3-D-Geometriebestimmung von Objekten mittels Punktprojektion und Photogrammetrie (CloudPro)

CloudPro steht für Cloud Projection und benennt ein Verfahrenskonzept, das der Bestimmung der räumlichen Geometrie von Oberflächen dient. Die zu vermessende Oberfläche wird mit einer optischen Projektion signalisiert und mit Kameras erfasst. Die erzeugten Bilder werden verschiedenen radiometrischen und geometrischen Rechenoperationen unterzogen, an deren Ende in jedem Bild eine Vielzahl erkannter Punktsignale vorliegt. Diese werden in einer simultanen Triangulation weiterverarbeitet, womit eine präzise und ausgewogene Bestimmung der Raumpositionen der Punktsignale möglich ist. Aus dieser Wolke diskreter Punkte kann abschließend die darin repräsentierte Oberfläche bestimmt werden.

Einführung

In wachsendem Maße wird die uns umgebende Welt in den Rechner abgebildet und darin gespeichert, manipuliert und visualisiert. Damit erschließen sich neue, ungeahnte Möglichkeiten im Umgang mit den realen, als Vorlage dienenden Objekten, indem nicht sie selbst, sondern ihre digitalen Kopien den unterschiedlichsten Operationen unterzogen werden. Einsatzmöglichkeiten finden sich beispielsweise im Medienbereich, weil sich auf diesem Wege neue, auf die realen Objekte nicht anwendbare Manipulationen vornehmen lassen und damit ganz neue gestalterische Freiheiten gewonnen werden. Aber vor allem auch im industriellen Umfeld wird in wachsendem Maße die möglichst objektgetreue und präzise Beschreibung von Objekten benötigt. Dies kann zu Zwecken der Qualitätskontrolle, des Re-engineering, der Objekterkennung, der Überwachung und vielen weiteren Anwendungen geschehen.

Im Zusammenhang mit der Ermittlung von Oberflächengeometrien spielt noch eine Vielzahl weiterer Aspekte eine Rolle, die über die Verwendbarkeit einzelner Techniken entscheiden. Dabei sind Aspekte wie Flexibilität, Genauigkeit, Vielseitigkeit, Berührungslosigkeit, Portabilität, Einfachheit in der Handhabung aber nicht zuletzt auch die Kosten von Interesse. Dementsprechend haben sich im Laufe der Zeit verschiedenste Ansätze zur Bestimmung von Oberflächengeometrien herausgebildet, die ihre individuellen Stärken und Schwächen besitzen, aber selten allen Kriterien genügen. Es ist daher immer noch reichlich Spielraum für Verbesserungen und neue Verfahrensalternativen, mit denen man den verschiedenen Aspekten näher kommen kann.

Dementsprechend geht auch das vorgestellte Verfahren neue Wege, indem es Fortschritte in den optischen Technologien nutzt und durch Kombination mit entsprechenden Bildverarbeitungs- und anderen Rechenverfahren ein sehr flexibles und skalierbares Messkonzept bereitstellt.

Konzeption

Das grundsätzliche Vorgehen sieht vor, dass das Objekt in einer Aufnahmephase metrisch erfasst und in einer anschließenden Verarbeitungsphase ausgewertet wird. In der Aufnahmephase wird die Oberfläche des Objekts mithilfe geeigneter Projektionstechniken signalisiert und mit einfachen kalibrierten Digitalkameras optisch erfasst. Die Verarbeitungsphase besteht aus mehreren Schritten, die zunächst einige notwendige Vorbereitungen vorsehen und im Kern der Auswertung aus Bildverarbeitungsalgorithmen und photogrammetrischen Operationen bestehen.

Im Prinzip können die Aufnahmen aus frei gewählten Perspektiven auf das Objekt gerichtet werden und auch die Anzahl der einzusetzenden Bilder ist letztendlich beliebig. Gegebenenfalls beschränkt man sich auch auf zwei, auf einer Basis stabil und fest verbundene Kameras, die das Objekt in einer Stereoanordnung erfassen. Der Vorteil dieses Vorgehens liegt in der Vereinfachung des weiteren Prozederes, weil die Orientierungsberechnung entfallen kann. Allerdings reduziert sich die Genauigkeit damit auf das mit zwei Bildern erreichbare Maß.

Für die Projektion kommen Methoden in Frage, die eine präzise Abbildung mit hohen Kontrasten erlauben. Zuallererst ist dabei an Laser zu denken, die mit Hilfe optischer Komponenten in geeignete Muster umgeformt werden. Hier kommen diffraktive optische Elemente in Frage, aber auch diffraktive Komponenten sind heute erhältlich und flexibel gestaltbar. Andere Vorgehensweisen (Videoprojektion) sind natürlich auch realisierbar, erreichen aber wegen schwächerer Kontraste und Schärfe ggf. geringere Genauigkeiten.

Mit Laserprojektion verbinden sich mehrere Vorteile:

· energiereiche Strahlung
· in allen Umgebungen einsetzbar
· nahezu unabhängig von der Beschaffenheit des Untergrunds
· besitzt hohe Schärfentiefe
· die Projektion ist auch über längere Zeiträume geometrisch stabil
· die Einrichtung ist portabel
Nachteil der Laserprojektion ist allerdings die mögliche Wechselwirkung mit den obersten Materialschichten, die in Abhängigkeit von der Rauigkeit zu unerwünschten Speckleeffekten führen kann und sich negativ auf die Genauigkeit auswirkt. Gegebenenfalls lässt sich die Wirkung durch eine größere Zahl von Aufnahmen kompensieren.
· Im Zuge der Auswertephase wird das Bildmaterial verschiedenen Maßnahmen unterzogen, die in unten stehender Übersicht zusammengefasst sind. Es geht dabei im Wesentlichen umdie Bestimmung von Position und Raumlage der aufgenommenen Messbilder (Bildorientierung)
· die Detektion der Punkte des abgebildeten Musters
· die Ermittlung der Korrespondenz der Musterpunkte
· und die Gewinnung der 3-D-Koordinaten auf dem Weg der Bildtriangulation
Die Ermittlung der Bildorientierung kann auf Basis von interaktiven Messungen erfolgen, für einen permanenten Einsatz empfehlen sich automatische Techniken. Hierzu sind Orientierungsinformationen im Objektraum nötig, die beispielsweise in Form von speziellen, im Objektraum ausgelegten Orientierungsobjekten bereitgestellt werden kann. Die Gestaltung der Orientierungsobjekte erlaubt eine automatische Detektion und schafft die Grundlage für die Ermittlung der Bildperspektiven.

Die Detektion der Musterpunkte geschieht mithilfe von Operatoren, die angepasst an die gewählte Projektion (Farbe, Intensität, Mustertyp) die einzelnen Bilder auf entsprechende Merkmale untersuchen. Auch hierbei wächst die Leistungsfähigkeit mit der Qualität der Abbildung, weshalb Laserpunkte angesichts der starken Intensität und der hohen Sättigung im Allgemeinen Vorteile haben.

Die Bestimmung der Korrespondenz ist nötig, um die vielen gleichartigen Objektpunkte zueinander in Beziehung setzen zu können. Im Unterschied zu anderen Techniken, die hierzu optische Informationen nutzen, arbeitet die hier verwendete Lösung primär über Geometriebedingungen, die sich aus den bekannten Orientierungen der Bilder und den Nachbarschaftsbeziehungen zwischen den abgebildeten Punkten ableiten lassen.

Ergebnisse:

Ein Verarbeitungsbeispiel ist in den Abbildungen gezeigt. Dabei wurde eine Testinstallation ausschnittsweise mit einem Muster belegt und aus mehreren Perspektiven mit kalibrierten Digitalkameras aufgenommen. Die Bilder hatten eine Größe von ca. 2500 x 2000 Pixel und eine Auflösung von unter einem halben Millimeter. In die Versuchsanordnung wurden 6 Bilder einbezogen, die analysiert und trianguliert wurden. Die am Objekt erreichte Genauigkeit lag bei ca. 0,1 mm, ein für viele Aufgabenstellungen ausreichender Wert.

Fazit

Die aktuellen Entwicklungen in der Optik eröffnen neue Möglichkeiten für Messkonzepte. So lässt sich mit einfachen optischen Komponenten ein Laser zu einer leistungsfähigen Projektionseinrichtung ausbauen, auf deren Grundlage Objekte so ausreichend signalisiert werden können, dass sie sich mithilfe der Bildverarbeitung und Photogrammetrie in ihrer räumlichen Struktur vermessen lassen.

Die Vorteile des hier gezeigten Verfahrens sind im einfachen Aufbau, der universellen Anwendbarkeit und des trotzdem hohen Genauigkeitspotenzials zu sehen. Auch auf der Kostenseite bietet das Verfahren gute Voraussetzungen, da im Prinzip mit herkömmlichen Digitalkameras gearbeitet werden kann, sofern deren innere Geometrie vorab bestimmt wurde.

Das System wird im Rahmen der Sonderschau „Berührungslose Messtechnik“ anlässlich der Control 2006 in Sinsheim, 9. bis 12. Mai, in Halle 7, Stand 7228, vorgestellt. Die Sonderschau will einen Beitrag zur Verbreiterung der Akzeptanz berührungsloser Messtechnik leisten, indem an einigen ausgewählten Exponaten die Konstruktionsprinzipien, Eigenheiten und Grenzen der neuen Messmöglichkeiten demonstriert werden. Die Sonderschau findet mit Unterstützung der P. E. Schall GmbH, den Mitgliedern des Control-Messebeirats und der Fraunhofer-Allianz Vision statt.

Fachliche Anfragen:
FH Mainz
i3mainz
Prof. Frank Boochs
Telefon: +49 6131 28596-72
E-Mail: boochs@geoinform.fh-mainz.de
Presse-Anfragen:
Fraunhofer-Allianz Vision
Regina Fischer, M. A.
Telefon: +49 9131 776-530
E-Mail: vision@fraunhofer.de
Die Fraunhofer-Allianz Vision ist ein Zusammenschluss von Fraunhofer-Instituten zu den Themen Bildverarbeitung, optische Inspektion und 3-D-Messtechnik, Röntgenmesstechnik und zerstörungsfreie Prüfung.