralbereich verteilen, respektive kurze Kohärenzlängen besitzen und damit kein subjektives Specklerauschen in den jeweiligen Detektoren verursachen. Allerdings sind die Lichtleistungen, die breitbandige Leuchtquellen bereitstellen, begrenzt und somit schwach reflektierende Objekte nicht mit kurzen Belichtungszeiten vermessbar.Methods are known for high-precision (relative measurement uncertainty <10 -4 ) and dense 3D measurement of objects using structured illumination. These include, for example, strip projection methods ( W. Schreiber and G. Notni: Theory and arrangements of self-calibrating whole-body three-dimensional measurement systems using the fringe projection technique, Optical Engineering 39, 2000, 159-169 ; J. Gühring, Dense 3-D surface acquisition by structured light using off-the-shelf components, video-metrics and optical methods for 3D shape measurement 4309, 2001, 220-231 ) or methods using statistical patterns ( DE 196 23 172 C1 ; A. Wiegmann, H. Wagner, R. Kowarschik: Human Face Measurement by Projecting Bandlimited Random Patterns, Optics Express 14, 2006, 7692-7698 ). Many of the methods mentioned typically use white light sources as projection illuminants, which distribute their entire optical power over a broad spectral range or have short coherence lengths and thus do not cause subjective speckle noise in the respective detectors. However, the light outputs that provide broadband light sources, limited and thus poorly reflective objects vermessbar not with short exposure times.

Des Weiteren wurden auch schon Laser als Leuchtmittel für Verfahren unter Verwendung statistischer Muster als Leuchtmittel eingesetzt ( M. Schaffer, M. Grosse, B. Harendt, R. Kowarschik: High-speed three-dimensional shape measurements of objects with laser speckles and acousto-optical deflection, Optics Letters 36, 2011, 3097–3099 ). Bei dieser Methode wird die kohärente Beleuchtung durch den Laser benutzt, um die Musterstrukturen schnell (f > 200 kHz) erzeugen zu können.Furthermore, lasers have also been used as illuminants for processes using statistical patterns as illuminants ( M. Schaffer, M. Grosse, B. Harendt, R. Kowarschik: High-speed three-dimensional shape measurements of objects with laser speckles and acousto-optical deflection, Optics Letters 36, 2011, 3097-3099 ). In this method, coherent illumination by the laser is used to generate the pattern patterns rapidly (f> 200kHz).

In diesem Zusammenhang ist bereits vorgeschlagen worden, durch spektrale Filterung das Umgebungslicht vom Signal zu trennen, um insbesondere bei ungünstigen Lichtverhältnissen (beispielsweise durch grelle Sonneneinstrahlung bei Außenvermessungen) bessere Ergebnisse zu erzielen. Diese Projektionsmethode wird nachfolgend als hochfrequente Speckle-Projektion (HSP) bezeichnet. Auch hier könnte allerdings durch auftretendes subjektives Specklerauschen die Messgenauigkeit beeinträchtigt werden, so dass es wünschenswert wäre, diese mögliche Störquelle gänzlich auszuschalten und die Auswertegenauigkeit weiter zu erhöhen.In this context, it has already been proposed to separate the ambient light from the signal by means of spectral filtering in order to achieve better results, in particular in unfavorable light conditions (for example due to glaring solar radiation in external measurements). This projection method is referred to below as high-frequency speckle projection (HSP). Again, however, could be affected by the occurrence of subjective Specklerauschen the measurement accuracy, so that it would be desirable, this completely eliminate possible sources of interference and further increase the evaluation accuracy.

Weiterhin sind Verfahren des Laserscannens bekannt ( DE 102 00 606 0108 A1 , DE 000 01 980 6288 A1 ), die im Außenbereich und damit ebenfalls in Szenarien, welche potentiell durch starkes Umgebungslicht geprägt sind, eingesetzt werden, jedoch an sich im Vergleich zu Verfahren mit flächiger, strukturierter Beleuchtung eine längere Messzeit, geringere Punktdichte und höhere Messunsicherheit aufweisen und damit für eine sehr schnelle und hochgenaue 3D-Rekonstruktion nicht geeignet sind. Da diese Verfahren sequentiell Messpunkte erfassen, repräsentiert die Messung keinen exakten Zeitpunkt, und sich verändernde Messobjekte/-szenarien werden fehlerhaft erfasst. Außerdem werden diese Verfahren oftmals für größere Entfernungen verwendet und besitzen ein Eindeutigkeitsintervall, welches die räumliche Tiefenausdehnung nachteilig beschränkt und eine Adaption an Nahbereichsanwendungen nicht zulässt.Furthermore, methods of laser scanning are known ( DE 102 00 606 0108 A1 . DE 000 01 980 6288 A1 ), which are used outdoors and thus also in scenarios that are potentially characterized by strong ambient light, but in comparison to methods with planar, structured illumination have a longer measurement time, lower point density and higher measurement uncertainty and thus for a very fast and highly accurate 3D reconstruction are not suitable. Since these methods sequentially capture measurement points, the measurement does not represent an exact time, and changing measurement objects / scenarios are detected incorrectly. In addition, these methods are often used for longer distances and have a uniqueness interval that adversely limits the spatial depth extent and does not allow for adaptation to near-field applications.

Ein weiteres scannendes Verfahren ist die Laserlinientriangulation, die im Außenbereich und damit ebenfalls in Szenarien, welche potentiell durch starkes Umgebungslicht geprägt sind, eingesetzt werden könnten. Dabei wird entweder das Objekt während der Aufnahme unter einer Laserlichtlinie hindurch geführt oder die Laserlichtline mit einer Ablenkvorrichtung über das Objekt verschoben ( DE 603 00 824 T2 , DE 196 08 632 A1 ). Wie beim vorgenannten Laserscanverfahren werden verschiedene Objektstellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten vermessen, womit Änderungen des Objekts zwischen diesen Zeitpunkten zu Bewegungsartefakten in der 3D-Rekonstruktion führen. Außerdem sind große, komplexere Objekte aufgrund der notwendigen Ablenkung und Positionierung nur langsam oder mit erhöhter gegenseitiger Abschattung zu vermessen. Zwar sind die Verfahren an sich schnell, aber sie erfassen die Messpunkte nur sequenziell und haben dadurch bei komplexen und sich während der Messzeit veränderlichen Formen Auswerteprobleme.Another scanning method is laser line triangulation, which could be used outdoors and thus also in scenarios that are potentially characterized by strong ambient light. In this case, either the object is guided during recording under a laser light line or the laser light line is moved with a deflection device over the object ( DE 603 00 824 T2 . DE 196 08 632 A1 ). As in the case of the abovementioned laser scanning method, different object locations are measured at different times, with which changes in the object between these times lead to motion artifacts in the 3D reconstruction. In addition, large, complex objects due to the necessary deflection and positioning are measured only slowly or with increased mutual shading. Although the methods themselves are fast, they capture the measuring points only sequentially and thus have problems with the evaluation of complex and variable forms during the measuring time.

Zusätzlich existieren Methoden zur 3D-Vermessung mit Laserlicht, die ebenfalls im Außenbereich mit starkem Umgebungslicht eingesetzt werden könnten und die flächige Merkmale und damit nicht scannend projizieren. In DE 103 08 383 A1 wurde ein System patentiert, welches mit Hilfe von diffraktiv-optischen Elementen Marker auf das Objekt projiziert. Derartige Ausführungen, die auf Basis eines Musters funktionieren, führen in der Regel zu Rekonstruktionen mit geringer Punktdichte, da lediglich einzelne Punkte pro Marke berechnet werden.In addition, there are methods for 3D measurement with laser light, which could also be used outdoors with strong ambient light and project the area characteristics and thus not scanning. In DE 103 08 383 A1 a system was patented, which projects markers onto the object with the help of diffractive optical elements. Such designs, which operate on a pattern basis, typically result in low density reconstructions since only single points per mark are calculated.

Weiterhin gibt es zahlreiche Forschungsarbeiten und Prototypen im Bereich der Laserprojektions- und Laserdisplay-Systeme zur Darstellung von Filmen oder Multimediainhalten. Insbesondere sind aus diesem Bereich Verfahren zur Reduktion von subjektiven Speckle-Rauschen der projizierten Bilder bekannt. Allerdings weisen diese Verfahren die auch von herkömmlichen Projektionstechnologien bekannten Grenzen bezüglich der Musterprojektionsrate (f < 100 Hz) auf, so dass sich diese Verfahren ebenfalls nicht für die schnelle, dichte und genaue 3D-Vermessungen eignen.Furthermore, there are numerous research projects and prototypes in the field of laser projection and laser display systems for displaying films or multimedia content. In particular, methods for reducing subjective speckle noise of the projected images are known from this field. However, these methods have the limits known from conventional projection technologies with respect to the pattern projection rate (f <100 Hz), so that these methods are also not suitable for fast, dense and accurate 3D surveying.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass bisher kein Verfahren bekannt ist, das flächige, dichte, genaue (relative Messgenauigkeit < 1.0 × 10–4 der 3D-Punkte) 3D-Messungen mittels schmalbandiger Musterprojektion realisiert und gleichzeitig störendes subjektives Specklerauschen unterdrückt, ohne die Präzision und Geschwindigkeit der 3D-Aufnahmen nennenswert zu beeinträchtigen.In summary, it should be noted that so far no method is known, the area, dense, accurate (relative accuracy <1.0 × 10-4 of the 3D points) realizes 3D measurements using narrow-band pattern projection while suppressing disturbing subjective Specklerauschen, without the precision and speed significantly affect the 3D recordings.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zu Grunde, das Objekt mit geringem Aufwand, schnellstmöglich dreidimensional zu vermessen und dabei trotz spektral schmalbandiger Musterprojektion und -aufnahme die Genauigkeit der 3D-Rekonstruktion ohne Einbuße an Geschwindigkeit weiter zu erhöhen.The invention is thus based on the object, the object with little effort, as quickly as possible to measure three-dimensional and thereby despite spectrally narrow-band pattern projection and recording the accuracy of the 3D reconstruction without sacrificing speed to further increase.

Dabei sollen bei sehr hohen Messgenauigkeiten (relative Messgenauigkeit wesentlich besser als 1.0·10–4 der 3D-Punkte) 3D-Aufnahmeraten höher als 10 Hz, d. h. mehr als 10 3D-Aufnahmen pro Sekunde erzielbar sein.At very high measurement accuracies (relative measurement accuracy much better than 1.0 · 10 -4 of the 3D points), 3D acquisition rates higher than 10 Hz, ie more than 10 3D images per second, should be achievable.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur 3D-Messung von Objekten gelöst, bei dem zumindest ein zu veränderndes oder mehrere unterschiedliche spektral schmalbandige optische Muster mit hoher Abbildungsrate auf die dreidimensional zu vermessende Objektoberfläche projiziert werden sowie das zumindest eine projizierte Muster in seiner Veränderung bzw. die projizierten unterschiedlichen Muster in ihrem Wechsel von wenigstens einem Detektor als standortunterschiedliche korrespondierende Bildmuster der zu vermessenden Objektoberfläche erfasst und zur Gewinnung von 3D-Informationen des Objekts ausgewertet werden. Dabei werden erfindungsgemäß die Lichtwellen des jeweiligen spektral schmalbandigen optischen Musters zumindest während der Belichtungszeit des wenigstens einen Detektors zusätzlich durch eine Phasenvariation verändert und die spektral schmalbandigen optischen Muster jeweils mit ihren Lichtwellenveränderungen auf das Objekt projiziert und von diesem durch den wenigstens einen Detektor als standortunterschiedliche korrespondierende Bildmuster der zu vermessenden Objektoberfläche erfasst.This object is achieved by a method for 3D measurement of objects in which at least one or several different spectrally narrow-band optical patterns are projected onto the object surface to be measured three-dimensionally and the at least one projected pattern in its change or the Projected different patterns are detected in their change of at least one detector as location-different corresponding image pattern of the object surface to be measured and evaluated to obtain 3D information of the object. In this case, according to the invention, the light waves of the respective spectrally narrow-band optical pattern at least during the exposure time of the at least one detector additionally changed by a phase variation and the spectrally narrowband optical pattern projected respectively with their light wave changes to the object and from this by the at least one detector as location different corresponding image pattern detected the object surface to be measured.

Die besagte Phasenvariation der Musterprojektion und -auswertung wird durch ein phasenveränderndes optisches Element, insbesondere eine Streuscheibe, im Strahlengang eines spektral schmalbandigen Projektors bewirkt.The said phase variation of the pattern projection and evaluation is achieved by a phase-changing optical element, in particular a diffuser, caused in the beam path of a spectrally narrow-band projector.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungsmerkmale aufgeführt.In the subclaims advantageous embodiments of the invention features are listed.

Durch die kontinuierliche Phasenvariation der Lichtwelle des optischen Muster während der Belichtungszeit erfolgt auf dem Detektor eine Mittelung über viele unterschiedliche subjektive Specklerausch-Verteilungen, so dass sich in der Summe dann lediglich ein Intensitätshub in den resultierenden Bildern ausbildet, der für die Punktzuordnung im Gegensatz zu einer einzelnen subjektiven Specklerauschverteilung keine negativen Auswirkungen hat und damit auch keine Auswirkungen auf die Messgenauigkeit hat. Dadurch wird es ermöglicht, mit spektral schmalbandigen optischen Mustern gleiche Genauigkeiten zu erreichen wie bei Beleuchtung mit spektral breitbandigen Quellen und kann darüber hinaus die Vorteile der spektral schmalbandigen optischen Muster, wie hohe erreichbare Lichtleistung und hohe Projektionsrate (bis in den kHz-Bereich), nutzen.Due to the continuous phase variation of the light wave of the optical pattern during the exposure time on the detector an averaging over many different subjective Specklerausch distributions, so that in the sum then forms only an intensity shift in the resulting images, which is for the point assignment in contrast to a individual subjective Specklerauschverteilung has no negative effects and thus has no effect on the accuracy of measurement. This makes it possible to achieve the same accuracies with spectrally narrow-band optical patterns as when lighting with spectrally wideband sources and, moreover, can take advantage of the spectrally narrow-band optical patterns, such as high achievable light output and high projection rate (down to the kHz range) ,

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels zur schnellen und hochgenauen 3D-Messung von Objekten mit Unterdrückung störender subjektiver Speckles näher erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an embodiment shown in the drawing for fast and highly accurate 3D measurement of objects with suppression of interfering subjective speckles.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem spektral schmalbandigen Projektor, in dessen Strahlengang ein phasenveränderndes optisches Element für die Musterprojektion angeordnet ist.The figure shows a schematic representation of an apparatus for performing the method according to the invention with a spectrally narrow-band projector, in whose beam path a phase-changing optical element for the pattern projection is arranged.

Von einem Objekt 1 soll die Oberfläche dreidimensional hochgenau vermessen und rekonstruiert werden. Zu diesem Zweck werden Muster von einem Projektor 2 auf die zu vermessende Oberfläche des Objekts 1 projiziert. Die Muster werden dazu vorab jeweils nacheinander von einer spektral schmalbandigen Mustererzeugungsquelle 3 des Projektors 1 auf eine Streuscheibe 4 zwischenabgebildet. Die Streuscheibe 4 ist auf einem drehbaren Motor 5 befestigt.From an object 1 the surface should be measured and reconstructed in three dimensions with high precision. For this purpose, patterns of a projector 2 on the surface of the object to be measured 1 projected. The patterns are each preceded in turn by a spectrally narrow-band pattern generation source 3 of the projector 1 on a diffuser 4 intermediately. The diffuser 4 is on a rotatable engine 5 attached.

Mithilfe einer Abbildungsoptik 6 werden die zwischenabgebildeten Muster von der Streuscheibe 4 auf das Objekt 1 abgebildet. Die sich in der Zwischenbildebene befindliche Streuscheibe 4 wird durch den rotierenden Motor 5 dauerhaft in Bewegung gesetzt, so dass das Zwischenbild der Mustererzeugungsquelle 3 zu jedem Zeitpunkt einen anderen Teil der Streuscheibe 4 beleuchtet. Die Rotation belässt die Streuscheibe 4 permanent in der Zwischenbildebene. Auf diese Weise bilden der Motor 5 und die auf diesem fest angeordnete und damit motorisch bewegte Streuscheibe 4 eine Vorrichtung zur Zwischenabbildung von Mustern mit einer statistischen Oberflächenstruktur zur erfindungsgemäßen Unterdrückung subjektiver Speckles.Using an imaging optics 6 become the inter-imaged patterns of the diffuser 4 on the object 1 displayed. The scattering disc located in the intermediate image plane 4 is due to the rotating motor 5 permanently set in motion, so that the intermediate image of the pattern generation source 3 at any time a different part of the lens 4 illuminated. The rotation leaves the lens 4 permanently in the intermediate image plane. In this way form the engine 5 and on this fixed and thus moving motor lens 4 an apparatus for the intermediate imaging of patterns with a statistical surface structure for the suppression of subjective speckles according to the invention.

Mit zwei zueinander synchronisierten Kameras 7 und 8, welche vorab bezüglich der inneren und äußeren Parameter des Stereoaufbaus kalibriert worden sind, wird von unterschiedlichen Standorten eine Anzahl von beispielsweise zwölf Bildern von den auf das Objekt 1 projizierten Mustern aufgenommen. Für jede der beispielsweise zwölf Kamerabildpaaraufnahmen wird jeweils ein anderes Muster der spektral schmaldbandigen Mustererzeugungsquelle 3 auf die Streuscheibe 4 zwischenabgebildet. Die Streuscheibe 4 wird kontinuierlich, zumindest jedoch während der Belichtungszeit der Kameras 7 und 8 verstellt. Aufgrund der kontinuierlichen Drehung der Streuscheibe 4 werden der Lichtwelle des jeweiligen optischen Musters verschiedene statistische Phasenvariationen aufgeprägt, so dass zu jedem Augenblick während der Belichtungszeit ein anderer subjektiver Rauschanteil erzeugt und durch die zeitliche Mittelung der einzelnen Rauschanteile ein rauschreduziertes Intensitätsbild von den Kameras 7, 8 erfasst wird. Dadurch wird die kohärente Entstehung subjektiver Speckles gestört und ihr negativer Einfluss auf die 3D-Rekonstruktion wirkungsvoll unterdrückt. Der Detektionsbereich der zueinander synchronisierten Kameras 7, 8 ist jeweils durch Strichlinien dargestellt.With two synchronized cameras 7 and 8th , which have been previously calibrated with respect to the inner and outer parameters of the stereo construction, from different locations becomes a number of, for example, twelve images of those on the object 1 projected patterns. For each of the twelve camera image pair recordings, for example, a different pattern of the spectrally narrowband pattern generation source is generated 3 on the diffuser 4 intermediately. The diffuser 4 is continuous, but at least during the exposure time of the cameras 7 and 8th adjusted. Due to the continuous rotation of the lens 4 Different statistical phase variations are impressed on the light wave of the respective optical pattern, so that at each instant during the exposure time a different subjective noise component is generated and by the temporal averaging of the individual noise components a noise-reduced intensity image from the cameras 7 . 8th is detected. This interferes with the coherent formation of subjective speckles and effectively suppresses their negative impact on 3D reconstruction. The detection area of the synchronized cameras 7 . 8th is represented by dashed lines.

Diese Sequenz aus den genannten Bildpaaren wird zur an sich bekannten dreidimensionalen Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts 1 an einen Rechner (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) übertragen. Bei der rechentechnischen Auswertung der besagten Stereobildsequenz werden unter Verwendung der etablierten Methode der Zeitkorrelation homologe Punkte in bekannter Weise einander zugeordnet und aus diesen mit Hilfe der ebenfalls bekannten Kalibrierparameter 3D-Punkte im Raum bestimmt, welche nun je nach Anwendung weiterverarbeitet werden können. Durch die Bewegung des Motors 5 kann eine automatisierte, kontinuierliche, statistische Änderung der Lichtweglänge für jeden Bildpunkt der Kameras 7 und 8 gewährleistet werden. Dies ermöglicht die Unterdrückung der bei spektral schmalbandiger Projektion üblicherweise parasitär auftretenden subjektiven Speckles, so dass eine schnelle (hohe Musterprojektionsrate) und hochgenaue Aufnahme des Objekts 1 zur 3D-Rekonstruktion erreicht wird.This sequence from the mentioned image pairs becomes the known three-dimensional reconstruction of the surface of the object 1 to a computer (not shown for reasons of clarity) transmitted. In the computational evaluation of the said stereo image sequence, homologous points are assigned to one another in a known manner using the established method of time correlation and 3D points in space are determined therefrom with the aid of the likewise known calibration parameters, which can now be further processed depending on the application. By the movement of the engine 5 can be an automated, continuous, statistical change in the optical path length for each pixel of the cameras 7 and 8th be guaranteed. This makes it possible to suppress the subjective speckles which usually occur parasitically during spectral narrow-band projection, so that a fast (high pattern projection rate) and highly accurate recording of the object 1 for 3D reconstruction is achieved.

Für die spektral schmalbandige Musterprojektion und -detektion wird ein Laser als Lichtquelle verwendet, der Licht mit einer spektralen Breite von < 100 pm bei einer Mittenwellenlänge von 532 nm emittiert. Die dadurch bedingt größer als die Objektoberflächenrauigkeit seiende Kohärenzlänge würde ohne die Erfindung die Entstehung subjektiver Speckles bei Abbildung der mit dem Muster beleuchteten Oberfläche des Objekts 1 mit den Kameras 7, 8 verursachen. Durch die vorschlagsgemäße Phasenvariation der Lichtwellen von den jeweils auf das Objekt 1 projizierten Mustern werden diese subjektiven Speckles bei der Kameraerfassung der Musterbilder vom Objekt 1 vermieden.For the spectral narrow-band pattern projection and detection, a laser is used as the light source which emits light with a spectral width of <100 pm at a center wavelength of 532 nm. The resulting coherence length greater than the object surface roughness would, without the invention, result in the formation of subjective speckles upon imaging of the pattern illuminated Surface of the object 1 with the cameras 7 . 8th cause. By the proposed phase variation of the light waves from each of the object 1 Projected patterns become these subjective speckles in the camera capture of the pattern images of the object 1 avoided.

Als Muster können an sich bekannte zur 3D-Rekonstruktion dienliche Muster projiziert werden. Insbesondere kann die Methode der eingangs genannten HSP zur Realisierung der Mustererzeugungsquelle verwendet werden.As a pattern known pattern for 3D reconstruction can be projected. In particular, the method of the aforementioned HSP can be used to realize the pattern generation source.

Beispielhaft seien weiterhin die Projektion von Mustern mit diffraktiv-optischen Elementen, statistischen Mustern oder Streifenmustern erwähnt. Andere Systeme zur statistischen Variation der Phasenlage im Beleuchtungsstrahlengang sind vorstellbar.By way of example, the projection of patterns with diffractive-optical elements, statistical patterns or stripe patterns may also be mentioned. Other systems for the statistical variation of the phase position in the illumination beam path are conceivable.

Anstelle des Lasers in der Mustererzeugungsquelle 3 wären auch andere spektral schmalbandige Leuchtmittel, wie beispielsweise Laserdioden, verwendbar.Instead of the laser in the pattern generation source 3 Other spectrally narrowband bulbs, such as laser diodes, would be useful.

Die Mustererzeugungsquelle kann auch als Musterverschiebungsgerät oder Musterwechselgerät ausgeführt sein.The pattern generation source may also be implemented as a pattern shifter or pattern changer.

Es ist ferner denkbar, dass zur Mehrfachprojektion spektral unterschiedlicher Muster mehrere Projektoren 2 mit jeweils spektral unterschiedlicher Mustererzeugungsquelle 3 vorgesehen sind oder dass der Projektor 3 mehrere spektral unterschiedliche Mustererzeugungsquellen 3 enthält. Auf diese Weise können in Multiprojektion Muster unterschiedlicher Wellenlange (Mittenfrequenz und spektrale Bandbreite) auf das Objekt 1 abgebildet werden.It is also conceivable that for multiple projection spectrally different patterns multiple projectors 2 each with spectrally different pattern generation source 3 are provided or that the projector 3 several spectrally different pattern generation sources 3 contains. In this way, multiprojection patterns of different wavelengths (center frequency and spectral bandwidth) on the object 1 be imaged.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Objektobject
22
Projektorprojector
33
MustererzeugungsquellePattern generation source
44
Streuscheibediffuser
55
Motorengine
66
Abbildungsoptikimaging optics
7, 87, 8
Kameracamera

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (7)

Verfahren zur 3D-Messung von Objekten, bei dem zumindest ein zu veränderndes oder mehrere unterschiedliche spektral schmalbandige optische Muster mit hoher Abbildungsrate auf die dreidimensional zu vermessende Objektoberfläche projiziert werden sowie das zumindest eine projizierte Muster in seiner Veränderung bzw. die projizierten unterschiedlichen Muster in ihrem Wechsel von wenigstens einem Detektor als standortunterschiedliche korrespondierende Bildmuster der zu vermessenden Objektoberfläche erfasst und zur Gewinnung von 3D-Informationen des Objekts ausgewertet werden, indem die Lichtwellen des jeweiligen spektral schmalbandigen optischen Musters zumindest während der Belichtungszeit des wenigstens einen Detektors zusätzlich durch eine Phasenvariation verändert werden und die spektral schmalbandigen optischen Muster jeweils mit ihren Lichtwellenveränderungen auf das Objekt projiziert sowie durch den wenigstens einen Detektor als standortunterschiedliche korrespondierende Bildmuster der zu vermessenden Objektoberfläche erfasst werden.Method for 3D measurement of objects, in which at least one or more different spectral narrow-band optical patterns are projected onto the object surface to be measured three-dimensionally and the at least one projected pattern in its change or the projected different patterns in their alternation be detected by at least one detector as location-different corresponding image pattern of the object surface to be measured and evaluated to obtain 3D information of the object by the light waves of each spectrally narrow-band optical pattern at least during the exposure time of the at least one detector are additionally changed by a phase variation and the spectrally narrow-band optical pattern projected in each case with their light wave changes to the object and by the at least one detector as a location different corresponding Bil Dmuster the object surface to be measured are detected. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Musterprojektion und -auswertung Streifenmuster verwendet werden, die in ihrer Folge über das Objekt verschoben werden.A method according to claim 1, characterized in that the pattern projection and evaluation strip patterns are used, which are moved in its sequence on the object. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Musterprojektion und -auswertung statistische Muster verwendet werden, die in ihrer Folge über das Objekt verschoben werden.A method according to claim 1, characterized in that for the pattern projection and evaluation statistical patterns are used, which are moved in its sequence on the object. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere spektral unterschiedliche Musterprojektionen auf das Objekt erfolgen.Method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that a plurality of spectrally different pattern projections on the object. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang wenigstens eines spektral schmalbandigen Projektors (2) mit einer hochfrequenten Mustererzeugungsquelle (3) zumindest ein die Lichtwellen des jeweils auf das zu vermessende Objekt (1) zu projizierenden Musters in ihrer Phase veränderndes optisches Element (4) angeordnet ist.Device for carrying out the method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that in the beam path of at least one spectrally narrow-band projector ( 2 ) with a high-frequency pattern generation source ( 3 ) at least one of the light waves of each on the object to be measured ( 1 ) to be projected pattern in its phase changing optical element ( 4 ) is arranged. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als die Lichtwellen des jeweils auf das Objekt (1) zu projizierenden Musters in ihrer Phase veränderndes optisches Element eine Streuscheibe (4) vorgesehen ist.Device according to claim 5, characterized in that as the light waves of each of the objects ( 1 ) to be projected pattern in its phase changing optical element a lens ( 4 ) is provided. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine spektral schmalbandige Projektor (2) mit der hochfrequenten Mustererzeugungsquelle (3) als spektral schmalbandige Lichtquelle eine monochromatische Lichtquelle, insbesondere einen Laser oder eine Laserdiode, enthält.Device according to claim 5, characterized in that the at least one spectrally narrow-band projector ( 2 ) with the high-frequency pattern generation source ( 3 ) As a spectrally narrow-band light source, a monochromatic light source, in particular a laser or a laser diode contains.
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