Streifenprojektion – Grundlagen, Systeme und Anwendungen

Heinz-Jürgen Przybilla Hochschule Bochum, Fachbereich Vermessung und Geoinformatik Lennershofstraße 140 44801 Bochum heinz-juergen.przybilla@fh-bochum.de

1 Einleitung Optische Messverfahren stellen seit den Anfängen der Geodäsie ein wesentliches Element der dort eingesetzten Techniken dar. Neben 1- und 2-dimensionalen Messverfahren, die auf der Nutzung von Nivellieren, Theodoliten und Tachyme-tern basieren, gewinnt die 3D-Messtechnik kontinuierlich an Bedeutung. Verfah-ren der Photogrammetrie, als auch in jüngerer Zeit des airborne und terrestri-schen Laserscannings, zeigen diese Entwicklungen deutlich auf. Im Fokus dieser Messungen stehen dabei vorrangig diverse Formen der „Erdbeobachtung“.

Abseits dieser klassisch geodätischen Tätigkeitsfelder sind in der Vergangenheit eine Vielzahl optischer Messsensoren und -verfahren durch Nachbardisziplinen (Physiker, Elektroniker etc.) entwickelt worden, die auch durch den geodätisch geprägten Messingenieur eingesetzt werden können. Im Unterschied zu den bis-her „eher großen“ Dimensionen gemessener Objekte verlagern sich die Einsatz-gebiete auf „eher kleine“ Objekte, in der Regel jedoch verbunden mit deutlich höheren Genauigkeitsanforderungen. Die in der Geodäsie bevorzugte punktuelle Messung von Objekten wird vielfach durch eine flächenhafte ersetzt. Neben der reinen 3D-Datenerfassung sind zudem Datenaufbereitung, -analyse und -weiter-verarbeitung wesentliche Schritte der damit einher gehenden Prozesskette.

Das Verfahren der Streifenprojektion wird seit Anfang der 90er Jahre eingesetzt und ist eine noch relativ junge Möglichkeit zur 3D-Objekterfassung. Die damit in kurzer Zeit erreichbare hohe Messpunktdichte erlaubt präzise, flächenhafte Aussagen über die Objektgeometrie. Geeignete Streifenprojektionssysteme wer-

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den u. a. zur Formbestimmung und Formprüfung in industriellen Anwendungen sowie bei der Digitalisierung von Kunstobjekten zu deren Dokumentation einge-setzt. Es ist hauptsächlich für Messungen in geschlossenen Räumen geeignet, da dort Licht- und Temperaturverhältnisse am besten gesteuert werden können.

2 Grundlagen Optische Messverfahren weisen eine Vielzahl von konstruktiven Merkmalen und Besonderheiten auf, eine Kategorisierung lässt sich daher unter verschiedensten Aspekten durchführen. Geeignet scheint in diesem Kontext eine Einteilung in passive und aktive Verfahren. Stellvertretend für passive Verfahren ist die Pho-togrammetrie anzuführen, da der Inhalt des erzeugten Messbildes von der vor-handenen Strahlung der erfassten Objekte abhängt. Aktive Verfahren (Abb. 1) – so wie die Streifenprojektion – bringen hingegen gezielt Energie zum zu erfas-senden Objekt und registrieren dann die reemmitierte Strahlung.

Abb. 1: Aktive Methoden zur 3D-Datenerfassung (Gühring 2002)

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2.1 Streifenprojektion – ein aktives Triangulationsverfahren

Das in Abb. 2 dargestellte Messprinzip zeigt einen Projektor, der Streifenmuster auf ein Objekt projiziert, die in Abhängigkeit von der Form des Objekts defor-miert werden. Eine (oder mehrere) digitale Kameras zeichnen das deformierte Muster auf, als Grundlage für die Bestimmung der Topographie des Objekts.

Abb. 2: Funktionsprinzip Streifenprojektionssystem

(Riechmann & Thielbeer 1997)

Im einfachsten Fall sind die Projektionseinheit und eine Kamera an den Enden einer Basis bekannter Länge und unter einem bestimmten Winkel zueinander fest montiert (Messkopf). Die Anordnung der Systemkomponenten (Triangulati-onswinkel, Länge der Basis, Zahl der Kameras etc.) bestimmt die Größe des Messfeldes und auch die Genauigkeit des Systems. Natürlich hängt die System-genauigkeit zudem vom Auflösungsvermögen des Projektors und der Kame-ra/Kameras sowie anderen Einflussfaktoren ab, wie zum Beispiel den Umge-bungsbedingungen (Temperatur, Beleuchtung etc.).

Die grundlegende geometrische Konfiguration eines Streifenprojektionssystems entspricht der des geodätischen Vorwärtsschnitts in seiner räumlichen Anord-nung: bei definierter Basis erfolgen Richtungsmessungen durch gegenseitig räumlich orientierte Theodolite. Wird das Messgerät „Theodolit“ durch Mess-kameras ersetzt, so ergibt sich die in Abb.3 dargestellte Situation. Durch Mes-sung der Bildkoordinaten der Bildpunkte, und unter Kenntnis von Innerer und Äußerer Orientierung der Messkameras, lassen sich die 3-dimensionalen Koor-dinaten des Objektpunktes P berechnen.

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Abb. 3: PhotogrammetrischePunktbestimmung mittels 3D-Vorwärtsschnitt

Wird eine Kamera durch einen Projektor mit geeignetem Projektionsmuster er-setzt, so ergibt sich ein Triangulationsdreieck aus Objektpunkt, Projektor und Kamera (Abb. 4). Die projizierte Struktur kann dabei punktförmig, linien- oder flächenhaft ausgeprägt sein. Flächenhafte Projektion kann z. B. über Zufalls-muster oder eine Anordnung paralleler Projektionslinen erreicht werden. Letzte-re Vorgehensweise entspricht dem Prinzip des Streifenprojektors.

Abb. 4: Aktive Triangulation – Objektbeleuchtung durch Linienprojektion,

Objekterfassung mittels Kamera

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2.2 Das Korrespondenzproblem

Das Korrespondenzproblem definiert die Aufgabenstellung homologe Bildpunk-te (identische Objektmerkmale) in mehreren Bildern zuzuordnen, um im An-schluss unter Kenntnis der Inneren und Äußeren Orientierung 3D-Objektkoordinaten zu berechnen. Mit dem Kodierten Lichtansatz steht ein ge-eignetes Lösungsverfahren zur Verfügung (Altschuler et al. 1979, Stahs & Wahl 1990).

Das Projektionssystem erzeugt zu diesem Zweck in seiner Bildebene eine Folge flächenhafter binärer Streifenmuster und projiziert diese auf das Messobjekt. Die Muster, deren Frequenz sich von Aufnahme zu Aufnahme verdoppelt, werden von einer synchron arbeitenden Kamera erfasst. Aus der Abfolge heller und dunkler Grauwerte lässt sich für jedes Kamerapixel die Nummer der korrespon-dierenden Lichtebene eindeutig bestimmen (Abb. 5 und 6 a-d). Zu diesem Zweck sind die projizierten parallelen Streifen des Projektors Gray-codiert und können über die Bilder der erfassenden Kamera für jeden Bildpunkt berechnet werden. Der Gray-Code ist eine symmetrische Codierung, bei der sich benach-barte Zahlen nur in einer einzigen dualen Ziffer unterscheiden (bei Binärcodes also 1 Bit).

Gray-Code Sequenz

Abb. 5: Projektion binärer Streifenmuster (Gühring 2002)

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Um hohe Genauigkeiten zu erreichen muss die Zuordnung zwischen Punkten auf den Bildebenen von Kamera und Projektor subpixelgenau erfolgen. Abhän-gig von Projektionsmustern und Auswertestrategie werden verschiedene Verfah-ren genutzt: • Line-Shift-Verfahren

• Für jede ganzzahlige Position des Projektors (xPi, yPi) wird die homologe Position in der Bildebene der Kamera (xKi, yKi) subpixelgenau berechnet

• Time-Space sowie Phase-Shift-Verfahren • Für jede ganzzahlige Position der Kamera (xKi, yKi) wird die homologe

Position in der Bildebene des Projektors (xPi, yPi) subpixelgenau berechnet

Das Phase-Shift Verfahren ist das am häufigsten verwendete Verfahren, da es sich u. a. bei Mehrkamera-Systemen besonders eignet (Gühring 2002). Bei der Erfassung wird hierzu ein sinusförmiges Signal in mehreren Schritten phasen-verschoben auf das Objekt projiziert (Abb. 6e-f). Kombinierte Gray-code/Phase-Shift-Verfahren finden sich in einer Vielzahl am Markt etablierter Systeme.

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

Abb. 6: Objekterfassung mit kombiniertem Gray-code/Phase-Shift-Verfahren. (a) Hellbild, (b)-(d) Binäre Streifenmuster, (e)-(f) Sinusstreifen

(Breuckmann 2007)

Die Auswertung der in Abb. 6 dargestellten Bildsequenz liefert ein Gray-code und Phasenbild sowie ein Bild zur Kontrastbeschreibung (Abb. 7). Sie bilden die Basis für die Berechnung der 3D-Objektkoordinaten.

6

(a) (b) (c) (d)

Abb. 7: (a) Gray-Code, (b) Phasenbild, (c) Kontrastbild, (d) Vermaschte 3D-Punktwolke (Breuckmann 2007)

3 Systeme Der aktuelle Markt der Streifenprojektionssysteme ist (in Deutschland) durch mehrere Systemhersteller und eine Vielzahl von Produktederivaten gekenn-zeichnet. Zu den wichtigsten Firmen zählen (alphabetisch): • ABW, Automatisierung und Bildverarbeitung Dr. Wolf GmbH, Frickenhau-

sen (www.abw-3d.de) • Breuckmann GmbH, Meersburg (www.breuckmann.com) • GOM GmbH Optical Measung Techniques, Braunschweig (www.gom.com) • Steinbichler Optotechnik GmbH, Traunstein (www.steinbichler.de)

3.1 Hardware

Die Palette der verfügbaren Streifenprojektionssysteme ist einerseits durch eine starke Modularisierung innerhalb einer Systemlinie gekennzeichnet, andererseits sind Systeme für spezifische Aufgabenstellungen ausgelegt (Abb. 8). Hardware-Komponenten wie Kamera (Auflösung, Optik), Basislängen und die Qualität der (häufig patentierten) Projektoren sind Kenngrößen, die sowohl den Messbereich als auch die zu erreichenden Messgenauigkeiten definieren. Tab. 1 zeigt am Bei-spiel des Systems optoTOP-HE der Fa. Breuckmann mögliche Systemvarianten.

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Die Dauer einer Messsequenz ist mit ca. 1-2 Sekunden zu veranschlagen. Die sich anschließende Berechnung der flächenhaft verteilten 3D-Koordinaten benö-tigt einige Sekunden, abhängig von der Anzahl der zu berechnenden Koordina-ten, die wiederum unmittelbar von der Auflösung der Kamera bestimmt wird (typisch: 1.4 bis 6.6 MPixel – entspricht der Menge der 3D-Objektpunkte). Punktabstände am Objekt liegen – konfigurationsabhängig – zwischen 30 µm und 1 mm. Aktuelle Systeme ermöglichen eine Objekterfassung mit einer Ge-nauigkeit besser 1/10000 des „Field-Of-View“ (FOV). Die diesbezüglichen Her-

ten Vergleich der Systeme (Bange et al. 2007b). stellerangaben differieren z. T. erheblich und erschweren somit einen qualifizier-

Comet 5 (Foto: Steinbichler) ATOS III (Foto: GOM)

Stereo-Scan (Foto: Breuckmann)

Tab Mess mann optoTtions

Basislänge L Arbeitsabstand Bilddiagonale [mm]

optoTOP-HE (Foto: Breuckmann) Abb. 8: Aktuelle Streifenprojektoren

. 1: Standard-la

bereiche Breuckwin reuckmann 2007)

OP-HE (Triangu kel 30°; B

100 mm 320 mm 50 100 200 3 00 mm 700 mm 200 325 425 600 mm 775 1250 mm 375 600

Brennweitenbezei Tel ard Wchnung e Stand eitwinkel Empfohlene nen für St sbereiche Kombinatio andard-Mes

Kleine FOV’s: L100-50 L100-200 L300-325 Große FOV’s: L300-200 L300-425 L600-775

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Der Fachausschuss „Optische 3D-Messtechnik“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) hat es sich aus diesem Grunde zur Aufgabe gemacht „die Abnahme und Überwachung von optischen 3D Messsys-temen unterschiedlicher Bauweise, Automatisierungsstufe und Größe schnell und einfach mit kostengünstigen Prüfkörpern durchzuführen“ (VDI/VDE 2002, 2006). Die Vorgehensweise ist in der Richtlinie 2634 Blatt 2 und 3 für bildge-bende Systeme mit flächenhafter Antastung (in mehreren Einzelansichten) defi-niert (Antastabweichung, Kugelabstandsabweichung, Ebenheitsmessabwei-chung).

3.2 Auswerteprozess

Die flächenhafte Erfassungscharakteristik eines Streifenprojektionssystems er-möglicht eine Objektvermessung grundsätzlich schon mit einem einzelnen Scan. In der Regel wird jedoch aufgrund der spezifischen Objektform eine Mehrfach-erfassung notwendig sein, bei der entweder durch Positionsänderung des Sen-sors oder des zu messenden Objektes erweiterte Bereiche gemessen werden können. Die Vorgehensweise entspricht quasi der eines photogrammetrischen Bildverbandes, verbunden mit der Problemstellung der Herstellung der „gegen-seitigen“ Orientierung der Scans. Diese als „Registrierung“ bekannte Aufgaben-stellung kann über verschiedene Lösungsansätze durchgeführt werden, wobei das am häufigsten verwendete Verfahren mit dem „Iterative Closest Point“ (ICP)-Algorithmus gegeben ist (Besl & MacKay 1992), Abb. 9. Eine alternative Methode besteht in der Verknüpfung der Scans über im Objektraum verteilte photogrammetrische Targets, die im Rahmen von Bündelausgleichung räumlich bestimmt werden (Hau 1999, Andrä & Peipe 2002).

Die registrierte Punktwolke (der Rohdaten) wird in einem nachfolgenden Bear-beitungsschritt dreiecks-vermascht. Dies erfolgt mit Programmen aus dem Be-reich des „Rapid Prototyping“ und „Reverse Engineering“. Typische Vertreter sind z. B. die Softwaresysteme RapidForm (INUS Technology, Seoul, Korea) sowie Geomagic Studio (Raindrop Geomagic Inc., North Carolina, USA). Die Nachbearbeitung der Daten dient der Erstellung eines „wasserdichten“ 3D-Modells und beinhaltet die Arbeitsschritte: • Reduktion des Messrauschens • (Verlustfreie) Reduktion der Datenmenge • Füllen von Löchern • Oberflächenglättung

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• (ggf.) Texturierung Das Ergebnis einer derartigen Bearbeitungsfolge zeigt Abb. 10 (Elfenbeinpyxis, Domschatz Essen, Bange et al. 2007a).

Abb. 9: Punktwolke aus (farbcodierten) Teilscans nach Registrierung mittels

ICP-Algorithmus

Abb. 10: Links – Gesamtansicht des Pyxis-Modells nach Bearbeitung mit Geomagic Studio; rechts mit Textur

4 Anwendungen

Der Anwendungsbereich der Streifenprojektion ist mindestens so vielseitig wie die Anzahl der hierzu zur Verfügung stehenden Messsysteme. Ausgehend von Qualitätskontrolle und Inspektion im industriellen Umfeld (Automobilindustrie),

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Reverse Engineering (Werkzeugbau, Design, Modelle) medizinischen Applikati-onen („Bodyscans“, Oberflächenmessungen der Haut), Forensik bis hin zu Ar-chäologie und kunsthistorischen Objekten.

den Internet-darstellungen der Hersteller entnommen werden (siehe Literatur).

5 Résümee

em Vermessungsingenieur erweiterte Möglichkeiten für neue Tätigkeitsfelder.

Literatur

AB nssysteme der ABW GmbH. www.abw-3d.de

Detaillierte Information über Anwendungsbeispiele können z. B.

Die Streifenprojektion hat sich als leistungsfähiges optisches 3D-Messverfahren etabliert. Mit Messgenauigkeiten im Submillimeterbereich, anwendungsorien-tierten Produktlinien und einer zwischenzeitlich erprobten Prozesskette zur Ver-arbeitung der Punktwolken bietet sie dem Nutzer ein breites Anwendungsspekt-rum und somit auch d

W (2007): Streifenprojektio ,

Alpplications for Auto-

An

PF, Publikationen der

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Ba

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