2. Grundprinzip der Streifenprojektion - …

1 2. Grundprinzip der Streifenprojektion - , TriangulationDie triangulation ist vom Prinzip her eine sehr einfache Methode der optischen 3-D-Messtechnik. Ein Lichtpunkt, Laser, wird auf das Messobjekt projiziert. Das vom Objektreflektierte Licht wird unter einem Winkel auf einen positionsempfindlichen Detektor, , abgebildet. Aus der Geometrie des optischen Aufbaus, wesentlich durch denWinkel zwischen Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung bestimmt, errechnet sich durchTriangulation die Lage des beobachteten Objektpunktes. Durch Scannen des Lichtstrahlesk nnen Objekte auch fl chenhaft abgetastet und vermessen werden. Eine Erweiterung deseinfachen Triangulationsverfahrens mit dem Lichtpunkt stellt die Methode des Lichtschnitt-verfahrens dar. Statt eines einzelnen Lichtpunktes wird ein Lichtband mit einer scharfen Hell /Dunkel-Grenze auf das Objekt projiziert.

2 Auch hier erfasst eine positionsempfindliche Kameradas Lichtband und wertet es mittels triangulation aus. Der bergang zum bildgebenden 3-D-Messverfahren ist jetzt leicht abzuleiten. Erm glicht die punktweise Beleuchtung eine punkt-weise 3-D-Vermessung, die linienhafte eine triangulation entlang eines einzelnen Objekt-schnittes, so sollte die fl chenhafte Projektion von strukturiertem Licht eine bildhafte Triangu-lation der gesamten Messszene erm Streifenprojektion / Strukturierte BeleuchtungBei der Beschreibung von fl chenhaft antastenden optischen 3-D-Messsystemen wird zwi-schen passiv und aktiv messenden Systemen unterschieden. Passive Systeme kommen ohnebesondere Beleuchtungseinheit aus. Informationen ber das Messobjekt erh lt man dabeidurch Auswertung von Pixelpositionen der Objektpunkte in der Bildebene ( Stereophoto-graphie u. Photogrammetrie).

3 SchnittlinienbildJIIntensit tswerte Ip@bPhasenwerte <p i+Sensorparameter Gi( Orientierung, Verzeichnung )=Messgr enX, , Y,,,, , Z,( 3-D Koordinaten )Abb. 2: Grundanordnung der Oberfl chenprofilmesstechnik, , StuttqartAktiv messende Verfahren hingegen erfordern eine spezieile Beleuchtung des Objekts. Zudieser Gruppe z hlen die Verfahren nach dem Prinzip der Streifenprojektion . Hierbei wird dasMessobjekt mit einem Streifenmuster definierter Form beleuchtet und das entstehendeSchnittlinienbild mit einer CCD-Kamera unter einem Beobachtungswinkel (dem Triangulati-onswinkel) beobachtet, siehe Abb. 2. Die Intensit tsverteilung Ip im Schnittlinienbild ist vonder Objektoberfl che abh ngig und entspricht einer phasenmodulierten Intensit die Anwendung von Phasenauswerteverfahren gewinnt man einen Messwert vom Ob-jekt in Form eines Phasenwertes qi. Dieser wird ebenso wie die Lage der Bildpunkte in derBildebene der Kamera zur Objektkoordinatenberechnung herangezogen.

4 F r die Berechnungder gesuchten 3-D-Koordinaten werden weiterhin die das Messsystem in seiner Geometriebeschreibenden Sensorparameter G, (oft auch Systemparameter oder Geometrieparametergenannt) ben tigt, wobei bei der Modellierung eines derartigen Systems von den Gesetzm - igkeiten der Zentralprojektion ausgegangen wird. Die Sensorparameter m ssen hierbei ent-weder durch Kalibrierung vor der Messung, oder sie k nnen auch w hrend der Messung mitMethoden der Selbstkalibrierung (siehe ) bestimmt werden. Diese Parameter sind:ldie Parameter der u eren Orientierung der Kamera .. K und des Projektors .. P (>60>,Y,~,, zoo .. die Lage des Projektions- bzw. des Beobachtungszentrums im Objektkoor-dinatensystem, oti,, wo, rco ..die Drehwinkel, die das Bildkoordinatensystem des Pro-jektors bzw. der Kamera in eine zum Objektkoordinatensystem parallele Lage ber-f hren),ldie jeweiligen Parameter der inneren Orientierung (IT&~).

5 Bildhauptpunkt, cg) ..Kammerkonstante)lsowie Korrekturparameter ( die die optischen Systeme beschreibenden Verzeich-nungsparameter ao ), mit j=K, alle Parameter der inneren und u eren Orientierung bekannt, ist es m glich, aus denPhasenmesswerten <Pi die gew nschten Objektkoordinaten (x,, y,, z,) des Objektpunktesdurch L sen des nichtlinearen Gleichungssystems (1) zu = <pj tx,tY,tz, ;qj)Jl&j$ XO(j)l YO(i)l Z,(j) rmti), vti), K~); aQ,,>(1)Als Streifenmuster werden unterschiedliche Sequenzen, Gray-Code-Sequenzen in Kom-bination mit 1 +cos -Verteilungen verwendet, siehe Abb. 3. Die Verwendung von Gray-Code-Sequenzen erm glicht hierbei eine absolute Phasenmessung (Bestimmung der Streifennum-mer bzw. Ordnungszahl n) an jedem Ort unabh ngig von 3: Graycodesequenzen im Standardverfahren (bin rer Code).VDI-Seminar Oberfl cherwrofdmesstechnik, , StuttaartGrundgedanke ist dabei die Beleuchtung des Objektes mit einer Sequenz von nRechteckgittern (Bin rsequenzen), wobei die Streifendichte von Bild zu Bild verdoppelt Binarisierungsschwelle wird am Anfang der Messung mit einem Hellbild und einemDunkelbild bestimmt.

6 Nach Projektion der Bin rsequenzen erh lt man f r jeden Pixel einBitmuster, das der Ordnungszahl ProjektionstechnikenEin Kernst ck von optischen 3-D-Messsystemen auf der Basis von Streifenprojektion ist derProjektor. Qualit tsparameter der projizierten Strukturen, Abbildungseigenschaften der Pro-jektionsoptik (insbesondere Verzeichnung und Feldwinkel) sowie die Anordnung der Struktu-ren im Objektfeld des Projektors beeinflussen wesentlich die Messgenauigkeit in den f r dieKoordinatenberechnung entscheidenden Eingangsgr en und damit die Genauigkeit bei derKoordinatenberechnung, die Effizienz von Ans tzen zur Korrektur von Abbildungsfehlernund ggf. die Stabilit t der Softwarel Prinzip der optischen 3-D-Messtechnik mittels Streifenprojektion kann im Grunde mit ei-nem Diaprojektor, einem Dia mit der Streifenstruktur und einer CCD-Kamera demonstriertwerden.

7 Als Projektionsgitter k nnen hochgenaue periodische Strichplatten mit Liniendichtenvon 4 bis zu 40 Linien pro mm verwendet werden. Seit einiger Zeit sind auch Mikrodisplaysauf LCD-, LCoS- und DMD-Basis zur Streifengenerierung verf gbar /3/. Damit kann die Strei-fenstruktur softwarem ig definiert werden. Die verwendeten Projektionsobjektive sollenverzeichnungsfrei abbilden, eine gleichm ige Bildausleuchtung erm glichen und eine kon-trastreiche Projektion von bis zu 40 Linien / mm gew hrleisten. F r die Zentralprojektion ste-hen dabei hochwertige Kleinbildobjektive mit fester Brennweite und definiertem Arbeitsab-stand zur Verf gung, f r die telezentrische Projektion die hochwertigen c-mount-Objektivef r die folgenden sind kurz die grundlegenden eingesetzten Mikrodisplayprinzipien erl (Direct driven Image Light Amplifier)Der D-ILA-Chip ist eine Weiterentwicklung des sogenanntenILA - Lichtventils.

8 Unpolarisiertes Licht wird mit einem Poltei-ler polarisiert und auf die in einzeln steuerbare Pixel unterteil-te bilderzeugende Fl che (D-ILA-Chip) gelenkt. Diese reflek-tiert das Licht. Dabei wird in Abh ngigkeit von der Ansteue-rung des Punktes die Polarisationsrichtung gedreht. Im Poltei-ler wird die Polarisationsmodulation zur Helligkeitsmodulati-on, weil eine Polarisationsrichtung durch Reflexion ausge-koppelt wird. Dieses Licht wird auf einen Absorber durchtretende Licht wird projiziert. Da durch die Polari-sierung des Lichtes schon mindestens 50% Verluste entste-t$- j *, Abb. 4: Prinzip Oberfl chenprofilmesstechnik, , Stuttgart