Streifenprojektion Grundlagen, Systeme und Anwendungen

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1 Streifenprojektion Grundlagen, Systeme und Anwendungen Heinz-Jürgen Przybilla Hochschule Bochum, Fachbereich Vermessung und Geoinformatik Lennershofstraße Bochum 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 Tachymetern basieren, gewinnt die 3D-Messtechnik kontinuierlich an Bedeutung. Verfahren der Photogrammetrie, als auch in jüngerer Zeit des airborne und terrestrischen 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 bisher eher großen Dimensionen gemessener Objekte verlagern sich die Einsatzgebiete 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 -weiterverarbeitung 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- 1

2 den u. a. zur Formbestimmung und Formprüfung in industriellen Anwendungen sowie bei der Digitalisierung von Kunstobjekten zu deren Dokumentation eingesetzt. 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 Photogrammetrie anzuführen, da der Inhalt des erzeugten Messbildes von der vorhandenen Strahlung der erfassten Objekte abhängt. Aktive Verfahren (Abb. 1) so wie die Streifenprojektion bringen hingegen gezielt Energie zum zu erfassenden Objekt und registrieren dann die reemmitierte Strahlung. Abb. 1: Aktive Methoden zur 3D-Datenerfassung (Gühring 2002) 2

3 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 deformiert 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 (Triangulationswinkel, Länge der Basis, Zahl der Kameras etc.) bestimmt die Größe des Messfeldes und auch die Genauigkeit des Systems. Natürlich hängt die Systemgenauigkeit zudem vom Auflösungsvermögen des Projektors und der Kamera/Kameras sowie anderen Einflussfaktoren ab, wie zum Beispiel den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Beleuchtung etc.). Die grundlegende geometrische Konfiguration eines Streifenprojektionssystems entspricht der des geodätischen Vorwärtsschnitts in seiner räumlichen Anordnung: bei definierter Basis erfolgen Richtungsmessungen durch gegenseitig räumlich orientierte Theodolite. Wird das Messgerät Theodolit durch Messkameras ersetzt, so ergibt sich die in Abb.3 dargestellte Situation. Durch Messung der Bildkoordinaten der Bildpunkte, und unter Kenntnis von Innerer und Äußerer Orientierung der Messkameras, lassen sich die 3-dimensionalen Koordinaten des Objektpunktes P berechnen. 3

4 Abb. 3: PhotogrammetrischePunktbestimmung mittels 3D-Vorwärtsschnitt Wird eine Kamera durch einen Projektor mit geeignetem Projektionsmuster ersetzt, 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 Zufallsmuster oder eine Anordnung paralleler Projektionslinen erreicht werden. Letztere Vorgehensweise entspricht dem Prinzip des Streifenprojektors. Abb. 4: Aktive Triangulation Objektbeleuchtung durch Linienprojektion, Objekterfassung mittels Kamera 4

5 2.2 Das Korrespondenzproblem Das Korrespondenzproblem definiert die Aufgabenstellung homologe Bildpunkte (identische Objektmerkmale) in mehreren Bildern zuzuordnen, um im Anschluss unter Kenntnis der Inneren und Äußeren Orientierung 3D- Objektkoordinaten zu berechnen. Mit dem Kodierten Lichtansatz steht ein geeignetes 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 korrespondierenden 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 benachbarte Zahlen nur in einer einzigen dualen Ziffer unterscheiden (bei Binärcodes also 1 Bit). Gray-Code Sequenz Abb. 5: Projektion binärer Streifenmuster (Gühring 2002) 5

6 Um hohe Genauigkeiten zu erreichen muss die Zuordnung zwischen Punkten auf den Bildebenen von Kamera und Projektor subpixelgenau erfolgen. Abhängig von Projektionsmustern und Auswertestrategie werden verschiedene Verfahren genutzt: Line-Shift-Verfahren Für jede ganzzahlige Position des Projektors (x Pi, y Pi ) wird die homologe Position in der Bildebene der Kamera (x Ki, y Ki ) subpixelgenau berechnet Time-Space sowie Phase-Shift-Verfahren Für jede ganzzahlige Position der Kamera (x Ki, y Ki ) wird die homologe Position in der Bildebene des Projektors (x Pi, y Pi ) 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 phasenverschoben 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

7 (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 gekennzeichnet. Zu den wichtigsten Firmen zählen (alphabetisch): ABW, Automatisierung und Bildverarbeitung Dr. Wolf GmbH, Frickenhausen ( Breuckmann GmbH, Meersburg ( GOM GmbH Optical Measung Techniques, Braunschweig ( Steinbichler Optotechnik GmbH, Traunstein ( 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 Beispiel des Systems optotop-he der Fa. Breuckmann mögliche Systemvarianten. 7

8 Die Dauer einer Messsequenz ist mit ca. 1-2 Sekunden zu veranschlagen. Die sich anschließende Berechnung der flächenhaft verteilten 3D-Koordinaten benötigt einige Sekunden, abhängig von der Anzahl der zu berechnenden Koordinaten, 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 Genauigkeit besser 1/10000 des Field-Of-View (FOV). Die diesbezüglichen Herten Vergleich der Systeme (Bange et al. stellerangaben differieren z. T. erheblich und erschweren somit einen qualifizier- 2007b). Comet 5 (Foto: Steinbichler) ATOS III (Foto: GOM) Stereo-Scan (Foto: Breuckmann) Abb. 8: Aktuelle Streifenprojektoren Tab. 1: Standard-Messbereiche 30 ; Breuckmann Breuckmann optotop-he (Triangulationswinkel 2007) optotop-he (Foto: Breuckmann) Basislänge L Arbeitsabstand Bilddiagonale [mm] 100 mm 320 mm mm 700 mm mm 1250 mm Brennweitenbezeichnung Tele Standard Weitwinkel Empfohlene Kombinationen für Standard-Mes sbereiche Kleine FOV s: L L L Große FOV s: L L L

9 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 Messsystemen 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 bildgebende Systeme mit flächenhafter Antastung (in mehreren Einzelansichten) definiert (Antastabweichung, Kugelabstandsabweichung, Ebenheitsmessabweichung). 3.2 Auswerteprozess Die flächenhafte Erfassungscharakteristik eines Streifenprojektionssystems ermöglicht eine Objektvermessung grundsätzlich schon mit einem einzelnen Scan. In der Regel wird jedoch aufgrund der spezifischen Objektform eine Mehrfacherfassung notwendig sein, bei der entweder durch Positionsänderung des Sensors 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 gegenseitigen Orientierung der Scans. Diese als Registrierung bekannte Aufgabenstellung 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 Bearbeitungsschritt dreiecks-vermascht. Dies erfolgt mit Programmen aus dem Bereich 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 9

10 (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), 10

11 Reverse Engineering (Werkzeugbau, Design, Modelle) medizinischen Applikationen ( Bodyscans, Oberflächenmessungen der Haut), Forensik bis hin zu Archäologie und kunsthistorischen Objekten. den Internet- Detaillierte Information über Anwendungsbeispiele können z. B. darstellungen der Hersteller entnommen werden (siehe Literatur). 5 Résümee Die Streifenprojektion hat sich als leistungsfähiges optisches 3D-Messverfahren etabliert. Mit Messgenauigkeiten im Submillimeterbereich, anwendungsorientierten Produktlinien und einer zwischenzeitlich erprobten Prozesskette zur Verarbeitung der Punktwolken bietet sie dem Nutzer ein breites Anwendungsspektrum und somit auch dem Vermessungsingenieur erweiterte Möglichkeiten für neue Tätigkeitsfelder. Literatur ABW (2007): Streifenprojektio nssysteme der ABW GmbH. Seitenzugriff Oktober 2007 Altschuler, M., Altschuler, B. R. & Taboada, J. (1979): Measuring surfaces spacecoded by a laser-projected dot matrix. Imaging Applications for Automated Industrial Insprection and Assembly, SPIE 1979 Andrä, P. & Peipe, J. (2002): Zur Erfassung von Freiformflächen mit Streifenprojektionssystem und digitaler Nahbereichsphotogrammetrie. In: Vorträge 22. Wissenschaftlich-Technische Jahrestagung der DGPF, Publikationen der DGPF, Bd. 11 (Hrsg. E. Seyfert), Potsdam, S Bange, L., Peipe, J. & Przybilla, H.-J. (2007a): 3D-Dokumentation des Essener Domschatzes. Publikationen der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation e.v., Band 16 Bange, L., Peipe, J. & Przybilla, H.-J. (2007b): Genauigkeitsmaße eines Streifenprojektionssystems zur 3D-Objekterfassung, In: Luhmann, Th. & Müller, C. (Hrsg.): Photogrammetrie, Laserscanning, Optische 3D-Messtechnik, Herbert Wichmann, Heidelberg Besl, P. J. & MacKay, N.A. (1992): A method for registration of 3-D shapes. IE- EE Transactions on Pattern Analyses and Machine Intelligence. Band 14(2), S Breuckmann (2007): Streifenprojektionssysteme der Breuckmann GmbH. Seitenzugriff Oktober

12 GOM (2007): Streifenprojektionssysteme der GOM GmbH. Seitenzugriff Oktober 2007 Gühring, J. (2002): 3D-Erfassung und Objektrekonstruktion mittels Streifenprojektion. Dissertation Universität Stuttgart, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen. Hau, Th. (1999): Adaption photogrammetrischer Verfahren zur flexiblen Orientierung und Kalibrierung eines Streifenprojektionssensors. PFG 6/1999, S Mark, R.-P., Günther, G., Brakhage, P. & W. Schreiber (1997): Calibration of Fringe Projection Systems. In: Optical 3-D Measurement Techniques IV (Hrsg. A. Grün / H. Kahmen), Wichmann Verlag, Heidelberg, S Riechmann, W. & B. Thielbeer (1997): Hochaufgelöste Oberflächenerfassung durch Photogrammetrie und Streifenprojektion. PFG, 3/1997, S Stahs, T. & Wahl. F. (1990): Oberflächenvermessung mit einem 3D- Robotersensor. ZPF 1990(6), S Steinbichler (2007): Streifenprojektionssysteme der Steinbichler Optotechnik GmbH. Seitenzugriff Oktober 2007 VDI/VDE (2002): VDI/VDE-Richtlinie 2634, Blatt 2. Optische 3D- Messsysteme. Bildgebende Systeme mit flächenhafter Antastung. Beuth Verlag, Berlin. VDI/VDE (2006): VDI/VDE-Richtlinie 2634 Blatt 3. Optische 3D- Messsysteme. Bildgebende Systeme mit flächenhafter Antastung in mehreren Einzelansichten. Beuth Verlag, Berlin. 12