Entwicklung eines handgeführten 3D-Farbscanners

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1 1 Entwicklung eines handgeführten 3D-Farbscanners Peter KÜHMSTEDT, Matthias HEINZE, Ingo SCHMIDT, Christian BRÄUER-BURCHARDT, Andreas BREITBARTH und Gunther NOTNI Zusammenfassung Für die simultane Bestimmung von Geometrie, 3D-Struktur und Farbe der Oberfläche von Messobjekten wurde ein handgeführter 3D-Scanner auf Basis der Streifenprojektionstechnik entwickelt. Zusammen mit den 3D-Oberflächendaten wird die Farbinformation des Messobjektes gespeichert und kann sowohl zur Darstellung des Messergebnisses als auch zur Gewinnung weiterer Messdaten verwendet werden. 1 Einleitung Die dreidimensionale Bestimmung der Oberfläche von Messobjekten spielt heutzutage in vielen Bereichen der industriellen Qualitätssicherung, der wissenschaftlichen Forschung, der Medizin bis hin zur Archäologie eine immer bedeutendere Rolle. Dementsprechend erfolgt eine Entwicklung entsprechender Messsysteme, an die immer höhere Anforderungen bzgl. Flexibilität, Messgenauigkeit und Performance gestellt werden [MUNKELT 2007]. Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik Jena erfolgte in den vergangenen Jahren die Entwicklung verschiedenster streifenlichtbasierter Messsysteme für die unterschiedlichsten Anwendungsgebiete. Eines dieser spezialisierten Systeme ist das sogenannte kolibri CORDLESS, welches sich durch vollständige Mobilität und Handführbarkeit gegenüber anderen 3D-Messsystemen besonders auszeichnet. Es erlaubt die berührungslose Vermessung verschiedenster Objekte in unterschiedlichen, teils auch schwer zugängigen Umgebungen. Der Sensorkopf kann durch den Nutzer frei Hand gehalten oder mit einem beliebigen Handlingsystem (Stativ, Roboter o.ä.) in verschiedenen Aufnahmesituationen eingesetzt werden. Abb. 1: Ultramobiler handgeführter 3D- Farbscanner kolibri CORDLESS color

2 2 P. Kühmstedt, M. Heinze, I. Schmidt, C. Bräuer-Burchardt, A. Breitbarth und G. Notni Dank innovativer Hochgeschwindigkeits-Projektionstechnik auf LED-Basis und kabelloser Datenübertragung mittels WLAN ist das System leicht und mehrere Stunden akkubetrieben autark einsetzbar. Der kolibri CORDLESS ist ein innovatives 3D-Scangerät, das unter anderem auf den Gebieten 3D-Inspektion, Reverse Engineering, Styling, Design & Analyse, in medizinischen Anwendungen, 3D-Archivierung, Kulturerbebewahrung, Architektur, Archäologie und Kriminalistik eingesetzt werden kann. Für eine Reihe von Anwendungen spielt jedoch die Erfassung der Farbinformation der Oberfläche zusätzlich zur erfassten Geometrie eine bedeutende Rolle. Aus diesem Grund wurde das Stereobild-basierte Messsystem kolibri CORDLESS um eine zusätzliche Farbkamera erweitert. Diese erfasst nicht ausschließlich Farbe und Textur, sondern realisiert die Verknüpfung der 3D-Oberflächendaten mit der Farbinformation. 2 Messprinzip und Aufbau des handgeführten Scanners Das Grundprinzip des dieser Arbeit zugrundeliegenden handgeführten 3D-Scanners ist die stereobasierte Streifenprojektion. Ein Projektor beleuchtet das Messobjekt mit zwei um 90 rotierten Gittersequenzen, welche simultan durch zwei Kameras beobachtet werden. Aus den Sequenzen, die aus einer Gray-Code-Sequenz und einer Folge phasenverschobener (1+cos)-Muster bestehen, werden sogenannte Feinphasenwerte generiert. Diese entsprechen eindeutigen Koordinaten in der Projektor-Bildebene und dienen zur Definition homologer Punkte in den beiden Kamerabildern, die zeitgleich aufgenommen wurden. Die Eindeutigkeit der Feinphase beruht auf ihrer fehlerfreien Berechnung. Abb. 2: Messablauf und Datenfluss des handgeführten Sensors

3 Entwicklung eines handgeführten 3D-Farbscanners 3 Das Messsystem besteht aus einem Sensorkopf, einer Mobileinheit mit Notebook, Akkus und Elektronik, sowie einem Bedienpanel in Form eines ipod touch, der wie eine Armbanduhr getragen wird (siehe Abb. 2). Die Mobileinheit kann über WLAN mit einer Basisstation verbunden werden, die aus dem Hauptrechner und Peripherie (Monitor, etc.) besteht. Diese Basisstation ist optional und in Abbildung 2 nicht gezeigt. Hauptkomponenten des Sensorkopfes sind zwei Kameras und ein Pocket-Beamer. Dieser realisiert die Beleuchtung der Szene mit der bereits kurz erwähnten Sequenz aus Gray- Code- und (1+cos)-Streifenmustern. Das ausgeleuchtete Bildfeld erreicht dabei eine Ausdehnung von ca. 240 mm x 175 mm in typischerweise etwa 400 mm Entfernung zwischen Sensorkopf und der Mitte des Messvolumens. Der Projektor arbeitet akkubetrieben und realisiert eine Bildwiederholrate von 60 Hz, sodass alle 16,7 ms ein neues Muster projiziert werden kann. Für die Bedienung des 3D-Sensors wird hauptsächlich nur der Auslöseknopf benötigt, der sich am Sensorkopf befindet. Über das Bedienpanel ipod touch wird neben der Möglichkeit der Parametereinstellung eine zweidimensionale Visualisierung der aktuellen Kamerabilder und des letzten 3D-Messergebnisses angezeigt. 3 Farbmessung Für die Verknüpfung von 3D-Messdaten, die mittels Triangulationsverfahren mit Bildern der beiden Monochrom-Kameras erzielt wurden, und Farbwerten aus der zusätzlichen dritten Kamera, wird die Methode der Phasenkorrelation [KÜHMSTEDT 2007] verwendet. In der Farbkameramatrix liegen zu jeder Ansicht sowohl Phasen- als auch Intensitätsmesswerte vor. Die Phasenmesswerte ermöglichen es, jeden Pixel jeder Ansicht aus den Schwarz- Weiß-Kameras in die Bildmatrix der Farbkamera einzuordnen. Aus den vier umliegenden Pixeln der Vierernachbarschaft errechnen sich anschließend aus dem RGB-Intensitätsbild die Farbwerte für den dem Pixel zugehörigen Messpunkt. Diese Methode hat verschiedene Vorteile gegenüber geometrischen Verfahren zum 2D-3D- Mapping (DELLEPIANE 2008). Zum einen ist der rechnerische Aufwand vergleichsweise gering, da für das Mapping kein vollständiges 3D-Modell benötigt wird. Zum anderen haben Verzeichnungen in der Aufnahmeoptik keinen Einfluss auf die Genauigkeit, da Phasenund Intensitätswerte mit derselben Verzeichnung aufgenommen werden. Prinzipiell besteht auch die Möglichkeit, eine der Messkameras durch eine Farbkamera zu ersetzen. Dies würde jedoch die Genauigkeit der Koordinatenmessung beeinträchtigen, da Farbkameras aufgrund des Bayer-Patterns, nur etwa ein Drittel der Intensität ansonsten baugleicher Schwarz-Weiß-Kameras verwenden (SIEPMANN 2009). Eine automatische Farbkalibrierung wird nicht vor jeder Messung durchgeführt. Dies lässt sich allerdings problemslos manuell durch einen Offline-Weißabgleich realisieren, dessen Werte bzw. Einstellungen gespeichert und für folgende Messungen als Grundlage herangezogen werden können.

4 4 P. Kühmstedt, M. Heinze, I. Schmidt, C. Bräuer-Burchardt, A. Breitbarth und G. Notni 4 Anwendungsgebiete Das Einsatzgebiet des handgeführten Sensors ist überall dort, wo mobile Einsetzbarkeit gefordert ist, eine komplizierte Zugänglichkeit herrscht oder kein Stromanschluss vorhanden ist und außerdem zusätzlich zur geometrischen 3D-Oberflächeninformation die Farbe des Messobjektes von Interesse oder messtechnischer Bedeutung ist. Insbesondere gehören zu den Einsatzgebieten die Qualitätssicherung an unterschiedlichen Standorten (Stichprobenkontrolle) Medizin: 3D-Digitalisierung für patientenindividuelle Versorgungen/Heilmittel z.b. Scannen am Patientenbett Montagekontrolle: Vermessung im PKW Kriminalistik: Digitale Spurensicherung / Tatortvermessung Archäologie: Digitale Sicherung von Ausgrabungen Digitale Kunstgüterarchivierung, Restauration Zu Teilen dieser Einsatzgebiete sollen beispielhaft im Folgenden ein paar Ergebnisse veranschaulicht werden. Abb. 3: Passgenaue Fertigung von Atemmasken im Medizinbereich. Links: Veranschaulichung des 3D-Ergebnisses eines Gesichtsscans. Mitte: Gefertigte Atemmaske. Rechts: Atemmaske im Einsatz am Patienten.

5 Entwicklung eines handgeführten 3D-Farbscanners 5 Abb. 4: Spurensicherung für die Kriminalistik in teilweise schwer zugängiger Umgebung. Rechts: 3D-Ergebnis des in sandigem Boden gemessenen Schuhabdruckes. a) b) c) d) Abb. 5: Digitale Sicherung von Ausgrabungen in der Archäologie am Beispiel einer Steinplatte mit urzeitlichen Saurierspuren. a) Foto der Steinplatte, die Abdrücke sind durch seitliche Blitzbeleuchtung hervorgehoben. b) Floating des 3D-Modells zur Visualisierung verschiedener Abdrucktiefen. c) 3D-Ergebnis einer Einzelmessung mit gemappter Farbtextur. d) 3D-Ergebnis der Einzelmessung c) in Monochromdarstellung.

6 6 P. Kühmstedt, M. Heinze, I. Schmidt, C. Bräuer-Burchardt, A. Breitbarth und G. Notni 5 Ausblick In dieser Arbeit wurde ein 3D-Messsystem vorgestellt, welches nicht nur für die Erfassung von Geometrie und 3D-Struktur makroskopischer Objekte konzipiert ist, sondern gleichzeitig auch die Farbtextur der Messoberfläche erfasst. Farbe und 3D-Ergebnis können auf Grundlage der Feinphasenauswertung in allen drei Kameras (zwei Monochrom-Kameras zur Erfassung der 3D-Struktur, eine zusätzliche Kamera für die Farbtextur) passgenau vereinigt werden. Wie in Abschnitt 4 beschrieben, existieren für diesen Ansatz der simultanen Bestimmung von 3D-Struktur und Farbtextur zahlreiche Einsatzgebiete, für die teilweise weitere Spezialisierungen in der Handhabung und Ausstattung der Messgeräte möglich und teilweise notwendig sind. Weiterentwicklungen sind sowohl in der realitätsnaheren Farbabbildung durch einen automatisierten, verbesserten Weißabgleich möglich, sowie durch die Verwendung höherauflösender Kameras, wobei die Messgenauigkeit nur bedingt und bis zu einem gewissen Grad von einer erhöhten Bildauflösung profitiert. Insgesamt konnte ein solides Messsystem für die farbtexturierte 3D-Erfassung vorgestellt werden, das sich insbesondere durch seine Mobilität auszeichnet und sich wie in Ausschnitten dem Abschnitt 4 entnehmbarer Messbeispiele bereits erfolgreich im praktischen Einsatz befindet. Literatur Dellepiane, M. & M. Callieri & F. Ponchio & R. Scopigno (2008): Mapping Highly Detailed Colour Information on Extremely Dense 3D Models: The Case of David's Restoration. Computer Graphics Forum, 27 (8), 2178 Kühmstedt, P. & C. Munkelt & M. Heinze & C. Bräuer-Burchardt & G. Notni (2007): 3D shape measurement with phase correlation based fringe projection. Proceedings SPIE 6616, 66160B Munkelt, C. & I. Schmidt & C. Bräuer-Burchardt & P. Kühmstedt & G. Notni (2007): Cordless portable multi-view fringe projection system for 3D reconstruction. IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, S. 1-2 Siepmann, J. & M. Heinze & P. Kühmstedt & G. Notni (2009): Pixel synchronous measurement of object shape and colour. Proceedings SPIE 7432, 74320Y