Hochdynamische 3D-Messung in Crashexperimenten

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1 Hochdynamische 3D-Messung in Crashexperimenten Gunther Notni Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF Albert-Einstein-Straße Jena Technische Universität Ilmenau FG Qualitätssicherung und Industrielle Bildverarbeitung QBV Ilmenau SpectroNet Collaboration Forum März 2016 Dresden

2 Motivation und Einordnung Passive Fahrzeugsicherheit neue Konstruktionsweisen veränderte Masseverteilungen spezielle Schutzstrukturen Antwort 1 Experimentelle Crash-Tests gesetzl. vorgeschrieben teuer, zeitaufwändig Anforderung Antwort 2 Virtuelle Crash- Simulationen Anforderung? Prognosefähige Simulationsmodelle? hohe Parametervariabilität mangelnde Validität unzureichende Prognosefähigkeit Verkürzte / Verbesserte Entwicklungsprozesse

3 Motivation und Einordnung Notwendig für Validierung der Simulationsmodelle Räumlich und zeitlich dichter 3D-Datenstrom Parameteranforderungen: Messfelder: 0,5 x 0,5 m 2-2 x 2 m 2 3D-Bildrate >1 khz Messdauer: bis 1 s Genauigkeit: < 1 mm Keine Präparation / Marken Hochdynamische 3D-Messung großflächiger Objekte Kein Laser (Arbeitsschutz)

4 Messprinzip - Aktive Triangulation Musterprojektion zeitliche Kodierung Projektion aperiodischer Sinusmuster

5 Methode der zeitlichen Kodierung aperiodische Sinusmustern Aufsuchen korrespondierender Punkte mittels normierter Kreuzkorrelation der Bildstapel 3D-Daten Kamera 1 Pixel p i Intensitäten am Pixel p i Suche der gleichen Bildfolge in Kamera 2 Keine Kenntnis Phasenschiebung Keine Synchronisation Intensitätsänderungen wenig Einfluss

6 High-power high-speed Musterprojektion - Goboprojektion Hochgeschwindigkeits-3D-Vermessung großer Objekte (einige m 2 ) erfordert großen Lichtstrom (außerdem kostengünstig; kein Laser (Industrie!)) Lösung: Nutzung hitzebeständiger nicht-digitaler Projektionstechniken GOBO (GOes Before Optics - Graphical Optical BlackOut) hitzebeständige Musterstruktur aus Metall (typisch bei Schweinwerfern für Theater oder Reklame) High power Gasentladungslampe mit Lumen (575W) Gasentladungslampe Bild Objektiv Elliptischer Spiegel Gobo ( Dia )

7 Modifizierte Goboprojektion Variabel Muster durch rotierendes Metall-Rad mit Musterstrukturen (variable Steg-Schlitz-Breiten aperiodische Sinusmuster) mit 800 U/min Lichtquelle Elliptischer Spiegel Motor Objektiv Rotierendes Metallrad mit variablen Steg- Schlitz-Breiten Musterrad

8 Goboprojektion Musterrad Musterrad: variable Steg-Schlitz-Breiten; Bewegungsunschärfe durch Drehung mit 800U/min aperiodische Sinusmuster durchstrahlter Bereich GOBO Musterrad Schlitz- / Stegbreiten von 0,20 1,36 mm (innen) 0,39 2,59 mm (außen) Steglänge: 60mm = 390mm

9 High-speed 3D-Messung mit Goboprojektion Zwei high-speed Kameras 12.5kHz 1MPixel (0.4s Gesamtaufmahmezeit - 8GB) Photron FASTCAM SA-X2 Hohe Sensitivität mit ISO > D-Datasätze/s Variable Messdistanz (1m bis einige m) Messfeld 0.5m x 0.5m bis 2m x 2 m Die hohe Intensität des Goboprojektors und Sensitivität der Kameras ermöglicht Aufnahmezeiten von 1/ s.

10 High-speed 3D-Messung mit Goboprojektion Kontaktlose Prüfung der Airbagöffnung Highspeed Goboprojektor Highspeed Kameras ( MPix) Demonstrationsaufbau Sensorsystem

11 High-speed 3D-Messung mit Goboprojektion >1000 3D-Bilder/s ( 4D-Formvermessung ) deviation visualisation by Fraunhofer SCAI

12 3D-Analyse Deformation von Stützstrukturen Crashexperiment

13 3D-Analyse Deformation von Stützstrukturen 3D-Punktewolke

14 3-D difference High-speed 3D-Messung mit Goboprojektion 3D-Bewegungsanalyse Seilspringer 10 mm 1 mm 1 mm 10 mm 0 ms 19 ms 19 ms 38 ms 3D-Punktewolke 3D-Bewegungsanalyse - Differenzbilder

15 High-speed 3D-Messung mit Goboprojektion 3D-Bewegungsanalyse Ballwurf

16 High-speed 3D-Messung mit Goboprojektion Geschwindigkeit und Deformation eines Balles beim Fußballschuss Bildsequenz: Ausschnitt t=7,5ms 15ms Bräuer-Burchardt Ch. et.al., to be published High-speed accurate 3D scanning of human motion sequences 6 th Int. Conference 3D Body Scan Lugano (2015)

17 Danksagung Projektförderung Thüringer Aufbaubank, Einzelbetriebliche Technologieförderung unter Nutzung von EFRE Fördermitteln, FKZ: AZ /Ls B7-Ls/ Fraunhofer WISA Forschungsprojekt HORUS FKZ: Mitarbeiter der AG 3D-Messtechnik der Abteilungen Optische Systeme Dr. P. Kühmstedt, Dr. P. Lutzke, St. Heist, Dr. Ch. Bräuer-Burchardt, D. Höhne, P. Dietrich