High speed 3D measurements with array projection

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Ruth Baumann
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1 High speed 3D measurements with array projection Ilmenau, STEINBEIS SpectroNet Collaboration Forum 2014, Dr. Gunther Notni, Fraunhofer IOF Jena Quelle: Fraunhofer IWU

Optische 3D-Sensorik Stand der Technik Anwendungen: Industrielle Messtechnik

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2 Optische 3D-Sensorik Stand der Technik Anwendungen: Industrielle Messtechnik Qualitätssicherung Reverse Engineering Life Science CAD-CAM in Zahnmedizin Gesichts- und Körperscans Hautvermessung Kunst und Kultur 3D-Archivierung Archäologie Sicherheit / Kriminalistik Spurensicherung 3D-Fingerscanner Biometrie Seite 2 Teil: C:\sequence\koo.prf Kommentar: 0 Profil Profil (1)repschn_0 MarWin (1)koo_schartigkeitsprofil 2.00 µm mm SP 2 Auswertung Schneidkante in MARWIN Zeichnungs-Nr.: µm Unterschiedlichste einsatzspezifische mm 3D-Scanner mit Messzeiten C:\Mahr\Users\sensor\Scripts\Schneidkante_Auswertung\Mehrschnittauswertung_Konverter_Version1.0_kalib.mpr von s bis min für die 3D-Vermessung stationärer Objekte verfügbar! Bearbeitungsschritt: Messweg Messweg :18:46 Prüfer: Ramm Unterschrift: Ra 0,6 µm Rq 0,8 µm Rz 3,2 µm Radius 6,0 µm Salpha 13,8 µm Sgamma 11,1 µm k-faktor 1,2 Abflachung 3,2 µm

Motivation: Markterfordernis - Beispiele Produktion Messen von

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Werkzeuge) sehr kurze Belichtungszeit 80 % Messzeiteinsparung

3 Motivation: Markterfordernis - Beispiele Produktion Messen von Stanzteilen im Fertigungstakt 100 % Messen von Teilen Teile / s 5 30 Messwerte / Teil Messunsicherheiten einige µm Auflösungen einige 10 µm Quelle: Otto Vision GmbH Messmaschine ohne Start-Stop-Regime Drehende Objekte (z.b. Werkzeuge) sehr kurze Belichtungszeit 80 % Messzeiteinsparung möglich Messunsicherheiten einige µm Auflösungen einige 10 µm Handgeführte mobile 3D-Sensorik Messung im Außenfeld (Forensik, Archäologie) Schnelle Inspektion Seite 3

4 Musterprojektionsverfahren - Aktive Triangulation System aus zwei Kameras und einer Projektionseinheit Bestimmung korrespondierender Punkte in beiden Kameraansichten erfordert die Projektion von Mustersequenzen Gray-Code G1 G2 G3 G4 G5 S1 S2 S3 Sn (1+Sin)-Muster Seite 4

Hochdynamische 3D-Messung hohe Genauigkeit (einige µm) hohe Dichte der generierten 3D-Punktwolken robuste Berechnung und Aufnahme + hohe Messgeschwindigkeit (ms) Algorithmische/methodische und

5 Hochdynamische 3D-Messung hohe Genauigkeit (einige µm) hohe Dichte der generierten 3D-Punktwolken robuste Berechnung und Aufnahme + hohe Messgeschwindigkeit (ms) Algorithmische/methodische und technologische Herausforderungen Neue Berechnungsalorithmen Optimierung von Punkt- und Phasenkorrelation Geschwindigkeitssteigerung durch Reduktion von Mustersequenzlängen Neue Projektionsprinzipien für schnelle Projektion von Mustern mit bis 10kHz Verwendung schneller Kameratechnologie Seite 5

6 Algorithmische und messmethodische Ansätze temporale Codierung der Objektoberfläche mit aperiodische Sinusmustern A5 A4 A3 A2 A1 x1 Seite 6 x2 x3

1 I 1 x 1, y 1 2 x 2, y 2 I 2 x 2, y 2 x 2, y 2 I 2

7 Algorithmische und messmethodische Ansätze Aufsuchen korrespondierender Punkte mittels normierter Kreuzkorrelation: ρ = N i=1 I 1 i x 1, y 1 I 1 x 1, y 1 I 2 i N i N i i=1 I 1 i=1 I 2 x 1, y 1 I 1 x 1, y 1 2 x 2, y 2 I 2 x 2, y 2 x 2, y 2 I 2 x 2, y 2 2 Seite 7 Lutzke et al.; Proc. SPIE Proc (2013)

8 Das Projektionsproblem! Kameras sind schnell (mehrere 100 Hz) - aber Projektoren!?? Ein Dia wechseln braucht schon etwas Zeit (0,5 Hz) Verschieben geht da schon schneller ( Hz) Digitale Projektoren 60Hz (mit ein paar Tricks auch 180 Hz) Mustergenerierung sehr flexibel Eingeschränkte Auflösung Mehrere hundert Hertz!? Seite 8

9 Neuer Ansatz: LED-Projektor aus Mikroprojektoren Baulänge Mikroprojektor = 3 mm viele Mikroprojektoren bilden eine Projektorgruppe und die Überlagerung der Bilder ergeben ein projiziertes Bild in der Bildebene Eine Projektorgruppe bildet einen Projektionskanal Seite 9

10 LED-Arrayprojektor optisches Prinzip Bild 3 Bild 2 Bild 1 Vervielfachung der Projektorgruppen (Projektionskanäle) mit jeweils getrennten LED s ARRAYPROJEKTOR mehrere projizierte Bilder Seite 10

11 Vorderansicht Arrayprojektor Mikroprojektor Projektionsgruppe (Projektionskanal) Seite 11

Technologische Entwicklung Miniaturisierung

(bis zu einigen khz) Technologische Basis

12 Technologische Entwicklung Miniaturisierung und Steigerung der Projektionsrate unabhängige Projektionskanäle Mustervariation durch Schalten der LEDs (bis zu einigen khz) Technologische Basis für Hochdynamische 3D-Messung Messzeit Array 3D-Messsystem konventionelles 3D- Messsystem 1,8ms 150ms t Seite 12 Heist et al.; Proc. SPIE Proc (2013)

13 3D Highspeedsystem auf Basis eines Array-Projektors Aufbau zur Live-Messung: ca. 30 3D-Bilder pro Sekunde Kamerabildrate: 360 Hz Kameraauflösung: 240 x 240 Aufbau zur Offline-Messung: ca D-Bilder pro Sekunde Kamerabildrate: 3 khz Kameraauflösung: 1024 x 1024 Seite 13 Heist et al.; accepted Opt. Eng. (2014)

14 Zusammenfassung - Hochdynamische 3D-Messung Das Prinzip der Arrayprojektion bildet Basis für kompakte, lichtstarke Projektoren mit hoher Umschaltfrequenz (bis einige khz) Verringerung von Störeinflüssen durch Nutzung temporaler Codierung mit aperiodischen Sinusmustern Eröffnet Möglichkeiten der 3D-Messung im Hochgeschwindigkeitsbereich (bis 1 khz 3D-Bildrate) für mobile Anwendungen und in Fertigungsprozessen Vorteil: Bildratenbegrenzung nicht durch Projektion bestimmt (bisher 180 Hz) da Mustergenerierung ohne digitale Bildgeber (DMD, LCOS) Seite 14

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Ultra-mobile 3D-Messtechnik Handgeführter 3D-Scanner kolibri CORDLESS Andreas Breitbarth, Peter Kühmstedt, Matthias Heinze, Ingo Schmidt, Gunther Notni 07745 Jena Albert-Einstein-Str. 7 www.iof.fraunhofer.de